KR100417206B1

KR100417206B1 - 전력흐름제어장치및방법

Info

Publication number: KR100417206B1
Application number: KR10-1998-0703991A
Authority: KR
Inventors: 라즐로 규기
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2004-04-30
Also published as: US5698969A; BR9611622A; CN1083626C; JP2000501276A; PL326650A1; DE69620784D1; CA2239071A1; AU718877B2; DE69620784T2; WO1997020375A3; CA2239071C; CZ139898A3; AU7515496A; TW329064B; HUP9902172A2; WO1997020375A2; HUP9902172A3; JP3701315B2; EP0864193A2; KR19990071714A

Abstract

각각 2개의 종단을 가지고 상기 종단간의 선택된 전송 선로 전압 및 기본 주파수에서 교류를 전송하는 적어도 2개의 전송 선로(12, 14)를 포함하는 전력 전송 시스템의 전력 흐름을 제어하기 위한 전력 흐름 제어 장치(10) 및 방법이 개시된다. 전송 선로 전류에 대해 가변적인 크기 및 제어가능한 위상 각을 갖는, 상기 전송 선로에 흐르는 상기 교류의 상기 기본 주파수의 적어도 두 교류 전압이 발생되고 전송 선로(12, 14)와 직렬로 결합된다. 각각의 발생되는 교류 전압의 크기 및 위상은 선택적 및 개별적으로 제어되어, 각 전송 선로의 실제 무효 및 유효 임피던스가 조정되고 전송 선로간에 개별적으로 전송되는 전력량이 제어되게 한다.

Description

전력 흐름 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INTERLINE POWER FLOW CONTROL}

본 발명은 교류(alternating current, 이하 ac 라고 함) 전송 선로(transmission line)의 전력 흐름을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 전송 선로에 대한 직렬 무효 전력 보상(reactive power compensation)을 제공함과 동시에 이들 선로간의 유효 전력(real power)을 전송할 수 있는 전력 흐름 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

ac 전송 선로를 통한 전력 흐름은 선로 임피던스(line impedance)와, 송신단(sending end) 전압 및 수신단(receving end) 전압의 크기와, 이들 전압 간의 위상각의 함수이다. 각 전송 선로의 전력 흐름은 전통적으로 일정 또는 사이리스터-제어(thyristor-contrlled) 직렬 캐패시터를 사용한 무효 직렬 보상에 의해 제어되거나 위상 시프트 변압기(phase shifting transformer)에 의해 제어된다. 최근, 반도체 스위칭 변환기(solid state switching converter)를 사용한 새로운 전력 제어 장치가 제안된 바 있다. "전송 선로 동적 임피던스 보상 시스템(Transmission Line Dynamic Impedance Compensation System)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제 5,198,746 호에 개시된 장치는, 전송 선로 전류와 직각의 제어된 전압을 투입하여 무효 라인 임피던스 및 전송 전력을 제어할 수 있다. "일반화된 고속 흐름 전력 제어 장치(Generalized Fast Flow Power Controller)"란 명칭의 미국 특허 출원 제 5,343,139 호에 개시된 장치는, 적절한 전압 투입에 의해 동시 또는 선택적으로 전송 선로 임피던스, 전압 및 위상각과 그에 의한 전송 전력을 제어할 수 있다. 1994년 12월 30일자로 출원되고, "전력 발진을 감쇄시키기 위해 전력 시스템에 유효 및 무효 임피던스를 삽입하는 직렬 보상 장치(Series Compensator Inserting Real And Reactive Impedance Into Electric Power System For Damping Power Oscillations)"란 명칭의 미국 특허 출원 제 08,366,646 호에 개시되고 있는 개량된 직렬 보상 방법에서는, 미국 특허 출원 제 5,198,746 호에서 설명된 것과 유사한 방법으로 선로 전류와 직각의 전압을 투입하여 무효 선로 임피던스를 제어하는 것이 가능하고, 또한, 전력 발진 감쇠를 돕기 위해서, 외부 에너지 저장장치를 사용함으로써 선로 전류와 동상의 전압 성분을 삽입하여 선로와 직렬의 가상 양 및 음의 유효 임피던스를 임시적으로 설정할 수 있다.

