KR20140087450A - 고장전류 감소기능을 가지는 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지저장부와 전력반도체로 구성된 다수의 서브모듈이 직렬연결된 컨버터에서 고장전류에 동적으로 대응하여 그 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상모듈에 공급함으로써 고장전류를 감소시킬 수 있도록 하기 위한 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터는, 다수의 서브모듈이 직렬로 연결되어 각각 상부 상모듈과 하부 상모듈을 구성하는 상모듈을 1개 이상 포함하는 컨버터에 있어서, 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 상기 다수의 서브모듈에 직렬로 연결된 동적전원공급부를 포함하며, 상기 동적전원공급부는 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 상기 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈에 각각 공급한다.

Description

고장전류 감소기능을 가지는 컨버터{CONVERTER HAVING DECREASE FUNCTION OF FAULT CURRENT}

본 발명은 컨버터에 관한 것으로서, 특히 에너지저장부와 전력반도체로 구성된 다수의 서브모듈이 직렬연결된 컨버터에서 고장전류에 동적으로 대응하여 그 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상모듈에 공급함으로써 고장전류를 감소시킬 수 있도록 하기 위한 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터에 관한 것이다.

고전압 직류전송(HVDC)용 컨버터의 경우 교류전압과 직류전압의 상호변환을 위해 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off) 제어가능한 파워반도체가 사용된다. 파워반도체의 내압이 한정되어 있으므로 고전압 처리를 위해서는 파워반도체회로를 갖는 다수의 반도체모듈이 직렬로 연결되어야 한다. 파워반도체회로의 구성을 위해 여러 가지의 반도체모듈을 서로 연결할 수 있다.

주지된 바와 같이, 공지의 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)의 경우에는 이와 같은 파워반도체회로가 2개의 출력단자(X1,X2)를 형성하는 다수의 서브모듈(sub-module)을 포함하고, 이들 다수의 서브모듈은 직렬로 연결된다. 각 서브모듈은 예컨대 커패시터와 전력반도체를 포함한다. 전력반도체는 예컨대 파워반도체스위치 및 환류다이오드로 구성된 IGBT로 구현될 수 있다. 이러한 서브모듈은 다수의 전력반도체가 서로 연결됨으로써, 이른바 하프브릿지 또는 풀브릿지(Full-Bridge) 회로 등으로 구성된다. 또한, MMC 컨버터의 서브모듈에서는 두 출력단자에 커패시터의 전압, 영전압 또는 극성반전되는 커패시터 전압 중 하나가 나타난다.

도 1에는 공지의 MMC 컨버터가 도시된다. 이러한 컨버터는 1개 이상의 상모듈(phase module)(1)로 구성되고 각 상모듈(1)은 2개의 출력단자(X1,X2)를 갖는 다수의 서브모듈(10)이 직렬연결된다. 부하접속단자(L1,L2,L3)는 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 접속될 수 있다. 각 상모듈(1)은 부하접속단자(L1,L2,L3)를 기준으로 상부 상모듈(1a)과 하부 상모듈(1b)로 구분될 수 있다.

한편, 각 서브모듈(10)은 고장시 상모듈(1)의 절선회로(Open Circuit) 방지를 위해 그 고장난 서브모듈(10)으로부터 상전류를 바이패스시켜 나머지 정상적인 서브모듈(10)로 상모듈이 정상동작하도록 하거나, 또는 고장전류로부터 정상적인 서브모듈(10)을 보호하기 위한 다양한 형태의 회로가 포함된다.

도 2 및 도 3은 이러한 서브모듈(10)의 다양한 등가회로의 예시도이다.

도 2에서 서브모듈(10)은 커패시터(C1)와 그 커패시터(C1)에 병렬로 연결된 다수의 전력반도체(11)를 포함하고 특정 전력반도체(11)에 병렬연결된 SCR(12)과 스위치(13)를 포함하며 큰 고장전류가 유입될 때 SCR(12)의 동작으로 그 고장전류를 SCR(12)을 통해 흐르게 하여 서브모듈(10)의 전력반도체(11)를 보호한다.

