KR101275925B1 - 멀티―터미널 ｈｖｄｃ 전력 전송 네트워크에서의 ｄｃ 전압 보상 - Google Patents

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Abstract

적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 에 의해서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 을 포함하는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 에서, 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 중 적어도 하나는 장거리 라인이며, 능동 전압 소스 장치 (30) 가 상기 전송 라인들 중 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되고 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 추가 DC 전압을 주입함으로써 상기 네트워크의 상기 적어도 2 개의 전송 라인들의 DC 전압을 미리 규정된 전압 범위 내에서 유지시킨다.

Description

멀티―터미널 ＨＶＤＣ 전력 전송 네트워크에서의 ＤＣ 전압 보상{DC VOLTAGE COMPENSATION IN A MULTI-TERMINAL HVDC POWER TRANSMISSION NETWORK}
본 발명은 적어도 하나가 장거리 라인 (long line) 인 적어도 2 개의 전송 라인들에 의해서 상호접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션 (converter station) 을 포함하는 멀티-터미널 (multi-terminal) HVDC 전력 전송 네트워크에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 네트워크를 동작시키는 방법 및 능동 전압 소스 장치에 관한 것이다.
통상적으로, HVDC (High Voltage Direct Current) 전력 전송은 HVDC 장비의 고비용이 장거리에 있어서 AC 전력 전송에 비해 손실이 저감되는 것에 의해서 보상되기 때문에, 장거리에 걸쳐서 전력을 전송할 필요가 있을 때에 사용된다. 이하에서 장거리 또는 장거리 라인은 대략 500 km 이상의 거리로 이해될 것이다.
본 기술 분야에서, 대체로 포인트 투 포인트 (point-to-point) 또는 2 터미널 HVDC 링크가 알려져 있다, 즉 HVDC 전송 시스템들은, 전력 전송 라인의 각 단부에 하나씩, 2 개의 전력 컨버터 스테이션들을 포함한다. 전력 전송 라인들은 통상적으로 단극 (monopolar) 라인 또는 쌍극 (bipolar) 라인이며 수백 kV에서 천 kV 이상까지 이르는 고 DC 전압에 위치하는 제 1 폴 (pole) 및 접지되어 있거나 반대되는 극성의 고 DC 전압에 접속된 복귀 전류용 제 2 폴을 각기 포함한다. 소수의 소위 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 시스템들 또는 네트워크들도 실제에 있어서 또한 존재하고, 이들은 단지 2 개보다 많은 컨버터 스테이션 및 단지 1 개보다 많은 전송 라인을 포함한다. 이에 대한 좋은 예가 캐나다의 퀘벡과 미국의 뉴 잉글랜드 사이의 HVDC 전송 네트워크인데, 이것은 세계 최초의 대형 스케일의 멀티-터미널 HVDC 전송 네트워크이다. 이 네트워크는 현재 2 개의 전력 전송 라인을 통해 직렬 방식으로 상호 접속된 3 개의 컨버터 스테이션을 포함하고 있으며 1480 km의 라인 거리를 커버하고 있다. 이러한 컨버터 스테이션들 사이의 선형 상호 접속은 상호 접속된 폐쇄 루프를 포함하는 메시형 네트워크 (meshed network) 또는 상호 접속된 지역형 폐쇄 루프, 지역들 사이의 선형 상호 접속 및/또는 더 먼 거리의 지역까지 달하여 있는 선형 상호 접속을 포함하는 부분 메시형 네트워크와는 대조적으로 비메시형 네트워크 (unmeshed network) 로 지칭될 수도 있다.
미래에는, 더 긴 거리 및/또는 지역을 커버할 수도 있고 또한 예를 들어 다른 대륙들 사이에 전력을 전달하는데 사용될 수 있는 더 많고 부분적으로 매우 더 큰 HVDC 전송 네트워크들이 건설될 것으로 예상된다. 이러한 대형 HVDC 전송 네트워크들은 처음부터 건설될 수도 있지만, 또한 기존의 소형 HVDC 전송 네트워크들 사이에 새롭게 부가된 링크들의 결과물일 수도 있다. 예를 들어, 말레이시아의 쿠알라 룸퍼에서 1999년 9월에 개최된 Cigre 심포지움에서 Mata Prasad 등에 의해서 제시된 문헌 "Viability of a national HVDC Transmission Ring in Inia"에서는, 인도 내에서 기존의 HVDC 전송 네트워크 및 차후의 HVDC 전송 네트워크 및 백 투 백 HVDC 링크들이 소위 HVDC 링 (ring) 체계로 서로 통합될 수 있다는 것이 제안되었고, 이러한 HVDC 링 체계는 사실상 폐쇄형 경로 및 선형 상호 접속을 포함하는 부분 메시형 HVDC 네트워크를 형성할 것이다. 상기 문헌에서는, 이러한 확장형 HVDC 전송 네트워크의 구현 및 동작은 네트워크를 구성하는 HVDC 링크들 사이의 코디네이션 (co-ordination) 과 같은 제어 알고리즘의 계층적 형성과 관련된 특정 문제들을 고려하고, 네트워크의 각 지역의 라인들에서의 최적의 전력 흐름을 보장하며, 또한 지역 방식으로 그리드를 안정화시키는 것을 필요로 한다고 지적하고 있다.
멀티-터미널 HVDC 네트워크를 다루고 있는 다른 문헌들, 예를 들어 폴란드의 포즈나뉴 (Poznan) 에서 1999년 3월에 개최된 Central European Power Exhibition and Conference (CEPEX) 에서 Michael Hausler가 제시한 "Multiterminal HVDC for High Power Transmission in Europe"; 또는 인도의 뉴델리에서 2008년 10월 12-15일에 개최된 IEEE Power India Conference (POWERCON) 에서 Victor F. Lescale 등이 제시한 "Challenges with Multi-Terminal UHVDC Transmissions" 에서는, 특히 라인 고장의 경우에 네트워크의 신뢰성 및 가용성에 주로 초점을 두고 있다.
본 발명의 목적은 상술한 유형의 멀티-터미널 HVDC 네트워크상에서 소망하는 양의 전력의 전달이 보장될 수 있는 솔루션을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항에 따른 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법, 청구항 제 9 항에 따른 이러한 네트워크 및 청구항 제 18 항에 따른 능동 전압 소스 장치에 의해서 달성된다.
본 발명은 미래의 멀티-터미널 HVDC 네트워크에서 필요한 전송 라인 또는 전송 라인들의 길이는 그 라인(들)을 따르는 전압 강하가 2 터미널 HVDC 링크에 대해 알려진 대응책으로는 극복될 수 없는 크기에 다다를 수 있다는 사실을 인식함에 기초하고 있다. 멀티-터미널 HVDC 네트워크에 있어서, 이러한 문제는 지금까지 전혀 다루어진 바가 없다. 대형의 멀티-터미널 HVDC 네트워크에 있어서, 컨버터 스테이션들 내의 VSC (Voltage Source Converter) 들은 전력 흐름의 방향과 관계없이 항상 동일한 DC 전압 레벨로 동작하기 때문에, 그 VSC들이 LSC (Line Communtated Converter) 들보다 사용될 가능성이 더 높다는 것이 또한 인식되었다. 한편, LCC들과 비교되는 VSC들의 단점은 DC 전압을 제어하기 위한 자유도가 떨어져서 네트워크에서의 전압 강하를 보상할 기회를 해친다는 것이다.
예를 들어, 선형 접속의 몇 개의 HVDC 전송 링크들을 통해서 사하라에서 북유럽까지 ±500 kV의 DC 전압으로 해서 전력이 전송된다고 가정해보자. 전체 라인 길이는 수천 킬로미터가 되고, 네트워크 내의 각 전송 링크의 라인들은 각기 수백에서 약 천 킬로미터에 달하는 길이를 가질 수도 있다. 1000 킬로미터의 길이의 라인에 걸친 전압 강하는 오버헤드 라인 (overhead line) 의 경우에 아마도 50 kV의 크기일 수 있고, 즉 여기서 총 전압의 10%의 크기일 수 있다.
