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해인 손
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1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 62, No. 9, pp. 1240~1248, HVDC 적용을위한 MMC 기반 Back-to-Back 컨버터의스위칭레벨동작분석 Switching-Level Operation Analysis of MMC-based Back-to-Back Converter for HVDC Application 홍정원 * 정종규 * 유승환 * 최종윤 ** 한병문 (Jung-Won Hong Jong-kyou Jeong Seong-Hwan yoo Jong-Yun Choi Byung-Moon Han) Abstract - This paper describes a switching-level operation analysis of BTB(Back-To-Back) converter for HVDC(high voltage DC) application based on MMC(modular multi-level converter). A switching-level operation analysis for BTB converter is very important to understand the converter operation in detail and check the voltage and current transients in each components. However, the development of switching-level simulation model for the actual size BTB Converter is very difficult because the MMC normally has more than 150 sub-modules for each arm. So, a switching level simulation model for the 11-level MMC-based BTB converter was developed with PSCAD/EMTDC software, which has 12 sub-modules for the positive arm and another 12 sub-modules for the negative arm. The DC-voltage balance algorithm, the circulating-current reduction algorithm, the harmonic reduction algorithm, and the redundancy operation algorithm were included in this simulation model. The developed simulation model can be utilized to analyze the MMC-based BTB converter for HVDC application in switching level and to develop the protection scheme for the MMC-based BTB converter for HVDC application. Key Words : HVDC(high voltage DC) system, VSC(voltage source converter), MMC(modular multi-level converter), SM(sub-module), DC voltage balance, circulating current, Redundancy module, Harmonic reduction 1. 서론최근대단위풍력발전단지가해상에설치되면서여기서생산된전력을육지로전송하는방식으로 MMC를기반으로한전압형 HVDC 시스템이개발되어채택되고있다. 전압형 HVDC 시스템은 1990년대말 ABB 사가스웨덴 Gotland 섬에 80kV/50MW 파이로트시스템을설치운영하면서시작되었는데 Thyristor를기반으로하는전류형 HVDC에비해 Black Start가가능하고진-지상영역에서동작이가능한장점을가지고있어점차설치가증가하고있다 [1]. 그런데 ABB사가초창기에개발한전압형 HVDC는동작전압과전송용량을증대하기위해스위칭소자를직렬로연결하고 PWM 스위칭방식을채택하였다. 이방식은다수의스위칭소자를직렬로결합하기위해각소자에걸리는전압을균등하게유지하기위해복잡한클램프회로와게이팅신호의타이밍기법을필요로한다 [2]. 