KR101507560B1 - 구성 가능한 하이브리드 컨버터 회로 - Google Patents

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알스톰 그리드 유케이 리미티드
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Abstract

고전압 DC 전력 전송 및 무효 전력 보상에 적합한 하이브리드 전압 소스 컨버터를 위한 회로(22). 상기 회로(22)는 전기적으로 상호 연결되어 있는, 복수의 제1 요소들(요소들 1-6) 및 복수의 제2 요소들(요소들 7-20)을 포함하는 요소들(요소들 1-20)의 어셈블리를 포함한다. 상기 제1 및 제2 요소들 각각은 바이패스되거나, 연결되지 않거나, 또는 하나 이상의 전자 소자들의 회로 배치를 포함하도록 구성 가능하여 적어도 하나의 제1 요소 및 적어도 하나의 제2 요소를 포함하는 하이브리드 전압 소스 컨버터를 구성하고, 상기 또는 각각의 제1 요소에 포함되는 상기 회로 배치는 상기 또는 각각의 제2 요소에 포함되는 상기 회로 배치와 상이하다.

Description

구성 가능한 하이브리드 컨버터 회로{Configurable hybrid converter circuit}
본 발명은 고전압 DC(direct current) 전력 전송(power transmission) 및 무효 전력(reactive power) 보상에 적합한 하이브리드 전압 소스 컨버터를 위한 회로에 관한 것이다.
전력 전송 네트워크들에서, 가공 선로(overhead line)들 및/또는 해저 케이블들을 통한 전달을 위해 AC(alternating current) 전력이 DC 전력으로 변환되는 것이 일반적이다. 이러한 변환은 전송 선로 또는 케이블에 의해 발생하게 되는 AC 용량성 부하 효과(AC capacitive load effect)들을 보상할 필요성을 제거하고, 그렇게 함으로써 선로들 및/또는 케이블들의 킬로미터당 비용을 감소시킨다. 따라서 장거리를 통해 전력이 전달될 필요가 있을 때, AC로부터 DC로의 변환은 비용 효율이 높아진다.
또한, AC 전력으로부터 DC 전력으로의 변환은, 다른 주파수들에서 동작하는 AC 네트워크들을 상호 연결할 필요가 있는 전력 전송 네트워크들에서 이용된다.
이러한 임의의 전력 전송 네트워크에서, 컨버터들은 AC 및 DC 전력 사이의 각 인터페이스에서 요구되는 변환을 야기하기 위해 필요하며, 이와 같은 유형의 컨버터의 하나가 전압 소스 컨버터(VSC)이다.
전압 소스 컨버터들은 반도체 기술을 기반으로 전류의 흐름을 제어하는 스위치들을 이용할 수 있다. 일시적인 에너지 저장을 제공하는 수동 소자들과 결합될 때, 신속하게 동작하는 이 스위치들의 능력은 실제로 임의의 유형에 있는 전력이 최소의 손실들과 함께 다른 유형으로 변환되는 것을 가능하게 한다.
그러한 전력 변환을 효율적이고 간편하게 만드는 것의 주안점은 동작 주파수 증가에 대한 개발에 집중되어 왔고, 수동 소자들의 크기가 감소될 수 있었다.
고전압들과 관련된 전력 변환 장치에 대해, 고주파수 스위칭은 절연에 높은 스트레스를 유발하기 때문에 바람직하지 않고, 직렬 반도체 스위치들은 가장 열등한 스위치들의 동작 파라미터들 내에서 동작하도록 구성되어야 한다. 따라서 컨버터 손실들은 과장되게 된다.
전력 변환 장치 내 커패시터들 및 인덕터들과 같은 수동 소자들의 크기는, 전압 변화 억제 및 전류 흐름 조절을 포함하는 다양한 과제(task)에 부합하기 위해 일반적으로 크다. 게다가 전력 변환 방식(scheme)의 크기는 또한, 안전 목적으로 컨버터 주위에 제공되는 전기 절연재(electrical insulation) 또는 보호용 도전 차폐(conductive shield)들에 의해 증가될 수 있다. 컨버터들의 크기 및 무게는 또한 HVDC 스테이션이 차지하는 공간(footprint)에 영향을 미치고, 부동산(real estate)의 높은 비용 때문에 많은 비용이 들 수 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 것과 같이, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate bipolar transistors; IGBT)(114)을 포함하는 6-스위치 (2-레벨) 및 3-레벨 컨버터 토포로지(topology)들(110, 112)을 사용하는 전압 소스 컨버터들이 공지되어 있다. IGBT 장치들(114)은 직렬 연결되어 있고 함께 스위치되어, 수십에서 수백 MW의 고전력 레이팅(rating)의 구현을 가능하게 한다.
그러나 이러한 종래의 접근은 복잡하고 활성화된(active) IGBT 구동(drive)을 필요로 할 수 있고, 변환기가 스위칭되는 동안 IGBT 장치들(114)의 직렬 스트링들(series strings)에 걸쳐 고전압이 적절하게 분배(share)되는 것을 보장하기 위해 일반적으로 큰 수동 스너버(snubber) 소자들을 필요로 한다. 게다가, IGBT 장치들(114)은 AC 네트워크로 피드백되는 고조파(harmonic) 전류들을 제어하기 위해 AC 공급 주파수의 각 사이클 동안 고전압에서 여러 번 스위치 온 및 오프될 필요가 있다. 이러한 요인들은 높은 손실, 높은 레벨의 전자기 간섭 및 복잡한 설계를 유발한다.
도 2에 도시된 것과 같은 다중 레벨 컨버터 배치(116)를 사용하는 전압 소스 컨버터들이 또한 공지되어 있다. 이러한 종래 다중 레벨 컨버터(116)에서, 컨버터 브리지들 또는 셀들(118)은 직렬 연결되어 있고, 각 셀(118)은 다른 시간에 스위치된다.
