KR20200007164A - 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 mmc hvdc 시스템 - Google Patents

고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 mmc hvdc 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템에 관한 것으로, MMC(Modular Multi-Level Converter) HVDC(High Voltage Direct Current)용 변압기의 2차측 델타(△) 결선 부분에 연결되어 중성점을 형성하는 지그재그 변압기; 및 상기 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 상기 지그재그 변압기의 중성선에 연결되는 영상 임피던스 증가부;를 포함한다.

Description

고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템{MMC HVDC SYSTEM USING ZIG-ZAG TRANSFORMER WITH HARMONIC INJECTION FUNCTION}
본 발명은 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기 2차 측의 델타(△)결선 부분에 지그재그 변압기(Zig-Zag Transformer)를 연결해서 중성점을 형성하게 하고, 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 저항을 삽입하여 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 하면서 DC 바이어스(Bias)를 억제할 수 있도록 하는, 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 전압형 HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류송전) 시스템은, 유효전력과 무효전력의 동시 제어가 가능하고, 많은 면적을 필요로 하는 필터가 필요 없다는 장점 때문에 신재생 및 국가 간 전력연계에 많이 사용되는 시스템이다.
예컨대 상기 전압형 HVDC 시스템은, IGBT를 직렬로 연결하여 전압과 용량을 극대화하는 MMC(Modular Multi-Level Converter) 방식이 실용화되어 많이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도로서, 복수의 IGBT를 직렬 연결하여 구성한 서브모듈(101), DC 전압의 영(zero) 전위 기준을 확보하기 위한 스타 포인트 리액터(102), 암(arm) 리액터(103), 복수의 상기 서브모듈(SM)이 직렬 연결된 멀티밸브(multi-valve) 암(arm)(104), 컨버터 변압기(105), 및 돌입전류를 제한하기 위한 삽입저항(106)을 포함한다.
상기 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템은, 변압기의 2차 측을 델타(△)결선 사용하여, AC측과 DC측을 분리하는 방식을 적용한다. 그런데 이 경우에는 DC측의 전압이 불평형을 유발하고, DC측에서 지락고장이 발생하는 경우에는 건전측 DC단에 과전압을 유발하는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서 변압기의 2차 측, 및 컨버터의 AC측을 접지함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있다.
예컨대 상기와 같은 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해서, 해외의 특정 업체(예 : 지멘스, GE 등)에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스타 포인트 리액터를 사용하고, 다른 특정 업체(예 : ABB 등)에서는 필터를 사용하며, 또 다른 국내의 특정 업체(예 : 효성, LS산전 등)에서는 지그재그 변압기(Zig-Zag Transformer)를 사용하고 있다.
참고로 상기 MMC(Modular Multi-Level Converter) 방식은 IGBT를 직렬로 연결하고, IGBT를 개별적으로 제어하여 전압을 단계적으로 증가시켜 원하는 파형을 만드는 방식이며, 상기 스타 포인트 리액터(102)는 선로에 기준전위를 잡기 위해서 설치하는 Y결선 형태의 리액터를 의미하고, 상기 지그재그 변압기는 계통에 중성점을 잡을 수 없을 때 중성점을 형성하고, 또한 고조파를 제거하기 위해서 사용하는 변압기이다.
하지만 상기 국내의 특정 업체가 사용하고 있는 지그재그 변압기는 MMC HVDC의 안정도가 떨어지고 AC측으로 출력할 수 있는 최대 전력 및 전압을 극대화시킬 수 있는 3차 고조파를 주입할 수 없는 문제점(과도한 전류 리플이 발생하는 문제점)이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2013-0100285호(2013.09.10. 공개, 영상 덤프 저항에 연결된 중성점을 갖는 HVDC 컨버터)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 변압기 2차 측의 델타(△)결선 부분에 지그재그 변압기(Zig-Zag Transformer)를 연결해서 중성점을 형성하게 하고, 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 저항을 삽입하여 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 하면서 DC 바이어스(Bias)를 억제할 수 있도록 하는, 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템은, MMC(Modular Multi-Level Converter) HVDC(High Voltage Direct Current)용 변압기의 2차측 델타(△) 결선 부분에 연결되어 중성점을 형성하는 지그재그 변압기; 및 상기 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 상기 지그재그 변압기의 중성선에 연결되는 영상 임피던스 증가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 영상 임피던스 증가부는, 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 증가시키면서, 동시에 3차 고조파 주입 효율도 향상시키기 위한 리액터(L); 및 상기 리액터(L)에 직렬 연결되어 직류 바이어스(DC Bias)를 억제하기 위한 저항(R)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 영상 임피던스 증가부는, 상기 리액터(L)의 일 측이 지그재그 변압기의 중성선에 연결되고, 상기 리액터(L)의 타 측은 상기 저항(R)의 일 측에 연결되며, 상기 저항(R)의 타 측이 접지되게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 변압기 2차 측의 델타(△)결선 부분에 지그재그 변압기(Zig-Zag Transformer)를 연결해서 중성점을 형성하게 하고, 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 저항을 삽입하여 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 하면서 DC 바이어스(Bias)를 억제할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 스타 포인트 리액터의 기능을 설명하기 위하여 개략적으로 보인 예시도.
도 3은 종래의 필터를 이용한 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 종래의 지그재그 리액터를 이용한 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 5는 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템의 AC측 접지방식을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 6은 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템에 3차 고조파의 주입에 따른 DC 전압, 변압기 1차측 및 2차측 전압을 비교하기 위하여 보인 예시도.
