KR101361865B1 - 메시형 ｈｖｄｃ 전력 전송 네트워크에서의 전력 흐름 제어 - Google Patents

메시형 ｈｖｄｃ 전력 전송 네트워크에서의 전력 흐름 제어 Download PDF

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Abstract

메시형 (meshed) HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 는 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 에 의해 제 1 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션 (1, 2, 3) 을 포함한다. 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 상기 적어도 3 개의 전송 라인들 중 제 1 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된다. 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 상기 제 1 전송 라인 (20) 으로부터 자신의 전력을 취하여 상기 제 1 폐쇄형 경로에서의 DC 전류 분포를 균형있게 유지시킨다.

Description

메시형 ＨＶＤＣ 전력 전송 네트워크에서의 전력 흐름 제어{POWER FLOW CONTROL IN A MESHED HVDC POWER TRANSMISSION NETWORK}
본 발명은 제 1 폐쇄형 경로 내에서 적어도 3 개의 전송 라인들에 의해서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션을 포함하는 메시형 (meshed) HVDC 전력 전송 네트워크에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 네트워크에서 전력 흐름을 제어하는 방법 및 네트워크의 전송 라인들 중 하나의 전송 라인에 접속되도록 배치된 DC 전력 흐름 제어 장치에 관한 것이다.
본 기술 분야에서, HVDC 전력 전송은 2 터미널 HVDC 링크를 통해서 포인트 대 포인트 상호 접속으로 해서 구현되는 것으로 주로 알려져 있다. 이러한 2 터미널 HVDC 링크는, 전력 전송 라인의 각 단부에 하나씩, 2 개의 전력 컨버터 스테이션들을 포함하는 HVDC 전송 시스템이다. 전력 전송 라인들은 통상적으로 단극 라인 (monopolar line) 또는 쌍극 라인 (bipolar line) 이며, 수백 kV에서 천 kV 이상까지의 고 DC 전압에 위치되는 제 1 폴 (pole) 및 접지되어 있거나 반대인 극성의 고 DC 전압에 접속된 복귀 전류용 제 2 폴을 각각 포함한다. 소수의 소위 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 시스템 또는 네트워크들도 역시 실제로 존재하고, 이것들은 다만 2 개보다 많은 컨버터 스테이션 및 1 개보다 많은 전송 라인을 포함한다. 이에 대한 좋은 예는 캐나다의 퀘벡과 미국의 뉴 잉글랜드 사이의 HVDC 전송 네트워크이며, 이것은 세계에서 최초의 대형 스케일 멀티터미널 HVDC 전송 네트워크였다. 이 네트워크는 현재 2 개의 전력 전송 라인을 통해서 직렬 방식으로 상호 접속된 3 개의 컨버터 스테이션을 포함하며 1480 km의 라인 거리를 커버하고 있다. 또한, 컨버터 스테이션들의 선형 상호 접속은 폐쇄형 경로를 포함하는 메시형 네트워크 (meshed network) 및 폐쇄형 경로와 선형 상호 접속을 모두 포함하는 부분 메시형 네트워크와 대조하여, 비메시형 네트워크 (unmeshed network) 로 지칭될 수 있다.
미래에는, 더 먼 거리 및/또는 더 큰 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 필요한 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.
무고장 작동 상태 하에서의 메시형 HVDC 네트워크의 동작은 지금까지 본 기술 분야에서 논의되지 않았다.
본 발명의 목적은 메시형 HVDC 네트워크의 동작이 광범위한 부하 상태에 걸쳐서 보장될 수 있게 하는 방안을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항에 따른 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크, 청구항 제 7 항에 따른 네트워크 및 청구항 제 9 항에 따른 DC 전력 흐름 제어 장치에 의해서 달성된다.
본 발명은 적어도 하나의 폐쇄형 경로를 가진 메시형 HVDC 네트워크에서, 매우 높은 전류 또는 심지어 과전류 보호 기능 및/또는 장치를 거의 트리거 (trigger) 하기에 가까운 전류를 운반하는 전송 라인들을 구제하기 위해서 전력 흐름에 대한 적어도 2 개의 가능한 방식의 가용성을 이용할 수 있다는 사실을 인식한 것에 기초하고 있다. 본 발명에 따르면, 제 1 폐쇄형 경로 내에서 적어도 3 개의 전송 라인들에 의해서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션들을 포함하는 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크에서의 전력 흐름은 적어도 3 개의 전송 라인들 중 제 1 전송 라인에 직렬로 접속된 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치에 상기 제 1 전송 라인으로부터 탭핑 (tapping) 된 전력을 공급하고 상기 제 1 폐쇄형 경로에서의 DC 전류 분포가 균형을 유지하도록 상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치를 제어함으로써 조절된다. 전력 흐름의 균형을 유지시킴으로써, 즉 과부하가 걸린 라인들이 구제되도록 전류를 병렬 접속을 통해서 재라우팅하여 메시형 HVDC 네트워크 내에서의 전류 흐름을 가능한 한 균일하게 분포시킴으로써, 네트워크의 전력 전송 용량이 최적으로 사용되고, 손실이 감소되며, 과전류 보호 장치의 불필요한 개입이 회피된다. 또한, 과전류 보호 장치들에 의해 항상 보호되지는 않는 오버헤드 라인들은, 높은 전류 흐름들의 결과로서 이 오버헤드 라인들의 길이가 늘어남으로 인한 접지 결함을 더 이상 야기하지 않게 된다. 세계적으로 몇몇 사건들에서 발생한 바와 같이, 과부하가 걸린 오버헤드 전송 라인들은 발생된 열의 결과로서 아래로 축 처져서 예를 들어 그들 아래에서 자라고 있는 식물과 같은 접지된 물체와 물리적으로 접촉하게 되는 범위까지 길이가 증가될 수도 있다. 그 결과 발생하는 접지 결함은 대형 정전 사태로 발전될 수 있는 시작점이 될 수 있다. 이러한 정전 사태는, 전류 흐름을 재분배시킬 때에 전송 라인들의 열적 능력을 고려하는 경우, 본 발명에 따라 회피될 수 있다.
