KR101542940B1 - 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치 Download PDF

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Abstract

멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는, 상기 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로; 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드; 및 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되며, 상기 다이오드와 직렬 연결되는 커패시터를 포함한다.

Description

멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치{STRUCTURE FOR REDUCING FAULT CURRENT OF MULTI LEVEL CONVERTER AND APPARATUS USING IT}
본 발명은 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 레벨 컨버터의 DC 사고 발생 시 사고 전류를 우회시키고, 상기 우회하는 통로에 커패시터를 삽입하여 상기 멀티 레벨 컨버터에 흐르는 사고 전류를 낮출 수 있는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.
종래의 전압형 컨버터는 컨버터의 스위칭 횟수가 많고, 정현파를 만들기 위해 필터가 필요하였다. 이에, 전압 파형의 왜곡이 적고, 필터의 설치가 필요하지 않은 고용량 컨버터가 요구되어, 멀티 레벨 컨버터(Multi level Converter)가 도입되었다. 이러한, 멀티 레벨 컨버터를 이용한 시스템은 낮은 고조파 성분과 높은 전력이 요구되는 분야에 효율적인 시스템이다.
도 1은 멀티 레벨 컨버터의 일 실시예를 도시한 도면이다. 또한, 도 2는 도 1의 멀티 레벨 컨버터의 스위칭 동작을 도시한 도면이다. 그리고, 도 3은 도 1의 멀티 레벨 컨버터의 서브모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 예를 들어, 멀티 레벨 컨버터(1)는 3개의 레그(leg), 6개의 암(arm, 3)으로 이루어질 수 있고, 각 암(3)에는 n(단, n은 자연수)개의 서브모듈(SM, 5)이 포함될 수 있다. 도 1에서, 각 암(3)에 4개의 서브모듈(5)이 도시되어 있다. 그리고, 각 서브모듈(5)은 한 쌍의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 6), 한 쌍의 다이오드(7), 그리고 하나의 커패시터(8)를 포함할 수 있다. 여기에서, IGBT(6)의 온오프(ON/OFF) 동작에 의해 서브모듈의 스위칭이 이루어진다. 충방전의 일례로, 온(On)에 해당하는 서브모듈은 암 전류의 전류 방향에 따라 충전과 방전이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 암 전류가 양의 값을 가지면 가장 작은 전압을 가진 서브모듈을 선택하고, 암 전류가 음의 값을 가지면 가장 큰 전압을 가진 서브모듈을 선택하여 방전이 이루어지도록 동작한다. 그러므로, 서브모듈 당 스위칭 횟수는 적게 된다.
그런데, 이러한 멀티 레벨 컨버터(1)는 AC(alternating current) 사고에 대한 대책은 많이 연구되었으나, DC(direct current) 사고에 대한 대책이 약점으로 관련 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 멀티 레벨 컨버터(1)의 DC 사고 시, 대전류가 흐르기 때문에 서브모듈(5) 내의 IGBT(6), 다이오드(7), 그리고 하나의 커패시터(8)가 손상될 수 있다. 또한, 사고 전류가 흐르는 송전선, 케이블도 큰 손상을 입게 된다. 그리고, 커패시터(8)의 모든 전압이 방전되어 재기동하기 위해서는 오랜 시간이 걸릴 수 있다.
미국공개특허 US2013/0128636호 (2013.05.23 공개) 미국공개특허 US2014/0049230호 (2014.02.20 공개) 미국공개특허 US2013/0279211호 (2013.10.24 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멀티 레벨 컨버터의 DC 사고 발생 시 사고 전류를 우회시키고, 상기 사고 전류의 우회 통로에 커패시터를 삽입하여 상기 멀티 레벨 컨버터에 흐르는 사고 전류를 저감할 수 있는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는, 상기 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로; 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드; 및 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되며, 상기 다이오드와 직렬 연결되는 커패시터를 포함한다.
또한, 상기 컨버터 암은, 상기 사고 전류를 차단하기 위해 상기 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 병렬 연결되는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드 및 상기 서브모듈에 연결되는 다이오드는, 상기 서브모듈의 다이오드와 역방향으로 전류를 흐르게 할 수 있다.
또한, 상기 커패시터에 의해 상기 사고 전류가 0으로 수렴할 수 있다.