스위칭소자를직렬로결합하는방식의단점을해결하고자 * Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea ** Hyosung Corporation and Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea erichan@mju.ac.kr Received : May 7, 2013; Accepted : August 26, 2013 제안된방식이스위칭소자를가지고 half-bridge 형태의 SM(sub-module) 을구성하고이를직렬로결합한 MMC(modular multi-level converter) 이다 [3, 4]. MMC는스위칭소자를직렬로결합하여구성한전압원컨버터에비해 DC 전압의 Balancing이용이하고, 기본파로스위칭을하므로스위칭손실이낮으며, 생성하는출력전압의고조파레벨이낮은장점을갖는다 [5]. 직류송전에적용할목적으로 MMC의토폴로지를제안하고동작을분석한것은독일 Budeswher 대학의 Marquart 교수이다. 그는 MMC-기반 HVDC 축소모형을제작하여실험실에서상세하게동작을분석하였다 [6, 7]. 이렇게실험실에서검증된 MMC-기반 HVDC 시스템기술은 Siemens사에이전되어전세계적으로처음 200kV/400MW 용량의 HVDC 시스템이미국샌프란시스코근방에설치되어운용하고있다 [8]. ABB사도효율개선을위해초기에개발한스위칭소자를직렬로결합한방식은포기하고, 현재는 half-bridge SM을구성하는각스위치를다수의스위칭소자를직렬로결합하여구성하고이 SM을직렬로결합하여 MMC를구성한다. MMC-기반 HVDC 시스템은소자와시스템설계기술의발달로그전송용량이급격히증가하고있어향후 Thyristor 를기반으로하는전류형 HVDC 시스템을대체할수있을것으로보인다. 신규로설치될 MMC-기반 HVDC 시스템의동작을체계적으로이해하여시스템을설계하고고장시발생되는제반문제를파악하여시스템을보호하는기법을도출하기위해 1240

2 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 9, SEP, 2013 서는시뮬레이션모델의개발이필요하다. 그런데실제 MMC-기반 HVDC 시스템은각상한암 (Arm) 당 150개의 SM을가지고있어스위칭-레벨로동작을분석하는것이불가능하다. 각 SM을구성하고있는스위칭소자와수동소자를개별적으로고려하는대신 SM 하나를충 방전조절이가능한등가전원으로모델링하고이들등가전원 150개를직렬로결합하여각상한암을구성하여시뮬레이션을실시하는방법이몇몇연구자에의해개발되었다 [9-11]. 그러나이경우시뮬레이션의복잡성은단순화할수있으나실제 MMC 컨버터의동작을스위칭-레벨로분석하는것이불가능하다. 따라서 MMC-기반 HVDC 컨버터를설계하거나전력전자적인관점에서분석하는것이불가능하다. 본논문에서는 MMC-기반 HVDC 시스템의동작을스위칭-레벨에서분석하고 MMC 컨버터를설계하는데활용할목적으로각상한 Arm당 12개의 SM을갖는 MMC-기반 BTB HVDC 시스템을대상으로시뮬레이션모델을개발한내용을기술하고있다. 개발한시뮬레이션모델에서는각 SM의 DC 전압평형유지알고리즘, 순환전류억제를위한알고리즘, 교류출력전압의고조파를저감하기위한알고리즘, 그리고고장이발생한 SM을바이패스하는알고리즘을채택하였다. 2. MMC(Modular Multi-level Converter) 2.1 MMC의구성 이때커패시터의양극을통해전류가흘러들어갈때커패시터의전압은상승하고, 커패시터의양극을통해전류가나갈때는커패시터의전압은하강한다. 그러므로 SM의커패시터전압은반도체스위치의동작과전류의방향에따라서변동되며, 적절한스위칭동작을하지않으면특정 SM의커패시터전압이크게상승하거나크게하강하여 SM의출력터미널전압을적절하게형성하지못하게된다. 이는 MMC의출력전압의 THD(Total Harmonic Distortions) 를상승시키는결과를초래한다. 그러므로모든 SM의커패시터전압을일정값으로유지시키는것은매우중요하다. MMC는컨버터의대용량화를위해제안된다이오드클램프방식또는플라잉커패시터방식멀티레벨컨버터가갖는단점인시스템구성의복잡성과모듈화의어려움을해결할수있는시스템이다. MMC는여러개의독립적인모듈을이용하여전체컨버터시스템을구성함으로써다음과같은장점을가지고있다. - Staircase modulation 방식을사용하면 SM을구성하는반도체스위치의스위칭주파수가전원주파수의 3배정도의낮은주파수로동작하여 PWM 방식에비해운전손실을줄일수있다. - Staircase modulation 방식에의해형성된 MMC의출력전압은정현파에가깝게형성되기때문에출력단의필터가매우작거나없어도되므로설치면적이약 40% 가감소된다. - MMC의구성은모듈단위로이루어지기때문에적용되는환경의전압레벨및용량에매우유연하게대응할수있으며, 용량의확장은 1000MW까지가능하다 - MMC의출력전압은정현파에근사한모양으로형성되어 Standard AC 변압기의사용이가능하다. - DC 단에대용량커패시터가불필요하기때문에낮은 di/dt, dv/dt특성을갖는다. 그림 1 MMC와 SM의구조, (a) 3상 MMC 시스템, (b) SM( 하위모듈 ), (c) 등가회로 1 Design of MMC and SM, (a) 3-phase MMC system, (b) SM(sub-module), (c) Equivalent circuit 그림 1은 3상으로구성된 MMC의회로구성도이다. MMC의한상은상 하단두개의암과두개의암리액터로구성되며, 각암은직렬로연결된 SM로구성이된다. MMC를구성하는 SM은두개의자기소호가가능한반도체스위치와하나의커패시터로구성되어있다. SM은상 하단반도체스위치의 ON/OFF 동작과전류방향에따라출력측터미널전압을커패시터의전압또는영전압으로형성하며, 그림 2 내부전류에따른 SM의 3가지상태 2 3 State of SM according to inner current MMC를구성하는 SM의동작상태는반도체스위치의동작과전류방향에따라크게 3가지로구분할수있다. 