KR20180032978A - 하이브리드 능동 필터를 포함하는 전압형 컨버터 - Google Patents

하이브리드 능동 필터를 포함하는 전압형 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전압형 컨버터는 교류전력을 직류전력으로 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전압형 컨버터로서, 제1 직류선로 및 제2 직류선로와 연결되는 적어도 하나의 밸브; 및 상기 밸브와 연결된 하이브리드 능동 필터를 포함하고, 상기 하이브리드 능동 필터는, 상기 밸브와 직렬로 결합된 직렬변압기; 상기 직렬변압기의 양단에 연결된 수동필터부; 순환전류 억제를 위한 보상전압을 상기 직렬변압기에 인가하는 전압형 인버터; 및 상기 전압형 인버터를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

하이브리드 능동 필터를 포함하는 전압형 컨버터{VOLTAGE SOURCE CONVERTER INCLUDING HYBRID ACTIVE FILTER}
본 발명은 하이브리드 능동 필터를 포함하는 전압형 컨버터에 관한 것이다.
HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 구분된다.
전류형 HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 커패시터 뱅크가 인버터 측이나 정류기(rectifier) 측에 존재해야 한다. 특히, 전류형 HVDC 시스템은 고조파 왜곡을 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템은 유효전력과 무효전력을 동시에 제어 가능하고, 전류형 HVDC 시스템에 비해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 작아 질 수 있다는 장점을 갖는다.
전압형 HVDC 시스템은 IGBT 소자를 이용하므로 스위칭 손실이 크다는 단점을 가지나, 최근에는 스위칭 손실이 전류형 HVDC 시스템에 근접하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터(Modular Multi-Level Convertor: MMC) 를 채용하는 전압형 HVDC 시스템이 연구되고 있다.
MMC는 고전압 구현이 용이하며, 스위칭 주파수 증가 없이 정현적인 출력파형을 만들 수 있다. 또한, 예비 모듈을 각 상에 장착하여 고장 발생에 대비할 수 있으므로 신뢰성이 우수하다. 그러나, 각 상마다 독립된 직류 전원을 갖는 회로적 특징으로 전원 주파수의 두 배에 해당하는 교류전력이 필연적으로 각 상에 존재하여 MMC 내에 순환전류가 발생한다.
순환전류는 MMC의 전류 용량 및 커패시터 전압 리플을 증가시켜 전기적 스트레스를 가중시키므로 제거되어야 할 성분이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0058010호
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하이브리드 능동 필터에 의해 순환전류를 억제하고 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 전압형 컨버터가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전압형 컨버터는 교류전력을 직류전력으로 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전압형 컨버터로서, 제1 직류선로 및 제2 직류선로와 연결되는 적어도 하나의 밸브; 및 상기 밸브와 연결된 하이브리드 능동 필터를 포함하고, 상기 하이브리드 능동 필터는, 상기 밸브와 직렬로 결합된 직렬변압기; 상기 직렬변압기의 양단에 연결된 수동필터부; 순환전류 억제를 위한 보상전압을 상기 직렬변압기에 인가하는 전압형 인버터; 및 상기 전압형 인버터를 제어하는 제어기 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전압형 컨버터는 하이브리드 능동 필터에 의해 순환전류를 억제하고 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 전압형 컨버터를 포함하는 HVDC 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 하이브리드 능동 필터를 포함하는 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 하이브리드 능동 필터의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 전압형 컨버터로 시뮬레이션을 수행한 파형도로서, 도 5는 도 3의 서브모듈 1에서 측정한 전류의 파형도이고, 도 6은 서브모듈 1에서 측정한 전압의 파형도이며, 도 7은 전압형 컨버터의 상부암과 하부암에서 측정한 전류의 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 HVDC 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템은 제1 변압기(T1), 제1 컨버터(VSC1), 제2 컨버터(VSC2), 제2 변압기(T2)를 포함한다.
제1 변압기(T1)는 교류 계통과 연계되어 제1 교류전력을 변압하고, 제1 컨버터(VSC1)는 변압된 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 변환된 직류전력은 제2 컨버터(VSC2)로 송전되고, 제2 컨버터(VSC2)는 상기 직류전력을 제2 교류전력으로 변환하고, 제2 변압기(T2)는 상기 제2 컨버터(VSC2)에서 변환된 교류전력을 변압한다.
