KR101019683B1 - 변조 제어를 갖는 전압형 초고압 직류송전 시스템 - Google Patents

변조 제어를 갖는 전압형 초고압 직류송전 시스템 Download PDF

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Abstract

3상 교류원을 스위칭 소자들로 구성된 정류기에 의해 고압의 직류로 변환하는 전압형 초고압 직류송전을 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 상기 3상 교류원으로부터 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 검출하는 센서부; 상기 검출된 상기 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 수신하여 D축 및 Q축 신호를 생성하는 정류기 제어기; 상기 정류기 제어기의 상기 D축 및 Q축 신호를 수신하여 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하는 D/Q 제어기; 및 상기 D/Q 제어기의 출력신호들에 기초하여, 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 펄스폭 변조된 점호신호를 생성하는 PWM부를 포함하고, 상기 D/Q 제어기는, 상기 D축 및 Q축 신호를 회전하는 교류신호를 생성하는 회전변환기, 및 이에 결합된 D축 지령부 및 Q축 지령부를 구비하며, 이로부터 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하고, 상기 PWM부는 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 3상 교류(Ia, Ib, Ic)로 변환하는 2/3 상 변환기와, 상기 3상교류 각각이 3개의 상의 삼각파 각각과 비교하여 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 점호신호를 생성하게 동작할 수 있다.
HVDC 시스템, PWM, IGBT, GTO.

