An Improved Topology of DC Circuit Breaker Based on Inverse Current Injection Method

역전류 주입방식기반의 DC차단기의 개선된 토폴로지

Abstract

VSC-HVDC system is vulnerable to a DC fault because the fault current can be injected from AC system to DC system during the fault. Therefore, DC circuit breaker is required to isolate faults in VSC-HVDC system. The inverse current injection method of circuit breaker has been considered as DC circuit breaker. However, the topology has drawback that the breaking time is longer than hybrid circuit breaker using semiconductor devices. In order to solve this problem, this paper proposes an improved topology of circuit breaker based on inverse current injection method. In addition, the proposed topology will be compared with the existing topology. And we will verify its effects by using the simulation results.

1. 서 론

HVDC 시스템은 장거리 송전에 있어 AC 시스템에 비하여 많은 장점들을 가지고 있기 때문에 대규모 해상풍력 연계 및 수퍼그리드 구성에 많이 이용되고 있다. 특히, 전압형 HVDC 시스템은 고조파 필터의 감소, 독립적인 유·무효전력의 제어, 빠른 제어응답 등으로 인하여 그 적용성은 확대될 전망이다[1-6]. 그러나 전압형 HVDC 시스템의 경우 전력변환용 반도체소자로서 프리휠링 다이오드를 구비한 IGBT를 사용하기 때문에 DC선로사고 시 고장전류가 AC측에서 DC측으로 전이되는 문제가 발생한다[7]. 따라서 전압형 HVDC 시스템을 이용한 전력망의 구성 시 전력 네트워크의 안정성 향상을 위하여 사고보호에 대한 신뢰성을 향상시키는 것이 요구된다. 그 중 가장 중요한 부분으로서 각 컨버터 스테이션마다 DC 차단기의 설치가 요구된다[8-10].

일반적으로 차단기의 경우 스위치의 개폐 시 돌입전류나 과전압 등을 억제하기 위해 전류가 zero-crossing point에서 차단을 실시한다. AC시스템의 경우 전류의 zero-crossing point가 주기적으로 발생하지만 DC시스템의 경우 전류의 zero-crossing point가 발생하지 않는다. 따라서 고장전류를 차단하기 위하여 인위적으로 DC전류의 zero-crossing point 점을 발생시키는 과정이 요구된다[11,12].

한편, 역전류 주입방식 DC차단기는 용량적인 측면이나 범용성을 고려하였을 때 전압형 HVDC 시스템에 적합한 차단 방식 중 하나이다[13,14]. 그러나 역전류 주입방식 DC차단기의 경우 고장전류 차단 시 차단시간이 길어진다는 단점이 있다. 이러한 차단시간은 역전류 주입방식 DC차단기를 구성하는 요소들의 파라미터 값에 따라서 달라질 수 있다. 그러나 이는 차단기 내부 구성요소들의 큰 정격을 요구하기 때문에 다소 제한적이다.

따라서 본 논문에서는 기존의 역전류 주입방식 차단기 차단시간 단축 및 고장전류 감소시키기 위한 토폴로지를 제안하고자 한다. 제안하는 토폴로지는 Matlab/Simulink를 이용하여 모델링되었으며, 기존의 토폴로지에 대한 동작특성의 차이를 설명한다. 또한, 모델링된 차단기를 전압형 HVDC 시스템에 적용하고 DC선로 사고모의를 통하여 그 성능을 검증하고자 한다.

 

2. 역전류 주입방식 DC 차단기

역전류 주입방식 차단기는 DC차단방식 중 하나로 차단기 내에 존재하는 커패시터와 인덕터간의 고주파 역전류를 발생시키고, 이를 DC선로에 주입시켜 DC선로에 흐르는 전류를 상쇄시킴으로써 DC전류의 영점을 발생시킨다. 역전류 주입방식 차단기가 적용되는 DC회로는 그림 1과 같은 등가회로로서 나타낼 수 있다.

그림 1역전류 주입 방식 차단기가 적용된 등가회로 Fig. 1 Equivalent circuit　including the Inverse current injecting breaker

그림 1에서 커패시터( Cc), 저항( Rc), 인덕터( Lc)는 역전류 주입에 필요한 보조회로에 직렬로 연결되며, DC선로 사고시 고장전류를 트립하기 위하여 보조회로에서 충분한 고주파 역전류를 주입할 수 있도록 미리 Cc는 충분한 전압으로 충전된다. 그림 1에서 RS와 LS는 주 전송 회로의 시스템 및 선로의 저항과 인덕터를 의미하며, S1과 S2는 차단기 내부에 주 스위치, 보조 스위치를 각각 의미한다. DC선로 사고시 역전류 주입방식 차단기의 기본적인 동작메커니즘은 각 step 별 시퀀스 제어에 따라 그림 2와 같이 구분될 수 있으며, step 별 동작메커니즘의 상세한 설명은 다음과 같다[15].

