KR101599565B1 - 분산된 셀 제어를 가진 전력 컨버터 - Google Patents

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군나르 아스플룬드
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Abstract

DC 전압을 AC 전압으로 변환하고 그와 반대로도 변환하는 디바이스는 전압 변환을 제어하기 위한 제어 시스템 및 제 1 DC 단자 (4) 와 제 1 AC 단자 (6) 사이에 직렬로 접속된 제 1 전압 소스 (Uvp1) 및 제 1 AC 단자 (6) 와 제 2 DC 단자 (5) 사이에 직렬로 접속된 제 2 전압 소스 (Uvn1) 를 가진 적어도 하나의 위상 레그 (1) 를 포함한다. 전압 소스 각각은 적어도 제 1 및 제 2 서브모듈 (15) 을 직렬 접속으로 포함하며, 각 서브모듈 (15) 은 적어도 하나의 커패시터 (17) 와 병렬로 접속된 적어도 2 개의 전력 전자 스위치 (16) 를 포함한다. 제어 시스템은 중앙 제어 유닛 (19) 및 적어도 2 개의 서브유닛 (20) 을 포함하며, 중앙 제어 유닛 (19) 은 각 서브유닛 (20) 에 기준 AC 전압 (ua_ref) 및 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 를 송신하고, 각 서브유닛 (20) 은 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 가 기준 AC 전압 (ua_ref) 을 교차할 때마다 커패시터 (17) 에 걸친 전압이나 제로 전압 중 어느 하나가 대응하는 서브모듈 (15) 의 출력 단자 (26, 27) 에 인가되도록 PWM 패턴에 따라 서브모듈 (15) 중 하나의 전력 전자 스위치 (16) 의 스위칭을 제어한다.

Description

분산된 셀 제어를 가진 전력 컨버터{POWER CONVERTER WITH DISTRIBUTED CELL CONTROL}
본 발명은 멀티레벨 전압 출력을 가진 전력 컨버터, 즉 전압 변환을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하고 제 1 DC 단자와 제 1 AC 단자 사이에 직렬로 접속된 제 1 전압 소스 및 제 1 AC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 직렬로 접속된 제 2 전압 소스를 가진 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 포함하는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고 그와 반대로도 변환하는 디바이스에 관한 것으로, 전압 소스 각각은 적어도 제 1 및 제 2 서브모듈을 직렬 접속으로 포함하며, 각 서브모듈은 적어도 하나의 커패시터와 병렬로 접속된 적어도 2 개의 전력 전자 스위치를 포함한다.
당업계에는, 전압 소스 컨버터의 출력에서의 고조파 왜곡 (harmonic distortion) 을 저감시키기 위하여 멀티레벨 컨버터가 사용되는 것으로 알려져 있다. 멀티레벨 컨버터는 출력전압 (또는 다상의 컨버터의 경우에는, 출력전압들) 이 여러 이산 레벨 (discrete level) 을 취할 수 있는 컨버터이다.
당업계에는, 멀티레벨 전력 컨버터의 전압 변환을 제어하기 위한 상이한 시스템 및 방법이 알려져 있다. DE 10103031, WO 2008/067784 및 Marquardt 등의 "New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter" (PESC (Power Electronics Specialists Conference), 2004년 독일 아헨시에서 개최) 모두는 멀티레벨 컨버터에 대한 제어 시스템을 개시하며, 이에 대한 기본적인 토폴로지가 도 1 에 도시된다. 컨버터는 3 개의 위상 레그 (1, 2, 및 3) 를 갖는 3 상 컨버터이다. 각각의 위상 레그는 직렬 접속으로 2 개의 소위 암 (arm), 즉, 포지티브 전압 레벨에 있는 제 1 DC 단자 (4) 에 접속되는 포지티브 상부 암 (upper arm) 및 제로 또는 네거티브 전압 레벨에 있는 제 2 DC 단자 (5) 에 접속되는 네거티브 하부 암 (lower arm) 을 포함한다. 각 포지티브 암은 상부 전압 소스 (Uvpi) 와 제 1 인덕터 (9, 11 또는 13) 각각의 직렬 접속을 포함하고, 각 네거티브 암은 제 2 인덕터 (10, 12 또는 14) 각각 및 하부 전압 소스 (Uvni) 를 포함하며, 여기서, i 는 대응하는 위상 레그의 번호를 의미한다. 각 위상 레그의 제 1 인덕터와 제 2 인덕터 사이의 중심점 또는 접속점은 각각 AC 단자 (6, 7 또는 8) 에 각각 접속된다. 위상 레그 모두가 서로에 그리고 2 개의 DC 단자 (4 및 5) 에 병렬로 접속된다. 시간의 경과에 따라 위상 레그의 전압 소스 (Uvpi 및 Uvni) 를 적절하게 제어함으로써, AC 에서 DC 로의 변환이 행해진다. 일반적으로, 이러한 컨버터는 AC 전압이 갖는 위상들의 수에 의존하여 임의의 수 P 의 위상 레그를 가질 수 있다. 단상의 멀티레벨 컨버터에 대한 일 예가 M. Glinka 및 R. Marquardt 의 "A new ac/ac multilevel converter family", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 3, 2005년 6월, 662 ~ 669 페이지에서 확인될 수 있다.
