KR20120095248A - 집전 및 송전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템은 다수의 발전설비, 예를 들어 근해의 풍력 터빈(2)과 함께 사용될 수 있다. 발전설비는 2개 이상의 클러스터로 묶인다. 상기 시스템은 각각의 클러스터에 사용되는 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)를 포함하여 구성되고, 상기 직류 수집 네트워크는 적당한 버스바 또는 케이블에 의해 제공된다. 제1 직류/직류 컨버터(8)는 각각의 발전설비에 배치되고 직류 수집 네트워크에 연결된다. 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22)은 발전설비에서 생산된 전력을 육상의 변환소에 송출하는데 사용된다. 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리(12)는 직류 수집 네트워크와 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22) 사이에 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리(12)는 일실시예에서는 변환소(10)에 같이 배치된 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(14)을 포함하여 구성된다. 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 각각의 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 연결된 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b) 및 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22) 또는 인접한 직류/직류 컨버터 모듈 중 어느 하나에 연결된 제3 및 제4 직류 단자(18a, 18b)를 구비한다.

Description

집전 및 송전 시스템{Power collection and transmission systems}
본 발명은 집전 및 송전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들어 풍력 터빈, 해저 터빈 및 파도나 조수 간만의 차이를 이용하여 에너지를 얻는 기타 재생에너지 설비와 같은 발전설비에 사용되는 집전 및 송전 시스템에 관한 것이다.
발전기의 회전자를 구동하는 풍력 터빈을 이용하면 풍력에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 다수의 풍력 터빈은 클러스터(clusters) 내에 함께 연결되어 풍력 발전단지를 조성할 수도 있다.
환경에 대한 논의 및 관심 때문에 풍력 발전단지는 점차적으로 근해에 설치되는 추세이다. 이 경우 풍력 터빈에 의해 생산된 전력은 해안가로 송출되어야 하고 이를 위하여 해저케이블을 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 해저케이블은 고압 직류(HVDC, high-voltage direct current) 송전 방식을 사용한다.
본 발명은 2개 이상의 클러스터로 묶이는 다수의 발전설비, 예를 들어 풍력 터빈에 사용되는 집전 및 송전 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템은 각각의 클러스터에 사용되는 직류 수집 네트워크(dc collection network), 각각의 발전설비에 위치하여 직류 수집 네트워크에 연결되는 제1 직류/직류 컨버터(primary DC/DC converter), 제1 및 제2 직류 송전선(dc transmission lines), 직류 수집 네트워크와 제1 및 제2 직류 송전선 사이에 연결된 하나 이상의 제2 직류/직류 컨버터(secondary DC/DC converters)를 구비한 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리(secondary DC/DC converter assembly)를 포함하여 구성된다.
제2 직류/직류 컨버터는 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(DC/DC converter modules)을 포함하여 구성된다. 직류/직류 컨버터 모듈은 하나의 플랫폼(platform)에 같이 배치될 필요는 없고 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈은 (실제 떨어진 위치에 있더라도) 공동으로 제2 직류/직류 컨버터를 정의하게 된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈은 각각의 직류 수집 네트워크의 직류 전선(dc line)에 연결된 제1 및 제2 직류 단자를 구비하고, 선택적으로 공통의 직류 배전 버스바(dc distribution busbar) 또는 교환망(switching network)을 사용하여 연결된다. 공통의 직류 배전 버스바 또는 교환망은 각각의 직류 수집 네트워크와 그것이 결합되는 직류/직류 컨버터 모듈 사이의 스위치 및 직류 수집 네트워크를 서로 고립시키는 스위치를 포함하여 구성되는 것이 바람직하고, 공통의 직류 배전 버스바 또는 교환망은 (a) 직류 수집 네트워크는 서로 고립되는 반면에 직류 수집 네트워크의 일부 또는 전부와 직류/직류 컨버터 모듈 사이의 포인트 투 포인트 전력 흐름(point to point power flow)을 허용하는 작동방식, (b) 적어도 하나의 직류 수집 네트워크로부터 적어도 하나의 직류/직류 컨버터 모듈로 전력 흐름(power flow)을 허용하는 작동방식, (c) 적어도 하나의 직류 수집 네트워크는 고립되는 반면에 다수의 직류 수집 네트워크와 다수의 직류/직류 컨버터 모듈 사이의 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (d) 적어도 하나의 직류/직류 컨버터 모듈은 고립되는 반면에 다수의 직류 수집 네트워크와 다수의 직류/직류 컨버터 모듈 사이의 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (e) 직류 수집 네트워크와 그들이 결합되는 직류/직류 컨버터 모듈 사이의 전력 흐름을 허용하여 하나의 섬(island) 또는 다수의 갈바닉 전기 절연된 섬(galvanically isolated islands)으로 전기 연결되게 하는 작동방식 중 적어도 하나를 제공하도록 설계될 수 있다.
직류 수집 네트워크들은 하나의 제2 직류/직류 컨버터에 연결되거나 또는 각각의 직류 수집 네트워크가 각각의 제2 직류/직류 컨버터에 연결되고, 제2 직류/직류 컨버터는 제1 및 제2 송전선에 병렬 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터는 하나의 플랫폼에 같이 배치되거나 또는 예를 들어 관련 클러스터에 위치하여 발전단지 내에 분산 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템은 근해의 발전설비에 특히 적합하지만 해안가 또는 육지의 발전설비에도 적용 가능하다.
각각의 클러스터는 특정의 동작 요구사항에 따라 적당한 수의 발전설비를 포함하게 된다. 특히, 각각의 클러스터는 어떠한 출력 정격(power rating)도 가질 수 있다. 발전단지는 적당한 수의 클러스터에 배치된 적당한 수의 발전설비를 포함한다. 클러스터는 제2 직류/직류 컨버터에 병렬 연결되는데, 이 때 각각의 직류 수집 네트워크는 직류 스위치(dc switches) 또는 회로 차단기(circuit breakers)를 선택적으로 사용하여 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈의 각각 또는 공통의 직류 배전 버스바나 교환망 또는 대안적 배치에서 다수의 제2 직류/직류 컨버터의 각각에 연결되는 것이 바람직하다.
각각의 클러스터에 사용되는 직류 수집 네트워크는 해당 클러스터의 발전설비들로부터 관련 직류/직류 컨버터 모듈 또는 제2 직류/직류 컨버터로 일반적으로 고전압(HV, high voltage) 또는 중전압(MV, medium voltage)인 적당한 수집 전압을 운반하게 된다. 각각의 직류 수집 네트워크는 예를 들어 적어도 한 쌍의 직류 전선이 구비된 적당한 버스바 또는 케이블 형태일 수 있다. 각각의 직류 수집 네트워크가 제1 및 제2 직류 전선, 예를 들어 양(positive) 또는 음(negative)의 수집 전압을 운반하는 제1 직류 전선과 영(zero)에 가까운 전압을 운반하는 제2 직류 전선을 구비하는 경우에 이들은 1개의 이심 중전압 직류 케이블(two-core MVDC cable) 또는 2개의 단심 중전압 직류 케이블(single-core MVDC cables)에 의해 제공될 수 있다. 마찬가지로, 각각의 직류 수집 네트워크가 제1, 제2 및 제3 직류 전선, 예를 들어 양의 수집 전압을 운반하는 제1 직류 전선, 음의 수집 전압을 운반하는 제2 직류 전선 및 영(zero)에 가까운 전압을 운반하는 제3 직류 전선을 구비한 경우에 이들은 1개의 삼심 중전압 직류 케이블(three-core MVDC cable) 또는 3개의 단심 중전압 직류 케이블에 의해 제공될 수 있다. 각각의 클러스터의 발전설비에 사용되는 제1 직류/직류 컨버터는 관련 직류 수집 네트워크에 병렬 연결되는 것이 바람직하다. 그 결과로 각각의 직류 수집 네트워크는 관련 클러스터의 발전설비에서 생산된 전력을 수집하여 그 전력을 관련 직류/직류 컨버터 모듈 또는 제2 직류/직류 컨버터에 공급하고 나아가 제1 및 제2 직류 송전선을 통해 외부의 전원 네트워크(supply network) 또는 전력망(power grid)에 전달하게 된다.
각각의 제1 직류/직류 컨버터는 하나의 발전설비에 위치하게 된다. 즉, 제1 직류/직류 컨버터는 하나의 플랫폼에 같이 위치하지 않고 발전단지 내에 분산 배치된다. 만약 발전설비가 풍력 터빈이라면 제1 직류/직류 컨버터는 풍력 터빈 나셀(nacelle)을 지탱하는 타워(tower) 내에 위치할 수 있다. 제1 직류/직류 컨버터는 승압컨버터(step-up converters)로 동작하여 발전설비에서 관련 직류 수집 네트워크로 적당한 전압 수치로 전력을 공급하도록 설계되는 것이 바람직하다.
제1 직류/직류 컨버터는 예를 들어 변압기 없는 형태 또는 변압기는 있고 절연된 형태와 같은 적당한 구조(construction) 또는 토폴로지(topology)를 가지게 된다.
직류 수집 네트워크가 2개의 직류 전선을 가지는 배치에서 각각의 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 토폴로지를 가지는 것이 일반적이고 제1 직류 출력 단자에는 양 또는 음의 직류 출력만을 공급하고, 제2 직류 출력 단자는 영(zero)에 가까운 전압을 가지게 된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터의 2개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 병렬로 연결된다. 한편, 대칭 토폴로지를 가지는 제1 직류/직류 컨버터가 사용될 수도 있다. 이 경우에 각각의 제1 직류/직류 컨버터는 제1 직류 출력 단자에 양의 직류 출력을 공급하고 제2 직류 출력 단자에 음의 직류 출력을 공급하여, 양극 출력의 중간점은 영(zero)에 가까운 전압을 가지게 된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터의 두 개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 병렬로 연결된다. 채택된 접지 및 접지 사고 보호 전략에 따라 비대칭 또는 대칭 토폴로지 중에서 선택하게 된다.