이들 모든 전력 흐름 제어 장치의 공통적인 특징은, 그들은, 통상적인 소자 또는 전자 소자를 사용하는지의 여부에 관계없이, 그들이 결합된 한 선로에서만의 전력 흐름을 직접적으로 제어할 수 있다는 것이다. 그러나, 전압 버스(voltage bus)에 수개의 전송 선로들이 통상적으로 접속된다. 이들 선로의 다른 종단은 전송 네트워크(transmission network) 구조에 따라 또 다른 공통 전압 버스나 여러 다른 버스에 접속될 수도 있다. 선로들은 유사한 임피던스 또는 서로 상이한 임피던스를 갖는다. 따라서, 네트워크의 한 선로의 전력 흐름 제어에 의해서는 전체 네트워크를 경제적으로 이용하기 위한 최적의 해답이 제공될 수 없다는 것은 쉽게 알 수 있다. 예를 들어, 선로가 다수개인 전송 선로 구조에 있어서는, 한 선로가 과부하(overload) 상태에 있고 다른 선로가 부족부하(underload) 상태에 있는 경우, 다른 선로들의 전력 흐름에 가능한 거의 영향을 끼치지 않으면서 부족부하 상태의 선로에서는 전송 전력을 증가시키고 과부하 상태의 선로에서는 전송 전력을 감소시키는 것이 이상적인 해법으로 될 것이다. 현재 기술 수준의 전력 흐름 제어 장치에서는, 한 선로에서만의 전력 흐름을 증가 또는 감소시킬 수 있을 뿐이고, 그 선로의 변화는 나머지 다른 모든 선로의 전력 흐름에 영향을 줄 것이다. 따라서, 유효 전력을 한 특정 선로로부터 다른 특정 선로로 직접 전송할 수는 없지만, 각 선로에서 전력 흐름이 원하는 수준에 이를 때까지 각 전력 흐름 제어 장치에 의해 간접적으로 변화시킬 수 밖에 없다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 직렬 전압 투입 방법에 의해 개별 선로를 통한 전송 전력을 제어할 수 있을 뿐 아니라 또한 규정된 양의 전력을 하나의 특정 선로(one specific line)에서 하나 이상의 다른 선로로 전송시킬 수 있는 선로간 전력 흐름 제어 장치(Interline Power Flow Controller, IPFC)를 제공하는데 있다. IPFC는 개별 선로들의 무효 직렬 보상에 의해서 또한 이들 선로간에서의 동시적 제어식 유효 전력 전송에 의해서 전력 흐름을 제어한다.

본 발명에 따라 구성된 전력 흐름 제어 장치는 각각 2개의 종단을 가지고 이들 종단간의 선택된 전송 선로 전압 및 기본 주파수에서 교류를 전송하는 적어도 두개의 전송 선로를 포함하는 전력 전송 시스템의 전력 흐름을 제어한다. 이 제어 장치는 전송 선로 전류에 대해 가변적인 크기 및 제어가능한 위상각을 갖는, 전송 선로에 흐르는 교류의 기본 주파수에서 적어도 두개의 교류 전압을 발생하기 위한 변환기와, 발생된 각각의 전압을 전송 선로 중의 하나와 직렬로 개별적으로 결합하기 위한 수단과, 발생되는 각 전압의 크기 및 위상을 제어하여 각 전송 선로의 유효한 무효 및 유효 임피던스를 조정하고 전송 선로의 양 종단간에 전송되는 유효 전력을 제어함과 동시에 변환기를 통해 전송 선로간에 개별적으로 전송되는 유효 전력량을 제어하기 위한 수단을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 전력 흐름 제어 방법은 각각 2개의 종단을 가지고 상기 종단간의 선택된 전송 선로 전압 및 기본 주파수에서 교류를 전송하는 적어도 두개의 전송 선로를 포함하는 전력 전송 시스템의 전력 흐름을 제어한다. 이 방법은 전송 선로 전류에 대해 가변적인 크기 및 제어가능한 위상각을 갖는, 전송 선로에 흐르는 교류의 기본 주파수에서 적어도 두개의 교류 전압을 발생하는 단계와, 발생된 각각의 전압을 전송 선로 중의 하나와 직렬로 개별적으로 결합하는 단계와, 발생되는 각 교류 전압의 크기 및 위상을 선택적 및 개별적으로 제어하여, 각 전송 선로의 실제 무효 및 유효 임피던스를 조정하고 전송 선로의 양 종단 간에 전송되는 유효 전력을 제어함과 동시에 전송 선로 간에 개별적으로 전송되는 유효 전력량을 제어하기 위한 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 선로간 전력 흐름 제어 장치의 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 선로간 전력 흐름 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 벡터도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 선로간 전력 흐름 제어 장치의 개략도,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 선로간 전력 흐름 제어 장치의 개략도,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 선로간 전력 흐름 제어 장치의 개략도,

도 6은 본 발명에 따라 구성된 선로간의 전력 흐름 제어 장치의 제어 회로에 대한 개략도,

도 7은 도 6에 도시된 제어회로의 일부분에 대한 블록도.

