1. 서 론

현재, 해상풍력 연계 또는 국가 간 전력연계의 필요성이 대두됨에 따라 High Voltage Direct Current (HVDC)가 주목받고 있다. 최근 Modular Multilevel Converter (MMC)가 개발되어 HV 및 MV 전압 레벨에 적용되고 있다. MMC 시스템은 스위칭 손실 및 고조파 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다 ^[1]. MMC 컨버터는 수많은 Sub Module (SM)이 직렬로 구성된다. 이 SM들은 일반적으로 Half Bridge (HB) 형태이다. 그러나 HB는 사고 시 음 전압 출력이 불가능하여 DC 차단기의 적용이 필수적이다. MMC 시스템에 사고가 발생하면 SM 커패시터가 방전되어 사고전류가 급격히 상승한다. SM의 수량이 증가할수록 고조파 제거에 유리하지만, SM의 수량은 커패시터 방전전류의 진폭과 비례하기 때문에 적정 수량 및 용량 선정이 중요하다. 일반적으로 각 SM의 IGBT block 지연 시간은 약 3 ms 이며, 이 기간에 컨버터 내부의 전력 반도체 또는 케이블이 손상될 수 있다. [2, 3]. 이를 해결하기 위해 사고전류를 제안하는 기술들이 활발히 연구되고 있다 ^[4]. MMC 컨버터에는 순환전류를 억제하고 사고 시 전류 상승을 제한하기 위해 각 상에 암 인덕터가 연결된다 ^[5]. 그러나 사고전류를 제한하기 위해 수백 mH의 대형 인덕터가 필요하다. 현재, MMC 컨버터에 적용되는 암 인덕터의 용량은 50 mH부터 360 mH까지 다양하게 적용되고 있다 ^[6-8]. 그러나 암 인덕터의 용량이 증가함에 따라 DC 전류 안정화 기간이 증가하며, 고장 전류 차단시간이 지연된다.

본 연구팀은 이를 해결하기 위해 빠른 응답시간을 갖는 Resistive Superconducting Fault Current Limiter (R-SFCL)를 제안한다. R-SFCL은 초전도 상태에서 영 저항을 유지할 수 있으므로 전력 흐름에 영향을 미치지 않는다. 그러나 과도상태에서 사고전류가 초전도체의 임계값을 초과하면 퀜치저항이 발생한다 ^[9]. 또한, R-SFCL은 빠른 응답특성을 가지므로 3 ms 이내에 저항을 발생시켜 SM 커패시터 방전전류를 효과적으로 제한할 수 있다.

본 논문에서는 MMC-HVDC에서 사고 시 급격히 상승하는 사고전류로부터 변환설비, 케이블 등의 보호를 위해 저항형 초전도 한류기를 제안하였다. 암 인덕터와 초전도 한류기는 돌입전류 및 사고전류를 제한하는 동일 목적으로 사용된다. 따라서, 과도 시 두 기기의 특성을 비교하여 적용성을 분석하고자 한다.

시뮬레이션 수행을 위해 PSCAD를 사용하여 2 단자 MMC- HVDC 시스템을 모델링하였다. 이후, 암 인덕터와 R-SFCL을 각각 적용하고 3개의 위치에서 Pole to Pole (PTP) 사고 시 전류 제한 특성과 차단 특성을 비교하였다.

2. PSCAD 모델링

본 연구팀은 PSCAD를 사용하여 2 단자 MMC-HVDC 시스템을 모델링하였다. 그림 1은 2 단자 MMC-HVDC 시뮬레이션 회로도이다. 표 1은 시스템 파라미터이며 그림2는 TBC 프로젝트의 케이블 상호접속도로 MMC 시스템은 TBC-HVDC 파라미터를 참고하였다. TBC 프로젝트는 MMC 기반 VSC 시스템을 상업적으로 운영한 최초의 HVDC 시스템이며, 10년 이상 상업 운전 중인 설비로 신뢰성이 높다는 점에서 본 시뮬레이션 모델링에 참고되었다 ^[10].

DC 전압은 ±200 kV이며, 약 400 MW의 전력이 피츠버그에서 캘리포니아까지 공급된다. 각 상에 200개의 SM이 직렬로 연결된다. 따라서, 양측 컨버터는 각각 600개의 SM으로 구성된다. DC 차단기를 시뮬레이션 회로에 적용되지 않았으며, AC 차단기는 사고 발생 후 AC 전류를 차단하기 위해 2 주기 이내에 트립된다. 사고 위치는 $F_{1}$에서 $F_{3}$까지 3개의 위치를 선정하였다.