상기 확인된 기술로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 암의 전압 소스 (Uvpi 및 Uvni) 각각의 일반적인 셋업이 도 2 에 나타내진다. 각 전압 소스는 직렬 접속된 서브모듈 (15) 의 스트링으로 구성되며, 여기서, 하나의 이러한 스트링에는 적어도 2 개의 서브모듈 (15) 이 포함된다. 암 당 직렬 접속된 서브모듈 (15) 의 총 수로는 다음에서 N 이 부여될 것이며, 여기서 N 은 1 보다 크지만, 수백만큼 높을 수도 있다.
도 3 으로부터, 서브모듈 (15) 의 2 개의 상이한 실시형태 (15a 및 15b) 가 확인될 수 있으며, 이는 DE 10103031 로부터 알려지게 된다. 각 전압 소스 내에서는 서브모듈의 임의의 조합이 가능하다. 서브모듈은 커뮤테이션 셀 (commutation cell) 의 형태를 가지며, 각 셀은 2 개의 직렬 접속된 반도체 밸브 및 에너지 저장을 이유로 직류 전압을 홀딩하는 큰 DC 커패시터 (17) 를 포함한다. 2 개의 밸브에는 제어가능한 턴-온 및 턴-오프 능력을 가진 전력 전자 스위치 (16) 에 역병렬 (anti-paralle) 접속된 환류 다이오드 (free-wheeling diode) (28) 가 구비되며, 전자는 예를 들어 트랜지스터, GTO (Gate-Turn-Off) 사이리스터, 또는 이들의 직렬 및/또는 병렬 접속이다. 2 개의 전력 전자 스위치 (16) 중 어느 스위치가 도통중인지에 의존하여, 대응하는 서브모듈 (15) 은 2 개의 스위칭 상태 중 하나를 가정할 수 있으며, 커패시터에 걸쳐 상태 1 에서는 제로 전압 또는 상태 2 에서는 순간 전압 (uc_k) 이 출력 단자 (26 및 27) 에 인가된다. 문자 k 는 위상 레그의 대응하는 암 내의 서브모듈 (15) 의 번호를 의미하며, 여기서, 1 ≤ k ≤ N 이다. 그 결과, 서브모듈 (15) 당 2 개의 밸브의 기능은 AC 와 DC 전압 사이에서 원하는 변환을 제공하는 방식으로, 그리고 또한 커패시터 (17) 에 걸친 전압 (uc_k) 의 평균값이 영향을 받을 수 있도록, 대응하는 암의 전기 회로의 인앤아웃 (in and out) 으로 커패시터 (17) 를 스위칭하는 것이다.
공지된 멀티레벨 컨버터의 제어와 관련하여, Glinka 등은 전력 전자 스위치의 스위칭을 소정의 암 내의 모든 서브모듈에 대해 집중된 방식으로 제어하는 것을 제안한다. 스위칭 이벤트가 수행되어야 한다고 제어 시스템이 결정하는 경우에, 편차가 저감될 수 있도록 전류 방향이 존재한다면, 스위칭될 서브모듈은 커패시터 전압이 기준 전압으로부터 가장 많이 벗어나는 서브모듈로서 선택된다. 이로써, 서브모듈의 모든 커패시터 전압이 기준 전압으로부터 일탈하는 것이 방지된다.
WO 2008/067784A1 은 중앙 제어 유닛 (18) 및 암 제어 유닛 (29) 을 포함하는 도 1 에 따른 멀티레벨 컨버터에 대한 제어 시스템을 개시하며, 여기서, 암 제어 유닛 (29) 의 수는 컨버터의 암의 총 수와 같으며, 즉, 2·P = 6 이다. 중앙 제어 유닛 (18) 은 상이한 측정치, 이를 테면 컨버터 전류 및 전압에 의존하여 각 암 제어 유닛 (29) 에 대한 기준 값을 결정함으로써 컨버터의 출력 전류를 제어한다. 암 기준 값에 응답하여, 암 제어 유닛 (29) 은 대응하는 암 내의 서브모듈 (15) 각각의 스위칭에 대해 개별 제어 기능을 수행한다.
Hirofumi Akagi 등의 "Control and Performance of a Transformerless Cascade PWM STATCOM With Star Configuration" (IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 43, No. 4, 2007년 7/8월) 은 각 위상에서 캐스케이드된 단상 H-브릿지를 가진 3 상 멀티레벨 컨버터를 이용하여 STATCOM (STATic synchronous COMpensator) 를 기술한다. STATCOM 의 제어 시스템은 단일의 DSP 및 3 개의 FPGA 에 기초하여 완전한 디지털 제어 회로로 구성된다. 3 개의 캐리어 신호가 각 위상의 H-브릿지에 위상 시프트된 PWM 을 적용하기 위하여 서로로부터 2π/3 만큼 위상 시프트된다. DSP 는 3 개의 FPGA 중 하나로 한 쌍의 전압 기준을 정기적으로 전송한다.
