KR20180011168A - 컨버터 제어 방법 - Google Patents

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오마르 패드헬 자심
데이비드 레지날드 트레이너
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

DC 망에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 DC 단자를 포함하고, 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 접속되는 적어도 하나의 림(limb)을 포함하는 컨버터를 제어하는 방법이 있으며, 상기 또는 각각의 림은, 복수의 스위칭 소자 및 AC 망에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 복수의 스위칭 소자는 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는, 상기 위상 소자; 전기 블록 내에서 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및 전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터를 포함한다. 상기 방법은, (a) 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C), 및 컨버터가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 취득하는 단계; (b) 서브-컨버터가 상응하는 필요한 DC측 전압 요구 및 DC 컨버터 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C, Vdc)를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계; (c) 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각 서브-컨버터를 각각의 전압원으로서 제어하는 단계; 및 (d) 하나 이상의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

컨버터 제어 방법
본 발명은 컨버터 제어 방법 및 그 컨버터에 관한 것이다.
고압 직류(HVDC) 송전망(power transmission networks)에 있어서, 교류(AC) 전력은 가공선(overhead lines), 해저 케이블 및/또는 지하 케이블을 통한 송전을 위해 통상적으로 직류(DC) 전력으로 변환된다. 이 변환에 의하면, 송전 매체, 즉 송전선 또는 송전 케이블에 의해 부과되는 AC 용량성 부하를 보상할 필요가 없고, 송전선 및/또는 송전 케이블의 킬로미터당 비용이 줄어들기 때문에, 전력을 장거리에 걸쳐 송전해야 할 경우에 비용면에서 효과적이다.
DC 망과 AC 망을 상호 접속할 필요가 있는 송전망에 있어서는 DC 전력과 AC 전력간의 변환이 이용된다. 임의의 상기와 같은 송전망에 있어서는, 필요한 변환, 즉 AC에서 DC로, 또는 DC에서 AC로의 변환을 달성하기 위해 AC 전력과 DC 전력간의 각각의 인터페이스에 컨버터가 필요하다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, DC 망에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 DC 단자를 포함하고, 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 접속되는 적어도 하나의 림(limb)을 포함하는 컨버터를 제어하는 방법이 제공되고, 상기 또는 각각의 림은,
복수의 스위칭 소자 및 AC 망에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 복수의 스위칭 소자는 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
전기 블록 내에서 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터를 포함하고,
본 방법은,
(a) 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구(voltage demand), 및 컨버터가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하는 단계;
(b) 서브-컨버터가 상응하는 필요한 DC측 전압 요구 및 DC 컨버터 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계;
(c) 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각 서브-컨버터를 각각의 전압원으로서 제어하는 단계; 및
(d) 하나 이상의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 단계를 포함한다.
전술한 수학적 최적화 단계를 수행하면, 즉 일련의 가용 대안들로부터 (선택된 기준 또는 제약에 관하여) 최선의 서브-컨버터 전압을 선택하면, 지정된 AC 및 DC측 전압 품질 요건을 만족하면서 컨버터의 동작을 그 공칭 전압 및 전류 정격 내로 유지하도록 설계된 다수의 기준 또는 제약을 만족하는 최적의 서브-컨버터 전압의 순시 계산(instantaneous calculation)이 허용된다.
또한, 본 발명의 방법은, 비정상 조건하에서 또는 컨버터가 정상 동작 조건의 동적 변화를 경험할 경우에, 전체적으로 컨버터의 동작이 계속되는 동안 상기 또는 각각의 림의 성능 변화가 용이하게 수용될 수 있게 한다. 상기 또는 각각의 림의 상기와 같은 성능 변화는 특히, 컨버터의 전압 조건들에 관한 정보 부족을 초래해서, 결국 신뢰할 수 없는 컨버터 동작으로 될 수 있는 비정상 동작 조건하에서의 컨버터의 동작일 경우에 유리하다.
본 발명의 방법은 컨버터의 추가적인 토폴로지들로 확장될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 또는 각각의 림은, 상응하는 제 1 서브-컨버터와 직렬로 접속되는 제 3 서브-컨버터를 더 포함할 수 있고, 상기 또는 각각의 제 3 서브-커버터는 제 3 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되고, 상기 또는 각각의 제 2 서브-컨버터는 상응하는 제 1 서브-컨버터와 제 3 서브-컨버터 사이의 공통 접속 지점에 접속되어서 "T" 배치구조(arrangement)를 형성한다.
본 발명의 추가적인 실시예들에 있어서, 컨버터는 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 직렬로 접속되는 복수의 림을 포함할 수 있다.
하나 이상의 제 3 서브-컨버터의 사용을 채용하는 본 발명의 실시예들에 있어서, 적어도 하나의 림의 위상 소자는 다중 위상 AC 망의 각각의 위상에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 포함할 수 있고, 컨버터는 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 적어도 하나의 림과 직렬로 접속되는 적어도 2개의 추가 림을 더 포함하고, 각각의 추가 림은,
복수의 스위칭 소자 및 다중 위상 AC 망의 각각의 위상에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 복수의 스위칭 소자는 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
전기 블록 내에서 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터를 포함하고,
림들은 적어도 하나의 림의 제 3 서브-컨버터가 제 1 및 제 2 DC 단자 중 하나에 직접 접속되도록 직렬로 배치될 수 있다.
본 발명의 방법은, 컨버터의 동작에 대한 부가적인 기준 또는 제약을 수용할 수 있는 유연성을 가지며, 이에 의해 추가 기준 또는 제약이 영구적이거나 또는 일시적일 수 있다는 점에서 더욱 유리하다.
일 예시에 있어서, 본 발명의 방법은 상기 또는 각각의 위상 소자의 스위칭 소자의 영(zero)의 (소프트) 전압 스위칭을 수행하거나 및/또는 상기 또는 각각의 위상 소자의 스위칭 소자의 더 높은 주파수의 펄스폭 변조(PWM) 스위칭을 도입하기 위해 DC측 전압 요구의 적응을 허용한다.
추가적인 예시에 있어서, 본 발명의 방법은 장애(fault)에 대응하면서 단기간 동안, 예컨대 100 내지 200 ms 동안 AC 또는 DC측 전력 품질의 약간의 열화에 순응하도록 전압 요구의 일시적인 적응을 허용한다.
컨버터 제어 방법은, 서브-컨버터가 상응하는 제 1 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터에 대한 각각의 제 1 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계; 및 서브-컨버터가 상응하는 필요한 제 1 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는, 에너지를 선택적으로 저장 및 방출할 수 있는 하나 이상의 에너지 저장 장치를 포함하는 상응하는 제 1 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하는 신뢰할 만한 수단을 제공한다.
컨버터 제어 방법은, 서브-컨버터가 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터에 대한 각각의 제 1 필터링 전압 요구를 취득하는 단계; 및 서브-컨버터가 상응하는 필요한 제 1 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
컨버터 제어 방법은, 제 1 서브-컨버터가 상응하는 위상 소자의 AC측에서 생성 또는 흡수되는 실제 전력 및/또는 무효 전력의 변화를 보상하기 위해 추적할 필요가 있는 상기 또는 각각의 제 1 서브-컨버터에 대한 각각의 보상 전압 요구를 취득하는 단계; 및 제 1 서브-컨버터가 상응하는 필요한 보상 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 상기 또는 각각의 제 1 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터의 사용을 채용하는 본 발명의 실시예들에 있어서, 본 방법은, 제 3 서브-컨버터가 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 각각의 제 2 필터링 전압 요구를 취득하는 단계; 및 제 3 서브-컨버터가 상응하는 필요한 제 2 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터의 사용을 채용하는 본 발명의 추가적인 실시예들에 있어서, 본 방법은, 제 3 서브-컨버터가 상응하는 제 3 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 각각의 제 2 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계; 및 제 3 서브-컨버터가 상응하는 필요한 제 2 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는, 에너지를 선택적으로 저장 및 방출할 수 있는 하나 이상의 에너지 저장 장치를 포함하는 상응하는 제 1 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하는 신뢰할 만한 수단을 제공한다.
바람직하게는, 수학적 최적화를 수행하는 단계는 컨버터에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 단계를 포함한다.
전술한 방식으로 등가의 컨버터 구성을 생성하는 단계는 컨버터를 제어할 수 있는 방식에 제약을 부과해서 상기 또는 각각의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 돕는다.
컨버터에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 단계는 전압원들을 상기 또는 각각의 림에 대하여 맵핑하는 단계를 포함할 수 있다.
전압원들을 상기 또는 각각의 림에 대하여 맵핑하는 단계는 제어 방법을 컨버터의 정해진 토폴로지에 맞추는 것을 돕는다.
선택적으로, 수학적 최적화를 수행하는 단계는 각각의 전압원에 의해 제공된 상대적인 전압 기여분에 전압 가중치를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 가중치를 적용하면, 전체적으로 컨버터의 동작을 계속해서 최적화하면서 상기 또는 각각의 림의 성능 변화를 더 수용할 수 있다.
