Performance of Differential Protection Applied to Collector Cables of Offshore Wind Farms with MMC-HVDC Transmission

기술 요약: MMC-HVDC 송전 방식의 해상 풍력 발전 단지 집락 케이블에 적용된 차동 보호 성능

문제 제기
저탄소 에너지로의 글로벌 전환이 가속화됨에 따라, 모듈형 멀티레벨 컨버터 기반 고압 직류(MMC-HVDC) 송전으로 연결된 해상 풍력 발전 단지의 통합이 가속화되고 있습니다. 여기서 중요한 보호 과제는 풍력 터빈과 해상 MMC(OMMC)를 연결하는 집락 케이블(Collector Cables)에서 발생합니다. 전통적인 계통과 달리, 이 케이블의 양단은 모두 인버터 기반 자원(IBR)에 의해 공급됩니다. 이러한 IBR의 제어 전략은 고장 전류의 크기를 능동적으로 제한하고 그 특성을 변화시켜, 기존 보호 설계에서 가정된 동작으로부터 크게 벗어나게 만듭니다. 특히, 많은 제어 전략은 고장 시 역상 전류를 억제합니다. 이러한 억제는 특정 고장 유형에 대해 전류를 거의 제로(zero)에 가깝게 만들어, 기존의 차동 보호 방식이 감도를 상실하게 하거나 내부 고장과 외부 고장을 신뢰성 있게 구별하지 못하게 만들 잠재적 위험이 있습니다. 기존 문헌들이 이러한 한계를 인지하고 있음에도 불구하고, 실제 현장에서 마주하는 다양한 고장 유형과 저항 수준을 완전히 대변하지 못하는 제한된 고장 시나리오만을 탐구하는 경우가 많습니다.

방법론
이러한 격차를 해결하기 위해, 저자들은 PSCAD/EMTDC를 이용한 전자기 과도 현상(electromagnetic transient) 시뮬레이션을 통해 포괄적인 성능 평가를 수행하였습니다. 본 연구는 230 kV 집락 케이블을 통해 OMMC에 연결된 두 개의 450 MVA 클러스터 풀 컨버터(Type 4) 풍력 터빈으로 구성된 현실적인 해상 풍력 발전 단지 모델을 활용하였습니다.

연구 방법론은 다음과 같습니다:

• 보호 방식: 세 가지 차동 보호 전략에 대한 비교 분석을 수행하였습니다:
  1. 기존 상 차동(87L): 상 전류(phase currents)를 기반으로 함.
  2. 역상 차동(87Q): 역상 성분(negative-sequence components)을 기반으로 함.
  3. 영상 차동(87G): 영상 성분(zero-sequence components)을 기반으로 함.
     모든 방식은 50%의 슬로프와 0.3 p.u.의 최소 픽업(pickup)을 가진 백분율 제한 로직(percentage restraint logic)을 채택하였습니다.
• 제어 시나리오: 두 가지 뚜로한 OMMC 제어 전략을 평가하였습니다:
  • 제어 C1: 고장 시 역상 전류를 능동적으로 억제함.
  • 제어 C2: 역상 전류 주입을 우선시함(강제 억제 없음).
• 고장 시나리오: 케이블 길이의 0%에서 100% 사이의 다양한 위치에서의 내부 고장과 외부 고장을 시뮬레이션하였습니다. 고장 유형에는 단상 지락(AG), 상 간 고장(AB), 2선 지락(ABG), 3상 고장(ABC)이 포함되었습니다. 광범위한 고장 저항(고장 유형에 따라 0 ~ 50 $\Omega$)이 적용되었습니다.
• 분석 지표: 고장 발생 50 ms 후의 동작 전류($I_{OP}$) 대 제한 전류($I_{REST}$)를 도식화하여, 릴레이가 정의된 보안 영역 내에서 동작하는지 여부를 판단함으로써 성능을 평가하였습니다.

