고압 직류 송전 시스템, 이의 제어 장치 및 과부하 제어 방법{HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT TRANSMISSION SYSTEM, AND CONTROLLING APPARATUS AND OVERLOAD CONTROLLING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 고압 직류 송전 시스템에서 발생할 수 있는 불필요한 사고를 예방하도록 과부하 용량을 허용하는 고압 직류 송전 시스템의 과부하 제어 방법에 관한 것이다.

전력 계통을 연계하는 방식에는 기존의 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식과, 전력 변환기를 통해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 계통을 연계하는 방식이 있다. 근래에는 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식보다 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 계통을 연계하는 방식에 대한 관심이 증대되고 있다. 국내에서도 전력 변환기를 이용한 고압 직류 송전(High Voltage Direct Current; HVDC) 시스템을 제주와 해남 사이에 설치하여 제주와 해남의 전력 계통을 연계하고 있다.

고압 직류 송전(HVDC) 방식이라 함은, 전기 송전 방식의 하나로서, 발전소에서 발전한 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환시켜 송전한 후, 원하는 수전 지역에서 다시 교류 전력으로 재변환하는 공급 방식을 말한다. 직류 송전 방식의 장점은 여러 가지가 꼽힌다.

우선 직류 전압은 교류 전압의 최대 값에 비해 크기가 약 70%에 불과해, 고압 직류 송전 시스템은 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치돼 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다. 상기 시스템은 동일한 전력을 보내는 경우 교류 방식에 비해 직류 방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 높아질 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 상기 시스템은 직류가 교류에 비해 2배 이상의 전류를 운송할 수 있다.

고압 직류 송전 시스템은 물론 전선 사용량을 줄일 수 있고 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적이며 전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이에 연결해 계통의 안정도를 향상시킬 수도 있다. 상기 시스템은 송전 거리에 대한 제약이 없고 450Km가 넘는 육지 전력 전송이나 40Km가 넘는 해저를 통한 전력 전송에 있어서도 직류 송전 방식이 건설비가 저렴하다. 최근에는 중국, 인도 등의 경우 발전소와 전기 사용자 사이의 거리가 1000Km 이상되기 때문에 고압 직류 송전 시스템의 보급이 급속하게 확장되고 있는 상황이다.

본 발명의 실시 예들은 고압 직류 송전 시스템(High Voltage Direct Current Transmission System; HVDC)의 안정화를 위한 제어 장치 및 과부하 제어 방법을 제공하는 데에 일 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 시스템 설비에 열적 스트레스에 의해 발생하는 불필요한 고장 위험이 없도록 과부하 용량을 허용하여 제어하는 고압 직류 송전 시스템, 이의 제어 장치 및 과부하 제어 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템은, 교류 버스와 연결되고 입력 교류 전력을 송전용 교류 전력으로 변환하는 변압기와, 스위칭 소자로 구성되고, 상기 변압기에 연결되며, 상기 송전용 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 상기 직류 전력을 상기 송전용 교류 전력으로 변환하는 전력 변환기와, 상기 직류 전력을 송전하는 직류 케이블을 포함하여 회선을 형성하고, 전력 지령치를 입력받고, 상기 변압기 및 전력 변환기를 제어하는 제어 장치를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 장치는, 상기 변압기의 온도, 상기 전력 변환기의 온도, 주변 온도, 및 습도 중 하나 이상의 과부하 조건을 근거로 상기 직류 전력의 직류 전류에 대한 전류 제한치를 조절하여 상기 회선에 대한 과부하 제어를 수행하는 과부하 제어부를 포함하여 구성된다.

상기 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 회선은, 상기 전력 변환기의 온도를 검출하여 상기 과부하 제어부에 상기 과부하 조건에 해당하는 조건 신호를 전송하고, 상기 전력 변환기의 상기 스위칭 소자를 냉각하는 냉각 장치를 더 포함하여 구성된다.

상기 고압 직류 송전 시스템은, 상기 회선의 구성 기기에 연결되어 상기 회선을 보호하고, 상기 회선의 보호 기능에 이상이 발생하면 트립 신호를 생성하여 상기 제어 장치에 전송하는 보호 장치를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 과부하 제어부는, 상기 트립 신호를 수신하면 상기 과부하 제어를 수행한다.

