2.1 방사형 MVDC 배전계통 구성

MVDC 배전계통은 따라서, MVDC 배전선로의 간선(main feeder), 분기선(저압선로, secondary feeder)에 설치된 보호기기들은 사고구간 판별과 보호협조 동작을 수행할 시간적인 여유가 없게 되어, 정전구간이 확대될 가능성이 있다. 방사형(radial), 환상형(loop), BTB(back-to-back), 다중터미널(multi- terminal) 등의 형태로 분류되며, 운영자의 필요와 목적에 따라 다양하게 구성될 수 있다^(3-5). 여기서, 방사형 계통은 그림 1과 같이 기존의 AC 계통과 유사하고 사고해석이 용이하여, MVDC 배전계통을 구성하는 측면에서 채택할 가능성이 높은 형태로 알려지고 있다⁽⁶⁾. MVDC 방사형 배전계통에서는 메인컨버터(AC-DC, DC-DC)와 수 ms로 동작하는 보호기기가 설치되어 운용되는데, 분기선에 사고가 발생하는 경우, 메인컨버터에 흐르는 전류의 크기가 과부하 내량을 초과하여 메인컨버터가 탈락할 가능성이 있다. 즉, 메인컨버터에 내장된 보호기능(H/W, S/W)은 반도체 소자들을 보호하기 위해, 센서로 부터 측정된 파라메터가 보호 범위를 벗어나면 수 ms 이내에 순시적으로 동작하기 때문이다. 따라서, MVDC 배전선로의 간선, 분기선에 설치된 보호기기들은 사고구간 판별과 보호협조 동작을 수행할 시간적인 여유가 없게 되어, 정전구간이 확대될 가능성이 있다^(7,8). 즉, MVDC 보호협조 방식은 메인컨버터의 민감한 동작특성으로 인해, 기존의 AC 배전계통에서 채용하고 있는 협조시간차와 T-C 곡선(반한시)을 이용한 협조방법을 동일하게 적용하기 어려운 실정이다. 따라서, 사고전류로부터 메인컨버터의 급격한 탈락을 방지하고, 보호기기의 협조시간차를 확보하기 위한 새로운 방식의 보호협조 방안이 요구된다.

2.2 방사형 MVDC 배전계통의 보호협조 특성

방사형 MVDC 배전계통의 선로사고는 그림 2와 같이 간선사고(F1, F2)와 분기선사고(F3, F4)로 분류할 수 있으며, 사고지점의 위치에 따라 간선용 메인 컨버터와 분기선용 구간 컨버터, 보호기기간의 보호협조를 수행해야 한다. 여기서, F1 지점의 사고는 메인 컨버터 직하의 간선에서 발생한 것이고, F2는 간선의 말단에서 발생한 사고이고, F3와 F4는 분기선의 직하와 말단에서 발생한 사고를 나타낸다. 먼저, F1 지점에서 사고가 발생한 경우, 메인컨버터가 즉시 탈락하거나 MVCB 1 등의 보호기기가 동작하여 MVDC 전체 계통에 정전이 발생하고, F2의 경우, 메인컨버터가 탈락하기 전에 간선용 보호기기(MVCB 2, MVCB 3 등)가 동작하여 사고구간을 분리하는 보호협조 방안이 제시되고 있다. 한편, F3와 F4 지점에 사고가 발생한 경우, 간선구간의 정전을 최소화하기 위해 메인컨버터가 탈락하기 전에 분기선용 보호기기(LVCB 1)를 동작시키는 보호협조 운용방안이 요구되고 있다^(9-10). 따라서, 본 논문에서는 분기선에서 사고가 발생하는 경우, 간선용 메인컨버터의 급격한 탈락을 방지하기 위하여, 사고전류를 제한할 수 있는 MVDC/LVDC 배전계통용 사고전류 클램핑 장치(fault current clamping device, FCCD)를 제안한다. 이 장치는 기기 내부의 CCR(current clamping resistor) 회로에 의해 사고전류를 제한하여 분기선용 보호기기가 사고구간을 분리할 수 있는 보호협조 시간을 확보하여, 메인 컨버터의 탈락을 방지하여 건전한 구간에 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 한다.

