KR20180032971A - Hvdc 고조파 제거 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 HVDC 고조파 제거 장치는 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 신호 수집부; 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 고조파 측정부; 고조파를 분석함으로써, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 고조파 크기 산출부; 및 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 고조파 상쇄 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

HVDC 고조파 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ELIMINATING HARMONICS OF HVDC SYSTEM}
본 발명은 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파를 AC 필터 없이도 제거할 수 있는 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템은 교류 발전기에 의해서 만들어지는 교류 전력을 AC/DC 변환기인 렉티파이어(Rectifier)를 통해 직류 전력으로 변환하여 배전 대상 지역으로 직류 전력을 전송하고, 다시 DC/AC 변환기인 인버터(Inverter)를 통해 교류 전력으로 변환하여 전력을 공급하는 방식이다.
여기서, 직류로 배전할 경우, 각종 전자제품의 크기가 줄어들고 각종 교류 장치에 필요한 변압기 역시 모두 제거될 수 있다. 뿐만 아니라, 직류 배전의 경우, 다양한 속도를 낼 수 있는 모터 또한 직류 전기를 사용할 수 있게 되는 장점이 잇다.
일반적으로, HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 구분된다.
여기서, 전류형 HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기 기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 커패시터 뱅크가 인버터 측이나 렉티파이어 측에 존재해야 한다. 특히, 전류형 HVDC 시스템은 고조파를 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다.
여기서, 전류형 HVDC 컨버터는 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 고조파를 발생하는데, 가장 일반적으로 적용되는 12펄스 컨버터의 경우, 12n±1차에 해당하는 특성고조파를 발생한다. 따라서 고조파가 계통에 주입되기 전에 제거하기 위해 AC 모선에 11차, 13차 고조파 필터, 23, 25차 고조파 필터, 고역통과 필터 등을 적용한다. 따라서, 전류형 HVDC 시스템은 고조파 필터 설치비용 및 부지확보, 사용연한에 따른 필터 파라미터의 변화 및 전력계통 고조파 임피던스 특성의 변화로 인한 고조파 필터링 능력 저감현상 등의 문제를 갖는다.
이에 따라, 전류형 HVDC 컨버터에서 발생하는 12n±1차에 해당하는 특성고조파를 제거할 수 있는 새로운 방법이 요구된다.
미국등록특허 제8665617호(명칭: Plant for transmitting electric power)
본 발명은 AC 필터 없이도, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파를 제거할 수 있는 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 HVDC 고조파 제거 장치는 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 신호 수집부; 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 고조파 측정부; 고조파를 분석함으로써, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 고조파 크기 산출부; 및 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 고조파 상쇄 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치는 고조파 상쇄 신호를 근거로, 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 제어 펄스 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 펄스 생성부는 NLC(Nearest Level Control) 스위칭 기법을 통해 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성할 수 있다.
또한, 고조파 상쇄 신호 생성부는 상기 전압형 HVDC 제어 신호에서 개별 고조파의 크기를 감산함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성할 수 있다.
또한, 고조파 크기 산출부는 고조파를 주파수 변환함으로써, 적어도 하나의 개별 특성고조파의 크기를 산출하고, 적어도 하나의 개별 특성고조파들을 합산함으로써 개별 고조파의 크기를 산출할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 HVDC 고조파 제거 방법은 신호 수집부에 의해, 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 단계; 고조파 측정부에 의해, 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 단계; 고조파 크기 산출부에 의해, 고조파를 분석함으로써, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계; 및 고조파 상쇄 신호 생성부에 의해, 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법은 제어 펄스 생성부에 의해, 상기 고조파 상쇄 신호를 근거로, 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 펄스를 생성하는 단계는 NLC 스위칭 기법을 통해 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 고조파 상쇄 신호를 생성하는 단계는 전압형 HVDC 제어 신호에서 개별 고조파의 크기를 감산함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계는 고조파를 주파수 변환함으로써, 적어도 하나의 개별 특성고조파의 크기를 산출하는 단계; 및 적어도 하나의 개별 특성고조파들을 합산함으로써 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법에 따르면, 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통의 경우, 전류형 HVDC 사이리스터 컨버터에서 발생하는 12n±1차에 해당하는 특성고조파를 전압형 HVDC 시스템을 통해 제거하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법은 전압형 HVDC 제어기에서 특성고조파의 크기를 측정한 후, 고조파를 상쇄시키기 위해 전압형 HVDC 제어 시스템의 출력신호에 고조파 상쇄 변조신호를 더하여 최종적으로 IGBT 밸브를 제어함으로써, 전류형 HVDC 시스템에서 요구하는 AC 필터 없이도, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파를 제거할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법에 따르면, 전류형 HVDC 시스템에서 고조파 제거를 위한 AC필터 설치비용 및 부지확보 문제를 해소할 수 있다.