그림 1. 시뮬레이션 회로도

Fig. 1. Schematic Diagram of the Simulation

그림 2. TBC 프로젝트 개략도

Fig. 2. Schematic Diagram of TBC Project

3. MMC 시스템의 PTP 사고

PTP 단락 사고는 MMC 시스템에서 가장 치명적인 사고 유형이다. 단락 사고의 과정은 그림 3과 같이 3 단계로 구분된다. 사고가 발생하면 그림 3 (a)과 같이 SM 커패시터가 방전된다. 이 방전전류에 의해 사고전류가 급격하게 상승하며, 수 ms 이내에 정격전류의 수십 배까지도 상승할 수 있다.

그림 4는 고장 시 SM 커패시터가 방전될 때 MMC 시스템의 등가회로이다. 여기서 $L_{a}$과 $R_{a}$은 각각 암 인덕턴스와 저항이고, $L_{dc}$와 $R_{dc}$는 각각 사고 경로와 케이블의 인덕턴스 및 저항이다. 또한, $R_{f}$와 $C_{l""eg}$는 사고 저항과 leg의 커패시턴스이다. 그림 4의 등가회로에 Kirchhoff의 전압 법칙을 적용하고 $i_{c}= i_{cf}/3$이라고 가정하면 leg의 SM 커패시터의 전압과 전류는 방정식 (1)과 (2)로 계산할 수 있다.

그림 5는 사고가 발생하는 동안의 SM 커패시터의 전압 감소 그래프이다. $F_{1}$에서 $F_{3}$는 각각 사고 위치이며, 사고 위치가 MMC 컨버터에 가까울수록 케이블의 저항이 작아지기 때문에 커패시터의 전압이 더 빨리 감소한다. 사고 발생 시 IGBT의 block 지연은 약 3 ms 이며, 이는 현재 보호 장치가 달성할 수 있는 가장 빠른 속도이다.

IGBT가 차단되면 사고전류는 그림 3 (b)와 같이 다이오드를 통해 흐른다. 그림 3 (c)는 AC 유입 단계이다. 이 단계에서는 AC 차단기가 동작하기 이전이므로 AC 전류가 DC 컨버터를 통해 공급된다. 이때 MMC는 제어할 수 없는 다이오드 정류기와 같이 동작한다.

그림 3. MMC 시스템의 사고 과정 (a)SM 커패시터 방전 (b)다이오드 프리휠링 (c)AC 유입

Fig. 3. Fault Process of the MMC (a)SM Capacitor Discharge (b)Diode Freewheeling (c)AC Feeding

그림 4. SM 커패시터 방전 시 MMC 시스템 등가회로

Fig. 4. Equivalent circuit of the MMC system when the SM capacitor during discharging

그림 5. 사고 시 SM 커패시터 전압 그래프

Fig. 5. Graph of the SM Capacitor Voltage during Fault

4. 저항형 초전도 한류기

초전도 물질은 극저온 상태에서 영(0) 저항을 유지하며, 초전도 상태를 유지하기 위한 임계 값을 초과하면 저항이 급격히 상승한다. 이러한 현상을 퀜치(Quench) 현상이라 한다. 전력산업에서는 이러한 원리를 응용하여 한류기, 케이블, 변압기 등 차세대 전력기기에 적용되고 있다.

일반적으로 SFCL은 저항형과 유도형으로 구분된다. R-SFCL은 응답시간이 빠른 특성이 있어 초기 고장 전류를 제한하는데 유리하다. 본 논문에서는 사고 시 SM 커패시터의 방전전류를 효과적으로 제한하고 차단시간 단축을 위해 R-SFCL을 적용하였다.

그림 6은 실험에 사용된 초전도 선재의 구조이다. 초전도 선재는 SuNAM社의 GdBCO 100 silver coated이며, 길이는 약 10 m이다. 그림 7과 같이 DC 500 V 테스트 베드에서 부하 저항 스위칭을 통해 초전도 선재에 임계전류를 초과하는 사고전류를 흘려주고 퀜치 저항 상승 데이터를 참고하여 PSCAD로 모델링 하였다.

그림 8은 실험에서 확보된 저항 데이터와 PSCAD로 구현한 저항 데이터를 비교한 그래프이다. 0~10 ms까지는 정상상태로 약 50 A가 흐르며, 약 10 ms에서 사고 모의 장치에 의해 부하 저항이 1/10로 바뀌므로 사고전류는 약 500 A가 된다. 실험에서는 직렬로 초전도 선재를 연결하였으므로 사고전류가 선재의 임계전류인 100 A를 초과하는 순간 즉시 퀜치되어 사고전류 저감을 확인할 수 있다.

