KR20210099404A - 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 hvdc 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

평활화 리액터 제어 장치를 구비한 hvdc 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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hvdc system
reactor control
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이동수
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효성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 HVDC 시스템의 리플을 안정화함과 동시에 리액턴스를 제어하여 전력 손실을 감소시키고, HVDC 시스템의 리액턴스를 고속으로 제어하여 고장 전류의 고장 파급을 효과적으로 억제하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템은 AC 계통으로부터 고전압 직류를 생성하는 서브 모듈 및 서브 모듈과 AC 계통 사이에 위치하여 서브 모듈의 리플을 평활화시키는 평활화 리액터 제어 장치로 이루어진다.

Description

평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법{HVDC system comprising a smoothing reactor control device and Control method thereof}
본 발명은 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 서브모듈과 연결된 평활화 리액터의 리액턴스를 제어할 수 있는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 전력 계통을 연계하기 위해 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식보다 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 계통을 연계하는 방식에 대한 관심이 증대되고 있다. 국내에서도 전력 변환기를 이용한 고압 직류 송전(HVDC; High Voltage Direct Current) 시스템을 제주와 해남 사이에 설치하여 제주와 해남의 전력 계통을 연계하고 있다.
이는, 발전소에서 발전한 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환시켜 송전한 후, 원하는 수전 지역에서 다시 교류 전력으로 재 변환하는 공급 방식을 말하며, 교류 방식에 비해 직류 방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 2배 이상 큰 장점이 있다.
한편, 상술한 HVDC 시스템은 직류를 생성하는 서브 모듈로서 DC - DC 컨버터 장치인 모듈러 멀티 레벌 컨버터(MMC; Modular Multilevel Converter)를 복수 개로 사용하여 구성할 수 있다. 이때, 서브 모듈의 고장을 대비하여 안정화된 HVDC를 운용하기 위한 연구가 지속되어 왔다.
그 일례로, 대한민국 특허공개공보 제10-2017-0079613호에서는 MMC 컨버터의 컨버터 암에 하프 브릿지의 서브 모듈과 풀 브릿지의 서브 모듈을 혼합하여 사용하여 DC 고장 차단이 가능하면서도 손실을 줄일 수 있도록 하는 MMC 컨버터 및 이의 DC 고장 차단방법을 제안하였다.
그러나 이 경우, 고장이 발생한 서브 모듈의 출력은 차단하는 반면, 정상 운용에 있어서 리플을 안정화할 수 없는 단점이 있다.
대한민국 특허공개공보 제10-2017-0079613호(2017.07.10.)
본 발명의 목적은, HVDC 시스템의 리플을 안정화함과 동시에 리액턴스를 제어하여 전력 손실을 감소시키는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 고장 발생 시 HVDC 시스템의 리액턴스를 고속으로 제어하여 고장 전류의 고장 파급을 효과적으로 억제하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템은 AC 계통으로부터 고전압 직류(HVDC)를 생성하는 서브 모듈 및 상기 서브 모듈과 상기 AC 계통 사이에 위치하여 상기 서브 모듈의 리플을 평활화시키는 평활화 리액터 제어 장치를 포함할 수 있다.
이때, 평활화 리액터 제어 장치는 HVDC 시스템이 정상 모드인 경우 리액턴스 성분을 가변하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 이루어져 있을 수 있다.
또한, 평활화 리액터 제어 장치는 HVDC 시스템에 고장 발생 시 고속으로 리액턴스 성분을 가변시켜 고장 전류 저감분을 제어하고 고장 전류 기울기를 저감시키도록 이루어져 있을 수 있다.
한편, 평활화 리액터 제어 장치는, 인덕턴스 값을 변경하기 위하여 인덕터에 탭을 구비한 인덕턴스 탭부; 상기 탭의 절환을 제어할 수 있는 기계적 제어부; 및 상기 탭의 절환을 고속으로 제어할 수 있는 고속 동작부;를 포함할 수 있다.
여기서, 인덕턴스 탭부는, 인덕턴스 값이 가변되는 다수의 탭을 구비할 수 있다.
