KR102014002B1 - 모듈러 브레이킹 유닛의 서브 모듈, 브레이킹 유닛 및 브레이킹 유닛을 작동시키는 방법 - Google Patents

모듈러 브레이킹 유닛의 서브 모듈, 브레이킹 유닛 및 브레이킹 유닛을 작동시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC 전송 네트워크에 접속되는 모듈러 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈(12)에 관한 것으로, 모든 서브 모듈(12)은 역방향 다이오드(3), 및 프리 휠 다이오드(4)를 통해 역방향 다이오드에 병렬로 배치된 저장 커패시터(5)뿐만 아니라, 저장 커패시터(5)에 접속되는 에너지 소비 스위칭 유닛(6)을 갖는다. 본 발명에 따르면, 브레이킹 유닛이 대기/유휴 상태에서 상대적으로 낮은 손실로 기능할 수 있는 이러한 타입의 서브 모듈을 제공하기 위해, 서브 모듈(12)은 역방향 다이오드(3)와 병렬인 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로(13)를 구비한다. 본 발명은 또한, 본 발명에 따른 실시예에서 다수의 직렬 서브 모듈(12)을 갖는 브레이킹 유닛(11), 및 이러한 타입의 브레이킹 유닛을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

모듈러 브레이킹 유닛의 서브 모듈, 브레이킹 유닛 및 브레이킹 유닛을 작동시키는 방법{SUB-MODULE OF A MODULAR BRAKING UNIT, BRAKING UNIT, AND METHOD FOR OPERATING THE BRAKING UNIT}
본 발명은 DC 전송 네트워크에 접속되는 모듈러 브레이킹 유닛의 서브 모듈에 관한 것으로, 각각의 서브 모듈은 역방향 다이오드, 및 프리 휠 다이오드(free-wheel diode)를 통해 역방향 다이오드와 병렬로 배열되는 저장 커패시터를 포함하며, 저장 커패시터에 접속되는 에너지 소비 스위칭 유닛(energy-consumption switching unit)을 또한 포함한다.
이러한 서브 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 공지된 브레이킹 유닛에서 자주 사용된다. 공지된 브레이킹 유닛(2)의 각각의 서브 모듈(1)은 각각의 경우에 역방향 다이오드(3) 및 프리 휠 다이오드(4)를 포함하고, 저장 커패시터(5)는 프리 휠 다이오드(4)를 통해 충전된다. 독립적으로 제어될 수 있는 에너지 소비 스위칭 유닛(6)은 저장 커패시터(5)에 접속되고; 브레이킹 유닛(2)의 에너지 소비 스위칭 유닛들(6)은 그러므로 각각의 경우에 개별적으로 제어될 수 있다. 에너지 소비 스위칭 유닛(6)은 에너지 소비 요소, 예를 들어 반도체 전력 스위칭 요소(8)를 통해 저장 커패시터(5)에 접속되는 오믹 저항기(ohmic resistor)(7)를 포함한다. 이런 공지된 브레이킹 유닛의 경우, 에너지 소비 스위칭 유닛들(6)은 그러므로 브레이킹 유닛에 통합된다. 공지된 브레이킹 유닛(2)은 한편에는 외부 단자(external connection)(X1)를 포함하고, 다른 한편에는 집중형(concentrated) 또는 분산형 인덕턴스(distributed inductance)(9)를 통해 서브 모듈(1)의 직렬 단자에 접속되는 추가 외부 단자(X2)를 포함한다.
저장 커패시터들(6)은, 각각의 반도체 전력 스위칭 요소들(8)이 시간 오프셋 방식으로 제어될 수 있도록 상대적으로 크게 구현된다. 이를 달성하기 위한 기술적 요구 및 스위칭 거동(switching behavior)은, 서브 모듈(1)의 하드 직렬 접속(hard series connection)을 제공할 필요가 없기 때문에 결과적으로 비교적 작다. 브레이킹 유닛을 통한 제어 가능한 전류 흐름을 달성하고 결과적으로 에너지 변환을 달성하기 위해, 개별 반도체 전력 스위칭 요소들(8)은 MMC(modular multilevel convertor) 기술에서 통상적인 방법에 의해 제어된다. 이들 방법은 각각의 서브 모듈에 대해 소팅 알고리즘(sorting algorithm)들 또는 전용 펄스 폭 변조를 이용할 수 있으며, 이들 양자는 모든 커패시터 전압을 거의 동일하게 유지하는 제어 목표를 갖는다.