도면을 참조하면, 도 1은 전력 시스템(electric power system)의 두 병렬 전송 선로(12, 14)에서 전력 흐름을 제어하기 위한 선로간 전력 흐름 제어 장치(10)의 개략도이다. 전력 시스템은 v_s의 버스 전압을 갖는 송신단 버스(16)와 v_r의 버스 전압을 갖는 수신단 버스(18)를 포함한다. 송신단 버스(16)는 제 1 전원(20)에 연결되고, 수신단 버스(18)는 제 2 전원(22)에 연결된다. 상기 두 선로는 그들의 직렬 무효 임피던스(X₁및 X₂)에 의해 특징화되는 것으로서, 그들 선로가 전류(i₁및 i₂)를 제각기 전송하는 것으로 했다. 선로간 전력 흐름 제어 장치(Interline Power Flow Controller: IPFC)의 전력회로는 변환기(24)를 포함하는데, 이 변환기는 본 실시예에서 공통의 DC 링크(30)와 백-투-백(back-to-back) 방식으로 결합된 2개의 전압원(voltage sourced) 인버터(26, 28)를 포함한다. 이들 두 인버터(26, 28)는 게이트 턴-오프(gate turn-off) 사이리스터(thyristor) 또는 다른 적정한 전력 반도체를 채용할 수도 있는 것으로서, 이들 인버터는 출력 파형 생성을 위해 다양한 잘 알려진 기법(예를 들어, 조파 중화(harmonic neutralization) 또는 펄스폭 변조)을 이용할 수도 있다. IPFC의 인버터 구조는, 그 구조가 ac 시스템에 결합되는 것을 제외하고는, 실제적으로 미국 특허 출원 제 5,343,139 호에서 일반화된 고속 흐름 전력 제어 장치(Generalized Fast Flow Power Controller)에 대해 개시한 것과 동일할 수도 있다. 그러나, 두 인터버(26, 28)의 출력을 ac 시스템에 결합하기 위한 IPFC의 회로 구성은 일반화된 고속 흐름 제어 장치에 대해 사용된 것과는 근본적으로 다르다. IPFC의 경우에는, 두 인버터(26, 28)의 ac 출력이 전송 선로와 직렬로 결합된다. 구체적으로, 제각각의 중간삽입 변압기(insertion transformer)(Tr1, Tr2)를 통해, 인버터(26)의 출력은 선로(12)와 직렬로 결합되고 인버터(28)의 출력은 선로(14)와 직렬로 결합된다. 일반화된 고속 흐름 전력 제어장치의 회로 구성에서는, 미국 특허 출원 제 5,343,139 호에 나타나 있는 바와 같이, 두 인버터들이 동일한 선로에 결합된다. 또한, 하나의 인버터의 출력은 직렬로 그 선로에 결합되는 반면에 다른 인버터의 출력은 병렬로 그 선로에 결합된다. 따라서, 미국 특허 출원 제 5,343,139 호에 개시된 일반화된 고속 흐름 전력 제어 장치는 전력 시스템의 두(또는 그 이상의) 선로에서의 전력 흐름과 그들 선로간의 전력 전송을 직접적으로 제어할 수 없는데, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 주목적이다.

도 1의 두 인버터(26, 28)는 제어 유닛(32)에 의해 동작되어, 2개의 무효 보상 임피던스 기준 신호(reactive compensating impedance reference signal)(X_c1및 X_c2)를 지시하는 개별적인 직렬 무효 보상과 유효 전력 기준 신호(P₁₂)를 지시하는 선로(12)와 선로(14)간의 유효 전력 전송에 의해서 각 선로의 전송가능한 전력을 변화시킨다. 전송 선로 전류와 같은 측정된 시스템 변수를 나타내는 신호들은 선로(mv₁, mv₂, mv₃)를 통해서 제어 유닛에 전송된다.

도 1에 있어서, 각각의 인버터(26, 28)는 ac 전력 시스템의 기본 주파수에서 제어가능한 ac 출력 전압을 생성한다. 각각의 출력 전압은 직렬 삽입 변압기를 통해 개별적인 전송 선로에 결합된다. 각 인버터(26, 28)의 출력은 그에 의해서 제어되는 특정 전송 선로의 전류에 동기된다. 선로 전류에 대한 인버터 전압의 위상 위치 및 크기는 조정되며, 그 결과, 투입된 직렬 선로 전압은 선로 전류와 90°위상차의 적정한 성분 및 선로 전류와 동상의 다른 성분을 가질 수 있게 된다. 90°위상차의 직각 성분은 선로에 대한 직렬 무효 보상을 제공할 것이고, 동상 성분은 선로로부터 흡수하고자 하는 양의 유효 전력을 그 선로로부터 흡수하거나 또는 선로에 대해 발생하고자 하는 양의 유효 전력을 그 선로에 대해 발생한다. (전력이 과부하(overloaded) 선로로부터 흡수되는지 또는 부족부하(underloaded) 선로에 대해 제공되는지에 따른 양 또는 음의) 유효 전력은 전력 수요로서 인버터 DC단자로 전송된다. 다른 선로(또는 다수의 선로)를 제어하는 또 다른 선택된 인버터(또는 인버터들의 조합)의 출력전압은 조정되며, 그 결과, 최종 동상 성분(resultant in-phase component)(또는 동상 성분들의 합)은 과부하 또는 부족부하 선로와 유효 전력을 교환하는 인버터가 요구하는 것과 동일하나 반대의 유효 전력 교환을 초래하게 된다. 이러한 식으로, 선택된 선로들간의 유효 전력 전송이 인버터를 통해 이루어질 수 있으며, 각 인버터는 개별적인 선로에 대해 독립적으로 제어되는 무효 보상을 지속적으로 제공할 수 있다.

도 1에 있어서, 인버터(26)는 선로(12)에 흐르는 전류 i₁(전류 및 전압에 대한 소문자는 순간값을 나타내고, 반면에 대문자는 실효값(r.m.s.) 및 페이저(phasor)를 나타냄)와 동기화된다. 즉, 인버터(26)는 기본 전력 시스템 주파수에서 교류 전압(v_pq1)을 발생하는데, 이 전압의 크기는 0 부터 인버터(26)의 정격에 의해 결정되는 최대값까지의 범위에서 제어가능하며, 또한 그 전압의 각도 위치는 선로 전류(i₁)의 각도 위치에 대해 0°에서 360°까지의 범위에서 변경될 수 있다. 전압(v_pq1)은 변압기(Tr₁)를 통해 선로(12)와 직렬로 삽입된다.

