KR102235397B1 - 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 입력 직류 전력을 교류 전력으로 각각 변환하는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터를 갖는 직류-교류 변환부, 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하여 상기 직류-교류 변환부로부터의 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터 각각으로부터의 교류 전력의 전압 레벨을 삼상 교류 전력으로 변압하여 출력하는 스콧 트랜스포머(scott transformer), 상기 스콧 트랜스포머로부터의 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환부를 포함할 수 있다.

Description

스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS HAVING SCOTT TRANSFORMER}
본 발명은 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박, 해양 플랜트, 철도 차량 등의 구조물에서 전력 변환 장치가 사용된다.
한편, 선박, 해양 플랜트, 철도 차량 등의 구조물에서는 다양한 전력 레벨이 필요할 수 있으며, 이를 위해 전력 변환 장치는 고전력 직류-교류 또는 고전력 직류-직류 변환 장치일 수 있다.
상술한 전력 변환 장치는 트랜스포머 및 복수의 멀티 레벨 컨버터 등이 채용될 수 있으나, 트랜스포머의 전류 불균형으로 복수의 멀티 레벨 컨버터 중 적어도 하나의 전류 증가가 발생되어 전력 변환 장치가 정상 동작하지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
유럽 등록특허공보 2458725호 유럽 등록특허공보 2637296호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스콧 트랜스포머(scott transformer)를 채용한 전력 변환 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 입력 직류 전력을 교류 전력으로 각각 변환하는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터를 갖는 직류-교류 변환부, 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하여 상기 직류-교류 변환부로부터의 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터 각각으로부터의 교류 전력의 전압 레벨을 삼상 교류 전력으로 변압하여 출력하는 스콧 트랜스포머(scott transformer), 상기 스콧 트랜스포머로부터의 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티 레벨 컨버터에서 장애가 발생할 경우에도 정상적인 전원 변환 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 채용된 스콧 트랜스포머의 전압 위상 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 동작을 나타내는 개념적인 회로도 및 전압-전류 파형 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 또는 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전압 파형 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 양극 그리드 또는 복수의 단극 그리드가 입력될 경우의 동작과 한 극이 고장시의 부분 동작을 나타내는 개념도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 양극 그리드의 한극 고장시의 부분 동작을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 직류-교류 변환부(110), 스콧 트랜스포머(120) 및 교류-직류 변환부(130)를 포함할 수 있다.
직류-교류 변환부(110)는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터(111,112)를 포함할 수 있다.
적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터(111,112) 각각은 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 멀티 레벨 컨버터(111,112)는 모듈형 멀티 레벨 컨버터일 수 있다.
제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112) 각각은 제1 DC 단자(P1, N1) 및 제2 DC 단자(P2, N2)를 구비할 수 있다.
제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112) 각각의 컨버터는 4 개의 암(arm)으로 구현되며, 각 암은 암(ARM) 인덕터(Larm)와 직렬로 연결된 서브 모듈 (SM)의 직렬 연결로 구현될 수 있다. 즉, 제1 암은 단자 P1 및 A1을 연결하고, 제2 암은 단자 P1 및 B1을 연결하고, 제3 암은 단자 N1 및 A1을 연결하며, 제4 암은 단자 N1 및 B1을 연결할 수 있다. 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112) 각각은 A 분기 및 B 분기를 가질 수 있다. 상기 A 분기는 상부의 제1 암 및 하부의 제2 암 및 암 인덕터로 직렬로 구성될 수 있다. 상기 B 분기는 상부의 제3 암, 하부의 제4 암 및 암 인덕터가 직렬로 구성될 수 있다.
서브 모듈(SM)은 하프 브리지 (HB) 셀 또는 풀 브리지 (FB) 셀 또는 하프 브리지와 풀 브리지의 조합으로 구현될 수 있다. 암(ARM)은 인덕터(Larm)와 직렬로 연결된 여러 유형의 서브 모듈을 동일한 유형으로 조합한 서브 모듈의 시리즈 조합으로 구현될 수 있다.
중성선을 지닌 바이폴라 MVDC(Medium Voltage Direct Current) 네트워크가 MVDC 측에서 사용 가능하고 3극 (DC +, DCo, DC-)이 있는 경우, 제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 DC 단자 N1과 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 DC 단자 P2를 함께 연결할 수 있다. 이때, 제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 DC 단자 P1은 DC + 극에 접속되고, 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 DC 단자 N2는 DC-극에 접속되고, 제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 DC 단자 N1과 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 DC 단자 P2는 DCo에 접속될 수 있다.
