2.1 LVDC 배전망의 구성

LVDC 배전망은 그림 1과 같이 메인 컨버터, 구간 컨버터, LVDC 배전선로, 수용가 부하 등으로 구성된다. 여기서, 수용가 부하측에서 단락사고가 발생하는 경우, 사고전류의 크기와 경사각은 사고지점까지의 선로정수, 구간 컨버터의 출력 전압과 부하 전류, 구간 컨버터의 내부 임피던스의 크기 등에 따라 변동될 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 파라메타에 따른 LVDC 배전망의 사고전류 경사각 특성을 제시하고, 이를 바탕으로 사고전류 경사각을 산정하는 정식화를 수행한다.

그림 1. LVDC 배전망의 구성

Fig. 1. Configuration of LVDC distribution system

2.2 선로정수에 의한 사고전류 경사각 특성

그림 2. 선로정수에 의한 사고전류 경사각 특성

Fig. 2. Slope characteristics of fault current with line constants

2.3 구간 컨버터의 출력 전압 및 부하 전류에 따른 경사각 특성

그림 3은 구간 컨버터의 동일한 출력 전압 조건에서 부하 전류 크기에 따른 사고전류 특성으로, (a) 곡선과 (b) 곡선은 무부하와 피크 부하 시의 사고전류 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 무부하 시 사고전류의 변화분은 그림 3의 (a) 곡선과 같이 사고 발생 시간($t_{0}$) 초기에 큰 값을 가지고, 피크 부하 시에 (b) 곡선과 같이 작은 값을 가진다. 한편, 그림 4는 부하 전류 크기가 동일한 경우, 구간 컨버터 출력 전압의 크기에 따른 사고전류의 특성을 나타낸 것으로, (a), (b) 곡선은 각각 DC 400[V]와 DC 1.5[kV]에 대한 사고전류 특성이다. 여기서, 그림 4의 (a) 곡선과 같이, DC 400[V] 출력 전압의 사고전류 변화분은 작고, (b) 곡선과 같이 DC 1.5[kV] 출력 전압은 큰 값임을 알 수 있다. 따라서, 사고전류 경사각은 구간 컨버터 출력 전압이 증가하고, 부하 전류의 크기가 작을수록 증가함을 알 수 있다.

그림 3. 수용가 부하에 따른 사고전류 경사각 특성

Fig. 3. Slope characteristics of fault current with customer load

그림 4. 구간 컨버터 출력전압에 따른 사고전류 경사각 특성

Fig. 4. Slope characteristics of fault current with output voltage of section converter

2.4 구간 컨버터의 내부 임피던스에 따른 경사각 특성

강압형 구간 컨버터의 내부 임피던스 등가회로는 그림 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 5의 (a)와 (b)는 각각 강압형 컨버터의 메인 스위칭 동작과 보조 스위칭 동작을 나타낸다. 즉, 그림 5의 (a)와 같이 메인 스위칭 동작 상태에서 사고가 발생하면, 구간 컨버터의 인덕터($L_{con.\sec}$)는 사고전류 방향과 직렬 구조, 커패시터($C_{con.\sec}$)는 사고전류 방향과 병렬 형태를 가지며, 사고전류가 메인 컨버터를 통해 흐르게 된다. 또한, 그림 5의 (b)와 같이 보조 스위칭 동작 상태에서 사고가 발생하면, 구간 컨버터의 인덕터와 커패시터는 사고전류 방향과 병렬구조를 가지며, 사고전류는 구간 컨버터의 커패시터에서 공급하게 된다. 즉, 구간 컨버터의 인덕턴스는 1차측 전압($V_{pri}$)과 전압전달비($D$), 정격 전류($I_{rate_{con.}\sec}$), 전류 리플($r_{I_{con.}\sec}$), 스위칭 주파수($f_{con.\sec}$)에 의하여 식 (1)과 같이 산정된다. 또한, 구간 컨버터의 커패시턴스는 출력 전압($V_{con.\sec}$)과 전압 리플($r_{V_{con.}\sec}$), 정격 전류($I_{rate_{con.}\sec}$), 스위칭 주파수($f_{con.\sec}$)에 의해 식 (2)와 같이 결정된다.

