멀티 터미널 직류 송전 시스템 구성을 위한 모듈형 고전압 DC/DC 컨버터의 회로 구성 및 제어

Abstract

전 세계적으로 교류 송전 시스템의 용량 포화와 대용량 장거리 송전의 필요성 증대, 전력선 설치의 제한, 대용량 신재생 에너지의 송전 시스템 수용 요구 등으로 인해 직류 송전 시스템에 대한 필요성이 급격하게 증가하고 있다. 전류형 컨버터를 사용한 기존 직류 송전 시스템은 대용량 전력을 낮은 손실로 장거리를 전달할 수 있지만, 전력의 방향이 단방향이고 직류 계통을 확대할 수 없다는 단점을 갖는다. 최근 제안된 모듈형 멀티레벨 컨버터는 직류 송전 시스템에서 전압형 컨버터가 비교적 낮은 손실로 구현될 수 있음을 보여주었고, 이로 인하여 멀터터미널 직류 송전 시스템의 구현이 현실화되고 있다. 멀티터미널 직류 송전 시스템은 다양한 직류 송전 시스템을 하나로 묶어 기존의 교류 송전 시스템과 같이 대용량 전력을 안정적으로 전달할 수 있다. 이를 위해서는 직류/직류 전력 변환 회로가 필수적이다. 기존 기술로 구현할 수 있는 직류/직류 컨버터는 2개의 직류/교류 컨버터를 변압기를 통해 서로 연결하여 양 직류단의 전력을 교환하는 구조이다. 이러한 구조는 2단계의 전력 변환 구조로 인하여 손실이 크며, 컨버터 비용이 매우 높다. 본 논문에서는 직류 송전 시스템에 적용 가능한 새로운 직류/직류 전력 변환 회로를 제안하였다. 송전 시스템의 특성상 손실을 최소화하는 것이 매우 중요하기 때문에 제안된 회로는 손실을 최소화하기 위한 구조로 설계되었다. 직류/직류 전력 변환에서 손실을 최소화하는 것은 양 직류단 전류가 가능한 컨버터를 통하지 않고 다른 편 직류단으로 직접 전달되는 것이다. 따라서, 3개의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 고전압 1차측 직류단에 연결하고 두 번째 컨버터에 저전압 2차측 직류단을 직접 연결하는 구조를 사용할 수 있다. 이러한 구조에서 양 직류단의 단락사고를 고려하기 위해서는 모듈의 연결 구조를 수정해야 하는데, 본 논문에서는 컨터버의 도통 손실을 최소화할 수 있는 수정된 구조와 제어 방법을 제안한다. 추가로, 변압기를 전혀 사용하지 않고 컨버터 내부에 교류 회로를 구현하여 전력을 전달하는 새로운 구조를 제안하였다. 본 구조는 다른 구조에 비하여 사용되는 모듈의 개수가 적고 변압기를 사용하지 않기 때문에 비용 측면에서 유리하다. 제안된 구조를 통해 양 직류단의 전력을 전달하기 위해서는 컨버터 내부 모듈의 캐패시터 전압이 균형 제어되어야 한다. 따라서, 각 구조를 직류 회로, 교류 회로, 순환 전류 회로로 나누어 표현하는 모델링을 제안하고, 제안된 모델로부터 각 직류/직류 컨버터의 제어 방법을 제시하였다. 제안된 구조와 제어 기법의 타당성을 검증하기 위하여 각 2kV의 정격 전압을 갖는 Half-Bridge 모듈을 사용하여 ±256kV의 직류단에서 ±170kV의 직류단으로 전력을 전달하는 시스템을 각 구조 별로 컴퓨터로 모의하여 분석하였다. 또한, 정격 직류단 전압이 50V인 36개의 모듈을 사용한 300V/150V 직류 변환 시스템을 제작하여 제안된 구조 및 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.