본 발명의 목적은 단순화된 제어 시스템을 가진 상기 설명된 종류의 전력 컨버터를 제안하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항에 기재된 디바이스에 의해 달성된다.
상기 설명한 바와 같이 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고 그와 반대로도 변환하는 디바이스의 제어 시스템은 본 발명에 따라 중앙 제어 유닛 및 적어도 2 개의 서브유닛을 포함하며, 여기서, 중앙 제어 유닛은 각 서브유닛에 기준 AC 전압 및 스위칭 캐리어 신호를 송신하고, 각 서브유닛은 스위칭 캐리어 신호가 기준 AC 전압을 교차할 때마다 커패시터에 걸친 전압이나 제로 전압 중 어느 하나가 대응하는 서브모듈의 출력 단자에 인가되도록 PWM 패턴에 따라 하나의 서브모듈의 전력 전자 스위치의 스위칭을 제어한다.
본 발명은 중앙 제어 유닛 및 암 제어 유닛을 가진 공지된 제어 시스템이, 각 암 제어 유닛이 모든 그의 대응하는 서브모듈의 스위칭을 제어해야 하는데, 이는 개별적으로 행해져야 하며, 즉 각 서브모듈이 그 자신의 입력 또는 암 제어 유닛에 의해 생성될 기준 값을 요구한다는 단점을 갖는다는 사실의 인지에 기초한다. 따라서, 각 서브모듈에 대해, 개별 제어 기능이 암 제어 유닛에서 확립 및 실행되어야 하며, 제어 시스템을 인스톨할 경우, 각 서브모듈을 암 제어 유닛 상의 관련 인터페이스에 접속시키는데 주의해야 한다.
그와 반대로, 여기서 우선권이 주장되는 특허출원 PCT/EP2008/050120 에 기술한 바와 같은 제어 방법에 기초하여 제어 시스템을 모듈화하는 것이 가능하다. 이 제어 방법의 기본적인 원리는 집중된 방식보다는 분산된 방식으로 펄스폭 변조 (PWM) 에 따라 서브모듈의 스위칭을 수행하는 것이며, 여기서 2 개의 PWM 관련 신호, 기준 AC 전압 또는 스위칭 캐리어 신호 중 하나가 시간의 경과에 따라 분배된다.
기준 AC 전압은 각 전압 소스에 대한 기준 값이고, 이로써 각 암에 대한 기준 값이다. 스위칭 캐리어 신호는 각 암의 모든 서브모듈에 대한 형상에 있어서 동일하다. 중앙 제어 유닛은 각 암에 대한 기준 AC 전압 뿐만 아니라 스위칭 캐리어 신호를 생성하고 그들을 서브-제어 유닛 또는 서브유닛에 송신하며, 여기서 각 서브유닛은 암의 서브모듈 중 하나와 연관된다. 서브유닛은 스위칭 캐리어 신호와 기준 AC 전압을 비교하고, 스위칭 캐리어 신호가 기준 AC 전압을 교차할 때마다, 스위칭, 및 이로써 상태 1 로부터 상태 2 로 또는 그와 반대로의 대응하는 서브모듈의 상태의 변경을 개시한다.
2 개의 PWM 관련 신호들 중 하나의 필요한 분배가 중앙 제어 유닛이나 각 서브유닛 중 어느 하나에서 수행될 수 있다. 개별 시간 지연의 가능한 생성 외에도, 서브유닛에 의해 수행될 모든 제어 및 스위칭 생성 기능은 각 서브유닛이 모든 다른 서브모듈과 동일한 단 하나의 서브모듈과 통신하기 때문에 서로 동일하다. 따라서, 전력 전자 하드웨어 뿐만 아니라 제어 시스템의 참된 모듈화가 확립되며, 이는 제어 기능의 발달을 용이하게 하고, 설치, 특히 와이어링은 물론 멀티레벨 전력 컨버터의 정비 및 유지를 단순화한다.
상기 언급한 바와 같이, 2 개의 PWM 관련 신호들 중 하나는 시간의 경과에 따라 분배되어야 한다. 이것은 서브모듈 내의 밸브의 스위칭 이벤트가 각 암 내의 서브모듈에 대해 계속되는 시퀀스로 발생하도록 행해진다. 이것의 목적은 2 개 이상의 셀의 밸브가 동시에 스위칭되는 것을 방지하는 것이다. 하나의 암의 서브유닛 각각에 대한 필요한 시간 지연된 스위칭 캐리어 신호 또는 기준 AC 전압이 중앙 제어 유닛에 의해 생성될 수 있으며, 이는 중앙 제어 유닛이 개별 기준 신호를 서브유닛 각각에 발송해야 하며, 이로써 모듈화의 일반적인 이점을 손상시킨다는 것을 의미한다.
