1. 서 론

중전압 직류 배전망(Medium Voltage Direct Current, MVDC)은 재생에너지 연계 확대, 지중화 구간의 설비 증설 제약, 단락전류 관리 비용 상승 등으로 인해 현실적 대안으로 부상하고 있다^[1–^2]. 변환 단계 축소에 따른 손실 저감, 전력조류 제어 자유도 확대, 분산자원·에너지저장장치·전기차 충전 인프라의 직류 기반 연계성, 그리고 기존 AC 선로 전환 활용 가능성은 MVDC 도입을 뒷받침한다. 다만, 해당 설비들의 투입을 위해 고려되어야 할 일시적 과전압(Temporary Overvoltage)에 대한 연구는 충분하지 않다. 특히 기존 AC용 배전 선로를 MVDC 방식으로 운전한다는 전제에서의 과전압 파형 정보는 설계에 필수적인데 비해, 공개된 자료는 제한적이다.

한편 송전급 송전 직류망(High Voltage Direct Current, HVDC) 분야에서는 사고 위치·유형, 토폴로지 및 접지, 보호 지연, 단락 용량, 선로 길이, 운전점에 따른 과전압 특성이 다수 보고되어 왔다^[3-10]. 본 논문은 그와 같은 분석 구조를 배전급 ±35kV Modular Multilevel Converter(MMC)-MVDC 모델에 적용해, MVDC 환경에서 실제 전자기 과도(Electro-Magnetic Transient, EMT) 시뮬레이션으로 얻은 파형을 확인해 보는 것에 목적이 있다.

본 논문은 배전급 ±35kV의 MMC-MVDC 시스템을 대상으로, 사고 위치와 유형에 따른 DC 선로의 전압 응답을 EMT 시뮬레이션을 통해 제시한다. 분석의 초점은 특정 기능 및 파라미터에 따른 전압 비교가 아닌, MMC-MVDC에서 동일한 공통 조건에서 고장 유형과 위치가 달라질 때 전압 파형이 어떻게 달라지는지, 그리고 그 상대적 크기와 형상이 어떻게 정리되는지에 있다. 또한 MMC 인근에서 발생 가능한 DC 고장에 대하여, 60Hz 한 주기 내 여러 시점에서 고장을 인가함으로써 고장 파형의 경향을 분석하였다. 각 실험 결과는 대표 파형과 최대 전류 등을 중심으로 정리하였다. 제시되는 결과는 배전급에서 AC 선로의 MVDC 전환을 검토할 때 선로 절연 여유와 초기 보호 임계 설정의 출발점으로 활용될 수 있다.

본 연구의 기여는 다음과 같이 요약된다. [1] 배전급 MMC-MVDC에서 AC 및 DC 측에서 발생 가능한 고장들에 대해 DC 전압의 파형과 최대치를 분석하였다. [2] 선로 길이, 컨버터의 운전점 등 과도현상에 영향을 줄 수 있는 요인들에 대해 과전압 변화 양상을 검토하였다.

2. EMTP 기반 MMC-MVDC 모델링

MVDC를 구성하기 위해서는 다양한 토폴로지가 있으나, 낮은 고조파, 높은 확장성, 우수한 전압 품질을 강점으로 갖는 MMC-MVDC는 활발히 연구되는 토폴로지 중 하나이다. MMC는 한 상을 상·하 Arm으로 구성하고 각 Arm에 직렬 연결된 다수의 서브모듈을 제어하여 커패시터 전압을 합성함으로써 계단형 정현파 출력을 만드는 구조이다.

시스템 구성으로는 그림 1의 대칭 단극(Symmetric Monopole, SMP)을 모의하였다. SMP는 두 도체를 대지 기준 ±Vdc/2로 운전하여 도체–대지 절연 스트레스를 완화하고 전자기 간섭에 비교적 안정적인 구조이다. 다만 단극 지락 시 전위 변위가 발생할 수 있어 중성점 임피던스와 보호 협조 설계가 중요하며 본 논문에서는 이를 중점적으로 분석하였다.