선로 전류(i₁)는 직렬 변압기(Tr1)를 통해 흐르고, 투입된 전압(v_pq1)과 상호작용을 한다. 이 상호작용은 일반적으로 선로(12)와 인버터(26)간의 유효 및 무효 전력 모두의 교환을 의미한다. 이 전력 교환을 페이저 다이어그램(phasor diagram)의 형태로 도 2에 도시했다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 전류(i₁)와 동상의 전압 성분(V_pq1R)에 의해 유효 전력 P₁₂=I₁V_pq1R로 되고, 전류(I₁)와 직각의 전압 성분(V_pq1Q)에 의해 무효 전력 Q_C1=I₁V_pq1Q로 된다. 주목해야 할 것은, 이 식들의 형태가 단상 값들(single phase quantities)을 암시할 수 있다는 것이다. 그러나, IPFC 개념은 단상 전력 시스템에 적용될 수도 있지만 실제 적용에 있어서는 통상적으로 삼상 전력시스템(three phase power system)과 관련하여 이용될 것임을 알수 있을 것이다. 이러한 사실에도 불구하고, 그들 식이 관련된(related) 위상 값들 예를 들어 선로와 중성점간 전압(neutral voltage) 및 선로 전류를 나타낸다고 가정하여, 이들 값에 간단히 3을 곱함으로써 평형 3상 시스템(balanced three-phase systems)에 대해서도 적용될 수 있다는 것을 알 수 있으며 상기 식들은 본 명세서 전체에 걸쳐 이전에 사용된 간단한 형태로 유지된다.

전압원(voltage-sourced) 인버터의 이론으로부터 알려진 그리고 미국 특허 출원 제 5,343,139 호에서 설명한 바와 같이, 인버터(26)(및 인버터(28))는 교환되는 무효 전력(Q_c1)을 발생시키거나 흡수할 수 있다. 그러나, 인버터(26)는 유효 전력(P₁₂)을 변환시켜 인버터(26)의 DC 단자로 전송할 것이며, 이 단자에서 V_DCI_DC의 형태로 제공될 (양 또는 음의) 유효 전력 수요로서 나타난다(여기서, V_DC는 공통 DC 링크의 전압이고, I_DC는 링크에 의해 공급되거나 흡수되는 전류이다.).

(1/I₁)V_pq1Q의 값은 인버터가 기존의 선로 임피던스(X₁)를 보상하여 전송되는 전력을 증가 또는 감소시키기 위해 발생하는 가상 무효 임피던스(virtual reactive impedance)를 나타낸다. 이 보상 임피던스는, 투입된 전압(V_pq1Q)이 선로 전류에 대해 90°의 지상(lags) 관계에 있는지 또는 진상(lead) 관계에 있는 지에 따라, (전송되는 전력을 증가시키기 위해) 용량성(capacitive)일 수도 있거나 (전송되는 전력을 감소시키기 위해) 유도성(inductive)일 수도 있다. 만일 보상 임피던스가 X_c1이면(여기서, X_c1= (I/I₁)V_pq1Q), 선로(12)를 통해 전송되는 전력은 X₁-X_c1로 주어지는 임피던스 차이에 반비례할 것이다. X_c1은 IPFC 제어 유닛이 선로(12)의 전력흐름을 조정하기 위해 제공되는 기준 값(reference quantity)이다. 인버터(26)에 의해 투입될 필요한 직각 전압은 선로 전류(I₁)를 알면 간단히 도출할 수 있다. 즉, V_pq1Q=X_c1I₁이다.

(1/I₁)V_pq1R의 값은 인버터가 발생하는 가상 유효 임피던스(R₁)를 나타낸다. 이 임피던스는, 투입 전압 성분(V_pq1R)이 선로 전류(I₁)와 동상인지 역상인지에 따라, 양의 임피던스(유효 전력이 선로로부터 흡수되는 경우)일 수도 있고 또는 음의 임피던스(유효 전력이 선로에 대해 발생되는 경우)일 수도 있다. 첫 번째의 경우에는, 유효 전력 P₁₂=I₁V_pq1R=(I₁)²R₁이 선로로부터 흡수되어 인버터(26, 28)의 공통 DC 단자로 전송된다. 두 번째의 경우에는, P₁₂가 인버터(26)에 의해 공통 DC 단자로부터 흡수되어 ac 단자에서 선로(12)에 대해 전송된다. 이 경우는, 선로(12)의 관점에서 볼 때, 선로(12)의 전체 전력 입력(overall power input)을 증가시키기 위해 P₁₂의 유효 전력 정격을 가진 추가적인 전력 발생기를 송신단 전원과 직렬로 연결한 경우와 동일하다.

쉽게 알 수 있듯이, IPFC의 인버터(28)가 인버터(26)에 의해 선로(12)와 직렬로 투입되는 것과 크기가 동일하나 반대 극성의 가상 유효 임피던스를 선로(14)와 직렬로 투입하는 한편 독립적으로 제어가능한 가상 무효 임피던스를 투입하도록 동작하면, (두 가상 유효 임피던스 중의 어떤 것이 양의 임피던스인지 또는 음의 임피던스인지에 따라서) 유효 전력(P₁₂)이 선로(12)로부터 선로(14) 쪽으로 또는 그 역으로 전송될 것이며 그들 두 라인 모두는 독립적으로 제어되는 직렬 무효 보상을 받는다. 이를 위하여, 인버터(28)는 선로(14)에 흐르는 전류(i₂)에 동기화된다. 즉, 인버터(28)는 기본 전력 시스템 주파수에서 교류 전압(v_pq2)을 발생하는데, 이 전압의 크기는 0에서 인버터(28)의 정격에 의해 결정되는 최대값까지의 범위에서 제어가능하며, 또한 그 전압의 각도 위치는 선로 전류(i₂)의 각도 위치에 대해 0°에서 360°까지의 범위에서 변경될 수 있다. 전압(v_pq2)은 변압기(Tr2)를 통해 선로(14)와 직렬로 삽입된다.