대신에, 중앙 제어 유닛은 동일한 스위칭 캐리어 신호 및 기준 AC 전압을 하나의 암의 서브유닛들 모두에 발송하여, 중앙 제어 유닛에 의해 발송될 데이터의 수를 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 낮은 데이터 레이트는 비용 및 통신 신뢰성에 대하여 이점을 갖는다.
동일한 스위칭 캐리어 신호 및 기준 AC 전압이 중앙 제어 유닛에 의해 하나의 암에 송신된다면, 필요한 시간 지연은 2 개의 PWM 관련 신호들을 서로 비교하기 전에 각 서브유닛에 의해 2 개의 PWM 관련 신호들 중 하나에 개별적으로 적용될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 시간 지연은 모든 서브유닛의 지연된 스위칭 캐리어 신호 또는 기준 AC 전압 각각이 서로에 대하여 시간의 경과에 따라 고르게 분배되도록 각 서브유닛에 대해 미리정의된다. 2 개의 신호 중 하나의 고른 시간 분배는 AC 단자에 접속된 AC 전압 네트워크로부터 나오는 고조파 및 다른 외란에 대한 낮은 감도와 함께, 전력 컨버터의 AC 단자에서 스무스한 AC 전압 커브를 초래하는 것으로 나타났다.
고른 시간 분배의 경우, 시간 지연은 바람직하게는 인접한 서브유닛들 간의 2π/(pM) 의 위상 시프트인 것으로 선택되며, 여기서, p 는 스위칭 캐리어 신호의 시간 주기에 의해 나눠진 기준 AC 전압의 시간 주기로서 정의된 펄스 수이며, M 은 위상 레그 당 서브모듈의 수, 즉, M = 2·N 이다.
바람직하게, 톱니파 신호가 스위칭 캐리어 신호로서 이용된다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 각 서브유닛은 PWM 을 수행하기 전에, 특히 2 개의 PWM 관련 신호들의 비교를 수행하기 전에 기준 AC 전압의 진폭에 보정 값을 부가한다. 보정 값은 커패시터의 순간 전압 (uc_k) 과 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 사이의 차이에 비례하는 것으로 선택된다. 이렇게 하여, 서브모듈의 모든 커패시터 전압 (uc_k) 이 그들의 대응하는 기준 전압 (uc_ref) 으로부터 일탈하는 것이 방지된다. 그 결과, 커패시터 전압의 평균값은 실질적으로 동일한 미리정의된 레벨로 유지되며, 이는 전력 컨버터의 강건하고 빠른 제어를 야기하며, 이로써 AC 단자에서의 고른 보다 스무스한 AC 전압 커브를 야기한다.
각 서브유닛이 기준 AC 전압의 진폭에 보정 값을 부가하기 전에 커패시터의 순간 전압 (uc_k) 과 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 사이의 차이를 저역통과 필터링할 때 AC 단자에서의 AC 전압 커브의 품질의 추가 향상이 달성될 수 있다.
특별한 실시형태에서, 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 은 중앙 제어 유닛에 의해 각 서브유닛에 송신되며, 여기서 하나의 암의 모든 서브유닛에 대해 동일한 값을 발송하는 것이 단순화의 이유로 바람직하다.
각 서브유닛이 그의 대응하는 커패시터의 순간 전압 (uc_k) 을 중앙 제어 유닛에 송신하는 것이 추가 제안된다. 중앙 제어 유닛은 모든 커패시터 전압 값을 프로세싱하고 전력 컨버터의 전체 에너지 저장 상태를 나타내는 정보를 생성할 수 있다. 이 정보에 기초하여, 중앙 제어 유닛은 그 때 다른 목적들 중에서 각 암에 대해 적절한 기준 커패시터 전압 (ur_ref) 및 기준 AC 전압을 생성할 수 있다.
추가 실시형태에서, 중앙 제어 유닛 및 서브유닛은 추가 신호를 서로 교환한다. 일 배열에서, 중앙 제어 유닛은 대응하는 서브모듈의 또는 그 서브모듈 내의 소정의 밸브의 스위칭이 허용되는지 여부를 결정하는 로직 신호인 오더 신호 (order signal) BLK 를 서브유닛에 송신한다. 대안으로, 오더 신호 (BLK) 는 동시에 모든 서브유닛에 대한 브로드캐스트 신호일 수 있으며, 즉, 이는 한번에 컨버터 내의 모든 전력 전자 스위치의 블로킹을 초래한다. 이 경우에, 그리고 상기 확인된 실시형태들 중 하나와 함께, 중앙 제어 유닛은 컨버터의 하나의 암의 모든 서브유닛으로 동일한 데이터, 즉, 그 암에 대한 기준 AC 전압 및 스위칭 캐리어 신호는 물론 동일한 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 및 동일한 오더 신호 (BLK) 를 송신할 수도 있다. 이는 전력 컨버터의 구현 및 유지에 드는 노력 및 비용의 최소화를 초래한다.
