KR20180096999A - Fault current limiting for DC grid type and the method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기에 있어서, 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서; 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하는 IGBT 스위치; 상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 1차로 고장 전류 차단 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈; 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하도록 역전압을 인가하는 역전압 커패시터; 상기 한류 경로와 병렬로 배치되어 상기 역전압 커패시터에 의해 제한된 고장 전류를 방전시켜 과전압을 방지하는 서지 어레스터; 및 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.A fault current limiter for a DC grid according to the present invention is a fault current limiter provided between a converter for converting AC power into DC power and a DC power system to limit a fault current, A sensor for detecting a fault current according to a change; An IGBT switch provided on a main current path through which a steady-state current flows from the converter to a DC power system, and which interrupts a fault current by a switching operation when the sensor senses a fault current; The IGBT switch is connected in series, and after the fault current is firstly cut off from the IGBT switch, the main current path is cut off secondarily so that the fault current is bypassed to the current flow path, A switch module forming a reclosing path; A reverse voltage capacitor arranged in parallel with the main current path provided with the IGBT switch and the switch module to apply a reverse voltage to limit the fault current in the current flow path by the interrupting operation of the IGBT switch and the switch module; A surge arrestor disposed in parallel with the current flow path for discharging a fault current limited by the reverse voltage capacitor to prevent an overvoltage; And a controller for outputting a cut-off switching control signal of the IGBT switch and a cut-off switching control signal of the switch module and a switch-over switching control signal for forming a recloser when a fault current is sensed by the sensor.
Description
본 발명은 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있는 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fault current limiter for a DC grid and a control method thereof. More particularly, the present invention relates to a fault current limiter for a DC grid which can stably limit a fault current due to a high- And more particularly, to a fault current limiter for a DC grid and a control method thereof.
최근 장거리 대용량 송전에 특화된 DC 그리드 HVDC(High Voltage Direct Current) 송전 시스템은 21세기 핵심 전기에너지 전송선로로 주목받고 있다.Recently, the DC grid HVDC (High Voltage Direct Current) transmission system specialized in long-distance high capacity transmission has been attracting attention as a core electric energy transmission line in the 21st century.
이러한, DC 그리드 송전 시스템은 기존 지점간 전력 전송에 한정되는 단점을 극복하고, 교류전력계통과 같은 그리드망 구축이 가능하게 됨으로써 다양한 신재생 에너지원을 결합한 경로의 전력 교환이 가능하고, 에너지 효율 향상 및 전력 전송 안정성 향상 등의 장점이 있어 활발히 연구가 이루어지고 있다.This DC grid transmission system can overcome the disadvantages that are limited to existing point-to-point power transmission, and it is possible to construct a grid network such as an AC power system, thereby enabling power exchange of paths combining various renewable energy sources, And improvement of power transmission stability.
일반적으로, 고전압 전력 분야에 있어 종래의 교류 송배전망의 경우, 교번하는 전류?전압 특성으로 인해 전류 영점이 자연적으로 형성되어, 사고 시 차단기를 개방하여 순간적으로 발생하는 아크를 견디고 전류 영점이 형성되면 아크 소호를 통한 자연적인 차단을 진행하고 있다. 그러나 직류 시스템의 경우, 자연적인 전류 영점이 형성되지 않기 때문에 인위적으로 전류 영점을 형성해 주어야 한다.Generally, in the case of a high voltage electric power field, a current zero point is naturally formed due to an alternating current-voltage characteristic, a breaker is opened at the time of an accident to end an instantaneous arc and a current zero point is formed We are proceeding with natural blockade through arc arc. However, in the case of a direct current system, a natural current zero point is not formed, so a current zero point must be formed artificially.
현재 상용화된 직류 차단기의 경우, 기중에서 발생되는 아크의 냉각 및 분할을 통해 강제적으로 아크를 소호시켜 주고 있다. 그러나 이는 저전압인 1.5 kV 급에서나 가능한 적용 방안이며, 현재 논의되고 있는 직류 송배전망으로 정격 전압이 증가하게 될 경우 적용이 불가능한 기술이다. 따라서 DC 전류의 전류 영점을 인위적으로 형성시켜 줄 수 있는 방안이 요구된다. 이를 구현하기 위해 많은 방안들이 논의되고 있다.In the case of the commercialized DC circuit breaker, the arc is forced by the cooling and division of the arc generated in the machine. However, this is a possible application even at the low voltage of 1.5 kV, and it is impossible to apply it if the rated voltage increases due to the current DC transmission forecast. Therefore, there is a need for a method for artificially forming the zero point of the DC current. Many approaches are being discussed to implement this.
그 중 한류기는 전력계통에 큰 고장전류가 발생할 경우 고속으로 임피던스를 투입하여 고장전류를 적정한 값 이하로 한류시킴으로 전력기기의 기계적, 열적 스트레스 예방 및 계통 신뢰도를 향상시켜주는 장치이다.Among them, short-circuit current limiter is a device that improves the mechanical and thermal stress prevention and system reliability of electric power equipment by injecting high-speed impedance when a large fault current occurs in the power system and making the fault current less than the proper value.
이러한, 초전도 한류 기술은 대표적으로 저항형 초전도 한류기 및 포화 철심형 초전도 한류기로 구성된다. 본 종래기술은, 초전도체 특유의 특성을 활용함으로써 전력시스템의 전력 품질 및 안정도에 치명적인 악영향을 미치는 지락 또는 단락사고에 의한 과전류 억제를 위해 빠른 투입이 가능한 장점이 있다.Such superconducting current limiting techniques are typically composed of a resistive superconducting fault current limiter and a saturated iron core superconducting fault current limiter. This prior art has the advantage that it can be charged quickly to suppress the overcurrent due to a ground fault or a short circuit accident, which has a fatal influence on the power quality and stability of the power system by utilizing the characteristics peculiar to the superconductor.