종래 다중 레벨 컨버터 배치(116)는 직렬 연결되어 있는 IGBT 장치들(114)의 직접 스위칭과 관련된 문제들을 제거한다. 개개의 셀들(118)이 동시에 스위치되지 않고, 컨버터 전압 계단(voltage step)들이 비교적 작기 때문이다. 그러나 각 셀(118)은 기본 주파수(fundamental frequency)를 전달하는 큰 DC 링크(link) 커패시터(120) 및 직류(direct current) 소자들을 필요로 한다. 6개의 DC측(DC side) 리액터들(122)은 컨버터 림(limb)들의 병렬 연결 및 동작을 가능하게 하기 위해 필요하며, 주로 컨버터 림들 사이의 과도 전류(transient current) 흐름을 제한하기 위해 사용된다. 이러한 요인들은 현저한 양의 저장된 에너지를 갖는 비싸고 크며 무거운 장치를 유발한다. 이는 장치의 프리 어셈블리(pre-assembly), 테스팅 및 운반을 어렵게 만든다.
WO 02/063758는 공지된 모든 전압 소스 컨버터들과 같이 AC(Alternating Current)측 단락 회로 이벤트(event)에 대응하는 능력을 갖고 있는 전압 소스 컨버터를 개시한다. WO 02/063758의 컨버터는, 컨버터 AC측 단자 전압이 거기에 부착되는 AC 네트워크의 것과 같아지도록 감소시키기 위해, 그것의 반도체 스위치들을 스위치할 수 있어, 컨버터 내에 흐르는 오류 전류를 제한하고 제어할 수 있다. 그렇지 않으면, WO 02/063758의 컨버터는, 컨버터 내의 오류 전류 흐름을 차단하기 위해, 그것의 반도체 스위치들을 스위치 오프할 수 있다. 이런 상황 아래에서, WO 02/063758의 컨버터는 DC(Direct Current)측 전압이 AC측 전압보다 높은(즉, 반도체 스위치들 각각과 연관된 다이오드가 역바이어스된) 다이오드 정류기와 같이 동작하여, 오류 전류가 제거된다.
DE 195 35　552 A1은 자기전류형 인버터(self-commutated inverter)를 개시하고, 개시된 자기전류형 인버터는 그것의 기본 전력(fundamental power) 생산량(yield)이 장치를 포함함으로써 증가되는 용량성 저장 배치(capacitive store arrangement)를 갖는다. 이에 따라 인버터의 출력은 장치로 제공되고, 장치는 용량성 저장기(capacitive sotre) 및 스위칭 장치로 구성되는, 위상(phase)마다 적어도 하나의 단일-위상 캐스케이드(cascade)를 포함한다. 용량성 저장기는 임의로 위상에 연결되거나, 위상으로부터 분리될 수 있다. 인버터 및 장치와 함께 사용되는 스위칭 장치들은 GTO 사이리스터들을 포함할 수 있다.
DE 101 03　031 A1은 전류 정류 회로를 개시하고, 개시된 전류 정류 회로는, 유니폴라 커패시터들을 포함한 스위칭 가능한 에너지 저장기(store)들을 포함하는 단일 또는 다중-위상 전압 소스 인버터들을 포함하여, 과전압 상태들 동안 에너지를 사용할 수 있고, 단락 회로들 및 다른 제어되지 않는 에너지 방출을 방지할 수 있다. 단일 또는 다중-위상 전압 소스 컨버터들을 포함하는 전류 정류 회로는 유니폴라 커패시터 형태의 스위칭 가능한 내부 에너지 저장기들을 포함하는 접속-호환 가능한(connection-compatible) 트리폴라 유닛들(tripolar units)로 대체되는 위상 블록들을 포함한다. 따라서 과전압 상태들 동안 에너지가 사용되고, 제어할 수 없는 에너지 방출(특히, 단락 회로들)이 방지되고, P 단자 및 N 단자 사이에 주어진 커패시턴스 및 대체 유닛들(substitute units)의 에너지 함량(energy content)이 설정될 수 있다. 이 문서는 또한 위의 회로를 제어하기 위한 프로세스를 개시한다.
WO 2007/028 349는 전자 에너지 전달을 위한 적어도 하나의 전류 컨버터를 포함하는 장치에 관한 것이다. 모든 전류 컨버터는 위상 요소들 및 에너지 저장 수단들을 포함하고, 위상 요소들은 각각 적어도 2개의 턴-오프 전력 컨덕터(conductor)들 및 여기에 각각 병렬로 연결된 적어도 2개의 환류(free-wheeling) 다이오드들을 포함하는 회로 요소들의 배치(arrangement)들을 포함한다. 발명의 목적은 전력 분배 네트워크들 내 또는 사이의 전달 특성들(properties)을 개선하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 장치는 전류 컨버터를 제어하기 위한 수단들을 제공하는데, 장치에 연결될 수 있는 전달 네트워크의 교류(alternating current) 및/또는 적어도 하나의 전류 컨버터를 직류(direct current) 소스 및/또는 직류 전압에 연결하는 직류 선로(direct current line)의 직류의 에폭(epoch), 진폭 및/또는 순시값들(instantaneous value)과 같은 방법으로 제공되고, 직류는 적어도 3개의 상호 연결된 전류 컨버터들로 제어될 수 있다.