다른 실시형태에서, 서브유닛은 중앙 제어 유닛에 상태 정보를 송신할 수도 있다. 한가지 이러한 상태 정보는 전력 전자 스위치 각각이 트랜지스터 또는 GTO 사이리스터 같은 반도체 디바이스들의 직렬 접속을 포함하는 경우에 있어서, 여전히 제어가능한, 즉 이상이 없는 관련 전력 반도체 스위치 내의 반도체 디바이스들의 수를 식별하는 수 nh_k 일 수 있다. 이러한 신호는 중앙 제어 유닛에 의해 전력 컨버터의 나머지 전압 변환 능력에 관한 정보를 생성하고 그에 따라 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 및 기준 AC 전압의 값을 조정하는데 이용될 수 있다.
다른 제안된 상태 정보는 대응하는 서브모듈에서의 실패를 나타내는 로직 신호인 서브모듈 실패 표시 신호 (FAIL_k) 이다. 이 신호 (FAIL_k) 는 중앙 제어 유닛에서, 컨디션 모니터링 및 보호를 위해, 예를 들어 소정의 서브모듈의 스위칭이 금지되어야 할 때를 결정하고, 이로써 대응하는 오더 신호 (BLK) 가 활성화될 때를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
제어 시스템의 물리적 구현과 관련하여, 상이한 셋업이 가능하다. 서브유닛은 예를 들어 서브모듈과 통합된 하드웨어일 수 있지만, 그들은 대응하는 서브모듈에 대해 소정 거리에 배치될 수 있을 뿐만 아니라 광섬유 케이블 또는 다른 적절한 통신 접속에 의해 서브모듈에 접속될 수 있다. 서브유닛은 데이터 프로세싱을 위해 디지털 신호 프로세서 (DSP), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이 (FPGA), 주문형 집적 회로 (ASIC) 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수도 있다. 중앙 제어 유닛은 전자 회로 및/또는 광섬유 케이블을 이용하여 2·N·P 서브유닛과 통신할 수도 있다. 일반적으로 디지털 시그널링은 직렬 및/또는 병렬 통신에 이용된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
도 1 은 당업계에 공지된 바와 같은 컨버터 토폴로지를 도시한 도면이다.
도 2 는 당업계에 공지된 바와 같은 도 1 의 컨버터의 위상 레그에서의 전압 소스의 셋업을 도시한 도면이다.
도 3 은 도 1 및 도 2 의 컨버터 내의 서브모듈의 2 개의 상이한 실시형태를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 분산된 제어 시스템을 가진 컨버터의 하나의 위상 레그를 도시한 도면이다.
도 5 는 도 4 의 분산된 제어 시스템에서의 통신의 원리를 도시한 도면이다.
도 6 은 도 4 의 서브유닛들 중 하나의 상세도이다.
도 7 은 도 4 의 위상 레그의 16 개의 전력 전자 스위치들 중 6 개에 대한 개별 스위칭 캐리어 신호를 도시한 도면이다.
도 8 은 하나의 전력 전자 스위치의 스위칭 캐리어 신호 및 이 전력 전자 스위치에 대한 보정된 기준 AC 전압을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3 은 당업계에 공지된 멀티레벨 전력 컨버터 및 그의 제어 시스템의 구조에 대하여 상기 설명되었다.
본 발명에 따른 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고 그와 반대로도 변환하는 디바이스는 AC 전압이 얼마나 많은 위상을 갖는지에 따라 단일의 위상 레그나 다수의 위상 레그 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 컨버터의 하나의 위상 레그 (1) 가 도 4 에 도시되며, 도 1 내지 도 3 에 대하여 설명한 것과 동일한 컴포넌트에는 동일한 참조 번호가 적용된다. 제 1 DC 단자 (4) 와 제 1 인덕터 (9) 사이의 상부 암의 상부 전압 소스에서, 타입 15b (도 3 참조) 의 4 개의 서브모듈 (15) 은 직렬로 접속되고, 타입 15b 의 4 개의 서브모듈 (15) 의 유사한 직렬 접속이 제 2 인덕터 (10) 와 제 2 DC 단자 (5) 사이의 하부 암의 하부 전압 소스로서 배열된다. 따라서, 도시된 위상 레그 (1) 의 수 N 은 4 이고 수 M 은 8 이다. 상부 및 하부 전압 소스 각각은 제 1 및 제 2 인덕터 각각을 통해 제 1 AC 단자 (6) 에 접속된다. 트랜스포머 (21) 및 필터링 장비 (22) 가 여기에서는 위상 레그 (1) 의 AC 측 상에, 즉 제 1 AC 단자 (6) 에 직접 접속하여 나타내진다.