이러한 공지된 브레이킹 유닛은, 예로써 DC 전송 네트워크가 인버터에 접속되는 경우에, 인버터 내의 AC 측에서 장애의 발생 시 수 초 동안 DC 전송 네트워크의 전체 전력 출력을 방전할 수 있도록 이용된다. 이 기간 동안, DC 전송 네트워크들에 공급되는 정류기 및 그에 의해 공급되는 AC 네트워크들에 악영향을 미치지 않으면서, AC 측 장애를 검출하고 인버터를 다시 작동시키는 것이 가능하다.
대기/유휴 상태에서 브레이킹 유닛이 상대적으로 작은 전력 손실을 갖는 방식으로, 도입부에서 언급된 타입의 브레이킹 유닛의 서브 모듈을 구현하기 위해, 본 발명에 따르면 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로는 서브 모듈의 경우에 역방향 다이오드에 병렬로 제공된다.
본 발명에 따른 서브 모듈의 본질적인 장점은, 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로의 결과로서, 이러한 서브 모듈을 갖춘 브레이킹 유닛이 저장 커패시터의 전압들의 합에 관하여 부스트 변환기(boost converter)로서 작동될 수 있다는 사실에 있다. 따라서, 본 발명에 따른 서브 모듈의 저장 커패시터는 진정한 제어 가능한 에너지 저장 디바이스이므로, 브레이킹 유닛의 서브 모듈들의 저장 커패시터들에서의 전압들의 합은 브레이킹 유닛의 외부 단자들에 인가되는 전압보다 크게 될 수 있다. 추가 장점은, 에너지 소비 스위칭 유닛이 브레이킹 유닛의 외부 단자들에서의 전압과는 충분히 독립적으로 설계될 수 있어, 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로의 저항값이 한편으로는 개선된 방식으로 구성될 수 있고 다른 한편으로는 접속되는 반도체 스위치의 특성을 갖는 인가 전압과는 독립적으로 구성될 수 있다는 사실에 있다. 이는 본 발명에 따른 서브 모듈의 역방향 다이오드가 더 작은 전류를 위해 설계될 수 있다는 장점을 부가적으로 제공한다.
본 발명에 따른 서브 모듈은 반도체 바이패스 경로에 대해 상이한 방식으로 구현될 수 있다; 이 반도체 바이패스 경로가 반도체 전력 스위치를 포함한다면, 특히 유리한 것으로 간주된다. 이런 반도체 전력 스위치는 절연 게이트 전극(insulated gate electrode)(IGBT)을 갖는 바이폴라 트랜지스터인 것이 바람직하다.
서브 모듈은 또한 에너지 소비 스위칭 유닛에 대해 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 유리한 실시예의 경우, 에너지 소비 스위칭 유닛은 전력 반도체 스위칭 요소를 통해 저장 커패시터와 병렬로 배열되는 오믹 저항기이다. 이것은, 각각의 서브 모듈의 반도체 전력 스위치 및 반도체 전력 스위칭 요소를 보다 잘 이용할 수 있다는 장점을 제공한다: 또한, 서브 모듈을 브레이킹 유닛에 접속할 때 몇 개의 서브 모듈만이 요구되는 가능성을 제공하여, 비용 절감 및 브레이킹 유닛의 설치 공간이 덜 필요로 하는 유리한 결과를 얻는다.
그러나 에너지 소비 스위칭 유닛이, 커패시터와 병렬로 직접 배열되는 비선형 저항기인 경우에도 유리할 수 있다; 에너지 소비 스위칭 유닛은 그러므로 이 경우 순수한 수동 방식으로 구현된다. 따라서, 반도체 전력 스위칭 요소는 이 경우에 생략되어, 개별 서브 모듈에 요구되는 설치 공간과 비용, 및 결과적으로 그러한 서브 모듈들로 구성되는 브레이킹 유닛에 대해서는 유리한 효과를 갖게 된다. 본 발명에 따른 서브 모듈의 이러한 실시예의 경우에, 서브 모듈들 내의 비선형 저항기들은, 저장 커패시터에서 전압을 높이거나 낮추는 것만으로 서브 모듈과 함께 반도체 바이패스 경로 내의 반도체의 반도체 전력 스위치들을 상응하게 제어함으로써 효과적으로 스위칭 되거나 스위칭 온 될 수 있다. 본 발명에 따른 서브 모듈의 이러한 실시예의 경우에는, 반도체 전력 스위치들 및 반도체 전력 스위칭 요소들이 개선된 방식으로 설계될 수 있고, 서브 모듈들 수를 결과적으로 줄일 수 있다는 장점이 또한 생긴다.