직류 수집 네트워크가 3개의 직류 전선을 가지는 배치에서 각각의 제1 직류/직류 컨버터는 채택된 접지 및 접지 사고 보호 전략에 따라 비대칭 또는 대칭 토폴로지를 가지게 된다. 비대칭 토폴로지를 가지는 제1 직류/직류 컨버터는 양 또는 음의 직류 출력을 공급하게 될 뿐이다. 이는 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터의 일부는 양의 직류 출력을 공급하고 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터의 일부는 음의 직류 출력을 공급하도록 설계된다는 것을 의미한다. 양의 직류 출력을 공급하는 제1 직류/직류 컨버터의 두 개의 직류 출력 단자는 양의 수집 전압을 운반하는 제1 직류 전선 및 영(zero)에 가까운 전압을 운반하는 제3 직류 전선에 병렬 연결된다. 음의 직류 출력을 공급하는 제1 직류/직류 컨버터의 두 개의 직류 출력 단자는 음의 수집 전압을 운반하는 제2 직류 전선 및 영(zero)에 가까운 전압을 운반하는 제3 직류 전선에 병렬 연결된다. 대칭 토폴로지를 가지는 제1 직류/직류 컨버터는 양 및 음의 직류 출력을 공급하게 된다. 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터의 세 개의 직류 출력 단자는 제1, 제2 및 제3 직류 전선에 병렬 연결된다.
제1 및 제2 직류 송전선은 제2 직류/직류 컨버터에서 외부의 전원 네트워크 또는 전력망으로 일반적으로 고전압인 적당한 송전 전압(transmission voltage)을 운반하게 된다. 제1 및 제2 직류 송전선은 적당한 구조 또는 토폴로지를 가지는 컨버터에 의해 전원 네트워크 또는 전력망에 연결된다. 집전 및 송전 시스템은 포인트 투 육상 직류 송전(point-to-onshore dc transmission) 또는 전압원 컨버터(voltage source converters)를 채택한 다중 단자 직류 망상 그리드(multi-terminal dc mesh grids)용으로 사용될 수 있다. 제1 및 제2 직류 송전선은 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리가 근해에 위치하는 경우에 해저 사용에 특히 적합한 구조를 포함하는 적당한 구조, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 전도체가 구비된 단심 고전압 직류 해저 케이블(single-core HVDC subsea cables)일 수 있다.
직류/직류 컨버터 모듈 전부는 동일한 토폴로지를 가지게 되어 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리는 조립 및 유지보수와 관련하여 모듈 시스템(modular system)으로부터 이득을 볼 수 있게 된다. 모듈 시스템은 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리 및 이를 구성하는 개별적인 제2 직류/직류 컨버터가 발전단지에 요구되는 전압 및 출력 정격에 용이하게 일치되게 하고 리던던시(redundancy) 및 나아가 전체 시스템의 신뢰성(reliability)을 보다 향상시키게 된다.
제2 직류/직류 컨버터의 개별적인 직류/직류 컨버터 모듈은 승압 컨버터로 동작하여 직류 수집 네트워크에서 직류 송전 케이블로 적당한 전압 수치의 전력을 공급하도록 설계되는 것이 바람직하다. 전체적으로 보았을 때 제2 직류/직류 컨버터 또한 승압 컨버터로 동작하는 것이 바람직하다.
제2 직류/직류 컨버터는 직류/직류 컨버터 모듈 전부가 하나의 플랫폼에 같이 배치되는 변환소(converter station)로 설계될 수 있다. 하지만, 비교적 낮은, 예를 들어 200MW 이하의 출력 정격을 가지는 발전단지의 경우에 직류/직류 컨버터 모듈은 발전단지에 분산하여 발전설비에 배치시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 각각의 직류 수집 네트워크에 사용되는 직류/직류 컨버터 모듈은 관련 클러스터의 발전설비, 일반적으로 관련 클러스터의 마지막 발전설비에 위치하게 된다. “마지막 발전설비”란 클러스터 내에서 직류 수집 네트워크의 하류 측에 연결되어 직류/직류 컨버터 모듈에 전기적으로 가장 가까운 발전설비를 의미한다. 만약 발전설비가 풍력 터빈이라면 직류/직류 컨버터 모듈은 풍력 터빈 나셀을 지지하는 타워 내부 또는 타워에 인접한 허브 구조물(hub structure)에 위치하게 된다. 각각의 직류/직류 컨버터 모듈이 발전설비에 위치하는 배치를 “허브 타입(hub-type)”이라 하고 특정 환경에 따라 단극(monopole) 또는 양극(bipole) 배치를 가지게 된다. 단극 배치에서는 제2 직류/직류 컨버터를 형성하는 직류/직류 컨버터 모듈(또는 “허브(hubs)") 각각은 적당한 케이블 또는 버스바, 예를 들어 단심 고전압 직류 케이블로 함께 연결되어 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈은 양 또는 음의 송전 전압을 운반하는 제1 직류 송전선에 의해 전원 네트워크 또는 전력망에 연결되고 마지막 직류/직류 컨버터 모듈은 리턴 라인(return line)을 정의하는 제2 직류 송전선에 연결된다. 양극 배치에서는 직류/직류 컨버터 모듈의 일부는 함께 연결되어 제1 직류 송전선에 의해 양의 송전 전압을 공급하고 직류/직류 컨버터 모듈의 일부는 함께 연결되어 제2 직류 송전선에 의해 음의 송전 전압을 공급하게 된다.
아래에서 더 상세하게 설명되는 것처럼 직류/직류 컨버터 모듈은 송전 측에서 직렬로 함께 연결되는 것이 바람직하고 이는 변환소 타입(converter station-type) 또는 허브 타입(hub-type) 배치 모두에 적용될 수 있다.
첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈은 제1 직류 송전선에 연결된 제3 직류 단자 및 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자에 연결된 제4 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다. 마지막 직류/직류 컨버터 모듈을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 모듈은 그 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자에 연결되는 제4 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다. 마지막 직류/직류 컨버터 모듈은 제2 직류 송전선에 연결된 제4 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다.
단극 배치에서는 제1 직류 송전선은 일반적으로 고전압인 양 또는 음의 송전 전압을 운반하고 제2 직류 송전선은 영(zero)에 가까운 직류 전압을 운반하게 된다.
양극 배치에서는 제1 직류 송전선은 양의 송전 전압을 운반하고 제2 직류 송전선은 음의 송전 전압을 운반하며 또는 그 반대로 운반하게 된다. 양극 배치를 제공하면 직류/직류 컨버터 모듈의 일부는 양의 송전 전압을 공급하고 직류/직류 컨버터 모듈의 일부는 음의 송전 전압을 공급하도록 설계된다. 일반적인 배치에서는 제1 및 제2 직류 송전선에 의해 운반되는 양 및 음의 송전 전압이 거의 동일하도록 상기 직류/직류 컨버터 모듈의 할당 비율이 선택된다. 어떤 배치에서는 인접한 한 쌍의 직류/직류 컨버터 모듈을 접지(ground) 또는 어스(earth)에 연결함으로서 양극 배치를 이룰 수 있다. 보다 상세하세는, 만약 상술한 것처럼 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈의 제4 단자가 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 단자에 연결되면, 적당한 케이블, 버스바 등에 의한 상기 상호연결은 또한 접지 또는 어스에 연결될 수 있고, 따라서 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈의 제4단자 및 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈의 제3단자 각각은 접지 또는 어스에 연결되게 된다. 변환소에서는 전위 기준점(voltage potential reference point)으로 어스점(earth point) 추가가 필요할 수 있다. 인접한 한 쌍의 직류/직류 컨버터 모듈은 접지 또는 어스에 연결되는 대신에 평상시에는 영(zero)에 가까운 전압을 운반하지만 제2 직류/직류 컨버터 또는 그 각각의 일부에서 누전 또는 고장이 발생하여 제2 직류/직류 컨버터의 특정 직류/직류 컨버터 모듈만이 동작하는 경우에는 적당한 송전 전압을 운반하는데 사용될 수 있는 제3 직류 송전선에 연결된다.
직류 수집 네트워크 측에서는 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 제1 및 제2 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 연결되고, 선택적으로 공통의 배전 버스바 또는 교환망에 의해 연결될 수도 있다. 각각의 직류 수집 네트워크가 관련 제2 직류/직류 컨버터에 연결되는 대안적 배치에서 직류/직류 컨버터 모듈은 직류 수집 네트워크 측에서 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬 양자의 조합으로 상호 연결될 수 있다. 각각의 제2 직류/직류 컨버터는 하나 이상의 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 연결되는 제1 및 제2 직류 단자를 구비한다.
상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈의 각각은 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 유닛(DC/DC converter units)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 그 결과로 직류/직류 컨버터 모듈 자체도 모듈 시스템이 되어 이득을 본다. 상호 연결된 직류/직류 컨버터 유닛 각각은 변압기(transformer), 제1 변압기 권선(first transformer windings)에 연결된 직류/교류 컨버터 블록(DC/AC converter block) 및 제2 변압기 권선(second transformer windings)에 연결된 교류/직류 컨버터 블록(AC/DC converter block)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 변압기는 갈바닉 전기 절연을 제공하고 예를 들어 단상 또는 3상 방식의 중주파 또는 고주파 변압기일 수 있다. 직류/직류 컨버터 모듈은 단상 또는 3상 방식일 수 있다. 변압기는 종래의 고전압 직류 송전 설계에 사용되는 동일한 출력 정격을 가지는 선로 주파수 변압기(line frequency transformer)보다 훨씬 콤팩트(compact)하게 된다. 만약 중주파 변압기가 사용되면 직류/직류 컨버터 모듈은 약 400Hz ~ 20kHz의 작동 주파수 때문에 매우 높은 출력 밀도(power density)를 가지게 된다.
집전 및 송전 시스템을 통한 전력 흐름은 단일 방향으로 형성되어 발전설비에 의해 생산된 전력이 제1 및 제2 직류 송전선을 따라 전원 네트워크 또는 전력망에 공급된다. 하지만, 몇몇 경우에는 예를 들어 발전설비에 전력을 공급하거나 또는 몇 개의 근해의 풍력 발전단지 상호연결부에 전력 흐름을 제어하거나 또는 다중 고전압 직류 전력망(multi HVDC power grid)에 연결하는 데에 집전 및 송전 시스템을 이용하는 것이 유용할 수 있다. 그 결과로 전력 흐름은 양 방향으로 형성될 수 있고 제1 및 제2 직류/직류 컨버터의 토폴로지는 이에 따라 설계하게 된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류/교류 및 교류/직류 컨버터 블록은 예를 들어 IGBTs, ETOs, GCTs와 같은 적당한 전력 반도체 스위치 장치(power semiconductor switching devices)를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지(full-H bridges)나 하프 에이치 브릿지(half-H bridges) 또는 수동 정류를 제공하는 종래의 다이오드 브릿지(diode bridges)와 같은 적당한 토폴로지를 가지게 된다.
아래에서 더 상세하게 설명되는 것처럼 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류/직류 컨버터 유닛은 함께 연결된다.