AC 를 DC 로 또는 그와 반대로의 컨버터의 전압 변환을 제어하기 위한 제어 시스템은 중앙 제어 유닛 (19) 및 8 개의 서브유닛 (20) 을 포함하는 것으로 도시되며, 여기서, 서브유닛들 각각은 8 개의 서브모듈 (15) 중 하나와 연관 및 접속된다. 도 4 에는, 서브유닛 (20) 이 특히 전력 전자 스위치 (16) 와 그리고 대응하는 서브모듈 (15) 의 커패시터 (17) 와 상호작용하는 것이 대시 선으로 개략적으로 나타내진다. 중앙 제어 유닛 (19) 과 서브유닛 (15) 사이에서, 대시-도트 통신선 (25) 은 데이터가 중앙 제어 유닛 (19) 으로부터 서브유닛 (15) 으로 그리고 그와 반대로 전송되는 것을 나타낸다.
도 5 는 도 4 에 도시된 위상 레그 (1) 의 상부 암에 속하는 제어 시스템의 통신의 일반적인 원리를 나타낸다. 중앙 제어 유닛 (19) 은 기준 데이터 REF 를 제 1 데이터 버스 (24) 를 통해 서브유닛 (20) 에 송신하며, 서브유닛 (20) 은 서브모듈 정보 데이터 CELL_k (여기서, N = 4 이고 1 ≤ k ≤ N) 를 제 2 데이터 버스 (23) 를 통해 중앙 제어 유닛 (19) 에 반환한다. 제 1 및 제 2 데이터 버스 (23 및 24) 는 직렬 또는 병렬 통신 프로토콜을 이용하는, 분리된 단방향적 버스로서 또는 공통의 양방향적 버스로서 인지될 수 있다. 그들의 물리적 구현을 위해, 전자 회로 및/또는 광섬유 케이블이 이용될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시형태에서, 위상 레그 (1) 의 상부 암에 대한 기준 데이터 REF 는 무엇보다도 기준 AC 전압 (ua_ref) 및 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 를 포함하며, 이들은 그 암의 모든 4 개의 서브유닛 (20) 에 대해 동일하다. 이 실시형태의 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 는 톱니파 신호이다. 각 서브유닛 (20) 은 시간 지연을 수신된 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 에 적용하며, 여기서 시간 지연은 인접한 서브유닛 (20) 간의 2π/pM 의 위상 시프트이며, 여기서, p 는 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 의 시간 주기에 의해 나눠진 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 시간 주기로서 정의된 펄스 수이며, M 은 이 특정 예의 경우에는 8 이다.
ua_ref 및 s_sw 에 더하여, 기준 데이터 REF 는 각 서브모듈 (15) 의 커패시터 (17) 에 대한 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 및 대응하는 서브모듈 (15) 의 스위칭이 허용되는지 여부를 나타내는 오더 신호 BLK 를 더 포함하며, 이 특별한 실시형태에서, 공통의 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 및 공통의 오더 신호 BLK 가 암의 모든 서브유닛 (20) 에 송신된다. 이것은 동일한 기준 데이터 REF 가 발송되며, 즉, 단 하나의 데이터 패킷 REF = [ua_ref; s_sw; uc_ref; BLK] 이 제 1 데이터 버스 (24) 상에 배치되어야 한다는 것을 의미한다.
서브모듈 정보 데이터 CELL_k 각각은 대응하는 커패시터 (17) 의 순간 전압 (uc_k) 을 포함하며, 이는 센서에 의해 측정되고 연관된 서브유닛 (20) 에 의해 프로세싱된다. 서브유닛 (20) 은 커패시터 (17) 의 순간 전압 (uc_k) 과 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 사이의 차이에 비례하는 것으로서 보정 값을 결정하기 위하여 수신된 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 및 측정된 이로써 순간의 전압 (uc_k) 을 이용한다. 각 서브유닛 (20) 은 보정 값을 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 진폭에 부가한다. 나중에, 각 서브유닛 (20) 은 지연된 스위칭 캐리어 신호 및 보정된 기준 AC 전압을 이용하여, 지연된 스위칭 캐리어 신호가 보정된 기준 AC 전압을 교차할 때마다 커패시터 (17) 에 걸친 전압이나 제로 전압 중 어느 하나가 서브모듈 (15) 의 출력 단자 (26 및 27) 로 인가되도록 PWM 패턴에 따라 대응하는 서브모듈 (15) 의 전력 전자 스위치 (16) 의 스위칭을 제어한다.
서브모듈 정보 데이터 CELL_k 는 상태 정보, 즉, 서브모듈 (15) 의 2 개의 전력 반도체 스위치 (16) 에서의 이상이 없는 반도체 디바이스의 수를 나타내는 수 nh1_k 및 nh2_k, 및 서브모듈 실패 표시 신호 (FAIL_k) 를 더 포함한다. 따라서, 도 5 의 각 서브유닛 (20) 에 대한 데이터 패킷은 다음의 형태, 즉 CELL_k = [uc_k, nh1_k, nh2_k, FAIL_k] 를 갖는다.