비선형 저항기의 형태로 된 에너지 소비 스위칭 요소가 과전압 어레스터(overvoltage arrestor)인 경우에, 특히 유리한 것으로 입증되었다. 그러한 서브 모듈들로 구현되는 브레이킹 유닛의 경우에는, 비선형 저항기 또는 과전압 어레스터가 도전성인 커패시터 전압으로 조정되는, 시간에 대해 평균화된 서브 모듈의 수가 더 많아질수록 변환된 전력을 증가시키는 것이 가능하다.
상대적으로 작은 전력 손실을 갖는 브레이킹 유닛을 얻기 위해, 예를 들어 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 DC 전송 시스템에 접속되며 본 발명에 따라 직렬로 배열되는 다수의 서브 모듈로부터 구성되는 브레이킹 유닛이 제공된다.
이러한 브레이킹 유닛은 에너지 소비 스위칭 유닛들의 모든 저항기의 합을 최소 저항으로 포함할 수 있다면, 특히 유리하다. 이 경우, 이들 스위칭 요소 모두는, 반도체 전력 스위칭 요소를 각각 갖는 에너지 소비 스위칭 유닛들을 포함하는 서브 모듈들을 이용할 때, 스위칭 온 된다. 본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 가장 작은 저항은, 반도체 바이패스 경로 내의 모든 반도체 전력 스위치들이 스위칭 온 되는 경우 0이 된다. 따라서, 비교적 빠른 방식으로 브레이킹 유닛을 통해 흐르는 전류를 구축하는 것이 유리한 방식으로 가능하다.
브레이킹 유닛을 통해 흐르는 전류가 급속하게 감소되는 경우에도 마찬가지이다. 이 경우, 저장 커패시터들에서의 전압은 브레이킹 유닛의 외부 단자들에서의 DC 전압보다 상당히 크게 고정된 채 유지될 수 있다. 높은 역 전압(counter-voltage)을 구축하고 브레이킹 유닛을 통해 흐르는 전류를 신속하게 정류하는 것이 언제든지 가능하다.
본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 특히 바람직한 실시예의 경우, 직렬로 배열된 서브 모듈들과 직렬로 배열되는 추가적인 에너지 소비 스위칭 유닛이 제공된다. 이 경우, 본 발명에 따른 브레이킹 유닛에서의 전압이 넓은 범위에 걸쳐 조정될 수 있기 때문에, 각각의 서브 모듈은 상대적으로 간단한 방식으로 치수가 정해진다. 이런 추가적인 에너지 소비 스위칭 유닛, 예로서 저항기 장치(resistor arrangement)가 추가적으로 사용될 수 있다. 브레이킹 유닛에서의 전압을 거의 연속적인 방식으로 조정할 수 있는 결과로서, 상기 유닛은 상대적으로 낮은 펄스 부하들에 노출된다. 따라서, 추가적인 에너지 소비 저항기 장치는 비교적 유리한 방식으로 달성될 수 있다. 또한, 추가적인 에너지 소비 저항기 장치가 서브 모듈들의 저항기들 또는 과전압 어레스터들보다 전력 출력에 대해 비용면에서 더 효율적이기 때문에, 비용을 더 줄일 수 있다. 이러한 추가적인 에너지 소비 저항기 장치는 브레이킹 유닛을 수용하는 변환기 하우징 외부에 유리하게 배치될 수 있으며, 그 결과 변환기 하우징 및 그 냉각 시스템들은 더 작은 치수로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 추가 장점은, 브레이킹 유닛을 통해 흐르는 횡단 전류가 브레이킹 유닛의 서브 모듈들의 모든 저항기들을 통해 흘러야 할 필요가 없기 때문에, 정지 상태 및 차단 상태에서 브레이킹 유닛이 매우 유리한 방식으로 대칭적으로 밸런싱될 수 있다는 사실에 있다. 결과적으로, 브레이킹 유닛은 아이들링(idling) 시 적은 전력을 잃는다. 게다가, 에너지 소비 스위칭 유닛들의 저항기들은 브레이킹 유닛을 대칭적으로 밸런싱한 결과로서 예열되지 않고, 그 결과 도입부에 설명된 공지된 브레이킹 유닛의 경우보다 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다.
