1. 서 론

전세계적으로, 대도시 주변으로의 인구 밀집은 전력부하밀도를 계속해서 증가 시키는 원인이 되었다. 부하밀도의 증가는 새로운 대형 발전소 증설을 요구하게 되었으나 님비현상으로 인해 대규모 발전시설 건설은 불가한 상태이다. 따라서 PV와 같은 분산전원이 수도권주변으로 분포하게 되었다. 더불어 DC부하의 증가하게 됨으로 인해 다연계 DC 계통의(MTDC; Multi Terminal Direct Current) 필요성이 대두되어 왔다.

MTDC계통은 실제로 DC그리드를 운영이 가능한지, 경제성이 있는지 등에 대한 검토가 여전히 필요하지만, 2013년 CIGRE Working Group에서 발표한 technical brochure “HVDC Grid Feasibility Study”는 미래의 HVDC grid의 컨셉과 HVDC station 비용, 변환손실, 손실비용, HVDC 차단기를 비롯한 공학적 문제를 공학적 측면 뿐만 아니라 경제적측면 등등 다각적인 측면에서 검토하였고, HVDC grid에 대해 긍정적으로 평가하였다. 하지만 고장전류 차단과, 고장 detection 및 selectivity와 trip order등의 문제가 남아있음을 강조하였다.

DC계통에서는 단락 혹은 지락 고장시 커패시터에 충전된 전류가 방전되면서 평상시의 10-50배 정도 되는 큰 전류가 흐르는데, 이는 고장위치나 설계된 DC계통의 특성마다 다르지만 보통 1ms 에서 5ms에 최댓값에 도달한다. 이에, ABB에서는 2ms이내에 차단을 목표로 하는 DC차단기 연구가 진행되었고, 국내에서도 2ms이내 차단이 가능한 차단기가 연구되었다^(1-2). 한편 DC차단기개발 자체도 어렵지만 단순한 point to point DC계통이 아닌 다연계 계통인 MTDC에서는 고장 감지가 중요하다. 고장사고로 인한 영향을 줄이기 위해 고장구간을 최소화하여야 하고 이를 위해 고장위치의 차단기만 동작하도록 설정하여야 하기 때문이다. 이를 위해 DCCB의 보호 알고리즘을 연구가 많이 진행되었다. Traveling Wave방식, 과전류계전기 방식, 전압 및 전류 비율차동계전기 등을 이용한 방식들이 대두되었다.

2010년, 유럽풍력협회 (European Wind Energy Association; 현 WindEurope)에서 주관하고, 50hertz, ABB, ALSTOM, Siemens 등등의 여러 기업 및 연구원에서 진행한 대규모 프로젝트인 TWENTIES 프로젝트가 진행되었다. 프로젝트에서는 DC고장 detection에 관한 연구 또한 진행되었었으며 프로젝트 결과보고서에 따르면, 전류비율차동계전기와 과전류계전기를 접목시킨 방식이 가장 효과적이라고 언급하였다.