상기 설명된 제어 기능을 수행하는 서브유닛 (20) 각각의 상이한 엘리먼트가 도 6 에서 상세하게 도시된다. 서브유닛 (20) 은 서브모듈 (15) 의 전력 전자 스위치 (16) 의 제어를 위해 개별 시간 지연된 톱니파 전압 (35) 을 전달하도록 구성된 제 1 수단 (29) 을 포함한다. 도 4 에 도시된 위상 레그 (1) 의 모든 서브모듈 (15) 에 대한 톱니파 전압은 동일하지만 서로에 대하여 시간 경과에 따라 인접한 서브모듈 (15) 간의 상기 설명된 2π/pM 의 위상 시프트로 고르게 분배된다. 제 1 DC 단자 (4) 에 직접 접속되는 최상위 서브모듈에서 시작하고 제 2 DC 단자 (5) 에 직접 접속되는 최하위 서브모듈에서 끝나는 서브모듈 (15) 의 순서로 톱니파 전압을 검토할 때, 고른 시간 분배가 눈에 보이게 된다. 설명을 간략화하기 위해, 위상 레그 (1) 의 8 개의 서브모듈 (15) 중 최상위 6 개의 서브모듈의 톱니파 전압 (30 내지 35) 이 도 7 에 도시된다.
또한, 도 6 에 도시된 서브유닛 (20) 은 다른 서브모듈 (15) 의 것과 동일한 주파수 및 위상을 가진 대응하는 서브모듈 (15) 에 대한 보정된 기준 AC 전압 (37) 을 생성하도록 구성된 제 2 수단 (36) 을 포함한다. 이로써 기준 교류 전압 (ua_ref) 은 50Hz 또는 60Hz 와 같이, 컨버터의 AC 전압 측 상의 전압의 주파수와 같은 주파수를 갖는다. 서브유닛 (20) 은 도 7 에 도시된 바와 같이, 시간 지연된 톱니파 전압 (35) 이 보정된 기준 AC 전압 (37) 을 교차할 때마다 전력 전자 스위치 (16) 가 스위칭 상태를 상태 1 에서 상태 2 로, 그리고 그와 반대로 변경하도록 스위칭되도록 PWM 패턴에 따라 대응하는 서브모듈 (15) 을 제어하도록 구성된 제어 수단 (38) 을 더 포함한다. 따라서, 일 예로서, 단자 (26, 27) 에 걸쳐 제로 전압을 전달하기 위해 교차점 (39) 에서 다음의 교차점 (39) 까지 서브모듈 (15) 의 상부 전력 전자 스위치 (16) 는 턴 온될 수도 있고, 하부 전력 전자 스위치 (16) 는 턴 오프될 수도 있으며, 2 개의 단자 (26, 27) 사이의 커패시터 (17) 에 걸쳐 전압 (uc_k) 을 인가하기 위해 다음의 교차점 (40) 까지 상부 전력 전자 스위치 (16) 는 턴 오프되고 하부 전력 전자 스위치 (16) 는 턴 온되며, 등등이다.
서브유닛 (20) 은 센서 (41) 로부터 커패시터 (17) 에 걸쳐 측정된 전압 (uc_k) 을 수신한다. 서브유닛 (20) 의 제 3 수단 (42) 은 직류 전압인 그 전압 (uc_k) 을, 중앙 제어 유닛 (19) 으로부터 기준 신호 REF 중 하나로서 수신된 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 과 비교하도록 구성된다. 제 2 수단 (36) 은 제 3 수단 (42) 의 비교 결과에 의존하여 오프셋 또는 보정 값을 계산하고, 이 보정 값을 중앙 제어 유닛 (19) 으로부터 또한 수신되는 기준 AC 전압 (ua_ref) 에 부가하도록 구성된다. 이것은 실제로 단일의 서브모듈 (15) 에 대한 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 진폭이 그 서브모듈에 속하는 커패시터 (17) 에 걸친 전압이 위상 레그 (1) 의 모든 서브모듈 커패시터의 평균 전압으로부터 벗어날 때 상승 또는 하강되는 것을 의미한다.
도 8 은 보정된 기준 AC 전압 (37') 을 초래하여, 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 진폭이 도 6 의 서브유닛 (20) 에서 어떻게 상당히 저감되었는지를 도시한다. 도 8 에는, 대응하는 서브모듈 (15) 에 대한 개별 톱니파 전압 (35') 만이 추가로 도시된다. 따라서, 도 6 의 서브모듈 (15) 의 PWM 패턴은 도 7 의 대응하는 교차점과는 상당히 다른 도 8 의 커브 (35' 및 37') 의 교차점에 의해 결정된다. 각 서브모듈에 대한 기준 AC 전압을 개별적으로 조정하는 이 방식은 서브모듈의 커패시터에 걸친 직류 전압에 대해 밸런싱 효과를 가져, 서브모듈의 커패시터의 전압이 모든 커패시터의 평균 직류 전압 미만으로 낮아지게 되면, 기준 AC 전압의 진폭의 조정이 이 커패시터에 걸친 전압을 상승시키기 쉬울 것으로 나타났다. 반대로, 커패시터의 전압이 평균보다 높으면, 전압은 ua_ref 의 진폭의 보정 결과로서 낮아지게 될 것이다.