또한 AC 필터의 사용에 따른 필터 파라미터의 변화 및 전력계통 고조파 임피던스 특성의 변화로 인한 필터링 성능 저감현상의 근본적인 원인을 제거할 수 있기 때문에, 30년 이상 장기 운전하는 HVDC의 특성을 고려할 때, 전력계통의 변화에 강인성을 갖는 장점이 있다.
도 1은 전류형 HVDC 시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 AC 계통에 연계된 전류형 HVDC 시스템에 대한 블록도이다.
도 3은 전류형 HVDC 시스템의 12펄스 컨버터에서 변압기의 1차측(AC 계통 측)과 2차측(밸브 측)에 흐르는 전류의 일 예시에 대한 그래프이다.
도 4는 HVDC 시스템의 위치별로 발생하는 고조파의 예시를 나타낸다.
도 5는 전압형 HVDC 시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 6은 전압형 HVDC 시스템에 포함된 렉티파이어 또는 인버터에 대한 내부 회로도이다.
도 7은 NLC 기법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치가 적용된 계통에 대한 구성도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치에 대한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수집부를 통해 수신되는 전압형 HVDC 제어기의 출력 신호의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 크기 산출부를 통해 측정된 개별 고조파의 크기의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 펄스 생성부로 입력되는 고주파 상쇄 신호의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 펄스 생성부를 통해 출력되는 제어 펄스의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치 및 방법을 설명하기 앞서, 전류형 HVDC 시스템의 구성에 대한 설명이 먼저 이루어진다. 도 1은 전류형 HVDC 시스템(10)의 구성을 나타내는 개념도이다.
상술한 것처럼, 전류형 HVDC 시스템(10)은 전력계통의 두 AC 모선을 직류로 연계하는 시스템이다. 이에 따라, 전류형 HVDC 시스템(10)은 AC/DC 변환설비인 렉티파이어(11) 및 DC/AC 변환설비인 인버터(12)를 포함하여 구성될 수 있고, 렉티파이어(11)와 인버터(12)를 연계하는 DC 송전선로가 포함될 수 있다. 또한, 전류형 HVDC 시스템(10)은 렉티파이어(11)와 인버터(12)의 동작에 필요한 무효전력의 공급 및 고조파 제거를 위한 AC 필터(13) 및 변환용 변압기(14, 15)를 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로, 전류형 HVDC 시스템(10)은 렉티파이어(11)와 인버터(12)의 점호각을 조정하여 유효전력, DC 전류, 주파수 등을 제어할 수 있다. 이로 인해, 전류형 HVDC 시스템(10)의 경우, AC 모선상의 전압과 전류에 위상차가 발생하며, 결과적으로 무효전력이 발생하고, 그 크기는 DC 전력의 50~60%에 달한다. 따라서 이러한 무효전력을 보상하기 위해 변환소 면적의 약 50%를 차지하는 대용량의 콘덴서를 갖는 AC 필터(13)가 설치되어야 하는 문제점을 갖는다.
도 2는 AC 계통에 연계된 전류형 HVDC 시스템에 대한 블록도를 도시한다. 또한, 도 2는 전류형 HVDC 시스템에서 AC 계통에 연계된 렉티파이어 또는 인버터 측의 컨버터(23a, 23b)를 나타낸다. 그리고, 제 1 단극 컨버터(24a)와 제 2 단극 컨버터(24b)는 시스템의 경제성 및 고조파 저감을 고려하여 일반적으로 6펄스 컨버터 두 개를 직렬 연결한 12펄스 컨버터를 사용할 수 있다.