그림 2는반도체스위치동작과전류방향에따른 SM의 3가지동작상태를나타내었다. 첫번째동작상태는두개의반도체스위치가모두 OFF된상태로전류의방향에따라상단스위치를통해커패시터를충전하거나하단스위치를통해 Bypass된다. 두번째동작상태는 SM의 ON상태이며, 상단스위치만 ON된상태로전류의방향에따라상단 HVDC 적용을위한 MMC 기반 Back-to-Back 컨버터의스위칭레벨동작분석 1241

3 전기학회논문지 62 권 9 호 2013 년 9 월 스위치의역방향다이오드를통해커패시터를충전하거나상단스위치를통해커패시터를방전한다. 이때 SM의출력터미널에는커패시터의전압이출력된다. 세번째동작상태는 SM의 OFF상태이며, 하단스위치만 ON된상태로전류의방향에따라하단스위치를통해 Bypass되거나, 하단스위치의역방향다이오드를통해 Bypass된다. 이때 SM의출력터미널에는영전압이출력된다. Staircase modulation 방식을이용하여 MMC의출력전압을형성하는경우, 출력전압의레벨은암을구성하는 SM의개수에의해결정된다. 본절에서는예비모듈은고려하지않았다. 그림 1과같이암을구성하는 SM의개수가 n이라면, 출력전압의전압레벨은 n+1로형성이된다. 출력전압의각레벨은상 하단암의 ON 상태인 SM 개수에의해결정된다. 중성점을기준으로영전압을형성하기위해서는상단암의전체 SM 중 n/2개와하단암의전체 SM 중 n/2개가 ON 되어야한다. 중성점을기준으로양 (+) 의 1-레벨전압을형성하기위해서는상단암의 SM 중 n/2-1개의 SM이 ON 되어야하며, 하단암의 SM 중 n/2+1개의 SM이 ON되어야한다. 반대로음 (-) 의 1-레벨전압을형성하기위해서는상단암의 SM 중 n/2+1개의 SM이 ON 되어야하며, 하단암의 SM 중 n/2-1개의 SM이 ON되어야한다. 출력전압이중성점을기준으로양의 n/2-레벨전압을형성하기위해서는하단암의모든 SM이 ON되고, 상단암의모든 SM이 OFF 되어야한다. 반대로음의 n/2-레벨전압을형성하기위해서는상단암의모든 SM이 ON되고, 하단암의모든 SM이 OFF되어야한다. 2.2 SM 커패시터전압균등알고리즘 SM이 ON 상태일때, 출력터미널에는커패시터의전압이형성이되는데 3상의상 하단암의모든 SM의커패시터전압이일정값 (DC-link전압/n) 을유지하지못한다면 MMC의출력전압파형은정현파에가까운파형으로형성되지못하며, THD가상승한다. 또한 SM의반도체스위치에불균등한전압스트레스를줌으로써악영향을미친다. 그러므로 MMC의모든 SM 커패시터전압은일정값을유지해야한다. 이를위해본논문에서는제어주기마다각암별로 SM 커패시터전압을측정하고 sorting 알고리즘을통해서내림차순또는오름차순으로측정된 SM 커패시터전압을정렬한다. MMC가출력해야할전압의레벨이결정되면, 이전압을형성하기위한상 하단암 SM의 ON 상태개수와 OFF 상태개수가결정이된다. SM은 ON 상태일때전류의방향에따라서커패시터전압이충전되거나방전되는데, 만약전류의방향이 SM의커패시터를충전하는방향으로흐른다면 sorting 알고리즘에의해정렬된커패시터의전압중에서작은전압을갖는커패시터가속한 SM들이일정전압을유지하기위해 ON 되어야하는개수만큼 ON 된다. 반대로전류의방향이 SM의커패시터를방전하는방향으로흐른다면 sorting 알고리즘에의해정렬된커패시터의전압중에서큰전압을갖는커패시터가속한 SM들이일정전압을유지하기위해 ON 되어야하는개수만큼 ON 된다. 그림 3은 MMC를구성하는모든 SM의커패시터전압을일정하게유지하기위한 DC 전압밸런싱 (Balancing) 알고리즘을다이어그램으로나타낸것이다. 2.3 SM 커패시터설계 SM의커패시터전압을일정하게유지하기위한알고리즘에의해매주기마다또는여러주기마다 SM의 ON/OFF 상태는변동된다. 이에따라커패시터의충 방전동작은반복이되고, 커패시터전압은일정값을기준으로흔들린다. 커패시터의전압흔들림이일정기준값을벗어나면출력전압의리플이증가하게되어전체적인제어성능이떨어진다. 그러므로커패시터의전압흔들림을일정한기준값이하로유지시켜야한다. 그렇게하기위해서는 SM의에너지입 출입관계를수식적으로유도하여시스템조건에따른커패시터의용량설정이이루어져야한다. 이는이미몇몇연구자들에의해수식적으로해석이되었으며, 설정하고자하는전압흔들림의범위에따른커패시터의용량이결정되는수식이있어이를인용하여구현하고자하는 MMC 시스템의 SM 커패시터용량을설정하였다 [12]. 인용된수식은식 (1) 과같으며, 각파라미터에대한설명은표 1과같다. cos (1) 표 1 SM 커패시터설계파라미터 Table 1 SM capacitor design parameter 그림 3 SM 커패시터전압균등알고리즘 3 SM capacitor voltage balancing algorithm symbol cos description cos Voltage Modulation Index The Number of SMs per Arm Fundamental Frequency Voltage Ripple of the Capacitor Mean Value of the Capacitor Voltage Power Factor 1242

