KR101288747B1 - 변경된 전압원 컨버터 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 위상 레그들의 그룹, 위상 레그들을 전력 전송 엘리먼트들에 접속하기 위한 적어도 3 개의 접속 단자들 (AC1, AC2, AC3, DC+, DC-), 각각의 위상 레그에서 셀들 (C1p1, C2p1, C1n1, C2n1, C1p2, C2p2, C1n2, C2n2, C1p3, C2p3, C1n3, C2n3) 의 제 1 그룹, 및 셀들 (C3p1, C3n1, C3p2, C3n2, C3p3, C3n3) 의 제 2 그룹을 포함하는 전압원 컨버터 (26) 에 관한 것이다. 제 1 그룹의 셀들 (C1p1, C2p1, C1n1, C2n1, C1p2, C2p2, C1n2, C2n2, C1p3, C2p3, C1n3, C2n3) 은 오직 컨버터에 대한 유니폴라 전압 기여들만을 제공할 수 있고, 그러한 유니폴라 전압 기여들을 가능하게 하기 위해 접속되며, 제 2 그룹의 셀들 (C3p1, C3n1, C3p2, C3n2, C3p3, C3n3) 은 제 1 그룹의 대응하는 셀들에 접속되고, 바이폴라 전압 기여 능력을 가지도록 구성된다.

Description

변경된 전압원 컨버터 구조{MODIFIED VOLTAGE SOURCE CONVERTER STRUCTURE}
본 발명은 일반적으로 전압원 컨버터들에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전력 전송 시스템과 관련된 전력 전송 엘리먼트들 간의 접속을 위한 전압원 컨버터에 관한 것이다.
최근 위상 레그들에 제공되는 캐스케이드 전압원 컨버터 셀들에 기초하는 전압원 컨버터들을 개발하고 있다. 이 컨버터들은 AC 와 DC 사이의 변환을 위해 조합될 수 있는 이산 전압 레벨들을 제공한다. 여기서 각각의 셀은 하프 브릿지형 컨버터 셀을 형성하기 위한 2 개의 스위칭 엘리먼트들과 직렬로 접속되는 에너지 저장 엘리먼트, 통상적으로 캐패시터로 구성된다. 이 셀들은 통상적으로 2 개의 접속 단자들을 가지며, 여기서 제 1 단자는 2 개의 스위칭 엘리먼트들 사이의 접점에 제공되고, 제 2 단자는 스위칭 엘리먼트들 중 하나와 에너지 저장 엘리먼트 사이의 접점에 제공된다. 하프 브릿지형 셀에서 제 2 단자의 배치는 셀 타입을 정의하며, 여기서 그 단자는 스위칭 엘리먼트들 중 하나와 에너지 저장 엘리먼트 사이의 접점에 배치될 수도 있다. 따라서, 그러한 제 1 접점에 제 2 단자를 배치하는 것은 제 1 타입의 하프 브릿지형 셀을 정의하고, 제 2 접점에 제 2 접속 단자를 배치하는 것은 제 2 타입의 하프 브릿지형 셀을 정의한다.
이러한 타입의 셀들은 일반적으로 DE 10103031 에서 전압원 컨버터와 관련하여 설명된다. 이 문서는 또한 동일한 타입의 하프 브릿지형 셀들이 위상 레그에 쌍들로 제공될 수 있는 방법을 개시하며, 여기서 하나의 쌍에서 하나의 셀은 하나의 배향을 가지고, 그 쌍에서 다른 셀은 반대의 배향을 갖는다. 이는 하나의 쌍에서 제 1 셀의 제 1 단자가 그 쌍에서 제 2 셀의 제 2 단자에 접속되는 것을 의미한다.
동일한 원리를 설명하는 다른 문서들은 "A new modular voltage source inverter topology", by A Lesnicar and R Marquardt, UNIV. BUNDESW. NEUBIBERG 2003, XP002447365, 10th European Conference on Power Electronics and Applications, 2-4 September, 2003, Toulouse, France 및 "Modulares Stromrichterkonzept fur Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen" by Rainer Marquardt, Anton Lesnicar and Jugen Hildinger, UNIV. BUNDESW. NEUBIBERG 2002, XP002447360, Bad-Nauenheim, Germany 이다.
이러한 분야를 설명하는 추가의 문서들은 전력 컨버터에서 밸브 레그 전류들을 제어하는 것에 관한 WO 2007/033852 및 전압원 컨버터에서 순환하는 전류들을 조정하기 위한 제어를 설명하는 WO 2008/067785 이다. 이들 문서들 양자에서, 서로에 대하여 동일한 배향을 가지는 동일한 타입의 셀들이 이용된다.
전술된 모듈러 컨버터 구조는 충분한 변환 능력을 제공한다. 그러나, 그 구조를 변경하여 강화된 기능이 가능하고 적은 추가 비용으로 간소화되도록 하는데 흥미가 있을 것이다.
본 발명의 목적은 간단한 방식으로 강화된 기능을 제공할 수 있는 변경된 구조를 갖는 전압원 컨버터를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 본 발명의 제 1 양태에 따라 전력 전송 시스템과 관련된 전력 전송 엘리먼트들 간의 접속을 위한 전압원 컨버터를 통해 해결되고, 이 전압원 컨버터는,
- 상호접속된 위상 레그들의 그룹으로서, 각각의 위상 레그는 상호 접속이 달성되는 제 1 및 제 2 종단점을 가지는, 상호접속된 위상 레그들의 그룹,
- 위상 레그들을 전력 전송 엘리먼트들에 접속하기 위한 적어도 3 개의 접속 단자들,
- 각각의 위상 레그와 관련된 셀들의 제 1 그룹, 및
- 셀들의 제 2 그룹을 포함하며,
제 1 그룹의 셀들은 오직 전압원 컨버터의 동작에 유니폴라 전압 기여들을 제공할 수 있고, 오직 그러한 유니폴라 전압 기여들을 제공할 수 있는 위상 레그들에 또한 접속되며, 그리고
제 2 그룹의 셀들은 제 1 그룹의 대응하는 셀들에 접속되고, 전압원 컨버터의 동작에 바이폴라 전압 기여들을 제공할 수 있도록 구성된다.
본 발명은 다수의 장점들을 갖는다. 본 발명을 통해, 컨버터 동작의 기본 기능과 직접적으로 관련되지 않지만 이러한 기본 기능을 제공하는 셀들과 함께 일부 문제점들을 제거하거나 컨버터의 기능을 강화시키는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 전압원 컨버터를 모듈러 전압원 컨버터로서 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 필수의 기본 기능에 기초하여 하나의 그룹에서 셀들을 선택하고, 요구되는 부가 기능에 기초하여 다른 그룹에서 셀들을 선택하는 것이 가능하다. 이는 또한 제어 신호들의 생성을 간소화할 수도 있는데, 이는 제어 신호들이 오직 부가 기능만을 처리하고 기본 컨버터 기능 또는 임의의 다른 추가 기능은 고려하지 않도록 형성될 수 있거나, 그 반대로 형성될 수 있기 때문이다. 따라서, 실제 컨버터의 설계뿐 아니라 이를 위해 사용된 제어 방식 양자는 간소화된다. 이는 또한 적은 추가 비용으로 추가의 컴포넌트들 및 소프트웨어의 형태로 실행된다.