한편, CIGRE에서는 AC든 혹은 DC든 어떤 보호 시스템이든 6가지 특성이 반드시 갖추어져야한다고 말한다. 6가지는 Depen- dability and Security(신인성 및 보안성), Sensitivity(민감성), Selectivity(선택성), Speed(속도), Reliability(신뢰성) 그리고 Ro- bustness(강건성) 이다. 언급된 6가지 특성 모두가 중요하지만, 기술적 측면에서, 특히 DC 보호 시스템에서 유독 중요하고 문제가 되는 특성은 선택성이다. 흔히 선택성은 고장에 영향을 받는 구간을 최소화하기 위해 고장전류가 흐르는 모든 차단기를 동작시키는 것이 아닌 고장 위치 주변의 차단기만을 차단시키도록 하는 특성을 의미한다. 이 특성은 DC에서 구현하기가 특히 어렵다. DC고장시 발생하는 커패시터 방전전류로 인해, DC시스템 내에 직접적으로 연계된 모든 필터와 케이블의 대지정전용량에 의한 커패시터까지, 일시적으로 모든 방향에서 고장 전류가 발생 할 수 있다. 따라서 고장구간을 최소화 하도록 선택적으로 정확하게 트립해야 하는 보호시스템을 구현하기 힘들다. 이때, 전류비율차동계전기를 통해 각 피더의 고장전류 방향과 크기를 동시에 확인할 수 있다면, 정확한 고장위치를 판단할 수 있다. 또한 과전류계전기를 이용하면 고장위치와 가까울수록 고장전류가 크다는 특성으로 인해 선택성을 구현할 수 있다. 하지만 전류비율차동계전기를 실질적으로 적용하기에는 빠르고 신뢰성이 높은 통신시스템을 필요로한다는 단점이 있다. 전류비율차동계전기는 일반적으로 변압기와 같은 1차측과 2차측이 전기적으로 분리된 회로에 사용되어 차단하는 계전기다. 그렇지만 TWENTIES 프로젝트 및 DC고장 detection에서 사용하는 전류비율차동계전기는 하나의 계전기가 독단적으로 쓰이는 것이 아닌, 물리적으로 거리가 먼, 두 개 이상의 계전기가 통신을 통해 주고받은 정보를 바탕으로 트립신호를 선택적으로 발생시키는 계전기를 의미한다. 이때, 신뢰성 높은 통신시스템이란 사용자가 원하는 정보전달을 통신시스템이 수행할 확률이 높은 시스템을 뜻하는데, 전류비율차동계전기가 빠르고 정확한 동작을 하기 위해서는 반드시 통신 시스템이 갖추어져야 하고, 그 통신시스템이 고장날 확률이 적어야 함을 의미한다. 추가적으로 이 통신시스템은 빠른 속도를 보장하여야하기 때문에 보호시스템에 사용되는 통신은 광통신을 가정한다.

통신을 기반으로 한 보호시스템은 현실적으로 구현이 힘들기 때문에 각각의 개별적 판단과 구동이 가능하며 동시에 선택성을 갖춘 보호시스템이 필요하다. 본 논문에서는 선택성을 갖추기 위해서는 과전류계전기를 사용하는 것이 필수적이라고 생각되어 과전류계전기를 기본적으로 사용하였다. 하지만 과전류계전기만으로는 고장의 위치 detection을 정확하게 할 수 없기 때문에, 이를 보완하기 위해 전류 방향과 극간 전압의 기울기를 고려하였다. 전류의 방향은 일시적으로 전류의 방향이 바뀌는지 아닌지를 파악한다. PV와 같은 발전원의 경우 변환기 앞단에서 고장이 발생하게 되면 전류의 방향이 순간적으로 역전되고, 부하의 경우는 전류의 방향이 일정하다는 특성을 이용한다. 이를 이용해 고장위치를 정확하게 파악할 수 있다. 한편으로 고장이 제거된 후, DC계통내의 대부분 커패시터가 방전되어 있다가 다시 충전되는데, 이때도 고장 발생시와 마찬가지로 과전류가 흐르게 된다. 이는 자연스러운 현상으로, 물론 과전류를 줄여야하기는 하나 차단할 문제는 아니다. 따라서 이러한 상황에서는 보호시스템이 동작해서는 안 된다. 극간전압의 기울기는 충방전시 전압이 증가하거나 감소하는 특성을 이용하는 것으로 위와같이 충전되는 상황에서는 전압의 기울기가 양수를 갖게 된다. 이 상황에는 제안된 보호시스템이 동작하는 예외로 상황으로 둠으로 해서 보호시스템의 dependability(신인성)을 보완할 수 있다.

뿐만 아니라 DC에서는 큰 고장전류를 제한할 수 있는 한류기사용이 반드시 필요할 것으로 보인다. 일반적인 저항형 한류기는 스위치와 병렬 연결된 저항의 구조를 갖는다. 이때 한류기가 전류를 제한하는 속도는 스위치의 동작속도에 기인하는데, 스위치의 동작속도 뿐만 아니라, 스위치가 동작하도록 하는 신호를 만들어 내는 시간이 추가로 필요하다. 하지만 초전도한류기의 경우 초전도체의 초전도 특성을 이용하기 때문에 추가적인 계측 및 연산시간 없이 매우 빠르게 제한이 가능하다. 초전도 특성을 잃고 상전도 저항을 갖는 시간 역시 빠르다는 것은 1957년 BCS이론에 의해서 밝혀졌다^(3-4).

