이경민
(Kyung-Min Lee)
1iD
박철원
(Chul-Won Park)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Fault analysis, Hybrid power grid model, Renewable energy sources, PSCAD, Short circuit
1. 서 론
AC 전력망에 초고압 대규모 장거리 전력 전송 및 AC-DC 연계계통을 위해 적용되었던 HVDC(High Voltage Direct Current)
송전망과 수용가의 배전 효율성을 향상시키기 위해 제시된 LVDC(Low Voltage Direct Current) 배전망의 장점을 활용한 전력망 모델에
MVDC(Medium Voltage Direct Current) 전력망이 포함된 차세대 전력망을 Hybrid 전력망이라고 한다. 이는 재생에너지원의
수용성 증대와 효율적인 전력계통의 설계 및 운영을 위하고 재생에너지 연계 용량의 확보 및 도심지역에서의 부하 수용성을 높이기 위한 방안으로 그 가치가
높아서 최근 관심이 증대하고 있다. MVDC 전력망은 직류 선로와 연계되는 컨버터를 통해 능동적으로 네트워크의 조류 흐름을 제어할 수 있으며, 유연한
계통 운영을 통해 선로 손실을 감소시킬 수 있다. 결국, LVDC 및 MVDC를 AC 전력망에 혼합 적용하기 위해서는 특히, DC 배전망에 대한
보호계전 및 보호설비에 대한 기술이 요구되기에 Hybrid 전력망 모델 설계와 사고해석이 선행되어야 한다. 즉, Hybrid 전력망의 검토와 해석,
보호 방안과 차단기 용량 산정 등이 절실히 필요하다(1~3).
근래, MVDC 전력망과 시스템이 소개되면서, MVDC 배전망은 양극형 ±35~40kVdc로, LVDC 배전망은 양극형 ±750Vdc로, 수용가는
400Vdc로 추진되고 있다(1,3). 관련된 국내연구로 (4)에서는 독립형 Hybrid 전력망에서 전압 안정도 개선을 위한 전압형 컨버터의 전압 제어 운영 방안, (5)에서는 Hybrid 전력망에서 고장 발생 시 진행파를 이용하여 빠르게 고장을 검출하는 기법, (2)에서는 pulse 발생기와 DWT(Discrete Wavelet Transform)를 혼합하여 비접지 LVDC 배전망의 지락고장을 검출 기법, 그리고,
(6)에서는 Hybrid 전력망의 안정성과 신뢰성 향상을 위한 분산전원의 협조제어 전략에 대한 논문들이 발표되었다. 해외 연구로 (7)에서는 IEEE 최초 벤치마크 모델을 기반으로 Hybrid 전력망에서 HVDC 링크로 인한 비동기 발진, (8)에서는 양방향 전력변환장치를 사용한 Hybrid 전력망의 구조를 연구하여 빠른 동적 응답과정과 기능적 다양성, 유연성, 안정성을 충족한 구조가 제안되었다.
(9)에서는 Hybrid 전력망 구조의 설계 원리를 연구하고 안정된 동작 조건에서 유연한 제어라는 목표를 달성하기 위해 전력 전자 변압기와 기존 변압기를
결합한 새로운 Hybrid 전력망 구조에 대한 연구가 수행되었다. 또한, (10)에서는 각 특성에 맞는 중압 Hybrid 전력망 구조, (11)에서는 불평형 AC전압 조건에서의 Hybrid 전력망의 3상 양방향 AC/DC 컨버터 다중 제어 모드에 대한 연구들이 진행되었다. Hybrid 전력망의
중요성을 고려해볼 때, Hybrid 전력망의 모델링과 시뮬레이션, 사고해석에 관한 연구가 절대 부족한 실정에 있으나 최근, Hybrid AC-DC
배전망을 위한 모델링, 고장전류 계산 및 분석에 관한 과제가 시작되었다(1~3).