제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 AC 단자는 스콧 트랜스포머(120)의 제1 트랜스포머(T1)의 제1 일차 권선(P1)(AP1 ~ AN1)에 연결되고, 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 AC 단자는 스콧 트랜스포머(120)의 제2 트랜스포머(T2)의 제2 일차 권선(P2)에 연결될 수 있다(AP2 ~ AN2로). 제1 트랜스포머(T1)의 제1 이차 권선(S1)은 제1 단자 (BP1)와 제2 단자 (BN1)를 갖는다. 제2 트랜스포머(T2)의 제2 이차 권선(S2)은 제1 단자 (BP2), 제2 단자 (B02) 및 제3 단자 (BN2)를 가지며, 여기서 제2 단자 (B02)는 제1 단자 (BP2)와 제3 단자 (BN2) 사이의 중앙 탭 접속이다. 또한, 제1 트랜스포머(T1)의 제1 이차 권선(S1)의 제2 단자 (BN1)는 제2 트랜스포머(T2)의 제2 이차 권선(S2)의 제2 단자 (B02)에 접속된다.
MVDC 네트워크를 인터페이스하려면 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112)는 서브 모듈(SM)을 채용할 수 있다. 서브 모듈(SM)의 개수는 사용 가능한 MVDC 네트워크 전압 수준, 서브 모듈(SM)을 구현하는 데 사용되는 반도체의 선택된 전압 클래스 및 변환기 기본 동작 원리와 관련이 없는 특정 제어 마진에 따라 다를 수 있다.
예를 들어, 서브 모듈(SM)은 활성 반도체 소자로 구현될 수 있으며, 이는 스콧 트랜스포머(120)에서 사용되는 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)의 동작 주파수의 선택과 관련된 자유도를 가능하게 할 수 있다. 정확한 동작 주파수는 다양한 파라미터에 기초한 설계 최적화의 대상이 되지만, 일반적으로 수백 Hz에서 수 kHz의 동작 주파수는 최첨단 반도체 디바이스로 달성할 수 있다.
고전압 반도체 (예: 6.5kV)를 사용하면 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112)의 서브 모듈(SM)의 수가 더 적어질 수 있으나 허용 작동 주파수가 수십 kHz 미만으로 제한될 수 있다. 반면, 저전압 반도체 (예를 들어, 1.7kV)를 사용하면 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111,112)의 서브 모듈(SM)의 수가 증가하지만, 보다 높은 스위칭 주파수가 가능해진다.
도 2는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 채용된 스콧 트랜스포머의 전압 위상 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 스콧 트랜스포머(120)는 두 개의 2중 권선 트랜스포머 (T1 및 T2)를 사용하여 구현될 수 있다. 제1 및 제2 트랜스포머(T1,T2)는 각각 하나의 일차 권선 (Pk) 및 이차 권선(Sk) (여기서, k = 1 또는 2 및 T1 및 T2의 권선을 나타냄)를 포함할 수 있다. 제2 트랜스포머(T2)의 제2 이차 권선(S2)은 두 부분으로 나뉘며, 둘 다 N/2와 같은 권선수를 가지며 센터 탭 연결이 가능하게 되고 또한 제1 트랜스포머(T1)의 제1 이차 권선(S1)의 하단에 연결될 수 있다.
제1 트랜스포머(T1)의 제1 이차 권선(S1)의 상단과 제2 트랜스포머(T2)의 제2 이차 권선(S2)의 상단 및 하단은 A, B 및 C로 표시된 스콧 트랜스포머(120)의 이 차측 단자로 사용된다. 스콧 트랜스포머(120)의 정상적인 동작을 보장하기 위해 제1 트랜스포머(T1)의 제1 이차 권선(S1)의 권선수는
Figure 112019044084903-pat00001
로 설정되어야 한다.
결과적으로, 제1 트랜스포머(T1)의 제1 일차 권선(P1) 및 제2 트랜스포머(T2)의 제2 일차 권선(P2)의 권선수를 동일하게 하면 권선비 관계는
Figure 112019044084903-pat00002
로 유도될 수 있다.
