KR102229840B1 - 다기능 필터를 포함하는 hvdc 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 필터를 포함하는 HVDC 시스템은, 교류전력을 직류전력으로, 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터에 교류전력을 제공하거나, 상기 컨버터로부터 직류전력을 제공받는 변압기; 상기 변압기와 상기 컨버터의 전력 반도체 밸브 사이의 노드에 일단이 연결된 리액터와, 상기 리액터의 타단과 접지간에 연결되고, 서로 병렬 연결된 커패시터 및 저항을 포함하는 댐핑필터를 구비하고, 상기 전력 반도체 밸브의 중성점으로 영전위 기준을 제공하는 필터부를 포함한다.

Description

다기능 필터를 포함하는 HVDC 시스템{HVDC SYSTEM INCLUDING MULTI-FUNCTION FILTER}
본 발명은 HVDC 시스템용 다기능 필터 및 이를 포함하는 HVDC 시스템에 관한 것이다.
HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 구분된다.
전류형 HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 커패시터 뱅크가 인버터 측이나 정류기(rectifier) 측에 존재해야 한다. 특히, 전류형 HVDC 시스템은 고조파 왜곡을 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템은 유효전력과 무효전력을 동시에 제어 가능하고, 전류형 HVDC 시스템에 비해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 작아 질 수 있다는 장점을 갖는다.
전압형 HVDC 시스템은 IGBT 소자를 이용하므로 스위칭 손실이 크다는 단점을 가지나, 최근에는 스위칭 손실이 전류형 HVDC 시스템에 근접하는 MMC(Modular Multi-Level Convertor) 를 채용하는 전압형 HVDC 시스템이 연구되고 있다.
한편, 전압형 HVDC 시스템은 직류 측의 고장상태나 정상상태에서 시스템의 절연성을 확보하기 위해서 영전위 기준이 마련되어야 한다. 영전위 기준이 없는 경우 직류 바이어스를 견디기 위해 변압기나 컨버터의 밸브의 정격이 커져야 한다.
Haitian Wang, etc 3, "Efficient Grounding for Modular Multilevel HVDC Converters (MMC) on the AC Side", IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 29, No. 3, June 2014
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 컨버터에 영전위 기준을 제공하고, HVDC 시스템에서 발생하는 고조파 왜곡을 제거할 수 있는 HVDC 시스템용 다기능 필터를 구비한 HVDC 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템용 다기능 필터는 교류 계통과 전력 반도체 밸브 사이의 노드에 일단이 연결된 리액터; 및 상기 리액터의 타단과 접지간에 연결되고, 커패시터 및 저항을 포함하는 댐핑필터를 포함하고, 상기 전력 반도체 밸브의 중성점으로 영전위 기준을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템은 교류전력을 직류전력으로, 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터에 교류전력을 제공하거나, 상기 컨버터로부터 직류전력을 제공받는 변압기; 및 상기 변압기와 상기 컨버터 사이의 노드에 일단이 연결된 리액터, 및 상기 리액터의 타단과 접지간에 연결된 커패시터 및 저항을 포함하는 필터부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템용 다기능 필터 및 이를 포함하는 HVDC 시스템은, 과부하 또는 단락 등에 의한 고장시에 발생하는 직류전력 변동에 대하여 컨버터로 영전위 기준을 제공할 수 있으므로 계통을 효율적으로 안정화할 수 있고, 직류전력변동에 따른 정류 실패를 방지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 HVDC 시스템용 다기능 필터를 포함하는 HVDC 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 HVDC 시스템의 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 HVDC 시스템용 다기능 필터의 다른 예를 나타내는 등가 회로도이다.
도 4 및 도 5는 HVDC 시스템용 다기능 필터의 또 다른 일 예를 나타내는 등가 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 HVDC 시스템용 다기능 필터를 포함하는 HVDC 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템은 제1 변압기(T1), 제1 컨버터(VSC1), 제1 필터부(MFF1), 제2 컨버터(VSC2), 제2 변압기(T2), 제2 필터부(MFF2)를 포함한다.
제1 변압기(T1)는 교류 계통과 연계되어 제1 교류전력을 변압하고, 제1 컨버터(VSC1)는 변압된 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 변환된 직류전력은 제2 컨버터(VSC2)로 송전되고, 제2 컨버터(VSC2)는 상기 직류전력을 제2 교류전력으로 변환하고, 제2 변압기(T2)는 상기 제2 컨버터(VSC2)에서 변환된 교류전력을 변압한다.