주요 결과
시뮬레이션 결과는 특정 제어 전략이 적용될 때 기존 보호 방식의 심각한 취약성을 부각시켰습니다:

• 역상 억제의 영향 (제어 C1):

  • 단상 지락(AG) 및 상 간 고장(AB): OMMC와 풍력 터빈이 모두 역상 전류를 억제할 때(제어 C1), 역상 회로는 사실상 개방 회로가 됩니다. 결과적으로 고장 전류는 실질적으로 영(null)이 됩니다. 이러한 조건 하에서는 낮은 고장 저항에서도 기존의 상 차동(87L) 방식이나 순차 성분 기반 차동(87Q, 87G) 방식 모두 내부 고장에 대해 충분한 감도를 보이지 못했습니다.
  • 2선 지락(ABG) 고장: (변압기 권선 구성에 따른) 영상 경로의 존재로 인해 영(non-zero)이 아닌 고장 전류가 발생합니다. 그러나 이 경로가 있음에도 불구하고 87Q 요소는 만족스럽지 못한 성능을 보였으며, 상 요소(87L)는 저저항 고장에서만 동작하였습니다. 87G 요소만이 모든 저항 수준에서 감도를 보였으나, 이 역시 영상 경로의 가용성에 크게 의존하였습니다.
  • 3상 고장(ABC): 이 고장은 정상 성분 회로만을 포함하므로, 제어 전략이나 고장 저항에 관계없이 기존 상 차동 보호가 만족스럽게 동작하였습니다.

• 비억제의 영향 (제로 C2):

  • OMMC가 역상 전류를 억제하지 않을 때(제어 C2), 평가된 모든 차동 요소(87L, 87Q, 87G)는 모든 내부 고장 유형 및 저항 수준에 대해 적절한 감도와 선택성을 보이며 동작하였습니다.

• 선택성:

  • 외부 고장의 경우, 모든 제어 전략과 고장 유형에 대해 모든 차동 방식의 동작량은 실질적으로 영(null)을 유지하였습니다. 이는 이상적인 동기화 및 측정 조건이 전제된다면, 해당 방식들이 높은 선택성을 유지하며 외부 고장에 대해 허위 동작(spurious tripping)을 일으키지 않음을 나타냅ことは입니다.

의의 및 주장
본 논문은 컨버터 중심 계통의 보호 과제에 대한 더 깊은 개념적 이해를 제공한다고 주장합니다. 주요 기여는 다음과 같습니다:

1. 핵심 취약점 식별: 본 연구는 역사적으로 매우 민감하고 신뢰할 수 있다고 여겨진 기존 차동 보호가, 연결된 IBR(풍력 터빈 및 OMMC 모두)이 역상 전류 억제 전략을 사용하는 경우 해상 풍력 집락 케이블의 내부 고장을 감지하지 못할 수 있음을 입증하였습니다.
2. 순차 성분의 한계: 역상 및 영상 차동 요소가 특정 맥락에서 향상된 감도를 제공할 수는 있으나, 이것이 보편적인 해결책은 아닙니다. 이들의 효과는 컨버터의 제어 전략과 변압기 권선 구성(특히 영상 경로의 존재 여부)에 엄격히 종속됩니다.
3. 혁신의 필요성: 연구 결과는 전력 시스템이 컨버터 중심의 토폴로지로 전환됨에 따라, 기존의 릴레이 기능(심지어 차동 방식이라 할지라도)에만 의존하는 것은 불충분할 수 있음을 시사합니다. 저자들은 IBR 제어 전략에 의해 부과되는 특정 고장 전류 특성을 고려한 혁신적인 보호 접근 방식과 미래 지향적인 표준 개발을 촉구합니다.

결론적으로, 본 논문은 역상 전류가 능동적으로 억제되는 시나리오를 포함하여, 이러한 핵심 송전 경로에 대해 민감하고 선택적인 보호를 보장하기 위해서는 전통적인 고장 전류 동작 가정을 넘어서는 접근이 필요하다고 강조합니다.