KR101711947B1 - 모듈러 멀티레벨 컨버터 - Google Patents

모듈러 멀티레벨 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운전에 필요한 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터는 서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및 상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 다수의 서브모듈은 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 N+M개의 서브모듈에 할당된 각 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 작은 서브모듈은 오프(OFF)로 스위칭한다.

Description

모듈러 멀티레벨 컨버터{MODULAR MULTILEVEL CONVERTER}
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MMC 컨버터에서 운전에 필요한 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 공지의 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)은 도 1에 도시된 바와 같이 1개 이상의 상모듈(phase module)(1)로 구성되고 각 상모듈(1)은 2개의 출력단자(X1,X2)를 갖는 N개의 서브모듈(10)이 직렬연결된다. 부하접속단자(L1,L2,L3)는 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 접속될 수 있다. 상모듈(1)은 부하접속단자(L1,L2,L3)를 기준으로 상부 상모듈(1a)과 하부 상모듈(1b)로 구분된다.
이러한 MMC 컨버터에서 서브모듈의 스위칭에는 펄스폭변조(PWM:Pulse Width Modulation) 방식이 통상적으로 사용된다. MMC 컨버터의 다양한 PWM 방식 중에서 위상전이된 캐리어(PSC:Phase-Shifted Carrier) 기반의 PWM은 출력의 멀티레벨화가 가능하고 낮은 스위칭 주파수에서도 출력에서 고조파가 적다는 장점이 있다.
도 2는 종래의 MMC에 적용된 PSC 기반 PWM의 캐리어를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 MMC 컨버터에 원하는 기준신호(21)가 -1에서 +1 사이의 값을 가지는 경우 N개의 서브모듈(10)에 할당된 캐리어(carrier) 신호(22)가 -1 ~ +1로 변동되도록 구성하고, 기준신호(21)와 N개의 서브모듈(10)에 할당된 캐리어 신호(22)의 크기를 비교하여 기준신호(21)보다 삼각파(22)가 큰 캐리어의 서브모듈은 온(ON)되고, 작은 캐리어의 서브모듈은 오프(OFF)된다. 이러한 서브모듈의 온/오프 스위칭은 제어기(미도시)에 의해 제어된다.
그런데, 이러한 종래방식에서는 N개의 캐리어를 유지해야 한다. 만약 N개의 서브모듈 중 어느 하나에 고장이 발생하는 경우 캐리어를 유지할 수 없어 MMC 컨버터의 운전에 악영향을 미치는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래기술에서는 운전에 참여하는 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가하여 운전하는 기법이 제시되어 있다. 하지만, 이 경우에도 N+M개의 서브모듈 중 N개의 서브모듈마다 캐리어가 계속 변경되어야 한다. 예컨대, 현재주기에 1~N번째 서브모듈의 캐리어가 유지된 상태에서 다음주기에 2~(N+1)번째 서브모듈의 캐리어로 변경되어야 한다. 이 경우 캐리어의 변경시점에서 스위칭 상태가 변경되어 불필요한 스위칭이 발생하여 스위칭 주파수가 증가되는 문제점이 발생하고 캐리어를 계속 회전시기 위한 제어기의 구현이 힘들다는 문제점이 있다.
등록특허 제10-0734050호 공개특허 제10-2012-0113145호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, MMC 컨버터에서 운영에 필요한 N개의 서브모듈과 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈에 N+M개의 위상전이 캐리어(phase-shifted carrier)가 할당되며 상기 N+M개의 캐리어 신호의 상하 변동 범위를 불평형(unbalancing)하도록 설정하는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)는, 서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및 상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 다수의 서브모듈은 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 N+M개의 서브모듈에 할당된 각 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 서브모듈을 온(ON)으로 스위칭하고 작은 서브모듈을 오프(OFF)로 스위칭한다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈의 각 캐리어 신호는 상하 변동 범위가 불평형(unbalancing)하다.
