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문제 정의
- 현재 상용화 된 MMC-기반 HVDC에서는 각상 한 Pole에 약 150개의 SM(sub-module)이 직렬로 결합되어 있어 전체를 그대로 스위칭-레벨로 분석하기 위한 시뮬레이션 모델을 개발하는 것은 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 시뮬레이션의 복잡성을 완화하고 컴퓨터의 run-time을 줄이기 위해 각상한 Arm에 12개의 SM으로 구성된 MMC-기반 HVDC를 대상으로 시뮬레이션 모델을 개발하였다.
- 본 논문에서는 MMC(modular multi-level converter)를 기반으로 한 HVDC의 동작특성을 스위칭-레벨에서 분석 가능한 시뮬레이션 모델을 개발하고 이 모델을 이용한 분석결과에 대해 기술하였다.
- 본 논문에서는 MMC-기반 HVDC 시스템의 동작을 스위칭-레벨에서 분석하고 MMC 컨버터를 설계하는데 활용할 목적으로 각상한 Arm당 12개의 SM을 갖는 MMC-기반 BTB HVDC 시스템을 대상으로 시뮬레이션 모델을 개발한 내용을 기술하고 있다. 개발한 시뮬레이션 모델에서는 각 SM의 DC 전압 평형유지 알고리즘, 순환전류 억제를 위한 알고리즘, 교류 출력전압의 고조파를 저감하기 위한 알고리즘, 그리고 고장이 발생한 SM을 바이패스 하는 알고리즘을 채택하였다.
제안 방법
- 그림 12(a)는 그림 11의 모드 구간 중 유효전력이 정격에서 동작하는 구간인 모드1 구간을 확대한 것으로 전압, 전류 파형을 관찰하고 THD를 측정하여 MMC의 출력전압형성 알고리즘인 EAM의 성능을 확인하였다. 그림 12(b)는 그림 11의 모드 구간 중 유·무효전력이 모두 정격에서 동작하는 구간인 모드2 구간을 확대한 것으로 전압, 전류 파형을 관찰 하였으며 THD를 측정하였다.
- (b)는 그림 11의 모드 구간 중 유·무효전력이 모두 정격에서 동작하는 구간인 모드2 구간을 확대한 것으로 전압, 전류 파형을 관찰 하였으며 THD를 측정하였다.
- 개발한 시뮬레이션 모델에서는 각 SM의 DC 전압 평형과 순환전류 억제를 위한 알고리즘 그리고 교류 측 출력전압의 고조파저감을 위한 알고리즘을 채택하였으며 또한 각 폴의 SM에서 고장이 발생하였을 경우 이에 대처하는 redundancy 동작 알고리즘을 채택하였다.
- 본 논문에서는 MMC-기반 HVDC 시스템의 동작을 스위칭-레벨에서 분석하고 MMC 컨버터를 설계하는데 활용할 목적으로 각상한 Arm당 12개의 SM을 갖는 MMC-기반 BTB HVDC 시스템을 대상으로 시뮬레이션 모델을 개발한 내용을 기술하고 있다. 개발한 시뮬레이션 모델에서는 각 SM의 DC 전압 평형유지 알고리즘, 순환전류 억제를 위한 알고리즘, 교류 출력전압의 고조파를 저감하기 위한 알고리즘, 그리고 고장이 발생한 SM을 바이패스 하는 알고리즘을 채택하였다.
- 순환전류는 암전류를 왜곡시키고 SM 커패시터 전압의 리플을 증가시키게 되는데, 이를 억제하기 위해서 암 리액터의 용량을 증가시키는 방법이 있지만 암 리액터의 용량증가는 제어의 속응성을 저하시키고 시스템의 비용을 증가시키는 단점이 있다. 그래서 논문[15, 16]에서는 순환전류를 억제 시키기 위한 제어기를 제안하고 분석하였는데, 본 논문에서는 논문[15, 16]에서 제안한 CCSC 알고리즘을 분석하고 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 구현하였다. MMC의 각 상에 흐르는 순환전류는 계통주파수의 2배 주파수특성을 가지고 있으며, 상순이 A, C, B상의 순으로 나타나는데 이를 d-q변환과정을 거쳐 d, q성분으로 변환하고 PI제어기를 이용해 순환전류를 억제할 수 있는 적절한 d, q성분의 기준 전압을 생성한다.
- 10개의 SM은 11-level 출력전압을 형성하는데 꼭 필요한 구성이므로 최대 2개의 SM에 문제가 발생하더라도 계속해서 정상동작을 유지할 수 있다. 그림 15는 암의 SM이 순차적으로 2개까지 고장이 발생하였을 때 MMC의 동작이 정상적으로 이루어지는지 확인하기 위하여 출력전압, 출력전류, SM 커패 시터 전압 리플을 분석해 보았다. SM에 고장이 발생하는 경우 결과파형과 같이 SM 커패시터리플 전압이 과도상태에서 약간 상승하지만 출력전압, 출력전류 파형은 SM에 고장이 발생하기 전 상태를 잘 유지하고 있는 것을 확인하였다.