제 2 그룹은 바이폴라 전압 기여 능력을 가지는 적어도 하나의 셀을 포함할 수도 있다. 이 그룹은 또한 적어도 2 개의 셀들을 포함할 수도 있는데, 이들은 각각 유니폴라 전압 기여 능력을 가지고, 제 1 그룹의 셀들과 관련하여 서로에 대해 반대의 배향들을 갖는다.
셀들의 타입과 배향에 따른 셀들의 수는 모든 위상 레그들에서 동일할 수도 있다. 위상 레그들이 각각 포지티브 및 네거티브 암 (arm) 을 포함하는 경우에, 셀들의 타입과 배향에 따른 셀들의 수는 또한 각각의 위상 레그의 2 개의 암들에서 동일할 수 있다.
위상 레그와 연관된 제 2 그룹의 적어도 하나의 셀은 대응하는 위상 레그의 종단점들 사이에 접속된다. 여기에서 이러한 셀은 당해 위상 레그에 접속될 수 있다. 이 셀은 또한 접속 브랜치를 통해 위상 레그에 연결될 수 있다.
위상 레그들은 컨버터의 2 개의 직류 단자들 사이에 병렬로 접속되고, 각각 포지티브 및 네거티브 암을 포함할 수도 있다.
제 2 그룹의 적어도 하나의 셀은 접속 단자와 위상 레그의 중점과의 사이에서 연장하는 접속 브랜치를 통해 제 1 그룹의 셀들에 접속될 수도 있다. 제 2 그룹의 적어도 하나의 셀은 적어도 하나의 위상 레그의 일 단부와 접속 단자를 접속시키는 접속 브랜치를 통해 제 1 그룹의 셀들에 접속될 수도 있다.
더욱이, 전압원 컨버터는 전압원 컨버터의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 셀들에 제공하는 제어 유닛을 포함할 수도 있다. 제어 유닛은 제 2 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 이러한 셀들이 컨버터 동작을 강화시키기 위해 추가의 AC 전압들을 제공하도록 하기 위해 구성될 수도 있다. 접속 단자들 중 3 개의 접속 단자들은 AC 접속 단자들일 수도 있고, 제어 유닛은 제 2 그룹의 적어도 일부 셀들에 제어 신호들을 제공하여 이러한 셀들이 모든 AC 접속 단자들 상에 제 3 고조파 제로 시퀀스 (third harmonic zero sequence) 를 제공하도록 하기 위해 구성될 수도 있다. 제어 신호들은 또한 컨버터의 무효 전력 (reactive power) 능력을 증가시키기 위해 제 2 그룹의 적어도 일부 셀들에 제공될 수도 있다. 제어 신호들은 또한 제 2 그룹의 적어도 일부 셀들에 제공되어 이러한 셀들이 위상 레그들 사이의 전류 순환을 상쇄하는 공통의 AC 전압 기여를 제공하도록 할 수도 있다.
각각의 셀은 하나의 에너지 저장 엘리먼트와 병렬인 스위칭 엘리먼트들의 제 1 그룹을 포함할 수도 있고, 여기서 제 1 그룹의 스위칭 엘리먼트들은 서로 직렬로 접속될 수도 있다. 각각의 스위칭 엘리먼트는 또한 역병렬 (antiparallel) 다이오드와 함께 트랜지스터를 포함할 수도 있다. 제 2 그룹의 셀 또한 에너지 저장 엘리먼트와 병렬로 스위칭 엘리먼트들의 제 2 그룹을 포함할 수도 있다.
본 발명은 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 전압원 컨버터가 제공될 수도 있는 직류 전력 전송 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 공통 제어 유닛에 의해 제어되는 4 개의 가변 전압원들이 각각 제공되는 복수의 병렬 위상 레그들을 갖는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 1 타입 전압원 컨버터를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 제어되는 전압원들이 복수의 셀들로서 구현되는, 제 1 타입에 따른 전압원 컨버터를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 제 1 타입의 셀의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 제 2 타입의 셀의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 제 3 타입의 셀의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 7 은 접속 단자들을 위상 레그들과 접속시키는 브랜치들에 접속되는 가변 전압원들을 갖는, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 제 1 타입 전압원 컨버터를 개략적으로 도시한다.
하기에서, 본 발명에 따른 디바이스 및 방법의 바람직한 실시형태들의 상세한 설명이 제공될 것이다.
도 1 에서, 본 발명에 따른 전압원 컨버터가 이용될 수도 있는 간략화된 고전압 전력 전송 시스템 (10) 이 개략적으로 도시된다. 전력 전송 시스템 (10) 은 직류 전력 전송 시스템 (10) 및 예컨대 HVDC (고전압 직류) 전력 전송 시스템일 수도 있다. 본 발명은 이러한 시스템에 제한되는 것이 아니라, 다른 타입의 전력 전송 시스템들과 관련하여 이용될 수도 있음이 인식되어야 한다.
도면에서, 제 1 AC 전력 라인 (12) 은 제 1 트랜스포머 (14) 로 이어진다. 제 1 트랜스포머 (14) 는 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류기 (16) 에 접속된다. 이 정류기 (16) 는 차례로 DC 전력 전송 라인 (20) 에 접속되고, 인버터 (18) 로 이어지며, 이 인버터 (18) 는 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 인버터 (18) 는 또한 제 2 트랜스포머 (22) 로 접속된다. 제 2 트랜스포머 (22) 는 차례로 제 2 AC 전력 라인 (24) 에 접속된다. 정류기 (16) 와 인버터 (18) 는 또한 접지에 접속된다.
도 1 에 도시된 시스템은 이른바 모노폴 시스템일 수도 있다. 그러나, 하기의 설명에서는 바이폴 시스템과 관련하여 설명될 것이다. 여기에서 인버터와 정류기 양자가 본 발명에 따른 전압원 컨버터로서 제공될 수도 있다.
본 발명에 따른 전압원 컨버터를 제공할 수도 있는 환경은 도 1 의 시스템에 제한되지 않는 것이 인식되어야 한다. 이 시스템은 오직 예시적일 뿐이다. 본 발명에 따른 전압원 컨버터는 예컨대, HVDC 백-투-백 시스템들에 제공될 수도 있고, 이 시스템들은 그리드 타입 DC 전력 전송 시스템에서와 유연 송전 시스템 (FACTS) 을 위한 정지형 무효전력 보상기 (SVC) 에서 2 개의 AC 전송 시스템들의 위상을 서로 적응시키기 위해 이용된다.
