정류기형 하이브리드 고압 직류 회로 차단기 솔루션

I. 프로젝트 배경 및 요구사항 분석​
에너지 전환이 깊어짐에 따라, 전압 소스 컨버터(VSC) 기반 유연한 직류 전송 기술은 활성 및 반응전력의 독립적인 제어와 낮은 고조파 함량 등의 장점으로 대규모 재생 가능 에너지 통합과 장거리 전력 전송 능력 향상의 핵심 해결책이 되었습니다. 유연한 DC 그리드 구축은 불가피한 추세입니다. 이러한 맥락에서, 고속 장애 격리를 위한 핵심 보호 장치로서 그리드 안전 및 안정성을 보장하는 고압 DC 회로 차단기는 매우 중요합니다. 고성능 DC 회로 차단기가 없으면, 유연한 DC 그리드의 운영 유연성과 전력 공급 신뢰성은 심각하게 제약될 것입니다.

현재 주류의 고압 DC 회로 차단기 기술에는 다음과 같은 중요한 한계가 있습니다:

• ​기계식 회로 차단기: 저온 상태 손실과 높은 내압성을 제공하지만, 중단 시간이 수십 밀리초로, 유연한 DC 그리드에서 필요한 밀리초 단위의 빠른 장애 격리 요구 사항을 충족하지 못합니다.
• ​완전 고체형 회로 차단기: 반도체 장치를 기반으로 매우 빠른 중단을 제공하지만, 과도한 온 상태 손실, 높은 운영 비용, 그리고 경제 효율성이 떨어집니다.
• ​전통적인 하이브리드 회로 차단기: 기계 스위치의 저 손실과 고체 스위치의 빠른 중단을 결합하지만, 그 위상은 양방향으로 IGBT를 직렬로 연결해야 하므로, 장치 활용률이 낮고 시스템 복잡성과 높은 비용이 발생합니다.

이러한 기술적 병목 현상을 해결하기 위해, 빠른 중단 능력, 낮은 운영 손실, 높은 경제 효율성, 그리고 높은 신뢰성을 결합한 새로운 DC 회로 차단기 솔루션이 절실하게 필요합니다.

​II. 솔루션: 정류기형 하이브리드 고압 DC 회로 차단기​
이 솔루션은 혁신적인 정류기형 하이브리드 고압 DC 회로 차단기 위상을 제안하여 기존 기술의 한계를 근본적으로 해결합니다.

​​(I) 핵심 기술: 혁신적인 회로 위상​
이 회로 차단기의 위상은 전류 전달 가지와 전류 중단 가지가 병렬로 연결되어 구성됩니다.

1. ​전류 전달 가지:
• ​구성: 고속 기계 스위치(S1)와 전류 전달 밸브 그룹(Q1)이 직렬로 연결되어 구성됩니다.
• ​특징: S1은 매우 낮은 접촉 저항(수십 마이크로옴)을 가지고 있으며, Q1은 낮은 전도 전압 강하를 가진 소수의 IGBT로 구성됩니다. 정상 작동 중에는 이 가지를 통해 정격 전류가 흐르며, 매우 낮은 온 상태 손실을 보장합니다.
2. ​전류 중단 가지:
• ​구성: 다중 직렬 연결된 다이오드로 구성된 다이오드 브릿지 밸브 그룹(D1-D4), 다중 직렬 연결된 IGBT로 구성된 일방향 중단 밸브 그룹(Q2), 그리고 비선형 저항(MOV1, 방전관)으로 구성됩니다.
• ​핵심 장점: 다이오드 브릿지 구조는 교류 전환을 효과적으로 달성하여, 일방향 IGBT 중단 밸브 그룹(Q2)이 양방향 DC 고장 전류를 중단할 수 있게 합니다. 전통적인 하이브리드 위상과 비교해, IGBT의 수가 약 절반으로 줄어듭니다. 상업용 프레스팩 IGBT의 가격이 동일 등급의 다이오드보다 약 10배 더 비싸다는 점을 고려하면, IGBT의 감소는 드라이버 보드의 수를 줄이고, 이로 인해 전체 비용을 크게 절감하며, 신뢰성을 개선합니다.

​​(II) 효율적인 중단 작동 원리​
포트 1에서 포트 2로 전류가 흐르는 경우를 예로 들면, 중단 과정은 네 단계로 구성됩니다:

1. ​단계 1 (t0–t1, 고장 발생)​: 선로에서 단락 고장이 발생하여 전류가 급격히 상승합니다. 이때, S1과 Q1은 전도 상태이고, Q2는 오프 상태이며, 고장 전류는 완전히 전류 전달 가지를 통해 흐릅니다.
2. ​단계 2 (t1–t2, 전류 전환)​: 제어 시스템은 오프 명령을 발행하여 Q2를 켜고 Q1을 끕니다. Q2의 전도는 브릿지 팔에 교환 전압을 생성하여, 전류를 전류 전달 가지에서 전류 중단 가지(D1 → Q2 → D4)로 전환시킵니다.
3. ​단계 3 (t2–t3, 기계 스위치 중단)​: 전류 전달 가지의 전류가 완전히 전환되면, 고속 기계 스위치 S1은 무전류 및 무전압 조건에서 아크 없이 중단되며, 절연 강도를 확립합니다.
4. ​단계 4 (t3–t4, 고장 전류 제거)​: S1이 완전히 중단된 후, Q2가 끄집니다. Q2의 오프는 회로 차단기에 일시적인 과전압을 생성하여 MOV1을 전도시키고, 고장 전류를 MOV1로 분산하여 소모시킵니다. 에너지가 소진되고 전류가 0으로 떨어지면, 고장 격리가 완료됩니다.