GB 2　418　079 A는 HVDC(high voltage direct current) 컨버터로 동작 가능하고, SVC(static var compensator)로 동작하도록 변환 가능한 HVDC 장치(installation)를 개시한다. 상기 장치는 AC 입력; DC 출력; 상기 AC 입력 및 상기 DC 출력 사이에 병렬로 연결되어, 브리지들의 모든 사이리스터 레벨들이 사용되는 제1 및 제2 그레츠(Graetz) 브리지들, 상기 DC 출력에 연결되지 않도록 동작 가능하여, 하나 또는 양 브리지들은 TDR(thyristor controlled reactor)를 형성하고, 브리지들의 감소된 개수의 사이리스터 레벨들이 사용되는 하는 스위치 회로; 및 상기 DC 출력이 연결되지 않으면, 상기 AC 입력에 의해 제공되는 입력 전압의 크기를 감소시키는 수단들을 포함한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 고전압 DC 전력 전송 및 무효 전력 보상에 적합한 하이브리드 전압 소스 컨버터를 위한 회로가 제공되며, 상기 회로는 전기적으로 상호 연결되어 있는, 복수의 제1 요소들 및 복수의 제2 요소들을 포함하는 요소들의 어셈블리를 포함하고, 상기 회로는 사용 시 AC 네트워크에 연결 가능한 AC 단자들 및 사용 시 DC 네트워크에 연결 가능한 DC 단자들을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 요소들의 제1 집합은 상기 AC 단자들 및 상기 복수의 제1 요소들 사이에 연결되어 있고, 상기 복수의 제2 요소들의 제2 집합은 상기 복수의 제1 요소들 및 상기 DC 단자들 사이에 상호 연결되어 있고, 상기 회로는 상기 제1 및 제2 요소들 각각이 바이패스되거나, 연결되지 않거나, 또는 하나 이상의 전자 소자들의 회로 배치를 포함하도록 구성되는 것을 가능하게 하여 사용 시 적어도 하나의 제1 요소 및 적어도 하나의 제2 요소를 포함하는 하이브리드 전압 소스 컨버터를 구성하고, 상기 또는 각각의 제1 요소에 포함되는 상기 회로 배치는 상기 또는 각각의 제2 요소에 포함되는 상기 회로 배치와 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 회로는 적어도 2개의 다른 회로 배치들이 서로 연결되어 있는 전압 소스 컨버터 구조의 구현을 가능하게 하여, 각각의 회로 배치들마다 다른 장점을 가지는 하이브리드 구조의 구현을 가능하게 한다. 이러한 장점들은 사용되는 실제 회로 배치들에 따라, DC 링크 커패시턴스의 감소, DC측 리액터들의 감소, 직렬 IGBT 컨버터 소자들의 단순화 및 에너지 손실의 감소를 포함할 수 있다.
전기적으로 상호 연결되어 있는 요소들의 어셈블리는 하이브리드 전압 소스 컨버터 구성을 위한 유연한 회로 구조를 효과적으로 형성하여, 그러한 전력 컨버터들의 설계자가 바이패스되거나 다른 요소들과 연결되지 않는 선택된 요소들로 표준(standard) 회로 배치들을 포함하는 것을 가능하게 하고, 따라서 전압 소스 컨버터의 여러 가지 다른 가능한 구조들이 제작되는 것을 용이하게 한다.
따라서 본 발명의 회로는 특정 전력 변환 문제에 대해 최선의 가능한 구조를 확인하기 위한 효과적인 수단을 제공하는데, 전압 소스 컨버터의 다수의 다른 구조들이 조사, 비교 및 최적화를 빠르게 받는 것을 가능하게 하기 때문이다. 따라서 컨버터 설계를 개발하기 위해 요구되는 시간이 단축되는 것을 가능하게 한다.
전기적으로 상호 연결되어 있는 소자들의 어셈블리에 의해 제공되는 유연성은 상기 회로를 포함하는 하이브리드 소스 컨버터가 다른 AC 및 DC 네트워크들의 요구들에 대응하는 것을 가능하게 한다.
이러한 배치는 상기 회로의 유연성을 극대화하는데, 하나 이상의 제2 요소들이 AC 전력선들 및/또는 DC 전력선들에 포함되는 것을 가능하게 하기 때문이다.
상기 회로의 유연성을 좀 더 극대화하기 위해, 상기 복수의 제2 요소들의 제3 집합은 바람직하게는 상기 복수의 제2 요소들의 상기 제2 집합에 의해 형성되는 중립 포인트 연결들 및 상기 DC 단자들 사이에 상호 연결되어 있다.
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본 발명의 실시예들에서, 상기 제1 요소들 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들을 포함하도록 구성 가능하다.
그러한 배치는 하이브리드 전압 소스 컨버터에서 0에 가까운 전압의 구현 및 또는 직렬로 연결되어 있는 반도체 스위치들의 전류 스위칭을 가능하게 하고, 스위칭 손실을 감소시킬 수 있고, 동적 및 정상-상태 전압 분할(dynamic and steady-state voltage sharing)을 제어하기 위해 필요한 하드웨어를 단순화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 제1 요소들 각각은 다중 레벨 컨버터 요소를 형성하도록 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들을 포함하도록 구성 가능하여, 하이브리드 전압 소스 컨버터의 다른 요소들에 영향을 미치지 않고 다중 레벨 컨버터의 구현을 가능하게 한다.
상기 제2 요소들 각각은 바람직하게는 다음을 포함하도록 구성 가능하다:
- 명목상(nominally) 고정된 전압 소스를 제공하기 위한 적어도 하나의 에너지 저장 장치; 및/또는
- 적어도 하나의 모듈, 상기 또는 각각의 모듈은 사용 시 제어 가능한 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들에 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함하여, 지속적으로 변경 가능한 전압 소스를 제공한다.
바림직하게는, 실시예들에서, 상기 제2 요소들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 모듈을 포함하도록 구성 가능하고, 상기 또는 각각의 제2 요소들은 체인-링크 컨버터 요소를 형성하도록 직렬 연결되어 있는 복수의 모듈들을 포함하도록 구성 가능하다.
