KR20110034898A - 18-step back-to-back voltage source converter system for hvdc application - Google Patents

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KR20110034898A
KR20110034898A KR1020090092384A KR20090092384A KR20110034898A KR 20110034898 A KR20110034898 A KR 20110034898A KR 1020090092384 A KR1020090092384 A KR 1020090092384A KR 20090092384 A KR20090092384 A KR 20090092384A KR 20110034898 A KR20110034898 A KR 20110034898A
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converter
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power
voltage
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KR1020090092384A
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한병문
이지헌
이혜연
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명지대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/53871Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current

Abstract

PURPOSE: A 18-step back-to-back voltage source converter system for HVDC is provided to independently control reactive and active power of an AC system by controlling the size and phase of an output voltage. CONSTITUTION: An open Y-Y transformer(160) boosts or drops AC power. An auxiliary circuit(150) includes a three-level half-bridge(151) and a single phase transformer(155). First and second converters(110,120) are connected in parallel to the open Y-Y transformer and are serially connected to the auxiliary circuit.

Description

직류송전을 위한 18-스텝 백-투-백 전압원 컨버터 시스템{18-step Back-to-Back Voltage Source Converter System for HVDC Application}18-step Back-to-Back Voltage Source Converter System for HVDC Application}

본 발명은 직류송전을 위한 전압원 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 송전단과 수전단에 각각 2대의 18-스텝 컨버터를 교류측은 직렬로 결합하고 직류측은 병렬로 결합하여 상이한 점호각으로 동작하여 연계된 교류계통의 유,무효 전력을 독립적으로 제어할 수 있는 back-to-back 컨버터에 대한 것이다.The present invention relates to a voltage source converter for direct current transmission, and more particularly, two 18-step converters are respectively connected to a transmission end and a power receiving end in series with an AC side in parallel, and the DC side is coupled in parallel to operate at different firing angles. It is a back-to-back converter that can control the active and reactive power of AC system independently.

최근 에너지고갈과 환경보호 문제로 선진 각국에서는 신재생에너지원에 의한 전력생산과 이용에 대해 많은 연구를 수행하고 있다. 신재생에너지원에서 생산되는 전력은 그 양이 증가하면서 통상 대용량 전압원 컨버터를 통해 직류송전방식으로 기존전력망과 연계된다.Recently, due to energy depletion and environmental protection, many countries are conducting a lot of research on power generation and utilization by renewable energy sources. As the amount of power generated from renewable energy sources increases, it is usually connected to the existing power grid by DC transmission method through a large-capacity voltage source converter.

전압원 컨버터에는 PWM 컨버터와 다중스텝 컨버터가 있는데, PWM 컨버터는 시스템구성은 간단하나 각 스위칭 소자를 교류 한주기당 여러 번 스위칭 하므로 스위칭 손실이 큰 단점을 갖는다. 반면 다중스텝 컨버터는 교류 한주기당 한 번 스위 칭을 하기 때문에 스위칭 손실은 적으나 출력전압의 크기를 조절할 수 없고 고조파 레벨을 낮추기 위하여 다수의 모듈을 두고 각각의 출력을 중첩하여 교류 한주기당 스텝수를 증가하여야 한다.Voltage source converters include PWM converters and multi-step converters. PWM converters have a simple system configuration, but switching losses are large because each switching element is switched several times per cycle. On the other hand, since the multi-step converter switches once per AC cycle, the switching loss is small but the output voltage cannot be adjusted, and the output of each module is overlapped with multiple modules to reduce the harmonic level. Should increase.

시스템의 외형을 줄이면서 스텝수를 증가하기 위해 주변압기와 컨버터브리지 사이에 보조변압기를 설치하는 방법이 사용되어 왔으나 이 방법은 보조변압기의 결선구조가 복잡하여 제작이 어렵고, 비용절감도 크지 않은 단점을 갖는다.In order to increase the number of steps while reducing the appearance of the system, a method of installing an auxiliary transformer between the peripheral transformer and the converter bridge has been used, but this method is difficult to manufacture due to the complicated wiring structure of the auxiliary transformer and it is not cost-effective. Has

이러한 단점을 해결하는 방법으로 컨버터의 직류단에 탭-변압기와 별도의 H-브리지를 삽입하여 직류커패시터에 걸리는 일정전압에 주입전압을 중첩하여 출력전압을 형성하는 방법이 제안되었다. 그런데 전압중첩을 위해 사용하는 탭-변압기는 제작 상 권수비의 균형을 정확히 일치시키기 어려워 주입전압의 비대칭에 따른 고조파 발생을 야기하고 계통연계를 위한 컨버터의 Back-to-Back 결합이 용이하지 않다.As a solution to this drawback, a method of forming an output voltage by superimposing an injection voltage on a constant voltage applied to a DC capacitor by inserting a separate tap-transformer and a separate H-bridge into a DC terminal of the converter is proposed. However, the tap-transformer used for voltage overlapping is difficult to exactly match the balance of the winding ratio in manufacturing, causing harmonics due to the asymmetry of the injection voltage, and the back-to-back coupling of the converter for grid linkage is not easy.

상기와 같은 단점을 개선하고자 본 발명자는 H-브리지 대신 3-레벨 반-브리지를 사용하고, 탭-변압기 대신에 보통변압기를 사용하는 36-스텝 컨버터를 제안하였으며, 또한 이같은 컨버터 4대로 구성된 Back-to-Back 컨버터를 제안한 바 있다. 도 1은 종래기술(등록번호 10-0795752)에 따른 36-스텝 Back-to-Back 컨버터를 나타낸다.In order to improve the above disadvantages, the present inventor has proposed a 36-step converter using a three-level half-bridge instead of an H-bridge and a normal transformer instead of a tap-transformer. We have proposed a to-back converter. 1 shows a 36-step back-to-back converter according to the prior art (registration no. 10-0795752).

3-레벨 반-브리지(15)와 단상변압기(13)로 구성된 보조회로와 6-스텝 브리지 2대(11, 12)를 사용한 36-스텝 컨버터의 구성을 보여준다. 각 6-스텝 브리지(11, 12)에는 직류커패시터(14, 14')의 전압과 3-레벨 반-브리지(15)와 변압기(13)로 형 성되는 전압이 합쳐져 공급된다. 따라서 각 6-스텝 브리지(11, 12)에서 형성된 출력전압은 3상 변압기(16, 17)에 의해 합쳐져 36-스텝의 출력파형을 형성한다. 이 컨버터의 경우 각 6-스텝 브리지(11, 12)는 60Hz로 동작하는 반면, 보조회로에 있는 3-레벨 반-브리지(15)는 360Hz로 동작한다.The configuration of a 36-step converter using an auxiliary circuit composed of a three-level half-bridge 15 and a single phase transformer 13 and two six-step bridges 11 and 12 is shown. The six-step bridges 11 and 12 are supplied with the voltages of the DC capacitors 14 and 14 'combined with the voltages formed by the three-level half-bridges 15 and the transformers 13. Thus, the output voltages formed at each of the six-step bridges 11 and 12 are combined by the three-phase transformers 16 and 17 to form a 36-step output waveform. For this converter, each six-step bridge 11, 12 operates at 60 Hz, while the three-level half-bridge 15 in the auxiliary circuit operates at 360 Hz.