전술된 것과 같이, 도 1 의 시스템은 본 발명의 원리들에 따라 제공되는 하나 이상의 전압원 컨버터들을 포함한다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따라, 도 1 의 정류기 (16) 또는 인버터 (18) 중 하나 또는 이들 양자로서 제공될 수도 있는 제 1 타입의 전압원 컨버터 (26) 의 일 실시예의 개요를 설명하는 블록 회로도를 도시한다. 여기에서 전압원 컨버터 (26) 는 상호접속된 위상 레그들의 그룹을 포함한다. 더욱 특별하게는, 위상 레그들은 2 개의 DC 단자들 (DC+ 및 DC-) 사이에 병렬로 접속된다. 여기에 주어진 실시예에서, 3 개의 위상 레그들이 존재하며, 이는 AC 시스템이 3-위상 AC 전송 시스템이기 때문이다. 그러나, 예를 들어 오직 2 개의 위상 레그들이 존재할 수도 있음이 인식되어야 한다. 각각의 위상 레그는 전술된 상호접속이 달성되는 제 1 및 제 2 종단점을 갖는다. 이러한 타입의 컨버터들에서 모든 위상 레그들의 제 1 종단점들은 제 1 접속 브랜치를 통해 제 1 DC 단자 (DC+) 에 접속되고, 제 2 종단점은 제 2 접속 브랜치를 통해 제 2 DC 단자 (DC-) 에 접속된다. 따라서, 트랜스포머들과 전력 라인들과 같이, 그 엘리먼트들이 전력 전송 시스템과 관련되는 전력 전송 엘리먼트들 간의 접속을 위해 전압원 컨버터가 제공되는 것은 명확하다.
또한, 이러한 제 1 타입의 전압원 컨버터 (26) 의 각각의 위상 레그는 서로 접속되는 포지티브 및 네거티브 암을 포함하며, 그 암들이 만나고 위상 레그의 중점인 접점에는 AC 단자가 제공된다. 전압원 컨버터 (26) 의 예에서, 포지티브 암 (p1) 및 네거티브 암 (n1) 을 갖는 제 1 위상 레그, 포지티브 암 (p2) 및 네거티브 암 (n2) 을 갖는 제 2 위상 레그 및 포지티브 암 (p3) 및 네거티브 암 (n3) 을 갖는 제 3 위상 레그가 존재한다. 제 1 위상 레그의 포지티브 암과 네거티브 암 사이의 접점에는 제 1 AC 단자 (AC1) 가 제공된다. 제 2 위상 레그의 포지티브 암과 네거티브 암 사이의 접점에는 제 2 AC 단자 (AC2) 가 제공되고, 제 3 위상 레그의 포지티브 암과 네거티브 암 사이의 접점에는 제 3 AC 단자 (AC3) 가 제공된다. 각각의 AC 단자는 인덕터 (LAC1, LAC2, LAC3) 를 포함하는 접속 브랜치를 통해 대응하는 위상 레그에 접속된다. 여기에서 각각의 암은 또한 하나의 인덕터 (Lp1, Ln1, Lp2, Ln2, Lp3 및 Ln3) 를 포함한다. 이 실시형태에서, 이러한 인덕터들은 대응하는 DC 단자 (DC+ 및 DC-) 에 접속된다. 각각의 암은 또한 제어를 위한 공통 제어 유닛 (28) 에 접속되는 2 개의 가변 전압원들 (U1p1, U2p1, U1n1, U2n1, U1p2, U2p2, U1n2, U2n2, U1p3, U2p3, U1n3 및 U2n3) 를 포함한다. 이러한 전압원들의 제어는 여기서 제어 유닛 (28) 으로부터 가변 전압원들로 연장하는 점선의 단방향 화살표들에 의해 표시된다.
시변 (time-varying) 전압은 일반적으로 DC 성분 및 AC 성분과 같은 다양한 성분들로 분할될 수 있다. AC 성분은 기본 AC 성분 및 고조파 AC 성분들을 포함할 수 있다. 제어가능한 전압원들을 이용하여 위상 레그에서 이러한 전압 성분들을 제공하는 것이 가능하다.
공통 제어 유닛 (28) 은 필요한 기능을 획득하기 위해 전압원들을 제어한다. 가변 전압원들은 여기서 유니폴라 전압 기여 능력을 갖는 제 1 타입과 바이폴라 전압 기여 능력을 갖는 제 2 타입으로 이루어진다. 유니폴라 전압 기여 능력은 여기서 오직 하나의 극성, 즉 네거티브 극성 또는 포지티브 극성 중 하나를 갖는 전압을 제공하는 것을 포함한다. 유니폴라 전압 기여 능력을 가지는 제어된 전압원 컨버터는 항상 DC 기여를 제공하고, 따라서 AC/DC 변환시와 같이 DC 성분을 포함하는 컨버터 애플리케이션들에서 이용될 수도 있다. 바이폴라 전압 기여 능력은 여기서 2 개의 극성들의 전압들, 즉 포지티브 전압과 네거티브 전압 양자를 제공하는 능력을 포함한다. 이 능력은 이러한 타입의 제어가능한 전압원이 어떤 DC 전압 기여들도 존재하지 않는 컨버터 애플리케이션들에서 이용되도록 한다. 양자의 타입들의 가변 전압원은 캐패시터들과 같은 에너지 저장 엘리먼트에 저장된 에너지에 기초하여 전압을 제공하고, 따라서 캐패시터를 둘러싸는 원으로 기호화된다. 제 1 타입의 제어가능한 전압원들은 오직 하나의 극성의 전압 기여들만을 제공할 수 있기 때문에, 원의 좌측에서 제 1 DC 단자 (DC+) 쪽으로 향하는 단방향 화살표를 이용하여 기호화된다. 그러나, 제 2 타입의 제어가능한 전압원들은 바이폴라 전압 기여 능력을 가지며, 따라서 원의 좌측에서 양방향 화살표를 이용하여 기호화된다. 도시되는 바와 같이, 전압원 컨버터 (26) 는 각각의 암에서 제 1 타입의 가변 전압원 (U1p1, U1n1, U1p2, U1n2, U1p3 및 U1n3), 즉 유니폴라 전압 기여 능력을 가지는 가변 전압원뿐 아니라, 각각의 암에서 제 2 타입의 가변 전압원 (U2p1, U2n1, U2p2, U2n2, U2p3, U2n3), 즉 바이폴라 전압 기여 능력을 가지는 가변 전압원을 포함한다.
