KR20160035052A - 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리 - Google Patents

고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리 Download PDF

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마틴 피셸
한스-요하임 크나크
마르코스 페레이라
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리에 관한 것이며, 어셈블리는 유효 전력을 보상하도록 설계된 제1 컨버터(CW), 및 직렬로 접속되며 무효 전력을 보상하도록 설계된 제2 컨버터(CVAR)를 가지며, 어셈블리에 의해 공급되거나 출력될 수 있는 전압은 제1 컨버터(CW)의 전압 및 제2 컨버터(CVAR)의 전압의 합에 대응한다.

Description

고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리{ASSEMBLY FOR COMPENSATING REACTIVE POWER AND ACTIVE POWER IN A HIGH-VOLTAGE NETWORK}
본 발명은 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리에 관한 것이다.
도 1은 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 종래의 어셈블리(1)를 도시한다. 커패시터(2)는 배터리(3)에 병렬로 접속되고, 이에 의해 이들 컴포넌트가 컨버터(4)를 통해 a.c. 그리드 시스템의 3개의 위상에 접속된다. 커패시터(2) 및 배터리(3)는 컨버터(4)의 d.c. 측에 접속된다. 커패시터(2)는 무효 전력을 보상하고, 배터리(3)는 유효 전력을 보상한다. 각각의 위상에 대해, 컨버터(4)는, 고전압 시스템에서 요구되는 전압 내구성을 실현하기 위해, 다수의 직렬-접속 서브모듈들(5)을 포함한다. 스위치들(7, 8)에 의해, 배터리(3)는 어셈블리(1)의 나머지 컴포넌트들로부터 분리될 수 있다.
도 2는 트랜지스터 및 다이오드를 포함하는, 이러한 타입의 서브모듈(5)의 예를 도시한다.
도 3은 반도체 컴포넌트들 및 커패시터의 하프-브리지(half-bridge)를 포함하는, 대안적인 서브모듈(6)을 도시한다.
그러나, 도 1 내지 도 3과 관련하여 기술된 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 이러한 종래의 어셈블리는 다수의 문제점들과 연관된다. 무효 전력 보상이 연속 작동으로 진행하는 경우, 커패시터(2) 및 배터리(3)에서 영구 전류가 흐르며, 이는 가열을 초래하고, 이에 의해 민감한 컴포넌트들의 서비스 수명을 단축시킨다.
배터리(3) 상의 전압이 네트워크 전압보다 더 작은 경우, 제어되지 않은 충전 전류가 도 2 및 도 3에 표현된 서브모듈들의 다이오드들을 통해 흐른다. 에너지 저장소의 고용량의 결과로서, 어셈블리가 방전 상태에서 에너지 저장소와 스위치-인(switch-in)될 때 매우 높은 전류가 흐를 수 있고, 이는 고전압 네트워크에 대한 그리고 컨버터(4)에 대한 부정적인 결과들을 초래할 수 있다.
배터리(3) 대신, 에너지 저장 요소가 이중-층 커패시터들로서 구성되는 경우, 추가적인 문제가 발생한다. 저장된 에너지의 인출(retrieval)시, 커패시터 전압은 전압의 제곱근만큼 강하한다. 에너지 저장소 상의 전압이 고전압 네트워크 상의 전압보다 더 작을 수 없기 때문에, 에너지 출력에서의 상당한 제한을 감수해야 한다. 배터리가 에너지 저장소로서 사용되는 경우에도 유사한 문제들이 발생한다.
특허 공보 WO 2010/124706 A1호는 모듈러 멀티-스테이지 컨버터를 제안하는데, 여기서, 에너지 저장 모듈들은 컨버터의 개별 서브모듈들 내에 직접 통합된다. 초퍼(chopper) 또는 전압 컨버터의 형태인 전력 전자 유닛은 에너지 저장소의 서브모듈과의 결합을 위해 사용된다. 그러나, 필수 전력 전자 장치 및 연관된 초크 디바이스(choke device)는 상당한 구조적 복잡성을 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 더 간단한 설계의 어셈블리를 제안하는 것이다.
