KR20230106358A - 직류 배전 시스템 - Google Patents

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KR20230106358A
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김성일
김지홍
이덕수
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에이치디현대일렉트릭 주식회사
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Abstract

본 발명은, 컨버터의 과전류 보호 기능 동작 전에 고장 지점의 해당 퓨즈를 용단시켜 고장 피던만을 선택적으로 차단할 수 있는 직류 배전 시스템을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템은 입력 전력을 사전에 설정된 직류 전력으로 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부로부터의 상기 직류 전력을 직류 공통 모선에 전달하는 케이블부, 상기 직류 공통 모선과 상기 케이블부 간에 배치되고 고장 발생시 용단되어 전력 전달 경로를 차단하는 제1 퓨즈부, 상기 직류 공통 모선에 연결되어 고장 발생시 상기 제1 퓨즈부에 고장 전류를 공급하여 상기 전력 변환부의 보호 기능 동작 전에 상기 제1 퓨즈부를 용단시키는 보호부를 포함할 수 있다.

Description

직류 배전 시스템{SYSTEM FOR DISTRIBUTING DIRECT CURRENT}
본 발명은 직류 배전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 직류 배전 시스템은 직류 형태의 전압으로 구성되며, 교류에 비해 같은 전압을 사용할 때 동일한 선로로 더 많은 전력을 송배전할 수 있다. 또한, 신재생 에너지 및 분산 전원의 연계가 교류(AC: Alternating Current) 배전 시스템에 비해 전력변환장치의 변환 단계를 줄일 수 있어 시스템 효율이 높은 장점을 가지고 있다.
교류 배전 시스템의 경우에는 단락 및 지락 고장 발생시 충분한 고장전류 공급 능력을 가지고 있어서, 고장 감지, 선택 차단 및 후비 보호 동작 등의 보호 측면에서 어려움이 없었으나, 직류 배전 시스템의 경우 수백 마이크로 초 동안 높은 레벨의 고장 전류가 흘렀다가 수 밀리 초 이내에 감소하는 특성을 가지므로, 직류 배전 시스템에 적절한 보호 시스템을 구성할 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0095198호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터의 과전류 보호 기능 동작 전에 고장 지점의 해당 퓨즈를 용단시켜 고장 피던만을 선택적으로 차단할 수 있는 직류 배전 시스템이 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템은 입력 전력을 사전에 설정된 직류 전력으로 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부로부터의 상기 직류 전력을 직류 공통 모선에 전달하는 케이블부, 상기 직류 공통 모선과 상기 케이블부 간에 배치되고 고장 발생시 용단되어 전력 전달 경로를 차단하는 제1 퓨즈부, 상기 직류 공통 모선에 연결되어 고장 발생시 상기 제1 퓨즈부에 고장 전류를 공급하여 상기 전력 변환부의 보호 기능 동작 전에 상기 제1 퓨즈부를 용단시키는 보호부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터의 과전류 보호 기능 동작 전에 고장 지점의 해당 퓨즈를 용단시켜 고장 피더만을 선택적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 중 고장 피더의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 보호부의 캐패시터의 용량값을 결정하는 플로우 챠트이다.
도 4는 도 3에 도시된 플로우 챠트에 선정된 캐패시터의 용량값을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템(100)은 전력 변환부(110), 제1 퓨즈부(120), 케이블부(130) 및 보호부(140)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(110)는 직류/직류 변환부(111)를 포함할 수 있다.
직류/직류 변환부(111)는 입력 전력을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환할 수 있으며, 상기 입력 전력은 사전에 설정된 다른 전압 레벨을 갖는 직류 전력이거나, 계통 교류 전력을 사전에 설정된 또 다른 전압 레벨을 갖는 직류 전력일 수 있다.
직류/직류 변환부(111)는 상기 입력 전력을 각각 입력받아 각각 상기 직류 전력을 출력하는 복수의 직류/직류 컨버터를 포함할 수 있다.
전력 변환부(110)는 교류/직류 변환부(112)를 더 포함할 수 있다.
교류/직류 변환부(112)는 입력된 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환할 수 있다.
교류/직류 변환부(112)는 상기 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환하는 적어도 하나의 교류/직류 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 직류 전력은 예를 들어 380V의 전압 레벨을 갖는 직류 전력일 수 있다.
제1 퓨즈부(120)는 케이블부(130)와 직류공통모선 간에 배치되고, 고장 발생 시 용단되어 고장 전류의 전달 경로를 차단할 수 있다.
제1 퓨즈부(120)는 복수의 퓨즈(퓨즈 1-2, 퓨즈 2-2,퓨즈 3-2, 퓨즈 4-2, 퓨즈 5-2)를 포함할 수 있으며, 복수의 퓨즈(퓨즈 1-2, 퓨즈 2-2,퓨즈 3-2, 퓨즈 4-2, 퓨즈 5-2)는 각각 상기 직류/직류 컨버터 또는 교류/직류 컨버터로부터의 직류 전력을 전달하는 케이블부(130)의 복수의 케이블 중 해당 케이블과 상기 직류공통모선 간에 배치될 수 있으며, 고장 발생 시 용단되어 고장 전류의 전달 경로를 차단할 수 있다.
케이블부(130)는 복수의 케이블을 구비할 수 있으며, 상기 복수의 케이블 각각은 직류/직류 변환부(111)의 복수의 직류/직류 컨터버에 각각 일대일 대응되어 해당 직류/직류 컨버터로부터 출력된 상기 직류 전력을 상기 직류공통모선에 전달할 수 있고, 교류/직류 컨버터로부터 출력된 상기 직류 전력을 상기 직류공통모선에 전달할 수 있다.