도 7은 상기 도 4에 있어서, 지그재그 변압기의 중성선에 영상 임피던스를 증가시킨 방식을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 저항을 삽입하여 구성한 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 스타 포인트 리액터의 기능을 설명하기 위하여 개략적으로 보인 예시도로서, 일반적으로 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템에서 접지를 수행하는 이유는, DC 바이어스를 최소화하고, DC 불평형(Unbalance)을 제어하며, 기준 전압을 확립하기 위한 목적이다.
이에 따라 도 2에 도시된 바와 같은 스타 포인트 리액터(B)는, 컨버터의 DC단에는 영전위(A)가 도시되어 있지만, 실제로 대지에 접지되어 있지 않은"가상의 영전위(Imaginary Earth)"이다. 따라서 만약 도 2에 도시된 바와 같은 스타 포인트 리액터(B)가 없을 경우에는 영전위가 흔들리는 경향이 있다.
이에 따라 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템에서 스타 포인트 리액터(B)의 존재는 필수적이라고 할 수 있다.
도 3은 종래의 필터를 이용한 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 변압기(Transformer)의 DC측에, 기존의 스타 포인트 리액터 대신에, 필터(111, 112)를 연결하여 기준전위확립이라는 관점에서 상용화된 방식이다.
도 4는 종래의 지그재그 리액터를 이용한 전압형 HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도로서, 변압기(Transformer)의 DC 단에, 기존의 스타 포인트 리액터 대신에, 지그재그 변압기(또는 지그재그 리액터(Zig Zag Reactor))를 연결하여 구성한 방식이다.
도 5는 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템의 AC측 접지방식을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 스타 포인트 리액터는 Y-결선된 유도성 코일(121)과 NRR(Non-Reactive Resistor(122)로 구성되며, AC측에 연결된다. 여기서 인덕터(121)는 AC성분에 대하여 높은 임피던스를 제공하며, DC 전류에 대해서는 낮은 임피던스를 제공한다. 아울러 구성이 간단하고 비용이 적은 장점이 있으나, 절연문제로 220kV 이상의 고전압에는 적용이 어려우며, 무효전력 소모가 큰 단점이 있다.
도 5의 (b) 도시된 바와 같이, Zig-Zag변압기(또는 지그재그 리액터)는 3상(A상, B상, C상)을 각각 B상, C상, A상 순으로 지그재그로 연결한 변압기를 이용하여 3상측에 대하여 높은 임피던스를 제공하고, 접지측에 대해서는 낮은 임피던스를 제공한다. 아울러 필요 설치공간이 작으며, 무효전력 소모가 작지만 설비 무게가 크며, 비용이 큰 단점이 있다.
일반적으로 상기 전압형 HVDC 컨버터가 AC측으로 출력할 수 있는 최대 전력 및 전압은, 사용되는 스위칭 소자(예 : IGBT) 및 기타 수동소자들의 정격용량 및 DC 링크(link) 전압에 의해 제한된다.
따라서 상기와 같이 주어진 소자의 용량 및 DC link 전압의 제한 내에서 효율을 극대화하기 위해서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 3차 고조파(3rd Harmonic)를 기본파(AC Line to ground voltage)에 합성하는 방식이 연구되었다.
도 6은 종래의 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템에 3차 고조파의 주입에 따른 DC 전압, 변압기 1차측 및 2차측 전압을 비교하기 위하여 보인 예시도로서, 이 방식(3차 고조파를 기본파에 합성하는 방식)은 DC 전압을 최대 15%이상 증가시킬 수 있으며, 효율을 0.1(%)~0.2(%) 줄일 수 있는 장점이 있다.
그런데 MMC 방식의 전압형 HVDC 시스템의 접지방식인 스타 포인트 리액터와 지그재그 변압기 접지방식 중에서 상기 지그재그 변압기 접지방식은 3차 고조파를 주입할 경우에 문제점이 발생된다. 즉, 상기 스타 포인트 리액터 방식에서는 3차 고조파의 주입 시 아무 문제가 없으나, 지그재그 변압기 접지방식의 경우에는 시스템의 불안정과 과도한 전류 리플이 발생하는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이 MMC 방식 전압형 HVDC 시스템의 접지방식으로는 스타 포인트 리액터와 지그재그 변압기 접지방식이 사용되는데, 이러한 접지방식에서 요구되는 조건은, (1)기준 전위 확립이 가능하고, (2)DC 불평형 제어가 가능하며, (3)DC 바이어스가 최소화되어야 하고, (4)3차 고조파 주입이 가능해야 하는 것이다.
이러한 4가지 조건 중 스타 포인트 리액터 접지방식은 상기 모든 조건을 만족하나, 지금까지 공개된 지그재그 변압기 접지방식은 마지막 3차 고조파 주입이 가능해야 되는 조건을 만족하지 못하는 문제점이 있다.
상기와 같이 지그재그 변압기 접지방식에서 3차 고조파 주입이 불가능한 이유는, 지그재그 변압기의 중성선 영상 임피던스가 작기 때문이다. 따라서 지그재그 변압기의 중성선 임피던스의 크기를 증가시킴으로써 3차 고조파 주입이 가능하게 된다. 이에 따라 지그재그 변압기의 영상 임피던스(zero sequence impedance)를 증가시키는 방식은, 본 발명의 도 8에 도시된 바와 같이, 지그재그 변압기의 중성선에 리액터(L)와 저항(R)을 직렬로 연결하고 각 리액터(L)와 저항(R) 값을 키워야 한다.
도 7은 상기 도 4에 있어서, 지그재그 변압기의 중성선에 영상 임피던스를 증가시킨 방식을 설명하기 위하여 보인 예시도로서, (a)는 기존에 지그재그 변압기에 중성점 접지 저항(NGR : Neutral Grounding Resistor)을 연결하여 영상 임피던스를 증가시킨 방식이고, (b)는 단상 변압기 3개를 이용한 지그재그 변압기의 중성점에 접지 저항(NGR)을 연결하여 영상 임피던스를 증가시킨 방식이다.
그러나 이미 상술한 바와 같이, 도 7에 도시된 바와 같이 지그재그 변압기에 중성점 접지 저항(NGR)을 연결하여 영상 임피던스를 증가시켰으나, 저항 자체의 특성상 3차 고조파 주입이 가능하지 않을 수도 있다. 즉, 지그재그 변압기에 단지 중성점 접지 저항(NGR)을 연결하는 것만으로는 3차 고조파 주입 효율이 높지 않을 수 있다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이 지그재그 변압기에 중성점 접지 저항(NGR)을 연결함으로써 얻을 수 있는 영상 임피던스를 증가시키는 효과에 더하여, 3차 고조파 주입 효율이 더 향상시키기 위한 방식이 필요하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 저항을 삽입하여 구성한 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서, 변압기 2차측의 델타(△) 결선 부분에 연결되는 지그재그 변압기(200)의 중성선에 리액터(L)와 저항(R)을 직렬 연결한 형태의 영상 임피던스 증가부(210)가 연결된다.
여기서 상기 영상 임피던스 증가부(210)에 상기 리액터(L)가 삽입된 목적은 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 증가시키면서, 동시에 3차 고조파 주입 효율도 향상시키기 위한 것이며, 이 리액터(L)에 직렬 연결된 저항(R)은 직류 바이어스(DC Bias)를 억제하기 위한 목적이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 영상 임피던스 증가부(210)에서 상기 리액터(L)의 일 측은 지그재그 변압기의 중성선에 연결되고 타 측은 상기 저항(R)의 일 측에 연결되며, 상기 저항(R)의 타 측은 접지된다.
상기와 같이 본 실시예는 변압기 2차 측의 델타(△)결선 부분에 지그재그 변압기(Zig-Zag Transformer)를 연결해서 중성점을 형성하게 하고, 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 지그재그 변압기의 중성선에 리액터와 이에 직렬 연결된 저항을 삽입하여 3차 고조파 영상 임피던스를 크게 하면서 DC 바이어스(Bias)를 억제할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
200 : 지그재그 변압기
210 : 영상 임피던스 증가부
L : 리액터
R : 저항