도 1은 종래에 따른 하이브리드 차단기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 차단기는 전력용 반도체인 IGBT를 다수 활용한 하이브리드형 고전압 직류 차단기로 초고속으로 스위칭이 가능한 IGBT 스위치가 다량으로 사용되어 고비용이 요구되고, IGBT 소자에 고장 전류에 대한 차단 스트레스가 증가하게 되어 안정적인 차단에 의한 신뢰도가 떨어진다.FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a conventional hybrid circuit breaker. As shown in FIG. 1, the conventional circuit breaker is a hybrid type high voltage DC interrupter utilizing a large number of IGBTs for power semiconductor, and a large amount of IGBT switches capable of switching at a very high speed is used. And the reliability is lowered by the stable interception.
즉, 초전도 한류 기술의 경우, 크게 2가지 측면에서 문제점을 갖고 있다.That is, in the case of the superconducting current-wave technique, there are two problems.
첫 번째는 고비용이 요구되며 제작이 용이하지 않다는 것이다. 초전도 한류기는 보편적인 한류기에 비해, 냉각에 필요한 비용과 초전도체 구성을 위해 필요한 부피 상승으로 고비용을 초래할 수 있다. 더 나아가, 초전도체를 사용하지 않는 한류기에 비해 복잡한 구조로 구성되어 있어 제작이 용이하지 않는 문제점을 갖는다. The first is that high cost is required and fabrication is not easy. A superconducting fault current limiter can result in higher costs, due to the cost of cooling and the volume required for superconductor construction, compared to conventional free-fall systems. Furthermore, the structure is complicated as compared with a current-limiting device that does not use a superconductor, so that it is not easy to manufacture.
두 번째는 보호협조 및 재폐로가 용이하지 않다는 것이다. 초전도 한류기의 경우, 정상상태에서는 임피던스가 거의 제로에 가까우며, 사고 시 초전도 한류기의 ?칭 현상을 통해 순간적으로 임피던스를 발생시킴으로써 고장전류를 효과적으로 제어 및 차단하는 기술이다. 따라서, 정상상태 회복을 위해서는 한류기 회복이 필수적으로 요구되나, 초전도 한류기 회복을 위해 요구되는 시간은 보통 수 초 ~ 분이기 때문에, 보호협조 및 재폐로에는 적합하지 않다. 또한, 회복 시간동안 초전도 한류기가 감당해야 하는 손실이 크다는 점에서 이에 대한 보완이 필수적으로 요구된다. The second is that it is not easy to coordinate and reclose. In the case of a superconducting fault current limiter, the impedance is almost zero at steady state, and it is a technology to effectively control and shutdown the fault current by instantaneously generating an impedance through the phenomenon of superconducting fault current fault at the accident. Therefore, the recovery of the cold current is essential for the recovery of the normal state, but the time required for the recovery of the superconducting fault current is usually from a few seconds to a minute, so it is not suitable for the protection cooperation and reclosing. In addition, since the superconducting fault current limiter has a large loss to be absorbed during the recovery time, it is essential to compensate for this.
따라서, 이러한 초전도 한류기는, 초전도체 특유의 특성을 활용하여 지락 또는 단락사고에 의한 과전류 억제를 위해 빠른 투입이 가능한 기술로써, 교류 시스템용 한류기 개발에 국한되어 전 세계적으로 상용화되어 있다. 하지만, 상기 언급한 종래 기술의 문제점인 보호협조 및 재폐로의 난이함, 고비용 및 제작의 어려움은 DC 그리드 적용을 위해 필수적으로 해결해야 문제점이 있다.Therefore, such a superconducting fault current limiter is a technology capable of quick input for suppressing an overcurrent due to a ground fault or short-circuit accident utilizing the characteristics unique to a superconductor, and is limited to the development of a current limiter for an alternating current system. However, the problems of the above-mentioned conventional technology, such as difficulty in cooperating and reclosing, difficulty in manufacturing, and difficulty in manufacturing, have been a problem to be solved for DC grid application.
본 발명은 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있는 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a fault current limiter for a DC grid and a control method thereof, which can stably limit a fault current according to a high-power accident by applying a switching structure to a fault current limiter, And a method thereof.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기에 있어서, 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서; 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하여 우회시키는 IGBT 스위치; 상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 1차로 고장 전류 차단 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈; 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하도록 역전압을 인가하는 역전압 커패시터; 상기 한류 경로와 병렬로 배치되어 상기 역전압 커패시터에 의해 제한된 고장 전류를 방전시켜 과전압을 방지하는 서지 어레스터; 및 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fault current limiter for a DC grid, the fault current limiter being provided between a converter for converting AC power into DC power and a DC power system to limit a fault current, A sensor for detecting a fault current according to a change in current of the DC power supplied to the inverter; An IGBT switch provided on a main current path through which a steady-state current flows from the converter to the DC power system, and which bypasses and bypasses a fault current by a switching operation; The IGBT switch is connected in series, and after the fault current is firstly cut off from the IGBT switch, the main current path is cut off secondarily so that the fault current is bypassed to the current flow path, A switch module forming a reclosing path; A reverse voltage capacitor arranged in parallel with the main current path provided with the IGBT switch and the switch module to apply a reverse voltage to limit the fault current in the current flow path by the interrupting operation of the IGBT switch and the switch module; A surge arrestor disposed in parallel with the current flow path for discharging a fault current limited by the reverse voltage capacitor to prevent an overvoltage; And a controller for outputting a cutoff switching control signal of the IGBT switch and a cutoff switching control signal of the switch module and a switching control signal for switching to a closed circuit.
여기서, 특히 상기 센서의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기 전단에 각각 마련되어 고장 전류의 증가율을 감소시키는 리액터를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.The reactor further includes a reactor which is provided respectively at a rear end of the sensor and at a front end of the circuit breaker of the DC power system to reduce an increase rate of a fault current.
여기서, 특히 상기 리액터와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결되어 고장 전류의 영점 발생시 직류 전력시스템의 전류 공급을 차단하는 차단기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.And a circuit breaker connected in series between the reactor and the DC power system for interrupting current supply to the DC power system when a zero point of a fault current is generated.
