KR20200002449A - 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, 상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터를 개시한다.

Description

전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터 {Converter having protection device for protecting power semiconductor}

본 발명은, 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관한 것이다.

HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류 송전) 시스템은 교류 전력을 직류로 변환하여 전력을 효율적이고, 안전하게 송전하는 전력 시스템이다. 오래전부터 송전방식에 있어 직류방식과 교류방식에 대한 많은 논의가 있어 왔지만 최근까지 적합한 전압 크기로의 변환이 손쉽고, 사고 시 사고전류 차단을 통한 전력 시스템의 보호가 비교적 용이하기 때문에 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 지닌 교류방식이 주로 사용되고 있다.

하지만, 최근 교류송전(HVAC) 방식의 기술적 제약인 충전용량으로 인한 지중화 한계거리(20~30㎞)가 존재하고, 전자파 방출로 인한 인체 유해성 및 높은 피크전압으로 인한 대규모 송전탑 문제 등이 부각되면서 직류송전(HVDC) 방식에 대한 관심이 많아지고 있다.

HVDC 방식은 기존 HVAC 방식에 비해 장거리 대전력 송전, 손실 감소, 전력 흐름제어가능, 고장파급 방지로 계통신뢰도 향상 등의 장점을 보유하고 있다. 특히, 송전거리에 제한 없이 장거리 지중화가 가능(초고압 대용량(765kV) 송전망 지중화 가능)하며, 가공과 지중이 혼재된 융통성 있는 송전선로 건설이 가능하다.

한편 직류송전은 교류손실의 감소로 인해 송전효율이 향상되며, 계통분할이 가능하여 사고 파급의 예방과 단락전류 억제 등의 효과로 계통신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 전압과 전류가 일정하므로 이론적으로 전자기장의 영향성 문제가 없으므로 송전선로 건설 시에 발생하는 지역주민과의 갈등을 풀 수 있는 대안이 될 수 있고, 대도심의 용량증설 용도로 활용할 수 있다. 직류는 주파수가 없으므로 이종 주파수 전력망의 연계 문제를 해결할 수 있어 국가 간의 전력계통을 연계하는 Supper-Grid의 수단으로 HVDC 시스템의 수요가 증가할 것으로 예측하고 있다.

또한 시설 및 비용 측면에서 고압직류(HVDC) 송전방식은 고압교류 송전방식 보다 초기투자비는 크지만, 40km 이상의 해저 지중케이블이 소요되는 경우와 400km 이상의 장거리 송전의 경우에서는 경제적이라는 연구결과가 존재하고 있다. OHL(Over-Head Line) 관점에서 직류 송전방식이 교류 송전방식보다 공간이 적게 소요되며, 비용이 저렴하다는 특징이 있다.

한편 HVDC 시스템은 크게 전력반도체소자에 따라 전류형(Line Commutated Converter, LCC) HVDC와 전압형(Voltage Source Converter, VSC) HVDC로 나눌 수 있다. 1세대 전력변환 소자로 ‘70년부터 개발·상용화된 싸이리스터(Thyristor) 전력반도체소자를 이용하는 전류형 HVDC의 구성은 컨버터, 평활 리액터, 고조파 필터, 전극, DC선로, AC회로 차단기, 무효전력 공급원으로 구성되며, 컨버터에서 발생하는 고조파 및 흡수되는 무효전력의 공급을 위하여 고조파 필터와 병렬 커패시터 또는 무효전력보상 설비로 구성된다. 또한, 접지를 위한 전극과 AC측 사고 시 건전구간과 사고구간을 구분하기 위한 AC회로차단기로 구성되어 있다

반면 2세대 반도체인 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 전압형 HVDC시스템은 컨버터 스테이션, 변압기, AC 필터, 위상 리액터, 커패시터, DC 차단기, DC 케이블로 구성된다. 2기의 컨버터 스테이션은 IGBT 기반의 전압형 컨버터로 구성되는데, 1기의 컨버터 스테이션은 정류기로 동작하며, 다른 1기는 인버터로 동작한다. 2기의 컨버터 스테이션은 DC 케이블로 연결되어 있으며 서로 독립적으로 제어할 수 있다.

최근에는 HVDC의 지속적인 수요증가로 HVDC Grid 구성에 대한 논의가 활발히 진행되고 있으며, 설치면적, 전압제어 등의 장점 때문에 전압형 HVDC의 수요가 증가되고 있다.

한편 전압형 HVDC시스템에 사용되는 컨버터는, AC전압이 인가되는 입력단 및 DC전압이 출력되는 출력단을 구비한다.

그런데 DC 출력단에 DC단락이 발생하는 경우 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손될 수 있는바 컨버터는 이를 방지하기 위하여 AC 입력단에 회로 차단기를 구비한다.

그러나 DC 단락의 감지 및 단락감지에 따른 회로 차단기의 작동될 때까지 일정 시간이 소요되며 회로 차단기의 작동 전에 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손될 수 있는 문제점은 여전히 존재한다.