직류/교류 컨버터 블록은 높은 출력 전압을 얻기 위해 직렬로 함께 연결되거나 또는 출력 전류를 증가시키기 위하여 병렬로 함께 연결되거나 또는 요구하는 중전압 수치와 출력 정격에 따라 직렬과 병렬의 양자를 조합하여 함께 연결된다.
직렬연결에서는 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록은 각각의 직류 수집 네트워크의 제1 직류 전선에 연결된 제1 직류 단자 및 다음의 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록의 제1 직류 단자에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다. 마지막 직류/직류 컨버터 유닛을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록은 다음의 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록의 제1 직류 단자에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다. 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록은 각각의 직류 수집 네트워크의 제2 직류 전선에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다.
병렬연결에서는 각각의 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록은 각각의 직류 수집 네트워크의 제1 직류 전선에 연결된 제1 직류 단자 및 동일한 직류 수집 네트워크의 제2 직류 전선에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다.
교류/직류 컨버터 블록 또한 높은 출력 전압을 얻기 위해 직렬로 함께 연결되거나 또는 출력 전류를 증가시키기 위해 병렬로 함께 연결되거나 또는 고전압 송전 전압 수치와 출력 정격에 따라 직렬과 병렬 양자를 조합하여 함께 연결될 수 있다.
직렬연결에서는 마지막 직류/직류 컨버터 유닛을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 다음의 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록의 제1 직류 단자에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다.
첫 번째인 직류/직류 컨버터 모듈에서는 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 제1 직류 송전선에 연결되는 것이 바람직한 제1 직류 단자를 구비한다. 마지막인 직류/직류 컨버터 모듈에서는 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 제2 직류 송전선에 연결되는 것이 바람직한 제2 직류 단자를 구비한다.
중간의 직류/직류 컨버터 모듈 전부는, 즉 첫 번째와 마지막을 제외한 모든 직류/직류 컨버터 모듈에 대해서 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 이전의 직류/직류 컨버터 모듈의 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록의 제2 직류 단자에 연결되는 것이 바람직한 제1 직류 단자를 구비한다. 마찬가지로, 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록의 제1 직류 단자에 연결되는 것이 바람직한 제2 직류 단자를 구비한다. 즉, 인접하는 중간의 직류/직류 컨버터 모듈의 첫 번째와 마지막의 교류/직류 컨버터 블록은 함께 연결되어 각기 다른 직류/직류 컨버터 모듈이 직렬로 상호 연결되게 한다.
병렬연결에서는 각각의 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록은 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자에 연결된 제1 직류 단자 및 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 제4 직류 단자에 연결된 제2 직류 단자를 구비하는 것이 바람직하다.
첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록의 제1 직류 단자는 직류/직류 컨버터 모듈의 제1 직류 단자를 실제적으로 정의하고 오프로드 스위치(off-load switch)에 의해 관련 직류 수집 네트워크의 제1 직류 전선에 연결될 수 있다. 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 직류/교류 컨버터 블록의 제2 직류 단자는 직류/직류 컨버터 모듈의 제2 단자를 실제적으로 정의하고 오프로드 스위치에 의해 관련 직류 수집 네트워크의 제2 직류 전선에 연결될 수 있다. 인접한 직류/교류 컨버터 유닛 사이의 상호 연결은 오프로드 스위치에 의해 관련 직류 수집 네트워크의 제3 직류 전선에 연결될 수 있다.
첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록의 제1 직류 단자는 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 단자를 실제적으로 정의한다. 마지막 직류/직류 컨버터 유닛의 교류/직류 컨버터 블록의 제2 직류 단자는 직류/직류 컨버터 모듈의 제4 단자를 실제적으로 정의한다. 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 및 제4 직류 단자는 직류 송전선의 하나 또는 상술한 것처럼 인접한 직류/직류 컨버터 모듈의 직류 단자에 연결될 수 있다. 인접한 직류/직류 컨버터 모듈의 교류/직류 컨버터 블록 사이는 적당한 케이블 또는 버스바, 예를 들어 단심 고전압 직류 케이블을 사용하여 연결될 수 있다. 제2 직류/직류 컨버터가 허브 타입 배치를 가지는 경우에는 인접한 직류/직류 컨버터 모듈의 교류/직류 컨버터 블록들은 비교적 먼 거리에 떨어져 위치하고 그들을 연결하는데 사용되는 케이블 또는 버스바는 그에 맞게 선택되어져야 한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 근해의 풍력 발전단지에서는 외부 케이블은 해저 용도에 특히 적합한 구조를 가지게 된다. 변환소 타입 배치에서는 인접한 직류/직류 컨버터 모듈의 교류/직류 컨버터 블록들은 서로 매우 근접하여 위치하게 되므로 용이하게 연결될 수 있다.
실제로 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류 단자에 대한 모든 연결은 오프로드 스위치 또는 회로 차단기를 포함할 수 있다. 직류/직류 컨버터 유닛의 고유한 고장 전류 제한 능력(fault current limited capacity)은 어떠한 네트워크 장애의 방지 및 고립도 도울 수 있게 된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈은 또한 제3 및 제4 직류 단자 사이에 바이패스 스위치(by-pass switch)를 포함하여 구성되어 고장이나 수리의 경우에 해당 직류/직류 컨버터 모듈이 전체적으로 우회될 수 있도록 한다.
발전설비는 집전 및 송전 시스템에 전력을 공급하기 위한 전기기기, 예를 들어 발전기를 포함하여 구성되는 풍력 터빈일 수 있다. 각각의 전기기기는 직류 전력을 공급하여 각각의 전기기기의 단자는 관련 제1 직류/직류 컨버터에 바로 연결될 수 있다. 한편, 전기기기는 교류 전력을 공급하는 예를 들어 종래의 영구 자석 타입 또는 유도 타입 발전기로 설계될 수 있다. 이 경우에는 보조 교류/직류 컨버터가 전기기기의 단자와 관련 제1 직류/직류 컨버터 사이에 구비될 것이다.
본 발명에서 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리는 조립 및 유지보수와 관련하여 모듈 시스템으로부터 이득을 볼 수 있게 된다. 모듈 시스템은 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리 및 개별적인 제2 직류/직류 컨버터가 발전단지에 요구되는 전압 및 전력 정격에 용이하게 일치되게 하고 리던던시 및 나아가 전체 시스템의 신뢰성을 보다 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈의 각각은 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 유닛을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 그 결과로 직류/직류 컨버터 모듈 자체도 모듈 시스템이 되어 이득을 보는 효과도 있다.
도1은 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조를 가지며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 이심 중전압 직류 케이블 또는 2개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 변환소 내에서 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 양극 송전 네트워크에 직렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제1 실시예를 도시한 계통도.
도2는 집전 및 송전 시스템의 제1 실시예가 사용되는 풍력 발전단지 전체를 도시한 계통도.
도3은 집전 및 송전 시스템의 제1 실시예에 사용되어 양방향 전력 흐름을 공급하는 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류/직류 컨버터 유닛의 토폴로지를 도시한 계통도.
도4는 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 삼심 중전압 직류 케이블 또는 3개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 변환소 내에서 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 양극 송전 네트워크에 직렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제2 실시예를 도시한 계통도.
도5는 제1 직류/직류 컨버터는 대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 삼심 중전압 직류 케이블 또는 3개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 변환소 내에서 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 양극 송전 네트워크에 직렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제3 실시예를 도시한 계통도.
도6은 집전 및 송전 시스템의 제2 및 제3 실시예에 사용되어 양방향 전력 흐름을 공급하는 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류/직류 컨버터 유닛의 토폴로지를 도시한 계통도.
도7은 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 각각의 클러스터가 그 근처의 직류/직류 컨버터 모듈을 구비하는 허브 타입 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 이심 중전압 직류 케이블 또는 2개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 관련 허브에 연결되고, 근처의 직류/직류 컨버터 모듈의 출력들은 직렬 연결되어 양극 송전 네트워크에 연결되는 양극 출력을 공급하는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제3 실시예를 도시한 계통도.
도8은 집전 및 송전 시스템의 제4 실시예가 사용되는 풍력 발전단지 전체를 도시한 계통도.
도9는 제1 직류/직류 컨버터는 대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 각각의 클러스터가 그 근처의 직류/직류 컨버터 모듈을 구비하는 허브 타입 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 삼심 중전압 직류 케이블 또는 3개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 관련 허브에 연결되고, 근처의 직류/직류 컨버터 모듈의 출력들은 직렬 연결되어 양극 송전 네트워크에 연결되는 양극 출력을 공급하는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제5 실시예를 도시한 계통도.
도10은 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 이심 중전압 직류 케이블 또는 2개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 변환소 내에서 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 단극 송전 네트워크에 직렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제6 실시예를 도시한 계통도.
도11은 집전 및 송전 시스템의 제6 실시예에 사용되어 양방향 전력 흐름을 공급하는 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 직류/직류 컨버터 유닛의 토폴로지를 도시한 계통도.
도12는 제1 직류/직류 컨버터는 대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 삼심 중전압 직류 케이블 또는 3개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 변환소 내에서 한 쌍의 상호 연결된 제2 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 직렬 연결되어 양극 출력을 공급하며, 각각의 양극 출력은 양극 송전 네트워크에 병렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제7 실시예를 도시한 계통도.
도13은 제1 직류/직류 컨버터는 비대칭 타입이고, 제2 직류/직류 컨버터는 변환소 구조이며, 각각의 클러스터의 제1 직류/직류 컨버터는 1개의 이심 중전압 직류 케이블 또는 2개의 단심 중전압 직류 케이블을 사용하여 추가적인 직류 배전 버스바 또는 교환망에 의해 변환소 내에서 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 출력은 양극 송전 네트워크에 직렬 연결되는 본 발명에 따른 집전 및 송전 시스템의 제8 실시예를 도시한 계통도.
도14는 도13의 직류 배전 버스바를 도시한 계통도.
본 발명에서 교류/직류 및 직류/교류 컨버터 블록은 발전설비에서 전원 네트워크 또는 전력망으로의 전력 흐름의 방향을 기준으로 명명하기로 한다. 즉, 발전설비에서 전원 네트워크 또는 전력망으로의 전력 흐름의 방향으로 직류/교류 컨버터 블록은 직류 입력을 교류 출력으로 변환하고 교류/직류 컨버터 블록은 교류 입력을 직류 출력으로 변환하게 된다.
