KR101312959B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

전력 변환 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 발전기에 연결되고, 멀티레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터와, 상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 직류 링크단과, 그리고 계통과 상기 직류 링크단 사이에 연결되며, 복수의 단상 하프브리지 컨버터가 직렬 연결된 계통측 컨버터를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{Power converting device}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 단상 하프브리지 컨버터(single phase half bridge converter)를 계통측 컨버터로 이용한 전력 변환 장치에 관한 것이다.
신재생에너지(New Renewable Energy)는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로서, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원을 그 특성으로 한다.
유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 인해 그 중요성이 커지고 있으며, 한국에서는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지의 재생에너지 분야와, 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지의 신에너지 분야가 신재생에너지로 지정되어 있다.
신재생에너지 발전시스템은 전력 변환 장치(Power Converter)를 필요로 한다. 전력 변환 장치는 신재생에너지원의 가변적인 환경 조건(예를 들어, 풍속, 유속 등)에 기인하는 가변 전압, 가변 주파수 특성을 가지는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계하기 위해 정전압, 정주파수 특성을 가지는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.
예를 들면, 권선형 유도 발전기(DFIG, Double-Fed Induction Generator), 동기 발전기(SG, Synchronous Generator) 등이 신재생에너지 발전시스템에서 많이 적용되고 있는 발전기이다.
도 1은 종래 이용되고 있는 전력 변환 장치의 구조를 간략히 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전력 변환 장치에서 직류 링크단의 전압 변화를 간략히 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 대용량의 풍력 발전 시스템(1)에 적용되는 전력 변환 장치로서, 일반적인 3상 발전기에 적용될 수 있는 백-투-백(Back-to-Back) 3레벨 컨버터를 가지는 전력 변환 장치(30)가 도시되어 있다.
3상 동기 발전기(10)에 적용되는 전력 변환 장치(30)는 발전기측 컨버터(40)와 계통측 컨버터(60)를 포함한다. 발전기측 컨버터(40)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 교류(AC)/직류(DC) 컨버터이고, 계통측 컨버터(60)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 직류(DC)/교류(AC) 컨버터이다.
동기 발전기(10)의 출력은 단일 3상으로 되며, 동기 발전기(10)에 연결된 발전기측 컨버터(40)와 계통(Grid)(20)에 연결된 계통측 발전기(60) 사이에 직류 링크단(50)이 구비되며, 양측의 컨버터(40, 60)가 직류 링크단(50)을 공유한다.
직류 링크단(50)에 인가되는 전압은 발전기(10)의 회전자 권선을 통해 발전되는 에너지가 계통(20)까지 전달 가능하게 항상 일정한 크기로 유지되도록 제어된다.
대용량의 풍력 발전기를 설치하는 경우에 에너지의 낭비를 막기 위하여 고전압의 풍력 발전기를 설치하게 되며, 고전압의 발전기를 제어하기 위해 전력 변환 장치도 고전압 전력 변환 장치를 사용해야 한다.
발전기측 컨버터(40)와 계통측 컨버터(60) 각각은 도시된 것과 같이 12개의 스위칭 소자(42, 62)를 가지는 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터 구조를 가진다. 스위칭 소자(42, 62)로 주로 사용되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)의 경우 전압 레벨의 한계를 가지기 때문에, 클램핑 다이오드(clamping diode)(44, 64)를 포함하는 3레벨 다이오드 클램프드 컨버터를 사용한다.
이러한 컨버터 구조에서는 직류 링크단(50)의 두 커패시터(52, 54)의 중성점에 운전 스위칭 패턴에 따라 중성점 전류가 흐르는 문제점이 있다. 이로 인해 상위 커패시터(52)와 하위 커패시터(54)의 전압 불균형이 발생하게 되고, 최악의 경우 커패시터 내압을 넘어서서 파괴될 수도 있는 단점이 존재한다.
