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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김철환
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
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본 논문은 Multi-Terminal DC 배전계통의 고장특성을 고려하여, 고장 검출부터 고장구간 격리까지의 전반적인 보호 기능을 수행하기 위한 전력용 반도체형 한류기 기반의 보호시스템을 제안 및 검증하였다.
최근 신재생 에너지원을 활용한 분산전원 및 직류 기반 디지털 부하에 대한 비중이 증가함에 따라, 효율적인 전력계통 운영을 위한 대책으로 직류 기반 시스템에 대한 연구 및 개발이 활발해졌다. 특히 대규모 전력을 송전하기 위한 해저 케이블에만 적용하던 기존과 달리, Internet Data Center (IDC)나 마이크로그리드와 같이 배전계통으로도 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 직류 계통은 기존 교류 계통과 비교하여 계통 연계 시 동기화, 선로 손실 및 변환 효율 등을 포함한 에너지 효율, 통신선 유도장해, 그리고 인체 안전 등의 측면에서 다양한 장점을 지니고 있다. 반면에 영점 차단의 불가로 인해 기존 차단기의 적용이 어렵다는 점과 전력변환기기의 존재로 인해 새로운 보호방식의 개발이 필요하다는 점이 주요 도전과제이다. 하지만 직류 계통의 보호시스템에 관한 연구는 아직 초기 단계로, 이와 같은 도전과제를 극복할 수 있는 총체적인 보호시스템을 개발하기 위한 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 직류 계통의 고장특성 분석을 통해 보호 요구조건을 우선적으로 정립하고, 이를 만족시킬 수 있는 전력용 반도체형 한류기 기반의 보호시스템을 제안하였다. 특히 본 연구는 단순한 방사상 형태의 직류 배전계통이 아닌, 분산전원 등을 포함한 다중 전원을 갖는 Multi-Terminal DC 배전계통을 대상으로 수행되었다.
본 연구에서 제안된 보호시스템에서 전력용 반도체형 한류기는 Multi-Terminal DC 배전계통에 고장 발생 시 신속한 고장 검출 및 한류 동작을 수행하여, AC/DC 컨버터를 보호하고 커패시터 방전전류의 크기 및 상승률을 제한하는 기능을 한다. 이를 통해 타 보호 알고리즘과의 협조가 가능하게 하며, 본 연구에서는 고장구간 판별 알고리즘과 협조하게 된다. 또한 본 보호시스템은 Multi-Terminal DC 배전계통에 연계된 분산전원의 안정적 운영을 위해 Low Voltage Ride Through (LVRT) 요구조건을 기준으로 협조 및 운영된다. 따라서 전력용 반도체형 한류기의 일시고장 판별기법은 LVRT 요구조건을 기준으로 수행된다. 제안된 보호시스템의 전력용 반도체형 한류기 및 고장구간 판별 알고리즘의 동작 결과에 따라 보호기기를 동작시키는 고장대응 운영영구이 수행된다. 영구고장으로 판별될 경우, 계통 내 DC/DC 컨버터들 간의 정보 교환을 통해 특정된 고장구간을 격리시킨 후 계통을 운영한다. 반면에 일시고장일 경우에는 전력용 반도체형 한류기의 보호 동작 수행을 중단하고 계통을 정상 운영한다. 이와 같이 제안된 보호시스템의 일련의 동작과정을 다양한 시나리오에 대한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 본 논문에서 제안된 보호시스템을 바탕으로 현재 직면하고 있는 보호 측면의 도전과제들을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성 있는 Multi-Terminal DC 배전계통의 구축이 가능할 것으로 기대된다.
최근 신재생 에너지원을 활용한 분산전원 및 직류 기반 디지털 부하에 대한 비중이 증가함에 따라, 효율적인 전력계통 운영을 위한 대책으로 직류 기반 시스템에 대한 연구 및 개발이 활발해졌다. 특히 대규모 전력을 송전하기 위한 해저 케이블에만 적용하던 기존과 달리, Internet Data Center (IDC)나 마이크로그리드와 같이 배전계통으로도 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 직류 계통은 기존 교류 계통과 비교하여 계통 연계 시 동기화, 선로 손실 및 변환 효율 등을 포함한 에너지 효율, 통신선 유도장해, 그리고 인체 안전 등의 측면에서 다양한 장점을 지니고 있다. 반면에 영점 차단의 불가로 인해 기존 차단기의 적용이 어렵다는 점과 전력변환기기의 존재로 인해 새로운 보호방식의 개발이 필요하다는 점이 주요 도전과제이다. 하지만 직류 계통의 보호시스템에 관한 연구는 아직 초기 단계로, 이와 같은 도전과제를 극복할 수 있는 총체적인 보호시스템을 개발하기 위한 연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 직류 계통의 고장특성 분석을 통해 보호 요구조건을 우선적으로 정립하고, 이를 만족시킬 수 있는 전력용 반도체형 한류기 기반의 보호시스템을 제안하였다. 특히 본 연구는 단순한 방사상 형태의 직류 배전계통이 아닌, 분산전원 등을 포함한 다중 전원을 갖는 Multi-Terminal DC 배전계통을 대상으로 수행되었다.