집전 및 송전 시스템은 두 개 이상의 클러스터를 이루는 다수의 발전설비에 사용되도록 설계된다. 클러스터의 개수(m) 및 각각의 클러스터에서의 발전설비의 개수(n)는 발전단지의 전체 설계 및 운영 요구조건에 따라 달라진다. 제1 직류/직류 컨버터 및 제2 직류/직류 컨버터의 직류/직류 컨버터 모듈의 적당한 출력 정격은 이에 따라 선택된다. 아래에 설명되는 집전 및 송전 시스템의 모든 실시예는 공통되는 부분을 일부 공유하게 되므로 동일한 기술구성이나 장치에 대하여 동일한 도면 부호를 적절한 장소에서 사용하게 될 것이다.
이하에서는 첨부된 도1 내지 도3을 참조하여 504MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제1 실시예를 설명하면 다음과 같다.
다수의 풍력 터빈(2)은 병렬 배치된 14개의 클러스터 C1, C2,…, C14(즉, m=14)로 묶인다. 각각의 클러스터는 6개의 풍력 터빈(즉, n=6)을 포함하여 풍력 발전단지는 총 84개의 풍력 터빈을 포함하게 된다. 풍력 발전단지 토폴로지는 도2에 개략적으로 도시되어 있으며 여기서 각각의 풍력 터빈은 도트(dot)로 표시된다.
상술한 배치에서 각각의 풍력 터빈은 6MW의 출력 정격을 가지고 그 결과로 각각의 클러스터는 36MW를 공급하게 된다.
각각의 풍력 터빈은 회전축에 설치된 터빈 블레이드 어셈블리(turbine blade assembly)를 구비하고 발전기(4)로 유입되는 풍력에너지의 양을 최적화 및/또는 제한하기 위해 날개각 작동기(pitch actuator)에 의해 날개각(pitch)을 제어할 수 있다. 발전기(4)는 교류 전력을 공급하는 직접 구동(direct drive), 영구 자석(permanent magnet) 또는 유도(induction) 타입일 수 있다. 이 경우에 보조 교류/직류 컨버터(6)가 발전기 단자와 제1 직류/직류 컨버터(8) 사이에 구비된다. 직류 전력을 공급하기 위해 다른 발전기(4′)가 사용될 수 있고 이 경우에는 보조 교류/직류 컨버터는 불필요하며 발전기 단자는 제1 직류/직류 컨버터(8)에 바로 연결된다. 다른 발전기(4′) 각각은 설계자가 보다 유연성을 가지고 성능을 향상시킬 수 있는 정전 파워 일렉트로닉스(static power electronics)를 이용한 전기 정류자 회로(electronic commutator circuit)가 구비된 “능동(active)" 고정자를 포함하여 구성된다. 파워 일렉트로닉스는 모듈식으로 전기기기 내에 완전 통합되어 냉각 시스템, 보조 시스템, 구조물 및 부속물을 공유하여 높은 전력 밀도(power density)를 달성하게 된다.
각각의 클러스터에서의 풍력 터빈은 다른 타입의 발전기로 상이하게 설계될 수 있다는 것을 도1에서 명백히 알 수 있다. 하지만, 실제로는 설치와 수리를 용이하게 하기 위하여 풍력 발전단지 또는 각각의 클러스터에서의 풍력 터빈 모두는 동일한 타입의 발전기로 동일하게 설계되는 것이 바람직하다.
제1 직류/직류 컨버터(8)는 각각의 풍력 터빈(2)에 위치하게 된다. 따라서 풍력 발전단지는 총 84개의 제1 직류/직류 컨버터를 포함하여 구성된다. 제1 직류/직류 컨버터는 각각의 풍력 터빈의 타워 내에 다른 보조 구성요소와 함께 설치된다. 제1 직류/직류 컨버터는 승압 컨버터로 동작하고 상술한 배치에서 비대칭 토폴로지를 가지게 된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터에 대한 직류 입력은 5kV이고 직류 출력 또는 수집 전압은 +24kV(1600A)이며 이에 한정되지 아니하고 다른 직류 입력 및 직류 출력이 사용될 수 있다. 제1 직류/직류 컨버터(8)는 풍속이 변할 때에 일정한 직류 출력을 공급하도록 온라인 탭 절환기(on-line tap changers) 기능을 수행할 수 있다.
제1 직류/직류 컨버터(8)는 6MW의 출력 정격을 가지고 적당한 구조나 토폴로지를 가질 수 있다.
각각의 클러스터(C1, C2, …, C14)에는 직류 수집 네트워크(N)가 구비된다. 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 +24kV의 중전압(MV) 수집 전압을 운반하는 제1 (양의) 직류 전선 및 영(zero)에 가까운 직류 전압을 운반하는 제2 직류 전선(GND로 표시)을 구비한 1개의 이심 케이블 또는 2개의 단심 케이블을 포함하여 구성된다. 다른 수집 전압도 가능하다는 것은 쉽게 알 수 있다. 클러스터의 각각의 풍력 터빈에 사용되는 제1 직류/직류 컨버터(8)는 직류 수집 네트워크에 병렬 연결된다. 즉, 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)에는 첫 번째 클러스터(C1)의 6개의 제1 직류/직류 컨버터(8)가 병렬 연결되고 두 번째 직류 수집 네트워크(N2)에는 두 번째 클러스터(C2)의 6개의 제1 직류/직류 컨버터(8)가 병렬 연결되며 이하 같다. 도2에서 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 특정 클러스터의 풍력 터빈(2) 각각을 변환소(10)에 연결하는 가는 선들로 개략적으로 표시된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터(8)의 두 개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1 및 제2 직류 전선에 병렬 연결된다.
도시되지는 않았지만, 각각의 제1 직류/직류 컨버터(8)의 직류 출력 단자는 오프로드 스위치 또는 직류 회로 차단기에 의해 직류 수집 네트워크(N)에 연결되어 고장이나 유지보수의 경우에 풍력 터빈(2)을 집전 및 송전 시스템으로부터 고립시키게 된다.
집전 및 송전 시스템은 제2 직류/직류 컨버터(12)를 포함하여 구성된다. 제2 직류/직류 컨버터(12)는 변환소(10)에 같이 위치하는 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(14)을 포함하여 구성된다. 14개의 직류/직류 컨버터 모듈 141, 142, …, 1414(즉, k=14)가 구비되고 각각은 36MW의 출력 정격 또는 관련 클러스터와 같은 출력 정격을 가지게 된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b)를 구비한다. 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b)는 관련 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제1 및 제2 직류 단자(16a1, 16b1)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 직류 전선에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제1 및 제2 직류 단자(16a2, 16b2)는 두 번째 직류 수집 네트워크(N2)의 직류 전선에 연결되며 이하 같다. 각각의 클러스터(C1, C2, …, C14)의 풍력 터빈(2)에 의해 생산된 전력은 관련 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)에 의해 제2 직류/직류 컨버터(12)의 관련 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 1414)에 공급된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 또한 제3 및 제4 직류 단자(18a, 18b)를 구비한다. 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제3 단자(18a1)는 제1 (양의)직류 송전선(20)에 연결된다. 마지막 직류/직류 컨버터 모듈(1414)의 제4 단자(18b14)는 제2 (음의) 직류 송전선(22)에 연결된다. 직류 송전선(20, 22)은 적당한 구조, 예를 들어 단심 고전압 직류 케이블 구조를 가질 수 있고 양극 배치에서 ±200kV(1250A)의 고전압(HV) 송전 전압을 운반하게 된다. 직류 송전선(20, 22)은 다양한 형태의 육상의 전원 네트워크 또는 전력망(미도시)에 연결될 수 있고, 선택적으로 변환소에 의해 연결될 수 있다.
직류/직류 컨버터 모듈의 일부(141, 142, …, 147)는 양의 송전 전압을 공급하도록 설계되고, 직류/직류 컨버터 모듈의 일부(148, 149, …, 1414)는 음의 송전 전압을 공급하도록 설계된다. 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(147, 148)은 어스 또는 접지 연결에 연결된다. 보다 상세하게는, 도1에서 도시된 것처럼 직류/직류 컨버터(147)의 제4 직류 단자(18b7)는 직류/직류 컨버터(148)의 제3 직류 단자(18a8)에 연결되고 또한 어스 연결에도 연결된다. 도시되지 않은 대안적 설계에서 어스 또는 접지 연결은 제3 직류 송전선으로 대체될 수 있다. 집전 및 송전 시스템의 정상 동작시에는 제3 직류 송전선은 영(zero) 전압을 운반하게 될 것이다. 하지만, 하나 이상의 직류/직류 컨버터 모듈(14)에서 고장이 발생하면 제3 직류 송전선이 송전 전압을 운반하게 되어 제2 직류/직류 컨버터(12)가 제 기능을 다할 수 있게 된다. 예를 들어, 양의 송전 전압을 공급하도록 설계된 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 147) 중 일부에 고장이 발생하면 이를 고립시켜 제3 직류 송전선을 통해 양의 송전 전압을 공급하고 제2 직류 송전선(22)을 통해 음의 송전 전압을 공급하여 제2 직류/직류 컨버터(12)는 제 기능을 유지하게 된다. 고장난 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 예를 들어 수리를 용이하게 하기 위하여 이미 설명한 것처럼 고립시키게 되지만 잘 알려진 직렬 리던던시 원칙(principles of series redundancy)에 따라 회로에 남겨둘 수도 있다. 어떠한 경우에든 제2 직류/직류 컨버터(12) 전체에 대한 고장난 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 출력 전압 기여도는 영(zero)이 될 것이다. 위와 같은 환경에서는 감소된 송전 전압이 공급될 것이라는 것은 쉽게 예상할 수 있다. 한편, 제2 직류/직류 컨버터(12)는 충분한 출력 전압 한계 및 변동률을 가지도록 설계되어 적어도 하나의 직류/직류 컨버터 모듈(14)이 고장나서 출력 전압에 기여하지 못하더라도 원하는 출력 전압을 얻을 수 있게 한다.
집전 및 송전 시스템은 또한 제1 직류 송전선(20)은 양 또는 음의 고전압 송전 전압을 운반하고 제2 직류 송전선(22)은 리턴 전압(return voltage)을 운반하는 단극 배치를 가질 수도 있고 그 역도 또한 같다. 이 경우에 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(147, 148) 사이의 어스 또는 접지 연결은 제거될 수 있다.
제2 직류/직류 컨버터의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 아래에서 더 상세하게 설명되는 것처럼 직렬로 상호 연결된다. 도1에서는 14개의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 1414)을 도시하였지만 클러스터의 개수 및 풍력 발전단지의 전체적인 설계 요구사항에 따라 제2 직류/직류 컨버터(12)는 적당한 수의 직류/직류 컨버터 모듈을 구비할 수 있다는 것을 알 수 있다.
