초록

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본 논문에서는 고압 직류송전용 MMC에 오프셋 전압 제어를 적용하는 데 있어 3고조파 주입기법과 제안하는 가변오프셋 전압 제어 기법에 따른 시스템의 고조파 특성과 순환전류 특성에 대해 비교 분석한 내용을 기술하고 있다. 제안한 가변오프셋 전압 제어는 MI(Modulation Index)에 따라 오프셋 전압의 크기를 가변 하여 MMC 출력 상전압이 항상 N+1 레벨을 형성하는 기법이다. 제안하는 기법과 3고조파 주입기법의 비교를 위해 200MW MMC HVDC 시스템에 적용하여 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 수행하였다. 제안한 기법은 오프셋 전압제어 적용에 따라 발생할 수 있는 고조파 특성에 있어 3고조파 주입기법에 비해 우수함을 확인하였다. 또한 제안하는 기법을 사용할 경우 오프셋 전압에 의한 4고조파 순환전류 저감이 가능함을 알 수 있었다.

본 논문에서는 고압 직류송전용 MMC에 오프셋 전압 제어를 적용하는 데 있어 3고조파 주입기법과 제안하는 가변오프셋 전압 제어 기법에 따른 시스템의 고조파 특성과 순환전류 특성에 대해 비교 분석한 내용을 기술하고 있다. 제안한 가변오프셋 전압 제어는 MI(Modulation Index)에 따라 오프셋 전압의 크기를 가변 하여 MMC 출력 상전압이 항상 N+1 레벨을 형성하는 기법이다. 제안하는 기법과 3고조파 주입기법의 비교를 위해 200MW MMC HVDC 시스템에 적용하여 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 수행하였다. 제안한 기법은 오프셋 전압제어 적용에 따라 발생할 수 있는 고조파 특성에 있어 3고조파 주입기법에 비해 우수함을 확인하였다. 또한 제안하는 기법을 사용할 경우 오프셋 전압에 의한 4고조파 순환전류 저감이 가능함을 알 수 있었다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문은 기존 오프셋 전압제어와 제안하는 기법 따른 MMCHVDC 시스템의 고조파 특성과 4고조파 순환전류 발생에 대해 시뮬레이션을 통해 분석한 내용을 기술하고 있다.
• 본 논문에서는 오프셋 전압제어에 의한 MMC의 고조파 순환전류를 수식적으로 분석하고, 200MW MMC HVDC시스템의 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 모델을 통하여 고조파 순환전류의 특성을 확인하였다. 제안하는 가변오프셋 전압변조기법은 MMC의 운전영역에서 효율적인 오프셋 전압 주입을 통해 기존 오프셋 전압변조 기법을 적용한 경우보다 시스템의 고조파 특성이 개선됨을 확인하였다.

제안 방법

• 이러한 문제를 극복하기 위해 MI 크기와 상관없이 극전압의 크기가 Udc/2 로 일정하여 출력 상전압의 전압레벨이 N + 1 의 최대레벨을 유지하는 가변적인 오프셋 전압을 사용하였다.
• 오프셋 전압제어 중 대표적인 방법인 3고조파 주입기법 적용에 따른 MMC의 고조파 순환전류에 대해 분석하였다. 3고조파 주입기법 적용 시, A상 출력전류는 식 (6)과 같이 표현 가능하고, 극전압은 식 (7)로 나타낼 수 있다^[2].
• 오프셋 전압제어가 MMC HVDC 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 그림 3의 200MW MMC HVDC 시스템 시뮬레이션 모델을 구현하였다. 시뮬레이션 모델에 고려된 시스템 사양은 표 1에 나타내었다.
• 시뮬레이션 모델에 고려된 시스템 사양은 표 1에 나타내었다. 그리고 시뮬레이션 모델은 정격의 운전상태로 2고조파 순환전류 억제제어가 적용되었다

성능/효과

• 이에 비해 제안하는 가변오프셋 전압 제어기법은 MI에 따라 오프셋 전압이 가변 되어 3고조파 주입에 따른 악영향을 최소화할 수 있다. 이 외에도 제안하는 기법은 중전압 어플리케이션MMC의 출력 THD 개선에 있어 큰 효과가 있다^[1].
• 1인 경우에 대해 각 전압변조 기법에 따른 4고조파 성분의 순환전류와 상·하단 암의 극전압 지령을 나타내고 있다. 3고조파 주입과 제안하는 기법을 적용한 경우, 정현파 기법과 달리 4고조파 순환전류 성분이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 3고조파 주입기법의 경우 MI의 1/6에 해당하는 고정된 오프셋 전압이 항상 인가되는데 비해, 제안하는 기법은 가변적으로 오프셋 전압의 크기가 적용되어 4고조파 순환전류 성분이 보다 작게 나타나는 것을 알 수 있다.
• 3고조파 주입과 제안하는 기법을 적용한 경우, 정현파 기법과 달리 4고조파 순환전류 성분이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 3고조파 주입기법의 경우 MI의 1/6에 해당하는 고정된 오프셋 전압이 항상 인가되는데 비해, 제안하는 기법은 가변적으로 오프셋 전압의 크기가 적용되어 4고조파 순환전류 성분이 보다 작게 나타나는 것을 알 수 있다.
• 커패시터 전압리플은 순환전류의 영향을 크게 받는다. 제안하는 기법은 3고조파 주입기법 보다 4고조파 순환전류가 작게 나타나기에 서브모듈 커패시터의 전압리플이 줄어든 것을 확인할 수 있다.
• 본 논문에서는 오프셋 전압제어에 의한 MMC의 고조파 순환전류를 수식적으로 분석하고, 200MW MMC HVDC시스템의 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 모델을 통하여 고조파 순환전류의 특성을 확인하였다. 제안하는 가변오프셋 전압변조기법은 MMC의 운전영역에서 효율적인 오프셋 전압 주입을 통해 기존 오프셋 전압변조 기법을 적용한 경우보다 시스템의 고조파 특성이 개선됨을 확인하였다.
• 그리고 오프셋 전압제어는 Zig-zag 변압기 접지를 적용한 시스템에서 접지전류에 영상분 전류를 유발하고, 시스템의 사고 및 고장 판단에 대해 혼동을 야기할 수 있음을 확인하였다. 제안된 가변오프셋 전압변조 기법을 적용하면 기존 3고조파주입기법보다 영상분 접지전류가 감소되지만, 접지전류를 통한 사고판단의 근본적 해결책으로 볼 수 없었다.
• 그리고 오프셋 전압제어는 Zig-zag 변압기 접지를 적용한 시스템에서 접지전류에 영상분 전류를 유발하고, 시스템의 사고 및 고장 판단에 대해 혼동을 야기할 수 있음을 확인하였다. 제안된 가변오프셋 전압변조 기법을 적용하면 기존 3고조파주입기법보다 영상분 접지전류가 감소되지만, 접지전류를 통한 사고판단의 근본적 해결책으로 볼 수 없었다. 그렇기에 오프셋 전압제어를 사용하는 MMC HVDC 시스템에 있어 적절한 Zig-zag 변압기 접지의 설계가 필요할 것으로 보인다.

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