Claims (15)

  1. 전압 변환을 제어하기 위한 제어 시스템 및 제 1 DC 단자 (4) 와 제 1 AC 단자 (6) 사이에 직렬로 접속된 제 1 전압 소스 (Uvp1) 및 상기 제 1 AC 단자 (6) 와 제 2 DC 단자 (5) 사이에 직렬로 접속된 제 2 전압 소스 (Uvn1) 를 가진 적어도 하나의 위상 레그 (1) 를 포함하는, DC 전압을 AC 전압으로 변환하고 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 디바이스로서,
    상기 전압 소스 각각은 적어도 제 1 및 제 2 서브모듈 (15) 을 직렬 접속으로 포함하고, 각 서브모듈 (15) 은 적어도 하나의 커패시터 (17) 와 병렬로 접속된 적어도 2 개의 전력 전자 스위치 (16) 를 포함하며,
    상기 제어 시스템은 중앙 제어 유닛 (19), 및 서브모듈 (15) 만큼 다수의 서브유닛 (20) 을 포함하며, 상기 중앙 제어 유닛 (19) 은 각 서브유닛 (20) 에 기준 AC 전압 (ua_ref) 및 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 를 송신하고, 각 서브유닛 (20) 은 상기 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 가 상기 기준 AC 전압 (ua_ref) 을 교차할 때마다 상태 1 로부터 상태 2 로 또는 상태 2 로부터 상태 1 로의 대응하는 서브모듈 (15) 의 상태의 변경이 개시되도록 PWM (펄스폭 변조) 패턴에 따라 상기 서브모듈 (15) 중 하나의 서브모듈의 상기 전력 전자 스위치 (16) 의 스위칭을 제어하며, 상기 상태 2 에서는 상기 커패시터 (17) 양단의 전압이, 그리고 상기 상태 1 에서는 제로 전압이 상기 대응하는 서브모듈 (15) 의 출력 단자 (26, 27) 에 인가되며, 상기 중앙 제어 유닛 (19) 은 동일한 기준 AC 전압 (ua_ref) 및 동일한 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 를 동일한 전압 소스 (Uvp1, Uvn1) 에 속하는 모든 서브유닛 (20) 에 송신하는 것을 특징으로 하는 변환 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 서브유닛 (20) 은 PWM 제어를 수행하기 전에 상기 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 에 개별 시간 지연을 적용하는, 변환 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 서브유닛 (20) 은 PWM 제어를 수행하기 전에 상기 기준 AC 전압 (ua_ref) 에 개별 시간 지연을 적용하는, 변환 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시간 지연은 모든 서브유닛 (20) 의 지연된 상기 스위칭 캐리어 신호 또는 기준 AC 전압 각각이 서로에 대하여 시간의 경과에 따라 고르게 분배되도록 각 서브유닛 (20) 에 대해 미리 정의되는, 변환 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 시간 지연은 인접한 서브유닛 (20) 간의 2π/(pM) 의 위상 시프트이며, 여기서, p 는 상기 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 의 시간 주기에 의해 나눠진 상기 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 시간 주기로서 정의된 펄스 수이며, M 은 위상 레그 (1) 당 서브모듈 (15) 의 수인, 변환 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 캐리어 신호 (s_sw) 는 톱니파 신호인, 변환 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 서브유닛 (20) 은 상기 PWM 을 수행하기 전에 상기 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 진폭에 보정 값을 부가하며, 상기 보정 값은 상기 커패시터 (17) 의 순간 전압 (uc_k) 과 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 사이의 차이에 비례하는, 변환 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각 서브유닛 (20) 은 상기 기준 AC 전압 (ua_ref) 의 진폭에 보정 값을 부가하기 전에 상기 커패시터 (17) 의 상기 순간 전압 (uc_k) 과 상기 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 사이의 차이를 저역통과 필터링하는, 변환 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중앙 제어 유닛 (19) 은 상기 기준 커패시터 전압 (uc_ref) 을 각 서브유닛 (20) 에 송신하는, 변환 디바이스.
  10. 제 7 항에 있어서,
    각 서브유닛 (20) 은 그의 대응하는 커패시터 (17) 의 상기 순간 전압 (uc_k) 을 상기 중앙 제어 유닛 (19) 에 송신하는, 변환 디바이스.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 제어 유닛 (19) 은 상기 전력 전자 스위치 (16) 중 적어도 하나의 전력 전자 스위치의 스위칭이 허용되는지 여부를 결정하는 오더 신호 (BLK) 를 상기 서브유닛 (20) 에 송신하는, 변환 디바이스.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브유닛 (20) 은 상기 중앙 제어 유닛 (19) 에 상태 정보 (nh_k, FAIL_k) 를 송신하는, 변환 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브유닛 (20) 의 각각은 광섬유 케이블을 통해 상기 대응하는 서브모듈 (15) 에 접속되는, 변환 디바이스.
  14. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 제어 유닛 (19) 및 상기 서브유닛 (20) 은 직렬 또는 병렬 데이터 버스를 통해 또는 무선 접속을 통해 서로 통신하는, 변환 디바이스.
  15. 삭제
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