그림 1. SMP 형태의 MMC-MVDC 계통 구성

Fig. 1. SMP-type MMC-MVDC system configuration

또한 비용·효율을 고려해 그림 2의 하프 브리지(Half-Bridge, HB) 서브모듈 구조 채택한 MVDC를 이용하여 고장을 모의하였다. HB 서브모듈은 소자 수와 손실이 적어 경제성이 높은 모듈이지만 DC 고장 차단 능력이 없어, 고장 시 대전류가 형성될 수 있어 별도의 관심이 필요하다.

그림 2. Half-Bridge 서브모듈 기반 MMC 구조

Fig. 2. MMC architecture based on half-bridge submodules

본 논문에서는 위에서 언급한 구조를 채택한 MMC-HVDC 구성을 EMT 시뮬레이션 툴 중 하나인 EMTP-RV의 MMC-HVDC 예제를 기반으로 국내 MVDC 실증에 적합한 형태로 변경하여 구성하였다. 이때의 시뮬레이션에서 활용되는 파라미터들을 표 1에 정리하였다.

AC 계통에 대한 정보로는 국내 배전망 상황에 적절한 수치인 22.9kV, 60Hz를 기준으로 시뮬레이션 모델링을 진행하였다. 또한 계통 상태는 충분히 안정적인 SCR과 R/X 비율을 상정하였다. 변압기는 ±35kV, 40MW를 안정적으로 공급할 수 있으며 현실적인 % 임피던스를 갖도록 하였다.

컨버터는 Arm당 HB 서브모듈이 32개 있는 SMP MMC 형태이다. 서브모듈의 개수 및 DC 커패시터와 Arm 리액터는 국내 MVDC 실증에 활용 가능한 수치들을 적용하였다.

서브모듈 제어로는 MMC-HVDC에서 자주 활용하는 순환전류 억제 제어(Circulating Current Suppression Control)와 최인접 레벨 변조(Nearest Level Control)를 활용하였다. 최근 MMC-MVDC에서는 위 제어에 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation)를 추가하여 서브모듈 개수가 HVDC에 비해 부족한 MVDC에서의 전압 리플을 최소화하고자 하는 연구들이 진행되고 있으나, 표 1의 파라미터에서는 DC 극간 전압의 리플이 0.1% 수준으로 별도의 추가 제어가 필요치 않다고 판단하였다.

DC 선로는 앞서 언급한 AC 선로 전환 시나리오를 가정하여, 기존 섬으로 AC 전력을 전송하던 AL 400 sq 선로가 MVDC 송전에 활용됨을 모의하였다. 총 40 km의 선로를 구현하였으며, 과도 파형의 주파수 의존 특성을 재현하기 위해 광대역(Wide-band) 선로 모델 형태로 구성하였다.

가장 중요한 컨버터 모델로는 고장 과도 전압을 모의하기에 적정하다고 알려진 'Switching Function of Arms' 모델을 활용하였으며, 고정 4 μs로 과도 현상을 확인할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 2초간 충분히 정상 상태가 되도록 기동을 한 뒤 고장을 추가하여 각 DC 극의 전압을 확인하였다.

그림 3. EMTP-RV를 통해 구현한 MMC-MVDC 구성

Fig. 3. MMC-MVDC configuration implemented using EMTP-RV

그림 4. AC 위상 스위핑에 따른 고장 인가 시점 정의

Fig. 4. Definition of fault-inception timing based on AC phase sweeping

고장을 인가할 때는 AC 전압 위상에 따라 고장의 파급 형태가 달라질 수 있다. 따라서 60Hz 전압을 4개의 순간(2, 2.0042, 2.0083, 2.0125s)으로 나누어 고장을 투입하도록 하여, 위상 변화에 따라서도 전압의 변화를 확인할 수 있도록 하였다.