여기서, 특히 상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 스너버 커패시터를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the present invention further includes a snubber capacitor connected in parallel with the IGBT switch to lower a transient voltage applied to the IGBT switch.
여기서, 특히 상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 점에 그 특징이 있다.Particularly, the switch module is characterized in that any one of a piro actuator switch, a vacuum interrupter and an IGBT switch is applied.
여기서, 특히 상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the pyroactuator switch is constituted by a plurality of pyroelectric actuators, and is characterized in that it is sequentially switched every time a fault current is generated to form a recloser.
여기서, 특히 상기 제어기는 상기 센서로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the controller outputs a control signal for shutting down the IGBT switch in an off state sequentially when a fault current is sensed from the sensor, and then outputs a control signal for shutting off the switch module, And a control signal is outputted so as to switch to the ON state.
여기서, 특히 상기 제어기는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 점에 그 특징이 있다.In particular, in the case where the controller forms the reclosing after the breaker is turned on, the controller outputs a control signal to switch the switch module and the IGBT switch to the on state, and thereafter switches the breaker to the off state And is characterized in that it outputs a control signal.
여기서, 특히 상기 역전압 커패시터와 병렬로 연결되어 충전 전압의 피크치를 조절하는 댐핑 저항; 상기 역전압 커패시터에 병렬로 연결되어 커패시터의 전압을 방전하도록 스위칭하는 커패시터 스위치; 및 상기 스위치와 직렬로 연결되어 방전시 전류를 안정적으로 방전시키는 방전 저항을 포함하는 점에 그 특징이 있다.A damping resistor connected in parallel to the reverse voltage capacitor to adjust a peak value of the charging voltage; A capacitor switch connected in parallel to the reverse voltage capacitor for switching to discharge the voltage of the capacitor; And a discharging resistor connected in series with the switch for discharging the current stably during discharging.
또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법은, 컨버터에서 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 단계; 상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하는 단계; 상기 IGBT 스위치를 1차로 차단한 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시키는 단계; 상기 한류 경로로 우회된 고장 전류를 역전압 커패시터에 의해 역전압을 인가하여 제한하는 단계; 상기 제한된 고장 전류를 서지 어레스터를 통해 방전시키는 단계; 상기 고장 전류가 영점되면, 차단기가 동작하는 단계; 및 상기 차단기의 차단 동작 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하는 단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a fault current limiter for a DC grid, the method comprising the steps of: detecting a fault current according to a change in current of a DC power supplied from the converter to a DC power system; Blocking the IGBT switch provided in the main current path when the fault current is detected; Blocking the IGBT switch by a primary current path and then blocking the switch module connected in series with the IGBT switch to the main current path to bypass the fault current to the current path; Limiting a fault current bypassed by the current flow path by applying a reverse voltage by a reverse voltage capacitor; Discharging the limited fault current through a surge arrestor; When the fault current is zero, operating the breaker; And switching the IGBT switch and the switch module to an on state to form a recloser after the interrupting operation of the interrupter.
여기서, 특히 상기 컨버터와 상기 직류 전력시스템 사이에 리액터를 배치하여 고장 전류의 증가율을 감소시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the method includes the step of arranging a reactor between the converter and the DC power system to reduce the rate of increase of the fault current.
여기서, 특히 상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되도록 스너버 커패시터를 배치하여 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 점에 그 특징이 있다.In particular, a snubber capacitor is disposed in parallel with the IGBT switch to lower the transient voltage applied to the IGBT switch.
여기서, 특히 상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.Particularly, the switch module is characterized in that a recloser is formed by applying any one of a piro actuator switch, a vacuum interrupter and an IGBT switch.
여기서, 특히 상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.In particular, the pyroactuator switch is constituted by a plurality of pyroelectric actuators, and is characterized in that it is sequentially switched every time a fault current is generated to form a recloser.
여기서, 특히 상기 재폐로를 형성하는 단계에서, 상기 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어하는 점에 그 특징이 있다.In particular, in the step of forming the recloser, when the circuit breaker is turned on and then the recloser is formed again, the switch module and the IGBT switch are controlled to be turned on, and then the breaker is turned off Quot; state "
여기서, 특히 상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하여 단계에서, 상기 역전압 커패시터의 전압을 방전하도록 스위치를 온오프 스위칭을 제어하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.Here, the method includes the step of controlling on / off switching of the switch to discharge the voltage of the reverse voltage capacitor, in particular, by applying a reverse voltage of the reverse voltage capacitor.
여기서, 특히 상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하여 단계에서, 상기 역전압 커패시터에 병렬로 댐핑 저항을 연결하여 충전시 전압의 피크치를 조절하는 점에 그 특징이 있다.In particular, in the step of applying the reverse voltage of the reverse voltage capacitor, a peak value of the voltage at the time of charging is adjusted by connecting a damping resistor in parallel to the reverse voltage capacitor.
여기서, 특히 상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하여 단계에서, 상기 역전압 커패시터에 병렬로 방전 저항을 연결하여 방전시 전류를 안정적으로 방전시키는 점에 그 특징이 있다.In particular, in the step of applying a reverse voltage of the reverse voltage capacitor, a discharging resistor is connected in parallel to the reverse voltage capacitor to discharge the current stably during discharging.
본 발명에 따르면, 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, a switching structure is applied to the fault current limiter to stably limit a fault current due to a high-power accident and to form a recloser, thereby being stable and reducing maintenance cost.
또한, 소량의 반도체 소자를 사용함으로써 정상상태의 도통 손실을 최소화시킬 수 있다. In addition, by using a small amount of semiconductor elements, the conduction loss in the steady state can be minimized.
도 1은 종래에 따른 하이브리드 차단기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 고장전류 제한기를 적용한 고전압 직류 계통 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 제1 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면.
도 7 내지 도 10는 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 사고 시 전류 파형을 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 각 경로의 과도 전류 특성을 도시한 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 역전압 커패시터 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 IGBT 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프.FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a conventional hybrid circuit breaker.