최근, 2 터미널 HVDC 링크를 통해 장거리에 걸쳐서 전력을 전송할 때에, 인버터로서 작동하는 링크의 타 단부 상의 HVDC 컨버터 스테이션보다 높은 전압에 관한 정류기로서 작동하는 HVDC 컨버터 스테이션을 레이팅 (rating) 함으로써 상기 전압 강하 문제를 극복하는 것이 알려져 있다.
본 발명자는 특히 VSC 기반의 컨버터 스테이션들의 경우에 상이한 전력 흐름들에서의 전압 변동은 처리하기 어렵거나 심지어 불가능하기 때문에, 상이하게 레이팅된 HVDC 컨버터 스테이션들을 사용하는 것은 멀티-터미널 HVDC 네트워크를 위한 옵션 (option) 이 아니라는 것을 이제 깨달았다. 또한, 시스템 내의 컴포넌트들의 감소된 다양성은 시스템을 유지하는 것 뿐만아니라 설계, 제조, 구현, 작동 및 제어에 대한 비용 및 노력도 감소시킬 것이기 때문에, 멀티-터미널 HVDC 네트워크 내의 모든 컨버터 스테이션들이 동일한 전압 레이팅을 가질 수 있다면 유리하다는 것도 깨달았다. 더 나아가, 본 발명자는 선형 상호 접속을 포함하는 멀티-터미널 HVDC 네트워크에서, 선형 상호 접속의 각 라인은 전체 전압 강하를 더 증가시키므로, 위의 예에서, 사하라에 가까운 HVDC 네트워크의 남쪽 부분에서의 DC 전압 레벨은 북유럽에서의 전압 레벨보다 상당히 더 클 것이라는 것을 깨달았다. 따라서, 북쪽 전압 레벨은 컨버터 스테이션이 허용할 수 있는 전압 변동의 허용 범위를 확실히 벗어날 것이고, 그것은 특히 전력 흐름 방향이 역방향인 경우에 네트워크의 북쪽 부분에서 전달될 수 있는 전력량이 급격하게 감소되는 것을 초래할 것이다. 물론, 보다 큰 전압 변동을 허용하는 컨버터 스테이션들을 설계 및 설치하는 것이 가능하지만, 이것은 비용을 상당히 증가시킬 것이다.
허용할 수 없는 전압 강하를 가진 문제를 극복하기 위해서, 본 발명에 따라서, 그 전송 라인들 중 하나의 전송 라인에 직렬 접속된 능동 전압 소스 장치를 멀티-터미널 HVDC 네트워크에 부가하고 네트워크의 전송 라인들의 DC 전압 레벨이 미리 규정된 전압 범위 내에서 유지되는 방식으로 상기 하나의 전송 라인에 직렬로 추가 DC 전압을 주입하도록 상기 능동 전압 소스 장치를 제어한다. 네트워크 내의 전압 레벨이 소망하는 레벨에서 또는 레벨 근처에서 유지되므로, 이에 의해 전체 네트워크 내에서 소망하는 전력량의 전송이 보장될 수 있으며, 멀티-터미널 네트워크의 각 터미널 내의 컨버터 스테이션들은 동일한 전압 레이팅 및 따라서 규격화된 전압 레이팅을 가질 수 있고 적합한 전압 허용오차를 갖도록 설계될 수 있다. 본 발명으로 인해, 임의의 가능한 크기의 멀티-터미널 HVDC 네트워크가 구축될 수 있으며, 그 이유는 전압 강하가 더 이상 제한 기준이 되지 않기 때문이다. 수동 장치에 의한 전압 강하 보상은 존재하지 않는 네거티브 저항 (negative resistance) 을 갖는 장치를 요구하기 때문에, 전압 소스 장치는 능동형 또는 능동 제어형 장치일 필요가 있다. 본 발명의 다른 장점은 전송 라인 상의 전압 강하를 보상함으로써, DC 전류 레벨이 동일한 전력 흐름에 있어서 감소된다는 것이다. 이것은 전송 라인에서 열이 덜 발생하므로 가능한 지락 고장 (earth fault) 의 위험을 감소시킨다는 것을 의미한다. 과부하가 걸린 오버헤드 전송 라인은 그 발생된 열의 결과로서 상당히 축 처져서 예를 들어 그 아래에서 자라고 있는 식물과 같은 접지된 물체와 물리적으로 접촉하게 되는 범위까지 그 길이가 증가하게 되는 것이 세계적으로 몇몇 사건들에서 발생하였다. 그 결과 발생하는 지락 고장은 대형 정전 사태의 전개에 대한 시작점이었다. 본 발명으로 인해, 장거리 DC 전송 라인에 있어서 이러한 상황이 발생할 가능성이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 멀티-터미널 HVDC 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 하한치 아래로 떨어지는 경우, 전압 소스 장치는 포지티브 추가 DC 전압을 주입한다. 따라서, 전압 소스 장치는 자신이 직접 접속되어 있는 하나의 전송 라인 상에서 발생하는 전압 강하를 보상할 뿐만 아니라, 인접해 있는 전송 라인들, 즉 상기 하나의 전송 라인에 직접 또는 간접 접속된 전송 라인들에서 발생하는 전압 강하도 역시 보상하도록 제어되며, 여기서, 상기 이웃하는 전송 라인들은 또한 상기 하나의 전송 라인 상의 DC 전압 레벨이 그 이웃하는 전송 라인들의 DC 전압 레벨에 현저할 정도로 영향을 주도록 상기 하나의 전송 라인에 적어도 매우 인접하여 있다. 그 결과, 다수의 전송 라인들의 전압 레벨은 오직 하나의 전압 소스 장치를 통해 조절될 수 있다.
다른 실시형태에서는, 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 DC 전압 상한치를 초과하는 경우, 전압 소스 장치가 네거티브 추가 DC 전압을 주입한다. 이 실시형태에 따르면, 능동 전압 소스 장치는 실제 상황에 따라서 포지티브 추가 DC 전압 또는 네거티브 추가 DC 전압의 양자 모두를 주입할 수 있으며, 그 이유는 전압 강하를 보상하는 것 뿐만 아니라, 예를 들어 네트워크상에서의 고속 부하 강하 (fast load drop) 의 경우에 발생할 수 있는 원치 않는 전압 상승에 대해서도 반응하는 것 또한 유리하기 때문이다.
후자의 두 실시형태들에 대한 특정 구현에 있어서, 네트워크 내의 중앙 제어 유닛은 네트워크의 HVDC 컨버터 스테이션 내의 DC 전압 레벨 및 적어도 2 개의 전송 라인의 DC 전류 레벨에 따라서 추가 DC 전압의 크기 및 부호를 결정한다. 이들의 DC 전압 레벨 및 DC 전류 레벨로부터, 중앙 제어 유닛은 전체 네트워크의 상태 및 행동의 개요를 파악하고, 이에 따라 네트워크 내에서 전압 강하 또는 전압 상승 중 어느 것이 보상되어야 하는지의 여부 및 보상되어야하는 위치를 결정할 수 있다. 중앙 제어 유닛은 그 후에 추가 DC 전압의 적합한 크기 및 부호를 결정하고, 이 정보를 전압 소스 장치에 전송함으로써 전압 소스 장치로 하여금 이에 따라 추가 DC 전압을 주입하도록 착수시킨다.