그러한 실시예들에서, 스위칭을 위한 회로 경로(circulating path)는 상기 모듈 내부에 포함되어, 최소 자기-인덕턴스(self-inductance)를 제공하고, 스위칭 동작을 좀 더 효과적으로 만든다.
상기 또는 각각의 모듈은 하프-브리지 배치에서 한 쌍의 반도체 스위치들에 병렬로 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있어, 0 또는 양의 전압을 생성할 수 있고, 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 2-사분면(2-quadrant) 유니폴라 모듈을 형성한다.
다른 실시예들에서, 상기 또는 각각의 모듈은 풀-브리지 배치에서 두 쌍의 반도체 스위치들에 병렬로 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있어, 0, 양 또는 음의 전압을 생성할 수 있고, 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 4-사분면(4-quadrant) 바이폴라 모듈을 형성한다.
상기 또는 각각의 에너지 저장 장치는 보조 전력 버스에 연결되어 있을 수 있어, 전압 균형(voltage balance)을 유지하기 위해 유효 전력이 각 에너지 저장 장치로 또는 각 에너지 저장 장치로부터 전달되는 것을 가능하게 한다.
다른 실시예들에서, 상기 에너지 저장 장치를 리셋하기 위해, 상기 또는 각각의 에너지 저장 장치는 외부 전압 소스에 일시적으로 연결 가능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 또는 각각의 에너지 저장 장치는 커패시터이고, 에너지를 저장하기 위해 충전될 수 있고, 전압 계단(voltage step)을 제공하기 위해 회로 내부에 삽입될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 또는 각각의 에너지 저장 장치는 배터리, 연료 전지, 광전지 또는 AC 발전기-정류 소스일 수 있고, 각각은 전압 균형을 유지하기 위해 전력이 상기 에너지 저장 장치로 또는 상기 에너지 저장 장치로부터 전달되는 것을 가능하게 한다.
임의의 제1 및 제2 요소들에 포함되는 반도체는 바람직하게는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 게이트 턴-오프 사이리스터 또는 전계 효과 트랜지스터의 형태로 제공된다.
전압 소스 컨버터에서 반도체 스위치들의 사용은 이점이 있는데, 그러한 장치들은 크기 및 무게가 작고, 상대적으로 낮은 전력 소실(dissipation)을 가져 냉각 장비에 대한 필요성을 최소화하기 때문이다. 따라서 전력 컨버터 가격, 크기 및 무게에서 커다란 감소를 유발한다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 후술되는데, 이 실시예들은 권리를 제한하지 않는 예들이다.
도 1a 및 도 1b는 HVDC 전력 전송을 위한 2개의 종래 기술의 전압 소스 컨버터들의 도식적인 도면이다.
도 2는 HVDC 전송을 위한 다른 종래 기술의 전압 소스 컨버터의 도식적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로의 도식적인 도면이다.
도 4a는 직렬로 연결되어 있는 반도체 스위치들을 포함하도록 구성되는 제1 요소를 도시한다.
도 4b는 다중 레벨 컨버터 요소를 형성하기 위해 연결되어 있는 반도체 스위치들을 포함하도록 구성되는 제1 요소를 도시한다.
도 5a는 2-사분면(2-quadrant) 유니폴라 모듈을 도시한다.
도 5b는 4-사분면(4-quadrant) 바이폴라 모듈을 도시한다.
도 6은 체인-링크 컨버터를 형성하기 위해 직렬로 연결되어 있는 복수의 모듈들을 포함하도록 구성되는 제2 요소의 도식적인 도면이다.
도 7은 도 6의 체인-링크 컨버터를 사용하는 50Hz 파형의 합성(synthesis)을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 구성된 제1 하이브리드 전압 소스 컨버터를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따라 구성된 제2 하이브리드 전압 소스 컨버터를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따라 구성된 제3 하이브리드 전압 소스 컨버터를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 구성된 제4 하이브리드 전압 소스 컨버터를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따라 구성된 제5 하이브리드 전압 소스 컨버터를 도시한다.
고전압 DC 전력 전송 및 무효 전력 제어에 적합한 하이브리드 전압 소스 컨버터를 위한 회로(22)가 도 3에 도시된다. 회로(22)는 전기적으로 상호 연결되어 있는 요소(element)들의 어셈블리(assembly)을 포함하고, 상기 요소들은 복수의 제1 요소들(요소들 1-6) 및 복수의 제2 요소들(요소들 7-20)을 포함한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 요소들은 상호 연결되어 3개의 컨버터 림(limb)들(24, 26, 28)을 형성하고, 각각의 림은 제1 연결 포인트(30) 및 제2 연결 포인트(32) 사이에서 확장된다.
좀 더 구체적으로, 요소들(1, 2, 11, 16)은 제1 컨버터 림(24)의 제1 및 제2 단자(30, 32) 사이에 직렬 연결되어 있고, 요소(11)의 제1 단(end)(11a)은 제1 연결 포인트(30)에 연결되어 있고, 요소(11)의 제2 단(11b)은 요소(1)에 연결되어 있다. 요소(16)의 제1 단(16a)은 제2 연결 포인트(32)에 연결되어 있고, 요소(16)의 제2 단(16b)은 요소(2)에 연결되어 있다. 요소들(1, 2)은 제1 컨버터 림(24)의 중간 포인트(34)에서 서로 연결되어 있고, 중간 포인트(34)는 또한 요소(9)의 제1 단(9a)에 연결되어 있다. 요소(9)의 제2 단(9b)은 AC 네트워크에 연결하기 위한 AC 단자(36a)에 연결되어 있다.