Description

변조 제어를 갖는 전압형 초고압 직류송전 시스템{Voltage-sourced HVDC system with modulation function}
본 발명은 변조 제어를 갖는 전압형 HVDC 시스템에 관한 것으로, 특히 펄스폭변조에 기반한 전압형 HVDC용 장치에 관한 것이다.
직류송전방식 중에는 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜서 송전한 후 수전점에서 교류로 재변환시켜 전력을 공급하는 초고압 직류송전(HVDC; High-Voltage Direct Current) 방식이 사용되는데, 이 송전방식은 통상의 교류 송전기술의 장점인 전압승압을 통한 경제적인 전력전송을 가능하게 하고 교류송전의 여러 가지 단점도 극복하는 장점이 있다.
이러한 HVDC 시스템은 크게 사이리스터를 이용한 전류형 HVDC와 IGBT나 GTO를 이용한 전압형 HVDC로 나눌 수 있다. 전류형 HVDC는 대용량 전력전송에 적합하고, 전압형 HVDC는 높은 손실 때문에 계통안정화나 소용량 전력전송에 적합하다. 이러한 전압형 HVDC는 구동방식에 따라 위상제어방식과 PWM 방식으로 나눌 수 있는데, 위상제어방식은 전류형 방식과 유사한 방법이나 자체적인 소호기능을 갖는 방식이다.
도 1은 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 블록을 도시한 것이다. 도 1에서, 참조부호 11은 정류기(rectifier)를 지칭하는 것으로 교류를 직류로 변환시키는 부분이고, 참조부호 12는 인버터를 지칭하는 것으로, 인버터는 직류를 교류로 변환시키는 요소이다. 도 1에서 참조부호 13 및 14는 일반적인 교류계통을 표현하고 있다.
본 발명에서는 PWM 전압원 HVDC 제어방식에 대한 제어 알고리즘을 제안하고자 하는 것이다. 제어 방식은 기존의 일반적인 PWM 컨버터 제어 기법과 기존의 전류형 HVDC 제어방식에서 사용하는 계통제어 알고리즘을 결합한 방식으로 PWM 컨버터 제어방식의 속응성과 전류형 HVDC의 계통제어 알고리즘의 장점을 결합한 형태로서, 이들을 기초로 한 PWM 전압원 HVDC 제어 장치를 제안하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라, 3상 교류원을 스위칭 소자들로 구성된 정류기에 의해 고압의 직류로 변환하는 전압형 초고압 직류송전(HVDC; High-Voltage Direct Current)을 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 상기 3상 교류원으로부터 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 검출하는 센서부; 상기 검출된 상기 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 수신하여 D축 및 Q축 신호를 생성하는 정류기 제어기; 상기 정류기 제어기의 상기 D축 및 Q축 신호를 수신하여 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하는 D/Q 제어기; 및 상기 D/Q 제어기의 출력신호들에 기초하여, 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 펄스폭 변조된 점호신호를 생성하는 PWM부를 포함하고, 상기 D/Q 제어기는, 상기 D축 및 Q축 신호를 회전하는 교류신호를 생성하는 회전변환기, 및 이에 결합된 D축 지령부 및 Q축 지령부를 구비하며, 이로부터 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하고, 상기 PWM부는 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 3상 교류(Ia, Ib, Ic)로 변환하는 2/3 상 변환기와, 상기 3상교류 각각이 3개의 상의 삼각파 각각과 비교하여 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 점호신호를 생성하게 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 D축 지령부는 유효 전력 제어기(413), DC 전압 자동 조절기(46), 및 이들의 출력 중 하나를 선택하는 선택 로직(49)을 포함하고, 이의 출력은 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref)로서 사용된다.
또한, 상기 Q축 지령부는 계통전압제어기(48), 무효전력 무효전력제어기(47), 및 이들의 출력 중 하나를 선택하는 선택기(521)를 포함하고, 이의 출력은 상기 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)로서 사용된다.
전압형 HVDC시스템은 유효전력과 무효전력을 동시에 제어할 수 있기 때문에, 계통의 전압과 주파수를 동시에 제어할 수 있다. 그리고 본 발명에서 제안한 알고리즘은 계통의 품질과 고조파도 제어할 수 있는 특징을 가지고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PWM 방식을 채용한 전압형 HDVC 장치를 첨부한 도면을 사용하여 이하 설명한다.
도 2는 전압형 HVDC 시스템의 세부 회로도를 도시한 것으로 일반적인 전류형 HVDC와 비교해서 크게 차이 나는 부분은 ON/OFF 제어가 가능한 IGBT를 이용하고 있는 점이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른, 정류부와 인버터부를 포함하는, PWM 방식을 채용한 전압형 HDVC 장치는 정류부 제어기(27), 인버터부 제어기(28)를 포함한다.
도면에서 참조부호 21은 일반적인 계통이나 계통연계용 변압기 2차측의 전원을 지칭한다. 본 발명의 장치는 입력전원(21)으로부터 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 측정하는 정류부측 센서(29R)와, 마찬가지로 인버터부 출력측으로부터 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 측정하는 인버터측 센서(29I)를 또한 구비한다.
도 2에서, 210에 L은 변압기의 리액턴스나 승압용 인덕턴스를 지칭하며, 23은 교류에서 직류로 변환할 때 DC 전압을 정류하는 콘덴서를 나타낸다. 또한, 26R 및 26I은 D/Q 제어기, 25R 및 25I는 PWM부를 나타낸다.
도 2를 계속 참조하면, 정류부 제어기(27)는 정류부측 센서(29R)로부터 3상전류(ua, ub, uc), 무효전력 및 유효전력을 수신하여, 유효전력을 제어하는 D축 신호와 무효전력을 제어하는 Q축 신호를 발생하게 동작한다. 이들 두 개의 신호는 정류부 제어기(27)에 결합된 D/Q 제어기(26R)에 인가되어 계통의 위상과 동기된 교류성분의 D축 신호와 Q축 신호로 변환된다. 이어서, 교류 D축 신호와 Q축 신호는 D/Q 제어기(26R)에 결합된 PWM부(25R)로 입력되어 3상 신호로 변환되어 도시된 바와 같이, 정류부를 구성하는 정류기 소자들(V1, V2, V3, V4, V5, V6)를 제어하는 점호회로에 인가된다.