메시형 HVDC 전력 전송 네트워크는 중앙 제어 유닛에 의해서 제어되는 것으로 바람직하게 가정된다. 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크는 대형 HVDC 전력 전송 네트워크의 일부이거나 하나 또는 여러개의 AC 전력 전송 네트워크들을 포함하는 혼합형 전력 전송 네트워크의 일부인 독립형 네트워크 또는 서브 네트워크일 수 있다. 따라서, 중앙 제어 유닛은 메시형 HVDC 네트워크가 독립형 네트워크이든 서브 네트워크이든 상관없이 이 메시형 HVDC 네트워크를 단독으로 제어할 수 있고, 또는 중앙 제어 유닛은 대형 HVDC 네트워크 또는 혼합형 네트워크의 일부를 제어할 수 있고, 또는 중앙 제어 유닛은 전체 대형 HVDC 네트워크 또는 전체 혼합형 네트워크를 제어할 수 있다. 중앙 제어 유닛의 임무 중 하나는 제어형 네트워크의 일부이고 특히 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크의 일부인 전송 라인들 중 어떠한 것도 과전류를 운반하지 않도록 보장하는 것이다.
메시형 HVDC 전력 전송 네트워크의 제 1 실시형태에서는, 적어도 3 개의 전송 라인들 중 하나의 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 DC 전류 한계치를 초과하는지의 여부를 검출하고, 만일 초과했다면, 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 적합하게 감소하거나 증가하도록 추가 DC 전압을 제 1 전송 라인에 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치가 주입하도록 개시시키기 위하여 이 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치에 전류 제어 신호를 전송하도록 상기 중앙 제어 유닛이 적응되는 것이 제안된다. 바람직하게는, 이 전류 제어 신호는 주입될 추가 DC 전압의 소망하는 크기 및 부호를 포함하지만, 이 전류 제어 신호는 단지 동일한 폐쇄형 경로 내의 다른 전송 라인들에서의 DC 전류 레벨들의 상태에 대한 일부 정보와 관련된 제 1 전송 라인에 대한 DC 전류 한계치일 수도 있으며, 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 내의 내부 제어 유닛에 주입될 추가 DC 전압의 소망하는 크기 및 부호를 결정할 임무를 남긴다.
본 발명의 더욱 구체적인 실시형태에서는, 제 1 전송 라인의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과한 경우, 상기 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨을 감소시키기 위해서 추가 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인에 주입하도록 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치가 제어된다. DC 전류 한계치는 유리하게는 제 1 전송 라인의 열적 능력 한계치보다 낮게 되고 및/또는 특정 과전류 보호 기능 및/또는 장치를 트리거하는 한계치보다 낮게 선택되어야 한다. 제 1 전송 라인의 단부들에 대한 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치의 상대적 위치에 따른, 네거티브 또는 포지티브 전압 주입은 상기 제 1 전송 라인의 양 단부들 사이의 전압 차를 감소시키는 것을 야기하여서 상기 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨을 감소시키기 때문에, 상기 추가 DC 전압은 네거티브 전압이거나 포지티브 전압일 수 있다. 제 1 실시형태의 다른 구현에서는, 제 1 전송 라인과 병렬 접속을 형성하는 적어도 3 개의 전송 라인들 중 다른 전송 라인들의 DC 전류 레벨이 그들의 DC 전류 한계치 아래에 놓일 경우에는 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 오직 감소 된다. 따라서, 병렬 접속의 전송 라인들은 제 1 전송 라인에서의 전류 레벨이 감소되는 만큼의 전류 차를 확실히 취할 수 있는 능력을 갖는 것이 보장된다. 외부 전원 또는 외부 전력 공급 네트워크 대신에 제 1 전송 라인으로부터 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치로 전력을 공급함으로써, 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치는 임의의 추가적인 인프라스트럭처와 독립적으로 될 수 있으며 이에 의해 네트워크 설계 관점에서 최상이라고 생각되는 위치에 위치할 수 있으며, 심지어 멀어서 거의 접근 불가능한 장소에 위치될 수도 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에서는, 제 1 전송 라인에 대한 병렬 접속에 속하는 하나의 다른 전송 라인의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하면, 제 1 전송 라인으로 추가 DC 전압을 주입하여서 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨을 증가시키도록 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치가 제어된다. 다시 말해, 제 1 전송 라인의 단부들에 대한 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치의 상대적 위치에 따라, 상기 주입되는 추가 DC 전압은 포지티브이거나 네거티브일 수 있다. 제 1 실시형태와 반대로, 제 2 실시형태의 목적은 제 1 전송 라인의 양 단부들 사이의 전압 차를 감소시키는 것이 아니라 그 전압 차를 증가시켜서 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 증가되도록 하는 것이다. 제 1 실시형태에서와 같이, 제 1 전송 라인이 병렬 접속으로부터 일부 전류를 취할 수 있는 능력을 확실히 구비하고 있는지의 여부를 체크하는 것이 유리하다, 즉 제 1 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치 아래에 놓여 있는 경우에는 상기 하나의 다른 전송 라인의 DC 전류 레벨이 오직 감소 된다. 