KR100346417B1 - 다-펄스 직류 송전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제 1 컨버터와 제 2 컨버터의 출력전압의 차가 공급되도록 상기 제 1 컨버터의 접지단과 제 2 컨버터의 출력단이 연결된 지점과 상기 제 1컨버터의 출력단과 제 2 컨버터의 접지단이 연결된 지점사이에 1 차측 코일이 연결되어 있는 복권 변압기와, 상기 복권 변압기의 일측단과 제 1, 2 컨버터의 출력단 사이에 각각 연결되어 있는 제 1, 2 전류 평활용 리액터와, 상기 제 1, 2 전류 평활용 리액터와 각각 직렬로 접속되어 있는 제 1, 2 직류 전압 분할용 콘덴서와, 상기 복권 변압기의 2 차측단에 각각 연결되고 1차측 전압의 상승 엣지 펄스에 의해서 어느 하나가 도통되는 복수 개의 싸이리스터로 구성되어, 싸이리스터 보조 회로를 추가함으로써 싸이리스터의 추가적인 스택을 이용하지 않더라도, 싸이리스터 개수를 최소화하면서 24펄스/36펄스/48펄스 컨버터와 같이 다-펄스 싸이리스터 직류 송전 기능을 갖는 시스템에 관한 것이다.

Description

다-펄스 직류 송전 시스템{Transmitting system of multi pulse}

본 발명은 다-펄스 직류 송전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 싸이리스터 보조 회로를 추가함으로써 싸이리스터의 추가적인 스택을 이용하지 않더라도, 싸이리스터 개수를 최소화하면서 24펄스/36펄스/48펄스 컨버터와 같이 다-펄스 싸이리스터 직류 송전 기능을 갖는 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 발전기에서 출력되는 AC 전압과 전류는 저전압 대전류이다. 이러한 형태의 전압과 전류는 전력 전송시 대전류에 의한 도체 손실 때문에 고압이나 초고압 변압기를 이용하여 높은 전압을 유지하면서 저전류 형태로 장거리 전력 송전을 하고 있다. 그러나 이러한 AC 전력 전송은 송전선과 대지사이의 용량성 부하와 송전선에 존재하는 인덕턴스 때문에 장거리 송전에 제한을 받고 있다. 그러나 대용량 싸이리스터가 개발되고 AC를 DC로 변환할 수 있는 컨버터가 개발되면서 그 동안 기술적으로 불가능했던 직류전송이 가능해 졌다. 이러한 직류 송전 방식은 위상제어를 행하는 싸이리스터를 가지고 있기 때문에 필연적으로 고조파 문제가 수반되며, 싸이리스터 컨버터의 스위칭 동작으로 입력전류와 출력전압에 컨버터의 펄스 수와 관련한 고조파 성분이 발생하게 된다. 즉, 컨버터의 펄스 수를 P라 하면 입력전류에는 Pn±1(n 은 양의 정수)의 고조파가 출력전압에는 Pn의 고조파가 발생한다.

따라서 고조파를 저감하는 방법으로 싸이리스터의 펄스 수를 높이는 방법과 AC측에 고조파 필터를 삽입하는 방법 그리고 IGBT나 GTO와 같이 자기 소호능력을 갖고 있는 소자를 이용하여 고조파 문제를 원천적으로 제거하는 방법을 들 수 있다.

이중에서 IGBT 나 GTO를 이용한 자기 소호형 HVDC 시스템은 아직 기술적인 검증이 끝나지 않았기 때문에 실용화에는 아직 많은 문제를 수반하고 있다. 그리고 싸이리스터의 펄스 수를 높이는 방법과 AC측에 추가적인 고조파 필터를 삽입하는 방법은 경제적인 면을 고려하여 싸이리스터의 펄스를 12펄스로 하고 AC측에 고조파 필터를 삽입하는 방법으로 시스템을 구성하는 것이 일반적이다.

만약 싸이리스터의 펄스 수를 12펄스 이상으로 하는 경우에는 고조파가 줄어들기 때문에 고조파 필터의 용량이 줄어드는 장점이 있으나 추가적인 싸이리스터 스택을 추가해야 하기 때문에 경제적으로 부담이 되는 문제점이 있었다.