마찬가지로, 인버터 제어기(28)에서도 정류기 제어기(27)에서의 동작 흐름이 유사하다. 인버터 제어기(28)는 인버터측 센서(29I)로부터 3상전류(ua, ub, uc), 무 효전력 및 유효전력을 수신하여, D/Q 제어기(26I) 및 PWM부(25I)를 거쳐 인버터부를 구성하는 인버터 소자들(V1, V2, V3, V4, V5, V6)를 제어하는 점호회로에 인가된다.
도 3은 도 2에 D/Q 제어기(26R 또는 26I)를 보다 상세하게 설명하기 위한 상세도이다.
도 3의 상측에 도시된 바와 같이, D/Q 제어기(26R)는 무효전력 지령부에 해당하는 Qe축 지령부(38)와 유효전력 지령부에 해당하는 De축 지령부(37)의 신호를 회전하는 교류신호로 만들기 위해서 회전변환기(39)를 통과시킨다. 2상 신호를 회전하는 신호로 바꾸기 위해서는 PLL(Phase Lock Oscillator)(310)을 통하여 얻는다. 전술한 De축 및 Qe축 지령부들은 지령과 피드백 그리고 제어기 등으로 구성될 수 있는 단순한 회로이다.
이어서, 도 3의 하측에 도 2의 PWM(25)에 대응하여 도시된 바와 같이, D축 지령부(35) 및 Q축 지령부(36)로부터의 출력들 D 및 Q는 2상 교류 신호를 3상으로 변환시키기 위해서 3상 변환기(31)를 통과시킨다. 3상 변환기(31)로부터 출력되는 Ia, Ib, Ic는 각 상 삼각파 발생기들(32A, 32B, 32C) 및 각각에 결합된 비교기들(34A, 34B, 34C)에 인가된다. 즉, 변환된 3상은 3개의 삼각파 발생기(32) 각각과 비교해서(예를 들면, 비교기(34)를 사용하여) ON/OFF 신호를 만들어 낸다. 발생된 ON/OFF 신호는 참조부호 33으로 나타낸 게이트 점호회로를 통하여 IGBT를 점호시킨다.
다음에, 도 4는 유효전력 지령신호 D축 신호와 무효전력 지령신호 Q축 신호를 발생시키는 제어회로의 구성을 나타낸 블록 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 지령신호 발생 제어회로는 유효전력 지령신호를 만들어내는 유효전력 지령신호 생성 제어블록(410)과 무효전력 지령신호를 만들어내는 무효전력 지령신호 생성 제어블록(411)으로 구성된다.
유효전력 지령신호 생성 제어블록(410)은 계통의 주파수를 검출하여 주파수 제어를 하게 동작하는 자동 주파수 제어기(AFC; Auto Frequency Controller)(41); 전력 제어를 위한 전력 지령부(42); 컨버터의 DC 전압을 제어하게 동작하는 DC 전압 제어기(412); 일정량의 유효전력을 제어하게 동작하는 유효 전력 제어기(APR; Auto Power Regulator)(413); DC 전압 자동 조절기(DC Auto Voltage Regulator)(46)를 포함하며, APR(413)은 AFC(41) 및 전력 지령부(42)에 결합된다. 유효 전력 제어기(413)의 출력과 DC 전압 자동 조절기(46)의 각 출력은 선택 로직(49)에 보내지고, 선택로직은 이들 중 선택하여 유효전력 지령신호 D축 신호(Idref)로서 출력한다.
한편, 무효전력을 제어하는 제어블록(411)은 무효전력 지령값 생성부(43), 미세 신호 조절기(44), 계통의 전압을 제어하는 제어기(45), 자동으로 일정한 무효전력을 제어하는 제어기(47), 계통전압제어기로서 AC 전압 자동 조절기(48)로 구성될 수 있다. 상기 무효전력 제어기(47)의 출력과 AC 전압 자동 조절기(48)의 출력은 스위칭 요소에 의해 어느 하나가 무효전력 지령신호 Q축 신호(Iqref)로서 출력된다.
전술한 바와 같이, 유효전력 지령신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력 지령신호 Q축 신호(Iqref)는 도 4에 도시된 바와 같이 P-Q(d-q 축) 벡터 제어부(414)에 인가되어 D축 신호와 Q축 신호로 변환되어진다. 그리고 변환되어진 2개의 신호는 PWM 제어기의 입력으로 들어간다(도 3 참조).
도 5는 도 4에 블록도로 나타낸 본 발명에 따른 전압형 HVDC 제어기의 구현될 수 있는 실시예를 보다 구체적으로 나타낸 것이다. 도 5는 도 4의 유효전력제어기(410)와 무효전력제어기(411)의 보다 상세한 제어도를 보여주고 있는 것으로 유효전력제어기와 무효전력제어기의 각각의 제어신호를 보여주고 있다.
도 5에서 참조부호 58로 표현되는 유효전력 지령치는 59로 표기한 유효전력 측정값과 비교되어 유효 전력 제어기(413)에 인가된다. 바람직한 실시예에서 이 유효전력 제어기(413)는 PI(비례적분) 제어로 구현될 수 있다.
이때, 계통의 주파수를 제어하고자 하는 경우에는 도 5의 상단에 도시된 계통의 주파수 지령값(518)과 계통의 주파수 측정값(519)을 감한 오차 주파수 신호(520)가 유효전력제어기(41)의 입력으로 들어갈 수도 있다.
또한, 계통이 불안한 경우에는 521로 표기한 유효전력 보정신호를 유효전력제어기에 인가할 수도 있다.
또한, 전압형 HVDC 제어기의 DC 전압도 유효전력이기 때문에 DC 전압도 유효전력제어기의 입력으로 하여 DC 전압 지령값(53)과 DC 전압 측정값(54)를 DC 전압제어기(46)로 입력할 수 있다.
그러면, 유효전력제어기(413)와 DC 전압제어기(46)의 출력을 제어 선택기, 즉 선택 로직(49)에 입력하여 유효전력신호를 발생시킨다. 제어선택기는 계통의 상황에 따라 변동될 수 있는 값이다.
다음에, 도 5의 하단에 도시된 무효전력제어기는 계통의 전압 지령값(510)과 계통전압측정값(511)의 오차를 계통전압제어기(48)에 입력시키거나, 무효전력 지령값(513)과 무효전력 측정값(516)의 오차를 무효전력제어기(47)에 입력하여 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 발생시킨다. 521로 표기한 선택기는 필요에 따라 수동적으로 절체되는 부분이다.
이와 같이 하여 생성한 D축 신호 및 Q축 신호는 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 PWM(25)에 입력된다.
도 1은 종래의 전압형 HVDC의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PWM 기반의 전압형 HVDC 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 D/Q 제어기 및 PWM부의 구체적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 D/Q 지령부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4의 D/Q 지령부의 구현된 실시예도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
25; PWM
26; D/Q 제어기
27; 정류기 제어기
35; D축 지령부
36; Q축 지령부

