AC/DC Hybrid 전력망의 전력조류계산 및 DC 측 고장검출 기법
Power Flow Calculation and DC Side Fault Detection Technique of AC/DC Hybrid Power Network
- 저자식별ID ORCID:https://orcid.org/0000-0003-2409-3451
- 주제(키워드) 도움말 AC/DC Hybrid 전력망 , DC 보호 계전 , DC 측 고장검출 기법 , DWT , MATLAB , PSCAD , 가변 재생에너지원 , 강인성 , 계산 및 검출속도 , 분산전원 , 상세계수 , 시간 및 페이저 영역 , 실시간 , 전력조류계산 , 절대치의 제곱의 합 , 절대치의 크기 , 탄소중립
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 박철원
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 전기공학과
- 세부분야 해당없음
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000011539
- UCI I804:42001-000000011539
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
최근, 제1차 국가 탄소중립 녹색성장 기본계획, 제10차 전력수급기본계획 및 제3차 지능형전력망 기본계획 등에서, 증가하는 VRE, DERs의 계통 수용성의 확보가 요구된다. 이에 따라, 우리나라는 탄소중립을 위한 직류전력망뿐만 아니라 AC/DC Hybrid 전력망 구축을 장기적인 비전으로 삼고 있다. 이 AC/DC Hybrid 전력망은 에너지 전환 정책의 일환으로, 전력망 연계 수요 증가에 대응하여 전력망의 혁신적 변화를 가져올 수 있다. 또한, 전력손실 감소, 전력품질 향상으로 인한 효율성 및 안전성 향상, 부하 수용성 증가 등 다양한 장점이 있다. 따라서, 강인하고 최적인 AC/DC Hybrid 전력망이 구축되어야 한다. AC/DC Hybrid 전력망에 적용할 수 있는 전력조류계산은 현재 완벽하지 않고 거의 존재하지 않는다. 종래의 AC 전력조류계산은 AC 전력망을 계산하고, 종래의 DC 전력조류계산은 DC 전력망을 계산할 수밖에 없다. 그러므로, 기존의 전력조류계산 기법으로는 AC/DC Hybrid 전력망에 적용이 불가능하기 때문에, 새로운 전력조류계산 기법이 절실하게 요구된다. 한편, 종래의 AC 고장검출 기법은 DC 전력망의 보호 계전에 완벽하게 적용할 수 없다. 따라서, DC 전력망 및 AC/DC Hybrid 전력망 보호의 기반을 조성하기 위하여, DC 측 지락고장 및 단락고장을 검출할 수 있는 기법이 또한 매우 필요하다. 본 논문에서는 AC/DC Hybrid 전력망의 설계, 구축 및 운영 기술을 위한, 전력조류계산 기법과 DC 측 고장검출 기법을 제안하고, 성능을 검증하였다. 먼저, 제안된 AC/DC Hybrid 전력망의 전력조류계산 기법의 결론으로서, 첫째로는, 변환 지수와 듀티비 등의 전력변환기를 고려한 AC 및 DC 모선의 종류를 7가지로 확대, 설계하였다. 즉, AC/DC Hybrid 전력망에 적용할 수 있는 전력조류계산 기법을 제안하였다. 둘째로는, 제안된 기법은 각 모선에 연결될 수 있는 모든 선로와 컨버터의 유형, 컨버터의 순서 및 컨버터의 존재 유무를 고려하여, 총 17가지의 선로연결유형으로 확대, 반영하였다. 따라서, 전력망의 종류에 관계없이 모든 AC/DC Hybrid 전력망의 모선과 선로에 흐르는 전체 전력조류를 상세하게 계산할 수 있다. 셋째로는, 수식화된 전력방정식과 입출력 행렬기반의 실시간 구현이 용이하도록, 최적화된 MATLAB 도구를 이용하여 범용화하고, 각 기능별 모듈 기반의 프로그램을 구현하였다. 넷째로는, 시간 영역 (Time domain)의 PSCAD를 이용한 Hybrid 5 ~ 33 Bus Model 등의 다양한 대상의 사례연구를 통하여, 페이저 영역 (Phasor domain)의 제안된 프로그램의 성능을 비교하였다. 끝으로, 제안된 기법은 AC 전력망, DC 전력망 및 AC/DC 전력망 등 전력망의 종류와 모선수에 관계없이 전력조류계산이 가능하였고, 신속한 소요 시간과 낮은 허용 오차로 성능이 개선, 입증되었다. 더불어, AC/DC Hybrid 전력망을 위한 제안된 DC 측 고장검출 기법의 결론으로서, 첫째로는, IMD로부터 수집된 전류의 Daubechies의 Level 8에서, 상세계수 4의 절대치 크기를 기반으로 DC 측 지락고장 검출 기법을 제안하였다. 둘째로는, DC 선로에서 측정된 전류의 Daubechies 모 웨이블릿의 Level 1, 상세계수 1~6을 추출한 후, 절대치의 제곱의 합을 원리로 DC 측 단락고장 검출 기법을 보완, 개선하였다. 셋째, 제안된 고장검출 기법의 실시간 구현과 원하는 신호의 그래프 표현을 용이하게 하기 위해 MATLAB 도구를 사용하여 높은 통합성이 있는 고장검출 기법을 구현하였다. 넷째로는, PSCAD를 이용한 LVDC Microgrid ~ Hybrid 13 Bus Model 등의 다양한 대상의 사례연구를 통해, 제안된 DC 측 고장검출 기법의 성능을 기존의 RCC 기법과 비교하였다. 비교 결과, 제안된 DC 측 고장검출 기법은 고장 유형, 고장위치 및 고장저항에 관계없이 고장을 검출함으로, 정동작을 보였다. 또한, 기존의 RCC 기법은 지락고장을 검출하지 못하였으나, 제안된 기법은 지락고장을 정확하게 검출할 수 있었다. 끝으로, RCC 기법보다 단락고장을 최대 0.000065[s]만큼 고속 검출함으로써, 제안된 기법의 단락고장 검출 성능이 개선, 입증되었다. 결론적으로, 제안된 전력조류계산 기법은 기존의 기법에 비해 계산 속도, 정확성 및 다양성이 개선되었다. 또한, 제안된 DC 측 고장검출 기법은 기존의 기법에 비해 실시간성, 차별성, 검출속도, 정확성 및 강인성이 향상되었다. 최종적으로, 친환경 VRE, DERs 연계 AC/DC Hybrid 전력망의 계통 영향 검토 및 안정적인 운영, 그리고 DC 측 보호 구축을 위한 기반을 조성, 확립함으로써, 본 논문의 결과는 중요한 자료로 활용될 것으로 여겨진다.
more초록/요약 도움말