전압 가중치를 적용하는 단계는 컨버터의 측정된 동작 파라미터들에 따라 상기 또는 각각의 전압 가중치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은, 전술한 방식으로 가중치를 결정하면, 컨버터의 정상적인 동작에 영향을 줄 수 있는 환경적 요인을 고려할 수 있고, 또한 환경적 요인을 극복하려는 노력으로 최적의 서브-컨버터 전압을 변경해서 컨버터의 동작에 관련된 영향을 완화할 수 있다. 상기와 같은 환경적 요인의 예로서는, 과열된 림, 또는 부품 손상 또는 고장이 일어나서 성능이 저하된 림의 부품들을 들 수 있다.
컨버터를 특정 동작 조건하에서 제어하는 경우, 전압 가중치를 적용하는 단계는, 상기 또는 각각의 전압원이 다른 전압원들과는 상이한 기여분을 제공하도록 적어도 하나의 전압원에 상이한 전압 가중치를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 단계는 본 발명의 방법이, 예컨대 정해진 전압원이 얼마나 잘 작동되고 있는지에 따라, 전압원들을 구별할 수 있게 한다.
이는, 예컨대 장애 또는 기타 손상이 정해전 전압원의 성능을 저하시킨 상황에서, 컨버터가 계속 동작할 수 있게 유지되고 높은 수준의 전력 변환을 제공하도록, 정해진 전압원이 제공해야 하는 서브-컨버터 전압을 감소시키는 것이 바람직해지는 상황에서 유용하다.
본 방법은, 상응하는 서브-컨버터가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 하나 이상의 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하면, 상기 또는 각각의 상응하는 서브-컨버터의 필요한 전압 정격의 감소가 허용된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, DC 망에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 DC 단자를 포함하고, 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 접속되는 적어도 하나의 림을 포함하는 컨버터가 제공되고, 상기 또는 각각의 림은,
복수의 스위칭 소자 및 AC 망에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 복수의 스위칭 소자는 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
전기 블록 내에서 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터를 포함하고,
컨버터는,
(a) 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구, 및 컨버터가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하고;
(b) 서브-컨버터가 상응하는 필요한 DC측 전압 요구 및 DC 컨버터 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하고;
(c) 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각 서브-컨버터를 각각의 전압원으로서 제어하고;
(d) 하나 이상의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 더 포함한다.
본 발명의 제 1 양태의 방법 및 그 실시예들의 특징 및 장점은 본 발명의 제 2 양태의 컨버터에 대하여 준용된다.
본 명세서에서 사용하는 용어인 "제 1", "제 2" 및 "제 3"은 단지 유사한 특징구성들간의 구별을 돕기 위한 것이며(예컨대, 제 1, 제 2 및 제 3 서브-컨버터), 어떤 특징구성의 다른 특징구성에 비한 상대적인 중요도를 나타내려는 것이 아님을 이해할 것이다.
이제, 첨부 도면을 참조로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 비-제한적인 예시로서 기술한다:
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컨버터의 토폴로지를 개략적으로 도시하고;
도 2a 및 도 2b는 제각기 4-사분면 바이폴라 모듈 및 2-사분면 유니폴라 모듈을 개략적으로 도시하고;
도 3은 도 1의 컨버터의 동작을 개략적으로 나타내고;
도 4는 도 1의 컨버터의 등가의 컨버터 구성의 개략적인 표현을 도시하고;
도 5는 도 1의 컨버터의 컨트롤러의 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타내고;
도 6 내지 도 8은 도 1의 컨버터의 동작을 그래픽 형태로 나타내고;
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터의 토폴로지를 개략적으로 도시하고;
도 10은 도 9의 컨버터의 동작을 개략적으로 나타내고;
도 11은 도 9의 컨버터의 등가의 컨버터 구성의 개략적인 표현을 도시하고;
도 12는 도 9의 컨버터의 컨트롤러의 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타내고;
도 13a 내지 도 18은 도 9의 컨버터의 동작을 그래픽 형태로 나타내고;
도 19는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 컨버터의 토폴로지를 개략적으로 도시하고;
도 20은 도 19의 컨버터의 등가의 컨버터 구성의 개략적인 표현을 도시하고;
도 21은 도 19의 컨버터의 컨트롤러의 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 컨버터가 도 1에 도시되고, 일반적으로 참조 번호 30으로 지시된다.
컨버터(30)는 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34), 복수의 위상 소자(36), 복수의 제 1 서브-컨버터(39), 및 복수의 제 2 서브-컨버터(38)를 포함한다.
각각의 위상 소자(36)는 직렬-접속 스위칭 소자(40)들로 이루어진 2개의 병렬-접속 쌍을 포함한다. 각 쌍의 직렬-접속 스위칭 소자(40)들 사이의 접점은 AC 단자를 규정한다. 각각의 위상 소자(36)의 AC 단자들은 해당 위상 소자(36)의 AC측(42)을 규정한다.
사용시에, 각각의 위상 소자(36)의 AC 단자들은 복수의 개방형 2차 변압기 권선(44) 각각에 의해 상호 접속된다. 각각의 2차 변압기 권선(44)은 복수의 일차 변압기 권선(46) 각각과 상호간에 연결된다. 복수의 일차 변압기 권선(46)은, 각각의 일차 변압기 권선(46)의 제 1 단부가 공통 접점(48)에 접속되고, 각각의 일차 변압기 권선(46)의 제 2 단부가 3상 AC 망(50)의 각각의 위상에 접속되는 스타(star) 구성으로 접속된다. 이렇게 해서, 사용시에, 각각의 위상 소자(36)의 AC측(42)은 3상 AC 망(50)의 각각의 위상에 접속된다.
공통 접점(48)은 복수의 일차 변압기 권선(46)의 중립 지점을 규정하고, 접지된다(도시되지 않음).
각각의 위상 소자(36)의 DC측은 복수의 제 1 서브-컨버터(39) 각각에 직렬로 접속되어서 전기 블록(electrical block)을 규정한다. 각각의 제 2 서브-컨버터(38)는 전기 블록들 각각과 병렬로 접속되어서 림(limb)을 형성한다.
각각의 서브-컨버터(38, 39)는 복수의 모듈(52)을 포함한다.
각각의 제 1 서브-컨버터의 각각의 모듈(52)은 2쌍의 스위칭 소자(54)와 커패시터 형태의 에너지 저장 장치(56)를 포함한다. 각각의 제 1 서브-컨버터(38)에 있어서, 스위칭 소자(54) 쌍들은 풀-브리지(full-bridge) 배치구조로 커패시터(56)와 병렬로 접속되어서, 음(negative)의, 영(zero)의 또는 양(positive)의 전압을 제공할 수 있는 한편, 도 2a에 도시된 바와 같이, 전류를 두 방향으로 흐르게 할 수 있는 4-사분면 바이폴라 모듈을 규정한다.
각각의 제 2 서브-컨버터(38)의 각각의 모듈(52)은 한 쌍의 스위칭 소자(54)와 커패시터 형태의 에너지 저장 장치(56)를 포함한다. 각각의 제 2 서브-컨버터(38)에 있어서, 스위칭 소자(54) 쌍은 하프-브리지(half-bridge) 배치구조로 커패시터(56)와 병렬로 접속되어서, 영의 또는 양의 전압을 제공할 수 있는 한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 전류를 두 방향으로 흐르게 할 수 있는 2-사분면 유니폴라 모듈을 규정한다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 컨버터의 서브-컨버터들 중 적어도 하나의 서브-컨버터의 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 스위칭 소자 및 적어도 하나의 에너지 저장 장치를 포함하는 다른 유형의 모듈로 대체될 수 있고, 상기 또는 각각의 다른 유형의 모듈 내의 상기 또는 각각의 스위칭 소자 및 상기 또는 각각의 에너지 저장 장치가 전압원을 선택적으로 제공하도록 결합 가능하게 배치될 것이다. 예컨대, 제 1 서브-컨버터의 적어도 하나의 모듈이 2-사분면 유니폴라 모듈로 대체될 수 있거나, 및/또는 제 2 서브-컨버터의 적어도 하나의 모듈이 4-사분면 바이폴라 모듈로 대체될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 컨버터의 서브-컨버터들 중 적어도 하나의 서브-컨버터는 서로 다른 유형의 모듈들의 조합, 예컨대 적어도 하나의 4-사분면 바이폴라 모듈 및 적어도 하나의 2-사분면 유니폴라 모듈을 포함하는 조합을 포함할 수도 있을 것이다.
제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 사이에는 복수의 림이 직렬로 접속된다. 사용시에, 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34)는 제각기 DC 망(58)의 제 1 및 제 2 단자에 접속되고, DC 망(58)의 제 1 단자는 양의 DC 전압을 전달하고, DC 망(58)의 제 2 단자는 음의 DC 전압을 전달한다.