보호부(140)는 상기 직류공통모선에 배치되어 직류 배전 시스템에 고장 발생 시 고장 전류의 에너지를 제1 퓨즈부(120)의 해당 퓨즈에 전달하여, 해당 피더의 직류/직류 컨버터 또는 교류/직류 컨버터의 보호 기능이 동작하기 전에 제1 퓨즈부(120)의 해당 퓨즈가 용단되도록 할 수 있다. 보호부(140)는 직류공통모선의 플럭스 단(+)과 마이너스단(-) 간에 배치되는 캐패시터(141)를 포함할 수 있다. 캐패시터(141)는 고장 발생 시 고장 전류의 에너지를 제1 퓨즈부(120)의 해당 퓨즈에 전달할 수 있다.
제2 퓨즈부(150)는 전력 변환부(110)의 출력단과 케이블부(130)의 복수의 케이블 각각 사이에 배치되는 복수의 퓨즈(퓨즈 1-1, 퓨즈 2-1, 퓨즈 3-1, 퓨즈 4-1, 퓨즈 5-1) 상기 직류 공통 모선 사이에 배치될 수 있으며, 고장 발생 시 해당 직류/직류 컨터버 또는 교류/직류 컨버터를 보호하기 위해 용단되어 전류 전달 경로를 차단할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 중 고장 피더의 등가 회로도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 중 케이블 등에 고장이 발생되는 경우 고장 피더는 도시된 바와 같은 등가 회로를 가질 수 있다.
도 2에서 각 부호는 Req: 캐패시터로부터 고장지점까지의 등가 저항, Leq: 캐패시터로부터 고장지점까지의 등가 인덕턴스, Ceq: 직류 배전 시스템에 존재하는 등가 캐패시턴스, VDC0: 고장 발생 직전 캐패시턴스의 전압, iDC0: 고장 발생 직전 캐패시터로부터 고장지점에 흐르는 전류, if: 직류 고장 전류일 수 있다.
상기 고장 피더의 고장 전류는 다음의 수식 1과 같을 수 있다.
(수식 1)
Figure pat00001
여기서, α,ω0, ωd는 각각 하기의 수식 2와 같을 수 있다.
(수식 2)
Figure pat00002
상기한 수식 1에서, 두번째 항목은 그 값이 작기 때문에 무시하고, 수식을 간략하게 정리하면 다음의 수식 3과 같을 수 있다.
(수식 3)
Figure pat00003
여기서, A는 하기의 수식 4와 같을 수 있다.
(수식 4)
여기서, 보호부(140)의 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값은 해당 퓨즈를 사전에 설정된 시간(T)내에 용단시키기 위해, 다음의 수식 4와 같이, 사전에 설정된 시간(T) 동안 캐패시터(141)가 방출하는 고장전류의 에너지(I2tf)가 해당 퓨즈의 차단 정격(Total clearing I2t of fuse)을 초과하여야 한다.
(수식 5)
Figure pat00004
수식 5를 전개하면 다음의 수식 6과 같을 수 있다.
(수식 6)
Figure pat00005
상술한 수식 6에 따라 사전에 설정된 시간(T) 동안 캐패시터(141)가 방출하는 고장전류의 에너지를 갖도록 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값을 설정할 수 있으나, 직류 배전 시스템에서는 기생 저항, 기생 인덕턴스 등의 다양한 변수가 발생될 수 있다.
따라서, 상술한 수식과 함께 하기의 플로우 챠트에 따라 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값을 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 보호부의 캐패시터의 용량값을 결정하는 플로우 챠트이다.
도 1 및 도 2와 함께, 도 3을 참조하면, 먼저, 초기 직류 배전 시스템의 파라미터를 설정할 수 있다(S10). 이후, 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값(Cbus), 캐패시터(141)의 기생 저항(RESR@Cbus)과 기생 인덕턴스(LESL@Cbus)를 초기화할 수 있다(S20).
상술한 초기 직류 배전 시스템의 파라미터와 초기화된 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값(Cbus), 캐패시터(141)의 기생 저항(RESR@Cbus)과 기생 인덕턴스(LESL@Cbus)에 따라 고장 피더의 등가 저항(Req), 등가 인덕턴스(Leq) 및 등가 캐패시턴스(Ceq)를 계산할 수 있다(S30).
상기한 수식 1 내지 5에 계산된 고장 피더의 등가 저항(Req), 등가 인덕턴스(Leq) 및 등가 캐패시턴스(Ceq)를 적용하여 사전에 설정된 시간(T) 동안 캐패시터(141)가 방출하는 고장 전류의 에너지를 구할 수 있고(S40), 고장 전류의 에너지(I2tf)가 퓨즈의 차단 정격(I2tfuse)을 초과하는 지 비교하여(S50), 아닌 경우, 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값(Cbus)를 일정 값(ΔC)씩 증가시키고(S60), 이에 따른 캐패시터(141)의 기생 저항(RESR@Cbus)과 기생 인덕턴스(LESL@Cbus)을 계산하여(S70), 증가된 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값(Cbus), 캐패시터(141)의 기생 저항(RESR@Cbus)과 기생 인덕턴스(LESL@Cbus)에 따라 고장 피더의 등가 저항(Req), 등가 인덕턴스(Leq) 및 등가 캐패시턴스(Ceq)를 재계산할 수 있다. 이후, 고장 전류의 에너지(I2tf)가 퓨즈의 차단 정격(I2tfuse)을 초과하면 해당 캐패시턴스 값(Cbus)로 보호부(140)의 캐패시터(141)의 캐패시턴스 값을 설정할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 플로우 챠트에 선정된 캐패시터의 용량값을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 플로우 챠트에 따라 선정된 캐패시터의 용량값은 직류 배전 시스템의 종류에 따라 달라질 수 있다.
즉, 직류 배전 시스템이 집중형(Centralized) 직류 배전 시스템의 경우에 대비하여 선로에 저항과 인덕턴스 성분을 더 포함하는 분포형(Distributed) 직류 배전 시스템의 경우 상대적으로 더 높은 캐패시턴스를 갖는 캐패시터가 필요할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 컨버터의 과전류 보호 기능 동작 전에 고장 지점의 해당 퓨즈를 용단시켜 고장 피더만을 선택적으로 차단할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 직류 배전 시스템
110: 전력 변환부
111: 직류/직류 변환부
112: 교류/직류 변환부
120: 제1 퓨즈부
130: 케이블부
140: 보호부
141: 캐패시터
150: 제2 퓨즈부

