KR102470345B1 - 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법 - Google Patents

모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 HVDC 시스템에서의 서브 모듈 내의 커패시터가 과충전이 되지 않도록 서브 모듈 내의 커패시터의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하고, HVDC 시스템에서의 서브 모듈의 충전을 서서히 이루어지게 하여 급격한 순간 전류가 흐르는 것을 방지하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈 및 서브 모듈의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부로 이루어진다.

Description

모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법{Pre-charger for modular multi-level converter and Method thereof}
본 발명은 모듈형 멀티 레벨 컨버터(Modular Multi-level Converter; MMC)의 초기 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 모듈형 멀티 레벨 컨버터로 구성된 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 서브 모듈(Sub Module) 내에 위치한 커패시터(Capacitor)를 충전하는 기능에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 모듈형 멀티 레벨 컨버터로 구성된 HVDC 시스템에서의 서브 모듈의 초기 충전을 제어하여 안정적으로 HVDC 시스템을 운용할 수 있는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 전력 계통을 연계하기 위해 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식보다 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 계통을 연계하는 방식에 대한 관심이 증대되고 있다.
HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템은 발전소에서 생성된 교류전력(AC: Alternating Current)을 직류(DC: Direct Current)로 변환하여 필요한 곳까지 송전한 뒤, 다시 교류로 바꾸어 수요자에게 공급하는 시스템이다. 최근에는 HVDC 시스템을 작은 용량의 다수 개의 서브 모듈(sub-module)들이 직렬로 연결된 다수 개의 모듈형 컨버터로 구성하여 발전하여 왔다.
이때, HVDC 시스템에서 직류 링크부에 사용되는 커패시터는 DC 에너지의 전압 연계 및 전압 평활화, 그리고 충방전 에너지의 완충용으로 주로 사용된다. 그러나, 이와 같은 커패시터의 사용 증대는 열화 및 온도 상승 등으로 인한 전해질 분출 등의 사고 발생 시 HVDC 시스템에서의 단락 사고로 이어지는 매우 위험한 상황이 될 수 있으므로, 이에 대한 고장진단 시스템의 연구가 지속되어 왔다.
그 일례로, 대한민국 특허공개공보 제10-2017-0038510호에서는 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 모듈형 멀티 레벨 컨버터에 있어서, 큰 전압이 할당되는 HB-SM(Half-bridge Sub module)부터 가장 낮은 전압이 할당되는 FB-SM(Full-bridge Sub module)까지 서로 다른 기준 전압값으로 순차적 제어하는 비대칭 모듈러 멀티레벨 컨버터의 초기충전 제어 장치 및 방법을 제안하였다.
그러나, 이 경우에도 서브 모듈 암 별로 충전 순서를 정하여 충전함으로써, 서브 모듈 별 커패시터의 충전 전압이 상이하여 커패시터의 수명을 단축시키는 단점이 있다.
대한민국 특허공개공보 제10-2017-0038510호 (2017.03.27)
본 발명의 목적은, HVDC 시스템에서의 서브 모듈 내의 커패시터가 과충전이 되지 않도록 서브 모듈 내의 커패시터의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 HVDC 시스템에서의 서브 모듈의 충전을 서서히 이루어지게 하여 급격한 순간 전류가 흐르는 것을 방지하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는, 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈 및 서브 모듈의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 서브 모듈 제어부는 서브 모듈을 온 상태, 오프 상태, 및 블록 상태로 제어하여 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운전 모드를 순차적으로 수행하여 초기화할 수 있다.
또한, 서브 모듈 제어부는 수동 충전 모드에서는 서브 모듈을 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 모든 서브 모듈에 대해 충전만 수행하고, 능동 충전 모드에서는 서브 모듈을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 일부 서브 모듈만 충전을 수행하고, 정상 운전 모드에서는 서브 모듈을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 서브 모듈의 충전 및 방전을 독립적으로 수행할 수 있다.
여기서, 서브 모듈은 교류 전력을 저장하는 커패시터, 커패시터에 충전 경로를 제공하는 제 1 다이오드, 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 커패시터의 방전 경로를 제공하는 IGBT1, 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 제 2 다이오드, 및 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 IGBT2를 포함할 수 있다.
또한, 온 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1은 'on' 및 IGBT2는 'off'로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈의 입력 전력이 제 1 다이오드를 통해 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 커패시터에 저장된 전력이 서브 모듈의 입력으로 방전될 수 있다.