존 바딘과 리언 쿠퍼, 존 로퍼트 슈리퍼가 제안한 BCS이론에 의하면, 초전도체의 내부의 전자는 초전도 상태일 때, 서로를 밀어내지 않고 오히려 서로를 끌어당겨서 쿠퍼쌍을 이루어 더 안정된 상태를 이룬다. 전기저항은 자유 전자와 포논의 충돌로 생기는데 외부의 전기장에 의한 쿠퍼쌍의 에너지 증가가 에너지 갭보다 적은 경우, 쿠퍼쌍들은 포논의 영향을 전혀 받지 않고 전기저항이 0이 된다. 이때의 한계값을 임계 전류 밀도라고 하며 임계전류 밀도 이상의 전류가 흐르게 되면 자유전자는 더 이상 쿠퍼쌍으로 존재하지 못하게 된다. 이는 전자-포논 상호작용이 끊어짐으로 인해 발생하는 것이며 그 시간은 수ps 이내에 발생하기 때문에 초전도체의 저항 발생역시 매우 빠르다고 할 수 있다.

초전도한류기가 주목을 받는 이유는 단순히 빠른 전류제한 응답 때문만은 아니다. 많은 방식으로 초전도체의 초전도현상을 응용하여 전류제한효과를 극대화 할 수 있기 때문이다. 그중에서 가장 대표적으로 사용되는 초전도 한류기는 저항형 초전도한류기, 트리거형 초전도한류기다. 저항형 초전도한류기 같은 경우에는 큰 고장전류로부터 초전도소자를 보호하기 힘들기 때문에 규모가 작은 LVDC급 MTDC시스템에 적합하다. 트리거형초전도한류기는 초전도소자와 병렬로 CLR(Current Limiting Reactor)을 연결하고 직렬로는 전력용 반도체소자를 연결한다. 이를 통해 과전류 초전도소자에 저항이 발생하고 초전도소자 양단에 전압이 유기된다. 이 전압을 트리거신호로 받아서 직렬로 연결된 전력용 반도체소자가 개방되도록 한다. 이 같은 시스템을 통해 초전도소자는 보호되며 CLR을 통해 전류제한을 하기 때문에 전류제한효과 또한 더 효과적으로 할 수도 있다^(5-7).

한편 초전도한류기의 적용은 앞서 본 논문에서 사용한 과전류계전기의 오동작을 유발한다. 기존의 AC배전계통에서 사용되는 과전류계전기는 전압 및 임피던스 보정을 통한 과전류계전기의 정정방안을 제시하는 연구가 있었다⁽⁸⁾. 하지만 DC시스템에서는 고장전류가 발생하는 큰 이유 중 하나가 커패시터방전이기 때문에 전류가 사방에서 흐를 뿐만 아니라, 커패시터의 크기에 따라서 각 위치의 과전류 또한 제각기 다르다. 따라서 기존의 보정방식을 통한 정정방안으로도 DC시스템에 과전류계전기를 적용하기는 무리가 있다. 앞서 언급하였던 전류의 방향을 이용한 알고리즘은 초전도한류기의 동작에 따른 과전류계전기의 오부동작을 효과적으로 방지할 수 있다. 초전도한류기는 전류 방향에는 영향을 미치지 않는 점을 고려한다면, 초전도한류기가 동작한다고 해서 고장위치를 파악하는 것이 문제가 되지 않는다는 것이다. 추가적으로 전압기울기를 이용한 알고리즘을 적용한다면, 커패시터의 충전으로 인한 오부동작까지 방지 할 수 있다.

본 논문에서는 제안된 알고리즘이 적용된 과전류계전기 정정방안의 동작과 효용성을 검토를 위해 PSCAD/EMTDC 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 과전류계전기와 DC차단기가 적용될 MTDC시스템을 모델링하여 구축하여 DC고장을 상정하였으며 초전도한류기의 동작을 통해 전류를 제한하고 과전류계전기의 오부동작을 유도하였다. 제안된 알고리즘을 적용하여 과전류계전기가 오부동작하지 않음을 검증하고 추가적으로 케이스 스터디를 통해 알고리즘 적용 유무에대한 차이를 검토하였다.

2. 모의계통 모델링

본 논문에 사용된 모의계통은 AC배전계통, PV(photovoltaic) 태양광발전기, DC부하가 연계된 MVDC시스템으로 구성되었다.