제1 컨버터(VSC1)는 HVDC 시스템에서 정류기의 역할을 하고, 제2 컨버터(VSC2)는 HVDC 시스템에서 인버터의 역할을 한다. 제1 컨버터(VSC1) 및 제2 컨버터(VSC2)는 전압을 승압 또는 강압하는 전압형 컨버터(Voltage-Source Converter)일 수 있다. 일 예로, 제1 컨버터(VSC1) 및 제2 컨버터(VSC2)는 MMC(Modular Multi-Level Convertor)일 수 있고, 이에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
이러한 전압형 컨버터의 출력 전압 파형에는 고조파 왜곡이 포함될 수 있고, 이러한 고조파 왜곡은 교류전력에 왜곡을 만들고 정상적인 시스템 운전이 방해될 수 있다.
도 2는 HVDC 시스템의 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
MMC는 하나의 상(Phase)에 대응하는 제1 밸브(V1)를 포함한다. 다른 두 개의 상에 대응하는 제2 및 제3 밸브(V2, V3)는 제1 밸브(V1)와 동일한 형태로 이루어질 수 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 밸브(V1)는 제1 직류선로(DC cable1) 및 제2 직류선로(DC cable2) 사이에 연결된 상부 암(Arm-a1) 및 하부 암(Arm-a2)을 포함한다. 상기 상부 암(Arm1) 및 하부 암(Arm2)은 각각 직렬 연결된 N개의 복수의 서브 모듈들(SM1 내지 SMn)을 포함한다. 또한, 상기 서브 모듈들(SM1 내지 SMn)은 각각 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)와 커패시터를 포함할 수 있다.
일 예로, 도 2에는 두 개의 IGBT(S1, S2) 및 커패시터(CS)를 포함하는 하프 브리지형 서브 모듈을 도시하였다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 풀 브리지형 서브 모듈, 클램프 더블형 서브 모듈 등 다양한 실시 예가 본 발명에 포함된다.
상기 하프 브리지 서브 모듈은 두 개의 IGBT(S1, S2), 각 IGBT와 역방향으로 연결된 다이오드(D1, D2), 및 두 개의 IGBT(S1, S2) 양단에 연결된 커패시터(CS)로 구성된다. 또한, 하나의 서브 모듈에 포함된 IGBT가 소손되는 경우 밸브가 소손된 IGBT를 포함하는 서브 모듈을 제외하고 동작할 수 있도록 경로를 바이패스하는 바이패스 스위치(SB)를 포함할 수 있다. 또한, 단락 등의 고장이 발생시 고장전류의 통로 역할을 하는 병렬 싸이리스터(SCR)를 포함할 수 있다.
서브 모듈의 동작을 살피면, 상기 두 개의 IGBT 중 하나의 IGBT가 ON 동작시 다른 하나의 IGBT가 OFF 동작한다. 이러한 ON/OFF 동작과 전류방향에 따라 커패시터의 전압 또는 영 전압이 서브 모듈의 출력 터미널에 형성된다.
이때, 직류선로(DC cable1, DC cable2)와 상기 서브 모듈의 커패시터 전압의 차이에 의하여 각각의 암에 전압 차이가 존재할 수 있고, 상기 전압 차이에서 교류 성분을 가지는 전류는 기본파 주파수의 두 배의 주파수(즉, 2차 고조파 성분)를 가지고 MMC 내부를 순환하는 순환전류이다.
이하, 도 3을 참조하여 이러한 순환전류를 억제하기 위해 하이브리드 능동 필터를 채용한 전압형 컨버터의 일 예로서, 하이브리드 능동 필터를 포함하는 MMC를 설명하기로 한다.