그림 5. 구간 컨버터 내부 임피던스 등가회로도

Fig. 5. Equivalent circuit of internal impedance in section converter

여기서, $L_{con.\sec}$ : 구간 컨버터의 인덕턴스 성분, $D$ : 전압전달비, $I_{rate\_{con.}\sec}$ : 구간 컨버터의 정격 전류, $r_{I\_{con.}\sec}$ : 전류리플, $f_{con.\sec}$ : 스위칭 주파수, $V_{pri}$ : 메인 컨버터의 출력 전압, $C_{con.\sec}$ : 구간 컨버터의 커패시턴스 성분, $r_{V\_{con.}\sec}$ : 전압리플, $V_{con.\sec}$: 구간 컨버터의 출력 전압 따라서, 구간 컨버터의 인덕턴스는 출력 전압과 비례하고 정격 용량과 스위칭 주파수에 반비례하며, 커패시턴스는 정격 용량에 비례하고 스위칭 주파수에 반비례한다. 또한, 구간 컨버터의 출력 전압과 스위칭 주파수가 일정한 경우, 인덕턴스와 커패시턴스에 의한 사고전류 경사각은 용량이 증가할수록 감소한다. 상기에서 제시한 바와 같이, 본 논문에서는 선로정수, 구간 컨버터의 출력 전압 및 부하 전류, 구간 컨버터의 내부 임피던스에 따른 사고전류의 경사각 특성을 고려하여, 사고를 신속하고 정확하게 판단하여 정전구간을 최소화하는 지능형 보호협조 장치의 제어 방안을 제시한다.

3.1 지능형 보호협조 장치의 구성

LVDC 배전망에서 정전구간을 최소화시키는 지능형 보호협조 장치는 그림 6과 같이 주 통전부와 전류 제한부, S/W 제어부 등으로 구성된다. 여기서, 주 통전부는 반도체 스위치를 양방향으로 연결한 메인 스위치($SW_{M}$)로 이루어지고, 전류 제한부는 전류 제한스위치($SW_{CL}$)와 CLR(current limit resistor)로 구성된다. 또한, S/W 제어부는 전압과 전류 센서를 통하여 측정된 값을 ADC(analog digital conversion) 변환하고, LPF(low path filter)를 통해 노이즈를 제거하며, 이 값과 기존의 전류 값을 비교하여 사고전류 경사각을 산정한다. 그리고, 선로 임피던스, 구간 컨버터의 출력 전압 및 부하 전류, 구간 컨버터의 내부 임피던스에 의한 기준 경사각을 측정된 사고전류 경사각과 비교하고 사고 유·무를 판단하여, 주 통전부와 전류 제한부를 운용한다. 즉, 지능형 보호협조 장치는 사고가 발생하면, S/W 제어부를 통해 사고 유·무를 판단하여 주 통전부로 흐르는 전류를 전류 제한부로 유도하고, 이 제한부에서는 사고전류를 신속하게 감소시켜 메인 컨버터의 탈락을 방지한다.

그림 6. 지능형 보호협조 장치의 구성

Fig. 6. Configuration of intelligent protection coordination device

3.2 LVDC 배전망의 사고전류 경사각의 정식화

2장에서 제시한 사고전류 경사각 특성을 바탕으로, LVDC 배전망의 사고전류 흐름도는 그림 7과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 사고전류는 메인 컨버터의 출력으로부터 선로 임피던스, 구간 컨버터를 통해 폐 루프를 형성하여 흐르게 된다. 여기서, 지능형 보호협조 장치를 제어하기 위한 사고전류 경사각은 임피던스, 전압, 전류에 대한 관계식으로 나타낼 수 있다. 먼저, LVDC 배전망의 단락사고 등가회로는 그림 8과 같이 메인 컨버터의 출력 전압과 선로정수, 구간 컨버터의 내부 임피던스와 수용가 부하 등으로 나타낼 수 있다.

그림 7. LVDC 배전망에서 사고전류 흐름도

Fig. 7. Fault current flow in LVDC distribution system

그림 8. LVDC 배전망의 단락사고 등가회로

Fig. 8. Equivalent circuit for short circuit in LVDC distribution system

여기서, KVL에 의한 전위차는 식 (3)과 같이 종속전원과 독립전원을 고려하여 산정되며, 사고가 발생하기 직전의 정상상태 전류($i_{pri}$)는 KCL에 의하여 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 또한, 사고가 발생한 경우, 사고지점으로 흐르는 전류($i_{f}$)는 식 (5)와 같이 나타낼 수 있고, 구간 컨버터의 커패시터 과도특성은 식 (6)과 같다.