또한, 고속 동작부는 퓨즈(FUSE) 또는 IGBT 중 어느 하나를 이용한 전력 전자 스위치를 구비할 수 있다.
한편, HVDC 시스템의 정상 모드에서는, 무효 전력을 감소시키기 위해 기계적 제어부 또는 고속 동작부 중 적어도 하나에 의해 인덕턴스 탭부의 탭이 절환되어 인덕턴스 탭부의 리액턴스가 제어될 수 있다.
또한, HVDC 시스템의 고장 발생 시에는, 고속 동작부가 인덕턴스 탭부의 탭을 절환하여 인덕턴스 탭부의 리액턴스를 제어함으로써 고장 전류의 고장 파급을 억제할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법은 평활화 리액터 제어 장치에서 상기 HVDC 시스템의 정상 여부를 판단하는 정상 여부 판단 단계, 상기 정상 여부 판단 단계에서 정상으로 판단될 경우, 상기 HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 정상 모드로 운용하는 정상 모드 운용 단계, 및 상기 정상 여부 판단 단계에서 고장으로 판단될 경우, 상기 HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 고장 모드로 운용하는 고장 모드 운용 단계를 포함하고, 상기 정상 모드 운용 단계에서는 상기 평활화 리액터 제어 장치가 기계적 제어부 또는 고속 동작부 중 적어도 하나에 의해 탭을 절환하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 리액턴스 성분을 가변하고, 상기 고장 모드 운용 단계에서는 상기 평활화 리액터 제어 장치가 상기 고속 동작부에 의해 탭을 절환하여 고장 전류 기울기를 저감시키도록 리액턴스 성분을 가변시킬 수 있다.
본 발명에 의한 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법은 정상 모드에서는 HVDC 시스템의 리플을 안정화함과 동시에 리액턴스를 제어하여 전력 손실을 감소시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법은 고장 발생 시 HVDC 시스템의 리액턴스를 고속으로 제어하여 고장 전류의 고장 파급을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 평활화 리액터 제어 장치를 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템을 나타낸 블록도이며, 도 2는 도 1을 상세히 설명하기 위한 세부 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템은 AC 계통(300)으로부터 고전압 직류(HVDC; High Voltage Direct Current)를 생성하는 서브 모듈(100), 및 서브 모듈(100)과 AC 계통(300) 사이에 위치하여 서브 모듈(100)의 리플을 평활화시키는 평활화 리액터 제어 장치(200)로 이루어진다.
평활화 리액터 제어 장치(200)는 HVDC 시스템이 정상 모드인 경우 리액턴스 성분을 가변하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 이루어져 있다.
또한, 평활화 리액터 제어 장치(200)는 HVDC 시스템에 고장 발생 시 고속으로 리액턴스 성분을 가변시켜 고장 전류 저감분을 제어하고 고장 전류 기울기를 저감시키도록 구성되어 있다.
HVDC 시스템에서의 고장 발생 여부를 판단하는 방법은 기존에 공지된 여러 방법을 사용할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 본 발명의 간명한 설명을 위해 생략한다.
도 2는 도 1의 평활화 리액터 제어 장치(200)를 상세히 나타낸 도면으로서, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 평활화 리액터 제어 장치(200)는 인덕턴스 값을 변경하기 위하여 인덕터에 탭을 구비한 인덕턴스 탭부(210), 탭의 절환을 제어할 수 있는 기계적 제어부(230), 및 탭의 절환을 고속으로 제어할 수 있는 고속 동작부(220)로 이루어진다.
즉, 본 발명은 기계적 제어부(230)를 통해 탭의 절환을 제어하거나, 고속 동작부(220)에서 전력 전자 스위치를 사용하여 탭의 절환을 제어할 수 있도록 구성되어 있다.