여기서, 오프 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1은 'off' 및 IGBT2는 'on'으로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스시킬 수 있다.
또한, 블록 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1 및 IGBT2를 모두 'off'로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈의 입력 전력이 제 1 다이오드를 통해 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시킬 수 있다.
여기서, 능동 충전 모드에서는 암에 구성된 적어도 두 개 이상의 서브 모듈에 충전된 전압을 비교하여 충전된 전압이 높은 순으로 바이패스를 수행할 수 있다.
또한, 바이패스는 서브 모듈 제어부 내에서 자체 생성한 캐리어 신호와 기준 신호를 비교하여 충전을 수행하는 서브 모듈의 개수인 서브 모듈 충전 개수를 생성하여 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법은, 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈; 및 상기 서브 모듈의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부;를 포함하고, 상기 서브 모듈은, 상기 교류 전력을 저장하는 커패시터; 상기 커패시터에 충전 경로를 제공하는 제 1 다이오드; 상기 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 상기 커패시터의 방전 경로를 제공하는 IGBT1; 상기 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 제 2 다이오드; 및 상기 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 상기 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 IGBT2;를 포함하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법으로서, 서브 모듈 제어부에서 서브 모듈을 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 모든 서브 모듈에 대해 충전만 수행하는 수동 충전 단계, 서브 모듈 제어부에서 서브 모듈을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 일부 서브 모듈만 충전을 수행하는 능동 충전 단계, 및 서브 모듈 제어부에서 서브 모듈을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 서브 모듈의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 정상 운전 단계를 포함할 수 있다.
이때, 온 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1은 'on' 및 IGBT2는 'off'로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈의 입력 전력이 제 1 다이오드를 통해 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 커패시터에 저장된 전력이 서브 모듈의 입력으로 방전될 수 있다.
또한, 오프 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1은 'off' 및 IGBT2는 'on'으로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시킬 수 있다.
한편, 블록 상태에서는 서브 모듈 제어부가 IGBT1 및 IGBT2를 모두 'off'로 제어하여, 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈의 입력 전력이 제 1 다이오드를 통해 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는, 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈을 포함하는 제 1 상단 서브 모듈 암, 제 1 하단 서브 모듈 암, 제 2 상단 서브 모듈 암, 및 제 2 하단 서브 모듈 암, 제 1 상단 서브 모듈 암 및 제 1 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부를 포함하고,
상기 서브 모듈 제어부는 서브 모듈을 블록 상태로 제어하여 모든 서브 모듈에 대해 충전만 수행하는 수동 충전 모드, 제 1 상단 서브 모듈 암 및 제 1 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암 및 제 1 하단 서브 모듈 암 내 일부 서브 모듈만 충전을 수행하는 제 1 능동 충전 모드, 제 1 상단 서브 모듈 암 및 제 1 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암 및 제 1 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 제 1 정상 운영 모드, 제 2 상단 서브 모듈 암 및 제 2 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암 및 제 2 하단 서브 모듈 암 내 일부 서브 모듈만 충전을 수행하는 제 2 능동 충전 모드, 및 제 2 상단 서브 모듈 암 및 제 2 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암 및 제 2 하단 서브 모듈 암 내 서브 모듈의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 제 2 정상 운영 모드로 동작 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 의한 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법은 HVDC 시스템에서의 서브 모듈 내의 커패시터가 과충전이 되지 않도록 서브 모듈 내의 커패시터의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법은 HVDC 시스템에서의 서브 모듈의 충전을 서서히 이루어지게 하여 급격한 순간 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 서브 모듈을 상세히 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 1의 서브 모듈이 온 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 3(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 3(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 서브 모듈이 오프 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 4(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 4(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 서브 모듈이 블록 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 5(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 5(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 서브 모듈이 충전되는 개수를 상세히 나타낸 그래프이며, 도 6(a)는 캐리어 신호와 기준 신호를 동시에 나타낸 도면이고, 도 6(b)는 서브 모듈 충전 개수를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1의 서브 모듈에서 출력되는 전압을 상세히 나타낸 그래프로서, 도 7(a)는 능동 충전 모드에서 캐리어 신호와 기준 신호 비교를 수행하지 않고, 서브 모듈 충전 개수를 고정시킨 경우이고, 도 7(b)는 능동 충전 모드에서 캐리어 신호와 기준 신호 비교를 통해 서브 모듈 충전 개수를 변화시켜 서브 모듈의 전압을 서서히 증가시키는 능동 충전 모드가 수행된 경우를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치를 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치를 나타낸 블록도이며, 도 2 내지 도 7은 도 1을 상세히 설명하기 위한 세부 블록도 및 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치를 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈(100) 및 서브 모듈(100)의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부(300)로 이루어진다.