물론, 이 하나의 다른 전송 라인의 DC 전류 레벨의 감소는, 동일한 병렬 접속 내에 직렬로 접속된 모든 다른 전송 라인들에서의 DC 전류 레벨도 역시 감소한다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, HVDC 네트워크가 3 개보다 많은 HVDC 컨버터 스테이션을 포함하며, 한 쌍의 HVDC 컨버터 스테이션은 제 1 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속되고, 한 쌍의 HVDC 컨버터 스테이션은 제 2 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속되며, 하나 또는 몇몇의 HVDC 컨버터 스테이션들은 제 1 폐쇄형 경로 및 제 2 폐쇄형 경로의 역시 일부일 수 있다. 이러한 HVDC 네크워크에서, 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치는 제 2 폐쇄형 경로에 속하는 제 2 전송 라인에 직렬로 접속될 수 있다. 본 발명의 이 다른 실시형태에 따르면, 제 2 전송 라인으로부터 탭핑된 전력이 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치에 공급되고, 이 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치는 제 2 폐쇄형 경로에서의 DC 전류 분포가 균형을 유지하도록 제어된다. 따라서, 전체 네트워크에서의 전류 분포가 균형을 유지하고 최적화되고 이에 의해 네트워크의 전력 전송 용량이 최적으로 사용될 수 있도록 각 폐쇄형 경로들 내에 DC 전력 흐름 제어 장치를 전략적으로 배치시킴으로써 매우 대형이면서 고밀도로 상호접속된 메시형 HVDC 네트워크에서도 전력 흐름을 제어할 수 있게 된다.
메시형 HVDC 전력 전송 네트워크의 특정 실시형태에 따르면, 이 네트워크의 컨버터 스테이션들 각각이 전압 소스 컨버터 (VSC) 를 포함한다. 최근 운영되고 있는 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 방식들은 모두 LCC (line commutated converter) 를 이용하는 고전적인 HVDC 기술을 사용하고 있다. 그러나, 중국의 시안 (Xian) 에서 2006년 9월 23-26일에 개최된 National Power Electronics Conference of China에서 Agelidis 등에 의해서 제시된 "Recent Advances in High-Voltage Direct-Current Power Transmission Systems"에서 기재된 바와 같이, VSC 기술을 기반으로 하는 2 터미널 HVDC 링크들이 점점 많이 시장에 도입되고 있다. 전압 소스 컨버터 (VSC) 는 실제 전력 흐름 방향과 무관하게 동일한 전압 극성으로 동작하므로, 네트워크에서의 전력 흐름은 어떤 스위칭 동작도 필요로 함 없이 양 방향으로 변할 수 있기 때문에 이러한 기술은 멀티-터미널 HVDC에 매우 적합하며 이에 의해 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크에 대해 매우 적합하다.
본 발명의 다른 실시형태들 뿐만 아니라 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 폐쇄형 경로를 포함하는 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크를 나타낸다.
도 2는 제 1 폐쇄형 경로 및 제 2 폐쇄형 경로를 포함하는 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크를 나타낸다.
도 3은 단극 (monopolar) 전송 라인에 대한 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 4는 도 3의 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 1 컨버터를 상세하게 나타낸다.
도 5는 도 3의 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 2 컨버터를 상세하게 나타낸다.
도 6은 쌍극 (bipolar) 전송 라인에 대한 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 7은 멀티-터미널 HVDC 전력 전송 네트워크에서의 전압 강하를 보상하는 방법의 단계들을 나타낸다.
도 8은 단극 전송 라인에 대한 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 2 실시형태를 나타낸다.
도 9는 단극 전송 라인에 대한 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 3 실시형태를 나타낸다.
도 10은 단극 전송 라인에 대한 DC 전력 흐름 제어 장치의 제 4 실시형태를 나타낸다.
도 1은 전송 라인들 (16, 18 및 20) 을 통해서 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션들 (1, 2 및 3) 을 각각 상호 접속시키는, 제 1 폐쇄형 경로로도 지칭되는, 하나의 폐쇄형 경로의 형태로 된 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 를 나타낸다. 전력 흐름은 전류 방향에 대한 화살표로 표시된 바와 같이, 컨버터 스테이션 (2) 에서 컨버터 스테이션들 (1 및 3) 을 향하고 컨버터 스테이션 (3) 에서 컨버터 스테이션 (1) 으로 향한다. 컨버터 스테이션들 (1 및 3) 사이에는, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 전송 라인 (20) 에 직렬 접속되고, 이 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 제 1 폐쇄형 경로에서의 전류 분포를 조정하는 능력을 가지므로 3 개의 전송 라인들 중 어느 전송 라인에서도 과전류가 흐르지 않도록 균형을 이루게 된다. DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 으로부터 직접 전력을 공급받는다. 중앙 제어 유닛 (4) 은 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 의 동작을 제어하고 따라서 점선 이중 화살표로 표시된 바와 같이, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 와 뿐만 아니라 컨버터 스테이션들 (1, 2 및 3) 과도 통신한다.