일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 제어 장치는, 하나 이상의 회선을 형성하고, 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 송전하는 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 직류 전력의 직류 전류에 대한 전류 제한치와, 전력 변환을 위한 전력 지령치를 입력받고, 상기 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환하도록 하는 회선 전력 제어부와, 과부하 조건을 근거로 상기 전류 제한치를 조절하여 과부하 제어를 수행하는 과부하 제어부를 포함하고, 상기 과부하 조건은, 상기 회선을 형성하는 변압기의 온도, 전력 변환기의 온도, 주변 온도, 및 습도 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 과부하 제어 방법은, 하나 이상의 회선을 형성하고, 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 송전하는 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 전력 지령치를 근거로 전력을 변환하여 송전하는 정상 송전 단계와, 과부하 조건을 입력받는 조건 판단 단계와, 상기 회선의 보호 기능에 이상 발생을 판단하는 이상 판단 단계와, 상기 과부하 조건에 해당하거나, 또는 이상이 발생하면, 과부하 제어를 수행하는 과부하 제어 단계와, 상기 과부하 제어가 해제되면, 새로운 전력 지령치를 근거로 전력을 변환하여 송전하는 과부하 해제 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예들은 고압 직류 송전 시스템에 있어서 안정적인 과부하 제어를 수행함으로써 사고를 방지하고 시스템의 운전 효율 및 안정성을 제고한다.

본 발명의 실시 예들은 과부하에 영향을 미치는 요소를 상세 분석하여 과부하 제어를 수행하고, 시스템 설비 허용치들을 고려하여 적용함으로써 오동작 확률을 낮추고 더욱 안정적으로 시스템을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 사고의 경우에 따라 동작하는 고압 직류 송전 시스템의 보호 기능과 밀접하게 제어를 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 과부하 제어 후 복귀 시에 기울기를 둠으로써 과도 전류 상태를 예방할 수 있다.

도 1은 일반적인 고압 직류 송전 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 제어 장치를 개략적으로 보인 도;
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따라 과부하 제어의 수행 시, 전류 제한치를 설정하는 동작을 설명하기 위한 그래프; 및
도 5 내지 도 6b는 본 발명의 실시 예들에 따른 고압 직류 송전 시스템의 과부하 제어 방법을 개략적으로 보인 흐름도들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템은, 교류 버스(AC BUS)와 연결되고 입력 교류 전력을 송전용 교류 전력으로 변환하는 변압기(10)와, 스위칭 소자로 구성되고, 상기 변압기(10)에 연결되며, 상기 송전용 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 상기 직류 전력을 상기 송전용 교류 전력으로 변환하는 전력 변환기(20)와, 상기 직류 전력을 송전하는 직류 케이블(30)을 포함하여 회선을 형성한다. 고압 직류 송전 시스템은, 고조파를 제거하고 무효 전력을 보상하는 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 변압기(10)는 교류 버스, 예를 들어 154 kV 버스바로부터 교류 전력을 입력받고 송전용 교류 전력으로 변압한다. 상기 변압기(10)로는 일반적으로 3상의 YY-Δ(와이-와이-델타) 방식을 사용한다. 2차 측의 와이-브리지와 델타-브리지에는 각각 전류 센서가 구비되어 과전류를 검출하고, 브리지를 보호하는 기능이 부가될 수 있다.

상기 전력 변환기(20)는 복수의 스위칭 소자들로 구성된다. 여기서, 스위칭 소자들은 전력용 반도체로서, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 모스펫(MOSFET) 등의 트랜지스터일 수 있으나, 전류 제어가 가능한 사이리스터(Thyristor)를 주로 사용한다. 전력 변환기(20)는 송전 측에 구비되어 변압기(10)에서 변압된 송전용 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(Rectifier, 21, 22)와, 수전 측에 구비되어 직류 케이블을 통해 수전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(Inverter, 23, 24)를 포함한다. 정류기와 인버터는 각각 복수의 사이리스터로 구성된 사이리스터 밸브(Thyristor Valve)를 포함한다.

또, 상기 고압 직류 송전 시스템은, 전력 지령치를 입력받고, 상기 변압기 및 전력 변환기를 제어하는 제어 장치(40)를 더 포함하여 구성된다. 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 제어 장치(40)는, 하나 이상의 회선을 형성하고, 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 송전하는 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 직류 전력의 직류 전류에 대한 전류 제한치와, 전력 변환을 위한 전력 지령치를 입력받고, 상기 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환하도록 하는 회선 전력 제어부(42)와, 조절하여 과부하 제어를 수행하는 과부하 제어부(41)를 포함하여 구성된다. 회선 전력 제어부(42)는, 상기 과부하 제어부(41)로부터 상기 전류 제한치를 입력받고, 상기 전력 지령치 및 상기 전류 제한치를 근거로 상기 전력 변환기(20)를 구동한다.

