KR20150036966A - Ｈｖｄｃ 시스템의 컨버터 제어 장치 - Google Patents

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박용훈
김진영
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Abstract

본 발명은 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 계통 상태에 따라 단락비를 계산하는 온라인 SCR(Short Circuit Ratio) 계산기 및 단락비 계산기를 통해 계산된 단락비를 이용하여 PLL 게인을 조정하는 PLL 게인 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＨＶＤＣ 시스템의 컨버터 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING CONVERTER OF HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT SYSTEM}
본 발명은 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 HVDC 용량변화 및 AC 계통의 단락용량 변화를 실시간으로 취득하여 단락비를 계산하고 계산된 단락비를 토대로 PLL 제어기의 이득을 조정하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치에 관한 것이다.
HVDC 시스템(High Voltage Direct Current)은 크게 AC 시스템과 DC 시스템으로 구성되며, 이 AC 시스템과 DC 시스템을 컨버터에서 변환해주는 역할을 한다. HVDC 시스템은 상기한 변환 과정에서 발생되는 고조파 등을 저감시키기 위해서 AC 필터나 DC 필터가 사용되며, 변환과정을 제어하기 위해서 제어시스템이 운영된다.
제어 시스템은 정류기측과 인버터측의 전력전송을 총괄제어하는 마스터 제어기를 구비하며, 마스터 제어기의 하위에 정류기측과 인버터측을 각각 제어하는 로컬 제어기를 구비한다.
로컬 제어기(Local Control)는 계통의 전압을 측정하는 측정 유닛, 마스터 제어기로부터 전류지령을 받아서 펄스명령을 발생시키는 컨트롤러, 계통전압과 펄스명령의 동기를 맞추어주는 PLL(Phase Locked Loop) 및 PLL에서 나온 신호를 컨버터로 보내어 원하는 시점에 컨버터를 제어하는 펄스신호를 생성하는 게이트 점호 유닛(Gate Firing Unit;GFU)을 구비한다.
PLL은 위상에 대한 네거티브(negative) 피드백 루프를 사용하여 입력신호와 출력신호의 위상 차이(phase difference)를 줄이거나 '0'이 되게 하는 비선형 아날로그 소자이다. 두 신호의 위상 차이가 줄어듦으로써, 두 신호의 주파수도 같아지게 된다. PLL은 통상 위상검출기(phase detector), 전압제어발진기(voltage controlled oscillator;VCO)와 루프필터(loop filter)를 구비한다. 루프필터로는 보통 로우패스필터(low-pass filter)나 적분기(integrator)가 사용된다. 위상검출기로는 아날로그 곱셈기(analog multiplier), XOR 게이트(exclusive-OR gate), 플립-플롭(flip-flop) 등의 단일 출력단자를 사용하여 위상차이에 비례하는 전압을 생성하는 회로나, 위상 차이 뿐만 아니라 주파수의 높고 낮음까지 검출할 수 있는 PFD(phase frequency detector) 회로가 사용된다.
