사이리스터제어리액터(TCR) 특성

사이리스터 제어리액터(TCR) 특성

가. 기본요소

TCR(Thyristor Controlled Reactor)의 기본적인 요소는 그림1의 (a)와 같이 향방향 사이리스터 스위치에 직렬로 리액터를 연결한 것이다.
사이리스터는 점호각 α에 따라 공급주파수의 교번으로 반주기동안 도통하고 점호각 α는 전압이 "0"에 교차할 때 측정된다. 완전도통은 90°의 점호각에서 이루어지고, 전류는 필연적으로 무효분의 정현파로서 전압보다 90° 뒤진다. 부부도통은 그림1의 b와 같이 점호각이 90~180°일 때 이루어진다. 점호각 σ를 도통각이라 하면 점호각 α와의 관계는 σ = 2(π-α)로 표시된다.

순시전류 i는 다음과 같이 표현된다.

for

전류파형의 푸리에 분석은 기본 성분으로서 이고, I₁과 V는 실효치이며 XL은 기본주파수에서 리액터의 리액턴스이다. 점호각 α를 증가시키는 것, 즉, σ를 감소시키는 것은 기본요소 I1를 감소시키는 것이다. 이는 리액터의 효과적인 리액턴스를 증가시키는 것과 동일하다,
기본 주파수 전류요소가 관계되는 한 TCR은 제어 가능한 서셉턴스이다. 점호각 α의 함수로써 효과적인 서셉턴스는

이다.

효과적인 서셉턴스의 최대치는 완전도통(α = 90°, σ = 180°)일 때이고, 1/XL 과 같으며, 최소치는 "0"으로서 α = 180°, σ = 0°일 때이다. 서셉턴스는 모든 반주기의 부분을 제어하기 위해 계통에 개폐된다.
TCR 전류는 매끄럽고 연속적인 것과 마찬가지로 서셉턴스에서의 변화도 매끄럽고 연속적이다. TCR은 전압의 지난 영점(점호각의 동기)으로부터 측정된 점호각 α를 결정하는 제어계가 요구된다.

나. TCR의 기본적인 특성

1. V-I 특성

몇몇의 제어계는 요구된 서셉턴스를 표현하는 신호에 즉각 응답하도록 설계되고, 다른 한편으로는 전압편차, 보조 안정화신호 등과 같은 펀차신호에 응답하도록 제어계가 설계된다.
그 결과는 정태 V/I 특성을 그림2에서와 같이 나타나고 으로 표현되며, X_SL은 제어계 이득에 의해 결정되는 기울기 리액턴스이다.

2. 고조파특성

TCR이 도통상태에서 지연은 90°<α<180°에서 고조파전류를 발생시킨다. 오직 기수고조파만 사이리스터 점호각이 대칭일 때 발생한다.
기본성분 I₁과 n차 고조파성분의 실효치는 완전도통일 때 리액터전류의 함수이다.

n = 3,5,7,9,......

n = 1,2,3 고조파일 때 6n+1 차수의 고조파는 정상 성분이고, 6n-1 차수의 고조파는 역상 성분이며, 6n-3 차수의 고조파는 영상성분이다.

TCR은 고조파 전류원과 같이 취급되며 고조파의 최대 크기는 동일한 점호각에서 발생하지 않는다.
그림3에서 6n±1의 차수를 갖는 고조파만 존재한다. 평형계통 조건하에 3,6,9,...차의 영상전류 고조파는 델타결선 내에서 순환하고 선로전류로부터 3,6,9,... 차의 고조파를 분리한다.

평형 3상 계통에서 3개의 단상 TCR 요소는 그림4와 같이 델타(6펄스 TCR)로 결선되고, 리액터는 사이리스터 고장전류를 제한하기 위하여 사이리스터 밸브의 양쪽에 하나씩 설치된다.

그림5와 같이 강압변압기의 Y 결선 2차권선과 델타결선 2차권선에 두 개의 동일 정격의 6펄스 TCR을 연결하여 고조파의 추가적인 제거를 할 수 있다. 두 TCR 유니트은 동일한 점호각으로 제어되고, 인가전압은 30도의 상차각을 가지며, 6(2n-1)±1의 차수를 갖는 고조파는 변압기에서 제거되고, 계통에서의 전류고조파 특성은 12n±1의 차수를 가진다.
고조파전류에 대한 다른 시도는 정격출력이 무효출력의 반이 되는 두 개의 순차제어 6펄스 TCR 유닛을 사용하는 것이다. 이러한 배열은 단일 TCR 설치의 50%에 해당하는 고조파 전류를 감소시킬 수 있다.
TCR 보상기의 기본방식은 6펄스 또는 12펄스 TCR과 사이리스터 점호각 또는 점호펄스 동기화 시스템을 포함한 제어기, 조정기, 계측 시스템으로 구성된다. 고조파의 여과와 커패시터 범위내에서 출력 특성을 확장하기 위해 병렬 커패시터 뱅크가 추가된다.