메시형 HVDC 전력 전송 네트워크를 제어하는 방법이 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 이 방법은 DC 전력 흐름 제어 장치 내에 통합된 제어 유닛 또는 HVDC 네트워크를 감독 및 모니터링하는 중앙 제어 유닛일 수 있는 제어 유닛에 의해서 수행된다. 제 1 단계 (54) 에서, HVDC 네트워크 내의 적어도 하나의 라인의 전류 레벨이 판정되며, 여기서 이 적어도 하나의 라인은 허용 가능한 전류 레벨을 초과할 수 있는 것과 관련하여 중요한 것으로 알려지거나 그렇게 예상되는 라인이다. 제 2 단계 (56) 에서, 이 판정된 전류 레벨이 DC 전류 한계치를 초과하는지의 여부가 판정된다. 이 DC 전류 한계치는 라인 상의 고 전류 레벨을 나타내지만 그 라인의 열적 능력 (thermal capability) 한계치 아래에 놓이고 및/또는 과전류 보호 기능 및/또는 장치를 트리거하는 전류 한계치 아래에 놓이는 전류 한계치이다. 이 전류 한계치 값은 개별 라인 특성에 따라서, 네트워크 내의 각 전송 라인에 대해 상이할 수 있다. 제 1 단계 (54) 에서 판정된 전류 레벨이 전류 한계치를 초과하지 않으면, 이 방법은 제 1 단계 (54) 로 복귀하여서 계속하여 전류 레벨을 모니터링한다. 전류 레벨이 전류 한계치를 초과하면, 제 3 단계(58)에서, 네트워크 내의 병렬 접속이 존재하고 그것이 그 전류의 일부를 취할 수 있는지의 여부, 즉 그 초과 전류 레벨을 갖는 라인에 대한 병렬 접속 또는 병렬 전류가 존재하고 그것이 어느 정도의 남아있는 전류 용량을 가지고 있는지 여부를 체크한다. 이것은 예를 들어 이러한 병렬 접속에 있는 전송 라인들의 전류 레벨을 그들 각각의 전류 한계치와 비교함으로써 판정될 수 있다. 만일 남아있는 전류 용량을 가진 병렬 접속을 발견할 수 없다면, 이 방법은 단계 (54) 로 복귀한다. 그렇지 않다면, 제 4 단계 (60) 에서, 전력이 적어도 하나의 직렬 접속된 DC 전력 흐름 제어 장치에 공급되는 것이 수행된다. 제 5 단계 (62) 에서는, 추가 DC 전압을 HVDC 네트워크에 주입하도록 이 적어도 하나의 DC 전력 흐름 제어 장치가 제어되며, 여기서 이 추가 DC 전압의 크기 및 부호는 DC 전력 흐름 제어 장치가 접속되어 있는 전송 라인 상에서의 전압 차가 그 라인 상의 전류 레벨을 감소시키도록 감소되거나 그 라인 상의 전류 레벨을 증가시키도록 증가되게 선택되며, 그 전류 레벨은 병렬 접속이 가져갈 수 있는 크기만큼만 감소된다.
도 1의 예에서는, 모든 3 개의 라인들 (16,18 및 20) 의 전류 레벨이 판정된다. 이 예에서는, 처음에 전류 분포가 매우 불균형한 것으로 가정되며, 이것이 괄호로 나타낸 전류 레벨로 표시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, HVDC 네트워크 (10) 내에는, 컨버터 스테이션(2)에서 컨버터 스테이션 (1) 으로 전류가 흐를 수 있는 2 개의 병렬 접속들이 존재한다. 전송 라인들 (18 및 20) 에 의해 형성된 제 1 접속 상에서의 전류 레벨은 처음에는 단지 0.6 kA인 반면, 전송 라인 (16) 에 의해 형성된 제 2, 병렬 접속 상에서의 전류 레벨은 처음에는 단지 1.4 kA이다. 모든 3 개의 전송 라인들 (16, 18 및 20) 에 있어서 전류 한계치는 1.1 kA로 설정되는 것으로 가정한다. 따라서, 단계 (56) 에서, 전송 라인 (16) 상에서의 전류 레벨이 너무 높다는 것이 인식된다. 그 결과, 단계 (58) 에서는, 병렬 접속이 어느 정도의 남아있는 전류 용량을 가지는지, 즉, 전송 라인들 (18 및 20) 상에서의 전류 레벨이 그의 전류 한계치 아래에 놓여 있는지와 그 한계치 아래에서 얼마만큼 멀리 놓여 있는지를 체크한다. 전송 라인들 (18 및 20) 의 전류 한계치와 그의 전류 레벨 사이의 차이가 0.5 kA인 것으로부터 인지되는 바와 같이, 이 전송 라인들 (18 및 20) 상에는 남아있는 전류 용량이 충분하기 때문에, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 으로부터 전력을 공급받고, 전송 라인 (20) 내에 추가의 포지티브 전압 (positive voltage) 을 주입하여 컨버터 스테이션들 (3 및 1) 사이의 전압 차가 증가하도록 제어된다. 따라서, 전송 라인 (20) 을 통과하고 이와 동일한 전류 경로에서 직렬로 접속된 모든 다른 전송 라인들을 통과하는, 즉 여기서는 전송 라인 (18) 을 통과하는, 전류는 증가하게 된다. DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 전송 라인들 (18 및 20) 에서의 전류의 흐름 방향으로 향해져 있고 그 전송 라인들에서의 전류가 증가할 것이기 때문에, 추가의 DC 전압은 포지티브 전압일 필요가 있다. 도 1에서, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 의 방향은 이 전력 흐름 제어 장치 (30) 를 나타내는 심볼 상에 도시된 4 분면도 내의 플러스 부호 및 마이너스 부호에 의해서 알 수 있으며, 이것은 포지티브 전압이 상부 좌측에서 하부 우측으로, 즉 도 1의 전송 라인 (20) 상에서 전류가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 주입된다는 것을 나타낸다. 이 배향 (orientation) 은 포지티브 추가 DC 전압의 경우에 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 에 의해서 생성 및 주입되는 전압의 극성을 알려준다. 반대의 경우에, 전송 라인들 (18 및 20) 에서의 전류가 감소되어야 한다면, 전송 라인 (20) 상의 전류를 감소시키기 위해 필요한 추가 DC 전압은 네거티브 전압일 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 전송 라인들 (18 및 20) 상의 전류 레벨이 0.4 kA 만큼 증가하여서, 결과적으로 1 kA 가 모든 세 개의 전송 라인들을 통해서 흐르게 된다, 즉 HVDC 네트워크 (10) 상에서의 전류 분포는 균등하게 균형을 이루게 된다.
