KR101738032B1 - 액티브 고장 전류 제한을 가진 변환기 - Google Patents

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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

고전압 DC 송전을 위한 전압원 변환기(20)는 DC망(22)과 다른 전기 회로망(24)을 서로 연결하기 위해 DC망(22)과 다른 전기 회로망(24) 사이에 사용 시 연결 가능하다. 상기 전압원 변환기(20)는 DC망(22)과 다른 전기 회로망(24) 사이에 흐르는 전력을 변환하기 위한 변환기 유닛(26)과 적어도 하나의 고장 유닛(28)을 포함한다. 상기 또는 각각의 고장 유닛(28)은, 상기 전압원 변환기(20)에 연결된 DC망(22)에서 단락 발생 시, 상기 전압원 변환기(20)와 상기 단락을 통해 흐르는 전류를 줄이도록 작용하는 전압을 생성하도록 작동 가능한 전압원(36)을 구비하는 적어도 하나의 고장 모듈(30)을 포함한다.

Description

액티브 고장 전류 제한을 가진 변환기{CONVERTER WITH ACTIVE FAULT CURRENT LIMITATION}
본 발명은 고전압 직류(HVDC) 송전(power transmission)에서 사용을 위한 전압원 변환기(voltage source converter)에 관한 것이다.
HVDC 송전망들에서, 일반적으로 교류(AC) 전력은 가공선 및/또는 해저 케이블을 통한 송전을 위해 직류(DC) 전력으로 변환된다. 이러한 변환은, 변환이 없다면 송전선이나 케이블에 의해 부과되는 AC 용량성 부하 효과를 보상할 필요가 없다는 것을 의미한다. 이것은 결국 송전선 및/또는 케이블의 킬로미터당 비용을 줄이고, 따라서 전력을 장거리에 걸쳐 송전할 필요가 있을 경우 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 것이 비용 효율적이다.
AC 전력의 DC 전력으로 변환은 서로 다른 주파수로 운용되는 두 개의 AC망(AC network)을 서로 연결시킬 필요가 있는 상황에 있는 송전망들에서 또한 흔히 이용된다.
변환기들은 AC 전력과 DC 전력 간의 필요한 변환을 가져오기 위해 AC망과 DC망 간의 각 접점(interface)에서 요구되고, 그러한 형태의 변환기 중 하나는 전압원 변환기(VSC)이다.
DC 전력 그리드(grid)가 HVDC 송전의 출현을 지원하기 위해 또한 필요하다. DC 전력 그리드는 DC 송전망 및 배전망을 포함하고, 이것들은 서로 다른 전압 레벨로 운용될 수 있다. 그러한 상황에서 전압원 변환기는 두 개의 DC망을 서로 연결시키는데 또한 사용될 수 있다.
그러나 HVDC 송전망들의 운용 동안, 전압원 변환기들은 DC 송전선 또는 케이블에 걸쳐 낮은 임피던스와 함께 단락(short circuit)을 야기하는 DC 측 고장(fault)에 취약할 수 있다. 그러한 고장은 절연의 손상이나 파괴, 전도체들의 이동, 또는 이물질에 의한 전도체들 간의 다른 우연한 교락(bridging)으로 인해 발생할 수 있다.
DC 송전선 또는 케이블에 걸친 낮은 임피던스의 존재는 이것이 전압원 변환기에서 흐르는 전류를 그것의 원래 값보다 많이 높은 고장 전류 레벨로 증가하게 할 수 있기 때문에 전압원 변환기에 해가 된다. 전압원 변환기가 단지 고장 전류의 레벨보다 낮은 전류 레벨을 견디도록 설계된 상황에서, 그러한 높은 고장 전류는 전압원 변환기의 성분들을 손상시킨다.
통상적으로, 단락에 의해 장치에 제기되는 위험을 줄이기 위해서, 하나 이상의 스위치가 장치를 회로로부터 스위칭하도록 개방될 것이다. 그러나 도 1에 도시된 전압원 변환기(10) 같은 전압원 변환기들의 스위칭 소자들은 스위칭 소자들(12)이 개방될 때 여전히 전도(conduction)로 남아있는 역병렬(anti-parallel) 다이오드들(14)을 일반적으로 포함한다. 결과적으로, 스위칭 소자들(12)이 개방되는 경우에도, 다이오드들(14)은 전압원 변환기(10)에 연결된 DC망(20)에서 단락(18)으로 유발된 고장 전류(16)가 변환기(10)를 통해 계속해서 흐르게 한다.
단락에 의해 전압원 변환기에 제기되는 위험을 줄이기 위한 다른 옵션은, 고장을 탐지하고 전압원 변환기의 다른 AC 측에서 회로 차단기를 개방시켜 전류를 없애는데 충분한 시간이 있도록, 단락에 의한 고장 전류를 견디게 전압원 변환기를 설계하는 것이다.
그러나 전압원 변환기에 연결된 DC망에서 단락으로부터 유발되는 고장 전류는 상기 변환기의 정격 값(rated value)보다 일반적으로 많이 크다. 전압원 변환기의 내성을 증가시키기 위해서는, 전도 변환기 다이오드들의 크기나 용량이 증가되어야 하거나, 몇몇 변환기 다이오드는 병렬로 연결되어야 하거나, 높은 고장 전류를 운반할 수 있는 신속대응 우회 장치(fast-acting bypass device)가 통합되어야 한다. 어느 경우든, 어느 옵션이 추구되든, 추가적인 유도 성분들이 높은 고장 전류를 제한하기 위해 거의 확실이 요구되고, 성분들의 증가는 변환기 크기와 무게에 있어 증가를 가져온다. 결국 이것은 관련 HVDC 변환기 스테이션의 크기와 영역을 증가시키게 된다.