폐쇄 루프를 포함하는 네트워크의 경우에, 즉, 부분 메시형 네트워크 또는 완전 메시형 네트워크에서, 중앙 제어 유닛은 전압 소스 장치가 전송 라인들의 DC 전압 레벨을 미리 규정된 전압 범위 내로 유지시킬 뿐만 아니라 네트워크 내의 폐쇄 루프에서의 DC 전류 분포를 균형적으로 유지시키도록 추가 DC 전압의 크기 및 부호를 결정한다. 이 실시형태는 적어도 하나의 폐쇄 루프를 가지는 메시형 HVDC 네트워크에서 매우 높은 전류 또는 심지어 과전류 보호 기능 및/또는 장치를 트리거 (trigger) 하기에 근접한 전류를 운반하는 전송 라인들을 구제하기 위해서 전력 흐름에 대한 적어도 2 개의 가능한 방식의 가용성을 이용할 수 있다는 사실을 인식함에 기초하고 있다. 전력 흐름의 균형을 유지시킴으로써, 즉 과부하가 걸린 전송 라인들이 구제되도록 병렬 접속을 통해 전류를 재라우팅하여 메시형 HVDC 네트워크 내에서의 전류 흐름을 가능한 한 균일하게 분포시킴으로써, 네트워크의 전력 전송 용량이 최적으로 사용되고, 과전류 보호 장치의 불필요한 개입이 회피되며, 상술한 바와 같은 바람직하지 않은 전송 라인들의 길어짐을 유발하는 과부하 상태들도 회피된다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 전압 소스 장치가 외부 전력 소스로부터 전력을 공급받는다. 다른 유리한 실시형태에서는, 전압 소스 장치가 자신이 접속하고 있는 전송 라인으로부터 전력을 수신하므로, 외부 전력 소스가 더 이상 필요 없게 된다. 이 실시형태는 인프라스트럭처 없이 또는 감소된 인프라스트럭처로 전압 소스 장치가 심지어 멀리 떨어진 구역에 위치하는 것을 허용한다.
다른 실시형태에서는, 하나 보다 많은 전압 소스 장치가 네트워크에 접속되며, 이들 전압 소스 장치들은 중앙 제어 유닛에 의해서 통합된 방식 (coordinated manner) 으로 제어됨으로써 전송 라인들의 DC 전압을 미리 규정된 전압 범위 내가 되도록 함께 유지시키고, 부분 또는 완전 메시형 네트워크의 경우에는, 네트워크 내의 하나 이상의 폐쇄 루프들 내에서의 DC 전류 분포를 또한 균형있게 유지시킨다. 바람직하게는, 전송 라인들의 각각에 대해 개별 전압 소스 장치가 제공되는 것이 아니고, 대신에 다수의 전송 라인들의 DC 전압 레벨은 하나의 전압 소스 장치를 통해 조절되며, 이것은 비용, 설치 및 유지 관리 노력을 절감시킨다. 그러나, 특히 매우 장거리의 전송 라인의 경우에는, 각 전송 라인은 하나 이상의 대응하는 전압 소스 장치에 접속될 수 있다.
필요한 만큼의 많은 전압 소스 장치들을 사용하고 네트워크 내의 전압 변동이 각 모든 전송 라인에 대해서 보상되도록 이들 전압 소스 장치들을 네트워크상에 걸쳐서 분포시킴으로써, 네트워크의 크기와 토폴러지 (topology), 네트워크 내에서의 실제 전력 흐름 방향 및 네트워크 내에서의 부하 분포와 관계없이 전체 네트워크 내에서 동일한 규격화된 DC 전압이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태들 뿐만아니라 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 선형 상호 접속 형태의 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 부분 메시형 네트워크 형태의 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크를 나타낸다.
도 3은 단극 전송 라인에 대한 전압 소스 장치의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 4는 도 3의 전압 소스 장치의 제 1 컨버터를 상세하게 나타낸다.
도 5는 도 3의 전압 소스 장치의 제 2 컨버터를 상세하게 나타낸다.
도 6은 쌍극 전송 라인에 대한 전압 소스 장치의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 7은 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크에서의 전압 강하 또는 전압 상승을 보상하는 방법의 단계들을 나타낸다.
도 8은 단극 전송 라인에 대한 전압 소스 장치의 제 2 실시형태를 나타낸다.
도 9는 단극 전송 라인에 대한 전압 소스 장치의 제 3 실시형태를 나타낸다.
도 10은 단극 전송 라인에 대한 전압 소스 장치의 제 4 실시형태를 나타낸다.
도 1은 비메시형 네트워크의 형태, 구체적으로는 선형 상호 접속의 형태의 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 를 나타내고 있다. 먼저, 3 개의 2 터미널 HVDC 링크들이 존재하고 서로 독립적으로 동작한다고 가정하면, 제 1 HVDC 링크는 전송 라인 (12) 에 의해서 상호 접속된 컨버터 스테이션들 (1 및 2) 을 포함하고, 제 2 HVDC 링크는 전송 라인 (20) 에 의해서 상호 접속된 컨버터 스테이션들 (3 및 4) 을 포함하고, 제 3 HVDC 링크는 전송 라인 (18) 에 의해서 상호 접속된 컨버터 스테이션들 (5 및 6) 을 포함한다. 그 후에, 제 1 HVDC 링크 및 제 2 HVDC 링크는 컨버터 스테이션들 (2 및 3) 사이에 전송 라인 (14) 을 도입시킴으로써 서로 접속되고, 제 2 HVDC 링크 및 제 3 HVDC 링크는 컨버터 스테이션들 (4 및 5) 사이에 전송 라인(16)을 도입시킴으로써 서로 접속된다. 그 결과들은 컨버터 스테이션들 (1 및 6) 사이의 긴, 선형 상호 접속이었다. 모든 컨버터 스테이션들은 동일한 전압 레이팅 (rating) 을 가지며, 본 예에서 이 전압 레이팅은 ±6 kV의 허용 범위를 갖는 300 kV이다. 전력 흐름은 전류 방향에 대한 화살표로 표시된 바와 같이, 컨버터 스테이션 (1) 에서 컨버터 스테이션 (6) 으로 향하고 있다. 컨버터 스테이션들 (3 및 4) 사이에는 능동 전압 소스 장치(30)가 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되어 있고, 이것은 최대 ±11 kV의 전압 변동을 보상하는 능력을 가지고 있다. 능동 전압 소스 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 으로부터 자신의 전력을 공급받는다. 전압 소스 장치 (30) 의 배향 (orientation) 은 전압 소스 장치(30)를 나타내는 심볼 상에 도시된 4 분면도 내의 플러스 부호 및 마이너스 부호에 의해서 나타내어지며, 도 1에서는, 포지티브 (positive) 전압이 좌측에서 우측으로, 즉 전류가 전송 라인 (20) 상에서 흐르는 방향과 동일한 방향으로 주입된다. 이 배향은 포지티브 추가 DC 전압의 경우에 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 에 의해서 생성 및 주입된 전압의 극성을 알려준다. 개략적으로 도시된 중앙 제어 유닛 (22) 은 전체 네트워크 (10) 를 모니터링 및 제어하고, 점선의 이중 화살표로 표시된 바와 같이 전압 소스 장치 (30) 와 통신할 뿐만 아니라, 간략성의 이유로 인해 도 1에서는 구체적으로 도시되지 않았지만, 모든 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 과도 통신한다.