도 2에서는, 네트워크 내의 전류 분포를 균형있게 하도록 복수의 DC 전력 흐름 제어 장치들이 2 개 이상의 폐쇄형 경로에서 배열될 수 있는 방식을 설명하기 위해서, 도 1과는 다른 가능한 HVDC 네트워크 토폴로지에 대한 일례를 나타낸다. 이 네트워크는 2 개의 폐쇄형 경로들 (7 및 8) 을 포함하고, 각 폐쇄형 경로는 각각 4 개의 컨버터 스테이션들 (9, 11, 13, 15) 및 (19, 21, 23, 25)을 포함한다. 이 2 개의 폐쇄형 경로들 (7 및 8) 은 컨버터 스테이션들 (13 및 23) 사이의 선형 상호 접속을 통해 상호 접속되어 있으며, 컨버터 스테이션들 (13 및 23) 사이에는 다른 컨버터 스테이션이 존재한다. 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (22) 는 제 1 폐쇄형 경로 (7) 내의 컨버터 스테이션들 (13 및 15) 사이의 전송 라인 (27) 에 직렬로 접속되어서 그 제 1 폐쇄형 경로 (7) 에서의 전류 분포를 균형있게 유지한다. 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치 (24) 는 제 2 폐쇄형 경로 (8) 내의 컨버터 스테이션들 (21 및 23) 사이의 전송 라인 (29) 에 직렬로 접속되어서 그 제 2 폐쇄형 경로 (8) 에서의 전류 분포를 균형있게 유지한다. 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치(22) 및 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치(24)를 통합 방식 (coordinated manner) 으로 제어함으로써, 전류 레벨이 이 폐쇄형 경로들 내부에서 조절될 수 있을 뿐만 아니라 선형 상호 접속 내에서도, 즉 컨버터 스테이션들 (13 및 23) 을 상호 접속하는 전송 라인들 상에서도 조절될 수 있다. 2 개의 DC 전력 흐름 제어 장치들 (22 및 24) 모두는 그들이 접속되어 있는 전송 라인들로부터 직접 전력을 공급받는다.
이러한 라인 공급형 DC 전력 흐름 제어 장치가 구현될 수 있는 방식을 다음에서 기술되는 다양한 실시형태들과 함께 설명하도록 한다.
도 3에는 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 의 제 1 실시형태가 개략적으로 나타나 있다. DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되어 있으며 (도 1 참조) 점선 처리된 박스로서 도시되어 있다. 보다 구체적으로, DC 전력 흐름 제어 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 여기서는 공칭 300 kV 인 높은 DC 전압 레벨로 위치되며, 도 3의 예에서는 단극 (monopolar) 전송 라인이다. 이중 라인으로 표시된 바와 같이, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 절연된 플랫폼 (35) 상에 탑재되어 있다. 플랫폼 (35) 은 전송 라인 (20) 과 동일한 전압 레벨, 즉 300 kV로 접속되는 것이 바람직하다.
DC 전력 흐름 제어 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. 제 1 컨버터 (32) 는 제 1 변압기 (42) , 제 1 전류 밸브 세트 (43) 및 제 1 인덕터 (L1) 를 순서대로 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.
이제 도 3을 다시 참조하면, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는, 제 1 컨버터 (32) 이외에, 본 실시형태에서는 전력 탭핑 지점 (28) 에 접속되어서 전송 라인 (20) 에서의 DC 전류 레벨을 판정하는 전류 검출기 (36) 를 포함한다. 전류 검출기 (36) 는 차례대로 제어 유닛 (38) 에 접속되어 있다. 제어 유닛 (38) 은 프로세서 및 이와 연관된 프로그램 메모리의 사용을 통하여 구현될 수 있고, 전류 검출기 (36) 에 의해서 판정된 전류 레벨을 감소 또는 증가시키기 위해서 전송 라인 (20) 에 주입될 필요가 있는 소망하는 추가 DC 전압을 판정하며 제 1 전류 밸브 세트 (43) 에 인가될 대응 제어 신호들을 계산한다. 제어 유닛 (38) 은 대응 제어 신호들을 전류 밸브의 제어 단자들 (31) 로 전송한다. 주입될 전압은 본 예에서는 통상적으로 전류 밸브들의 위상 앵글의 적절한 변동을 통해 실현될 수 있다. 제어 유닛 (38) 은 제 2 컨버터 (34) 에 또한 접속되어 있으며, 이 제 2 컨버터 (34) 의 구조 및 기능은 이하에서 설명된다.