역방향 전류의 중단 원리는 동일하며, 다이오드 브릿지(D2, D3)에 의해 Q2를 통해 흐릅니다.

​​(III) 지능형 제어 전략​

1. ​사전 중단 제어 전략:
• ​목적: 고속 기계 스위치의 오프 시간(약 2 ms) 비율이 높은 병목 현상을 극복하고, 전체 중단 시간을 단축하며, 고장 전류의 최대치를 억제합니다.
• ​논리: 버스 전압, 선로 전압, 선로 전류(총 6개의 기준, 표 1 참조)를 실시간으로 모니터링하여, 어떤 이상 기준이 트리거되면 사전 중단 작업을 시작합니다(전류를 전류 중단 가지로 전환하고 S1을 오프). 만약 이후에 정식 오프 명령이 수신되면, 중단이 완료됩니다. 만약 거짓 알람이면, 전류는 전류 전달 가지로 다시 전환되어 정상 작동을 재개합니다.
• ​효과: 시뮬레이션 결과, 이 전략은 고장 전류를 25 kA에서 17 kA로 억제하며, 전체 중단 시간은 3 ms 내로 안정화됩니다.

​표 1: 사전 중단 활성화 기준​

1. ​부드러운 폐쇄 제어 전략:
• ​목적: 폐쇄 순간의 잠재적인 과전압 및 시스템 진동 문제를 해결하며, 추가 저항 및 스위치가 필요하지 않아 비용과 공간을 절약합니다.
• ​논리: 전류 중단 가지는 여러 중간 전압 유닛이 직렬로 연결된 것으로 간주됩니다. 폐쇄 중에, 이러한 중간 전압 유닛은 순차적으로 제어 가능한 방식으로 켜져 경로를 점진적으로 설정합니다. 각 단계 후, 고장 검사를 수행합니다. 고장이 검출되지 않으면, 모든 유닛이 켜질 때까지 과정이 계속됩니다. 마지막으로, 전류 전달 가지가 폐쇄되고, 전류 중단 가지는 오프됩니다. 과정 중에 고장이 검출되면, 즉시 폐쇄가 중단됩니다.
• ​적용성: 정상 폐쇄 및 고장 제거 후 자동 재폐쇄에 적합합니다. 시뮬레이션을 통해 과전압이나 진동이 발생하지 않는 것을 확인했습니다.

​III. 프로토타입 개발 및 실험 검증​

​​(I) 프로토타입의 주요 매개변수 및 구조​
다음 주요 매개변수를 가진 500 kV DC 회로 차단기 엔지니어링 프로토타입을 개발했습니다:

• ​구조 설계:
• ​전류 전달 가지: 장기간 전류를 전달하므로, Q1은 수냉 시스템을 장착하고 밸브 타워 하단에 위치하며, S1은 전자기 반발 메커니즘으로 구동되는 다중 진공 스위치로 구성되어 밸브 타워 상단에 위치합니다.
• ​전류 중단 가지: 10개의 직렬 연결된 50 kV 중간 전압 유닛으로 구성되며, 2개의 밸브 타워(각각 5층)에 설치됩니다. Q2는 중단 용량을 충족하기 위해 이중 병렬 IGBT 설계를 채택합니다. 이 가지는 정상 작동 중에는 전류를 전달하지 않으므로, 냉각이 필요하지 않아 보다 간결한 설계가 가능합니다.

​​(II) 실험 검증 결과​
프로토타입은 등가 실험 회로(LC 진동 회로)를 사용하여 엄격한 테스트를 거쳤습니다:

• ​교환 시간: 전류 전달 가지에서 전류 중단 가지로의 전류 전환 시간은 < 300 μs였습니다.
• ​전체 중단 시간: 오프 명령 수신부터 전류가 감소하기 시작할 때까지 약 2.9 ms가 걸렸으며, <3 ms의 설계 목표를 충족했습니다.
• ​순간 과전압: 중단 중에 약 800 kV의 순간 과전압이 발생하였으며, MOV 보호 수준과 일치하며, 제어되고 안전했습니다.
• ​결론: 실험은 정류기형 하이브리드 고압 DC 회로 차단기 위상의 실행 가능성을 효과적으로 검증했으며, 우수한 성능을 보여주었습니다.

​IV. 핵심 결론:

1. 이 솔루션에서 제안된 정류기형 하이브리드 위상은 혁신적인 디자인을 사용하여 다이오드 브릿지를 통해 양방향 전류 제어를 달성하며, 전통적인 솔루션과 비교해 IGBT 사용을 약 50% 줄여 경제 효율성과 신뢰성 측면에서 큰 장점을 제공합니다.
2. 지능형 사전 중단 및 부드러운 폐쇄 제어 전략은 기계 스위치의 작동 지연 및 폐쇄 충격 문제를 효과적으로 해결하여, 시스템의 전체 동적 성능을 향상시킵니다.
3. 500 kV/25 kA 엔지니어링 프로토타입의 성공적인 개발 및 테스트는 이 기술 접근법의 엔지니어링 실행 가능성과 성능 준수를 완전히 입증합니다.