HVDC 네트워크 (10) 내의 각 컨버터 스테이션에는 국부 전압 레벨이 나타나있는데, 여기서 전력 흐름의 방향에 있어서 전압 소스 장치 (30) 후방에 위치된 컨버터 스테이션들 (4,5 및 6) 에 대해서는, 2 개의 상이한 전압 레벨들이 표시되어 있으며, 상부 밑줄친 값은 전압 소스 장치 (30) 와 함께 HVDC 네트워크 (10) 를 동작시키기 위한 값이고 하부 가로 안에 놓인 값은 전압 소스 장치 (30) 없이 HVDC 네트워크 (10) 를 동작시키기 위한 값이다. 처음의 3 개의 컨버터 스테이션들, 즉 컨버터 스테이션들 (1, 2 및 3) 에 있어서는, 전압 소스 장치의 존재와 관계없이, 국부 전압 레벨이 300 kV ±6 kV인 그들의 허용 가능한 전압 범위 내에 놓이고, 이것은 그들로부터 멀어지는 전력 흐름 방향 때문이다. 그러나, 컨버터 스테이션들 (4, 5 및 6) 에 있어서, 허용 가능한 전압 범위는 전압 소스 장치 (30) 가 존재하지 않으면 거의 또는 사실상 각각 초과할 것이다. 294 kV의 허용 가능한 전압 하한치와 국부 전압 레벨들 사이의 차이는 각각 0 kV, 5 kV 및 10 kV 일 것이다. 전압 소스 장치 (30) 를 컨버터 스테이션들 (3 및 4) 사이의 적합한 위치에 도입시키고 최대 ±11 kV의 전압 변동을 보상하도록 그 전압 소스 장치를 설계하는 것에 의해, 어느 정도는 컨버터 스테이션 (6) 에서의 최대 전압 강하를 한층 보상할 수 있게 되어서, 모든 국부 전압 레벨들은 300 kV ± 6 kV의 전압 범위 내에 놓이게 된다. 그 결과, HVDC 네트워크 (10) 내의 모든 컨버터 스테이션들은 어떠한 변형도 없이 사용될 수 있다, 즉 이 컨버터 스테이션들은 그들이 전에 상호 접속되었던 네트워크보다 큰 네트워크 내에서 상호 접속되더라도 그들의 규격화된 적합한 전압 레이팅을 유지할 수 있게 된다.
도 7에는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크를 제어하는 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 이 방법은 전압 소스 장치 (30) 내에 통합된 제어 유닛과 중앙 제어 유닛 (22) 의 상호 작용 및 아마도 또한 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 내에 설치된 측정 장비와 중앙 제어 유닛 (22) 사이의 상호 작용에 의해서 수행된다. 제 1 단계 (54) 에서, 적어도 하나의 라인의 DC 전압 레벨 또는 HVDC 네트워크 내의 적어도 하나의 라인에 접속된 적어도 하나의 컨버터 스테이션의 DC 전압 레벨이 결정되고, 여기서 그 적어도 하나의 라인은 이 라인 상의 전압 변동에 대한 허용 가능한 오차 범위를 초과할 가능성과 관련하여 결정적인 것으로 알려지거나 예상되는 라인이다. 도 1의 예에서는, 안정한 부하 상태들이 존재하는 것으로 가정되는데, 즉 어떠한 전압 상승도 존재하지 않고 오직 전압 강하만이 검사될 필요가 있는 것으로 가정된다. 실제 전력 흐름 방향으로 인해, 라인들 (20, 16 및 18) 의 전압 강하가 관심일 것으로 판단되고 따라서, 대응하는 전압 강하들 중 적어도 하나가 결정되며, 이것은 본 예에서 컨버터 스테이션 (5) 의 DC 전압 레벨이다. 제 2 단계 (56) 에서, 이 결정된 DC 전압 레벨이 미리 결정된 전압 범위를 일탈했는지의 여부가 결정된다, 즉 단계 (56) 에서, 중앙 제어 유닛은 이 결정된 DC 전압 레벨을 미리 결정된 전압 범위의 DC 전압 상한치 및 하한치와 비교하는데, 도 1의 예에서, DC 전압 상한치는 306 kV이고 DC 전압 하한치는 294 kV이다. DC 전압 레벨이 미리 결정된 전압 범위 내에 존재하는 경우, 이 방법은 단계 (54) 로 복귀한다, 즉 적어도 하나의 DC 전압 레벨을 모니터링하는 것이 계속된다. 도 1의 예에서, 289 kV의 컨버터 스테이션 (5) 의 DC 전압 레벨은 측정된 전압이 DC 전압 하한치인 294 kV 아래로 5 kV만큼 떨어져 있음을 의미한다. 이러한 경우에, 중앙 제어 유닛 (22) 은 전압 소스 장치 (30) 로 하여금 전송 라인 (20) 으로부터 전력을 탭핑 (tapping) 하여서 (단계(58)) 전송 라인 (20) 과 직렬로 포지티브 추가 DC 전압을 주입하도록 (단계(60)) 착수시킨다. 그것을 달성하기 위해, 중앙 제어 유닛 (22) 은 추가 DC 전압의 크기 및 부호를 결정하는데, 이것은 도 1의 예에서 컨버터 스테이션 (5) 내의 전압 강하를 완전하게 보상하기 위한 11 kV의 크기 및 포지티브 부호이며, 중앙 제어 유닛 (22) 은 이들 2 개의 값을 전압 소스 장치 (30) 에 전송하고, 그 후에 전압 소스 장치 (30) 는 전력을 탭핑하는 것을 시작한다. 다른 솔루션에서, 중앙 제어 유닛은 네트워크 상의 부하 상황과 같은 다른 기준을 고려함으로써, 컨버터 스테이션 (5) 에서의 전압 강하를 단지 부분적으로 보상하기 위한 크기를 결정할 수도 있다.
도 2에서는, 복수의 전압 소스 장치들이 부분 메시형 네트워크에서 발생하는 전압 강하 또는 전압 상승을 보상하는데 사용될 수 있는 방식을 설명하기 위해서, 도 1과는 다른 가능한 HVDC 네트워크 토폴로지에 대한 일례를 나타낸다. 이 네트워크는 4 개의 컨버터 스테이션들을 각각 포함하는 2 개의 폐쇄 루프들 (7 및 8) 을 포함하고 있다. 이 2 개의 폐쇄 루프들 (7 및 8) 은 컨버터 스테이션들 (27 및 15) 사이의 제 1 선형 상호 접속을 통해 상호 접속되어 있다. 제 2 선형 상호 접속은 컨버터 스테이션 (13) 에서 멀리 떨어진 컨버터 스테이션 (19) 으로 전력을 전송하는데 사용된다. 제 1 선형 상호 접속 및 제 2 선형 상호 접속 양쪽 모두는 그들의 길이로 인해 상당한 전압 강하로부터 악영향을 받는다. 따라서, 제 1 전압 소스 장치 (23) 는 컨버터 스테이션들 (13 및 15) 사이의 전송 라인에 직렬로 접속되어서 제 1 선형 상호 접속에서의 전압 강하를 보상하고, 또한 이것은 전력 흐름 방향에 따라서 폐쇄 루프들 (7 또는 8) 중의 하나에 영향을 미칠 수도 있다. 제 2 전압 소스 장치 (25) 는 컨버터 스테이션들 (29 및 17) 사이의 전송 라인에 직렬로 접속되어서 제 2 선형 상호 접속에서의 전압 강하를 보상한다. 또한, 폐쇄 루프 (8) 에서 컨버터 스테이션들 (9 및 11) 사이의 전송 라인의 긴 길이는 제 3 전압 소스 장치 (21) 가 그 라인에 직렬로 접속될 것을 필요로 한다. 더 나아가, 제 4 전압 소스 장치 (24) 가 폐쇄 루프 (8) 내에서 컨버터 스테이션들 (27 및 26) 사이에 도입되어 있다. 제 3 전압 소스 장치 (21) 및 제 4 전압 소스 장치 (24) 를 이용하여, 한번에 2 개의 기능들: 전압 강하 또는 전압 상승을 보상하는 것 및 폐쇄 루프 (8) 내에서의 DC 전류 분포를 균형있게 유지하는 것을 수행하는 것이 가능해진다. 모든 4 개의 전압 소스 장치들은 그들이 접속된 전송 라인들로부터 전력을 공급받고 또한 그들 모두는 전압 강하를 보상할 뿐만 아니라 전압 상승에 대해서도 역시 반응할 수 있다.