본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 특히 바람직한 실시예의 경우, 직렬로 배열된 브레이킹 유닛의 서브 모듈들을 통해 흐르는 전류에 대한 측정 디바이스, 및 서브 모듈에서의 전압에 대한 측정 디바이스들은, 인버터에서 장애의 발생 시 서브 모듈들의 전력 반도체 스위치들에 제어 신호들을 출력하여 최적화 기준에 따라 서브 모듈들에서의 전압들을 조정하는데 적합한 제어 장치에 접속된다. 이것은, 본 발명에 따른 브레이킹 유닛에 접속되는 인버터 내의 AC 측에서 장애가 발생한다면, 브레이킹 유닛이 인버터에 접속되는 경우에 발생한다.
본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 상술한 실시예는 그러므로, 상기 브레이킹 유닛에서 서브 모듈들의 총 손실과 결과적인 브레이킹 유닛의 총 손실이 비교적 작고 그 최대 출력이 상대적으로 높기 때문에, 특히 유리하다. 이것은, 각각의 가장 뜨거운 반도체 전력 스위치들의 온도가 감소되고, 이에 따라 각각의 서브 모듈 및 그에 따른 전체 브레이킹 유닛의 최대 전력 출력을 증가시키는 것이 가능하다는 사실에 기인한다. 서브 모듈에서의 전압 또는 저장 커패시터들에서의 전압의 최적의 조정 동안, 브레이킹 유닛의 최대 전력 출력은 서브 모듈 전압의 최적의 조정을 위한 설비를 갖지 않는 실시예에 비해 최대 20%까지 증가될 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 전송 네트워크에 접속되는 인버터의 장애 시에 본 발명에 따른 상술한 실시예의 브레이킹 유닛을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 상기 발명의 목적은, 서브 모듈들의 총 손실과 결과적인 브레이킹 유닛의 총 손실이 비교적 적고 최대 출력이 상대적으로 높도록 본 방법을 설계하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 직렬로 배열되는 서브 모듈들을 통해 흐르는 전류 및 개별 서브 모듈들에서의 전압들은 본 발명에 따라 결정되고, 서브 모듈들에서의 전류 및 전압에 대한 확인된 값들(ascertained values)은 각각의 서브 모듈들의 현재 동작점을 확립하는 데 이용된다; 브레이킹 유닛에 대한 적어도 하나의 미리 결정된 최적화 기준에서는, 서브 모듈들에서의 전압이 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로 또는 에너지 소비 스위칭 유닛을 스위칭함으로써 각각의 현재 동작점을 참조하여 최적화 기준에 따라 조정된다. 그렇게 할 때, 에너지 소비 스위칭 유닛이 각각의 경우에 스위칭 가능해야 한다는 것, 즉 각각의 저장 커패시터와 병렬인 전력 반도체 스위칭 요소를 통해 스위칭 될 수 있는 오믹 저항기를 포함해야 한다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 따른 방법의 본질적인 장점은, 각각의 가장 뜨거운 반도체 전력 스위치의 온도가 감소되고 그에 따라 각각의 서브 모듈의 전력 출력과 결과적인 전체 브레이킹 유닛의 전력 출력이 증가될 수 있다고 간주된다는 것이다. 서브 모듈 전압을 최적으로 조정하는 경우, 브레이킹 유닛의 최대 전력 출력은 최대 20%까지 증가될 수 있다. 이 경우, 전력 손실은 비교적 적다.
본 발명에 따른 방법의 경우에는 상이한 최적화 기준이 사용될 수 있다; 따라서, 최적화 기준은, 서브 모듈들의 반도체 컴포넌트들로서, 반도체 전력 스위치들, 반도체 전력 스위칭 요소들, 역방향 다이오드 및 프리 휠 다이오드의 온도 거동을 상이한 전압들에 대한 반도체 컴포넌트들의 각각의 동작점을 참조하여 고려해서, 각각의 서브 모듈들의 반도체 컴포넌트들의 스위칭 및 도전 손실들을 계산하고 반도체 컴포넌트들의 온도 증가를 결정하고 또한 장애 시에 장애의 지속 기간에 의존하여 반도체 컴포넌트들의 온도들을 결정하는 경우가 유리한 것으로 나타난다; 이어서 각각의 반도체 컴포넌트의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(maximal admissible depletion layer temperature)에 대한 온도차는 서브 모듈들에서 가능한 전압들의 경우에 서브 모듈들의 각각의 반도체 컴포넌트의 각각의 동작점에 대해 결정되고, 목적 함수(objective function)를 이용하여 서브 모듈들에서 최적의 전압들이 설정된다.