요소들(3 4, 12, 15)은 제2 컨버터 림(26)의 제1 및 제2 단자(30, 32) 사이에 직렬 연결되어 있고, 요소(12)의 제1 단(12a)은 제1 연결 포인트(30)에 연결되어 있고, 요소(12)의 제2 단(12b)은 요소(3)에 연결되어 있다. 요소(15)의 제1 단(15a)은 제2 연결 포인트(32)에 연결되어 있고, 요소(15)의 제2 단(15b)은 요소(4)에 연결되어 있다. 요소들(3, 4)은 제2 컨버터 림(26)의 중간 포인트(38)에서 서로 연결되어 있고, 중간 포인트(38)는 또한 요소(8)의 제1 단(8a)에 연결되어 있다. 요소(8)의 제2 단(8b)은 AC 네트워크에 연결하기 위한 AC 단자(36b)에 연결되어 있다.
요소들(5, 6, 13, 14)은 제3 컨버터 림(28)의 제1 및 제2 단자(30, 32) 사이에 직렬 연결되어 있고, 요소(13)의 제1 단(13a)은 제1 연결 포인트(30)에 연결되어 있고, 요소(13)의 제2 단(13b)은 요소(5)에 연결되어 있다. 요소(14)의 제1 단(14a)은 제2 연결 포인트(32)에 연결되어 있고, 요소(14)의 제2 단(14b)은 요소(6)에 연결되어 있다. 요소들(5, 6)은 제3 컨버터 림(28)의 중간 포인트(40)에서 서로 연결되어 있고, 중간 포인트(40)는 또한 요소(7)의 제1 단(7a)에 연결되어 있다. 요소(7)의 제2 단(7b)은 AC 네트워크에 연결하기 위한 AC 단자(36c)에 연결되어 있다.
제1 내지 제3 컨버터 림들(24, 26, 28) 각각의 제1 연결 포인트(30)는 요소(17)의 제1 단(17a)에 연결되어 있다. 제1 내지 제3 컨버터 림들(24, 26, 28) 각각의 제2 연결 포인트(32)는 요소(20)의 요소(20)의 제1 단(20a)에 연결되어 있다.
요소들(17, 18, 19, 20)은 직렬 연결되어 있고, 요소(17)의 제2 단(17b)은 요소(18)의 제2 단(18b)에 연결되어 있고, 요소(18)의 제2 단(18a)은 요소(19)의 제1 단(19a)에 연결되어 있고, 요소(19)의 제2 단(19b)은 요소(20)의 제2 단(20b)에 연결되어 있다.
제1 DC 단자(42a)는 요소들(17, 18) 사이의 중간 포인트(44)에 연결되어 있고, 제2 DC 단자(42b)는 요소들(19, 20) 사이의 중간 포인트(46)에 연결되어 있다.
마지막 요소(요소 10)는 AC 단자(36d) 및 요소들(18, 19) 사이의 중간 포인트(48) 사이에 연결되어 있고, 요소(10)의 제1 단(10a)은 중간 포인트(48)에 연결되어 있고, 요소(10)의 제2 단(10b)은 AC 단자(36d)에 연결되어 있다.
따라서 회로(22)는 다음을 포함한다:
- AC 단자들(36a-36c) 및 제1 요소들(요소들 1-6)의 AC측(AC side) 사이에 연결되어 있는, 제2 요소들 중 제1 집합(요소들 7-9);
- 제1 요소들(요소들 1-6)의 DC측(DC side) 및 제2 요소들 중 제3 집합(요소들 17-20) 사이에 연결되어 있는, 제2 요소들 중 제2 집합(요소들 11-16); 및
- 제2 요소들 중 제2 집합(요소들 11-16)의 중립 포인트(neutral point) 연결들(30, 32) 및 DC 단자들(42a, 42b) 사이에 연결되어 있는, 제2 요소들 중 제3 집합(요소들 17-20).
하이브리드 전압 소스 컨버터를 구성하는 회로(22)의 사용 동안, 제1 및 제2 요소들 각각은 바이패스(bypass)되거나, 연결되지 않거나, 또는 하나 이상의 전자 소자(electronic component)들의 회로 배치(circuit arrangement)를 포함하도록 구성 가능하다.
도 3에 도시된 실시예에서, 제1 요소들(요소들 1-6) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(50, 도 4a)을 포함하도록 구성 가능하고, 하이브리드 전압 소스 컨버터에서 0에 가까운(near zero) 전압의 구현 및 또는 반도체 스위치들(50)의 전류 스위칭을 가능하게 할 수 있다.
다른 실시예들에서, 제1 요소들(요소들 1-6) 각각은 다중 레벨 컨버터 요소를 형성하도록 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(52, 도 4b)을 포함할 수 있어, 다른 요소들에 영향을 미치지 않고 다중 레벨 컨버터의 구현을 가능하게 한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 제2 요소들(요소들 7-20) 각각은 고정 커패시터(fixed capacitor, 54), 하나 이상의 유니폴라 모듈(unipolar module, 56) 및/또는 하나 이상의 바이폴라 모듈(bipolar module, 58)을 포함하도록 구성 가능하다.
도 5a를 참고하면, 0 또는 양(positive)의 전압을 생성할 수 있고 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 하프-브리지 배치(half-bridge arrangement)에서, 유니폴라 모듈(56)은 한 쌍의 반도체 스위치들(62)에 병렬로 연결되는 커패시터(60)를 포함한다.
도 5b를 참고하면, 0, 양(positive) 또는 음(negative)의 전압을 생성할 수 있고 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 풀-브리지 배치(full-bridge arrangement)에서, 바이폴라 모듈(58)은 두 쌍의 반도체 스위치들(66)에 병렬로 연결되는 커패시터(64)를 포함한다.
