(A) study on non-pilot fault detection scheme for bipolar FB-MMC based AC/DC hybrid MVDC distribution system

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, renewable energy sources have been widely integrated into the power system. And the proportion of DC loads such as data centers and electric vehicle charging stations is also rapidly increasing. Due to the partial integration of these DC loads and renewable energy sources, reverse power flows frequently occur within the system causing voltage rises and frequency fluctuations that lead to a deterioration in power quality.
As an alternative solution to these issues, AC/DC hybrid distribution systems which combine the advantages of DC with existing AC infrastructure are gaining attention. This causes voltage increases and frequency fluctuations, leading to a deterioration in power quality. AC/DC hybrid distribution systems which combine the advantages of DC with existing AC infrastructure are an alternative solution to these issues and are gaining attention. AC/DC hybrid distribution can flexibly response to the variability of renewable energy and improve efficiency by reducing power conversion losses through the direct connection of DC loads.
Protection coordination is important for stable operation of AC/DC hybrid distribution system. In particular, faults occurring on the DC side have different complex characteristics from AC faults. DC fault currents are difficult to interrupt because they do not have natural zero-crossing point. And the low impedance of DC lines causes fault currents to increase rapidly. In systems with multiple power converters, rapid discharge of DC link capacitors can reach the peak current within a few milliseconds, potentially leading to overcurrent that damages semiconductor devices or degrades the overall system stability.
This study proposed a rapid and accurate fault detection algorithm, along with its threshold setting for a pole-to-ground(PTG) fault on the positive line, modeled using MATLAB/Simulink. A bipolar full-bridge modular multilevel converter(FB-MMC) based on a voltage source converter(VSC) was applied as the conversion device of the system and the initial capacitor discharge stage of DC fault was analyzed based on the RLC equivalent model of the MMC to derive the fault current equation.
Based on this study, the threshold value for the protection relay is set using the rate of change of current(ROCOC,di/dt) and a fault detection algorithm was proposed that operates the protection relay based on undervoltage, DC overcurrent, and ROCOC in parallel.

국문 초록 (Abstract)

최근 태양광과 풍력과 같은 재생에너지원이 활발히 도입되고 있다. 한편, 데이터 센터나 전기차 충전소 등과 같이 직류 부하의 수요 또한 빠르게 증가하고 있다. 이처럼 재생에너지원과 직류 부하가 부분별하게 계통에 연계되면서 역조류 현상이 자주 발생하는 양상이 나타난다. 그 결과 전압과 주파수가 불안정해지는 문제가 종종 발생하며, 전기품질 저하로 이어지는 사례도 보고되고 있다.
이러한 계통의 복합적 문제를 줄이기 위한 대안 중 하나로 기존 교류 인프라에 직류 계통의 특성을 결합한 AC/DC 하이브리드 배전계통의 많은 연구가 진행되고 있다. AC/DC 하이브리드 배전계통은 재생에너지의 간헐적 출력에도 유연하게 대응할 수 있고, 직류 부하를 직접 연결할 수 있어 불필요한 전력 변환 손실을 줄일 수 있는 구조적 이점이 있다.
그러나 이러한 AC/DC 하이브리드 배전계통의 안정적인 운영을 위해서는 고장 발생 시 보호 협조 문제가 핵심 과제로 부각되고 있다. 특히 DC 측 고장 발생 시, AC 고장과 달리 전류 영점(zero-crossing)이 존재하지 않아 차단이 용이하지 않으며, 낮은 선로 임피던스로 인해 고장 전류가 급격히 증가하는 특성이 있다. 또한, 다중 컨버터 구조에서 DC 링크 커패시터의 방전으로 인해 수 밀리초(ms) 이내에 고장 전류가 최대치에 도달하며, 이는 전력 변환 장치 내 반도체 소자의 과전류 손상을 유발하고 계통 안정성을 저해할 수 있다.
본 연구에서는 Matlab/Simulink 프로그램을 통해 AC/DC 하이브리드 배전계통을 모델링하여 양극선로에 지락 고장 발생(Pole-to-Groud)시, 신속하고 정확한 고장 검출을 위한 보호 알고리즘과 보호 계전기 임계값 설정 방안을 제안한다. 계통의 핵심 전력변환 장치로는 전압형 컨버터 VSC(Voltage Source Converter) 기반의 Bipolar Full-bridge MMC(Modular Multilevel Converter)를 적용하였으며, DC 측 고장 초기 커패시터 방전 단계를 MMC의 RLC 등가 모델을 기반으로 분석하여 고장 전류 식을 도출하였다. 이를 바탕으로 고장 전류의 변화율(di/dt)을 이용하여 ROCOC 보호 계전기의 임계값을 설정하고, 부족전압과 DC 과전류, 전류변화율 보호 계전 방식을 병렬로 운용함으로써 오동작 방지를 달성하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1. Background Research 1
• 2. Research Objective 3
• 3. Research Contribution 5
• 4. Outline of Dissertation 6
• Chapter 2. Fundamental Characteristics and Fault Detection Principles of DC System 7
• 1. Characteristics and Topology of the Modular Multilevel Converter 7
• 2. Fault Response Characteristics and RLC Equivalent Circuit Modeling of MMC 10
• 3. Fault Current Analysis in the Capacitor Discharge Stage 13
• 4. Protection Principles in DC Systems 15
• Chapter 3. Proposed Fault Detection Algorithm and Threshold Setting 18
• 1. Undervoltage Protection Relay 18
• 2. DC Overcurrent Protection Relay 19
• 3. ROCOC Protection Relay 19
• 4. Proposed Protection Relay Fault Detection Algorithm 23
• Chapter 4. Simulation Results and Analysis 25
• 1. AC/DC Hybrid MVDC Test System Modeling 25
• 2. Analysis under Fault Conditions 27
• A. Effect of Key Parameters on Fault Detection Characteristics 27
• B. Case 1: Effect of DC Limiting Reactor 28
• C. Case 2: Effect of Fault Resistance 32
• D. Case 3: Effect of Fault Location
• 3. Verification under Point-to-Point AC/DC Hybrid Distribution System 38
• 4. Analysis under Non-Fault Conditions 42
• 5. Definite Time Delay Setting 45
• Chapter 5. Conclusions 53
• References 55
• Korean Abstract 58