그러나 제안된 36-스텝 Back-to-Back 컨버터는 송전단과 수전단에 각각 4대의 주변압기와 2대의 주입변압기를 필요로 하여 외형이 커지는 단점을 갖는다.However, the proposed 36-step back-to-back converter requires four peripheral transformers and two injection transformers at the power transmission and reception terminals, respectively, which has the disadvantage of increasing the appearance.

이 컨버터를 Back-to-Back 직류송전에 적용하기 위해서는 도 2와 같이 송전단과 수전단에 각각 4대를 주변압기를 통해 직렬로 결합해야 하고, 또한 양단에 각각 2대의 주입변압기가 있어야 한다. 따라서 시스템의 대형화가 불가피하고 또한 비용문제를 야기한다.In order to apply this converter to the back-to-back DC power transmission, as shown in FIG. 2, four units should be coupled in series through a peripheral voltage transformer and two injection transformers at both ends. Therefore, the size of the system is unavoidable and also causes a cost problem.

본 발명은 중간탭 변압기 대신에 보통 변압기를 사용하고 풀 브리지 대신에 3-레벨 반브리지를 사용하는 보조회로를 가지는 back-to-back 컨버터 시스템을 적용하여 시스템에 연계된 교류계통의 유,무효 전력을 독립적으로 제어할 수 있는 컨버터 시스템을 제공하고자 한다.The present invention applies a back-to-back converter system having an auxiliary circuit that uses a normal transformer instead of a mid-tap transformer and a three-level half bridge instead of a full bridge, and applies active and reactive power of an AC system connected to the system. To provide a converter system that can control the independently.

나아가서 종래의 Back-to-Back 직류송전에 적용하기 위해서는 송전단과 수전단에 각각 4대를 주변압기를 통해 직렬로 결합해야 하고, 또한 양단에 각각 2대의 주입변압기가 필요하여, 시스템의 대형화가 불가피하고 또한 비용문제를 야기하는 문제점을 해결하고자 송전단과 수전단에 각각 2대의 18-스텝 컨버터를 사용하는 Back-to-Back 컨버터를 제공하고자 한다.Furthermore, in order to apply the conventional back-to-back DC power transmission, four units must be combined in series with the peripheral pressure transformer at the power transmission end and the power receiving end, and two injection transformers are required at both ends. In order to solve the problem that causes the cost problem, the present invention provides a back-to-back converter using two 18-step converters for each of the power transmission and reception terminals.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 소정 크기의 교류전력을 승압 또는 강압시키는 개방 Y-Y 변압기; 3-레벨 반-브리지와 단상 변압기를 포함하는 보조회로; 직류 전압 분할용 커패시터; 및 상기 개방 Y-Y 변압기와는 병렬로 연결되고, 상기 보조회로와는 직렬로 연결된 제1 및 제2 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템이다.The present invention to achieve the above technical problem, an open Y-Y transformer for boosting or stepping down AC power of a predetermined size; Auxiliary circuitry comprising a three-level half-bridge and a single phase transformer; Capacitors for DC voltage division; And first and second converters connected in parallel with the open Y-Y transformer and connected in series with the auxiliary circuit.

바람직하게는 상기 제1 및 제2 컨버터는, 6대의 스위칭 소자가 두 개씩 한 쌍을 이루어 구성되며, 상기 제1 컨버터의 각 쌍의 중단점과 상기 제2 컨버터의 각 쌍의 중단점은 서로 대응되어 각각 직렬로 연결된 2개의 클램핑 다이오드로 연결될 수 있다.Preferably, the first and second converters are configured by a pair of six switching elements, and each breakpoint of each pair of the first converter and the breakpoint of each pair of the second converter correspond to each other. And two clamping diodes each connected in series.

여기서 상기 직류 전압 분할용 커패시터는, 상기 보조회로의 단상 변압기의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 상기 제1 컨버터의 출력단 사이에 연결된 제1 직류 커패시터; 및 상기 보조회로의 단상 변압기의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 상기 제2 컨버터의 접지단 사이에 연결된 제2 직류 커패시터를 포함할 수 있다.The DC voltage dividing capacitor may include a first DC capacitor connected between the other end of the primary side winding of the single phase transformer and the other end of the secondary side winding of the auxiliary circuit and the output end of the first converter; And a second DC capacitor connected between the other end of the primary side winding and the second end of the secondary side winding of the auxiliary circuit of the auxiliary circuit and the ground end of the second converter.

보다 바람직하게는 상기 보조회로는, 상기 제1 및 제2 직류 커패시터와 병렬로 연결된 제1 내지 제4 스위칭 소자; 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속점에 일 단이 연결된 제1 클램핑 다이오드; 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 접속점에 타단이 연결된 제2 클램핑 다이오드로 구성된 3-레벨 반-브리지를 포함할 수 있다.More preferably, the auxiliary circuit includes: first to fourth switching elements connected in parallel with the first and second DC capacitors; A first clamping diode having one end connected to a connection point of the first and second switching elements; And a three-level half-bridge consisting of a second clamping diode connected to the connection point of the third and fourth switching elements.

그리고 상기 보조회로는, 상기 단상 변압기의 1차측 권선의 일단이 상기 제1 및 제2 컨버터에서 선택된 2개의 클래핑 다이오드의 중단점에 연결되고, 상기 단상 변압기의 2차측 권선의 일단이 상기 제2 및 제3 스위칭 소자의 접속점에 연결될 수 있다.And the auxiliary circuit, one end of the primary winding of the single phase transformer is connected to the breakpoints of two clapping diodes selected from the first and second converters, and one end of the secondary winding of the single phase transformer is connected to the second winding. And a connection point of the third switching element.

이와 같은 본 발명에 따르면, 출력전압의 스텝수가 적어 연계용 변압기의 구조가 간단해지고 그 수가 적어져 이로 인하여 시스템의 설치면적이 적고 설치비용을 절감시킬 수 있게 된다.According to the present invention, the number of steps of the output voltage is small, the structure of the transformer for the connection is simplified and the number is reduced, thereby reducing the installation area of the system and it is possible to reduce the installation cost.