TCR 전압이 기술적, 경제적 이유로 50KV 또는 그 이하로 제한되기 때문에 이를 고압 또는 초고압에 이용하기 위하여 강압변압기가 필요하다. TCR과 같이 몇 개의 3상군으로 나누어 차단기에 의해 개폐되는 병렬 커패시턴스 뱅크가 설치된다.
각 병렬 커패시터군은 단독으로 설치된거나 또는 리액터와 직렬로 설치되는데, 리액터와 직렬로 설치하는 이유는 전력계통에서의 고조파 공진을 피하거나 TCR에 의해 생성된 조류에 의해 발생된 고조파의 병렬통로를 제공하기 위한 high pass 필터로 리액터를 사용하기 위해서이다.

일반적으로 5차, 7차 고조파를 여파하기 위해 필터를 설치하고, 계통특성과 TCR의 종류에 따라서 2차,3차,11차,13차 고조파를 여파하기 위해 필터를 사용하기도 한다.
커패시터뱅크는 직렬로 많은 단위 커패시터가 연결되어 있으며, 요구하는 운전전압과 무효전력을 충족하기 위해 단위 커패시터의 직렬군이 병렬로 연결되어 있다. 커패시터뱅크는 경제적인 이유와 보호배열의 용이를 위해 두 개의 Y 결선으로 나뉘어 설치된다.

MSC, FC와 조합된 전형적인 전압조정 TCR의 출력특성(V-I)은 그림 7과 같다. 운전범위는 TCR의 과부하정격과 구성요소의 정격에 의해 결정된다. 기준저압 V_REF와 슬루프(0~5%)를 조정하기 위한 장치가 설치된다.

TCR의 동적 응답은 5~10ms 이내로 빠르나, 제어안정도를 위해 보다 느린 응답으로 정정하는 것과 제어외로와 계측회로에서의 지연으로 인해 공급주파수의 3~10Hz 정도로 운용된다.

낮은 계통임피던스(강한계통)에서는 빠른 응답특성으로 정정하여 계통이 취약해지면, 즉, 송전계통에 고장이 발생하여 임피던스가 커 불안정하게 할 수 있다.
대부분 1~5Hz 정도로 설정 운영한다. 다양한 우발적 계통고장에 빠른 응답을 하기 위해 적당한 속응 제어장치를 구비하는 것이 필요하다.

TCR의 고조파 발생은 TCR의 종류, 필터의 사용, TCR과 계통운전조건에 따라 달라진다. 전압불평형, 점호각과 TCR의 주요소의 내력이 2,3,9차 고조파를 유발할 수 있으며 이러한 비특성적고조파는 TCR 정격의 2% 이내이다.
이러한 계통은 공급 기본주파수에 근접한 병렬공진을 유발하거나, 동기 또는 제어계 피드백에 고조파 불안정을 일으킬 수 있다. 이러한 고조파를 억제하기 위하여 계측, 제어기 회로에 필터를 설치할 필요가 있다.

TCR의 손실은 크기와 운전점에 따라 달라진다. 고정 커패시터 뱅크를 구비한 TCR의 손실은 MVA 정격의 0.5~0.7% 정도이다.

과전압, 과전류 특성

TCR의 과부하 능력은 사이리스터에 의해 결정된다. 최소점호각 α = 90°에 일치하는 점을 초과하는 계통전압에서 TCR의 제어는 제한에 달하며, 계통전압에 따라 TCR은 전류를 갖는 선형리액터와 같이 작용한다.

과도한 사이리스터 과열을 피하기 위해 점호각 α는 전류를 제한할 수 있는 정도까지 증가된다. 높은 전압이 유지될 때 강압변압기는 포화되기 시작하고 자화전류는 급속하게 증가한다. 이는 과전압을 감소시키거나 철공진을 유발할 수 있다. 이에 대하여 써지흡수기, 차단기운전, 특정과전압 수준에 근거한 3상 사이리스터의 점호와 같은 특별한 보호장치가 요구된다.

사이리스터가 보호 또는 그림9와 같은 과도적인 과전압조건 제어에 의해 점호각 α가 90도 이내에서 점호된다면 과전류에 종속될 수 있다. 이 과전류는 직류성분과 지연된 영상전류가 교차한 전류이고 사이리스터의 손실과 과열을 증가시키게 된다.

다. TCR의 적용목적

TCR은 다음과 같은 목적으로 이용된다

교류계통에서의 일시적인 과전압의 감소와 전압안정
교류계통에서의 안정도 향상
전력공진의 제동
교류계통에서의 부하평형
HVDC 연계보상