4 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 9, SEP, MMC 제어알고리즘 3.1 MMC 제어기구성그림 4는본논문에서구현한 MMC의제어구성도를나타낸것이다. 제어기의구성은최상위제어기인 Master controller부터최하위제어기인 SM controller로구성되어있으며, 각 controller는 MMC의동작을위한제어알고리즘으로구성되어있다. Master controller는 Energy Management Strategy 알고리즘에의해서유 / 무효전력지령치를생성하고생성된지령치는하위제어기인전류제어기 (Current controller) 로전달된다. 전류제어기는순환전류를억제하는알고리즘과전류제어알고리즘으로구성되어있으며상위제어기에서받은지령에의해 A, B, C상기준전압의지령치를생성하고하위제어기인 Arm controller에전달한다. Arm controller는출력전압고조파저감알고리즘, SM 커패시터전압균등알고리즘, Redundancy module 투입동작알고리즘으로구성되어있으며, 상위제어기에서받은지령에의해각암의 SM 중 ON 되어야하는 SM의개수의지령치를생성하고하위제어기인 SM controller로전달한다. SM controller는지령을받아적절한 SM을 ON 상태로동작시킨다. MMC의출력전압을형성하는방식은크게 PWM 방식과 staircase modulation 방식이있다 [13]. PWM 방식은스위칭주파수가높고손실이크기때문에대용량의시스템에적용이부적합하므로본논문에서는 staircase modulation 방식을이용하여출력전압을형성하였다. MMC의출력전압은상 하단암을이루고있는각 SM이적절한순간에 ON/OFF 동작을수행해야파형이정현파에가깝게형성된다. 본논문에서는출력전압의고조파를최소화하기위한방법으로그림 5에보인등면적법 (EAM : Equal Area Method) 을적용하였다 [14]. 만약두개의빗금친부분의면적이동일하다면암을구성하는 SM의개수로형성할수있는출력전압의파형은최소의고조파를함유한다. 식 (2) 는두개의면적이동일하게될수있는 를구하기위한수식이다. sin sin (2) 식 (2) 를정리하면식 (3) 과같다. cos cos (3) 식 (3) 에서 θa 와 θb 는식 (4) 에서각각얻을수있다. sin sin (4) 식 (3) 을 SM의개수가변동되어도적용할수있도록일반화하면식 (5) 와같은수식을얻을수있다. cos cos (5) 단, 이며, M 은 n/2 이다. (n : 암의 SM 개수 ) 그림 4 MMC 의제어기구조 4 Controller structure of MMC 3.3 전류제어기 3.2 출력전압고조파저감알고리즘그림 5 고조파제거를위한등면적법 5 EAM for harmonic reduction 그림 6은 MMC의유 무효전력을제어하기위해출력전압의크기와위상을제어하는전류제어기를나타낸것이다. 전류제어기는상위제어기에서유 무효전력의지령을받아 3 상기준전압을생성한다. 전류제어기의동작을좀더구체적으로살펴보면, 유효전류의기준값은실측유효전류와비교하여 PI 제어기를거쳐컨버터의유효전압성분을생성한다. 이유효전압성분은실측유효전압성분과합쳐지고다시무효전류성분에서공급되는교차성분만큼보정된후컨버터가출력해야할기준유효전압 를생성한다. 한편무효전류의기준값은실측무효전류와비교하여 PI 제어기를거쳐컨버터의무효전압성분을생성한다. 이무효전압성분은실측무효전압성분과합쳐지고다시유효전류성분에서공급되는교차성분만큼보정된후컨버터가출력해야할기준무효 HVDC 적용을위한 MMC 기반 Back-to-Back 컨버터의스위칭레벨동작분석 1243

5 전기학회논문지 62 권 9 호 2013 년 9 월 전압 를생성한다. 이렇게형성된기준유 무효전압을 d-q 역변환하면컨버터가출력해야하는기준상전압,, 이생성된다. PWM 방식의경우이기준상전압을삼각파와비교하여게이트펄스를생성하지만, staircase modulation 방식은전류제어기에서생성된기준상전압이출력전압의고조파저감을위한알고리즘 (EAM) 에입력되어 MMC의출력전압의고조파가최소가되는지점에서 SM을 ON/OFF 시킬수있는게이트펄스를생성한다. 가지고있으며, 상순이 A, C, B상의순으로나타나는데이를 d-q변환과정을거쳐 d, q성분으로변환하고 PI제어기를이용해순환전류를억제할수있는적절한 d, q성분의기준전압을생성한다. 생성된 CCSC 기준전압은그림 8(b) 와같이전류제어기에서생성된기준전압과합쳐져서새로운 A, B, C상기준상전압을생성한다. 