여기서, 인덕턴스 탭부(210)는 코일로 구성되어 있으며, 양 단의 인덕턴스를 가변하기 위해 인덕턴스 탭부(210)의 한 단을 인덕턴스 탭부(210)의 중간부터 시작할 수 있도록 탭을 구비할 수 있다. 탭의 수는 필요에 따라 N개로 구성할 수 있으며, 탭의 수가 많을 수록 HVDC 시스템은 다소 복잡해지나 무효 전력을 효과적으로 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 고속 동작부(220)는 퓨즈(FUSE) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중 어느 하나를 이용한 전력 전자 스위치를 구비할 수 있다.
본 발명에서는, HVDC 시스템의 정상 모드에서 무효 전력을 감소시키기 위해 기계적 제어부(230) 또는 고속 동작부(220) 중 적어도 하나에 의해 인덕턴스 탭부(210)의 탭을 절환함으로써 인덕턴스 탭부(210)의 리액턴스를 제어할 수 있다.
또한, 고장 발생 시에는 고속 동작부(220)가 인덕턴스 탭부(210)의 탭을 절환하여 상기 인덕턴스 탭부(210)의 리액턴스를 고속으로 제어함으로써 고장 전류의 고장 파급을 효과적으로 억제할 수 있다.
HVDC 시스템은 발전소에서 생산되는 고압의 교류전력을 전력 변환기를 이용해 고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후, 원하는 수전 측에서 다시 전력변환기를 이용해 교류 전력으로 변환하여 공급하는 시스템이다.
이와 같이, 직류전력을 전송할 때 직류 송전계통과 교류 송전계통 모두 무효 전력의 보상을 필요로 한다.
무효 전력이란, 실제로는 아무 일도 하지 않고, 열소비도 하지 않는 전력이다. 무효 전력은 오직 전원과 전기 기기를 왕복할 뿐 에너지가 발생되지 않기 때문에 실제로는 이용될 수 없다.
무효 전력 소비가 늘면 송전과정에서 전압이 지나치게 낮아져 정전이나 전력차단 상태가 생길 수 있다. 따라서 위와 같은 상황이 발생하는 것을 방지하기 위해 무효 전력을 적절하게 보상해주는 것이 필요하다.
송전계통에서는 직렬 보상장치로 TCSC(Thyristor-Controlled Series Compensation)와 같은 보상장치를 사용할 수 있고, 병렬 보상장치로는 기계적 스위치를 사용한 병렬 리액터, 병렬 커패시터와 전력반도체 소자로 기계적 스위치를 대신하여 과도특성 및 선형적 제어가 가능하도록 구성한 사이리스터(Thyristor)를 사용한 정적 무효 전력 보상장치(SVC; Static Var Compensator)와 IGBT 소자를 사용하는 정적 동기 보상 장치(STATCOM; Static Synchronous Compensator)를 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템은, 이러한 무효 전력을 최소화 하기 위해 고전압 직류를 생성하는 서브 모듈(100)과 AC 계통(300) 사이에 평활화 리액터 제어 장치(200)를 구비하여 그 리액턴스를 제어하고 있다.
이를 통해, 정상 모드에서는 서브 모듈(100)의 리플을 평활화 시킴과 동시에 전력 손실을 감소시킬 수 있고, STATCOM 모드에서는 리액턴스의 가변으로 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보할 수 있다. 또한, 고장 발생 시에는 고장 전류로 인한 저감분을 유동적으로 제어하거나 고장 전류 기울기를 저감시켜 고장 전류의 영향을 현저히 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법은 평활화 리액터 제어 장치에서 HVDC 시스템의 정상 여부를 판단하는 단계(S100), 정상 여부 판단 단계(S100)에서 정상으로 판단될 경우, HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 정상 모드로 운용하는 단계(S200), 및 정상 여부 판단 단계(S100)에서 고장으로 판단될 경우, HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 고장 모드로 운용하는 단계(S300)를 포함한다.
이때, 정상 모드 운용 단계(S200)에서는, 평활화 리액터 제어 장치가 기계적 제어부(230) 또는 고속 동작부(220)에 의해 탭을 절환하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 리액턴스 성분을 가변할 수 있다.