여기서, 서브 모듈 제어부(300)는 서브 모듈(100)을 온 상태, 오프 상태, 및 블록 상태로 제어하여 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운전 모드를 순차적으로 수행하여 초기화 한다.
또한, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 수동 충전 모드에서는 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 모든 서브 모듈(100)에 대해 충전만 수행하고, 능동 충전 모드에서는 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행하고, 정상 운전 모드에서는 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하게 된다.
즉, 충전 초기에는 서브 모듈 제어부(300)가 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 수동 충전 모드로 운용함으로써, 모든 서브 모듈(100)이 충전을 수행한다. 이때, 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값의 절반 밖에 충전이 이루어 지지 않으므로 서브 모듈(100)의 일부를 바이패스하여 충전을 수행할 필요가 있다.
이때, 서브 모듈 제어부(300)는 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다. 즉, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 서브 모듈(100)을 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운용 모드를 순차적으로 제어함으로써, 서브 모듈(100)의 전압을 안정적으로 초기화 시킬 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 서브 모듈(100)을 상세히 나타낸 블록도이다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 서브 모듈(100)은 교류 전력을 저장하는 커패시터(150), 커패시터(150)에 충전 경로를 제공하는 제 1 다이오드(120), 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 커패시터(150)의 방전 경로를 제공하는 IGBT1(110), 서브 모듈(100)의 바이패스 경로를 제공하는 제 2 다이오드(140), 및 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 서브 모듈(100)의 바이패스 경로를 제공하는 IGBT2(130)를 구비한다.
한편, 본 발명에서는 서브 모듈(100)의 입력 P 전압이 입력 N 보다 낮은 경우에, 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 IGBT1(110)이 커패시터(150)의 방전 경로를 제공하면 방전이 수행되나, 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 방전 경로가 제공되지 못하면 제 2 다이오드(140)에 의해 바이패스가 허용된다.
또한, 서브 모듈(100)의 입력 P 전압이 입력 N 보다 높은 경우에, 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 IGBT2(130)가 바이패스 경로를 제공하면 바이패스가 수행되나, 서브 모듈 제어부(300)의 제어에 의해 바이패스 경로가 제공되지 못하면 제 1 다이오드(120) 경로에 의해 커패시터(150)에 충전이 수행된다.
본 발명에서의 이러한 동작은 IGBT1(110)은 'on'이나 IGBT2(130)는 'off'으로 제어되어 충전과 방전이 독립적으로 수행되는 온 상태, IGBT1(110)은 'off'이나 IGBT2(130)는 'on'으로 제어되어 바이패스만 수행되는 오프 상태, 및 IGBT1(110) 및 IGBT2(130)가 모두 'off'로 제어되어 충전만 수행되는 블록 상태로 구분할 수 있으며, 도 3 내지 도 5를 토대로 그 동작 상태를 상세히 설명한다.
도 3은 도 1의 서브 모듈(100)이 온 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 3(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 3(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 온 상태는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110)은 'on' 및 IGBT2(130)는 'off'로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈(100)의 입력 전력이 제 1 다이오드(120)를 통해 커패시터(150)로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 커패시터(150)에 저장된 전력이 서브 모듈(100)의 입력으로 방전될 수 있다.
이를 통해, 온 상태는 정상 모드에서 서브 모듈(100)의 전압을 목표 값까지 도달하게 할 수 있다.
도 4는 도 1의 서브 모듈(100)이 오프 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 4(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 4(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 오프 상태는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110)은 'off' 및 IGBT2(130)는 'on'으로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시키게 된다.
이를 통해, 오프 상태는 온 상태와 함께 정상 모드에서 서브 모듈(100)의 전압을 목표 값까지 도달하게 할 수 있도록 하며, 능동 충전 모드에서는 블록 상태와 함께 서브 모듈(100)의 전압을 목표 값의 일부까지 도달하게 할 수 있다.