마지막 직류/직류 컨버터 모듈(1414)을 제외하고 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 제4 단자(18b)는 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자(18a)에 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제4 직류 단자(18b1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제3 직류 단자(18a2)에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제4 직류 단자(18b2)는 세 번째 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제3 직류 단자(18a3)에 연결되며 이하 같다.
고전압 송전 측에서 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(14) 사이는 적당한 버스바 또는 직류 케이블을 사용하여 직렬로 상호 연결될 수 있다.
직류/직류 컨버터 모듈(14)은 승압 컨버터로 동작하고 아래에서 도3과 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 일련의 직류/직류 컨버터 유닛(24)을 포함하여 구성된다. 도3에 도시된 배치에서는 각각의 직류/직류 컨버터 모듈이 12개의 직류/직류 컨버터 유닛(즉, p=12)을 구비하지만 설계 요구사항에 따라 적당한 수의 직류/직류 컨버터 유닛이 구비될 수 있다는 것을 알 수 있다.
각각의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 직류/교류 컨버터 블록(26) 및 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 교류/직류 컨버터 블록(28)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 배치는 양 방향 전력 흐름에 적합하여 특정 환경에서 전력은 전원 네트워크(미도시)에서 각각의 풍력 터빈의 발전기(4)로 공급될 수 있게 된다. 대안적 배치에서 교류/직류 컨버터 블록(28)은 수동 정류기로 동작하는 다이오드 브릿지로 설계될 수 있다. 상기 대안적 배치는 풍력 터빈에서 전원 네트워크로의 단일 방향 전력 흐름에 적합하고 교류/직류 컨버터 블록(28)은 인버터 기능을 제공할 필요가 없게 된다.
직류/교류 및 교류/직류 컨버터 블록(26, 28)은 갈바닉 전기 절연을 제공하는 중주파 또는 고주파 변압기(30)의 각 측면에 구비된다.
각각의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 직류 단자의 제1 쌍(32a, 32b) 및 직류 단자의 제2 쌍(34a, 34b)을 포함하여 구성된다. 직류 단자의 제1 쌍(32a, 32b)은 각각의 직류/교류 컨버터 블록(26)의 직류 단자로 정의되고 직류 단자의 제2 쌍(34a, 34b)은 각각의 교류/직류 컨버터 블록(28)의 직류 단자로 정의된다. 각각의 직류/교류 컨버터 블록(26)의 교류 단자는 변압기(30)의 제1 권선에 연결된다. 각각의 교류/직류 컨버터 블록(28)의 교류 단자는 변압기(30)의 제2 권선에 연결된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 아래에서 보다 상세하게 설명되는 것처럼 상호 연결된다.
도3에서는 직류/교류 컨버터 블록(26)이 직렬로 상호 연결되어 도시되었지만, 병렬 연결되거나 또는 직렬과 병렬 양자가 조합되어 연결될 수도 있다. 보다 상세하게는, 각각의 직류/교류 컨버터 블록(261, 262, …, 26P)의 제1 직류 단자(32a1, 32a2, …, 32aP)는 직류/직류 컨버터 모듈과 결합된 직류 수집 네트워크의 제1 직류 전선에 연결되고 각각의 직류/교류 컨버터 블록의 제2 직류 단자(32b1, 32b2, …, 32bP)는 동일한 직류 수집 네트워크의 제2 직류 전선에 연결될 수 있다.
첫 번째 직류/교류 컨버터 블록(261)의 제1 직류 단자(32a1)는 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제1 직류 단자(16a)를 정의하게 되고 직류/직류 컨버터 모듈과 결합된 직류 수집 네트워크의 제1 직류 전선에 연결된다. 마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(26P)을 제외하고, 각각의 직류/교류 컨버터 블록(26)의 제2 직류 단자(32b)는 다음의 직류/직류 컨버터 유닛을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록의 제1 직류 단자(32a)에 직렬로 상호 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛(241)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(261)의 제2 직류 단자(32b1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 유닛(242)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(262)의 제1 직류 단자(32a2)에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 유닛(242)을 구성하는 직류/교류 컨버터 유닛(262)의 제2 직류 단자(33b2)는 세 번째 직류/직류 컨버터 유닛(243)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(263)의 제1 직류 단자(32a3)에 연결되며 이하 같다. 끝에서 두 번째의 직류/직류 컨버터 유닛(24(P-1))을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(26(P-1))의 제2 직류 단자(32b(P-1))는 마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(26P)의 제1 직류 단자(32aP)에 연결된다.
마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(26P)의 제2 직류 단자(32bP)는 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제2 직류 단자(16b)를 정의하고 직류/직류 컨버터 모듈과 결합된 직류 수집 네트워크의 제2 직류 전선에 연결된다.
교류/직류 컨버터 블록(28)은 또한 직렬로 상호 연결된다. 하지만, 교류/직류 컨버터 블록은 병렬 또는 병렬과 직렬 양자의 조합으로 상호 연결될 수도 있다는 것을 쉽게 알 수 있다.
첫 번째 교류/직류 컨버터 블록(281)의 제1 직류 단자(34a1)는 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제3 직류 단자(18a)를 정의하게 된다. 만약 직류/직류 컨버터 모듈이 첫 번째 모듈, 즉 도1에 도시된 직류/직류 컨버터 모듈(141)이라면 첫 번째 교류/직류 컨버터 블록(281)의 제1 직류 단자(34a1)는 제1 직류 송전선(20)에 연결된다. 그렇지 않으면, 첫 번째 교류/직류 컨버터 블록(281)의 제1 직류 단자(34a1)는 이전의 직류/직류 컨버터 모듈의 마지막 교류/직류 컨버터 블록(28P)의 제2 직류 단자(34bP)에 연결된다.
마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(28P)을 제외하고 각각의 교류/직류 컨버터 블록(28)의 제2 직류 단자(34b)는 다음의 직류/직류 컨버터 유닛을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록의 제1 직류 단자(34a)에 직렬로 상호 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛(241)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(281)의 제2 직류 단자(34b1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 유닛(242)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(282)의 제1 직류 단자(34a2)에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 유닛(242)을 구성하는 교류/직류 컨버터 유닛(282)의 제2 직류 단자(34b2)는 세 번째 직류/직류 컨버터 유닛(243)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(283)의 제1 직류 단자(34a3)에 연결되며 이하 같다. 끝에서 두 번째의 직류/직류 컨버터 유닛(24(P-1))을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(28(P-1))의 제2 직류 단자(34b(P-1))는 마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(28P)의 제1 직류 단자(34aP)에 연결된다.
마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24P)을 구성하는 교류/직류 컨버터 블록(28P)의 제2 직류 단자(34bP)는 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제4 직류 단자(18b)를 정의하게 된다. 만약 직류/직류 컨버터 모듈이 마지막 모듈, 즉 도1에 도시된 직류/직류 컨버터 모듈(1414)이라면, 마지막 교류/직류 컨버터 블록(28P)의 제2 직류 단자(34bP)는 제2 직류 송전선(22)에 연결된다. 그렇지 않으면, 마지막 교류/직류 컨버터 블록(28P)의 제2 직류 단자(34bP)는 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 첫 번째 교류/직류 컨버터 블록(281)의 제1 직류 단자(34a1)에 연결된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)이 제2 직류/직류 컨버터의 나머지 직류/직류 컨버터 모듈로부터 고립되도록 하기 위하여 제3 및 제4 직류 단자(18a, 18b) 사이에 바이패스 스위치(36)가 연결될 수 있다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제1, 제2, 제3 및 제4 직류 단자(16a, 16b, 18a, 18b)에 대한 외부 연결은 오프로드 스위치(38)에 의해 이루어질 수 있다.
이하에서는 첨부된 도4 및 도5를 참조하여 504MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제2 및 제3 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제2 및 제3 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 상기 제1 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하지만, 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 +24kV의 중전압(MV) 수집 전압을 운반하는 제1 (양의) 직류 전선, 영(zero)에 가까운 직류 전압을 운반하는 제2 직류 전선(GND로 표시) 및 -24kV의 중전압 수집 전압을 운반하는 제3 (음의) 직류 전선이 구비된 1개의 삼심 케이블 또는 3개의 단심 케이블을 포함하여 구성된다. 다른 수집 전압도 가능하다는 것은 쉽게 알 수 있다.
도4에 도시된 집전 및 송전 시스템의 제2 실시예에서는 제1 직류/직류 컨버터(8)가 비대칭 토폴로지를 갖는다. 제1 직류/직류 컨버터(8)의 일부는 +24kV(1600A)의 직류 출력을 공급하고 그들의 두 개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1 및 제2 직류 전선에 병렬 연결된다. 다른 제1 직류/직류 컨버터(8)는 -24kV(1600A)의 직류 출력을 공급하고 그들의 두 개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제2 및 제3 직류 전선에 병렬 연결된다.
도5에 도시된 집전 및 송전 시스템의 제3 실시예에서는 제1 직류/직류 컨버터(9)가 대칭 토폴로지를 가지고 ±24kV(800A)의 직류 출력을 공급한다. 따라서 각각의 제1 직류/직류 컨버터(9)의 3개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1, 제2 및 제3 전선에 병렬 연결된다.
집전 및 송전 시스템의 제2 및 제3 실시예 모두에서 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(12)은 제1, 제2 및 제3 직류 단자(40a, 40b, 40c)를 구비한다. 이들은 관련 직류 수집 네트워크의 직류 전선에 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제1 직류 단자(40a1)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제1 (양의) 직류 전선에 연결되고, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제2 직류 단자(40b1)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제2 직류 전선에 연결되며, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제3 직류 단자(40c1)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제3 (음의) 직류 전선에 연결된다.
집전 및 송전 시스템의 제2 및 제3 실시예 모두의 직류/교류 컨버터 블록(26)과 교류/직류 컨버터 블록(28)은 도6에 도시되고 집전 및 송전 시스템의 제1 실시예와 관련하여 상술한 것처럼 직렬로 상호 연결된다. 하지만, 직류/교류 컨버터 블록(26)이 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제2 직류 단자(40b)를 정의하는 방식으로 연결된다는 것은 쉽게 알 수 있다. 특히 제2 직류 단자(40b)는 여섯 번째 직류/직류 컨버터 유닛(246)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(266)의 제2 직류 단자(32b6)와 일곱 번째 직류/직류 컨버터 유닛(247)을 구성하는 직류/교류 컨버터 블록(267)의 제1 직류 단자(32a7) 사이에 이미 존재하는 상호 연결 부분에 연결된다.