송전단과 수전단에 각각 2대의 18-스텝 컨버터를 교류측은 직렬로 직류측은 병렬로 결합하여 상이한 점호각으로 동작시켜 출력전압의 크기와 위상을 조절하여 연계된 교류계통의 유,무효 전력의 독립적인 제어가 가능해진다.Two 18-step converters are connected to the AC side and the DC side in parallel to operate at different firing angles to control the magnitude and phase of the output voltage, independent of the active and reactive power of the connected AC system. Control is possible.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명은 송전단과 수전단에 각각 2대의 18-스텝 컨버터를 교류 측은 직렬로 결합하고 직류 측은 병렬로 결합하여 상이한 점호각으로 동작하여 연계된 교류계통의 유·무효전력을 독립적으로 제어하는 구조의 Back-to-Back 컨버터이다. According to the present invention, two 18-step converters are respectively connected in series with the AC side and the DC side in parallel with each other, and the DC side is operated in different firing angles to independently control the active and reactive power of the connected AC system. It is a back-to-back converter.

도 3은 본 발명에 따른 Back-to-back 컨버터의 기본모듈인 18-step 컨버터의 기본구성을 나타낸다. 3 shows a basic configuration of an 18-step converter which is a basic module of a back-to-back converter according to the present invention.

본 발명에 따른 컨버터 시스템은 소정 크기의 교류전력을 승압 또는 강압시키는 개방 Y-Y 변압기(160), 3-레벨 반브리지(151)와 단상 변압기(155)를 포함하는 보조회로(150), 직류 전압 분할용 커패시터(140a, 140b) 및 개방 Y-Y 변압기(160)와는 병렬로 연결되고 보조회로(150)와는 직렬로 연결된 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)를 포함하여 구성된다.The converter system according to the present invention includes an open circuit YY transformer 160 for boosting or stepping down AC power of a predetermined magnitude, an auxiliary circuit 150 including a three-level half-bridge 151 and a single-phase transformer 155, and DC voltage division. And a first converter 110 and a second converter 120 connected in parallel with the capacitors 140a and 140b and the open YY transformer 160 and in series with the auxiliary circuit 150.

여기서 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(120)는 6대의 스위칭 소자가 두 개씩 한쌍을 이루어 구성되며, 제1 컨버터(110)의 스위칭 소자 각 쌍의 중단점과 제2 컨버터(120)의 스위칭 소자 각 쌍의 중단점은 서로 대응되어 각각 직렬로 연결된 2개의 클램핑 다이오드로 연결된다.Here, the first converter 110 and the second converter 120 are composed of a pair of six switching elements, each of the pair of switching points of the first converter 110 and the second converter 120 The breakpoints of each pair of switching elements correspond to each other and are connected by two clamping diodes connected in series.

또한 직류 전압 분할용 커패시터(140a, 140b)는, 보조회로(150)의 단상 변압기(155)의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 제1 컨버터(110)의 출력단 사이에 연결된 제1 직류 커패시터(140a) 및 보조회로(150)의 단상 변압기(155)의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 제2 컨버터(120)의 접지단 사이에 연결된 제2 직류 커패시터(140b)로 구성된다.In addition, the DC voltage dividing capacitors 140a and 140b may include a first terminal connected between the other end of the primary winding of the single phase transformer 155 of the auxiliary circuit 150 and the other end of the secondary winding and the output terminal of the first converter 110. To the second DC capacitor 140b connected between the other end of the primary winding and the other end of the secondary winding and the ground terminal of the second converter 120 of the DC capacitor 140a and the single-phase transformer 155 of the auxiliary circuit 150. It is composed.

그리고 보조회로(150)의 제1 및 제2 직류 커패시터(140a, 140b)와 병렬로 연 결된 제1 내지 제4 스위칭 소자로 구성되며, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속점에 일단이 연결된 제1 클램핑 다이오드 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 접속점에 타단이 연결된 제2 클램핑 다이오드로 구성된 3-레벨 반-브리지(150)를 포함하는데, 여기서 단상 변압기(155)의 1차측 권선의 일단이 제1 및 제2 컨버터(110, 120)에서 선택된 2개의 클래핑 다이오드의 중단점에 연결되고, 단상 변압기(155)의 2차측 권선의 일단이 상기 제2 및 제3 스위칭 소자의 접속점에 연결된다.And first to fourth switching elements connected in parallel with the first and second DC capacitors 140a and 140b of the auxiliary circuit 150, and having one end connected to a connection point of the first and second switching elements. A three-level half-bridge 150 consisting of a first clamping diode and a second clamping diode, the other end of which is connected to the connection point of the third and fourth switching elements, wherein one end of the primary winding of the single phase transformer 155 is One end of the secondary winding of the single phase transformer 155 is connected to the connection point of the second and third switching elements. .

본 발명에 있어서 컨버터는 3-레벨 반-브리지(151)와 단상변압기(155)로 구성된 보조회로(150)를 직류 단에 포함하고 1기의 주변압기(160)를 통하여 계통과 연계되어있다.In the present invention, the converter includes an auxiliary circuit 150 composed of a three-level half-bridge 151 and a single phase transformer 155 in a DC stage and is connected to a system through one peripheral transformer 160.

도 3에 도시된 바와 같이 컨버터의 직류 상단전압과 하단전압은 DC 커패시터의 전압

Figure 112009059875614-PAT00001
와 보조브리지가 주입변압기를 통해 공급하는 전압
Figure 112009059875614-PAT00002
를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 3, the DC upper and lower voltages of the converter are the voltages of the DC capacitors.
Figure 112009059875614-PAT00001
And auxiliary bridges supply voltage through injection transformer
Figure 112009059875614-PAT00002
It can be expressed as follows.

Figure 112009059875614-PAT00003
[식 1]
Figure 112009059875614-PAT00003
[Equation 1]

Figure 112009059875614-PAT00004
[식 2]
Figure 112009059875614-PAT00004
[Formula 2]

상기 [식 1] 및 [식 2]에 의해 컨버터의 출력 AC 전압은 주입전압

Figure 112009059875614-PAT00005
에 의해서 조절이 가능함을 알 수 있다. 한편 주입전압
Figure 112009059875614-PAT00006
는 보조브리지회로의 스위칭 패턴과 주입변압기의 권수비에 의해 결정된다. 따라서 주입전압
Figure 112009059875614-PAT00007
는 0,
Figure 112009059875614-PAT00008
k,
Figure 112009059875614-PAT00009
인 3-레벨 값으로 정해지고, 보조브리지회로는 120˚마다 동작하기 때문에 기본주파수의 3배에 해당하는 펄스를 형성하게 된다. 보조회로에 사용되는 변압기의 권선비 k는 출력 전압파형의 고조파수준을 최소화하도록 결정하여야 한다.According to the above [Formula 1] and [Formula 2], the output AC voltage of the converter
Figure 112009059875614-PAT00005
It can be seen that can be adjusted by. Meanwhile injection voltage
Figure 112009059875614-PAT00006
Is determined by the switching pattern of the auxiliary bridge circuit and the turn ratio of the injection transformer. Therefore, injection voltage
Figure 112009059875614-PAT00007
Is 0,
Figure 112009059875614-PAT00008
k,
Figure 112009059875614-PAT00009
It is defined as the in-level value, and the auxiliary bridge circuit operates every 120 degrees, thereby forming a pulse corresponding to three times the fundamental frequency. The turns ratio k of the transformer used in the auxiliary circuit should be determined to minimize the harmonic level of the output voltage waveform.