선로 전류(i₂)는 직렬 변압기(Tr2)를 통해 흐르고, 투입된 전압(v_pq2)과 상호작용을 한다. 이 상호작용은 전술한 바와 같이 선로(14)와 인버터(28)간의 유효 및 무효 전력 모두의 교환을 의미한다. 구체적으로, 전류(i₂)와 동상의 전압 성분(V_pq2R)에 의해서는 유효 전력 교환이 규정되고, 전류(i₂)와 직각의 전압 성분(V_pq2Q)에 의해서는 선로(14)와 인버터(30) 간의 무효 전력 교환이 규정된다. 백-투-백 접속의 인버터의 공통 DC 링크(30)를 통해 선로(14)와 선로(14) 간의 유효 전력을 전송하기 위한 조건을 충족하기 위해서는, 선로(14)와 인버터(28) 간의 유효 전력 교환은 선로(12)와 인버터(26) 간에서 교환되는 것과 동일하나 반대이어야만 한다. 즉, I₁V_pq1R+ I₂V_pq2R= 0이다. Q_C2=I₂V_pq2Q로 규정되는 선로(14)와 인버터(28) 간에서 교환되는 무효 전력은 선로(12)와 인버터(26)간에서 교환되는 Q_C1=I₁V_pq1Q와는 독립적으로 제어될 수 있다. (1/I₂)V_pq2Q의 값은 인버터가 기존의 선로 임피던스(X₂)를 보상하여 선로(14)의 전송되는 유효 전력을 증가 또는 감소시키기 위해 발생하는 가상 무효 임피던스를 나타낸다. 이 보상 임피던스는, 인버터(26)에 의해서 생성되는 가상 보상 임피던스와 아주 유사한 것으로서, 투입된 전압(V_pq2Q)이 선로 전류에 대해 90°의 지상 관계에 있는지 또는 진상 관계에 있는 지에 따라, (전송되는 전력을 증가시키기 위해) 용량성일 수도 있거나 (전송되는 전력을 감소시키기 위해) 유도성일 수도 있다. 만일 보상 임피던스가 X_c2이면(여기서, X_c2= (1/I₂)V_pq2Q임), 선로(14)를 통해 전송되는 전력은 임피던스 차이(X₂-X_c2)에 반비례할 것이다. X_c2는 IPFC 제어 유닛(32)이 선로(14)의 전력흐름을 조정하기 위해 제공되는 기준 값이다. 인버터(28)에 의해 투입될 필요한 직각 전압은 선로 전류(I₂)를 알면 간단히 도출할 수 있다. 즉, V_pq2Q=X_c2I₂이다.

상술한 IPFC의 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 N개(여기서, N은 정수임) 선로로 확장될 수 있음을 알 수 있다. 도 3에 있어서, 다수의 N개 ac-DC 인버터(34, 36, 38)는 변압기(Tr1', Tr2' 및 Trn)를 통해 전송 선로(40, 42, 44)에 직렬로 각각 결합된다. DC 링크(46)는 인버터(34, 36, 38)에 공통 DC 입력 전압을 공급한다. 이 시스템의 동작을 위해 필요한 기준(criterion)은 모든 인버터들에 의해 교환되는 유효 전력의 합이 0이어야만 즉 I₁V_pq1R+ I₂V_pq2R+ … + I_nV_pqnR= 0이어야만 한다는 것이다. 그렇지 않으면, 인버터들이 동작하는데 필요한 ac 전압을 유지할 수 없다. 이해해야 할 것은, 도 3의 ac-DC 인버터(34, 36, 38)를 다른 유형의 전력 변환기 예컨대 DC 링크 대신에 ac 링크에 의해 결합된 ac-ac변환기로 대체할 수도 있는데, 이러한 내용도 본 발명의 범주에 속한다는 사실이다.

IPFC에 대한 또 다른 일반적인 구성을 도 4에 나타내었다. 이 실시예에 있어서는, 모두 DC 버스(56)에 연결되어 있는 N개의 직렬 인버터(48, 50, 52)에 의해 N개의 선로가 보상된다. 분로 인버터(shunt inverter)(58) 형태의 추가적인 인버터가 또한 DC버스에 연결된다. 분로 인버터(58)의 ac단자는 변압기(Trs)를 통해 ac시스템의 적절한 버스에 연결된다. 또한, 도 4는 단일 ac버스(60)가 N개 전송선로 중의 2개를 공급하는 것을 도시한다. 물론, IPFC는 전송 시스템의 버스 구성에 의해 어떠한 식으로든 제약되지 않는다. 직렬 인버터들을 통해 공급되는 선로는 임의 수의 관련된 또는 관련되지 않는 버스로부터 개별적으로 또는 그룹으로 공급될 수도 있다. 분로 인버터의 용도는 모든 직렬 인버터에 의해서 교환되는 유효 전력의 합이 0이어야만 한다는 전술한 요건을 제거하기 위한 것이다. 이 경우, 교환되는 유효 전력들의 합인 I₁V_pq1R+ I₂V_pq2R+ … +I_nV_pqnR= P_diff는 분로 변환기에 의해 공통 ac 버스로 재순환된다. 환언하면, 분로 인버터(58)는 원하는 DC 단자 전압을 유지할 수 있도록 제어되는데, 제어할 때, 분로 인버터(58)는 ac 버스를 이용하여 P_diff= V_busI_inv-real전력(양 또는 음의 전력)을 교환한다. V_busI_inv-real에서, V_bus는 ac 버스의 선로-중성점 전압이고, I_inv-real는 분로 인버터에 의해 인출되는 V_bus와 동상의 전류 성분이다. 분로 인버터는 개별 선로들의 보상 및 전력 전송을 상당히 자유롭게 제어할 수 있으며, 이로써 이러한 구성은 몇몇 선로를 포함하고 있는 복잡한 전송 시스템에서의 전력 전송을 관리하는데 특히 적합하게 된다.