한편, 식 (3) ~ 식 (6)에 의하여, 선로정수, 구간 컨버터의 출력 전압 및 부하 전류, 구간 컨버터의 내부 임피던스에 대한 사고전류의 경사각을 구하면, 식 (7) ~ 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 구간 컨버터의 출력 전압 및 부하 전류에 의한 경사각은 식 (7)과 같고, 구간 컨버터의 내부 임피던스에 의한 경사각은 식 (8)과 같이 산정된다. 또한, 선로정수에 의한 경사각은 식 (9)와 같이 선로 임피던스의 인덕턴스 및 저항 성분에 구간 컨버터 2차측 커패시터 전류의 도함수를 곱하고, 선로 임피던스의 인덕턴스 및 저항 성분에 구간 컨버터의 2차측 전류의 도함수를 곱하여 합한 값으로 산정된다. 따라서, LVDC 배전망의 사고전류 경사각은 식 (7) ~ 식 (9)를 바탕으로 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $V_{R_{lin e.pri}}$, $V_{L_{lin e.pri}}$ : 메인 컨버터 2차측 선로 임피던스의 저항 및 인덕턴스 성분 전압, $V_{con.\sec}$ : 구간 컨버터의 2차측 출력 전압, $V_{R_{lin e.}\sec}$, $V_{L_{lin e.}\sec}$ : 구간 컨버터 2차측 선로 임피던스의 저항 및 인덕턴스 성분 전압, $V_{load}$ : 수용가 부하 전압, $R_{lin e.pri}$, $L_{lin e.pri}$: 메인 컨버터 2차측 선로 임피던스의 저항 및 인덕턴스 성분, $R_{lin e.\sec}$, $L_{lin e.\sec}$: 구간 컨버터 2차측 선로 임피던스의 저항 및 인덕턴스 성분

3.3 사고전류 경사각에 의한 지능형 보호협조 장치의 제어 방안

상기의 사고전류 경사각의 정식화를 바탕으로, 지능형 보호협조 장치를 제어하기 위한 동작 모드는 식 (11)과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, Mode I의 경우, 식 (10)에 의해 산정된 사고전류 경사각($i_{slope.calc}$)이 기준 경사각($i_{slope.ref}$) 보다 작으면, 동작 신호($\delta(t)$)를 “00” 값으로 설정하고, Mode Ⅱ에서는 식 (10)에 의해 산정된 사고전류 경사각이 기준 경사각보다 크고, 주 통전부의 메인 스위치가 turn-on 상태이면, 동작 신호를 “01” 값으로 변경시키고, 전류 제한부의 전류 제한스위치를 turn-on 시킨다. 또한, Mode Ⅲ에서는 Mode Ⅱ의 동작시간($t_{\bmod e II}$)이 전류 제한스위치의 turn-on 시간($t_{SCL.on}$) 이상이면, 동작 신호를 “10” 값으로 변경하고, 메인 스위치를 turn-off 시킨다. 한편, Mode Ⅳ의 경우, Mode Ⅲ의 동작시간($t_{\bmod e III}$)이 지능형 보호협조 장치의 동작 제한시간($t_{IPCD.\lim }$) 보다 크면, 동작 신호를 “11” 값으로 변경하고, 메인 스위치를 turn-on 시킨다.

여기서, $\delta(t)$: 지능형 보호협조 장치의 동작 모드, $SW_{M}$: 메인 스위치, $SW_{CL}$: 전류 제한스위치, $i_{slope.calc}$: 산정된 사고전류 경사각, $i_{slope.ref}$: 사고전류 경사각의 기준치, $t_{\bmod e II}$, $t_{\bmod e III}$: Mode II 및 Mode III의 동작시간, $t_{SCL. on}$: 전류 제한스위치의 턴-온 시간, $t_{IPCD.\lim }$: 지능형 보호협조 장치의 동작 제한시간

한편, 3.1절에서 제시한 지능형 보호협조 장치의 개념을 바탕으로, 지능형 보호협조 장치의 S/W 제어부는 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 전압과 전류 센서를 통하여 측정된 값은 LPF를 통해 노이즈를 제거하며, 이 값과 기존의 전류 값을 비교하여 사고전류 경사각을 산정한다. 또한, 상기에서 제시한 사고전류 경사각 산정방안을 바탕으로, 선로정수, 수용가 부하, 구간 컨버터 내부 임피던스에 의한 기준 경사각과 측정된 사고전류 경사각을 비교하여 사고 발생 상태를 출력하고, 이에 따라 주 통전부와 전류 제한부의 스위치를 제어한다.