그리고, 상기 스위칭 소자는 IGBT일 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치는, 서브모듈이 직렬 연결되는 컨버터 암을 복수개 포함하며, 상기 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로와, 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드와, 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 커패시터를 포함하는 멀티 레벨 컨버터; 상기 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 감지하는 사고 전류 감지부; 및 상기 사고 전류가 감지되면, 상기 우회 회로로 상기 사고 전류가 흐르도록 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 컨버터 암은, 상기 사고 전류를 차단하기 위해 상기 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자 및 다이오드를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 사고 전류가 감지되면, 상기 스위칭 소자를 OFF시킬 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 멀티 레벨 컨버터에서 사고 전류를 우회시키고, 커패시터를 상기 사고 전류의 우회 통로에 삽입하여 사고 전류를 낮출 수 있다.
또한, 사고 전류가 줄어들어 IGBT, 다이오드, 커패시터의 손상을 막을 수 있고, 커패시터 전압의 방전을 막기 때문에 사고 제거 후에 멀티 레벨 컨버터를 빠르게 재기동할 수 있다.
도 1은 멀티 레벨 컨버터의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 멀티 레벨 컨버터의 스위칭 동작을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 멀티 레벨 컨버터의 서브모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 4의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 정상 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 도 5의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 정상 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 도 4의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 사고 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 9는 도 5의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 사고 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
먼저, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는 서브모듈(SM)이 직렬 연결되는 컨버터 암(Arm)을 복수개 포함하는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 감소시키기 위한 것이다. 구체적으로, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는 DC 사고 시 사고 전류의 우회 통로에 커패시터를 삽입하여 사고 전류 차단의 효과를 높이게 된다. 이러한 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조는 Full-Bridge 또는 Half-Bridge 형태로 연결될 수 있다. 보다 상세한 설명은 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10)는 서브모듈(SM)이 직렬 연결되는 컨버터 암(Arm)을 복수개 포함하는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 감소시키기 위한 것으로, Full-Bridge 형태이다. 각 서브모듈(SM)은 한 쌍의 스위칭 소자(6), 한 쌍의 다이오드(7), 그리고 하나의 커패시터(8)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10)는 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로(11), 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드(12), 및 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로(11)에 설치되며, 상기 다이오드(12)와 직렬 연결되는 커패시터(13)를 포함한다. 여기에서, 우회 회로(11)에 설치되는 다이오드(12)는 사고 전류의 우회 통로를 제공하며, 다이오드(12)를 통하여 사고 전류가 커패시터(13)를 충전시켜 AC와 DC 사이의 전위차를 줄여 사고 전류를 저감한다. 이러한 커패시터(13)에 의해 사고 전류가 0으로 수렴할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10)는 사고 전류를 차단하기 위해 상기 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자(14) 및 상기 스위칭 소자(14)에 병렬 연결되는 다이오드(15)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 정상 전류가 흐르는 경우, 스위칭 소자(14)는 ON 상태이고, 이에 따라 각 서브모듈을 흐르는 전류 패스(current path)가 형성된다. 또한, 사고 전류가 흐르는 경우, 스위칭 소자(14)는 OFF 상태이고, 이에 따라 각 서브모듈의 스위칭 소자(6)에 전류가 흐르지 않는 전류 패스(current path)가 형성된다. 여기에서, 스위칭소자(6, 14)는 IGBT일 수 있다. 물론, 상기 스위칭소자(6, 14)가 IGBT 소자 외에 다른 스위칭 소자일 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 예를 들어, 스위칭소자(14)가 Fast Switch일 수 있다.
