WO2017115951A1 - 무효전력 보상제어기용 차단기 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

무효전력 보상제어기용 차단기 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무효전력 보상제어기(STATCOM)용 분기라인에 설치된 차단기가 STATCOM의 전류제어 특성에 따라 동작하도록 하는 STATCOM용 차단기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 STATCOM용 차단기의 제어장치는, 전력계통의 메인버스에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 STATCOM용 차단기의 제어장치에 있어서, 상기 분기라인에 상기 차단기에 직렬연결된 변압기의 1,2차측 전류간 차동전류를 감지하고 상기 차단기의 개폐를 제어하는 변압기보호기; 및 상기 STATCOM의 동작을 제어하는 STATCOM 제어기; 를 포함하고, 상기 STATCOM 제어기는 상기 STATCOM에서의 과전압 발생을 감지하면 상기 변압기보호기로 상기 차단기의 개방을 보류하기 위한 개방보류신호를 출력하고, 상기 변압기보호기는 상기 수신된 개방보류신호에 따라 상기 차단기로의 차단기 개방신호의 출력을 보류한다.

Description

무효전력 보상제어기용 차단기 제어장치 및 제어방법
본 발명은 무효전력 보상제어기(STATCOM:Static Synchronous Compensator)용 차단기의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 차단기가 STATCOM의 전류제어 특성에 따라 동작하도록 하는 STATCOM용 차단기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
AC 전력계통의 안정적인 운영을 위해서는 무효전력 보상이 필수적이다. 이에 전력전자소자의 빠른 속응성을 이용한 SVC(Static Var Compensation), 무효전력 보상제어기(STATCOM) 등이 전력계통의 순동 무효전력원으로 투입되고 있다.
일반적으로 이러한 STATCOM은 전력계통의 메인 버스(bus)에 접속하여 전체 전력계통에 무효전력을 공급함으로써 유효전력의 전송효율을 높이는 역할을 한다.
도 1은 일반적인 STATCOM 전용 분기라인의 보호시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 전력계통의 메인버스(10)에서 분기된 STATCOM 전용분기라인에 차단기(circuit breaker)(20)와 변압기(30)를 통해 STATCOM(40)이 연결된다. STATCOM(40)은 STATCOM 제어기(50)에 의해 동작이 제어되며 변압기(30)는 변압기호보기(60)에 의해 보호된다. 이와 같이 STATCOM 전용 분리라인에는 이러한 각종 장치들이 시스템으로 구현되어 STATCOM(40)의 제어 및 보호하도록 한다.
이러한 시스템에서 변압기보호기(60)는 다른 고장에는 동작하지 않고 오직 변압기(30)의 고장에만 동작하도록 구성되어 전력계통에서 고장이 감지되는 즉시 차단기(20)로 개방신호를 전달하여 차단기(20)가 개방되도록 함으로써 고장전류로부터 변압기(30) 및 STATCOM(40)을 보호하도록 한다.
이러한 변압기보호기(40)는 고장전류의 크기가 아닌 변압기(30)를 통과하는 1차측 전류와 2차측 전류 간의 차동분을 이용하여 고장을 판단한다. 하지만, 종래의 변압기보호기(40)의 동작특성 곡선을 살펴보면 전력계통의 고장이 아닌 경우에도 동작되는 경우가 발생한다.
도 2는 일반적인 변압기보호기의 동작특성 곡선이다.
도 2에 도시된 바와 같이, STATCOM(40)의 제어기능 중 1.5PU 이상의 과전압시 내부의 컨버터를 차단하는 기능이 있다. 이는 계통전압이 1.5PU에 근접하면 과부하 모드에서 전류를 일정한 시간이 경과한 후 1.0PU로 제한하는 것이다. 이때, 과전압이 1.49PU 정도에서는 일정시간 동안 1.49PU의 과전류가 흐르다가 1.5PU 이상되면 전류를 0으로 급격히 제한하게 된다. 이때, 전류는 도 2에서 A와 같이 실질적으로 직선형태로 감소하게 된다.