전술한 바와 같은 각각의 림의 구성은, 사용시에, DC측 전압이 각각의 위상 소자(36)의 직렬-접속 스위칭 소자(40)들의 병렬-접속 쌍들 양단에, 즉 각각의 위상 소자(36)의 DC측에 나타난다는 것을 의미한다.
이와 같이, 사용시에, 복수의 스위칭 소자 각각은 상응하는 위상 소자(36)의 DC측에서의 DC측 전압과 상응하는 위상 소자(36)의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하다. 도시된 실시예에 있어서, 각각의 DC측 전압은 상응하는 AC측 전압의 정류된 버전, 예컨대 사인 곡선이며, 그 반대도 또한 마찬가지이다.
다른 실시예들에 있어서, 각각의 위상 소자는 DC측 전압과 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 서로 다른 구성을 가진 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있을 것이다.
각각의 스위칭 소자(40, 54)는 단일의 스위칭 디바이스를 포함한다. 각각의 스위칭 소자(40, 54)는 각각의 스위칭 디바이스와 역-병렬로 접속되는 수동 전류 체크 소자를 더 포함한다.
각각의 스위칭 디바이스는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 형태이다. 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 각각의 IGBT는 게이트 턴-오프 사이리스터(gate turn-off thyristor), 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor), 인젝션-강화 게이트 트랜지스터(injection-enhanced gate transistor), 통합 게이트 전류(轉流)형 사이리스터(integrated gate commutated thyristor) 또는 임의의 다른 자기-전류형 스위칭 디바이스(self-cormmutated switching device)로 대체될 수 있을 것이다. 각각의 스위칭 소자 내의 스위칭 디바이스의 개수는 해당 스위칭 소자의 소요 전압 정격(required voltage rating)에 따라 달라질 수 있다.
각각의 수동 전류 체크 소자는 다이오드 형태의 수동 전류 체크 디바이스를 포함한다. 다른 실시예들에 있어서, 각각의 다이오드는 전류 흐름을 단일 방향으로 제한할 수 있는 임의의 다른 디바이스로 대체될 수 있을 것이다. 각각의 수동 전류 체크 소자 내의 수동 전류 체크 디바이스의 개수는 해당 수동 전류 체크 소자의 소요 전압 정격에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 각각의 커패시터는 에너지를 저장 및 방출할 수 있는 다른 유형의 에너지 저장 장치, 예컨대 연료 전지 또는 배터리로 대체될 수도 있을 것이다.
각각의 서브-컨버터(38, 39) 내의 복수의 직렬-접속 모듈(52)은 체인-링크 컨버터를 규정한다.
각각의 모듈(52)의 커패시터(56)는 스위칭 소자(54)의 상태를 변경함으로써 선택적으로 체인-링크 컨버터를 우회하거나 또는 체인-링크 컨버터에 삽입된다. 이는, 선택적으로 전류를 커패시터(56)에 통과시키거나 또는 전류를 커패시터(56)에 대하여 우회시킴으로써, 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 경우에는 모듈(52)이 음의, 영의 또는 양의 전압을 제공하고, 각각의 제 2 서브-컨버터(38)의 경우에는 모듈(52)이 영의 또는 양의 전압을 제공한다.
모듈(52) 내의 스위칭 소자(54)가 모듈(52) 내에서 단락 회로(short circuit)를 형성하도록 구성될 경우에는, 모듈(52)의 커패시터(56)가 우회된다. 이로 인해, 체인-링크 컨버터 내의 전류가 단락 회로를 통과하고 커패시터(56)를 우회하므로, 모듈(52)은 영의 전압을 제공한다, 즉 모듈(52)은 바이패스형 모드로 구성된다.
모듈(52) 내의 스위칭 소자(54)가 체인-링크 컨버터 내의 전류가 커패시터(56) 내외로 흐르는 것을 허용하도록 구성되는 경우에는, 모듈(52)의 커패시터(56)가 체인-링크 컨버터에 삽입된다. 이후, 커패시터(56)는 영이 아닌(non-zero) 전압을 제공하도록 에너지를 충전하거나 또는 그 저장된 에너지를 방전시킨다, 즉 모듈(52)이 비-바이패스형 모드로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 각각의 모듈은 적어도 하나의 스위칭 소자 및 적어도 하나의 에너지 저장 장치를 포함하는 다른 유형의 모듈로 대체될 수 있고, 상기 또는 각각의 모듈 내의 상기 또는 각각의 스위칭 소자 및 상기 또는 각각의 에너지 저장 장치가 전압원을 선택적으로 제공하도록 조합될 것이다.
체인-링크 컨버터의 구조는, 다수의 모듈(52)의 에너지 저장 장치(56)들의 삽입을 통해, 각각 그 자신의 전압을 체인-링크 컨버터에 제공하는 그 개별 모듈(52)들 각각으로부터 이용할 수 있는 전압보다 높은, 체인-링크 컨버터 양단의 결합 전압의 증가를 허용한다. 이런 식으로, 각각의 모듈(52) 내의 각각의 스위칭 소자(54)의 스위칭으로 인해, 체인-링크 컨버터는 단계적 근사치(step-wise approximation)를 이용해서 체인-링크 컨버터 양단의 전압 파형의 생성을 허용하는 계단형 가변 전압원을 제공하게 된다. 이와 같이, 각각의 체인-링크 컨버터는 매우 다양한 복잡한 전압 파형들을 제공할 수 있다.
제 1 및 제 2 서브-컨버터(39, 38)의 구성은 제각기 제 1 및 제 2 전압원으로서의 제어를 허용한다.
제 1 서브-컨버터(39)와 각각의 림 내의 위상 소자(36)의 DC측의 직렬 접속은 제 1 전압원으로서의 제 1 서브-컨버터(39)의 제어를 허용해서 상응하는 위상 소자(36)의 DC측에서의 DC측 전압을 조정한다. 상응하는 위상 소자(36)의 DC측에서의 DC측 전압의 상기와 같은 조정으로 인해, 상응하는 위상 소자(36)의 AC측(42)에서의 AC측 전압이 그에 대응하여 조정된다.
제 2 서브-컨버터(38)와 각각의 림 내의 전기 블록의 병렬 접속은 제 2 전압원으로서의 제 2 서브-컨버터(38)의 제어를 허용해서 DC 망에 제시되는 제 1 및 제 2 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 각 부분을 조정한다.
컨버터(30)는 각각의 서브-컨버터(38, 39)를 제어하도록 구성된 컨트롤러(60)를 더 포함한다.
도 3은 컨트롤러(60)의 다양한 제어 기능을 나타낸다.
컨트롤러(60)는 또한, 제 1 서브-컨버터(39)에 대해 에너지를 전달함으로써 해당 제 1 서브-컨버터(39)의 에너지 레벨을 조절하도록 적어도 하나의 제 1 전압 성분을 합성하기 위해 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 선택적인 제어인 제 1 제어 기능을 선택적으로 수행하도록 구성된다.
상기 또는 각각의 제 1 전압 성분은, 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)를 통해 흐르는 전류의 전류 성분과 동일한 주파수를 가져서, 2차 고조파 전압 성분의 양의 정수배로 되도록 합성된다. 또한, 상기 또는 각각의 제 1 전압 성분은 해당 제 1 서브-컨버터(39)를 통해 흐르는 전류의 전류 성분과 동위상으로 되도록 합성된다.
컨트롤러(60)는 또한, 각각의 제 2 서브-컨버터(38)를 선택적으로 제어해서 각각의 제 1 전압 성분과 역위상인 제 2 전압 성분을 합성하도록 구성된다. 각각의 제 2 서브-컨버터(38)의 제어는, 각각의 DC측 전압과, 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서의 AC 전압이 상기 또는 각각의 제 1 전압 성분의 생성 동안 변경없이 유지되게 한다. 따라서, 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 에너지 레벨 조절은 AC 및 DC 망(50, 58) 간의 전력 전달에 영향을 주지 않으면서 컨버터(30)의 동작 중에는 언제든지 수행될 수 있다.
컨트롤러는 또한, 하기의 구성요소의 선택적인 제어인 제 2 제어 기능을 선택적으로 수행하도록 구성된다:
ㆍ 적어도 2개의 고조파 성분－ 각각의 고조파 성분은 2차 고조파 성분의 양의 정수배(예컨대, 2차, 4차, 8차, 10차 등)임 －을 포함하도록 DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 조정하기 위한 각각의 제 2 서브-컨버터(38);
ㆍ 적어도 하나의 고조파 성분－ 상기 또는 각각의 고조파 성분은 6차 고조파 성분의 양의 정수배(예컨대, 6차, 12차, 18차 등)임 －을 포함하는 전압 파형을 합성하기 위한 각각의 제 1 서브-컨버터(39).