도 2를 참조하면, 직류 링크단(50)의 전압 불균형으로 인해 상위 커패시터(52)에 충전되는 전압(VdcH)과 하위 커패시터(54)에 충전되는 전압(VdcL)이 발산하는 파형이 도시되어 있다. 시간이 지날수록 상위 커패시터(52)에 충전되는 전압(VdcH)의 크기는 커지며, 하위 커패시터(54)에 충전되는 전압(VdcL)의 크기는 작아진다. 이러한 커패시터들의 전압 변화가 누적되어 각 커패시터들 사이의 전압차가 커지는 직류 링크단 전원 전압 불균형 현상이 발생하게 된다. 커패시터간 전압이 불일치하면 공간 전압 벡터가 이루는 육각형이 비대칭적으로 왜곡되어 전압 출력이 왜곡되며, 하나의 스위칭 소자에 걸리는 전압의 크기가 소자의 정격 전압을 초과하여 스위칭 소자를 파괴시킬 수도 있다.
한국공개특허 제2008-0001642호(전력 변환 장치 및 전력 변환 방법)는 요약서에서 중간 전위 모선에 공진 억제용의 저항기를 컨버터측과 인버터측에 각각 설치한 3레벨 전력 변환기 장치에서, 중간 저항기를 컨버터측과 인버터측에 따로따로 설치하고, 컨버터측 공진 억제용 저항기와 컨버터측 중간 저항기 사이의 직류 중성점 전압을 이용한 직류 중성점 전압 제어기와 제어하는 컨버터측 직류 중성점 전압 제어기와 인버터측 공진 억제용 저항기와 인버터측 중간 저항기 사이의 직류 중성점 전압을 이용한 직류 중성점 전압 제어기를 설치하고, 절환 판단부에서 운전 상태에 따라 컨버터와 인버터측의 직류 중성점 전압 제어의 절환이나 동시 병용을 행하여 직류 중성점 전압 변동을 억제하는 장치 및 방법을 개시하고 있다.
그러나, 한국공개특허 제2008-0001642호의 경우 전력 변환 장치의 소자 개수가 증가하여 전체 시스템 비용이 증가하고 부피가 늘어나게 되는 한계가 있다.
한국공개특허 제2008-0001642호
본 발명은 발전된 전력을 계통으로 보내기 위한 계통측 컨버터로 단상 하프브리지 구조를 이용하여 전체 소자 개수를 줄임으로써 전체 시스템 비용을 절감하고 부피 축소가 가능한 전력 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 하드웨어적 구성으로 직류링크단의 두 커패시터 사이의 중성점 전압의 불균형을 제어하여 전체 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고, 소프트웨어에서 중성점 불균형을 억제하는 알고리즘을 제거할 수 있어 제어부의 부담을 줄일 수 있는 전력 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전기에 연결되고, 멀티레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 직류 링크단; 및 계통과 상기 직류 링크단 사이에 연결되며, 복수의 단상 하프브리지 컨버터가 직렬 연결된 계통측 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치가 제공된다.
상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터는 상기 복수의 커패시터에 각각 연결될 수 있다.
상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터 각각은 상응하여 연결된 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하며, 상기 스위칭 소자군은 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자 및 각 스위칭 소자에 역병렬 접속된 역병렬 다이오드를 포함하고, 상기 컨버터 커패시터군은 직렬 연결된 2개의 컨버터 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터 각각이 상응하여 연결된 상기 직류 링크단의 커패시터의 전압의 크기를 조절하도록 상기 단상 하프브리지 컨버터에 포함되는 스위칭 소자의 온/오프를 제어할 수 있다.
상기 전력 변환 장치는, 상기 발전기에 복수의 발전기측 컨버터가 병렬로 연결되고, 상기 계통에 복수의 계통측 컨버터가 병렬로 연결되며, 상기 복수의 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터 사이에 상기 직류 링크단이 각각 연결될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 발전기에 연결되고, 3상 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 직렬 연결된 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 직류 링크단; 및 계통과 상기 직류 링크단 사이에 연결되며, 2개의 단상 하프브리지 컨버터가 직렬 연결된 계통측 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치가 제공된다.
상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터가 서로 연결되는 노드는 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터가 만나는 중성점과 연결될 수 있다.
상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터는 상기 상위 커패시터 및 상기 하위 커패시터에 각각 연결될 수 있다.