그렇게 할 때, 최적화 기준은, 서브 모듈들의 반도체 컴포넌트들의 온도 거동을 상이한 전압들에 대한 반도체 컴포넌트들의 각각의 동작점을 참조하여 고려해서, 각각의 서브 모듈들의 반도체 컴포넌트들의 스위칭 및 도전 손실들을 계산하고 반도체 컴포넌트들에서의 온도 증가를 결정하고 또한 장애 시에 장애의 지속 기간에 의존하여 반도체 컴포넌트들의 온도들을 결정하는 경우가 목적 함수로서 유리한 방식으로 가능하다; 각각의 반도체 컴포넌트의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도에 대한 온도차는 서브 모듈들에서 가능한 전압들의 경우에 서브 모듈들의 각각의 반도체 컴포넌트의 각각의 동작점에 대해 결정되고, 목적 함수를 이용하여 서브 모듈들에서 최적 전압들이 설정된다.
그렇게 할 때, 최적화 기준의 타입에 무관하게, 열적 모델을 이용하여 반도체 컴포넌트들의 온도 증가를 결정하고 또한 반도체 컴포넌트들의 온도를 결정하는 것이 가능하다.
추가적인 최적화 기준으로서, 장애 시에 열적 모델을 이용하여 반도체 컴포넌트들의 온도 증가를 결정하고 또한 반도체 컴포넌트들의 온도를 결정하는 것이 유리한 방식으로 가능하다.
서브 모듈들에서의 전압의 최소 리플(minimal ripple), 반도체 컴포넌트들의 동일한 평균 온도 또는 2가지 최적화 기준의 혼합물을 최적화 기준으로서 부가적으로 또는 대안적으로 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에 따른 방법의 경우에는 다른 최적화 기준이 또한 사용될 수 있다.
본 발명을 더 설명하기 위해:
도 2는 본 발명에 따른 브레이킹 유닛의 예시적인 실시예를 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 브레이킹 유닛용 서브 모듈의 추가 실시예를 도시하고,
도 4는 최적화 기준이 온도 거동을 고려하는 경우에 2시간 지속되는 로딩 이후에 서브 모듈들의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(Tj , HLj 여기서 j = 1...4)에 대한 최소 온도 델타를 갖는 3D 그래프의 예를 도시하고,
도 5는 최적화 기준을 참조하여 커패시터 전압들을 변경하기 위한 알고리즘의 간략화된 흐름도를 도시한다.
도 1에 도시된 브레이킹 유닛에 대응하는 컴포넌트들이 유사한 도면 부호로 제공되는 도 2는, 역방향 다이오드(3)를 각각 포함하는 다수의 서브 모듈(12)을 갖는 브레이킹 유닛(11)을 도시한다. 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로(13)는 역방향 다이오드(3)와 병렬로 연장되고, 본 경우에는 반도체 전력 스위치(14)에 의해 형성된다.
상술한 종래 기술의 경우에서와 같이, 저장 커패시터(5)는 프리 휠 다이오드(4)를 통해 각각의 서브 모듈(12)에 접속되고, 상기 저장 커패시터는 에너지 소비 스위칭 유닛(6)과 병렬로 배치된다. 에너지 스위칭 유닛(6)은, 이 경우에 반도체 전력 스위칭 요소(8)와 에너지 소비 요소, 예를 들어 오믹 저항기(7)의 직렬 접속을 또한 포함한다.
도 2에 더 도시된 바와 같이, 브레이킹 유닛(11)은 종래의 방식으로, 인덕턴스(9) 및 추가적인 에너지 소비 저항기 장치(15)를 포함하며, 이 장치의 하나의 단자는 브레이킹 유닛(11)의 외부 단자(X2)를 형성한다.
도 3은 도 2에 도시된 브레이킹 유닛(11)에 사용된 서브 모듈들(12)에 대해 변형된 서브 모듈(20)을 도시하는데, 이는 이 경우에 저장 커패시터(5)와 병렬로 배열된 에너지 소비 스위칭 유닛(21)은 비선형 저항기(22) 또는 과전압 어레스터를 포함하고, 달리 말하면 수동적으로만 스위칭될 수 있다.
