전력 수요의 급증에 따라, 신재생 에너지와 같은 대용량의 에너지원을 통한 장거리 송전의 필요성이 대두되었으며 효율성과 경제성을 고려한 HVDC (High Voltage Direct Current) 송전이 이에 특화된 기술로 큰 주목을 받아 왔다.
1954년 스웨덴 Gotland를 시작으로, 현재까지 수백 개 이상의 지역에 적용되어 온 HVDC 기술은, 1970년 중반까지 Thyristor 기반의 Mercury Arc Valve를 중심으로 전류형 컨버터 시스템의 상당한 개발이 이루어져왔다. 21세기 초 10년 동안은 HVDC의 새로운 기술 개발에 집중함에 따라, HVDC 시장의 수요가 상당히 증가하였으며 IGBT 소자를 사용하는 전압형 컨버터 시스템에 대한 개발이 집중됨에 따라, 기존 전류형 컨버터 시스템과는 또 다른 사고 보호 대책과 제어 기술이 요구되기 시작했다.
관련하여, 보편적인 2-level 전압형 시스템의 대용량 커패시터에 의한 막대한 사고 전류 문제와 큰 변환 손실 및 낮은 효율성에 대한 개선을 위해, IGBT와 커패시터로 구성되는 서브모듈 구조의 모듈화 멀티레벨 컨버터 기술 (Modular Multilevel Converter, MMC)이 연구 개발의 큰 이슈가 되기 시작했다. MMC 기술은 보편적인 전압형 컨버터 벨브가 갖는 전압 가변의 제한 문제를 해결하여 유연한 전압레벨 향상을 가능하게 하였으며, 경제성과 효율성, 고조파 감소와 같은 뚜렷한 장점을 가짐으로써 FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System)와 전압형 HVDC 시스템의 핵심 요소로 주목 받아왔다.
현재까지 MMC 기술은, 서브 모듈의 동작 특성과 PWM (Pulse Width Modulation)을 포함한 다양한 제어 기술에 대한 연구를 활발히 진행해 왔으며, 최근에는 서브모듈에 대한 새로운 토폴로지를 제안하는 연구가 주를 이루고 있다. 상기 관련 연구는 유럽과 중국을 중심으로 연구소 및 학계에서 활발한 연구가 진행되고 있는 추세이다. 반면에, MMC 기술을 기반으로 한 HVDC 시스템에서의 고장 전류 및 과전압 분석과 사고 보호 대책 연구는 거의 존재하지 않는 상황이다.
최근 HVDC 핵심 기술을 이끌어가는 주요 3社를 비롯한 학계에서는, MMC 기술의 대표적인 서브모듈로 알려진 하프 브리지 (Half-Bridge, HB)와 풀 브리지 (Full-Bridge, FB)를 기반으로 한 HVDC 시스템에서의 고장전류 특성 분석 및 그에 대한 보호대책 연구의 필요성을 논의하고 있는 추세이다. 안정성과 신뢰성이 확보된 MMC 기술의 상용화 및 직류 그리드의 현실화를 위해서는 관련 연구가 필수적으로 선행되어야하기 때문이다.
본 논문에서는, 보편적인 2-Level 전압형 HVDC 시스템과 하프 브리지 및 풀 프리지 MMC 기반 HVDC 시스템의 모델링 및 고장전류 특성 분석 기법을 정립하여, DC 차단 요구조건을 도출 하였다.
결과를 기반으로 고장전류 감소 및 과전압 보호를 위한 DC 차단기 및 한류기 모델링 기법을 제안하였으며, 시스템 적용을 통해 시뮬레이션 결과에 기반을 두어 한류 차단 방식에 대한 적용 타당성 연구를 진행하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, Matlab/Simulink 및 PSCAD/EMTDC 프로그램을 활용하여 전압형 HVDC 시스템 및 MMC HVDC 시스템의 모델링 기법에 대한 연구를 수행 하였다. 또한 지락 및 단락 사고를 모의하여, 2-Level, 하프 브리지 및 풀 브리지 HVDC 시스템의 동작 특성 및 고장 전류 특성에 대한 비교 분석을 수행 하였다. 이를 기반으로 하여, 각 HVDC 시스템에 대한 사고 보호 대책으로써 HVDC 차단기와 한류기에 대한 필요성 고찰 및 요구 조건을 도출하였다.

