비대칭 혼합 MMC 토폴로지를 이용한 양극 HVDC 시스템의 분석 및 제어

Abstract

최근 세계적으로 국가간, 그리고 지역간의 에너지 교환량이 늘어남에 따라 대규모 장거리 전력 전송에 대한 요구가 급증하고 있다. 또한, 풍력 및 태양광 등에 의한 발전 시스템이 대규모, 집단화 됨에 따라 신재생 발전 단지로부터 대도시 전력 소비처에 대한 전력 전송에 대한 필요성도 증대되고 있다. 이러한 요구와 필요성에 따라 고압 직류(high voltage DC

HVDC)송전 시스템이 대규모로 설치되고 있으며, 관련 기술이 비약적으로 발전되어 왔다. 본 논문에서는 양극 (bipolar) HVDC 시스템을 구성하는 컨버터로서 경제적이고 합리적인 회로방식으로 검토되고 있는 비대칭 혼합 MMC (asymmetric mixed MMC) 회로를 소개하고 그 적용 가능성을 검토하였다. 최근 HVDC 시스템의 송전 직류 승압 요구에 의해, 가공선로를 통한 효율적인 전력 전송에 대한 관심이 높아지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 가공 선로에서 빈번한 직류단 사고 발생에 대한 대처 능력을 가지는 대표적인 MMC 회로들 간의 비교와 분석을 수행하고, 그 결과 비대칭 혼합 MMC 회로가 직류단 사고 대처 능력뿐만 아니라 비용 및 효율 등의 경제성과 컨버터 내부 에너지 균형 등에 있어서 상대적으로 가장 합리적인 회로라는 것을 확인하였다. 또한, 본 회로의 정상운전과 사고운전 제어 알고리즘을 제시하고 제안하였다. 직류단 사고 시에는 직류단 전압이 불안정하거나 그 크기가 매우 작으므로 일반적인 컨버터 내부 에너지 제어에 이용하기가 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 전압 주입법과 전류 주입법을 제안하여, 사고 상황에서도 유연한 연속 운전이 가능하도록 하였다. 본 논문에서는 여러 HVDC 계통 형태들 중에 대칭 단극 구조를 제외한 비대칭 단극 구조와 양극 구조에 본 회로를 적용하였다. 대칭 단극 구조에서는 비대칭 혼합 MMC의 회로적 특성에 의하여, 직류단 사고 시에 교류단 과전압이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 이 현상에 대한 해석과 분석을 새로이 수행하였고, 시뮬레이션과 실험으로 확인하였다. 비대칭 혼합 MMC 회로는 DC fault ride-through 능력을 보유하며, 넓은 직류단 전압 합성 범위를 가지므로 직류단 사고 대처에 매우 유연하다. 또한, 교류단과 직류단의 제어가 독립적으로 이루어질 수 있으므로, 사고 후에도 빠른 회복과 재기동이 가능하다. 이를 바탕으로 비대칭 단극 및 양극 HVDC 구조에 본 회로를 적용한다. 특히, 양극 HVDC 시스템은 양극 전압형 HVDC와 양극 하이브리드 HVDC형태의 두가지 형태로 본 회로를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 직류단 사고 상황에서 본 회로가 가지는 직류단 사고 대처 능력의 유연성을 확인하고 타당성을 검증하였다. 또한, MMC 회로의 운영 손실과 시스템 비용 저감을 위하여 HVDC 전송 시스템에서 교류 옵셋 전압 주입 가능성을 교류 및 직류 계통에 미치는 영향의 관점에서 새로이 분석하였고, 이론적 해석과 함께 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 마지막으로, 비대칭 혼합 MMC 회로의 축소 모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 암당 셀 개수가 6개인 실험장치 2대를 제작하여 비대칭 단극, 양극 전압형, 그리고 양극 하이브리드 HVDC 형태를 구성하였다. 이를 통하여, 비대칭 혼합 MMC 회로의 적용 타당성을 실험적으로 검증하였다.