제2 요소들 각각은 하나 이상의 고정 커패시터(54) 또는 직렬 연결되어 있는 유니폴라 모듈들(56)의 체인(chain) 또는 직렬 연결되어 있는 바이폴라 모듈들(58)의 체인을 포함하도록 구성되는 것이 예상된다.
또한, 제2 요소들 각각은 전력 변환 요청들(power conversion requirements)에 따라 고정 커패시터들(54) 및/또는 유니폴라 모듈들(56) 및/또는 바이폴라 모듈들(58)의 조합(combination)을 포함하도록 구성될 수 있는 것이 예상된다.
직렬 연결되어 있는 유니폴라 모듈들(56) 또는 바이폴라 모듈들(58)의 체인의 사용은 하이브리드 전압 소스 컨버터 내에 체인-링크 컨버터(chain-link converter, 68, 도 6)의 포함을 가능하게 한다. 체인-링크 컨버터(68)는 직렬의 모듈들(M1,M2,M3….Mn)을 포함하고, 각 모듈들(M1,M2,M3….Mn)은 충전된(charged) 커패시터(70)를 포함한다. 연속적으로 가변하는 전압 소스를 생성하기 위해, 충전된 커패시터(70)는 바이패스될 수 있거나, 하나 이상의 쌍의 반도체 스위치들(72)을 이용하여 순방향(forward direction) 또는 역방향(reverse direction)으로 직렬 연결될 수 있다.
반도체 스위칭을 위한 회로 경로(circulating path)는 각 모듈(M1,M2,M3….Mn) 내부에 포함되어, 최소 자기-인덕턴스(self-inductance)를 유도하고, 스위칭 동작을 좀 더 효과적으로 만든다.
복수의 바이폴라 모듈들을 포함하는 체인-링크 컨버터의 사용은 도 7에 예시되어 있고, 여기서 50Hz 전력 파형은 각 모듈들의 스위칭을 스태거링(staggering)함으로써 합성된다. 많은 스위칭 동작들이 발생하더라도, 그들은 각 모듈 내에서 포함되고, 스위칭 동작들의 개수는 전력 전압의 주파수만큼 낮을 수 있다.
하이브리드 전압 소스 컨버터의 구성 동안, 체인-링크 컨버터를 포함하는 하나 이상의 제2 요소들의 구성은 바람직하다. 왜냐하면 하이브리드 전압 소스 컨버터 사용 동안 DC측 오류 이벤트(event)에서, 체인-링크 컨버터가 컨버터의 AC측으로부터의 임의의 구동 전압에 반대(oppose)되는 전압 계단들을 생성하기 위해 사용될 수 있어, 어떤 오류 전류도 제거할 수 있기 때문이다.
바람직하게는 반도체 스위치들(50, 52, 62, 66)은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate bipolar transistors), 게이트 턴-오프 사이리스터(thyristor)들, 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor)들 또는 임의의 유사한 자려식 전류(self-commutated) 반도체 스위치로부터 구성된다.
하이브리드 전압 소스 컨버터를 구성하는 동안 회로(22)의 제1 및 제2 요소들이 구성 가능한데, 적어도 하나의 제1 요소(요소들1-6)는 적어도 하나의 제2 요소(요소들 7-20)에 연결되고, 그렇게 연결된 제1 및 제2 요소들 내에 포함되는 회로 배치는 상이하다.
도 3에 도시된 회로(22)를 사용하여 구성된 제1 하이브리드 전압 소스 컨버터(74)는 도 8에 도시되어 있다.
하이브리드 전압 소스 컨버터(74)는 3개의 AC 단자들(36a-36c) 및 한 쌍의 DC 단자들(42a, 42b)을 포함한다.
회로(22)에 포함되는 제1 요소들(요소들 1-6) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(50)을 포함하도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 제2 요소들 중 요소들(11-16) 각각은 체인-링크 컨버터(68)를 형성하기 위해 직렬 연결되어 있는 복수의 바이폴라 모듈(58)을 포함하도록 구성되고, 요소들(18, 19) 각각은 고정 커패시터(54)를 포함하도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 다른 제2 요소들(요소들 7-10, 17, 20)은 바이패스되도록 구성된다.
도 3에 도시된 회로(22)를 사용하여 구성된 제2 하이브리드 전압 소스 컨버터(76)는 도 9에 도시되어 있다.
하이브리드 전압 소스 컨버터(76)는 3개의 AC 단자들(36a-36c) 및 한 쌍의 DC 단자들(42a, 42b)을 포함한다.
회로(22)에 포함되는 제1 요소들(요소들 1-6) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(50)을 포함하도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 제2 요소들 중 요소들(7-9) 각각은 체인-링크 컨버터(68)를 형성하기 위해 직렬 연결되어 있는 복수의 바이폴라 모듈(58)을 포함하도록 구성되고, 요소들(18, 19) 각각은 고정 커패시터(54)를 포함하도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 다른 제2 요소들(10-17, 20)은 바이패스되도록 구성된다.
도 3에 도시된 회로(22)를 사용하여 구성된 제3 하이브리드 전압 소스 컨버터(78)는 도 10에 도시되어 있다.
하이브리드 전압 소스 컨버터(78)는 3개의 AC 단자들(36a, 36b, 36d) 및 한 쌍의 DC 단자들(42a, 42b)을 포함한다.
회로(22)에 포함되는 제1 요소들 중 요소들(1-4) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(50)을 포함하도록 구성된다. 회로(22)에 포함되는 다른 제1 요소들(요소들 5, 6)은 연결되지 않도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 제2 요소들 중 요소들(11, 12, 14, 15) 각각은 체인-링크 컨버터(68)를 형성하기 위해 직렬 연결되어 있는 복수의 바이폴라 모듈(58)을 포함하도록 구성되고, 요소들(18, 19) 각각은 고정 커패시터(54)를 포함하도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 다른 제2 요소들 중 요소들(10, 17, 20)은 바이패스되도록 구성되고, 요소들(13, 16)은 연결되지 않도록 구성된다.