DC 전력 흐름 제어 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 (1 및 3) 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 차단기 (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, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 도 6에 나타낸 바와 같이 단극 시스템 (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 DC 전력 흐름 제어 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) 및 제 2 방법 단계 (56) 에 따라서 전송 라인 (20) 의 DC 전류 레벨을 연속적으로 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 이 검출된 DC 전류 레벨은 제어 유닛 (38) 을 통해서 중앙 제어 유닛 (4) 으로 전송되며, 그 후에 이 중앙 제어 유닛 (4) 은 추가 DC 전압이 전송 라인 (20) 에 주입될 필요가 있는지 여부 및 만일 그렇다면 그 주입될 추가 DC 전압이 어떤 크기 및 신호를 가져야하는지를 판정한다. 이 검출된 DC 전류 레벨은 중앙 제어 유닛 (4) 으로 전송되고, 도 3에서 블록형 이중 화살표로 표시된 바와 같은 중앙 제어 유닛 (4) 과 제어 유닛 (38) 사이의 양방향 통신 라인을 통해서 소위 전류 제어 신호가 제어 유닛(38)에 의해 중앙 제어 유닛(4)으로부터 수신된다. 중앙 제어 유닛 (4) 은 전류 검출기 (36) 에 의해서 검출된 전류 레벨에 기초하고 또한 전송 라인 (20) 에 대해서 규정된 DC 전류 한계치, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 의 방향, 전송 라인 (20) 과 동일한 폐쇄형 루프에서의 다른 전송 라인들의 실제 DC 전류 레벨 및 대응하는 DC 전류 한계치와 같은 다른 정보에 기초하여서 추가 DC 전압이 주입될 필요가 있는지의 여부 및 어떠한 추가 DC 전압이 주입되어야 하는지를 판정한다. 전송 라인 (20) 또는 이와 동일한 폐쇄형 경로 내에 있는 전송 라인들, 즉 전송 라인들 (16 및 18) 중 하나의 검출된 DC 전류 레벨이 자신의 DC 전류 한계치를 초과하면, 중앙 제어 유닛 (4) 은 추가 DC 전압이 전송 라인 (20) 에 주입될 필요가 있다고 판정한다. 그 경우에, 중앙 제어 유닛 (4) 은 제 3 단계 (58) 에 따라서, 자신의 DC 전류 한계치를 초과하는 전류를 레벨을 갖는 전송 라인에 대해 병렬인 접속의 남은 전류 용량이 일부 전류를 받아들이기에 충분할 것인지 여부를 판정한다. 충분하지 않다면, 이 방법은 단계 (54) 로 돌아가며, 즉 어떠한 동작도 취해지지 않는다.
폐쇄형 경로 내에 어떠한 전류 용량도 남아있지 않는 상황에 대한 다른 솔루션으로서, 중앙 제어 유닛 (4) 은 이 폐쇄형 경로에 속하는 모든 전송 라인들 (16, 18 및 20) 에서의 전류를 감소시킬 것을 결정할 수도 있다. 그 경우에, 중앙 제어 유닛 (4) 은, 단계 (60 및 62) 와는 별도로, 컨버터 스테이션들 (1, 2 및 3) 에 대해서 전체 전류를 감소시킬 것을 요청하는 적합한 제어 신호들을 전송하는 것과 같은 다른 조치를 취해야 한다. 이러한 다른 조치는 본 명세서에서 기술되지 않는다.
병렬 접속에서의 전류 용량이 충분한 경우에는, 초과하는 DC 전류 레벨과 그것의 대응하는 DC 전류 한계치 사이의 차이 및 남은 전류 용량의 크기와 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 의 방향에 따라서, 주입될 추가 DC 전압의 소망하는 크기 및 부호가 중앙 제어 유닛 (4) 에 의해 계산되며, 전류 제어 신호로서 제어 유닛 (38) 에 전송된다. 이러한 방식으로, 단계들 (60 및 62) 에 따라서, DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 제 2 컨버터 (34) 를 통해서 전송 라인 (20) 으로부터 전력을 탭핑 (tapping) 하고 제 1 컨버터 (32) 를 통해서 적합한 전압을 전송 라인 (20) 에 주입하기 시작한다.