상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 중 하나는 상응하여 연결된 상기 상위 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하고, 상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 중 다른 하나는 상응하여 연결된 상기 하위 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하며, 상기 스위칭 소자군은 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자 및 각 스위칭 소자에 역병렬 접속된 역병렬 다이오드를 포함하고, 상기 컨버터 커패시터군은 직렬 연결된 2개의 컨버터 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 각각이 상응하여 연결된 상기 상위 커패시터의 전압 및 상기 하위 커패시터의 전압의 크기를 조절하도록 상기 단상 하프브리지 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전된 전력을 계통으로 보내기 위한 계통측 컨버터로 단상 하프브리지 구조를 이용하여 클램핑 다이오드가 필요없고 4상한 운전이 가능하면서 전체 소자 개수를 줄임으로써 전체 시스템 비용을 절감하고 부피 축소가 가능하다.
또한, 하드웨어적 구성으로 직류링크단의 두 커패시터 사이의 중성점 전압의 불균형을 제어하여 전체 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고, 소프트웨어에서 중성점 불균형을 억제하는 알고리즘을 제거할 수 있어 제어부의 부담을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 직류링크단 전압을 기존 구조보다 낮게 운전할 수 있어 시스템 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 이용되고 있는 전력 변환 장치의 구조를 간략히 나타낸 회로도,
도 2는 도 1에 도시된 전력 변환 장치에서 직류 링크단의 전압 변화를 간략히 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구조를 간략히 나타낸 회로도,
도 4는 기존의 전력 변환 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함되는 소자 수를 비교한 표.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구조를 간략히 나타낸 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 젼력 변환 시스템(100)은 발전기(10), 계통(20) 및 전력 변환 장치(110)를 포함한다. 전력 변환 장치(110)는 발전기(10)와 계통(20) 사이에 연결되어, 발전기(10)에서 발전된 전력을 계통(20)에 안정적으로 전달하는 기능을 수행한다.
발전기(10)는 터빈의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 교류 전력을 발생시킨다. 발전기(10)에 의해 발생된 3상 교류 전력은 예를 들어 3.3kV의 전압 크기를 가질 수 있다.
계통(20)은 그리드(Grid)라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들어, 계통(20)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계(連繫)이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(110)는 발전기측 컨버터(120), 직류 링크단(130), 계통측 컨버터(140a, 140b, 이하 '140'으로 통칭함) 및 제어부(150)를 포함한다.
전력 변환 장치(110)는 교류/직류 컨버터(발전기측 컨버터(120))와 직류/교류 컨버터(계통측 컨버터(140))를 포함하여, 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후, 다시 교류 전원으로 변환하는 구조를 가진다. 이를 위해 발전기측 컨버터(120)와 계통측 컨버터(140)는 직류 링크단(130)을 공유할 수 있다.
발전기측 컨버터(120)는 발전기(10)에 연결되며, 멀티레벨 컨버터를 포함할 수 있다. 발전기측 컨버터(120)는 발전기(10)에서 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다.
직류 링크단(130)은 발전기측 컨버터(120)에 연결되며, 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 직류 링크단(130)은 발전기측 컨버터(120)에 의해 변환된 직류 전원의 DC 에너지를 전압 연계(link)를 통해 계통측 컨버터(140)로 전달한다.
계통측 컨버터(140)는 계통(20)과 직류 링크단(130) 사이에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 단상 하프브리지 컨버터(140a, 140b)를 포함할 수 있다. 계통측 컨버터(140)는 직렬 연결된 복수의 단상 하프브리지 컨터버(140a, 140b)로 인해 4상한 운전이 가능하게 되며, 직류 링크단(130)을 통해 전달된 발전기(10)에서 발전된 전력을 계통(20)으로 송전할 수 있다.
제어부(150)는 발전기측 컨버터(120)의 스위칭 소자(121)의 온/오프(on/off)를 제어하여 발전기(10)의 전력을 제어할 수 있고, 발전기측 전압과 전류의 역률 제어를 수행할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 계통측 컨버터(140)의 스위칭 소자(141)의 온/오프를 제어하여 직류 링크단(130)의 전압을 제어할 수 있고, 계통측 전압과 전류의 역률 제어를 수행할 수 있다.