또한, 전압원 변환기의 다른 쪽인 무고장(non-fault) 측에서 회로 차단기를 개방시키는 것은 이것이 다른 망을 HVDC 송전망으로부터 단절시키기 때문에 불리하다. 결과적으로 고장이 수리된 후, 변환기 스테이션은 다른 망이 HVDC 송전망에 재연결될 수 있기 전에 시동 시퀀스(start-up sequence)와 일련의 점검을 겪어야 한다. 이것은 전력 조류의 중단을 연장시키고 따라서 전력 공급을 위한 송전 계획에 의존적인 것들에 대한 송전 계획의 비유효성의 원인이 된다.
WO 02/063758는, 모든 알려진 전압원 변환기들과 같은, 교류(AC) 측 단락 발생에 대응하는 능력을 가진 전압원 변환기를 개시한다. WO 02/063758 변환기는 자신에게 부착된 AC망의 단자 전압과 동일한 변환기 AC 측 단자 전압을 줄이기 위해서 자신의 반도체 스위치들을 스위칭할 수 있고, 이에 의해 변환기 내로 흐르는 고장 전류를 제한하고 제어할 수 있다. 대안적으로, WO 02/063758 변환기는 변환기 내로 고장 전류가 흐르는 것을 차단하기 위해 자신의 반도체 스위치들을 끌 수 있다. 그러한 상황에서 WO 02/063758 변환기는 직류(DC) 측 전압이 AC 측 전압보다 높은 다이오드 정류기로서 기능을 하는데, 즉, 각각의 반도체 스위치와 관련된 다이오드가 역방향 바이어스 되어 고장 전류가 소멸된다.
그러나 WO 02/063758 변환기는 이것의 DC 측 고장에 대응할 수 없다. 그 이유는 변환기 반도체의 스위칭이 낮은 또는 제로의 변환기 AC 측 단자 전압만을 생성할 수 있고, 변환기를 차단하는 것은 AC 측 전압을 DC 측 전압보다 높게 하여 그 결과 다이오드들이 어쩔 수 없이 제어되지 않은 상태로 되기 때문이다.
그 결과, WO 02/063758 변환기는 고장 전류를 견디도록 설계되어야 하고, DC 측 고장이 발생할 경우 AC 측 회로 차단기의 개방이 준비되어야 한다. 전술한 바와 같이 그러한 방식에는 제시된 많은 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 개선할 수 있는 전압원 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전압원 변환기에 연결된 DC망에서의 고장에 빠르게 반응할 수 있는 전압원 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 DC 측 고장이 보수되자마자 전압원 변환기의 정상 작동이 재개될 수 있는 전압원 변환기를 또한 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 적응성을 극대화하면서 설계를 단순화할 수 있는 전압원 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라서, DC망(DC network)과 다른 전기 회로망(electrical network)을 서로 연결하기 위해 DC망과 다른 전기 회로망 사이에 사용 시(in use) 연결 가능한, 고전압 DC 송전을 위한 전압원 변환기가 제공되는데, 상기 전압원 변환기는 상기 DC망과 상기 다른 전기 회로망 사이에 흐르는 전력을 변환하기 위한 변환기 유닛(converter unit)과, 적어도 하나의 고장 모듈(fault module)을 포함하는 적어도 하나의 고장 유닛(fault unit)을 포함하고, 상기 또는 각각의 고장 모듈은 에너지 저장 장치 형태의 전압원 및 적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고, 상기 또는 각각의 반도체 스위치는, 상기 전압원 변환기에 연결된 DC망에서 단락(short circuit) 발생 시 필요에 따라, 상기 다른 전기 회로망의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하여 상기 전압원 변환기와 상기 단락을 통해 흐르는 전류를 줄이기 위해, 상기 또는 각각의 고장 모듈의 전압원을 삽입 또는 우회하도록 설정되는(configure) 것을 특징으로 한다.
이런 방식으로 작동 가능한 전압원을 구비하는 적어도 하나의 고장 모듈을 포함하는 적어도 하나의 고장 유닛의 제공은, 최소의 오퍼레이터(operator) 개입으로, 상기 전압원 변환기가 상기 전압원 변환기에 연결된 DC망에서의 고장에 빠르게 반응할 수 있게 한다.
또한, 적어도 하나의 고장 모듈의 제공은 다른 무고장 전기 회로망을 전압원 변환기로부터 단절시키기 위해 전압원 변환기의 무고장 측에서 회로 차단기를 개방할 필요가 없다는 것을 의미한다. 따라서 DC 측 고장이 수리되자마자, 시동 시퀀스와 일련의 점검을 요하지 않고 전압원 변환기의 정상 작동이 재개될 수 있다.
그러한 배열은 또한 상기 또는 각각의 고장 모듈이, 에너지를 저장 또는 방출할 수 있는 각각의 에너지 저장 장치를 통해 전압을 제공할 수 있게 한다. 하나 이상의 반도체 스위치의 사용은, DC망에서 고장 발생 시 상기 또는 각각의 고장 모듈의 에너지 저장 장치가 회로 내로 스위칭되어 다른 무고장 전기 회로망의 구동 전압에 반대하는(oppose) 전압을 제공하도록, 필요에 따라 에너지 저장 장치가 회로의 내외로(in and out of circuit) 스위칭될 수 있게 한다.
상기 또는 각각의 고장 모듈은 상기 전압원 변환기에 연결된 다른 무고장 전기 회로망의 전압에 방향에 있어 반대인(opposite in direction) 전압을 제공하도록 작동 가능한 전압원을 바람직하게 포함한다.