각각의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 직류/교류 컨버터 블록(26) 및 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 교류/직류 컨버터 블록(28)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 배치는 양 방향 전력 흐름에 적합하여 특정 환경에서 전력은 전원 네트워크(미도시)로부터 각각의 풍력 터빈의 발전기(4)로 공급된다. 대안적 배치에서 교류/직류 컨버터 블록(28)은 수동 정류기로 동작하는 다이오드 브릿지로 설계될 수 있다. 상기 대안적 배치는 풍력 터빈에서 전원 네트워크로의 단일 방향의 전력 흐름에 적합하고 교류/직류 컨버터 블록(28)은 인버터 기능을 제공할 필요가 없게 된다.
이하에서는 첨부된 도7 및 도8을 참조하여 144MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제4 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제4 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 상기 제1 내지 제3 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하지만, 제2 직류/직류 컨버터(12)는 다르게 설계된다. 직류/직류 컨버터 모듈(14)이 변환소(10)에 같이 배치되지 아니하고 풍력 발전단지에 분산 배치된다. 즉, 제2 직류/직류 컨버터는 허브 타입 구조를 가진다. 이로부터 각각의 클러스터에 사용되는 직류 수집 네트워크는 특정 직류/직류 컨버터 모듈(14)에 결합된다는 것은 쉽게 알 수 있다. 제4 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템에서 각각의 직류 수집 네트워크(N)에 사용되는 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 풍력 터빈 중 하나에 위치하게 되고, 보다 상세하게는 클러스터 내의 마지막 풍력 터빈에 위치하게 된다. 마지막 풍력 터빈은 직류 수집 네트워크(N)의 하류 측에 위치하는 풍력 터빈이다. 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 풍력 터빈에 인접한 허브 구조물 내의 적당한 곳 또는 나셀을 지지하는 풍력 터빈의 타워 내에 위치하게 된다.
상술한 배치에서 다수의 풍력 터빈(2)은 병렬 배치된 네 개의 클러스터 C1, C2, C3, C4(즉, m=4)로 묶인다. 각각의 클러스터는 6개의 풍력 터빈(즉, n=6)을 포함하고 풍력 발전단지는 총 24개의 풍력 터빈을 포함하여 구성된다. 풍력 발전단지 토폴로지는 도8에 개략적으로 도시되어 있고 여기서 각각의 풍력 터빈은 도트로 표시된다.
상술한 배치에서 각각의 풍력 터빈(2)은 6MW의 출력 정격을 가지고 그 결과로 각각의 클러스터는 36MW를 공급하게 된다.
도8에서 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, N3, N4)는 특정 클러스터의 풍력 터빈(2) 각각을 관련 직류/직류 컨버터 모듈(14)을 포함하여 구성되는 허브(42)에 연결하는 가는 선에 의해 개략적으로 표시된다.
직류/직류 컨버터 모듈(14)은 위에서 설명한 것처럼 직렬로 상호 연결된다. 상술한 배치에서 제1 (양의) 직류 송전선(44), 예를 들어 하나의 단심 고전압 직류 케이블은 직류 수집 네트워크(N1)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제3 직류 단자(18a1)에 연결되고 제2 (음의) 직류 송전선(46), 예를 들어 하나의 단심 고전압 직류 케이블은 직류 수집 네트워크(N4)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(144)의 제4 직류 단자(18b4)에 연결된다. 이는 ±100kV의 고전압 송전 전압을 운반하는 직류 송전선(44, 46)이 구비된 양극 배치이다. 따라서 제1 및 제2 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142)은 양의 송전 전압을 공급하도록 설계되고 제3 및 제4 직류/직류 컨버터 모듈(143, 144)은 음의 송전 전압을 공급하도록 설계된다.
직류 수집 네트워크(N1)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제4 직류 단자(18b1)는 직류 수집 네트워크(N2)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제3 직류 단자(18a2)에 연결된다. 이는 추가적인 직류 송전선(48), 예를 들어 하나의 단심 고전압 직류 케이블에 의해 연결된다. 직류 수집 네트워크(N2)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제4 직류 단자(18b2)는 직류 수집 네트워크(N3)와 결합된 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제3 직류 단자(18a3)에 연결된다. 이는 추가적인 직류 송전선(50), 예를 들어 하나의 단심 고전압 직류 케이블에 의해 연결된다. 마지막으로, 직류 수집 네트워크(N3)와 결합된 직류/직류 컨버터(143)의 제4 직류 단자(18b3)는 직류 수집 네트워크(N4)와 결합된 직류/직류 컨버터(144)의 제3 직류 단자(18a4)에 연결된다. 이는 추가적인 직류 송전선(52), 예를 들어 하나의 단심 고전압 직류 케이블에 의해 연결된다. 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제4 직류 단자(18b2)는 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제3 직류 단자(18a3)와 어스 또는 접지에도 연결된다.
상기 시스템 및 다른 허브 타입 시스템에서 직류 송전선(44, 48, 50, 52, 46)은 매우 큰 자기장을 유발할 만큼 충분한 면적을 가지는 폐회로를 형성하게 된다. 이는 예를 들어 직류 송전선(46)을 직류 송전선(44, 48, 50, 52)에 인접하게 방향을 돌려서 자기장 상쇄(field cancellation)를 통해 치유하게 된다.
대안적 단극 배치(미도시)에서 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 +100kV의 고전압 송전 전압을 운반하는 직류 송전선, 예를 들어 단심 고전압 직류 케이블과 함께 연결된다. 마지막 직류/직류 컨버터 모듈에 연결된 제2 직류 송전선은 리턴 라인으로 동작할 수 있다.
각각의 제1 직류/직류 컨버터(8)는 비대칭 토폴로지를 가지고 직류 출력은 +24kV(1600A)이다. 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 또한 +24kV의 중전압 수집 전압을 운반하는 제1 (양의) 직류 전선 및 영(zero)에 가까운 직류 전압을 운반하는 제2 직류 전선(GND로 표시)을 구비한 1개의 이심 케이블 또는 2개의 단심 케이블을 포함하여 구성된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터(8)의 2개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1 및 제2 직류 전선에 병렬 연결된다. 따라서 제2 직류/직류 컨버터의 입력 측의 배치는 도1에서 도시된 제1 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템에 사용된 배치와 동일하다는 것은 쉽게 알 수 있다.
이하에서는 첨부된 도9를 참조하여 144MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제5 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제5 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 상기 제4 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하지만, 각각의 제1 직류/직류 컨버터(9)는 대칭 토폴로지를 가지고 직류 출력은 ±24kV(800A)이다. 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 +24kV의 중전압 수집 전압을 운반하는 제1 (양의) 직류 전선, 영(zero)에 가까운 전압을 운반하는 제2 직류 전선(GND로 표시) 및 -24kV의 중전압 수집 전압을 운반하는 제3 직류 전선을 구비한 1개의 삼심 케이블 또는 3개의 단심 케이블을 포함하여 구성된다. 각각의 제1 직류/직류 컨버터(9)의 3개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1, 제2 및 제3 직류 전선에 병렬 연결된다. 따라서 제2 직류/직류 컨버터의 입력 측의 배치는 도5에 도시된 제3 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템에서 사용된 배치와 동일하다는 것은 쉽게 알 수 있다. 일부 제1 직류/직류 컨버터는 그들의 2개의 직류 출력 단자가 관련 직류 수집 네트워크의 제1 및 제2 직류 전선에 병렬 연결되어 +24kV(1600A)의 직류 출력을 가지고 다른 제1 직류/직류 컨버터는 그들의 2개의 직류 출력 단자가 관련 직류 수집 네트워크의 제2 및 제3 직류 전선에 병렬 연결되어 -24kV(1600A)의 직류 출력을 가지게 되어 각각의 제1 직류/직류 컨버터가 비대칭 토폴로지를 가지는 것도 가능하다. 제2 직류/직류 컨버터의 입력 측의 배치는 도4에서 도시된 제2 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템에 사용된 배치와 동일하다.
직류/직류 컨버터 모듈이 각각의 클러스터의 마지막 풍력 터빈에 위치하는 제4 및 제5 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 낮은 전체 출력 정격, 예를 들어 200MW보다 작은 출력 정격을 가지는 풍력 발전단지에 특히 적합하다.
이하에서는 첨부된 도10 및 도11을 참조하여 240MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제6 실시예를 설명하면 다음과 같다. 제6 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 도1 내지 도3과 관련하여 설명된 제1 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하고 그 차이점만 아래에서 설명한다.
다수의 풍력 터빈(2)은 병렬 배치된 10개의 클러스터 C1, C2, …, C10(즉, m=10)으로 묶인다. 각각의 클러스터는 4개의 풍력 터빈(즉, n=4)을 포함하고 풍력 발전단지는 총 40개의 풍력 터빈을 포함하게 된다.
집전 및 송전 시스템은 직류 송전선(20, 21)에 병렬 연결된 다수의 제2 직류/직류 컨버터(60)를 포함하여 구성된다.
각각의 클러스터(C1, C2, …, C10)의 풍력 터빈(2)에 의해 생산된 전력은 관련 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N10)에 의해 관련 제2 직류/직류 컨버터(60)에 공급된다.
각각의 제2 직류/직류 컨버터(60)는 변환소(10)에 병렬로 같이 위치하는 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(14)을 포함하여 구성된다. 다섯 개의 직류/직류 컨버터 모듈 141, 142, …, 145(즉, k=5)가 구비되고 각각은 4.8MW의 출력 정격을 가진다. 따라서 각각의 제2 직류/직류 컨버터(60)는 24MW의 출력 정격 또는 관련 클러스터와 같은 출력 정격을 가지게 된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 제1 및 제2 단자(62a, 62b)를 구비한다. 제1 및 제2 단자(62a, 62b)는 관련 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N10)의 직류 전선에 병렬 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제1 및 제2 단자(62a1, 62b1)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제1 및 제2 직류 전선에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제1 및 제2 단자(62a2, 62b2)는 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제1 및 제2 직류 전선에 연결되며 이하 같다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 또한 제3 및 제4 단자(64a, 64b)를 구비한다. 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제3 단자(64a1)는 제1 (양의) 직류 송전선(20)에 연결된다. 마지막 직류/직류 컨버터 모듈(145)의 제4 단자(64b5)는 제2 (중성) 직류 송전선(21)에 연결된다. 직류 송전선(20, 21)은 예를 들어 단심, 집적된 이심 고전압 직류 케이블 등의 적당한 구조를 가지고 이러한 단극 배치에서 +150kV(1600A)의 고전압 송전 전압을 운반하게 된다. 직류 송전선(20, 21)은 적절한 형태의 육상의 전원 네트워크 또는 전력망(미도시)에 연결될 수 있고, 선택적으로 직류/교류 변환소를 통해 연결될 수 있다.