이때, 우회 회로(11)에 설치되는 다이오드(12) 및 서브모듈에 연결되는 다이오드(14)는 상기 서브모듈의 다이오드(7)와 역방향으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 사고 전류 발생 시 사고 전류가 서브모듈에 연결되는 다이오드(14)로 흐르지 않고, 우회 회로(11)에 설치되는 다이오드(12)를 통해 서브모듈의 커패시터(8)를 거쳐 서브모듈의 스위칭 소자(6)를 거치지 않고, 서브모듈의 하나의 다이오드(7)만 통과하여 흐르게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(20)는 서브모듈(SM)이 직렬 연결되는 컨버터 암(Arm)을 복수개 포함하는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 감소시키기 위한 것으로, Half-Bridge 형태이다. 각 서브모듈(SM)은 한 쌍의 스위칭 소자(6), 한 쌍의 다이오드(7), 그리고 하나의 커패시터(8)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(20)는 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로(21), 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드(22), 및 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로(21)에 설치되며, 상기 다이오드(22)와 직렬 연결되는 커패시터(23)를 포함한다. 여기에서, 우회 회로(11)에 설치되는 다이오드(12)는 사고 전류의 우회 통로를 제공하며, 다이오드(12)를 통하여 사고 전류가 커패시터(13)를 충전시켜 AC와 DC 사이의 전위차를 줄여 사고 전류를 저감한다. 이러한 커패시터(13)에 의해 사고 전류가 0으로 수렴할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10)와 동일한 소자들을 구비하며, 단지 Full-Bridge와 Half-Bridge의 연결 관계만 상이하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(20)는 사고 전류를 차단하기 위해 두 서브모듈 사이에 연결되는 스위칭 소자(24) 및 상기 스위칭 소자(24)에 병렬 연결되는 다이오드(25)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 정상 전류가 흐르는 경우, 스위칭 소자(24)는 ON 상태이고, 이에 따라 각 서브모듈을 흐르는 전류 패스(current path)가 형성된다. 또한, 사고 전류가 흐르는 경우, 스위칭 소자(24)는 OFF 상태이고, 이에 따라 각 서브모듈의 스위칭 소자(6)에 전류가 흐르지 않는 전류 패스(current path)가 형성된다. 여기에서, 스위칭소자(6, 24)는 IGBT일 수 있다. 물론, 상기 스위칭소자(6, 24)가 IGBT 소자 외에 다른 스위칭 소자일 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 예를 들어, 스위칭소자(24)가 Fast Switch일 수 있다.
이때, 우회 회로(21)에 설치되는 다이오드(22) 및 서브모듈 사이에 추가되는 다이오드(24)는 상기 서브모듈의 다이오드(7)와 역방향으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 사고 전류 발생 시 사고 전류가 서브모듈 사이에 연결되는 다이오드(24)로 흐르지 않고, 우회 회로(21)에 설치되는 다이오드(22)를 통해 서브모듈의 커패시터(8)를 거쳐 서브모듈의 스위칭 소자(6)를 거치지 않고, 각 서브모듈의 하나의 다이오드(7)만 통과하여 흐르게 된다.
이하에서는 멀티 레벨 컨버터에서 전류 패스(current path)를 살펴 보도록 한다.
먼저, 정상 전류가 흐르는 경우, 멀티 레벨 컨버터에서 전류 패스(current path)를 살펴 보도록 한다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 4의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 정상 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 또한, 도 7a 및 도 7b는 각각 도 5의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 정상 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 정상 전류가 흐르는 경우, 스위칭소자(14)는 ON 상태이므로, 우회 회로(11)의 다이오드(12) 및 커패시터(13)로는 전류가 흐르지 않고, 서브모듈을 통해 전류가 흐른다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 서브모듈의 커패시터(8)를 통과하여 전류가 흐르는 경우에는 충방전이 이루어진다. 충전 중인 경우(charging), DC에서 AC로 전류가 흐르며, 상측의 스위칭 소자(6)를 통과하여 상측의 스위칭 소자(6)에 병렬로 연결된 다이오드(7)를 통과하여 전류 패스가 형성된다. 또한, 방전 중인 경우(discharging), AC에서 DC로 전류가 흐르며, 상측의 스위칭 소자(6)를 통과하여 전류 패스가 형성된다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 서브모듈의 커패시터(8)를 통과하지 않고 전류가 흐를 수 있다. DC에서 AC로 전류가 흐르는 경우, 하측의 스위칭 소자(6)를 통과하여 전류 패스가 형성된다. 또한, AC에서 DC로 전류가 흐르는 경우, 하측의 스위칭 소자(6)에 병렬로 연결된 다이오드(7)를 통과하여 전류 패스가 형성된다.