스콧 트랜스포머(120)의 2 차측 단자 선간 전압(VAB, VBC 및 VCA)은 삼상 120도 위상차를 갖는 평형 삼상인 반면에 스콧 트랜스포머(120)의 1 차측 단자 전압 (VT1 및 VT2)은 90도 위상차를 갖는 단상이다.
스콧 트랜스포머(120)는 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작할 수 있다.
본 발명의 전력 변환 장치의 사용처가 유럽 철도인 경우, 유럽 철도의 사용 주파수는 16과 2/3 Hz 내지 60Hz가 사용되며, 스콧 트랜스포머가 50Hz 내지 60Hz의 상용 주파수에 동작하는 경우 부피 및 무게가 커질 수 밖에 없다. 이에 반하여 본 발명의 스콧 트랜스포머(120)는 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하여, 상용 주파수에 동작하는 스콧 트랜스포머에 대비해서 부피 및 무게가 수십% 이하로 저감될 수 있다. 만일 상용 주파수에서 동작하는 스콧 트랜스포머가 수백 Hz 이하나 수십 kHz 이상의 주파수로 동작하는 경우 원활한 동작이 어렵고, 사이즈 및 무게 저감의 의미가 없다. 따라서 중간 주파수에서 동작할 수 있도록 스콧 트랜스포머에 적절한 코어 재질이나 권선을 적용하여 새롭게 개발할 필요가 있으며, 향후 스콧 트랜스포머 뿐만 아니라 직류-교류 변환부 또는 교류-직류 변환부의 반도체 소자 특성이 발전되는 경우 수백 kHz 이상의 하이 주파수(High Frequency)에서도 동작이 가능할 수도 있다.
직류-교류 변환부(110) 및 교류-직류 변환부(130) 또한, 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작할 수 있다.
직류-교류 변환부(110)는 양극(Bipole) 직류 또는 단극(Unipole) 직류 전력을 90도 위상차를 갖는 둘의 단상 교류 전력으로 변환하고, 스콧 트랜스포머(120)는 둘의 단상 교류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하며, 교류-직류 변환부(130)는 삼상 교류 전력을 단극 직류 전력으로 변환할 수 있다.
교류-직류 변환부(130)는 서로 직렬 연결된 둘의 반도체 스위치(S1,S4),(S3,S6),(S5,S2)를 각각 가지며 서로 병렬 연결된 셋의 레그(leg)를 포함할 수 있다.
교류-직류 변환부(130)는 DC 단자, 제 1 DC 단자 (P3) 및 제 2 DC 단자 (N3), 및 AC 단자, 즉 제 1 AC 단자 (A) 및 제 2 AC 단자 (AB) 및 제 3 AC 단자 (C)를 구비할 수 있고, 교류-직류 변환부(130)의 AC 단자는 스콧 트랜스포머(120)의 2 차측 단자, 즉 BP1, BP2 및 BN2에 연결될 수 있다. 교류-직류 변환부(130)의 DC 단자쪽에는 일종의 필터, 예를 들어 용량성 필터 뱅크가 있을 수 있다.
교류-직류 변환부(230)는 스위칭 손실을 최소화하기 위해 구형파 전압으로 동작한다.
교류-직류 변환부(230)가 서로 직렬 연결된 둘의 반도체 스위치(S1,S4), (S3,S6),(S5,S2)를 각각 갖는 서로 병렬 연결된 셋의 레그로 구성되는 경우, 상기 셋의 레그는 각각 스콧 트랜스포머(220)로부터의 삼상 교류 전력의 각 상의 교류 전력을 입력받을 수 있으며, 상기 셋의 레그는 식스-스텝(six-step) 운전에 의해 동작할 수 있고, 양방향으로 전력을 전달할 수 있다.
교류-직류 변환부(130)는 스콧 트랜스포머(120)로부터의 삼상 교류 전력이 전달되어 셋의 레그로 구성될 수 있어, 두개의 H 브리지로 구성되는 경우에 대비하여 소자의 수를 저감할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1과 함께 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)의 대비하여 교류-직류 변환부(130)와 구성이 상이한 교류-직류 변환부(230)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)의 교류-직류 변환부(230)는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)의 교류-직류 변환부(130)에 대비하여 서로 직렬 연결된 둘의 다이오드(D1,D4), (D3,D6), (D5,D2)를 각각 갖고 서로 병렬 연결된 세개의 레그(leg)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 단방향으로 전력을 전달할 수 있다. 마찬가지로, 교류-직류 변환부(230)는 스콧 트랜스포머(220)로부터의 삼상 교류 전력이 전달되어 셋의 레그로 구성될 수 있어, 두개의 H 브리지로 구성되는 경우에 대비하여 소자의 수를 저감할 수 있고, 구형파를 정류하여 효율이 증가할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)에서 MVDC 측면 및 스콧 트랜스포머에 대한 위상 변화는 없지만, 도 1에 도시된 양방향 전력 변환 장치(100)의 동작 원리와 약간 상이하다.
