LVDC 배전망 단락 사고 시 보호협조를 위한 FCL 컨버터 토폴로지 및 운용 기법 :FCL Converter Topology and Operation Technique for Protection Cooperation in LVDC Distribution Systems

최새한울

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최새한울 (전남대학교 )

지도교수: 박성준

발행연도: 2023

저작권: 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

LVDC 배전망 단락 사고 시 보호협조를 위한 FCL 컨버터 토폴로지 및 운용 기법

최새한울 전기공학과 2023.01 학위논문

2022

LVDC 배전망 보호협조를 위한 FCL 운용 방안

최새한울 , 오승열 , 최정식 외 4명 대한전기학회 학술대회 논문집 2022.05 학술대회자료

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지구온난화로 인한 이상기후 현상을 극복하기 위해 국제사회는 1997년 ‘교토의정서’ 채택에 이어 2015년 파리협정을 채택했고, 우리나라는 2016년 11월에 파리협정을 비준하였다. 파리협정은 2050년까지 탄소 중립 사회로의 전환을 통해 지구 온도 상승을 1.5℃ 이하로 억제할 필요성을 강조했다. 탄소 중립 사회로의 발전을 위해 신재생 에너지 및 분산전원에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 신재생 에너지와 분산전원의 Directive Current (DC) 계통과의 연계 연구가 가속화되고 있다. DC 계통은 종래의 Alternative Current (AC) 계통과 달리 주파수 성분 및 무효전력이 없고, 선로 저항이 낮으며 신재생 에너지 및 분산전원과의 계통연계 과정에서 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있다. 이러한 DC 배전의 연구와 실증이 계속됨에 따라 DC 배전 및 DC 기기의 개발뿐만 아니라, DC 배전시스템 레벨에서의 운용 및 보호 협조 기술이 요구된다. 하지만 일반적인 DC 배전 계통에서는 DC 전원의 공급을 위한 컨버터의 보호 동작이 기존의 AC 배전망의 보호기기보다 훨씬 빠르므로, 보호 기기 간의 보호 협조 운용을 어렵게 하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 논문은 Low-Voltage DC (LVDC) 배전망에서 단락 사고 발생 시 전위 차단기가 동작하기 전 반응하는 전력변환장치의 과전류 보호 특성을 고려하여, 고장 전류를 제한함으로써 전위 차단기의 협조 시간을 제공하고 사고 구간을 최소화
할 수 있는 Fault Current Limiter (FCL) 컨버터의 토폴로지 및 운용 방안에 대해분석하였다. 본 논문에서는 양방향 Buck 컨버터 기반 FCL의 동작 특성을 바탕으로 운용 시퀀스 및 하이브리드 모드 전류제어 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 FCL
컨버터의 하이브리드 모드 전류제어기는 초기에 단락 전류 발생 시 Peak Current Mode Control (PCMC)를 도입하여 제어기의 ADC 샘플링 딜레이로 인한 초기 단락 과전류에 대한 문제를 해결하고, 보호기기가 동작 시간 동안 단락 전류를 제한 하기 위해 일반적인 전류제어를 수행한다. 제안하는 FCL 컨버터의 하이브리드 모드 전류제어기는 전력전자 회로 시뮬레이션 툴인 PSIM 프로그램과 150kW급 시작품을 통해 한류 성능을 검증하였다.

To overcome the phenomenon of abnormal weather patterns caused by global warming, the international community adopted the Kyoto Protocol in 1997, followed by the Paris Agreement in 2015. In November 2016, South Korea ratified the Paris Agreement. The Paris Agreement emphasized the need to transition to a carbon-neutral society, where carbon emissions reach zero, by 2050 in order to limit the increase in global temperature to within 1.5℃. In order to achieve the development of a carbon-neutral society, extensive research is being conducted on renewable energy and distributed power generation. Furthermore, research on the connection between renewable energy, distributed power generation, and the Direct Current (DC) system is accelerating. In order to achieve the development of a carbon-neutral society, extensive research is being conducted on renewable energy and distributed power generation. Furthermore, research on the connection between renewable energy, distributed power generation, and the Direct Current (DC) system is accelerating. Unlike the conventional Alternating Current (AC) system, the DC system does not have frequency components or reactive power, and it has lower line resistance. As a result, it can achieve high power conversion efficiency during the process of connecting renewable energy and distributed power generation.However, in a typical DC distribution system, the protective operation of converters for DC power supply is much faster than the protective devices in conventional AC distribution networks, creating a challenge in achieving cooperation among the protective devices. As research and demonstration of DC distribution progress, it is anticipated that not only the development of DC distribution and DC devices but also operational and cooperative protection technologies at the system level will be required. This paper analyzes the topology and operation methods of Fault Current Limiter (FCL) converters in the Low-Voltage DC (LVDC) distribution network, taking into account the overcurrent protection characteristics of the power conversion device that reacts before the circuit breaker operates in the event of a short circuit fault. The objective is to limit the fault current, thereby providing cooperation time for the circuit breaker and minimizing the affected section. Furthermore, based on the operating characteristics of a bidirectional Buck converter-based Fault Current Limiter(FCL), this paper proposes the operating sequence and a hybrid current control algorithm. The proposed hybrid mode current controller for the FCL converter introduces Peak Current Mode Control (PCMC) initially to address the issue of excessive fault current due to the ADC sampling delay in the controller. Subsequently, it performs conventional current control to limit the fault current during the operation time of the protective device. The proposed hybrid mode current controller for the FCL converter was validated for its current-limiting performance using the power electronics circuit simulation tool, PSIM program, and a 150kW rated prototype.

#LVDC #보호협조 #FCL

1. 서론 1
가. 연구 배경 및 필요성 1
나. 논문의 구성 3
2. 배전 시스템의 보호협조 4
가. AC 계통망의 보호협조 4
1) AC 계통망의 구성 4
2) 기존 AC 계통에서의 보호협조 방안 5
나. DC 배전망의 보호협조 6
1) HVDC, MVDC, LVDC의 분류 6
2) LVDC 배전망의 구성 7
3) LVDC 배전망의 기존 보호협조 방안 8
4) 한류형 컨버터를 적용한 보호협조 방안 10
3. LVDC 배전망 전류 제한기능을 위한 FCL 컨버터 12
가. FCL 컨버터 12
1) FCL 구현 방식의 분류 12
2) 다양한 전력변환장치의 한류 제어 가능 여부 분석 13
나. FCL 컨버터 선정 및 설계 16
1) FCL 기능 구현을 위한 컨버터 선정 16
2) FCL 기능 구현을 위한 시퀀스 설계 17
4. FCL 컨버터 분석 및 제어기 설계 19
가) FCL 컨버터의 동작 특성 및 수학적 모델링 19
나) FCL 컨버터의 제어기 설계 24
1) FCL 컨버터 디지털 제어기 24
2) FCL 컨버터 하이브리드 제어기 제안 31
5. 시뮬레이션 및 실험 결과 33
가. 시뮬레이션 33
1) 시뮬레이션 조건 33
2) 시뮬레이션 결과 35
가) FCL 컨버터의 시뮬레이션 결과 30
나. 실험 구성 및 결과 37
1) 실험 환경 구성 37
2) 실험 결과 고찰 38
가) FCL 컨버터 실험 결과 38

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