이러한 라인 공급형 전압 소스 장치가 구현되는 방식을 다음에서 기술되는 다양한 실시형태들을 가지고 설명하도록 한다.
전압 소스 장치 (30) 의 제 1 실시형태가 도 3에 개략적으로 나타나 있다. 전압 소스 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되어 있으며 (도 1 참조) 점선 처리된 박스로서 나타나 있다. 보다 구체적으로, 전압 소스 장치 (30) 는 소위 전압 주입 지점 (26) 과 전력 탭핑 지점 (power tapping point; 28) 사이의 전송 라인 (20) 에 접속되어 있다. 전송 라인 (20) 은 본 예에서 공칭 300 kV 인 높은 DC 전압 레벨에서 위치되며, 도 3의 예시에서는 단극 (monopolar) 전송 라인이다. 이중 라인으로 표시된 바와 같이, 전압 소스 장치 (30) 는 절연된 플랫폼 (35) 상에 탑재되어 있다. 이 플랫폼 (35) 은 바람직하게는 전송 라인 (20) 과 동일한 전압 레벨, 즉 300 kV에 접속되어 있다.
전압 소스 장치 (30) 는 본 예에서는 LCC (Line Commutated Converter) 인 제 1 컨버터 (32) 를 포함하고, 이러한 LCC는 예를 들어 Erich Uhlmann, "Power Transmission by Direct Current", Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 1975년에 기재된 기술로부터 공지되어 있다. 제 1 컨버터 (32) 는 정류기로서 기능하여서 AC 전압을 DC 전압으로 변환하고, 이에 의해 DC 전압을 전력 탭핑 지점 (28) 과 전압 주입 지점 (26) 사이의 전송 라인 (20) 에 주입할 수 있으며, 즉 그 전송 라인과 직렬이면서 전력 탭핑 지점 (28) 에서 전력 주입 지점 (26) 을 향하고 있다. 이로써, 전송 라인 (20) 의 전압 레벨 및 간접적으로는 HVDC 네트워크 (10) 의 모든 다른 라인들 (12, 14, 16 및 18) 의 전압 레벨이 조절되게 된다. 다음으로, 제 1 컨버터 (32) 는 제 1 변압기 (42) , 제 1 전류 밸브 세트 (43) 및 제 1 인덕터 (L1) 를 포함한다. 제 1 전류 밸브 세트 (43) 의 각각의 전류 밸브는 제어 단자 (31) 를 갖고 서로에 대해 직렬로 제공되며 전압 주입 지점 (26) 과 전력 탭핑 지점 (28) 사이의 전송 라인 (20) 에 대해 직렬로 제공되고, 여기서 이 밸브들은 전력 탭핑 지점 (28) 에 직접 접속되고 또한 직렬 접속된 제 1 인덕터 (L1) 를 통해서 전압 주입 지점 (28) 에 간접적으로 접속된다. 전류 밸브들은 전류가 전송 라인에서 일 방향으로 흘러가게 하는 반면 전류가 반대 방향으로 흐르는 것을 방지하는, 전송 라인에 대한 배향을 갖는다. 제 1 전류 밸브 세트 (43) 는 여러 섹션으로 더 분할되고, 여기서 제 1 섹션은 제 1 변압기 (42) 의 제 1 상 권선 (phase winding) 세트 또는 제 1 권선에 접속되어 있고, 제 2 섹션은 제 1 변압기 (42) 의 제 2 상 권선 세트 또는 제 2 권선에 접속되어 있으며, 여기서 제 1 변압기 (42) 는 3 상 3 권선 변압기이다. 본 예에서, 각 섹션은 제 1 컨버터 (32) 에 의해서 전송 라인 (20) 으로 주입될 전압의 일부를 제공한다.
도 4는 제 1 컨버터 (32) 의 가능한 구현을 더욱 상세하게 나타내고 있다. LCC 컨버터의 제 1 변압기 (42) 는 제 1 델타 상호 접속형 상 권선 세트 (W4, W5 및 W6) 및 제 2 Y 상호 접속형 상 권선 세트 (W7, W8 및 W9) 에 자기적으로 접속된 제 3 상 권선 세트 (W1, W2 및 W3) 를 갖는, 3 상 3 권선 변압기이다. 제 3 상 권선 세트 (W1, W2 및 W3) 의 각각의 상 권선의 제 1 단부는 각각의 스위치 (S1, S2 및 S3) 를 통해서 제 2 변압기 (40)(도 2 참조) 에 접속되는 한편, 제 3 상 권선 세트 (W1, W2 및 W3) 의 각각의 상 권선의 제 2 단부는 함께 플랫폼 상에 국부적으로 접지되어 있다.
제 1 컨버터 (32) 의 제 1 전류 밸브 세트 (43) 의 제 1 섹션은 본 예에서 사이리스터 (thyristor) 형태의 6 개 전류 밸브를 포함하고, 여기서 제 1 전류 밸브 (T1) 및 제 2 전류 밸브 (T2) 는 제 1 브랜치 (branch) 에서 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속되어 있고, 제 3 전류 밸브 (T3) 및 제 4 전류 밸브 (T4) 는 제 2 브랜치에서 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속되어 있으며, 제 5 전류 밸브 (T5) 및 제 6 전류 밸브 (T6) 는 제 3 브랜치에서 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속되어 있다. 그러므로, 제 1 브랜치, 제 2 브랜치 및 제 3 브랜치는 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속되어 있으며 서로에 대해서는 병렬로 접속되어 있다. 제 1 상 권선 세트 내의 하나의 상 권선 (W4) 의 제 1 단부는 제 1 전류 밸브 (T1) 와 제 2 전류 밸브 (T2) 사이의 제 1 브랜치에 접속되어 있다. 동일한 상 권선 (W4) 의 제 2 단부는 다른 상 권선 (W5) 의 제 1 단부에 접속되어 있으며, 다른 상 권선 (W5) 의 제 1 단부는 또한 제 3 전류 밸브 (T3) 와 제 4 전류 밸브 (T4) 사이의 제 2 브랜치에 접속되어 있다. 다른 상 권선 (W5) 의 제 2 단부는 제 1 상 권선 세트 내의 마지막 상 권선 (W6) 의 제 1 단부에 접속되어 있다. 또한, 마지막 상 권선 (W6) 의 제 1 단부는 제 5 전류 밸브 (T5) 와 제 6 전류 밸브 (T6) 사이의 제 3 브랜치에 접속되는 한편, 마지막 상 권선 (W6) 의 제 2 단부는 제 1 상 권선 세트 내의 처음 언급된 상 권선 (W4) 의 제 1 단부에 접속되며, 이에 의해 델타 접속 (Delta-connection) 을 제공한다.
제 1 컨버터 (32) 의 제 1 전류 밸브 세트 (43) 의 제 2 섹션은 제 1 섹션과 동일한 타입을 갖고 또한 제 1 섹션과 동일한 방식으로 전송 라인 (20) 과 직렬로 제공되며, 여기서 제 1 섹션 및 제 2 섹션은 전력 탭핑 지점 (28) 과 제 1 인덕터 (L1) 사이에서 서로 직렬로 배열되어 있다. 그러므로, 제 2 섹션에는 각각 전류 밸브 (T7, T8), 전류 밸브 (T9, T10), 전류 밸브 (T11, T12)를 갖는 3 개의 병렬 브랜치가 또한 존재한다. 제 2 권선 세트의 각 상 권선 (W7, W8 및 W9) 의 제 1 단부는 대응하는 브랜치의 2 개의 전류 밸브들 사이에 접속되는 한편, 제 2 권선 세트의 상 권선 (W7, W8 및 W9)의 제 2 단부들은 서로 접속되며, 이에 의해 Y 접속 (Y-connection) 을 제공한다.