HVDC 시스템에서 PLL은 HVDC 시스템의 정상상태와 과도상태 동작 특성에 매우 중요한 역할을 한다. PLL의 이득이 낮은 경우에는 HVDC 시스템과 연계되어 있는 AC 계통의 강도에 상관없이 HVDC 시스템의 특성에 문제를 일으키지 않는다. 하지만, 낮은 PLL이득의 경우, 고장 후 회복되는 시간 안정화(settling) 시간이 길어지는 단점이 있다. 그러나, PLL의 이득을 높이면 이러한 안정화(settling) 시간을 짧게 만들 수 있게 된다. HVDC 용량 대비 AC 계통의 단락용량 비를 나타내는 단락비(SCR, Short Circuit Ratio)가 큰 경우와 작은 경우 모두 회복특성에 별다른 문제가 없다. PLL 이득이 높아지면 안정화 시간은 짧아지지만, HVDC 용량에 비해 AC 계통단락용량이 매우 크지 않은 경우인 낮은 단락비의 경우에는 고장 후 회복중에 불안정 현상이 발생한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록번호 10-0635717호(2006.10.11)의 '전력변화설비용 위상 동기 루프'에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 HVDC 용량변화 및 AC 계통단락용량 변화를 실시간으로 취득하여 단락비를 계산하고 계산된 단락비를 토대로 PLL 제어기의 이득을 조정하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 계통 상태 변동시 HVDC 시스템의 안정화 시간을 최적화시키고, 회복 중의 불안정 현상을 방지하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 계통조건이 양호한 경우 HVDC 시스템에 고장이 발생하더라도 빠른 복구가 가능하도록 하고, 계통조건이 열악한 경우에는 HVDC 시스템의 안정화 회복시 불안정한 현상이 발생되지 않도록 하여 안정적인 HVDC 시스템의 운영이 가능하도록 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치는 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 계통 상태에 따라 단락비를 계산하는 온라인 SCR(Short Circuit Ratio) 계산기 및 상기 단락비 계산기를 통해 계산된 상기 단락비를 이용하여 PLL 게인을 조정하는 PLL 게인 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 PLL 게인은 상기 계통 상태의 변화에 따라 실시간으로 조정되는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 단락비는 상기 AC 계통의 단락용량과 상기 HVDC 시스템에 기 설정된 HVDC 용량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 AC 계통의 단락용량은 상기 HVDC 시스템의 AC 정류 모선의 전압과 단락 임피던스를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 PLL 게인 어댑터에서 조정된 상기 PLL 게인에 따라 상기 AC 계통의 계통 전압과 동기된 신호를 출력하는 PLL; 및 상기 PLL로부터 출력된 신호에 따라 상기 HVDC 시스템의 컨버터를 제어하는 게이트 점호 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 게이트 점호 유닛은 상기 PLL 신호에 동기된 램프 파형을 발생시키는 램프 발생기; 상기 램프 발생기에서 발생된 상기 램프 파형과 기 결정된 점호각 지령값을 비교하여 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발생기; 및 상기 펄스 발생기에서 발생된 상기 펄스 신호의 폭을 조정하여 상기 컨버터로 입력하는 펄스 폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 HVDC 용량변화 및 AC 계통단락용량 변화를 실시간으로 취득하여 단락비를 계산하고 계산된 단락비를 토대로 PLL 제어기의 이득을 조정한다.
본 발명은 계통 상태 변동시 HVDC 시스템의 안정화 시간을 최적화시키고, 회복 중의 불안정 현상을 방지한다.
본 발명은 계통조건이 양호한 경우 HVDC 시스템에 고장이 발생하더라도 빠른 복구가 가능하도록 하고, 계통조건이 열악한 경우 HVDC 시스템의 안정화 회복 중에 불안정한 현상이 발생되지 않도록 하여 안정적인 HVDC 시스템의 운영이 가능하도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 HVDC 시스템과 AC 계통의 테브넌 등가 회로도이다.
도 3 은 도 1 의 온라인 SCR 계산기의 블럭 구성도이다.
도 4 는 도 1 의 온라인 SCR 계산기의 다른 예시도이다.
도 5 는 도 1 의 게이트 점호 유닛의 블럭 구성도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치가 전압형 HVDC 시스템에 적용된 예를 나타낸 블럭 구성도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치가 하이브리드 HVDC 시스템에 적용된 예를 나타낸 도면이다.