가변 전압원들은 또한 본 발명에 따라 전압원 컨버터 셀들 또는 예컨대 서로 직렬로 접속되는 셀들의 형태로 구현된다. 이는 도 3 에 예시되며, 도 3 은 도 2 의 제 1 타입의 전압원 컨버터의 위상 레그들과 동일한 위상 레그들을 도시하지만 각 레그에서 전압원들이 다수의 또는 일련의 전압원 컨버터 셀들로 대체된다. 본 발명의 실시예에서, 레그들은 또한 대칭적이며, 즉 레그들 사이와 레그들의 암들 사이에 동일한 방식으로 분배되는 동일한 수의 컨버터 셀들을 포함한다. 셀들은 또 한 상이한 타입들로 이루어질 수도 있다. 혼합된 셀 타입들은 위상 레그에서 위상 레그로, 또한 여기서는 각 위상 레그의 암에서 암으로 동일할 수도 있다. 그러나 하나의 암에서 그들의 위치들은 암에서 암으로 변화할 수 있다. 따라서 셀들의 타입과 배향에 따른 셀들의 수는 모든 위상 레그들에서 동일하다. 셀들의 타입과 배향에 따른 셀들의 수는 심지어 위상 레그들의 모든 암들에서도 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 암에 3 개의 셀들이 존재한다. 따라서, 제 1 위상 레그의 포지티브 암은 3 개의 셀들 (C1p1, C2p1 및 C3p1) 을 포함하고, 제 1 위상 레그의 네거티브 암은 3 개의 셀들 (C1n1, C2n1 및 C3n1) 을 포함한다. 유사한 방식으로, 제 2 위상 레그의 포지티브 암은 3 개의 셀들 (C1p2, C2p2 및 C3p2) 을 포함하고, 제 2 위상 레그의 네거티브 암은 3 개의 셀들 (C1n2, C2n2 및 C3n2) 을 포함한다. 결국, 제 3 위상 레그의 포지티브 암은 3 개의 셀들 (C1p3, C2p3 및 C3p3) 을 포함하고, 제 3 위상 레그의 네거티브 암은 3 개의 셀들 (C1n3, C2n3 및 C3n3) 을 포함한다. 여기에서 그 수는 본 발명의 원리들을 예시화하도록 선택된다. 각각의 위상 레그에서 다수의 더 많은 셀들을 가지는 것이 통상적이다.
셀들은 유니폴라 전압 성분 기여 능력을 가지는, 즉 오직 하나의 극성, 즉 포지티브 또는 네거티브 극성을 가지는 전압 기여를 제공할 수 있고, 이러한 유니폴라 전압 기여 능력만이 가능할 수 있도록 접속되어 있는, 셀들의 제 1 그룹에서의 셀들일 수도 있다. 셀들은 또한 바이폴라 전압 기여 능력을 가지기 위해, 즉 포지티브 및 네거티브 양자일 수 있는 전압 기여들을 제공할 수 있기 위해 접속되어 있는, 셀들의 제 2 그룹에서의 셀들일 수 있다. 이러한 그룹의 셀들은 바이폴라 전압 기여 능력을 가지는 셀들을 포함할 수도 있다. 그러나, 이러한 그룹은 또한 유니폴라 전압 기여 능력을 가지지만, 바이폴라 전압 기여 능력을 가지기 위해 위상 레그의 종단점들 사이에 접속되는 셀들을 포함할 수도 있다. 이러한 접속은 통상적으로 동일한 타입이지만 반대의 배향을 가지는 유니폴라 전압 기여 능력을 가지 2 개의 셀들 또는 한 쌍의 셀들을 위상 레그에 또는 심지어는 위상 레그의 암에 배치함으로써 수행된다. 도 3 에 도시된 셀들은 각각 공통 제어 유닛 (비도시) 에 의해 제어된다. 따라서 그들은 각각 전압원 컨버터의 전체 동작에 기여하기 위한 제어 신호를 수신한다.
도 4 는 제 1 타입의 제어가능한 전압원을 제공하기 위해 이용될 수도 있는 제 1 타입의 컨버터 셀 (CCA) 을 개략적으로 도시한다. 셀 (CCA) 은 하프-브릿지 컨버터 셀이고, 2 개의 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 브랜치와 병렬로 접속되는 캐패시터 (C1A) 의 형태의 에너지 저장 엘리먼트를 포함하며, 여기서 각각의 스위칭 엘리먼트는 트랜지스터일 수도 있는 반도체 엘리먼트 형태로 구현될 수도 있고, 이 트랜지스터는 유리하게는 역병렬 다이오드를 갖는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT) 일 수도 있다. 따라서, 도 4 에는 제 1 트랜지스터 (T1A) 및, 도면 상부를 향하고 트랜지스터 (T1A) 의 에미터와 콜렉터 사이에 병렬로 접속되는 제 1 다이오드 (D1A) 를 갖는 제 1 스위칭 엘리먼트가 존재한다. 또한, 제 1 스위칭 엘리먼트와 직렬로 접속되고, 제 1 다이오드 (D1A) 와 동일한 배향으로 제 2 트랜지스터 (T2A) 의 에미터와 콜렉터 사이에 병렬로 접속되는 제 2 다이오드 (D2A) 를 갖는 제 2 스위칭 엘리먼트가 존재한다. 셀은 제 1 접속 단자 (TE1A) 및 제 2 접속 단자 (TE2A) 를 가지고, 이들은 각각 셀에 대하여 전압원 컨버터의 위상 레그로의 접속을 제공한다. 이러한 제 1 타입의 셀에서, 제 1 접속 단자 (TE1A) 는 특히 위상 레그로부터 제 1 및 제 2 스위칭 엘리먼트 사이의 접점으로의 접속을 제공하고, 제 2 단자 (TE2A) 는 위상 레그로부터 제 2 스위칭 엘리먼트와 캐패시터 (C1A) 사이의 접점으로의 접속을 제공한다.
도 5 는 제 1 타입과 동일한 타입의 성분들을 갖는 제 2 타입의 하프-브릿지 컨버터 셀 (CCB) 을 개략적으로 도시한다. 따라서 도면에는 제 1 트랜지스터 (T1B) 및 제 1 역병렬 다이오드 (D1B) 를 가지는 제 1 스위칭 엘리먼트와 직렬로 제 2 트랜지스터 (T2B) 와 제 2 역병렬 다이오드 (D2B) 를 가지는 제 2 스위칭 엘리먼트가 존재한다. 이러한 스위칭 엘리먼트들과 병렬로 캐패시터 (C1B)가 존재하며, 여기서 이러한 제 2 타입의 셀의 제 1 스위칭 엘리먼트는 제 1 타입의 셀의 제 1 스위칭 엘리먼트와 동일한 위치 및 배향을 가지고, 이러한 제 2 타입의 제 2 스위칭 엘리먼트는 브랜치 내의 제 1 타입의 셀의 제 2 스위칭 엘리먼트와 동일한 위치 및 배향을 갖는다. 또한, 도면에는 제 1 및 제 2 스위칭 엘리먼트들 사이의 접속점과 위상 레그 사이에 접속을 제공하는 제 1 단자 (TE1B) 가 존재한다. 그러나, 제 1 타입의 셀과는 반대로, 여기에서 제 2 단자 (TE2B) 는 제 1 스위칭 엘리먼트와 캐패시터 (C1B) 사이의 접점과 위상 레그 사이에 접속을 제공한다.
제 1 및 제 2 타입들의 셀들은 항상 DC 성분을 제공하고, 그러므로 AC 와 DC 간의 변환을 위해 이용될 수도 있다. 따라서 이러한 셀들은 모두 유니폴라 전압 기여 능력을 가지며, 여기서 실제 전압 기여는 스위치들이 동작되는 방식 및 위상 레그에서 셀들이 향하는 배향에 의존한다. 이러한 셀들에서는 한번에 오직 하나의 스위칭 엘리먼트만이 턴 온 되어야 하며, 이러한 상황에서 특정 타입의 셀은 일 배향으로 접속되어 있을 때 포지티브 기여 또는 비 기여, 즉 제로의 전압 기여를 제공하고, 반대의 배향으로 접속되어 있을 때 네거티브 기여를 제공한다. 기여는 여기서 캐패시터를 통한 전압이다.