즉, 출력에서 펄스 전압을 생성하는 대신 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(211,212)는 이제 각각의 AC 단자에서 정현파 전압 VMMC1 및 VMMC2를 스콧 트랜스포머(220)의 일차 권선에 제공하도록 작동한다. 전압 VMMC1 및 VMMC2의 기본 주파수는 스콧 트랜스포머(220)의 제1 및 제2 트랜스포머 (T1, T2)의 동작 주파수를 정의할 수 있다. 출력 전압을 제어하기 위해서는 제1 및 제2 트랜스포머 (T1, T2)에 인가되는 전압의 크기가 조정되어야 한다. 제1 및 제2 트랜스포머 (T1, T2)의 전압 VT1과 VT2는 기본주기 (90도 전기도)의 1/4과 동일한 위상 편이로 생성되어야 하며, 스콧 트랜스포머(320)의 이차 권선의 선간 전압 (VAB, VBC, VCA)은 대칭된다.
이외의 직류-교류 변환부(210) 및 스콧 트랜스포머(220)에 관한 설명은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)에서의 직류-교류 변환부(110) 및 스콧 트랜스포머(120)와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 동작을 나타내는 개념적인 회로도와 전압-전류 파형 그래프이다.
도 1과 함께, 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 트랜스포머(T1,T2)에 각각 연결된 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(211,212)의 등가 회로를 볼 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 2차측에서 생성된 전압들 (교류-직류 변환기(230)에 의해 제공되는)에 대하여 전압 파형 VMMC1 (제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 A 분기와 B 분기 사이의 전압) 및 VMMC2 (제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 A 분기와 B 분기 사이의 전압)의 위상 시프트를 조정함으로써 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)의 전류를 제어할 수 있다.
제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 전압 VMMC1 및 그와 관련된 제1 트랜스포머(T1)의 제1 일차 권선(P1)의 전압 VT1과, 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 전압 VMMC2 및 그와 관련된 제2 트랜스포머의 제2 일차 권선(P2)의 전압 VT2 사이의 위상차
Figure 112019044084903-pat00003
를 계산한다. 여기서, 제1 멀티 레벨 컨버터(111)의 전압 VMMC1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(112)의 VMMC2 모두가 그 AC 단자, 즉 VAB, VBC 및 VCA에서 교류-직류 변환부(130)에 의해 생성된 파형에 동기되도록 제어한다.
교류-직류 변환부(130)의 레그(leg)에 대한 신호는 기본주기의 1/3만큼 서로 위상 시프트될 수 있다. 이러한 방식으로, 교류-직류 변환부(130)의 각 레그의 위상에 의해, AC 단자 (A, B 및 C)의 전압 파형은 DC 단자 N3에 대해 두 개의 별도의 전압 레벨 (0, Vo)에 있어서, 위상이 서로 어긋나게 생성될 수 있다. 이 기준 라인의 교류-직류 변환부(130)의 AC 단자 (VAB, VBC, VCA)에 전압을 3 레벨 (양 레그 전압의 직접적인 감산의 결과로서) 형태 및 전압 레벨 (Vo, 0, -Vo)을 가질 수 있다 (도 4b 참조).
이는, 교류-직류 변환부(130)의 AC 단자 전압 선간 전압 (VAB, VBC, VCA)에 대응한다. VT1 (제1 트랜스포머(T1)의 제1 일차 권선의 전압)과 VT2 (제2 트래스포머(T2)의 제2 일차 권선의 전압)은 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다.
(수식)
Figure 112019044084903-pat00004
여기서, m1는 변압기 T1의 1차 및 2차간 권선비이고 m2는 변압기 T2의 1차 및 2차간 권선비이다.
도 4c 및 도 4d를 참조하면, 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터(111, 112)에 의해 생성된 전압 파형과 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)의 각 일차 권선(P1,P2)을 통해 흐르는 전류(iT1,iT2)를 각각 볼 수 있다.