Claims (7)

  1. 입력 전력을 사전에 설정된 직류 전력으로 변환하는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부로부터의 상기 직류 전력을 직류 공통 모선에 전달하는 케이블부;
    상기 직류 공통 모선과 상기 케이블부 간에 배치되고 고장 발생시 용단되어 전력 전달 경로를 차단하는 제1 퓨즈부; 및
    상기 직류 공통 모선에 연결되어 고장 발생시 상기 제1 퓨즈부에 고장 전류를 공급하여 상기 전력 변환부의 보호 기능 동작 전에 상기 제1 퓨즈부를 용단시키는 보호부
    를 포함하는 직류 배전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 직류 공통 모선의 플러스 단과 마이너스 단 사이에 배치되어 상기 고장 전류의 에너지를 저장 후 방출하는 캐패시터를 포함하는 직류 배전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐패시터의 사전에 설정된 시간 동안 방출하는 고정 전류의 에너지가 상기 제1 퓨즈부의 차단 정격을 초과하는 직류 배전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는 상기 입력 전력을 각각 상기 직류 전력으로 변환하는 복수의 직류/직류 컨버터를 갖는 직류/직류 변환부를 포함하는 직류 배전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 전력 변환부의 출력단에 연결된 상기 케이블부의 케이블과 상기 직류 공통 모선 간에 각각 연결되는 복수의 퓨즈를 포함하는 직류 배전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전력 변환부는 계통 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환하는 적어도 하나의 교류/직류 컨버터를 갖는 교류/직류 변환부를 더 포함하는 직류 배전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전력 변환부의 출력단과 상기 케이블부의 케이블 간에 각각 연결되어 고장 발생시 상기 전력 변환부를 보호하는 복수의 퓨즈를 갖는 제2 퓨즈부를 더 포함하는 직류 배전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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