KR20110060262A - 동기발전기의 전력변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 발전기의 전력변환장치에 관한 것으로서, 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터를 회로 구성이 간단한 2-레벨 컨버터로 구성되되, 계통측 컨버터 중 하나를 고조파 특성이 우수한 고품질 기능의 3-레벨 NPC 컨버터로 구성하고, 상기 3-레벨 NPC 컨버터가 DC-링크단 전압 제어와 함께 계통측 각 컨버터로부터 계통측에 유입되는 고조파 전류를 보상하는 기능을 가지도록 구성됨으로써, 전체 3-레벨 컨버터로 구성되는 전력변환장치와 비교하여 하드웨어 비용을 줄일 수 있고, 고조파 전류 제어를 통해 발전기 출력의 품질 향상, 필터 크기 감소 등의 장점을 가지는 동기 발전기의 전력변환장치에 관한 것이다.

멀티-레벨, 3-레벨, NPC, 컨버터, 동기 발전기, 고조파 보상, 고품질, 신재생에너지, 계통, 그리드

Description

동기발전기의 전력변환장치{Electrical power converter for synchronous generator}

본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신재생에너지로서 풍력, 파력, 조력, 조류 등의 에너지원으로부터 전력을 얻기 위해 터빈에 의해 구동되는 동기 발전기로부터 전력을 변환하여 전력 계통에 제공하는 동기 발전기의 전력변환장치에 관한 것이다.

신재생에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로서, 최근 들어 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래의 에너지원으로 각광받고 있다.

특히, 신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었으며, 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지(파력, 조력, 조류 등 에너지), 폐기물에너지 등의 재생에너지 분야와, 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지 등의 신에너지 분야로 구분할 수 있다.

또한 주지된 바와 같이 신재생에너지로서 풍력, 파력, 조력, 조류, 태양광 등의 에너지원으로부터 전력을 얻기 위해 다양한 터빈 및 태양전지 등이 사용되고 있는데, 예컨대 회전형 터빈을 사용하여 동기 발전기를 구동시키는 시스템이 사용될 수 있다.

상기와 같이 풍력, 조력, 조류 등을 이용하는 신재생에너지 발전시스템에서 반드시 필요한 구성으로는 전력변환장치(Power Converter)를 들 수 있으며, 이는 가변적인 풍속 또는 유속 조건에 기인하는 가변전압, 가변주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.

특히, 신재생에너지 발전시스템 시장에서 많이 적용되고 있는 발전기로는 권선형 유도 발전기(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG) 및 동기 발전기(Synchronous Generator, SG)를 들 수 있다.

도 1은 일반적인 3상 동기 발전기에 적용될 수 있는 전력변환장치의 일 예를 도시한 구성도로서, 백-투-백(Back-to-Back) 2-레벨 컨버터를 갖는 전력변환장치를 도시한 것이다.

도 1에서 도면부호 31은 DC-링크단에 설치되는 커패시터를 나타내고, 도면부호 V_dc는 DC-링크단 전압을 나타내며, 도면부호 V_a, V_b, V_c는 계통(그리드) 전압을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 3상 동기 발전기(SG)(1)에 적용되는 전력변환장치의 구조 는, 교류(AC)/직류(DC) 컨버터(발전기측 컨버터)와 직류/교류 컨버터(계통측 컨버터)를 구비한 구조로서, 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 다음 다시 교류 전원으로 변환하는 교류-직류-교류 변환기능을 내장한 구조로 되어 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 동기 발전기(1)의 출력이 단일 3상으로 되어 있고, 동기 발전기에 연결된 발전기측 컨버터(10)와 전력 계통(그리드)측에 연결된 계통측 컨버터(20) 사이에 DC-링크단이 구비되어, 양측의 컨버터가 DC-링크단을 공유하는 구조로 되어 있다.

이때, 발전기측 컨버터(10)와 계통측 컨버터(20)는 도시된 바와 같이 6개의 스위칭소자(반도체 스위치)(11,21)를 갖는 2-레벨 컨버터로 구성된다.