본 발명에 따른 목적의 달성을 위해, 유효 전력을 보상하도록 설계된 제1 컨버터 및 무효 전력을 보상하도록 설계된 제2 직렬-접속 컨버터를 포함하는, 전술된 타입의 어셈블리가 제안되며, 이때 어셈블리로부터 공급되거나 출력될 수 있는 전압은 제1 컨버터의 전압과 제2 컨버터의 전압의 합에 대응한다.
본 발명에 따르면, 종래 기술과 연관된 문제들은 2개의 직렬-접속 컨버터들과의 어셈블리에 의해 해결되며, 이때 제1 컨버터는 유효 전력을 보상하도록 설계되고, 제2 컨버터는 무효 전력을 보상하도록 설계된다. 본 발명에 따른 어셈블리에서, 컨버터 어셈블리의 전압이 2개의 컨버터의 전압들의 합에 대응하는 것이 중요하다.
본 발명에 따르면, 어셈블리가 제어 유닛을 포함하는 것이 바람직한데, 상기 제어 유닛은 고전압 네트워크 상에 존재하는 전압 및 전류를 측정하도록 구성되며, 필수 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)이 고전압 네트워크로부터 취해지거나 고전압 네트워크 내로 공급되도록 제1 컨버터와 제2 컨버터로부터 전압 출력들을 결정한다.
본 발명에 따르면, 제어 유닛은, 제1 컨버터가 유효 전력만을 보상하고 제2 컨버터가 무효 전력만을 보상하도록 2개의 컨버터들을 제어하는 것이 바람직하다.
유효 전력을 보상하도록 설계된 제1 컨버터가 적어도 하나의 에너지 저장 요소를 포함하거나 에너지 저장소에 접속되는 것이 발명의 범위 내에 든다. 바람직하게는, 에너지 저장 요소는 커패시터로서 또는 이중-층 커패시터로서, 또는 배터리로서 구성될 수 있다.
제1 컨버터 및/또는 제2 컨버터가 초크 디바이스 또는 디바이스들을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 어셈블리에서, 제어 유닛은, 상기 출력이 컨버터에서 흐르는 전류와 동상이거나 반대 위상이도록 제1 컨버터로부터 출력된 전압을 제어하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 커패시터에서 흐르는 전류가 제한되도록, 제어 유닛은 무효 전력을 보상하도록 설계된 컨버터를 제어하는 것이 제공될 수 있다.
또한, 2개의 컨버터들이 각각 전력 반도체 스위치들로 바람직하게 구성된 H-브리지를 포함하는 것이 발명의 범위 내에 든다. 바람직하게는, 두 컨버터들 모두 3-상 디바이스들로서 구성된다. 컨버터들은 스타-접속 또는 델타-접속될 수 있다.
발명은 도면들과 관련하여, 예시적인 실행의 형태들에 기반하여 하기에 기술된다. 도면들은 개략적 표현들이다.
도 1은 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 종래의 어셈블리를 도시한다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 종래의 어셈블리의 서브모듈들을 도시한다.
도 4는 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 본 발명에 따른 어셈블리를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 어셈블리의 등가 회로도를 도시한다.
도 6 내지 도 11은 어셈블리에서 발생하는 전압 및 전류의 벡터 다이어그램들을 도시한다.
도 12는 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 본 발명에 따른 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 13은 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 본 발명에 따른 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 14는 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 본 발명에 따른 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 어셈블리의 추가 실시예를 도시한다.
도 16 내지 도 18은 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 본 발명에 따른 어셈블리들의 추가 실시예들을 도시한다.
도 19 내지 도 22는 도 16 내지 도 18에 도시된 어셈블리들의 응용예들을 도시한다.
도 4는 유효 전력을 보상하도록 설계된 제1 컨버터(CW), 및 이에 직렬로 접속되고 무효 전력을 보상하도록 설계된 제2 컨버터(CVAR)를 가지는, 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리를 도시한다. 2개의 컨버터들(CW, CVAR)은 제어 유닛(9)에 접속된다. 2개의 컨버터들(CW, CVAR)을 가지는, 도 4에 도시된 어셈블리(10)는 네트워크의 위상들 사이에 접속될 수 있다. 대안적으로, 결합된 중립점을 가지는 델타 접속 또는 스타 접속이 형성되도록, 분기 접속들이 제공될 수 있다.