본 발명에서, 상기 기준신호가 -A에서 +A까지의 상하 변동 범위를 갖는 경우, 상기 각 캐리어 신호는 -A에서 +(A×(N+M)/N)까지의 상하 변동 범위를 갖는다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈 각각은 온(ON)으로 스위칭된 후 M개의 캐리어 신호만큼 위상전이(phase-shifted)된 후에 오프(OFF)로 스위칭된다.
본 발명에서, N+M개의 캐리어 신호가 N+M개의 서브모듈에 각각 할당되고 상기 N+M개의 서브모듈에서 N개의 서브모듈이 순차적으로 하나씩 순환하면서 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하도록 한다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈이 모두 온/오프 스위칭을 수행한다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈의 캐리어의 크기범위를 상하 불평형하게 설정하여 예비 서브모듈을 포함한 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하도록 함으로써 기존의 방식에서 캐리어가 변경되면서 발생하는 불필요한 스위칭 횟수의 발생을 없애도록 한다.
또한, 본 발명에 의하면 N+M개의 서브모듈의 제어기에서 종래기술과 같이 캐리어를 계속 변경하기 위한 동작이 필요 없기 때문에 제어기의 구현이 간편해진다.
따라서, 본 발명은 MMC 컨버터 시스템의 동작이 효율적으로 이루어지도록 하며 불필요한 동작을 생략함으로써 구현이 간단해지는 효과가 있다.
도 1은 종래의 MMC 컨버터의 회로도,
도 2는 종래의 MMC 컨버터에서 PSC 기반 PWM의 캐리어의 파형도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예시도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에 구현된 PSC 기반 PWM의 캐리어 파형도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈에 캐리어의 할당을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)에서는 기본적으로 상ㆍ하부 상모듈(101a,101b)별로 N(자연수)개의 서브모듈(110)를 이용하여 N+1 또는 2N+1 레벨의 전압을 생성한다. 이때, N개의 서브모듈(110)에 고장발생시에도 안정적인 운용을 위해 M(자연수)개의 예비(redundant)의 서브모듈(120)을 추가하여 운전하게 된다. 이 경우 각 상모듈(101a,101b)당 M개의 예비 서브모듈(120)이 포함되어서 전체적으로 각 상모듈(101a,101b)당 N+M개의 서브모듈(110,120)이 직렬로 연결된다. 이와 같이 N+M개의 서브모듈로 운전하기 위해서는 정상적으로 운전되는 서브모듈은 항상 N개가 유지되어야 하며 나머지 M개의 서브모듈은 대기상태로 유지된다.
이때, 본 발명에서 운전중인 N개의 서브모듈(110) 중 어느 하나가 고장나면 M개의 예비 서브모듈(120) 중 하나가 즉시 투입된다. 즉, N개의 서브모듈(110)에 사고가 발생하는 경우 MMC 컨버터의 동작에 문제가 없도록 하기 위해서는 즉시 예비 서브모듈(120) 중 하나가 투입되어야 하므로 전체 N+M개의 각 서브모듈의 DC전압의 밸런싱(balancing)이 유지되어야 한다. 이를 위하여 예비 서브모듈(120)을 포함한 전체 N+M개의 서브모듈(110,120)에 캐리어(carrier)가 할당되어 모두 온/오프(ON/OFF) 스위칭에 참여하도록 함으로써 전체적인 밸런싱을 유지해야 한다. 이는 순시적으로 N+1 레벨을 생성하기 위해 동작하는 서브모듈의 개수는 N개이지만, N+M개의 서브모듈이 돌아가면서 스위칭에 참여하도록 하는 것이다. 이러한 N+M개의 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭은 제어부(미도시)에 의해 제어된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에 구현된 PSC 기반 PWM의 캐리어 파형도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서는 위상전이 캐리어(phase-shifted carrier:PSC) 기반의 PWM을 적용하여 N개의 서브모듈의 온/오프 스위칭을 구현하도록 한다. 이를 위하여 캐리어 신호와 기준신호를 비교하여 서브모듈의 스위칭이 구현된다. 기준신호는 정형파로 나타나고 캐리어 신호는 삼각파로 나타나지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 캐리어 신호는 운전되는 N개의 서브모듈의 개수에 따라 N개가 나타난다. 도면에 도시된 바와 같이 각각의 캐리어 신호는 위상전이된(phase-shifted) 상태로 나타나며 주파수 및 진폭은 모두 동일하다. 이러한 캐리어 신호와 기준신호의 비교를 통해 서브모듈의 온/오프 스위칭 신호를 제어하도록 한다.