Recently, in the 1st National Basic Plan for Carbon Neutral Green Growth, the 10th Basic Plan of Long-Term Electricity Supply and Demand, and the 3rd Basic Plan for Intelligent Power Networks, it is required to secure network acceptance of increasing VRE (Variable Renewable Energy) and DERs (Distribution Energy Resources). Accordingly, South Korea has a long-term vision of establishing AC/DC hybrid power network as well as DC power network for Carbon Neutrality. As part of the energy transition policy, the AC/DC hybrid power network can bring innovative changes to the power network in response to the increased demand for power network connection. In addition, there are various advantages such as reduced power loss, improved efficiency and safety due to improved power quality, and increased load acceptance. Therefore, robust and optimal AC/DC hybrid power network must be established. Power flow calculations applicable to AC/DC hybrid power networks are not perfect and currently rarely exist. The conventional AC power flow calculation calculates the AC power network, and the conventional DC power flow calculation has no choice but to calculate the DC power network. Therefore, since the existing power flow calculation technique cannot be applied to the AC/DC hybrid power network, a new power flow calculation technique is urgently needed. Meanwhile, the conventional AC fault detection technique cannot be perfectly applied to the protection relaying of the DC power network. Therefore, in order to create a basis for DC power network and AC/DC hybrid power network protection, a technique capable of detecting DC-side ground faults and short-circuit faults is also very necessary. In this paper, a power flow calculation and a DC-side fault detection technique for the design, construction, and operation technology of AC/DC hybrid power network were proposed and their performance verified. First of all, as a conclusion of the proposed power flow calculation technique for AC/DC hybrid power network, first, the types of AC and DC bus considering the power converters such as modulation index and duty ratio were expanded and designed to 7 types. In other words, the power flow calculation technique applicable to AC/DC hybrid power network was proposed. Secondly, the proposed technique was expanded and reflected to a total of 17 line connection type according to the type of all lines and converters that can be connected to each bus, the order and the presence or absence of converters. Therefore, regardless of the type of power network, it is possible to calculate in detail the total power flow flowing through the bus and lines of all AC/DC hybrid power networks. Thirdly, in order to facilitate real-time implementation based on formulized power equations and input/output matrices, it was generalized using an optimized MATLAB tool, and a module-based program for each function was implemented. Fourthly, through case studies of various targets such as the hybrid 5 ~ 33 bus model using PSCAD in the time domain, the performances of the proposed programs in the phasor domain were compared. Lastly, the proposed technique can calculate the power flow regardless of the type of power network, such as AC power network, DC power network, and