도 5는 도 1의 서브 모듈(100)이 블록 상태일 경우의 동작 상태를 상세히 나타낸 회로도이며, 도 5(a)는 P전압이 N전압보다 클 경우, 도 5(b)는 P전압이 N전압보다 작을 경우를 나타낸 도면이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 블록 상태는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110) 및 IGBT2(130)를 모두 'off'로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈(100)의 입력 전력이 제 1 다이오드(120)를 통해 커패시터(150)로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시키게 된다.
이를 통해, 블록 상태는 수동 충전 모드에서 서브 모듈(100)의 전압을 목표 값의 절반까지 도달하게 할 수 있다.
도 6은 도 1의 서브 모듈(100)이 충전되는 개수를 상세히 나타낸 그래프이며, 도 6(a)는 단계(V100)와 기준 신호(V200)를 동시에 나타낸 도면이고, 도 6(b)는 단계(V300)를 나타낸 도면이다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 능동 충전 모드는 암에 구성된 적어도 두 개 이상의 서브 모듈(100)에 충전된 전압을 비교하여 충전된 전압이 높은 순으로 바이패스를 수행한다.
이러한 바이패스는 서브 모듈 제어부(300) 내에서 자체 생성한 캐리어 신호(V100)와 기준 신호(V200)를 비교하여 충전을 수행하는 서브 모듈(100)의 개수인 서브 모듈 충전 개수(V300)를 생성하여 수행될 수 있다. 여기서, 캐리어 신호(V100)는 삼각파를 이용할 수 있으며, 이는 사인함수를 이용하는 방법과 대비해 하드웨어로 구현하기 용이한 장점이 있다.
또한, 기준 신호(V200)는 톱니파를 이용할 수 있으며, 하나의 톱니파 당 하나의 서브 모듈(100)의 바이패스 제어를 독립적으로 수행할 수 있다.
이를 통해, 전체적인 서브 모듈(100)을 제어하지 않고 하나의 서브 모듈(100)만 제어함으로써, 서브 모듈(100)의 전압을 서서히 증가시킬 수 있게 된다.
구현예에 따라서는, 충전된 전압이 높은 순으로 소팅하여 바이패스 순서를 결정하며, 커패시터(150)에 충전된 전압이 설정값 이상 차이가 있을 경우에만 소팅을 재수행하게 할 수도 있다.
이때, 소팅의 재수행을 설정값을 토대로 수행하도록 함으로써 소팅 주기를 길게 하여 IGBT2(130)의 스위칭 회수를 적게 하고 IGBT2(130)의 손실을 저감시킬 수 있다.
도 7은 도 1의 서브 모듈에서 출력되는 전압을 상세히 나타낸 그래프로서, 도 7(a)는 능동 충전 모드에서 캐리어 신호와 기준 신호 비교를 수행하지 않고, 서브 모듈 충전 개수를 고정시킨 경우이고, 도 7(b)는 능동 충전 모드에서 캐리어 신호와 기준 신호 비교를 통해 서브 모듈 충전 개수를 변화시켜 서브 모듈의 전압을 서서히 증가시키는 능동 충전 모드가 수행된 경우를 나타낸 도면이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 제안하는 방법을 적용하지 않는 경우에 직류 전류(C100)가 매우 높게 발생할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는 수동 충전 모드와 정상 운용 모드 사이에 위치한 능동 충전 모드에서 IGBT1(110)에 충전되는 전압이 서서히 증가되도록 제어함으로써, 직류 전류(C100)의 피크 전류를 낮출 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법은, 서브 모듈 제어부(300)에서 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 모든 서브 모듈(100)에 대해 충전만 수행하는 단계(S100), 서브 모듈 제어부(300)에서 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행하는 단계(S200), 및 서브 모듈 제어부(300)에서 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 단계(S300)로 이루어진다.
여기서, 온 상태에서는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110)은 'on' 및 IGBT2(130)는 'off'로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈(100)의 입력 전력이 제 1 다이오드(120)를 통해 커패시터(150)로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 커패시터(150)에 저장된 전력이 서브 모듈(100)의 입력으로 방전된다.
또한, 오프 상태에서는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110)은 'off' 및 IGBT2(130)는 'on'으로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시키게 된다.
한편, 블록 상태에서는 서브 모듈 제어부(300)가 IGBT1(110) 및 IGBT2(130)를 모두 'off'로 제어하여, 서브 모듈(100)의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 서브 모듈(100)의 입력 전력이 제 1 다이오드(120)를 통해 커패시터(150)로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스 시키게 된다.