이때, 본 발명의 실시 예에서 N개의 캐리어 신호의 변동 범위는 기준신호의 변동 범위보다 큰 것이 바람직하다. 즉, 기준신호가 예컨대 -A에서 +A까지 변동하는 정현파인 경우 캐리어 신호는 -A에서 +(A+α)까지 변동한다. 이를 구체적으로 설명하면, MMC 컨버터에서 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 예비적으로 구비된 M개의 예비 서브모듈에 할당된 N+M개의 위상전이 캐리어 신호는 -A부터 +A(N+M)/N까지 변동한다. 따라서, 각 캐리어 신호는 상하 변동이 불평형(unbalancing)하다. 도 4의 일례에서는 MMC 컨버터에서 운전중이 서브모듈이 10개(N=10)이고, 예비 서브모듈이 2개(M=2)라고 가정하고, 기준신호가 -1에서 +1 사이의 값을 가지는 경우 N+M개의 캐리어 신호는 -1에서 +1.2(=1×(10+2)/10)의 범위 내에서 변동하는 예를 도시하고 있다.
여기서, 캐리어 신호가 기준신호보다 큰 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 반대로 캐리어 신호가 기준신호보다 작은 서브모듈은 오프(OFF)로 스위칭된다. 따라서 도 4와 같이 상하 불평형(unbalancing)하게 캐리어 신호가 변동하도록 설정함으로써 N+M개의 서브모듈이 모두 순환하면서 스위칭에 참여하도록 할 수 있다. 이는 도 2에 도시된 종래기술과 비교할 때 종래기술에서는 기준신호와 캐리어 신호의 상하 변동 범위가 동일하기 때문에 캐리어 신호가 기준신호보다 큰 서브모듈이 존재하지 않을 경우가 있으므로 이러한 서브모듈은 오프(OFF) 상태가 되므로 본 발명과 같이 N+M개의 모든 서브모듈이 순차적으로 온/오프 스위칭에 참여하지 못하게 된다.
또한, 도 4에 도시된 일례에서 기준신호가 -1에서 +1 사이를 가지는 경우 캐리어 신호의 변동 범위를 -1~1.2까지 불평형하게 함으로써 제1 캐리어 신호(41)가 기준신호(44)보다 커져서 대응되는 제1 서브모듈이 온(ON)으로 스위칭된 이후에, 다음 제2 캐리어 신호(42)가 기준신호(42)보다 커지는 시점(T1)에 제1 서브모듈이 오프(OFF)로 스위칭되는 것이 아니라, 3번째 캐리어 신호(43)가 기준신호보다 커지는 시점(T2)에 제1 서브모듈이 오프(OFF)로 스위칭된다. 이는 제1 캐리어 신호(41)가 이후의 다른 2개의 캐리어 신호만큼 위상전이된(phase-shifted)된 효과를 갖도록 한다. 따라서, 제1 캐리어 신호(41)에 대응되는 제1 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 이후 2개의 캐리어 신호가 위상전이된 이후에 오프(OFF)로 스위칭되는 것이다. 이러한 위상전이 효과는 예비 서브모듈의 개수(M)에 따라 결정된다. 다시 말하면, M개만큼 위상전이되는 효과를 갖는 것이다. 예컨대, 도 4의 일례와 같이 M=2이면 2개의 캐리어 신호만큰 위상전이 되는 효과를 가지는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하면서도 각 서브모듈의 온/오프 스위칭은 기존방식과는 달리 위상전이 효과를 가지도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈의 스위칭 과정을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서는 N+M개의 전체 서브모듈에 캐리어가 할당되어 N+M개의 캐리어 신호가 나타난다. 이는 N+M개의 서브모듈이 모두 온/오프 스위칭에 참여하도록 하기 위한 것이다.