또한 발전기측 컨버터(10), 커패시터(31)가 설치된 DC-링크단, 및 계통측 컨버터(20)로 구성되는 전력변환부 복수개가 용량에 맞추어 병렬로 연결되어, 전체적으로는 병렬 시스템으로 구성 및 운전될 수 있다.

즉, 동기 발전기(1)에 복수의 발전기측 컨버터(10)가 병렬로 연결되고, DC-링크단을 사이에 두고 각 발전기측 컨버터(10)에 계통측 컨버터(20)가 연결되는바, 발전기측 컨버터(10), DC-링크단, 계통측 컨버터(20)로 구성된 복수의 전력변환부가 발전기(1)와 전력 계통에 대해 병렬로 연결되어, 전체적으로 하나의 통합된 전력변환장치를 구성하게 되는 것이다.

이러한 구조에서 발전기(1)의 회전자 권선을 통해 발전되는 에너지가 계통까지 전달될 수 있도록 발전기측 컨버터(10)와 계통측 컨버터(20) 사이에 구비된 DC- 링크단 전압(V_dc)은 항상 일정한 크기로 유지되도록 제어된다.

한편, 도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 발전기 및 계통(그리드) 제어방식을 나타내는 개략도로서, 각 컨버터가 수행하는 제어기능을 보여주고 있는바, 발전기측 컨버터는 발전기의 전력 제어, 및 발전기측 전압과 전류의 역률 제어를 수행하고, 계통측 컨버터는 DC-링크단의 전압 제어, 및 계통측 전압과 전류의 역률 제어를 수행하게 된다.

도시된 예와 같이 여러 대의 전력변환부로 병렬 운전하는 경우에는 개별적인 제어부를 장착하여 독립적으로 제어를 수행하며, 전력 제어의 지령값만을 병렬 대수만큼 나누어서 인가하게 된다.

도 1 및 도 2의 구성에서, L1은 부스트 리액터로서, 이를 포함하여 LC 혹은 LCL로 구성된 필터(40)가 점선으로 표시되어 있으나, 이러한 필터는 사용되거나 사용되지 않을 수도 있다.

단, 필터가 사용되지 않더라도 부스트용 리액터인 L1은 반드시 사용되어야 하며, 필터가 사용되는 경우에 L1은 필터용 LC 혹은 LCL 회로와 결합되어 부스트용 및 필터용으로 사용되게 된다.

일반적으로 전력변환장치를 사용하여 변환되는 발전 전류는 고조파를 많이 포함하고 있으므로 거의 대부분이 하드웨어적인 필터를 사용하여 전류의 고조파를 제거하고 있다. 이에 상기 필터(40)를 전류의 고조파를 제거하는 용도로 사용한다.

도 3은 3상 동기 발전기에 적용될 수 있는 전력변환장치의 다른 예를 도시한 구성도로서, 백-투-백(Back-to-Back) 3-레벨 컨버터를 갖는 전력변환장치를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 도 3의 다른 예는 도 2의 예와 비교할 때 전력변환장치를 구성하는 각 발전기측 컨버터(10)와 계통측 컨버터(20)를 3-레벨 다이오드 클램프트(3-Level Diode Clamped) 컨버터로 구성한 것이다.

도시된 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터는 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터의 한 형태로서, 확장된 개념의 멀티-레벨 NPC 컨버터는 가장 대표적인 멀티-레벨 컨버터이다. 구조적인 특성으로는 N-레벨의 상전압을 얻기 위해 클램핑 다이오드(12,22)를 필요로 하지만 전체 DC-링크 전압을 단일 전원을 사용하여 충전시킬 수 있는 장점을 가진다.

도시된 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터를 적용하는 경우, 2-레벨 컨버터를 사용한 방식에 비해 전압 레벨이 하나 더 추가되므로 전류의 고조파가 상대적으로 적게 발생하며, 이에 필터의 크기를 작게 설계할 수 있다. 또한 2-레벨 컨버터와 같은 용량의 필터를 사용하더라도 고조파 전류의 크기를 더욱 감소시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.