즉, 종래의 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 싸이리스터를 이용한 직류 송전 (HVDC)기능을 가지고 있는 것으로, 상기 HVDC시스템은 사이리스터와 같이 자연소호 방식 소자를 사용하기 때문에 1-2와 같은 6펄스 싸이리스터 스택을 기본으로 하고 추가적으로 1-3과 같이 Y 권선 변압기에 30도 뒤진 △ 권선 변압기의 6펄스 싸이리스터 스택을 직렬로 연결하여 HVDC 시스템의 펄스 수를 높여 AC측의 전류 고조파 그리고 DC측의 전압 고조파를 줄이는 방법이 가장 일반적인 방법이다. 이러한 기존의 HVDC 시스템은 고조파 성분 때문에 저 차 고조파를 줄이는 저 차 고조파 필터(1-7)와 고 차 고조파 필터(1-6)를 AC측에 연결하는 것이 필요하다. 그리고,별도의 Y-△ 변압기를 이용하지 않고 1-1과 같은 1차 측은 Y결선, 그리고 2차 측은 Y-△ 변압기를 이용하는 방법을 기본으로 하고 있으며 싸이리스터 방식의 HVDC 시스템은 정 전류 시스템이기 때문에 DC출력 단에 별도의 리액터(1-5)가 필요하다.

도2는 일반적인 12펄스 싸이리스터 HVDC 시스템의 제어부를 부여 주고 있는 것으로 1-1-1의 지령부와 1-1-7의 검출부, 검출된 신호의 잡음을 제거하는 노이즈 필터(1-1-6), 지령 신호와 검출된 신호를 비교하여 오차 신호를 만들어 내는 가산기(1-1-2)를 가지고 있으며, 오차 신호는 오차신호를 증폭하는 비례 제어기(1-1-3)와 오차 신호를 적분하는 적분기(1-1-4)를 거쳐 비교기(1-1-5)로 입력이 된다. 한편 , 사이리스터 HVDC 시스템은 고조파의 영향을 줄이기 위해 등간격(Equivalent Distance) 신호로 싸이리스터를 구동하는 것을 기본 원리로 하고 있는데 계통의 주파수에 동기되는 부분은 1-1-8의 Ramp Generator 로 1-1-8 의 Ramp Generator 의 출력은 계통의 주파수와 일치한 디지털 톱니파로써 이 값을 Sampling Holder (1-1-9)를 거쳐 필터링 회로(1-1-8)에서 출력되는 톱니파와 가산기(1-1-11)에서 비교하면 가산기(1-1-11)의 출력 값은 역 톱니파 파형이 발생되고 역 톱니파 파형을 적분기(1-1-4)에서 출력되는 오차 값과 비교기(1-1-5)에서 비교하여 역 톱니파의 크기가 오차 값과 만나는 점에서 싸이리스터의 점호 펄스가 발생하도록 한다. 이때 발생된 펄스는 12개의 싸이리스터를 점호하는 경우에는 12펄스가 되고 6개의 싸이리스터를 점호하는 경우에는 6펄스가 된다. 도 1과 은 방법으로 싸이리스터의 펄스 수를 높이려고 하는 경우에는 싸이리스터 스택 수를 직렬로 연결해야 한다.

도3은 일반적인 24 펄스 싸이리스터 HVDC 시스템을 보여주고 있다. 24펄스싸이리스터 HADC 시스템은 제1도의 12 펄스 싸이리스터 회로에 직렬로 12 펄스 싸이리스터를 추가한 것으로 1-2-1의 △-Y-△ 변압기의 12 펄스 회로와 1-2-2 의 △-△-Y 변압기의 12 펄스회로를 합하여 만든 것이다. 이러한 방법은 싸이리스터의 개수가 증가함에 따라 경제적인 관점에서는 유리하지 않기 때문에 도4와 같은 방식이 제안되었다.

