2.1 MVDC 기술 정의와 필요성

MVDC 기술은 중전압 범위에서 직류(DC)를 사용하여 전력을 전송하고 분배하는 기술을 의미한다. 일반적으로 수 킬로볼트(kV)에서 수십 킬로볼트의 전압 범위를 가지며, 전력 손실 감소, 시스템 효율 향상, 전력 품질 개선 등의 이점을 제공한다. MVDC　기술은 해상 풍력 발전, 전기 추진 선박, 마이크로그리드 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 현재 IEC는 1.5kV(±750V)를 LVDC의 표준전압으로 규정하고 있으며 HVDC는 국제 연구 위원회 CIGRE에서 ±100kV 이상의 전압으로 정의하고 있는데에 반해, 아직 기술적으로 연구 초기 단계인 MVDC의 경우 국내·외로 명확하게 정의된 표준 전압이 있지는 않다. 현재 CIGRE의 MVDC 타당성 연구를 통해 LVDC와 HVDC 사이의 전압인 1.5~100kV의 전압범위에서 MVDC의 활용도에 부합하는 표준 전압에 대한 논의가 진행 중에 있다^[10].

MVDC 시스템의 필요성은 현대 전력시스템의 변화하는 요구사항과 기술적 진보에 따라 점차 증대되고 있다. 이러한 필요성은 다음과 같은 측면에서 고찰될 수 있다. 첫째, 신재생 에너지의 급속한 확대에 따른 대응책으로 MVDC 시스템의 중요성이 부각되고 있다. 태양광 발전 및 풍력 발전 등 직류 기반의 신재생 에너지원과의 직접적인 연계가 가능한 MVDC 시스템은 에너지 변환 과정에서의 손실을 최소화하고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 둘째, MVDC 시스템은 전력 품질 개선과 계통 안정성 향상에 기여한다. 주파수 변동과 무효전력 등의 문제가 없는 DC 시스템의 특성 덕분에 MVDC는 안정적인 전력 공급을 가능하게 하며, 민감한 부하에 대해 더 나은 전원 환경을 제공한다. 셋째, MVDC 시스템은 기존 AC 배전 인프라의 용량 증대에 기여할 수 있다. DC 변환을 통해 기존 AC 선로의 전송 가능 전력량을 증가시킬 수 있어, 인프라 투자 효율성을 높일 수 있다. 넷째, MVDC 시스템은 장거리 전력 전송과 대용량 부하 공급에 적합하다. 특히 대규모 신재생 에너지 단지와 같이 전력 생산지와 소비지가 멀리 떨어진 경우, MVDC 시스템은 효율적인 전력 전송 솔루션이 될 수 있다. 마지막으로, MVDC 시스템은 미래 전력 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 전기차 충전, 데이터 센터, 스마트 빌딩 등 직류 기반의 새로운 부하들이 증가함에 따라, MVDC 시스템의 필요성은 더욱 커질 것으로 예상된다.

2.2 국내 ±35kV MMC 기반 MVDC 시스템

우리나라는 ±35kV MVDC Station은 전국 최대 규모 재생에너지 발전단지를 보유하고 있으며, 한전을 중심으로 나주에너지지구(밸리)를 조성하고 있어, 전기관련 신산업 육성과 에너지 관련 기업 유치에 적합한 지역이다. 이러한 장점을 고려하여 15MW의 대용량 분산전원이 접속된 AC 배전 시스템으로부터 연계해 35kV 중전압 직류 송배전을 실증함으로써, 관련 기술 표준과 상용화 모델 개발을 추진한다. ±35kV DC 배전망과 비슷한 전압 레벨의 22.9kV AC 배전망의 차이를 통해 DC 배전망의 용이함을 표 2에서 확인할 수 있다^[11].

MMC를 구성하는 셀을 나타내는 서브 모듈의 가장 일반적인 형태는 하프 브리지 서브모듈(Half Bridge Submodule, HBSM)이다. 낮은 전력 손실로 간단한 구성을 통해 전압 제어가 용이하다는 장점을 갖고 있다. HBSM은 스위칭 소자로 사용되며, 전압을 제어해 AC 신호를 생성한다. 일반적으로 두개의 IGBT와 하나의 커패시터로 구성된다. HBSM은 전류의 방향을 제어하고 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 역할을 하게 된다. 이 모듈은 전압을 절반으로 나누어 전력 변환을 수행하기 때문에, MMC 같은 시스템에서 다양한 모듈이 직렬로 연결되어 전압을 단계별로 조정하고, 전력 변환을 효율적으로 수행하게 된다.