즉, 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터에서는 각 스위칭소자(11,21)가 직렬 연결된 구조를 이루면서 턴-오프시의 균등한 차단전압분배를 이룰 수 있고, 컨버터 출력의 고조파를 같은 스위칭 주파수에서 비교할 때 2-레벨 컨버터보다 크게 줄일 수 있으므로 고성능의 고압 발전기 시스템에 널리 적용될 수 있다.

이러한 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터로 구성된 시스템의 전체적인 제어기능은 도 2의 2-레벨 컨버터로 구성된 시스템과 동일하게 사용될 수 있다.

그러나, 전체 컨버터를 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터로 구성하면, 대용량 및 고조파 측면에서 2-레벨 컨버터 사용시보다 우수한 특성을 가지지만, 2레벨 컨버터보다 많은 스위치 구성을 가지므로 전체 회로가 복잡해지고, DC-링크단의 중성점 전위를 제어해야 하는 등의 부가적인 단점을 가진다.

특히, 도 2에 나타낸 바와 같이 전체 시스템의 각 컨버터(10,20)를 2-레벨 컨버터만으로 구성하면, 고조파 발생의 문제 및 이를 감소시키기 위한 필터의 크기 증가 등의 문제가 있고, 도 3에 나타낸 바와 같이 전체 시스템의 각 컨버터(10,20)를 모두 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터로 구성하면, 고조파 전류의 감소 측면에서 보다 우수하다 할 수 있으나 회로 구성이 복잡해짐은 물론 하드웨어적 비용 측면에서 매우 분리해지는바, 상기한 두 가지 컨버터 방식의 장점을 가지면서 단점이 보완될 수 있는 시스템 개발이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 간단한 회로 구성으로 비용 측면에서 유리한 2-레벨 컨버터의 장점과 고조파 전류 특성이 우수한 3-레벨 NPC 컨버터의 장점을 동시에 가지는 동기 발전기의 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,

동기 발전기에 연결되는 발전기측 컨버터, 계통측에 연결되는 계통측 컨버터, 및 상기 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이의 DC 링크단이 상기 동기 발전기와 계통측 사이에서 병렬로 구성되는 전력변환장치에 있어서,

상기 발전기측 각 컨버터가 2-레벨 컨버터로 구성되고, 상기 계통측 각 컨버터 중 하나의 컨버터가 멀티-레벨 NPC 컨버터로 구성되며, 상기 멀티-레벨 NPC 컨버터를 제외한 나머지 계통측 각 컨버터가 2-레벨 컨버터로 구성되는 한편,

상기 멀티-레벨 NPC 컨버터가 DC-링크단 전압 제어와 함께 계통측 각 컨버터로부터 계통측으로 유입되는 고조파 전류를 보상하도록 제어하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 멀티-레벨 NPC 컨버터는 상기 제어부의 전압지령값에 따라 출력이 제어되는 3-레벨 NPC 컨버터가 될 수 있고, 또한 상기 3-레벨 NPC 컨버터는 스위칭소자와 클램핑 다이오드가 조합된 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터가 될 수 있다.