- MMC 컨버터로 구성된 BTB(Back-To-Back) HVDC 시스템의 시뮬레이션 모델을 구성하고 적절한 시나리오에 따른 유·무효전력제어가 이루어지는 것을 확인하였다. 또한 주요 지점의 전압, 전류를 확인하여 MMC의 출력전압과 출력 전류의 THD를 확인하였으며, 설계된 SM 커패시터에 나타나는 전압 리플이 적절한 값을 갖는지 확인하였다.
- 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 표 2에 시스템 파라미터를 제시한 25MVA 11-level MMC HVDC System에 대해 시뮬레이션모델을 개발하고 위에서 언급한 개별 SM 커패시터 전압 평형 알고리즘, 순환전류 억제 알고리즘, 출력전압 고조파 저감 알고리즘, 그리고 SM에 고장이 발생하면 예비 모듈을 투입시키는 redundancy module 동작 알고리즘을 구현하였다. 모든 제어 알고리즘은 C 코드로 구성된 사용자정의모델을 이용하여 구현하였고 그 타당성은 시뮬레이션 분석을 통해 검증하였다.
- 그림 13은 위에서 설계한 SM 커패시터 용량을 시뮬레이션에 적용한 결과 파형이다. 본 논문에서는 SM의 허용 전압리플을 10%로 설정하고 커패시터를 설계하였으며, 시뮬레이션 결과분석을 통해서 커패시터 설계수식의 타당성을 검증하였다. SM 커패시터의 전압리플은 부하가 가장 클 때 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
- 생성된 CCSC 기준전압은 그림 8(b)와 같이 전류제어기에서 생성된 기준전압과 합쳐져서 새로운 A, B, C상 기준상전압을 생성한다. 새로운 A, B, C상 기준상전압을 EAM에 적용함으로서 순환전류를 억제하고 고조파를 최소화할 수 있는 출력전압을 생성한다.
- 스위칭소자를 직렬로 결합하는 방식의 단점을 해결하고자 제안된 방식이 스위칭소자를 가지고 half-bridge 형태의 SM(sub-module)을 구성하고 이를 직렬로 결합한 MMC(modular multi-level converter)이다[3, 4].
- 그러므로 MMC의 모든 SM 커패시터 전압은 일정 값을 유지해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 제어주기마다 각 암별로 SM 커패시터 전압을 측정하고 sorting 알고리즘을 통해서 내림차순 또는 오름차순으로 측정된 SM 커패시터 전압을 정렬한다. MMC가 출력해야 할 전압의 레벨이 결정되면, 이 전압을 형성하기 위한 상·하단 암 SM의 ON 상태 개수와 OFF 상태 개수가 결정이 된다.
- 그림 11은 시간에 따른 유·무효전력의 지령값과 실측값의 그래프를 나타낸 것이다. 전체 시뮬레이션 시간은 10개 모드로 구분되어 있으며, 각 모드별 동작 상태분석은 확대파형 분석과 THD 분석을 통해서 이루어졌다. MMC-B는 DC link전압을 20kV로 일정하게 제어하고 있으며, 유효전력의 흐름이 양방향으로 제어되는 과도상태에서도 일정값을 잘 유지하는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 구성한 11-level MMC는 예비모듈을 2개 추가하여 하나의 암이 12개의 SM로 구성되어 있다. 10개의 SM은 11-level 출력전압을 형성하는데 꼭 필요한 구성이므로 최대 2개의 SM에 문제가 발생하더라도 계속해서 정상동작을 유지할 수 있다.
- 출력전압을 11-레벨로 형성하기 위해서는 암을 이루는 SM의 개수가 10개로 이루어져야 한다. 본 논문의 시뮬레이션 모델은 각 암에 redundancy module이 각각 2개씩 추가되어, 암을 이루는 SM의 총 개수는 12개로 이루어진다. 암 리액터는 정상 상태 운전에서는 순환전류를 억제하는 역할을 하며, DC 측 사고 발생 시 사고전류를 억제하는 역할을 한다.
- 그림 4는 본 논문에서 구현한 MMC의 제어 구성도를 나타낸 것이다. 제어기의 구성은 최상위 제어기인 Master controller부터 최하위 제어기인 SM controller로 구성되어 있으며, 각 controller는 MMC의 동작을 위한 제어알고리즘으로 구성되어있다. Master controller는 Energy Management Strategy 알고리즘에 의해서 유/무효 전력 지령치를 생성하고 생성된 지령치는 하위 제어기인 전류제어기(Current controller)로 전달된다.
데이터처리
- 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 표 2에 시스템 파라미터를 제시한 25MVA 11-level MMC HVDC System에 대해 시뮬레이션모델을 개발하고 위에서 언급한 개별 SM 커패시터 전압 평형 알고리즘, 순환전류 억제 알고리즘, 출력전압 고조파 저감 알고리즘, 그리고 SM에 고장이 발생하면 예비 모듈을 투입시키는 redundancy module 동작 알고리즘을 구현하였다. 모든 제어 알고리즘은 C 코드로 구성된 사용자정의모델을 이용하여 구현하였고 그 타당성은 시뮬레이션 분석을 통해 검증하였다.