발전기측 컨버터(120)와 계통측 컨버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(121, 141)는 반도체 스위칭 소자일 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), GTO(Gate Turn-off Thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등 중 하나일 수 있다. 특히 IGBT의 경우 파워 MOSFET과 BJT 구조를 가지며, 구동전력이 작고 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능하다.
이하에서는 도 3에 도시된 것과 같이 발전기측 컨버터(120)가 12개의 스위칭 소자(121)를 포함하는 3상 3레벨 NPC 컨버터이고, 계통측 컨버터(140)가 2개의 단상 하프브리지 컨버터(140a, 140b)로 구성된 것을 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 이는 발명의 이해와 설명의 편의를 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아님은 당연하다.
발전기측 컨버터(120)는 12개의 스위칭 소자(121)를 포함하는 3상 3레벨 NPC 컨버터일 수 있다. 발전기측 컨버터(120)는 각 상에 대해 4개의 스위칭 소자(121), 4개의 역병렬 다이오드(122) 및 2개의 클램핑 다이오드(123)를 포함한다. 독립된 직류 전원 없이 클램핑 다이오드를 이용하여 3레벨 출력을 얻을 수 있다.
직류 링크단(130)은 발전기측 컨버터(120)에 연결되며, 상위 커패시터(132)와 하위 커패시터(134)를 포함할 수 있다. 상위 커패시터(132)와 하위 커패시터(134)가 연결되는 노드가 중성점(135)이 된다.
3상 3레벨 NPC 컨버터의 각 상에 대한 스위칭 상태는 스위칭 소자의 도통 상태에 따라 3가지의 상전압 상태가 존재하며, 임의의 상에 대하여 항상 쌍을 이루어 2개의 스위칭 소자가 턴 온(turn on) 상태를 유지한다.
3레벨 NPC 컨버터의 경우, 직류 링크단(130)에서 전압 불균형 문제가 생기는데, 이는 구형파 공간벡터 PWM(R_SVPWM, Rectangular Space Vector Pulse Width Modulation) 제어 방식의 시퀀스 패턴을 재구성하고 스위칭 벡터 인가시간을 조정하는 알고리즘을 통하여 해결할 수 있지만, 이를 위해서는 제어부(150)에서 이에 해당하는 알고리즘을 구현해야 하기 때문에 CPU에 부담이 가중되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 알고리즘을 통해서도 전압 불균형 제어가 불가능한 영역이 존재하는 문제도 있다.
하드웨어적 구성으로 직류 링크단(130)의 중성점 전압 불균형 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서 계통(20)과 직류 링크단(130) 사이에 연결되는 계통측 컨버터(140)는 직렬 연결된 2개의 단상 하프브리지 컨버터(140a, 140b)를 포함할 수 있다.
단상 하프브리지 컨버터(140a 혹은 140b)는 클램핑 다이오드를 구비하지 않아, 클램핑 다이오드의 개수에 해당하는 만큼 하드웨어적 비용을 감소시킬 수 있다.
2개의 단상 하프브리지 컨버터(140a, 140b)가 직렬 연결된 경우, 제1 단상 하프브리지 컨버터(140a)와 제2 단상 하프브리지 컨버터(140b)가 직렬 연결된 제1 노드(145)는 상위 커패시터(132)와 하위 커패시터(134) 사이의 중성점(135)과 연결될 수 있다.
즉, 제1 단상 하프브리지 컨버터(140a)의 일단은 직류 링크단(130)의 상위 커패시터(132)에 연결되고, 제2 단상 하프브리지 컨버터(140b)의 일단은 직류 링크단(130)의 하위 커패시터(134)에 연결된다. 그리고 제1 단상 하프브리지 컨버터(140a)의 타단 및 제2 단상 하프브리지 컨버터(140b)의 타단은 계층(20)에 연계되는 변압기(160)에 병렬 구조로 연결되며, 전기적으로는 독립된 교류 전원에 해당하는 구조로 분리되어 있다.