도 3은 하이브리드 능동 필터를 포함하는 MMC의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, MMC는 제1 직류선로(DC cable1) 및 제2 직류선로(DC cable2) 사이에 연결된 적어도 하나의 밸브로서, 제1 밸브(V1)를 포함하고, 상기 제1 밸브(V1)는 하이브리드 능동 필터와 연결된다. . 제2 및 제3 밸브(V2, V3)는 제1 밸브(V1)와 동일한 형태로 이루어질 수 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 하이브리드 능동 필터는 직렬변압기(110), 수동필터부(210), 전압형 인버터(300), 제어기(400)를 포함한다. 또한, 상기 하이브리드 능동 필터는 능동필터부(510)를 더 포함할 수 있다.
상기 직렬변압기(110)는 상기 제1 밸브(V1)와 직렬로 결합되어 보상 전압을 제1 밸브(V1)에 주입할 수 있다. 직렬변압기는 제1 밸브(V1)와 전압형 인버터(300)의 정격을 정합하고, 전압형 인버터(300)를 전원으로부터 분리하는 역할을 갖는다.
직렬변압기(110)의 권수비는 시뮬레이션을 통한 최적화 과정을 통해 설정될 수 있다. 일반적으로 전압형 인버터(300)로부터 출력되는 보상전압(Vah, Vbh, Vch)은 밸브의 전압보다 작으므로, 전압형 인버터(300)측 권선수를 밸브측 권선수를 수 배 이상 크게 설정할 수 있다.
MMC가 3개의 밸브를 포함하는 경우 직렬변압기(110) 결선형태는 3상 변압기 또는 단상 변압기 3개가 될 수 있다. 각각의 밸브에 결합된 단상 변압기 3개는 변압기의 상간 결합에 의한 보상전압의 왜곡을 방지할 수 있다.
수동필터부(210)는 상기 직렬변압기(110)의 양단에 연결된다. 구체적으로, 제1 밸브(V1)의 상부 암(Arm-a1)과 상기 직렬변압기(110)의 사이, 및 1 밸브(V1)의 하부 암(Arm-a2)과 상기 직렬변압기(110)의 사이에 연결된 리액터들(La1, La2) 및 상기 리액터들과 병렬 연결된 커패시터(Ca1)를 포함할 수 있다.
전압형 인버터(300)는 순환전류 억제를 위한 보상전압(Vah, Vbh, Vch)을 상기 직렬변압기에 인가한다. 상기 전압형 인버터(300)는 제어기(400)로부터의 제어신호에 의해 스위칭 제어된다. 도 3에 도시된 바와 같이 세 개의 상에 대응하는 보상전압(Vah, Vbh, Vch)을 출력하고, 각 상에 대응하여 상보적으로 동작하는 스위치(T1 내지 T8)의 스위칭 상태에 따라 8개의 동작모드를 가질 수 있다.
제어기(400)는 인버터의 스위치(T1 내지 T8)에 제어신호를 출력한다. 이를 위해 제어기는 밸브측(즉, 직렬변압기의 1차측)의 전압 및 전류를 입력받을 수 있다. 제어기(400)에 대하여 도 4를 참조하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
능동필터부(510)는 직렬변압기(110) 전압형 인버터(300) 사이에 연결된다. 상기 능동필터부(510)는 전압형 인버터(300)가 출력하는 보상전압의 스위칭 리플성분을 제거하는 역할을 한다. 구체적으로, 능동필터부(510)는 인덕터와 커패시터를 포함하는 LC 저역통과필터가 될 수 있다.
이에 따라, 직렬변압기(110)의 누설 인덕턴스에 고조파 성분의 전압이 유기되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 하이브리드 능동 필터의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 하이브리드 능동 필터는 각각 상위 암과 하위 암을 가지는 세 개의 밸브에 결합되어 있다.
제어기(400)는 보상기(410) 및 비교기(420)를 포함할 수 있다.
상기 보상기(410)는 직렬변압기(110, 120, 130)의 1차측의 전압(Va, Vb, Vc) 및 전류(Ia, Ib, Ic)를 입력 받아 보상기준전압(Vca, Vcb, Vcc)를 출력할 수 있다.
