[논문]극 수에 따른 저압직류 배전계통의 순시전압강하 분석

노철호; 김두웅; 권기현; 오윤식; 한준; 김철환

doi:10.5207/jieie.2015.29.11.066

[국내논문] 극 수에 따른 저압직류 배전계통의 순시전압강하 분석
Analysis on Voltage Sag in Low Voltage DC Distribution System according to the Number of Poles 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.11, 2015년, pp.66 - 73

노철호 () , 김두웅 (성균관대 대학원 정보통신대학) , 권기현 (성균관대 대학원 정보통신대학) , 오윤식 (성균관대 대학원 정보통신대학) , 한준 (성균관대 대학원 정보통신대학) , 김철환

Abstract ▼ AI-Helper

AC-based power systems, having the advantages that voltage transformation and long distance transmission are easy, have been constructed since the last 19th century. However, DC-based power system is paid attention these days because of the development of power electronic devices as well as the increase of digital loads and distributed generation. For instance, the transmission systems using High Voltage DC (HVDC) are commercially operated in the world and the researches on distribution system using Low Voltage DC (LVDC) are gradually increased. This paper analyzes voltage sag, resulted from faults, in LVDC distribution system according to the number of poles. Modeling and simulation with various conditions are conducted by using ElectroMagnetic Transients Program (EMTP). Moreover, some countermeasures to reduce voltage sag in LVDC distribution system are suggested briefly.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 선로 고장 발생 시 저압직류 배전계통에 발생하는 순시전압강하의 분석을 수행하였다. 이를 위하여 2장에서는 저압직류 배전계통을 극수에 따라 양극성과 단극성으로 분류하고 각각에 대하여 설명하였다.
따라서 저압직류 배전계통은 1500V_DC 이하의 전압 레벨로 운영되는 전력계통을 의미하며, 중요 구성요소로써 교류를 직류로 변환시켜주는 AC/DC 컨버터와 직류전압을 강압시키는 DC/DC 컨버터를 포함하고 있다. 이러한 저압직류 배전계통은 극 수에 따라서 단극성과 양극성으로 구분할 수 있으며 본 장에서는 각각에 대해 논의하였다.
본 연구에서 수행한 저압직류 배전계통의 순시전압강하 분석결과를 바탕으로 신뢰성 있는 저압직류배전계통 구성을 위한 방향을 제시할 수 있다. 첫째로 저압직류 배전계통의 선로 말단에 위치한 부하는 전원측에 위치한 부하들보다 순시전압강하에 더 취약하다.
본 논문에서는 극 수에 따른 저압직류 배전계통의 순시전압강하를 분석하기 위하여 EMTP를 이용하여 단극성 계통과 양극성 계통을 모델링하고 다양한 고장 조건을 적용하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 저압직류 배전계통에 선로 고장이 발생할 경우, 일반적으로 해당 선로의 말단 측 부하에 더 큰 순시전압강하가 발생하였다.

가설 설정

또한 선로 고장은 인접선로에 영향을 미치지 않기 때문에 상단 피더에서 고장이 발생한 경우만을 나타냈다. PTG 고장은 (+)극, PTN 고장은(+)극-중성도체, 그리고 PTP 고장은 (+)극-(-)극에 발생한 것으로 가정하였다. 또한 그림 7은 표 4～7의 일부를 나타내는 EMTP 시뮬레이션 결과 파형이다.

제안 방법

전력계통에 가장 큰 영향을 미치는 전력품질 현상은 순시전압강하와 고조파이다[6]. 고조파의 경우 주파수와 관련된 전력품질 현상이기 때문에 본 연구에서는 고려되지 않으며, 전압크기와 관련된 순시전압강하에 초점을 맞추었다.
이를 위하여 2장에서는 저압직류 배전계통을 극수에 따라 양극성과 단극성으로 분류하고 각각에 대하여 설명하였다. 3장에서는 극 수에 따라 분류된 계통을 Electro Magnetic Transients Program (EMTP)를 이용하여 모델링하였으며, 모델링된 계통을 바탕으로 시뮬레이션을 수행하여 고장 발생 시 저압직류 배전계통의 수용가 측에 발생하는 순시전압강하의 특성을 분석하였다. 마지막으로 4장에서는 본 연구에 대한 결론을 나타내었다.
본 절에서는 EMTP를 이용하여 그림 3과 그림 4와 같이 모델링 된 단극성 저압직류 배전계통과 양극성저압직류 배전계통을 나타낸다. 모델링된 모의 계통은 공통적으로 AC전원에서 공급되는 22.9kV_AC를 변압기와 AC/DC 컨버터를 이용하여 1500V_DC로 변환한 후, DC/DC 컨버터를 이용하여 수용가가 요구하는 380V_DC로 강압하는 형태로 구성되었다. 선로길이는 총 600m로 각 부하는 100m마다 연결되어 있으며, 부하용량은 각각 10kW를 가진다.
본 절에서는 극 수에 따른 저압직류 배전계통의 순시전압강하를 분석하기 위하여 그림 3과 그림 4와 같이 모델링된 모의계통에 다양한 고장 조건을 적용하여 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션 절차는 다음과 같다.
9초이다. 본 연구에서는 고장 위치, 고장저항의 크기, 그리고 고장 종류와 같은 고장 조건을 표 1과 같이 가변시켰다. 고장 위치는 가장 인접한 부하에 따라서 선로 #1 – 선로 #12와 같이 표현한다.