도 6 은 동일한 타입의 성분들을 포함하는 제 3 타입의 컨버터 셀 (CCC) 을 개략적으로 도시하며, 제 1 및 제 2 스위칭 엘리먼트는 각각 캐패시터 (C1C) 와 병렬로 제공되는 브랜치에서 역병렬의 제 1 및 제 2 다이오드들 (D1C 및 D2C) 과 함께 제 1 및 제 2 트랜지스터 (T1C 및 T2C) 를 포함한다. 이들은 제 1 및 제 2 타입의 셀들과 동일한 방식으로 제공된다. 그러나, 도면에는 서로 직렬인 제 3 및 제 4 스위칭 엘리먼트가 존재하며, 이 스위칭 엘리먼트들은 캐패시터 (C1C) 와 병렬로 제공되는 추가의 브랜치에서, 역병렬의 제 3 다이오드 (D3C) 와 함께 제 3 트랜지스터 (T3C) 및 역병렬의 제 4 다이오드 (D4C) 와 함께 제 4 트랜지스터 (T4C) 를 통해 제공된다. 전술된 것과 같이, 여기서 제 1 단자 (TE1C) 는 제 1 및 제 2 스위칭 엘리먼트들 사이의 접점과 위상 레그 사이에 접속을 제공한다. 그러나, 여기서 제 2 단자 (TE2C) 는 제 3 및 제 4 스위칭 엘리먼트들 사이의 접점과 위상 레그 사이에 접속을 제공한다. 제 1 및 제 2 타입의 스위칭 엘리먼트들과는 반대로, 이러한 셀 (CCC) 은 유니폴라 전압 기여 능력을 가지지 않지만, 바이폴라 전압 기여 능력을 갖는다. 이러한 셀은 여기서 스위칭 엘리먼트들의 스위칭에 기초하여 포지티브, 네거티브 또는 제로의 전압 기여를 제공한다. 예를 들어, 제 1 및 제 4 스위칭 엘리먼트들이 동시에 턴 온 되면, 하나의 극성을 가지는 전압 기여가 제공되지만, 제 2 및 제 3 스위칭 엘리먼트들이 동시에 턴 온되면 반대 극성을 가지는 전압 기여가 제공된다. 또한, 여기서 기여는 캐패시터를 통한 전압이다. 제 1 및 제 3 스위칭 엘리먼트들 또는 제 2 및 제 4 스위칭 엘리먼트들이 동시에 턴 온 되면, 어떤 전압 기여도 발생하지 않는다.
또한, 전술된 의미에서 바이폴라 전압 기여 능력을 제공하기 위해 제 1 및 제 2 타입의 셀들이 접속될 수 있다. 이는 동일한 타입의 2 개의 셀들이 동일한 암에서 접속되는 것, 즉 이들이 하나의 쌍을 형성할 것을 요구한다. 이 셀들은 반대의 배향을 갖는다. 이는 상기 쌍에서 하나의 셀의 제 1 단자 (TE1) 가 이 셀의 제 2 단자 (TE2) 보다는 위상 레그의 종단점들 중 하나와 더 가깝게 접속될 수 있고, 그 쌍에서 다른 셀의 제 2 단자 (TE2) 가 이 다른 셀의 제 1 단자 (TE1) 보다는 위상 레그의 동일한 종단점과 더 가깝게 접속될 수 있는 것을 의미한다.
이러한 셀들의 조합은 실제로 제 3 타입의 셀의 기능과 동일한 기능을 제공한다. 여기에서 한 쌍의 셀들은 반드시 서로 직접적으로 접속될 필요는 없지만, 다른 셀들이 그들 사이에 접속될 수도 있다. 그러나, 그들이 서로 접속되는 것을 유지하는 것은 바람직할 수도 있다.
본 발명은 전압원 컨버터 내의 셀들을 결합하는 것과 관련된다. 이는 전압원 컨버터의 기능이 개선되게 한다. 이러한 개선된 기능은 유리하게는 추가의 AC 전압들을 제공하는 것을 수반할 수도 있다. 전압원 컨버터는 여기서 도 2 에 도시된 것과 같이 제 1 타입일 수도 있다.
본 발명에 따라, 전압원 컨버터의 각각의 위상 레그에는 2 개의 그룹들 중 적어도 하나의 그룹의 셀들이 제공된다. 본 발명에 따라, 각각의 위상 레그는 유니폴라 전압 기여들이 가능한 유니폴라 셀들의 제 1 그룹에서의 셀들을 포함한다. 이들은 또한 유니폴라 전압 기여들을 실행할 수 있도록 하기 위해 위상 레그들에 접속된다. 본 발명에 따라, 전압원 컨버터는 또한 제 2 그룹에서의 셀들을 포함하고, 이 셀들은 제 1 그룹의 셀들에 접속되고 바이폴라 전압 기여 능력을 가지도록 배열된다. 그러므로 제 1 그룹의 셀들은 제 1 타입의 제어가능한 전압원을 형성하는데 이용되고, 제 2 그룹의 셀들은 제 2 타입의 제어가능한 전압원을 형성하는데 이용된다. 전술된 것과 같이, 이러한 그룹들은 전압원 컨버터 내에 결합된다. 이는 본 발명의 일부 실시형태들에 따라, AC 와 DC 사이에서 변환하기 위한 제 1 타입의 전압원 컨버터에서, 각각의 위상 레그, 및 여기서는 각각의 위상 레그의 각각의 암이 제 1 그룹의 적어도 하나의 셀을 포함하는 것을 의미한다. 또한, 제 2 그룹의 적어도 하나의 셀은 제 1 그룹의 셀들에 접속된다. 제 2 그룹의 셀들은 여기서 제 3 타입의 적어도 하나의 셀을 포함할 수 있다. 이는 또한 제 1 그룹의 셀들과 관련하여 서로에 대해 반대의 배향인 제 1 또는 제 2 타입들의 적어도 2 개의 셀들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전압원 컨버터의 셀들의 이용은 도 2 및 도 3 을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
이러한 제 1 실시형태에서, 제 2 그룹의 적어도 하나의 셀은 위상 레그의 2 개의 종단점들 사이에 접속된다. 본 발명의 제 1 실시형태에서, 이러한 접속은 상기 제 2 그룹의 셀들을 위상 레그에 실제로 접속시키는 것을 포함한다. 컨버터의 타입 및 요구되는 환경에 따라, 상이한 그룹들 내의 셀들의 수는 변화할 수도 있다. 예를 들어 전압원 컨버터가 HVDC 시스템 내에 인버터 또는 정류기로서 포함된다면, 정상적으로 제 1 그룹 내에는 다수의 셀들이 존재하고, 그와 동일한 수의 셀들이 정상적인 기본 변환 활동을 위해 요구되며, 요구되는 추가 기능의 종류에 따라 제 2 그룹 내에는 다수의 셀들이 존재한다.
