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▣ 배전계통에서 분산전원 확대와 함께 다양한 전력시장참여자 등장
시장환경
▣ 공유경제사회에서 배전계통은 에너지공유 플랫폼
USB Type-C : 100W
▣ 배전망 중요도 증대 및 다양한 배전방식 도입 필요
유럽 ABB 社
독일 아헨공대 스코틀랜드 SP Energy Networks 社
네덜란드 Liander 社
□ 공급 용량 확대 용 MVDC
□ 도심지 대규모 산업단지 공급 용 MVDC
□ 신재생 연계 용 MVDC
□ 캠퍼스 전원공급 용 MVDC
기술동향
MVDC 배전망
V2G
1.5~100 kVdc
ESSHVDC
DC수용가
WTPV
LVDC
데이터센터
PVPV WT WT
MVAC
22.9 kVac
CHP
100 kVdc2020년 디지털부하
비율이 50%이상 전망
국내 풍력발전시장 연평균 24.6% 성장
전망
2025년 1차에너지대비 신재생비율 11%
달성 목표(정부)
2017년 4조원 규모의해상풍력 프로젝트 계
획(산업부)
2017년100MW 태양광(수도권)40MW 태양광(삼척시)
프로젝트 계획
2020년까지전기차 25만대보급 계획(정부)
±750 VdcCHP
AC 부하
소규모 신재생배전망 무제한 접속 허
용 (산업부)
연계 용량 확대
대용량 고객직접 수전
전송손실저감
변환손실감소
추진방향
MVDC 계통해석 요소기기모델링
MVDC 배전망 설계기준 및 운영안 도출
계통특성분석 및 경제성평가 모델 및 제어기법 개발
검증시험
- 컨버터 제어기 제작
- 실시간 Test-bed 구축
검증시스템 구축
- 전력변환장치 모델링
- 차단기 모델링
- AC기자재 전계해석
공급전압 도출 설계기준 및 운영안 수립시험데이터 분석
배전계통 모델링시나리오 구성
연구과제 개요
▣ 국내 적용 가능한 MVDC 배전망 시나리오 개발 및 효과 분석
목표 구성 효과
선로 이용률 증대 MVDC 선로 조류제어 선로 과부하 해소
신재생원 수용성 강화 SOP 연계, DC D/L 수용량 최대 100% 증대
기존 선로 용량 증대 해월철탑 DC화 전송 용량 40% 증대
배전계통 안정성 확보 독립섬, AC/DC 하이브리드 변동 한계 480% 증대
신 비즈니스 창출 전기철도 병렬수전 선로 손실 50% 감소
중규모 계통 간DC line연계
재생에너지원접속 용량 확보
기존 AC선로 활용(선로 DC화 통한 용량↑)
기존 DC 기술 활용(HVDC, LVDC)
※ 출처 : CIGRE 2018 WG ‘Study on feasibility of MVDC’
MVDC 배전망 구성방안 검토
▣ 조류제어를 통한 선로 이용률 증대
운남-함평 2회선선로 부하율 : 165%
선로 이용률 : 10% 부근70kV 신설 ► MVDC 신설
70kV AC 신설 MVDC 신설
운남-함평2회선 13%
48%(↑)(DC 70kV)
96%(↑)(DC 35kV)
운남2-함평2 2회선 165% 93%(↓)
함평-서전남2회선 90% 95%
엄다-나주2회선 74% 63%
신안-운남2회선 114% 70%(↓)
■ 원안 : 70kV AC 신설 시 선로 이용률 저조로 태양광 100% 수용 시 과부하
■ 방안 : 70kV AC 대신 MVDC 선로 신설로 조류제어를 통한 이용률 증대
■ 효과 : 신설 선로 이용률 증가(13% ► 48%)로 태양광 100% 수용 가능
※ 8차 수급계획에 따라 해당지역 신재생(태양광+풍력) 3GW 적용.