도 3을 다시 참조하면, 전압 소스 장치 (30) 는, 제 1 컨버터 (32) 이외에, 본 실시형태에서는 전력 탭핑 지점 (28) 에 접속되어서 전송 라인 (20) 에서의 DC 전압의 DC 전압 레벨을 결정하는 전압 검출기 (36) 를 더 포함한다. 전압 검출기 (36) 는 제어 유닛 (38) 에 차례대로 접속되어 있다. 제어 유닛 (38) 은 유리하게는 프로세서 및 이와 연관된 프로그램 메모리를 사용하여서 구현될 수 있으며 그 크기 및 부호가 중앙 제어 유닛 (22) 에서 결정된 소망하는 추가 DC 전압이 전송 라인 (20) 에 직렬로 주입되어서 전압 검출기 (36) 에 의해서 결정된 전압 강하 또는 전압 상승을 보상하도록 제 1 컨버터 (32) 를 제어한다. 이를 위해서, 제어 유닛 (38) 은 제 1 전류 밸브 세트 (43) 에 인가될 대응하는 제어 신호를 계산한다. 제어 유닛 (38) 은 이 대응하는 제어 신호를 전류 밸브의 제어 단자 (31) 에 전송한다. 주입될 전압은 본 예에서는 통상적으로 전류 밸브들의 위상 앵글의 적합한 변동을 통해 실현된다. 제어 유닛 (38) 은 제 2 컨버터 (34) 에 더 접속되어 있으며, 제 2 컨버터 (34) 의 구조 및 기능은 이하에서 설명될 것이다.
전력 소스 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 의 전력 탭핑 지점 (28) 과 접지 단자 (33) 사이에서 션트 (shunt) 접속되고 또한 제어 유닛 (38) 에 의해서 제어되는 제 2 컨버터 (34) 를 포함한다. 따라서, 제 2 컨버터 (34) 는 도 1의 컨버터들 (3 및 4) 과 동일한 방식으로 전송 라인 (20) 과 접지 사이에 제공된다. 제 2 컨버터 (34) 는 라인 (37) 을 통해서 제 1 변압기 (42) 의 제 3 권선 또는 제 3 상 권선 세트에 직접 접속된 제 2 변압기 (40) 에 더 접속되어 있다.
도 3의 실시형태에서 제 2 컨버터 (34) 는 인버터로서 기능하는 전압 소스 컨버터 (VSC) 이고, 즉 제 2 컨버터 (34) 는 입력 DC 전압을 출력 AC 전압으로 변환시킨다. 입력 DC 전압은 본 예에서 전력 탭핑 지점 (28) 에서의 전압이고, 출력 AC 전압은 라인 (37) 상에서 소망하는 AC 전압 레벨로 변환된 변압기 (40) 의 입력 전압이다. 따라서, 라인 (37) 은 플랫폼 (35) 상에 배열된 국부 AC 네트워크로 간주될 수 있으며, 이 국부 AC 네트워크는 제 1 컨버터 (32) 에 대한 공급형 네트워크로서 사용되고 회로 브레이커 (circuit breaker) 와 같은 플랫폼 상의 다른 장치들에 대해서는 보조 전력 공급원으로서 사용된다, 여기서 이러한 다른 장치들은 도면에 나타나 있지 않다.
도 5에는 제 2 컨버터 (34) 의 하나의 가능한 구현을 개략적으로 나타내고 있고, 본 구현에서는 직렬로 접속된 2 개의 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 의 형태의 2 개의 전류 밸브들 (44 및 46) 이 존재하며, 이 각각의 전류 밸브 (44 및 46) 는 자신에 대한 역 병렬 접속 (anti-parallel connection) 의 다이오드 (48 및 50) 를 각각 구비하고 있다. 커패시터 (52) 는 전류 밸브들 (44 및 46) 양쪽 모두와 병렬로 접속되어 있다, 즉 커패시터 (52) 는 제 1 전류 밸브 (44) 의 IGBT의 컬렉터와 제 2 전류 밸브 (46) 의 IGBT의 에미터 사이에 접속되어 있다. 제 2 인덕터 (L2) 는 전송 라인 (20) 상의 전력 탭핑 지점 (28) 및 이와 직렬로 접속된 전류 밸브들 사이에 접속되어 있다. 전류 밸브들 (44 및 46) 사이의 접속 지점은 도 2의 변압기 (40) 에 자체적으로 접속되어 있는 제 3 인덕터 (L3) 에 접속되어 있다. 제 1 인덕터 (L1), 제 2 인덕터 (L2) 및 제 3 인덕터 (L3) 는 고 주파수의 고조파를 필터링하는 필터의 존재를 나타낸다.
HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 가 제 1 폴 (pole) 이 전송 라인 (20) 인 쌍극 시스템인 경우에, 전압 소스 장치 (30) 는 도 6에 나타낸 바와 같이 단극 케이스 (도 3 참조) 에서 사용되는 기본 컴포넌트들의 복제 (duplicate) 를 포함한다. 이 복제 기본 컴포넌트들은 복제형 제 1 컨버터 (32*), 복제형 제 2 컨버터 (34*), 복제형 제 2 변압기 (40*) 및 복제형 국부 AC 네트워크인 라인 (37*) 이며, 이들은 서로 접속되고 제 1 폴에 대한 오리지널 컴포넌트들과 동일한 방식으로 제 2 폴 (20*) 에 접속된다.
이하, 본 발명의 전압 소스 장치가 동작될 수 있는 방식에 대한 일례를 앞서 기술한 도 1 내지 도 5 및 도 7을 참조하여 설명하도록 한다. 검출기 (36) 는 도 7에서의 제 1 방법 단계 (54) 에 따라서 전송 라인 (20) 의 DC 전압 레벨을 연속하여서 측정하는데 사용될 수 있다. 그 다음, DC 전압 레벨이 제어 유닛 (38) 을 통해 중앙 제어 유닛 (22) 으로 전송되며, 여기서 제어 유닛 (38) 과 중앙 제어 유닛 (22) 사이의 통신은, 도 3에서 블록 이중 화살표로 표시된, 양방향 통신 라인을 통해서 일어난다. 그 다음, 중앙 제어 유닛 (22) 은 DC 전압 레벨을 미리 결정된 전압 범위의 상한치 및 하한치와 비교하며 (단계(56)), 그 범위를 초과한 경우에는, 전송 라인 (20) 에 직렬로 주입될 추가 DC 전압의 크기 및 부호를 검출된 상태, 즉 전압 강하 또는 전압 상승이 보상될 필요가 있는지의 여부 및 폐쇄 루프 내의 DC 전류 분포가 균형을 유지할 필요가 있는지의 여부에 기초하여서 결정한다. 그 다음, 중앙 제어 유닛 (22) 은 추가 DC 전압의 크기 및 부호를 제어 유닛 (38) 에 전송하고, 제어 유닛 (38) 은 그에 대한 응답으로서 제어 신호들을 생성하여서 그것들을 제 2 컨버터 (34) 및 제 1 컨버터 (32) 에 전송하여 이 컨버터들로 하여금 추가 DC 전압을 전송 라인 (20) 에 각각 제공 및 주입하게 착수시킨다 (단계 58 및 60). 그 다음, 추가 DC 전압이 제 1 컨버터 (32) 에 의해서 전압 탭핑 지점 (28) 과 전압 주입 지점 (26) 사이에 주입된다. 보다 구체적으로, 도 7의 단계 (58) 에 따르는 추가 DC 전압의 공급은 DC 전력을 전력 탭핑 포인트 (28) 에서 전송 라인 (20) 으로부터 탭핑 (tapping) 하는 것에 의해 제 2 컨버터 (34) 를 통해 이루어진다. 그 다음, 탭핑된 DC 전력은 제 2 컨버터 (34) 및 제 2 변압기 (40) 에 의해서 중간 AC 전력으로 변환되고, 중간 AC 전력은 제 1 변압기 (42) 에 의해 더 변환되어서 적절한 AC 전압이 제 1 컨버터 (42) 에 인가된다. 그 다음, 제 1 컨버터 (32) 의 제 1 전류 밸브 세트 (43) 를 적절하게 스위칭하는 것에 의해 추가 DC 전압을 전송 라인 (20) 에 주입함으로써, AC 전압이 DC 전압으로 변환되고 DC 전압의 레벨이 제어 유닛 (38) 에 의해서 계산된 소망하는 추가 DC 전압의 레벨로 조절된다.