또한, 제 1 단극 컨버터(24a)와 제 2 단극 컨버터(24b)는 사이리스터 밸브(미도시)의 점호작용으로 직교류 변환시키는 기능을 수행하며, 여기서 제 1 단극 컨버터(24a)는 도 1의 렉티파이어(14)를 나타내고, 제 2 단극 컨버터(24b)는 도 1의 인버터(12)를 나타낼 수 있다.
일반적으로, HVDC 컨버터는 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 고조파를 발생하는데, 12펄스 컨버터의 경우, 12n±1차에 해당하는 특성고조파를 발생한다. 따라서 고조파가 계통에 주입되기 전에 제거하는 것이 바람직하고, 이를 위해 AC 모선(22)에 11차, 13차 고조파 필터(21a), 23, 25차 고조파 필터(21b), 고역통과 필터(21c) 등이 적용되어야 한다.
도 3a 내지 도 3c는 상술한 12펄스 컨버터에서 변압기의 1차측(AC 계통 측)과 2차측(밸브 측)에 흐르는 전류의 일 예시에 대한 그래프이다. HVDC 컨버터는 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 구형파 형태의 불연속 전류를 흐르게 한다. 여기서, 도 3a는 Y-Δ 결선 변압기의 2차측(밸브측)에 흐르는 전류를 나타내고, 도 3b는 Y-Y 결선 변압기의 2차측(밸브측)에 흐르는 전류를 나타낸다. 각각의 전류가 변환용 변압기의 1차측에서 중첩되어 도 3c와 같은 전류가 흐른다.
12펄스 컨버터에서 발생하는 고조파를 분석하기 위해, Y-Y 변압기 2차측에서 발생하는 고조파 전류를 푸리에 급수로 표현하면 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
또한, Y-Δ 변압기 2차측의 고조파 전류는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
따라서, 변압기의 1차측에서는 Y-Y 변압기와 Y-Δ 변압기의 전류가 중첩되므로, 5차, 7차 고조파전류가 상쇄되어 아래의 수학식 3과 같이 12n±1 차(11차, 13차, 23차, 25차, 등)에 해당하는 고조파가 발생한다.
Figure pat00003
도 4는 HVDC 시스템의 위치별로 발생하는 고조파의 예시를 나타낸다. 변압기의 2차측에 존재하는 고조파 중에서, 6n±1차(n=1, 3, 5, …)에 해당하는 고조파(41)는 변압기의 1차측에서 상쇄되어 제거되고, 12n±1 차의 특성 고조파만(42)이 남게 된다.
이러한 특성 고조파(42)가 계통에 주입되면 계통의 안정도 저하, 전파 장해, 고조파 공진 등의 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라, HVDC 컨버터의 AC 모선에는 각 고조파 차수에 해당하는 AC 고조파 필터가 설치되어야 한다. 이제, 도 5를 참조로 전압형 HVDC 시스템에 대한 설명이 이루어진다.
도 5는 전압형 HVDC 시스템(50)의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 5에 도시된 것처럼 전압형 HVDC 시스템(50)은 전력계통의 두 AC 모선을 DC로 연계하는 시스템이다. 이를 위해 전압형 HVDC 시스템(50)은 AC/DC 변환 설비인 렉티파이어(51), DC/AC 변환설비인 인버터(52)를 포함하여 구성될 수 있고, 렉티파이어(51)와 인버터(52)를 연계하는 DC 송전선로(53), 그리고 변환용 변압기(54, 55)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전압형 HVDC 시스템(50)의 컨버터 즉, 렉티파이어(51)와 인버터(52)는 도 6과 같이 다수의 서브모듈이 직렬 접속되어 구성될 수 있다. 구체적으로, 렉티파이어(51)와 인버터(52)는 도 6에 도시된 것처럼 정격전력을 높이기 위해 다수의 서브모듈이 직렬 접속되어 연결되어 구성될 수 있고, 각각의 서브모듈은 하프브리지 또는 풀브리지 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 일반적으로 계통에 적용되는 시스템은 직렬 접속되는 서브모듈의 개수가 200~400레벨이며, NLC((Nearest Level Control) 변조기법을 적용하는 경우에 50차 이하의 저차 고조파가 발생하지 않기 때문에, AC필터를 설치하지 않는 것이 일반적이다.