▣ 신재생 발전원 및 직류부하 수용성 강화
SOP 연계 시나리오 D/L DC화 시나리오
■ 방안 : 기존 D/L의 컨버터 이용 SOP 연계
■ 효과 : 조류제어를 통한 선로 이용률 증대
■ 방안 : 1개 D/L의 DC화 및 타 D/L 연계
■ 효과 : 선로 용량(DC) 및 이용률(AC) 증대
모의결과 기존 SOP 연계D/L DC화
18.7kV 25kV 30kV 35kV
신재생 수용률 20MW 35MW 35MW 38.4MW 41.1MW 43.8MW
▣ 동일 선로 전송용량 증대
R S T R S T
(+) (-) (-) (-)(+) (+)
1회선 2회선
1회선 2회선 3회선
선로 용량 : 24.8MVA(AC) ⇒ 35.5MVA(DC)
(AC) 2 x √3 x 33 x Imax
(DC) 3 x 2 x 27 x Imax
■ 효과 : 2회선 3상 AC선로를 3회선 DC선로로 활용 시 용량 40% 증대
■ 사례 : 영국 ANGLE 프로젝트 ► AC망 증설 대비 총 비용 30% 절감
■ 활용 : 용량이 포화된 국내 해월철탑의 DC화를 통해 부하증가 대응
비용 절감
신설
기존 선로 활용
▣ 배전계통 안정성 확보(1/2)
■ 기존 : 샌재생원 출력 변동 ► 주파수 불안정 ► 출력 변동 허용 300kW
■ 방안 : DC계통 구성 ►주파수 문제 해결 신재생 ► 안정적 신재생원 이용
■ 효과 : DC D/L 신재생원 출력 변동 허용 1.45MW(AC 대비 480% 증가)
중규모 도서지역 MVDC 독립섬 시나리오
모의 결과 AC D/L DC D/L
허용 신재생 변동 300kW 1.45MW
신재생 300kW 출력 변동
4.849kVdc
신재생 1.45MW 출력 변동
- 피크 부하 : 3.8MW
▣ 배전계통 안정성 확보(2/2)
■ 기존 : 기존 AC D/L 용량 포화 시 신규 AC D/L 추가
■ 방안 : 신규 DC D/L 추가 ►전원 및 부하의 특성별 AC/DC 분리 연계
■ 효과 : 신재생원 수용률 증가 100% 이상, 연계 효율 4 % 증가
AC/DC 하이브리드 시나리오
ACGrid
DCGrid
모의결과
AC D/L 신설
AC D/L 신설+ SOP 연계
DC D/L 신설 + SOP 연계
18.7kV 35kV
수용량 20MW 40MW 40MW 48.8MW
효율 : 94%
효율 : 98%
▣ 신 비즈니스 창출
■ 기존 : AC 양방향 연계 시 위상차로 인한 순환전류 문제로 편단급전
■ 방안 : 선로 DC화 ►순환전류 문제 해결 ►병렬급전 가능
■ 효과 : 전압강하 및 선로손실 50% 이상 감소, 설비 투자 및 면적 감소
전기철도 DC급전 시나리오
Vkepco
3 PhaseRMS
KEPCO 154 KV System
A
B
C
(0.09127 + j0.14005)x4.0
0.3651+j0.562, 0.00149H
C1Cable1
C2
C3
송전선로(지중선로) XLPE 400, 4km
(0.09127 + j0.14005)x4.0
C1Cable1
C2
C3
RRL
RRL
A
B
C
RLRRL
Cable1C
Vkepco
3 PhaseRMS
M_Line6
1
M_Line6
1
M_IssF
M_IssR
M_IssT
M_Line1
1
M_Line1
1
KEPCO 154 KV System
2km
12km
A
B
C
(0.09127 + j0.14005)x4.0
0.3651+j0.562, 0.00149H
C1Cable1
C2
C3
송전선로(지중선로) XLPE 400, 4km
(0.09127 + j0.14005)x4.0
C1Cable1
C2
C3
RRL
RRL
A
B
C
RL RRL
Cable1C
M_Line1T
M_Line6T
M_Line6
1
M_Line6
1
M_IssF
M_IssR
M_IssT
M_Line1
1
M_Line1
1
2km
12km
M_Line1T
M_Line6T
KB
AO
GM
AM
Com.Bus
Bridge6 Pulse
KB
AO
GM
AM
Com.Bus
Bridge6 Pulse
KB
AO
GM
AM
Com.Bus
Bridge6 Pulse
KB
AO
GM
AM
Com.Bus
Bridge6 Pulse
Bipolar MVDC 컨버터 스테이션
변전소40~50km
도시철도(지하철) : 1.5~±3.0kVdc
광역철도(KTX) : ±27.5~±38.9kVdc
▣ MVDC 직류전원공급용 전력변환장치 특성 분석
■ MV급 배전계통 적용 가능한 전력변환장치 토폴로지 검토
■ MVDC 배전계통 구성 시 전력변환장치 설계 주요 고려사항 도출
NPC 3-level converter의 전압레벨 한계스위치 저지전압 VDC/2
