KR101886804B1 - Apparatus and method for testing operation of modular multi-level converter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 방법에 관한 것으로, 특히 DC 전압단의 전압 유지를 위해 별도의 전압유지장치를 사용하거나 3상의 모든 스위치를 동작하여 DC 전압단의 전압을 유지하지 않고, 나머지 두 상의 스위치 상태를 조정하여 DC 전압 단의 전압을 유지한 채로 시험하고자 하는 단상에 대한 동작 확인 시험을 가능하게 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for verifying the operation of a modular multilevel converter, and more particularly, to a method and apparatus for verifying the operation of a modular multilevel converter using a separate voltage holding device for maintaining the voltage of a DC voltage stage, The present invention relates to an apparatus and method for enabling an operation confirmation test for a single phase to be tested while maintaining the voltage of a DC voltage terminal by adjusting the switch states of the remaining two phases.
모듈러 멀티 레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter : MMC)는 다중 레벨 컨버터의 한 종류로써, 여러 개의 서브모듈(Sub Module: SM)로 이루어진 컨버터이다. 이러한 모듈러 멀티 레벨 컨버터는 다중 컨버터가 가지는 높은 전압의 출력 및 대용량의 출력을 나타낼 수 있고, 계단식의 출력으로 출력 전압을 조절할 수 있다.Modular Multilevel Converter (MMC) is a kind of multilevel converter, which is composed of several sub modules (SM). These modular multilevel converters can exhibit the high voltage output and high output of multiple converters, and the output voltage can be controlled by the stepped output.
모듈러 멀티 레벨 컨버터는 일반적인 다중 레벨 컨버터에 비해 구조가 간단하여 구현하기가 쉽고 여분의 서브모듈을 사용함으로써 그 수명을 더욱 연장시킬 수 있다는 장점이 있다.Modular multilevel converters are simpler in structure than conventional multilevel converters and are easier to implement and have the advantage of extending their lifetime by using redundant submodules.
도 1 은 일반적인 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a structure of a general modular multi-level converter.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 모듈러 멀티 레벨 컨버터(1)는 예를 들어, 3개의 레그(Leg, 13-1, 13-2, 13-3), 6개의 암(Arm, 11-1, 11-2, 11-3, 15-1, 15-2, 15-3)으로 이루어질 수 있고, 각 암에는 n(단, n은 자연수)개의 서브모듈(SM)이 포함될 수 있다. 암은 다시 상위 암(11-1, 11-2, 11-3) 및 하위 암(15-1, 15-2, 15-3)으로 구성되어 있다.1, the
모듈러 멀티 레벨 컨버터(1)의 출력 전압은 각 암에 포함된 서브모듈(SM)의 온/오프(On/Off) 상태에 따라 달라지게 된다. 즉, 상위 암 및 하위 암 각각에 4개의 서브모듈이 포함된 경우, 온(On) 상태를 유지하는 서브모듈의 개수에 따라 출력 전압을 5단계(서브모듈의 개수 +1)로 조절할 수 있다. 이때의 출력 전압을 조절하기 위해 각 암에 있는 서부모듈(SM) 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다.The output voltage of the
도 2 는 일반적인 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 암(Arm)에 포함된 서브모듈(SM)을 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram showing a sub-module SM included in an arm of a general modular multi-level converter.
도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 각 서브모듈(SM)(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 온/오프(ON/OFF) 동작에 의해 서브모듈의 스위칭이 이루어진다.As shown in Fig. 2, each sub-module (SM) 5 includes a pair of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) 6, a pair of
충방전의 일예로서, 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.As an example of charging and discharging, the sub module corresponding to On can be charged and discharged according to the current direction of the dark current. For example, if the dark current has a positive value, the submodule having the lowest voltage is selected. If the dark current has a negative value, the submodule having the highest voltage is selected to discharge.
이러한 모듈러 멀티 레벨 컨버터(1)는 동작 확인을 위한 시험을 위해서 DC 전압단의 전압 유지가 필요하다. 이때 모듈러 멀티레벨 컨버터의 특성상 스위치의 개수 및 구성품의 종류와 수량이 많아 3상을 동시에 실험하기 보다는 각 상별로 동작을 확인하는 것이 절차상 효율적이다.This modular multilevel converter (1) needs to maintain the voltage of the DC voltage stage for testing for operation confirmation. Since the number of switches and the number and types of components are large due to the characteristics of the modular multi-level converter, it is effective to check the operation of each phase rather than testing the three phases at the same time.
