1. 서 론

오늘날 원자력 발전의 위험성과 탈 화석에너지 이용에 대한 세계적인 추세에 맞추어 다양한 신 재생 에너지 개발 및 활용이 이루어지고 있으며 효율적인 송배전 시스템 구축을 위해서 대단위 망을 통한 직류 송배전 시스템에대한 다양한 연구들과 프로젝트가 국가단위로 진행되고 있다^(1-2).

이중 전압형 MMC는 각 상에 다수의 서브 모듈 단위의 셀이 직렬 연결로 구성되어 각 셀에 구성된 커페시터에 의해 형성된 누적된 계단 전압으로 AC전압을 형성할 수 있다. 이때 셀의 개수를 증가시켜 멀티 레벨로 구성 시 더욱더 정교한 정현파구현이 가능하고 더욱 낮은 고조파 성분을 가질 수 있다. 그 외 일부 셀에서의 오류가 발생 시 잉여 셀의 추가를 통한 전압 제어로 오류를 해결할 수 있으며 셀의 추가를 통한 전압 스케일의 가변 또한 용이한 장점이 있다^(3-4).

MMC를 구성하는 셀을 나타내는 서브 모듈의 가장 일반적인 형태는 하프 브리지(HBSM, Half) 형태이다. 하프 브리지는 낮은 전력 손실로 간단한 구성을 통해 전압 제어에 용이한 반면 단락 사고 시 서브 모듈 내 역 병렬 다이오드를 따라 폐 전류 경로가 형성되어 서브 모듈을 구성하는 수동 소자들이 과전류 스트레스에 그대로 노출된다는 단점이 있다⁽³⁾.

따라서 단락 사고 발생 시 스위치를 끄기 전에 수동 소자들을 신속히 단락 전류 경로로부터 분리시켜 보호할 수 있는 방법이 필요하다. 이에 대한 솔루션으로서 fault ride through(FRT)는 단락 사고 시 전압 붕괴를 피하기 위해 계통상의 전력 차단을 피한 상태에서 전력 반전을 통해 원상태로 시스템을 회복시켜 안정성을 높일 수 있는 방법이다^(5-7).

일반적인 직류 송･배전 컨버터 시스템에서의 직류 전송 선간 고장 (dc line to line fault) 사고에 대한 해결책인 FRT 방법으로는 새로운 서브 모듈 및 AC 그리드 상의 토폴로지 개발로 시스템 내 역전압을 발생시킴으로써 형성된 전압 기울기를 통해 고장 전류 크기를 제한할 수 있는 방법이 연구되어왔고 고장 사고 시 기존의 하프 브리지 서브 모듈에 따른 단락 전류에 대한 한계에 대해 차단 성을 가지는 서브 모듈 개발에 초점이 맞춰져 있다⁽⁸⁾.

2011년 제안된 풀 브리지 서브 모듈 (FBSM, Full Bridge Sub-Module)은 고장 사고 시 자체적인 차단 성을 가질 수 있는 모델이다. 하지만 정상 동작 시 기존의 HBSM에 비해 더 높은 수동 소자의 사용으로 더 높은 전력 손실 및 비용 증가를 피할 수 없다⁽⁹⁾. 그 후 고장 사고 시 에는 FRT기능을 가지며 정상 동작 시에는 최소의 전력 손실 및 저 비용으로 구성 가능한 다양한 회로 구성의 서브 모듈 토폴로지들이 연구, 제안되고 있다^(10-11). 일반적으로 FRT기능을 위한 소자의 구성은 기존 HBSM에 비해 더 많은 수의 수동 소자의 구성이 불가피하며 그에 따라 정상 동작 시 전력 손실 및 비용 증가의 트레이드 오프 관계를 최소화할 수 있는 서브 모듈 회로 구성이 요구된다⁽¹²⁾. 최근에는 FRT능력과 최소의 수동 소자 수를 가지는 서브 모듈 구성을 위해 기존의 HBSM과 FBSM을 하이브리드 결합 및 기존의 서브모듈 간의 하이브리드 구성을 통한 연구 시도가 진행되었다^(13-14).

본 논문은 이러한 연구 동기에 기반하여 기존의 서브 모듈에 적용되었던 IGBT외에 reverse blocking IGBT^(15-17)라는 전력 반도체를 이용하여 상단에서 설명한 셀 단위에서 역 전압 형성을 통해 고장 전류를 차단할 수 있는 서브 모듈 구조를 제안한다. 주어진 모델은 AC grid상에 bridge구조와 서브 모듈 간의 상호 작용으로 고장 사고 후 형성되는 역전압 형성으로 FRT기능을 수행한다.