전압 소스 컨버터(78)가 3개의 AC 단자들(36a, 36b, 36d)을 포함하는 반면, 그것은 오직 2개의 유효(active) 컨버터 림들(24, 26)을 포함하여, 2개의 AC 단자들(36a, 36b)을 통해 AC 네트워크의 2개의 위상(phase)들에 연결될 수 있다.
AC 네트워크의 제3 위상은 다른 AC 단자(36d)를 통해 요소들(18, 19) 사이의 DC측 중립 포인트 연결(46)에 직접 연결된다.
2개의 제1 유효 림들(24, 26)에서의 전압 파형의 생성은 유사한 전압 파형이 DC측 중립 포인트 연결(48)에서 생성되게 한다. 결과적으로, DC 네트워크 및 3상(three-phase) AC 네트워크 사이에서 전력 변환을 제공하기 위해, 전압 소스 컨버터(78)는 오직 2개의 컨버터 림들(24, 26)의 사용을 필요로 한다.
도 3에 도시된 회로(22)를 사용하여 구성된 제4 하이브리드 전압 소스 컨버터(80)는 도 11에 도시되어 있다.
하이브리드 전압 소스 컨버터(80)는 2개의 AC 단자들(36a, 36b) 및 한 쌍의 DC 단자들(42a, 42b)을 포함한다.
회로(22)에 포함되는 제1 요소들 중 요소들(1-4) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들(50)을 포함하도록 구성된다. 회로(22)에 포함되는 다른 제1 요소들(요소들 5, 6)은 연결되지 않도록 구성된다.
회로(22)에 포함되는 제2 요소들 중 요소들(18, 19) 각각은 유니폴라 모듈(56)을 포함하도록 구성되고, 요소(18)는 2개의 유니폴라 모듈들(56)을 포함하고, 요소(19)는 하나의 유니폴라 모듈(56)을 포함한다.
회로(22)에 포함되는 다른 제2 요소들 중 요소들(8, 9, 11, 12, 15, 16, 17, 20)은 바이패스되도록 구성되고, 요소들(7, 10, 13, 14)은 연결되지 않도록 구성된다.
전압 소스 컨버터(80)는 단상(single-phase) AC 네트워크 및 DC 네트워크의 상호 연결에 적합하다. 이것은 회로(22)가 충분히 유연(flexible)하여 3상 또는 단상 AC 네트워크들에 연결하기 위한 전압 소스 컨버터의 다른 구성들을 제공할 수 있다는 것을 보여준다.
다른 실시예들에서, 요소들(18, 19) 내 고정 커패시터(54) 및/또는 유니폴라 모듈(56) 및/또는 바이폴라 모듈들(58)의 배치는 전압 소스 컨버터의 기능에 영향을 미치지 않으면서 변할 수 있음이 예상된다. 예를 들어, 도 11에 개시된 전압 소스 컨버터(80)의 변형에서, 2개의 유니폴라 모듈들(56)이 요소(19) 내에 포함될 수 있고, 하나의 유니폴라 모듈(56)이 요소(18) 내에 포함될 수 있다. 다른 변형들에서, 모든 유니폴라 모듈들(56)이 요소들(18, 19) 중 하나에 포함될 수 있고, 요소들(18, 19) 중 다른 것은 바이패스되는 것 역시 예상된다.
다른 실시예들에서, DC 중간(중성) 포인트는 요소들(18, 19) 사이에 요구되고, 동일한 개수의 고정 커패시터(54) 및/또는 유니폴라 모듈들(56) 및/또는 바이폴라 모듈들(58)이 요소들(18, 19) 각각에 포함될 수 있어, 요소들(18, 19)은 동일하고 균형 잡힌(equal and balanced) 전자 소자들의 배치를 포함하게 된다.
도 8 내지 도 11에 도시된 전압 소스 컨버터들(74, 76, 78, 80) 각각은 사용 시 제어 가능할 수 있어, AC 및 DC 네트워크들 사이의 전력 변환에 있어서 바람직한 결과를 가져올 수 있다. 예를 들어, 반도체 스위치들은 저주파수에서 스위치되도록 제어 가능할 수 있어, 저손실 컨버터 설계를 제공한다. 게다가, 고조파(harmonic) 소자들은 컨버터의 AC 및 DC측들 모두에서 고조파 전압들 및 전류들을 제어하기 위해 계획적으로 구현될 수 있다.
전압 소스 컨버터의 다른 구성들은 제1 요소들 및 제2 요소들 각각이 포함하도록 구성될 수 있는 전자 소자들을 변경함으로써 구현될 수 있다.
유니폴라 모듈들(56) 또는 고정 커패시터들(54)이 컨버터의 DC측에 사용되고, 전류 방향이 전환될 수 없으면, 몇몇 구성들에서 순 유효 전력(net real power)은 커패시터들로 또는 커패시터들로부터 전달될 수 있다. 유효 전력의 전달은 유니폴라 모듈들의 커패시터들(60) 및 고정 커패시터들(54)의 지속적인 충전 또는 방전을 야기하고, 지속 불가능한 컨버터 동작을 유발한다.
이러한 효과를 경감시키기 위해, 보조 전력 버스가 제공될 수 있고, 보조 전력 버스(84)를 포함하는 전압 소스 컨버터(82)는 도 12에 도시되어 있다.