새로운 A, B, C상기준상전압을 EAM에적용함으로서순환전류를억제하고고조파를최소화할수있는출력전압을생성한다. (a) CCSC 그림 6 전류제어기 6 Current controller 3.4 CCSC(Circulating Current Suppressing Controller) (b) Current controller with CCSC 그림 8 전류제어기 8 Current controller 3.5 Redundancy Module 동작알고리즘 그림 7 MMC의순환전류 7 Circulating current of MMC MMC는출력전압형성의특성상상단암과하단암의전압차가주기적으로발생하며, 이에따른내부순환전류가발생한다. 그림 7은 MMC의등가회로도를통해내부순환전류 (isuma, isumb, isumc) 의흐름을나타낸것이다. 순환전류는암전류를왜곡시키고 SM 커패시터전압의리플을증가시키게되는데, 이를억제하기위해서암리액터의용량을증가시키는방법이있지만암리액터의용량증가는제어의속응성을저하시키고시스템의비용을증가시키는단점이있다. 그래서논문 [15, 16] 에서는순환전류를억제시키기위한제어기를제안하고분석하였는데, 본논문에서는논문 [15, 16] 에서제안한 CCSC 알고리즘을분석하고 PSCAD/EMTDC 프로그램을이용하여구현하였다. MMC의각상에흐르는순환전류는계통주파수의 2배주파수특성을 MMC는 SM이직렬로연결되어암을이루고두개의암과두개의암리액터가한상을이룬다. 암을이루는 SM 의개수는출력하고자하는전압레벨에따라서정해진다. 출력전압의레벨을 n+1레벨로설정하고싶다면암의 SM 개수는 n개가필요하다. 그런데만약암을이루는 SM의개수를 n+1 또는 n+2개와같이증가시키고평상시운전중에는 n+1 또는 n+2개의 SM 중 n개만동작시키다가, SM 1개에고장이발생하면고장이발생한 SM은기계식스위치를통해서 bypass시키고 1개또는 2개의예비모듈 (Redundancy Module) 을출력전압을형성하는데투입함으로써 SM의고장발생시에도정상상태운전을계속유지할수있다. 예비모듈은특정 SM을지정한후모든 SM이정상상태로동작하는경우에는아무동작을하지않은상태로있는것이아니라 n+2개의 SM 커패시터의전압이모두측정되어소팅알고리즘 (sorting algorithm) 에의해정렬이된후전압형성을위해 ON되어야하는 SM의개수가정해지는방식이다. 결국전압형성을하기위해 ON 되는 SM의개수는 n+2개중에서결정되는것이다. 이러한동작을통해서 n+2개의 SM의커패시터전압은모두일정전압을형성하고일정한에너지를가지고있게된다. 그리하여하나의 SM이고장에의해탈락이되면총 n+1개의 SM 중 n개를 ON 시켜출력전압을안정적으로형성한다. 하지만만약암이 n+2개로구성되고예비모듈 2개를특정 SM로설정하고예비모듈을제외한 n개의정상 SM로출력전압을형성하다가하나의 SM에고장이발생하면예비 1244

6 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 9, SEP, 2013 모듈을투입해야하는데이때예비모듈의커패시터에는에너지가충전되어있지않기때문에일정전압이상으로전압을충전하는데시간이필요하게되어신속한투입에의한전압형성이되지못한다. 그림 9는본논문에서제안하는예비모듈의투입동작알고리즘을다이어그램으로정리한것이다. 는 SM의총개수는 12개로이루어진다. 암리액터는정상상태운전에서는순환전류를억제하는역할을하며, DC 측사고발생시사고전류를억제하는역할을한다. 변압기는 MMC의출력전압을계통전압크기로승압하고, 시스템과계통을전기적으로분리하는역할을한다. 표 2 시스템파라미터 Table 2 System parameter Item Values Rated Power 25 MVA DC Link Voltage 20 kv SM Capacitor 9100 uf Arm reactor 2.5 mh Line-Line Output Voltage 11.0 kv Tr.(Y, 22.9kV//, 11.0kV) 5.5 mh Leakage Reactance Number of SM per Arm 12 ea 그림 9 예비모듈동작알고리즘 9 Redundancy module operation algorithm Level MMC HVDC 시뮬레이션모델 level MMC HVDC System 본논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을이용하여표 2에시스템파라미터를제시한 25MVA 11-level MMC HVDC System에대해시뮬레이션모델을개발하고위에서언급한개별 SM 커패시터전압평형알고리즘, 순환전류억제알고리즘, 출력전압고조파저감알고리즘, 그리고 SM 에고장이발생하면예비모듈을투입시키는 redundancy module 동작알고리즘을구현하였다. 모든제어알고리즘은 C 코드로구성된사용자정의모델을이용하여구현하였고그타당성은시뮬레이션분석을통해검증하였다. 4.2 유 무효전력제어시뮬레이션 그림 10 25MVA 11-레벨 MMC HVDC 시스템 10 25MVA 11-level MMC HVDC System 그림 10은본논문에서구현한 25MVA급 11-level MMC HVDC 시스템구성을나타낸것이다. 