다단자 직류 그리드의 고장전류 특성을 기반으로 한 한류 차단 방식에 대한 연구

Abstract

지속적인 산업 성장에 힘입어 전력 수요는 매년 급증하는 추세를 나타내고 있다. 이러한 수요 충족을 위하여 풍력 및 태양광 발전 단지와 같은 대용량의 신재생에너지원을 활용한 분산전원 개발이 진행됨에 따라, 효율적인 전력 전송을 가능케 할 유연 송전(Flexible transmission)의 필요성이 대두되었다. 그 중에서도 비동기 계통 연계 및 장거리 대용량 송전에 특화된 HVDC (High Voltage Direct Current) 송전은 전력 산업계에서 큰 이슈가 되고 있다. HVDC 시스템은 기존 AC 시스템에 비해 효율적인 장거리 대용량 송전이 가능하며, 계통 간 비동기 주파수 연계가 가능하기 때문에 불균일한 주파수를 갖는 신재생에너지원과의 효율적인 연계 및 상용주파수가 다른 전력계통의 연계를 가능케 하여, MTDC (Multi-Terminal HVDC)를 활용한 대륙 및 국가 간 광역 전력망인 Super Grid의 가능성을 열어주었다. 관련하여, 현재까지 다수의 MTDC 프로젝트들이 구상 중인 것으로 알려져 있으나 기술적인 문제로 인해 개발이 보류되고 있는 실정이다. 이는 바로 시스템의 신뢰성 및 안정성을 보장할 수 있는 HVDC 차단 기술의 부재에서 기인한다. DC 전류는 기존 AC전류와는 다르게 자연 전류 영점이 발생하지 않는다. 만일 기존의 기계식 차단기를 적용할 경우, 차단기의 접점 개방 시 높은 온도와 에너지를 갖는 아크(arc)가 접점부에서 지속된다. 지속되는 아크는 노즐 및 전극의 용삭과 같은 차단기의 자체적인 손상부터, 나아가 전력 계통으로의 지속적인 고장전류 공급을 가능케 한다. 따라서 연계된 다른 모든 전력기기에 치명적인 손상을 가할 수 있다. 특히, 컨버터, 컨버터 변압기, 필터와 같이 고비용이 요구되는 HVDC시스템에서 상기한 사고가 발생할 경우에 발생할 손실액은 천문학적인 수치에 달할 것으로 예측된다. 따라서 MTDC 시스템의 구현에 앞서 신뢰성을 갖춘 HVDC 차단기의 개발이 선행되어야 한다. 그러나 현재까지 DC 차단기는 연구 단계에 머물러 있다. 여러 요인이 존재하지만, 특히 문제가 되는 부분은 수 ms 내로 수십 kA 에 달하는 HVDC 시스템 고장전류의 고속 차단 기술의 구현과 고전압 및 높은 고장전류로 인해 형성되는 사고 에너지의 소호 방식의 구현이 문제가 되고 있다. 또한 차단 성능 확보에만 집중한 나머지 HVDC 시스템의 사고 특성을 반영하지 않은 설계가 진행되고 있어, 실 계통 적용성이 낮은 편이다. 따라서 HVDC 차단기의 상용화를 위해, 보호 협조 및 계통 적용성을 고려한 설계와 더불어 효율적인 차단 방식에 대한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다. 본 논문에서는, 전류형 및 전압형 HVDC 시스템과 MTDC 시스템의 모델링 및 고장전류 특성 분석 기법을 정립하였다. 결과를 활용하여 DC 차단 요구조건을 도출하였다. 또한 HVDC 차단기의 모델링 기법 및 DC 차단기의 요구 조건의 완화를 위한 한류 차단 방식을 제안하였다. 그리고 CIGRE B4.57 벤치마크 모델 내부에 상기한 한류 차단 방식과 기존 HVDC 차단 방식을 각각 적용하여 비교 분석을 수행하였으며, 결과로부터 한류 차단 방식의 효율성을 검증하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫 번째, Matlab/Simulink를 활용한 전류형 및 전압형 HVDC 시스템 및 MTDC 시스템의 모델링 기법에 대한 연구를 수행하였다. 또한 사고 시뮬레이션을 통해 각 시스템의 과도 동작 특성 및 고장 전류 특성에 대한 분석을 수행하였다. 이를 기반으로 하여 전류형 및 전압형 HVDC 시스템에 대한 DC 차단기 필요성에 대한 고찰 및 DC 차단기의 요구 조건을 도출하였다.