이는 본 발명의 제 1 실시형태에서와 같이, 전압원 컨버터가 HVDC 컨버터일 때, 제 1 그룹의 셀들이 기본 기능을 위해 제공되고, 제 2 그룹의 셀들이 성능을 강화시키기 위해 제공되는 것을 의미한다. 예를 들어, HVDC 인버터에서, 전압의 실제 인버팅/정류에 기여하지 않지만, 성능을 강화시키는 셀들이 제공될 수도 있다.
본 발명의 변형에 따른 컨버터의 일 실시예로서, 포지티브 암은 제 1 타입의 제 1 셀, 제 2 타입의 제 2 셀 및 제 3 타입의 제 3 셀을 포함하며, 여기서 제 1 및 제 2 셀들은 제 1 타입 내에 있고, 정상 동작, 즉 정상 인버팅/정류 동작이 수반된다. 따라서, 이러한 셀들은 제 1 타입의 제어가능한 전압원을 제공한다. 그러나, 제 3 셀은 전압원 컨버터의 동작을 강화시키기 위해 제 2 그룹에 제공된다. 따라서, 이러한 셀은 제 2 타입의 제어가능한 전압원 컨버터를 제공한다. 여기에서 네거티브 암의 셀들은 정상적으로 동일한 타입들로 이루어지고, 포지티브 암에서의 셀들과 동일한 그룹들에서 제공되는 것이 언급되어야 한다.
정상적인 컨버터 동작은 위상 레그들의 포지티브 암들에서 제 1 타입의 전압원들 (U1p1, U1p2 및 U1p3) 을 제어하여 그들 각각이 요구되는 포지티브 DC 전압에 대응하는 DC 성분 및 요구되는 AC 전압의 1/2 에 대응하는 AC 성분을 제공하도록 할 수도 있다. 각각의 암의 셀들 (C1p1, C2p1, C1p2, C2p2, C1p3, C2p3) 은 그들이 함께 DC 성분 및 AC 성분에 대응하는 전압 기여를 제공할 수 있도록 시간에 맞춰 제어된다. 네거티브 암들에서 제 1 타입의 각각의 전압원 (U1n1, U1n2, U1n3) 은 그들 각각이 요구되는 네거티브 DC 전압에 대응하는 DC 성분 및 요구되는 AC 전압의 다른 1/2 에 대응하는 AC 성분을 제공하도록 제어된다. 이는 전술된 동일한 원리들에 따라 셀들 (C1n1, C2n1, C1n2, C2n2, C1n3 및 C2n3) 을 제어함으로써 실행된다. 이러한 방식에서 요구되는 AC 전압은 AC 단자들 (AC1, AC2 및 AC2) 상에 제공되지만, 포지티브 DC 전압은 제 1 DC 단자 (DC+) 상에 제공될 수도 있고, 네거티브 DC 전압은 제 2 DC 단자 (DC-) 상에 제공될 수도 있다.
컨버터 (26) 의 제 1 타입의 전압원들은 여기서 2 개 배향의 컨버터의 동작에 대하여 제어될 수도 있다. AC 전압들이 AC 단자들 (AC1, AC2 및 AC3) 에 인가되는 경우에 DC 전압이 생성되고, DC 전압이 DC 단자들 (DC+ 와 DC-) 사이에 인가되는 경우에 3-위상 AC 전압이 단자들 (AC1, AC2 및 AC3) 상에 생성된다. 따라서, 제 1 타입의 가변 전압원들은 양자의 배향들로의 변환을 지원하는 전압을 제공하며, 즉 이 전압들은 AC 로부터 DC 로의 변환 및 DC 로부터 AC 로의 변환 양자를 지원한다. 제어 유닛 (28) 은 여기서 삼각 반송파를 이용한 PWM 변조에 기초하여 제어 신호들을 생성할 수도 있다. 이러한 타입의 변환은 공지된 방식에서 액티브 전력의 양방향 전송을 제공하기 위해 이용될 수도 있다. 이는 제 1 타입의 전압원 컨버터에서 제 1 타입의 제어가능한 전압원들의 기본 기능이다.
도 2 및 도 3 의 제 1 실시형태에 따른 디바이스의 동작의 제 1 실시예에서, 셀들의 제 2 그룹에서의 셀들은 전압원 컨버터의 AC 측에 무효 전력을 부가하거나 제거하기 위해 이용되고 있는 제 2 타입의 제어가능한 전압원들을 형성한다. 이는 AC 네트워크를 안정화시키기 위해 실행될 수 있다. 이는 본 발명의 일 변형예에 따라 이러한 기능을 수행하는 셀들, 즉 제 3 타입의 셀들 및 여기서 셀들 (C3p1, C3n1, C3p2, C3n2, C3p3, C3n3) 에, 포지티브 암들의 셀들 (C3p1, C3p2, C3p3) 이 (기본 변환에서 이용되는 것과 동일한 주파수 및 위상을 가지고 그 전체 기여가 AC 단자들 (AC1, AC2 및 AC3) 로의 무효 전력 기여인) 요구되는 AC 기여의 1/2 를 제공하도록 하고, 네거티브 암들의 셀들 (C3n1, C3n2, C3n3) 이 요구되는 AC 기여의 다른 1/2 를 제공하도록 하는 제어 신호들을 제공하는 제어 유닛 (28) 을 통해 실행된다. 전력 기여는 포지티브 기여, 즉 컨버터의 AC 측에 무효 전력을 부가하는 것 또는 네거티브 기여, 즉 컨버터의 AC 측으로부터 무효 전력을 제거하는 것일 수 있다.
또 다른 실시예로서, 동일한 셀들이 제 3 고조파 제로 시퀀스와 관련된 AC 전압 성분들을 제공하도록 제어되는 것이 가능하다. 포지티브 암에서 제 3 타입의 셀들은 제 3 고조파 AC 전압의 1/2 에 대응하는 AC 기여를 제공할 수도 있고, 네거티브 암에서 제 3 타입의 셀은 제 3 고조파 AC 전압의 다른 1/2 에 대응하는 AC 기여를 제공할 수도 있다. 이러한 방식으로 AC 단자들에서 제 3 고조파 제로 시퀀스를 제공하는 것이 가능하다. 이는 변조 범위가 높아지게 한다. 따라서, 이러한 부가를 통해 변조 인덱스는 증가된다. 예컨대, 1/3 고조파가 부가되면, 2/√3의 변조 인덱스가 획득될 수도 있다.
본 발명의 다른 변형예에 따라, 제 2 그룹의 셀들은 위상 레그들에서 순환하는 AC 전류들을 제거하기 위해 이용된다. 순환하는 전류들은 셀 캐패시터 리플에 의해 발생된다. 이 전류들은 본 발명의 일 변형예에 따라 포지티브 및 네거티브 암들에서의 셀들이 각각의 위상 레그에 나타나는 수정 AC 전압 기여를 제공하도록 하는, 제어 신호들을 제공하는 제어 유닛 (28) 을 통해 상쇄된다. 위상 레그들의 AC 기여들의 합은 여기서 제로가 되고, 그러므로 컨버터의 DC 측에는 어떤 AC 기여도 나타나지 않는다. 각각의 위상 레그의 AC 기여들은 또한 대응하는 AC 단자들 상에서 서로를 상쇄하도록 선택되며, 그러므로 AC 단자들 상에는 어떤 AC 기여도 나타나지 않는다. 이러한 방식으로, 공통 전압 기여가 각각의 위상 레그에 제공될 수도 있으며, 각각의 위상 레그는 AC 측의 전류, 캐패시터의 위상 각도 및 캐패시터의 리액턴스에 따른다. 그 후에 이러한 기여들은 DC 측에서 상기 셀 캐패시터 리플에 의해 발생되는 AC 신호를 상쇄할 것이다.