도 3에서 서브모듈(10)은 2개의 서브유닛(20,20')과 그 사이에 배치된 보조유닛(20")을 포함하며 보조유닛(20")의 전력반도체(23) 또는 다이오드(24,25)를 이용하여 고장전류가 두 커패시터(C2,C3)로 흐르도록 하여 고장전류를 차단 또는 감소시킨다.

그런데, 이러한 종래기술에서의 컨버터의 경우 고장난 서브모듈로부터 상전류를 바이패스시키거나 정상적인 서브모듈의 보호를 위해 다수의 서브모듈마다 이를 위한 별도의 회로를 구성해야 하는 번거로움이 존재한다. 서브모듈의 개수가 많을수록 별도의 회로를 구성하는 시간과 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 기존 서브모듈을 이용하면서 유입되는 고장전류를 감소시켜 서브모듈을 보호할 수 있도록 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에서는 구성이 간편하고 비용이 절감되면서 고장전류를 감소시킬 수 있는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 컨버터에서 고장전류에 대응하는 반대극성의 전원을 동적으로 공급함으로써 고장전류를 빠르고 효과적으로 감소시킬 수 있는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터는,

다수의 서브모듈이 직렬로 연결되어 각각 상부 상모듈과 하부 상모듈을 구성하는 상모듈을 1개 이상 포함하는 컨버터에 있어서, 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 다수의 서브모듈에 직렬 연결된 각각 동적전원공급부를 포함하며, 상기 각 동적전원공급부는 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 상기 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈에 각각 공급한다.

본 발명에서, 상기 동적전원공급부는 상기 상모듈의 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 각각 상기 다수의 서브모듈에 직렬 연결된다.

본 발명에서, 상기 컨버터의 부하접속단자와 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈의 중성점 사이에 고장전류 제한을 위한 리액터를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터는,

다수의 서브모듈이 직렬로 연결되어 각각 상부 상모듈과 하부 상모듈을 구성하는 상모듈을 1개 이상 포함하는 컨버터에 있어서, 상기 컨버터의 부하접속단자와 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈의 중성점 사이에 연결된 동적전원공급부를 포함하여 구성되며, 상기 동적전원공급부는 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 상기 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈에 각각 공급한다.

본 발명에서, 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 상기 다수의 서브모듈에 직렬로 연결된 고장전류 제한을 위한 리액터를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에서, 상기 반대극성의 전원은 상기 고장전류의 크기와 동일한 전류에 대응하는 전원이다.

본 발명에서, 상기 동적전원공급부는 상기 고장전류에 대응하는 전원을 감지하기 위한 전원감지부; 및 상기 전원감지부에 의해 감지된 전원의 반대극성 전원을 출력하는 전원제어부를 포함한다.

본 발명에서 상기 전원감지부는 상기 고장전류에 대응하는 전원을 소정의 전압으로 변환하는 변압기를 포함한다.

본 발명에서, 상기 동적전원공급부는 DVR(Dynamic Voltage Regulator)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터는 다음과 같은 효과를 갖는다.

본 발명에 의하면 서브모듈에서 단락보호를 위한 보조회로를 별도로 추가하지 않고 기존의 서브모듈을 그래도 이용할 수 있으므로 구성이 간단하고 비용절감의 효과를 가져올 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 서브모듈에 유입되는 고장전류에 동적으로 대응하여 고장전류에 의한 전원에 대하여 반대극성의 전원을 공급함으로써 그 고장전류를 빠르고 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 안정적인 컨버터의 동작을 구현할 수 있다.

