전압 불평형 조건에서 스위칭 소자의 전류용량을 고려한 MMC-HVDC 순환전류 제어기법 Circulating Current Control in MMC-HVDC Considering Switching Device Current Capacity under Unbalanced Voltage Conditions원문보기
This paper proposed a new control method which is capable of controlling circulating current considering current capacity of switching device. In the unbalanced voltage conditions, active power and reactive power have double line frequency. Thus, in order to provide active power without ripple, it i...
This paper proposed a new control method which is capable of controlling circulating current considering current capacity of switching device. In the unbalanced voltage conditions, active power and reactive power have double line frequency. Thus, in order to provide active power without ripple, it is necessary to inject the negative sequence current components. However, when the negative current components is injected, it increases the total current flowing in the Arm, and in the Sub-module(SM) the current more than rated is impressed, which leads to destroy the system. Also, in impressing the circulating current reference of each arm, conventional control method impressed applicable $i_{dck}/3$ in the case of balanced voltage conditions. In the case of unbalanced conditions, as arm circulating current of three phase show difference due to the power impressed to each arm, reference of each arm is not identical. In this study, in the case of unbalanced voltage, within permitted current, the control method to decrease the ripple of active power is proposed, through circulating current control and current limitations. This control method has the advantage that calculates the maximum active power possible to generate capacity and impressed the current reference for that much. Also, in impressing circulating current reference, a new control method proposes to impress the reference from calculating active power of each phase. The proposed control method is verified through the simulation results, using the PSCAD/EMTDC.
This paper proposed a new control method which is capable of controlling circulating current considering current capacity of switching device. In the unbalanced voltage conditions, active power and reactive power have double line frequency. Thus, in order to provide active power without ripple, it is necessary to inject the negative sequence current components. However, when the negative current components is injected, it increases the total current flowing in the Arm, and in the Sub-module(SM) the current more than rated is impressed, which leads to destroy the system. Also, in impressing the circulating current reference of each arm, conventional control method impressed applicable $i_{dck}/3$ in the case of balanced voltage conditions. In the case of unbalanced conditions, as arm circulating current of three phase show difference due to the power impressed to each arm, reference of each arm is not identical. In this study, in the case of unbalanced voltage, within permitted current, the control method to decrease the ripple of active power is proposed, through circulating current control and current limitations. This control method has the advantage that calculates the maximum active power possible to generate capacity and impressed the current reference for that much. Also, in impressing circulating current reference, a new control method proposes to impress the reference from calculating active power of each phase. The proposed control method is verified through the simulation results, using the PSCAD/EMTDC.
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문제 정의
불평형 전압 조건에서 컨버터는 유효전력의 리플이 감소하는 목적으로 제어할 시, 리플을 감소시키기 위해 역상분 전류를 계통에 주입하게 되고, 이는 각 arm에 흐르는 전류의 상승을 가져온다. 따라서 AC측 에 역상분 전류를 주입하는 조건에서, 스위칭 소자가 갖는 허용전류 범위 내에서 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하고 검증하였다. 둘째, 순환전류 를 제거하면서 안정적으로 운전될 수 있는 제어 기법을 제안하였다.
스위칭 소자의 정격 전류 내에서 유효전력에 리플 없는 최고 전력을 출력하기 위해서는 정확한 역상분 전류의 값이 계산되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 역상분 전류의 지령치와 인덕터의 손실을 포함한 내부적인 손실을 고려할 필요 없이 스위칭 소자의 정격 내에서 최고 출력을 확보할 수 있는 제어기법을 제안한다.
이렇게 제어할 경우 각 상의 유효전력이 같은 크기로 제어되지 못하기 때문에 AC측의 역상분 전류를 주입하거나 전류제한을 하더라도 순환전류를 완전히 제거하지 못한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 불평형 전압 발생 시 역상분 전류를 주입하면서 최적의 유효전력을 출력할 수 있는 전류 제한 제어 기법을 제안한다. 불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 리플을 저감하였다.
본 논문은 스위칭 소자의 전류 용량을 고려하면서 순환전류를 제거할 수 있는 제어기법을 제안하였다. 첫째, MMC를 운용함에 있어 전류의 허용범위 내에서 운전이 가능하도록 전류를 제한하는 기법을 제안하였다.