그림. 1. AC 배전계통에 연계된 다연계 DC계통의 개략도

Fig. 1. Configuration of Multi-Terminal DC System with SFCL connected with AC Distribution System

그림 1은 PV와 분산전원이 DC링크에 연계된 AC/DC배전시스템의 계통도이다. 먼저 PV 태양광 발전기 모델링은 크게 태양광 셀 모델링^(9-10), MPPT(Maximum Power Point Tracker)⁽¹¹⁾, DC/DC부스트 컨버터 모델링으로 구성된다.

또한 MVDC시스템 전체를 모델링하기 위해서는 AC배전계통과 연계되는 VSC (Voltage Sourced Converter), 그리고 VSC의 전압 및 무효전력 제어기 모델링, DC부하 모델링을 위한 buck converter 모델링이 필수적이다⁽¹²⁾.

PV 태양광 cell은 출력은 전압과 전류 둘 다 변수지만, 전압의 경우 MPPT동작에 의해서 제어되는 값이다. 따라서 전류값이 중요하며, PV의 전류는 아래 수식(1)과같이 등가화 시킬 수 있다. 태양광 cell 로부터 발전되는 전류는 $I_{g}$이며 일부가 다이오드에 의해 환류하고 션트저항에서 에너지가 소비된다. 최종적으로 PV cell에서 나오는 출력 전력은 I와 V의 곱으로 나타낼 수 있다. 이때 내부 회로 및 외부 조건에 따라 전류와 전압의 크기가 달라지는데 이를 수식적으로 표현하면 식(1)과 같다⁽⁸⁾.

T는 셀의 온도, G는 셀이 느끼는 태양광 조사량을 의미한다. 또한 $n$은 다이오드 이상계수, $k$는 볼츠만 상수를, q는 전자의 전하량, $e_{g}$는 Band gap Energy, $α_{T}$는 광전류 온도계수를 의미한다. $I_{o}$는 암전류, (dark current = saturation current) 라고하며 빛이 조사되지 않아도 자연적으로 흐르는 전류를 의미한다. 본 논문에서는 10^-9[A]로 가정하였다.

MPPT에 경우에는 P&O (Perturb & Observe) 방식과 InCond (Incremental Conductance)방식 중에서 가장 일반적으로 사용되는 P\&O방식을 채택하였다. 이때 필요한 설정값으로는 PV 어레이의 단락전류, 개방전압, MPP초기 전압이 필요하다⁽⁸⁾. 이에 대한 파라미터는 표 1에 기재되었다.

본 논문에서는 DC고장의 영향을 최소화 하기위해 과전류 계전기를 적용하였다. 과전류계전기는 차단기가 차단동작을 하도록 트립신호를 만들어 내는 역할을 하며 차단기가 동작하는데 필수적이다. 다음 식(2,3)은 과전류계전기 모델링에 일반적으로 사용되는 수식이다⁽⁹⁾.

$T_{trip}$(트립시간)은 계전기에서 고장을 감지하고 트립되는데 까지 걸리는 시간을 말한다. 트립시간은 식(1)에 의해 계산되는데 TD, A, B는 계전기의 기기 상수를 의미하며 M값은 실제로 계전기에서 측정되는 전류에 의해 계산된 값이다. M은 식(2)에 의해 계산되며 정확히 $I_{p}$가 실제 전류, $I_{pickup}$은 계전기가 트립되기 시작하는 전류크기를 의미한다. 각각의 계전기 상수는 표 2에 명시되어있다.

그림. 2. 트리거형 초전도 한류기 등가회로

Fig. 2. Equivalent Circuit of Trigger Type SFCL

한편 본 논문에 사용된 초전도한류기는 트리거형 초전도 한류기로 일반적인 하이브리드 한류기라고도 불린다. 아래 그림 2와 같다. 트리거형 초전도 한류기는 초전도체 저항인 R와 직렬로 전력용반도체 SW가 연결되어있으며 이와 병렬로 한류저항이 연결되어있다. 고장이 발생하여 초전도체가 퀜치되면 초전도체 양단에 전압이 발생하고 그 전압을 바탕으로 SW를 개방시킨다. SW가 개방된 이후에는 고장전류가 CLR 한류저항쪽으로 흐르게 되며 CLR을 통해 고장전류를 제한하므로 초전도 소자를 보호할 수 있고, 동시에 전류를 제한하는데 더 효과적이다.