도 1은 공지의 MMC 컨버터의 등가회로도.
도 2는 종래에 컨버터의 서브모듈에 대한 예시적 등가회로도.
도 3은 종래에 컨버터의 서브모듈에 대한 다른 예시적 등가회로도.
도 4는 발명의 일 실시 예에서 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터의 구성도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에서 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터의 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 동적전원공급부의 예시적인 구성도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 발명의 일 실시 예에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터의 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터(100)에서는 에너지저장부와 적어도 하나의 전력반도체로 구성된 다수의 서브모듈(10)이 직렬로 연결되어 하나의 상모듈(1)을 형성하고 이러한 상모듈(1)이 1개 이상 서로 연결된다. 도 1에는 설명의 편의상 1개의 상모듈(1)만 도시하고 있다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(100)에는 다수의 상모듈(1)이 모선 P와 N에 연결된다. 이러한 컨버터의 각 부하접속단자(L1,L2,L3)를 기준으로 각 상모듈(1)은 상부 상모듈(1a)와 하부 상모듈(1b)로 구분된다.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터(100)에서는 상부 상모듈(1a) 및 하부 상모듈(1b)에서 다수의 서브모듈(10)에 직렬로 연결된 동적전원공급부(110)를 포함한다. 이러한 동적전원공급부(110)는 상부 상모듈(1a) 또는 하부 상모듈(1b)을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 그 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상부 상모듈(1a) 및 하부 상모듈(1b)에 각각 공급하도록 한다. 즉, 고장전류에 의해 생성되는 부하접속단자(L1,L2,L3)의 전압을 상쇄시키기 위하여 그 전압에 대하여 반대극성의 전압을 발생시키는 것이다. 이러한 반대극성의 전압을 이용하여 부하접속단자(L1,L2,L3)에 걸리는 전압을 상쇄함으로써 고장전류를 감소시키도록 하며, 이로써 서브모듈을 보호할 수 있도록 한다.

한편, 이러한 컨버터(100)에서는 부하접속단자(L1,L2,L3)와 상부 및 하부 상모듈(1a,1b)의 중성점 사이에 고장전류 제한을 위한 리액터(reactor)(120)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 리액터(120)은 서브모듈의 단락고장에 대비하여 고장전류를 제한하는 기능을 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컨버터(100)에서는 도 4에 도시된 일 실시 예에 따른 컨버터(100)와 비교할 때 상모듈(1)은 동일하다. 즉, 컨버터의 각 부하접속단자(L1,L2,L3)를 기준으로 각 상모듈(1)이 상부 상모듈(1a)와 하부 상모듈(1b)로 구분된다.

이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컨버터(100)에서는 컨버터의 부하접속단자(L1,L2,L3)와 상부 상모듈(1a) 및 하부 상모듈(1b)의 중성점(N) 사이에 연결된 동적전원공급부(110)를 포함한다. 이러한 동적전원공급부(110)는 상부 상모듈(1a) 또는 하부 상모듈(1b)을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 그 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상부 상모듈(1a) 또는 하부 상모듈(1b)에 각각 공급하도록 한다. 즉, 고장전류에 의해 생성되는 부하접속단자(L1,L2,L3)의 전압을 상쇄시키기 위하여 그 전압에 대하여 반대극성의 전압을 발생시키는 것이다. 이러한 반대극성의 전압을 이용하여 부하접속단자(L1,L2,L3)에 걸리는 전압을 상쇄함으로써 고장전류를 감소시키도록 하며, 이로써 서브모듈을 보호할 수 있도록 한다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컨버터(100)에서는 상부 상모듈(1a) 및 하부 상모듈(1b)에서 다수의 서브모듈(10)에 직렬 연결되어 고장전류를 제한하기 위한 리액터(130)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 리액터(130)은 서브모듈(10)의 단락고장에 대비하여 고장전류를 제한하는 기능을 수행할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 동적전원공급부의 예시적인 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 동적전원공급부(110)는 전원감지부(111)와 전원제어부(112)를 포함하여 구성된다. 전원감지부(111)는 고장전류에 대응하는 전원을 감지한다. 즉, 상부 상모듈(1a) 또는 하부 상모듈(1b)에 흐르는 고장전류에 의한 전압의 크기를 감지한다. 이러한 전원감지부(111)는 예컨대 변압기를 포함할 수 있다. 상부 상모듈(1a) 또는 하부 상모듈(1b)에 직렬로 코일을 형성하고 코일에 걸리는 전압을 변압기를 이용하여 소정의 전압으로 변환함으로써 고장전류에 의한 전압의 크기를 검출하도록 할 수 있다. 전원제어부(112)는 이와 같이 전원감지부(111)에서 감지한 전원에 동적으로 대응하여 고장전류를 감소시키기 위한 전압을 생성하여 공급하도록 한다. 이때, 고장전류에 의한 전원의 반대극성의 전원을 공급함이 바람직하다. 이는 과정전류에 의한 전원을 상쇄시키기 위함이다.

