2.1 AC/DC 선간 전자기 간섭 모델링

AC/DC Hybrid 배전망 내에서 발생하는 전자기 간섭을 모의하기 위해 다음의 조건들을 설정하였다. 먼저 DC 계통 구현에 활용되는 Modular Multilevel Converter(MMC)를 그림 2와 같이 RLC 등가회로로 표현하였다. MMC의 서브 모듈을 개별적으로 분석하면 계산 복잡도가 기하급수적으로 증가한다. 반면, 해당 등가 모델을 적용할 때 MMC 전체를 단순한 RLC 회로로 표현하여 해석을 용이하게 만들어 EMT(Electro-Magnetic Transients) 시뮬레이션 대비 1000배 이상의 속도 향상이 가능하다. 두 번째로, 등가회로 모델을 활용한 고장 해석이 실제 계통과 오차가 3.5% 이하라고 검증되어 있다^[7]. 따라서, MMC의 초기 고장 모델은 간단한 RLC 등가 모델로 변환하여 사용할 수 있다. DC 계통에서 가장 큰 고장 전류를 발생시키는 MMC의 고장 전류 초기값은 커패시터 방전전류에 의하여 결정된다. 그림 2에 나온 각각의 변수들은 다음과 같다. MMC 회로 내 $L_{0}$는 암 인덕턴스(Arm inductance)를 가리키는데 상단 암(Upper arm)과 하단 암(Lower arm)에 각각 위치한다. 이는 순환전류를 제한하고 고조파를 감소시키는 역할을 한다. $R_{0}$는 암 저항(Arm resistance)으로 암 인덕턴스와 서브 모듈(Sub-module)의 등가 저항을 나타낸다. 이는 실제 회로의 손실을 모델링 하는 데 사용된다. $C_{0}$는 서브 모듈 내 커패시턴스를 나타낸다. $U_{dc}$는 DC-link 전압으로 MMC의 DC 측 전압을 나타낸다. $C_{c}$는 서브 모듈 커패시터들의 등가 커패시턴스, $L_{c}$는 MMC 전체 등가 인덕턴스, 그리고 $R_{c}$는 MMC 전체의 등가 저항을 나타낸다. N은 각 암의 총 서브 모듈 수를 나타낸다. MMC 회로 내 파라미터를 등가회로 파라미터로 변환하기 위해 식 (2-4)을 사용하여 계산할 수 있다^[8].

그림 2. MMC 모델링 (RLC 등가회로)^[7-8]

Fig. 2. MMC modeling (RLC equivalent circuit)^[7-8]

식 (4)부터 (6)을 통해 RLC 값을 구할 수 있다. 계산된 결과는 표 1과 같다.

AC/DC Hybrid 배전망은 그림 3과 같이 상단에는 DC 케이블 2회선, 하단에는 AC 케이블 2회선으로 구성하였다. 케이블은 상하 0.25[m] 간격으로 위치한다. KEC 122.4 및 122.5의 기준에 적합한 케이블로서 지중케이블 종류 중 하나인 CNCV-W 325[$mm^{2}$]을 AC 케이블과 DC 케이블로 사용하였다. 이 케이블은 원형압축 도체를 사용하며, 중성선은 2.3mm * 26가닥으로 사용하며 중성선의 총 단면적은 108[$mm^{2}$]이다. 수밀형 동심 중성선 전력 케이블로, 22.9kV 다중접지 계통의 지중 배전선로에 사용된다. 자세한 사양은 아래 표 2와 같다. 케이블 매설방식은 보수, 점검이 편리하고 외상사고 발생 우려가 적은 암거식을 채택하였으며 AC 케이블과 DC 케이블은 모두 정삼각 배열로 구성하였다.