다른 무고장 전기 회로망의 전압에 방향이 반대인 전압의 제공은 고장 전류를 구동하는 순전압(net voltage)을 줄이고, 따라서 상기 전압원 변환기와 상기 단락을 흐르는 전류를 줄인다.
본 발명의 구현예들에 있어서, 상기 전압원 변환기는 체인링크(chain-link) 변환기 형태로 직렬 연결된 고장 모듈들의 체인을 포함할 수 있다.
체인링크 변환기 형태로 직렬 연결된 고장 모듈들의 체인은 개개의 고장 모듈 각각에 의해 제공되는 전압들로부터 조성된(built up) 전압의 발생을 가능하게 하는 계단형(stepped) 가변 전압원을 제공한다. 이것은 다른 무고장 전기 회로망의 전압이 개개의 고장 모듈 각각으로부터 이용 가능한 전압을 넘어서는 상황에서 특히 유리하다.
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상기 또는 각각의 고장 모듈의 에너지 저장 장치는, 양의(positive), 제로(zero), 또는 음의(negative) 전압을 제공할 수 있고 양방향으로 전류를 전도할 수 있는 4-사분원(quadrant) 양극성(bipolar) 고장 모듈을 형성하기 위해, 두 쌍의 반도체 스위치와 풀-브리지(full-bridge) 배열로 연결될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 4-사분원 양극성 고장 모듈의 사용은 전압원 변환기의 적응성(flexibility)을 극대화하면서, 그것의 설계를 단순화한다. 이것은 풀-브리지 배열의 양방향성(bidirectional) 특징으로 인해 상기 또는 각각의 고장 모듈이 AC 구동 전압이나 DC 구동 전압에 반대하도록 사용될 수 있기 때문이다. 따라서 하나 이상의 4-사분원 양극성 고장 모듈의 사용은 AC망과 DC망, 또는 DC망들을 서로 연결시킬 필요가 있는 HVDC 송전망에서 상기 전압원 변환기의 사용을 적합하게 한다.
다른 구현예들에 있어서, 상기 또는 각각의 저장 모듈의 에너지 저장 장치는, 양의 또는 제로 전압을 제공할 수 있고 양방향으로 전류를 전도할 수 있는 2-사분원 단극성(unipolar) 고장 모듈을 형성하도록, 한 쌍의 반도체 스위치와 하프-브리지(half-bridge) 배열로 연결될 수 있다.
하나 이상의 2-사분원 단극성 고장 모듈의 사용은 상기 또는 각각의 고장 모듈이 단방향성(unidirectional) 전압을 제공하도록 단지 요구되는 구현예들에서 유리하다. 이것은 하나 이상의 4-사분원 양극성 고장 모듈을 구비하는 변환기보다 소수의 성분을 가진 줄어든 변환기 크기가 되고 이에 의해 전압원 변환기의 전체 비용을 줄이기 때문이다.
또 다른 구현예들에 있어서, 상기 또는 각각의 고장 모듈은 단순화될 수 있고 적어도 하나의 다이오드 및 적어도 하나의 반도체 스위치와 연결된 에너지 저장 장치를 포함하여, 상기 또는 각각의 반도체 스위치가 작동할 때 상기 에너지 저장 장치가 상기 또는 각각의 다이오드를 통해 연결될 수 있다.
상기 또는 각각의 고장 모듈의 에너지 저장 장치는 커패시터 또는 배터리 형태로 제공될 수 있다.
상기 또는 각각의 모듈의 에너지 저장 장치가 커패시터 형태로 제공되는 구현예들에 있어서, 상기 커패시터는 에너지를 저장하도록 충전될 수 있고, 필요 시 전압 스텝(voltage step)을 제공하도록 방전될 수 있다.
상기 또는 각각의 고장 모듈의 에너지 저장 장치가 배터리 같은 전원 형태로 제공되는 구현예들에 있어서, 전력은 필요에 따라 상기 에너지 저장 장치 내외로 송전된다.
바람직하게는, 상기 또는 각각의 고장 모듈의 상기 또는 각각의 반도체 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 게이트 턴오프 사이리스터의 형태로 제공되고, 각각은 자신의 단자들에 걸쳐 연결된 역병렬(reverse parallel) 다이오드를 가진다. 그러한 장치들은 크기와 무게가 작고, 전력 손실이 작고, 냉각장치(cooling equipment)에 대한 필요성을 최소화한다. 따라서 이들의 사용은 전력 변환기 비용, 크기 및 무게에 있어서 상당한 감소를 가져온다.
본 발명의 구현예들에 있어서, 상기 변환기 유닛은 복수의 반도체 스위치를 구비하는 적어도 하나의 상 소자(phase element)를 포함할 수 있고, 상기 또는 각각의 상 소자는 AC망에 사용 시 연결을 위한, 그것의 중간 지점(mid-point)에 위치한 AC 단자를 갖고, 상기 또는 각각의 상 소자의 대향 단부들(opposite ends)는 DC망에 사용 시 연결을 위한 각각의 DC 단자에 연결된다.
변환기 유닛의 그러한 구조는 상기 전압원 변환기를 AC망과 DC망을 연결하는 사용에 적합하게 한다.
전압원 변환기가 다상(multi-phase) AC망과 DC망을 연결하는데 사용되도록 의도되는 구현예들에 있어서, 상기 변환기 유닛은 병렬 연결된 복수의 상 소자를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 상 소자는 AC망의 각각의 상에 사용 시 연결을 위한 AC 단자를 그것의 중간 지점에 갖는다. 그러한 구현예들에 있어서, 각각의 상 소자의 대향 단부들은 DC망에 사용 시 연결을 위한 각각의 단자에 연결된다.