도4는 도3에서 보여주는 24 펄스 싸이리스터 HVDC 시스템의 동작 특성을 가지면서 훨씬 줄어든 싸이리스터 소자를 이용함으로써 시스템의 효율을 높인 경우이다. 도4에서 보여주는 보조회로를 이용한 24 펄스 HVDC 시스템의 원리는 도1에서 보여주는 12펄스 회로에서 전류를 역 주입하는 보조회로를 이용하여 싸이리스터 출력 전류(2-9)를 가감함으로써 24펄스 동작을 하는 효과와 같은 특징을 갖는 보조회로를 추가한 24펄스 싸이리스터 HVDC 시스템을 보여 주고 있으며, 이러한 회로는 1990년 뉴질랜드에서 특허가 제출되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 싸이리스터 보조 회로를 추가함으로써 싸이리스터의 추가적인 스택을 이용하지 않더라도, 싸이리스터 개수를 최소화하면서 다-펄스 싸이리스터 직류 송전 기능을 갖는 다-펄스 직류 송전 시스템을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수 개의 권선 변압기와 제1, 2 컨버터 등으로 구성된 직류 송전 시스템에 있어서, 상기 제 1 컨버터와 제 2 컨버터의 출력전압의 차가 공급되도록 상기 제 1 컨버터의 접지단과 제 2 컨버터의 출력단이 연결된 지점과 상기 제 1컨버터의 출력단과 제 2 컨버터의 접지단이 연결된지점사이에 1 차측 코일이 연결되어 있는 복권 변압기와, 상기 복권 변압기의 일측단과 제 1, 2 컨버터의 출력단 사이에 각각 연결되어 있는 제 1, 2 전류 평활용 리액터와, 상기 제 1, 2 전류 평활용 리액터와 각각 직렬로 접속되어 있는 제 1, 2 직류 전압 분할용 콘덴서와, 상기 복권 변압기의 2 차측단에 각각 연결되고 1차측 전압의 상승 엣지 펄스에 의해서 어느 하나가 도통되는 복수 개의 싸이리스터로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 특징을 가진 본 발명은 기존의 12펄스 싸이리스터 HVDC시스템에서 싸이리스터 보조 회로를 추가함으로써 싸이리스터의 추가적인 스택을 이용하지 않더라도, 즉, 싸이리스터 개수를 최소화하면서 24펄스/36펄스/48펄스 컨버터와 같이 다-펄스 싸이리스터 직류 전송 기능을 갖는 시스템이다.

도 1 은 6펄스 싸이리스터 스택을 이용한 종래의 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

도 2 는 일반적인 12 펄스 직류 송전 시스템의 제어부를 나타낸 도면.

도 3 은 일반적인 24 펄스 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

도 4 는 다른 실시 예에 의한 종래의 일반적인 24펄스 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

도 5 는 본 발명에 따른 다-펄스 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

도 6 은 도 5 에 도시된 다-펄스 직류 송전 시스템의 제어기를 나타낸 도면.

도 7 은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 다-펄스 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

도 8 은 도 7에 도시된 다-펄스 직류 송전 시스템의 제어기를 나타낸 도면.

도 9 는 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 다-펄스 직류 송전 시스템을 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

3-1...복권 변압기 3-2, 3-3...싸이리스터

3-8...직류 전압 분할용 콘덴서 3-9...리액터

3-11...컨버터

이하, 예시된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 5 는 본 발명에 의한 시스템을 도시한 도면으로서, 동 도면에 도시된 시스템은 제 1 컨버터(3-13)와 제 2 컨버터(3-11)의 출력전압의 차가 공급되도록 상기 제 1 컨버터(3-13)의 접지단과 제 2 컨버터(3-11)의 출력단이 연결된 지점과 상기 제 1컨버터(3-13)의 출력단과 제 2 컨버터(3-11)의 접지단이 연결된 지점사이에 1 차측 코일이 연결되어 있는 복권 변압기(3-1)와, 상기 복권 변압기(3-1_의 일측단과 제 1, 2 컨버터(3-13)(3-11)의 출력단 사이에 각각 연결되어 있는 제 1, 2 전류 평활용 리액터(3-9)와, 상기 제 1, 2 전류 평활용 리액터(3-9)와 각각 직렬로 접속되어 있는 제 1, 2 직류 전압 분할용 콘덴서(3-8)와, 상기 복권 변압기(3-1)의2 차측단에 각각 연결되고 1차측 전압의 상승 엣지 펄스에 의해서 어느 하나가 도통되는 복수 개의 싸이리스터(3-2)(3-3)로 구성되어있다.