3.1 22.9kV AC 배전망 고장

22.9kV AC 배전망은 중전압 전력망에서 사용되는 중요한 전압 레벨로, 주로 도심과 산업 지역에 전력을 공급하는 역할을 한다. 이 배전망은 전력을 변전소에서 최종 사용자에게 전력을 전달하는 중간 단계에서 사용되며, 전력선을 통해 전기를 안정적으로 분배하는 방식으로 설계된다. 그러나 다양한 요인으로 인해 고장이 발생할 수 있으며, 이러한 고장은 시스템의 안정성과 신뢰성에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 22.9kV AC 배전망에서 흔히 발생하는 고장으로는 1선 지락고장과 선간고장이 있다.

22.9kV 배전망에서는 과전류 계전기와 거리 계전기 등 다양한 보호 장치가 사용된다. 자동 재폐로 장치는 일시적인 고장을 해결하기 위해 일정 시간이 지나면 회선을 재폐로하여 안정성을 유지한다^[12].

고장 탐지 및 복구는 배전망 안정성에 매우 중요하다. SCADA와 같은 원격 감시 시스템을 통해 실시간으로 고장을 관리하며, 정확한 고장 위치 탐지를 위한 센서와 진단 도구가 활용된다.

3.2 22.9kV AC 배전망 고장 복구 절차

22.9kV AC 배전망의 1선 지락 고장과 선간 고장의 복구 절차를 다음 표 4와 같이 표현할 수 있다. 두 고장의 복구 절차는 대체로 유사하지만, 선간고장의 경우 파형 분석을 통한 고장 위치 확인이 중요한 차별점으로 작용한다. 또한 1선 지락고장은 단일 전력선에 국한된 문제로, 선간고장에 비해 고장 탐지와 복구 시간이 짧을 수 있다^[13]. 이러한 차이점은 고장의 원인에 따라 발생하는 복구 전략의 차별화로 이어진다.

3.3 AC 시스템과 DC 시스템 고장 차이

표 4는 DC 시스템과 AC 시스템의 고장 특성에 대한 주요 차이점을 보여준다^[14]. DC 시스템의 경우, 고장 발생 시 일정한 전류 방향으로 인해 아크 소호가 어렵고, 고장 위치를 추적하거나 차단하기 위한 메커니즘이 복잡하다. 또한 DC 시스템에서는 고장이 발생했을 때 전압 변환이 어렵고, 고장 차단을 위해 특별한 보호 장치가 필요하다. 이러한 복잡성은 DC 시스템이 고전압이나 대용량 전송에서 흔히 사용되는 이유 중 하나로, 안정성을 확보하기 위한 기술적 도전이 많다는 것을 알 수 있다.

반면, AC 시스템은 주기적으로 전류 방향이 바뀌기 때문에 고장 복구 과정에서 아크 소호가 더 용이하고, 고장 발생 시 전류 영점이 존재하여 고장 차단이 상대적으로 쉽게 이루어진다. 또한, AC 시스템은 변압기를 통해 전압 변환이 간단하게 이루어질 수 있어 고장 후 전압 복구도 용이하다. 이러한 특성 덕분에 AC 시스템은 전력망에서 널리 사용되며, 고장 상황에서도 비교적 신속하고 효율적인 복구가 가능하다.

따라서, DC 시스템은 안정적인 전력 전송을 위해 보다 정교한 보호 장치와 복구 메커니즘이 필요하지만, AC 시스템은 구조적으로 더 간단한 고장 복구 방식을 채택하고 있다는 점에서 차별화된다. 이는 전력망의 설계 및 운영에서 중요한 고려 사항이며, 각 시스템의 장단점을 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다.

4.1 ±35kV MMC 기반 MVDC 실증 Station 구성요소

±35kV MVDC 실증 Station은 모듈러 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter, MMC) 시스템의 서브모듈(Sub-Module, SM) 구성과 하프 브리지 서브모듈(Half-Bridge Submodule, HBSM)의 구성을 나타낸다. MMC는 MVDC 시스템에서 사용되는 핵심 기술 중 하나로, 중전압 AC 전력을 DC로 변환하여 더 효율적인 전력 전송을 가능하게 한다. 여러 SM이 직렬로 연결되어 전압을 단계적으로 조절하고, 변환 효율을 높인다. 이는 시스템의 유연성을 높이고 고장 시의 영향을 줄이는 데 도움이 된다. MMC는 MVDC 시스템의 핵심 요소로, 여러 SM을 포함하여 AC와 DC 간의 변환을 효율적으로 수행한다. 또한, MMC는 전압 변동을 최소화하고 고조파를 줄이며 전력 품질을 개선하게 된다.