또한, 전압형 HVDC 시스템(50)은 상술한 렉티파이어(51)와 인버터(52)의 동작을 제어하기 위한 렉티파이어 제어부(56)와 인버터 제어부(57)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 렉티파이어 제어부(56)와 인버터 제어부(57)는 하나의 제어부로 구성되는 것도 가능하고, NLC 기법을 이용하여 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다.
여기서, NLC 기법은 다수의 서브 모듈로 구성된 전압형 다중 모듈 컨버터 즉, 렉티파이어(51)와 인버터(52)에 적용되는 변조기법이다. 구체적으로, NLC 기법은 교류 전압을 발생시키고자 할 때 발생시키고자 하는 정현파 기준 전압(Vref)을 기준으로 턴온되거나 바이패스되는 서브 모듈의 숫자를 결정함으로써, 턴온되는 서브 모듈(10)의 숫자에 따라서 정현파 기준 전압을 추정하도록 하는 기법이다(도 7 참조).
즉, 렉티파이어 제어부(56)와 인버터 제어부(57)는 기준 전압을 추종하도록 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 설정하고, 해당 전원 파형에 대응되는 전압을 출력하도록 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어한다. 이 때, 전원 파형의 레벨은 서브 모듈의 수와 동일하게 설정될 수 있다.
N개의 서브 모듈을 포함하는 렉티파이어(51)와 인버터(52)에서 각각의 서브 모듈에서 출력되는 전압(Vdc/N)이 일정한 것으로 가정하면, N개의 서브 모듈을 포함하는 컨버터 암(Arm)은 N+1의 이산적인 출력 전압 즉, (0, Vdc/N, 2Vdc/N, ..., Vdc)개의 레벨을 갖는 이산적인 출력 전압을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 턴온되거나 바이패스되어야 하는 서브 모듈의 숫자는 아래의 수학식 4와 같이 연산된다.
Figure pat00004
수학식 4에서, 이 때, Non,u는 컨버터의 상단 암에서 턴온되어야 하는 서브모듈의 개수를 의미하고, Non,l은 컨버터의 하단 암에서 턴온되어야 하는 서브모듈의 개수를 의미하며, round는 반올림 함수를 의미한다.
따라서, 수학식 4를 통해 결정된 값으로 서브 모듈을 온, 오프 제어할 경우에 출력전압의 평균값은 정현파의 기준 전압(Vref)과 일치한다. 이러한 변조기법은 서브모듈의 숫자가 많은 컨버터에 적합하며, 이것은 각 서브모듈의 전압 스텝이 작아져서 출력되는 ac 전압이 정현파에 가까워지고 스위칭 주파수가 낮아져서 손실이 감소되기 때문이다. 일반적인 전압형 HVDC 시스템에서는 수백 레벨의 서브모듈이 직렬 접속되어 제어되기 때문에 AC필터가 없이도 출력 AC전압은 정현파가 된다.