3. 전압기울기를 이용한 정정

DC에서는 AC에 비해 고장 전류의 방향을 판다하는 것이 더 쉽다. 전류가 양에서 음으로 혹은 음에서 양으로 변하면 전류 방향이 반전 된 것을 확인할 수 있다. 이를 이용하여 릴레이의 오동작을 방지 할 수 있습니다. 부하 단자 릴레이와 발전기 단자 릴레이의 차이를 만들어 간단히 설정할 수 있습니다. 예를 들어 부하단에서 고장이 발생하면 현재 방향은 정상상태 일 때와 고장상태인 경우 동일합니다. 그러나 발전기단에 고장이 발생하면, 발전기단의 전류는 고장상황 시 전류의 방향이 바뀐다. 아래는 각 터미널 별로 고장 발생시 전류의 방향이 바뀌는 경우에 대해 트립을 어떻게 시킬 것인지에 대한 방안인 전류방향 트립알고리즘을 간략하게 설명한 것이다.

방법 1) 부하 단자 계전기는 방향이 바뀌지 않고 고장 전류가 임계값 이상이 되면 트립

방법 2) 발전기 단자 계전기는 방향이 바뀌고 고장 전류가 임계값 이상이 되면 트립

하지만 위의 방향을 통한 수정 방법은 큰 문제가 있다. 일반적으로 고장 발생시 커패시터는 방전되기 때문에 전압이 낮아져 있다. 따라서 커패시터가 충전되기 위해 역방향으로 과전류가 흐르게 된다. 이에따라 계전기 입장에서는 역방향으로 고장전류가 발생했다고 감지할 수 있다. 이에따라 차단기의 오동작을 유발하는 경우가 있다. 따라서 전류방향 트립 알고리즘만으로 트립신호를 만드는 것에는 한계가 있다. 그에 대한 방안으로 본 논문에서는 전압 기울기를 고려하여 충방전 상황을 모니터링하고 알고리즘에 추가하였다.

DC링크전압 커패시터 전압을 의미하는데, 커패시터의 전압을 이용하여 Bus2의 전압을 표현할 수 있다. 아래 식(4)는 커패시터전압과 bus전압과의 관계식이다. 또한 식(6)은 식(4)를 풀이한 해이다.

위의 수식을 통하여 모선전압을 통해 커패시터 전압을 예측할 수 있고, 그 커패시터 전압을 이용하여 전압 기울기값을 구할 수 있다. 계산된 커패시터전압의 기울기 값이 양의 값이거나 음의 값인지 판단 후, 앞의 전류방향 트립알고리즘과 연계하여 새로운 알고리즘을 구현할 수 있었다.

그림. 3. 초전도한류기가 적용도니 다연계 DC계통에서의 고장시 전류흐름도

Fig. 3. Fault Transient State Current Flow in Multi-Terminal DC System with SFCL

4. 결과 및 고찰

시뮬레이션은 앞의 2장에서 검토하였던 MTDC계통에 대하여 고장상황을 가정하였다. 위의 그림 3은 모델링된 MTDC계통과 고장위치를 표기한 그림이다. AC Grid는 배전계통을 의미하며 배전계통과 MTDC계통은 Grid-VSC라는 전압형 컨버터를 통해 전력을 주고받는다. PV는 바로 MTDC와 연계되지 않고 부스트 컨버터를 통해서 연계되며, 부하는 각각의 벅컨버터를 통해서 연계된다. 각각의 터미널들은 CB가 바로 앞단에 설치되어있으며 한류기의 위치는 커패시터가 가장 큰 VSC터미널의 설치하였다. 일반적으로 고장이 발생하게 되면 커패시터 용량이 가장 큰 쪽에서 더 큰 고장전류가 흐르기 때문이다. 고장의 위치는 그림에서도 볼 수 있다시피 부하1의 벅컨버터 앞단이다. 아래의 표 2는 시뮬레이션에 사용된 계통 모델링에 필요한 파라미터를 보여주고 있다. DC링크의 사용된 케이블과 그의 임피던스, 컨버터 동작 방식과 그 파라미터를 기재하였다. 시뮬레이션의 케이스는 총 4가지이며, 초전도한류기의 투입 유무, 정정방식의 종류를 고려하였다.