Claims (3)

  1. MMC(Modular Multi-Level Converter) HVDC(High Voltage Direct Current)용 변압기의 2차측 델타(△) 결선 부분에 연결되어 중성점을 형성하는 지그재그 변압기; 및
    상기 지그재그 변압기의 영상 임피던스를 증가시키기 위해서 상기 지그재그 변압기의 중성선에 연결되는 영상 임피던스 증가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 영상 임피던스 증가부는,
    3차 고조파 영상 임피던스를 크게 증가시키면서, 동시에 3차 고조파 주입 효율도 향상시키기 위한 리액터(L); 및
    상기 리액터(L)에 직렬 연결되어 직류 바이어스(DC Bias)를 억제하기 위한 저항(R);을 포함하는 것을 특징으로 하는 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 영상 임피던스 증가부는,
    상기 리액터(L)의 일 측이 지그재그 변압기의 중성선에 연결되고,
    상기 리액터(L)의 타 측은 상기 저항(R)의 일 측에 연결되며,
    상기 저항(R)의 타 측이 접지되게 형성된 것을 특징으로 하는 고조파 주입 기능을 가진 지그재그 변압기를 활용한 MMC HVDC 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022270818A1 (ko) * 2021-06-22 2022-12-29 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치

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WO2022270818A1 (ko) * 2021-06-22 2022-12-29 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치
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