도 8 은 상대적으로 높은 이득의 경우 단락비 변동에 따른 PLL 게인 조정 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 는 상대적으로 낮은 이득의 경우 단락비 변동에 따른 PLL 게인 조정 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명이 적용되는 HVDC 시스템과 AC 계통의 테브넌 등가 회로도이며, 도 3 은 도 1 의 온라인 SCR 계산기의 블럭 구성도이며, 도 4 는 도 1 의 온라인 SCR 계산기의 다른 예시도이며, 도 5 는 도 1 의 게이트 점호 유닛의 블럭 구성도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 PLL 게인 조정 장치는 AC 계통의 단락용량을 실시간으로 계산하고 이 AC 계통의 단락용량과 HVDC 시스템에 기 설정된 HVDC 용량을 이용하여 단락비를 실시간으로 계산하는 온라인 SCR(Short Circuit Ratio) 계산기(140), 온라인 SCR 계산기(140)에서 계산된 단락비에 따라 PLL(Phase Locked Loop) 게인을 조정하는 PLL 게인 어댑터(150), PLL 게인 어댑터(150)에 조정된 PLL 게인에 따라 AC 계통의 계통 전압과 동기된 신호를 출력하는 PLL(170) 및 PLL(170)로부터 출력된 신호에 따라 HVDC 시스템의 컨버터(120)를 제어하는 게이트 점호 유닛(Gate Firing Unit)(180)을 포함한다.
일반적으로, HVDC 시스템에는 AC 시스템과 DC 시스템이 구비되는데, 컨버터(120)는 AC 시스템과 DC 시스템을 변환한다.
이러한 컨버터(120)는 변환 과정에서 AC측과 DC측 양쪽의 전압과 전류의 고조파를 발생시키는데, 이러한 고조파는 이상 과열 또는 통신 시스템의 혼란을 일으킨다. 이에, AC 필터 또는 DC 필터가 교류측 또는 직류측에 설치되어 상기한 고조파를 제거한다.
또한, HVDC 시스템은 AC 계통의 전압을 측정하는 측정유닛(130)과, 마스터 제어기(미도시)로부터 전류지령을 받아서 펄스 명령을 발생시키는 컨트롤러(160) 등을 더 구비한다.
온라인 SCR 계산기(130)는 HVDC 시스템의 계통 상태에 따라 단락비를 계산한다.
여기서, 단락비(short circuit ratio;SCR)는 HVDC용량과 AC계통단락용량의 비를 나타내는 것으로써, HVDC 시스템의 HVDC 용량을 AC 계통의 단락용량으로 나누어 산출된다.
이러한 단락비는 HVDC 시스템과 AC계통을 등가화한 테브넌 등가회로를 통해 나타내어질 수 있다. 도 2 는 HVDC 시스템과 AC 계통의 테브넌 등가회로도이다. HVDC 시스템과 AC계통을 등가화하면, 이상적인 전압원인 VS 와 등가임피던스 ZS, 변동부하 ZL로 나타나는데, VS는 이상적인 전압원으로써 HVDC 시스템이 연결된 AC 정류 모선의 전압이고, ZS는 무효전력 보상설비를 고려하지 않은 AC 계통의 테브넌 등가 임피던스로써 단락 임피던스에 해당한다.
이하, 도 2 와 도 3 을 참조하여 온라인 SCR 계산기(130)가 단락비를 계산하는 과정을 설명한다.
임피던스 계산 모듈은 하기의 수학식 1을 통해 단락 임피던스 ZS를 계산한다.
Figure pat00001
상기한 수학식 1 에서 각각 측정값과 분산값들은 다음의 수학식 2와 같은 조건을 만족하여야 한다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
, 각각은 모두 일정 샘플링 시간 동안의 신호의 분산값이 된다.
Figure pat00008
과
Figure pat00009
,
Figure pat00010
는 상호 독립적이어서,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
가 성립하며, 간략화를 위해서, 양변에
Figure pat00013
을 곱하면, 하기의 수학식 3과 같게 된다.
Figure pat00014
수학식 3 에서, 0이 되는 항목을 소거하면, 하기의 수학식 4와 같이 된다.
Figure pat00015
이러한 수학식 4로부터 단락 임피던스 ZS는 하기의 수학식 5와 같이 계산된다.