FIG. 2 is a view schematically showing a configuration of a high-voltage DC system to which the fault current limiter of the present invention is applied.
3 to 6 are diagrams schematically showing a configuration of a fault current limiter for a DC grid according to the first embodiment of the present invention and a current path change according to a transient state.
FIG. 7 to FIG. 10 are diagrams schematically showing a configuration of a fault current limiter for a DC grid according to a second embodiment of the present invention and a current path change according to a transient state. FIG.
11 shows current waveforms in the event of a fault current limiter for a DC grid according to the present invention;
12 is a graph showing transient current characteristics of each path of a fault current limiter for a DC grid according to the present invention;
13 is a graph showing transient characteristics of the reverse voltage capacitor voltage change of a fault current limiter for a DC grid according to the present invention.
14 is a graph showing transient characteristics of IGBT voltage changes of a fault current limiter for a DC grid according to the present invention;
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. Also, in this specification, when an element is referred to as being "connected" or "connected" with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 고장전류 제한기를 적용한 고전압 직류 계통 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 제1 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7 내지 도 10는 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 2 is a view schematically showing a configuration of a high-voltage DC system to which a fault current limiter according to the present invention is applied, FIGS. 3 to 6 show configurations of a fault current limiter for a DC grid according to a first embodiment of the present invention, FIGS. 7 to 10 schematically illustrate the current path change according to the configuration and transient state of the fault current limiter for the DC grid of the second embodiment according to the present invention. FIG. Fig.
도 2에 도시된 바와 같이, 고전압 직류 계통 시스템은, 고전압 교류 전력(20)을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(21)와, 상기 변환된 직류 전력의 RLC 임피던스를 매칭하는 계통 임피던스(22), 고장전류의 발생시 전류를 제한하는 고장전류 제한기(23) 및 고장전류를 차단하는 전류차단기를 포함하여 구성된다.2, the high voltage DC system includes a
상기 고전압 직류 계통 시스템에 고장전류가 발생하는 경우 고장전류 제한기에서 전류를 안정적으로 제한하게 된다.When a fault current occurs in the high voltage DC system, the fault current limiter stably limits the current.
본 발명의 고장전류 제한기의 구성은 다음과 같다. The configuration of the fault current limiter of the present invention is as follows.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기(100)에 있어서, 센서(110), 리액터(121.122), 스위치 모듈(130), IGBT 스위치(140), 스너버 커패시터(145), 역전압 커패시터(150), 댐핑 저항(152), 방전 저항(154), 커패시터 스위치(156), 제어기(160), 서지 어레스터(170) 및 차단기(180)를 포함하여 구성된다. 여기서, 고장 전류 제한기(100)는 정상상태의 주 전류 경로와 이와 병렬로 연결된 한류 경로 및 흡수 경로를 포함하고, 사고시 고장 전류가 한류 경로로 우회할 수 있도록 한다. 3 to 6, a fault current limiter for a DC grid according to the present invention includes a fault
상기 센서(110)는 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하게 된다. 이때, 상기 센서(110)는 전류 센서를 이용하여 급격한 전류 변화가 감지되면 상기 제어기(160)에서 이를 인식하여 고장전류에 따른 전류 차단을 제어하게 된다. The
상기 리액터(121,122)는 상기 센서(110)의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기(180) 전단인 양방향에 각각 마련되어 사고가 발생되는 위치에 대응하여 양방향에서 고장 전류의 증가율을 감소시키게 된다. 즉, 상기 리액터(121, 122)는 주 전류 경로에 직렬로 연결되어 상기 센서(110)에서 고장 계측이 가능하도록 di/dt를 감소하게 된다. The
상기 IGBT 스위치(140)는 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되어 정상 상태에서는 스위치를 통해 일반적인 도체와 같이 전류가 통전되기 때문에 도통 손실의 최소화가 가능하고, 사고시 상기 제어기(160)의 제어신호에 의해 빠른 스위칭 동작을 수행하여 고장 전류를 1차로 차단하게 된다. 이때, 상기 IGBT 스위치(140)의 빠른 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 임시적으로 차단하는 역할을 하게 된다. The
상기 스너버 커패시터(145)는 상기 IGBT 스위치(140)와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치(140)에 인가되는 과도 전압을 낮추는 역할을 하게 된다. 즉, 상기 IGBT 스위치(140)에 순간적으로 인가되는 과도 전압에 의한 파손을 방지하기 위한 보호 커패시터이다. The
상기 스위치 모듈(130)은 상기 IGBT 스위치(140)의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치(140)의 1차로 고장 전류 차단 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하게 한다. The
보다 구체적으로, 상기 스위치 모듈(130)은 파이로 액츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS), 진공 인터럽터(Vacuum Interubter) 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 스위칭 모듈(130)을 초전도 한류기를 대신하여 재폐로의 형성이 가능한 구조를 갖는다. More specifically, the
상기 진공 인터럽터(Vacuum Interubter)는 소형이며, 신뢰성이 높고 다빈도 개폐특성이 우수함은 물론 유지보수가 용이하여 중전압 소용량에서 고전압 대용량에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 또한, 스위치 모듈로 IBGT를 적용하여 빠른 응답에 의한 차단을 적용하고 재폐로를 형성할 수 있다. The vacuum interrupter is small, has high reliability, is excellent in open / close characteristics, and is easily used for maintenance, which is widely used in small to medium voltage and large capacity. In addition, by applying IBGT to the switch module, it is possible to apply a quick response cutoff and form a recloser.