상술한 것처럼, 전류형 HVDC 시스템이 단독으로 적용된 계통의 경우 전류형 HVDC 시스템에서 발생되는 고조파를 제거하기 위해 AC 필터의 적용이 필수적이다. 반면, 전압형 HVDC 시스템이 단독으로 적용된 계통의 경우, 50차 이하의 고조파가 발생하지 않기에 AC 필터가 구성되어야 할 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 상술한 전압형 HVDC 시스템의 특성을 고려하여, 전류형 HVDC 시스템에서 발생되는 고조파를 제거하는 것을 특징으로 한다. 이제, 도 8을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)에 대한 설명이 이루어진다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)가 적용된 계통에 대한 구성도를 나타낸다. 구체적으로, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)가 적용된 상술한 전류형 HVDC 시스템(60)과 전압형 HVDC 시스템(70)이 병렬 연결된 계통에 대한 구성도를 나타낸다. 도 8에 도시된 것처럼, 상기 계통에는 전류형 HVDC 시스템(60) 및 전압형 HVDC 시스템(70)의 렉티파이어(61, 71)측과 인버터(62, 72) 측이 각각 전기적으로 근접한 계통에 연계되어 구성될 수 있다. 또한, 전류형 HVDC 시스템(60)은 전류형 HVDC 제어기(66)에 의해 제어될 수 있고, 전압형 HVDC 시스템(70)은 전압형 HVDC 제어기(76)에 의해 제어될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 AC 필터 없이도 전류형 HVDC 시스템(60)에서 발생되는 고조파를 제거하는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 전류형 HVDC 시스템(60)과 전압형 HVDC 시스템(70)이 병렬 연계된 계통에서, AC 필터 없이도 고조파를 제거할 수 있는 전압형 HVDC 시스템(70)의 동작 원리를 응용하여 전류형 HVDC 시스템(60)에서 발생되는 고조파를 제거하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 전압형 HVDC 시스템(70)가 연계된 AC 모선(78)에서 고조파를 측정한 후, 전압형 HVDC 제어기(76)의 출력을 고려하여 상기 고조파를 제거하기 위한 제어 펄스를 생성하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 생성된 제어 펄스는 전압형 HVDC 시스템(70)의 렉티파이어(71) 또는 인버터(72)에 입력될 수 있다. 이제, 도 9를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)에 대한 설명이 더 이루어진다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)에 대한 블록도이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬로 연결된 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생된 고조파를 제거하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 신호 수집부(110), 고조파 측정부(120), 고조파 크기 산출부(130) 및 제어펄스 생성부(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 이제, 도 9를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)에 대한 설명이 이루어진다.
신호 수집부(110)는 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기(76)에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 기능을 한다. 여기서, 전압형 HVDC 제어기(76)를 통해 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호(Vref)는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
고조파 측정부(120)는 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 기능을 한다. 구체적으로, 고조파 측정부(120)는 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선 중 적어도 하나의 모선에서, 전류형 HVDC 시스템에 의해 야기된 고조파를 측정하는 기능을 한다.
고조파 크기 산출부(130)는 고조파 측정부(120)를 통해 측정된 고조파를 분석함으로써, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 기능을 한다. 구체적으로, 고조파 크기 산출부(130)는 개별 고조파의 크기의 산출을 위해, 고조파 측정부(120)를 통해 측정된 고조파에 대해 주파수 변환(예를 들어, 푸리에 변환)을 수행하고, 주파수 변환 결과를 근거로 개별 고조파의 크기를 구할 수 있다. 여기서, 고조파 크기 산출부(130)를 통해 산출되는 개별 고조파의 크기(Vh)는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
수학식 6에서 Vh는 개별 고조파의 크기를 나타내고, Axx는 개별 특성고조파의 크기를 나타낸다. 즉, 개별 고조파의 크기(Vh)는 각 특성고조파의 크기의 총합을 나타낸다.
고조파 상쇄 신호 생성부(140)는 제어펄스 생성부(150)에 입력될 고조파 상쇄 신호를 생성하는 기능을 한다. 여기서, 고조파 상쇄 신호는 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 생성될 수 있다. 구체적으로, 고조파 상쇄 신호는 신호 수집부(110)를 통해 수집된 전압형 HVDC 제어 신호에서, 고조파 크기 산출부(130)를 통해 산출된 개별 고조파의 크기를 감산시킴으로써 생성될 수 있다. 즉, 고조파 상쇄 신호 생성부(140)를 통해 이루어지는 고조파 상쇄 신호의 생성 방법은 아래의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00007
제어 펄스 생성부(150)는 고조파 상쇄 신호를 근거로, 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 기능을 한다. 구체적으로, 제어 펄스 생성부(150)는 NLC 스위칭 기법을 통해 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성하는 기능을 한다. 여기서, 전압형 HVDC 시스템의 컨버터는 앞서 설명된 바와 같이, 전압형 HVDC 시스템에 포함된 렉티파이어 또는 인버터를 나타낸다.