Figure pat00016
한편, 위상각 계산모듈은 AC 계통의 위상각 θ을 계산하는데, 이러한 위상각은 도 4 에 도시된 바와 같이, 외부에 설치된 PMU(Phase Measurement Unit)를 통해서도 측정될 수 있다.
여기서, 위상각은
Figure pat00017
으로 나타난다.
다음으로, 도 3 과 도 4 의 SCC(Short Circuit Capacity) 계산부는 단락 임피던스 ZS와 위상각 θ을 이용하여 AC 계통의 단락용량 Sac를 계산한다.
단락용량 Sac는 하기의 수학식 6을 통해 계산된다.
Figure pat00018
여기서, VL은 AC 정류모선의 전압으로써 기 설정된 시스템의 운전 데이터이다.
상기한 바와 같이, SCC 계산부가 AC 정류 모선의 전압 VL과 단락용량 Sac를 계산하면, SCR 계산부는 단락용량 Sac를 이용하여 하기의 수학식 7을 이용하여 단락비를 계산한다.
Figure pat00019
여기서, Pdc는 HVDC 시스템에 기 설정된 HVDC 용량이다.
즉, 단락비는 AC 계통의 단락용량과 HVDC 시스템에 기 설정된 HVDC 용량을 이용하여 계산되어진다.
이와 같이, 단락비가 계산되면, PLL 게인 어댑터(150)는 단락비 계산기를 통해 계산된 단락비를 이용하여 PLL 게인을 조정한다.
도 1 에서, PLL(170)은 PLL 게인 어댑터(150)에서 조정된 PLL 게인에 따라 AC 계통의 계통 전압과 동기된 신호를 출력한다.
이에 따라, 게이트 점호 유닛(180)은 PLL(170)로부터 출력된 신호에 따라 HVDC 시스템의 컨버터(120)를 제어한다. 이러한 게이트 점호 유닛(180)은 도 5 에 도시된 바와 같이, 램프 발생기(Ramp Generator), 펄스 발생기(Pulse Generator) 및 펄스 폭 변조기(Pulse Width Modulator)를 포함한다.
도 5 를 참조하면, 램프 발생기가 PLL 신호에 동기된 램프 파형을 발생시키면, 펄스 발생기가 램프 발생기에서 발생된 램프 파형과 기 결정된 점호각 지령값(Alpha order)을 비교하여 펄스 신호를 발생시킨다. 이에 따라, 펄스 폭 변조기는 펄스 발생기에서 발생된 펄스 신호의 폭을 조정하여 컨버터(120)로 입력함으로써, 컨버터(120)의 동작을 제어한다.
상기한 HVDC 시스템용 PLL 게인 조정 장치는 다양한 종류의 HVDC 시스템에 적용될 수 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치가 전압형 HVDC 시스템에 적용된 예를 나타낸 블럭 구성도이고, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치가 하이브리드 HVDC 시스템에 적용된 예를 나타낸 도면이다.
도 6 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치는 온라인 SCR 계산기(340), PLL 게인 어댑터(350), PLL(370) 및 펄스 폭 변조기(360)를 포함하되, 이들은 외부 P/Q/Vdc 제어기(Outer P/Q/Vdc Controler;)(310), 내부 전류 제어기(Inner Current Controler)(320), DC 전압 밸런스 제어기(DC Voltage Balance Controler)(330) 및 VSC(Voltage Source Converter)(370)을 구비하는 전압형 HVDC 시스템에 적용될 수 있다.
또한 도 7 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치는 제1 온라인 SCR 계산기(440), 제1 PLL 게인 어댑터(450), 제1 PLL(미도시), 제2 PLL(미도시), 제1 펄스 폭 변조기(미도시) 및 제2 펄스 폭 변조기(미도시)를 포함하되, 이들은 제1 컨버터(420), 제2 컨버터(425), 마스터 제어기(Master Controler)(470) 및 디스패치 제어기(Dispatch Control)(460), 제1 로컬 제어기(Local Controler)(480), 제2 로컬 제어기(485)를 포함하는 하이브리드 HVDC 시스템에 적용될 수 있다. 참고로, 제1 PLL 및 제1 펄스 폭 변조기는 제1 로컬 제어기에 포함되고, 제2 PLL 및 제2 펄스 폭 변조기는 제2 로컬 제어기에 포함된다.