전체시스템은 2기의 MMC가 BTB(Back-to-Back) 구조로연결되어있으며, DC link전압은 ±10kV로제어된다. MMC HVDC 시스템은 1기의 MMC가유효전력제어를통해 DC link전압을일정하게유지하는제어동작을수행하고무효전력제어를통해서연계된계통의역률제어또는계통전압안정화제어를선택적으로수행한다. 다른 1기의 MMC는유효전력제어를통해서전력의흐름을양방향으로제어하고무효전력제어를통해서역률제어또는계통전압안정화제어를수행한다. 출력전압을 11-레벨로형성하기위해서는암을이루는 SM의개수가 10개로이루어져야한다. 본논문의시뮬레이션모델은각암에 redundancy module이각각 2개씩추가되어, 암을이루 MMC 컨버터로구성된 BTB(Back-To-Back) HVDC 시 스템의시뮬레이션모델을구성하고적절한시나리오에따 른유 무효전력제어가이루어지는것을확인하였다. 또한주 요지점의전압, 전류를확인하여 MMC의출력전압과출력 전류의 THD를확인하였으며, 설계된 SM 커패시터에나타 나는전압리플이적절한값을갖는지확인하였다. 표 3 시뮬레이션타임테이블 Table 3 Simulation time table Item Values Mode P aref 20M 0M -20M 0M Q aref 0M 15M 0M -15M 0M Q bref 0M 15M -15M 표 3은시간에따른유 무효전력지령값을 10개모드로 나타낸것이다. 그림 10에서송전단 MMC-A는유효전력제 어를통해서유효전력의흐름을양방향으로제어하며수전 단 MMC-B는 DC-link전압을일정값으로제어한다. 그림 11은시간에따른유 무효전력의지령값과실측값의 HVDC 적용을위한 MMC 기반 Back-to-Back 컨버터의스위칭레벨동작분석 1245

전기학회논문지 62 권 9 호 2013 년 9 월 그래프를나타낸것이다. 전체시뮬레이션시간은 10개모드로구분되어있으며, 각모드별동작상태분석은확대파형분석과 THD 분석을통해서이루어졌다. MMC-B는 DC link전압을 20kV로일정하게제어하고있으며, 유효전력의흐름이양방향으로제어되는과도상태에서도일정값을잘유지하는것을확인하였다.

(a) Voltage and current at mode1 그림 11 25MVA 11-level MMC HVDC 시스템의유 / 무효전력제어 11 P & Q control of 25MVA 11-level MMC HVDC system 그림 12(a) 는그림 11의모드구간중유효전력이정격에서동작하는구간인모드1 구간을확대한것으로전압, 전류파형을관찰하고

7 전기학회논문지 62 권 9 호 2013 년 9 월 그래프를나타낸것이다. 전체시뮬레이션시간은 10개모드로구분되어있으며, 각모드별동작상태분석은확대파형분석과 THD 분석을통해서이루어졌다. MMC-B는 DC link전압을 20kV로일정하게제어하고있으며, 유효전력의흐름이양방향으로제어되는과도상태에서도일정값을잘유지하는것을확인하였다. 또한각 MMC에연계된계통의무효전력은무효전력제어기준값을잘추종하는것을확인하였다. (a) Voltage and current at mode1 그림 11 25MVA 11-level MMC HVDC 시스템의유 / 무효전력제어 11 P & Q control of 25MVA 11-level MMC HVDC system 그림 12(a) 는그림 11의모드구간중유효전력이정격에서동작하는구간인모드1 구간을확대한것으로전압, 전류파형을관찰하고 THD를측정하여 MMC의출력전압형성알고리즘인 EAM의성능을확인하였다. 그림 12(b) 는그림 11의모드구간중유 무효전력이모두정격에서동작하는구간인모드2 구간을확대한것으로전압, 전류파형을관찰하였으며 THD를측정하였다. 그림 13은위에서설계한 SM 커패시터용량을시뮬레이션에적용한결과파형이다. 본논문에서는 SM의허용전압리플을 10% 로설정하고커패시터를설계하였으며, 시뮬레이션결과분석을통해서커패시터설계수식의타당성을검증하였다. SM 커패시터의전압리플은부하가가장클때크게나타나는것을알수있다. (b) Voltage and current at mode2 그림 12 출력전압, 전류의확대파형 12 Extended Waveform of Output Voltage and Current 4.3 순환전류억제제어기 (CCSC) 적용시뮬레이션 그림 14는 MMC의성능개선을위한순환전류억제제어기 (CCSC) 를시뮬레이션에적용하고동작전 후파형을비교함으로서 CCSC의성능을확인한파형이다. 위에서부터첫번째파형은 A상에흐르는순환전류파형을나타낸것이며순환전류는계통주파수의 2배주파수인 120Hz 특성 그림 13 SM 커패시터전압리플과확대파형 13 SM capacitor voltage ripple and extended waveform 1246

Trans. KIEE. Vol. 62, No. 9, SEP, 2013 을가지고있다. CCSC의동작전 후순환전류의크기는확연한차이가난다. 두번째파형은 A상상단암에흐르는암전류를나타낸것이며 CCSC를동작시키기전에는고조파가함유된왜곡된전류파형을나타내고있지만 CCSC를동작시키고난후정현파로개선되는것을알수있다.