여기에서 추가로 제 2 그룹의 서브세트는 추가의 기능들 중 하나에 지정될 수 있고, 다른 서브세트는 다른 추가의 기능에 지정될 수 있음이 인식되어야 한다. 그러므로, 요구되는 각각의 추가의 기능을 위해 제 2 그룹의 셀들의 서브세트가 존재할 수 있다.
이들은 본 발명의 몇몇 가능한 변형예들이다. 제 2 그룹의 셀들을 제 1 그룹의 셀들과 결합함으로써 획득되는 것은 컨버터 동작의 기본 기능에서 직접 포함되는 것이 아니라, 컨버터의 일부 문제점들을 제거하고 컨버터의 기능을 강화시키는 셀들을 제공하는 것이 가능하다는 것이다. 이러한 문제점 제거의 일 실시예는 순환하는 전류들을 제거하는 것이다. 강화된 기능의 예들은 제로 시퀀스 제 3 고조파들의 제거 및 부가이고, 무효 전력의 제거 및 부가이다. 이러한 방식으로, 전압원 컨버터에서 문제점들을 처리하고, 전압원 컨버터들의 동작을 강화시키는 것이 가능하다. 이는 또한 추가의 컴포넌트들 및 소프트웨어의 형태로 적은 추가 비용으로 실행된다. 셀들이 이용되기 때문에, 모듈러 전압원 컨버터로서 전압원 컨버터를 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 요구되는 기본 기능에 기초하여 일 그룹의 셀들을 선택하고, 그 후에 얼마나 많은 추가 기능들이 요구되는지 및 어떤 추가 기능들이 요구되는지에 기초하여 다른 그룹에 셀들을 부가하는 것이 가능하다. 특정 기능에 지정된 셀들을 가짐으로서, 제어 신호들은 간략화되며, 이는 셀들의 그룹 또는 셀들의 그룹의 서브 세트에 제공되고 있는 제어 신호가 기본 컨버터 기능 또는 임의의 다른 추가 기능을 고려하지 않고 이러한 기능을 처리하기 위해서만 형성될 수 있기 때문이다. 따라서, 실제 컨버터의 설계 및 이를 위해 사용되는 제어 방식이 간략화된다. 이는 또한 셀들이 그들이 제공할 기능에 대하여 최적화되게 할 수 있다.
여기에서, 제 2 그룹의 셀들로 구성된 제 2 타입의 제어가능한 전압원은 위상 레그에 제공되는 것으로 제한되지 않는 것이 인식되어야 한다. 전압원 컨버터에서, 그러한 전압원은 또한 위상 레그와 단말기 사이의 접속 브랜치에서, 예컨대, DC 접속 브랜치, 즉 AC 단자와, 위상 레그의 포지티브 암과 네거티브 암 사이의 접점 사이에서 연장하는 접속 브랜치에서 또는 이를 통해, 또는 DC 단자 접속 브랜치, 즉 DC 단자를 병렬의 위상 레그들의 일 단부와 접속시키는 접속 브랜치에서 제공될 수 있다. 이러한 상황이 도 7 에 도시되며, 도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 제 2 타입의 컨버터를 도시한다. 본 발명의 이러한 제 2 실시형태에 따른 컨버터와 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 컨버터 간의 차이는 제 2 타입의 제어가능한 전압원 (UAC1, UAC2 및 UAC3) 이 AC 단자들 (AC1, AC2 및 AC3) 로 이어지는 각각의 접속 브랜치에 제공되고, 제 2 타입의 제어가능한 전압원 (UDC+ 및 UDC-) 이 DC 단말기들로 이어지는 제 1 및 제 2 접속 브랜치들에 제공되는 것이다. 따라서, 제 2 그룹의 셀들을 AC 단자로 이어지는 접속 브랜치에 접속하거나, 대신에 DC 단자로 이어지는 접속 브랜치에 접속시키는 것이 가능할 수도 있다. 따라서, 제 2 그룹의 셀들은 AC 단자를 위상 레그의 포지티브 암과 네거티브 암 사이의 접점과 접속시키는 접속 브랜치에 배치될 수 있고, DC 단자를 위상 레그들의 일 단부와 접속시키는 접속 브랜치를 통해 위상 레그에 접속될 수 있다. 이러한 셀들은 또한 대칭적으로 제공되며, 이는 AC 단자로 이어지는 하나의 접속 브랜치가 하나의 셀을 가지고, 다른 AC 단자들로 이어지는 다른 브랜치들이 동일한 타입의 셀을 가지는 것을 의미한다. 이는 또한 DC 단자들로 이어지는 접속 브랜치들에 대하여 사실일 수도 있다. 그 후에, 접속 브랜치들 내의 셀들은 유리하게 제 3 고조파 부가/제거 또는 무효 전력 부가/제거를 수행하기 위해 제공될 수 있다. 일 실시예로서, AC 단자들로 이어지는 접속 브랜치들에서의 셀들이 제 3 고조파 부가/제거를 위해 이용되고, DC 단자들로 이어지는 접속 브랜치들에서의 셀들이 무효 전력 생성/제거를 위해 이용되는 것이 가능하고, 이와 반대의 경우가 가능하다. 위상 레그들에 배치된 제 2 그룹의 셀들이 순환하는 AC 전류들을 제거하기 위해 이용되는 것이 또한 가능하다. 추가로, 여기에서 DC 단자들로 이어지는 접속 브랜치들에서의 셀들이 통상적으로 위상 레그들의 대응하는 암들에서의 셀들과 동일한 방식으로 제공될 것이며, 즉 요구되는 AC 전압 기여의 1/2 에 대응하는 AC 성분을 제공할 것이다. 그러나, AC 단자로 이어지는 접속 브랜치에서의 셀은 그에 반해 모든 요구되는 AC 성분 기여를 제공할 것이다.
전술된 변형예들을 제외하고, 다수의 변형예들이 본 발명으로 구성되는 것이 가능하다. 예를 들면, 제 2 실시형태에서 위상 레그들로부터 및 2 가지 타입의 접속 브랜치들 중 하나로부터 제 2 그룹의 셀을 생략하는 것이 가능하다. 또한 접속 브랜치들로부터 및 위상 레그들로부터 인덕터들을 생략하는 것이 가능하다. 위상 레그들에서의 인덕터들은 또한 도시된 것과는 다른 위치들을 가질 수도 있다. 이들은 예컨대, 중점에 접속될 수도 있다.