이때, 각 상별 동작의 확인을 위해서 DC 전압단의 유지가 필요하며, 이를 위해서 3상 모든 스위치를 모두 동작하여 DC 전압단의 전압을 유지하는 기술을 사용하거나, 별도의 전압유지장치를 사용하여 DC 전압단의 전압을 유지해야 한다.In order to confirm the operation of each phase, it is necessary to maintain the DC voltage stage. To do so, either all of the three-phase switches are operated to maintain the voltage of the DC voltage stage, or a DC The voltage at the voltage end must be maintained.
이에 따라, 종래에는 별도의 전압유지장치(DC Power Supply)를 사용하였으나, 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 경우 전압이 수 kV까지 미치는 경우가 많아 해당하는 전압의 크기를 유지하기 위한 장치를 구성하기에 어려움이 있다. 또한 3상의 모든 스위치를 동작하여 DC 전압단의 전압을 유지하기 위해서는 3상 전압간 불평형, 스위치의 오작동, 결선 문제 등 다양한 구성요소에 대한 확인해야 하는 복잡한 절차가 필요하다. 이때, 3상의 모든 스위치 동작의 확인을 위해서도 각 상별 동작확인을 먼저 하는 것이 보통의 절차이다.Accordingly, although a separate voltage holding device (DC power supply) is used in the related art, in the case of the modular multilevel converter, the voltage is frequently increased up to several kV, so that it is difficult to configure a device for maintaining the corresponding voltage level have. In addition, in order to maintain the voltage of the DC voltage stage by operating all the switches of the three phases, complicated procedures are required to check various components such as unbalance between three-phase voltages, malfunction of the switch, and wiring. At this time, it is a common procedure to confirm operation of each phase in order to confirm all switch operations of the three phases.
이처럼, 별도의 전압유지장치는 전압의 크기가 클수록 설비의 크기가 크며 활용이 어려운 문제점이 있다. As described above, a separate voltage holding device has a problem that the larger the voltage is, the larger the size of the equipment is, and the more difficult it is to utilize.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, DC 전압단의 전압 유지를 위해 별도의 전압 유지 장치를 사용하거나 3상의 모든 스위치를 동작하여 DC 전압단의 전압을 유지하지 않고, 나머지 두 상의 스위치 상태를 조정하여 DC 전압 단의 전압을 유지한 채로 시험하고자 하는 단상에 대한 동작 확인 시험을 가능하게 하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a voltage regulator, And to provide an apparatus and a method that enable an operation confirmation test for a single phase to be tested while maintaining the voltage of the DC voltage terminal by adjusting the switch states of the two phases.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치의 특징은 다수개의 서브모듈(SM)이 직렬 연결되는 암(Arm)이 각각 3상 이상을 갖는 모듈러 멀티 레벨 컨버터와, 상기 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 다중 상 중 테스트 대상 상을 제외한 나머지 상의 모든 서브모듈의 스위치(게이트 신호)에 0V를 인가하여 IGBT를 오프(off) 상태로 유지하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성되는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for verifying the operation of a modular multi-level converter, comprising: a modular multilevel converter having arms each having a plurality of sub- And a switching control unit for applying 0V to the switches (gate signals) of all the submodules on the remaining phases except the test object phase in the multiple phases of the modular multilevel converter to keep the IGBT in an off state .
바람직하게 상기 각 서브모듈은 상기 각 서브모듈(SM)은 한 쌍의 스위칭 소자 2개가 서로 병렬로 연결되고, 각각의 스위칭 소자에 병렬로 연결되어 스위칭 소자에서 발생되는 역기전력을 해소시키는 다이오드를 포함하는 정상 회로와, 상기 정상회로와 병렬 연결되는 하나의 커패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, each sub-module SM includes a pair of two switching elements connected in parallel to each other and a diode connected in parallel to each of the switching elements to eliminate counter electromotive force generated in the switching element A normal circuit, and one capacitor connected in parallel to the normal circuit.
바람직하게 상기 스위칭 제어부를 통해 오프(off) 상태로 유지하는 모든 서브모듈은 IGBT와 함께 연결된 다이오드에 의한 다이오드 브릿지 정류 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, all the submodules which are kept off through the switching control section are diode bridge rectifying circuits by diodes connected together with the IGBTs.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 방법의 특징은 모듈러 멀티레벨 컨버터 동작 확인 방법에 있어서, (A) 스위칭 제어부를 이용하여 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 다중 상 중 테스트 대상 상을 제외한 나머지 상의 모든 서브모듈의 스위치(게이트 신호)에 0V를 인가하여 IGBT를 오프(off) 상태로 유지하는 단계와, (B) 상기 스위칭 제어부를 통해 오프(off) 상태로 유지하는 모든 서브모듈이 IGBT와 함께 연결된 다이오드에 의한 다이오드 브릿지 정류 회로로 생성되는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of verifying operation of a modular multi-level converter, the method comprising: (A) A step of applying 0V to a switch (gate signal) of all the sub-modules other than the phase to be tested to maintain the IGBT in an off state, and (B) maintaining the off state through the switching control section And all the sub-modules are generated as a diode bridge rectification circuit by a diode connected together with the IGBT.