여유율 1.5배 ► 최대 DC Link 전압 8.6kV
Sa1
Sa2
Sa3
Sa4
VDC/2
VDC/2
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)3상 입력 22.9kVac MVDC 출력 변환기준►스위치 저지전압 효율/전력밀도 관계 고려
설계 주요 고려사항
입출력 전압레벨
스위칭 소자
정격용량
서브모듈(SM) 선정
입·출력 보호기능
동작 신뢰성
경제성
Half-Bridge
VDC
고전압 IGBT 최대 내전압 : 6500V
☞ LV급 제어방식(carrier based PWM) 활용☞ HVDC 대비 서브모듈 고장시 대응 성능 향상☞ 부피 / 가격적인 경쟁력 확보 가능
MVDC 요소기기 분석
▣ MVDC 직류전원공급용 전력변환장치 신뢰성 연구
■ 모듈형 멀티레벨 컨버터 스위치 고장 대응 기술
■ IGBT Thermal Model을 이용한 IGBT 수명 예측 기술
▶ 다수의 서브모듈(SM)& 전력 반도체로 구성
[MMC 시스템 구성도]
[SM 모듈 고장시 정상 서브모듈 선택 기범 알고리즘 개발]
[IGBT 온도 측정 실험세트] [스위칭 동작에 따른 IGBT 온도 특성]
▣ MVDC급 보호용 고속차단기
■ 필요기능 도출 : 고속 차단시간, 계전기 동작 시간 확보 재폐로 동작 가능
■ IGBT 전력용 반도체를 이용한 하이브리드 토폴로지 제안 및 설계(안)
[MVDC용 하이브리드 차단기 토폴로지]
① UFS : VI를 통해 4ms 이내 5mm 접점 분리
② IGBT : 정상상태 시
current path & Turn off시
(4ms 후)Charging
path로 전류우회
ⓒ Charging path
③ Capacitor : IGBT Turn off와 동시에, 고장전류 흡수 역할
Solenoid 코일과영구자석을통한구조►차단시간확보및경제성한계
Thomson 코일을이용한구조►반발력파괴및재패로지연문제
PryoSwitch를이용한구조►차단시간및재패로시간확보, 경제적
[Ultra Fast Switch(UFS) 설계 방안]
▣ AC 가공전선/지중케이블, 애자 및 접속부에 대한 적용 가능 범위
평가 방법 평가 항목
전계해석
1. 내부최대전계평가(𝐸𝑚𝑎𝑥,𝐷𝐶와𝐸𝑚𝑎𝑥,𝐴𝐶 비교)
2. 전계취약지점평가
3. 허용온도, 정격전압및전류평가
AC 전계(비교기준)
DC 전계CASE 1
DC 전계CASE 2
DC 전계CASE 3
𝐸𝑚𝑎𝑥
[𝑘𝑉/𝑚𝑚]5.23 3.72 5.23 5.56
𝐸𝑚𝑖𝑛
[𝑘𝑉/𝑚𝑚]4.02 2.75 1.68 1.51
CurrentRating [𝐴]
714 714 1134 1200
∆𝑇[℃]
5.97 5.97 15.06 16.95
𝑇𝑚𝑎𝑥
[℃]47.61 47.61 59.96 62.40
[40kV급 폴리머 애자 AC/DC 전계 해석]
►같은 Emax 기준 DC전류용량 1.58배 ↑
[전류 크기에 따른 AC/DC XLPE 케이블 전계해석 결과]
AC 전계 : 금구류 집중 DC 전계 : 폴리머 집중
𝜎 + 𝜀𝜕
𝜕𝑡𝛻2𝑉 = 𝜎 + 𝜀
𝜕
𝜕𝑡(𝑑2𝑉
𝑑𝑥2+
𝑑2𝑉
𝑑𝑦2+
𝑑2𝑉
𝑑𝑧2)=0
유전율을 포함한 시변항 0■ 전계 지배방정식
☞ AC 전계 ►절연물의 유전율과 주파수에 의해 결정☞ DC 전계 ►절연물의 도전율에 의해 결정 ► 전계 의존성 및 온도영향 높음
☞ DC 케이블의 최대전계 ≤ AC 케이블 최대전계 산정☞ DC 케이블 도체측 온도가 90℃를 초과하지 않는 범위 정격전류 산출
※ 동일 XLPE 케이블 및 AC/DC 동일전압 인가 기준►시료에 따라 기준 차이
MVDC설계기준
및운영(안)
제시
MVDC 배전망설계및해석 MVDC 요소기기모델링
MVDC 시나리오케이스도출
실시간Test-bed구축및시험
MVDC 계통해석모델 개발컨버터스테이션 간상호 운영방안 수립
MVDC 해석/제어알고리즘개발
구성방식별공급전압검토
멀티터미널계통특성 분석
실시간Test-bed 구축및시험
HVDC 및LVDC요소기기분석
컨버터및차단기제어전략수립
기설AC계통의MVDC 전환모델개발
제어시스템제작및검증시험
MVDC 배전망경제성 분석
MVDC 계통구성(안)
요소기기설계기준
정상및과도상태계통해석
MVDC 보호협조방안설계
컨버터 및 차단기토폴로지 검토
토폴로지 선정및 모델링
기자재전계해석
요소기기제어알고리즘 개발
전망
출처 : EoN
출처 : EPRI
신재생원을 활용한 계통부하 조정력 제공
직류 마이크로그리드
신 서비스
출처 : TEPCO
TEPCO-NTT 조인트 벤처 ‘TNcross’
감사합니다