본 연구에서 제안된 보호시스템에서 전력용 반도체형 한류기는 Multi-Terminal DC 배전계통에 고장 발생 시 신속한 고장 검출 및 한류 동작을 수행하여, AC/DC 컨버터를 보호하고 커패시터 방전전류의 크기 및 상승률을 제한하는 기능을 한다. 이를 통해 타 보호 알고리즘과의 협조가 가능하게 하며, 본 연구에서는 고장구간 판별 알고리즘과 협조하게 된다. 또한 본 보호시스템은 Multi-Terminal DC 배전계통에 연계된 분산전원의 안정적 운영을 위해 Low Voltage Ride Through (LVRT) 요구조건을 기준으로 협조 및 운영된다. 따라서 전력용 반도체형 한류기의 일시고장 판별기법은 LVRT 요구조건을 기준으로 수행된다. 제안된 보호시스템의 전력용 반도체형 한류기 및 고장구간 판별 알고리즘의 동작 결과에 따라 보호기기를 동작시키는 고장대응 운영영구이 수행된다. 영구고장으로 판별될 경우, 계통 내 DC/DC 컨버터들 간의 정보 교환을 통해 특정된 고장구간을 격리시킨 후 계통을 운영한다. 반면에 일시고장일 경우에는 전력용 반도체형 한류기의 보호 동작 수행을 중단하고 계통을 정상 운영한다. 이와 같이 제안된 보호시스템의 일련의 동작과정을 다양한 시나리오에 대한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 본 논문에서 제안된 보호시스템을 바탕으로 현재 직면하고 있는 보호 측면의 도전과제들을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성 있는 Multi-Terminal DC 배전계통의 구축이 가능할 것으로 기대된다.
목차
제1장 서 론 11. 직류 배전계통의 이해 12. 기존 연구 43. 연구의 필요성 64. 연구의 내용 85. 논문의 구성 9제2장 고장특성에 따른 Multi-Terminal DC 배전계통의 보호 요구조건 111. Multi-Terminal DC 배전계통 112. 직류 배전계통의 고장특성 14가. AC/DC 컨버터 14나. DC/DC 컨버터 19다. 태양광 시스템 213. Multi-Terminal DC 배전계통의 보호 요구조건 25가. AC/DC 컨버터 보호 25나. 커패시터 방전전류 크기 및 상승률 억제 28다. Low Voltage Ride Through (LVRT) 요구조건 고려 31제3장 전력용 반도체형 한류기 기반의 Multi-Terminal DC 배전계통의 보호시스템 개발 341. 전력용 반도체형 한류기 제안 34가. 전력용 반도체형 한류기의 이해 34나. 제안된 전력용 반도체형 한류기의 구조 38다. 제안된 전력용 반도체형 한류기의 동작 시퀀스 422. 직류 배전계통의 고장구간 판별 기법 개발 52가. 직류 배전계통의 구조적 특성 52나. 제안된 고장구간 판별기법 553. Multi-Terminal DC 배전계통의 보호시스템 개발 58가. 제안된 보호시스템의 개요 58나. 제안된 보호시스템의 운영 알고리즘 63제4장 시뮬레이션 및 결과 분석 681. 시뮬레이션 조건 68가. Multi-Terminal DC 배전계통 모델링 68나. 모의 시나리오 732. 모의계통 및 전력용 반도체형 한류기 모델링 검증 76가. 모의계통의 정상상태 운영 76나. 전력용 반도체형 한류기의 보호기능 823. 전력용 반도체형 한류기 기반의 MTDC 배전계통 보호시스템 검증을 위한 시뮬레이션 결과 분석 90가. 제안된 보호시스템의 보호 성능 검증 91나. 다양한 조건에 대한 제안된 보호시스템의 유연성 검증 99제5장 결 론 114[참 고 문 헌] 117[Abstract] 124
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