상기 전압원 변환기의 구조는, DC망에서 고장이 발생할 경우 AC망의 구동 전압에 사용 시 반대하기 위해서, 상기 변환기 유닛에 대한 상기 또는 각각의 고장 유닛의 위치 면에서 변경될 수 있다.
예컨대, 일 구현예에서, 각각의 고장 유닛은 상 소자와 AC망 간의 사용 시 연결을 위한, 상기 또는 각각의 상 소자의 AC 단자에 연결될 수 있다.
다른 구현예에서, 고장 유닛은 상기 또는 각각의 상 소자의 일 단부와 상기 DC망 간의 사용 시 연결을 위한 DC 단자들 중 하나에 연결될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 있어서, 상기 변환기 유닛과 고장 유닛은 통합 유닛(integrated unit)으로서 형성될 수 있음이 또한 고려된다. 그러한 구현예들에서 고장 유닛은 상기 변환기의 작동 및/또는 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 통합 유닛은 직렬 연결된 제1 및 제2 가지들(limbs)을 가진 적어도 하나의 상 소자와, AC망에 사용 시 연결을 위한 AC 단자를 그것의 중간 지점에 상기 제1 및 제2 가지들 사이에 바람직하게 포함한다. 각각의 가지는 직렬 연결된 통합 모듈들의 체인을 바람직하게 포함하고, 여기서 각각의 통합 모듈은 적어도 한 쌍의 반도체 스위치와 병렬 연결된 에너지 저장 장치를 포함한다. 상기 또는 각각의 상 소자의 대향 단부들은 DC망에 사용 시 연결을 위한 각각의 DC 단자에 바람직하게 연결된다.
그러한 구현예들에서, 각각의 통합 모듈은, 4-사분원 양극성 통합 모듈을 규정하도록 두 쌍의 반도체 스위치와 풀-브리지 배열로 연결되거나 2-사분원 단극성 통합 모듈을 형성하도록 한 쌍의 반도체 스위치와 하프-브리지 배열로 연결된 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
고장 모듈들과 이로 인한 상응하는 이점들과 함께, 상기 또는 각각의 통합 모듈의 에너지 저장 장치는 커패시터, 배터리, 연료전지, 또는 관련 정류기를 가진 보조 AC 발전기의 형태로 제공될 수 있고, 각각의 반도체 스위치는 각각 자신의 단자들에 걸쳐 연결된 역병렬 다이오드를 지닌, 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 게이트 턴오프 사이리스터의 형태로 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전압원 변환기는 상기 변환기와 연결된 AC망과 무효 전력(reactive power)을 교환하도록 사용 시 작동 가능하다.
본 발명은 명세서 전반에 걸쳐 설명되거나 인식되는 유리한 효과를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 제한적이지 않은 실시예들에 의해 설명될 것이다:
도 1은 전압원 변환기에 연결된 DC망에서 고장 발생 시 전압원 변환기에서 다이오드 전도를 통한 전류 흐름을 나타내고;
도 2a 및 2b는 본 발명의 구현예에 따른 전압원 변환기를 나타내고;
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전압원 변환기를 나타내고;
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전압원 변환기를 나타내고;
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전압원 변환기를 나타내고; 및
도 6은 고장 전류를 줄이기 위해 DC 구동 전압에 반대하는 전압을 제공하는 DC 전류-운반(current-carrying) 체인링크 변환기를 나타낸다.
본 발명의 구현예에 따른 전압원 변환기(20)가 도 2a 및 2b에 도시되고, DC망(22)과 AC망(24)을 서로 연결시키도록 HVDC 송전망에서 DC망(22)과 AC망(24) 사이에 연결된다. 전압원 변환기(20)는 DC망(22)과 AC망(24) 간에 흐르는 전력을 변환하기 위한 변환기 유닛(26) 및 고장 유닛(28)을 포함한다.
고장 유닛(28)은 DC망(22)과 AC망(24) 사이의 변환기 유닛(26)과 연결된 체인링크 변환기(32)를 형성하도록 직렬 연결된 복수의 고장 모듈(30)을 포함하고, 각각의 고장 모듈은 전압원(34)을 포함한다.
HVDC 송전망의 운용에 있어서, DC망(22)은 DC 송전선 또는 케이블을 가로질러 수 Ω보다 작을 수 있는 단락을 야기하는 DC측 고장을 겪을 수 있다. 그러한 고장 상태 동안, 전압원 변환기(20)는 구동 전압을 계속 공급하는 다른 무고장 AC망(24)에 여전히 연결되어 있고, 그 결과 고장 전류가 전압원 변환기(20)와 단락을 통해 흐르게 된다.
체인링크 변환기(32)의 각 고장 모듈(30)의 전압원(34)은 고장 상태 동안 무고장 AC망(24)의 구동 전압에 반대하는 전압을 생산하도록 필요에 따라 작동되고, 이에 의해 전압원 변환기(20)와 단락을 통해 고장 전류를 구동하는 순전압을 줄인다.
도 2a 및 2b에 도시된 구현예에서, 체인링크 변환기(32)의 각 고장 모듈(30)의 전압원(34)은 커패시터(36) 형태로 제공되고, 이것은 풀-브리지 배열로 두 쌍의 반도체 스위치(38)와 연결되어 4-사분원 양극성 고장 모듈을 형성한다.
각각의 반도체 스위치(38)는 역병렬 연결된 다이오드(reverse-parallel connected diode)를 동반한 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 포함한다.
다른 구현예들에서, 각각의 반도체 스위치(38)는 역병렬 연결된 다이오드를 동반하는 게이트 턴오프 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 통합 게이트 정류 사이리스터 같은 여러 반도체 스위치를 포함할 수 있다고 고려된다.