도 4는 본 발명에서 제안하는 18-step 컨버터의 각 부분의 파형을 나타낸 것이다. 도 4의 (a)는 보조브리지회로의 출력파형을 보인 것으로 교류 한주기당 3개의 펄스가 존재하여 120˚마다 동작함을 알 수 있다. 도 4의 (b)와 도 4의 (c)는 상단과 하단 컨버터 부분에 인가되는 전압파형을 나타낸 것으로, 직류전압

Figure 112009059875614-PAT00010
Figure 112009059875614-PAT00011
를 가하거나 감한 파형을 나타낸다. 도 4의 (d)와 도 4의 (e)는 출력 선간전압과 상전압을 나타낸 것이다.Figure 4 shows the waveform of each part of the 18-step converter proposed in the present invention. Figure 4 (a) shows the output waveform of the auxiliary bridge circuit, it can be seen that there are three pulses per cycle of AC and operates every 120 degrees. 4 (b) and 4 (c) show voltage waveforms applied to the upper and lower converter parts, respectively.
Figure 112009059875614-PAT00010
on
Figure 112009059875614-PAT00011
Add or subtract the waveform. 4 (d) and 4 (e) show output line voltages and phase voltages.

한편 보조브리지가 주입하는 전압의 크기는 출력전압의 고조파에 영향을 주므로 주입변압기의 권수비는 최적 값을 택하여야 한다.On the other hand, since the magnitude of the voltage injected by the auxiliary bridge affects the harmonics of the output voltage, the turn ratio of the injection transformer should be selected to the optimum value.

도 4의 (e)에 보인 출력전압을 푸리에 급수로 전개하면 하기 [식 3]과 같다.When the output voltage shown in Fig. 4E is developed by Fourier series, it is as follows.

Figure 112009059875614-PAT00012
[식 3]
Figure 112009059875614-PAT00012
[Equation 3]

여기서 기본파를 포함한 각 고조파성분의 크기는 하기 [식 4]로 표현 가능하다.Here, the magnitude of each harmonic component including the fundamental wave can be expressed by the following [Equation 4].

Figure 112009059875614-PAT00013
[식 4]
Figure 112009059875614-PAT00013
[Equation 4]

인버터의 출력파형에 가장 큰 영향을 주는 성분은 5차 고조파이므로 이를 소거하기 위해서는 위의 수식에 n=5를 대입하고

Figure 112009059875614-PAT00014
0
Figure 112009059875614-PAT00015
을 각각 20˚로 할 때 크기가 0이 되어야 한다. 이때 k 값을 구하면 k=0.574 이다.The component that most affects the output waveform of the inverter is the 5th harmonic, so to replace it, substitute n = 5 in the above formula.
Figure 112009059875614-PAT00014
0 and
Figure 112009059875614-PAT00015
When each is 20˚, the size should be 0. In this case, the value of k is k = 0.574.

도 5는 back-to-back HVDC 시스템의 개념도를 도시하는데, 도 5에 도신된 바와 같이 Back-to-Back 컨버터는 주파수가 다른 2개의 교류계통을 연계하거나 직류송전 또는 대규모 풍력발전단지를 전력계통에 연계하는데 사용된다. 따라서 Back-to-Back 컨버터는 연계되는 2개 교류계통의 유·무효전력을 독립적으로 제어가능하고 양방향 전력조류를 제어 가능해야한다.FIG. 5 shows a conceptual diagram of a back-to-back HVDC system. As shown in FIG. 5, a back-to-back converter connects two alternating current systems having different frequencies, or direct current transmission or a large-scale wind farm. Used to link to Therefore, the back-to-back converter should be able to independently control the active and reactive power of the two AC systems connected and control the bidirectional power current.

만약 컨버터가 PWM 방식으로 동작할 경우 교류출력전압의 크기와 위상을 조절 가능하여 유·무효전력의 독립적 제어가 가능하다. 그러나 다중스텝으로 동작할 경우 교류출력전압의 크기는 고정되어 있어 유·무효전력의 독립적인 제어가 불가능하다.If the converter operates in PWM mode, the magnitude and phase of the AC output voltage can be adjusted to allow independent control of active and reactive power. However, when operating in multi-step, the magnitude of AC output voltage is fixed and independent control of active and reactive power is impossible.

본 발명에서는 상기의 18-스텝 컨버터 2대를 교류측은 직렬로 직류측은 병렬로 연결한 후 컨버터_1의 점호각

Figure 112009059875614-PAT00016
과 컨버터_2의 점호각
Figure 112009059875614-PAT00017
를 상이하게 동작시켜 연계된 교류계통의 유·무효전력을 독립적으로 제어하는 방식을 제안한다.In the present invention, after the two 18-step converters are connected in series with the AC side and in parallel with the DC side, the firing angle of the converter_1
Figure 112009059875614-PAT00016
Firing angle of the converter and converter_2
Figure 112009059875614-PAT00017
By operating differently, we propose a method to independently control the active and reactive power of the connected AC system.

그림 6의 (a)는 본 발명에 따른 Back-to-Back 컨버터(200)의 송·수전단 중 한쪽 단의 단상등가회로를 나타낸다. 그리고 컨버터(200)의 상·하단 점호각을 달리 할 때 전원전압, 컨버터 각각의 전압, 그리고 컨버터 합성전압의 벡터도를 그림 6의 (b)에 나타낸다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 상단점호각

Figure 112009059875614-PAT00018
과 하단점호각
Figure 112009059875614-PAT00019
의 값을 적절히 조절하면 컨버터(200)의 출력전압벡터
Figure 112009059875614-PAT00020
는 전원전압
Figure 112009059875614-PAT00021
와 임의의 전력각
Figure 112009059875614-PAT00022
를 이루고 그 크기를 조절하는 것이 가능하다. 따라서 상·하단 점호각
Figure 112009059875614-PAT00023
Figure 112009059875614-PAT00024
를 조절하여 연계된 교류계통의 유·무효전력을 독립적으로 제어하는 것이 가능하다.(A) of FIG. 6 shows a single phase equivalent circuit of one end of a transmitting and receiving end of the back-to-back converter 200 according to the present invention. And when the upper and lower firing angles of the converter 200 are different, the vector diagram of the power supply voltage, the voltage of each converter, and the converter synthesis voltage is shown in Fig. 6B. As can be seen in Figure 6 top firing angle
Figure 112009059875614-PAT00018
And bottom firing angle
Figure 112009059875614-PAT00019
When the value of is properly adjusted, the output voltage vector of the converter 200
Figure 112009059875614-PAT00020
Power supply voltage
Figure 112009059875614-PAT00021
And arbitrary power angle
Figure 112009059875614-PAT00022
It is possible to achieve and adjust its size. Therefore, upper and lower firing angle
Figure 112009059875614-PAT00023
and
Figure 112009059875614-PAT00024
It is possible to control the active and reactive power of the connected AC system independently.

