MMC 기반 전압형 MTDC 계통의 공급 신뢰도 확보를 위한 한류 및 차단 기술에 관한 연구

Abstract

현재 전력수요가 지속적으로 증가함에 따라 전력공급설비는 국가적 차원에서 확충 및 개발되고 있다. 특히 풍력, 태양광 등 신재생에너지는 저탄소, 친환경 에너지 활용 측면에서 각광을 받고 있다. 그러나, 대부분의 신재생에너지원은 발전에 유리한 특정 지역에 집중되어 있다. 이로 인해, 장거리 송전 시 손실이 적은 HVDC 시스템에 대한 필요성이 높아지고 있다. 그러나 DC 계통은 주파수가 없기 때문에 사고 발생 시 사고 전류가 영점을 통과하지 못하기 때문에 차단하기 어렵다. 따라서 과도상태에서 고장전류를 빠르고 안정적으로 차단할 수 있는 신뢰성 있는 직류 보호 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 MMC 기반 VSC-MTDC 계통의 전력신뢰성을 향상시키기 위한 보호기술로 저항형 초전도 한류 모듈과 RCS-DC 차단 모듈을 제안한다. 본 연구의 목적은 MMC 기반 VSC-MTDC 그리드에서 저항형 초전도 한류 모듈과 RCS-DC 차단 모듈의 적용 가능성을 검토하고 필요성을 증명하는 것이다. 먼저 MTDC 그리드 인프라 확보를 위해 MMC 컨버터의 메커니즘을 분석하고 실제 시스템 파라미터를 참조하여 PSCAD/EMTDC 모델링을 수행하였다. 이후 정상상태와 과도상태에 따른 MMC 컨버터의 동작특성을 분석하였다. 둘째로, 기존 저항형 초전도 한류 모듈의 문제점을 개선하기 위해 Ansys maxwell 프로그램을 이용하여 초전도선재의 배열에 따른 자기장을 분석하였다. 이를 통해 다중 권선 방식을 제안하고, 다양한 실험을 통해 저항형 초전도 한류 모듈의 특성을 확인하고, PSCAD/EMTDC 모델링을 수행하였다. 셋째로, 공진전류증폭방식의 RCS-DC 차단모듈를 제안하고 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모델링하였다. 또한, 시뮬레이션을 통해 동일한 사양의 기존 DC차단모듈과 비교 분석하였다. 넷째로, PSCAD/EMTDC를 이용하여 MMC VSC-MTDC에 저항형 초전도 한류 모듈과 RCS DC 차단 모듈를 적용하여 차단 특성을 분석하였다. 그 결과 RCS DC 차단 모듈은 MTDC 계통에서 차단 동작을 안정적으로 수행했으며 저항형 초전도 한류 모듈은 빠르게 상승하는 고장 전류를 효과적으로 제한하였다.|Currently, power supply facilities are being expanded and developed at the national level because of the continuously increasing demand for electricity. In particular, renewable energy such as wind and solar energy is in the spotlight in terms of low-carbon and eco-friendly energy utilization. However, most renewable energy sources are concentrated in certain areas favorable to power generation and are quite far from urban areas where power demand is concentrated. Accordingly, the a growing need for HVDC systems with low loss during long-distance transmission. However, since the DC system does not have a frequency, it is difficult to interrupt because the fault current does not pass zero-point when the fault occurs. Therefore, there is a need for research on a reliable DC protection technology capable of quickly and stably interrupting the fault current during a transient period. In this paper, R-SFCL and RCS-DC circuit breaker are proposed as protection technologies to improve the power reliability of the MMC-based VSC-MTDC grids. The purpose of this study is to review the applicability and prove the necessity of R-SFCL and RCS DCCB in the MMC-based VSC-MTDC grid. First, to secure the MTDC grid infrastructure, the mechanism of the MMC converter was analyzed and PSCAD/EMTDC modeling was performed by referring to the actual system parameters. After that, the operation characteristics of the MMC converter according to the steady and transient states were analyzed. Second, in order to improve the problems of the traditional R-SFCL, the Ansys maxwell program was used to analyze the magnetic field according to the arrangement of the superconducting wire. Through this, the multi-filar meander winding method was proposed, the characteristics of R-SFCL were confirmed through various experiments, and PSCAD/EMTDC modeling was performed. Third, An RCS-DC circuit breaker with a resonant current amplification method was proposed and was modeled using PSCAD/EMTDC. In addition, it is compared and analyzed with traditional DC circuit breakers having the same specifications by simulation. Fourth, Interruption characteristics were analyzed by applying R-SFCL and RCS DC circuit breaker to MMC VSC-MTDC using PSCAD/EMTDC. As a result, the RCS DC breaker stably performed the interrupting operation for the MTDC grid, and the R-SFCL effectively limited the rapidly rising fault current.