본 논문에서는 PSCAD 소프트웨어를 이용하여 Hybrid 전력망의 모델링 및 단락사고 해석을 수행함으로서, Hybrid 전력망 구성, 고장해석 및
보호협조를 위한 기초 연구를 수행하고자한다. 먼저, AC 154[kV] 전원과 50[MVA] 변압기, 전력 변환기를 통한 MVDC 전력망과 LVDC
전력망, PV 및 부하로 구성되는 Hybrid 전력망을 구성한다. 선정한 Hybrid 전력망의 각 구성 요소는 PSCAD로 제어기를 포함한 모델을
설계한다. 또한, AC 전력망, MVDC 및 LVDC 전력망에서 사고 지점을 변경하여 단락사고의 시뮬레이션을 거쳐 최종적으로 각 사고위치별 +pole
to -pole 및 단락사고의 사고전류를 파악한 후, 사고특성을 해석하고자 한다.
2. Hybrid 전력망 모델 및 사고 해석
2.1 PSCAD를 이용한 Hybrid 전력망 모델
본 연구에서는 PSCAD를 이용하여 대상 Hybrid 전력망을 정하여 모델링하고 사고 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 1은 Hybrid 전력망 모델과 사고 위치를 나타낸다. 그림 1과 같이 Hybrid 전력망 모델은 전원에서 154[kV] 전원이 들어오며, 154/22.9[kV] 변압기에 의해 감압되고, 22.9[kV] 교류전압은
변환소의 전력변환장치를 통하여 ±35[kV] 직류전압으로 변환된다. MVDC 전력망에는 총 20[MW]의 부하가 있으며, DC/DC 컨버터에 의해
750[V]로 감압되어 LVDC 전력망과 연계되며, LVDC 배전망은 PV, AC부하, DC부하 등으로 구성된다(3).
그림. 1. Hybrid 전력망 모델과 사고 위치
Fig. 1 Model and fault position of hybrid power grid
2.2 단락사고 시뮬레이션
Hybrid 전력망의 단락사고 해석을 위하여, 각 전력망에서 사고를 모의하였으며, 샘플링주파수는 512[s/c], 사고의 종류는 A-B상 단락사고,
+pole to -pole 단락사고이며 사고 발생 시점은 5[s]이다. 그림 1에서 각 사고 위치는 AC 전력망, MVDC 전력망의 AC/DC 컨버터 근단, MVDC 전력망의 DC/DC 컨버터 근단, LVDC 전력망의 DC/DC
컨버터 근단, LVDC 전력망의 PV 근단 이다.
2.2.1 AC 전력망 사고 해석
AC 전력망의 AC/DC 컨버터 근단 F1에서 A-B상 단락사고를 시뮬레이션 하였다. 그림 2는 사고지점 F1의 A-B상 단락사고시 순시전류를 나타낸다. 그림 2와 같이 A상 사고전류는 사고 직후 6.920[ms]에서 64.803[kA]로 상승하였고, 전류변동률은 9.365[kA/ms]로 파악되었다. 사고
직후 32.455[ms]부터 39.375[ms]까지(6.920[ms]) A상 사고전류는 최대 97.526[kA]로 변화하였으며, 최대치까지의 전류변동률은
14.093[kA/ms]로 파악되었다.
그림. 2. 사고지점 F1에서의 사고전류
Fig. 2 Fault current of fault position F1
그림 3, 그림 4는 각 차단기 CB1~CB6에서 흐르는 전류를 나타낸다. 그림 3에서 알 수 있듯이, CB1의 A상 전류는 정상상태에서 3.605[kA]로 흐르다가 사고 직후 A상과 B상의 위상이 반대가 되며, 최대 69.028[kA]까지
상승하였다. CB2의 A상 전류는 사고 직후 불평형으로 위상이 비대칭되고, 최대 33.193[kA]까지 상승하였다. 그림 4에서 알 수 있듯이, CB3의 전류는 정상상태에서 0.318[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 1.865[kA]까지 상승하였고, CB4의 전류는 정상상태에서
0.020[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 1.535[kA]까지 상승하였다. CB5와 CB6의 전류는 정상상태에서 각각 0.403[kA], 0.149[kA]로
흐르다가 사고 후 서서히 감소하였다.