둘째, HVDC 차단기와 한류기에 대한 모델링 기법 연구를 진행하여, 보편적인 2-level 전압형 test-bed 모델에 적용함으로써 전력기기의 동작 특성에 대한 분석이 선행 되었다. HVDC 차단기 설계 대상은, 최근 HVDC 시스템적용에 가장 적합한 차단기 유형으로 간주됨에 따라 주요 3社와 중국 등에서 지속적인 개발에 집중하고 있는 하이브리드 차단기에 대한 모델링 및 동작 특성에 대한 분석이 진행 되었다. 보편적인 차단기로 알려진 역전압 방식, 기계식 차단기 등에 대한 연구는 선행 연구를 통해 다수 진행되었기 때문에 추가적으로 수행하지 않았다. HVDC 한류기 모델링에 대한 설계 대상은 총 4종류로, 퀜칭 방식을 통해 고장전류의 크기를 제한하는 저항형 한류기 (Resistivie Superconducting Fault Current Limiter, R-SFCL), 퀜칭 방식과 변압기 1차/2차 측 비율을 통해 고장전류를 제한하는 유도형 한류기 (Inductive Superconducting Fault Current Limiter, I-SFCL), 퀜칭 방식을 사용하지 않고 Iron Core의 포화 방식을 활용하여 고장전류를 제한하는 포화 철심형 한류기 (Saturated Iron Core Superconducting Fault Current Limiter, SI-SFCL)와 한류기 혼합형 구조로 구성되는 하이브리드형 한류기이다.

셋째, MMC 기반 HVDC 시스템에서의 사고보호 대책에 대한 적절한 보호 대책을 제안하기 위해 하프 브리지 및 풀 브리지 기반의 HVDC 시스템에서의 고장전류 및 과전압에 대한 분석이 선행 되었다. 본 연구에서는, 한류 차단특성에 대한 검증 작업을 진행하기에 앞서, 하이브리드 차단기를 하프 브리지 기반의 HVDC 시스템에 적용하여 차단 특성 및 시스템의 회복 특성에 대한 시뮬레이션 분석이 진행 되었다. 풀 프리지 기반의 HVDC 시스템에서는 직류 차단기를 필수적으로 요구하지 않기 때문에 기계식 차단기를 적용하여 차단 특성 및 시스템 회복 특성에 대한 분석을 진행하였다. 결과적으로, 하프 브리지 기반 MMC HVDC 시스템 내 DC 차단기가 적용된 사고 보호 대책이 풀 브리지 기반 HVDC 시스템보다 향후 직류 그리드 적용 시 보다 적합한 방식이 될 것으로 사료 되었다.

넷째, 상기 연구 결과를 기반으로 MMC 기반 HVDC 시스템에서 발생 가능한 다양한 사고에 대한 보호 대책 방안을 제안하기 위해, HVDC 차단기와 한류기를 유형 별로 구분, 시스템에 적용하여 한류 차단 및 시스템 회복 특성에 대한 분석을 심도 있게 진행하였다. 보호 알고리즘을 시스템 유형별로 정의하여 시스템 전반적인 측면에서 장, 단점에 대한 상세분석을 진행하였다. 결과로부터, 포화 철심형 한류기와 저항 소자로 구성되는 하이브리드 한류기와 차단기를 적용하는 것이, DC 산업의 최종 목적으로 간주되는 MMC 기반 DC 그리드 적용 시 최적 토폴로지가 될 수 있을 것으로 사료 되었다.

본 연구를 통해, 국내외에서는 아직까지 다루어지지 않았던 MMC 기반 HVDC 시스템에서의 한류 차단 특성 및 시스템 회복 특성에 대한 전반적인 비교 분석을 수행 하였다. 현재까지 진행된 연구의 범위가 차단기 유형 별 차단 특성과 저항형 한류기의 한류 특성 분석에 국한되어 있다는 측면에서, 본 연구의 결과는 DC 그리드 현실화를 위한 한류 차단 기술과 보호 협조 및 재폐로 방안을 정립하기 위한 중요한 데이터가 될 것으로 사료된다.