여기서, 상기 과부하 조건은, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 회선을 형성하는 변압기의 온도, 전력 변환기의 온도, 주변 온도, 및 습도 중 하나 이상일 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 고압 직류 송전 시스템은 변압기(10)의 온도를 검출하는 온도 센서(51)와, 전력 변환기(20)의 온도를 검출하는 온도 센서(52)를 포함할 수 있다. 또, 고압 직류 송전 시스템은 시스템 설비 주변의 대기 온도를 검출하는 온도 센서(53)와, 습도를 검출하는 습도 센서(54)를 더 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 회선은, 상기 전력 변환기(20)의 온도를 검출하여 상기 과부하 제어부(41)에 상기 과부하 조건에 해당하는 조건 신호를 전송하고, 상기 전력 변환기(20)의 상기 스위칭 소자를 냉각하는 냉각 장치(Cooling system, 60)를 더 포함하여 구성된다. 상기 냉각 장치(60)는 전력 변환기의 온도에 따라 구동된다.

변압기의 온도는 변압기의 열적 온도의 허용 가능 정도로서, 검출한 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상이면, 온도 센서(51)는 제어 장치에 조건 신호 1을 발생한다. 조건 신호 1은 0, 1 형태의 불(Bool) 대수일 수 있다.

전력 변환기를 구성하는 사이리스터 밸브(Thyristor Valve)의 열적 온도는 냉각 장치의 허용치가 된다. 즉, 전력 변환기의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상이면, 온도 센서(52)는 제어 장치에 조건 신호 2를 발생한다. 조건 신호 2는 0, 1 형태의 불(Bool) 대수일 수 있다.

온도 센서(53)는 시스템 설비의 주변 공기의 대기 온도와 미리 설정된 허용 온도를 비교하고, 검출한 온도가 허용 온도 이상이면, 제어 장치에 조건 신호 3을 발생한다. 조건 신호 3은 0, 1 형태의 불(Bool) 대수일 수 있다.

습도는 고압 직류 송전 시스템 설비 주위의 절연과 관련되어 있다. 즉, 습도가 높으면 절연 능력이 떨어지게 된다. 습도 센서는 검출한 습도가 미리 설정된 기준 습도 이상이 되면, 조건 신호 4를 제어 장치에 발생한다. 조건 신호 4는 0, 1 형태의 불(Bool) 대수일 수 있다.

제어 장치는 변압기 허용치, 전력 변환기의 허용치(냉각 장치의 허용치), 대기온도 허용치, 습도 허용치의 네 가지 조건이 모두 허용가능하면(1이면), 시스템을 정상 운전한다. 이때, 전류 제한치는 1.0pu를 갖고, 전력 기울기를 제한하지 아니한다. 한편, 상기 네 가지 조건들 중 하나라도 허용 가능하지 아니하면(0이면), 과부하 제어부는 전류 제한치를 상승시켜 과부하 제어를 수행한다.

과부하 제어는 고압 직류 송전 시스템 운전 중에 시스템의 설비들이 받는 스트레스의 영향으로 인해 시스템의 운전 중단, 고장, 사고(shutdown) 등이 발생하는 것을 예방하기 위한 제어 방식이다. 과부하 제어는 각 회선(pole)을 담당하여 정류기와 인버터 측 설비 중에 더 낮은 과부하 용량으로 제한을 둔다.

도 2를 참조하면, 상기 고압 직류 송전 시스템은, 상기 회선의 구성 기기에 연결되어 상기 회선을 보호하고, 상기 회선의 보호 기능에 이상이 발생하면 트립 신호를 생성하여 상기 제어 장치에 전송하는 보호 장치(70)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 과부하 제어부(41)는, 상기 트립 신호를 수신하면 상기 과부하 제어를 수행한다. 보호 장치의 트립 신호는 각 회선과 관련된 보호 기능 신호들을 취합한 신호이다. 보호 장치의 트립 신호는 각 회선의 보호 기능에 이상이 발생하는 경우에 발생하는 신호로서, 예를 들어 0, 1 형태의 불(Bool)대수일 수 있다.