2.2.2 MVDC 전력망 사고 해석
MVDC 전력망의 AC/DC 컨버터 근단 F2에서 단락사고를 시뮬레이션 하였다. 그림 5는 사고지점 F2의 +pole to -pole 단락사고시 전류를 나타낸다. 단락사고 전류는 세단계로 나누어 해석가능한데. ①단계는 DC-Link 커패시터
방전 단계로 커패시터에 충전된 에너지가 방전되고 ②단계는 역병렬 다이오드
그림. 3. CB1, CB2에서의 사고전류
Fig. 3 Fault current of CB1, CB2
그림. 4. CB3~CB6에서의 사고전류
Fig. 4 Fault current of CB3~CB6
도통 단계로 선로 인덕터가 방전한다. ③단계는 계통으로부터의 전류 급전 단계로 커패시터와 인덕터가 가진 에너지가 다 소진되고 계통으로부터 전류가 급전된다.
그림 5와 같이 사고전류는 사고 직후 0.377[ms]에서 최대 1,764.551[kA]이며, 최대치까지의 전류변동률은 4,680.507[kA/ms]로 파악되었다.
그림 6, 그림 7은 각 차단기 CB1~CB6에서 흐르는 전류를 나타낸다. 그림 6에서 알 수 있듯이, CB1과 CB2의 A상 전류는
그림. 5. 사고지점 F2에서의 사고전류
Fig. 5 Fault current of fault position F2
그림. 6. CB1, CB2에서의 사고전류
Fig. 6 Fault current of CB1, CB2
정상상태에서 3.605[kA]로 흐르다가 사고 직후 위상이 비대칭으로 변화하고, 최대 43.520[kA]까지 상승하였다. 그림 7에서 알 수 있듯이, CB3의 전류는 정상상태에서 0.318[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 1,730.433[kA]까지 상승하였고, CB4의 전류는
정상상태에서 0.020[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 98.630[kA]까지 상승하였다. CB5와 CB6의 전류는 정상상태에서 각각 0.403[kA],
0.149[kA]로 흐르다가 사고 후 서서히 감소하였다. CB4의 전류가 사고 방향으로 흐르는 것을 보았을 때, LVDC 전력망 방향으로 전력을 주지
못하는 것을 알 수 있었다.
MVDC 전력망의 LVDC측 DC/DC 컨버터 근단 F3에서 단락사고를 시뮬레이션 하였다. 그림 8은 사고지점 F3의 +pole to -pole 단락사고시 전류를 나타낸다. 그림 8과 같이 사고전류는 사고 직후 0.019[ms]에서 최대 2,014.382[kA]이며, 최대치까지의 전류변동률은 106,020.105[kA/ms]로
파악되었다.
그림 9, 그림 10은 각 차단기 CB1~CB6에서 흐르는 전류를 나타낸다.
그림. 7. CB3~CB6에서의 사고전류
Fig. 7 Fault current of CB3~CB6
그림. 8. 사고지점 F3에서의 사고전류
Fig. 8 Fault current of fault position F3
그림 9에서 알 수 있듯이, CB1과 CB2의 A상 전류는 정상상태에서 3.605[kA]로 흐르다가 사고 직후 위상이 비대칭으로 변화하고, 최대 26.280[kA]까지
상승하였다. 그림 10에서 알 수 있듯이, CB3의 전류는 정상상태에서 0.318[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 130.282[kA]까지 상승하였고, CB4의 전류는
정상상태에서 0.020[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 2,010.455[kA]까지 상승하였다. CB5와 CB6의 전류는 정상상태에서 각각 0.403[kA],
0.149[kA]로 흐르다가 사고 후 서서히 감소하였다. CB4의 전류가 사고 방향으로 흐르는 것을 보았을 때, LVDC 전력망 방향으로 전력을 주지
못하는 것을 알 수 있었다.
2.2.3 LVDC 전력망 사고 해석
LVDC 전력망의 DC/DC 컨버터 근단 F4에서 단락사고를 시뮬레이션 하였다. 그림 11은 사고지점 F4의 +pole to -pole 단락사고시 전류를 나타낸다. 그림 11과 같이 사고전류는 사고직후 0.019[ms]에서 최대 25.901[kA]이며, 최대치까지의 전류변동률은 1,363.211[kA/ms]로 파악되었다.