도 2는, 브레이킹 유닛(11)의 경우, 직렬로 배열된 서브 모듈들(12)을 통해 흐르는 전류가 측정 디바이스(25)를 이용하여 결정되고 개별 서브 모듈들(12) 또는 저장 커패시터들(5)에서의 전압이 측정 디바이스들(M1 내지 Mn)의 도움으로 결정되는 것을 추가로 도시한다. 이러한 방식으로 확인된 저장 커패시터들(5)에서의 전압들에 대한 값들(U1 내지 Un) 및 전류에 대한 값들(I)은 제어 장치(30)에서 처리된다. 이런 제어 장치는, 예로써 브레이킹 유닛(11)에 접속된 인버터 내의 AC 측에서 장애가 발생하는 경우 단자(31)를 통해 활성화된다. 이 경우, 각각의 서브 모듈(12)의 현재 동작점이 확립된다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스(13)를 스위칭함으로써 브레이킹 유닛(11)에 대해 각각의 현재 동작점을 참조하여 서브 모듈들(12)에서의 전압을 조정하기 위해 상이한 최적화 기준이 사용될 수 있다.
이러한 조정은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다: 제1 단계는 측정 변수(I)를 획득하는 동안 브레이킹 유닛(11)을 통해 흐르는 전류의 측정, 및 값들(U1 내지 Un)을 획득하는 동안 서브 모듈들(12)에서의 전압들의 측정을 참조하여 동작점을 결정하는 것이다. 또한, 동작점의 지속 기간은, x초 지속하는 장애 이후에 반도체 컴포넌트들[반도체 전력 스위치들(14), 반도체 전력 스위칭 요소(8), 역방향 다이오드(3) 및 프리 휠 다이오드(4)]에 대해 예상되는 각각의 온도의 온라인 또는 오프라인 계산을 참조하여 결정된다. 이를 기초로 하여, 최적의 원하는 값들이 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈들(12)에서의 전압들에 대해 계산되고, 반도체 전력 스위치(14) 및 반도체 전력 스위치 요소(8)의 제어 범위는 목적 함수에 의해 연산되고, 대응하는 제어 신호들(St1 내지 Stn)은 제어 장치에 의해 반도체 전력 스위치들(14)로 출력된다.
오프 라인 계산의 경우, 브레이킹 유닛(11)에 접속되는 도시되지 않은 인버터에서 x초 동안 지속되는 장애 이후에 서브 모듈들(12)의 반도체 컴포넌트들(3, 4, 8, 14)의 상이한 온도들(Tj , HLj 여기서 j = 1...4)을 나타내는 테이블이 생성되고, 그 경우에, 각각의 동작점에 대한 또한 비교의 기준으로서 각각의 경우에 선택되는 서브 모듈의 설계에 대한 서브 모듈들(12)에서의 전압들은 상이하다.
현재 동작점을 참조하여, 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈들(12)에서의 각각의 가능한 전압에 대한 서브 모듈들(12)의 각각의 반도체 컴포넌트(j = 3, 4, 8 및 14)의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(ΔTj, HLj)에 대한 온도 델타가 계산된다:
Figure 112017000283724-pct00001
가능한 목적 함수(objective function)(ZF)는 가장 뜨거운 반도체 컴포넌트의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도에 관한 이런 온도 델타의 최대화이다.
Figure 112017000283724-pct00002
온라인 계산의 경우, 서브 모듈들(12)의 반도체 컴포넌트들(3, 4, 8 및 14)의 스위칭 및 도전 손실은 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈들(12)에서의 상이한 전압들에 대한 동작점을 참조하여 계산된다. 간략화된 열적 모델(예를 들어, 단 하나의 열적 RC 부재)을 참조하여, 온도 증가와 또한 반도체 컴포넌트들(3, 4, 8 및 14)의 온도들(Tj , HLj 여기서 j = 1...14)은 인버터에서 x초 지속되는 장애 이후에 계산된다. 현재 동작점을 참조하여, 각각의 반도체 컴포넌트(3, 4, 8 및 14)의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(ΔTj , HLj)에 관한 온도 델타는 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈들(12)에서의 각각의 가능한 전압에 대해 계산되고, 이어서 서브 모듈들(12)의 최적의 전압들이 목적 함수를 참조하여 선택된다.
