유연한 직류 전송 시스템을 위한 저항형 초전도 고장 전류 제한기의 최적 저항 선택 연구

저항형 초전도 고장 전류 제한기

1.1 작동 원리

전력망의 규모가 계속 확장됨에 따라 국내 전력 시스템의 단락 용량이 급격히 증가하고 있으며, 이는 전력망 건설 및 운영에 큰 도전을 제기하고 있습니다. 과도한 단락 전류 문제를 해결하기 위해 초전도 원리를 기반으로 하는 초전도 고장 전류 제한기(SFCL)가 점점 더 주목받고 있습니다. SFCL은 고저항 상태로 전환할 때의 감쇠 특성에 따라 저항형과 유도형으로 분류될 수 있습니다.

이 중 저항형 초전도 고장 전류 제한기는 구조가 간단하고 크기가 작으며 가볍고, 작동 원리가 명확합니다. 고저항 상태로 진입하면 그 전류 제한 임피던스가 급격히 증가하여 강력한 고장 전류 억제 능력을 제공합니다. 또한, 초전도체의 직렬 또는 병렬 구성으로 장치 용량을 유연하게 조정할 수 있습니다. 최근 상온 초전도 소재에서의 돌파구가 나타나면서 학계와 산업계 모두 저항형 SFCL을 미래 발전의 주요 방향으로 널리 인식하고 있습니다.

임계 전류, 임계 자기장, 임계 온도는 초전도체가 초전도 상태에 있는지 여부를 결정하는 주요 물리적 매개변수입니다. 이러한 매개변수 중 하나라도 임계값을 초과하면 초전도체는 초전도 상태에서 퀴칭 상태로 전환됩니다. 퀴칭 과정은 두 단계로 구성되며, 먼저 플럭스 흐름 상태가 있고, 다음으로 정상 저항 상태가 있습니다. 초전도체를 통과하는 전류 밀도가 임계 전류 밀도를 초과하면 초전도체는 플럭스 흐름 상태로 들어갑니다.

여기서: E는 전기장 강도, EC는 임계 전기장 강도, J는 전류 밀도, JCT는 임계 전류 밀도, α는 상수, Tt1과 Tt2는 t1과 t2 시간의 초전도체 온도, QRS는 t1부터 t2까지 저항 Rs에 의해 발생한 열, QC는 t1–t2 시간 동안 초전도체와 주변 환경 사이에서 교환된 열, Cm은 초전도체의 비열용량, JCT(77)는 77 K(액체 질소 환경의 온도)에서의 임계 전류 밀도, TC는 임계 온도, T는 초전도체의 온도입니다.

식 (1)에 따르면, 전류 밀도 J가 증가하면 초전도체의 전기장 강도 E가 급격히 증가하여 저항이 증가합니다. 증가한 저항은 열 효과를 증가시키며, 식 (2)에 따르면 초전도체의 온도가 상승합니다.

식 (3)에서 알 수 있듯이, 온도 상승은 임계 전류 밀도를 감소시켜 전기장 강도 E를 더욱 증가시킵니다. 이로 인해 초전도체의 저항이 지속적으로 증가하며, 저항이 증가함에 따라 초전도체에서 발생하는 열이 주변으로 방출되는 열과 균형을 이루게 되어 온도가 안정화되고, 결국 일정 저항의 정상 상태에 도달합니다.

1.2 유연한 DC 시스템에서의 R-SFCL 적용

유연한 DC 송전 시스템에서는 DC 전류가 자연적인 영점이 없습니다. 단락 고장이 발생하면 고장 전류가 급격히 상승하여 시스템 내 전기 장비에 심각한 위협을 가합니다. 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해 회로 차단기는 고장 라인을 신속하게 격리해야 합니다. 현재 DC 회로 차단기는 아직 실용적인 요구사항을 완전히 충족하지 못하고 있습니다.

DC 측에서 고장이 발생하면 AC 측 차단기가 일반적으로 트립되지만, 이는 변환소가 종료되는 것을 불가피하게 하며, 이 기간 동안 전력 전자 장치는 과전류로 인해 손상될 수 있습니다. DC 보호는 몇 밀리초 내에 전체 보호 순서를 완료해야 하며, 가장 빠른 AC 회로 차단기의 작동 시간은 일반적으로 50 ms이므로, 시스템 내 전력 전자 장치를 효과적으로 보호할 수 없습니다.

현재 기술은 R-SFCL이 약 3 ms 내에 정상 저항 상태에 도달할 수 있게 합니다. 저항형 초전도 고장 전류 제한기는 계전 보호보다 훨씬 빠르게 전류 제한 상태로 전환되어 고장 해제 전에 고임피던스 상태를 달성하여, 단락 전류를 효과적으로 줄입니다.