어셈블리(10)에서, 전압(전체 전압)이, 개별 위상 전압들의 형태이든, 또는 단일의 다중-위상 전압으로서든, 2개의 컨버터(CW, CVAR)의 전압들의 합으로 구성되는 것이 중요하다. 컨버터(CVAR)는 도 1에 도시된 어셈블리로서, 개별 서브모듈들로 구성되지만, 무효 전력의 보상만이 필요함에 따라, 배터리 또는 스위치 어느 것도 요구되지 않는다.
제어 유닛(9)은 고전압 네트워크 상에서 측정된 전기적 변수들에 대응하는 신호들을 수신한다. 제어 유닛(9)에는 또한, 제어 유닛(9)의 구성 요소이며 고전압 네트워크에 의해 취해지거나 네트워크 내에 공급되는 무효 전력 및 유효 전력을 결정하는 제어기(12)가 제공된다. 컴퓨터(11)는 컨버터들(CVAR 및 CW)에 대한 전압들(UCVAR 및 UCW)을 계산하고, 따라서, 제어기(12)에 의해 결정된 무효 전력 및 유효 전력은 각자 컨버터들(CVAR, CW)에 의해 전환된다. 2개의 컨버터들(CW, CVAR) 각각에 대해, 컨버터 제어 유닛(13, 14)이 전력 반도체 스위치들의 제어를 위해 제공된다.
어셈블리(10)의 동작 원리는 도 5에 도시된 등가 회로도에 관련하여 설명된다. 2개의 컨버터들(CW, CVAR) 및 컨버터 인덕턴스가 2개의 전압원들(UCVAR 및 UCW)에 의해 그리고 인덕턴스(L)에 의해 등가 회로도(15) 상에 표현된다. 인덕턴스(L)는 컨버터들 중 하나 상에 초크 디바이스로서 구현되거나, 대안으로서 분배될 수 있다. 컨버터 어셈블리의 전체 전압, 즉, 전압(USUM)은 2개의 전압원들(UCW 및 UCVAR)로부터의 전압들의 합으로 주어진다. 네트워크 전압, 즉, 어셈블리의 단자들에서의 전압은 전압원(UNET)으로 표현된다. 전압(UL)은 인덕턴스(L) 상에 생성되는 전압이다. IL은 등가 회로도(15)에서 전압들 및 인덕턴스로부터 초래되는 전류이다.
동작 및 제어 원리의 설명에서, 인덕턴스(L) 상에서의 그리고 컨버터들(CW 및 CVAR)에서의 저항 및 결과적인 전력 손실은, 이러한 값들이 비교적 작음에 따라, 무시된다.
다음 방정식들이 도 5에 표현된 등가 회로도(15)로부터 도출되며, 이때 P는 네트워크로부터 어셈블리 내로 흐르는 유효 전력을 나타내고 Q는 네트워크로부터 어셈블리 내로 흐르는 무효 전력을 나타낸다. 축약어(XL)는 인덕턴스(L)의 무효 임피던스를 나타낸다. XL을 제외하고, 다음 방정식들에서의 모든 변수들은 복소수인데, 즉, 이들은 각각 실수 성분 및 허수 성분으로 구성된다. 또한, UNET , UCW, UCVAR, UL 및 IL은 a.c.전압들 및 교류 전류이며, 그것의 r.m.s.값이 다음 방정식들에서 고려된다는 점이 이 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 도 5에 표현된 등가 회로도(15)에 대해, 다음 방정식들이 적용된다:
Figure pct00001
컨버터(CW)가 전체 무효 전력을 차지하고(take up), 유효 전력에만 기여하는 경우, IL이 또한 컨버터(UCW)에서 흐르는 전류임에 따라, 전압(UCW)은 전류(IL)와 동상이어야 한다. 전압(UCW)은 또한 USUM의 컴포넌트이다. 이는 다음 방정식을 제공한다:
Figure pct00002
이는 또한 다음 전압을 제공한다:
Figure pct00003
이로부터, UCVAR과 IL 사이의 위상차가 90도이고, 그 결과, 컨버터(CVAR)가 무효 전력에 독점적으로 기여하는 것이 도출된다. 따라서, UCVAR에 대한 대안적인 계산은 다음과 같이 적용될 수 있다:
Figure pct00004
무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리의 동작은 발생하는 전압들의 벡터 다이어그램들인 도 6 내지 도 11과 관련하여 하기에 기술된다. 이러한 다이어그램들에서, 예를 들어, UNET = 100 kV 및 XL = 100 옴의 통상적인 값들이 가정된다. 전압(UL)이 UNET와 USUM 사이의 차이와 같음을 알 것이다. 전류(IL)가 또한 벡터 다이어그램들에 표현된다. 전류(IL)와 전압(UL) 사이에 90도의 공지된 그리고 지속적인 위상 지연(phase lag)이 존재한다. 도 6 내지 11에 도시된 예들에서, 네트워크 전압(UNET)은 각각의 경우 위상 기준을 제공하고, 따라서, 그 위상 값이 제로와 같으며, 따라서 네트워크 전압(UNET)은 수평 벡터로 표현된다.
