본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 통해 제주 80kV Pilot HVDC 시스템을 구현하고 제어기를 모델링하였다. ac 계통 연계 시뮬레이션을 위해 제주 ac 계통을 축약하였으며, dc 계통 시뮬레이션을 위해 컨버터변압기, 고조파 필터 및 dc 전송선로의 설계 파라미터를 적용하였다. HVDC 제어기는 컨버터의 운전모드에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나뉘며, 인버터 제어기는 전류제어기, 전압제어기, 소호각 제어기로 구현하였고, 정류기의 제어기는 전류제어기 및 전압제어기로 구현하였다. 인버터와 컨버터의 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용하여 전압에 따른 전류의 의존 특성을 반영하였다. 제어기의 단위 응답, ac 계통 단상 지락 고장, 3상 지락 고장에 대해 시뮬레이션하여 설계한 제어기의 정상상태 및 과도상태시 동특성을 검증하였다.
본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 통해 제주 80kV Pilot HVDC 시스템을 구현하고 제어기를 모델링하였다. ac 계통 연계 시뮬레이션을 위해 제주 ac 계통을 축약하였으며, dc 계통 시뮬레이션을 위해 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 dc 전송선로의 설계 파라미터를 적용하였다. HVDC 제어기는 컨버터의 운전모드에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나뉘며, 인버터 제어기는 전류제어기, 전압제어기, 소호각 제어기로 구현하였고, 정류기의 제어기는 전류제어기 및 전압제어기로 구현하였다. 인버터와 컨버터의 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용하여 전압에 따른 전류의 의존 특성을 반영하였다. 제어기의 단위 응답, ac 계통 단상 지락 고장, 3상 지락 고장에 대해 시뮬레이션하여 설계한 제어기의 정상상태 및 과도상태시 동특성을 검증하였다.
This paper studies modeling of Jeju 80kV HVDC system and its controller by using PSCAD/EMTDC program. Reduced ac network is applied to verify interaction between ac network and dc system. Design parameter is applied to the converter transformer, harmonic filter and dc transmisstion line to simulate ...
This paper studies modeling of Jeju 80kV HVDC system and its controller by using PSCAD/EMTDC program. Reduced ac network is applied to verify interaction between ac network and dc system. Design parameter is applied to the converter transformer, harmonic filter and dc transmisstion line to simulate dc system. HVDC controller is divided into a rectifier controller and a inverter controller according to the converter operating mode. The inverter controller is composed of current control, voltage control and extingtion angle control. The rectifier controller is composed of current control and voltage control. Both controller has VDCOL characteristics so that current order is dependant on voltage variation. Step response, ac network single phase fault, three phase fault is simulated to verify the dynamic performance of controller model in both transient state and steady state.
This paper studies modeling of Jeju 80kV HVDC system and its controller by using PSCAD/EMTDC program. Reduced ac network is applied to verify interaction between ac network and dc system. Design parameter is applied to the converter transformer, harmonic filter and dc transmisstion line to simulate dc system. HVDC controller is divided into a rectifier controller and a inverter controller according to the converter operating mode. The inverter controller is composed of current control, voltage control and extingtion angle control. The rectifier controller is composed of current control and voltage control. Both controller has VDCOL characteristics so that current order is dependant on voltage variation. Step response, ac network single phase fault, three phase fault is simulated to verify the dynamic performance of controller model in both transient state and steady state.
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문제 정의
본 논문에서는 제주 80kV Pilot HVDC 시스템 및 제어기를 PSCAD/EMTDC를 통하여 모델링하고, 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 제주 계통 연계 시뮬레이션을 위해 테브난 등가 임피던스, 등가 관성(Hdc), 등가 Td0'을 구함으로써 ac 계통을 축약하였으며, 80kV HVDC 시스템의 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 dc 송전선로 파라미터를 적용하였다.
인버터의 경우 정류기와 달리 점호각 제어가 아닌 소호각 제어를 하는데, ac 계통의 고장 또는 전압 강하 등으로 발생할 수 있는 컨버터 밸브의 정류 실패(Commutation Failure)를 방지하려는 목적이다. 80kV HVDC 시스템의 컨버터 밸브에서 측정한 소호각의 평균값을 제어기의 입력으로 한다.
제안 방법
따라서 HVDC 변환소가 연계되는 모선에 ac측 전류의 고조파 왜곡을 저감시키고, 고조파 전압을 허용 가능한 수준으로 낮추도록 고조파 필터를 설치하게 된다[7]. 80kV HVDC 시스템의 고조파 필터는 12차와 24차 고조파를 동시에 제거하는 Double-tuned filter를 설계하였다. 필터 설계를 위해 12차와 24차를 튜닝주파수(ω1 , ω2)로 설정하고, 고조파 차수가 적은 중간주파수 병렬 공진 차수(ωp)를 설정하여 식(6)을 통해 나머지 차수 (ωs )를 구하게 되며, 식(7)∼(10)을 통해서 각 필터 파라미터의 값을 구하게 된다.