그림 9. IPCD의 S/W 제어부 개념

Fig. 9. Concept of S/W control section in IPCD

4.1 지능형 보호협조 장치의 모델링

지능형 보호협조 장치는 그림 10과 같이, 주 통전부와 전류 제한부, S/W 제어부 등으로 구성한다. 먼저, 주 통전부와 전류 제한부는 그림 10의 (a)와 같이, 높은 내압과 빠른 동특성을 가진 MOSFET을 양방향으로 접속하며, 전류 제한부는 MOSFET과 CLR을 직렬로 연결한다. 또한, S/W 제어부는 그림 10의 (b)와 같이, 센서를 통하여 LVDC 배전망의 컨버터측과 수용가측의 전압과 전류를 계측하고, 선로정수, 구간 컨버터 내부 임피던스, 수용가 부하에 의한 경사각 제어기를 통하여 사고 유·무를 판단하여, 주 통전부와 전류 제한부를 운용한다. 즉, 지능형 보호협조 장치는 그림 10의 (a)의 주 통전부와 전류 제한부를 그림 10의 (b)의 반도체 스위치 제어기를 통해 운용한다.

그림 10. IPCD의 모델링

Fig. 10. Modeling of IPCD

4.2 지능형 보호협조 장치용 LVDC 배전망의 모델링

지능형 보호협조 장치의 운용특성을 해석하기 위하여, 지능형 보호협조 장치가 연계된 LVDC 배전망의 모델링을 나타내면 그림 11과 같다. 여기서, 그림 11의 (a)는 지능형 보호협조 장치가 연계된 LVDC 배전망이며, (b)와 (c)는 각각 메인 컨버터와 구간 컨버터의 상세한 모델링을 나타낸다. 먼저, LVDC 배전망은 메인 컨버터와 구간 컨버터, LVDC 배전선로, 지능형 보호협조 장치, DC 부하, 사고모의 장치 등으로 구성된다. 여기서, section A는 AC 380[V]를 DC 400[V]로 변환하는 메인 컨버터이며, section B는 선로의 전압강하를 5%를 고려하여 2[Ω]+10.6[mH]으로 저항과 인덕턴스 성분을 가지는 LVDC 배전선로를 나타낸다. 또한, section C는 DC 400[V]를 DC 200[V]로 강압하는 구간 컨버터이며, section D는 LVDC 배전망용 지능형 보호협조 장치를 나타낸다. 그리고 section E는 500[W] ~ 4,000[W]의 용량을 가변할 수 있는 DC 부하이며, section F는 수용가에 단락 사고를 발생시키는 사고모의 장치를 나타낸다.

한편, 메인 컨버터는 그림 11의 (b)와 같이, 승압부와 강압부로 구성된다. 여기서, 승압부는 A 영역과 같이 AC/DC 컨버터와 전압 제어기로 구성되는데, AC/DC 컨버터는 양방향 전력 흐름이 가능하고 적은 스위치로 제어가 용이한 2-level 토폴로지를 채용하고, 전압 제어기는 PI 제어방식을 통해 AC/DC 컨버터의 LVDC-link 전압을 유지한다. 또한, 강압부는 B 영역과 같이 DC/DC 컨버터와 전압 제어기로 구성되는데, DC/DC 컨버터는 full-bridge 토폴로지를 채용하고, 전압 제어기는 DC/DC 컨버터의 400[V]의 정전압을 유지하기 위하여, 이중 루프와 PI 제어방식을 적용한다. 한편, 구간 컨버터는 그림 11의 (c)와 같이, 강압형 토폴로지를 채용하며, 입력 필터, full-bridge 스위치, 고주파 변압기, full-bridge 다이오드, L-C 필터, 전압 제어기 등으로 구성된다. 여기서, 전압 제어기는 PI 제어방식을 통해 구간 컨버터의 출력 전압을 200[V]로 유지한다.