표 5는 그림 1에 대한 MVDC 구성요소 설비 리스트이다. 본 논문에서 참고한 ±35kV 30MW MVDC 실증 Station의 경우 그림과 같이 전력 변환을 위한 컨버터 밸브와 컨버터 제어 및 보호기능을 수행하기 위한 C&P System(Control and Protection System) 그리고 변압기, 냉각 시스템 등 다양한 종류의 야드 기기들로 구성된다.

DC Yard의 MMC 경우 밸브 전류를 실시간 감시하여 1사이클 이내로 보호 동작이 이루어진다. 이때 보호 동작은 SM의 스위칭 동작을 정지하는 Block과 차단기를 개방시키는 Trip 동작으로 구분된다. 보호동작에는 Block만 시키는 경우와 Block과 Trip이 모두 작동하는 경우가 있다.

그림 1. ±35kV 30MW MVDC 시스템 단선도

Fig. 1. Single-line diagram of a ±35kV 30MW MVDC system

4.2 ±35kV MMC 기반 MVDC 실증 Station 구성도

그림 2는 참고문헌 ^[15]의 고장 해석을 위한 MVDC 배전망의 구성도이다. 대상 계통은 PV 발전단지, AC 배전선로, 컨버터스테이션(C/S), DC 배전선로, 배전용변전소 등으로 구성된다. AC 선로에 연계된 PV 발전단지에서 생산된 전력은 AC 선로와 C/S를 통해 MVDC 선로로 전달되어 변전소 측으로 분배된다. 또한 MVDC 선로에 연계된 PV 발전단지에서 생산된 전력은 MVDC 선로와 인버터스테이션을 통해 변전소 측으로 흐른다.

표 6은 MVDC 구성요소의 기술 사양을 나타내고 있다^[16].

그림 2. 고장 해석을 위한 MVDC 배전망 구성도

Fig. 2. Configuration diagram of an MVDC distribution network for fault analysis

4.3 MVDC Station 고장 시나리오

MVDC Station에서 발생할 수 있는 주요 사고 유형은 P-P, 고장과 P-G 고장이다. 이 두 가지 고장은 시스템의 안전성과 신뢰성에 중대한 영향을 미치므로 이를 이해와 적절히 대응하는 것이 중요하다.

4.3.1 MVDC Station 내부의 P-P 고장

그림 3은 MVDC Station 내부에서 발생한 P-P 고장에 대한 시나리오이다. 참고문헌에 따르면 P-P 고장이 발생할 경우 태양광 전원에서는 태양광 모듈의 단락전류 제한 특성으로 인하여 사고전류의 크기가 작게 나타나며, 대부분의 사고전류는 배전용 변전소에서 컨버터의 환류 다이오드를 통해 공급된다. AC 22.9kV 버스의 전압이 급격하게 하락하여 동일 뱅크에 있는 다른 선로의 수용가에서 심각한 저전압의 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다^[16]. MVDC Station에서 P-P 고장이 발생할 경우, DC 링크 커패시터는 고장 경로로 방전되면서 고장 전류에 영향을 미칠 수 있다. 또한, Submodule의 종류에 따라 고장 대처 방법이 달라지게 된다. Full Bridge Submodule의 경우 단순 Block 동작만으로 사고전류가 흐르는 전기적인 경로를 차단할 수 있지만, 본 연구에서 사용된 Half Bridge Submodule의 경우 밸브 스위칭 동작만으로는 사고전류를 막을 수 없어 차단기 동작이 필요하다.