하나의 가능한 목적 함수(ZF)는 이 경우에 가장 뜨거운 반도체 컴포넌트(3, 4, 8 또는 14)의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도에 관한 온도 델타의 최대화이다. 도 5에 예시된 흐름도는 그러한 프로세스의 진행을 도시한다. 도시된 프로세스의 경우에, 단계 Sp1에서 시작 SA 이후에, 동작점은 저장 커패시터들에서의 전압들(U1 내지 Un) 및 전류에 대한 값들(I)을 참조하는 현재 요구되는 브레이킹 전력을 참조하여 결정된다. 이어서, 단계 Sp2에서 온라인 계산이 수행되는지의 여부가 결정된다. 긍정적인 결정 y의 경우에, 다른 커패시터 전압들에 대한 도전성 및 스위칭 손실은 추가 단계 Sp3에서 연속해서 계산된다. 반도체 온도들(Tj, HLj 여기서 j = 1...14)은 간략화된 열적 모델을 이용하여 단계 Sp4에서 연속해서 계산되고, 여기서는 측정된 커패시터 전압들(U1 내지 Un) 및 반도체 온도들이 고려된다.
후속 단계 Sp5에서, 서브 모듈들(1) 내의 반도체의 새로운 공핍 층 온도가 결정된다.
단계 Sp2에서 부정적인 결정 n의 경우, 이 방법은 테이블 T로 분기하는데, 테이블 T에서 서브 모듈들(1)의 각각의 반도체의 온도는 커패시터 전압들(U1 내지 Un)이 상이한 경우 각각의 동작점에 대해 x초 지속되는 장애 다음에 저장된다; 그렇게 할 때, 서브 모듈들의 각각의 설계가 조정된다. 이러한 방식으로, 이 경우에 단계 Sp5에서 새로운 공핍 층 온도를 결정하는 것도 가능하다.
이어서, 각각의 개별 반도체의 최대 공핍 층 온도에 관한 델타가 추가 단계 SP6에서 계산되고, 연속해서 각각의 커패시터 전압이 단계 SP7에서 최적화 기준을 참조하여, 예를 들어 상기 수학식 2에 따라 조정된다. E는 온도 델타의 최대화의 종료를 나타낸다.
당연히, 예를 들어 서브 모듈들(12) 또는 오히려 저장 커패시터(5)에서의 전압의 최소 전압 리플, 반도체 컴포넌트들(3, 4, 8 및 14)의 동일한 평균 온도, 또는 목적 함수를 참조하여 설명될 수 있는 기준의 가중 혼합물과 같은 다른 최적화 기준이 또한 오프 라인 계산 또는 온라인 계산에 대해 실현 가능하다.
도 4는, 브레이킹 유닛(11)의 서브 모듈들(12)에서의 전압들이 상이한 경우, 인버터에서 2초 지속되는 장애 이후의 서브 모듈들(12)의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(Tj , HLj 여기서 j = 1...4)에 관한 최소 온도 델타를 나타내는 예시적인 3D 그래프를 도시한다. 도시된 영역은 서브 모듈들(12)의 상이한 전압들(U)과 또한 반도체 컴포넌트들에 대해 최대로 허용 가능한 상이한 전류들(Ip)에 대한 가장 뜨거운 컴포넌트에 대한 최대 허용 가능한 공핍 층 온도에 관한 최소 델타의 최대화를 설명한다; 그렇게 할 때, 전류는 Ip에 의한 공칭 값의 백분율로 식별된다. 도 4의 파선은 브레이킹 유닛(11)에 대한 서브 모듈들(12)의 전압들의 최적의 선택을 예시한다. 고정된 서브 모듈 전압들을 이용할 때, 가능한 전류 또는 오히려 가능한 전력 출력의 최대 80%만이 이용될 수 있음에 유의해야 한다.