이에 회로 차단기의 작동 전에 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손되는 문제점을 해결하기 위하여 특허문헌 1과 같은 방안이 제시되고 있다.

특허문헌 1에 제시된 DC 단락 보호 방법은, 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전압형 컨버터에 있어서 p, n으로 표현된 DC 출력단의 +와 -사이에 DC 단락이 발생한 경우, AC 전원시스템(7)과 전력용 반도체소자(12) 간에 도면부호 10과 같이 폐회로가 형성되어 단락 전류가 증가하게 된다.

도 1에서 도면부호 6a, 6b, 6c는, 변압기(미도시) 등의 누설 임피던스, AC 전원시스템(7)의 누설 임피던스를 가리킨다. 또한 도 1에서 도면부호 2a, 2b, 2c는, 각 상에 대응되는 페이즈 모듈(phase module)들을 가리킨다. 또한 도 1에서 도면부호 3은, 변압기 및 각 페이즈 모듈들(2a, 2b, 2c)의 접점을 가리킨다.

단락 전류가 미리 설정된 전력용 반도체 스위치의 정격을 초과하게 되면 제어가능한 전력용 반도체소자(12)를 모두 오프시키게 된다. 그러나 제어가능한 전력용 반도체소자(12)와 역병렬로 연결된 다이오드(13)를 통해 단락회로가 계속 발생되어 단락전류가 계속 증가된다.

이러한 현상은 차단기(8)가 차단 동작을 할 때까지 계속된다. 일반적으로 AC 차단기(8)의 동작속도가 수십 ~ 수백 msec로 느리고 단락전류는 회로 정수에 의해 차단기(8) 동작속도보다 빠르게 증가되므로 역병렬로 연결된 다이오드(13)가 소손되게 된다. 일반적으로 제어가능한 전력용 반도체소자(12)와 역병렬로 연결된 다이오드(13)는 하나의 패키지로 제작되어지기 때문에 전력용 반도체 소자(12,13)가 모두 소손되게 된다.

차단기(8)가 동작할 때까지 역병렬로 연결된 다이오드(13)를 보호하기 위해 프리휠링 다이오드(20) 또는 싸이리스터(22)를 서브모듈(15)의 아랫단 스위치에 병렬로 연결하여 대전류가 DC 단락시 다이오드(20) 또는 싸이리스터(22)에 흐르도록 하여 전력용 반도체소자(12, 13)를 보호한다.

한편 도 3은, 각 페이즈 모듈(2a, 2b, 2c)의 일예를 보다 자세히 표현한 도면으로서, 리액터(14)를 순환전류 제어용 뿐만 아니라 단락전류 제한용으로 사용할 수 있다.

그리고 DC 출력단에 설치된 리액터(9)는 단락전류 제한용으로 사용할 수 있으며, 변압기 누설 리액턴스 성분(6a, 6b 6c)도 단락전류 제한용으로 사용할 수 있다.

그러나 특허문헌 1에 도시된 DC 단락 보호 방법은, 다음과 같은 단점을 가진다.

먼저 도 2 및 도3에 도시된 바와 같이, 하프 브릿지 서브모듈(Half bridge) 구조에서만 적용할 수 있으며 다른 전압형 컨버터에는 적용할 수 없는 단점을 가진다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 싸이리스터(22)를 사용할 경우 게이트 구동 회로가 필요하며 싸이리스터(22)의 개수 만큼의 구동 회로가 필요한 단점을 가진다.

또한 단락시의 단락전류를 제한하기 위해 큰 리액터를 사용하므로, 정상운전시에 단락용 리액터 성분에 의한 손실이 발생하는 단점을 가진다.

본 발명의 목적을 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전력손실 없이 전력용 반도체소자를 DC 단락으로부터 보호할 수 있는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터를 제공하는데 있다.

본 발명은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, 상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터를 개시한다.

본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함함으로써 전력손실 없이 전력용 반도체소자를 DC 단락으로부터 보호할 수 있는 이점이 있다.

특히 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, 정상작동시에도 전류가 흘러 전력손실이 발생되는 특허문헌 1에 제시된 보호방법에 비하여 DC 단락시에만 전류가 흐르도록 구성함으로써 전력손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

구체적으로 특허문헌 1의 종래기술에서 서브모듈 안에 있는 보호회로를 도 1 내지 도 3과 같이 상 또는 밸브에 위치되며, 단락전류를 제한하는 리액터에 정상상태에서도 전류가 흐르는 반면 본 발명의 경우 단락시에만 전류가 흐르게 된다.

따라서 특허문헌 1의 종래기술은 단락전류를 제한하는 리액터에 정상상태에서도 전류가 흐르는 반면 본 발명은 단락시에만 전류가 흐르므로 무효전력 손실을 줄일 수 있다.

또한 특허문헌 1의 종래기술은 서브모듈마다 게이트 구동회로가 필요하나 본 발명은 용량이 큰 싸이리스터를 사용하여 구동회로를 줄일 수 있다.