즉, 상기 IGBT 스위치(140)의 1차적 턴 오프 동작 후, 빠른 스위치 모듈의 2차적 차단 동작을 통해 IGBT 스위치에 의한 통전 손실 최소화를 할 수 있게 된다. That is, after the primary turn-off operation of the
상기 역전압 커패시터(150)는 상기 IGBT 스위치(140) 및 상기 스위치 모듈(130)이 마련된 주 전류 경로(I3)와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치(140) 및 상기 스위치 모듈(130)의 차단 동작에 의해 한류 경로(I2)의 고장 전류를 제한하도록 역전압을 인가하게 된다.The
상기 서지 어레스터(Surge Arrester)(170)는 상기 한류 경로(I2)와 병렬로 연결된 흡수 경로(I1)에 배치되어 상기 역전압 커패시터(150)에 의해 제한된 고장 전류를 대지로 방전시키게 된다. 즉, 일정 전압 이상이 기기에 걸렸을 때 손상을 방지하기 위해 대지로 전류를 흐르게 한다.The
보다 구체적으로, 상기 서지 어레스터(170)는 상기 한류 경로(I2)와 병렬로 연결되는 전류 흡수 경로(I1)상에 배치된다. 상기 서지 어레스터(170)는 임계 전압을 넘어서는 전압이 상기 전류 흡수 경로(I1)의 양단에 생성됨에 따라 임피던스가 대폭 감소하게 된다.More specifically, the
상기 서지 어레스터(170)는 상기 임계 전압을 넘어가는 순간에 대지로 전류를 흐르게 하여 전류의 크기를 0 [A]로 만든다. 그러면, 상기 고장전류 제한기(100)의 전체 전류(IT)는 강제로 0 [A]가 된다. 상기 고장전류 제한기(100)의 전체 전류(IT)가 0 [A]에 이르면, 차단기(circuit breaker)(180)는 회로를 개방하여 건전 회로로부터 고장 선로를 분리시킨다.The
상기 댐핑 저항(152), 상기 방전 저항(154) 및 상기 커패시터 스위치(156)는 상기 한류 경로(I2)의 역전압 커패시터(150)와 병렬로 연결된다. The damping
상기 댐핑 저항(152)는 병렬로 연결되어 충전 전압의 피크치를 조절하여 전압 및 전류의 스파이크를 억제하는 역할을 한다. The damping
상기 방전 저항(154)은 상기 커패시터 스위치(156)의 개폐시에 발생하는 순간 방전시의 전류를 안정적으로 방전시키고, 커패시터의 방전을 시키는 역할을 한다. The discharging
상기 커패시터 스위치(156)는 상기 역전압 커패시터(150)에 병렬로 연결되어 커패시터의 전압을 방전하도록 스위칭하게 된다.The
상기 제어기(160)는 상기 센서(110)에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치(140)의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈(130)의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하게 된다. When the
보다 구체적으로, 상기 제어기(160)는 상기 센서(110)로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치(140)를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈(130)을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하게 된다. More specifically, when a fault current is sensed by the
또한, 상기 제어기는 상기 서지 어레스터(170)에서 전류의 크기가 영점인 0 [A]로 될 경우에 상기 차단기가 온 상태로 전환되어 완전히 차단된다. Also, when the magnitude of the current in the
이때, 상기 제어기(160)는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 주 전류 경로(I3)의 재폐로를 형성하는 경우에, 상기 스위치 모듈(130) 및 상기 IGBT 스위치(140)를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하게 된다. 여기서, 차단기의 온/오프 상태의 의미는 스위치의 온/오프 상태의 의미가 아니라 차단기의 대기 상태에서 고장에 따른 동작하는 상태를 의미한다. 즉, 평상시 차단기는 스위치의 온 상태로 연결된 동작 오프 상태이나 고장 시에는 동작 온으로 스위치를 오프 상태로 전환하도록 동작하게 된다.At this time, the
상기 차단기(180)는 상기 리액터(121, 122)와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결되어 고장 전류 발생시 전류를 완전히 차단하게 된다. 여기서, 상기 차단기(180)는 상기 고장전류 제한기의 고장전류 제한을 통해 완전히 차단되며, 스위치 모듈(130)의 절환부에서는 재폐로 준비를 위해 정상 스위치를 통전부 선로에 인입한다. The
한편, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기는 상기 제1 실시 예와 구성적으로 동일하고 스위치 모듈을 파이로 엑츄에어터 스위치를 적용한 실시 예이다. 여기서, 상기 제1 실시 예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다. 7 to 10, the fault current limiter for the DC grid according to the second embodiment of the present invention is structurally the same as that of the first embodiment, and the switch module is constructed by applying a piro actuator switch Fig. Here, the description of the same portions as those of the first embodiment will be omitted.
상기 파이로 엑츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS)(230)는 초고속 기계식 스위치로 내부에 복수 개가 마련되어 있으며, 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 파이로 엑츄에이터는 일회성 기계식 스위치로 간단한 구조로 형성되어 있으며, 1회 동작 후 교체가 필요하여 복수 개를 배치하고 절환기구부(미도시)를 통해 재폐로를 형성할 수 있게 된다. The Pyro-Conductor Switch (PCS) 230 is a super high-speed mechanical switch, and a plurality of the Pyro-Conductor Switches (PCS) 230 are sequentially provided. Here, the pyroactuator is formed as a simple mechanical structure with a one-time mechanical switch, and it needs to be replaced after one operation, so that a plurality of the pyroactuators can be arranged and a reclosing mechanism can be formed through a switching mechanism (not shown).
이러한, 파이로 엑츄에이터는 저비용의 초소형으로 외부에너지 공급이 불필요하고, 초고속 동작이 가능하다(예를 들면, 2ms 이하). Such pyroactuators are very small in size and low in cost, do not require external energy supply, and can operate at a very high speed (for example, 2 ms or less).
따라서, 종래의 초전도 한류기를 사용하는 구조에 비하여 유지비용이 현저히 낮고, 초고속 기계식 스위치는 저비용의 파이로 액츄에이터 스위치를 활용한 절환 구조로 대체하기 때문에 재폐로 기능을 구현할 수 있다. Therefore, the maintenance cost is remarkably low as compared with the structure using the conventional superconducting fault current limiter, and the high-speed mechanical switch can be replaced with the switching structure utilizing the low-cost pyroactuator switch, thereby realizing the reclosing function.