도 6의 (a)의 등가회로에서 유·무효 전력은 다음 식으로 나타낼 수 있다.In the equivalent circuit of FIG. 6A, the active and reactive power can be expressed by the following equation.

Figure 112009059875614-PAT00025
[식 5]
Figure 112009059875614-PAT00025
[Equation 5]

Figure 112009059875614-PAT00026
[식 6]
Figure 112009059875614-PAT00026
[Equation 6]

상기 [식 5]와 [식 6]을 결합하고, 2차 방정식의 근의 공식을 사용하여,

Figure 112009059875614-PAT00027
Figure 112009059875614-PAT00028
를 얻기 위한 두 방정식을 도출할 수 있다.Combine the above [Equation 5] and [Equation 6], using the root formula of the quadratic equation,
Figure 112009059875614-PAT00027
Wow
Figure 112009059875614-PAT00028
We can derive two equations for

Figure 112009059875614-PAT00029
[식 7]
Figure 112009059875614-PAT00029
[Equation 7]

Figure 112009059875614-PAT00030
[식 8]
Figure 112009059875614-PAT00030
[Equation 8]

한편 출력전압

Figure 112009059875614-PAT00031
와 전력각
Figure 112009059875614-PAT00032
에 대해 상·하단 컨버터(210, 220)의 점호각
Figure 112009059875614-PAT00033
Figure 112009059875614-PAT00034
의 관계를 도출하기 위한 수식은 도 6의 (b)의 벡터도를 사용하여 전 개할 수 있다.
Figure 112009059875614-PAT00035
Figure 112009059875614-PAT00036
또는
Figure 112009059875614-PAT00037
Figure 112009059875614-PAT00038
사이의 각을
Figure 112009059875614-PAT00039
라고 하면, 다음 두 관계식을 얻을 수 있다.Output voltage
Figure 112009059875614-PAT00031
And power angle
Figure 112009059875614-PAT00032
Firing angle of upper and lower converters (210, 220)
Figure 112009059875614-PAT00033
and
Figure 112009059875614-PAT00034
The equation for deriving the relationship of can be developed using the vector diagram of FIG.
Figure 112009059875614-PAT00035
Wow
Figure 112009059875614-PAT00036
or
Figure 112009059875614-PAT00037
Wow
Figure 112009059875614-PAT00038
Angle between
Figure 112009059875614-PAT00039
In this case, the following two relations can be obtained.

Figure 112009059875614-PAT00040
[식 9]
Figure 112009059875614-PAT00040
[Equation 9]

Figure 112009059875614-PAT00041
[식 10]
Figure 112009059875614-PAT00041
[Equation 10]

Figure 112009059875614-PAT00042
Figure 112009059875614-PAT00043
에 관한
Figure 112009059875614-PAT00044
의 관계, 그리고
Figure 112009059875614-PAT00045
Figure 112009059875614-PAT00046
에 관한
Figure 112009059875614-PAT00047
의 관계는 하기 [식 11]과 [식 12]로 표현된다.
Figure 112009059875614-PAT00048
의 최대값은
Figure 112009059875614-PAT00049
의 1.15배로 가정한다.
Figure 112009059875614-PAT00042
and
Figure 112009059875614-PAT00043
To about
Figure 112009059875614-PAT00044
Relationship, and
Figure 112009059875614-PAT00045
and
Figure 112009059875614-PAT00046
To about
Figure 112009059875614-PAT00047
The relationship of is represented by the following [Equation 11] and [Equation 12].
Figure 112009059875614-PAT00048
The maximum value of is
Figure 112009059875614-PAT00049
Assume 1.15 times

Figure 112009059875614-PAT00050
[식 11]
Figure 112009059875614-PAT00050
[Equation 11]

Figure 112009059875614-PAT00051
[식 12]
Figure 112009059875614-PAT00051
[Equation 12]

상기 [식 11]과 [식 12]를 결합하여, 상·하단 컨버터(210, 220)의 점호각

Figure 112009059875614-PAT00052
Figure 112009059875614-PAT00053
는 하기 [식 13]과 [식 14]로 표현될 수 있다.By combining the above [Equation 11] and [Equation 12], the firing angle of the upper and lower converters (210, 220)
Figure 112009059875614-PAT00052
and
Figure 112009059875614-PAT00053
Can be represented by the following [Equation 13] and [Equation 14].

Figure 112009059875614-PAT00054
[식 13]
Figure 112009059875614-PAT00054
[Equation 13]

Figure 112009059875614-PAT00055
[식 14]
Figure 112009059875614-PAT00055
[Equation 14]

따라서, 주어진 P와 Q에 대한

Figure 112009059875614-PAT00056
Figure 112009059875614-PAT00057
의 값을 일률적으로 결정할 수 있다.Thus, for a given P and Q
Figure 112009059875614-PAT00056
and
Figure 112009059875614-PAT00057
The value of can be determined uniformly.

Figure 112009059875614-PAT00058
Figure 112009059875614-PAT00058

[표 1]TABLE 1

상기 [표 1]은 선간전압이 220V이고 커플링 인덕턴스가 10KVA 기준용량의 10%라고 가정했을 때, P와 Q에 관한

Figure 112009059875614-PAT00059
Figure 112009059875614-PAT00060
의 값을 보여준다.[Table 1] shows the values of P and Q when the line voltage is 220V and the coupling inductance is 10% of the 10KVA reference capacity.
Figure 112009059875614-PAT00059
Wow
Figure 112009059875614-PAT00060
Shows the value of.

도 7은 P에 관한

Figure 112009059875614-PAT00061
Figure 112009059875614-PAT00062
의 변화를 Q에 따라서 보여준다. 무효전력 Q가 유도성에서 용량성으로 이동함에 따라,
Figure 112009059875614-PAT00063
Figure 112009059875614-PAT00064
의 값이 0ㅀ축에 가까워진다.7 relates to P
Figure 112009059875614-PAT00061
and
Figure 112009059875614-PAT00062
The change of is shown by Q. As reactive power Q moves from inductive to capacitive,
Figure 112009059875614-PAT00063
and
Figure 112009059875614-PAT00064
The value of close to the 0 ㅀ axis.