한편 본 발명에 따라 적용되는 실제 싸이리스터에 걸리는 AC 전압 크기에 맞춰 전압 정격을 선정할 수 있다.

도 1은, 종래기술의 일예를 보여주는 개념도이다.
도 2는, 도 1의 회로도에서 페이즈 모듈의 일예를 보여주는 회로도이다.
도 3은, 도 1의 회로도에서 페이즈 모듈의 일예로서, 다수의 서브모듈들이 직렬로 설치된 소위 MMC 모듈을 보여주는 개념도이다.
도 4는, 다이오드가 프리휠링 다이오드와 병렬로 연결된 도 3에 도시된 페이즈 모듈을 구성하는 서브모듈을 보여주는 등가 회로도이다.
도 5는, 싸이리스터가 프리휠링 다이오드와 병렬로 연결된 도 3에 도시된 페이즈 모듈을 구성하는 서브모듈을 보여주는 등가 회로도이다.
도 6a 내지 도 6g는, 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터의 실시예들을 보여주는 개념도들이다.
도 7a 내지 도 7d는, 도 6a 내지 도 6g에 표시된 기호의 정의를 도시한 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는, 도 7a에 도시된 서브모듈(SM1~SM N)의 예들을 보여주는 개념도이다.
도 9는, 도 8a 및 도 8b에 도시된 기호의 정의를 도시한 개념도이다.
도 10은, 도 6a에 도시된 회로도에서 전류의 흐름을 보여주는 개념도이다.

이하 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, 도 6a 내지 도 10에 도시된 바와 같이, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, IGBT, IGCT, GTO 등이 사용될 수 있는 전압형 컨버터에 적용될 수 있다.

상기 보호회로부(300)는, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류(도 10에서 붉은 색 선)가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회(도 10에서 푸른 색 선)시키는 구성으로서 컨버터의 회로구성에 따라서 도 6a 내지 도 6f와 같이 다양한 실시예가 가능하다.

예로서, 상기 보호회로부(300)는, 제어부의 제어 및 미리 설정된 임피던스값을 가지는 하나 이상의 싸이리스터가 사용될 수 있다.

특히 상기 보호회로부(300)는, 복수의 싸이리스터들이 직렬로 복수로 설치됨이 바람직하며, 회로구성에 따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 순방향 및 역방향이 병렬로 연결된 한 쌍의 싸이리스터 군들이 하나 이상으로 구성될 수 있다.

한편 본 발명은, 전압형 컨버터의 DC 양단에 단락이 발생하였을 경우 차단기(131, 132, 133) 동작 전에 증가되는 단락전류로 인해 컨버터를 구성하고 있는 전력용 반도체소자가 소손되는 것을 방지하지 위해 각 상에 도 6a 내지 도 6g와 같이 싸이리스터로 구성되는 보호회로를 사용한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 단락발생시 적색의 폐회로 발생되며 단락전류를 감지하여 싸이리스터를 온 시키면 청색의 폐회로가 발생하게 된다. 두 회로에 대한 임피던스를 고려하여 적색회로는 정격전류 이내로 제한하고 그 이외의 전류는 청색의 폐회로를 통해 흐르게 하여 전압형 컨버터를 보호하게 된다.

한편 본 발명에 따라 제안된 보호회로는 MMC 구조뿐 아니라 다른 전압형 컨버터에도 사용할 수 있다.

이하 컨버터의 회로구성 및 그에 따른 보호회로부(300)의 조합에 따른 다양한 실시예를 예시한다.

도 6a는, 본 발명의 제1실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.

도 6b는, 본 발명의 제2실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.

도 6c는, 본 발명의 제3실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.

도 6d는, 본 발명의 제4실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.

도 6e는, 본 발명의 제5실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.

도 6f는, 본 발명의 제6실시예에 따른 회로도로서 2 레벨 전압형 컨버터에 적용된 예로서 한 쌍의 전력용 반도체소자 사이에 보호회로부가 결선된 예를 도시한 것이다.

도 6g는, 본 발명의 제7실시예에 따른 회로도로서 다이오드 클램프드 MMC 중 3레벨의 경우에 적용된 예를 도시한 것이다.

한편 도 7a는, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 기호 중 710으로 지시된 부분의 예들을 도시한 회로도이다.

도 7b는, 도 6a 내지 도 6g에 도시된 기호 중 검게 표시된 직사각형의 회로도이다. 참고로 도 7b는 코일로서 선로 등을 등가회로로 표시한 것이다.

도 7c 및 도 7d는, 6a 내지 도 6g에서 본 발명에 따른 보호회로부(300)의 예들을 도시한 것으로서, 타 회로와의 결선위치 및 타 회로의 구조에 따라 다양한 실시예가 가능하다. 한편 도 6b 및 도 6d에서 보호회로부(300) 중 타 회로와 결선되지 않은 부분은 접지를 의미한다.

도 9는, 도 8a 및 도 8b에 도시된 기호의 정의를 도시한 개념도로서, 선로의 등가회로로서 코일 및 저항으로 등가회로화 한 것이다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (1)

1. AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서,
   상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.

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