당업자에게 자명하듯이, 본 발명은 달리 구현될 수도 있고 달리 이용될 수도 있다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서 보인 ac-DC 전압원 인버터 대신에 공진 링크(resonant link)와 함께 작동되는 인버터나 ac-DC 전류원 인버터들을 사용함으로써 IPFC를 구현할 수도 있을 것이다. 마찬가지로, ac-ac 변환기 또는 주파수 변환기(frequency changers)와 같은 다른 유형의 전력 변환기를 이용하여 IPFC를 구현시킬 수도 있다. ac 링크를 사용하면, 링크에 수동 공진 회로(passive resonant circuit)를 결합시킬 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에서 이용되는 IPFC 인버터의 DC 단자는 도 5에 도시한 바와 같이 대용량 캐패시터, 배터리 뱅크(battery bank), 초전도성 마그네틱 저장기(superconducting magnetic storage) 등과 같은 에너지원 또는 저장 장치(62)에 결합될 수도 있다. 링크가 전압원 형태의 특성을 가진 경우(예를 들어 링크를 배터리 또는 캐패시터 뱅크에 결합한 경우)에는 전압원 형태의 인버터들이 사용될 것이고, 상기 링크가 전류원 형태의 특성을 가진 경우(예를 들어 링크를 회전 기계 또는 유도성 에너지 저장장치에 결합한 경우)에는 전류원 형태의 인버터들이 사용될 것이다. 도 5의 실시예에 있어서, 에너지 저장장치(62)는 결합 회로(64)를 통해 DC 링크(56)와 결합되어 있다. 이 구성은 도 3에 도시된 기본적인 IPFC 구성의 경우에 요구되는 조건으로서 모든 인버터에 의해 교환되는 유효 전력들의 합을 0으로 유지해야 한다는 조건이 단기적으로 위반될 수도 있게 한다. 이런 식으로, IPFC는, 한 선로(또는 규정된 수의 선로)에서만의 과도적인 섭동(disturbance)을 처리할 수 있도록 제작된 단일 에너지 저장장치를 사용하여, IPFC가 결합되어 있는 선로들 중의 어떤 한 선로에서의 과도적인 교란 예를 들어 전압 하강(voltage sags), 전력 진동(power oscillation), 준 동기 진동(subsynchronous oscillation) 등을 상쇄시키는데 사용될 수도 있다. 에너지 저장장치를 갖는 IPFC 구성의 한가지 중요한 응용예는 전력 분배 시스템(electric power distribution system)의 공급 선로에서 발생되는 전압 하강을 동적으로 보상하거나 "복원"하는 것이다.

상기한 IPFC의 전력 회로에 대한 특정 실시예들 및 그들의 다양한 응용예로부터, 당업자라면 각종 변형 및 변경 그리고 추가적인 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 구성은 단지 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5의 에너지원은 회전식 전기 기계일 수도 있다.

(도 1에 도시한 바와 같이) 2개의 전송 선로를 포함하는 상술한 예에 대한 IPFC의 제어시스템을 도 6에 도시하였다. 여기에는 인버터(26, 28)를 제어하는 근본적으로 동일한 2개의 제어 유닛(control unit)이 있다. 각 제어 유닛은 독립적인 무효 임피던스 기준 입력(제어 유닛(66)의 경우 X_C1 ^*, 제어 유닛(68)의 경우 X_C2 ^*)에 의해 동작되어 선로(12, 14)에 대한 직렬 무효 보상도를 결정한다. 한 선로에서 다른 선로로 전송될 유효 전력을 결정하는 유효 전력 기준(P₁₂ ^*)은 2개의 제어 유닛에 대해서 공통으로 되며, 단지 다른 점은 제어 유닛(66)에 대해서는 극성이 반대로 된다는 것이다. 이런 식으로, P₁₂ ^*에 대한 양의 기준값은 유효 전력 전송이 선로(14)로부터 선로(12)로 이루어지는 것을 의미하며, 음의 기준값은 유효 전력 전송이 선로(12)로부터 선로(14)로 이루어지는 것을 의미한다.

제어 유닛은 본 출원과 동일한 출원인에 의해 1994년 12월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제 08/366,646 호에서 잘 설명되어 있는 바와 같이 잘 설정된 벡터제어 기법 및 기능 블럭을 채용한다.

