KR20130035487A - 정지형 동기 조상기 - Google Patents

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Abstract

정지형 동기 조상기가 제공된다. 정지형 동기 조상기는, 전력 계통의 모선과 연결되는 병렬 변압기, 상기 병렬 변압기에 직렬 연결되어 상기 모선과 연계되는 인버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 인버터는, 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 DC 전류를 발생시키는 스위칭 밸브 스택 및 상기 DC 전류를 충전하여 인버터의 전압 출력제어를 위한 DC 전압을 유지시키는 DC 커패시터를 포함하고, 상기 스위칭 밸브 스택 및 상기 DC 커패시터를 연결하는 DC 모선은 다심 케이블로 구성된다.

Description

정지형 동기 조상기 {Static Synchronous Compensator}
본 발명은 DC 커패시터에 발생하는 L-C 공진 현상을 방지하는 정지형 동기 조상기(STATCOM)에 관한 것이다.
정지형 동기 조상기(Static Synchronous Compensator, 이하 STATCOM)이란 회전기인 동기조상기의 무료전력 제어기능을 전력용 반도체 소자를 이용하여 정지형 형태로 구현한 무효전력 보상장치를 말한다.
일반적으로, 전력소자에 대한 점호각 스위칭 제어를 통하여 DC 커패시터 전압이 변동되고, DC 전압의 크기 변화에 의해 STATCOM의 출력전압이 변화되므로, DC 커패시터는 인버터가 제어 전압원으로 동작하도록 하는 필수적인 요소이다. 그러나, 송전선로에 설치되는 수십~수백 MVA 이상의 대용량 STATCOM의 경우, 인버터 밸브 스택에서 DC 커패시터로 흐르는 선로 또는 모선에 전력소자 스위칭에 따른 고조파가 함유된 DC 대전류가 흐르므로, 밸브 스택과 DC 커패시터를 연계하는 모선에 포유 인덕턴스(Stray Inductance)가 커지게 된다. 이러한 현상은 DC 모선에 흐르는 전류가 크고 선로 길이가 길수록 더욱 크게 된다. 이로 인하여 인버터 DC 전류에 포함된 고조파에 의한 포유 인덕턴스와 DC 커패시터 사이의 L-C 공진이 발생할 수 있으며, 인버터의 과열, 시스템 Trip 및 DC 커패시터를 비롯한 인버터의 소손의 위험이 있다.
따라서, STATCOM과 같은 대용량 전압원 인버터에서는 DC 모선에서 발생되는 포유 인덕턴스를 억제함으로써, L-C 공진을 방지할 필요성이 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허공보 제2004-0103001호에는 "전동기 보호기"에 관해 개시되어 있다. 한국공개특허공보 제2004-0103001호의 발명은 전동기 보호기에 관한 것으로서, 전동기의 3상 터미널에 전기적으로 병렬 접속되는 터미널 커넥터, 부하 저항 내에 형성되고 인버터의 구동 주파수로 인해 발생되는 자체 공진을 방지하는 인덕터를 포함하는 구성이 개시되어 있다.
한국공개특허공보 제2004-0103001호, "전동기 보호기"
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 DC 선로 또는 모선을 개선하여 포유 인덕턴스를 저감하고 이를 통해 포유 인덕턴스와 DC 커패시터 간의 공진 현상을 해소하는 정지형 동기 조상기를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 정지형 동기 조상기는, 전력 계통의 모선과 연결되는 병렬 변압기, 상기 병렬 변압기에 직렬 연결되어 상기 모선과 연계되는 인버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 인버터는, 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 DC 전류를 발생시키는 스위칭 밸브 스택 및 상기 DC 전류를 충전하여 인버터의 전압 출력제어를 위한 DC 전압을 유지시키는 DC 커패시터를 포함하고, 상기 스위칭 밸브 스택 및 상기 DC 커패시터를 연결하는 DC 모선은 다심 케이블로 구성된다.
여기서, 상기 다심 케이블은 내부에 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다심 케이블의 내부로부터 상기 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선 중 두 개 이상이 상기 DC 커패시터에 연결되도록 외부로 인출시키는 접속 단자를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다심 케이블은 상기 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선을 다발로 묶은 구조일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 정지형 동기 조상기의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, DC 선로 또는 모선을 개선하여 포유 인덕턴스를 저감하고 이를 통해 포유 인덕턴스와 DC 커패시터 간의 공진 현상을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기의 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기에 구비되는 인버터를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 3-level 멀티펄스형 STATCOM의 인버터 구성 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기의 DC 모선으로 이용되는 다심 케이블의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기에서, DC 모선으로 이용되는 다심 케이블과 결합된 접속 단자를 나타내는 단면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다심 케이블을 이용한 DC 모선이 구비된 정지형 동기 조상기를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다심 케이블을 이용한 DC 모선이 구비된 정지형 동기 조상기를 나타내는 측면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
L-C 공진주파수는 f공진 = 1/√LC 의 관계가 있다. 따라서, 인버터의 스위칭 동작에 따른 DC 전류에 함유된 고조파가 공진주파수에 근접할 경우 공진이 일어나서 설비가 위험하게 된다. 인버터의 스위칭 고조파는 저차 고조파이므로 DC 커패시터단의 공진주파수가 DC 전류내에 함유된 고조파 주파수보다 높도록 설계하여 STATCOM 운전시의 L-C 공진의 위험성을 줄일 수 있다. 따라서, 커패시터의 용량을 STATCOM 운전에 지장이 없는 수준으로 줄이거나, 포유 인덕턴스를 줄일 수 있도록 DC 커패시터단의 구조를 설계한다.