그림. 9. CB1, CB2에서의 사고전류
Fig. 9 Fault current of CB1, CB2
그림. 10. CB3~CB6에서의 사고전류
Fig. 10 Fault current of CB3~CB6
그림 12, 그림 13은 각 차단기 CB1~CB6에서 흐르는 전류를 나타낸다. 그림 12에서 알 수 있듯이, CB1과 CB2의 A상 전류는 정상상태에서 3.605[kA]로 사고 직후 전류의 변화가 없었다. 이는 사고 지점에서 AC 전력망까지의
임피던스가 크고, 컨버터에 의한 절연효과로 인해 사고의 영향이 적다는 것을 나타낸다. 그림 13에서 알 수 있듯이, CB3의 전류는 정상상태에서 0.318[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 3.757[kA]까지 상승하였고, CB4의 전류는 정상상태에서
0.020[kA]로 흐르다가 사고 직후
그림. 11. 사고지점 F4에서의 사고전류
Fig. 11 Fault current of fault position F4
최대 3.739[kA]까지 상승하였다. CB5의 전류는 정상상태에서 0.403[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 26.243[kA]까지 상승하였고,
CB6의 전류는 정상상태에서 0.149[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 0.872[kA]로 상승하였다.
그림. 12. CB1, CB2에서의 사고전류
Fig. 12 Fault current of CB1, CB2
LVDC 전력망의 PV측 F5에서 단락사고를 시뮬레이션 하였다. 그림 14는 사고지점 F5의 +pole to -pole 단락사고시 전류를 나타낸다. 그림 14와 같이 사고전류는 사고 직후 0.019[ms]에서 최대 34.616[kA]이며, 최대치까지의 전류변동률은 1,821.895[kA/ms]로 파악되었다.
그림 15, 그림 16은 각 차단기 CB1~CB6에서 흐르는 전류를 나타낸다. 그림 15에서 알 수 있듯이, CB1과 CB2의 A상 전류는 정상상태에서 3.605[kA]로 사고 직후 전류의 변화가 거의 없었다. 이는 사고 지점에서 AC
전력망까지의 임피던스가 크고, 컨버터에 의한 절연효과로 인해 사고의 영향이 적다는 것을 나타낸다. 그림 16에서 알 수 있듯이, CB3의 전류는 정상상태에서
그림. 13. CB3~CB6에서의 사고전류
Fig. 13 Fault current of CB3~CB6
그림. 14. 사고지점 F5에서의 사고전류
Fig. 14 Fault current of fault position F5
그림. 15. CB1, CB2에서의 사고전류
Fig. 15 Fault current of CB1, CB2
0.318[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 0.435[kA]까지 상승하였고, CB4의 전류는 정상상태에서 0.020[kA]로 흐르다가 사고 직후
최대 0.115[kA]까지 상승하였다. CB5의 전류는 정상상태에서 0.403[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 1.664[kA]까지 상승하였고,
CB6의 전류는 정상상태에서 0.149[kA]로 흐르다가 사고 직후 최대 34.437[kA]로 상승하였다. 사고전류의 대부분이 PV에서 나온 것으로
파악되었다.
그림. 16. CB3~CB6에서의 사고전류
Fig. 16 Fault current of CB3~CB6
2.3 결과 고찰
표 1은 Hybrid 전력망의 단락사고 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 각 사고위치는 전술한 바와 같이, AC 전력망, MVDC 전력망의 AC/DC 컨버터
근단, MVDC 전력망의 DC/DC 컨버터 근단, LVDC 전력망의 DC/DC 컨버터 근단, LVDC 전력망의 PV 근단 이었다. 사고전류의 크기와
전류변동률은 F3이 2,014.382[kA], 106,020.105[kA/ms]로 가장 크게 나타났다. 사고지점 F1의 경우, MVDC까지 큰 사고
전류가 흐르지만, 전류변동률이 9.365[kA/ms]로 가장 낮게 나타났다. 사고지점 F2~F3의 경우, 양단에 있는 컨버터의 영향으로 사고전류가
각각 1,764.551[kA], 2,014.382[kA]로 크게 나타났으며, LVDC 전력망의 전류가 사고 후 서서히 감소하였다. 사고지점 F4~F5의
경우, MVDC 전력망에 비해 계통이 작기 때문에, CB4의 전류가 F4에서는 3.719[kA]가 상승하였고, F5에서는 0.095[kA]로 다른
사고에 비해 미미하게 상승하였다. 또한, AC 전력망까지 임피던스가 크고, 컨버터로 인한 절연효과로 인해 사고의 영향이 매우 적음을 알 수 있었다.