또한, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 정상 전류가 흐르는 경우, 스위칭소자(24)는 ON 상태이므로, 우회 회로(21)의 다이오드(22) 및 커패시터(23)로는 전류가 흐르지 않고, 서브모듈을 통해 전류가 흐른다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 커패시터(23)를 통과하여 전류가 흐르는 경우에는 충방전이 이루어진다. 충전 중인 경우(charging), DC에서 AC로 전류가 흐르며, 두 서브모듈 사이에 추가된 스위칭 소자(24)에 병렬로 연결된 다이오드(25)를 통과하여 전류 패스가 형성된다. 또한, 방전 중인 경우(discharging), AC에서 DC로 전류가 흐르며, 두 서브모듈 사이에 추가된 스위칭 소자(24)를 통과하여 전류 패스가 형성된다.
도 7b 에 도시한 바와 같이, 서브모듈의 커패시터(8)를 통과하지 않고 전류가 흐를 수 있다. DC에서 AC로 전류가 흐르는 경우, 두 서브모듈의 각각의 하측 스위칭 소자(6)를 통과하여 전류 패스가 형성된다. 또한, AC에서 DC로 전류가 흐르는 경우, 두 서브모듈의 각각의 상측 스위칭 소자(6)에 병렬로 연결된 다이오드(7)를 통과하여 전류 패스가 형성된다. 즉, DC에서 AC로 전류가 흐르는 경우, 상측 서브모듈의 하측 스위칭 소자(6), 두 서브모듈 사이에 추가된 다이오드(7), 하측 서브모듈의 상측 스위칭 소자(6)를 순차적으로 통과하는 전류 패스가 형성된다. 그리고, AC에서 DC로 전류가 흐르는 경우, 하측 서브모듈의 상측 다이오드(7), 두 서브모듈 사이에 추가된 스위칭 소자(24), 상측 서브모듈의 하측 다이오드(7)를 순차적으로 통과하는 전류 패스가 형성된다.
다음으로, 사고 전류가 흐르는 경우, 멀티 레벨 컨버터에서 전류 패스(current path)를 살펴 보도록 한다.
도 8은 도 4의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 사고 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 또한, 도 9는 도 5의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조에서 사고 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 사고 전류가 흐르는 경우, 스위칭 소자(14)는 OFF 상태이므로, 우회 회로(11)에 추가된 다이오드(12)를 통해 전류가 흐르고, 스위칭 소자(14) 및 이에 병렬로 연결된 다이오드(15)로는 전류가 흐르지 않는다. 즉, 스위칭 소자(14)의 OFF로 우회 회로(11)에 사고 전류의 우회 통로가 확보되고, 다이오드(12) 및 커패시터(13)로 사고 전류가 흐르도록 한다. 이때, AC와 DC 사이의 전위 차이를 서브 모듈의 커패시터(8) 뿐만 아니라 우회 회로(11)의 커패시터(13)가 소멸시켜 사고 전류를 0으로 떨어뜨릴 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 사고 전류는 서브 모듈의 커패시터(8)와 우회 회로(11)의 커패시터(13)를 통과하여 흐르게 되며, 각 커패시터의 전압 Vc, Vc3 에 의해 전위 차이가 줄어들어 결국에는 사고 전류가 0으로 수렴할 수 있다. 특히, 커패시터 전압의 방전을 막을 수 있어, 사고 전류가 제거된 후 멀티 레벨 컨버터의 빠른 재기동이 가능하다.
또한, 도 9를 참조하면, 사고 전류가 흐르는 경우, 두 서브모듈 사이에 추가된 스위칭 소자(24)는 OFF 상태이므로, 우회 회로(21)에 추가된 다이오드(22)를 통해 전류가 흐르고, 스위칭 소자(24) 및 이에 병렬로 연결된 다이오드(25)로는 전류가 흐르지 않는다. 즉, 스위칭 소자(24)의 OFF로 우회 회로(21)에 사고 전류의 우회 통로가 확보되고, 다이오드(22) 및 커패시터(23)로 사고 전류가 흐르도록 한다. 이때, AC와 DC 사이의 전위 차이를 서브 모듈의 커패시터(8) 뿐만 아니라 우회 회로(21)의 커패시터(23)가 소멸시켜 사고 전류를 0으로 떨어뜨릴 수 있다. 예를 들어, 도 9에서, 사고 전류는 서브 모듈의 각 커패시터(8)와 우회 회로(21)의 커패시터(23)를 통과하여 흐르게 되며, 각 커패시터의 전압 Vc1, Vc2, Vc3 에 의해 전위 차이가 줄어들어 결국에는 사고 전류가 0으로 수렴할 수 있다. 특히, 커패시터 전압의 방전을 막을 수 있어, 사고 전류가 제거된 후 멀티 레벨 컨버터의 빠른 재기동이 가능하다.