3.1 사고전류 클램핑 장치의 구성

본 논문에서 제안한 방사형 MVDC 배전계통에서 사고구간 분리를 위한 사고전류 클램핑 장치는 그림 3과 같이 주 통전부(main path)와 전류 클램핑부(current clamping path)로 구성한다. 여기서, 주 통전부는 n 개의 스위치 모듈을 직렬로 연결한 메인 스위치($S_{M}$)로 구성되고, 전류 클램핑부는 전류 클램핑 스위치($S_{CC}$)와 클램핑 저항($R_{CC}$)으로 구성되는데, 전류 클램핑부는 주 통전부의 메인 스위치와 동일한 형태를 가진다. 또한, 주 통전부와 전류 클램핑부의 스위치는 높은 내압을 가지고 수 $\mu s$이내에 빠르게 동작하는 소자인 반도체 스위치(IGBT)를 채용하며, 스위치 모듈은 전류를 양방향으로 제어하기 위하여 2개 스위치의 에미터를 공통으로 접속한다⁽¹¹⁾. 한편, 사고전류 클램핑 장치의 동작 모드는 그림 4와 같이 초기 동작 모드, 보조 동작 모드, 주 동작 모드, 회복 동작 모드로 분류된다. 여기서, 주 동작모드의 전류 제한 개념은 $t_{0}$에서 사고가 발생한 경우, 사고전류 클램핑 장치가 $t_{1}$시간대에 동작하여 사고구간을 분리하는 $t_{2}$시간대까지 사고전류($i_{dc}$)를 제한하는 것이다.

한편, 사고전류 클램핑 장치는 방사형 MVDC 선로에서 그림 5와 같이 A 부분과 B 부분에 설치하여 운용될 수 있다. 구체적으로, A부분에 설치되는 클램핑 장치는 MVDC 배전선로의 간선용으로 메인 컨버터의 직하에 적용되는데, 사고가 발생하면 클램핑 장치의 양단에 고압이 인가되기 때문에, 주 통전부와 전류 클램핑부는 많은 스위치로 구성되지만, MVDC 전체 선로의 사고전류를 제한하는 기능을 가진다. 또한, B 부분에 설치되는 클램핑 장치는 MVDC 배전선로의 분기선(LV)에 설치된 구간 컨버터의 직하에 적용되는데, 사고가 발생하면 클램핑 장치의 양단에 상대적으로 낮은 전압이 인가되므로, 주 통전부와 전류 클램핑부는 적은 개수의 스위치로 구성할 수 있지만, 구간 컨버터의 직하마다 전류 클램핑 장치를 설치해야 한다. 따라서, 본 연구에서 제안한 사고전류 클램핑 장치는 방사형 MVDC 배전계통의 간선 및 분기선 규모, 용량, 공급전압 등을 고려한 최적의 설계가 요구된다.

3.2 사고전류 클램핑 장치의 동작 모드

4.1 간선용 메인 컨버터의 모델링

±35kV급 MVDC 배전선로의 간선용 메인 컨버터는 그림 11과 같이 정류기용 변압기, SCR 정류기, L-C 필터 등으로 구성된다. 여기서, 정류기용 변압기는 3권선 Yg-Y-$\triangle$ 결선방식을 채용하여, Y측과 $\triangle$측의 SCR 정류기의 입력은 30°의 위상차를 가지게 된다. 이것은 Y측과 $\triangle$측의 SCR 정류기의 입력위상을 다르게 하여, AC측에 발생하는 고조파의 함유율을 저감시키기 위해 사용된다. 또한, SCR 정류기는 3상 AC전력을 DC로 변환하기 위한 6-pulse bridge의 사이리스터 소자들로 구성되고, L-C 필터는 정류된 DC측 출력의 리플을 저감시키는 역할을 수행한다.

4.2 분기선용 구간 컨버터의 모델링

±35kV급 MVDC 배전계통으로부터 ±750V급 LVDC 배전계통으로 전력을 공급하는 분기선용 구간 컨버터는 그림 12와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 구간 컨버터는 full-bridge 형태의 IGBT 소자와 전기적 절연과 강압을 위한 고주파 변압기, L-C필터 등으로 구성된다⁽¹²⁾.