일 예로, 보상기(410)는 상기 1차측의 전압(Va, Vb, Vc)의 기본파 균형 전압을 계산한 후 상기 1차측의 전류(Ia, Ib, Ic)와 연산하여 유효전력 및 무효전력을 획득할 수 있다. 이후, 상기 유효전력 및 무효전력에 기초하여 보상을 위한 전압 성분을 계산하고, 1차측의 전압(Va, Vb, Vc)과 기본파 균형 전압의 차이에 상기 보상을 위한 전압 성분을 합하여 보상기준전압(Vca, Vcb, Vcc)을 출력할 수 있다.
상기 비교기(420) 보상기준전압(Vca, Vcb, Vcc)을 삼각파와 비교하고, 비교결과를 전압형 인버터(300)를 제어하는 제어신호로서 출력할 수 있다.
상기 제어신호는 상기 전압형 인버터(300)의 윗 단의 스위치(T1, T3, T5)가 온 동작하면 경우 이에 대응하는 전압형 인버터(300)의 아랫 단의 스위치(T2, T4, T6)가 오프 동작하도록 할 수 있다.
또한, 상기 전압형 인버터(300)에서 출력되는 보상전압은 각각의 밸브에 대응하는 리플필터부(510, 520, 530)을 통해 대응하는 직렬변압기(110, 120, 130)에 인가될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 전압형 컨버터로 시뮬레이션을 수행한 파형도로서, 도 5는 도 3의 서브모듈 1에서 측정한 전류의 파형도이고, 도 6은 서브모듈 1에서 측정한 전압의 파형도이며, 도 7은 전압형 컨버터의 상부암에서 측정한 전류의 파형도이다.
도 5를 참조하면, 하이브리드 능동 필터가 동작을 시작하는 시점(ta) 이후에 서브모듈 1(SM1, 도 3)에서 측정한 전류가 2차 고조파가 제거된 파형을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 하이브리드 능동 필터가 동작을 시작하는 시점(tb) 이후에 서브모듈 1(SM1, 도 3)에서 측정한 전압이 2차 고조파가 제거된 파형을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 하이브리드 능동 필터가 동작을 시작하는 시점(tc) 이후에 전압형 컨버터의 3개의 밸브 각각의 상부암에 흐르는 전류가 2차 고조파가 제거된 파형을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
T1: 제1 변압기
VSC1: 제1 컨버터
VSC2: 제2 컨버터
T2: 제2 변압기
MMC: 모듈형 멀티 레벨 컨버터
V1, V2, V3: 제1 내지 제3 밸브
110, 120, 130: 직렬변압기
210, 220, 230: 수동필터부
300: 전압형 인버터
400: 제어기
510, 520, 530: 리플필터부

Claims (7)

  1. 교류전력을 직류전력으로 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전압형 컨버터로서,
    제1 직류선로 및 제2 직류선로와 연결되는 적어도 하나의 밸브; 및
    상기 밸브와 연결된 하이브리드 능동 필터를 포함하고,
    상기 하이브리드 능동 필터는,
    상기 밸브와 직렬로 결합된 직렬변압기;
    상기 직렬변압기의 양단에 연결된 수동필터부;
    순환전류 억제를 위한 보상전압을 상기 직렬변압기에 인가하는 전압형 인버터; 및
    상기 전압형 인버터를 제어하는 제어기
    를 포함하는 전압형 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압형 컨버터는 서로 직렬 연결된 복수의 서브 모듈을 포함하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터(Modular Multi-Level Convertor; MMC)인 전압형 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 서브 모듈은 각각 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)와 커패시터를 포함하는 전압형 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 능동 필터는,
    상기 직렬 변압기와 상기 전압형 인버터 사이에 연결되는 리플필터부를 더 포함하는 전압형 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 리플필터부는
    상기 보상전압의 스위칭 리플성분을 제거하는 LC 저역통과필터인 전압형 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸브는 상부 암(arm) 및 하부 암을 포함하고,
    상기 직렬변압기는 상기 상부 암 및 상기 하부 암 사이에서 결합된 전압형 컨버터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 직렬변압기의 1차측 전압 및 전류를 입력받아 보상기준전압을 출력하는 보상기; 및
    상기 보상기준전압을 삼각파와 비교하고 비교결과를 상기 전압형 인버터를 제어하는 제어신호로서 출력하는 비교기
    를 포함하는 전압형 컨버터.
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