PSCAD에서 R-SFCL의 저항은 DC 500 V 실험에서 얻은 결과 데이터를 기반으로 모델링되었다. 실험에서의 각 시점에서 저항값과 기울기를 측정하여 PSCAD에 입력하였으며, 그림 8에서 두 저항 그래프의 값은 거의 동일하므로 시뮬레이션에서 신뢰할 수 있는 저항 모델로 동작할 수 있다. 실제 계통에 적용 시 초전도 선재 다수를 병렬로 연결하여 초전도 한류기의 정격을 상승시켜야 하며, 병렬 연결된 각 초전도 선재에 동일한 전류가 흐를 수 있도록 세밀한 설계가 요구된다.

SFCL의 저항은 방정식 (3)에 의해 초전도 테이프의 길이에 따라 증가 또는 감소할 수 있다.

그림 6. 초전도 선재의 구조

Fig. 6. Structure of Superconducting Tape

그림 7. 실험 회로도

Fig. 7. Experimental Circuit Diagram

그림 8. 실험 및 시뮬레이션 저항 상승 그래프

Fig. 8. Experimental and Simulation Data

5. 시뮬레이션

본 논문에서는 암 인덕터의 용량과 SFCL의 저항을 가변하였을 때 사고 위치에 따른 초기 사고전류와 차단시간을 비교하였다. 그림 9는 사고부터 차단까지의 일반적인 DC 전류 그래프이다. 초기 고장 전류는 대부분 SM 커패시터 방전에 의한 전류 성분으로 이루어져 있다. 2 주기 후에 AC 차단기가 동작하고 DC 전류는 프리휠링에 의해 영점에 도달한다. 표 2는 시뮬레이션의 변숫값이다. 다양한 문헌에서 제안된 HVDC 그리드에 적용되는 암 인덕터 용량의 범위는 약 5 mH에서 200 mH이다. 최근 개발된 R-SFCL은 최대 약 40 Ω의 퀜치 저항을 생성할 수 있다 ^[11]. 따라서 제안된 범위를 참고하여 암 인덕터와 R-SFCL의 용량 범위를 5개로 선정하였다. 이후, 그림 10과 같이 각 기기의 위치를 선정하고, 고장 위치에 따른 특성을 확인하였다. 사고 발생 시점은 1.0 s이며, 사고 유형은 PTP 단락이다.

그림 9. 단락 사고 시 전류 그래프 (암 인덕터 10 mH, R-SFCL 미적용)

Fig. 9. Experimental Circuit Diagram Graph of the PTP Fault (Arm Inductor 10 mH, without R-SFCL)

그림 10. R-SFCL 및 암 인덕터의 적용 위치

Fig. 10. Connection of R-SFCL and Arm Inductor

5.1 암 인덕터

그림 11은 암 인덕터 용량 변화에 따른 초기 사고전류 그래프이다. 초기 사고전류가 가장 높은 경우는 암 인덕터의 용량이 10 mH 일 때 $F_{1}$ 지점에서 단락 사고가 발생할 때였으며, 방전전류는 약 23.97 kA로 가장 높았다. 반대로, 초기 사고전류가 가장 낮은 경우는 암 인덕터의 용량이 200 mH 일 때 $F_{3}$ 지점에서 단락 사고가 발생할 때였으며, 방전전류는 약 10.05 kA로 가장 낮았다.

인덕터의 용량이 증가할수록 컨버터 보호를 위한 IGBT block 시점이 지연되는 것을 확인할 수 있다. 이는 인덕터의 용량과 비례하여 IGBT 차단 시 역기전력 증가에 의한 지연 현상이다.

그림 12는 암 인덕터 용량 변화에 따른 초기 고장 전류와 차단시간 그래프이다. 1.0 s에 PTP 단락 사고를 발생시켰다. 인덕터의 용량이 증가함에 따라 초기 사고전류의 최댓값이 감소하였다. 그러나 용량이 커질수록 차단시간이 지연되었다. 인덕터의 용량이 50 mH 미만인 경우, 차단시간은 거의 지연되지 않았다. 50 mH를 초과하거나 고장 위치가 가까워질수록 차단시간이 지연되는 것을 확인하였다. 200 mH의 경우 $F_{1}$ 위치에서 차단시간은 약 2.04 s였다. 결과적으로, 인덕터의 용량이 증가할수록 초기 사고전류는 감소하고, 고장 위치가 멀수록 DC 사고전류의 영점 도달 시점은 단축된다. 각각의 암 인덕터 용량을 동일 사고 위치끼리 선으로 연결하였을 때 용량이 커질수록 초기 사고전류를 효과적으로 감소하였으나, 차단시간은 매우 지연되는 것을 확인할 수 있다.