이때 제안한 토폴로지는 기존의 서브모듈에 비해 소자의 수 및 손실을 더욱 줄일 수 있어서 정상 동작에서 더 낮은 비용 및 전력 손실을 줄일 수 있는 구조이다.

본 논문의 나머지 구성은 다음과 같다. 세션 2 에서는 MMC 시스템의 토폴로지를 바탕으로 정상상태에서 기본적인 동작 원리를 살펴보고, 세션 3 에서는 제안한 토폴로지의 동작 원리 분석 및 기존의 토폴로지와 비교하고, 고장 사고 시 주어진 보호 전략에 따른 시스템 상태를 분석한 후, 세션 4에서는 제안한 회로의 효과를 시간 도메인 기반인 시뮬레이션을 바탕으로 검증하였다. 마지막으로, 세션 5는 본 논문의 결론으로 마무리된다.

2. 서브모듈 토폴로지와 동작

3. DC 고장 차단 원리

상간 폐 루프 고장 전류가 형성 시, 시스템의 등가 모델을 보여주고 있다. 이때 시스템의 동적 특성은 (1)과 같이 나타난다.

이때 $V_{ab}$는 a와 b상간의 선간 전압, $L_{o}$는 암 인덕턴스, $R_{o}$ 는 암 손실을 나타내는 암 저항 성분, $R_{f}$ 는 고장 시 예측되는 저항 성분, $V_{S M_{-} 1}$은 상전류, $V_{SM}$은 서브모듈 셀 전압, $N$은 암 당 셀의 개수, $i_{f}$ 는 고장 전류를 나타내고 있다. 고장 사고 발생 시 MMC는 폐회로 형성을 통해 서브 모듈 내 커페시터의 방전 그림 6(a)는 그림 1의 단상 기준으로 직류 직류단자 간 permanent고장 사고의 회로를 보여주며 커페시터 방전 에너지 및 교류단의 소스 전압에 의해 고장 전류의 피크 값은 상승한다. 이때 고장 사고 직후, 전류 상승의 가장 큰 원인은 서브 모듈 내 저장된 방전 에너지에 기인하고⁽²⁴⁾, 이에 대해 MMC시스템의 모든 서브 모듈 내 IGBT를 off시킴으로써, 방전 전류의 경로를 차단한다. 그림 6(b)는 3상 MMC의 직류 고장 시 고장 전류에 가장 큰 요인인 커페시터 방전 에너지에 의해 형성된 회로 상태를 등가화시킨 회로이다. 이때 $V_{S M_{-} 2}$은 등가 회로에서 커페시티에 의해 형성된 토털 전압값을 나타내고 있고 등가 인덕턴스 $L_{eq}$ 및 등가 저항 $R_{eq}$은 다음과 같다.

제안한 서브 모듈을 기반한 MMC시스템에서 서브 모듈 내 모든 IGBT가 off 시에는 서브 모듈 내 전류 경로에 따라 커페시터 방전 전류의 경로는 차단되고, 프리휠링 다이오드 경로에 따라 서브 모듈 내 커페시터의 전압은 교류 소스 전압에 대해 역전압을 형성한다. 그에 따른 등가 회로를 바탕으로 한 동적 상태에 대한 전압방정식은 다음과 같다.

이때 고장 전류 의 감쇄 율은 (6)과 같고, 고장 전류는 커페시터 역 전압 당 $V_{SM_{-}2}$에 의해 신속히 감쇄된다.

4. 모의 해석 및 시뮬레이션 결과

본 연구의 시뮬레이션 검증은 그림 1에서의 하프 브리지 및 제안 한 모델을 기반으로 한 서브 모듈 기반의 정류기 모드 MMC시스템에서 800μF 암 커페시터를 장착한 서브 모듈을 가정하여 150MW의 유효 전력을 기준으로 진행되었고 시뮬레이션을 위한 시스템 파라미터 (Parameter) 값은 표4에서 주어진다.

고장 사고는 DC 전송선 간의 영구적 (permanent) 사고를 가정하였고, 고장 사고 후 고장 전류의 차단 및 원래 상태로 시스템이 회복되는 과정에 이르는 일련의 시나리오를 분석하였다. 이때 RB-IGBT 는 4MBI300VG-120R-50 데이터 시트를 기반으로 하였다.