상기한 바와 같은 구성을 가진 시스템의 작동을 전체적으로 기술하면 다음과 같다.

도 5 는 도 4에서 보여주는 보조회로에서 2개의 복권변압기를 1개로 줄이고 4개의 싸이리스터를 2개로 줄임으로써 도4에서 보여주는 24펄스 싸이리스터 HVDC 시스템과 같은 동작을 하도록 만든 회로이다.

도5에서 보조회로는 2개의 전류 평활용 리액터(3-9)와 직류 전압 분할용 콘덴서(3-8) 그리고 한대의 복권 변압기(3-1)에 연결된 두개의 싸이리스터(3-2)와 (3-3)로 구성된다. 상측 싸이리스터 컨버터(3-13)와 하측 컨버터(3-11)의 출력전압은 위상 각 α에 따라 변하며 12-펄스 특성을 갖는다. 이때 변압기(3-1)의 1차 측 전압은 3-13 컨버터와 3-11 컨버터의 출력전압의 차 전압의 50%가 걸린다. 이때 변압기(3-1)의 1차 측 전압의 상승모서리(positive edge)를 각 싸이리스터(3-2)와 (3-3)의 제어 각 β₂와β₂의 기준 점으로 하며 싸이리스터(3-2)와 (3-3)는 둘 중의 하나가 항상 출력전류를 도통시키게 제어를 하면, 즉, 변압기(3-1)의 전압이 양일 때는 Ｔ₁(3-2)가 순 방향으로 바이어스 되어 β₂에서 전류(Commutation)되어 출력전류 Ｉ₀(3-6)을 도통시켜 변압기(3-1)의 1차 측에 정 방향의 전류를 유기 시키고, 변압기(3-1)의 전압이 음일 때는 Ｔ₂가 순 방향으로 바이어스 되어 β₃에서 출력전류를 도통시켜 부방향의 전류를 유기 시키고 이때, 전류 Ｉ₂(3-5)는 각각의커패시터(3-8)에 양분되어 흐르게 되어 각각의 컨버터(3-13)와 (3-11)의 출력 전류는 Ｉ₂(3-5)에 의해 더해지고 빼지는 전류가 된다. 이러한 현상은 출력 전류 Ｉ₀(3-6)은 변동이 없고 상측 사이리스터 컨버터(3-13)와 하측 사이리스터 컨버터(3-11)의 전류를 변형시켜 최종적으로 (1-1)에서 보여주는 △-Y-△ 변압기의 입력전류를 변형시켜 고조파가 보다 줄어든 정현파에 가까운 전류를 발생시키는 것이 목적이다. (1-1)에서 보여주는 △-Y-△ 변압기의 입력전류의 고조파는 싸이리스터의 펄스 수에 따라 결정되는데 펄스 수가 높아지면 높아질수록 고조파 함유 율은 줄어든다.

도 6은 도5에서 보여진 보조회로의 제어기를 보여주는 것으로써 보조 회로의 역할은 변압기 2차 Y결선의 6펄스 싸이리스터의 출력 전류와 변압기 2차 △결선의 6펄스 싸이리스터의 출력 전류를 교번적으로 변형시켜 HVDC 시스템의 입력 전류 파형을 개선시키는 역할을 한다.

따라서 보조회로의 제어 펄스는 12 펄스 싸이리스터 회로의 스위칭 시퀸스와 일치시켜야 하기 때문에 도 5의 Ｔ₁(3-3)는 HVDC 시스템의 Y 결선 변압기에 연결된 싸이리스터의 밸브를 제어하고 Ｔ₂(3-2)는 HVDC 시스템의 △ 결선 변압기에 연결된 싸이리스터의 밸브를 제어하면 된다. 도 6의 설명을 하면 도 2로 부터 Firing Pulse (3-1-1) 즉, 12펄스를 입력받아 ODD/EVEN Pulse Selector 를 통하여 Y밸브용 6 펄스와 △ 밸브용 6펄스를 선택한다. 그리고 선택된 펄스를 Y-밸브용 펄스 발생기(3-1-3)과 △-밸브용 펄스 발생기 (3-1-4)를 통하여 신호를 검출하고 이 신호를신호의 감쇄를 막기 위해 Latch(3-1-5,3-1-6)를 통하여 도 5의 T₁밸브와 T₂밸브를 게이팅 한다.