또한 상기 제어부는 전압검출부와 전류검출부에 의해 실시간 검출되는 계통측 전압(V_G), DC-링크단 전압(V_dc), 및 컨버터 입력전류를 사용하여 고조파 전류를 보상하기 위한 3-레벨 NPC 컨버터의 전압지령값을 출력하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 제어부는, 상기 계통측 전압과 DC-링크단 전압을 각각의 기준전압과 비교하여 d축 전류 기준값과 q축 전류 기준값을 산출하는 전압제어블록과; 상기 전압제어블록에서 출력되는 d축 전류 기준값과 q축 전류 기준값을 상기 컨버터 입력전류로부터 얻어지는 d축 전류와 q축 전류를 비교하여 d축 및 q축의 전압지령값을 산출하는 전류제어블록;으로 구성될 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 동기 발전기의 전력변환장치에 의하면, 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터를 회로 구성이 간단한 2-레벨 컨버터로 구성하되, 계통측 컨버터 중 하나를 고조파 전류 특성이 우수한 고품질 기능의 3-레벨 컨버터로 구성하고, 상기 3-레벨 NPC 컨버터가 DC-링크단 전압 제어와 함께 계통측 각 컨버터로부터 계통측에 유입되는 고조파 전류를 보상하는 기능을 가지도록 구성함으로써, 전체 3-레벨 컨버터로 구성되는 전력변환장치와 비교하여 하드웨어 비용을 줄일 수 있고, 고조파 전류 제어를 통해 2-레벨 컨버터로 구성되는 종래의 전력변환장치에 비해 발전기 출력의 품질 향상, 필터 크기 감소 등이 가능해지는 장점이 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 신재생에너지로서 풍력, 파력, 조력, 조류 등의 에너지원으로부터 전력을 얻기 위해 터빈에 의해 구동되는 동기 발전기로부터 전력을 변환하여 전력 계통에 제공하는 동기 발전기의 전력변환장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은, 종래의 백-투-백 2-레벨 컨버터를 갖는 동기 발전기용 전력변환장치를 개선한 것으로, 복수의 백-투-백(Back-to-Back) 컨버터들로 구성되는 전력변환장치에서, 계통측 컨버터 중 하나의 컨버터를 계통측의 고조파 전류를 보상하기 위한 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터로 구성하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 전력변환장치에서 발전기 및 계통 제어방식을 나타내는 개략도로서, 각 컨버터가 수행하는 제어기능을 보여주는 도면이다.

도 4에서 도면부호 31은 DC-링크단에 설치되는 커패시터를, 도면부호 V_dc는 DC-링크단 전압을 나타내며, 도면부호 V_a, V_b, V_c는 계통(그리드) 전압을 나타낸다.

또한 도 6은 본 발명의 전력변환장치에서 3-레벨 NPC 컨버터의 구동을 제어하기 위한 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 전력변환장치는 2-레벨 컨버터와 멀티-레벨 컨버터, 예로서 고품질의 3-레벨 NPC 컨버터를 조합하여 구성하되, 상기 3-레벨 NPC 컨버터가 DC-링크단 전압 제어와 함께 계통측 각 컨버터(20)로부터 계통측에 유입되는 고조파 전류를 보상하는 기능을 가지도록 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성된다.

도 4를 참조하면, 회전형 터빈(도시하지 않음)에 의해 구동되는 동기 발전기(SG)(1)가 구비되고, 예시한 바의 동기 발전기(1)에서 출력은 단일 3상으로 되어 있다.

또한 동기 발전기(1)에 적용되는 본 발명의 전력변환장치는 백-투-백 컨버터의 구성, 즉 동기 발전기(1)에 연결되는 발전기측 컨버터(10)와, 계통측에 연결되는 계통측 컨버터(20,20a)와, 상기 발전기측 컨버터(10)와 계통측 컨버터(20,20a) 사이에 구비되는 DC-링크단을 포함한 구성으로 되어 있다.

이때, 커패시터(31)를 포함하여 구성되는 DC-링크단을 양측의 컨버터가 공유하는 구조는 통상의 백-투-백 컨버터 구조를 갖는 동기 발전기용 전력변환장치와 비교할 때 차이가 없다.

실시예에서, 발전기측 컨버터(10)로는 6개의 스위칭소자(11)를 갖는 3상 2- 레벨 컨버터로 구성되고, 계통측 컨버터(20) 역시 발전기측 컨버터와 마찬가지로 3상 2-레벨 컨버터로 구성된다.

여기서, 스위칭소자(11,21)는 GTO(gate turn-off thyristors), IGBT(insulated gate bipolar transistors), IGCT(integrated gate commutated thyristors), BJT(bipolar juntion transistors), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors) 등과 같은 반도체 스위치가 될 수 있다.