도 6, 특히 제어 유닛(68)을 참조하면, 이 유닛은 선로(14)와 직렬로 전압(v_pq2)을 투입하도록 인버터(28)를 작동한다. v_pq2의 크기 및 각도는 전송 선로 전류 i₂와 직각의 성분(v_pq2R)이 기준값(X_c2 ^*)에 의해 규정된 가상 무효 임피던스 X_C2=V_pq2Q/I₂를 나타내고 전류 i₂와 동상의 성분(v_pq2R)이 기준값(P₁₂ ^*)에 의해 규정된 유효 전력 P₁₂=I₂ ²R₂를 부여하는 가상 유효 임피던스 R₂=V_pq2R/I₂를 나타낼 수 있어야 한다.

제어 유닛(68)의 블록도가 도시하는 바와 같이, 선로(14)의 3상 전류의 순간값(instantaneous values)은 좌표계의 두 축 d 및 q의 전류 벡터로 표현된다. 이 전류 벡터는 순간 크기(i₂)와 순간 위상각(Θ₂)을 가지고 있다. 이들 값들의 미분은 벡터 레졸버(vector resolver)(70), 벡터 위상 동기 루프(phase locked loop)(72) 및 벡터 크기 계산기(74)와 같은 3개의 제어 블럭에 의해 수행된다. 이들 제어 블럭의 세부사항은 도 7에 도시되어 있는데, 당업자는 이들의 동작을 잘 이해하고 있다. 보다 상세한 설명은 본 출원인과 동일 출원인에 의해 출원된 미국 특허 출원 제 08/366,646 호에서 참조할 수 있다.

인버터(28)의 동작은 기본적으로 X_C2 ^*, P₁₂ ^*, i₂, 및 Θ₂와 같은 4개의 변수에 의해 결정된다. 도 6에서 알 수 있듯이, 전력 기준값은 순간 유효 기준값R₂ ^*=P₁₂ ^*/i₂ ²로 변환된다. 전류 크기(i₂)와 기준값(X_C2 ^*, R₂ ^*)으로부터, 선로(14)의 전류벡터에 대해 원하는 직렬 전압 벡터의 크기(e₂ ^*)및 각도(β₂ ^*)는 간단한 수학적 연산에 의해 도출된다. 각도(β₂ ^*)가 원하는 직렬 전압 벡터의 상대 각도 위치를 규정하므로, 이러한 전압 벡터의 전체 순간 위상각, 결과적으로는 인버터(28)에 의해 발생될 전압의 전체 순간 위상각은 φ₂=Θ₂+β₂ ^*에 의해 주어진다. 인버터(28)에 의해 발생된 출력 전압의 크기는 e₂ ^*/V_DC로 규정된 파라미터(parameter)(τ₂)에 의해 제어되는데, 여기서 e₂ ^*는 출력 전압의 진폭이고 V_DC는 DC 링크의 전압이다. 따라서, 원하는 직렬 전압의 크기와 DC전압의 비인 e₂ ^*/V_DC는 인버터(28)를 동작시키기 위해 필요한 순간값(τ₂)을 규정한다. 그러므로 φ₂및 τ₂의 값은 규정된 τ₂값 세트에 대해 순차적으로 저장되고 φ₂의 함수로 액세스될 수 있는 스위치 상태들의 룩업 테이블(look-up table)을 통해 인버터(28)를 작동시키는데 이용될 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 제어 유닛(66)는 제어 유닛(68)과 동일한 구조를 가지며 제어 유닛(68)과 동일한 방식으로 동작하여, 인버터(26)의 스위치에 대한 게이팅 신호(gating signal)를 공급하기 위한 제어변수(φ₁및 τ₁)를 도출한다. 그러나, 주목할 것은, 인버터(28)에 의해 선로(14)로부터 흡수된 (양의) 유효 전력이 인버터(26)에 의해서 DC 링크를 통해 선로(12)로 확실하게 전송되도록 기준값[R₁ ^*(여기서, R₁ ^*=P₁₂ ^*/i₁ ²임)]의 부호가 (-1을 곱함으로써) 반전된다는 것이다