제어기는 변환소 컨버터 동작에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나뉘며, 인버터는 전류제어기, 전압제어기, 점호각 제어기로 구성 하였고, 정류기는 전류제어기 및 전압제어기로 구성하였다. HVDC 제어기 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용 하여 계통 고장 및 순시 전압 강하 등에 의해 전류실패가 발생하는 것을 방지하였다. 제어기의 동특성 검증을 위해 PSCAD/EMTDC상에서 단위응답, 단상 지락 고장, 3상 지락 고장을 시뮬레이션하여, 80kV HVDC 제어기의 성능을 검증하였다.
제주 계통과의 연계 시뮬레이션을 위해 ac 계통을 축약하였으며, 80kV HVDC 시스템의 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 DC 송전선로의 설계 파라미터를 적용하여 dc 계통을 구현하였다. HVDC 제어기는 ac 계통에 연계된 컨버터의 운전모드에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나누어 구성하였다. 인버터와 정류기의 V-I 특성곡선에 계통 고장 및 순시 전압 강하 등에 의해 정류실패가 발생하는 것을 방지하려는 목적으로 VDCOL(Voltage Dependent Current Order Limit)을 적용하여, ac 전압의 변동에 따라 전류제어기의 지령을 설계 범위 이내로 제한하였다[4].
HVDC 컨버터의 제어 시스템에 있어서 50차 이상의 고조파 해석이 무의미하며, 이러한 높은 고조파를 바이패스하여 계통 임피던스에서 무시할 수 있도록 50차에 해당하는 Shunt 저항을 등가 리액턴스에 병렬 접속하였다. 그림 3에 사이리스터에서 발생하는 고조파의 차폐를 고려하여 계통 임피던스(Rs + jXsc)에 바이패스 저항(Rh)를 추가한 ac 계통 등가 임피던스를 나타내었다.
ac 계통 및 HVDC 제어기를 포함한 제주 80kV HVDC 시스템을 PSCAD/EMTDC 프로그램으로 모델링하였으며, 계통 등가 임피던스, ac 및 dc 고조파 필터, 무효전력 보상 장치, 변환용 변압기, 사이리스터 밸브, 평활 리액터, dc 송전선로의 설계 파라미터를 입력 하여, 실제 시스템과 동일하게 구현하였다.
PSCAD/EMTDC상에서 구현한 80kV HVDC 시스템의 제어기는 인버터측 제어기와 정류기측 제어기로 구성된다. 각각의 제어기는 그림 5와 같은 전압-전류 특성곡선에 따른 제어기능을 구현하도록 하였으며, 이를 위해서, 정류기측은 전압제어기와 전류제어기를 적용하고, 인버터측에는 소호각 제어기, 전류제어기, 전압 제어기를 적용하였다.
고장 후의 복귀를 돕기 위해, 양측 모두에 VDCOL(Voltage dependent current order limiter) 특성을 부가하였다. 각각의 제어기에서 출력하는 점호각 값을 비교하여 인버터에서는 최소값을 제어지령으로 선택하고, 정류기에서는 최대값을 제어지령으로 선택한다.
두 개의 적분 제어기를 이용하기 위해 인버터에서는 전류 지령과 전류 응답 간에 0.1pu에 해당하는 전류 마진을 적용하였다.
따라서 계통을 모델링하기 위해 ac 계통의 테브난 등가 임피던스, HVDC 변환소 모선의 등가 관성(Hdc) 및 제주 ac 계통 등가 AVR(Automatic Voltage Regulator)제어기의 시정수를 구하기 위해 등가 Td0'를 구하여 HVDC 시스템의 계통 연계를 구성하였다.
기존의 HVDC#1 시스템이나, HVDC#2 시스템의 경우는 시스템 개발 및 제작에 필요한 자료를 제작사에 제공하고, 턴키 방식으로 수주하였기 때문에, 자체적으로 HVDC 시스템을 설계하고, 시뮬레이션 등을 통해 제어기의 운전 특성 및 성능을 검증할 수 없었다. 따라서, HVDC 시스템에 따른 제어기 개발 및 성능 검증을 위해, 80kV Pilot HVDC 시스템을 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 등가 모델링하고, HVDC 인버터와 정류기에 전압-전류 특성 곡선을 적용한 각각의 제어기를 설계하고 구현하였다.