그림 2역전류 주입 방식 차단기의 동작 메커니즘 Fig. 2 Operating mechanism of inverse current injecting breaker

Step 1: DC선로 사고 발생 시 사고 지점과 DC 링크의 전위차에 의해 DC전류는 급격하게 증가한다. 이때, 사전에 설정된 trip 전류 이상의 전류가 흐르면 trip 신호를 생성한다 Step 2: 생성된 trip 신호는 사이리스터에 입력되고 사이리스터는 turn-on되어 보조 회로에서 고주파 역전류가 주 전송회로로 주입된다. 또한, 주입된 전류로 인하여 S2에 흐르는 전류가 영점을 도달하게 되면 S2는 개방된다. Step 3: 모든 고장전류가 보조회로 측으로 흐름에 따라 Cc 의 전압의 극성은 반전된다. 또한, 상승한 고장전류가 감소하여 전류의 방향이 바뀌는 순간에 사이리스터는 역방향 전압으로 인하여 turn-off된다.Step 4: 주 전송회로의 전류가 0이 됨에 따라서 S1가 turn-off된다.

 

3. 역전류 주입방식 차단기의 개선된 토폴로지 제안

역전류 주입방식 차단기의 경우 DC선로 사고 시 고장전류 차단시간이 길다는 단점이 있다. 이는 고장전류의 상승을 야기하기 때문에 HVDC 시스템의 신뢰성 향상을 위하여 개선되어야 할 사항이다. 따라서 본 논문에서는 역전류 주입방식 차단기의 차단시간 및 고장전류를 감소시키기 위하 여 기존의 역전류 주입방식 토폴로지에서 변형된 토폴로지를 제안하고자 한다. 제안하는 토폴로지의 목적은 차단동안에 소요되는 차단시간 단축과 최대 고장전류를 감소시키기 위함이다.

3.1 제안하는 역전류 주입방식 차단기 원리

그림 3은 본 논문에서 제안하는 역전류 주입방식 차단기의 구성을 나타낸 것이다. 제안하는 토폴로지의 경우 기존 커패시터(Cc1 )와 병렬로 연결되는 커패시터(Cc2 )가 추가됨에 따라 두 개의 스위치(S3 , S4 )가 추가적으로 요구된다. 이때, Cc2는 Cc1와 다르게 초기충전을 요구하지 않는다.

그림 3제안된 토폴로지 구성 Fig. 3 Configuration of proposed topology

그림 4는 제안한 토폴로지를 적용하였을 시 2장에서 설명된 차단 동작 중 step 3의 변화된 동작메카니즘을 나타낸 것이다. 제안하는 토폴로지는 기존 토폴로지에서의 차단 동작 중 step 1부터 step 2까지는 동일하며, step 2에서 S2의 turn-off 동작 이후 S3와 S4 를 동시에 turn-off, turn-on 동작을 각각 수행함으로써 Cc1에서 Cc2로 고장전류를 전환시키는 방식을 이용하였다. 이러한 동작은 차단 동작 중 발생하는 고장전류의 크기 및 차단시간에 많은 영향을 미치게 된다.

그림 4Sep 3 동작메커니즘의 변화 Fig. 4 Proposed topology of equivalent model

식 (1)은 step 3에서 기존의 토폴로지에 의한 고장전류(ifault1)를 나타낸 것이며, 식 (2)는 step 3에서 제안된 토폴로지에 의한 고장전류(ifault2)를 나타낸 것이다. 시스템 저항및 보조회로에서의 내부저항은 그 영향이 작기 때문에 고려하지 않았다.

여기서, i3_initaial : step 3에서의 초기 전류(A)

Vdc_initial : step 3에서 Cdc의 초기전압 (V) Vc1_initial : step 3에서 Cc1의 초기 전압 (V) Ls, Lc : 시스템 인덕턴스 (H)

3.2 제안하는 역전류 주입방식 차단기의 특성

제안하는 토폴로지를 기존의 토폴로지와 비교하였을 때, 단축되는 차단시간과 최대 고장전류의 크기는 앞서 언급하였던 식 (1)과 식 (2)를 통하여 구할 수 있다. 제안된 토폴로지 내 Cc2의 영향만을 고려하기 위하여 그림 4의 등가회로 내 파라미터를 표 1과 같이 가정하였다. Vdc_initial와 Vc1_initial는 step 3에서 Cdc와 Cc1의 초기전압을 각각 나타낸 것이다.