이를 달성하기 위해서, 제어 유닛 (38) 은 주입될 추가 DC 전압의 소망하는 크기 및 부호에 따라, 제 2 컨버터 (32) 및 제 1 컨버터 (32) 에 전송할 제어 신호들을 계산하고, 그들이 이 추가 DC 전압을 전송 라인 (20) 에 각각 제공 및 주입하는 것을 개시하도록 이 제어 신호들을 제 2 컨버터 (32) 및 제 1 컨버터 (32) 에 전송한다. 그 다음, 이 추가 DC 전압은 제 1 컨버터 (32) 에 의해서 전력 탭핑 지점 (28) 과 전압 주입 지점 (26) 사이에 주입된다. 보다 구체적으로, 도 7의 제 4 단계 (60) 에 따르는 추가 DC 전압 공급은 제 2 컨버터 (34) 를 통해 전력 탭핑 지점 (28) 에서의 전송 라인(20)으로부터 DC 전력을 탭핑 (tapping) 함으로써 수행된다. 그 다음, 탭핑된 DC 전력은 제 2 컨버터 (34) 및 제 2 변압기 (40) 에 의해서 중간 AC 전력으로 변환되고, 이 중간 AC 전력은 제 1 컨버터 (42) 에 적합한 AC 전압을 인가하도록 제 1 변압기 (42) 에 의해서 더 변환된다. 그 다음, 제 1 컨버터 (32) 의 제 1 전류 밸브 세트 (43) 를 적합하게 스위칭함으로써 추가 DC 전압이 전송 라인 (20) 에 주입되므로, AC 전압이 DC 전압으로 변환되고 DC 전압의 레벨 및 극성은 제어 유닛 (38) 에 의해서 계산된 소망하는 추가 DC 전압의 레벨 및 극성으로 조절된다.
제어 유닛 (38) 이 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 내의 다른 장치들과 통신하는 통신 수단을 구비하는 다른 솔루션에서는, 제어 유닛 (38) 자체가 모든 단계들 (54 내지 62) 을 단독으로 수행하거나 또는 그 단계들이 중앙 제어 유닛 (4) 과 제어 유닛 (38) 사이에서나 심지어 다른 제어 유닛들 사이에서 상술한 바와 같이 다른 방식으로 공유되는 것이 또한 가능할 것이다.
전류 레벨을 조절하기 위해 필요한 전력은 전력 라인 자체로부터 전력을 탭핑하는 것을 통해 제공되기 때문에, 어떠한 외부 전력 공급장치도 필요하지 않게 되며, 이것은 본 발명의 DC 전력 흐름 제어 장치가 멀리 떨어져서 접근 불가능한 위치에 제공될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 직렬 접속된 DC 전력 흐름 제어 장치의 설계는 복수의 방식으로 변형될 수 있으며, 이하 그 일부를 설명하도록 한다.
도 8은 제 2 실시형태인 DC 전력 흐름 제어 장치 (30') 를 나타내고 도 9는 제 3 실시형태인 DC 전력 흐름 제어 장치 (30") 를 나타내며, 양자 모두는 대부분 도 3의 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 와 동일한 구조를 가지며 전송 라인 (20) 상의 역전된 전류 (reversed current) 를 처리하기 위해서 설계되었다. 볼 수 있는 바와 같이, 이들의 제 1 컨버터들 (32' 및 32") 은 도 3의 제 1 컨버터 (32) 와 각각 상이한 한편, 간략화를 위해, 전류 검출기 (36) 및 제어 유닛 (38) 이 DC 전력 흐름 제어 장치 (30' 및 30") 양쪽 모두에 존재하지만 양 도면 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 구성은 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, DC 전력 흐름 제어 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.
DC 전력 흐름 제어 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, DC 전력 흐름 제어 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, 전류 검출기 및 제어 유닛은 DC 전력 흐름 제어 장치의 통합된 부품일 필요는 없지만, 대신에 하나 또는 2 개의 개별 장치로서 제공될 수도 있다. 따라서, 이러한 응용에서, 본 발명은 VSC HVDC 컨버터들의 멀티-터미널 체계에서 적용된다. 그러나, 본 발명은 고전적 LCC HVDC 컨버터들을 갖는 멀티-터미널 체계에서 동등하게 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 에 의해 제 1 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC (High-Voltage Direct Current) 컨버터 스테이션들 (1, 2, 3) 및 상기 적어도 3 개의 전송 라인들 중 제 1 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 를 포함하는 메시형 (meshed) HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 에서 전력 흐름을 제어하는 방법으로서,
    상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하고,
    상기 방법은,
    인버터로서 작용하는 상기 제 2 컨버터 (34) 에 의해, 상기 제 1 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 단계와,
    상기 제 2 컨버터에 의해, 상기 제 1 컨버터 (32) 에 상기 AC 전력을 공급하는 단계와,
    상기 제 1 폐쇄형 경로 내의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록 상기 제 1 전송 라인 (20) 을 제어하기 위해, 상기 제 1 컨버터 (32) 에 의해, 상기 제 2 컨버터로부터 공급된 상기 AC 전력에 기초하여 추가의 포지티브 전압 또는 네거티브 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하는 단계를 특징으로 하는 전력 흐름 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 중 하나의 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는지의 여부가 판정되고,
    상기 DC 전류 레벨이 상기 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하는 것을 개시시켜서 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 상기 DC 전류 레벨이 증가 또는 감소되게 하는, 전력 흐름 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 의 상기 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 DC 전류 레벨을 감소시키기 위해 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 으로 주입하도록 제어되는, 전력 흐름 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 이 속해 있는 접속에 대한 병렬 접속을 형성하는 상기 적어도 3 개의 전송 라인들 중 다른 전송 라인 (16) 에서의 DC 전류 레벨들이 그들의 DC 전류 한계치 아래에 놓일 경우에는 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 DC 전류 레벨이 단지 감소되는, 전력 흐름 제어 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 이 속해 있는 접속에 대한 병렬 접속에 속하는 하나의 다른 전송 라인 (16) 의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는 경우,
    상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 DC 전류 레벨을 증가시키기 위해 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하도록 제어되는, 전력 흐름 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 이 속해 있는 접속의 상기 전송 라인들 (18, 20) 에서의 DC 전류 레벨들이 그들의 DC 전류 한계치 아래에 놓이는 경우에는, 상기 다른 전송 라인 (16) 의 DC 전류 레벨이 단지 감소되는, 전력 흐름 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 3 개 보다 많은 HVDC 컨버터 스테이션들을 포함하고 또한 제 2 폐쇄형 경로 (8) 를 포함하는 HVDC 네트워크에 대해 적용되고,
    상기 방법은,
    - 상기 제 2 폐쇄형 경로 (8) 에 속하는 제 2 전송 라인 (29) 에 직렬로 접속된 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치 (24) 에, 상기 제 2 전송 라인 (29) 으로부터 탭핑 (tapping) 된 전력을 공급하는 단계와,
    - 상기 제 2 폐쇄형 경로 (8) 에서의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록 상기 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치 (24) 를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 제어 방법.