하지만, 대용량 STATCOM의 경우에는 적합한 대용량의 단일 DC 커패시터를 구하기 어려우므로, 일반적으로 다수의 소용량 DC 커패시터를 모듈로서 병렬 연계하여 구성한다. 이 경우, 각 DC 커패시터들을 연결하기 위한 DC 모선이 길어져 포유 인덕턴스가 커지게 된다. 또한, 이를 해결하기 위해 DC 커패시터 모듈들을 최대한 인버터 밸브와 가깝게 배치하여 DC 모선의 길이를 줄이는 방법을 고려할 수 있지만, 이 경우, 인버터 내의 발열 및 절연거리 확보문제, 공간협소에 따른 유지보수의 어려움이 발생하게 된다.
상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기는 기존의 가공선로로 구성된 DC 모선을 다심 케이블로 구성하여 포유 인덕턴스를 줄이고 DC 커패시터단의 공진 주파수를 높여서 L-C 공진의 가능성을 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기(STATCOM)를 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, STATCOM은 병렬 변압기(100), 인버터(200) 및 제어기(300)를 포함한다.
병렬 변압기(100)는 전력 계통의 모선과 연결되어, 상기 계통과 인버터(200)를 연계시킨다. 구체적으로, 병렬 변압기(100)는 높은 계통 전압을 낮추어서 인버터(200)가 허용할 수 있는 저전압으로 변환하여 STATCOM이 전압 제어를 수행할 수 있도록 임피던스를 제공한다.
인버터(200)는 상기 병렬 변압기(100)에 직렬로 연결되어 전력계통의 모선과 연계된다. 인버터(200)는 점호각 제어를 통한 펄스 출력을 하며, 각 상별로 다수의 인버터(200-A, 200-B, 200-C)가 병렬 변압기(100)에 직렬 연결될 수 있다.
제어기(300)는 상기 인버터를 제어한다. 구체적으로, 제어기(300)는 위상각 제어 및 무효 전류 출력량 제어를 통해 인버터(300)의 전압을 제어할 수 있다.
그밖에, STATCOM은 인버터(200)의 과열을 방지하기 위한 냉각 설비 등을 더 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 정지형 동기 조상기에 구비되는 인버터를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(200)는 스위칭 밸브 스택(210) 및 DC 커패시터단(220)으로 구성될 수 있다. 스위칭 밸브 스택(210)은 복수의 스위칭 소자를 이용하여 DC 전류를 발생시킨다. 또한, 스위칭 밸브 스택(210)은 자려식 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 스위칭 밸브 스택(210)에는 DC 커패시터단(220)이 연계되어 있을 수 있다. DC 커패시터단(220)은 전력소자의 스위칭 제어에 의해 변환된 DC 전류를 충전하여 인버터(200)의 전압 출력제어를 위한 DC 전압을 유지시키는 전압원의 역할을 한다. DC 커패시터단(220)은 전력소자에 대한 점호각 스위칭 제어를 통하여 DC 커패시터 전압을 변동시키고, 따라서, DC 전압의 크기 변화에 의해 STATCOM의 출력전압을 변화시켜서 인버터가 제어 전압원으로 동작하도록 한다.
도 3은 종래의 3-level 멀티펄스형 STATCOM의 인버터 구성 평면도이다. 도 3에서 알 수 있듯, 송전용 STATCOM과 같은 수십～수백 MVA 용량의 대용량 인버터의 경우, 스위칭 밸브 스택의 규모도 크고, 각 상별로 인버터 밸브 폴(200-A, 200-B, 200-C)이 구분되어 있으며, DC 커패시터(220)도 단일 용량으로 구성된 대용량 커패시터의 부재로 인하여 다수의 소용량 커패시터들을 병렬로 연계하여 대용량 커패시터로 구성하게 되는데, 이 과정에서 DC 모선의 길이가 늘어나게 되고, 커패시터들 간의 배치 구성 및 모선 결선방법에 따라 DC 모선간(+ DC 모선, - DC 모선, 중성 모선)의 길이 차이, 모선간의 이격 거리 차이가 발생하게 되며, 이로 인해 포유 인덕턴스가 발생되게 되고, 모선간에 포유 인덕턴스 값의 불균형이 발생하게 된다.