제안 방법
따라서 AC측 에 역상분 전류를 주입하는 조건에서, 스위칭 소자가 갖는 허용전류 범위 내에서 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하고 검증하였다. 둘째, 순환전류 를 제거하면서 안정적으로 운전될 수 있는 제어 기법을 제안하였다. 불평형 전압 조건에서 순환전류는 기본파 두 배 주파수인 역상분 뿐만 아니라 정상분과 영상분도 존재하게 된다.
그리고 AC측 전류가 모드 2 또는 모드 3과 같이 제어되고 있다면 각 상에서의 불평형 전류 DC성분 크기는 다른 크기를 가진다. 따라서 순환전류 제어를 위한 지령치를 계산할 시, 수식 (44)에 의해 각 상 별로 지령치를 계산하여 추출하였다. 이러한 제어방식으로 인해 기존에 제어방식에서 모드 3에서 발생되는 문제를 해결하고, 전 영역에서 안정적으로 제어됨을 확인하였다.
하지만 불평형 전압 발생 시 AC측 역 상분 전류를 0A로 제어하여 AC측 유효전력에 기본파 주파수 두 배의 리플이 존재하는 단점을 가지고 있다. 또한 역상분 전류 지령치를 계산하는 방식을 제안하고 있으며, MMC의 계통측 인덕턴스 성분을 고려한 유효전력의 리플을 분석하고 인덕턴스에 의한 리플 성분도 보상하는 방식을 제안하였다. 하지만 역상분 전류의 주입에 따른 AC측 전류의 최고치가 증가하게 되며, 결과적으로 스위칭 소자에 흐르는 전류가 증가하게 된다.
본 논문에서는 불평형 전압 발생 시 역상분 전류를 주입하면서 최적의 유효전력을 출력할 수 있는 전류 제한 제어 기법을 제안한다. 불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 리플을 저감하였다. 이 과정에서 각각의 arm 파워를 계산하여 지령치 개별적으로 주었고, 출력할 수 있는 최대 유효전력을 추종하여 출력할 수 있는 제어기를 추가하였다.
AC측의 역상분 전류 지령치는 (14), (15)의 지령치를 사용하였으며, 그림 7의 (a), (b)는 AC측 전압 및 AC측 전류를 보여준다. 역상분 전류를 고려하여 불평형 전압에서 0.8sec에 유효전력의 리플을 감소시키는 방향으로 제어를 수행하고 1.2sec에 역상분 전류를 영으로 제어하였다.
불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 리플을 저감하였다. 이 과정에서 각각의 arm 파워를 계산하여 지령치 개별적으로 주었고, 출력할 수 있는 최대 유효전력을 추종하여 출력할 수 있는 제어기를 추가하였다. 제안된 방법은 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.
본 논문은 스위칭 소자의 전류 용량을 고려하면서 순환전류를 제거할 수 있는 제어기법을 제안하였다. 첫째, MMC를 운용함에 있어 전류의 허용범위 내에서 운전이 가능하도록 전류를 제한하는 기법을 제안하였다. 불평형 전압 조건에서 컨버터는 유효전력의 리플이 감소하는 목적으로 제어할 시, 리플을 감소시키기 위해 역상분 전류를 계통에 주입하게 되고, 이는 각 arm에 흐르는 전류의 상승을 가져온다.
대상 데이터
그림 4는 제안한 순환전류 제어기의 블록도를 보여준다. 제어기는 각 상의 정상분, 역상분, 영상분의 순환전류를 제어하는 3개의 PR(Proportional Resonance)제어기로 구성되어 있다.
데이터처리
이 과정에서 각각의 arm 파워를 계산하여 지령치 개별적으로 주었고, 출력할 수 있는 최대 유효전력을 추종하여 출력할 수 있는 제어기를 추가하였다. 제안된 방법은 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.
이론/모형
SM에 사용된 PWM 기법과 SM 전압 밸런싱에 관한 제어기법은 [14]에서 사용된 Modified PSC-PWM 방식과 밸런싱 알고리즘을 사용하였으며, SM은 Accelerated Model을 이용하여 시뮬레이션 시간을 단축할 수 있게 구성하였다[15-16].