시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 확인할 수 있도록 HVDC 시스템의 정상상태운전 중에 ac 계통 단상 고장 및 3상 고장을 발생시켰으며, 고장 해소 후 빠르게 정상상태로 회복하는 제어 특성을 확인할 수 있다. 또한 정상상태에서 전류 제어기에 스텝 응답을 인가하여 제어기의 동특성을 확인하였다.
무효전력 보상 기능의 구현을 위하여 정류기와 인버터 측에 각각 2개의 고조파 필터를 적용하였다. 그림 4에 필터의 회로와 어드미턴스 특성을 나타내었다.
PSCAD/EMTDC 프로그램에서 컨버터 사이리스터 밸브를 표현하기 위해서는 개별 사이리스터 소자를 적용하거나, 소호각 측정 회로 기능이 포함된 사이리스터 모듈을 적용할 수 있다. 본 논문에서는 시스템의 제어기 동특성을 시뮬레이션하기 위한 목적으로 사이리스터 모듈을 적용하였다.
인버터와 정류기의 V-I 특성곡선에 계통 고장 및 순시 전압 강하 등에 의해 정류실패가 발생하는 것을 방지하려는 목적으로 VDCOL(Voltage Dependent Current Order Limit)을 적용하여, ac 전압의 변동에 따라 전류제어기의 지령을 설계 범위 이내로 제한하였다[4]. 설계한 제어기의 동특성을 시험하기 위해 PSCAD/EMTDC 프로그램을 통해 시뮬레이션하였고, 전류제어기의 단위응답특성, ac 계통 단상 지락 고장, ac 계통 3상 지락 고장의 경우에 대해 그 결과를 확인하였다.
HVDC 시스템은 정류기와 인버터 양단 모두 ac 계통과 연계되는 전력시스템으로서, HVDC 시스템의 초기 기동과 정상상태 운전 등의 기본 동작 뿐 아니라, ac 계통 과전압, 순시 정전, 저전압, 단상 지락 고장 및 3상 고장, dc 계통 고장 등와 같은 비주기적인 특수 상황에서의 ac와 dc 계통간 상호 연계한 동작 특성을 검증하여[1],[2], 예측가능한 고장상황 등에 사전에 대비할 필요가 있다. 이를 위해서는 HVDC 시스템의 모델링을 통한 시뮬레이션이 이루어져야 하며, 모델링에는 ac 계통 등가전원, 등가 임피던스를 포함하는 ac 등가 계통 및 컨버터 변압기, 사이리스터 밸브, 평활 리액터, ac 고조파 필터, dc 송전선로 등을 포함하는 dc 계통으로 구성하여[3], 정상상태 및 과도상태 시뮬레이션을 통해 운전 특성을 검증할 수 있다. 기존의 HVDC#1 시스템이나, HVDC#2 시스템의 경우는 시스템 개발 및 제작에 필요한 자료를 제작사에 제공하고, 턴키 방식으로 수주하였기 때문에, 자체적으로 HVDC 시스템을 설계하고, 시뮬레이션 등을 통해 제어기의 운전 특성 및 성능을 검증할 수 없었다.
전압제어기의 입력은 인버터에서 측정한 전압이며, 인버터의 점호각 동작 범위는 70°∼150°이므로, 점호각에 따라 전압의 증감이 반대로 변화하는 변곡점(90°)으로 인해 제어가 불안정해지는 것을 막기 위해 입력값에 절대값을 취하였다.
인버터와 마찬가지로 정류기에도 전압제어기가 적용되며, 정류기의 입력 전압은 저역 통과 필터 및 절대값을 취한다. 정상상태에서는 정류기의 전류제어기가동작하므로 최소값 선택기를 적용하였다. 정류기의 전압 지령은 인버터에서와 달리 1.
제주 계통 연계 시뮬레이션을 위해 테브난 등가 임피던스, 등가 관성(Hdc), 등가 Td0'을 구함으로써 ac 계통을 축약하였으며, 80kV HVDC 시스템의 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 dc 송전선로 파라미터를 적용하였다. 제어기는 변환소 컨버터 동작에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나뉘며, 인버터는 전류제어기, 전압제어기, 점호각 제어기로 구성 하였고, 정류기는 전류제어기 및 전압제어기로 구성하였다. HVDC 제어기 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용 하여 계통 고장 및 순시 전압 강하 등에 의해 전류실패가 발생하는 것을 방지하였다.
HVDC 제어기 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용 하여 계통 고장 및 순시 전압 강하 등에 의해 전류실패가 발생하는 것을 방지하였다. 제어기의 동특성 검증을 위해 PSCAD/EMTDC상에서 단위응답, 단상 지락 고장, 3상 지락 고장을 시뮬레이션하여, 80kV HVDC 제어기의 성능을 검증하였다.