또한 발전기측 컨버터(10)와 DC-링크단, 계통측 컨버터(20,20a)로 구성되는 전력변환부 복수개가 용량에 맞추어 병렬로 연결되어, 전체적으로는 병렬 시스템으로 구성 및 운전되는데, 동기 발전기(1)에 복수의 발전기측 컨버터(10)가 병렬로 연결되고, DC-링크단을 사이에 두고 각 발전기측 컨버터(10)에 계통측 컨버터(20,20a)가 연결되는바, 발전기측 컨버터(10), DC-링크단, 계통측 컨버터(20,20a)로 구성된 복수의 전력변환부가 발전기(1)와 전력 계통에 대해 병렬로 연결되어, 전체적으로 하나의 통합된 전력변환장치를 구성하게 된다.

또한 도 4의 구성에서, L1은 부스트 리액터로서, 이를 포함하여 LC 혹은 LCL로 구성된 필터(40)가 점선으로 표시되어 있으나, 이러한 필터는 종래와 마찬가지로 사용되거나 사용되지 않을 수도 있다.

본 발명에서는 후술하는 바와 같이 고조파 전류의 크기를 감소시키는 3-레벨 NPC 컨버터(20a)가 구비되므로, 종래의 백-투-백 2-레벨 컨버터 구성의 전력변환장치 또는 백-투-백 3-레벨 NPC 컨버터 구성의 전력변환장치에 비해, 필터의 크기를 작게 설계할 수 있으며, 만약 같은 용량의 필터를 사용하더라도 고조파 전류의 크 기를 더욱 감소시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.

한편, 본 발명의 전력변환장치에서 계통측 컨버터들 중 하나의 컨버터(20a)는 고품질 기능의 NPC 컨버터로 구성되며, 도 4에 나타낸 바와 같이 3-레벨 NPC 컨버터, 예를 들어 12개의 스위칭소자(21)와 클램핑 다이오드(22)를 포함하여 구성되는 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터로 구성될 수 있다.

통상의 전력변환장치에서, 발전기측 컨버터의 경우 스위칭소자의 전압정격이 DC-링크 전압(V_dc)을 충분히 감당할 수 있다면 2-레벨 컨버터로 전력변환장치를 구성하여 발전기를 제어하는 것이 비용 측면에서 유리하고, 계통측 컨버터의 경우 계통과 전류를 주고 받는 관계에 있으므로 고조파 특성이 우수한 3-레벨 NPC 컨버터를 사용하는 것이 전류의 THD(Total Harmonic Distortion) 측면과 필터 크기 측면에서 유리하다.

그러나, 계통측의 모든 컨버터를 3-레벨로 구성하는 것은 비용의 증대를 가져오게 되므로, 본 발명에서와 같이 여러 대의 계통측 컨버터 중에 한 대만을 3-레벨 컨버터로 구성하는 경우 하드웨어적인 비용을 줄일 수 있다.

단, 본 발명에서 3-레벨 NPC 컨버터(20a)는 후술하는 제어부에 의해 계통측의 고조파 전류를 보상하도록 동작 및 제어되는 컨버터가 된다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전력변환장치에서 각 컨버터가 수행하는 제어기능을 보여주고 있는바, 발전기측 컨버터(도 4에서 도면부호 10)는 발전기의 전력 제어, 및 발전기측 전압과 전류의 역률 제어를 수행하고, 3-레벨 NPC 컨버터 (도 4에서 도면부호 20a)를 제외한 나머지 계통측 컨버터(도 4에서 도면부호 20)는 종래와 마찬가지로 DC-링크단의 전압 제어, 및 계통측 전압과 전류의 역률 제어를 수행하게 된다.

상기와 같이 본 발명의 전력변환장치에서는, 다른 컨버터(10,20)들은 종래와 동일한 제어기능을 수행하지만, 상기 3-레벨 NPC 컨버터의 경우 역률 제어기능 없이 DC-링크단 전압 제어와 계통측 고조파 전류를 보상하는 제어를 수행하게 되며, 다른 계통측 컨버터에서 계통에 유입되는 고조파 전류를 제어하여 발전기 출력의 품질을 높일 수 있도록 동작하게 된다.