10개의 SM은 11-level 출력전압을형성하는데꼭필요한구성이므로최대 2개의 SM에문제가발생하더라도계속해서정상동작을유지할수있다. 그림 15는암의 SM이순차적으로 2개까지고장이발생하였을때 MMC의동작이정상적으로이루어지는지확인하기위하여출력전압, 출력전류, SM 커패시터전압리플을분석해보았다.

8 Trans. KIEE. Vol. 62, No. 9, SEP, 2013 을가지고있다. CCSC의동작전 후순환전류의크기는확연한차이가난다. 두번째파형은 A상상단암에흐르는암전류를나타낸것이며 CCSC를동작시키기전에는고조파가함유된왜곡된전류파형을나타내고있지만 CCSC를동작시키고난후정현파로개선되는것을알수있다. 세번째파형은 A상상단암 SM들의커패시터전압리플을나타낸것이며순환전류가억제됨에따라서커패시터의전압리플이약 40V정도작아지는것을확인하였다. 네번째와다섯번째파형은 MMC의 3상출력선간전압과출력전류를나 타낸것이며 CCSC의동작전 후 MMC의유 무효전력제어에는직접적인영향을미치지않는것을확인하였다. 4.4 Redundancy Module 동작시뮬레이션본논문에서구성한 11-level MMC는예비모듈을 2개추가하여하나의암이 12개의 SM로구성되어있다. 10개의 SM은 11-level 출력전압을형성하는데꼭필요한구성이므로최대 2개의 SM에문제가발생하더라도계속해서정상동작을유지할수있다. 그림 15는암의 SM이순차적으로 2개까지고장이발생하였을때 MMC의동작이정상적으로이루어지는지확인하기위하여출력전압, 출력전류, SM 커패시터전압리플을분석해보았다. SM에고장이발생하는경우결과파형과같이 SM 커패시터리플전압이과도상태에서약간상승하지만출력전압, 출력전류파형은 SM에고장이발생하기전상태를잘유지하고있는것을확인하였다. 5. 결론 그림 14 CCSC 을적용한 MMC 의실험파형 14 Simulated waveform of MMC using CCSC 본논문에서는 MMC(modular multi-level converter) 를기반으로한 HVDC의동작특성을스위칭-레벨에서분석가능한시뮬레이션모델을개발하고이모델을이용한분석결과에대해기술하였다. 현재상용화된 MMC-기반 HVDC에서는각상한 Pole 에약 150개의 SM(sub-module) 이직렬로결합되어있어전체를그대로스위칭-레벨로분석하기위한시뮬레이션모델을개발하는것은불가능하다. 따라서본연구에서는시뮬레이션의복잡성을완화하고컴퓨터의 run-time을줄이기위해각상한 Arm에 12개의 SM으로구성된 MMC-기반 HVDC를대상으로시뮬레이션모델을개발하였다. 개발한시뮬레이션모델에서는각 SM의 DC 전압평형과순환전류억제를위한알고리즘그리고교류측출력전압의고조파저감을위한알고리즘을채택하였으며또한각폴의 SM에서고장이발생하였을경우이에대처하는 redundancy 동작알고리즘을채택하였다. 개발한시뮬레이션모델은 MMC-기반 HVDC의동작특성을스위칭-레벨에서분석하는데활용가능하고교류나직류단에서발생하는고장에대해각 SM을보호하기위한회로와알고리즘을개발하는데활용가능할것으로판단된다. 감사의글본연구는 2013년도산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원과한국전력공사재원으로전력연구원의지원을받아수행한연구과제 (No ) 입니다. References 그림 15 예비모듈동작 15 Redundancy module operation [1] U. Axelsson, A. Holm, C. Liljegren, M. Aberg, K. Eriksson, O. Tollerz "The Gotland HVDC Light project-experiences from trial and commercial HVDC 적용을위한 MMC 기반 Back-to-Back 컨버터의스위칭레벨동작분석 1247

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9 전기학회논문지 62권 9호 2013년 9월 operation", Eletricity Distribution, Part1: Contributions. CIRED. 16th International Conference and Exhibition on (IEE Conf. Publ No. 482) [2] B. Jacobson, P. Kalsson, G. Asplund, L. Harnefors and T. Jonsson "VSC-HVDC transmission with cascaded two-level converters", CIGRE Session, pp.b4 -B [3] C D Barker, N M Kirby, Reactive power loading of components within a modular multi-level VSC HVDC converter, IEEE Electric power and energy conference, Winnipeg, Canada, 2011 [4] R. Marquardt "Modular multilevel convertertopologies with DC-short circuit current limitation", Proc.8th Int. Power Electron. ECCE Asia Conf., pp [5] R. Marquardt "Modular multilevel converter: An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications", Proc. Int. Power Electron. Conf., 2010, Jun [6] R. Marquardt, A. Lesnicar, "New Concept