2 유연한 DC 시스템에서의 DC 고장 특성

고장 지점의 위치는 시스템 임피던스만 영향을 미치며, 전류 경로나 단락 고장의 기본 특성에는 영향을 미치지 않습니다. 모델링 편의를 위해 고장은 DC 선의 중간 지점에 위치하고, 금속 단락 고장으로 가정합니다. PSCAD/EMTDC를 사용하여 양단 유연한 DC 시스템 시뮬레이션 모델과 R-SFCL 모델을 구축하며, 시스템의 정격 전압은 ±110 kV, 정격 전력은 75 MW입니다. R-SFCL의 설치 위치는 도표 1에 표시되어 있습니다.

DC 단락 고장이 발생하면 IGBT는 고장 전류를 감지하고 즉시 차단 기능을 통해 차단됩니다. 그러나 IGBT와 병렬로 연결된 다이오드와 전송선은 IGBT가 차단된 후에도 통신을 계속할 수 있는 통제 불가능한 다이오드 브릿지 회로를 형성합니다. DC 극-극 단락 고장은 주로 세 단계로 나눌 수 있습니다: 첫 번째 단계는 고장 직후이며, 이때 DC 측 커패시터가 급속히 방전되고 DC 전류가 몇 밀리초 내에 최대치에 도달합니다.

두 번째 단계에서는 커패시터 전압이 0으로 떨어진 후, 다이오드를 통과하는 전류가 정격 전류의 10배 이상으로 증가하여 전력 전자 장치가 손상되기 쉽습니다. 세 번째 단계에서는 DC 단락 전류가 AC 그리드 전류 아래로 감소하면서 AC 그리드가 DC 고장 지점으로 단락 전류를 공급하기 시작합니다. DC 대지 고장은 두 번째 단계가 없으며, 그렇지 않으면 극-극 고장의 특성과 유사합니다.

AC 전류 공급 중, 다이오드를 통과하는 고장 전류는 정격 전류의 약 10배입니다. 이 두 가지 유형의 DC 단락 고장의 유연한 DC 시스템에서의 전류 경로는 각각 도표 2와 도표 3에 표시되어 있습니다. 고장 전류 경로에 R-SFCL을 설치하면 단락 회로의 저항을 신속히 증가시켜 고장 해제 시간을 더 많이 확보하고, DC 회로 차단기의 고유 개방 시간과 차단 용량 요구 사항을 줄일 수 있습니다.

3 시뮬레이션 분석

PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 개발된 R-SFCL 모델을 75 MW 용량의 양단 유연한 DC 시스템 시뮬레이션 모델에 통합하여 검증하였습니다. DC 극-극 고장 시의 전류 제한 성능은 도표 4, DC 선-대지 고장 시의 전류 제한 성능은 도표 5에 표시되어 있습니다. 도표 4와 도표 5에서 볼 수 있듯이, 정상 상태 저항이 증가함에 따라 고장 전류의 피크 값이 감소합니다. R-SFCL의 저항과 설치 후의 고장 전류 피크 값 사이에는 특정 감소 함수 관계가 존재함을 알 수 있습니다.

응용 범위를 확장하기 위해, 원래 모델은 75 MW, 150 MW, 300 MW의 세 가지 시스템 용량을 기반으로 점진적으로 확장되었습니다. DC 극-극 단락 고장과 DC 선-대지 단락 고장 조건에서 R-SFCL의 정상 상태 저항 값과 단락 전류 피크 값 사이의 관계를 연구하기 위해 단락 전류의 피크 값을 얻었습니다. 결과는 도표 6과 도표 7에 표시되어 있습니다.

MATLAB의 곡선 피팅 기능을 사용하여 도표 6과 도표 7의 곡선을 각각 피팅하여 f(x) = ae⁻ᵇˣ + c 형태의 함수 표현식을 얻었으며, 구체적인 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다. 피팅된 함수를 미분하면 f'(x) = -abe⁻ᵇˣ를 얻습니다. 표 1에서 같은 고장 유형에 대해 매개변수 b는 거의 일정하며, 매개변수 a는 시스템 용량에 따라 증가함을 알 수 있습니다. b가 비교적 작으므로, 같은 고장 유형의 곡선의 기울기 표현은 거의 동일합니다.따라서, 같은 정상 상태 저항을 가진 R-SFCL은 같은 고장 유형에 대해 다른 시스템 용량에서도 고장 전류 피크 값의 변화율이 동일하여, 일관된 전류 제한 성능을 나타냅니다.

또한, R-SFCL의 정상 상태 저항이 선형적으로 증가함에 따라 그 전류 제한 효과는 점차 감소합니다. 도표 6과 도표 7의 곡선의 기울기를 바탕으로, 고장 전류 피크 값의 감소율을 최대화하는 R-SFCL의 정상 상태 저항의 최적 범위는 0–10 Ω입니다.

4 결론

유연한 DC 송전 시스템의 변환소 DC 출력 측에 R-SFCL을 설치하면 DC 단락 고장 전류를 효과적으로 줄일 수 있습니다. R-SFCL의 저항 값이 선형적으로 증가함에 따라 그 전류 제한 효과는 점차 감소합니다. 현재 연구 상태, 공학 비용, 부지 요구 사항 등을 고려할 때, R-SFCL의 최적 정상 상태 저항 범위는 0–10 Ω로 추천됩니다.