도 6은 3-레벨 NPC 컨버터가 고조파 전류를 보상하는 기능을 가지도록 제어하기 위한 제어부의 구성을 나타내는 도면으로서, 컨버터 제어를 위한 전압지령값을 출력하는 점에서는 다른 컨버터의 제어부와 차이가 없으나, 예시한 바와 같이 계통측 전압(V_G), DC-링크단 전압(V_dc), 컨버터 입력전류를 사용하여 전류의 고조파 보상을 위한 3-레벨 NPC 컨버터(도 4에서 도면부호 20a)의 전압지령값을 출력하는 점에서 차이가 있다.

도 6에서, V_{G _Ref}는 계통측 전압에 대한 회전좌표계상의 기준전압을 나타내고, V_G는 전압검출부(51)에 의해 실시간 검출되는 계통측 전압 V_a, V_b, V_c를 정지 3상에서 정지 2상으로 일차 축변환한 뒤 정지 2상에서 회전 2상으로 이차 축변환한 값으로서 실제 계통측 전압을 나타낸다.

또한 V_{dc _Ref}는 DC-링크단 전압의 기준전압을 나타내고, V_dc는 DC-링크단에서 커패시터(31) 양단에 연결된 전압검출부(52)에 의해 실시간 검출되는 DC-링크단의 실제 전압을 나타낸다.

또한 I_{d_Ref}는 d축 전류 기준값을, I_{q _Ref}는 q축 전류 기준값을 나타내며, I_d 및 I_q는 전류검출부(53)에 의해 실시간 검출되는 3-레벨 NPC 컨버터의 입력전류인 I_a, I_b, I_c를 정지 3상에서 정지 2상으로 변환한 뒤 정지 2상에서 회전 2상으로 변환한 d축 전류 및 q축 전류를 나타낸다.

본 발명에서 d축은 무효축이고 q축은 유효축이므로, 무효전류를 사용하여 계통측 전압을 일정하게 보상시키는 제어기능을 하고, 유효축성분은 DC-링크 전압을 충전하거나 계통측에 발전된 전력을 전달하는 제어기능을 하게 된다.

도시된 제어부의 구성에서, 전압제어블록(54)의 계통 전압용 제어기(55)는 실제 계통측 전압(V_G)과 기준전압(V_{G _Ref})을 비교하여 d축 전류 기준값(I_d-Ref)을 산출하고, DC-링크 전압용 제어기(56)는 DC-링크단의 실제 전압(V_dc)와 DC-링크단 전압의 기준전압(V_{dc _Ref})을 비교하여 q축 전류 기준값(I_{q_Ref})을 산출한다.

또한 전류제어블록(57)의 d축 제어기(58)는 전압제어블록(54)의 계통 전압용 제어기(55)에서 출력되는 d축 전류 기준값(I_d-Ref)과 d축 전류(I_d)를 비교하여 d축 전압지령값(V_{d_Ref})을 산출하고, q축 제어기(59)는 전압제어블록(54)의 DC-링크 전압용 제어기(56)에서 출력되는 q축 전류 기준값(I_q-Ref)와 q축 전류(I_q)를 비교하여 q축 전 압지령값(V_{q_Ref})을 산출한다.

이와 같이 유효축과 무효축에 대한 전압제어블록(54)의 제어기 출력값은 전류제어블록(57)의 제어기 기준값이 되며, 이 기준값은 전압제어블록(54)에서 3-레벨 NPC 컨버터(20a)의 입력전류(I_a,I_b,I_c)로부터 획득되는 d축 및 q축 전류(I_d,I_q)와 함께 전류제어를 수행하는데 사용되어, 최종적으로 회전 2상에서의 3-레벨 NPC 컨버터(20a)의 전압지령값(V_{d_Ref},V_{q_Ref)}을 실시간 출력하게 된다.