Claims (3)

  1. 3상 교류원을 스위칭 소자들로 구성된 정류기에 의해 고압의 직류로 변환하는 전압형 초고압 직류송전(HVDC; High-Voltage Direct Current)을 위한 장치에 있어서,
    상기 3상 교류원으로부터 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 검출하는 센서부;
    상기 검출된 상기 3상전류, 무효전력 및 유효전력을 수신하여 D축 및 Q축 신호를 생성하는 정류기 제어기;
    상기 정류기 제어기의 상기 D축 및 Q축 신호를 수신하여 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하는 D/Q 제어기; 및
    상기 D/Q 제어기의 출력신호들에 기초하여, 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 펄스폭 변조된 점호신호를 생성하는 PWM부를 포함하고,
    상기 D/Q 제어기는, 상기 D축 및 Q축 신호를 회전하는 교류신호를 생성하는 회전변환기, 및 이에 결합된 D축 지령부 및 Q축 지령부를 구비하며, 이로부터 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 생성하고,
    상기 PWM부는 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref) 및 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)를 3상 교류(Ia, Ib, Ic)로 변환하는 2/3 상 변환기와, 상기 3상교류 각각이 3개의 상의 삼각파 각각과 비교하여 상기 스위칭 소자들을 점호하기 위한 점호신호를 생성하고,
    상기 D축 지령부는 유효 전력 제어기(413), DC 전압 자동 조절기(46), 및 이들의 출력 중 하나를 선택하는 선택 로직(49)을 포함하고, 이의 출력은 상기 유효전력신호 D축 신호(Idref)로서 사용되고,
    Q축 지령부는 계통전압제어기(48), 무효전력제어기(47), 및 이들의 출력 중 하나를 선택하는 선택기(521)를 포함하고, 이의 출력은 상기 무효전력신호 Q축 신호(Iqref)로서 사용되고,
    상기 유효 전력 제어기(413)는 PI(비례적분) 제어로 구현되고,
    상기 계통전압제어기(48)에는 계통의 전압 지령값(510)과 계통전압측정값(511)의 오차가 입력되고,
    상기 무효전력제어기(47)에는 무효전력 지령값(513)과 무효전력 측정값(516)의 오차가 입력되는 것을 특징으로 하는 전압형 초고압 직류송전용 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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