이렇게, 전압형 HVDC 시스템의 IGBT 밸브를 제어함에 있어서, 전압형 HVDC 제어 신호(Vref)에 전류형 HVDC 특성고조파의 역에 해당하는 고조파를 발생하도록 하면, 반대 부호를 갖는 같은 차수의 고조파들이 중첩되면서 상쇄되게 된다. 그 결과 AC 계통에서 고조파 제거를 수행하는 것이 가능해진다. 다시 말해, 전류형 HVDC 시스템에 존재하는 12n±1의 특성고조파를 전압형 HVDC 제어 신호(Vref)에서 감산하는 것은 전류형의 고조파를 제거하기 위한 효과적인 방법이다.
이에 따라, 종래 기술의 경우 전류형 HVDC 시스템에서 고조파 제거를 목적으로 하는 AC 필터가 필수적으로 존재해야 하는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)에 따르면, AC 필터 없이도 계통에 고조파가 주입되는 것을 차단할 수 있다. 뿐만 아니라, AC필터의 사용 연한에 따른 필터 파라미터의 변화로 인한 필터링 성능 저감현상의 근본적인 원인을 제거할 수 있는 장점을 갖는다. 이제, 도 10 내지 도 13을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)를 통해 HVDC 고조파 제거를 위한 제어 펄스를 생성하는 방법에 대한 설명이 이루어진다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수집부를 통해 수신되는 전압형 HVDC 제어기의 출력 신호(Vref)의 일 예시를 나타내는 그래프이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 크기 산출부를 통해 측정된 개별 고조파의 크기의 일 예시를 나타내는 그래프이다. 도 10에서 x축은 시간 축을 나타내고, y축은 전압형 HVDC 제어기의 출력 신호의 진폭을 나타낸다. 그리고, 도 11에서, x축은 시간 축을 나타내고, y축은 개별 고조파의 진폭을 나타낸다. 앞서 설명한 것처럼, 도 11에 도시된 개별 고조파의 크기(Vh)는 고조파 측정부를 통해 측정된 고조파에 대해 주파수 분석을 수행함으로써 개별 특성 고조파들의 크기를 산출하고, 이들을 합산함으로써 산출될 수 있다.
이렇게 전압형 HVDC 제어기의 출력 신호(Vref)와, 개별 고조파의 크기(Vh)가 산출되면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 고주파 상쇄 신호 생성부를 통해 고주파 상쇄 신호를 생성한다. 여기서, 고주파 상쇄 신호 생성부를 통해 생성된 고주파 상쇄 신호에 대한 예시는 도 12에 도시된다.
그 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치(100)는 도 12에 도시된 고주파 상쇄 신호를 근거로 전압형 HVDC 시스템의 컨버터 즉, 렉티파이어 또는 인버터에 인가되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생한 고조파를 제거하는 제어 펄스를 생성한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 장치 즉, 제어 펄스 생성부를 통해 생성되는 제어 펄스에 대한 예시는 도 13에 도시된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 펄스 생성부를 통해 출력되는 제어 펄스의 일 예시를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 13은 200레벨 전압형 HVDC 시스템의 경우에 턴온되어야 할 레벨수의 산정결과에 대한 예시를 나타낸다.
제어 펄스는 수학식 4를 참조로 설명된 NLC 스위칭 기법을 통해 생성될 수 도 13에 도시된 바와 같이, 제어펄스 생성부는 입력된 고조파 상쇄 신호를 근거로 NLC 알고리즘을 통해 IGBT 밸브의 턴온 레벨수를 산정할 수 있다. 이렇게 턴온 레벨수에 대한 산정이 완료되면 산정 결과에 따라 제어 펄스가 생성되고, 생성된 제어 펄스는 전압형 HVDC 시스템의 컨버터로 전달되어 IGBT 밸브를 제어하는 과정이 이루어진다. 여기서, 제어 펄스는 12n±1차의 특성고조파가 포함된 전압의 형태를 가지므로, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파와 중첩 및 상쇄되고, 이에 따라 고조파가 제거되게 된다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법에 대한 흐름도이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법은 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법은 전압형 HVDC 시스템에 포함된 전압형 HVDC 제어기의 출력을 이용함으로써, AC 필터 없이도 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파를 제거할 수 있는 방식을 제안한다. 이제, 도 14를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법에 대한 설명이 이루어진다. 또한, 아래에서는 위에서 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략하여 그 설명이 이루어진다.
S110 단계는 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 단계이다.