또한, 고장 모드 운용 단계(S300)에서는, 평활화 리액터 제어 장치가 고속 동작부(220)에 의해 탭을 절환하여 고장 전류 기울기를 저감시키도록 리액턴스 성분을 고속으로 가변할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법은 정상 모드 시에는 서브 모듈(100)의 리플을 평활화 시킴과 동시에 전력 손실을 감소시키고 STATCOM 모드에서는 리액턴스 가변으로 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보할 수 있는 한편, 고장 발생 시에는 고장 전류로 인한 저감분을 유동적으로 제어하고 고장 전류 기울기를 저감시켜 고장 전류의 영향을 현저히 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템 및 그 제어 방법은 정상 모드에서는 HVDC 시스템의 리플을 안정화함과 동시에 리액턴스를 제어하여 전력 손실을 감소시키는 장점이 있으며, 고장 발생 시에는 HVDC 시스템의 리액턴스를 고속으로 제어하여 고장 전류의 고장 파급을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당업자들은 다양한 실시예의 많은 추가 조합 및 치환할 수 있음을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다.

Claims (9)

  1. AC 계통으로부터 고전압 직류(HVDC)를 생성하는 서브 모듈; 및
    상기 서브 모듈과 상기 AC 계통 사이에 위치하여 상기 서브 모듈의 리플을 평활화시키는 평활화 리액터 제어 장치;를 포함하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 평활화 리액터 제어 장치는, HVDC 시스템이 정상 모드인 경우 리액턴스 성분을 가변하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 평활화 리액터 제어 장치는, HVDC 시스템에 고장 발생 시 고속으로 리액턴스 성분을 가변시켜 고장 전류 저감분을 제어하고 고장 전류 기울기를 저감시키도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 평활화 리액터 제어 장치는,
    인덕턴스 값을 변경하기 위하여 인덕터에 탭을 구비한 인덕턴스 탭부;
    상기 탭의 절환을 제어할 수 있는 기계적 제어부; 및
    상기 탭의 절환을 고속으로 제어할 수 있는 고속 동작부;를 포함하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 인덕턴스 탭부는, 인덕턴스 값이 가변되는 다수의 탭을 구비하는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 고속 동작부는, 퓨즈(FUSE) 또는 IGBT 중 어느 하나를 이용한 전력 전자 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 HVDC 시스템의 정상 모드에서는, 무효 전력을 감소시키기 위해 상기 기계적 제어부 또는 상기 고속 동작부 중 적어도 하나에 의해 상기 인덕턴스 탭부의 탭이 절환되어 상기 인덕턴스 탭부의 리액턴스가 제어되는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 HVDC 시스템의 고장 발생 시에는, 상기 고속 동작부가 상기 인덕턴스 탭부의 탭을 절환하여 상기 인덕턴스 탭부의 리액턴스를 제어함으로써 고장 전류의 고장 파급을 억제하는 것을 특징으로 하는 평활화 리액터 제어 장치를 구비한 HVDC 시스템.
  9. HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법으로서,
    평활화 리액터 제어 장치에서 상기 HVDC 시스템의 정상 여부를 판단하는 정상 여부 판단 단계;
    상기 정상 여부 판단 단계에서 정상으로 판단될 경우, 상기 HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 정상 모드로 운용하는 정상 모드 운용 단계; 및
    상기 정상 여부 판단 단계에서 고장으로 판단될 경우, 상기 HVDC 시스템에 대해 평활화 리액터 제어 장치가 고장 모드로 운용하는 고장 모드 운용 단계;를 포함하고,
    상기 정상 모드 운용 단계에서는, 상기 평활화 리액터 제어 장치가 기계적 제어부 또는 고속 동작부 중 적어도 하나에 의해 탭을 절환하여 무효 전력 제어 범위의 유동성을 확보하도록 리액턴스 성분을 가변하고,
    상기 고장 모드 운용 단계에서는, 상기 평활화 리액터 제어 장치가 상기 고속 동작부에 의해 탭을 절환하여 고장 전류 기울기를 저감시키도록 리액턴스 성분을 가변시키는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 평활화 리액터 제어 방법.
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