셀들에서 사용되는 반도체 엘리먼트들은 IGBT들로서 설명되었다. 사이리스터들, MOSFET 트랜지스터들, GTOs (게이트 턴-오프 사이리스터) 및 수은 아크 밸브들과 같은 다른 타입의 반도체 엘리먼트들이 이용될 수도 있음이 인식되어야 한다. 서로 다른 타입의 셀들의 개수 및 그 배향들은 추가로 요구되는 기능 및 전압 레벨들에 따라 다수의 방식들로 변경될 수도 있다.
제어 유닛은 본 발명의 전압원 컨버터의 일부로서 제공될 필요는 없다. 이는 전압원 컨버터에 제어 신호들을 제공하는 별개의 디바이스로서 제공될 수 있다. 이러한 제어 유닛은 또한 프로세서에서 실행할 때 원하는 제어 기능을 수행하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 추가의 프로그램 메모리를 갖는 프로세서의 형태로서 구현될 수도 있다.
전술된 설명에서, 본 발명은 다양한 방식들로 변화될 수 있음이 분명하다. 결과적으로 본 발명은 하기의 청구범위들에 의해서만 제한될 것임이 인식될 것이다.

Claims (19)

  1. 전력 전송 시스템 (10) 과 관련된 전력 전송 엘리먼트들 (14, 20, 22) 간의 접속을 위한 전압원 컨버터 (26) 로서,
    - 상기 전압원 컨버터의 2 개의 직류 단자들 (DC+, DC-) 사이에 병렬로 접속되고, 각각 포지티브 암 및 네거티브 암을 포함하는 상호접속된 위상 레그들의 그룹으로서, 각각의 위상 레그는 상기 상호 접속이 달성되는 제 1 및 제 2 종단점을 가지는, 상기 상호접속된 위상 레그들의 그룹,
    - 상기 위상 레그들을 상기 전력 전송 엘리먼트들에 접속하기 위한 적어도 3 개의 접속 단자들 (AC1, AC2, AC3, DC+, DC-),
    - 상기 각각의 위상 레그와 관련된 셀들의 제 1 그룹 (C1p1, C2p1, C1n1, C2n1, C1p2, C2p2, C1n2, C2n2, C1p3, C2p3, C1n3, C2n3),
    - 셀들의 제 2 그룹 (C3p1, C3n1, C3p2, C3n2, C3p3, C3n3), 및
    - 제어 유닛 (28) 을 포함하며,
    상기 제 1 그룹의 상기 셀들 (C1p1, C2p1, C1n1, C2n1, C1p2, C2p2, C1n2, C2n2, C1p3, C2p3, C1n3, C2n3) 은 오직 상기 전압원 컨버터의 동작에 유니폴라 전압 기여들을 제공할 수 있을 뿐이고, 오직 상기 유니폴라 전압 기여들을 가능하게 하기 위해 상기 위상 레그들에 또한 접속되며,
    상기 제 2 그룹의 상기 셀들 (C3p1, C3n1, C3p2, C3n2, C3p3, C3n3) 은 상기 제 1 그룹의 대응하는 셀들에 접속되고, 상기 전압원 컨버터의 동작에 바이폴라 전압 기여들을 제공할 수 있도록 구성되며,
    상기 제 2 그룹의 상기 셀들은 상기 각각의 위상 레그에 접속되고,
    셀들의 타입과 배향에 따른 상기 셀들의 수는 모든 위상 레그들에서 및 각각의 위상 레그의 2 개의 암들에서 동일하고,
    상기 제 1 그룹의 상기 셀들은 상기 전압원 컨버터의 기본 제어 기능에 지정되고,
    상기 제 2 그룹의 상기 셀들은 추가의 AC 전압 제공 기능에 지정되며, 그리고
    상기 제어 유닛 (28) 은, 상기 제 1 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 그 기본 기능에 따라 상기 전압원 컨버터의 동작을 제어하고, 상기 제 2 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 상기 셀들이 상기 추가의 AC 전압 제공 기능에 따라 컨버터 동작을 강화시키기 위한 추가의 AC 전압들을 제공하도록 추가로 구성되는, 전압원 컨버터 (26).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹은, 각각 유니폴라 전압 기여 능력을 가지고 상기 제 1 그룹의 상기 셀들과 관련하여 서로에 대해 반대의 배향들을 가지는 적어도 2 개의 셀들을 포함하는, 전압원 컨버터 (26).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 적어도 하나의 셀을 포함하는 접속 브랜치를 통해 적어도 하나의 접속 단자가 위상 레그에 연결되는, 전압원 컨버터 (26).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 상기 적어도 하나의 셀은 접속 단자와 위상 레그의 중점과의 사이에서 연장하는 접속 브랜치를 통해 상기 제 1 그룹의 상기 셀들에 접속되는, 전압원 컨버터 (26).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 상기 적어도 하나의 셀은 접속 단자를 적어도 하나의 위상 레그의 일 단부와 접속시키는 접속 브랜치를 통해 상기 제 1 그룹의 상기 셀들에 접속되는, 전압원 컨버터 (26).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 단자들 중 3 개의 접속 단자들은 AC 접속 단자들 (AC1, AC2, AC3) 이고,
    상기 제어 유닛은, 상기 포지티브 암에서 상기 제 2 그룹의 적어도 일부 셀들에 제어 신호들을 제공하여 제 3 고조파 AC 전압의 1/2 에 대응하는 AC 기여를 제공하고, 상기 네거티브 암에서 상기 제 2 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 상기 셀들이 모든 AC 접속 단자들에서 제 3 고조파 제로 시퀀스를 제공하도록 하기 위해 상기 제 3 고조파 AC 전압의 다른 1/2 에 대응하는 AC 기여를 제공하도록 구성되는, 전압원 컨버터 (26).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 전압원 컨버터의 무효 전력 능력을 증가시키기 위해 상기 포지티브 암들에서 상기 제 2 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 요구되는 AC 기여의 1/2 를 제공하고, 상기 네거티브 암들에서 상기 제 2 그룹의 셀들에 제어 신호들을 제공하여 상기 요구되는 AC 기여의 다른 1/2 를 제공하도록 구성되는, 전압원 컨버터 (26).
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (28) 은 상기 제 2 그룹의 적어도 일부 셀들에 제어 신호들을 제공하여 상기 셀들이 상기 위상 레그들 사이의 전류 순환을 상쇄하는 공통의 AC 전압 기여를 제공하고 또한 각각의 위상 레그에서 상기 셀들의 AC 전압 기여들이 대응하는 AC 단자들에서 서로 상쇄하도록 구성되는, 전압원 컨버터 (26).
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 셀 (CCA, CCB, CCC) 은 하나의 에너지 저장 엘리먼트 (C1A, C1B, C1C) 와 병렬인 스위칭 엘리먼트들의 그룹을 포함하는, 전압원 컨버터 (26).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 그룹의 상기 스위칭 엘리먼트들은 서로 직렬로 접속되는, 전압원 컨버터 (26).
  11. 제 9 항에 있어서,
    각각의 상기 스위칭 엘리먼트는 트랜지스터 (T1A, T2A, T1B, T2B, T1C, T2C, T3C, T4C) 와 함께 역병렬 다이오드 (D1A, D2A, D1B, D2B, D1C, D2C, D3C, D4C) 를 포함하는, 전압원 컨버터 (26).

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