4.3 사고전류 클램핑 장치의 모델링

그림 3의 사고전류 클램핑 장치의 구성도를 바탕으로 PSCAD/ EMTDC의 모델링을 수행하면 그림 13과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 직렬로 연결한 반도체 스위치 모듈 개수($m$)는 사고전류 클램핑 장치 전압에 스위치 내압($V_{CE}$)과 스위치 내압의 사용률($k$)을 나눈 값으로 산정하며, 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $m$: 반도체 스위치 모듈 개수, $V_{FCCD}$: 사고전류 클램핑 장치 양단 전압[kV], $k$: IGBT 내압 사용률, $V_{CE}$: IGBT의 컬렉터-에미터 내압[kV]

한편, 클램핑 저항 값을 산정하기 위한 제한전류($I_{cc}$)는 사고전류 클램핑 장치의 1차측에 연결되는 컨버터(간선용, 분기선용)의 과부하 내량에 전류 제한비($\alpha$)를 곱한 값보다 작아지도록 산정하며, 식(2)과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 클램핑 저항 값은 컨버터의 제한전류에 사고 전류 제한장치의 1차측 전압을 나눈 값으로 산정하며, 식(3)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $I_{cc}$: 제한 전류[A], $\alpha$: 전류 제한비, $I_{dc.oc}$: 간선용, 분기선용 컨버터의 과부하 내량[A], $P_{con}$: 간선용, 분기선용 컨버터의 용량[MW], $V_{pri}$: 사고 전류 제한장치의 1차측 전압[kV]

한편, 클램핑 저항의 열적용량을 산정하기 위하여 클램핑부의 전압 및 전류 특성을 나타내면 그림 14와 같다. 여기서, 클램핑 저항의 전압 $v_{ccs}(t)$는 선로 임피선스를 고려하고, 클램핑 저항에 전압이 인가되는 지속시간($t_{FCC}$)은 간선 및 분기선에 설치된 차단기(MVCB, LVCB)의 사고구간 분리시간($t_{CB}$)보다 큰 값이어야 하며, 식(4)과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 클램핑 저항의 열적용량은 식(4)의 지속시간 동안 클램핑 저항의 전압과 전류의 곱을 적분하여 산정하며, 식(5)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $t_{FCC}$: 클램핑 저항에 전압이 인가되는 시간[ms], $t_{1}$: 주 동작 모드의 시작 시간[ms], $t_{2}$: 사고구간의 분리가 완료된 시간[ms], $t_{CB}$: 차단기(MVCB, LVCB)간의 사고구간 분리시간[ms], $E_{rcc.\min}$: 클램핑 저항의 에너지[J], $v_{ccs}(t)$: 클램핑부에 인가되는 전압[kV], $i_{dc}(t)$: 정상상태 DC전류[A]

예를 들어, 상기의 식(1)~(5)를 바탕으로 ±35kV급 MVDC 배전선로에서 사고전류 클램핑 장치의 구성은 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 이 표에서와 같이, 간선용 메인 컨버터 직하에 설치되는 경우, 9개의 스위치 모듈과 2.2[MJ]의 CCR 에너지가 산정되고, 분기선용 구간 컨버터 직하에 설치되는 경우, 1개의 스위치 모듈과 87.4[kJ]의 CCR 에너지가 산정됨을 알 수 있다. 따라서, 방사형 MVDC 배전계통의 운용방안에 따라, 전류 클램핑 장치를 구성하는 스위치의 모듈의 개수와 CCR의 용량에 대한 최적 설계가 요구된다.

4.4 전체 시스템 모델링

상기에서 제시한 모델링을 바탕으로, 사고전류 클램핑 장치의 성능을 평가하기 위한 전체계통 모델링은 그림 15와 같이, DC 전압원, 사고전류 클램핑 장치, 선로 임피던스, 저항부하로 구성한다. 여기서, DC전압은 MVDC 배전계통의 전압을 bi-pole, 비접지 방식으로 고려하여 70kV(±35kV)로 상정한다.