그림 11. IPCD가 연계된 LVDC 배전망의 모델링

Fig. 11. Modeling of LVDC distribution system with IPCD

5.1 H/W 전력부

지능형 보호협조 장치의 H/W 전력부는 메인 및 전류 제한스위치 모듈, CLR, 게이트 드라이버, 전압 및 전류 센서 등으로 구성된다. 먼저, 메인 및 전류 제한스위치 모듈의 개수($m$)는 식 (12), 식 (13)과 같이 지능형 보호협조 장치의 양단전압($V_{IPCD}$)에서 MOSFET 드레인-소스 내압($V_{DS}$)과 스위치 내압의 사용률($k$)로 나눈 값과 지능형 보호협조 장치의 정격 용량($P_{IPCD}$)에서 $V_{DS}$와 MOSFET의 최대 드레인 전류($I_{D,\: \max}$)로 나눈 값보다 크게 산정한다. 또한, CLR은 식 (14)와 같이 공급 전압($v_{pri}$)을 메인 컨버터의 정격 전류($i_{n,\: \max}$)와 과부하 내량($k_{m}$)으로 나눈 값에서 선로 저항값($R_{line}$)과 반도체 스위치 모듈의 기생저항($R_{SW,\: stray}$)을 뺀 값으로 산정한다.

여기서, $m$: 메인 및 전류 제한스위치 모듈의 개수, $P_{IPCD}$, $V_{IPCD}$: 지능형 보호협조 장치의 용량 및 전압, $k$: 스위치 내압의 사용률, $V_{DS}$, $I_{D ,\: \max}$: MOSFET의 드레인-소스 내압 및 최대 드레인 전류, $CLR$: 전류 제한 저항, $v_{pri}$: 공급 전압, $k_{m}$: 메인 컨버터의 과부하 내량, $i_{n,\: \max}$: 메인 컨버터의 정격 전류, $R_{line}$: 선로 임피던스, $R_{SW,\: stray}$: 반도체 스위치 모듈의 기생 저항

즉, 지능형 보호협조 장치의 H/W 전력부를 나타내면 그림 12와 같다. 여기서, 메인 및 전류 제한스위치 모듈은 식 (11)과 식 (12)에 의하여 650[V]의 $V_{DS}$와 100[A]의 $I_{D ,\: \max}$를 가지고 26[ns], 12[ns]의 상승과 하강 시간을 가지는 IXFK120N65X2를채용한다. 또한, CLR은 식 (13)에 의하여 4.2[Ω]의 권선형 저항으로 구현하며, 전류와 전압 센서, 게이트 드라이버는 지능형 보호협조 장치의 정격 전압과 전류를 고려하여 표 1과 같이 선정한다.

그림 12. IPCD의 H/W 전력부 구성

Fig. 12. Configuration of H/W power section in IPCD

5.2 S/W 제어부

지능형 보호협조 장치를 운용하기 위한 S/W 제어부는 그림 13과 같이, 제어 보드와 CCS(code composer studio) S/W로 구성한다. 먼저, 그림 13의 (a)는 제어 보드의 외관을 나타내는데, DSP(digital signal processor), ADC(analog to digital conversion) 회로, PWM(pulse width modulation) 회로 등으로 구성된다. 여기서, DSP는 200[MHz]의 시스템 주파수를 가지고, 다수의 전압 및 전류 계측과 CCS S/W의 신호 출력을 독립적으로 수행할 수 있는 TI 사의 TMS320F28377D를 채용한다. 또한, ADC 회로는 Op amp에 RC 회로를 조합하여 LPF(low pass filter) 기능을 수행할 수 있도록 구성하며, PWM 회로는 CCS S/W의 게이트 드라이버 제어 신호를 출력한다. 또한, 그림 13 (b)는 CCS S/W를 나타내는데, 상기의 제어 보드를 통해 전압 및 전류를 계측하고, LPF에 의하여 기준 경사각을 정확하게 산정하며, 식 (7) ~ 식 (10)의 사고전류 산정식을 바탕으로 H/W 전력부의 스위치 제어를 수행한다.