이와 같이 STATCOM의 고속 전류특성으로 인하여 최대 전류제어에서 0 전류제어로 전환할 때 동작영역을 지나가므로 변압기보호기(60)는 동작영역에서 동작하여 차단기(20)로 개방신호를 전달하게 된다. 이러한 동작특성의 추이는 고속동작을 해야 하는 변압기보호기(60)로서는 매우 위험한 차동전류 추이이며 전력계통에서의 고장이 아님에도 차단기(20)를 구동시키는 오동작을 야기한다. 특히, 반주기 내에 이러한 동작이 이루어지므로 고속동작으로 차단하기 위하여 반주기~한주기 데이터 기반 판단을 해야 하는 변압기보호기(60)로서는 오동작 가능성이 매우 커지는 문제점이 있다.
일반적으로 STATCOM용 차단기(20)는 특성상 개폐의 빈도가 매우 높다. 이는 수명을 단축하는 요인이 되며 유지보수에 많은 비용이 투입되고 있다. 따라서, 오동작으로 인해 차단기(20)의 개폐 횟수를 줄이고 차단기(20)의 원래 목적에 맞게 전력계통의 고장시에만 동작하도록 하는 기술이 요구된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 전력계통에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 차단기가 STATCOM의 전류제어 특성에 따라 동작하도록 하는 STATCOM용 차단기의 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 STATCOM 분기라인에 설치된 변압기보호기가 계통전력의 고장발생시에만 동작하도록 하여 차단기의 오동작을 줄이도록 하는 STATCOM용 차단기의 제어장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 STATCOM용 차단기의 제어장치는, 전력계통의 메인버스에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 STATCOM용 차단기의 제어장치에 있어서, 상기 분기라인에 상기 차단기에 직렬연결된 변압기의 1,2차측 전류간 차동전류를 감지하고 상기 차단기의 개폐를 제어하는 변압기보호기; 및 상기 STATCOM의 동작을 제어하는 STATCOM 제어기; 를 포함하고, 상기 STATCOM 제어기는 상기 STATCOM에서의 과전압 발생을 감지하면 상기 변압기보호기로 상기 차단기의 개방을 보류하기 위한 개방보류신호를 출력하고, 상기 변압기보호기는 상기 수신된 개방보류신호에 따라 상기 차단기로의 차단기 개방신호의 출력을 보류한다.
본 발명에서, 상기 변압기보호기는 상기 감지된 차동전류로부터 상기 전력계통에 고장이 발생하였는지를 판단하여 상기 전력계통에 고장발생시 상기 차단기로 개방신호를 출력한다.
본 발명에서, 상기 변압기보호기는 상기 전력계통에 고장발생시 상기 STATCOM 제어기로부터의 개방보류신호의 수신 여부와 상관없이 상기 개방신호를 상기 차단기로 출력한다.
본 발명에서, 상기 변압기보호기는 상기 STATCOM 제어기로부터 개방보류신호가 수신되면 기설정된 동작특성곡선의 동작구간이라도 상기 차단기 개방신호의 출력을 보류한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 STATCOM용 차단기의 제어방법은, 전력계통의 메인버스에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 STATCOM용 차단기의 제어방법에 있어서, STATCOM 제어기에서 STATCOM에서의 과전압 발생을 감지하는 단계; 상기 과전압 발생이 감지되면 변압기보호기로 차단기의 개방을 보류하기 위한 개방보류신호를 출력하는 단계; 및 상기 변압기보호기에서 상기 수신된 개방보류신호에 의해 상기 차단기로 차단기 개방신호의 전송을 보류하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 차단기 개방신호의 전송을 보류하는 단계 이후에, 상기 변압기보호기에서 상기 분기라인에 상기 차단기에 직렬연결된 변압기의 1,2차측 전류간 차동전류를 감지하는 단계; 상기 감지된 차동전류로부터 상기 전력계통의 고장발생을 판단하는 단계; 상기 변압기보호기에서 상기 전력계통에 고장발생시 상기 차단기로 개방신호를 출력하는 단계; 및 상기 차단기에서 상기 수신된 개방신호에 의해 분기라인을 개방하는 단계; 를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 변압기보호기에서 상기 STATCOM 제어기로부터 개방보류신호가 수신되면 기설정된 동작특성곡선의 동작구간이라도 상기 차단기로의 차단기 개방신호 출력을 보류한다.