컨트롤러(60)는 또한, DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 조정해서 DC 컨버터 전압의 다른 부분들에 대하여 공칭으로 120 전기 각도의 위상차에서 동작하도록 각각의 제 2 서브-컨버터(38)를 선택적으로 제어하도록 구성된다.
동시 제어:
ㆍ 적어도 2개의 고조파 성분－ 각각의 고조파 성분은 2차 고조파 성분의 양의 정수배임 －을 포함하도록 DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 조정하기 위해 각각의 제 2 서브-컨버터(38)를 제어하고;
ㆍ 적어도 하나의 고조파 성분－ 상기 또는 각각의 고조파 성분은 6차 고조파 성분의 양의 정수배임 －을 포함하는 전압 파형을 합성하기 위해 각각의 제 1 서브-컨버터(39)를 제어해서,
각각의 DC측 전압이, 각각의 위상 소자(36)의 DC측에 대한 제시를 위해 오프셋 정류된 사인 곡선 파형의 근사치 부근으로 조정된다. 이로 인해, 위상 소자(36)의 AC측에서의 고조파 왜곡이 최소인 고품질의 AC 사인 곡선 파형이 형성된다.
위에서 설명한 방식으로 각각의 서브-컨버터(38, 39)를 제어하면, DC 컨버터 전압의 부분들이 합쳐질 때 고조파 성분들이 상쇄되고, 그에 따라 DC 망(58)에 대한 제시를 위해 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 조합된 무리플(ripple-free) DC 컨버터 전압이 남을 뿐만 아니라, 각각의 DC측 전압에서 제시되는 각각 6차 고조파 성분의 양의 정수배인 바람직하지 않은 리플 고조파 성분들이 능동적으로 필터링되고, 이로써, 바람직하지 않은 리플 고조파 성분들이 DC 망(58)에 제시되는 DC 컨버터 전압에 나타나는 것이 방지된다.
또한, 고조파 성분들을 포함하도록 DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 수정하기 위한 각각의 제 2 서브-컨버터(38)의 제어는, 6차 고조파 성분의 양의 정수배가 아닌 바람직하지 않은 리플 고조파 성분들을 능동적으로 필터링하기 위해 각각의 제 1 서브-컨버터(39)를 제어할 필요성을 배제해서, 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 필요한 전압 정격이 감소된다.
컨트롤러(60)는 또한, 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서 생성 또는 흡수된 실제 전력 및/또는 무효 전력의 변화에 의해 야기된 각각의 DC측 전압의 변화를 보상하도록 각각의 위상 소자(36)의 DC측에 대한 제시를 위해 보상 DC 전압 성분을 생성하고, 이로써 각각의 DC측 전압의 변화가 DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 조정하는 것을 금지하는, 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 선택적인 제어인 제 3 제어 기능을 선택적으로 수행하도록 구성된다.
컨버터(30)가 (예컨대, 위상 소자(36)의 스위칭 소자(40)의 스위칭을 통해) 그 위상 소자(36)의 AC측에서 무효 전력을 생성 또는 흡수하도록 제어되는 경우, 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서의 AC 전압은 규모가 증가 또는 감소되어야만 한다. 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서의 AC 전압의 증가 또는 감소는 결국, 각각의 위상 소자(36)의 DC측에 제시된 DC측 전압의 증가 또는 감소를 초래하게 되고, 이후, DC 컨버터 전압의 각각의 부분에 있어서의 증가 또는 감소를 야기해서, 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압을 바꾸게 된다.
각각의 DC측 전압의 변화가 DC 컨버터 전압의 각각의 부분을 조정하는 것을 금지하기 위해, 컨트롤러(60)는, 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서 생성 또는 흡수된 무효 전력의 변화에 의해 야기된 각각의 DC측 전압의 변화를 보상하도록 각각의 위상 소자(36)의 DC측에 대한 제시를 위해 보상 DC 전압 성분을 생성하도록 각각의 제 1 서브-컨버터(39)를 제어한다.
제 3 제어 기능에 따른 각각의 제 1 서브-컨버터(39)의 제어는 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서 생성 또는 흡수된 무효 전력의 변화가 DC 컨버터 전압의 각각의 부분에 대하여 미칠 수 있는 어떠한 영향도 금지한다. 따라서, 이는, 그렇지 않으면 각각의 위상 소자(36)의 AC측에서 생성 또는 흡수된 무효 전력의 변화로부터 야기되었을 수 있는 DC 컨버터 전압의 각각의 부분에 있어서의 어떠한 바람직하지 않은 변화도 방지한다.
따라서, 컨버터(30)의 구성은 컨버터(30)의 DC측의 동작에 대하여 악영향이 거의 또는 전혀 없는 광범위한 실제 전력 및 무효 전력에 대해 컨버터(30)의 동작을 허용한다.
컨트롤러(60)는 또한, 컨버터(30)를 제어하는 제 1 방법을 구현하도록 구성된다.
제 1 방법은, 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구, 및 컨버터(30)가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하는 제 1 단계를 포함한다.
제 1 단계는 하기의 선택적인 하위-단계들을 더 포함한다:
ㆍ 제 1 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 2 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 필터링 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 3 제어 기능에 따라, 제 1 서브-컨버터(39)가 보상 DC 전압 성분을 생성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 1 서브-컨버터(39)에 대한 각각의 보상 전압 요구를 취득하는 단계.
제 1 방법은 또한, 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 제 2 단계를 포함한다.
다양한 요구가 상위 레벨의 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다. 대안으로서, 다양한 요구가 자체적인 계산을 수행하는 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다.
특히, 본 발명의 제 1 방법은 다수의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 포함한다.
상기와 같은 수학적 최적화를 수행하는 것은, 도 4에 도시된 바와 같이, 컨버터(30) 내의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것을 포함한다.
도시된 등가의 컨버터 구성에 있어서, 제 1 서브-컨버터(39)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 SFB_A, SFB_B 및 SFB_C로 표시되고, 제 2 서브-컨버터(38)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 PHB_A, PHB_B, PHB_C로 표시된다.
등가의 컨버터 구성은 또한, 각각의 림이 추적할 필요가 있는, 예컨대 되도록 가깝게 일치하는 각각의 DC측 전압(HB_A, HB_B, HB_C), 및 컨버터(30)가 추적할 필요가 있는 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 나타낸다.
컨버터(30) 내의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것은 전압원들을 맵핑하는 것을 부가적으로 포함한다.
전압원들을 맵핑할 수 있는 일 방식은, 하기의 방정식들을 취득하기 위해 등가의 컨버터 구성의 키르히호프(Kirchhoff) 분석을 수행하는 것이다:
Figure pct00001
Venergy _A, Venergy _B, Venergy _c는, 제 1 및 제 2 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 필요한 제 1 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 서브-컨버터 전압들의 각각의 전압 성분들이다.
SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(30)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 1 서브-컨버터(39)가 상응하는 필요한 필터링 및 보상 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
PHB_AFilt _Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(30)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 2 서브-컨버터(38)가 상응하는 필요한 제 1 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
상기의 선행 방정식들은 매트릭스 형태로 표현된다:
Figure pct00002
여기서,
Figure pct00003
매트릭스는, 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압들을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서의 서브-컨버터(38, 39)의 제어를 통해 제공될 최적의 전압원을 결정하기 위해 제 1 방법이 채용하는 선형 방정식으로서 표현되는 균등 제약(equality constraints)을 규정한다.
전술한 수학적 최적화 단계는 각각의 전압원에 의해 제공된 상대적인 전압 기여분에 전압 가중치를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 전압원에 대한 각각의 전압 가중치는 컨버터의 측정된 동작 파라미터들에 따라 결정된다. 예컨대, 환경 조건의 변화에 응답하여, 전압 가중치의 갱신을 허용하기 위해 컨버터(30)의 동작 도중에 다양한 전압 가중치들이 결정될 수 있다. 결과적으로, 다양한 전압 가중치들은 컨버터(30)가 제어됨에 따라 달라질 수 있다.
예컨대, 컨버터(30)의 정상 동작 중에는, 각각의 전압원에 동일한 전압 가중치가 적용된다. 그러나, 일부 이상 동작 조건, 예컨대 불균형 동작 조건하에서 컨버터(30)를 제어하는 경우에는, 적어도 하나의 전압원에 의해 제공된 전압 기여분에 상이한 전압 가중치가 적용된다.
전술한 것에 더하여, 제 1 방법은 각각의 상응하는 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 포함한다.
최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정할 수 있으며 전술한 개별 전압 가중치를 전압원의 전압 기여분에 적용하는 일 방식은 아래의 일반적인 형태의 비선형 최적화를 해결하는 것이고:
Figure pct00004
아래 형태의 균등 제약 방정식에 따른다:
Figure pct00005
여기서,
Jvoltage는 최소화될 전압 목적 함수이고;
Ψ는 시간 t1에서의 전압 가중치이고;
f는 기술된 실시예에 있어서는 전압 가중 매트릭스 QI를 포함하는 전압 비용 함수이고;
x는 위에서 표현된 벡터이고;
t0은 컨버터(30)의 특정 제어 기간이 개시되는 시각이고;
t1은 컨버터(30)의 특정 제어 기간이 종료되는 시각이다.