그림 13. IPCD의 S/W 제어부 구성

Fig. 13. Configuration of S/W control section in IPCD

6.1 시뮬레이션 및 시험 조건

본 논문에서 제시한 지능형 보호협조 장치의 운용특성을 평가하기 위한 시뮬레이션 및 시험 조건은 표 2와 그림 14와 같다. 여기서, 메인 컨버터와 구간 컨버터의 용량은 각각 12[kW], 5[kW]이고, 출력 전압은 IEC 60364-1의 LVDC 전압 범위를 바탕으로 전력변환장치의 효율과 전력 손실 등을 고려하여 각각 400[V], 200[V]으로 상정한다. 또한, 선로 임피던스는 선로의 전압강하를 최대 5%를 고려하여 2[Ω]+10.6[mH]으로 상정한다. 한편, 구간 컨버터의 수용가 부하는 4[kW]이고, 구간 컨버터의 내부 임피던스는 컨버터의 스위칭 주파수를 고려하여 100[μH]와 500[μH]로 상정한다. 또한, 단락사고는 구간 컨버터의 2차측에서 발생한 것으로 상정한다.

그림 14. IPCD가 연계된 LVDC 배전망의 구성

Fig. 14. Configuration of LVDC distribution system with IPCD

6.2 PSCAD/EMTDC의 모델링에 의한 운용특성

6.2.1 기존의 사고전류 크기를 고려한 운용특성

상기에서 제시한 시뮬레이션 조건을 바탕으로, 사고전류 크기만 고려한 지능형 보호협조 장치의 운용특성을 나타내면 그림 15와 같다. 여기서, 그림 15의 (a)는 사고 직후의 사고전류 의 특성을 나타내고, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 15의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류는 급격하게 증가하기 시작하며, 그림 15의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 348.2[μs] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.9[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 15의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 350.1[μs] 이내에 동작 설정치 이하인 20.8[A]로 적정하게 유지되는 것을 알 수 있다.

그림 15. 모델링에 의해 사고전류 크기만 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 15. Operation characteristics of the existing method by modeling

6.2.2 제안한 사고전류 경사각에 의한 운용특성

(1) 선로정수를 고려한 운용특성

상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로, 선로정수(2[Ω]+10.6[mH])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 16과 같다. 여기서, 그림 16의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 16의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 20.6[A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 16의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 4.7[μs] 지능형 보호협조 장치가 이내에 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.0[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 16의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 14.1[A]로 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 지능형 보호협조 장치가 사고전류를 5.7[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 16. 모델링에 의해 선로정수를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 16. Operation characteristics of IPCD considering line constants by modeling

(2) 구간 컨버터 출력 전압과 부하 전류를 고려한 운용특성

상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로, 구간 컨버터 출력 전압과 부하 전류(4[kW])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 17과 같다. 여기서, 그림 17의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 17의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 37.2 [A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 17의 (b)와 같이 지능형 보호협조 장치가 $t_{1}$지점부터 약 9.0[us] 이내에 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.0[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 17의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 20.8[A]로 제한되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 지능형 보호협조 장치는 사고전류를 10.0[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 17. 모델링에 의해 수용가 부하를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 17. Operation characteristics of IPCD considering customer load by modeling

(3) 구간 컨버터 내부 임피던스를 고려한 운용특성

상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로, 구간 컨버터의 내부 임피던스(100[μH])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 18과 같다. 그림 18의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 18의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 67.9 [A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 18의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 9.0[us] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.0[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 18의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 14.7[A]로 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 지능형 보호협조 장치가 사고전류를 10.0[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 18. 모델링에 의해 구간 컨버터 내부 임피던스를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 18. Operation characteristics of IPCD considering internal impedance in section converter by modeling

6.3 지능형 보호협조 장치에 의한 운용특성

6.3.1 기존의 사고전류 크기를 고려한 운용특성

상기에서 제시한 시험 조건을 바탕으로, 사고전류 크기만 고려한 지능형 보호협조 장치의 운용특성을 나타내면 그림 19와 같다. 여기서, 그림 19의 (a)는 사고 직후의 사고전류의 특성을 나타내고, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 19의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류는 급격하게 증가하기 시작하며, 그림 19의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 316.0[μs] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 2.0[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 19의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 318.0[μs] 이내에 동작 설정치 이하인 20.8[A]로 적정하게 유지되는 것을 알 수 있다.

