고조파 필터 (Harmonic Filter)

  

동기조상기, SVC

(Static Var Compensator), STATCOM (Static Sychronous Compensator) 까지 다양하다. 매우 강한 교류 시스템의 경우에는 병렬 커패시터만 있으면 된다. 약한 교류 시스템의 경우는 적절한 동적 제어를 위해 SVC, STATCOM 또는 동기조상기가 필요하다.

 

고조파 필터 (Harmonic Filter)

컨버터는 상당한 양의 고조파 전류를 발생시킨다. 필터링을 하지 않으면 고조파 전류는 교류 전압에 왜곡을 만들고 통신 시스템을 방해하게 된다. 고조파 필터는 임피던스가 작은 병렬 선로를 설치하여 고조파 전류가 흘러나가게 함으로써 교류 전압의 왜곡을 수용할 수 있는 범위 이내로 만드는 역할을 한다.

12펄스 컨버터의 특성 교류 고조파는 12n∂1 성분에 해당한다. 필터가 필요한 고조파 성분은 11차, 13차, 23차 그리고 25차 성분이다. 그 이상 높은 차수의 고조파 성분은 감

쇄되는 고주파 통과 필터에 의해서 감쇄된다. 특별한 동작이 필요할 때나 교류 시스템의 상태에 따라서 3차와 같이 낮은 차수의 고조파 필터가 필요하기도 한다.

AC필터는 고조파 전류를 바이패스하기 위해 콘덴서와 리액터를 직좵병렬로 조합시켜 특정차수에 대하여 저 임피던스를 나타내도록 함으로써, 저차형 고조파 저감을 위한 Band-Pass Filter와 고차형의 High-Pass Filter 등으로 구분된다.

 

Passive Filter는 교류 Filter, L-C Filter, 수동 Filter라고 부르며 동조필터와 고차수 필터가 있다. L-C 필터의 기본적인 회로는 L과 C의 공진현상을 이용한 것으로 n차 고조파전류는 대부분 필터를 통해 흡수되고, 계통으로 유출 고조파 전류를 저감시킬 수 있다. 그

 

병렬 리액터 뱅크(Shunt Reactor Bank)

HVDC 컨버터는 전력전송량에 비례하여 무효전력을 흡수하므로 이에 비례하여 AC 필터나 Sh-C를 투입하게 된다. HVDC가 저전력으로 운전할 때 무효전력 흡수량보다 AC 필터나 Sh-C에 의한 무효전력 공급량이 더 많아지는 경우가 있는데 이때 발생되는 과전압을 해소하기 위하여 병렬 리액터 뱅크가 필요할 수 있다.

 

피뢰기 (Surge Arrester)

컨버터의 AC yard에 설치되는 피뢰기는 표준 교류 변전소의 과전압 보호를 목적으로 컨버터 터미널 교류 부분에 사용된다.

 

변환용 변압기(Converter Transformer)

변환용 변압기의 기본적인 역할은 교류 시스템에 사용되는 교류 전압을 정류(Rectification)와 인버젼(Inversion)에 필요한 직류전압을 만들기 위한 수준의 교류 전압으로 바 꾸어 주는 것이다.

정확한 전압-위상 관계를 위해서 1차측 혹은 교류측은 접지된 Y-결선을 사용하고 직류측 밸브 중 하나는 접지되지 않은 Y-결선을 다른 하나는 △-결선을 사용한다. 선간 전압은 각 밸브 측 결선에서 똑같다.

밸브측 변압기 결선은 접지 되어 있지 않기 때문에 직류 바이어스 전압을 가질 수 있다. 그러므로 밸브측 결선의 절연체는 교류 전압이 상 사이에만 존재하는 경우에도 표준 교류 변압기의 절연체와 다르다.

컨버터 변압기는 교류전압과 직류전류가 변화함에 따라 직류전압을 제어하기 위하여 부하 탭 체인저(LTC)가 필요하다. 일반적인 LTC의 범위는 1%∼2% 스텝의 변화에 대해 총 20% 정도이다. LTC의 운용은 무효전력 수요를 제한하기 위하여 밸브 점호각 제어와 무효전력원의 스위칭 제어로 구성된다.

컨버터 변압기의 권선에는 주된 주파수 성분이 거의 직사각형 파형의 순환하는 직류 전류가 나타난다. 이것은 동손과 전류 실효치의 크기를 증가시킨다. 이러한 효과는 직류 절연과 LTC의 필요와 맞물려 보통의 동등한 용량의 교류 변압기의 크기에 비해 컨버터 변압기의 크기를 증가 시키는 경향이 있다.

 

싸이리스터 밸브와 밸브 홀

싸이리스터 밸브는 HVDC 시스템의 핵심 기술 중 하나이며 교류를 직류로 변환시키는 전력변환기의 역할을 하고 있다.

 

밸브 전기 회로

실제 싸이리스터 밸브는 이상적인 스위치가 아니기 때문에 정상상태 및 과도상태에서 정상적인 동작을 하기 위해서 스너버 커패시터(snubber capacitor), 스너버 저항

(snubber resistor), di/dt 리액터(saturable reactor), 직류 분압저항 등의 보조적인 소자들과 방열판, 보호회로, 점호 회로 등의 구성이 필요하다. 1개 싸이리스터에 연결되는

추가 회로들을 포함하여 싸이리스터 레벨이라 하며 기본 동작 단위가 된다.