이와 같은 본 발명에 따른 back-to-back 컨버터를 전압형 HVDC 시스템에 적용하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 시스템 동작특성 및 제어기의 성능해석을 실시하였다. 전력회로는 회로소자, 스위치, 변압기를 사용하여 구성하였고, 제어기는 내장된 제어모듈을 사용하여 구성하였다. In order to apply the back-to-back converter according to the present invention to a voltage type HVDC system, system operation characteristics and performance analysis of the controller were performed using PSCAD / EMTDC. The power circuit was constructed using circuit elements, switches and transformers, and the controller was constructed using the built-in control module.

도 8은 본 발명에 따른 10-스텝 back-to-back 컨버터를 HVDC에 적용한 시스템의 개략적인 구성도를 나타낸다. 8 shows a schematic diagram of a system in which a 10-step back-to-back converter according to the present invention is applied to an HVDC.

도 8의 시스템에 대한 시뮬레이션에 사용된 회로정수는 하기 [표 2]에 나타냈다.The circuit constants used in the simulation for the system of FIG. 8 are shown in Table 2 below.

Figure 112009059875614-PAT00065
Figure 112009059875614-PAT00065

[표 2]TABLE 2

전압원 HVDC 시스템은 점호각을 제어하여 컨버터 양단에 걸리는 단자 전압의 크기를 조절하고 전력의 방향을 바꾸어 동작한다. 전력의 전송방향에 따라 각 컨버터의 제어 대상이 변하게 된다. 즉, 시스템 A에서 B로 전력이 전송될 경우 컨버터 A(200)는 일정직류전압제어와 무효전력제어를 수행하게 되고 컨버터 B(300)는 유효전력과 무효전력의 제어를 수행하게 된다. 그리고 시스템 B에서 A로 전력이 전송될 경우는 반대의 제어를 수행한다. 따라서 각 컨버터의 제어기는 도 9와 같은 동일한 구성을 갖는다.Voltage source HVDC systems operate by controlling the firing angle to adjust the magnitude of the terminal voltage across the converter and to redirect the power. The control target of each converter changes according to the direction of power transmission. That is, when power is transmitted from system A to converter B, converter A 200 performs constant DC voltage control and reactive power control, and converter B 300 controls active power and reactive power. When power is transferred from system B to A, reverse control is performed. Therefore, the controller of each converter has the same configuration as shown in FIG.

컨버터 A(200)에서 컨버터 B(300)로 전력이 전송될 때, 직류 전압

Figure 112009059875614-PAT00066
의 실측값은 기준값
Figure 112009059875614-PAT00067
를 따른다. 유효전류의 기준값
Figure 112009059875614-PAT00068
는 컨버터 B의 유효전류 실측값
Figure 112009059875614-PAT00069
로부터 얻어진다. 무효전류
Figure 112009059875614-PAT00070
와 유효전류
Figure 112009059875614-PAT00071
의 실측값은 제어 알고리즘을 통해 기준값
Figure 112009059875614-PAT00072
Figure 112009059875614-PAT00073
를 따른다. 교류 전류 제어기는 컨버터에 일반적으로 사용되는 제어기와 동일한 구성을 갖는다. d-q 변환된 교류 시스템 전압의 기준값
Figure 112009059875614-PAT00074
Figure 112009059875614-PAT00075
Figure 112009059875614-PAT00076
Figure 112009059875614-PAT00077
의 값을 결정하기 위해 사용된다.
Figure 112009059875614-PAT00078
Figure 112009059875614-PAT00079
의 값은 식 (13) 과 (14)에 의해서
Figure 112009059875614-PAT00080
Figure 112009059875614-PAT00081
로부터 얻어진다.DC power when power is transferred from converter A 200 to converter B 300.
Figure 112009059875614-PAT00066
Measured value is the reference value
Figure 112009059875614-PAT00067
Follow. Reference value of active current
Figure 112009059875614-PAT00068
Is the actual current measured value of converter B
Figure 112009059875614-PAT00069
Is obtained from. Reactive current
Figure 112009059875614-PAT00070
And active current
Figure 112009059875614-PAT00071
The measured value of is based on the control algorithm
Figure 112009059875614-PAT00072
Wow
Figure 112009059875614-PAT00073
Follow. The AC current controller has the same configuration as the controller generally used in the converter. dq Reference value of the converted AC system voltage
Figure 112009059875614-PAT00074
Wow
Figure 112009059875614-PAT00075
Is
Figure 112009059875614-PAT00076
Wow
Figure 112009059875614-PAT00077
It is used to determine the value of.
Figure 112009059875614-PAT00078
and
Figure 112009059875614-PAT00079
The value of is given by equations (13) and (14).
Figure 112009059875614-PAT00080
Wow
Figure 112009059875614-PAT00081
Is obtained from.

Figure 112009059875614-PAT00082
Figure 112009059875614-PAT00082

[표 3][Table 3]

상기 [표 3]은 제안된 back-to-back 컨버터의 동작분석에 사용된 시뮬레이션 시나리오를 보여준다. 제어기는 시뮬레이션을 시작하고 0.5초 후에 동작을 시작한다. 0.5초부터 3.0초까지는 시스템 A에서 B로 전력을 전송하다가, 3.0초에 시스템 B에서 A로 전력을 전송하도록 설정하였다. 또한 시스템의 유효전력과 무효전력제어 성능을 분석하기 위해서 각 모드별(M1 ~ M5)로 유효전력과 무효전력의 기준값을 변경하였다. [Table 3] shows the simulation scenarios used in the operation analysis of the proposed back-to-back converter. The controller starts its operation 0.5 seconds after the simulation starts. From 0.5 seconds to 3.0 seconds, power was transferred from System A to B, and then from System B to Power at 3.0 seconds. Also, in order to analyze the active power and reactive power control performance of the system, the reference values of active power and reactive power were changed for each mode (M1 ~ M5).

전체 시스템 동작을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과를 도 10 내지 도 12에 나타내었다. 시스템 A와 B의 제어기는 동일한 구조로 되어 있고, 모든 제어값은 같으며 부호는 반대이다. 도 10의 (a)와 (b)는 출력전압의 전력각

Figure 112009059875614-PAT00083
, 상단 점호각
Figure 112009059875614-PAT00084
, 그리고 하단 점호각
Figure 112009059875614-PAT00085
의 변화를 나타낸 것이다.Simulation results for verifying overall system operation are shown in FIGS. 10 to 12. The controllers of systems A and B have the same structure, all control values are the same and the signs are reversed. 10A and 10B show power angles of output voltages.
Figure 112009059875614-PAT00083
, Top firing angle
Figure 112009059875614-PAT00084
, And bottom firing angle
Figure 112009059875614-PAT00085
The change is shown.