제1 컨버터(VSC1)는 HVDC 시스템에서 정류기의 역할을 하고, 제2 컨버터(VSC2)는 HVDC 시스템에서 인버터의 역할을 한다. 제1 컨버터(VSC1) 및 제2 컨버터(VSC2)는 전압을 승압 또는 강압하는 전압형 컨버터(Voltage-Source Converter)일 수 있다. 일 예로, 제1 컨버터(VSC1) 및 제2 컨버터(VSC2)는 MMC(Modular Multi-Level Convertor)일 수 있고, 이에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
이러한 전압형 컨버터의 출력 전압 파형에는 고조파 왜곡이 포함될 수 있고, 이러한 고조파 왜곡은 교류전력에 왜곡을 만들고 정상적인 시스템 운전이 방해될 수 있다. 또한, 도 2에서 상기 전압형 컨버터의 직류단에 도시된 접지단(IE)은 실제로 대지에 접지되지 않은 가상의 접지(Imaginary Earth)이므로, 고장상태나 정상상태에서 전압형 컨버터의 영전위가 흔들리고, 상기 전압형 컨버터의 운전시 세 개의 상 각각에 균일하지 않은 직류 바이어스가 발생할 수 있다.
제1 필터부(MFF1)는 제1 변압기(T1)와 제1 컨버터(VSC1) 사이의 노드(N1)에 연결된다. 상기 제1 필터부(MFF1)는 상기 노드(N1)에 일단이 연결된 리액터(L1), 및 상기 리액터(L1)의 타단과 접지간에 연결되고, 커패시터(C1) 및 저항(Rf)을 포함하는 댐핑필터를 포함한다.
또한, 제2 필터부(MFF2)는 제2 변압기(T2)와 제2 컨버터(VSC2) 사이의 노드(N2)에 연결된다. 상기 제1 필터부(MFF2)와 유사하게, 상기 제2 필터부(MFF2)는 상기 노드(N2)에 일단이 연결된 리액터(L1'), 및 상기 리액터(L1')의 타단과 접지간에 연결되고, 커패시터(C1') 및 저항(Rf')을 포함하는 댐핑필터를 포함한다.
여기서, 상기 리액터(L1, L1')들은 공기 코어 리액터일 수 있고, 상기 커패시터들(C1, C1')은 고전압 커패시터 뱅크일 수 있다.
이러한 구성으로 제1 필터부(MFF1) 는 HVDC 시스템에서 다기능 필터의 역할로서, 제1 컨버터(VSC1)에 영전위 기준을 제공하여 직류 바이어스를 억제하고, 제1 컨버터(VSC1)에서 발생하는 고조파 왜곡을 최소화할 수 있다. 제2 필터부(MFF2) 역시 동일한 역할을 가질 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 2는 HVDC 시스템의 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
MMC(VSC1)는 하나의 상에 대응하는 제1 반도체 밸브(V1)를 포함한다. 다른 두 개의 상에 대응하는 제2 및 제3 반도체 밸브(V2, V3)는 제1 반도체 밸브와 동일한 형태로 이루어질 수 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 반도체 밸브(V1)는 노드(N1)와 연결된 중성점에 연결된 상부 암(Arm1) 및 하부 암(Arm2)을 포함한다. 상기 상부 암(Arm1) 및 하부 암(Arm2)은 각각 직렬 연결된 N개의 복수의 서브 모듈들(SM1 내지 SMn)을 포함한다. 또한, 상기 서브 모듈들(SM1 내지 SMn)은 각각 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)와 커패시터를 포함할 수 있다.
일 예로, 도 2에는 두 개의 IGBT(S1, S2) 및 커패시터(CS)를 포함하는 하프 브리지형 서브 모듈을 도시하였다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 풀 브리지형 서브 모듈, 클램프 더블형 서브 모듈 등 다양한 실시 예가 본 발명에 포함된다.