제1 단상 하프브리지 컨버터(140a)가 상위 커패시터(132)의 전압을 제어하기 때문에 상위 커패시터(132)의 전압을 일정하게 제어할 수 있고, 제2 단상 하프브리지 컨버터(140b)가 하위 커패시터(134)의 전압을 제어하기 때문에 하위 커패시터(134)의 전압을 일정하게 제어할 수 있다.
따라서, 발전기측 컨버터(120)가 운전 시에 중성점 전류를 발생시켜도 계통측 컨버터(140)의 운전을 통해 직류 링크단(130)의 상위 커패시터(132)의 전압 또는/및 하위 커패시터(134)의 전압을 안정화시킬 수 있게 된다. 즉, 계통측 컨버터(140)의 하드웨어적 구조로 인해 직류 링크단(130)의 상위 커패시터(132)와 하위 커패시터(134)의 전압을 개별 제어하여 중성점 전압 불균형을 억제하는 것이 가능하게 된다. 이 과정에서 제어부(150)는 중성점 전압 불균형을 억제하기 위한 별도의 알고리즘을 구현할 필요가 없게 되며, 제어부(150)의 CPU 수행 부담을 줄일 수 있다.
각 단상 하프브리지 컨버터(140a, 140b)는 2개의 스위칭 소자(141) 및 2개의 컨버터 커패시터(143)를 포함한다. 2개의 스위칭 소자(141)는 서로 직렬 연결되고, 2개의 컨버터 커패시터(143) 역시 서로 직렬 연결되어 있다. 그리고 스위칭 소자군(직렬 연결된 2개의 스위칭 소자(141))과 컨버터 커패시터군(직렬 연결된 2개의 컨버터 커패시터(143))은 서로 병렬 연결되어 있다. 여기서, 스위칭 소자(141)에는 역병렬 다이오드(142)가 역병렬 접속되어 있을 수 있다.
제어부(150)에서의 스위칭 제어에 따라 계통(20)측 변압기(160)에 연결되는 전원의 극성이 변화하게 되며, 직류 링크단(130)을 통해 발전기측 컨버터(120)로부터 전달된 직류 전력이 교류 전력으로 변환되어 계통(20)에 송전된다.
본 실시예에서 계통측 컨버터(140)가 N(N≥2)개의 직렬 연결된 단상 하프브리지 컨버터인 경우, 발전기측 컨버터(120)는 (N+1)레벨 NPC 컨버터일 수 있다. 예를 들어, 계통측 컨버터(140)가 3개의 직렬 연결된 단상 하프브리지 컨버터인 경우 발전기측 컨버터(120)는 4레벨 NPC 컨버터일 수 있으며, 계통측 컨버터(140)가 4개의 직렬 연결된 단상 하프브리지 컨버터인 경우 발전기측 컨버터(120)는 5레벨 NPC 컨버터일 수 있다.
또한, 이러한 전력 변환 장치(110)는 복수개가 병렬로 구비되어 전력 변환 시스템(100)을 구성할 수도 있다. 이 때 복수의 발전기측 컨버터(120)가 발전기(10)에 병렬로 연결되며, 복수의 계통측 컨버터(140)가 계통(20)에 병렬로 연결되고, 복수의 발전기측 컨버터(120)와 복수의 계통측 컨버터(140) 사이에 직류 링크단(130)이 각각 연결되어 있을 수 있다.
도 4는 기존의 전력 변환 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함되는 소자 수를 비교한 표이다.
도 1에 도시된 것과 같이 기존의 전력 변환 장치(30)에서의 계통측 컨버터(60)는 발전기측 컨버터(40)와 동일하게 3상 3레벨 NPC 컨버터로 이루어져 있으며, 12개의 IGBT와 6개의 클램핑 다이오드를 포함한다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(110)에서의 계통측 컨버터(140)는 복수의 단상 하프브리지 컨버터로 이루어져 있다. 각 단상 하프브리지 컨버터는 스위칭 소자로 2개의 IGBT만을 포함하고 있어, 계통측 컨버터(140)는 총 4개의 IGBT만을 포함한다.