도 11의 (a)와 (b)는 각 컨버터 출력전압과 합성 출력전압을 보여주고 있다. 도 12의 (a)는 직류링크전압의 제어 성능을 보여준다. 시스템이 0.5초에 동작을 시작할 수 있도록 직류링크전압을 초기에 350V로 충전하였다. 실측된 직류링크전압이 큰 과도현상없이 기준값인 350V를 잘 추종하고 있다. 도 12의 (b)는 교류시스템 A에서 컨버터 A로 전송되는 유효전력과 무효전력을 나타내고 있다. 시스템 A의 유효전력과 무효전력이 각각 독립적으로 제어되고 있음을 확인하였다. 도 12의 (c)는 컨버터 B에서 교류시스템 B로 전송되는 유효전력과 무효전력을 나타내고 있다. 유효전력은 도 12의 (b)의 값과 거의 동일한 크기를 나타내고 있지만 무효전력은 각 컨버터가 독립적인 제어를 수행하고 있으므로 다르게 나타나고 있다. 이 결과에서 알 수 있듯이 제안하는 시스템은 유효전력과 무효전력의 독립제어가 가능하다.11 (a) and 11 (b) show the converter output voltages and the synthesized output voltages. 12 (a) shows the control performance of the DC link voltage. The DC link voltage was initially charged to 350V to allow the system to start operating in 0.5 seconds. The measured DC link voltage well follows the reference value of 350V without large transients. FIG. 12B shows active power and reactive power transmitted from the AC system A to the converter A. FIG. It is confirmed that active power and reactive power of system A are controlled independently. FIG. 12C shows active power and reactive power transmitted from the converter B to the AC system B. As shown in FIG. The active power has almost the same magnitude as the value in FIG. 12B, but the reactive power is different because each converter performs independent control. As can be seen from this result, the proposed system is capable of independent control of active power and reactive power.

나아가서 본 발명에 따른 18-스텝 Back-to-Back 컨버터의 하드웨어 구현을 통한 동작검증을 위해 도 13에 보인 것처럼 하드웨어를 제작하고 실험을 실시하였다. 실험 세트는 전원 시뮬레이터와 본 발명에 따른 18-스텝 Back-to-Back 컨버터로 양 측에 3상 전원을 연결하도록 구성하였다. 하기 [표 4]는 축소 모형에 사용된 실험 회로정수이다. Furthermore, for operation verification through hardware implementation of the 18-step back-to-back converter according to the present invention, hardware was fabricated and experimented as shown in FIG. 13. The experimental set was configured to connect three-phase power to both sides with a power simulator and an 18-step back-to-back converter according to the present invention. Table 4 below shows the experimental circuit constants used in the scale model.

제어보드는 메인보드와 확장보드로 나누어 구성하였으며, 메인 프로세서는 TI(Texas Instrument)사에서 개발된 실수형 프로세서인 DSP(TMS320vc33)를 사용하였다. 메인보드는 Altera사에서 개발한 50,000 게이트인 EPLD (EP1K50QC208)를 사용하였으며, 확장보드는 PWM 로직을 위해 EPLD(EP1K50QC208)를 사용하였다. The control board was composed of main board and expansion board. The main processor used DSP (TMS320vc33), a real processor developed by Texas Instruments. The main board used an EPLD (EP1K50QC208), a 50,000 gate developed by Altera, and the expansion board used EPLD (EP1K50QC208) for PWM logic.

Figure 112009059875614-PAT00086
Figure 112009059875614-PAT00086

[표 4][Table 4]

본 발명에 따른 Back-to-Back 컨버터 시스템이 실제 하드웨어에서 유·무효전력 제어를 수행하는지 확인하기 위하여 하기 [표 5]의 시나리오에 따라 실험을 실시하였다. In order to confirm whether the back-to-back converter system according to the present invention performs the active and reactive power control in the actual hardware, the experiment was performed according to the scenario of the following [Table 5].

시나리오에 따라 유·무효전류 기준값을 변경하고 양 측의 유·무효전력을 측정한 파형이 도 14의 (a)에 나타나 있다. A측과 B측 모두 원하는 기준값을 원활히 추종하고 있고 유·무효전력이 독립적으로 제어되고 있음을 확인할 수 있다. 도 14의 (b)는 Back-to-Back 컨버터의 양 측 DC-링크 전압 파형이다. DC-링크 전압제어는 유효전력의 전송방향에 따라 A측 또는 B측 컨버터가 하고 있는데 제어를 시작하였을 때 큰 과도현상 없이 기준값을 잘 추종함을 알 수 있다. 도 14의 (c)는 동작원리 벡터도에 나타낸 전력각에 대한 파형으로,

Figure 112009059875614-PAT00087
의 관계를 가지고 있다. 도 14의 (d)는 상ㆍ하단 컨버터의 출력전압과 각 컨버터의 합성전압, 보조변압기에 의한 주입전압을 나타낸다. 상ㆍ하단 컨버터의 출력전압이 합해져 컨버터의 합성전압이 됨을 확인할 수 있고, 보조변압기에 의해 기본주파수의 3배에 해당하는 3-레벨 전압이 주입되고 있음을 확인할 수 있다. The waveforms obtained by changing the active and reactive current reference values according to the scenario and measuring the active and reactive power on both sides are shown in FIG. It can be seen that both sides A and B are following the desired reference values smoothly and the reactive power is controlled independently. Figure 14 (b) is a waveform of the DC-link voltage on both sides of the back-to-back converter. DC-link voltage control is performed by the A side or B side converter according to the transmission direction of the active power, and when the control starts, it can be seen that the reference value is well followed without a large transient. 14C is a waveform of power angle shown in the operation principle vector diagram.
Figure 112009059875614-PAT00087
Have a relationship. Fig. 14D shows the output voltages of the upper and lower converters, the synthesized voltages of the respective converters, and the injection voltages of the auxiliary transformers. It can be seen that the output voltages of the upper and lower converters are combined to form a synthesized voltage of the converter, and that the three-level voltage corresponding to three times the fundamental frequency is injected by the auxiliary transformer.

Figure 112009059875614-PAT00088
Figure 112009059875614-PAT00088

[표 5]TABLE 5

본 발명에서는 송전단과 수전단에 각각 2대의 18-스텝 컨버터를 교류측은 직렬로 직류측은 병렬로 결합하여 상이한 점호각으로 동작시켜 출력전압의 크기와 위상을 조절하여 연계된 교류계통의 유·무효전력의 독립적인 제어가 가능한 새로운 구조의 Back-to-Back 컨버터를 제안하였다.In the present invention, two 18-step converters are respectively connected to the transmission and reception terminals in alternating current and in parallel with the direct current side, and operated at different firing angles, thereby controlling the magnitude and phase of the output voltage. A new structure of back-to-back converter with independent control is proposed.