도 6 내지 도 9로부터, 무효 전력의 보상을 담당하는 컨버터(CVAR)의 전압(UCVAR)은 네트워크 전압과 동상이 아닌 것으로 나타난다.
도 6은 어셈블리가 10MW의 양의 유효 전력 및 10 MVAR의 무효 전력을 취하는 상황을 나타낸다. 네트워크로부터 고려하면, 어셈블리는 그에 따라 저항 및 초크 디바이스를 구성한다. 이미 언급된 바와 같이, 전류(IL)와 전압(UL) 사이의 위상 지연은 90도이다. 유효 전력이 양임에 따라, 전압(UCW)은 IL과 동상이다. 무효 전력이 양임에 따라, 전압(UCVAR)과 전류(IL) 사이의 위상 리드(phase lead)는 90도이다.
도 7은 어셈블리가 10MW의 음의 유효 전력 및 10MVAR의 양의 무효 전력을 전달하는 상황을 나타낸다. 따라서, 어셈블리는 제너레이터(generator) 및 커패시터로서 기능한다. 전압(UCW)은 IL에 대해 반대 위상이며, 전압(UCVAR)과 IL 사이의 위상 지연은 90도이다.
도 8은, 네트워크로부터 고려될 때, 어셈블리가 저항 및 커패시터를 구성하도록, 어셈블리가 10 MW의 양의 유효 전력을 취하고 및 10 MVAR의 무효 전력을 전달하는 상황을 나타낸다. 전압(UCW)은 IL과 동상이며, 전압(UCVAR)과 전류 IL 사이의 위상 지연은 90도이다.
도 9는 제너레이터 및 초크 디바이스로서, 어셈블리가 10 MW(음의 유효 전력)를 전달하고 대략 10 MVAR을 취하는 상황을 나타낸다. 전압(UCW)은 IL과 동상이며, 전압(UCVAR)과 IL 사이의 위상 리드는 90도이다.
도 10은 어셈블리가 유효 전력만을 취하는 특정 상황을 나타낸다. 따라서, 전압들(UNET, UCW) 및 전류(IL)는 서로 동상이다. UNET 및 UCW는 또한 동일한 값을 갖는다. 컨버터(CVAR)는 초크 디바이스(L) 상의 무효 전력을 그것의 전압(UCVAR)과 등화시키고, 어셈블리의 유효 용량을 조절한다.
도 11은 컨버터(CW) 상의 전압(UCW)이 제로인 특정 상황을 나타낸다. 따라서, 어셈블리는 유효 전력을 전달하지 않고, UCVAR 및 UNET는 동상이며, IL에 대해 위상 지연을 보인다. 이 예에서, 무효 전력은 음이며, 네트워크로부터 고려될 때, 어셈블리는 커패시터를 구성한다.
전술된 문제들 중 첫번째 문제, 소위, 무효 전력에 의한 에너지 저장소의 영구적 로딩(permanent loading)은, 에너지 저장소가 접속된 컨버터(CW)가 유효 전력 요소에만 기여하며, 따라서, 그것의 전압(UCW)이 제로가 아닌 경우 낮은 값으로 유지될 수 있는 반면 컨버터(CVAR)가 무효 전력을 보상한다는 점에서, 어셈블리에 의해 해결된다. 따라서, 연속 작동에서, 컨버터(CW) 상의 에너지 저장소는 대응적으로 제한된 범위로 로딩되거나, 또는 전혀 로딩되지 않으며, 따라서, 그것의 서비스 수명이 상당히 연장된다. 동시에, 도 11에 도시된 바와 같이, 컨버터(CVAR)가 무효 전력 보상을 담당한다. 이 경우, 에너지 저장소의 분리를 위해 다른 수단들, 예를 들어, 기계적 스위치들이 요구되지 않으며, 따라서 그것이 지연 없이 응답할 수 있다는 것이 유리하다.