또한 기본 EMTP MMC 모델의 보호 기능에는 DC 과전류와 AC 전압 강하 기반 보호만 존재하므로, 일반적으로 많이 활용되는 DC 전압 기반 저전압 및 과전압 블로킹을 추가하였으며 임계 전압으로는 0.8 p.u.와 1.2 p.u.를 각각 적용하였다.

3. DC 선로 과전압 특성 모의

3.1 AC 단상 지락 고장에 따른 DC 과전압

가장 먼저 모의한 고장은 AC 단상 지락 고장이다. 그림 5는 각각 컨버터 인근에서 측정한 양극과 음극에서의 DC 전압 파형을 보여준다. AC 단상 지락 고장에서는 위상에 따른 DC 과전압 양상이 매우 뚜렷이 나타난다. 이는 AC 단상 지락 고장 시, 고장 나지 않은 두 상에 기존보다 높은 전압이 발생하기 때문이다. 90°와 270° 상황에서의 고장 투입에서는 과전압이 1.04 p.u. 수준으로 매우 적게 나타나며, 0°와 180° 상황에서는 과전압이 1.12 p.u. 수준의 비교적 높은 과전압이 발생한다. 특히 0°와 180°에서는 전압 진동도 함께 확인된다. 이후 AC 전압 강하로 인한 컨버터 블로킹에 의해 DC 전압이 전체적으로 감소함도 확인할 수 있다.

그림 5. AC 단상 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 5. DC voltage response under AC single line-to-ground fault

3.2 AC 3상 지락 고장에 따른 DC 과전압

다음 고장은 3상 AC 지락 고장에 해당한다. 그림 6은 AC 3상 지락 고장에 대한 각 극의 DC 전압을 보여준다. AC 3상 지락 고장 시에는 단상 지락과 달리 모든 상전압이 순간적으로 0으로 급락하므로 DC 측에서는 과전압이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 DC 링크가 다수의 서브모듈 커패시터로 구성된 큰 등가 캐패시턴스를 가지며, AC 고장이 DC 회로의 직접적인 단락을 유발하지 않아 DC 선로에 인가된 전압이 빠르게 변할 경로가 없기 때문이다. 또한 고장 직후 컨버터가 블로킹 모드로 전환되어 DC 전류가 감소하므로, DC 선로 전압은 더욱 안정적으로 유지된다. 3상이 모두 동일하게 고장이므로 위상에 따른 차이는 없으며, 고장 인가 시점의 시간적 차이에 따른 DC 전압 변화만 나타난다. 다만 AC 전압 강하로 인해 컨버터 블로킹이 발생하면서 DC 전압이 전체적으로 다소 감소하는 현상은 관찰된다.

그림 6. AC 3상 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 6. DC voltage response under AC three phase-to-ground fault

3.3 AC 2상 지락 고장에 따른 DC 과전압

그림 7에서 확인할 수 있듯, AC 2상 지락 고장은 AC 단상 지락과 비슷한 양상을 보인다. 다만 이상적인 AC 고장 상황에서 AC 단상 지락 고장에 비해 AC 2상 지락 고장에서는 고장이 발생하지 않은 상에 걸리는 전압이 더 작다. 이로 인해 2상 지락 고장에서 단상 지락 고장보다 일부 더 작은 1.06 p.u. 수준의 과전압을 갖는다. 고장 발생 위상 또한 반대로 나타나며, 0°와 180°에서는 과전압이 매우 적고 90°와 270° 상황에서 과전압 및 전압 진동이 발생한다. 컨버터 블로킹에 의한 전압 강하도 함께 확인할 수 있다.