두 번째, 유형 별 DC 차단기 모델링 기법 연구 및 test-bed 모델 내 적용을 통한 각 모델의 동작 특성 분석, 그리고 초전도 한류기를 활용한 한류 차단 방식을 제안하였다. 시뮬레이션의 정확도 향상을 위하여, 기존 시뮬레이션에서 활용되는 단순 차단기 모델의 적용이 아닌, 아크 도전율에 대한 미분방정식을 기반으로 하는 black-box arc model의 설계 및 적용을 수행하였다. HVDC 차단기 모델링 설계 대상은 크게 4 종으로, 기존 AC 및 저압 DC에서 활용되는 기계식 차단기를 활용한 역전압 방식, 우회 병렬 회로를 통하여 차단 시 발생하는 에너지를 소호하는 방식인 공진형 차단 방식 및 역전류 주입 방식, 그리고 수동 소자와 더불어 반도체 소자를 동시에 사용하는 하이브리드 방식에 대한 모델링 및 동작 특성 분석을 수행하였다. 또한 DC 차단 시 발생하는 스트레스의 경감 및 차단기의 설계 요구조건의 완화를 위해, 초전도 한류기를 적용한 한류 차단 방식에 대한 연구를 진행하였다. 결과로부터, DC 차단기만을 적용할 경우에는 하이브리드 차단 방식이 가장 높은 성능 및 효율을 나타내었으나, 초전도 한류기를 적용할 경우, 수동 소자로 구성된 수동 공진형 차단 방식 및 역전류 주입 방식에서 높은 성능 개선 효과를 보여주었다. 결과로부터, 한류 차단 방식을 적용함에 있어, 공진형 차단 방식 또는 역전류 주입식이 최적임을 도출하였다.

세 번째, 본 연구에서 제안한 한류 차단 방식의 성능 검증을 위해 기존 하이브리드 차단기를 적용한 계통 보호 방식과의 비교 연구를 수행하였다. 계통 모델로는 높은 정밀도를 갖는 CIGRE B4.57의 DCS2 4-terminal MTDC system 모델의 활용을 고려하였으며, 해당 시스템의 보호 협조 구간에 대한 분석을 선행하였다. 결과로부터, DC 차단기 및 한류 차단 방식을 고려한 한류기의 최적 위치를 도출하여 한류기 및 DC 차단기를 배치하였다. 또한 고장전류 특성 분석을 기반으로 한 정밀한 DC 차단기의 설계 방안에 대해 제시하였으며, 설계된 모델을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결과로부터, 본 연구에서 제안한 DC 한류 차단 방식은 기존 하이브리드 DC 차단기를 활용한 보호 방식과 유사한 차단 성능을 보여주었다. 또한 한류기를 활용하게 됨으로써, 전류 제한 및 차단 스트레스의 경감을 가능케 하여 HVDC 차단기의 가혹한 요구 조건을 완화시켜 줄 수 있음을 확인하였다. 또한 설계 측면에서 고 비용의 전력용 반도체 소자가 요구되지 않기 때문에, 경제적으로도 효율적인 방식임을 확인하였다.

본 연구를 통해, 국내에서는 현재까지 거의 다루어지지 않았던 분야인 HVDC 사고에 따른 영향 및 HVDC 차단 기술에 대한 전반적인 분석을 수행하였다. 또한 HVDC 차단기의 가혹한 설계 요구 조건을 완화시켜 줄 수 있는 한류 차단 방식을 제안하였으며, MTDC 시스템의 보호 협조와 관련된 초기 개념들을 제시하였다. 현재까지는 전 세계적으로 상용화된 HVDC 전력망이 존재하지 않는 관계로, 관련 분야의 연구는 상대적으로 미진한 편이다. 이러한 관점에서, 본 연구에서 수행된 연구 결과들은 추후 차세대 전력망인 MTDC 시스템의 핵심 기술이 될 HVDC 차단기술 및 보호 협조 방안의 정립에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.