예를 들어, 에너지 저장소의 충전을 위해 또는 외란에 후속하는 고전압 네트워크의 안정화를 위해 요구되는 경우, 유효 전력은, 고전압 네트워크로부터의 에너지의 소모 또는 네트워크 저장소로부터 네트워크로의 에너지의 주입이 제어 유닛(9)에 의해 제어될 수 있도록 컨버터에 의해 제어된다. 이 경우, 무효 전력은 요구되는 경우 컨버터(CVAR)에 의해 공급되거나, 또는 제로일 수 있다. 도 6 내지 도 10은 무효 전력이 컨버터(CVAR)에 의해 공급되는 상황들을 나타낸다. 도 11은 무효 전력이 제로인 상황을 나타낸다.
전술된 문제들 중 두번째 문제, 소위, 스위치 온 시에 제어되지 않은 높은 충전 전류는, 도 11에 나타난 예시적인 실시예에서와 같이, 컨버터(CW) 상의 전압이 네트워크 전압보다 낮거나 심지어 제로인 경우라도, 전류가 컨버터(CVAR)에 의해 제한된다는 점에서, 어셈블리(10)에 의해 해결된다. 컨버터(CVAR)는, 그것의 커패시터들이 이러한 목적으로 특정한 그리고 적절한 커패시턴스를 가지고 구성되도록, 무효 전력에 대해서만 설계되어야 한다. 따라서, 시동 시에, 커패시터들은, 이러한 목적으로 임의의 복잡한 수단들을 요구하지 않고, 고속으로, 그리고 과전류 없이 충전될 수 있다. 따라서, 어셈블리(10)는 스위치 온 직후에 이용가능할 것이다.
전류가 컨버터(CVAR)에 의해 효과적으로 제한될 수 있음에 따라, 컨버터(CW) 상의 그리고 상기 컨버터와 연관된 에너지 저장 요소 상의 전압에 대해 상당한 자유도가 이용가능하다. 따라서, 에너지 저장소들의 충전 및 방전은 전압과는 무관하게 언제든 진행될 수 있으며, 이때 최대 에너지 출력을 허용한다. 이러한 방식으로, 전술된 문제들 중 세번째 문제, 소위, 충전 상태에 대한 에너지 저장소의 종속성이 제거될 수 있다. 또한, 컨버터의 서브모듈들은, 종래 기술과는 반대로, "초퍼" 또는 유사한 컴포넌트가 필요하지 않음에 따라, 비교적 간단한 설계일 수 있다.
도 12는 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리(18)의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서, 컨버터(CW)는 H-브리지들(풀 브리지들)로 구성된 서브모듈들(16)을 가지는 모듈러의, 멀티-스테이지 컨버터들로서 구성된다. 이러한 종류의 H-브리지는 상기 브리지 또는 그것의 단자 전압이 3가지 상태들(제로, 양 또는 음)을 가정할 수 있다는 점을 특징으로 한다. 도 12에서, 종래의 d.c. 커패시터 대신, 표현된 예시적인 실시예에서 리튬-이온 배터리로서 구성된 에너지 저장 요소(17)가 제공된다는 것을 알 것이다. 대안적으로, 에너지 저장 요소는 이중-층 커패시터일 수 있다. 따라서, 도 12에 표현된 어셈블리(18)는 또한 2개의 컨버터들의 직렬 회로의 원리를 구현하는데, 그 중 하나는 무효 전력을 보상하도록 설계되고, 다른 하나는 유효 전력을 보상하도록 설계된다.