그림 7. AC 2상 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 7. DC voltage response under AC two phase-to-ground fault

3.4 AC 상간 단락 고장에 따른 DC 과전압

AC 상간 단락 고장의 경우에는 앞선 고장과는 다른 양상을 보인다. AC 상간 단락 고장에서는 AC 전압이 일부 유지된다. RMS로는 변압기의 고장 측에는 약 0.41 p.u.의 전압이, 반대측에는 약 0.68 p.u.의 전압이 유지되기에 계통이 충분히 안정된 경우에는 MMC-MVDC를 통한 전력 공급이 가능하다. 기본 EMTP-RV의 MMC 모델의 블로킹 AC 전압 기준은 0.1 p.u.이므로, 고장 전에 비해 DC 전압 리플이 커졌지만 정상적인 스케일에서의 전압이 유지된 것을 확인할 수 있다. 이러한 동작이 선호되지 않는다면, 설계 단계에서 DC/AC 전압 기준의 블로킹 또는 차단 모드를 설정하는 것이 바람직하다.

그림 8. AC 상간 단락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 8. DC voltage response under AC line-to-line fault

3.5 DC 지락 고장에 따른 DC 과전압

HB 서브모듈 기반 MMC-HVDC에서도 DC 측 과전압에서 가장 중요하게 확인되는 DC 지락 고장은 MMC-MVDC에서도 비슷하게 확인된다. 그 이유는 MMC 구조상 DC 측에서 고장이 날 경우 두 Arm 내 커패시터가 모두 직렬로 연결되며, 반대쪽 전압이 2배가 되는 문제가 발생하기 때문이다. 풀 브리지(Full Bridge, FB) 서브모듈에서는 역방향 전압을 제공하여 이러한 과전압을 완화할 수 있으나 HB 서브모듈에서는 불가능하다. 이러한 두 배 수준의 DC 전압 증가는 선로 절연 및 수명에 매우 악영향을 미친다.

그림 9를 확인할 경우, 컨버터 음극에 지락 고장이 난 상황에서의 전압 응답이다. 고장이 난 음극에는 0 p.u.의 전압이, 고장이 나지 않은 양극에는 2.27 p.u.의 과전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다. AC의 위상도 전혀 관계없지는 않으나 큰 차이는 없음을 확인하였다.

그림 9. DC 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 9. DC voltage response under DC pole-to-ground fault

3.6 DC 고장 발생 위치에 따른 DC 과전압

3.5절의 DC 고장은 음극 지락 고장이 발생한 지점에서 두 극의 전압을 확인한 것이다. DC 고장이 발생한 위치가 달라질 경우 전압 양상을 확인하기 위하여 총 40 km의 선로의 20 km 지점의 음극에서 지락 고장이 발생한 경우와 40 km 지점의 음극에서 지락 고장이 발생한 경우를 모의하였다.

그림 10. 20km 지점 DC 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 10. DC voltage response under DC pole-to-ground fault at the 20 km point

그림 11. 40km 지점 DC 지락 고장에 따른 DC 전압 응답

Fig. 11. DC voltage response under DC pole-to-ground fault at the 40 km point

DC 지락 고장이 발생한 위치가 전압 측정 위치로부터 거리가 있을 경우, 고장이 발생한 음극에서는 고장 지역과 측정 지역 간의 선로 LC 성분에 의해 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 해당 전압 크기는 20km 및 40km에서 모두 비슷하다. 반면 고장이 발생하지 않은 양극에서는 평균 2.26 p.u., 2.27 p.u., 2.30 p.u.로 일부 과전압이 늘어나기는 하나 그 영향이 크지 않음을 확인할 수 있다.

3.7 DC 선로 길이에 따른 DC 과전압

일부 문헌에 따르면 MMC-HVDC의 경우 DC 선로 길이에 따라 DC 과전압의 크기가 달라진다는 연구가 있다. 따라서 본 논문에서는 MMC-MVDC에서의 DC 선로 길이에 따라 고장을 모의하였다. 현재까지의 내용을 분석하였을 때 DC 선로에 발생하는 최대 과전압은 최대 거리에서 발생한 DC 지락 고장이므로, 모든 고장을 모의하기보다 반대 컨버터 쪽에서의 DC 지락 고장만을 수행하였다. 또한 위상각에 의한 DC 전압의 크기 변화는 적어 같은 위상에서의 고장을 모의하였다.