고장 상태 동안, 고장 모듈(30)의 커패시터(36)는 반도체 스위치들(38)의 상태를 변화시킴으로써 우회되거나 체인링크로 삽입될 수 있다.
고장 모듈(30)의 커패시터(36)는 한 쌍의 반도체 스위치(38)가 고장 모듈(30)에서 단락을 형성하도록 설정되는 경우 우회되어, 고장 모듈(30)에서 전류가 상기 단락을 통과하고 커패시터(36)를 우회하도록 한다.
많은 고장 상태에서, 전류는 반도체 스위치들(38)의 역병렬 연결된 다이오드들에서만 흐른다. 이러한 경우, 반도체 스위치들(38)은 커패시터들(36)의 삽입을 이루기 위해 꺼질 수 있다.
전류가 고장 모듈(30)의 커패시터(36) 내외로 흐르게 하도록 한 쌍의 반도체 스위치(38)가 설정되는 경우 커패시터(36)는 체인링크 변환기(32)로 삽입되고, 그러면 커패시터는 충전되거나 자신의 저장된 에너지를 방전하여 전압을 제공할 수 있다.
따라서 각각 자신의 전압을 제공하는 복수의 고장 모듈(32)의 커패시터들(36)을 체인링크 변환기(32)에 삽입함으로써, 체인링크 변환기(32)를 가로질러 결합 전압(combined voltage)을 조성할 수 있고, 이것은 개개의 고장 모듈(30) 각각으로부터 이용 가능한 전압보다 높다.
체인링크 변환기(32)에서 개개의 고장 모듈(30)의 커패시터들(36)의 삽입 및/또는 우회가 무고장 AC망(24)의 전압 파형에 반대하는 전압 파형의 생성을 가져오도록, 각 고장 모듈(30)에 대한 스위칭 작동들의 타이밍을 변화시키는 것이 또한 가능하다.
각 고장 모듈(30)의 반도체 스위치들(38)의 상태는 고장 모듈(30)을 통하는 전류의 경로를 결정하고 따라서 고장 모듈(30)에 의해 제공되는 전압을 결정한다.
좀더 구체적으로, 반도체 스위치들(38a 및 38b)를 닫거나 반도체 스위치들(38c 및 38d)를 닫음으로써 커패시터(36)가 우회되는 경우, 고장 모듈(30)은 제로 전압을 제공한다.
전류가 반도체 스위치들(38a 및 38d)를 통해 커패시터(36) 내외로 흐르도록 반도체 스위치들(38a 및 38d)이 닫히고 반도체 스위치들(38b 및 38c)가 열린 경우, 고장 모듈(30)은 전류 흐름의 양방향에 대하여 양의 전압을 제공한다.
전류가 반도체 스위치들(38b 및 38c)를 통해 커패시터(36) 내외로 흐르도록 반도체 스위치들(38b 및 38c)이 닫히고 반도체 스위치들(38a 및 38d)가 열린 경우, 고장 모듈(30)은 전류 흐름의 양방향에 대하여 음의 전압을 제공한다.
체인링크 변환기(32)에 삽입되는 고장 모듈(30)의 개수와 삽입된 모듈들(30)에 의해 생산되는 전압의 방향은 무고장 AC망(24)의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압에 의해 결정된다.
DC망(22)에서 고장이 없는 경우, 반도체 스위치들(38)은 각 고장 모듈(30)의 커패시터(36)가 우회되거나 충전 가능하게 일시적으로 삽입될 수 있도록 설정된다. 대안적으로, 고장 모듈(30)은 전압원 변환기(20)의 작동 및/또는 성능을 향상시키도록 운용될 수 있다.
고장 유닛(28)은 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 변환기 유닛(26)의 두 개의 선택 가능한 위치(A 및 b)에 의해 변환기 유닛(26)의 AC 측이나 DC 측에 제공될 수 있다. 양쪽 배치에서, AC망(24)은 하나 이상의 인덕터(40)를 경유하여 전압원 변환기에 연결된다.
고장 유닛(44)이 변환기 유닛(46)의 DC 측에 연결되는, 본 발명의 구현예에 따른 전압원 변환기(42)가 도 3에 도시된다. 변환기 유닛(46)은 자신의 AC 측에서 인덕터들(50)를 거쳐 AC망(48)에 연결되고 자신의 DC 측에서 고장 유닛(44)을 거쳐 DC망(52)에 연결된다.
도 2a 및 2b에 도시된 구현예에서와 같이, 도 3에 도시된 전압원 변환기(42)의 고장 유닛(44)은 고장 모듈들(54)의 체인을 체인링크 변환기(56) 형태로 포함한다. 그러나 각각의 고장 모듈(54)은 하프-브리지 배열로 한 쌍의 반도체 스위치(60)와 연결되어 2-사분원 단극성 고장 모듈을 형성하는 커패시터(58)를 포함한다.
고장 유닛(44)이 변환기 유닛(46)의 DC 측에 연결되기 때문에 그러한 배치의 고장 유닛(44)이 가능하다. 따라서 고장 유닛(44)은 DC망(52)에서 고장 발생 시 AC망(48)의 구동 전압에 반대하기 위해서 양의 또는 제로 전압을 제공하는 것만이 필요하다.
고장 유닛(44)의 고장 모듈들(53)이 2-사분원 단극성 고장 모듈들의 형태로 제공될지라도, DC망(52)에서 고장 발생 시 이것들의 작동은, AC망(48)의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하기 위해서 반도체 스위치들(60)이 필요에 따라 각각의 고장 모듈(54)의 커패시터(58)를 삽입 또는 우회하도록 설정된다는 점에서, 도 2a 및 2b와 관련하여 설명한 것과 본질적으로 동일하다.