그림 19. H/W 장치에 의해 사고전류 크기만 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 19. Operation characteristics of the existing method by H/W device

6.3.2 제안한 사고전류 경사각을 고려한 운용특성

(1) 선로정수를 고려한 운용특성

상기의 시험 조건을 바탕으로, 선로정수(2[Ω]+10.6[mH])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 20과 같다. 여기서, 그림 20의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 20의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 23.2[A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 20의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 7.1[μs] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.4[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 20의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 14.8[A]로 제한되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 구현한 지능형 보호협조 장치는 사고전류를 8.5[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 20. H/W 장치에 의해 선로정수를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 20. Operation characteristics of IPCD considering line constants by H/W device

(2) 구간 컨버터 출력 전압과 부하 전류를 고려한 운용특성

상기의 시험 조건을 바탕으로, 구간 컨버터 출력 전압과 부하 전류(4[kW])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 21과 같다. 그림 21의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 21의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 38.3[A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 21의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 5.9[us] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 1.2[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 21의 (C)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 20.8[A]로 제한되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 구현한 지능형 보호협조 장치는 사고전류를 7.1[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 21. H/W 장치에 의해 수용가 부하를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 21. Operation characteristics of IPCD considering customer load by H/W device

(3) 구간 컨버터 내부 임피던스를 고려한 운용특성

상기의 시험 조건을 바탕으로, 구간 컨버터의 내부 임피던스(100[μH])에 따른 운용특성을 나타내면 그림 22와 같다. 그림 22의 (a)는 사고전류의 경사각, (b)는 메인 스위치와 전류 제한스위치의 게이트 드라이브의 전압, (c)는 지능형 보호협조 장치에 의하여 사고전류가 제한되는 특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 22의 (a)와 같이 $t_{1}$지점에서 사고가 발생하면, 사고전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 사고전류의 경사각이 60.6[A/ms]로 산정된다. 또한, 그림 22의 (b)와 같이 $t_{1}$지점부터 약 6.2[us] 이내에 지능형 보호협조 장치가 Mode II로 전환되어 전류 제한부를 turn-on 시키고, $t_{2}$지점부터 2.1[μs] 이후에 Mode III로 전환되어 주 통전부를 차단한다. 이에 따라, 그림 22의 (c)와 같이 지능형 보호협조 장치에 의해 사고전류가 동작 설정치인 14.8[A]로 제한되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 구현한 지능형 보호협조 장치는 사고전류를 8.3[μs] 이내에 신속하게 제한시켜, 메인 컨버터의 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림 22. H/W 장치에 의해 구간 컨버터 내부 임피던스를 고려한 IPCD의 운용특성

Fig. 22. Operation characteristics of IPCD considering internal impedance in section converter by H/W device

6.4 종합분석

6.1절의 시뮬레이션 및 시험 조건에 따라, 모델링과 지능형 보호협조 장치에 대한 사고전류 경사각 특성을 비교하면 표 3과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 선로정수가 1[Ω]+5.3[mH], 2[Ω]+10.6[mH]인 경우, 모델링과 H/W 장치에 의한 사고전류 경사각의 오차율은 각각 5.4[%], 12.6[%]로 산정된다. 또한, 수용가 부하가 0.4[kW], 4[kW]인 경우, 두 방식에 의한 사고전류 경사각의 오차율은 각각 5.6[%], 2.9[%]로 나타나고, 구간 컨버터 내부 임피던스가 100[μH], 500[μH]인 경우, 사고전류 경사각의 오차율은 각각 10.8[%], 15.8[%]로 산정된다. 여기서, 모델링과 H/W 장치에 대한 사고전류 경사각의 오차는 H/W 전력부에 의한 전압 및 전류 센서의 신뢰도와 S/W 제어부에 의한 연산시간, 사고모의 장치의 신뢰도, 등에 의해 최대 16[%] 정도 발생함을 알 수 있다. 따라서, 두 방식에 의한 결과는 계측 오차를 고려하면 거의 일치하여, 본 논문에서 제시한 사고전류 경사각에 대한 정식화의 유효성을 확인할 수 있다.

한편, 기존의 사고전류 크기만을 고려한 경우와 본 논문에서 제안한 사고전류의 경사각 특성을 고려한 지능형 보호협조 장치의 운용 특성을 비교하면 표 4와 같다. 여기서, 기존의 사고전류 크기만을 고려한 경우에는 모델링과 H/W 장치에 대하여 각각 350.1[μs], 316.0[μs] 이내에 사고전류를 제한시킬 수 있지만, 본 논문에서 제시한 사고전류 경사각을 고려한 경우에는 두 방식에 대하여 각각 5.7[μs], 7.1[μs] 이내에 사고전류를 신속하고 정확하게 제한시킬 수 있어, 메인 컨버터의 탈락을 더 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.