상기 하프 브리지 서브 모듈은 두 개의 IGBT(S1, S2), 각 IGBT와 역방향으로 연결된 다이오드(D1, D2), 및 두 개의 IGBT(S1, S2) 양단에 연결된 커패시터(CS)로 구성된다. 또한, 하나의 서브 모듈에 포함된 IGBT가 소손되는 경우 반도체 모듈 밸브가 소손된 IGBT를 포함하는 서브 모듈을 제외하고 동작할 수 있도록 경로를 바이패스하는 바이패스 스위치(SB)를 포함할 수 있다. 또한, 단락 등의 고장이 발생시 고장전류의 통로 역할을 하는 병렬 싸이리스터(SCR)를 포함할 수 있다.
서브 모듈의 동작을 살피면, 상기 두 개의 IGBT 중 하나의 IGBT가 ON 동작시 다른 하나의 IGBT가 OFF 동작한다. 이러한 ON/OFF 동작과 전류방향에 따라 커패시터의 전압 또는 영 전압이 서브 모듈의 출력 터미널에 형성된다. 이 때, IGBT의 ON/OFF 동작에 따라 고조파 왜곡이 출력 전압에 발생할 수 있다.
제1 필터부(MFF1)는 댐핑필터 또는 병렬공진필터를 포함하므로, 이러한 고조파 왜곡을 억제할 수 있고, HVDC컨버터에서 발생하는 고조파 왜곡이 AC계통으로의 유입되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 상부 암(Arm1) 및 하부 암(Arm2) 사이의 중성점에 리액터(L1)를 통해 영전위 기준을 제공하고, 고장시 이상전압의 발생을 방지할 수 있다.
도 3은 HVDC 시스템용 다기능 필터의 다른 예를 나타내는 등가 회로도이다.
도 1을 참조하여 설명한 제1 필터부(MFF1, 도 1)와 같이, HVDC 시스템용 다기능 필터는 노드(N1)에 일단이 연결된 리액터(L1), 및 상기 리액터(L1)의 타단과 접지간에 연결되고, 커패시터(C1) 및 저항(Rf)을 포함하는 댐핑필터를 포함한다. 이에 더하여 도3 에 도시한 HVDC 시스템용 다기능 필터는 상기 커패시터(C1)와 병렬로 연결되는 인덕터(L2)를 더 포함하고, 상기 인덕터(L2)는 상기 커패시터(C1)와 병렬공진 필터를 구성할 수 있다.
도 4 및 5는 HVDC 시스템용 다기능 필터의 또 다른 일 예를 나타내는 등가 회로도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 HVDC 시스템용 다기능 필터는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 HVDC 시스템용 다기능 필터와 비교하여, 교류 계통 측(예를 들어, 변압기) 및 리액터(L1)가 연결된 노드(N1) 사이에 직렬 연결된 차단 커패시터(C2)를 더 포함한다.
상기 차단 커패시터(C2)를 포함하는 HVDC 시스템용 다기능 필터는 교류 계통의 고장시, 직류 측에서 교류측으로 흐르는 돌입전류를 차단 커패시터(C2)에 형성되는 차단 전압에 의해 저감할 수 있다는 효과를 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
T1: 제1 변압기
VSC1: 제1 컨버터
MFF1: 제1 필터부
VSC2: 제2 컨버터
T2: 제2 변압기
MFF2: 제2 필터부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 교류전력을 직류전력으로, 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터에 교류전력을 제공하거나, 상기 컨버터로부터 직류전력을 제공받는 변압기;
    상기 변압기와 상기 컨버터의 전력 반도체 밸브 사이의 노드에 일단이 연결된 리액터와,
    상기 리액터의 타단과 접지간에 연결되고, 서로 병렬 연결된 커패시터 및 저항을 포함하는 댐핑필터를 구비하고,
    상기 전력 반도체 밸브의 중성점으로 영전위 기준을 제공하는 필터부
    를 포함하는 HVDC 시스템.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 필터부는
    상기 커패시터와 병렬로 연결되는 인덕터를 더 포함하고, 상기 인덕터는 상기 커패시터와 병렬공진 필터를 구성하는
    HVDC 시스템
  7. 제4항에 있어서,
    상기 변압기와 상기 노드 사이에서 직렬 연결된 차단 커패시터를 더 포함하는 HVDC 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 컨버터는 서로 직렬 연결된 복수의 서브 모듈을 포함하는 MCC(modular multilevel converter)인 HVDC 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 서브 모듈은 각각 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)와 커패시터를 포함하는 HVDC 시스템.
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