즉, 본 발명에서는, 충전 초기에는 수동 충전 단계(S100)에서, 서브 모듈 제어부(300)가 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 수동 충전 단계(S100)로 운용함으로써, 모든 서브 모듈(100)이 충전을 수행한다. 이때, 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값의 절반 밖에 충전이 이루어 지지 않으므로 서브 모듈(100)의 일부를 바이패스하여 충전을 수행할 필요가 있다.
이때, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 능동 충전 단계(S200)에서, 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 정상 운전 단계(S300)에서, 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 상단 서브 모듈 암(210) 및 하단 서브 모듈 암(220)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다.
즉, 본 발명의 서브 모듈 제어부(300)는 서브 모듈(100)을 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운용 모드를 순차적으로 제어함으로써, 서브 모듈(100)의 전압을 안정적으로 초기화를 시킬 수 있는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치를 나타낸 블록도이다.
도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치는 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈(100)을 포함하는 제 1 상단 서브 모듈 암(411), 제 1 하단 서브 모듈 암(421), 제 2 상단 서브 모듈 암(412), 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422), 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부(500)를 포함한다.
이때, 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 모든 서브 모듈(100)에 대해 충전만 수행하는 수동 충전 모드, 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행하는 제 1 능동 충전 모드, 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 제 1 정상 운영 모드, 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행하는 제 2 능동 충전 모드, 및 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 제 2 정상 운영 모드로 동작할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 충전 초기에는 서브 모듈 제어부(500)가 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411), 제 1 하단 서브 모듈 암(421), 제 2 상단 서브 모듈 암(412), 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 수동 충전 모드로 운용함으로써, 모든 서브 모듈(100)이 충전을 수행한다. 이때, 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값의 절반 밖에 충전이 이루어 지지 않으므로 서브 모듈(100)의 일부를 바이패스하여 충전을 수행할 필요가 있다.
이때, 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)의 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다.
한편, 본 실시예의 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)의 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다.
즉, 본 실시예의 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운용 모드를 순차적으로 제어함으로써, 서브 모듈(100)의 전압을 안정적으로 초기화를 시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 방법은, 수동 충전 단계(S400), 제 1 능동 충전 단계(S500), 제 1 정상 운전 단계(S600), 제 2 능동 충전 단계(S700), 및 제 2 정상 운전 단계(S800)로 이루어진다.
이때, 수동 충전 단계(S400)에서는, 서브 모듈 제어부(500)에서, 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 모든 서브 모듈(100)에 대해 충전만 수행한다.
제 1 능동 충전 단계(S500)에서는, 서브 모듈 제어부(500)에서 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행한다.
제 1 정상 운전 단계(S600)에서는, 서브 모듈 제어부(500)에서 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421) 내 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행한다.
또한, 제 2 능동 충전 단계(S700)에서는, 서브 모듈 제어부(500)에서 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 일부 서브 모듈(100)만 충전을 수행한다.
그리고, 제 2 정상 운전 단계(S800)에서는, 서브 모듈 제어부(500)에서 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422) 내 서브 모듈(100)의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하게 된다.
즉, 본 실시예의 충전 초기에는 수동 충전 단계(S400)에서, 서브 모듈 제어부(500)가 서브 모듈(100)을 블록 상태로 제어하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411), 제 1 하단 서브 모듈 암(421), 제 2 상단 서브 모듈 암(412), 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 수동 충전 모드로 운용함으로써, 모든 서브 모듈(100)이 충전을 수행한다. 이때, 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값의 절반 밖에 충전이 이루어 지지 않으므로 서브 모듈(100)의 일부를 바이패스하여 충전을 수행할 필요가 있다.
이때, 서브 모듈 제어부(500)는 제 1 능동 충전 단계(S500)에서, 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)의 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 본 실시예의 서브 모듈 제어부(500)는 제 1 정상 운전 단계(S600)에서, 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 제 1 상단 서브 모듈 암(411) 및 제 1 하단 서브 모듈 암(421)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다.
한편, 서브 모듈 제어부(500)는 제 2 능동 충전 단계(S700)에서, 서브 모듈(100)을 오프 상태 및 블록 상태를 혼용하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 능동 충전 모드로 운용함으로써, 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)의 일부 서브 모듈(100)을 바이패스하여 충전을 수행한다. 이때도 서브 모듈(100)의 충전 전압은 목표 값에 도달하지 않으므로, 서브 모듈(100)의 전압을 방전하여 재충전하는 모드가 필요하다.