이와 같은 본 발명에 따른 Back-to-Back 컨버터는 종래의 시스템에 비해 출력전압의 스텝수가 적어 고조파 레벨은 다소 높지만 연계용 변압기의 구조가 간단하고 그 수가 적어 설치면적이 적고 설치비용이 저렴하다. 또한 18-스텝에 따른 고조파레벨은 필터에 의해 저감이 가능하다.Such a back-to-back converter according to the present invention has a lower number of steps of the output voltage compared to the conventional system, but the harmonic level is rather high, but the structure of the linking transformer is simple and the number thereof is small and the installation cost is low. In addition, the harmonic level according to 18-step can be reduced by the filter.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 종래기술(등록번호 10-0795752)에 따른 36-스텝 Back-to-Back 컨버터를 나타내며,1 shows a 36-step back-to-back converter according to the prior art (registration number 10-0795752),

도 2는 종래기술에 따른 컨버터를 적용한 직류송전 시스템을 도시하며,Figure 2 shows a DC power transmission system applying a converter according to the prior art,

도 3은 본 발명에 따른 Back-to-back 컨버터의 기본모듈인 18-step 컨버터의 기본구성을 나타내며,3 shows a basic configuration of an 18-step converter which is a basic module of a back-to-back converter according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 18-step 컨버터의 각 부분의 파형을 나타내며,Figure 4 shows the waveform of each part of the 18-step converter according to the present invention,

도 5는 back-to-back HVDC 시스템의 개념도를 도시하며,5 shows a conceptual diagram of a back-to-back HVDC system,

도 6은 본 발명에 따른 back-to-back 컨버터의 동작원리를 도시하며,6 shows an operation principle of a back-to-back converter according to the present invention,

도 7은 본 발명에서의 각 컨버터의 점호각의 변화를 도시하며,7 shows a change in the firing angle of each converter in the present invention,

도 8은 본 발명에 따른 10-스텝 back-to-back 컨버터를 HVDC에 적용한 시스템의 개략적인 구성도를 나타내며,8 shows a schematic diagram of a system applying a 10-step back-to-back converter to an HVDC according to the present invention;

도 9는 도 8의 시스템 A의 컨버터 제어기의 구성을 나타내며,FIG. 9 shows a configuration of a converter controller of system A of FIG. 8,

도 10은 도 8의 시스템에서 출력전압의 전력각과 각 컨버터의 점호각의 변화를 나타내며,FIG. 10 shows the change of the power angle of the output voltage and the firing angle of each converter in the system of FIG.

도 11은 각 컨버터 출력전압과 합성 출력전압을 나타내며,11 shows each converter output voltage and the composite output voltage,

도 12는 직류링크전압과 각 컨버터의 전송 유효, 무효전력을 나타내며,12 shows a DC link voltage and transmission effective and reactive power of each converter,

도 13은 본 발명에 따른 18-스텝 Back-to-Back 컨버터의 하드웨어 구현을 위한 실시예를 나타내며,Figure 13 shows an embodiment for a hardware implementation of an 18-step back-to-back converter according to the present invention,

도 14는 도 13의 실시예에 대한 실험결과를 나타낸다.FIG. 14 shows experimental results of the embodiment of FIG. 13.

<도면의 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

110 : 제1 컨버터, 120 : 제2 컨버터,110: first converter, 120: second converter,

140a, 140b : 직류 전압 분할용 커패시터,140a, 140b: capacitor for direct voltage division,

150 : 보조회로, 160 : 개방 Y-Y 변압기,150: auxiliary circuit, 160: open Y-Y transformer,

200 : 컨버터 A 시스템, 300 : 컨버터 B 시스템.200: Converter A system, 300: Converter B system.

Claims (5)

소정 크기의 교류전력을 승압 또는 강압시키는 개방 Y-Y 변압기;An open Y-Y transformer for boosting or stepping down AC power of a predetermined magnitude; 3-레벨 반-브리지와 단상 변압기를 포함하는 보조회로;Auxiliary circuitry comprising a three-level half-bridge and a single phase transformer; 직류 전압 분할용 커패시터; 및Capacitors for DC voltage division; And 상기 개방 Y-Y 변압기와는 병렬로 연결되고, 상기 보조회로와는 직렬로 연결된 제1 및 제2 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템.And first and second converters connected in parallel with the open Y-Y transformer and connected in series with the auxiliary circuit. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 컨버터는, The first and second converters, 6대의 스위칭 소자가 두 개씩 한 쌍을 이루어 구성되며,It consists of six pairs of two switching elements, 상기 제1 컨버터의 각 쌍의 중단점과 상기 제2 컨버터의 각 쌍의 중단점은 서로 대응되어 각각 직렬로 연결된 2개의 클램핑 다이오드로 연결되는 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템.And a break point of each pair of the first converter and a break point of each pair of the second converter are connected to each other by two clamping diodes connected in series. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 직류 전압 분할용 커패시터는,The DC voltage division capacitor, 상기 보조회로의 단상 변압기의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 상기 제1 컨버터의 출력단 사이에 연결된 제1 직류 커패시터; 및A first DC capacitor connected between the other end of the primary side winding and the second end of the secondary side winding of the auxiliary circuit of the auxiliary circuit and the output end of the first converter; And 상기 보조회로의 단상 변압기의 1차측 권선의 타단 및 2차측 권선의 타단과 상기 제2 컨버터의 접지단 사이에 연결된 제2 직류 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템.And a second DC capacitor connected between the other end of the primary side winding and the other end of the secondary side winding of the auxiliary circuit of the auxiliary circuit and the ground end of the second converter. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 보조회로는,The auxiliary circuit, 상기 제1 및 제2 직류 커패시터와 병렬로 연결된 제1 내지 제4 스위칭 소자;First to fourth switching elements connected in parallel with the first and second DC capacitors; 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 접속점에 일단이 연결된 제1 클램핑 다이오드; 및A first clamping diode having one end connected to a connection point of the first and second switching elements; And 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 접속점에 타단이 연결된 제2 클램핑 다이오드로 구성된 3-레벨 반-브리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템.And a three-level half-bridge consisting of a second clamping diode, the other end of which is connected to the connection point of the third and fourth switching elements. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 보조회로는,The auxiliary circuit, 상기 단상 변압기의 1차측 권선의 일단이 상기 제1 및 제2 컨버터에서 선택된 2개의 클래핑 다이오드의 중단점에 연결되고, One end of the primary winding of the single phase transformer is connected to a breakpoint of two clapping diodes selected from the first and second converters, 상기 단상 변압기의 2차측 권선의 일단이 상기 제2 및 제3 스위칭 소자의 접속점에 연결된 것을 특징으로 하는 컨버터 시스템.And one end of the secondary winding of the single phase transformer is connected to a connection point of the second and third switching elements.
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