상기와 같이 출력되는 전압지령값을 사용하여 3-레벨 NPC 컨버터의 출력을 실시간 제어하는 방식은 공지된 통상의 방식이 이용될 수 있으며, 결국 도 6의 전압지령값에 따라 제어되는 3-레벨 NPC 컨버터(20a)는 계통측의 고조파 전류를 보상하는 제어를 수행하게 되어, 다른 계통측 컨버터(20)에서 계통에 유입되는 고조파 전류를 제어하는 동시에 발전기(1)의 출력 품질을 높일 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 종래 3상 동기 발전기에 적용될 수 있는 전력변환장치의 일 예를 도시한 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 발전기 및 계통(그리드) 제어방식을 나타내는 개략도로서, 각 컨버터가 수행하는 제어기능을 보여주는 도면이다.

도 3은 종래 3상 동기 발전기에 적용될 수 있는 전력변환장치의 다른 예를 도시한 구성도로서, 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터로 구성된 예를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 전력변환장치에서 발전기 및 계통 제어방식을 나타내는 개략도로서, 각 컨버터가 수행하는 제어기능을 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 전력변환장치에서 3-레벨 NPC 컨버터의 구동을 제어하기 위한 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 동기 발전기 10 : 발전기측 컨버터

11 : 스위칭소자 12 : 클램핑 다이오드

20 : 계통측 컨버터 20a : 3-레벨 NPC 컨버터

21 : 스위칭소자 22 : 클램핑 다이오드

31 : 커패시터 40 : 필터

54 : 전압제어블록 55 : 계통 전압용 제어기

56 : DC-링크 전압용 제어기 57 : 전류제어블록

58 : d축 제어기 59 : q축 제어기

Claims (5)

1. 동기 발전기(1)에 연결되는 발전기측 컨버터(10), 계통측에 연결되는 계통측 컨버터(20,20a), 및 상기 발전기측 컨버터(10)와 계통측 컨버터(20,20a) 사이의 DC 링크단이 상기 동기 발전기(1)와 계통측 사이에서 병렬로 구성되는 전력변환장치에 있어서,

   상기 발전기측 각 컨버터(10)가 2-레벨 컨버터로 구성되고, 상기 계통측 각 컨버터 중 하나의 컨버터(20a)가 멀티-레벨 NPC 컨버터로 구성되며, 상기 멀티-레벨 NPC 컨버터(20a)를 제외한 나머지 계통측 각 컨버터(20)가 2-레벨 컨버터로 구성되는 한편,

   상기 멀티-레벨 NPC 컨버터(20a)가 DC-링크단 전압 제어와 함께 계통측 각 컨버터(20)로부터 계통측으로 유입되는 고조파 전류를 보상하도록 제어하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 멀티-레벨 NPC 컨버터(20a)는 상기 제어부의 전압지령값에 따라 출력이 제어되는 3-레벨 NPC 컨버터인 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 3-레벨 NPC 컨버터는 스위칭소자(21)와 클램핑 다이오드(22)가 조합된 3-레벨 다이오드 클램프트 컨버터인 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 제어부는 전압검출부(51,52)와 전류검출부(53)에 의해 실시간 검출되는 계통측 전압(V_G), DC-링크단 전압(V_dc), 및 컨버터 입력전류를 사용하여 고조파 전류를 보상하기 위한 3-레벨 NPC 컨버터(20a)의 전압지령값을 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 계통측 전압(V_G)과 DC-링크단 전압(V_dc)을 각각의 기준전압(V_{G _Ref},V_{dc _Ref})과 비교하여 d축 전류 기준값(I_{d_Ref})과 q축 전류 기준값(I_{q_Ref})을 산출하는 전압제어블록(54)과;

   상기 전압제어블록(54)에서 출력되는 d축 전류 기준값(I_{d_Ref}) 및 q축 전류 기 준값(I_{q_Ref})을 상기 컨버터 입력전류로부터 얻어지는 d축 전류(I_d) 및 q축 전류(I_q)를 비교하여 d축 및 q축의 전압지령값(V_{d_Ref},V_{q_Ref})을 산출하는 전류제어블록(57);

   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기의 전력변환장치.

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