for High Voltage - Modular Multilevel Converter," PESC 2004, Aachen. [7] R. Marquardt, A.Lesnicar, "A new modular voltage source inverter topology," EPE 2003, Toulouse. [8] H.J. Knaak, Modular Multilevel Converters and HVDC/FACTS: a success story, in Conf EPE 2011, Birmingham. [9] U. N. Gnanarathna, A. M. Gole and R. P. Jayasinghe "Efficient modeling of modular multilevel HVDC converters (MMC) on electromagnetic transient simulation programs", IEEE Trans. Power Del., vol. 26, no. 1, pp [10] J. Peralta, H. Saad, S. Dennetiee, J. Mahseredjian, and S. Nguefeu, Detailed and averaged models for a 401-level MMC-HVDC system, IEEE Trans. Power Del., vol. 27, no. 3, pp , Jul [11] B. Han, H. Kim, and S. Baek, "Performance analysis of SSSC based on three-level multi-bridge PWM inverter", Elsevier Sci. Elect. Power Syst. Rese., vol. 61, no. 3, pp [12] G. Ding, M. Ding and G.Tang "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology and Modulation Control Scheme for the first VSC-HVDC project in China", in Proc. 16th Power Systems Computation Conference (PSCC), July 2008, Glasgow, United Kingdom. [13] B. Han, B. Bae, S. Baek and G. Jang "New configuration of UPQC for medium-voltage application", IEEE Trans. Power Del., vol. 21, no. 3, pp [14] B. Han, S. Baek, H. Kim and G. Karady "Dynamic characteristic analysis of SSSC based on multibridge inverter", IEEE Trans. Power Del., vol. 17, no. 2, pp [15] Q. Tu, Z. Xu and L. Xu "Reduced switching-frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel 1248 converters", IEEE Trans. Power Del., vol. 26, no. 3, pp [16] Q. Tu, Z. Xu, and J. Zhang, "Circulating current suppressing controller in modular multilevel converter," in Proc. IECON th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Society, 2010, pp 저 자 소 개 홍 정 원 (洪井源) 1986년 9월 21일생. 2012년 명지대 전기 공학과 졸업. 현재 동 대학원 전기공학과 석사과정. largegarden@nate.com 정 종 규 (鄭鍾圭) 1981년 3월 21일생. 2008년 명지대 전기 공학과 졸업. 2010년 동 대학원 전기공학 과 졸업(석사). 현재 동 대학원 전기공학 과 박사과정. jjuk486@naver.com 유 승 환 (兪承煥) 1988년 11월 30일생. 2013년 명지대 전기 공학과 졸업. 현재 동 대학원 전기공학과 석사과정. yoosh1130@hanmail.net 최 종 윤 (崔鍾允) 1972년 6월 21일생. 1996년 한양대 전기 공학과 졸업. 1998년 동대학원 전기공학 과 졸업(석사). 현재 명지대 대학원 전기 공학과 박사과정. 효성 중공업 연구소 수석연구원. choris007@hyosung.com 한 병 문 (韓炳文) 1953년 7월 5일생. 1976년 서울대 전기공 학과 졸업. 1988년 미 아리조나주립대 대 학원 전기공학과 졸업(석사). 1992년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박). 미 Westinghouse 중앙연구소 선임연구원. 현재 명지대 전기공학과 교수. erichan@mju.ac.kr

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DBPIA-NURIMEDIA 論文 15-4-6 李相赫 *, 丁海光 *, 李敎範, 崔世琓 ** ***, 崔宇鎭 요약 ABSTRACT 교신저자 : 정회원, 아주대전자공학부부교수 E-mail : kyl@ajou.ac.kr * 학생회원, 아주대전자공학과석사과정 ** 정회원, 서울산업대제어계측공학과교수 *** 정회원, 숭실대전기공학부조교수접수일자 : 2010. 5. 17 1차심사 : 2010.