S120 단계는 고조파 측정부에 의해, 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 단계이다. 구체적으로, S120 단계는 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선 중 적어도 하나의 모선에서, 전류형 HVDC 시스템에 의해 야기된 고조파를 측정하는 단계이다. 상술한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법은 AC 필터 없이도 전류형 HVDC 시스템에서 발생한 고조파를 제거하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 고조파 제거 방법은 AC 필터 없이도 고조파를 제거할 수 있는 전압형 HVDC 시스템의 특성을 고려하여. S110 단계와 S120 단계를 통해 전압형 HVDC 제어 신호와 고조파를 각각 수집 및 측정한다.
S130 단계는 고조파 크기 산출부에 의해, 고조파를 분석함으로써, 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계이다. 구체적으로, S130 단계는 S120 단계를 통해 측정된 고조파를 주파수 변환함으로써 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계이다.
S140 단계는 고조파 상쇄 신호 생성부에 의해, 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 단계이다. 구체적으로, S140 단계는 전압형 HVDC 제어 신호에서 개별 고조파의 크기를 감산함으로써 이루어질 수 있다.
S150 단계는 제어 펄스 생성부에 의해, 상기 고조파 상쇄 신호를 근거로, 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 단계이다. 여기서, S150 단계는 NLC 스위칭 기법을 통해 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성함으로써 이루어질 수 있다.
S160 단계는 S150 단계를 통해 생성된 제어 펄스를 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가하는 단계이다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : HVDC 고조파 제거 장치 110 : 신호 수집부
120 : 고조파 측정부 130 : 고조파 크기 산출부
140 : 고조파 상쇄 신호 생성부 150 : 제어 펄스 생성부

Claims (10)

  1. 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 상기 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 HVDC 고조파 제거 장치로서,
    상기 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 신호 수집부;
    상기 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 고조파 측정부;
    상기 고조파를 분석함으로써, 상기 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 고조파 크기 산출부; 및
    상기 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 고조파 상쇄 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 상쇄 신호를 근거로, 상기 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 제어 펄스 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 펄스 생성부는 NLC(Nearest Level Control) 스위칭 기법을 통해 상기 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, 상기 IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 상쇄 신호 생성부는 상기 전압형 HVDC 제어 신호에서 개별 고조파의 크기를 감산함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 크기 산출부는 상기 고조파를 주파수 변환함으로써, 적어도 하나의 개별 특성고조파의 크기를 산출하고, 상기 적어도 하나의 개별 특성고조파들을 합산함으로써 개별 고조파의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 장치.
  6. 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템이 병렬 연결되는 계통에 적용되어, 상기 전류형 HVDC 시스템에서 발생하는 특성 고조파를 제거하는 HVDC 고조파 제거 방법으로서,
    신호 수집부에 의해, 상기 전압형 HVDC 시스템의 전압형 HVDC 제어기에서 출력되는 전압형 HVDC 제어 신호를 수집하는 단계;
    고조파 측정부에 의해, 상기 전압형 HVDC 시스템이 연결된 모선에서 고조파를 측정하는 단계;
    고조파 크기 산출부에 의해, 상기 고조파를 분석함으로써, 상기 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계; 및
    고조파 상쇄 신호 생성부에 의해, 상기 전압형 HVDC 제어 신호와 개별 고조파의 크기를 비교함으로써 고조파 상쇄 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    제어 펄스 생성부에 의해, 상기 고조파 상쇄 신호를 근거로, 상기 전압형 HVDC 시스템의 컨버터에 인가되는 제어 펄스를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 펄스를 생성하는 단계는 NLC 스위칭 기법을 통해 상기 전압형 HVDC 시스템의 컨버터의 제어를 위한 IGBT 밸브의 턴온 레벨수를 산정하고, 상기 IGBT 밸브의 턴온 레벨수에 대응하는 제어 펄스를 생성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 고조파 상쇄 신호를 생성하는 단계는 상기 전압형 HVDC 제어 신호에서 개별 고조파의 크기를 감산함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 고조파에 대한 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계는,
    상기 고조파를 주파수 변환함으로써, 적어도 하나의 개별 특성고조파의 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 개별 특성고조파들을 합산함으로써 개별 고조파의 크기를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 고조파 제거 방법.
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