도 8 은 상대적으로 높은 이득의 경우 단락비 변동에 따른 PLL 게인 조정 결과를 나타낸 도면이고, 도 9 는 상대적으로 낮은 이득의 경우 단락비 변동에 따른 PLL 게인 조정 결과를 나타낸 도면이다.
도 8 과 도 9 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치에 따르면, 단락비 조정을 통해 PLL 게인이 높을 경우 회복 중의 불안정 현상을 해소하고, 또한 PLL 게인이 낮을 경우 안정화 시간을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치는 계통조건이 양호한 경우에는 HVDC 시스템의 고장시 빠른 복구가 가능토록 하고 계통조건이 열악한 경우에는 회복시에 불안정이 발생되지 않도록 함으로써 안정적인 HVDC 시스템 운영이 가능하도록 한다.
이와 같이, 본 발명은 HVDC 용량변화 및 AC 계통단락용량 변화를 실시간으로 취득하여 단락비를 계산하고 계산된 단락비를 토대로 PLL 제어기의 이득을 조정함으로써, 계통 상태 변동시 HVDC 시스템의 안정화 시간을 최적화시키고, 회복 중의 불안정 현상을 방지한다.
또한, 본 발명은 계통조건이 양호한 경우, HVDC 시스템에 고장이 발생하더라도 빠른 복구가 가능하도록 하고, 계통조건이 열악한 경우 HVDC 시스템의 안정화 회복 중에 불안정한 현상이 발생되지 않도록 하여 안정적인 HVDC 시스템의 운영이 가능하도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
120: 컨버터 130: 측정유닛
140,240,340,440: SCR 온라인 계산기
150,35,450: PLL 게인 어댑터
160: 컨트롤러 170,370: PLL
180: 게이트 점호 유닛 310: 외부 P/Q/Vdc 제어기
320: 내부 전류 제어기 330: DC 전압 밸런스 제어기
370: VSC 420: 제1 컨버터
425: 제2 컨버터 470: 마스터 제어기
460: 디스패치 제어기 480: 제1 로컬 제어기
485: 제2 로컬 제어기

Claims (6)

  1. HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템의 계통 상태에 따라 단락비를 계산하는 온라인 SCR(Short Circuit Ratio) 계산기; 및
    상기 단락비 계산기를 통해 계산된 상기 단락비를 이용하여 PLL(Phase Locked Loop) 게인(Gain)을 조정하는 PLL 게인 어댑터를 포함하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PLL 게인은 상기 계통 상태의 변화에 따라 실시간으로 조정되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단락비는
    상기 AC 계통의 단락용량과 상기 HVDC 시스템에 기 설정된 HVDC 용량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 AC 계통의 단락용량은
    상기 HVDC 시스템의 AC 정류 모선의 전압과 단락 임피던스를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PLL 게인 어댑터에서 조정된 상기 PLL 게인에 따라 상기 AC 계통의 계통 전압과 동기된 신호를 출력하는 PLL; 및
    상기 PLL로부터 출력된 신호에 따라 상기 HVDC 시스템의 컨버터를 제어하는 게이트 점호 유닛(Gate Firing Unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 게이트 점호 유닛은
    상기 PLL 신호에 동기된 램프 파형을 발생시키는 램프 발생기;
    상기 램프 발생기에서 발생된 상기 램프 파형과 기 결정된 점호각 지령값을 비교하여 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발생기; 및
    상기 펄스 발생기에서 발생된 상기 펄스 신호의 폭을 조정하여 상기 컨버터로 입력하는 펄스 폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 컨버터 제어 장치.
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