도 13은, 2개의 3-상 컨버터들(CW 및 CVAR)이 모듈러의, 멀티-스테이지 컨버터들로서 구성되며, 이때 전체 어셈블리(19)가 6개의 단자들(X11, X12, X13, X41, X42, X43)을 포함하는, 어셈블리(19)를 가지는 추가적인 예시적인 실시예를 도시한다. 따라서, 어셈블리(19)는 스타-접속 회로로서 또는 델타-접속 회로로서 구성될 수 있다. 도 13에서, 인덕턴스들(20)이 2개의 컨버터(CW, CVAR) 사이에 표현되지만, 이들은 선택적이며, 절대적으로 필요하지는 않다. 도 13에서, 컨버터(CW)의 하나의 서브모듈(16)이, 도 12에 도시된 예시적인 실시예에 따른 에너지 저장 요소(17)를 포함한다는 것을 알 것이다. 반면, 컨버터(CVAR)의 하나의 서브모듈(21)은 d.c. 커패시터(22)를 포함한다.
도 14는 2개의 컨버터(CW, CVAR)가 모듈러의, 멀티-스테이지 컨버터들로서 구성되고, 이때 CW는 스타-접속되고 CVAR는 델타-접속되는 추가적인 예시적인 실시예를 도시한다. 어셈블리(24)에서의 인덕턴스들(23)은 델타-접속 회로에 포함된다.
도 15는 무효 전력의 보상을 위한 컨버터(26) 및 유효 전력의 보상을 위한 컨버터(27)를 포함하는 어셈블리(25)를 도시한다. 그 설계에서, 컨버터들(26, 27)은 도 13에 표현된 컨버터들에 대응한다. 컨버터들(26, 27)의 전력 반도체 스위치들은 IGBT, IGCT 또는 GTO들로서 구성될 수 있다.
도 15에서, 역평행-접속 사이티스터들(28)의 조합이 유효 전력의 보상을 위한 컨버터(27)에 병렬로 접속된다는 것을 알 것이다. 무효 전력의 출력 동안, 사이리스터들(28)은 연속적으로 점화되며, 따라서, 에너지 저장 셀들(컨버터(27))이 활성화되지 않는다. 이 상태에서, 사이리스터들(28)은 컨버터(27)를 브리징시키고, 그 결과, 전류가 컨버터(27)를 통해 흘렀을 경우, 발생했을 더 높은 손실들이 회피되고, 그것은 그러했을 경우에 전류 경로는 항상 IGBT 및 다이오드를 통과할 것이기 때문이다. 유효 전력이 전달되자마자, 사이리스터들(28)은 차단되고, 에너지 저장 셀들(컨버터(27))이 활성화된다.
도 16은 인덕턴스(30), 무효 전력 보상을 위한 다수의 컨버터들(26), 및 유효 전력 보상을 위한 다수의 컨버터들(27)로 구성된 직렬 회로로서 구성되는 위상 모듈(29)을 도시한다.
도 17에서의 어셈블리의 구성은 도 16에 표현된 것과 유사하며, 또한, 스위칭 인덕턴스(32)와 직렬로 접속된 역평행-접속 사이리스터들(28)을 포함한다. 사이리스터들(28) 및 스위칭 인덕턴스(32)는 유효 전력 보상을 위해 컨버터(27)와 병렬로 접속된다. 도 17에서, 사이리스터들(28)이 다수의 에너지 저장소들 또는 다수의 컨버터들(27)을 브리징시킬 수 있는 배열로 접속된다는 것을 알 것이다. 이는, 사이리스터들(28)이 컨버터(27)의 IGBT들보다 더 높은 차단 전압을 가짐에 따라, 가능하다.
마지막으로, 도 18은, 인덕턴스(30) 및 스위칭 인덕턴스(32)가 듀플렉스 초크 디바이스(34)로 대체된 위상 모듈(33)을 도시하며, 듀플렉스 초크 디바이스는 무효 전력의 보상을 위한 컨버터들(26)과 직렬로 접속된, 유효 전력의 보상을 위한 컨버터들(27) 및 상호접속된 사이리스터들(28)의 조합 모두와 접속된다. 도 17에 표현된 회로에 따르면, 이 경우에서의 사이리스터들(28)은 또한 이들이 다수의 컨버터들(27)을 브리징시키도록 배열되거나 접속되고, 이때 예를 들어, 6개의 IGBT들 및 6개의 다이오드들로부터의 손실들은 단일 사이리스터로부터의 손실들로 대체될 수 있다.
도 16, 17 및 18에 표현된 다양한 위상 모듈들(29, 31 및 33)은 스타-접속 회로 또는 델타-접속 회로에서 상호접속될 수 있다.