본 발명에 의하면 전력계통에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 차단기가 STATCOM의 전류제어 특성에 따라 동작하도록 하여 계통전력의 고장발생시에만 차단기를 개방시키도록 함으로써 차단기의 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 STATCOM용 차단기의 개폐횟수를 줄임으로써 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 STATCOM 전용 분기라인의 보호시스템의 구성도,
도 2는 일반적인 STATCOM용 변압기보호기의 동작특성 곡선,
도 3은 본 발명에 따른 STATCOM 전용 분기라인의 보호시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 STATCOM용 차단기의 제어방법을 보이는 흐름도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 STATCOM 전용 분기라인의 보호시스템의 구성도이다.
도 3를 참조하면, 본 발명에 따른 STATCOM 전용 분기라인(102)에는 회로차단기(110), 변압기(120), STATCOM(130), STATCOM 제어기(140) 및 변압기 보호기(150)가 설치된다. 분기라인(102)은 전력계통 메인버스(101)에서 분기되며 STATCOM(130)은 이러한 분기라인(102)을 통해 전력계통 메인버스(101)를 통해 전력계통으로 무효전력을 공급하도록 한다.
회로차단기(110)는 전력계통에 고장이 발생하는 경우 변압기 보호기(150)의 제어에 의해 회로를 개방(open)하여 고장전류를 차단한다. 이로써 변압기(120)와 STATCOM(130)을 고장전류로부터 보호하도록 한다.
STATCOM(130)은 상기한 바와 같이 무효전력을 전력계통으로 전달한다. 이러한 STATCOM(130)은 전력계통으로 무효전력을 최대(Max) Q만큼 보낼 수 있으며, 이는 순간적으로 계통효율을 높이도록 한다. 하지만, STATCOM(130)에서 과전압 발생과 같은 문제가 발생하면 무효전력을 최대 Q에서 0(zero)으로 순간적으로 감소시켜야 한다. 이는 반주기 내에 OV로 억제되어야 함이 바람직하다. 이때, 최대 전류(무효 전류)는 변압기(120)와 회로차단기(110)를 거쳐 분기라인(102)을 전력계통 메인버스(101)로 전달되어 전력계통에 주입된다. 이러한 전류는 OV 요소의 발동으로 반주기 내 0 전류로 떨어뜨리게 된다.
이 경우, 종래기술에서 언급한 바와 같이 변압기 보호기(150)의 동작영역을 지나가므로 변압기 보호기(150)가 작동하게 되는데, 본 발명에서는 STATCOM 제어기(140)에서 이러한 경우에는 변압기 보호기(150)가 차단기(110)로 개방신호를 전송하지 않도록 이른바 개방보류신호를 변압기 보호기(150)로 전송한다.
이와 같이 STATCOM(130)에 과전압 발생시에는 STATCOM 제어기(140)에서 이를 감지하여 변압기 보호기(150)로 차단기(110)에 대한 개방보류신호를 전송함으로써 차단기(110)가 개방되지 않도록 한다. 즉, 변압기 보호기(150)는 STATCOM 제어기(140)로부터 개방보류신호가 수신되면 차단기(110)로 개방신호를 출력하지 않음으로써 차단기(110)은 아무런 동작이 일어나지 않는 것이다. 이는 차단기(110)가 원래 기능인 전력계통의 고장발생시에만 동작하고, STATCOM(130)에서의 과전압 발생시에는 동작하지 않도록 하는 것이다. 특히, 변압기 보호기(150)는 STATCOM 제어기(140)로부터 개방보류신호가 수신되면 상기한 바와 같이 기설정된 동작특성 곡선에서 동작구간이라도 차단기(110)로 차단기 개방신호를 출력하지 않는다.
이와 같이 STATCOM 제어기(140)는 과전압 발생을 빠르게 감지하고 변압기 보호기(150)로 개방보류신호를 빠르게 전송함으로써 차단기(110)의 개방보류는 초고속으로 이루어진다. 이러한 기능은 종래기술과 구별되는 본 발명에 따른 STATCOM 제어기(140)에 추가된 특별한 고유기능이다.