다른 솔루션에서, 제어 유닛 (38) 이 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 내의 다른 장치들과 통신하는 통신 수단을 구비한 경우에는, 제어 유닛 (38) 자체가 모든 단계들 (54 내지 60) 을 단독으로 수행하거나 그 단계들은 중앙 제어 유닛 (22) 과 제어 유닛 (38) 사이에서 또는 심지어 다른 제어 유닛들 사이에서 상술한 바와 같이 다른 방식으로 공유될 수 있다.
전압을 레이팅된 레벨로 상승시키는데 필요한 전력은 전력 라인 자체로부터 전력을 탭핑 (tapping) 함으로써 제공될 수 있기 때문에, 어떠한 외부 전력 공급원도 필요하지 않게 되며, 이것은 본 발명의 전압 소스 장치가 멀리 떨어져서 접근 불가능한 위치에 제공될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 직렬 접속된 전압 소스 장치의 설계는 다수의 방식으로 변형될 수 있으며, 이하 그 몇몇을 설명하도록 한다.
도 8은 전압 소스 장치 (30') 의 제 2 실시형태를 나타내고, 도 9는 전압 소스 장치 (30") 의 제 3 실시형태를 나타내며, 양자 모두는 대부분 도 3의 전압 소스 장치 (30) 와 동일한 구조를 가지고 전송 라인 (20) 상의 역전된 전류를 처리하기 위해서 설계된다. 볼 수 있는 바와 같이, 그들의 제 1 컨버터들 (32' 및 32") 은 도 3의 제 1 컨버터 (32) 와 각각 상이한 한편, 전압 검출기 (36) 및 제어 유닛 (38) 은 양쪽 전압 소스 장치들 (30' 및 30") 내에 존재하지만, 간략화의 목적으로, 양쪽 도면들 모두에 나타내지 않았다.
도 8에서, 제 1 컨버터 (32') 는 제 1 전류 밸브 세트 (43) 및 본 예에서 제 1 전류 밸브 세트에서와 동일한 방식으로 브랜치들을 포함하는 섹션들 내에 제공되는 제 2 전류 밸브 세트 (43') 를 더 포함하고 있다. 제 2 전류 밸브 세트 (43') 는 제 1 전류 밸브 세트 (43) 와 역 병렬로 접속된다. 제 2 전류 밸브 세트 (43') 는 제 1 전류 밸브 세트 (43) 와 동일한 방식으로 제 1 변압기 (42) 에 접속되며 동일한 제어 신호들을 수신한다.
도 9의 제 1 컨버터 (32") 는 도 8의 제 1 컨버터 (32') 와 본질적으로 동일한 타입의 기능을 제공하지만 오직 제 1 전류 밸브 세트 (43) 만을 필요로 한다. 본 예에서, 역전된 전류를 처리하기 위한 방식은 전송 라인 (20) 에 대해서 제 1 전류 밸브 세트 (43) 의 전류 밸브들을 통과하는 전류의 방향을 역전시키도록 배치된 스위치 그룹 (S4, S5, S6 및 S7) 을 포함한다. 스위치들 S4 및 S5 는 전송 라인 (20) 과 직렬로 배치되고, 스위치 (S4) 는 전력 탭핑 지점 (28) 과 제 1 전류 밸브 세트 (43) 사이에 배치되며, 스위치 S5 는 제 1 인덕터 (L1) 와 전압 주입 지점 (26) 사이에 배치된다. 스위치 S6 은 스위치 S4 와 제 1 전류 밸브 세트 (43) 사이의 접속 지점으로부터 전압 주입 지점 (26) 으로 확장된 브랜치에 제공되는 한편, 스위치 S7 은 전력 탭핑 지점 (28) 으로부터 스위치 S5 와 제 1 인덕터 (L1) 사이의 접속 지점으로 확장되는 브랜치에 제공된다.
도 9에서 전류가 좌측에서 우측으로 흐르는 경우, 스위치들 S4 및 S5 는 폐쇄되는 반면 스위치들 S6 및 S7 은 개방된다. 전류가 이와 반대 방향으로 흐르는 경우, 스위치들 S4 및 S5 는 개방되는 반면 스위치들 S6 및 S7 은 폐쇄된다.
커패시터 (41) 가 임의의 DC 전압을 필터링하도록 제 2 변압기 (40) 에 직렬 접속됨으로써, 제 2 변압기 (40) 는 순수 AC 전압만을 볼 수 있다는 점에서, 도 9에 따른 제 3 실시형태는 도 3에 따른 제 1 실시형태와 더욱 상이하다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 전압 소스 장치의 제 4 실시형태에 따르면, 제 2 변압기 (40) 를 생략할 수 있다. 이 경우에, DC-DC 컨버터 (64) 인 다른 컨버터가 사용되어서 전압 레벨을 조절한다. 본 예에서, 제 2 인덕터 (L2) 는 제 2 컨버터 (34') 의 외부에 위치하고 전력 탭핑 지점 (28) 과 DC-DC 컨버터 (64) 사이의 제 2 컨버터 (34') 에 션트 (shunt) 방식으로 접속되어 있다. 모든 다른 측면에서, 제 2 컨버터 (34') 는 도 3의 제 2 컨버터 (34) 와 동일하다. DC-DC 컨버터 (64) 는 그것의 컬렉터가 제 2 인덕터 (L2) 에 접속되고 그것의 에미터가 접지된 IGBT (66) 를 포함한다. 다이오드 (68) 는 IGBT (66) 에 대해 역병렬로 접속되어 있다. 커패시터 (70) 는 전력 탭핑 지점 (28) 과 접지 사이에 확장되는 병렬 브랜치 내에 접속되어 있다. 다른 커패시터 (72) 는 IGBT (66) 의 에미터와 제 2 인덕터 (L2) 사이에 접속되어 있다. 마지막으로, 다른 다이오드 (74) 는 제 2 컨버터 (34') 의 접지 단자와 제 2 인덕터 (L2) 사이에 접속되어 있으며 이 접지 단자를 향하게 배향되어 있다. DC-DC 컨버터 (64) 는 전송 라인 (20) 의 DC 전압을 제 2 컨버터 (34') 에 의해서 출력될 전압 레벨에 적합한 저 레벨로 변환시키고, 이에 따라 그것의 출력 측 상에는 제 2 변압기 (40) 를 필요로 하지 않는다.