상기 또는 각각의 2-사분원 모듈(54)은, 고장 유닛(44)의 중간 모듈(54b)에 도시된 바와 같이, 상부 반도체 스위치(60)를 다이오드(61)로 대체함으로써 더 단순화될 수 있다.
다른 구현예들에서, 고장 유닛(44)은 하나 이상의 4-사분원 모듈을 포함할 수 있다.
DC망(52)에서 고장 부재 시, 반도체 스위치들(60)은 각각의 고장 모듈(54)의 커패시터(58)가 우회되거나 커패시터(58)의 충전을 가능하게 일시적으로 삽입되도록 설정된다. 대안적으로, 각 고장 모듈(54)은 전압원 변환기(42)의 동작 및/또는 성능을 향상시키도록 운용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전압원 변환기(42)의 변환기 유닛(46)이 병렬 연결된 3개의 상 소자(62a, 62b, 62c)를 포함하는 것을 볼 수 있다.
각각의 상 소자(62a, 62b, 62c)는 복수의 반도체 스위치(64)와 그것의 중간 지점에 위치한 AC 단자(66)를 포함하고, 이것을 통해 상 소자(62a, 62b, 62c)는 AC망(48)의 각각의 상에 연결된다.
상 소자들의 대향 단부들 각각의 DC 단자(67, 68)에 연결되고, 이것들을 통해 변환기 유닛(46)은 DC망(52)에 연결된다.
상 소자들(62a, 62b, 62c)의 반도체 스위치들(64)의 스위칭은 AC와 DC 전력 간의 요구되는 변환을 용이하게 하도록 제어된다.
도 3에 도시된 구현예에서, 각각의 고장 모듈(54)과 각각의 상 소자(62a, 62b, 62c)에서 각각의 반도체 스위치(60, 64)는 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 포함한다.
다른 구현예들에서, 이들 반도체 스위치(60, 64) 각각은 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 게이트 턴오프 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 통합 게이트 정류 사이리스터 같은 여러 다른 반도체 스위치를 포함할 수 있다고 고려된다.
다른 구현예들에서, 변환기 유닛(46)에 포함되는 상 소자(62)의 개수는 각각 다른 개수의 상을 가진 AC망들을 수용하도록 변화될 수 있다고 또한 고려된다.
고장 유닛이 변환기 유닛(74)의 AC 측에 연결된, 본 발명의 구현예에 따른 전압원 변환기(70)가 도 4에 도시된다.
도 4를 참조하면, 전압원 변환기(70)의 변환기 유닛(74)은 자신의 AC 측에서 3개의 고장 유닛(72a, 72b, 72c)과 3개의 인덕터(78a, 78b, 78c)를 통해 AC망(76)에 연결됨을 볼 수 있다. 변환기 유닛(74)은 자신의 DC 측에서 DC망(80)에 바로 연결된다.
각각의 고장 유닛(72a, 72b, 72c)은 고장 모듈들(82)의 체인을 체인링크 변환기(84) 형태로 포함하고, 각각의 고장 모듈(82)은 4-사분원 양극성 고장 모듈을 형성하도록 풀-브리지 배열로 두 쌍의 반도체 스위치(88)와 연결된 커패시터(86)를 포함한다.
고장 유닛(72)의 그러한 배치가 요구되는 것은 고장 유닛들(72a, 72b, 72c)이 변환기 유닛(74)의 AC 측에 연결되기 때문이다. 따라서 각각의 고장 유닛(72a, 72b, 72c)은 DC망(80)에서 고장 발생 시 AC망(76)의 구동 전압에 반대하기 위해서 양의, 제로, 또는 음의 전압을 제공하는 것이 필요하다.
도 3에 도시된 구현예에서와 같이, 전압원 변환기(70)의 변환기 유닛(74)은 병렬 연결된 3개의 상 소자(90a, 90b, 90c)를 포함한다.
각각의 상 소자(90a, 90b, 90c)는 복수의 반도체 스위치(92)와 그것의 중간 지점에 위치한 AC 단자(94)를 포함하고, 이것을 통해 상 소자(90a, 90b, 90c)는 고장 유닛들(72a, 72b, 72c) 중 각각 하나를 경유하여 AC망(76)의 각각의 상에 연결된다.
상 소자들(90a, 90b, 90c)의 대향 단부들은 각각의 DC 단자(96, 98)에 연결되고, 이것들을 통해 변환기 유닛(74)은 DC망(80)에 연결된다.
상 소자들(90a, 90b, 90c)의 반도체 스위치들(92)의 스위칭은 AC와 DC 전력 간의 요구되는 변환을 용이하게 하도록 제어된다.
도 2a 및 2b와 관련하여 서술한 바와 같이, 각각의 고장 유닛(72a, 72b, 72c)의 체인링크 변환기들(84)의 고장 모듈들(82)의 반도체 스위치들(88)은, AC망(76)의 각각의 상의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하기 위해서, 필요에 따라 각 고장 모듈(82)의 커패시터(86)를 삽입 또는 우회하도록 설정된다.
DC망(80)에서 고장 부재 시, 반도체 스위치들(88)은 각각의 고장 모듈(82)의 커패시터(86)가 우회되거나 커패시터(86)의 충전을 허용하게 일시적으로 삽입되도록 설정된다. 대안적으로, 고장 모듈(82)은 전압원 변환기(70)의 작동 및/또는 성능을 향상시키도록 가동될 수 있다.
도 4에 도시된 구현예에서, 각각의 고장 모듈(82)과 각각의 상 소자(90a, 90b, 90c)에서 각각의 반도체 스위치(88, 92)는 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 포함한다.