Claims (15)

  1. 직렬로 배열된 복수의 서브 모듈들(12)을 포함하는 브레이킹 유닛(11)으로서,
    각각의 서브 모듈(12)은 역방향 다이오드(3), 및 프리 휠 다이오드(free-wheel diode)(4)를 통해 상기 역방향 다이오드와 병렬로 배열되는 저장 커패시터(5)를 포함하고, 상기 저장 커패시터(5)에 접속되는 에너지 소비 스위칭 유닛(6)을 또한 포함하고,
    상기 역방향 다이오드(3)에 병렬로 상기 역방향 다이오드(3)의 캐소드에서부터 애노드까지의, 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로(13)가 제공되고,
    직렬로 배열된 서브 모듈들(12)에 직렬로 인덕터가 접속되고,
    직렬로 배열되는 상기 브레이킹 유닛(11)의 상기 서브 모듈들(12)을 통해 흐르는 전류에 대한 측정 디바이스(25), 및 상기 서브 모듈들(12)에서의 전압들에 대한 측정 디바이스들(M1 내지 Mn)은, 미리 결정된 기준에 따라 상기 서브 모듈들(12)에서의 전압들을 조정하기 위해 제어 신호들(St1 내지 Stn)을 상기 서브 모듈들(12)의 전력 반도체 스위치들(14)로 출력하는데 적합한 제어 장치(control arrangement)(30)에 접속되며,
    상기 미리 결정된 기준은, 상기 서브 모듈들(12)의 반도체 컴포넌트들로서 상기 전력 반도체 스위치들(14), 상기 역방향 다이오드(3) 및 상기 프리 휠 다이오드(4)의 온도 거동(temperature behavior)을, 상이한 전압들에 대한 상기 반도체 컴포넌트들의 각각의 동작점을 참조하여, 고려하는 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 바이패스 경로(13)는 전력 반도체 스위치(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 반도체 스위치(14)는 절연 게이트 전극을 갖는 바이폴라 트랜지스터[절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor), IGBT]인 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 소비 스위칭 유닛은 전력 반도체 스위칭 요소(8)를 통해 상기 저장 커패시터(5)와 병렬로 배열되는 오믹 저항기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 반도체 스위칭 요소(8)는 절연 게이트 전극을 갖는 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 소비 스위칭 유닛(21)은 상기 저장 커패시터(5)와 병렬로 직접 배열되는 비선형 저항기(22)인 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비선형 저항기는 과전압 어레스터(overvoltage arrestor)인 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이킹 유닛이 DC 전송 시스템에 접속되는 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 에너지 소비 스위칭 유닛(15)이, 직렬로 배열되는 상기 서브 모듈들(12)과 직렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 브레이킹 유닛.
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 브레이킹 유닛(11)을 DC 전송 시스템에 접속되는 인버터의 장애 시에 작동시키는 방법으로서,
    직렬로 배열되는 상기 서브 모듈들(12)을 통해 흐르는 전류, 및 상기 개별 서브 모듈들(12)에서의 전압들이 결정되고,
    상기 각각의 서브 모듈(12)의 현재 동작점은 상기 서브 모듈들(12)에서의 상기 전류 및 상기 전압들에 대한 확인된 값들(ascertained values)(I;U1 내지 Un)로부터 확립되고, 상기 각각의 현재 동작점을 참조하는 상기 브레이킹 유닛(11)에 대한 적어도 하나의 미리 결정된 기준에 대해, 상기 서브 모듈들(12)에서의 상기 전압들은 상기 적어도 하나의 미리 결정된 기준에 대응하여 상기 능동적으로 스위칭 가능한 반도체 바이패스 경로(13) 또는 상기 에너지 소비 스위칭 유닛(6)을 스위칭함으로써 조정되며,
    상기 서브 모듈들(12)의 반도체 컴포넌트들로서, 전력 반도체 스위치들(14), 상기 역방향 다이오드(3) 및 상기 프리 휠 다이오드(4)의 온도 거동(temperature behavior)을 고려하는 적어도 하나의 미리 결정된 기준의 경우에,
    상이한 전압들에 대한 상기 반도체 컴포넌트들의 상기 각각의 동작점을 참조하여 상기 각각의 서브 모듈들(12)의 상기 반도체 컴포넌트들의 스위칭 및 도전 손실들이 계산되고,
    상기 반도체 컴포넌트들의 온도 증가와, 또한 상기 반도체 컴포넌트들의 온도들은 상기 장애 시에 상기 장애의 지속 기간에 의존하여 결정되고,
    상기 서브 모듈들의 각각의 반도체 컴포넌트의 상기 각각의 동작점에 대해, 상기 각각의 반도체 컴포넌트의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도(maximal admissible depletion layer temperature)에 관한 온도차는 상기 서브 모듈들(12)에서 가능한 전압들의 경우에 결정되고,
    목적 함수(objective function)를 이용하여 상기 서브 모듈들(12)에서 전압들이 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    목적 함수로서는 서브 모듈(12)에서의 가장 뜨거운 반도체 컴포넌트의 공핍 층 온도와 상기 반도체 컴포넌트의 최대 허용 가능한 공핍 층 온도 사이의 온도차의 최대화가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 장애 시에, 상기 반도체 컴포넌트들의 온도 증가와, 또한 상기 반도체 컴포넌트들의 온도들은 열적 모델을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 미리 결정된 기준으로서는 상기 서브 모듈들(12)에서의 상기 전압들의 최소 리플(ripple), 상기 반도체 컴포넌트들의 동일한 평균 온도, 또는 이들 2개의 미리 결정된 기준 또는 다른 미리 결정된 기준의 혼합물이 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 삭제
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