트랜스포머의 권선비 관계, 수식 및 도 4b에 기초하여,
Figure 112019044084903-pat00005
및
Figure 112019044084903-pat00006
를 계산할 수 있다. 출력 전압을 Vo라고 하면,
Figure 112019044084903-pat00007
이고,
Figure 112019044084903-pat00008
이다. 에너지가 제1 및 제2 트랜스포머(T1,T2)를 통해 전달되는 힘이 동일하다면, 위상
Figure 112019044084903-pat00009
1과
Figure 112019044084903-pat00010
2는 서로 동등할 것이다.
이에 따라, 본 발명의 전력 변환 장치는 다음과 같은 기술적 효과를 가질 수 있다.
1. 반도체 장치 수 감소 : 2 개의 삼상 멀티 레벨 컨버터를 사용하는 대신 본 발명의 직류-교류 변환부는 2개의 단상 멀티 레벨 컨버터를 사용한다. 결과적으로 총 반도체 장치 수는 2/3로 줄어들어 컨버터의 사이즈를 줄일 수 있다. 디바이스의 전류 용량은 증가하지만 이는 교류-직류 변환부의 회로의 복잡성이 현저히 감소하여 상당 부분 상쇄될 수 있다.
2. 갈바닉 절연을 위한 소형 변압기 사용 가능 : 스콧 트랜스포머를 사용하면 시스템의 유효 권선 수가 1/4로 줄어들어 보다 컴팩트 한 시스템을 만들 수 있으며, 이로 인하여 철도 등 특정 애플리케이션에 적용 가능하다. 또한 변압기 설계가 단순해진다.
3. 시스템 사이즈 감소 : 기본 주파수를 높게 전력 변환 장치를 작동시키면 중간 주파수로 동작하는 스콧 트랜스포머의 크기(부피와 무게)가 줄어든다.
4. 정류기 동작 가능 : 본 발명의 스콧 트랜스포머는 서로 다른 코어에 결선된 2개의 변압기를 사용하므로 다이오드 정류기 적용이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전압 파형 그래프이다.
도 5를 참조하면, 전압 VT1과 VT2 사이의 위상차가 완벽하지 않고 약간의 위상차가 있더라도 교류-직류 변환부(230)의 각 레그에서 생성된 전압 불평형은 출력 전압에 영향을 미치지 않는다. 단방향 전력 변환 장치의 토폴로지는 실제 구현 시 트랜스포머 턴 비 또는 위상 시프트 불균형 등은 동작에 영향을 주지 않는다. 출력 전압 Vo는 6 펄스 다이오드 정류기의 전형적인 파형을 갖는다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 양극 그리드 또는 복수의 단극 그리드가 입력될 경우의 동작과 한 극이 고장시의 부분 동작을 나타내는 개념도이다.
도 6a를 참조하면, 양극 그리드(bipolar grid)가 제공되면, 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터는 도시된 바와 같이 직렬로 연결된다. 도 6b를 참조하면, 둘의 멀티 레벨 컨버터 중 하나가 고장난 경우 또는 외부 그리드의 한 극이 고장으로 전원 공급이 안되는 경우의 리던던시 원리를 나타낸다. 문제가 발생된 극은 회로에서 격리되고 다른 하나는 정격 전력의 절반으로 계속 작동한다.
반면에, 도 6c와 같이 두 단극 그리드(unipolar grid)가 사용 가능하다면 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터는 서로 독립적으로 동작한다 (스콧 트랜스포머와 동기화 됨).
도 6d를 참조하면 두 단극 그리드 중 하나가 고장난 경우의 리던던시 원리를 나타낸다. 고장난 극은 회로에서 격리되고 다른 하나는 정격 전력의 절반으로 계속 작동한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 양극 그리드의 한극 고장시의 부분 동작을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 발명의 구성의 또 다른 중요한 측면은 도 1 또는 도 3에 도시된 양방향 또는 단방향 전력 변환 장치의 경우에 MVDC 측에서 시스템 레벨의 리던던시를 구현할 수 있다는 것이다.
중성선이 있는 바이폴라 네트워크를 사용할 수 있으며, 이 경우, 제1 멀티 레벨 컨버터의 DC 단자 P1은 DC+ 극에 접속되고, 제2 멀티 레벨 컨버터의 DC 단자 N2는 DC- 극에 접속되고, 제1 멀티 레벨 컨버터의 DC 단자 N1과 제2 멀티 레벨 컨버터의 DC 단자 P2는 DC0에 접속된다.