다른 구현예들에서, 이들 반도체 스위치(88, 92) 각각은 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 게이트 턴오프 사이리스터 또는 통합 게이트 정류 사이리스터 같은 여러 반도체 스위치를 포함할 수 있다고 고려된다.
다른 구현예들에서, 변환기 유닛(74)에 포함되는 상 소자(90)의 개수는 각각 다른 개수의 상을 가진 AC망들을 수용하도록 달라질 수 있다고 또한 고려된다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 전압원 변환기(100)가 도 5에 도시되고, 여기서 전술한 구현예들의 변환기 유닛들과 고장 유닛들의 기능들은 통합 유닛(102)에 의해 제공된다.
통합 유닛(102)은 병렬 연결된 3개의 상 소자(104a, 104b, 104c)를 포함한다. 각각의 상 소자(104a, 104b, 104c)는 직렬 연결된 제1 및 제2 가지들(106, 108)과 제1 및 제2 가지들(106, 108) 사이에서 그것의 중간 지점에 제공된 AC 단자(110)를 구비하고, 이것을 통해 각각의 상 소자(104a, 104b, 104c)는 각각의 인덕터(112)를 경유하여 AC망(114)에 연결된다.
상 소자들(104a, 104b, 104c)의 대향 단부들은 각각의 DC 단자(116, 118)에 연결되고, 이것들을 통해 통합 유닛(102)은 DC망(120)에 연결된다.
각각의 상 소자(104a, 104b, 104c)의 각각의 가지(106, 108)는 체인링크 변환기(124)를 형성하도록 직렬 연결된 통합 모듈들(122)의 체인을 포함한다. 도 5에 도시된 구현예에서, 각각의 통합 모듈(122)은 4-사분원 양극성 고장 모듈을 규정하도록 풀-브리지 배열로 두 쌍의 반도체 스위치(126)와 연결된 커패시터(125)를 포함한다.
DC망에서 아무런 고장이 없을 시, 통합 모듈들(122)의 반도체 스위치들(126)은 AC망(114)의 각각의 상에 대한 AC와 DC 전력 간의 요구되는 변환을 가져오도록 가동된다.
고장 상태 동안, 통합 모듈들(122)의 반도체 스위치들(126)은, AC망(114)의 각각의 상의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하기 위해서, 필요에 따라, 통합 모듈들(122)의 각 커패시터(125)를 삽입 또는 우회하도록 운용된다.
도 5에 도시된 구현예에서, 각각의 통합 모듈(122)에서 각각의 반도체 스위치(126)는 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 포함한다.
다른 구현예들에서, 각각의 반도체 스위치(122)는 역병렬 연결된 다이오드를 동반한 게이트 턴오프 사이리스터 또는 통합 게이트 정류 사이리스터 같은 여러 반도체 스위치를 포함할 수 있다고 고려된다.
다른 구현예들에서, 통합 유닛(102)에 포함되는 상 소자(104)의 개수는 각각 다른 개수의 상을 가진 AC망들을 수용하도록 달라질 수 있다고 또한 고려된다.
다른 구현예들에서, 본 발명에 따른 전압원 변환기는 두 개의 DC망을 서로 연결시키는데 사용될 수 있다고 또한 고려된다. 그러한 구현예에 따른 DC-DC 변환기(128)가 도 6에 도시된다.
DC-DC 변환기(128)는 복수의 4-사분원 체인링크 고장 모듈(130)을 포함하고, 이것들은 하나의 DC망(132)과 다른 하나의 DC망(134) 사이에 연결된 직렬 전압원 변환기(136)의 형태로 고장 유닛을 형성하도록 직렬로 연결된다.
각 고장 모듈(130) 내의 스위치들은 각각의 커패시터(138)를 삽입 또는 우회시키고 DC망들(132, 134) 중 하나에서 고장 발생 시 다른 무고장 DC망의 구동 전압에 반대하는 제어 가능한 양방향성 전압을 제공하도록 작동될 수 있다.
그러한 구현예에서, 전압원 변환기(136)는 DC망들(132, 134) 중 어느 하나에서 발생하는 구동 전압에 반대하도록 설정될 수 있고, 따라서 도 6에 도시된 바와 같이 어느 DC망(132, 134)에서 고장이 발생하는지에 관계없이 고장을 처리하도록 대응하는 고장 유닛을 제공할 수 있다고 고려된다.
DC망들(132, 134) 중 어느 하나에서 고장 부재 시, 직렬 전압원 변환기(136)는 한 DC망(132)의 전압과 다른 DC망(134)의 전압 간의 차와 동일한 전압을 제공하도록 요구될 수 있고, 따라서 전체 DC-DC 변환기(128)의 내재적인 부분(inherent part)를 형성한다.
다른 구현예들에서, 고장 유닛은 DC망들 중 오직 하나에서의 고장에 대응하도록 설계될 수 있고, 따라서 반대 전압(opposing voltage)을 한 방향으로 발생시키도록 요구될 뿐이다. 그러한 구현예들에서, 전압원 변환기(136) 형태로 제공되는 고장 유닛은 복수의 2-사분원 모듈을 포함할 수 있다.