AC/DC power network, and the number of bus. And, the performance has been improved and proven with high-speed processing times and low tolerances. In addition, as a conclusion of the proposed DC-side fault detection technique for AC/DC hybrid power networks, first, the DC-side ground fault detection based on the absolute magnitude of the detail coefficient 4 in Daubechies' Level 8 of the current collected from the IMD. technique was proposed. Secondly, after extracting Level 1 and detail coefficients 1 to 6 of the Daubechies wavelet of the current measured on the DC line, the DC-side short-circuit fault detection technique was supplemented and improved based on the principle of sum of squares of absolute values. Thirdly, to facilitate the real-time implementation of the proposed fault detection technique and the graph representation of the desired signal, highly integrable fault detection technique was implemented using MATLAB tools. Fourthly, through case studies of various targets such as LVDC microgrid ~ hybrid 13 bus model using PSCAD, the performances of the proposed DC-side fault detection technique were compared with the conventional RCC technique. As a result of comparison, the proposed DC-side fault detection technique showed normal operation by detecting faults regardless of fault type, fault location, and fault resistance. In addition, the conventional RCC technique could not detect a ground fault, but the proposed technique could accurately detect a ground fault. Lastly, by detecting short-circuit faults at a higher speed than the RCC technique by up to 0.000065 [s], the short-circuit fault detection performance of the proposed technique was improved and verified. In conclusion, the proposed power flow calculation method has improved calculation speed, accuracy and versatility compared to conventional techniques. In addition, the proposed DC-side fault detection technique has improved real-time, discrimination, detection speed, accuracy and robustness compared to the existing techniques. Finally, by creating and establishing the foundation for the system impact review and stable operation of the AC/DC hybrid power grid linked to eco-friendly VRE and DERs, and the establishment of DC-side protection, the results of this paper can be considered as an important resource.
more목차 도움말
국문초록 ⅰ
목 차 ⅳ
표 목차 ⅵ
그림목차 ⅶ
Ⅰ. 서론
1. 연구 배경 및 필요성 1
2. 연구 동향 2
3. 연구 목적 및 내용 5
Ⅱ. 기존의 전력조류계산 및 DC 측 고장검출 기법
1. AC 전력조류계산 기법 7
2. DC 전력조류계산 기법 10
3. AC/DC Hybrid 전력조류계산 기법 12
4. AC/DC Hybrid 전력조류계산 기법 적용 시 문제점 15
5. DC 고장의 특성 16
6. DC 측 고장검출 기법 19
7. DC 측 고장검출 기법 적용 시 문제점 21
Ⅲ. AC/DC Hybrid 전력망을 위한 전력조류계산 기법
1. 전력조류계산 기법 설계 23
2. 전력조류계산 기법 구현 47
Ⅳ. AC/DC Hybrid 전력망의 DC 측 고장검출 기법
1. WT 이론 54
2. DWT 기반 DC측 고장검출 기법 56
1) 지락고장 검출 기법 56
2) 단락고장 검출 기법 58
Ⅴ. AC/DC Hybrid 전력망 모델링
1. Hybrid 5 Bus Model 59
2. Hybrid 13 Bus Model 64
Ⅵ. 사례연구 및 성능 평가
1. 전력조류계산 기법의 성능 평가 75
1) Hybrid 5 Bus Model 75
2) Hybrid 13 Bus Model 80
3) Hybrid 33 Bus Model 85
2. DC 측 고장검출 기법의 성능 평가 93
1) LVDC Microgrid Model 93
2) Hybrid 5 Bus Model 105
3) Hybrid 13 Bus Model 115
3. 결과 및 고찰 126
1) 전력조류계산 기법 126
2) DC 측 고장검출 기법 127
Ⅶ. 결론 129
참고문헌 132
Abstract 136