도 2에서, 상기 보호 장치(70)는 직류 케이블(30)에 구비되어 DC 보호를 하는 것으로 도시되어 있으나, AC 부분에 설치되어 AC 보호를 수행할 수 있다. AC 보호는, 예를 들어 교류 버스 과전압 보호(154kV Busbar Protection), 변압기 보호(Converter Transformer Protection), 필터 보호(High Pass & Double Tuned Filter Protection) 등이다. AC 보호 기능 수행 중에 이상이 발생하면, 보호 장치(70)는 상기 트립 신호를 생성하여 제어 장치(40)에 전송할 수 있다.

제어 장치는 보호 기능의 이상이 없는 경우, 즉 보호 장치로부터 0의 트립 신호를 수신하면, 고압 직류 송전 시스템을 정상 운전한다. 그러나, 네 가지 조건들이 모두 허용 가능한 상태에서도 보호 장치가 1의 트립 신호를 전송하면, 과부하 제어부(41)는 전력 제한치를 상승시켜 과부하 제어를 수행하게 된다.

도 2를 참조하면, 상기 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 회선은, 상기 전류 제한치에 대한 변경 명령을 입력받는 입력 장치(80)를 더 포함하여 구성된다. 또, 입력 장치(80)는 전력 지령치를 입력받을 수 있다. 여기서, 입력 장치는 출력 기능을 포함할 수 있는 HMI(Human Man Interface)이다.

관리자 또는 사용자는 입력 장치(80)를 통해 전류 제한치 설정부(41a)에 변경 명령, 예를 들어 전류 제한치에 대한 기울기,을 입력할 수 있다. 과부하 제어부는, 상기 과부하 조건에 해당하거나, 또는 상기 트립 신호를 수신하면, 상기 전류 제한치를 제1 전류 제한치로부터 일정 레벨 이상 큰 제2 전류 제한치로 상승시켜 일정 시간 유지한다. 여기서, 일정 시간은 시스템 설비에 따라 견딜 수 있는 시간을 고려하여 결정된다. 회선 제어부의 입력인 전력 지령치는 과부하 제어의 수행 시점의 전력으로 유지된다. 과전류 제어부(41)는 과전류 제한과 전력 기울기 멈춤 여부를 회선 전력 제어부(42)에 전송한다.

또, 상기 과부하 제어부는, 상기 과부하 제어의 해제 시, 상기 제2 전류 제한치로부터 상기 제1 전류 제한치로 일정 기울기로 전류 제한치를 변경한다. 다만, 일정 시간 후에 과부하 제어가 해제되더라도, 보호 장치로부터의 트립 신호가 0으로 리셋되지 아니하고, 온도 또는 습도의 허용치가 허용 가능하지 아니한 상태라면, 제어 장치는 회선에 대한 새로운 전력 지령치가 입력되기 전까지 기울기를 시작하지 아니한다.

도 4를 참조하면, 과부하 제어부는 과부하 제어의 수행 시에 전류 제한치(Idc)를 제1 전류 제한치(A)에서 제2 전류 제한치(B)로 변경한다. 예를 들어, A는 1.0pu, B는 1.2pu 또는 1.3pu이다. 일정 시간(T) 경과 후에, 과부하 제어부는 전류 제한치를 정상 운전 시의 전류 제한치(A)로 변경하게 된다. 이때, 과전류 제어부는 입력 장치(80)를 통해 입력받은 기울기(a)에 따라 전류 제한치를 변경한다. 이 경우, 상기 변경 명령은 기울기(a) 설정 명령이 된다. 본 발명에서는 전류 제한치를 변경하는 것에 대해서만 설명하였으나, 전압 제한치 또는 전력 제한치를 변경하는 것에도 동일하게 적용할 수 있다.

도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 고압 직류 송전 시스템의 과부하 제어 방법은, 하나 이상의 회선을 형성하고, 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 송전하는 고압 직류 송전 시스템에 있어서, 전력 지령치를 근거로 전력을 변환하여 송전하는 정상 송전 단계(S10)와, 과부하 조건을 입력받는 조건 판단 단계(S20)와, 상기 회선의 보호 기능에 이상 발생을 판단하는 이상 판단 단계(S30)와, 상기 과부하 조건에 해당하거나, 또는 이상이 발생하면, 과부하 제어를 수행하는 과부하 제어 단계(S40)와, 상기 과부하 제어가 해제되면, 새로운 전력 지령치를 근거로 전력을 변환하여 송전하는 과부하 해제 단계(S50)를 포함하여 구성된다. 이하 구성에 대한 설명은 도 1 내지 도 4를 참조한다.