여기서,본 발명의 실시 예에서 이러한 동적전원공급부(110)는 예컨대 동적전압보상기(DVR:Dynamic Voltage Regulator)를 포함할 수 있다. 이러한 DVR은 계통에서 발생하는 순시적 전압의 변화를 보상하기 위한 직렬전압 주입장치로서, 변압기와 전력전자소자 등으로 구성될 수 있다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이 전원에서 부하로 공급되는 전원(V1)에 변동이 발생하는 경우 그 변동에 해당하는 전원(V2)를 보상하여 공급하도록 한다. 본 실시 예에 적용되는 DVR은 전력계통에서 고장전류에 의한 전압의 변동이 있을 경우 그 변동된 전압에 대응하여 무효전력의 조정 등을 통해 그 변동된 전압을 일정한 범위 이내로 조절한다. 이때, 본 발명에서는 그 변동된 전압의 반대극성의 전압을 생성하여 공급하도록 함으로써 고장전류에 의한 전압을 상쇄시킬 수 있도록 하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 컨버터의 상모듈 또는 부하접속단자 중 어느 하나에 고장전류에 의한 전압을 감시하여 이를 상쇄시키기 위한 동적전원공급부를 설치함으로써 고장전류를 감소시킬 수 있도록 한다.

상기한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1 : 상모듈 1a : 상부 상모듈
1b : 하부 상모듈 10 : 서브모듈
100 : 컨버터 110 : 동적전원공급부
111 : 전원감지부 112 : 전원제어부
120, 130 : 리액터 N : 중성점

Claims (9)

1. 다수의 서브모듈이 직렬로 연결되어 각각 상부 상모듈과 하부 상모듈을 구성하는 상모듈을 1개 이상 포함하는 컨버터에 있어서,
   상기 각 상모듈에서 상기 다수의 서브모듈에 직렬 연결된 동적전원공급부를 포함하며, 상기 각 동적전원공급부는 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 상기 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈에 각각 공급함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 동적전원공급부는 상기 상모듈의 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 각각 상기 다수의 서브모듈에 직렬 연결됨을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터..
3. 제1항에 있어서,
   상기 컨버터의 부하접속단자와 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈의 중성점 사이에 고장전류 제한을 위한 리액터를 더 포함함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
4. 다수의 서브모듈이 직렬로 연결되어 각각 상부 상모듈과 하부 상모듈을 구성하는 상모듈을 1개 이상 포함하는 컨버터에 있어서,
   상기 컨버터의 부하접속단자와 상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈의 중성점 사이에 연결된 동적전원공급부를 포함하여 구성되며, 상기 동적전원공급부는 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈을 통한 고장전류에 동적으로 대응하여 상기 고장전류를 감소시키기 위한 반대극성의 전원을 상기 상부 상모듈 또는 하부 상모듈에 각각 공급함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 상부 상모듈 및 하부 상모듈에서 상기 다수의 서브모듈에 직렬로 연결된 고장전류 제한을 위한 리액터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 반대극성의 전원은 상기 고장전류의 크기와 동일한 전류에 대응하는 전원인 것을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 동적전원공급부는 상기 고장전류에 대응하는 전원을 감지하기 위한 전원감지부; 및
   상기 전원감지부에 의해 감지된 전원의 반대극성 전원을 출력하는 전원제어부; 를 포함함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전원감지부는 상기 고장전류에 대응하는 전원을 소정의 전압으로 변환하는 변압기를 포함함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
9. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 동적전원공급부는 DVR(Dynamic Voltage Regulator)를 포함함을 특징으로 하는 고장전류 감소기능을 갖는 컨버터.
   

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