제주 계통 연계 시뮬레이션을 위해 테브난 등가 임피던스, 등가 관성(Hdc), 등가 Td0'을 구함으로써 ac 계통을 축약하였으며, 80kV HVDC 시스템의 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 dc 송전선로 파라미터를 적용하였다.
제주 계통과의 연계 시뮬레이션을 위해 ac 계통을 축약하였으며, 80kV HVDC 시스템의 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 DC 송전선로의 설계 파라미터를 적용하여 dc 계통을 구현하였다. HVDC 제어기는 ac 계통에 연계된 컨버터의 운전모드에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나누어 구성하였다.
대상 데이터
시스템은 bipolar ±80kV, 60MW 정격의 HVDC 시스템이며, 정류기와 인버터 측에 12펄스 컨버터로 구성되어 있다.
성능/효과
05[s]의 ac 계통 단상 지락 고장을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 80kV HVDC 시스템에서 고장 해소 후 제어기의 빠른 동특성에 의해 dc 전압 및 전류를 회복 하는 것을 확인할 수 있다.
05[s]의 3상 지락 고장을 시뮬레이션하였으며, 80kV HVDC 모델에서의 결과를 나타낸다. t=1[s]에서 ac 3상 전압이 고장에 의해 0.05[s]의 구간 동안 영전압이 되며, 80kV HVDC 시스템의 dc 전압 및 전류는 0으로 감소하지만, 고장 해소 후 제어기의 빠른 동특성에 의해 dc전압 및 전류를 회복하는 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 확인할 수 있도록 HVDC 시스템의 정상상태운전 중에 ac 계통 단상 고장 및 3상 고장을 발생시켰으며, 고장 해소 후 빠르게 정상상태로 회복하는 제어 특성을 확인할 수 있다. 또한 정상상태에서 전류 제어기에 스텝 응답을 인가하여 제어기의 동특성을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
HVDC 제어기는 컨버터의 운전모드에 따라 어떻게 나뉘는가?
ac 계통 연계 시뮬레이션을 위해 제주 ac 계통을 축약하였으며, dc 계통 시뮬레이션을 위해 컨버터 변압기, 고조파 필터 및 dc 전송선로의 설계 파라미터를 적용하였다. HVDC 제어기는 컨버터의 운전모드에 따라 인버터 제어기와 정류기 제어기로 나뉘며, 인버터 제어기는 전류제어기, 전압제어기, 소호각 제어기로 구현하였고, 정류기의 제어기는 전류제어기 및 전압제어기로 구현하였다. 인버터와 컨버터의 V-I 특성곡선에 VDCOL을 적용하여 전압에 따른 전류의 의존 특성을 반영하였다.
제주 80kV HVDC 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?
그림 1에 제주 80kV HVDC 시스템의 등가 회로를 나타내었다. 시스템은 bipolar ±80kV, 60MW 정격의 HVDC 시스템이며, 정류기와 인버터 측에 12펄스 컨버터로 구성되어 있다. 정류기와 인버터 측 모두 제주 ac 계통에 연계되어 있으며, 연계된 ac 모선에는 무효전력 보상과 고조파 저감을 위한 고조파 필터가 설치되어있다. 시스템의 전력 회로는 ac 계통과 dc 계통으로 나뉜다.
기존의 HVDC#1 시스템이나, HVDC#2 시스템이 자체적으로 HVDC 시스템을 설계하고, 시뮬레이션 등을 통해 제어기의 운전 특성 및 성능을 검증할 수 없었던 이유는?
이를 위해서는 HVDC 시스템의 모델링을 통한 시뮬레이션이 이루어져야 하며, 모델링에는 ac 계통 등가전원, 등가 임피던스를 포함하는 ac 등가 계통 및 컨버터 변압기, 사이리스터 밸브, 평활 리액터, ac 고조파 필터, dc 송전선로 등을 포함하는 dc 계통으로 구성 하여[3], 정상상태 및 과도상태 시뮬레이션을 통해 운전 특성을 검증할 수 있다. 기존의 HVDC#1 시스템이나, HVDC#2 시스템의 경우는 시스템 개발 및 제작에 필요한 자료를 제작사에 제공하고, 턴키 방식으로 수주하였기 때문에, 자체적으로 HVDC 시스템을 설계하고, 시뮬레이션 등을 통해 제어기의 운전 특성 및 성능을 검증할 수 없었다. 따라서, HVDC 시스템에 따른 제어기 개발 및 성능 검증을 위해, 80kV Pilot HVDC 시스템을 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용 하여 등가 모델링하고, HVDC 인버터와 정류기에 전압-전류 특성 곡선을 적용한 각각의 제어기를 설계하고 구현하였다.
참고문헌 (10)
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