기술 요약: HVDC 보호 시스템 구성 요소 수준 설계를 위한 하이브리드 분석-EMT 방법

문제 제기

다중 터미널 고전압 직류 (HVDC) 그리드의 보호 시스템 설계는 시스템의 복잡성과 상충되는 설계 요구사항으로 인해 복잡합니다. 특히, DC 회로 차단기 (DCCB) 및 직렬 DC 인덕터와 같은 핵심 보호 하드웨어의 구성 요소 수준 설계는 구성 요소 간의 상호 의존성과 보호 시스템 및 컨버터 제어 전략 간의 복잡한 상호작용으로 인해 상당한 도전에 직면해 있습니다.

기존 설계 방법론은 각각 한계가 있는 세 가지 범주로 분류됩니다:

1. 분석적 방법: 계산 효율성이 높지만, 종종 HVDC 시스템의 복잡한 동작, 특히 상세한 케이블 및 컨버터 동역학과 관련하여 정확하게 표현하지 못하는 근사화에 의존합니다.
2. 시뮬레이션 기반 (EMT) 방법: 높은 충실도를 제공하지만 설계 매개변수에 수렴하기 위해 광범위하고 반복적인 시뮬레이션 (종종 수백에서 수천 번의 반복) 을 필요로 하므로 계산 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다.
3. 하이브리드 방법: 일부 접근 방식은 최적화와 EMT 모델을 결합하지만, 시스템 크기가 증가함에 따라 여전히 높은 계산 비용으로 고통받습니다.

핵심 과제는 설치 비용을 최소화하고 안정성 문제를 피하면서 보호 요구사항 (예: 고장 전류 제한, 컨버터 과전류 보호) 을 충족시키기 위해 DC 인덕터의 크기를 결정하고 DCCB 매개변수 (작동 시간 및 고장 중화 시간 등) 를 지정하되, 과도한 계산 부담을 초래하지 않는 것입니다.

방법론

본 논문은 기본 분석 해법과 상세한 전자기 과도 (EMT) 시뮬레이션을 통합한 효율적이고 체계적인 하이브리드 분석-EMT 방법을 제안합니다. 이 방법론은 세 가지 주요 단계로 구조화됩니다:

1. 중요 사례 식별

시뮬레이션 부담을 줄이기 위해, 이 방법은 설계를 규정하는 중요한 작동 조건을 먼저 식별합니다:

• 중요 컨버터: 각 보호 구역 내에서 구역 외 고장 시 과전류 한도에 가장 빠르게 도달하는 컨버터를 식별합니다. 이는 일반적으로 DCCB 에 직접 연결되거나 가장 짧은 라인을 통해 연결된 컨버터입니다.
• 중요 전력 흐름: 중요 컨버터 (정류기 모드) 와 DCCB 의 최대 부하를 초래하는 시나리오를 선택합니다.
• 중요 고장 유형 및 위치: 이동파 효과와 고장 중화 시간 ($t_n$) 을 기반으로 최악의 고장 위치를 결정합니다. 시스템 매개변수에 따라 중요 위치는 터미널 고장이나 케이블을 따라 위치한 비터미널 고장일 수 있습니다.

2. 핵심 크기 결정 알고리즘 (반복적 하이브리드 접근법)

이 알고리즘은 DC 인덕터 값 ($L_{dc}$) 을 주요 출력 변수로 취급하며, DCCB 특성과 컨버터 능력은 입력으로 간주합니다. 이 과정은 세 부분으로 구성됩니다:

• 부분 A (시스템 입력): 시스템 토폴로지, 보호 구역, 그리고 DC 고장 통과 (DC-FRT) 요구사항 (특히, 건강한 구역의 컨버터가 차단되어서는 안 된다는 점) 을 정의합니다.
• 부분 B (반복적 분석-EMT):
  • 컨버터 한계를 기반으로 필요한 인덕터 크기를 추정하기 위해 분석적 근사식 (식 3) 을 사용합니다.
  • 초기에는 유입 전류 및 케이블 방전 전류 ($\Delta I_{in}$ 및 $\Delta I_{cab}$) 가 0 이라고 가정합니다.
  • 그런 다음 특정 그리드 구성에 대해 이러한 전류를 측정하기 위해 EMT 시뮬레이션을 실행합니다.
  • 측정된 전류를 사용하여 인덕터 값을 반복적으로 재계산하여 연속된 값 간의 차이가 허용 오차 ($\epsilon$) 이내로 떨어질 때까지 수행합니다.
  • 유사한 반복 과정을 DCCB 전류 한도 (식 5) 를 충족시키기 위해 적용합니다.
• 부분 C (최종 정밀 조정):
  • 분석적 가정 (예: 일정 전압원, 집중 인덕터) 이 보수적 (과대 평가된) 인덕터 값으로 이어질 수 있음을 인식하여 정밀 조정 단계를 도입합니다.
  • 상세한 EMT 시뮬레이션을 실행하면서 인덕터 값을 반복적으로 감소시킵니다.
  • **전류 마진 핵심 성과 지표 (KPI)**가 충족될 때 과정이 중단됩니다. KPI 는 최대 허용 전류 (컨버터 암 또는 DCCB) 와 달성된 전류 간의 차이로 정의되며, 설계가 특정 안전 마진 (예: 5%) 으로 요구사항을 충족하지만 불필요하게 크지 않도록 보장합니다.