요소들(11-16) 각각이 바이폴라 모듈(58) 대신에 체인-링크 컨버터(68)를 형성하기 위해 직렬 연결되어 있는 복수의 유니폴라 모듈들(56)을 포함하도록 구성되는 것을 제외하면, 전압 소스 컨버터(82)는 기본적으로 도 8에 도시되어 있는 전압 소스 컨버터(74)와 동일하다.
유니폴라 모듈들(56) 각각의 커패시터(60)는 직류교류(DC to AC) 인버터(90)를 통해 변압기 배치(transformer arrangement)(88)의 1차 코일(first winding)(86)에 연결되어 있다. 변압기 배치(88)의 2차 코일(second winding)(92)은 보조 전력 버스(84)에 연결되어 있다.
개개 커패시터들(60)에 보조 전력 버스(84)의 전기적 연결은, 커패시터들(60)에서 전압 균형(voltage balance)을 유지하기 위해 유효 전력이 커패시터들(60) 및 보조 전력 버스(84)들 사이에 전달되는 것을 가능하게 한다.
순 유효 전력 전송의 효과를 경감하기 위한 다른 선택은 사용 시 임의의 고정된 커패시터들(54) 또는 유니폴라 모듈들(56)의 커패시터들(60)을 전압 소스에 일시적으로 연결함으로써 리셋(reset)하는 것이다. 예를 들어, 전압 소스 컨버터가 AC 네트워크 및 DC 네트워크 사이에 연결되어 있으면, 커패시터들이 일시적으로 DC 네트워크에 연결될 수 있어, 커패시터들에서 전압 균형을 복구하고, 장기간 전압 드리프트(drift)를 방지할 수 있다.
순 유효 전력 전송의 효과를 경감하기 위한 또 다른 선택은 커패시터들 대신에 건전지들(batteries), 연료 전지들(fuel cells), 광전지들(photovoltaic cells), 또는 AC 발전기-정류기들(AC generater-rectified units)과 같은 유효 전력 소스들을 사용하는 것이다.

Claims (17)

  1. 고전압 DC 전력 전송 및 무효 전력 보상을 위한 하이브리드 전압 소스 컨버터를 구성하기 위한 유연성 있는 회로 구조를 형성하는 전기적으로 상호 연결되어 있는 요소들의 어셈블리를 포함하는 회로로서,
    상기 어셈블리는 각각 회로 배치를 포함하는 다수의 제1 요소들(1 내지 6) 및 다수의 제2 요소들(7 내지 20)을 포함하고,
    상기 회로는 AC 네트워크에 연결 가능한 AC 단자들(36a, 36b, 36c) 및 DC 네트워크에 연결 가능한 DC 단자들(42a, 42b)을 더 포함하고,
    상기 복수의 제2 요소들의 제1 집합(7-9)은 상기 AC 단자들 및 상기 복수의 제1 요소들(1-6) 사이에 연결되어 있고,
    상기 복수의 제2 요소들의 제2 집합(11-16)은 상기 복수의 제1 요소들(1-6) 및 상기 DC 단자들 사이에 상호 연결되어 있고,
    상기 제1 요소들 및 상기 제2 요소들 각각이 바이패스되거나, 연결되지 않거나, 또는 하나 이상의 전자 소자들의 회로 배치를 포함하도록 구성되어, 적어도 하나의 제1 요소 및 적어도 하나의 제2 요소를 포함하는, 더 적은 소자들을 가지는 새로운 하이브리드 전압 소스 컨버터 구조(configuration)들을 구성하고,
    상기 적어도 하나의 제1 요소에 포함되는 상기 회로 배치는 상기 적어도 하나의 제2 요소에 포함되는 상기 회로 배치와 상이한 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 요소들의 제3 집합(17-20)은 상기 복수의 제2 요소들의 상기 제2 집합(11-16)에 의해 형성되는 공통(common) 포인트 연결들(30, 32) 및 상기 DC 단자들(42a, 42b) 사이에 연결되어 있는 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 요소들(1-6) 각각은 직렬 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들을 포함하도록 구성되는 회로.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 요소들(1-6) 각각은 다중 레벨 컨버터 요소를 형성하도록 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치들을 포함하도록 구성되는 회로.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 요소들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 에너지 저장 장치를 포함하도록 구성되는 회로.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 요소들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 모듈을 포함하도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 모듈은 제어 가능한 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들에 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함하여, 지속적으로 변경 가능한 전압 소스를 제공하는 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 요소들 중 적어도 하나는 체인-링크 컨버터 요소를 형성하도록 직렬 연결되어 있는 복수의 모듈들을 포함하도록 구성되는 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈은 하프-브리지 배치에서 한 쌍의 반도체 스위치들에 병렬로 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함하여,
    0 또는 양의 전압을 생성할 수 있고, 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 2-사분면(2-quadrant) 유니폴라 모듈을 형성하는 회로.
  9. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈은 풀-브리지 배치에서 두 쌍의 반도체 스위치들에 병렬로 연결되어 있는 에너지 저장 장치를 포함하여,
    0, 양 또는 음의 전압을 생성할 수 있고, 양 방향의 전류를 생성할 수 있는 4-사분면(4-quadrant) 바이폴라 모듈을 형성하는 회로.
  10. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 보조 전력 버스에 연결되어 있는 회로.
  11. 제5항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치를 리셋하기 위해, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 외부 전압 소스에 일시적으로 연결 가능한 회로.
  12. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 커패시터인 회로.
  13. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 배터리, 연료 전지, 광전지 또는 AC 발전기-정류 소스인 회로.
  14. 제3항에 있어서, 각각의 반도체 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 게이트 턴-오프 사이리스터 또는 전계 효과 트랜지스터인 회로.
  15. 제1항에 따른 회로를 포함하는, 하이브리드 전압 소스 컨버터.
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