표 1등가회로 내 파라미터 Table 1 Parameters in equivalent circuit

그림 5는 보조회로의 커패시터들에 대한 비(Cc1/Cc2)에 대하여 차단시간이 단축되는 정도를 나타낸 것이다. 보조회로의 커패시터들에 대한 비가 증가할수록 차단시간을 단축시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 제안하는 토폴로지에서 추가된 커패시터(Cc2 )의 파라미터 값이 작아질수록 차단 시간은 빨라진다. 이는 차단기 동작단계에서 step 3부터는 고장전류가 Cc1에서Cc2측으로 고장전류가 전환됨에 따라 고로의 커패시터들에 대한 비가 증가할수록 차단시간을 단축 시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 제안하는 토폴로지에서 추가된 커패시터(Cc2 )의 파라미터 값이 작아질수록 차단시간은 빨라진다. 이는 차단기 동작단계에서 step 3부터는 고장전류가 Cc1에서 Cc2측으로 고장전류가 전환됨에 따라 고장전류의 주파수가 커지기 때문이다. 다시 말해, Cc2는 Cc1보다 작게 설계될 때, 고장전류의 주파수가 커지게 되고 영점에 도달하는 시간이 빨라지게 된다.

그림 5R비와 차단시간 감소 관계 그래프 Fig. 5 Relation Graph of between R ratio and reduced breaking time

그림 6은 보조회로의 커패시터들에 대한 비(Cc1/Cc2 )에 대하여 최대 고장전류를 나타낸 것이다. Cc2의 파라미터 값이 작아질수록 고장전류는 작아진다. 이는 차단기 동작단계에서 step 3부터는 고장전류가 Cc1에서 Cc2측으로 고장전류가 전환됨에 따라 기존 커패시터의 충전전압에 의한 고장전류의 상승효과를 억제한다. 또한, 임피던스 증가시킴으로써 최대 고장전류를 감소시키는 효과를 가져 온다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, Cc2의 파라미터의 값은 Cc1의 파라미터 보다 작게 설계될 때, 최대 고장전류는 감소하게 된다.

그림 6R비와 최대 사고 전류 관계 그래프 Fig. 6 Relation Graph of between R ratio and maximum fault current

 

4. 시뮬레이션 결과

4.1 시뮬레이션 조건

본 논문에서는 Matlab/Simulink를 이용하여 전압형 HVDC 시스템을 모델링하고, 동일 용량의 역전류 주입방식 DC차단기를 그림 7과 같이 적용하여 기존의 토폴로지 방식과 제안된 토폴로지 방식을 시뮬레이션하고 차단기 동작특성을 비교한다. 또한, 차단기 동작에 따른 전압형 HVDC 시스템의 특성을 확인한다. DC선로 사고는 고장전류의 스트레스가 가장 심한 경우를 고려하고자 정류기측과 가까운 지점에서의 사고를 가정하였다. 또한, DC사고가 발생한 직후 과전류로 인한 보호를 위하여 IGBT는 turn-off되는 것을 가정하였다. 표 2는 기존의 역전류 주입 방식과 제안한 방식에 동일하게 적용된 차단기의 파리미터 값, DC선로 사고 시간을 나타낸 것이며, 표 3은 보조회로의 커패시터들에 대한 비(R= Cc1/Cc2 )에 따라 차단시간의 변화를 보기 위하여 시뮬레이션에 적용한 파라미터를 나타낸 것이다.

그림 7VSC-HVDC와 DC 차단기 시스템 구성도 Fig. 7 Configuration of VSC-HVDC and DC circuit breaker

표 2DC사고 발생 시간 및 공통 파라미터 Table 2 Fault time and common parameters

표 3R=Cc1/Cc2 변화에 따른 Cc1, Cc2 파라미터 Table 3 Ratio between Cc1 and Cc2

4.2 시뮬레이션 결과

그림 8은 정류기측 DC선로 사고 시 기존 토폴로지 및 제안하는 토폴로지 내 보조회로의 커패시터 용량(Cc2)에 따른 정류기 측 고장전류를 나타낸 것이다. 기존의 역전류 주입 차단방식의 경우 3s에 DC선로 사고가 발생 한 후 약 15kA의 최대 고장전류가 흐르고, 약 15ms 후에 고장전류가 0으로 되면서 차단되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 제안한 토폴로지의 차단기를 적용한 경우 사고이후 Cc2가 80μF 일때 약 8.3kA의 최대 사고 전류가 흐르고 약 8.3ms의 후 차단되는 것을 확인할 수 있다. 또한, Cc2의 값이 각각 60μF , 30μF , 20μF 일 경우에 전체 사고 전류 차단 시간은 약 7.3ms, 5.2ms, 4.4ms가 걸리고 최대 사고 전류 값은 각8kA, 6.2kA, 5.5kA가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 이는 2장에서 계산된 결과와 거의 유사함을 알 수 있으며, 제안한 토폴로지로부터 차단동안 고장전류의 주파수 및 고장전류를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