또한, 상기 제1 실시 예 및 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 동작을 설명하기로 한다. 여기서, 도 3 내지 도 10를 참조하여 본 발명의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 설명하기로 한다.The operation of the fault current limiter for the DC grid of the first and second embodiments will be described. Hereinafter, the current path change according to the transient state of the fault current limiter for DC grid of the present invention will be described with reference to FIG. 3 to FIG.
도 3 및 도 7와 같이, 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는 전력 계통이 정상적으로 운용되고 있는 경우, 주 전류 회로 경로를 통해 전류가 통전된다. 여기서, 주 전류 회로 경로에는 일반적인 도체와 같은 동작을 수행하는 스위치 모듈 및 IGBT 스위치가 구성되어 있어 전류가 통전되기 때문에 도통 손실의 최소화가 가능하다.3 and 7, a fault current limiter for a DC grid according to the present invention energizes a current through a main current circuit path when the power system is normally operated. Here, in the main current circuit path, a switch module and an IGBT switch that perform the same operation as a general conductor are constituted, so that conduction loss can be minimized because electric current is supplied.
또한, 주 전류 회로 경로에는 억제용 리액터가 직렬로 연결되어 전류 상승률(di/dt)을 억제하게 된다. 이러한, 억제용 리액터는 사고 시 발생하는 고장전류의 상승속도를 감소시키는 역할을 수행하게 되고, 정상운영 시에도 주 한류 경로에 리액터 성분이 남게 된다.In addition, suppression reactors are connected in series in the main current circuit path to suppress the rate of current rise (di / dt). This suppression reactor serves to reduce the rising speed of the fault current generated in the accident, and reactor components remain in the main current path even during normal operation.
한편, 사고가 발생할 경우, 고장 전류 제한기는 컨버터에서 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하게 된다. 즉, 높은 전류 상승률(di/dt)를 갖는 고장 전류를 센서를 통해 사고가 감지된다. On the other hand, when an accident occurs, the fault current limiter senses the fault current according to the current change of the DC power supplied from the converter to the DC power system. That is, a fault current having a high current rise rate (di / dt) is sensed through a sensor.
이때, 도 4 및 도 8과 같이, 상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하게 된다. 이때, IGBT 스위치는 빠른 동작 및 차단으로 전류를 우회시키는 역할을 한다. 4 and 8, when the fault current is sensed, the IGBT switch provided in the main current path is firstly interrupted. At this time, the IGBT switch serves to bypass current by fast operation and shutdown.
그 다음, 도 5 및 도 9와 같이, 상기 IGBT 스위치를 1차로 차단한 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시킨다. 여기서, IGBT 스위치 동작 후, 스위치 모듈의 빠른 동작을 통해 주 전류 경로를 완전히 차단하게 된다. 이때, 상기 IGBT 스위치가 감당해야 하는 전압이 감소하며, IGBT 스위치 개수의 최소화가 가능해진다. 이러한, IGBT 스위치 개수의 최소화는 정상상태의 도통 손실을 최소화할 수 있다. Next, as shown in FIGS. 5 and 9, after the IGBT switch is firstly cut off, the switch module connected in series with the IGBT switch is cut off in the main current path to bypass the fault current to the current path. Here, after the operation of the IGBT switch, the main current path is completely cut off through the quick operation of the switch module. At this time, the voltage to be handled by the IGBT switch is reduced, and the number of IGBT switches can be minimized. This minimization of the number of IGBT switches can minimize the conduction loss in the steady state.
여기서, IGBT 스위치와 병렬로 스너버 커패시터를 배치함으로써 IGBT 스위치 소자의 과도전압을 감소시킬 수 있다. By arranging the snubber capacitor in parallel with the IGBT switch, the transient voltage of the IGBT switch element can be reduced.
그리고 주 전류 경로(I3)가 차단된 후, 우회된 전류는 한류 경로(Commutation Path)(I2)를 통해 흐르며 역전압 커패시터(150)에 의해 고장전류가 억제된다. 한류 동작을 통해 제한된 고장전류는 최종적으로 차단기(180)를 개방하여 차단 동작을 완수하게 된다. Then, after the main current path I 3 is shut off, the bypass current flows through the commutation path I 2 and the fault current is suppressed by the
보다 구체적으로, 상기 역전압 커패시터(150)는 상기 IGBT 스위치(140) 및 상기 스위치 모듈(130)이 마련된 주 전류 경로(I3)와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치(140) 및 상기 스위치 모듈(130)의 차단 동작에 의해 한류 경로(I2)의 고장 전류를 제한하도록 역전압을 인가하게 된다.The
상기 서지 어레스터(Surge Arrester)(170)는 상기 한류 경로(I2)와 병렬로 연결된 흡수 경로(I1)에 배치되어 상기 역전압 커패시터(150)에 의해 제한된 고장 전류를 대지로 흐르게 하여 방전시키게 된다.The
한편, 상기 댐핑 저항(152)은 병렬로 연결되어 충전 전압의 피크치를 조절하여 전압 및 전류의 스파이크를 억제하고, 상기 방전 저항(154)은 상기 커패시터 스위치(156)의 개폐시에 발생하는 순간 방전시의 전류를 안정적으로 방전시키고, 과전압을 흡수하여 회로를 보호하는 역할을 한다. 이때, 상기 커패시터 스위치(156)는 상기 역전압 커패시터(150)에 병렬로 연결되어 커패시터의 전압을 방전하도록 스위칭하게 된다.The damping
그 다음, 도 6 및 도 10과 같이, 상기 차단기의 차단 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 재폐로를 형성할 때 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈(130, 230) 및 상기 IGBT 스위치(140, 240)를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기(180, 280)를 오프 상태로 전환하도록 제어하게 된다. 즉, 전력 계통의 재폐로 주 전류 경로 회로의 정상동작을 위해 스위치 모듈(130,230) 및 IGBT 스위치(140,240) 및 DC 차단기(180, 280)도 닫히게 된다.Then, as shown in FIGS. 6 and 10, after the breaker is shut off, the IGBT switch and the switch module are turned on to form a recloser. Here, when the recloser is formed, the
보다 구체적으로, 상기 스위치 모듈(130)로는 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하게 된다. 이때, 도 12와 같이, 스위치 모듈을 파이로 엑츄에이터 스위치(230)를 적용할 경우 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다. More specifically, as the
상기 파이로 엑츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS)(230)는 초고속 기계식 스위치로 내부에 복수 개가 마련되어 있으며, 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 파이로 엑츄에이터는 일회성 기계식 스위치로 간단한 구조로 형성되어 있으며, 1회 동작 후 교체가 필요하고, 복수 개를 배치하여 절환기구부(미도시)를 통해 재폐로를 형성할 수 있게 된다. The Pyro-Conductor Switch (PCS) 230 is a super high-speed mechanical switch, and a plurality of the Pyro-Conductor Switches (PCS) 230 are sequentially provided. Here, the pyroactuator is formed as a simple mechanical structure with a one-time mechanical switch, and it needs to be replaced after one operation, and a plurality of the pyroactuators can be disposed to form a reclosing mechanism through a switching mechanism (not shown).
