직류배전시스템의 단락사고 보호를 위한 컨버터 회로 및 제어기 설계

Abstract

전력전자기술의 발전에 의해 직류배전시스템의 실효성 및 타당성에 대한 연구가 이루어지고 있다. 직류배전시스템은 교류시스템에 비해 전력 변환 단계가 줄어들고 전력 품질이 개선된다는 장점이 있다. 직류 배전에 관한 관심에도 불구하고 직류 배전의 보호 시스템에 관한 연구의 미흡함에 의해서 실제적인 적용이 지연되고 있다. 직류 배전의 보호 시스템에서 시스템의 빌딩 블록인 전력전자기술이 능동적으로 이용되고 있다. 교류 시스템과 달리 직류 배전 시스템은 대부분의 전력원이 PE (Power electronics) 인터페이스에 의해서 시스템에 연결된다. PE 인터페이스 역할을 하는 전력 컨버터는 적절한 제어 설계를 통해서 단락 사고 상황에서 출력 전류를 제한함으로써 보호 시스템에 적극적으로 협조하고, 컨버터는 보호 시스템과 협조하여 시스템의 사고 상황의 감지, 고립, 차단을 수행하여 차단기의 기능을 대체할 수 있다. 이러한 협조 방식을 통해서 보호 시스템의 속도와 안정성을 확보할 수 있다. 본 논문에서는 직류배전시스템에서 발생하는 단락사고에 대한 보호를 위하여 전력전자 요소를 이용하는 방법에 대하여 제안한다. AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터의 토폴로지 별 단락 사고 특성 및 보호 기능을 비교하였다. 보호 기능의 적합성을 기준으로 AC-DC 컨버터로서는 VSC+벅 컨버터, DC-DC 컨버터로서는 브리지형 컨버터를 선정하였다. 직류 측에서 발생할 수 있는 단락사고에 대해서 사고 전류를 제한하는 제어 방식을 설계하였다. 컨버터 제어기 설계를 통해 정상 동작 모드와 단락사고 시 전류제한 모드 때의 의도한 제어 성능을 획득하였다. 제안한 방법은 모의 실험과 실험을 통해서 검증하였다.