Case1: 초전도한류기 투입X, 일반 OCR 알고리즘

Case2: 초전도한류기 투입, 일반 OCR 알고리즘

Case3: 초전도한류기 투입, 전류방향 OCR 트립알고리즘

Case4:초전도한류기 투입, 전압기울기를 이용한 전류방향 OCR 트립알고리즘

그림 4부터 그림 7은 각각의 경우에 대한 전류와 전압, 전압 기울기값을 보여준다. 전류를 통해서는 고장시 최대전류를 확인함으로 인해서 한류기의 동작 유무를 확인할 수 있다. 또한 고장 제거 후 전류파형을 통해서 CB가 오동작 하였는지도 볼 수 있다. 전압 기울기는 각 그림을 통해서 오부동작을 개선을 확인할 수 있다. 또한 전압 기울기를 통해서 커패시터가 충전중인지 혹은 방전중인지 볼 수 있다.

그림 4와 5를 통해서 초전도 한류기 동작시에 CB전류가 어떻게 차이가 나는지 확인 할 수 있다. 그림에서 볼 수 있다시피 초전도한류기 동작시에 1번 CB전류가 크게 감소한 것을 볼 수 있다. 따라서 CB3에서도 전류가 크게 감소한 것이 확인된다. 이에따라 DC전압 감소도 크게 줄 은 것을 확인할 수 있다. 하지만 한류기의 동작으로 인해 CB3가 영향을 받게 되어서 트립시간이 지연되고 CB2가 차단되어버리는 오동작이 발생하였다. 즉 CB2의 오동작으로 인해서 전류가 0이 된 것이다.

그림. 4. Case1에서의 전류 및 전압, 전압기울기 파형

Fig. 4. Current, voltage and voltage slope wave form in Case1

그림. 5. Case2에서의 전류 및 전압, 전압기울기 파형

Fig. 5. Current, voltage and voltage slope wave form in Case2

그림. 6. Case3에서의 전류 및 전압, 전압기울기 파형

Fig. 6. Current, voltage and voltage slope wave form in Case3

그림. 7. Case4에서의 전류 및 전압, 전압기울기 파형

Fig. 7. Current, voltage and voltage slope wave form in Case4

그림 6은 전류의 방향 OCR 트립알고리즘이 적용된 것으로, 마찬가지로 CB2가 오동작 하였다. Case3는 Case2와 다르게 고장이 제거된 이후에 CB2가 오동작 하였다. 앞서 언급하였던 것처럼 고장이 제거 된 이후에, 방전되었던 PV쪽 커패시터의 재충전전류로 인해서 과전류가 발생하고 그로 인해 CB2가 오동작 하게 되었다. 그림 7의 Case4는 CB2의 전류를 보게 되면 역방향으로 과전류가 발생했다는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 전압 기울기 값이 양수이기 때문에 커패시터가 충전중인 것을 알 수 있고 이를 적용하여 CB2의 오동작을 막을 수 있었다.

5. 결 론

본 논문에서는 AC배전계통, PV, DC부하들이 연계된 다중터미널 DC계통에 고장상황의 영향을 최소화하기 위한 DC차단 알고리즘을 연구하였다. DC고장전류는 대체로 커패시터 방전에 의해 발생하며 DC계통에 연계된 대부분의 터미널에는 커패시터가 연계되어있기 때문에 고장전류는 모든 터미널에서 발생한다고 볼 수 있다. 따라서 일반적인 과전류계전방식을 이용하게 되면 오동작 혹은 부동작하게 되는 경우가 있었다. 특히 초전도 한류기를 투입한 경우 차단이 지연되면서 다른 쪽 차단기가 먼저 동작하는 오동작이 발생하였다. 이를 막기 위해 전압 기울기와 전류방향 OCR 트립알고리즘을 제안하였으며 시뮬레이션 사례연구를 통해 오부동작을 효과적으로 막는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구는 미래에 다가올 DC계통에 보호 혹은 현 DC계통에서도 차단기 동작에 오부동작을 막을 수 있는 방안으로써 기여할 수 있다.