  8. 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 에 의해 제 1 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC (High-Voltage Direct Current) 컨버터 스테이션들 (1, 2, 3) 및 상기 적어도 3 개의 전송 라인들 중 제 1 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속된 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 를 포함하는 메시형 (meshed) HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 로서,
    상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하고,
    상기 제 2 컨버터 (34) 는 인버터로서 작용하여서 상기 제 1 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 상기 제 1 컨버터 (32) 에 공급할 AC 전력으로 변환하도록 구성되고,
    제 1 컨버터 (32) 는 정류기로서 작용하여서, 상기 제 1 폐쇄형 경로 내의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록, 상기 제 2 컨버터로부터 공급된 상기 AC 전력에 기초하여, 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입될 추가의 포지티브 또는 네거티브 DC 전압을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크.
  9. 제 8 항에 있어서,
    중앙 제어 유닛 (4) 을 포함하고,
    상기 중앙 제어 유닛 (4) 은,
    상기 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 중 하나의 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는지의 여부를 검출하고,
    상기 DC 전류 레벨이 상기 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 가 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하는 것을 개시시키기 위하여 전류 제어 신호를 상기 제 1 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 에 전송하여, 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 상기 DC 전류 레벨을 각각 증가 또는 감소시킴으로써 DC 전류 한계치를 초과한 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 감소되게 하도록 구성되는, 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크는, 3 개 보다 많은 HVDC 컨버터 스테이션 및 제 2 폐쇄형 경로 (8) 를 포함하고,
    제 2 DC 전력 흐름 제어 장치 (24) 가 상기 제 2 폐쇄형 경로 (8) 에 속해 있는 제 2 전송 라인 (29) 에 직렬로 접속되며,
    상기 제 2 DC 전력 흐름 제어 장치 (24) 는 상기 제 2 전송 라인 (29) 으로부터 자신의 전력을 취하여 상기 제 2 폐쇄형 경로 (8) 에서의 DC 전류 분포가 균형을 이루게 하는, 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HVDC 컨버터 스테이션들은 각각 전압 소스 컨버터를 포함하는, 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크.
  12. 메시형 HVDC (High-Voltage Direct Current) 전력 전송 네트워크 (10) 의 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 중 제 1 전송 라인 (20) 에 접속되도록 배열된 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 로서,
    상기 메시형 HVDC 전력 전송 네트워크 (10) 는, 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 에 의해 제 1 폐쇄형 경로 내에서 상호 접속된 적어도 3 개의 HVDC 컨버터 스테이션들 (1, 2, 3) 및 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 직렬로 접속되도록 배열된 상기 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 를 포함하고,
    상기 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 직렬로 접속된 제 1 컨버터 (32) 및 상기 제 1 전송 라인 (20) 과 션트 (shunt) 접속된 제 2 컨버터 (34) 를 포함하며,
    상기 제 2 컨버터 (34) 는 인버터로서 작용하여서 상기 제 1 전송 라인 (20) 으로부터의 DC 전력을 상기 제 1 컨버터 (32) 에 공급할 AC 전력으로 변환하도록 구성되고,
    상기 제 1 컨버터 (32) 는 정류기로서 작용하여서, 상기 제 1 폐쇄형 경로 내의 DC 전류 분포가 균형을 이루도록, 상기 제 2 컨버터로부터 공급된 상기 AC 전력에 기초하여, 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입될 추가의 포지티브 또는 네거티브 DC 전압을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 전력 흐름 제어 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 3 개의 전송 라인들 (16, 18, 20) 중 하나의 전송 라인에서의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입함으로써, 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 상기 DC 전류 레벨을 증가 또는 감소시키는, DC 전력 흐름 제어 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 상기 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하여서 상기 제 1 전송 라인 (20) 에서의 상기 DC 전류 레벨을 감소시키는, DC 전력 흐름 제어 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 (20) 이 속해 있는 접속에 대한 병렬 접속에 속하는 하나의 다른 전송 라인 (16) 의 DC 전류 레벨이 그것의 DC 전류 한계치를 초과하는 경우, 상기 DC 전력 흐름 제어 장치 (30) 는 추가의 DC 전압을 상기 제 1 전송 라인 (20) 에 주입하여서 상기 제 1 전송 라인에서의 상기 DC 전류 레벨을 증가시키는, DC 전력 흐름 제어 장치.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 컨버터 (32) 는 그것의 컨버터 전류의 방향을 역전시키도록 배열된, DC 전력 흐름 제어 장치.
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