20: 전압원 변환기 22: DC망 24: AC망 26: 변환기 유닛 28: 고장 유닛 30: 고장 모듈 32: 체인링크 변환기 34: 전압원 36: 커패시터 38: 반도체 스위치

Claims (17)

  1. DC망(52)과 AC망(48)을 서로 연결하기 위해 상기 DC망(52)과 상기 AC망(48) 사이에 사용 시 연결 가능한, 고전압 DC 송전을 위한 전압원 변환기(42)로서,
    상기 전압원 변환기(42)는 :
    - 상기 DC망(52)과 상기 AC망(48) 사이에 흐르는 전력을 변환하기 위한 변환기 유닛(46); 및
    - 적어도 하나의 고장 유닛(44)을 포함하고,
    상기 변환기 유닛은 복수의 반도체 스위치들(64)을 구비하는 적어도 하나의 상 소자(phase element)(62a, 62b, 62c))를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상 소자(62a, 62b, 62c)는 상기 AC망(48)에 사용시 연결을 위한, 자신의 중간 지점(mid-point)에 위치한 AC 단자를 갖고,
    상기 적어도 하나의 상 소자의 대향 단부들(opposite ends)은 각각 상응하는(respective) DC 단자들(67, 68)에 연결되고,
    상기 적어도 하나의 고장 유닛(44)은 상기 변환기 유닛 및 상기 DC망(52) 간의 사용 시 연결을 위해 상기 DC 단자들(67, 68) 중 하나에 연결되고,
    상기 적어도 하나의 고장 유닛(44)은 적어도 하나의 고장 모듈(54)을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 고장 모듈(54)은 :
    에너지 저장 장치 형태의 전압원; 및
    적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 반도체 스위치는 :
    상기 DC망(52)에서 단락 발생 시, 상기 AC망(48)의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하여 상기 전압원 변환기(42)와 상기 단락을 통해 흐르는 전류를 줄이기 위해, 상기 고장 모듈(54)의 상기 전압원을 삽입 또는 우회하도록 설정되며; 그리고
    상기 DC망(52)에서 고장이 없을 때, 상기 적어도 하나의 고장 모듈의상기 에너지 저장 장치를 우회하거나 또는 일시적으로 삽입하여 상기 에너지 저장 장치의 충전을 가능하게하도록 설정되는, 전압원 변환기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 DC 단자에 연결된 상기 고장 유닛은 체인링크 변환기 형태로 직렬 연결된 복수의 고장 모듈들을 포함하는, 전압원 변환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 모듈은 두 쌍의 반도체 스위치와 풀-브리지 배열로 연결되어 4-사분원 양극성 고장 모듈을 형성하는 상기 에너지 저장 장치를 포함하는, 전압원 변환기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 모듈은 한 쌍의 반도체 스위치와 하프-브리지 배열로 연결되어 2-사분원 단극성 고장 모듈을 형성하는 상기 에너지 저장 장치를 포함하는, 전압원 변환기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 모듈은 상기 적어도 하나의 반도체 스위치 및 적어도 하나의 다이오드와 연결된 상기 에너지 저장 장치를 포함하여, 상기 적어도 하나의 반도체 스위치가 작동할 때, 상기 에너지 저장 장치가 상기 적어도 하나의 다이오드를 통해 연결될 수 있는, 전압원 변환기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 변환기 유닛은 병렬 연결된 복수의 상 소자들을 포함하고, 각각의 상 소자는 상기 AC망의 각각의 상에 사용 시 연결을 위한 상기 AC 단자를 자신의 중간 지점에 구비하는, 전압원 변환기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 커패시터 또는 배터리 형태로 제공되는, 전압원 변환기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 모듈의 상기 적어도 하나의 반도체 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 게이트 턴오프 사이리스터를 포함하고, 각각은 자신의 단자들에 걸쳐 연결된 역병렬 다이오드를 가진, 전압원 변환기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전압원 변환기는 상기 AC망과 무효 전력을 교환하도록 사용 시 작동 가능한, 전압원 변환기.
  17. DC망(52)과 AC망(48)을 서로 연결하기 위해 상기 DC망(52)과 상기 AC망(48) 사이에 사용 시 연결 가능한, 고전압 DC 송전을 위한 전압원 변환기(42)를 작동하는 방법으로서,
    상기 전압원 변환기(42)는 :
    상기 DC망(52)과 상기 AC망(48) 사이에 흐르는 전력을 변환하기 위한 변환기 유닛(46)을 포함하고,
    상기 변환기 유닛은 복수의 반도체 스위치들(64)을 구비하는 적어도 하나의 상 소자(phase element)(62a, 62b, 62c))를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상 소자(62a, 62b, 62c)는 상기 AC망(48)에 사용시 연결을 위한, 자신의 중간 지점(mid-point)에 위치한 AC 단자를 갖고,
    상기 적어도 하나의 상 소자의 대향 단부들(opposite ends)은 상기 DC망(52)에 사용시 연결을 위해 상응하는(respective) DC 단자들(67, 68)에 연결되고,
    상기 전압원 변환기(42)는 적어도 하나의 고장 유닛(44)을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 고장 유닛(44)은 상기 적어도 하나의 상 소자(62a, 62b, 62c)의 일 단부 및 상기 DC망(52) 간의 사용 시 연결을 위해 상기 DC 단자들(67, 68) 중 하나에 연결되고,
    상기 고장 유닛(44)은 적어도 하나의 고장 모듈(54)을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 고장 모듈(54)은 :
    에너지 저장 장치 형태의 전압원; 및
    적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 고장 모듈의 상기 적어도 하나의 반도체 스위치는 :
    상기 DC망(52)에서 단락 발생 시, 상기 AC망(48)의 구동 전압에 반대하도록 요구되는 전압을 제공하여 상기 전압원 변환기(42)와 상기 단락을 통해 흐르는 전류를 줄이기 위해, 상기 적어도 하나의 고장 모듈(54)의 상기 전압원을 삽입 또는 우회하도록 제어되며; 그리고
    상기 DC망(52)에서 고장이 없을 때, 상기 에너지 저장 장치의 충전을 가능하게하기 위해, 상기 적어도 하나의 고장 모듈의상기 에너지 저장 장치를 우회하거나 또는 일시적으로 삽입하도록 제어되는, 전압원 변환기 작동 방법.
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