그림 12. 선로 길이별 원거리 DC 지락 고장 DC 전압 응답

Fig. 12. DC voltage response for remote DC pole-to-ground faults depending on transmission-line length

모의 결과, 선로의 길이가 짧을수록 DC 과전압이 크게 발생하며, 다만 그 과전압 해소 속도는 빠른 것을 확인할 수 있다. 이는 고장 발생 파형이 진행파 형태로 이동할 때 길이가 짧을수록 파형이 중첩되어 더 높은 과전압으로 이어지기 때문이다. 또한 양극의 DC 전압에서 처음 감소 부분은 순간 과전압에 의한 회로 내 커패시터의 충전, 유지 부분은 전압이 2Vdc가 됨에 따라 수렴한 것으로 이해할 수 있는데, 선로 길이가 짧을수록 충전에 필요한 에너지가 적어 더 빨리 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 10km의 경우에는 순간 과전압이 너무 높아 계통으로부터 빠르게 차단되어 선로 커패시터의 충전이 진행되지 않은 것으로 확인하였다.

3.8 유효전력 전송량에 따른 DC 과전압

고장 전 송전 중인 유효전력에 따라 MMC-HVDC의 DC 과전압이 변화한다는 연구들도 제시되어 있다. 본 논문에서도 이를 확인하기 위해 MMC-MVDC에서 해당 모의를 진행하였다.

그림 13. 유효전력 전송량별 DC 지락 고장 DC 전압 응답

Fig. 13. DC voltage response to DC pole-to-ground faults under different active power transfer levels

DC 송전량이 많을 경우 흐르는 전류의 크기가 커지고, 이에 따른 인덕터에 저장된 에너지가 많아 고장 전압이 커짐을 확인할 수 있다. 따라서 송전량이 높을수록 DC 과전압의 최대 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다. 다만 40MW와 같이 MMC-MVDC의 최대 전력에 가깝게 출력하는 경우, 높은 과전압에 계통에서 빠르게 차단되어 앞선 경우와 마찬가지로 선로 커패시터 충전량이 적어 더 빠르게 2Vdc에 수렴하게 됨을 확인할 수 있다.

4. 결 론

본 논문은 HB 서브모듈 기반의 ±35kV SMP MMC-MVDC 배전 시스템에서, 동일한 모델·제어·보호 조건하에 사고 위치와 유형에 따른 DC 선로 과전압 특성을 EMTP‑RV 시뮬레이션으로 정리하였다. 분석 결과, AC 계통 고장 중에서는 단상 지락이 최대 과전압을 유발하였고, 3상 지락은 DC 측 과전압 영향이 미미하였다. DC 지락은 건전극에서 전체 가장 큰 과전압을 발생시켰다. 또한, 고장 위치가 원단으로 멀어질수록 건전 극 최대치 증가가 일부 있으며, 선로가 짧을수록 초기 피크는 커지되 감쇠는 빨라짐을 확인하였다. 또한 고장 전 유효전력이 커질수록 DC 지락에서의 과전압 피크가 증가하였다. 이러한 결과는 기존 AC 선로의 MVDC 전환을 검토할 때 선로 절연 여유 산정과 초기 보호 임계 설정의 출발점으로 활용될 수 있다.

본 연구는 대칭 단극 구성과 HB 서브모듈, Switching‑Function 기반 컨버터 모델 및 NLC 중심 제어를 전제로 하였으므로, 접지 파라미터 변화에 대한 민감도, PWM 추가, 서지어레스터 보호 협조, FB 서브모듈, 하이브리드 서브모듈, 상세 보호 시퀀스 등의 후속 연구가 필요하다. 실계통 선로 정수와 다양한 포설 조건 반영, 다양한 SCR·R/X 환경 검증을 통해 제시된 경향의 범용성을 추가 확인하는 것이 향후 과제이다.