전압 가중 매트릭스 QI는, 컨버터(30)의 측정된 동작 파라미터들에 따라 결정되고, 그에 따라 컨버터(30)의 동작 도중에 결정될 수 있으므로, 상기 컨버터(30)가 컨버터(30)의 동작에 있어서의 변화에 응답하여 제어됨에 따라 달라질 수 있다.
전술한 단계들에 이어서, 최소화될 전류 목적 함수 J(x)가 정의된다, 즉,
Figure pct00006
전류 목적 함수 J(x)는 위에서 선형 방정식으로 표현된 균등 제약에 따라 최소화되고, 여기서, x는 위에서 표현된 벡터이고, xT는 벡터 x의 전치이다.
위에서 언급한 바와 같이, 균등 제약 방정식만을 따를 경우, 라그랑지안(Lagrangian)(또는 라그랑즈 곱수(Lagrange multipliers)의 방법)은 전압 목적 함수 Jvoltage 및 전류 목적 함수 J(x)의 국소 최저치를 찾기 위해 위에서 확인한 비선형 최적화를 해결하기 위한 기술이다. 또한, 반복 알고리즘 및 프로그래밍 알고리즘을 포함하는 다른 최적화 알고리즘을 이용해서 해결될 수도 있다.
일반적인 최적의 제어 문제로서, 전술한 비선형 최적화는 하나 이상의 불균등 제약을 부가적으로 포함할 수 있는데, 이 경우에는 추가적인 해밀토니안(Hamiltonian) 방법(폰트랴긴의 최소 원리(Pontryagin's minimum principle))을 이용해서 해결될 수 있다.
상기와 같은 불균등 제약의 일례는 다음과 같다:
Figure pct00007
여기서,
C는 서브-컨버터(38, 39)에 의해 제공된 가능한 최대 전압 범위를 맵핑하는 매트릭스이고;
d는 각각의 서브-컨버터(38, 39) 내의 최대 희망 전압을 나타내는 벡터이다.
어떤 경우에도, 최소 서브-컨버터 전압 SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q, PHB_AFilt_Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt _Q는
Figure pct00008
형태의 비선형 최적화를 해결하는 것에 의해 결정될 수도 있다.
한편, 본 발명의 제 1 방법은 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서 각각의 서브-컨버터(38, 39)를 제어하는 제 3 단계를 포함한다.
도 5는 컨트롤러(60)의 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타낸다.
컨트롤러(60)는 요구치 및 측정치를 수신하고 실제 및 무효 전력 요구(POrder, QOrder)를 컨버터 제어 블록에 출력하도록 구성되는 외부 루프 블록을 포함한다. 컨버터 제어 블록은 또한, 위상 소자(36)들의 AC측에 접속된 공통 커플링의 지점에서 측정된 AC 위상 전압 및 전류(Vabc _ pcc, Iabc _ pcc)를 수신하도록 구성된다. 컨버터 제어 블록은 수신된 값들을 처리해서, 이후에 상응하는 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)로 변환되는, AC측 전압 요구(VconvA, VconvB, VconvC)를 출력한다. 컨버터 제어 블록은 또한, 필요한 제 1 에너지 관리 전압 요구(Venergy _A, Venergy _B, Venergy _C)를 규정하는 에너지 관리 제어 서브-블록을 포함한다.
DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C) 및 제 1 에너지 관리 전압 요구(Venergy_A, Venergy_B, Venergy _C)는 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 또한 수신하는 전압 맵핑 방법(VMM) 제어 블록에 제공된다. VMM 제어 블록은, 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대하여 필요한 전압 기여분(SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q, PHB_AFilt _Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt_Q)을 결정하고 나서, 각각의 서브-컨버터(38, 39)의 각각의 모듈(52)에 대한 스위칭 명령을 담당하는 스위칭 알고리즘 형태의 하부 제어 루프(도시되지 않음)에 전달되는 상응하는 전압 신호(VSFB _A, VSFB _B, VSFB _C, VPHB _A, VPHB _B, VPHB _C)를 생성한다. 이렇게 해서, 서브-컨버터(38, 39)는 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 그들 각각의 전압원으로서 동작될 수 있다.
도 6은, 실제 전력 요구가 1.0 PU이고 무효 전력 요구가 0.4 PU인 균형 동작 조건하에서의 컨버터(30)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. 컨트롤러(60)가 컨버터(30)를 동작시켜서 균형 동작 조건에 필요한 원하는 AC 및 DC 컨버터 전압을 유지할 수 있다는 점을 도 6으로부터 알 수 있다.
도 7은, 위상들 중 하나인 AC 망(50)의 Phase_A가 접지 단락을 경험하고, 실제 전력 요구가 0.5 PU이며, 무효 전력 요구가 0.4 PU인, 불균형 동작 조건하에서의 컨버터(30)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. Phase_A에서의 장애로 인해 상응하는 AC 위상 전압(phase voltage)이 강하되고, 컨트롤러(60)는 원하는 DC 컨버터 전압을 유지하면서 불균형 동작 조건하에서 컨버터(30)의 동작을 지속할 수 있음을 도 7로부터 알 수 있다.
도 8은, 정해진 서브-컨버터(38)의 전압 기여분이 다른 제 2 서브-컨버터(38)들에 비해 동적으로 감소되는(즉, 전압 가중 매트릭스 QI에서 그 가중치를 변경시키는 것에 의함), 컨버터(30)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. 특히, 정해진 서브-컨버터(38)의 전압 기여분 PHB_B는 t = 0.7 s 내지 t = 0.72 s에서 감소된다. 컨트롤러(60)는 정해진 서브-컨버터(38)의 전압 기여분 PHB_B의 감소를 보상하기 위해 상응하는 서브-컨버터(39)의 전압 기여분 SFB_B를 증가시킴으로써 원하는 AC 및 DC 컨버터 전압을 유지하도록 컨버터(30)를 동작시킬 수 있음을 도 8로부터 알 수 있다.
따라서, 제 1 방법을 이용하는 도 1의 컨버터(30)의 동작은, 다양한 정상 및 이상 동작 조건하에서, 지정된 AC 및 DC측 전력 품질 요건을 만족하면서 컨버터(30)의 동작을 그 공칭 전압 및 전류 정격 내로 유지하도록 설계된 다수의 기준 또는 제약을 만족하는 최적의 서브-컨버터 전압의 순시 계산을 허용하는 것이 도시된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터가 도 9에 도시되고, 일반적으로 참조 번호 130으로 지시된다. 도 9의 컨버터(130)는 구조 및 동작이 도 1의 컨버터(30)와 유사하고, 유사한 특징부들은 동일한 참조 번호를 공유한다.
도 9의 컨버터(130)는, 도 9의 컨버터(130)의 림들 중 하나가 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)와 직렬로 접속된 제 3 서브-컨버터(62)를 더 포함하고, 상응하는 제 2 서브-컨버터(38)가 상응하는 제 1 및 제 3 서브-컨버터 사이의 공통 접속 지점에 접속되어서 "T" 배치구조를 형성한다는 점에서, 도 1의 컨버터(30)와 상이하다.
도시된 실시예에 있어서, 림들은 제 3 서브-컨버터가 제 1 DC 단자(32)에 직접 접속되도록 직렬로 배치된다. 이는, 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압이 제 2 서브-컨버터(38)와 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압들의 합계로 된다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 제 3 서브-컨버터(62)는 제 1 DC 단자(32)를 대신하여, 제 2 DC 단자(34)에 직접 접속될 수 있을 것이다.
제 3 서브-컨버터(62)는, 도 1의 컨버터(30)를 참조하여 위에서 기술한 각각의 제 1 서브-컨버터(39)와 동일한 방식으로, 구조적으로 및 동작 가능하게 체인-링크 컨버터로서 구성된다. 따라서, 제 3 서브-컨버터(62)는 제 3 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성된다.
도 10은 컨트롤러(60)의 제어 기능을 나타낸다.
컨트롤러(60)는 제 3 서브-컨버터(62)의 선택적인 제어인 제 4 제어 기능을 수행해서 적어도 하나의 고조파 성분을 포함하는 전압 파형을 합성하도록 구성되고, 상기 또는 각각의 고조파 성분은 6차 고조파 성분의 양의 정수배이다(예컨대, 6차, 12차, 18차 등).
이렇게 제 3 서브-컨버터(62)를 제어하면, 상응하는 DC측 전압에서 제시되는 각각 6차 고조파 성분의 양의 정수배인 바람직하지 않은 리플 고조파 성분들이 능동적으로 필터링되고, 이로써, 바람직하지 않은 리플 고조파 성분들이 DC 전기회선망(58)에 제시된 DC 컨버터 전압에 나타나는 것이 방지된다.