그림 8DC선로 사고 시 정류기측 고장전류 Fig. 8 Fault current at rectifier side during DC fault

그림 9는 정류기측 DC선로 사고 시 기존 토폴로지 및 제안하는 토폴로지 내 보조회로의 커패시터 용량(Cc2 )에 따른 인버터 측 고장전류를 나타낸 것이다. 고장전류가 정상상태 전류의 방향에 대하여 반대방향으로 1kA의 전류가 흐르게 되면 차단기의 트립신호는 동작하게 된다. 인버터측에서의 차단동작의 경우 상대적으로 고장위치가 정류기측에 비해 멀기 때문에 고장전류의 크기는 작아지고 차단시간은 길어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 정류기측 차단동작에서와 같이 보조회로의 커패시터가 작아질수록 고장전류 차단시간은 단축되고 최대 고장전류가 14kA에서 5kA까지 감소되는 것을 확인할 수 있다.

그림 9DC선로 사고 시 인버터 측 차단전류 Fig. 9 Fault current at inverter side during DC fault

그림 10은 DC선로 사고 시 정류기측의 DC링크 전압을 나타낸 것이다. DC 링크전압은 정상상태에서 300kV로 제어 되다가 3s에 DC선로 사고가 발생하는 동시에 고장점과 각 스테이션과의 전위차가 커서 순간적으로 많은 전류가 DC링크 커패시터로부터 빠져나가면서 DC링크 전압은 떨어지게 된다. 정류기 측에서는 기존의 역전류 주입방식의 경우 최대 약 160kV 까지 떨어지다가 사고가 차단되고 나면 200kV로 수렴하는 것을 볼 수 있다.

그림 10DC선로 사고 시 정류기 측 DC 링크 전압 Fig. 10 DC link voltage at rectifier side during DC fault

본 논문에서 제안한 토폴로지의 경우 차단시간이 기존의 토폴로지보다 짧기 때문에 감소된 DC링크 전압은 Cc2이 20∼80μF 로 변함에 따라 약 250∼290kV로 작아진 것을 확인 할 수 있다. 사고판단 직후 컨버터 내부의 IGBT가 turn-off 동작하여 스테이션이 동작을 멈출 경우 얼마나 빠른 시간 안에 DC링크를 고립시킬 수 있느냐에 따라 전압강하 비율 이 정해지기 때문에 본 논문에서 제안한 토폴로지의 경우 전압형 HVDC의 재가동시 전압 복구 면에서도 더 유리하다고 판단할 수 있다.

그림 11은 DC선로 사고 시 인버터측의 DC링크 전압을 나타내는 것이다. 앞서 말한 바와 같이 사고가 발생하고 차단기가 동작하는 동시에 사고판단 신호는 각 스테이션의 IGBT 소자에 들어가서 시스템을 정지시킨다. DC링크 전압은 정류기측 차단결과와 유사하게 Cc2가 20∼80μF 로 변함에 따라 약 250∼290kV로 작아진 것을 확인할 수 있다.

그림 11DC선로 사고 시 인버터 측 DC 링크 전압 Fig. 11 DC link voltage at inverter side during DC fault

 

5. 결 론

본 논문에서는 기존의 역전류 주입방식 DC차단기의 차단 시간 단축과 고장전류를 감소시키기 위한 토폴로지를 제안하였다. 제안된 토폴로지는 Matlab/Simulink를 이용하여 모델링되었으며, VSC-HVDC 시스템에 적용되었다. 또한, DC선로 사고 시 기존의 토폴로지에 대한 동작특성 차이를 시뮬레이션을 통하여 비교하였다. 결과적으로 제안된 토폴로지는 기존의 토폴로지에 비하여 차단동작 시 고장전류를 감소시키고, 차단시간을 단축시킬 수 있는 효과를 확인하였다. 이는 제안된 토폴로지에 추가된 회로의 동작은 차단기 내부 임피던스 증가로 인한 고장전류 감소, 차단주파수 상승으로 인한 차단시간의 단축에 기인한다는 것을 알 수 있다. 또한, 제안한 토폴로지 내 Cc2값의 변화에 따른 비(R= Cc1/Cc2 )가 증가할수록 그 효과가 증대된다는 것을 알 수 있다.

추후 연구에서는 본 연구에서 제안한 토폴로지를 기반으로 개폐제어에 관한 연구를 수행할 계획이다.