여기서, 상기 과부하 조건은, 상기 회선을 형성하는 변압기의 온도, 전력 변환기의 온도, 주변 온도, 및 습도 중 하나 이상이다.

도 6a를 참조하면, 변압기의 온도는 변압기의 열적 온도의 허용 가능 정도로서, 검출한 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상이면, 고압 직류 송전 시스템은 과부하 제어를 수행한다(S21). 전력 변환기를 구성하는 사이리스터 밸브(Thyristor Valve)의 열적 온도는 냉각 장치의 허용치가 된다. 즉, 전력 변환기의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상이면, 상기 시스템은 과부하 제어를 수행한다(S22). 상기 시스템은 시스템 설비의 주변 공기의 대기 온도와 미리 설정된 허용 온도를 비교하고, 검출한 온도가 허용 온도 이상이면, 과부하 제어를 수행한다(S23). 습도는 고압 직류 송전 시스템 설비 주위의 절연과 관련되어 있다. 즉, 습도가 높으면 절연 능력이 떨어지게 된다. 상기 시스템은 검출한 습도가 미리 설정된 기준 습도 이상이 되면, 역시 과부하 제어를 수행한다. 즉, 상기 시스템은 변압기 허용치, 전력 변환기의 허용치(냉각 장치의 허용치), 대기온도 허용치, 습도 허용치의 네 가지 조건이 모두 허용가능하면(1이면), 정상 운전한다. 이때, 전류 제한치는 1.0pu를 갖고, 전력 기울기를 제한하지 아니한다. 한편, 상기 네 가지 조건들 중 하나라도 허용 가능하지 아니하면(0이면), 상기 시스템은 전류 제한치를 상승시켜 과부하 제어를 수행한다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 과부하 제어 단계(S40)는, 상기 전류 제한치를 제1 전류 제한치로부터 일정 레벨 이상 큰 제2 전류 제한치로 상승시켜(S41) 일정 시간 유지한다(S42). 도 4를 참조하면, 상기 시스템은 과부하 제어의 수행 시에 전류 제한치(Idc)를 제1 전류 제한치(A)에서 제2 전류 제한치(B)로 변경하고, 이를 일정 시간(T) 유지한다. 예를 들어, A는 1.0pu, B는 1.2pu 또는 1.3pu이다.

상기 과부하 해제 단계(S50)는, 상기 과부하 제어의 해제 시, 적용될 상기 전류 제한치에 대한 기울기를 입력받는 과정(미도시)과, 상기 제2 전류 제한치로부터 상기 제1 전류 제한치로 상기 기울기로 전류 제한치를 변경하는 과정(S52)을 포함하여 구성된다. 일정 시간(T) 경과 후에, 상기 시스템은 전류 제한치를 정상 운전 시의 전류 제한치(A)로 변경하게 된다. 이때, 상기 시스템은 입력 장치(80)를 통해 입력받은 기울기(a)에 따라 전류 제한치를 변경한다. 이 경우, 상기 변경 명령은 기울기(a) 설정 명령이 된다. 다만, 일정 시간 후에 과부하 제어가 해제되더라도, 보호 장치로부터의 트립 신호가 0으로 리셋되지 아니하고, 온도 또는 습도의 허용치가 허용 가능하지 아니한 상태라면, 상기 시스템은 회선에 대한 새로운 전력 지령치가 입력되기 전까지 기울기를 시작하지 아니한다(S53).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 고압 직류 송전 시스템, 이의 제어 장치 및 과부하 제어 방법은 종래의 과부하 제어의 단점을 극복하고 고압 직류 송전 시스템의 안정성을 제고한다. 본 발명의 실시 예들은 고압 직류 송전 시스템에 있어서 안정적인 과부하 제어를 수행함으로써 사고를 방지하고 시스템의 운전 효율 및 안정성을 제고한다. 본 발명의 실시 예들은 과부하에 영향을 미치는 요소를 상세 분석하여 과부하 제어를 수행하고, 시스템 설비 허용치들을 고려하여 적용함으로써 오동작 확률을 낮추고 더욱 안정적으로 시스템을 제어할 수 있다.

10: 변압기 20: 전력 변환기
30: 직류 케이블 40: 제어 장치
51, 52, 53: 온도 센서 54: 습도 센서
60: 냉각 장치 70: 보호 장치
80: 입력 장치