바람직하게 상기 (B) 단계는 나머지 상(B,C)의 AC 소스단에 실효(Root Mean Square : RMS) 전압의 크기만큼 전압(Vds)이 생성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (B) is characterized in that a voltage Vds is generated by a magnitude of a root mean square (RMS) voltage at the AC source terminal of the remaining phases B and C.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치 및 방법은 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 동작 확인 시험을 위해서 필요한 별도의 제어알고리즘 및 전압유지장치 없이도 기본 알고리즘 및 PWM 동작 확인 시험이 가능한 효과가 있다.The apparatus and method for confirming the operation of the modular multi-level converter according to the present invention as described above can perform the basic algorithm and the PWM operation confirmation test without a separate control algorithm and a voltage holding device required for the operation confirmation test of the modular multi- It is effective.
도 1 은 일반적인 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 구조를 설명하기 위한 도면
도 2 는 일반적인 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 암(Arm)에 포함된 서브모듈(SM)을 도시한 회로도
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 3상 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치의 구성을 나타낸 구성도
도 4 는 테스트 대상 상(A)을 제외한 나머지 상(B,C)의 다이오드 정류회로 동작 시 AC 전원 측 3상 전류(위), 3상전압 및 RMS 전압(아래)을 각각 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 5 는 테스트 대상 상(A)을 제외한 나머지 상(B,C)의 다이오드 정류회로 동작 시 DC 전압 파형(평균 0.185 kV)(위), DC 전류 파형(아래)을 가각 측정한 결과를 나타낸 그래프1 is a diagram for explaining the structure of a general modular multi-level converter;
Fig. 2 is a circuit diagram showing a sub-module SM included in an arm of a general modular multi-level converter
3 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for confirming the operation confirmation of a three-phase modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention
4 shows the results of measurement of the three-phase current (upper), the three-phase voltage and the RMS voltage (lower) of the AC power source side in the operation of the diode rectifier circuits of the phases (B and C) except for the test object image graph.
5 is a graph showing the results of measuring the DC voltage waveform (average 0.185 kV) (upper) and the DC current waveform (lower) at the time of operation of the diode rectification circuits of the phases B and C except for the test object image A
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.A preferred embodiment of an operation confirmation test apparatus and method of a modular multi-level converter according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 3상 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.3 is a configuration diagram showing the configuration of an operation confirmation testing apparatus for a three-phase modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 다수개의 서브모듈(SM)이 직렬 연결되는 암(Arm)이 각각 3상(A, B, C)을 갖는 모듈러 멀티 레벨 컨버터(100)와, 상기 모듈러 멀티 레벨 컨버터(100)의 3상 중 테스트 대상 상(A)을 제외한 나머지 상(B,C)의 모든 서브모듈의 스위치(게이트 신호)에 0V를 인가하여 IGBT를 오프(off) 상태로 유지하는 스위칭 제어부(미도시)로 구성된다.3, a modular multi-level converter 100 in which arms in which a plurality of sub-modules SM are connected in series have three phases A, B and C, respectively, A switching control section for applying 0V to the switches (gate signals) of all the submodules of the phases B and C except for the phase A to be tested in the three phases of the converter 100 to keep the IGBT in an off state, (Not shown).
상기 각 서브모듈(SM)은 한 쌍의 스위칭 소자(6) 2개가 서로 병렬로 연결되고, 각각의 스위칭 소자(6)에 병렬로 연결되어 스위칭 소자(6)에서 발생되는 역기전력을 해소시키는 다이오드(7)를 포함하는 정상 회로와, 상기 정상회로와 병렬 연결되는 하나의 커패시터(8)로 구성된다.Each submodule SM includes a pair of
이처럼 상기 각 서브모듈은 한 쌍의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)(6), 한 쌍의 다이오드(7), 그리고 하나의 커패시터(8)를 포함하여 구성되며, 여기에서, IGBT(6)의 온/오프(ON/OFF) 동작에 의해 서브모듈의 스위칭이 이루어진다. 그러나 각 서브모듈의 구성은 하나의 일 실시예일 뿐 이에 한정되지는 않는다.Each submodule includes a pair of IGBTs (insulated gate bipolar transistors) 6, a pair of
이에 따라, 스위칭 제어부를 통해 오프(off) 상태로 유지하는 모든 서브모듈은 IGBT(6)와 함께 연결된 다이오드(7)에 의한 다이오드 브릿지 정류 회로로 구성되게 된다. 그러면, 테스트 대상 상(A)에 별도의 스위칭 동작 없이도, 나머지 상(B,C)의 AC 소스단에 실효(Root Mean Square : RMS) 전압의 크기만큼 전압(Vds)이 생성된다. Accordingly, all the submodules which are maintained in the off state through the switching control section are composed of the diode bridge rectification circuit by the
도 4 는 테스트 대상 상(A)을 제외한 나머지 상(B,C)의 다이오드 정류회로 동작 시 AC 전원 측 3상 전류(위), 3상전압 및 RMS 전압(아래)을 각각 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.4 shows the results of measurement of the three-phase current (upper), the three-phase voltage and the RMS voltage (lower) of the AC power source side in the operation of the diode rectifier circuits of the phases (B and C) except for the test object image Graph.