 

개별 싸이리스터 한 개의 정격전압은 일반적으로 5∼8kV이며 부하정격전류는 수 kA이다. 실제 HVDC 시스템에서 필요한 정격전압을 얻기 위하여 여러 개의 싸이리스터를 직렬로 연결하여 구성하며 이러한 변환기의 기본소자를 싸이리스터 밸브라 한다. 한 개의 밸브는 한 개의 대용량 싸이리스터로 그 기능을 등가화시킬 수 있는 직렬/병렬 싸이리스터의 집합체이다.

정류회로를 구성하는 싸이리스터 밸브의 개수가 증가할수록 발생되는 고조파 왜곡을 최소화할 수 있지만, 기기와 제어회로의 복잡성 등 경제적인 측면을 고려할 때 12개의 밸브로 조합된 12펄스 싸이리스터 브리지가 일반적으로 사용된다.

 

밸브 기계장치

싸이리스터 밸브는 일반적으로 경제적인 이유로 4개의 밸브로 구성된 쿼드리 밸브(quadri-valve) 구조를 이루며 3개의 쿼드리 밸브는 1개 HVDC pole를 구성한다. 쿼드리 밸브는 밸브홀의 천장에 절연물질로 매달려 있거나 바닥에 설치되어 고정된다. 밸브홀 내에 설치되는 화재예방시스템의 적정성, 밸브 유지보수의 용이성, 지지물의 기계적 강도 뿐만 아니라 전기적인 요구 특성을 충족시키기 위한 싸이리스터 밸브 내의 개별 소자, 전기회로, 부속품들 간의 접속 또한 고려되어야 한다.

 

밸브 냉각 시스템(Cooling System)

싸이리스터 밸브는 스위칭 동작 과정에서 많은 열이 발생하며 이를 제거하지 않을 경우 밸브 동작을 위한 적정온도범위를 벗어나 밸브의 성능이 크게 저하된다. 밸브에 서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 전력손실을 최소화하기 위해서는 싸이리스터 소자의 온도상승을 방지할 수 있는 냉각시스템이 필요하다. 전력용 반도체의 방열 방법으로는 자연 공냉식, 강제 공냉식, 수냉식 방법 등이 있다. 이러한 냉각 방식 중에서 공기를 이용한 방식은 구조가 간단하고 유지 보수가 간단하여 산업현장에서 많이 이용되지만, 시스템이 대용량화하는 경우에는 방열판의 크기가 커지며 방열능력이 포화되기 때문에 수냉식으로 설계되어야 한다. 밸브 냉각 시스템은 밸브 냉각수를 통한 부분방전을 방지하기 위해 탈 이온화된 냉각수를 밸브에 공급해야 하고 밸브 냉각수의 전도도를 감지할 수 있는 장비를 제공해야 하며, 밸브의 냉각수를 냉각시키기 위한 열교환기를 설치해야 한다. 또한 냉각수가 밸브 홀 외부의 가장 낮은 대기온도에서 결빙되는 것을 방지하여야 한다.

 

 평활 리액터(Smoothing Reactors)

직류 평활 리액터는 몇 가지 중요한 역할을 수행한다.

(1) 직류 필터와 함께 전체적인 직류 고조파 필터링에 중요한 역할을 한다.

(2) 직류 선로나 스위치 부분으로 향하는 steep-front surge가 밸브 홀로 들어가는 것과 싸이리스터 밸브의 과도한 스트레스를 제한하는 역할을 한다.

(3) 저전력 전송시 직류 전류의 리플성분을 평활하게 하여 불연속이 되는 것을 막는다.

(4) 빠른 전압 변화에 의해 발생되는 전류의 변화율을 제한함으로써 전류실패를 막는다.

 

DC 고조파 필터(Harmonic Filter)

고조파 전류가 직류 송전선로에 흐르면 근처의 통신회로에 유도작용을 일으켜 음성신호의 질을 떨어뜨린다. 그러므로 직류 고조파 필터는 직류 가공선로 시스템에서 주로 사용된다. Back-to-back 시스템 및 송전선로가 케이블로 된 시스템에서는 직류 고조파 필터가 필요 없다.

 

DC 피뢰기(DC Surge Arrester)

DC 피뢰기들은 싸이리스터 밸브와 싸이리스터 밸브 구조물을 계통에서 발생될 수 있는 예상치 못한 모든 과전압으로부터 보호하도록 함께 동작한다.

밸브 홀에서 보통 사용되는 피뢰기의 종류는 다음과 같다.

(1) 싸이리스터 밸브 각각에 교차하여 직접 연결된 밸브 피뢰기

(2) 각각의 6펄스 브리지에 교차하여 직접 연결된 6펄스 브리지 피뢰기

(3) 6펄스 브리지와 접지 사이의 지점에 위치한 중간점피뢰기

(4) 직류 Bus에서 그라운드로 연결되는 지점에 위치한 직류 Bus 피뢰기

 

HVDC 케이블

HVDC 케이블은 주로 해저케이블로 사용된다는 점 때문에 수압, 해류의 영향과 항해 선박이나 어구 등에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 육상케이블과 달리 외장철선으로 감싸는 구조를 이루어 기계적 강도를 강화시켰다. 오늘날 HVDC 해저 케이블은 대부분 유침지 절연케이블(MI Cable : Mass Impregranted Cable)이 사용되고 있다. 이 케이블은 과거 약 50년 동안 사용되어 왔고 아주 신뢰성이 높지만, 제작 공정이 복잡하고 비싸서 다른 적당한 절연물을 개발하기 위한 노력이 진행되고 있다. 그 중 하나가 XLPE 케이블이다.