그림 3. AC/DC 케이블 모델링

Fig. 3. AC/DC cable modeling

2.2 지중케이블 접지방식

지중케이블 접지방식에는 편단 접지, 양단 접지 그리고 크로스 본딩이 있다. 편단 접지방식은 그림 4(a)와 같이 케이블의 한쪽 차폐층에만 접지를 연결하고 다른 쪽 끝은 접지하지 않는 방식이다. 이 경우, 대지~차폐층~대지의 폐회로를 형성하지 않으므로 차폐층에는 전류가 흐르지 않아 차폐층에는 전력손실이 생기지 않는다. 단, 접지하지 않은 측의 종단 차폐층에는 항상 유기전압이 발생하며 이는 케이블의 길이에 비례하여 커진다. 양단 접지방식은 그림 4(b)와 같이 케이블의 양쪽 끝에서 접지하는 방식으로 케이블의 양 끝이 접지되어 편단 접지방식처럼 유기전압이 크게 발생하지 않는다. 또한, 대지~차폐층~대지의 폐회로가 형성되므로, 차폐층에 전류가 흘러 전력손실 및 차폐층의 발열이 생겨 케이블의 허용전류를 감소시킨다. 이때, 차폐층에 흐르는 전류는 케이블의 길이에 무관하다. 케이블의 길이가 길어질수록 저항도 커지기 때문에 차폐층에 흐르는 전류 크기는 변하지 않는다. 크로스 본딩 방식은 그림 4(c)와 같이 케이블을 서로 교차하여 접지하는 방식이다. 일반적으로 하나의 주요 구간(Major section) 안에 3개의 부속 구간　(Minor section)이 있다. 각 부속 구간의 차폐층을 교차 연결하여 3상의 유기전압 합이 0이 되도록 한다. A상, B상, C상의 차폐층을 순차적으로 연결하여 3상 전압의 벡터 합이 0이 되므로 부속 구간에서 발생하는 유기전압이 서로 상쇄되어 전체 유기전압이 0에 가까워지게 된다. 주요 구간의 양 끝단은 직접 접지(Solidly earthing)방식을 사용한다. 케이블의 길이 변화에 따른 영향을 받지 않기 때문에 장거리 송전에 적합하며 차폐층에 흐르는 순환전류가 적기 때문에 송전 용량이 증가한다는 장점이 있다^[9]. 다만 설계 과정이 복잡하고 고장 발생 시 결함 지점을 찾기가 어렵고, 수리 비용이 증가하여 신속한 대응이 어렵다는 단점이 있다.

그림 4. 지중케이블 접지방식^[10]

Fig. 4. Underground cable bonding method^[10]

3.1 시뮬레이션 조건

AC/DC Hybrid 배전망에서 지중케이블 접지방식에 따른 전자기 간섭 현상 발생 여부를 확인하기 위해 표 3, 4와 같이 계통 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 프로그램으로는 구체적인 케이블 규격 설정이 가능한 EMTP ATP-Draw를 사용하였다. 고장 종류, 고장 저항, 선로 길이는 AC/DC Hybrid 배전망에서 발생할 수 있는 고장의 물리적 조건을 반영하였다. 본 연구의 주요 목적은 지중케이블 접지방식에 따른 유도전압 크기를 관찰하는 것으로, 이에 계통 내에서 가장 빈번히 발생하며 접지와 연관이 있는 지락 고장에 대한 모의를 진행하였다. AC 측에서는 한 상이 대지와 접촉되는 1선 지락 고장 (SLG, Single Line-to-Ground), DC 고장으로 DC 측의 한 극이 대지와 단락되는 Pole-to-Ground(PTG) 고장을 적용하여 모의하였다. AC 측에 고장이 발생할 때 DC 측에 미치는 영향과, 반대로 DC 측에서 고장이 발생할 때 AC 측에 미치는 영향을 각각 관찰하였다. 고장 저항은 최대 고장 전류를 모의할 수 있도록 0[Ohm]으로 통일하였으며 선로는 5개의 길이로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다. 고장은 0.1초에 발생하도록 설정했으며, 각 케이블의 구간 길이는 250m로 설정하였다. 각 케이블의 구간마다 접지저항을 설치하였는데 이때 접지저항 $R_{g}$의 값은 20[Ohm]으로 설정하였다.

그림 5. 시뮬레이션 계통도 (양단 접지)

Fig. 5. The simulation configuration (Solid-Grounding)

3.2 정상상태 시 DC 케이블에 의한 AC 케이블 영향

그림 6은 병행 선로 길이가 10km, DC　케이블에 DC 전원 20kV를 인가할 때 AC 케이블에 유도되는 전압을 관측한 것이다. 이때,　AC 케이블에서 발생하는 유도전압만을 관측하기 위해 AC 케이블에는 전압을 인가하지 않았다. DC 전원이 인가되는 경우, 전압과 전류의 크기가 일정하여 자속이 발생하지 않는다. 결과적으로 자속의 변화가 없으므로 유도전압이 발생하지 않는 것을 볼 수 있다.