제 2 서브-컨버터(38) 각각을 제어해서 적어도 2개의 2차 고조파 성분을 합성하는 것을, 하나 이상의 6차 고조파 성분을 합성하기 위해 제 3 서브-컨버터(62)를 제어하는 것과 동시에 수행할 필요가 없음을 이해할 것이고, 이는, 예컨대, "T" 배치구조의 다른 측에 놓인 각각의 제 1 서브-컨버터(39)가 고조파 필터로서 사용되었을 경우일 수 있다.
컨트롤러(60)는, 능동적 필터링 듀티(filtering duty)를 제 3 서브-컨버터(62)와 공유하도록, 하나 이상의 고조파 성분을 6차 고조파 성분 형태로 또는 6차 고조파 성분의 양의 정수배 형태로 합성하기 위해 각각의 제 1 서브-컨버터(39)를 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있음을 더 이해할 것이다.
직류 하에서의 고조파 전압의 생성은, 전압 및 전류가 서로 다른 주파수로 존재하기 때문에 원칙적으로 제 3 서브-컨버터(62)와의 에너지 교환이 없음을 의미한다.
그러나, 컨트롤러(60)는 또한, 제 3 서브-컨버터(62)에 대해 에너지를 전달함으로써 제 3 서브-컨버터(62)의 에너지 레벨의 순 변화(net change)를 최소화하도록 적어도 하나의 다른 전압 성분(예컨대, DC 전압 성분)을 합성하기 위해 제 3 서브-컨버터(62)를 선택적으로 제어하도록 구성된다.
이렇게 제 3 서브-컨버터(62)를 제어하면, 제 3 서브-컨버터(62)를 통해 흐르는 직류와 상호작용하기 위해 상대적으로 작은 DC 전압의 삽입이 허용되고, 동적 안정화 및 손실의 보상에 사용될 수 있는 전력 및 에너지 교환 메커니즘이 생성된다.
각각의 림에 있어서 제 2 서브-컨버터(38) 상의 제 3 전압 성분의 영향을 보상하기 위해, 컨트롤러(60)는 각각의 림 양단의 DC 전압의 순 변화를 최소화하기 위해 각각의 제 2 서브-컨버터(38)를 선택적으로 제어해서 하나 이상의 제 2 전압 성분을 합성하도록 구성되고, 이때 상기 또는 각각의 제 2 전압 성분은 2차 고조파 성분 형태이다.
또한, 컨트롤러(60)는 컨버터(130)를 제어하는 제 2 방법을 구현하도록 구성된다.
제 2 방법은, 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구, 및 컨버터(130)가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하는 제 1 단계를 포함한다.
제 1 단계는 하기의 선택적인 하위-단계들을 더 포함한다:
ㆍ 제 1 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 2 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 필터링 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 3 제어 기능에 따라, 제 1 서브-컨버터(39)가 보상 DC 전압 성분을 생성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 1 서브-컨버터(39)에 대한 각각의 보상 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 4 제어 기능에 따라, 제 3 서브-컨버터(62)가 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 각각의 제 2 필터링 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 4 제어 기능에 따라, 제 3 서브-컨버터(62)가 제 3 서브-컨버터(62)의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 각각의 제 2 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계.
제 2 방법은 또한, 서브-컨버터(38, 39, 62)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터(38, 39, 62)에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 제 2 단계를 포함한다.
다양한 요구가 상위 레벨의 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다. 대안으로서, 다양한 요구가 자체적인 계산을 수행하는 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다.
특히, 본 발명의 제 2 방법은 다수의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 포함한다.
상기와 같은 수학적 최적화를 수행하는 것은, 도 11에 도시된 바와 같이, 컨버터(130) 내의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것을 포함한다.
도시된 등가의 컨버터 구성에 있어서, 제 1 서브-컨버터(39)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 SFB_A, SFB_B 및 SFB_C로 표시되고, 제 2 서브-컨버터(38)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 PHB_A, PHB_B, PHB_C로 표시되며, 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압은 TFB로 표시된다.
등가의 컨버터 구성은 또한, 각각의 림이 추적할 필요가 있는, 예컨대 되도록 가깝게 일치하는 각각의 DC측 전압 HB_A, HB_B, HB_C, 및 컨버터(130)가 추적할 필요가 있는 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 나타낸다.
컨버터(130)에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것은 전압원들을 맵핑하는 것을 부가적으로 포함한다.
전압원들을 맵핑할 수 있는 일 방식은, 하기의 방정식들을 취득하기 위해 등가의 컨버터 구성의 키르히호프 분석을 수행하는 것이다:
Figure pct00009
Venergy _A, Venergy _B, Venergy _c는, 제 1 및 제 2 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 필요한 제 1 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 서브-컨버터 전압들의 각각의 전압 성분들이다.
SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(130)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 1 서브-컨버터(39)가 상응하는 필요한 필터링 및 보상 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
PHB_AFilt _Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(130)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 2 서브-컨버터(38)가 상응하는 필요한 제 1 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
VenergyT는, 제 3 서브-컨버터(62)가 상응하는 필요한 제 2 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 서브-컨버터 전압의 제 3 전압 성분이다.
TFBFilt _Q는, 컨버터(130)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 3 서브-컨버터(62)가, 필요한 제 2 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 서브-컨버터 전압이다.
상기의 선행 방정식들은 매트릭스 형태로 표현된다:
Figure pct00010
여기서,
Figure pct00011
매트릭스는, 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압들을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서의 서브-컨버터(38, 39, 62)의 제어를 통해 제공될 최적의 전압원을 결정하기 위해 제 2 방법이 채용하는 선형 방정식으로서 표현되는 균등 제약을 규정한다.
전술한 수학적 최적화 단계는 각각의 전압원에 의해 제공된 상대적인 전압 기여분에 전압 가중치를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 전압원에 대한 각각의 전압 가중치는 컨버터의 측정된 동작 파라미터들에 따라 결정된다. 예컨대, 환경 조건의 변화에 응답하여, 전압 가중치의 갱신을 허용하기 위해 컨버터(130)의 동작 도중에 다양한 전압 가중치들이 결정될 수 있다. 결과적으로, 다양한 전압 가중치들은 컨버터(130)가 제어됨에 따라 달라질 수 있다.
예컨대, 컨버터(130)의 정상 동작 중에는, 각각의 전압원에 동일한 전압 가중치가 적용된다. 그러나, 일부 이상 동작 조건, 예컨대 불균형 동작 조건하에서 컨버터(130)를 제어하는 경우에는, 적어도 하나의 전압원에 의해 제공된 전압 기여분에 상이한 전압 가중치가 적용된다.
전술한 것에 더하여, 제 2 방법은 각각의 상응하는 서브-컨버터(38, 39, 62)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 포함한다.
최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정할 수 있으며 전술한 개별 전압 가중치를 전압원의 전압 기여분에 적용하는 일 방식은 도 9의 컨버터를 참조로 위에서 기술한 것과 동일하게 비선형 최적화를 해결하는 것이다.
일반적인 최적의 제어 문제로서, 전술한 비선형 최적화는 하나 이상의 불균등 제약을 부가적으로 포함할 수 있는데, 이 경우에는 추가적인 해밀토니안 방법(폰트랴긴의 최소 원리)을 이용해서 해결될 수 있다.
상기와 같은 불균등 제약의 일례는 다음과 같다:
Figure pct00012
여기서,
C는 서브-컨버터(38, 39, 62)에 의해 제공된 가능한 최대 전압 범위를 맵핑하는 매트릭스이고;
d는 각각의 서브-컨버터(38, 39, 62) 내의 최대 희망 전압을 나타내는 벡터이다.
어떤 경우에도, 최소 서브-컨버터 전압 SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q, PHB_AFilt_Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt _Q는
Figure pct00013
형태의 비선형 최적화를 해결하는 것에 의해 결정될 수도 있다.
한편, 본 발명의 제 2 방법은 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서 각각의 서브-컨버터(38, 39, 62)를 제어하는 제 3 단계를 포함한다.
도 12는 도 5에 도시된 레이아웃과 동일한 컨트롤러(60)의 다른 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타내고 있지만, 에너지 관리 제어 서브-블록으로부터 제 2 에너지 관리 전압 요구(VenergyT)가 VMM 제어 블록에 추가되어 있고, VMM 제어 블록으로부터 신규 출력 전압 신호(VTFB)가 하부 제어 루프에 추가되어 있으며, 여기서 신규 출력 전압 신호(VTFB)는 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 필요한 전압 기여분 TFB에 대응한다.
본 발명의 제 2 방법은 DC 능동적 필터링 동작을 공유하도록 제 1 서브-컨버터(39) 및 제 3 서브-컨버터(62)를 동작시키기 위해 유연성을 제공한다.