전반적으로 각 차단기에서의 사고전류가 0.019[ms] ~ 0.377[ms]사이에 1.6[kA]~1,730.433[kA] 증가하여 전류변동률이 크게
나타났다. 이를 차단하기 위해서는 컨버터의 커패시터 감소, 한류기 설치 등의 사고전류감소를 위한 대책이 필요하다. 또한 각 차단기의 사고전류 변화를
통해 보호기기 동작 설정치를 정정하는데 활용할 수 있다.
표 1. 사고 시뮬레이션 결과
Table 1 Result of fault simulation
|
사고위치
|
CB2 사고전류 최대값
[kA]
|
CB3
사고전류
최대값 [kA]
|
CB5
사고전류 최대값 [kA]
|
사고측
사고전류의
전류변동률
[kA/ms]
|
|
F1
|
33.193
|
1.865
|
0.403
|
9.365
|
|
F2
|
43.520
|
1,730.433
|
0.403
|
4,680.507
|
|
F3
|
26.280
|
130.282
|
0.403
|
106,020.105
|
|
F4
|
3.605
|
3.757
|
26.243
|
1,363.211
|
|
F5
|
3.605
|
0.435
|
1.664
|
1,821.895
|
3. 결 론
본 논문은 최적의 Hybrid 전력망 구성, 고장해석 및 보호협조를 위한 기초 연구로서, PSCAD를 이용하여 Hybrid 전력망의 모델링 및 단락사고
해석을 수행하였다. 먼저, 선정한 Hybrid 전력망의 각 구성요소를 PSCAD를 이용하여 모델링을 하였으며, AC 전력망, MVDC 전력망, LVDC
전력망 등 사고 위치를 변경하여 단락사고 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 사고전류의 최대치와 전류변동률에 의한 사고해석의 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
최종적으로 각 사고 위치별 단락사고의 사고전류 비교 검토한 결과, 사고전류의 크기와 전류변동률은 F3이 2,014.382[kA], 106,020.105[kA/ms]로
가장 크게 나타났다. 사고전류는 AC/DC 컨버터보다 DC/DC 컨버터에 영향이 더 큰 것을 알 수 있었다. 본 논문의 결과는 Hybrid 전력망의
상정사고 해석, 차단기 용량 선정 및 보호계전의 기초설계에 활용할 수 있을 것이다.
Acknowledgements
이 논문은 한국전력공사의 2020년 선정 기초연구개발 과제 연구비의 지원을 받아 수행된 연구임 (과제번호: R20XO02-26)
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저자소개
He was born in Korea. He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering
from Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, in 2014 and 2017.
At present, he is working on his Ph.D in the Department of Electrical Engineering
at Gangneung-Wonju National University.
His research interests include Power IT, LVDC, Microgrid, RES, PMU, AI application
of power system, power system modeling & control, and power system protection.
He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE.
Tel: 033-760-8796, Fax : 033-760-8781
E-mail : point2529@naver.com
He was born in Korea. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering
from Sungkyunkwan University, Seoul, Korea, in 1988, 1990, and 1996, respectively.
From 1989 to 1993 he was an associate researcher at Lucky GoldStar Industrial Systems.
From 1993 to 1996, he was a senior researcher at PROCOM system and lecturer at S.K.K.
University.
At present, he is a professor in the Department of Electrical Engineering at Gangneung-Wonju
National University, since 1997.
His research interests include power IT, IED, LVDC, HVDC, Microgrid, RES, PMU, AI
application to power grid, power system modeling & control, and computer application
in power system.
He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Park was awarded the Paper Prize
of KIEE in 2010 and the Paper Prize of the KOFST in 2017.
Tel: 033-760-8786, 033-640-2972, 2749
Fax: 033-760-8781, 033-640-2747
E-mail : cwpark1@gwnu.ac.kr