한편, 변압기 보호기(110)는 STATCOM 제어기(140)로부터의 개방보류신호에 대한 수신여부와 상관 없이 전력계통에서 고장이 발생하면 그 고장전류에 의해 변압기(120)에서의 차동전류를 감지하여 차단기(110)를 개방하도록 개방신호를 전송한다. 이로써, 차단기(110)는 개방된다. 이는 상기한 바와 같이 전력계통에서 고장이 발생한 경우에는 원래 목적대로 차단기(110)가 차단되도록 하는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 STATCOM용 차단기의 제어방법을 보이는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 STATCOM용 차단기의 제어방법은 STATCOM 제어기(140)에서 STATCOM(130)에 과전압 발생을 감지한다(S101). 과전압 발생이 감지되면 변압기 보호기(150)로 개방보류신호를 전송한다(S103). 변압기 보호기(150)는 개방보류신호를 수신하면 차단기(110)로 개방신호의 전송을 보류한다(S105).
이후에, 전력계통에 고장이 발생하여 변압기 보호기(150)가 변압기(120)에서의 차동전류의 검출을 통해 전력계통에 고장이 발생하였는지를 확인한다(S107). 전력계통의 고장발생이 판단되면(S109), 변압기 보호기(150)는 STATCOM 제어기(140)로부의 개방보류신호의 수신 여부와 상관없이 차단기(110)로 차단기 개방신호를 전달한다(S111). 이에, 차단기(110)는 수신된 개방신호에 의해 분기라인(102)을 개방한다(S113).
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 전력계통의 메인버스에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 STATCOM용 차단기의 제어장치에 있어서,
    상기 분기라인에 상기 차단기에 직렬연결된 변압기의 1,2차측 전류간 차동전류를 감지하고 상기 차단기의 개폐를 제어하는 변압기보호기; 및
    상기 STATCOM의 동작을 제어하는 STATCOM 제어기; 를 포함하고,
    상기 STATCOM 제어기는 상기 STATCOM에서의 과전압 발생을 감지하면 상기 변압기보호기로 상기 차단기의 개방을 보류하기 위한 개방보류신호를 출력하고,
    상기 변압기보호기는 상기 수신된 개방보류신호에 따라 상기 차단기로의 차단기 개방신호의 출력을 보류하는 STATCOM용 차단기의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기보호기는 상기 감지된 차동전류로부터 상기 전력계통에 고장이 발생하였는지를 판단하여 상기 전력계통에 고장발생시 상기 차단기로 개방신호를 출력하는 STATCOM용 차단기의 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변압기보호기는 상기 전력계통에 고장발생시 상기 STATCOM 제어기로부터의 개방보류신호의 수신 여부와 상관없이 상기 개방신호를 상기 차단기로 출력하는 STATCOM용 차단기의 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 변압기보호기는 상기 STATCOM 제어기로부터 개방보류신호가 수신되면 기설정된 동작특성곡선의 동작구간이라도 상기 차단기 개방신호의 출력을 보류하는 STATCOM용 차단기의 제어장치.
  5. 전력계통의 메인버스에서 분기된 STATCOM 전용 분기라인에 설치된 STATCOM용 차단기의 제어방법에 있어서,
    STATCOM 제어기에서 STATCOM에서의 과전압 발생을 감지하는 단계;
    상기 과전압 발생이 감지되면 변압기보호기로 차단기의 개방을 보류하기 위한 개방보류신호를 출력하는 단계; 및
    상기 변압기보호기에서 상기 수신된 개방보류신호에 의해 상기 차단기로 차단기 개방신호의 전송을 보류하는 단계를 포함하는 STATCOM용 차단기의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차단기 개방신호의 전송을 보류하는 단계 이후에,
    상기 변압기보호기에서 상기 분기라인에 상기 차단기에 직렬연결된 변압기의 1,2차측 전류간 차동전류를 감지하는 단계;
    상기 감지된 차동전류로부터 상기 전력계통의 고장발생을 판단하는 단계;
    상기 변압기보호기에서 상기 전력계통에 고장발생시 상기 차단기로 개방신호를 출력하는 단계; 및
    상기 차단기에서 상기 수신된 개방신호에 의해 분기라인을 개방하는 단계를 더 포함하는 STATCOM용 차단기의 제어방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 변압기보호기에서 상기 STATCOM 제어기로부터 개방보류신호가 수신되면 기설정된 동작특성곡선의 동작구간이라도 상기 차단기로의 차단기 개방신호 출력을 보류하는 STATCOM용 차단기의 제어방법.
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