[논문 리뷰] Implementation of Resistive Type Superconducting Fault Current Limiters in Electrical Grids: Performance Analysis and Measuring of Optimal Locations

Xiuchang Zhang, H. S. Ruiz외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 04.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 38인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전력망 내 저항성 초전도 Fault Current Limiter(SFCL)의 성능 기반 최적화 프레임워크를 제안하며, 고장 조건 하에서 초전도체 거동을 시뮬레이션하기 위해 동적 E-J 전력 법칙 모델을 사용한다. 열역학적 동역학과 E-J 특성을 모델링할 경우 단순 단계 저항 모델보다 훨씬 정확도가 높은 고장 전류 감소 예측이 가능하며, SFCL 3개를 위치 2, 3, 4에 최적 배치함으로써 최대 고장 전류 감소(395%)와 최적의 비용-성능 균형을 달성한다.

ABSTRACT

In the past few years there has been a significant rise in the short-circuit current levels in transmission and distribution networks, it due to the increasing demands on power and the addition of sources of distributed generations. It leads to the need of integration of novel protection systems such as the superconducting fault current limiters (SFCLs), ... . SFCL models on the electric distribution networks largely rely on the insertion of a step or exponential resistance that is determined by a predefined quenching time. However, beyond the framework of these models, the study of the performance, reliability, and location strategy for the installation of sole or multiple SFCLs in power grids still lacks of proper development leading to the utter need of comprehensive and systematic studies on this issue. In this paper, we expand the scope of the aforementioned models by considering the actual behaviour of a SFCL in terms of the temperature dynamic power-law dependence between the electrical field and the current density. Our results are compared with step-resistance models for the sake of discussion and clarity of the conclusions. Both SFCL models were integrated into a power system model built based on the UK power standard, and the impact of these protection strategies on the performance of the overall electricity network was studied. As a representative renewable energy source, a 90 MVA wind farm was considered for the simulations. Three fault conditions have been simulated, and the figures for the fault current reduction predicted by both fault current limiting models have been compared in terms of multiple current measuring points and allocation strategies...

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 통합 증가와 부하 증가로 인한 현대 전력망 내 고장 전류 수준 상승 문제를 해결하기 위해.
• 성능을 과대평가하는 전통적인 단계 저항 SFCL 모델의 한계를 평가하기 위해.
• 동적 E-J 특성과 열응답을 통합한 보다 정확한 SFCL 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 최소 투자로 최대 고장 전류 감소를 달성하기 위한 최적의 SFCL 설치 위치 및 수를 결정하기 위해.
• 분포 전력망 운영자들이 SFCL 배치 전략을 수립하는 데 실질적인 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모의 실험을 위해 영국 분포 전력망 기준에 기반한 세부적인 전력 시스템 모델을 개발하였다.
• 두 가지 SFCL 모델을 구현하였다: 단순화된 단계 저항 모델과 온도에 따라 변화하는 저항을 반영한 물리적으로 정확한 E-J 전력 법칙 모델.
• E-J 모델은 전기장(E)과 전류 밀도(J) 사이의 비선형 관계를 포함하며, 고장 발생 시 동적 열역학적 변화도 반영한다.
• 실제 고장 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 대표적인 분산 전원 공급원으로 90 MVA 풍력 발전소를 통합하였다.
• 네트워크 전반의 주요 측정 지점에서 다양한 고장 조건을 분석하여 고장 전류 감소(FCR) 성능을 평가하였다.
• E-J 모델과 함께 보완적인 보호 체계를 구현하여 SFCL의 과열 및 손상 방지를 하고 고장 후 복구 성능을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 E-J 전력 법칙의 동역학적 특성과 열응답을 고려할 경우, 단계 저항 모델 대비 SFCL의 예측 고장 전류 제한 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 고장 시나리오와 측정 지점에서 고장 전류 감소를 최대화하기 위해 최적의 SFCL 수와 설치 위치는 무엇인가?
• RQ3 다양한 SFCL 설치 전략은 시스템 신뢰성과 투자 비용 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 단순화된 단계 저항 모델은 실제 전력 시스템에서 SFCL의 실제 성능을 얼마나 과대평가하는가?
• RQ5 E-J 모델 기반 접근법은 활성 분포 전력망에서 SFCL 배치를 위한 신뢰성 있고 반복 가능하며 확장 가능한 의사결정 지원이 가능한가?

주요 결과

• E-J 전력 법칙 모델은 최대 고장 전류 감소(FCR) 395%를 예측하였으며, 이는 단계 저항 모델이 예측한 495%보다 유의미하게 낮아, 단계 모델이 성능을 최대 20% 과대평가한다는 것을 시사한다.
• 최적의 SFCL 설치 전략은 위치 2, 3, 4에 SFCL 3개를 설치하는 것으로, 가장 높은 FCR(395%)와 최적의 비용-편익 비율을 달성한다.
• SFCL 수를 3개 초과(예: 4개 또는 5개)로 늘일 경우 추가적인 고장 전류 감소 효과가 미미하여, 3대를 초과하면 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.
• E-J 모델은 고장 전류 감소가 모든 측정 지점에서 균일하지 않음을 보여주었으며, 일부 위치에서는 감소 효과가 없음을 확인하여 전략적 설치의 중요성을 강조한다.
• 열역학적 동역학과 보호 체계를 통합한 E-J 모델은 고장 후 SFCL의 복구 속도를 향상시켜 시스템 신뢰성과 운영 내성 강화에 기여한다.
• 초전도체의 E-J 특성과 열거동을 정확하게 모델링하는 것이 신뢰할 수 있는 SFCL 성능 추정과 최적의 네트워크 통합을 위해 필수적임을 확인하였다.