그림 3. MVDC Station 내부 P-P 고장

Fig. 3. Phase-to-phase fault inside an MVDC Station

4.3.2 MVDC Station 내부 P-G 고장

그림 4는 MVDC Station 내부의 P-G 고장에 대한 시나리오이다. 참고문헌에 따르면, P-G 고장 발생 시 Submodule의 DC 링크 커패시터 방전에 의해 고장 전류가 급격히 증가하고, 커패시터에 저장된 전력이 빠르게 방전되기 때문에 고장 전류에 큰 영향을 미치게 된다. 이로 인해 컨버터 스테이션과 인버터에서 매우 큰 고장 전류가 발생하며, 사고가 발생하지 않은 MVDC 선로에도 고장 전류가 흘러 컨버터 스테이션과 인버터에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, AC 22.9kV 버스의 전압이 감소하여, 동일 뱅크의 다른 선로의 수용가에 저전압 현상이 발생할 수 있음을 알 수 있다^[16].

그림 4. MVDC Station 내부 P-G 고장

Fig. 4. Phase-to-ground fault inside an MVDC Station

4.4 MVDC 고장 복구 절차

본 논문에서는 MVDC Station의 고장 종류 감지와 복구절차에 대해 제안하였다. 그림 5는 P-P 고장과 P-G 고장의 감지 및 처리 절차를 설명한다. 시스템이 정상적으로 작동하는 동안 발생할 수 있는 고장을 실시간으로 감지하고 분석하여, 고장 종류에 따라 적절한 조치를 취하는 메커니즘을 갖추고 있다. 이를 통해 시스템의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라 고장 발생 시 빠르게 대응할 수 있다.

그림 5는 MVDC Station 내부에서 고장이 발생했을 때 복구를 위한 순서도를 보여준다. 시스템이 정상적으로 작동하다가 고장이 발생했을 때의 처리는 다음과 같은 단계로 나눌 수 있다. 과전류 감지 장치는 시스템이 정상적으로 작동하는 동안 전류의 상태를 지속적으로 모니터링한다. 만약 접지전류가 AC 측 ZigZag 중성점 접지를 통해 흐르면서 설정된 임계값을 초과하는 전류가 감지되면, 전력 전류의 측정과 분석 과정이 시작된다. 이때 과전류 발생 여부를 확인하기 위해, 접지 전류가 임계값을 초과하는지 측정하고 분석한다. 이를 통해 고장의 유형을 판단하게 된다.

분석 결과에 따라 고장이 P-G 고장과 P-P 고장 두 가지로 구분된다. 접지 전류가 임계값을 초과하면, P-G 고장이 발생했음을 의미한다. 이때, 차단기기를 열고, 시스템이 완전히 차단된 후 절연 저항 검사 수동 절차가 수행된다. 절연 저항 검사를 통해 고장 여부가 확인된다. 접지 전류가 임계값을 넘지 않는 경우, 상간 전압을 측정하여 P-P 고장 여부를 확인한다. 상간 전압이 임계값을 초과하면 P-P 고장이 발생한 것으로 판단되며, 이에 대한 전원 격리, 고장 지역 점검, 장비 수리의 절차를 밟는다.

차단기가 차단된 상태에서는 고장에 의한 시스템 영향이 일시적으로 멈추지만, 고장의 정확한 원인과 위치를 파악하지 못하면 복구절차가 지연되게 된다. 이전에 계측된 전류와 전압, 전력 등의 데이터를 바탕으로 고장의 종류와 고장이 발생한 구간을 분석하면, 보다 정확하게 고장 구간을 확인하고 복구할 수 있다. 이를 통해 불필요한 차단기 동작을 최소화하게 되고, 필요할 경우 고장 구간만 선택적으로 차단할 수 있어 신속한 복구가 가능하게 된다. 고장이 발생했을 때 시스템이 고장 원인을 모르면, 전체 시스템을 무조건적으로 차단할 위험이 있다. 하지만 계측값을 활용한 분석은 불필요한 차단을 방지하고, 문제의 발생 구간만 선택적으로 차단할 수 있는 정보를 제공한다.

고장이 처리되고 시스템이 정상적으로 작동하면 처음의 과전류 감지 상태로 돌아가 시스템을 모니터링하게 된다. 만약, 고장이 복구되지 않거나 자동화 절차로 해결할 수 없는 문제 발생 시 수동으로 개입하여 문제를 해결할 수 있도록 설계되어 있다.

그림 5. MVDC 내부 고장 시 고장 식별 및 복구 절차

Fig. 5. Fault Identification and Recovery Procedure for MVDC Internal Faults

위 시스템 동작을 이용해 전체적인 목적은 시스템의 고장 여부를 감시하고, 고장이 발생했을 경우 신속하게 문제를 해결하여 시스템의 안정성을 유지하는 데 있다.