도 13a 내지 도 15는, 제 3 서브-컨버터(62)가 영이 아닌 DC 전압 성분을 가진 서브-컨버터 전압을 달성하도록 동작되는 경우의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. 도 13a 내지 도 15에 도시된 예시에 있어서, VenergyT는 제 3 서브-컨버터(62)의 에너지 레벨의 편차를 초래하게 되는 영의 값을 갖는다.
도 13a 및 도 13b는, 실제 전력 요구가 1.0 PU이고 무효 전력 요구가 0.4 PU인 균형 동작 조건하에서의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. 컨트롤러(60)가 컨버터(130)를 동작시켜서 균형 동작 조건에 필요한 원하는 AC 및 DC 컨버터 전압을 유지할 수 있다는 점을 도 13a 및 도 13b로부터 알 수 있다.
도 14a 및 도 14b는, 위상들 중 하나인 AC 망(50)의 Phase_A가 접지 단락을 경험하고, 실제 전력 요구가 0.5 PU이며, 무효 전력 요구가 0.4 PU인, 도 13a 및 도 13b와 동일한 전압 목적 함수 Jvoltage에 대한 불균형 동작 조건하에서의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. Phase_A에서의 장애로 인해 상응하는 AC 위상 전압이 강하되고, 컨트롤러(60)는 원하는 DC 컨버터 전압을 유지하면서 불균형 동작 조건하에서 컨버터(130)의 동작을 지속할 수 있음을 도 14a 및 도 14b로부터 알 수 있다.
도 15는, 도 13a 및 도 13b에 도시된 균형 동작 조건하에서 동작되는 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압에 있어서의 영이 아닌 DC 전압 성분과 6차, 12차, 18차, 24차 및 30차 고조파 성분의 존재를 그래픽 형태로 나타낸다.
도 16a 내지 도 18은, 제 3 서브-컨버터(62)가 영에 가까운 DC 전압 성분을 가진 서브-컨버터 전압을 달성하도록 동작되는 경우의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는, 실제 전력 요구가 1.0 PU이고 무효 전력 요구가 0.4 PU인 균형 동작 조건하에서의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. 컨트롤러(60)가 컨버터(130)를 동작시켜서 균형 동작 조건에 필요한 원하는 AC 및 DC 컨버터 전압을 유지할 수 있다는 점을 도 16a 및 도 16b로부터 알 수 있다.
도 17a 및 도 17b는, 위상들 중 하나인 AC 망(50)의 Phase_A가 접지 단락을 경험하고, 실제 전력 요구가 0.5 PU이며, 무효 전력 요구가 0.4 PU인, 도 16a 및 도 16b와 동일한 전압 목적 함수 Jvoltage에 대한 불균형 동작 조건하에서의 컨버터(130)의 동작을 그래픽 형태로 나타낸다. Phase_A에서의 장애로 인해 상응하는 AC 위상 전압이 강하되고, 컨트롤러(60)는 원하는 DC 컨버터 전압을 유지하면서 불균형 동작 조건하에서 컨버터(130)의 동작을 지속할 수 있음을 도 17a 및 도 17b로부터 알 수 있다.
도 18은, 도 16a 및 도 16b에 도시된 균형 동작 조건하에서 동작되는 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압에 있어서의 6차, 12차, 18차, 24차 및 30차 고조파 성분의 존재를 그래픽 형태로 나타낸다. 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압이 주로 DC 전압 성분을 생략하도록 제어된다는 것을 도 18로부터 알 수 있다.
따라서, 제 2 방법을 이용하는 도 12의 컨버터(130)의 동작은, 다양한 정상 및 이상 동작 조건하에서, 지정된 AC 및 DC측 전력 품질 요건을 만족하면서 컨버터(130)의 동작을 그 공칭 전압 및 전류 정격 내로 유지하도록 설계된 다수의 기준 또는 제약을 만족하는 최적의 서브-컨버터 전압의 순시 계산을 허용하는 것이 도시된다.
또한, 특히 도 13a 내지 도 18에서는, 제 2 방법이 동일한 기준 또는 제약에 대하여 상이한 방식들로 컨버터(130)를 동작시키는 유연성을 제공한다는 것이 도시된다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 컨버터가 도 19에 도시되고, 일반적으로 참조 번호 230으로 지시된다. 도 19의 컨버터(230)는 구조 및 동작이 도 9의 컨버터(130)와 유사하고, 유사한 특징부들은 동일한 참조 번호를 공유한다.
도 19의 컨버터(230)는, 단 하나의 제 3 서브-컨버터(62)를 갖는 대신에, 도 19의 컨버터(230)가 복수의 제 3 서브-컨버터(62)를 포함한다는 점에서, 도 9의 컨버터(130)와는 다르다. 특히, 도 10의 컨버터(230)의 각각의 림은, 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)와 직렬로 접속된 각각의 제 3 서브-컨버터(62)를 더 포함하고, 상응하는 제 2 서브-컨버터(38)가 상응하는 제 1 및 제 3 서브-컨버터 사이의 공통 접속 지점에 접속되어서 "T" 배치구조를 형성한다.
도시된 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압은 제 2 서브-컨버터(38)와 제 3 서브-컨버터(62)의 서브-컨버터 전압들의 합계이다.
각각의 제 3 서브-컨버터(62)는, 도 9의 컨버터(130)를 참조하여 위에서 기술한 제 3 서브-컨버터(62)와 동일한 방식으로, 구조적으로 및 동작 가능하게 체인-링크 컨버터로서 구성된다. 따라서, 각각의 제 3 서브-컨버터(62)는 제 3 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성된다.
컨트롤러(60)는 또한 컨버터(230)를 제어하는 제 3 방법을 구현하도록 구성된다.
제 3 방법은, 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구, 및 컨버터(230)가 추적할 필요가 있는 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하는 제 1 단계를 포함한다.
제 1 단계는 하기의 선택적인 하위-단계들을 더 포함한다:
ㆍ 제 1 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 제 1 서브-컨버터(39)의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 2 제어 기능에 따라, 서브-컨버터(38, 39)가 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터(38, 39)에 대한 각각의 제 1 필터링 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 3 제어 기능에 따라, 제 1 서브-컨버터(39)가 보상 DC 전압 성분을 생성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 1 서브-컨버터(39)에 대한 각각의 보상 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 4 제어 기능에 따라, 제 3 서브-컨버터(62)가 제 1 및 제 2 DC 단자(32, 34) 양단의 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 각각의 제 2 필터링 전압 요구를 취득하는 단계;
ㆍ 제 4 제어 기능에 따라, 제 3 서브-컨버터(62)가 그 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 각각의 제 2 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계.
제 3 방법은 또한, 서브-컨버터(38, 39, 62)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터(38, 39, 62)에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 제 2 단계를 포함한다.
다양한 요구가 상위 레벨의 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다. 대안으로서, 다양한 요구가 자체적인 계산을 수행하는 컨트롤러로부터 직접 취득될 수 있다.
특히, 본 발명의 제 3 방법은 다수의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 것을 포함한다.
상기와 같은 수학적 최적화를 수행하는 것은, 도 20에 도시된 바와 같이, 컨버터(230) 내의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것을 포함한다.
도시된 등가의 컨버터 구성에 있어서, 제 1 서브-컨버터(39)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 SFB_A, SFB_B 및 SFB_C로 표시되고, 제 2 서브-컨버터(38)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 PHB_A, PHB_B, PHB_C로 표시되며, 제 3 서브-컨버터(62)들의 서브-컨버터 전압들은 제각기 TFB_A, TFB_B 및 TFB_C로 표시된다.
등가의 컨버터 구성은 또한, 각각의 림이 추적할 필요가 있는, 예컨대 되도록 가깝게 일치하는 각각의 DC측 전압 HB_A, HB_B, HB_C, 및 컨버터(130)가 추적할 필요가 있는 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 나타낸다.
컨버터(230)에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 것은 전압원들을 맵핑하는 것을 부가적으로 포함한다.
전압원들을 맵핑할 수 있는 일 방식은, 하기의 방정식들을 취득하기 위해 등가의 컨버터 구성의 키르히호프 분석을 수행하는 것이다:
Figure pct00014
Venergy _A, Venergy _B, Venergy _c는, 제 1 및 제 2 서브-컨버터(38, 39)가 상응하는 필요한 제 1 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 서브-컨버터 전압들의 각각의 전압 성분들이다.
SFB_AFilt _Q, SFB_BFilt _Q, SFB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(230)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 1 서브-컨버터(39)가 상응하는 필요한 필터링 및 보상 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
PHB_AFilt _Q, PHB_BFilt _Q, PHB_CFilt _Q는, 상응하는 림이 상응하는 필요한 DC측 전압 요구(HB_A, HB_B, HB_C)를 추적할 수 있게 하고 컨버터(230)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 2 서브-컨버터(38)가 상응하는 필요한 제 1 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터 전압들이다.