각각의 제2 직류/직류 컨버터(60) 내의 일부의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 145)은 양의 송전 전압을 공급하도록 설계된다. 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 고전압 직류 송전선 측에 직렬 연결되고 직류 수집 네트워크 측에 병렬 연결된다.
마지막 직류/직류 컨버터 모듈(145)을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 모듈의 제4 단자(64b)는 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자(64a)에 연결된다. 즉, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제4 직류 단자(64b1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제3 직류 단자(64a2)에 연결되고, 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제4 직류 단자(64b2)는 세 번째 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제3 직류 단자(64a3)에 연결되며 이하 같다. 고전압 직류 송전 측에서의 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(14) 사이는 적당한 버스바 또는 직류 케이블을 사용하여 직렬로 상호 연결된다.
직류 수집 네트워크 측에서, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제1 직류 단자(62a1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제1 직류 단자(62a2)에 병렬 연결되고 세 번째 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제1 직류 단자(62a3)에 병렬 연결되며 이하 같으며, 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제2 직류 단자(62b1)는 두 번째 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제2 직류 단자(62b2)에 병렬 연결되고 세 번째 직류/직류 컨버터 모듈(143)의 제2 직류 단자(62b3)에 병렬 연결되며 이하 같다. 인접한 직류/직류 컨버터 모듈(14)과 관련 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N10)의 제1 및 제2 직류 전선 사이는 적당한 버스바 또는 직류 케이블을 사용하여 병렬로 상호 연결된다.
직류/직류 컨버터 모듈(14)은 승압 컨버터로 동작하고 도11과 관련하여 더 상세하게 설명될 것이다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 일련의 직류/직류 컨버터 유닛(24)을 포함하여 구성된다. 도11에 도시된 배치에서, 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 10개의 직류/직류 컨버터 유닛(즉, p=10)을 포함하여 구성되지만 설계 요구사항에 따라 적당한 수의 직류/직류 컨버터 유닛이 구비될 수 있다는 것은 쉽게 알 수 있다.
각각의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 직류/교류 컨버터 블록(26) 및 적당한 전력 반도체 스위치 장치를 구비한 종래의 풀 에이치 브릿지 교류/직류 컨버터 블록(28)을 포함하여 구성된다. 이러한 배치는 특정 환경에서 전력이 전원 네트워크(미도시)로부터 각각의 풍력 터빈의 발전기(4)로 공급될 수 있는 양 방향 전력 흐름에 적합하다. 대안적 배치에서 교류/직류 컨버터 블록(28)은 수동 정류기로 동작하는 다이오드 브릿지로 설계될 수 있다. 상기 대안적 배치는 풍력 터빈에서 전원 네트워크로의 단일 방향 전력 흐름에 적합하고 교류/직류 컨버터 블록(28)은 인버터 기능을 제공할 필요가 없게 된다.
직류/교류 및 교류/직류 컨버터 블록(26, 28)은 갈바닉 전기 절연을 제공하는 중주파 또는 고주파 변압기(30)의 각 측면에 구비된다.
각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 직류/직류 컨버터 유닛(24)은 도3과 관련하여 위에서 설명한 것처럼 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬 양자의 조합으로 상호 연결된다.
이하에서는 첨부된 도12를 참조하여 504MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제7 실시예를 설명하면 다음과 같다. 제7 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 도10 및 도11과 관련하여 설명된 제6 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하고 그 차이점만 아래에서 설명한다.
다수의 풍력 터빈(2)은 병렬 배치된 14개의 클러스터 C1, C2, …, C14(즉, m=14)로 묶인다. 각각의 클러스터는 4개의 풍력 터빈(즉, n=4)을 포함하고 풍력 발전단지는 총 56개의 풍력 터빈을 포함하게 된다.
집전 및 송전 시스템은 직류 송전선(20, 22)에 병렬 연결되는 다수의 제2 직류/직류 컨버터(60)를 포함하여 구성된다.
각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 +20kV의 중전압(MV) 수집 전압을 운반하는 제1 (양의) 직류 전선, 영(zero)에 가까운 직류 전압을 운반하는 제2 직류 전선(GND로 표시) 및 -20kV의 중전압 수집 전압을 운반하는 제3 (음의) 직류 전선이 구비된 1개의 삼심 케이블 또는 3개의 단심 케이블을 포함하여 구성된다. 다른 수집 전압도 가능하다는 것은 쉽게 알 수 있다. 도12에서 제1 직류/직류 컨버터(9)는 대칭 토폴로지를 가지고 ±20kV(900A)의 직류 출력을 공급한다. 따라서 각각의 제1 직류/직류 컨버터(9)의 3개의 직류 출력 단자는 관련 직류 수집 네트워크의 제1, 제2 및 제3 전선에 병렬 연결된다.
도10 및 도11과 관련하여 위에서 설명한 것처럼 2개의 클러스터(C1, C2)의 풍력 터빈에서 생산된 전력은 상호 연결된 한 쌍의 제2 직류/직류 컨버터(601, 602)에 직류 수집 네트워크(N1, N2)를 통해 공급된다.
제2 직류/직류 컨버터(601)의 제3 직류 단자는 제1 (양의) 직류 송전선(20)에 연결되고 제2 직류/직류 컨버터(601)의 제4 직류 단자는 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제3 직류 단자와 직렬 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터(601)의 제4 직류 단자와 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제3 직류 단자는 중성 또는 어스 라인이나 제3 직류 송전선 또는 케이블에 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제4 직류 단자는 제2 (음의) 직류 송전선(22)에 연결된다. 직류 송전선(20, 22)은 예를 들어 단심, 집적된 이심 고전압 직류 케이블 등의 적당한 구조를 가지고 이러한 양극 배치에서 ±200kV(1260A)의 고전압 송전 전압을 운반하게 된다. 직류 송전선(20, 22)은 적당한 형태의 육상의 전원 네트워크 또는 전력망(미도시)에 연결되고, 선택적으로 직류/교류 변환소에 의해 연결될 수 있다.
제2 직류/직류 컨버터(601)의 제1 직류 단자는 직류 수집 네트워크(N1, N2)의 제1 직류 전선에 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터(601)의 제2 직류 단자는 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제1 직류 단자에 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터(601)의 제2 직류 단자와 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제1 직류 단자는 직류 수집 네트워크(N1, N2)의 제2 직류 전선에 연결된다. 제2 직류/직류 컨버터(602)의 제2 직류 단자는 직류 수집 네트워크(N1, N2)의 제3 직류 전선에 연결된다.
도시되지는 않았지만, 각각의 제2 직류/직류 컨버터(60)의 제1 및 제2 직류 단자는 오프로드 스위치 또는 직류 회로 차단기에 의해 직류 수집 네트워크(N1, N2)에 연결되어 고장 또는 유지보수의 경우에 클러스터(C1, C2)가 직류 수집 네트워크와 고전압 직류 송전선 사이에서 고립되도록 할 수 있다.
나머지 클러스터(C3, C4, …, C14)와 그들이 결합되는 상호 연결된 제2 직류/직류 컨버터는 같은 방식으로 배치된다. 각각의 제2 직류/직류 컨버터(60)는 병렬로 동작하고 독립적이다. 상술한 배치는 다중 고전압 직류 단자 사례 또는 여러 풍력 발전단지의 상호 연결시 바람직하다.
이하에서는 첨부한 도13 및 도14를 참조하여 504MW의 근해의 풍력 발전단지용 집전 및 송전 시스템의 제8 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제8 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템은 제1 실시예에 따른 집전 및 송전 시스템과 대체적으로 유사하지만, 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, N14)는 직류 회로 차단기에 의해 공통의 직류 버스바(100)에 연결된다. 공통의 직류 버스바(100)의 상세한 배치는 도14에 도시되어 있다. 첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)의 제1 및 제2 직류 단자는 회로 차단기(104)에 의해 직류 버스바(100)의 제1 및 제2 직류 전선(a, b)에 연결되는 반면에 첫 번째 직류 수집 네트워크(N1)의 제1 및 제2 직류 전선은 회로 차단기(102)에 의해 직류 버스바(100)의 제1 및 제2 직류 전선(a, b)에 연결된다. 각각의 직류 수집 네트워크 및 직류/직류 컨버터 모듈은 유사한 방식으로 직류 버스바(100)의 제1 및 제2 직류 전선(a, b)에 연결된다.
직류 버스바(100)는 직류 회로 차단기(106)에 의해 링크된 버스바(linked busbar) 또는 링 버스바(ring busbar)로 상호 연결된다.
유사한 공통의 직류 버스바가 예를 들어 추가적인 직류 전선을 추가하여 도4 및 도5에 도시된 다른 직류 수집 네트워크와 직류/직류 컨버터 모듈에 사용될 수 있다.
상기 다양한 집전 및 송전 시스템은 다음과 같이 요약될 수 있다.
클러스터(Clusters): 시스템은 적당한 수의 클러스터(C1, C2, …, Cm)를 가질 수 있고, 각각의 클러스터는 발전기(4)와 필요시 추가되는 전력 컨버터(6)를 구비한 적당한 수의 풍력 터빈(2)으로 구성된다.
제1 직류/직류 컨버터(Primary DC/DC converters): 제1 직류/직류 컨버터는 적당한 토폴로지, 출력 정격 등을 가지는 비대칭 또는 대칭 타입일 수 있다.
직류 수집 네트워크(DC collection networks): 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 제1 직류/직류 컨버터의 타입에 따라 2개 또는 3개의 직류 전선, 예를 들어 이심 또는 삼심 케이블이나 적당한 개수의 단심 케이블로 구성될 수 있다. 각각의 직류 수집 네트워크는 관련 클러스터(C1, C2, …, Cm)의 풍력 터빈(2)으로부터 전력을 받아 제2 직류/직류 컨버터에 연결되고, 선택적으로 특정 직류/직류 컨버터 모듈에 연결된다.
제2 직류/직류 컨버터(Secondary DC/DC converters): 각각의 제2 직류/직류 컨버터는 직류 송전 측과 직류 수집 네트워크 측에서 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬 양자의 조합으로 상호 연결될 수 있는 일련의 직류/직류 컨버터 모듈(14)을 포함하여 구성된다.
직류/직류 컨버터 모듈(14)은 도1, 도2, 도4, 도5, 도10, 도12 및 도13에 도시된 것처럼 단일 플랫폼에 같이 배치되어 변환소 배치를 정의하게 된다. 그렇지 않으면, 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 도7 내지 도9에 도시된 것처럼 풍력 발전단지에 분산 배치되어 허브 배치를 정의하게 된다.