대상 데이터

선로길이는 총 600m로 각 부하는 100m마다 연결되어 있으며, 부하용량은 각각 10kW를 가진다. 또한 국내에서 가장 일반적인 접지형태인 TN접지로 구성되었다. 추가적으로 본 연구에서는 고장 발생 이후에 저압직류 배전계통의 수용가에서 야기되는 순시전압강하를 분석하기 때문에 보호기기들의 동작은 고려되지 않았다.

성능/효과

본 연구에서 수행한 저압직류 배전계통의 순시전압강하 분석결과를 바탕으로 신뢰성 있는 저압직류배전계통 구성을 위한 방향을 제시할 수 있다. 첫째로 저압직류 배전계통의 선로 말단에 위치한 부하는 전원측에 위치한 부하들보다 순시전압강하에 더 취약하다. 순시전압강하는 민감 부하에 순시정전을 유발하여 계통의 신뢰도에 매우 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 선로 말단에 연결된 부하에 대해서는 에너지 저장장치와 같은 보상대책이 절실히 요구된다.

후속연구

또한 국내에서 가장 일반적인 접지형태인 TN접지로 구성되었다. 추가적으로 본 연구에서는 고장 발생 이후에 저압직류 배전계통의 수용가에서 야기되는 순시전압강하를 분석하기 때문에 보호기기들의 동작은 고려되지 않았다.
또한 양극성 계통의 PTG 고장의 경우 적절한 고장 검출 및 판별 알고리즘을 적용할 경우 정전구역을 감소시킬 수 있다. 결론적으로 더욱 신뢰성 있는 저압직류 배전계통을 구축하기 위해서는 고장에 따라 발생하는 전력품질 현상의 경향을 고려한 개선 및 억제 대책이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저압직류 배전계통을 구축할 경우 장점은?	뿐만 아니라 수용가 측에서 요구되는 전력량이 증가함에 따라 전압 공급의 안정성을 위하여 에너지 저장장치 및 분산전원을 계통에 연계하고 있다. 따라서 저압직류 배전계통을 구축할 경우 컨버터 변환손실을 감소시켜 계통의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 이러한 전력변환기기 및 디지털 부하의 경우 전력품질에 매우 민감하기 때문에 각종 외란에 따른 전력품질 현상에 매우 취약하다는 문제점을 갖는다.
	단극성 저압직류 배전계통의 장점은?	단극성 저압직류 배전계통은 기존 교류계통의 단상2선식과 대응되는 형태로, 두 개의 상도체(1500VDC,0V)로 구성되어 수용가에 하나의 전압레벨로 전력을 공급한다. 단극성 저압직류 배전계통은 계통 구성이 간단하며, 선로 임피던스에 의한 전압강하 및 전력손실이 양극성에 비해 적은 장점이 있다. 그림 1은 단극성 저압직류 배전계통의 개념도를 나타낸다.
	본 논문에서 저압직류 배전계통의 순시전압강하를 분석한 결과, 저압지류 배전계통에 선로 고장이 발생한 경우 어떤 현상이 나타나는가?	본 논문에서는 극 수에 따른 저압직류 배전계통의 순시전압강하를 분석하기 위하여 EMTP를 이용하여 단극성 계통과 양극성 계통을 모델링하고 다양한 고장 조건을 적용하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 저압직류 배전계통에 선로 고장이 발생할 경우, 일반적으로 해당 선로의 말단 측 부하에 더 큰 순시전압강하가 발생하였다. 또한 양극성 계통의 PTG 고장은 해당 극에 연결된 부하에만 순시전압강하를 발생시켰고, PTN 고장은 고장이 발생하지 않은 극에 연결된 부하에 순시전압상승을 발생시켰다. 순시전압강하는 민감부하에 순시정전을 유발하며, 순시전압상승은 기기 자체에 손상을 가한다. 따라서 말단 측 부하에는 순시전압강하에 대한 보상책이 요구되며, 중간접지를 이용하여 PTN 고장에 의한 전력품질 현상을 억제할 필요가 있다.

참고문헌 (7)

Kyoung-Ho Lee, "Low Voltage DC Distribution Technology for the Gree Building", KIPE Magazine, Vol.15, No.5, pp.32-38, 2010.10.
Guy AlLee, William Tschudi, "Edison Redux: 380VDC Brings Reliability and Efficiency to Sustainalbe Data Centers", IEEE power & energy magazine, Vol.10, No.6, pp.50-59, 2011.11.
Kyoung-Ho Lee, Kyoung Wan Koo, "Premises Low Voltage DC Distribution Technology and Implementation Case of Green Home", The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol.59, No.7, pp.41-48, 2010.7.
Joo-Won Baek, "Development and Demonstration of DC distribution element technology in Customers", KIPE Magazine, Vol.17, No.3, pp.36-40, 2012.6.
Ki-Bong Yeo, "Trends and Prospects of HVDC", Electrical Equipment, pp.20-27, 2012.6.
K.Chandrasekaran, P.AVengkatachalam, Mohd Noh Karsiti, K.S.Rama Rao, "Mitigation of Power Quality Disturbances", Journal of Theoretical and Applied Information Technology, Vol.8, No.2, pp.105-116, 2009,10.
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Standard 1159, 2009.

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