3. 다중 구역 시스템을 위한 일반화된 알고리즘

여러 보호 구역을 가진 시스템의 경우, 알고리즘은 인접한 구역 쌍에 적용됩니다. 특정 라인의 최종 인덕터 값은 연결하는 두 인접 구역에서 도출된 최대 요구사항에 의해 결정됩니다. 추가 반복 단계는 인근 인덕터 간의 상호 의존성을 고려하여 한 인덕터의 설계가 이웃 인덕터의 크기 결정에 부정적인 영향을 미치지 않도록 보장합니다.

주요 기여

본 논문은 세 가지 주요 기여를 제시합니다:

1. 효율적인 체계적 방법: 완전 선택적 및 부분 선택적 DC 보호 전략 모두에 적용 가능한 계산 효율적인 설계 프레임워크 개발.
2. 중요 사례 식별: 설계에 필요한 시뮬레이션 사례 수를 크게 줄이는 중요한 컨버터, 전력 흐름 및 고장 위치를 식별하는 체계적 접근법.
3. 고정밀 하이브리드 사양: 분석적 근사와 EMT 시뮬레이션을 결합하여 고정밀 매개변수 사양을 달성하는 방법론. 이 접근법은 순수 분석적 방법에서는 종종 사용 불가능한 벤더별 "블랙박스"모델을 통합할 수 있게 합니다.

결과

이 방법은 두 가지 사례 연구를 통해 검증되었습니다:

• 사례 연구 1 (부분 선택적 전략): 세 개의 보호 구역을 가진 5 터미널 양극 시스템. 알고리즘은 다양한 입력 시나리오 (변화하는 DCCB 작동 시간 및 컨버터 과전류 정격) 에 대해 DC 인덕터 크기를 성공적으로 결정했습니다. 결과는 시나리오에 따라 컨버터 암 전류 또는 DCCB 전류 한도가 제한 요인이 될 수 있음을 보여주었습니다. 최종 인덕터 값은 약 80 mH 에서 414 mH 범위였습니다.
• 사례 연구 2 (완전 선택적 전략): 10 개의 DCCB 와 9 개의 보호 구역을 가진 4 터미널 메시 시스템. 이 방법은 여러 인덕터 간의 복잡한 상호 의존성을 처리할 수 있는 능력을 입증했습니다. 시스템 구성 (예: 인접 케이블 수) 과 컨버터 제어 모드 (PQ 대 Vdc 드롭) 가 필요한 인덕턴스에 크게 영향을 미친다는 점을 강조했습니다.

효율성 향상:
본 논문은 순수 시뮬레이션 기반 최적화에 비해 계산 노력의 상당한 감소를 보고합니다.

• 순수 시뮬레이션 기반 방법은 종종 수백에서 수천 번의 반복과 며칠의 계산 시간이 필요합니다.
• 제안된 하이브리드 방법은 사례 연구 1 의 경우 평균 9 회 반복, 사례 연구 2 의 경우 88 회 반복이 필요했습니다.
• 실행 시간은 며칠에서 몇 분에서 1 시간 범위로 단축되었습니다.
• 단일 인덕터 크기 결정을 위한 최대 EMT 반복 횟수는 6 회로 관찰되었습니다.

중요성 및 주장

저자들은 이 하이브리드 접근 방식이 HVDC 보호 시스템의 산업적 설계에 대한 실용적인 해결책을 제공한다고 주장합니다. 분석적 근사를 활용하여 설계를 초기화하고 검색 공간을 안내함으로써, 이 방법은 필요한 매개변수로의 수렴을 가속화합니다. 정밀 조정 단계의 포함은 최종 설계가 지나치게 보수적이지 않도록 보장하여 대형 DC 인덕터와 관련된 설치 비용을 잠재적으로 줄일 수 있습니다.

본 논문은 이 방법이 독점 제어 구현을 가진 벤더의 상세한 구성 요소 모델을 포함하여 처리할 수 있을 정도로 강력하며, 이론적 설계와 산업 적용 간의 격차를 해소한다고 강조합니다. 결과는 이 방법이 시스템 안정성을 유지하고 하드웨어 비용을 최소화하면서 엄격한 보호 요구사항을 충족하도록 구성 요소의 크기를 정확하게 결정할 수 있음을 확인시켜 줍니다.