그림 6. 정상상태 시 AC 케이블 유도전압 크기(DC 전원)

Fig. 6. The magnitude of voltage (steady state, DC Voltage Source)

3.3 정상상태 시 AC 케이블에 의한 DC 케이블 영향

그림 7은 AC 측이 정상상태일 때 DC 케이블에 유도되는 전압의 크기를 보여준다. AC 전류의 경우, 고장이 발생하지 않아도 전류의 크기가 변화하므로 유도전압이 발생하게 된다. 이때, DC 케이블에서는 AC 측에서 발생하는 자속의 영향을 받아 정현파 형태의 유도전압이 발생한다. 편단 접지의 최대 유도전압 크기는 125.8[V]이며 양단 접지의 경우 13.8[V] 그리고 크로스 본딩의 경우 0.33[V]이다. 크로스 본딩을 적용할 때 가장 낮은 유도전압이 발생하는 것을 볼 수 있다.

그림 7. 정상상태 시 DC 케이블 유도전압 크기 (AC 전원)

Fig. 7. The magnitude of voltage (steady state, AC Voltage Source)

3.4 AC 케이블 측 고장으로 인한 DC 케이블 영향

그림 8은 AC 케이블에서 1선 지락 고장이 발생했을 때 DC 케이블에 유도되는 전압의 크기를 보여준다. AC 고장이 발생할 경우, 회로 내 전류가 급격히 변하면서 발생하는 과도현상으로 인해 정상상태보다 높은 유도전압이 관측된다.정상상태일 때와 마찬가지로 DC 케이블에서는 AC 측에서 발생하는 자속의 영향을 받아 정현파 형태의 유도전압이 발생한다. 편단 접지방식의 경우, 폐회로가 형성되지 않아 순환전류가 흐르지 않고 이로 인한 차폐 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 다른 접지방식에 비해 상대적으로 높은 유도전압이 발생한다. 양단 접지방식의 경우 폐회로를 통해 순환전류가 흐르므로 차폐 효과가 나타날 수 있다. 이에 편단 접지방식보다 유도전압이 낮고, 고장이 발생하더라도 큰 전위상승이 발생하는 것을 방지한다. 크로스 본딩의 경우, A상, B상, C상의 차폐층을 순차적으로 연결하여 3상 전압의 벡터 합이 0이 되므로 부속 구간에서 발생하는 유도전압이 서로 상쇄되어 전체 유도전압이 0에 가까워지게 되지만 1선 지락 고장과 같은 비대칭 고장이 발생할 경우 각 상(Phase) 간의 전압 평형이 깨지면서 특정 상에 유도전압이 발생할 수 있다. 편단 접지를 적용할 때는 유도전압이 5,073[V]으로 가장 높게 나타나며, 양단 접지 및 크로스 본딩 접지방식을 적용할 때는 유도전압이 각각 360[V], 349[V]로 감소한다.

그림 8. AC/DC 계통 AC 측 고장 시 전압 크기

Fig. 8. The magnitude of voltage (AC　fault, AC/DC)

3.5 DC 케이블 측 고장으로 인한 AC 케이블 영향

그림 9은 DC 케이블에서 PTG 고장이 발생했을 때 지중케이블 접지방식에 따른 AC/DC 계통 내 유도전압의 크기를 보여준다. DC 고장의 경우, MMC의 cut-off가 3ms 이내로 동작하여 차단해야 하므로 고장이 발생한 시점인 0.1[s]에서부터 3ms 이후만 출력하였다^[11]. DC 측에서 고장이 발생하면 고장에 의한 전류의 크기가 변하면서 자속의 크기도 변하기 때문에 인근 AC 케이블에 유도전압이 발생한다. AC 측 고장과 마찬가지로 편단 접지를 적용할 때 가장 높은 유도전압이 발생한다. 편단 접지방식을 사용할 경우, 최대 유도전압 크기($\left | V_{peak}\right |$)는 17,792[V], 양단 접지방식 최대 유도전압 크기는 34.1[V], 크로스 본딩 접지방식은 22.6[V]의 최대 유도전압이 발생한다. 이때 역시 크로스 본딩 방식을 적용할 때 가장 낮은 유도전압이 발생하는 것을 볼 수 있다.

그림 9. AC/DC 계통 DC 측 고장 시 전압 크기

Fig. 9. The magnitude of voltage (DC　fault, AC/DC)