즉, 도면에서와 같이 서브모듈 #1에 캐리어 신호 1이, 서브모듈 #2에는 캐리어 신호 2가 할당되고, 서브모듈 #N에는 캐리어 신호 N이 할당된다. 또한 서브모듈 #(N+1)에는 캐리어 신호 (N+1)이, 서브모듈 #(N+M)에는 캐리어 신호 (N+M)가 할당된다. 이는 종래기술에서 운전에 참여하고 있는 N개의 서브모듈에만 캐리어 신호가 할당되는 것과는 다름을 알 수 있다.
이때, MMC 컨버터의 운전에 참여하는 서브모듈의 개수는 N개이다. 예컨대, 서브모듈 #1부터 서브모듈 #N개까지만 운전에 참여한다. 나머지 #N+1부터 #N+M까지의 서브모듈은 캐리어 신호가 각각 할당되고 온/오프 스위칭은 이루어지지만 운전에는 참여하지 않는다. 이는 #1~#N의 서브모듈 중 적어도 하나 이상 고장이 발생하면 즉시 그 고장난 서브모듈을 대신하여 운전에 참가하게 된다. 이를 위하여 대기 상태에서도 계속 온/오프 스위칭은 이루어지고 있다.
이는 종래기술과 비교할 때 N개의 캐리어 신호가 N개의 서브모듈에 할당된 후 나머지 M개의 서브모듈에 N개의 캐리어 신호를 순차적으로 이동시켜야 하는 번거로움이 없는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 MMC 컨버터의 상부 상모듈 및 하부 상모듈마다 운전에 필요한 N개의 서브모듈에다 M개의 예비 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈로 운전하도록 한다. 이때, 정상적으로 운전하는 서브모듈은 항상 N개가 유지되어야 하며, 나머지 M개의 서브모듈은 대기 상태로 유지되어야 한다. 또한, 운전중이 N개의 서브모듈 중 어느 하나에 고장이 발생시 MMC 컨버터 시스템의 동작에 문제가 없도록 하기 위해서는 즉시 예비 서브모듈이 그 고장난 서브모듈을 대신하여 투입되어야 한다. 이를 위하여 예비 서브모듈을 포함한 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하도록 한다. 즉, 순시적으로 N+1의 멀티레벨을 생성하기 위해 동작하는 서브모듈은 N개이지만, N+M개의 서브모듈이 돌아가면서 온/오프 스위칭에 참여하게 된다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
41,42,43 : 캐리어 신호 44 : 기준신호
110,120 : 서브모듈

Claims (6)

  1. 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)에 있어서,
    서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및
    상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 다수의 서브모듈은 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 N+M개의 캐리어 신호가 N+M개의 서브모듈에 각각 할당되고 상기 N+M개의 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 경우에 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭하고 작은 경우에 오프(OFF)로 스위칭하며,
    상기 N+M개의 서브모듈은 상기 할당된 N+M개의 캐리어 신호에 따라 온/오프되어 모두 스위칭을 수행하되, 상기 스위칭은 온(ON)으로 스위칭된 후 M개의 캐리어 신호만큼 위상전이(phase-shifted)된 후에 오프(OFF)로 스위칭되고,
    상기 N+M개의 서브모듈 중 N개의 서브모듈이 순차적으로 하나씩 순환하면서 스위칭을 통해 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하도록 하고 나머지 M개의 서브모듈은 스위칭은 이루어지되, 운전에 참여하지 않도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 N+M개의 서브모듈의 각 캐리어 신호는 상하 변동 범위가 불평형(unbalancing)한 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기준신호가 -A에서 +A까지의 상하 변동 범위를 갖는 경우, 상기 각 캐리어 신호는 -A에서 +(A×(N+M)/N)까지의 상하 변동 범위를 갖는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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