도 7은 도 5에서 보여주는 보조회로를 변형시킨 것으로, 도 5에서 보여주는 보조회로에 싸이리스터 Ｔ₄(4-4)를 변압기의 중성 점에 연결한 그림을 보여 준다.

도 7에서 보여주는 보조회로는 도 5의 보조회로의 싸이리스터가 항상 (+) Positive 동작과 (-) Negative 동작을 반복하는 것에 비하여 도 7의 보조회로는 싸이리스터 Ｔ₃가 (+) Positive 동작을 하고 싸이리스터 Ｔ₄가 0 [V] 동작 그리고 싸이리스터 Ｔ₅가 (-) Negative 동작을 하는 것으로 HVDC 시스템의 입력 전류의 파형이 36펄스 싸이리스터 동작을 특징을 가지고 있다.

도 8은 도 7에서 보여주는 보조회로의 점호 신호를 만들어 내는 제어기를 나타내고 있는 것으로써 기존의 12 펄스 제어기와 별렬로 24 펄스 발생기를 추가하여 24펄스 발생기에서 발생한 펄스를 Sequencer를 통하여 도 7의 싸이리스터를 점호한다. 이때 Sequencer의 역할은 제7도의 싸이리스터의 점호 순서가 Ｔ₃- Ｔ₄-Ｔ₅- Ｔ₅- Ｔ₄- Ｔ₃- Ｔ₃- Ｔ₄- Ｔ₅가 반복되도록 하는 역할을 하고 있다.

도 9는 도5에서 보여주는 보조회로에 싸이리스터를 3개 추가한 회로로써 이경우에는 보조회로의 싸이리스터(5-1)가 (+) Positive 동작, 싸이리스터(5-2)가 1/2(+) Positive 동작, 싸이리스터(5-3)이 0 [V] 동작, 싸이리스터(5-4)가 1/2(-) Negative 동작 그리고 사이리스터(5-5)가 (-) Negative 동작을 하는 것으로써 이때의 HVDC 시스템의 동작은 60펄스 싸이리스터 시스템과 동일한 동작을 갖는 시스템이 된다.

도 7과 도 9에서와 같이 계속적으로 싸이리스터를 추가하는 경우에는 도 5를 기준으로 하여 개의 추가적인 싸이리스터를 보조회로에 추가하는 경우에는 12펄스의 싸이리스터 스택을 추가한 것과 같은 동작이 이루어진다. 이러한 동작 특성은 이론적으로 무한대의 싸이리스터를 추가할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

상술한 본 발명에 의하면 싸이리스터 보조 회로를 추가함으로써 싸이리스터의 추가적인 스택을 이용하지 않더라도, 싸이리스터 개수를 최소화하면서 24펄스/36펄스/48펄스 컨버터와 같이 다-펄스 싸이리스터 직류 송전 기능한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 상기 제 1 컨버터와 제 2 컨버터의 출력전압의 차가 공급되도록 상기 제 1 컨버터의 접지단과 제 2 컨버터의 출력단이 연결된 지점과 상기 제 1컨버터의 출력단과 제 2 컨버터의 접지단이 연결된 지점사이에 1 차측 코일이 연결되어 있는 복권 변압기와,

   상기 복권 변압기의 일측단과 제 1, 2 컨버터의 출력단 사이에 각각 연결되어 있는 제 1, 2 전류 평활용 리액터와,

   상기 제 1, 2 전류 평활용 리액터와 각각 직렬로 접속되어 있는 제 1, 2 직류 전압 분할용 콘덴서와,

   상기 복권 변압기의 2 차측단에 각각 연결되고 1차측 전압의 상승 엣지 펄스에 의해서 어느 하나가 도통되는 복수 개의 싸이리스터로 구성된 것을 특징으로 하는 다-펄스 직류 송전 시스템.