한편, 도 11은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 사고 시 전류 파형을 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 각 경로의 과도 전류 특성을 도시한 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 역전압 커패시터 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프이고, 도 14는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 IGBT 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프이다.12 is a graph showing the transient current characteristics of each path of the fault current limiter for a DC grid according to the present invention. FIG. 11 is a graph showing current waveforms of a fault current limiter for a DC grid according to the present invention, FIG. 13 is a graph showing transient characteristics of the reverse voltage capacitor voltage change of the fault current limiter for a DC grid according to the present invention, and FIG. 14 is a graph showing the IGBT voltage Fig. 3 is a graph showing the transient characteristics of the change. Fig.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 사고 시 전류 및 전압 파형에서 예상 단락 전류가 82(kA)이고, 고장제한 전류가 4kA 일 경우, IGBT 스위치의 동작시간은 200㎲이고, 스위치 모듈의 파이로 엑츄에이터 스위치의 동작시간은 1.5㎳, IGBT 는 1개가 필요하고, 역전압 커패시터는 1250(㎌), 인덕터는 7.4mH, 고장 시 제한 시간은 3㎳을 갖는다. 따라서, IGBT 스위치와 파이로 엑츄에이터 스위치에 의한 빠른 동작 특성에 의해 고장 전류가 제한되는 것을 알 수 있다. As shown in Figs. 11 and 12, when the expected short-circuit current is 82 (kA) in current and voltage waveforms at the time of the accident, and the fault limiting current is 4 kA, the operation time of the IGBT switch is 200 이고, The operation time of the actuator switch is 1.5 ms and the IGBT is 1, the reverse voltage capacitor is 1250 (㎌), the inductor is 7.4 mH, and the time limit in case of failure is 3 ms. Therefore, it can be seen that the fault current is limited by the fast operation characteristic by the IGBT switch and the piro actuator switch.
도 13에 도시된 바와 같이, 역전압 커패시터의 시간에 따른 충전 전압의 크기 변화를 보여주는 것으로 초기부터 충전 피크치까지의 시간이 55ms 걸리고, 피크치이후에 전압값이 안정화되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 13, the change in the magnitude of the charge voltage with time of the reverse voltage capacitor is shown. It takes 55 ms from the beginning to the charge peak value, and the voltage value is stabilized after the peak value.
도 14에 도시된 바와 같이, IGBT에 걸리는 전압을 보여주는 것으로 IGBT에 걸리는 전압의 변화와 IGBT의 스위칭에 의한 빠른 응답성에 대한 전압 변화를 보여주고 있다.As shown in FIG. 14, the voltage applied to the IGBT is shown to show a change in the voltage applied to the IGBT and a voltage change with respect to the quick response due to the switching of the IGBT.
따라서, 본 발명은 종래의 초전도 한류기를 사용하는 구조에 비하여 유지비용이 현저히 낮고, 초고속 기계식 스위치를 적용하여 저비용의 절환 구조로 대체하여 재폐로 기능을 구현할 수 있다. Therefore, the present invention can realize a reclosing function by replacing the conventional superconducting fault current limiter with a low-cost switching structure by applying a very high-speed mechanical switch.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다. The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.
110, 210 --- 센서
121,122, 221, 222 --- 리액터
130, 230 --- 스위치 모듈
140, 240 --- IGBT 스위치
145, 245 --- 스너버 커패시터
150, 250 --- 역전압 커패시터
152, 252 --- 댐핑 저항
154, 254 --- 방전 저항
156, 256 --- 커패시터 스위치
160, 260 --- 제어기
170, 270 --- 서지 어레스터
180, 280 --- 차단기110, 210 --- Sensor
121, 122, 221, 222 --- Reactor
130, 230 --- Switch module
140, 240 --- IGBT switch
145, 245 --- Snubber Capacitor
150, 250 --- Reverse voltage capacitor
152, 252 --- Damping Resistance
154, 254 --- discharge resistance
156, 256 --- Capacitor switch
160, 260 --- Controller
170, 270 --- surge arrester
180, 280 --- Breaker
Claims (18)
상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서;
상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하는 IGBT 스위치;
상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 1차로 고장 전류 차단 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈;
상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하도록 역전압을 인가하는 역전압 커패시터;
상기 한류 경로와 병렬로 배치되어 상기 커패시터에 의해 제한된 고장 전류를 방전시켜 과전압을 방지하는 서지 어레스터; 및
상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
In a fault current limiter provided between a converter for converting AC power into DC power and a DC power system to limit the fault current,
A sensor for detecting a fault current according to a change in current of the DC power supplied to the DC power system;
An IGBT switch provided on a main current path through which a steady-state current flows from the converter to a DC power system, and which interrupts a fault current by a switching operation when the sensor senses a fault current;
The IGBT switch is connected in series, and after the fault current is firstly cut off from the IGBT switch, the main current path is cut off secondarily so that the fault current is bypassed to the current flow path, A switch module forming a reclosing path;
A reverse voltage capacitor arranged in parallel with the main current path provided with the IGBT switch and the switch module to apply a reverse voltage to limit the fault current in the current flow path by the interrupting operation of the IGBT switch and the switch module;
A surge arrestor disposed in parallel with the current flow path for discharging a fault current limited by the capacitor to prevent an overvoltage; And
And a controller for outputting a cutoff switching control signal of the IGBT switch and a cutoff switching control signal of the switch module and a switching switching control signal for forming a recloser when a fault current is detected in the sensor.