고상 사고에 대한 시뮬레이션은 직류 측 선로에서 0.2s경 고장 사고를 발생 시킨 후, 고장 사고가 발생하는 시점인 0.2s에서 모든 서브 모듈 스위치가 꺼짐과 동시에 제어 시스템의 신호에 따른 스위치 동작 후 고장 원이 제거되었다고 가정 한 시점인 0.6s에 시스템이 원 상태로 회복되는 상황을 가정하였다. 이때 모든 파형은 PU (Per Unit) 값으로 환산하였다. 그림 7, 8은 하프 브리지 서브 모듈 기반 MMC시스템의 직류 측 선로에서 영구적인 송전선 간 고장 사고가 발생 시, MMC 시스템의 동작 상태를 보여준다.

초기상태에서 O.2초에 이르는 시간대는 정상상태에 해당하며 그림 7과 8로 부터 AC전압 및 암전류, 상전류는 제한된 고정 값에서 120° 위상차의 3상 값으로 나타낸다. 이때 그림 8(b), 8(c)는 상전류, 다이오드 전류를 각각 보여주고 있다. 그리고 그림 8(c)에서와 같이 다이오드 전류는 흐르지 않는 상태이다. 그 후 고장 사고는 0.2s에서 0.6s간 지속된다. 반면 서브 모듈 내 역 병렬 다이오드의 경로에 따른 폐 루프 회로의 형성으로 인해 고장 전류는 방전 에너지에 의한 전류 및 교류 측 소스 전압에 의해 더욱 가중되어 0.2s후 교류 단자에 흐르는 토털 전류 및 상단 및 하단 암 전류의 크기는 그림 8(a)와 같이 증가한다. 이는 다이오드 전류에 기인한 과전류로 장차 이로 인한 시스템의 손상이 야기될 수 있다.

그림 8(b), (c)의 0.2s에서 0.6s 사이는 제안한 토폴로지를 기반한 MMC시스템이 off되는 시점에서 서브 모듈 내 커페시터에 의해 형성된 역전압으로 그리드 소스 전압에 대한 전압 기울기의 역전 상황을 유도하여 시스템 전반의 폐 루프 고장 전류의 흐름을 저지하는 상황을 보여준다. 이는 폐 루프 고장 전류이 클램핑됨에 따라 서브 모듈의 IGBT가 off된 후 고장 전류가 차단되는 양상이다.

그림 9는 직류 측 선로에서 측정된 전류를 보여준다. 파형은 기존의 하프 브리지 서브 모듈과 제안한 토폴로지를 기반한 시스템에서 고장 사고 전후에 따른 양상을 비교하고 있다. 우선 하프 브리지 서브 모듈에 기반한 경우 0.2s에서 고장 사고 시 서브 모듈 스위치가 꺼진 후 0.6s에서 원래의 상태로 회복되는 상태를 나타내고 있다. 하프 브리지 서브모듈과 제안한 서브모듈의 경우 고장 사고 전의 정상 상태는 3상 암 전류의 120° 간의 위상 차이로 인해 직류 측 선로에서 합산된 결과 0에 가까운 값을 나타낸다. 고장 사고 시에는 암 내 프리휠링 다이오드를 통한 폐회로 고장 전류의 상승 값에 따라 크게 상승하는 양상을 나타낸다.

반면 제안한 서브 모듈을 적용한 경우는 0.2s에 고장 사고 후 서브 모듈 스위치를 다 끈 상태에서 서브 모듈의 역전압 형성으로 폐 회로 고장 전류의 감쇄로 인해 직류 측 선로에서의 전류 상승이 신속히 감쇄된다. 그 후 두 시스템 모두 고장 원이 해결되었다고 가정한 시점인 0.6s에 시스템을 원래의 상태로 회복되는 상황을 나타내고 있다.

5. 결 론

본 논문은 MMC기반 HVDC시스템의 영구적인 직류 전송 선 간 고장 사고 시 형성되는 폐 루프 고장 전류의 과전류를 줄이기 위한 방법으로 IGBT 스위치 OFF 시 역 전압 형성이 가능한 서브 모듈 토폴로지를 제안한다. 제안한 서브 모듈은 reverse blocking IGBT소자를 이용한 구성으로 직류 사고에 대한 FRT 차단 성을 가지는 기존의 서브 모듈 반도체 소자의 조합에 비해 더욱 줄어든 소자의 조합으로 정상 동작 시 기존의 하프 브리지 서브 모듈과 같은 동작 원리로 셀 당 3레벨의 전압을 발생시킬 수 있고 고장 사고 시에는 커페시터 역전압 형성을 통한 FRT 원리로 폐회로 고장 전류를 억제한다. 이는 reverse blocking IGBT 소자라는 새로운 반도체의 활용을 통해 직류 고장 사고 시 FRT차단성을 가지는 기존의 토폴로지들에 비해 더욱 적은 소자 및 저 손실의 구성이 가능함을 보여준다.