사고 전류의 저감을 위해, 전술한 Full-Bridge와 Half-Bridge 형태의 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조를 적절히 섞어 사용할 수 있으며, 이에 따라 Full-Bridge 및/또는 Half-Bridge 형태의 연결 구조의 개수를 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치(100)는, 서브모듈이 직렬 연결되는 컨버터 암을 복수개 포함하며, 상기 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로와, 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드와, 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 커패시터를 포함하는 멀티 레벨 컨버터(110), 상기 멀티 레벨 컨버터(110)의 사고 전류를 감지하는 사고 전류 감지부(120), 및 상기 사고 전류가 감지되면, 상기 우회 회로로 상기 사고 전류가 흐르도록 제어하는 제어부(130)를 포함한다.
멀티 레벨 컨버터(110)는 서브모듈이 직렬 연결되는 컨버터 암을 복수개 포함한다. 또한, 컨버터 암은 상기 사고 전류를 차단하기 위해 상기 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자 및 다이오드를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로와, 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드와, 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 커패시터를 포함하는 멀티 레벨 컨버터(110)는 그 구조가 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10) 또는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조(10) 중 적어도 하나와 동일하므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
사고 전류 감지부(120)는 멀티 레벨 컨버터(110)에서 발생하는 사고 전류를 감지하는 것으로, 전류 감지 센서 등을 사용할 수 있다,
제어부(130)는 사고 전류가 감지되면, 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자를 ON 상태에서 OFF 상태로 스위칭 변경한다. 이에 따라, 사고 전류가 멀티 레벨 컨버터의 각 서브모듈의 스위칭 소자를 경유하지 않고, 우회 회로를 따라 흐르게 되며, 각 서브모듈의 스위칭 소자를 보호할 수 있다. 또한, 각 서브모듈의 커패시터에 의해 AC와 DC 사이의 전위 차이를 소멸시키게 되어 사고 전류가 0으로 줄어들 수 있고, 각 서브모듈의 다이오드와 커패시터를 보호할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조 및 이를 이용한 장치를 통해, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 줄일 수 있으므로, 멀티 레벨 컨버터의 수명을 보다 증가시킬 수 있을 것이다. 이에, 사고 전류를 줄이기 위한 기술이 향후 해상풍력 발전에 연계되어 중요하게 사용될 수 있고, 중·대형 HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압직류송전) 및 멀티터미널 HVDC 등 고용량 컨버터에 대한 수요가 증가됨에 따라 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류를 저감하는 기술의 중요성이 커질 것으로 예상된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 20: 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 구조
11, 21: 우회 회로
12, 14, 22, 24: 다이오드
13, 23: 커패시터
14, 24: 스위칭 소자
100: 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치
110: 멀티 레벨 컨버터
120: 사고 전류 감지부
130: 제어부

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  6. 서브모듈이 직렬 연결되는 컨버터 암을 복수개 포함하는 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치에 있어서,
    상기 컨버터 암의 사고 전류의 우회 통로를 제공하는 우회 회로와, 상기 사고 전류를 우회시키기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 다이오드와, 상기 사고 전류를 저장하기 위해 상기 우회 회로에 설치되는 커패시터를 포함하는 사고 전류 저감부;
    상기 사고 전류 저감부의 사고 전류를 감지하는 사고 전류 감지부; 및
    상기 사고 전류가 감지되면, 상기 우회 회로로 상기 사고 전류가 흐르도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 컨버터 암은, 상기 사고 전류를 차단하기 위해 상기 서브모듈에 연결되는 스위칭 소자 및 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 사고 전류가 감지되면, 상기 스위칭 소자를 OFF시키는, 멀티 레벨 컨버터의 사고 전류 저감 장치.
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  8. 삭제
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