도 4에 도시된 표에서 알 수 있듯이 스위칭 소자의 개수를 비교해보면 기존의 전력 변환 장치(30)는 필요로 하는 IGBT 및 클램핑 다이오드의 개수가 많아 계통측 컨버터(60)의 구성 시 그 비용이 증가되는 단점이 있었다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(110)에서는 클램핑 다이오드가 필요없으며, 4상한 운전이 가능하면서도 스위칭 소자 개수를 4개로 줄일 수 있게 된다. 이로써 클램핑 다이오드 및 일부 스위칭 소자를 없앨 수 있어 시스템 제작 시 소요되는 하드웨어적 비용을 감소시킬 수 있으며, 소프트웨어 적으로 직류 링크단의 전압 불균형을 제어하기 위한 알고리즘을 구현할 필요가 없어 제어부의 CPU 수행 부담을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 1에 도시된 기존의 전력 변환 장치(30)에는 운전 상태에 따라 중성점 불균형 제어 불가능 영역이 존재하게 되지만, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(110)에서는 이러한 영역이 존재하지 않으면서도 안정적인 운전이 가능하여 직류 링크단의 전압을 상대적으로 낮게 가지도록 할 수 있어 시스템 내구성을 강화할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 발전기 20: 계통
110: 전력 변환 장치 120: 발전기측 컨버터
130: 직류 링크단 140: 계통측 컨버터
150: 제어부 160: 변압기
121, 141: 스위칭 소자 122, 142: 역병렬 다이오드
123: 클램핑 다이오드 143: 컨버터 커패시터
132: 상위 커패시터 134: 하위 커패시터
140a, 140b: 단상 하프브리지 컨버터

Claims (10)

  1. 발전기에 연결되고, 멀티레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터;
    상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 직류 링크단; 및
    계통과 상기 직류 링크단 사이에 연결되며, 복수의 단상 하프브리지 컨버터가 직렬 연결된 계통측 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터는 상기 복수의 커패시터에 각각 연결되는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터 각각은 상응하여 연결된 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하며,
    상기 스위칭 소자군은 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자 및 각 스위칭 소자에 역병렬 접속된 역병렬 다이오드를 포함하고,
    상기 컨버터 커패시터군은 직렬 연결된 2개의 컨버터 커패시터를 포함하는 전력 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 복수의 단상 하프브리지 컨버터 각각이 상응하여 연결된 상기 직류 링크단의 커패시터의 전압의 크기를 조절하도록 상기 단상 하프브리지 컨버터에 포함되는 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는,
    상기 발전기에 복수의 발전기측 컨버터가 병렬로 연결되고, 상기 계통에 복수의 계통측 컨버터가 병렬로 연결되며, 상기 복수의 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터 사이에 상기 직류 링크단이 각각 연결되는 전력 변환 장치.
  6. 발전기에 연결되고, 3상 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터;
    상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 직렬 연결된 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 직류 링크단; 및
    계통과 상기 직류 링크단 사이에 연결되며, 2개의 단상 하프브리지 컨버터가 직렬 연결된 계통측 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터가 서로 연결되는 노드는 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터가 만나는 중성점과 연결되는 전력 변환 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터는 상기 상위 커패시터 및 상기 하위 커패시터에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 중 하나는 상응하여 연결된 상기 상위 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하고, 상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 중 다른 하나는 상응하여 연결된 상기 하위 커패시터에 대하여 병렬 연결된 스위칭 소자군과 컨버터 커패시터군을 포함하며,
    상기 스위칭 소자군은 직렬 연결된 2개의 스위칭 소자 및 각 스위칭 소자에 역병렬 접속된 역병렬 다이오드를 포함하고, 상기 컨버터 커패시터군은 직렬 연결된 2개의 컨버터 커패시터를 포함하는 전력 변환 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터와 상기 계통측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 2개의 단상 하프브리지 컨버터 각각이 상응하여 연결된 상기 상위 커패시터의 전압 및 상기 하위 커패시터의 전압의 크기를 조절하도록 상기 단상 하프브리지 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 전력 변환 장치.
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