상기 센서의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기 전단에 각각 마련되어 고장 전류의 증가율을 감소시키는 리액터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
Further comprising a reactor provided at a rear end of the sensor and at a front end of the circuit breaker of the DC power system to reduce an increase rate of a fault current.
상기 리액터와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결되어 고장 전류의 영점 발생시 직류 전력시스템의 전류 공급을 차단하는 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
3. The method of claim 2,
And a circuit breaker connected in series between the reactor and the DC power system to cut off the current supply of the DC power system when a zero point of a fault current occurs.
상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 스너버 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
Further comprising a snubber capacitor connected in parallel with the IGBT switch to reduce a transient voltage applied to the IGBT switch.
상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
Wherein the switch module is one of a piroactuator switch, a vacuum interrupter, and an IGBT switch.
상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
6. The method of claim 5,
Wherein the pyroactor switch comprises a plurality of pyroelectric actuator switches and is sequentially switched each time a fault current is generated to form a recloser.
상기 제어기는 상기 센서로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
Wherein the controller outputs a control signal for sequentially turning off the IGBT switch when the fault current is sensed by the sensor, and then outputs a control signal for turning off the switch module to turn off the breaker, And outputs a control signal to switch the DC grid.
상기 제어기는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
The controller outputs a control signal to switch the switch module and the IGBT switch to an on state and then outputs a control signal to switch the breaker to the off state when the breaker is turned on again and forms a reclosing again And outputs the output current to the DC grid.
상기 역전압 커패시터와 병렬로 연결되어 충전 전압의 피크치를 조절하는 댐핑 저항;
상기 역전압 커패시터에 병렬로 연결되어 커패시터의 전압을 방전하도록 스위칭하는 커패스터 스위치; 및
상기 스위치와 직렬로 연결되어 방전시 전류를 안정적으로 방전시키는 방전 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
The method according to claim 1,
A damping resistor connected in parallel with the reverse voltage capacitor to adjust a peak value of the charging voltage;
A crosstalk switch connected in parallel to the reverse voltage capacitor for switching to discharge the voltage of the capacitor; And
And a discharging resistor connected in series with the switch for discharging a current stably during discharging.
상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하는 단계;
상기 IGBT 스위치를 1차로 차단하여 우회 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시키는 단계;
상기 한류 경로로 우회된 고장 전류를 역전압 커패시터에 의해 역전압을 인가하여 제한하는 단계;
상기 제한된 고장 전류를 서지 어레스터를 통해 방전시키는 단계;
상기 고장 전류가 영점되면, 차단기가 동작하는 단계; 및
상기 차단기의 차단 동작 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하는 단계;를 포함하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어 방법.
Detecting a fault current according to a change in current of a DC power supplied from the converter to the DC power system;
Blocking the IGBT switch provided in the main current path when the fault current is detected;
Blocking the switch module connected to the IGBT switch in the main current path by bypassing the IGBT switch by bypassing the IGBT switch;
Limiting a fault current bypassed by the current flow path by applying a reverse voltage by a reverse voltage capacitor;
Discharging the limited fault current through a surge arrestor;
When the fault current is zero, operating the breaker; And
And switching the IGBT switch and the switch module to an on state to form a recloser after the circuit breaker is disconnected.
상기 컨버터와 상기 직류 전력시스템 사이에 리액터를 배치하여 고장 전류의 증가율을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어 방법.
11. The method of claim 10,
And placing a reactor between the converter and the DC power system to reduce the rate of increase of the fault current.
상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되도록 스너버 커패시터를 배치하여 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
11. The method of claim 10,
Wherein a snubber capacitor is disposed in parallel with the IGBT switch to reduce a transient voltage applied to the IGBT switch.
상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the switch module forms a recloser by applying one of a piro actuator switch, a vacuum interrupter and an IGBT switch.
상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the pyroactuator switch comprises a plurality of pyroelectric actuator switches and is sequentially switched each time a fault current is generated to form a recloser.
상기 재폐로를 형성하는 단계에서,
상기 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
14. The method of claim 13,
In the step of forming the reclosing,
And controls to switch the switch module and the IGBT switch to the ON state and then to switch the circuit breaker to the OFF state when the circuit breaker is switched to the ON state and then forms the reclosing again. A method for controlling a fault current limiter.
상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하는 단계에서,
상기 역전압 커패시터의 전압을 방전하도록 스위치를 온오프 스위칭을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
11. The method of claim 10,
In the step of applying the reverse voltage of the reverse voltage capacitor,
And controlling on / off switching of the switch to discharge the voltage of the reverse voltage capacitor.
상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하는 단계에서,
상기 역전압 커패시터에 병렬로 댐핑 저항을 연결하여 충전시 전압의 피크치를 조절하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
11. The method of claim 10,
In the step of applying the reverse voltage of the reverse voltage capacitor,
And a damping resistor is connected in parallel to the reverse voltage capacitor to adjust a peak value of the voltage during charging.
상기 역전압 커패시터의 역전압을 인가하는 단계에서,
상기 역전압 커패시터에 병렬로 방전 저항을 연결하여 방전시 전류를 안정적으로 방전시키는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
11. The method of claim 10,
In the step of applying the reverse voltage of the reverse voltage capacitor,
And a discharging resistor is connected in parallel to the reverse voltage capacitor to discharge the current stably during discharging.
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