5.1 시뮬레이션 조건

본 논문에서 제시한 MVDC용 사고전류 클램핑 장치의 동작 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션 조건은 그림 16과 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 먼저, MVDC 배전선로의 구간은 그림 16와 같이 각 0~10[km], 10~20[km]로 상정하고, 분기선용 구간 컨버터가 각 구간의 중간지점에 설치되어 LVDC로 변환하고, 사고전류 클램핑 장치는 메인 컨버터 직하인 A부분 또는 구간 컨버터 직하인 B부분에 설치한다. 한편, 표 2과 같이 간선용 메인 컨버터의 용량과 공급전압은 24[MW], 70[kV](±35[kV])이고, 분기선용 구간 컨버터의 용량과 전압은 1[MW], 1.5[kV] (±750[V])로 상정하고, 메인 및 구간 컨버터의 과부하내량은 300[%]로 상정한다. 또한, 사고전류 클램핑 장치에 사용하는 IGBT의 내압과 사용률은 6.5[kV], 60[%]로 상정하며, 메인 및 구간 컨버터 직하용 CCR은 각각 46[Ω], 0.56[Ω]이고, 보호기기의 차단동작 시간은 10ms로 설정한다. 한편, MVDC 배전선로의 총 긍장은 20[km]이고, 선종은 AC 배전선로와 동일한 ACSR 160mm$^{2}$를 상정한다.

5.2 메인 컨버터용 사고전류 클램핑 장치의 운용특성

표 2의 시뮬레이션 조건에 따라, 간선용 컨버터 직하에 사고가 발생한 경우에 대하여, MVDC용 사고전류 클램핑 장치의 동작 특성을 나타내면 그림 17과 같다. 여기서, 그림 17 (a)는 전류 클램핑 장치의 게이트 신호이고, 그림 17 (b)는 사고전류와 클램핑부의 전류이며, 그림 17 (c)는 전류 클램핑 장치

양단 및 수용가 측에 인가되는 전압이고, 그림 17 (d)는 클램핑 저항의 에너지 특성이다. 그림 17 (b)과 같이, 구간 컨버터의 직하에서 P-N 사고가 발생하는 경우, 사고전류는 전류 클램핑 장치의 스위칭 동작에 의하여 673[A]로 제한되는 것을 알 수 있고, 그림 17 (c)와 같이 클램핑 장치의 양단에 약 35[kV]의 전압이 걸리는 것을 알 수 있다. 또한, 그림 17 (d)과 같이 사고전류 클램핑 장치가 동작하는 동안, CCR에서 누적된 에너지는 약 2.2[MJ]로 산정된다. 따라서, 본 논문에서 제시한 사고전류 클램핑 장치를 간선용 메인 컨버터 직하에 설치하면, 해당 분기선의 보호기기가 동작할 수 있는 시간을 확보할 수 있어, 메인 컨버터의 탈락을 방지 할 수 있고, 사고구간을 분리할 수 있음을 알 수 있다.

5.3 구간 컨버터용 사고전류 클램핑 장치의 운용특성

표 2의 시뮬레이션 조건에 따라, 분기선용 컨버터 직하에 사고가 발생한 경우에 대하여, MVDC용 사고전류 클램핑 장치의 동작 특성을 나타내면 그림 18과 같다. 여기서, 그림 18 (a)는 전류 클램핑 장치의 게이트 신호이고, 그림 18 (b)는 사고전류와 클램핑부의 전류이며, 그림 18 (c)는 전류 클램핑 장치 양단 및 수용가 측에 인가되는 전압이고, 그림 18 (d)는 클램핑 저항의 에너지 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 그림 18 (b)와 같이 구간 컨버터의 직하에서 P-N 사고가 발생하는 경우, 사고전류는 전류 클램핑 장치의 스위칭 동작에 의하여 1,297[A]로 제한되는 것을 알 수 있고, 그림 18 (d)와 같이 사고전류 클램핑 장치가 동작하는 동안, CCR에서 누적된 에너지는 약 87.4[kJ]로 산정된다. 따라서, 본 논문에서 제시한 사고전류 클램핑 장치를 분기선용 구간 컨버터의 직하에 설치하면, 해당 분기선에 사고가 발생하는 경우, 메인 컨버터의 탈락을 방지하여 건전구간에 전원을 공급할 수 있음을 알 수 있다.