MVDC 측에서 하나 또는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터 중 하나가 고장나는 경우나 외부 그리드의 한 극이 고장으로 전원이 공급되지 않는 경우, 다른 한극을 통하여 절반의 시스템이 비 정상 모드에서도 계속 동작할 수 있다.
고장난 멀티 레벨 컨버터는 회로의 나머지 부분과 절연되므로 관련된 트랜스포머 (도 7a 및 도 7c의 경우 제2 트랜스포머(T2))는 작은 권선 누설 인덕턴스를 제공하는 바이 패스 연결 회로로 동작한다. 교류-직류 변환부에서 세개의 레그 중 하나는 기능을 할 수 없지만 나머지 두개의 레그는 단상 DAB와 비슷한 방식으로 계속 작동한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 멀티 레벨 컨버터에서 장애가 발생할 경우에도 정상적인 전원 변환 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
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.
100, 200: 전력 변환 장치
110, 210: 직류-교류 변환부
111, 211: 제1 멀티 레벨 컨버터
112, 212: 제2 멀티 레벨 컨버터
120, 220: 스콧 트랜스포머
130, 230: 교류-직류 변환부

Claims (14)

  1. 입력 직류 전력을 교류 전력으로 각각 변환하는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터를 갖는 직류-교류 변환부;
    수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하여 상기 직류-교류 변환부로부터의 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터 각각으로부터의 교류 전력의 전압 레벨을 삼상 교류 전력으로 변압하여 출력하는 스콧 트랜스포머(scott transformer); 및
    상기 스콧 트랜스포머로부터의 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환부를 포함하고,
    상기 직류-교류 변환부는 입력된 직류 중간전압(Medium Voltage) 및 양극 그리드(Bipole)의 직류 전력을 교류 중간전압(Medium Voltage) 및 중간 주파수(Medium Frequency)를 갖는 두 개의 단상 교류 전력으로 변환하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스콧 트랜스포머는 상기 직류-교류 변환부로부터의 교류 전력을 사전에 설정된 권선비에 따라 수kV 이하의 저전압(Low Voltage)의 삼상 교류 전력으로 변환하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는 상기 스콧 트랜스포머로부터의 교류 전력을 1500V 이하의 저전압(Low Voltage)의 직류 전력으로 변환하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는 서로 직렬 연결된 둘의 반도체 스위치를 각각 가지며 서로 병렬 연결된 셋의 레그(leg)를 포함하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부의 상기 셋의 레그는 식스-스텝(six-step) 운전에 의해 동작되고,
    상기 전력 변환 장치는 양방향 전력 변환 장치인 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는 서로 직렬 연결된 둘의 다이오드를 각각 가지며 서로 병렬 연결된 셋의 레그(leg)를 포함하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는 단방향 전력 변환 장치인 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  9. 입력 직류 전력을 교류 전력으로 각각 변환하는 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터를 갖는 직류-교류 변환부;
    수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하여 상기 직류-교류 변환부로부터의 적어도 둘의 멀티 레벨 컨버터 각각으로부터의 교류 전력의 전압 레벨을 삼상 교류 전력으로 변압하여 출력하는 스콧 트랜스포머(scott transformer); 및
    상기 스콧 트랜스포머로부터의 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환부를 포함하고,
    상기 직류-교류 변환부 및 상기 교류-직류 변환부 중 적어도 하나는 수백 Hz 내지 수십 kHz의 중간 주파수(Medium Frequency)로 동작하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈은 하프 브리지, 풀 브리지 또는 하프 브리지와 풀 브리지의 조합으로 구성되는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는 서로 직렬 연결된 둘의 반도체 스위치를 각각 가지며 서로 병렬 연결된 셋의 레그(leg)를 포함하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부의 상기 셋의 레그는 식스-스텝(six-step) 운전에 의해 동작되고,
    상기 전력 변환 장치는 양방향 전력 변환 장치인 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는 서로 직렬 연결된 둘의 다이오드를 각각 가지며 서로 병렬 연결된 셋의 레그(leg)를 포함하는 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는 단방향 전력 변환 장치인 스콧 트랜스포머를 갖는 전력 변환 장치.
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