변환소 배치에서의 직류 수집 네트워크와 제2 직류/직류 컨버터 사이의 연결: 도1, 도4 및 도5에 각각 도시된 시스템의 제1, 제2 및 제3 실시예에서, 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 제2 직류/직류 컨버터(12)의 특정 직류/직류 컨버터 모듈(14)에 직접 연결된다. 도13에 도시된 시스템의 제8 실시예에서, 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 공통의 직류 버스바(100)에 의해 제2 직류/직류 컨버터(12)의 특정 직류/직류 컨버터 모듈(14)에 연결된다.
도10과 도12에 각각 도시된 시스템의 제6 및 제7 실시예에서, 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 특정한 제2 직류/직류 컨버터(60) 또는 상호 연결된 제2 직류/직류 컨버터(601, 602)에 개별적으로 또는 둘씩 짝을 지어 연결된다.
허브 배치에서의 직류 수집 네트워크와 제2 직류/직류 컨버터 사이의 연결: 도7 및 도9에 각각 도시된 시스템의 제4 및 제5 실시예에서, 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 제2 직류/직류 컨버터의 특정 직류/직류 컨버터 모듈(14)에 직접 연결되고 이는 관련 클러스터(C1, C2, …, Cm)의 풍력 터빈(2) 중 하나에 위치하게 된다.
직류/직류 컨버터 모듈: 각각의 직류/직류 컨버터 모듈은 직류 송전 측과 직류 수집 네트워크 측에서 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬 양자의 조합으로 연결되는 일련의 직류/직류 컨버터 유닛(24)을 포함하여 구성되고, 각각의 직류/직류 컨버터 유닛은 직류/교류 컨버터 블록(26), 교류/직류 컨버터 블록(28) 및 그들의 사이에 위치한 변압기(30)를 포함하여 구성된다.
집전 및 송전 시스템의 각각의 실시예에서 설명된 다양한 기술적 특징들은 설계 요구사항에 따라 적절한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
2 : 풍력 터빈
4, 4′ : 발전기
6 : 보조 교류/직류 컨버터
8, 9 : 제1 직류/직류 컨버터
10 : 변환소
12, 60 : 제2 직류/직류 컨버터
14 : 직류/직류 컨버터 모듈
16a, 16b : 제1 및 제2 직류 단자
18a, 18b : 제3 및 제4 직류 단자
20, 21, 22, 44, 46, 48, 50, 52 : 직류 송전선
24 : 직류/직류 컨버터 유닛
26 : 직류/교류 컨버터 블록
28 : 교류/직류 컨버터 블록
30 : 변압기
32a, 32b : 제1 및 제2 직류 단자
34a, 34b : 제1 및 제2 직류 단자
36 : 바이패스 스위치
38 : 오프로드 스위치
40a, 40b, 40c : 제1, 제2 및 제3 직류 단자
42 : 허브
62a, 62b : 제1 및 제2 단자
64a, 64b : 제3 및 제4 단자
100 : 직류 버스바
102, 104, 106 : 회로 차단기

Claims (17)

  1. 2개 이상의 클러스터(C1, C2, …, Cm)로 묶이는 다수의 발전설비(2)에 사용되는 집전 및 송전 시스템에 있어서,
    각각의 클러스터(C1, C2, …, Cm)에 사용되는 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm);
    각각의 발전설비(2)에 설치되어 상기 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)에 연결되는 제1 직류/직류 컨버터(8);
    제1 및 제2 직류 송전선(20, 22); 및
    상기 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 상기 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22) 사이에 연결된 하나 이상의 제2 직류/직류 컨버터(12;60)를 구비하는 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 직류/직류 컨버터(12;60)는 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 각각은 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm) 각각의 직류 전선에 연결된 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 각각은 공통의 직류 배전 버스바 또는 교환망에 의해 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm) 각각의 직류 전선에 연결된 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm) 각각은 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리의 제2 직류/직류 컨버터(60) 각각에 연결되고,
    상기 제2 직류/직류 컨버터(60)는 제1 및 제2 송전선(20, 22)에 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    첫 번째 직류/직류 컨버터 모듈(141)은 제1 직류 송전선(20)에 연결된 제3 직류 단자(18a1) 및 다음의 직류/직류 컨버터 모듈(142)의 제3 직류 단자(18a2)에 연결된 제4 직류 단자(18b1)를 구비하는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    마지막 직류/직류 컨버터 모듈(14k)을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14(k-1))은 다음의 직류/직류 컨버터 모듈의 제3 직류 단자(18a2, 18a3, …, 18ak)에 연결된 제4 직류 단자(18b1, 18b2, …, 18b(k-1))를 구비하고,
    마지막 직류/직류 컨버터 모듈(14k)은 제2 직류 송전선(22)에 연결된 제4 직류 단자(18bk)를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    각각의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k)은 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 유닛(241, 242, …, 24p)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 유닛(241, 242, …, 24p)은 변압기(30), 변압기(30)의 제1 권선에 연결된 직류/교류 컨버터 블록(26) 및 변압기(30)의 제2 권선에 연결된 교류/직류 컨버터 블록(28)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    첫 번째 직류/직류 컨버터 유닛(241)의 직류/교류 컨버터 블록(261)은 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)의 각각의 제1 직류 전선에 연결된 제1 직류 단자(32a1) 및 다음의 직류/직류 컨버터 유닛(242)의 직류/교류 컨버터 블록(262)의 제1 직류 단자(32a2)에 연결된 제2 직류 단자(32b1)를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24p)을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 유닛(241, 242, …, 24(p-1))의 직류/교류 컨버터 블록(261, 262, …, 26(p-1))은 다음의 직류/직류 컨버터 유닛(242, 243, …, 24p)의 직류/교류 컨버터 블록(262, 263, …, 26p)의 제1 직류 단자(32a2, 32a3, …, 32ap)에 연결된 제2 직류 단자(32b1, 32b2, …, 32b(p-1))를 구비하고,
    마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24p)의 직류/교류 컨버터 블록(26p)은 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)의 각각의 제2 직류 전선에 연결된 제2 직류 단자(32bp)를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    각각의 직류/직류 컨버터 유닛(241, 242, …, 24p)의 직류/교류 컨버터 블록(261, 262, …, 26p)은 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)의 각각의 제1 직류 전선에 연결된 제1 직류 단자(32a1, 32a2, …, 32ap) 및 동일한 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)의 제2 직류 전선에 연결된 제2 직류 단자(32b1, 32b2, …, 32bp)를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    마지막 직류/직류 컨버터 유닛(24p)을 제외한 각각의 직류/직류 컨버터 유닛(261, 262, …, 26(p-1))의 교류/직류 컨버터 블록(281, 282, …, 28(p-1))은 다음의 직류/직류 컨버터 유닛(242, 243, …, 24p)의 교류/직류 컨버터 블록(282, 283, …, 28p)의 제1 직류 단자(34a2, 34a3, …, 34ap)에 연결된 제2 직류 단자(34b1, 34b2, …, 34b(p-1))를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 직류/직류 컨버터 유닛(241, 242, …, 24p)의 교류/직류 컨버터 블록(281, 282, …, 29p)은 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제3 직류 단자(18a)에 연결된 제1 직류 단자(34a1, 34a3, …, 34ap) 및 각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)의 제4 직류 단자(18b)에 연결된 제2 직류 단자(34b1, 34b2, …, 34bp)를 구비한 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  15. 제2항에 있어서,
    직류/직류 컨버터 모듈(14)은 하나의 플랫폼에 같이 배치된 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  16. 제2항에 있어서,
    각각의 직류/직류 컨버터 모듈(14)은 각각의 발전설비(2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
  17. 2개 이상의 클러스터(C1, C2, …, Cm)로 묶이는 다수의 발전설비(2)에 사용되는 집전 및 송전 시스템의 작동 방법에 있어서,
    상기 집전 및 송전 시스템은 각각의 클러스터(C1, C2, …, Cm)에 사용되는 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm), 각각의 발전설비(2)에 설치되어 상기 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)에 연결되는 제1 직류/직류 컨버터(8), 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22) 및 상기 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 상기 제1 및 제2 직류 송전선(20, 22) 사이에 연결된 하나 이상의 제2 직류/직류 컨버터(12;60)를 구비하는 제2 직류/직류 컨버터 어셈블리를 포함하여 구성되고,
    상기 제2 직류/직류 컨버터(12;60)는 일련의 상호 연결된 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k)을 포함하여 구성되며,
    상기 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 각각은 각각의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 그것이 결합되는 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 사이의 스위치(102, 104) 및 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)를 서로 고립시키는 스위치(106)를 포함하는 공통의 직류 배전 버스바 또는 교환망에 의해 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm) 각각의 직류 전선에 연결된 제1 및 제2 직류 단자(16a, 16b)를 구비하고,
    상기 공통의 직류 배전 버스바 또는 교환망은 (a) 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 서로 고립되는 반면에 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)의 일부 또는 전부와 직류/직류 컨버터 모듈 사이(141, 142, …, 14k)의 포인트 투 포인트 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (b) 적어도 하나의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)로부터 적어도 하나의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k)로 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (c) 적어도 하나의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)는 고립되는 반면에 다수의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 다수의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 사이의 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (d) 적어도 하나의 직류/직류 컨버터 모듈은 고립되는 반면에 다수의 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 다수의 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 사이의 전력 흐름을 허용하는 작동방식, (e) 직류 수집 네트워크(N1, N2, …, Nm)와 그들이 결합되는 직류/직류 컨버터 모듈(141, 142, …, 14k) 사이의 전력 흐름을 허용하여 하나의 섬 또는 다수의 갈바닉 전기 절연된 섬으로 전기 연결되게 하는 작동방식 중 적어도 하나를 제공하도록 설계된 것을 특징으로 하는 집전 및 송전 시스템.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102308A1 (ko) * 2013-12-30 2015-07-09 주식회사 효성 Hvdc 제어기의 전원장치
KR20150130875A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법
KR20150130874A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법
KR20150130876A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102308A1 (ko) * 2013-12-30 2015-07-09 주식회사 효성 Hvdc 제어기의 전원장치
US9819187B2 (en) 2013-12-30 2017-11-14 Hyosung Corporation Device for supplying power to HVDC converter
KR20150130875A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법
KR20150130874A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법
KR20150130876A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 고전압 직류 송전 시스템의 데이터 처리 장치 및 그 방법

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