시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC를 이용하였으며, 그림 6과 같은 구조로 시뮬레이션을 실시하였다.
성능/효과
사고시 발생되는 불평형 전류 성분이 나타나고 있는데 제안하는 순환전류 제어 기법에서는 양호하게 영에 근접한 값을 가지고 있지만 불평형 전류 지령치를 영으로 제어하게 되면 순환전류가 완전히 제거되지 못하고 남아있는 것을 확인할 수 있다. 또한 (e)에서와 같이 DC 전류를 제외하고 확인해보면 제안하는 방식은 각 상의 전력을 계산하여 개별 지령치를 인가함으로서 보다 안정적인 순환전류 제어가 가능하다. 하지만 역상분 전류지령치를 영으로 주고 idc/3로 제어할 경우 각 상의 전류는 동일하지 않은 것을 확인할 수 있다.
(f)는 DC 링크 전류를 보여주며, (g)는 SM의 전압을 나타낸다. 모드 2에서의 역상분 전류 주입에 따라 SM의 전압 리플은 상승하고 있는 것을 확인할 수 있지만 밸런싱이 유지되면서 계통전압 정상 조건에서는 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있다.
(d)는 R상의 순환전류를 동기좌표계(synchronous frame)에서 나타낸 것이다. 사고시 발생되는 불평형 전류 성분이 나타나고 있는데 제안하는 순환전류 제어 기법에서는 양호하게 영에 근접한 값을 가지고 있지만 불평형 전류 지령치를 영으로 제어하게 되면 순환전류가 완전히 제거되지 못하고 남아있는 것을 확인할 수 있다. 또한 (e)에서와 같이 DC 전류를 제외하고 확인해보면 제안하는 방식은 각 상의 전력을 계산하여 개별 지령치를 인가함으로서 보다 안정적인 순환전류 제어가 가능하다.
그림 8 (a)는 각 상의 상위 arm과 하위 arm의 전류를 나타낸다. 시뮬레이션에서 전류제한은 300A이고, 모드 2의 불평형 조건에서 유효전력의 리플을 감소시키기 위해 역상분 전류를 증가시키지만 300A가 넘지 않게 AC측 전류를 제한하는 것을 볼 수 있다. 또한 모드 3에서 유효 전력을 증가시키기 위하여 AC측의 전류를 증가시키는 기존 [9]의 제어방식과는 대조적이다.
따라서 순환전류 제어를 위한 지령치를 계산할 시, 수식 (44)에 의해 각 상 별로 지령치를 계산하여 추출하였다. 이러한 제어방식으로 인해 기존에 제어방식에서 모드 3에서 발생되는 문제를 해결하고, 전 영역에서 안정적으로 제어됨을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CSC의 특성상 특수 변압기가 사용된다는 단점을 보완하기 위해 발전된 기술은?
CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4]. 이러한 단점을 보완하기 위해 발전된 기술이 VSC-HVDC 이다. VSC는 독립적으로 유․무효 전력의 제어가 가능하며 CSC에 비하여 빠른 동특성을 갖는다.
CSC-HVDC에는 어떠한 형태의 컨버터가 주로 사용되는가?
HVDC 송전 시스템에서는 크게 전류원 컨버터(Line-Commutated Current Source Converter; LCCSC, CSC)와 전압원 컨버터 (Self-Commutated Voltage Source Converter; VSC) 의 2가지의 기술이 사용된다[2-3]. CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4]. 이러한 단점을 보완하기 위해 발전된 기술이 VSC-HVDC 이다.
HVDC 송전 시스템에 사용되는 2가지 기술은?
이후 유럽과 미국, 중국을 중심으로 투자 및 연구가 크게 확대되고 있으며, 초기 전류형 컨버터부터 최근 전압형 컨버터까지 많은 분야의 연구가 진행되고 있다[1]. HVDC 송전 시스템에서는 크게 전류원 컨버터(Line-Commutated Current Source Converter; LCCSC, CSC)와 전압원 컨버터 (Self-Commutated Voltage Source Converter; VSC) 의 2가지의 기술이 사용된다[2-3]. CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4].
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