R₁ ^*이 R₂ ^*와 동일한 전력을 나타내고 부호는 반대이기 때문에, 이론적으로는, 두 인버터(26, 28)가 안정적인 DC 링크 전압과 원활한 전력 흐름(smooth power flow)을 수용하여야 한다. 그러나, 실제상 두 인버터(26, 28)의 전력 회로 손실이나 제어 정밀도(control accuracies)에서 아주 작은 차이라도 있으면, 정교한 유효 전력 평형에서 작은 차이가 생겨 DC 링크 전압이 변동되거나 심지어는 약해진다. DC 링크 전압을 안정하게 하기 위하여 폐쇄 루프(closed-loop) 회로 구성의 특정 전력 등화 제어 유닛(special power equalization control)(78)을 채용하였다. 도 6을 다시 참조하면, 기준 입력(R₂ ^*) 및 (-R₁ ^*)의 각각을 에러 신호(△R₂)를 가산하여 R_2r ^*를 생성하고 에러 신호(△R₁)를 가산하여 R_1r ^*를 생성함으로써 변경되는데, 이들 R_2r ^*및 R_1r ^*은 제어각(β₁ ^*, β₂ ^*)을 도출하는데 이용된다는 것을 알 수 있다. 에러신호(△R₁) 및 (△R₂)는 다음과 같은 과정을 통해 도출된다. 우선, 투입된 전압(V_pq1)과 (V_pq2)의 요구되는 크기 신호(e₁ ^*) 및 (e₂ ^*)를 비교하여 그 결과, 큰 신호(e_max ^*)를선택하는데, 이것은 함수 블록(max(e₁ ^*e₂ ^*))에 의해 수행된다. 그리고 난 후, 신호(e_max ^*)를 DC 링크 전압(V_DC)의 적정한 스케일링된(appropriately scaled) 값(k_DC)과 비교한다. 이렇게 얻은 전압 에러를 i₁cosβ₁ ^*및 i₂cosβ₂ ^*(선로 전류(i₁) 및 (i₂)의 성분은 투입된 전압(v_pq1) 및 (v_pq2)와 각각 동상임)로 나누어, 원하는 최대 선로 무효 보상과 유효 전력 전송을 용이하게 하기 위해 DC 전압을 증가시킬 필요성 또는 감소시킬 가능성을 표시하는 정 또는 부의 유효 임피던스 차이를 얻는다. 이들 에러를 적정히 증폭(k₁및 k₂)한 후에 -R₁ ^*및 R₂ ^*에 가산하여 R_1r ^*및 R_2s ^*를 생성시켜 β₁ ^*및 β₂ ^*를 변화시킨다. 양의 에러는 β₂ ^*를 증가시키고 β₁ ^*를 감소시켜서 DC 링크 전압을 증가시키는 반면에, 음의 에러는 이와 반대로 작용하여 DC 링크 전압을 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 대해 상세하게 설명하였지만, 당업자라면, 본 발명의 전반적인 개시 내용에 비추어 세부사항에 대한 다양한 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 개시한 특정 구성은 단지 설명만을 위한 것일 뿐 특허청구범위에 의해서 정의되는 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 직렬 전압 투입 방법에 의해 개별적인 선로를 통해 전송되는 전력이 제어될 수 있을 뿐만 아니라 규정된 양의 전력이 하나의 특정 선로에서 하나 이상의 다른 선로로 전송될 수 있으며, 전력 흐름이 개별 선로들의 무효 직렬 보상에 의해 또한 선로들간 전력 전송의 동시적 제어에 의해 제어될 수 있다.

Claims

각각 2개의 종단을 가지고 상기 종단간의 선택된 전송 선로 전압(transmission line voltage) 및 기본 주파수(fundamental frequency)에서 교류(alternating current)를 전송하는 적어도 두개의 전송 선로(12, 14)를 포함하는 전력 전송 시스템의 전력 흐름을 제어하기 위한 전력 흐름 제어 장치(10)에 있어서,

상기 전송 선로 전류에 대해 가변적인 크기 및 제어가능한 위상 각을 갖는, 상기 전송 선로에 흐르는 상기 교류의 상기 기본 주파수에서 적어도 두개의 교류 전압을 발생하기 위한 변환기(24);

상기 변환기에 의해 발생된 각각의 교류 전압을 상기 전송 선로 중의 하나와 직렬로 개별적으로 결합하기 위한 수단(Tr1, Tr2); 및

상기 변환기에 의해 발생되는 각 교류 전압의 크기 및 위상을 제어하여, 상기 전송 선로의 각각의 실제 무효 및 유효 임피던스(effective reactive and real impedance)를 조정하고 상기 전송 선로의 양 종단간에 전송되는 유효 전력을 제어하기 위한 수단(32)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기에 의해 발생되는 각 교류 전압(alternating voltage)의 크기 및 위상을 제어하기 위한 상기 수단은 상기 변환기를 통해 상기 전송 선로간에 개별적으로 전송되는 유효 전력량을 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기는 직류(DC) 링크를 통해 결합된 직류(DC) 단자를 가지는 적어도 두 개의 DC-ac 인버터(26, 28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 DC 링크에 연결된 전원(power source)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 DC 링크에 결합된 에너지 저장 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기는 공진(resonant) 링크 수단을 통해 결합된 입력 단자들을 가지는 적어도 2개의 공진 인버터 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기는 적어도 하나의 ac-ac 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기는 상기 ac 링크와 결합된 한 세트의 ac 단자들(a set of ac terminals)을 각각 가지고 있는 적어도 2개의 ac-ac 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 ac 링크에 결합된 ac 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 ac 전원은 상기 ac 전력 시스템의 한개 이상의 전송 선로에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 장치.
각각 2개의 종단을 가지고 상기 종단간의 선택된 전송 선로 전압 및 기본 주파수에서 교류(alternating current)를 전송하는 적어도 두개의 전송 선로를 포함하는 전력 전송 시스템의 전력 흐름을 제어하기 위한 방법에 있어서,

상기 전송 선로 전류에 대해 가변적인 크기 및 제어가능한 위상 각을 갖는, 상기 전송 선로에 흐르는 상기 교류의 상기 기본 주파수에서 적어도 두개의 교류 전압을 발생하는 단계;

변환기에 의해 발생된 각각의 교류 전압을 상기 전송 선로 중의 하나와 직렬로 개별적으로 결합하는 단계; 및

상기 변환기에 의해 발생되는 각 교류 전압의 크기 및 위상을 제어하여, 상기 전송 선로의 각각의 실제 무효 및 유효 임피던스를 조정하고 상기 전송 선로의 양 종단간에 전송되는 유효 전력을 제어하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 방법.
제 11 항에 있어서,

변환기에 의해 발생되는 각 교류 전압의 크기 및 위상을 제어하는 단계는 상기 변환기를 통해 상기 전송 선로간에 개별적으로 전송되는 유효 전력량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 흐름 제어 방법.