또한 도 5 는 테스트 대상 상(A)을 제외한 나머지 상(B,C)의 다이오드 정류회로 동작 시 DC 전압 파형(평균 0.185 kV)(위), DC 전류 파형(아래)을 가각 측정한 결과를 나타낸 그래프이다5 shows the result of measuring the DC voltage waveform (average 0.185 kV) (above) and the DC current waveform (below) during operation of the diode rectifier circuits of the phases (B and C) except for the test object image (A) It is a graph
상기 도 4 및 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 나머지 상(B,C)이 다이오드 브릿지 정류 회로로의 구성을 통해 AC 소스단의 RMS 전압의 크기만큼 DC 단의 Vdc 전압이 유지되고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4 and FIG. 5, the remaining phases B and C are connected to the diode bridge rectifier circuit, and the voltage Vdc of the DC stage is maintained by the RMS voltage of the AC source terminal .
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (5)
상기 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 다중 상 중 테스트 대상 상을 제외한 나머지 상의 모든 서브모듈의 스위치(게이트 신호)에 0V를 인가하여 IGBT를 오프(off) 상태로 유지하는 스위칭 제어부를 포함하고,
상기 각 서브모듈(SM)은 한 쌍의 스위칭 소자 2개가 서로 병렬로 연결되고, 각각의 스위칭 소자에 병렬로 연결되어 스위칭 소자에서 발생되는 역기전력을 해소시키는 다이오드를 포함하는 정상 회로와, 상기 정상회로와 병렬 연결되는 하나의 커패시터를 포함하여 구성되고,
상기 스위칭 제어부를 통해 오프(off) 상태로 유지하는 모든 서브모듈은 IGBT와 함께 연결된 다이오드에 의한 다이오드 브릿지 정류 회로로 구성되고, 나머지 상(B,C)의 AC 소스단에 실효(Root Mean Square : RMS) 전압의 크기만큼 전압(Vds)이 생성되는 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 장치.A modular multilevel converter having arms each having a plurality of submodules SM connected in series and having three or more phases,
And a switching control unit for applying 0V to the switches (gate signals) of all the submodules on the remaining phases except for the test object phase in the multiple phases of the modular multilevel converter to maintain the IGBT in an off state,
Each of the sub modules SM includes a normal circuit including a pair of two switching elements connected in parallel to each other and connected in parallel to each switching element to eliminate a counter electromotive force generated in the switching element, And a capacitor connected in parallel with the capacitor,
All the submodules which are kept off through the switching control section are diode bridge rectifying circuits by diodes connected together with the IGBT and the root mean square (SIR) is applied to the AC source terminals of the remaining phases B and C, Wherein the voltage Vds is generated by the magnitude of the RMS voltage.
(A) 스위칭 제어부를 이용하여 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 다중 상 중 테스트 대상 상을 제외한 나머지 상의 모든 서브모듈의 스위치(게이트 신호)에 0V를 인가하여 IGBT를 오프(off) 상태로 유지하는 단계와,
(B) 상기 스위칭 제어부를 통해 오프(off) 상태로 유지하는 모든 서브모듈이 IGBT와 함께 연결된 다이오드에 의한 다이오드 브릿지 정류 회로로 생성되는 단계를 포함하고,
상기 (B) 단계는 나머지 상(B,C)의 AC 소스단에 실효(Root Mean Square : RMS) 전압의 크기만큼 전압(Vds)이 생성되는 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터의 동작 확인 시험 방법.A method for verifying the operation of a modular multi-level converter,
(A) applying 0V to the switches (gate signals) of all the submodules on the remaining phases except the test object phase in the multiphase of the modular multilevel converter using the switching control section to maintain the IGBT in an off state,
(B) generating all of the submodules that remain off through the switching control section as a diode bridge rectification circuit by a diode connected together with the IGBT,
Wherein the step (B) generates a voltage (Vds) by an amount of a root mean square (RMS) voltage at an AC source terminal of the remaining phases (B, C) .
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