송전용 STATCOM과 같이 인버터의 DC 커패시터 모선에 큰 전류가 흐르면 자계로 인한 포유 인덕턴스성분이 커지게 된다. 이러한 포유 인덕턴스 성분은 모선이 길수록 커지게 되며, 모선간의 간격이 넓어질수록 커진다. 식 1은 종래의 가공 AC 송전 선로간의 인덕턴스 관계식이다.
(식 1) L = 0.05 + 0.4605*log10(D/d)
여기서, D는 등가 선간 거리(m)이며, d는 선로의 직경(m)이다. 이 경우, 선로의 간격이 길어질수록 인덕턴스가 커짐을 알 수 있다. 이러한 관계는 STATCOM의 DC 커패시터단의 가공 모선에서도 적용될 수 있다,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기의 DC 모선으로 이용되는 다심 케이블의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 조상기에서 DC 모선으로 이용되는 다심 케이블과 결합된 접속 단자를 나타내는 단면 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, DC 커패시터단의 포유 인덕턴스에 의한 L-C 공진을 억제하면서, DC 커패시터단에서 DC 모선과 커패시터 설계상의 제약을 회피하기 위하여, 3개의 DC 모선들을 일체화하여 케이블의 내부에 포함시키는 DC 다심 케이블(400)을 이용한다.
DC 다심 케이블(400)은 외각으로부터 다층의 절연층으로 이루어져 있고, 내부에는 3개의 DC 모선(410, 420, 430)을 포함한다. 이때, 세 개의 DC 모선인 + DC 모선(410), - DC 모선(420) 및 중성 모선(430)은 절연체(440)에 의해 둘러싸여질 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, DC 다심 케이블(400)은 각 상별 DC 커패시터단(220)에 연결되기 위해 세 개의 DC 모선 중 두 개의 DC 모선(+ DC 모선(410) 및 - DC 모선(420) 중 하나와 중성 모선(430))을 케이블 외부로 빼내야 하며, 이를 위해, DC 다심 케이블(400)은 두 개의 인출구(510, 520)를 구비하는 접속 단자(500)를 포함할 수 있다.
또는, 세 개의 모선을 하나의 케이블 내부에 모으지 않고, 다발로 묶은 상태로 DC 모선으로 이용하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다심 케이블을 이용한 DC 모선이 구비된 정지형 동기 조상기를 나타내는 평면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다심 케이블을 이용한 DC 모선이 구비된 정지형 동기 조상기를 나타내는 측면도이다.
도 6에서 알 수 있듯이, DC 다심 케이블(400)을 이용하여 DC 모선을 구성하는 경우, 3개의 케이블 대신 하나의 케이블만을 포설하면 되므로, 작업 공정이 단순하고 작업 효율이 향상된다.
또한, DC 다심 케이블(400)을 이용하여 DC 모선을 구성하는 경우, 인덕턴스는 식 2와 같이 표시될 수 있다.
(식 2) L = 0.05 + 0.4605*log10(2S/d)
여기서, S는 도체 중심간의 거리(m)이며, d는 전선의 직경(m)이다. 식 2에서 알 수 있듯이, DC 다심 케이블을 이용하여 DC 모선을 구성하는 경우, 식 1의 가공선으로 구성된 DC 모선의 인덕턴스에 비해 약 10% 정도의 인덕턴스 값을 가지게 되며, 따라서, L-C 공진의 원인인 포유 인덕턴스가 거의 무시할 수 있을 정도로 작게 발생하게 됨을 알 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 전력용 STATCOM의 제작, 설치, 운영 시에 DC 커패시터 모선에 발생하는 포유 인덕턴스에 의한 L-C 공진을 해결할 수 있으며, 이로 인한 인버터의 파손 및 STATCOM의 고장 발생을 방지할 수 있다. 또한, DC 모선과 DC 커패시터 모듈 구성의 자유도를 향상시킬 수 있으며, 전력용 STATCOM의 DC 커패시터 모선에서 L-C 공진 발생 가능성이 줄어들며, 유지 보수가 용의하도록 DC 커패시터 뱅크들을 배치하는 것이 가능한 효과가 발생한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 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 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 정지형 동기 조상기에 있어서,
    전력 계통의 모선과 연결되는 병렬 변압기,
    상기 병렬 변압기에 직렬 연결되어 상기 모선과 연계되는 인버터 및
    상기 인버터를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 인버터는,
    하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 DC 전류를 발생시키는 스위칭 밸브 스택 및
    상기 DC 전류를 충전하여 인버터의 전압 출력제어를 위한 DC 전압을 유지시키는 DC 커패시터
    를 포함하고,
    상기 스위칭 밸브 스택 및 상기 DC 커패시터를 연결하는 DC 모선은 다심 케이블로 구성되는, 정지형 동기 조상기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다심 케이블은 내부에 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선을 포함하는, 정지형 동기 조상기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다심 케이블의 내부로부터 상기 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선 중 두 개 이상이 상기 DC 커패시터에 연결되도록 외부로 인출시키는 접속 단자를 더 포함하는, 정지형 동기 조상기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다심 케이블은 상기 + DC 모선, - DC 모선 및 중성 모선을 다발로 묶은 구조인, 정지형 동기 조상기.
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