이론/모형
- MMC의 출력전압을 형성하는 방식은 크게 PWM 방식과 staircase modulation 방식이 있다[13]. PWM 방식은 스위칭 주파수가 높고 손실이 크기 때문에 대용량의 시스템에 적용이 부적합하므로 본 논문에서는 staircase modulation 방식을 이용하여 출력전압을 형성하였다. MMC의 출력전압은 상·하단 암을 이루고 있는 각 SM이 적절한 순간에 ON/OFF 동작을 수행해야 파형이 정현파에 가깝게 형성된다.
- MMC의 출력전압은 상·하단 암을 이루고 있는 각 SM이 적절한 순간에 ON/OFF 동작을 수행해야 파형이 정현파에 가깝게 형성된다. 본 논문에서는 출력전압의 고조파를 최소화하기 위한 방법으로 그림 5에 보인 등면적법(EAM : Equal Area Method)을 적용하였다[14].
성능/효과
- MMC 컨버터로 구성된 BTB(Back-To-Back) HVDC 시스템의 시뮬레이션 모델을 구성하고 적절한 시나리오에 따른 유·무효전력제어가 이루어지는 것을 확인하였다.
- 전체 시뮬레이션 시간은 10개 모드로 구분되어 있으며, 각 모드별 동작 상태분석은 확대파형 분석과 THD 분석을 통해서 이루어졌다. MMC-B는 DC link전압을 20kV로 일정하게 제어하고 있으며, 유효전력의 흐름이 양방향으로 제어되는 과도상태에서도 일정값을 잘 유지하는 것을 확인하였다. 또한 각 MMC에 연계된 계통의 무효전력은 무효전력제어 기준값을 잘 추종하는 것을 확인하였다.
- 그림 15는 암의 SM이 순차적으로 2개까지 고장이 발생하였을 때 MMC의 동작이 정상적으로 이루어지는지 확인하기 위하여 출력전압, 출력전류, SM 커패 시터 전압 리플을 분석해 보았다. SM에 고장이 발생하는 경우 결과파형과 같이 SM 커패시터리플 전압이 과도상태에서 약간 상승하지만 출력전압, 출력전류 파형은 SM에 고장이 발생하기 전 상태를 잘 유지하고 있는 것을 확인하였다.
- 네 번째와 다섯 번째 파형은 MMC의 3상 출력선간전압과 출력전류를 나타낸 것이며 CCSC의 동작 전·후 MMC의 유·무효전력제어에는 직접적인 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- CCSC의 동작 전·후 순환전류의 크기는 확연한 차이가 난다. 두 번째 파형은 A상 상단 암에 흐르는 암전류를 나타낸 것이며 CCSC를 동작시키기 전에는 고조파가 함유된 왜곡된 전류파형을 나타내고 있지만 CCSC를 동작시키고 난 후 정현파로 개선되는 것을 알 수 있다. 세 번째 파형은 A상 상단 암 SM들의 커패시터 전압리플을 나타낸 것이며 순환전류가 억제됨에 따라서 커패시터의 전압리플이 약 40V정도 작아지는 것을 확인하였다.
- MMC-B는 DC link전압을 20kV로 일정하게 제어하고 있으며, 유효전력의 흐름이 양방향으로 제어되는 과도상태에서도 일정값을 잘 유지하는 것을 확인하였다. 또한 각 MMC에 연계된 계통의 무효전력은 무효전력제어 기준값을 잘 추종하는 것을 확인하였다.
- 두 번째 파형은 A상 상단 암에 흐르는 암전류를 나타낸 것이며 CCSC를 동작시키기 전에는 고조파가 함유된 왜곡된 전류파형을 나타내고 있지만 CCSC를 동작시키고 난 후 정현파로 개선되는 것을 알 수 있다. 세 번째 파형은 A상 상단 암 SM들의 커패시터 전압리플을 나타낸 것이며 순환전류가 억제됨에 따라서 커패시터의 전압리플이 약 40V정도 작아지는 것을 확인하였다. 네 번째와 다섯 번째 파형은 MMC의 3상 출력선간전압과 출력전류를 나타낸 것이며 CCSC의 동작 전·후 MMC의 유·무효전력제어에는 직접적인 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
후속연구
- ABB사도 효율개선을 위해 초기에 개발한 스위칭소자를 직렬로 결합한 방식은 포기하고, 현재는 half-bridge SM을 구성하는 각 스위치를 다수의 스위칭소자를 직렬로 결합하여 구성하고 이 SM을 직렬로 결합하여 MMC를 구성한다. MMC-기반 HVDC 시스템은 소자와 시스템 설계 기술의 발달로 그 전송용량이 급격히 증가하고 있어 향후 Thyristor를 기반으로 하는 전류형 HVDC 시스템을 대체할 수 있을 것으로 보인다.
- 개발한 시뮬레이션 모델은 MMC-기반 HVDC의 동작특성을 스위칭-레벨에서 분석하는데 활용 가능하고 교류나 직류 단에서 발생하는 고장에 대해 각 SM을 보호하기 위한 회로와 알고리즘을 개발하는데 활용가능할 것으로 판단된다.
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