VenergyT _A, VenergyT _B, VenergyT _C는, 제 3 서브-컨버터(62)가 상응하는 필요한 제 2 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 서브-컨버터 전압의 제 3 전압 성분들이다.
TFB_AFilt _Q, TFB_BFilt _Q, TFB_CFilt _Q는, 컨버터(230)가 상응하는 필요한 DC 컨버터 전압 요구(Vdc)를 추적할 수 있게 하는 것에 더하여, 제 3 서브-컨버터(62)가, 필요한 제 2 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여할 필요가 있는 서브-컨버터 전압들이다.
상기의 선행 방정식들은 매트릭스 형태로 표현된다:
Figure pct00015
여기서,
Figure pct00016
Figure pct00017
매트릭스는, 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압들을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서의 서브-컨버터(38, 39, 62)의 제어를 통해 제공될 최적의 전압원을 결정하기 위해 제 3 방법이 채용하는 선형 방정식으로서 표현되는 균등 제약을 규정한다.
전술한 수학적 최적화 단계는, 각각의 전압원에 의해 제공된 상대적인 전압 기여분에 대한 전압 가중치의 적용일 수 있으며, 또한 각각의 상응하는 서브-컨버터(38, 39, 62)가 상응하는 필요한 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하기 위한 수학적 최적화일 수 있고, 이들 각각은 도 9의 컨버터(130)를 참조로 위에서 기술된 것과 동일한 방식으로 각각 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 제 3 방법은 상응하는 결정된 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각각의 전압원으로서 각각의 서브-컨버터(38, 39, 62)를 제어하는 제 3 단계를 포함한다.
도 21은, 제 2 에너지 관리 전압 요구(VenergyT)가 복수의 제 2 에너지 관리 전압 요구(VenergyT _A, VenergyT _A, VenergyT _A)로 대체되고, 출력 전압 신호(VTFB)가 제 3 서브-컨버터(62)에 대한 필요한 전압 기여분(VTFB _A, VTFB _B, VTFB _C)에 제각기 대응하는 복수의 출력 전압 신호(VTFB _A, VTFB _B, VTFB _C )로 대체된다는 점을 제외하고는, 도 11에 도시된 레이아웃과 동일한 컨트롤러(60)의 다른 예시적인 레이아웃을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 각각의 서브-컨버터가 전압원으로서 제어될 수 있는 한, 각각의 서브-컨버터의 구성은 달라질 수 있다.
도시된 실시예들에 있어서, 각각의 위상 소자(36)의 AC측(42)은 3상 AC 망(50)의 각각의 위상에 접속된다. 다른 실시예들에 있어서, 컨버터의 림들의 수는 다중-위상 AC 망의 위상들의 수에 따라 달라질 수 있고, 각각의 위상 소자의 AC측은 다중-위상 AC 망의 각각의 위상에 접속될 수 있다.

Claims (16)

  1. DC 망에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 DC 단자를 포함하고, 상기 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 접속되는 적어도 하나의 림(limb)을 포함하는 컨버터를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 또는 각각의 림은,
    복수의 스위칭 소자 및 AC 망에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 상기 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
    전기 블록 내에서 상기 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
    상기 전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터
    를 포함하고,
    상기 방법은,
    (a) 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 상기 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구(voltage demand), 및 상기 컨버터가 추적할 필요가 있는 상기 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하는 단계;
    (b) 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 DC측 전압 요구 및 상기 DC 컨버터 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계;
    (c) 상응하는 결정된 상기 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각 서브-컨버터를 각각의 상기 전압원으로서 제어하는 단계; 및
    (d) 하나 이상의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 단계
    를 포함하는 컨버터 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 림은, 상응하는 상기 제 1 서브-컨버터와 직렬로 접속되는 제 3 서브-컨버터를 더 포함하고, 상기 또는 각각의 제 3 서브-커버터는 제 3 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되고, 상기 또는 각각의 제 2 서브-컨버터는 상응하는 상기 제 1 서브-컨버터와 상기 제 3 서브-컨버터 사이의 공통 접속 지점에 접속되어서 "T" 배치구조(arrangement)를 형성하는, 컨버터 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 직렬로 접속되는 복수의 림을 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 림의 위상 소자는 다중 위상 AC 망의 각각의 위상에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 포함하고, 상기 컨버터는 상기 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 적어도 하나의 림과 직렬로 접속되는 적어도 2개의 추가 림을 더 포함하고,
    각각의 추가 림은,
    복수의 스위칭 소자 및 상기 다중 위상 AC 망의 각각의 위상에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 상기 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
    전기 블록 내에서 상기 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
    상기 전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터
    를 포함하고,
    상기 림들은 상기 적어도 하나의 림의 상기 제 3 서브-컨버터가 상기 제 1 및 제 2 DC 단자 중 하나에 직접 접속되도록 직렬로 배치되는, 컨버터 제어 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-컨버터가 상응하는 제 1 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터에 대한 각각의 제 1 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계; 및 상기 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 제 1 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-컨버터가 상기 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 상기 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 각각의 서브-컨버터에 대한 각각의 제 1 필터링 전압 요구를 취득하는 단계; 및 상기 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 제 1 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 서브-컨버터가 상응하는 위상 소자의 AC측에서 생성 또는 흡수되는 실제 전력 및/또는 무효 전력의 변화를 보상하기 위해 추적할 필요가 있는 상기 또는 각각의 제 1 서브-컨버터에 대한 각각의 보상 전압 요구를 취득하는 단계; 및 상기 제 1 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 보상 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 상기 또는 각각의 제 1 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 서브-컨버터가 상기 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 상기 DC 컨버터 전압의 능동적 필터링을 달성하기 위해 추적할 필요가 있는 상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 각각의 제 2 필터링 전압 요구를 취득하는 단계; 및 상기 제 3 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 제 2 필터링 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  9. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 서브-컨버터가 상응하는 상기 제 3 서브-컨버터의 에너지 레벨을 조절하기 위해 추적할 필요가 있는 상기 또는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 각각의 제 2 에너지 관리 전압 요구를 취득하는 단계; 및 상기 제 3 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 제 2 에너지 관리 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 제 3 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수학적 최적화를 수행하는 단계는 상기 컨버터에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨버터에서의 전압 조건들을 나타내는 등가의 컨버터 구성을 생성하는 단계는 상기 전압원들을 상기 또는 각각의 림에 대하여 맵핑하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수학적 최적화를 수행하는 단계는 각각의 전압원에 의해 제공된 상대적인 전압 기여분에 전압 가중치를 적용하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전압 가중치를 적용하는 단계는 상기 컨버터의 측정된 동작 파라미터들에 따라 상기 또는 각각의 전압 가중치를 결정하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 컨버터를 특정 동작 조건하에서 제어하는 경우, 상기 전압 가중치를 적용하는 단계는, 상기 또는 각각의 전압원이 다른 전압원들과는 상이한 기여분을 제공하도록 적어도 하나의 전압원에 상이한 전압 가중치를 적용하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상응하는 상기 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 하나 이상의 최소 개별 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하는 단계를 포함하는, 컨버터 제어 방법.
  16. DC 망에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 DC 단자를 포함하고, 상기 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이에 접속되는 적어도 하나의 림을 포함하는 컨버터에 있어서,
    상기 또는 각각의 림은,
    복수의 스위칭 소자 및 AC 망에 접속하기 위한 적어도 하나의 AC 단자를 구비하는 위상 소자로서, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 위상 소자의 DC측에서의 DC측 전압과 상기 위상 소자의 AC측에서의 AC측 전압을 선택적으로 상호 접속하도록 스위칭 가능하게 구성되는 것인, 상기 위상 소자;
    전기 블록 내에서 상기 위상 소자의 DC측과 직렬로 접속되며, 제 1 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 1 서브-컨버터; 및
    상기 전기 블록과 병렬로 접속되며, 제 2 전압원으로서 작용하도록 제어 가능하게 구성되는 제 2 서브-컨버터
    를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    (a) 상응하는 림이 추적할 필요가 있는 상기 DC측 전압에 대한 각각의 DC측 전압 요구, 및 상기 컨버터가 추적할 필요가 있는 상기 제 1 및 제 2 DC 단자 양단의 DC 컨버터 전압에 대한 DC 컨버터 전압 요구를 취득하고;
    (b) 서브-컨버터가 상응하는 필요한 상기 DC측 전압 요구 및 상기 DC 컨버터 전압 요구를 추적하는데 기여해야 하는 각각의 서브-컨버터에 대한 서브-컨버터 전압을 결정하고;
    (c) 상응하는 결정된 상기 서브-컨버터 전압을 달성하기 위해 각 서브-컨버터를 각각의 상기 전압원으로서 제어하고;
    (d) 하나 이상의 최적의 서브-컨버터 전압을 결정하기 위해 수학적 최적화를 수행하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 더 포함하는, 컨버터.
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