전압 소스 장치의 다른 변형 및 구현이 가능하다. 예를 들면, MOSFET 트랜지스터, GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 및 수은 아크 밸브와 같은 다른 타입의 전류 밸브가 사용될 수 있다. 또한, 컨버터 내에 제공된 전류 밸브 및 섹션의 개수가 변할 수도 있고 또는 컨버터들이 복수의 서브 컨버터들의 직렬 접속으로서 배치될 수 있다. 또한, 전압 소스 장치가 필요하지 않을 때마다 폐쇄되는 병렬 접속된 바이패스 스위치가 제공될 수 있다. 또한, 고조파 필터, 회로 브레이커 및 장치 분리 스위치와 같은 다양한 보호 수단들이 사용될 수도 있다는 것을 인지해야 한다. 그것과는 별도로, 전압 검출기 및 제어 유닛은 전압 소스 장치의 통합된 부품일 필요는 없지만, 대신에 하나 또는 2 개의 개별 장치로서 제공될 수도 있다. 본 발명에 따른 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크는 VSC를 포함하는 컨버터 스테이션들 또는 LCC를 포함하는 컨버터 스테이션들 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 본 발명은 그들 고유의 감소된 전압 변동 때문에 VSC들의 경우에 더욱더 유리하다.

Claims (25)

  1. 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 을 포함하는 멀티-터미널 HVDC (High-Voltage Direct Current) 전력 전송 네트워크 (10) 를 제어하는 방법으로서,
    상기 적어도 2 개의 전송 라인들 중 적어도 하나는 500 km 이거나 500 km 보다 긴 길이를 갖는 라인이고,
    상기 전송 라인들 중 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 능동 전압 소스 장치 (30) 를 제어하여 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 DC 전압을 주입함으로써, 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전압 레벨을 미리 규정된 전압 범위 내가 되도록 유지시키고,
    상기 능동 전압 소스 장치는 상기 하나의 전송 라인 (20) 으로부터 전력 공급되고 또한 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 하나의 전송 라인과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하도록 배열되며,
    상기 방법은,
    인버터로서 작용하는 상기 제 2 컨버터 (34) 에 의해, 상기 하나의 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계와,
    상기 제 2 컨버터에 의해, 상기 제 1 컨버터에 상기 AC 전력을 공급하는 단계와,
    정류기로서 작용하는 상기 제 1 컨버터 (32) 에 의해, 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 주입될 상기 DC 전압을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 하한치 아래로 떨어지는 경우, 포지티브 DC 전압을 주입하도록 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 를 제어하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 상한치를 초과하는 경우, 네거티브 전압을 주입하도록 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 를 제어하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 DC 전압의 크기 및 부호는, HVDC 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 에서의 DC 전압 레벨 및 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전류 레벨에 따라 결정되는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 DC 전압의 크기 및 부호는, 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전압 레벨을 상기 미리 규정된 전압 범위 내에 유지시킬 뿐만 아니라 상기 네트워크 내의 폐쇄 루프에서의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록 결정되는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 가 접속된 전송 라인으로부터 전력 공급되는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치는 외부 전력 소스로부터 전력 공급되는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치, 및 상기 전송 라인들 중 다른 하나에 직렬로 접속된 다른 능동 전압 소스 장치를 통합된 방식 (coordinated manner) 으로 제어함으로써 상기 전송 라인들의 DC 전압을 미리 규정된 전압 범위 내가 되도록 유지시키는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 제어 방법.
  9. 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 에 의해서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC (High-Voltage Direct Current) 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 을 포함하는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 로서,
    상기 적어도 2 개의 전송 라인들 중 적어도 하나는 500 km 이거나 500 km 보다 긴 길이를 갖는 라인이고,
    능동 전압 소스 장치 (30) 가 상기 전송 라인들 중 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되어 있고, 또한 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 DC 전압을 주입하는 것에 의해 상기 네트워크의 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전압을 미리 규정된 전압 범위 내로 유지시키도록 구성되며, 또한 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 가 접속된 상기 전송 라인 (20) 으로부터 전력을 공급받도록 배열되고,
    상기 능동 전압 소스 장치는 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 하나의 전송 라인 (20) 과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하고,
    상기 제 2 컨버터 (34) 는 인버터로서 작용하여서 상기 하나의 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 상기 제 1 컨버터에 공급할 AC 전력으로 변환하고,
    상기 제 1 컨버터 (32) 는 정류기로서 작용하여서 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 주입될 상기 DC 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 하한치 아래로 떨어지는 경우, 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 포지티브 DC 전압을 주입하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 상한치를 초과하는 경우, 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 네거티브 DC 전압을 주입하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 네트워크 내에서 측정된 적어도 하나의 DC 전압 레벨을 상기 미리 규정된 전압 범위와 비교하고, 상기 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위 밖에 존재하는 경우에, 상기 HVDC 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 에서의 DC 전압 레벨 및 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전류 레벨에 따라 상기 DC 전압의 크기 및 부호를 결정하고, 상기 DC 전압의 크기 및 부호를 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 에 전송하는 중앙 제어 유닛 (22) 을 포함하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HVDC 컨버터 스테이션들 (1 내지 6) 각각은 동일한 전압 레이팅 (rating) 을 갖는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 가 접속된 상기 전송 라인 (20) 또는 외부 전력 소스로부터 전력을 취하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  15. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네트워크는 비메시형 네트워크, 부분 메시형 네트워크 또는 완전 메시형 네트워크인, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  16. 제 12 항에 있어서,
    부분 메시형 네트워크 또는 완전 메시형 네트워크의 경우에, 상기 능동 전압 소스 장치 (30) 가 상기 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전압 레벨을 상기 미리 규정된 전압 범위 내에 유지시킬 뿐만 아니라 상기 네트워크 내의 폐쇄 루프에서의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록, 상기 중앙 제어 유닛 (22) 이 상기 DC 전압의 크기 및 부호를 결정하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  17. 제 12 항에 있어서,
    다른 능동 전압 소스 장치가 상기 전송 라인들 중 다른 하나의 전송 라인에 접속되고,
    상기 중앙 제어 유닛 (22) 은 상기 능동 전압 소스 장치 및 상기 다른 능동 전압 소스 장치를 통합된 방식으로 제어하는, 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크.
  18. 능동 전압 소스 장치 (30) 로서,
    상기 능동 전압 소스 장치 (30) 는 멀티-터미널 HVDC (High-Voltage Direct Current) 전력 전송 네트워크 (10) 의 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 중 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되며, 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 DC 전압을 주입함으로써 상기 네트워크 내의 상기 적어도 2 개의 전송 라인들 (12, 14, 16, 18, 20) 의 DC 전압을 미리 규정된 전압 범위 내가 되도록 유지시키고 또한 상기 하나의 전송 라인 (20) 으로부터 전력 공급되도록 배열되며,
    상기 능동 전압 소스 장치는 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 하나의 전송 라인 (20) 과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하고,
    상기 제 2 컨버터 (34) 는 인버터로서 작용하여서 상기 하나의 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 상기 제 1 컨버터에 공급할 AC 전력으로 변환하고,
    상기 제 1 컨버터 (32) 는 정류기로서 작용하여서 상기 하나의 전송 라인 (20) 에 주입될 DC 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 능동 전압 소스 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 하한치 아래로 떨어지는 경우, 포지티브 DC 전압을 주입하는, 능동 전압 소스 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 DC 전압 레벨이 상기 미리 규정된 전압 범위의 DC 전압 상한치를 초과하는 경우, 네거티브 DC 전압을 주입하는, 능동 전압 소스 장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치는 중앙 제어 유닛 (22) 에 접속 가능하고 또한 상기 중앙 제어 유닛 (22) 으로부터 수신된 DC 전압의 크기 및 부호에 따라 상기 DC 전압을 주입하도록 구성되는, 능동 전압 소스 장치.
  22. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 전압 소스 장치는 외부 전력 소스로부터 전력을 공급받도록 배열된, 능동 전압 소스 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 컨버터 (32', 32") 는 상기 제 1 컨버터 (32', 32") 의 컨버터 전류의 방향을 역전시키도록 배열된, 능동 전압 소스 장치.
  24. 삭제
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