따라서, 본 실시예의 서브 모듈 제어부(500)는 제 2 정상 운전 단계(S800)에서, 서브 모듈(100)을 온 상태 및 오프 상태를 혼용하여 제 2 상단 서브 모듈 암(412) 및 제 2 하단 서브 모듈 암(422)을 정상 운용 모드로 운용함으로써, 서브 모듈(100)이 충전 및 방전을 되풀이하면서, 충전 전압이 목표 값에 도달할 수 있게 한다.
즉, 서브 모듈 제어부(500)는 서브 모듈(100)을 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운용 모드를 순차적으로 제어함으로써, 서브 모듈(100)의 전압을 안정적으로 초기화를 시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치 및 방법은 HVDC 시스템에서의 서브 모듈 내의 커패시터가 과충전이 되지 않도록 서브 모듈 내의 커패시터의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 장점이 있으며, HVDC 시스템에서의 서브 모듈의 충전을 서서히 이루어지게 하여 급격한 순간 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당업자들은 다양한 실시예의 많은 추가 조합 및 치환할 수 있음을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다.

Claims (14)

  1. 커패시터를 구비하여 교류 전력의 충전 및 방전을 수행하는 서브 모듈; 및
    상기 서브 모듈의 충전, 방전, 및 바이패스를 제어하는 서브 모듈 제어부;를 포함하고,
    상기 서브 모듈 제어부는,
    상기 서브 모듈을 온 상태, 오프 상태, 및 블록 상태로 제어하여 수동 충전 모드, 능동 충전 모드, 및 정상 운전 모드를 순차적으로 수행하여 초기화하고,
    상기 수동 충전 모드에서는 상기 서브 모듈을 블록 상태로 제어하여 암에 구성된 모든 상기 서브 모듈에 대해 충전만 수행하고,
    상기 능동 충전 모드에서는 상기 서브 모듈을 오프 상태 및 블록 상태로 제어하여 상기 암에 구성된 일부 상기 서브 모듈만 충전을 수행하고,
    상기 정상 운전 모드에서는 상기 서브 모듈을 온 상태 및 오프 상태로 제어하여 상기 서브 모듈의 충전 및 방전을 독립적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 모듈은,
    상기 교류 전력을 저장하는 커패시터;
    상기 커패시터에 충전 경로를 제공하는 제 1 다이오드;
    상기 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 상기 커패시터의 방전 경로를 제공하는 IGBT1;
    상기 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 제 2 다이오드; 및
    상기 서브 모듈 제어부의 제어에 의해 상기 서브 모듈의 바이패스 경로를 제공하는 IGBT2;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 온 상태에서는,
    상기 서브 모듈 제어부가 상기 IGBT1은 'on' 및 상기 IGBT2는 'off'로 제어하여,
    상기 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 상기 서브 모듈의 입력 전력이 상기 제 1 다이오드를 통해 상기 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 상기 커패시터에 저장된 전력이 상기 서브 모듈의 입력으로 방전되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 오프 상태에서는,
    상기 서브 모듈 제어부가 상기 IGBT1은 'off' 및 상기 IGBT2는 'on'으로 제어하여, 상기 서브 모듈의 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 블록 상태에서는,
    상기 서브 모듈 제어부가 상기 IGBT1 및 상기 IGBT2를 모두 'off'로 제어하여,
    상기 서브 모듈의 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 높은 구간에 대해서는 상기 서브 모듈의 입력 전력이 상기 제 1 다이오드를 통해 상기 커패시터로 저장되고, 'P' 입력 전압이 'N' 입력 전압 보다 낮은 구간에 대해서는 'P' 입력과 'N' 입력을 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 능동 충전 모드에서는, 암에 구성된 적어도 두 개 이상의 상기 서브 모듈에 충전된 전압을 비교하여 충전된 전압이 높은 순으로 바이패스를 수행하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 바이패스는, 상기 서브 모듈 제어부 내에서 자체 생성한 캐리어 신호와 기준 신호를 비교하여 충전을 수행하는 상기 서브 모듈의 개수인 서브 모듈 충전 개수를 생성하여 수행되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 초기 충전 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
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  13. 삭제
  14. 삭제
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