그림 11. 암 인덕터 용량 변화에 따른 초기 사고전류

Fig. 11. Initial Fault Current According to Arm Inductor Capacity Change

그림 12. 암 인덕터 용량 변화에 따른 초기 사고전류 및 차단시간

Fig. 12. Initial Fault Current and Interruption Time According to Arm Inductor Capacity Change

5.2 저항형 초전도 한류기

그림 13은 R-SFCL 용량 변화에 따른 초기 사고전류 그래프이다. 암 인덕터와 동일하게 $F_{1}$ 지점에서 저항이 5 Ω일 때 초기 사고전류가 약 22.35 kA로 가장 높았으며, $F_{3}$ 지점에서 30 Ω일 때 약 12.17 kA로 가장 낮았다. 또한, R-SFCL은 암 인덕터와 달리 회로에 저항 성분만 적용되기 때문에 IGBT block 시 지연되지 않음을 확인할 수 있다.

그림 14는 R-SFCL의 저항 변화에 따른 초기 고장 전류와 차단시간 그래프이다. R-SFCL을 적용하였을 때 암 인덕터의 용량은 10 mH로 설정하였다. 1.0 s에서 PTP 단락 사고를 발생시켰으며, R-SFCL의 저항이 5 Ω이고, 사고 위치가 $F_{3}$ 일 때, 차단시간은 약 1.107 s였다. R-SFCL의 저항이 30 Ω이고, 사고 위치가 $F_{1}$ 일 때, 차단시간은 약 1.058 s였다. 결과적으로, R-SFCL의 저항이 증가할수록 초기 사고전류는 감소하고 차단시간 또한 단축되었다. 각각의 R-SFCL의 저항을 동일 사고 위치끼리 선으로 연결하였을 때 암 인덕터와는 달리 원점으로 수렴하는 형태를 보였다.

그림 13. R-SFCL 저항 변화에 따른 초기 사고전류

Fig. 13. Initial Fault Current According to R-SFCL Resistance Change

그림 14. R-SFCL 저항 변화에 따른 초기 사고전류 및 차단시간

Fig. 14. Initial Fault Current and Interruption Time According to R-SFCL Resistance Change

6. 결 론

본 논문에서는 MMC-HVDC에서 사고 시 급격히 상승하는 사고전류로부터 변환설비, 케이블 등의 보호를 위해 저항형 초전도 한류기를 제안하였다. 저항형 초전도 한류기는 응답시간이 빠른 특성이 있다. 따라서, 사고 시 SM 커패시터의 방전전류를 효과적으로 제한하고 차단시간 단축에 효과적이다. 본론에서는 R-SFCL의 저항 변화와 MMC 시스템의 암 인덕터 용량 변화에 따른 초기 사고전류의 최댓값과 차단시간을 비교하였다. 또한, 사고전류의 크기에 따른 특성을 같이 고려하고자 3개의 사고 위치를 선정하여 비교하였다. 시뮬레이션에서 사고 유형은 PTP 단락으로 선정하였다. 시뮬레이션 결과, 암 인덕터의 용량이 증가할수록 초기 고장 전류의 최댓값은 감소하였으나, 차단시간은 점차 지연되는 것을 확인하였다. R-SFCL의 경우 저항이 증가함에 따라 초기 사고전류의 최댓값이 감소하고, 차단시간 또한 점차 단축됨을 확인하였다. MMC 시스템에서 암 인덕터의 용량이 일정값을 초과하면 차단시간이 크게 지연되어 시스템이 불안정해질 수 있어 용량 증대에 한계가 있다. 그러나 R-SFCL은 정상상태에서 전력 흐름에 영향을 미치지 않으며, 효과적으로 사고전류를 제한하고 차단시간을 단축할 수 있다.

본 시뮬레이션을 통해 저항형 초전도 한류기는 MMC 기반의 HVDC 시스템에서 사고전류를 효과적으로 저감할 수 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 실계통 적용 시 초전도 선재는 용량 증대를 위해 직 병렬의 구조로 연결된다. 따라서, 실계통에서의 적용성 평가를 위해 초전도 선재의 구조와 이에 따른 손실 분석 연구가 필요하다.