도 19 내지 22는 대응하는 응용예들을 나타내고, 이때 도 19는 다수의 위상 모듈들(29)이 델타-접속 회로에서 상호접속되는 회로를 나타낸다. 도 20은 스타-접속 회로의 형태로 다수의 위상 모듈들(31)의 어셈블리를 도시한다. 도 21은 다수의 위상 모듈들(33)의 추가적인 어셈블리를 도시한다. 도 22는 HVDC(high-voltage direct current transmission) 기능에 적합한 다수의 위상 모듈들(29)의 회로 배열을 도시한다.
발명이 바람직한 예시적인 실시예와 관련하여 예시되고 상세히 기술되지만, 발명은 개시된 예들에 의해 제한되지 않으며, 추가적인 변형들이 발명의 보호 범위로부터의 벗어나지 않으면서, 통상의 기술자에 의해 이로부터 추론될 수 있다.

Claims (17)

  1. 고전압 네트워크에서 무효 전력 및 유효 전력을 보상하기 위한 어셈블리(10)로서,
    상기 어셈블리(10)는 유효 전력을 보상하도록 설계된 제1 컨버터(CW), 및 무효 전력을 보상하도록 설계된 제2 직렬-접속 컨버터(CVAR)를 포함하고, 이때 상기 어셈블리(10)로부터 공급되거나 출력될 수 있는 전압은 상기 제1 컨버터(CW)의 전압과 상기 제2 컨버터(CVAR)의 전압의 합에 대응하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어셈블리(10)는 제어 유닛(9)을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 고전압 네트워크 상에 존재하는 전압 및 전류의 측정을 위해 구성되고, 필수 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)이 상기 고전압 네트워크로부터 취해지거나 상기 고전압 네트워크 내로 공급되도록 상기 제1 컨버터(CW) 및 상기 제2 컨버터(CVAR)로부터 출력된 전압들을 결정하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 컨버터(CW)는 유효 전력만을 보상하고 상기 제2 컨버터(CVAR)는 무효 전력만을 보상하도록, 상기 2개의 컨버터(CW 및 CVAR)는 상기 제어 유닛(9)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 컨버터(CW)는 적어도 하나의 에너지 저장 요소(17)를 포함하거나 또는 에너지 저장소에 접속되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 저장 요소(17)는 커패시터 또는 이중-층 커패시터(double-layer capacitor)로서, 또는 배터리로서 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 컨버터(CW) 및/또는 상기 제2 컨버터(CVAR)는 초크 디바이스(choke device)를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(9)은, 전압이 상기 컨버터에서 흐르는 전류와 동상이거나 또는 반대 위상이도록 상기 제1 컨버터(CW)로부터 출력된 전압을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(9)은 상기 컨버터(CVAR)에서 흐르는 전류가 제한되도록 상기 컨버터(CVAR)를 제어하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터들(CW 및 CVAR)은 각각 적어도 하나의 H-브리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터(CW)는 모듈러의 멀티-스테이지 컨버터(modular, multi-stage converter)로서 구성되고, 각자 적어도 하나의 에너지 저장 요소(17)를 가지는 적어도 2개의 직렬-접속 H-브리지들을 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터(CVAR)는 모듈러의 멀티-스테이지 컨버터로서 구성되고, 각자 적어도 하나의 커패시터(22)를 가지는 적어도 2개의 직렬-접속 H-브리지들을 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 H-브리지는 전력 반도체 스위치들로 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    역평행-접속 사이리스터들(antiparallel-connected thyristors)(28)이 상기 컨버터(CW)의 개별 H-브리지들에 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터(CW)의 H-브리지들의 브리징(bridging)을 위한 스위치들, 구체적으로 반도체 스위치들을 포함하고, 이때 하나의 스위치가 다수의 직렬-접속 H-브리지들을 바람직하게 브리징시키는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    어셈블리는 상기 컨버터(CW)의 브리징을 위한 스위치를 포함하고, 이때 상기 스위치가 기계적 스위치로서 또는 반도체 스위치로서, 구체적으로 사이리스터 스위치로서 바람직하게 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터들(CVAR 및 CW)은 각각 3-상 디바이스들로서 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 컨버터들(CVAR 및 CW)은 스타-접속 회로 또는 델타-접속 회로에서 접속되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
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