KR20200042500A

KR20200042500A - 전압원 컨버터

Info

Publication number: KR20200042500A
Application number: KR1020207007509A
Authority: KR
Inventors: 로버트 엘리엇; 라야 리차드 하베브; 매튜 스핑크; 스티븐 데이비드 버틀러
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-04-23
Also published as: CN110999066A; CN110999066B; WO2019043011A1; EP3451523A1; KR102661695B1

Abstract

본 출원은 높은 전압 애플리케이션에서 사용하기 위한 전압원 컨버터(voltage source converter; VSC) 및 특히, VSC의 구조 및 조립체에 관한 것이다. VSC(300)를 위한 밸브 조립체(301)는 복수의 층으로 배열된 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈(201)을 가지며, 각각의 층은 상이한 높이에 배열된다. 층의 상위 세트는 제1 AC 단자(101) 및 제1 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제1 VSC 밸브(302)를 형성하도록 구성되고, 층의 하위 세트는 제2 AC 단자(101) 및 제2 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제2 VSC 밸브(303)를 형성하도록 구성된다. 층은 제1 VSC 밸브가 제2 VSC 밸브 위에 가로놓이도록 배열된다. 이는 단일 종래의 밸브의 차지하는 공간에, VSC를 위한 2개의 밸브를 제공하는 이중 밸브 조립체를 제공한다.

Description

전압원 컨버터

본 출원은 높은 전압 애플리케이션에서 사용하기 위한 전압원 컨버터 및 특히, 전압원 컨버터의 구조 및 조립체에 관한 것이다.

고압직류송전(High-voltage direct current; HVDC) 전력 전송은 전력 전송에 직류를 사용한다. 이는 더 흔한 교류 전력 전송에 대한 대안이다. HVDC 전력을 사용하는 것에는 다수의 이득이 있다.

HVDC 전력 전송을 사용하기 위해서, 통상적으로 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 변환해야 하고, 다시 반대로 변환해야 한다. 전력 전자 분야에서 최근의 발전은 AC-DC 및 DC-AC 변환을 위한 전압원 컨버터(voltage-source converter; VSC)의 사용 증가로 이어졌다. VSC는 제어 가능하게 켜지고 꺼질 수 있는 스위칭 구성요소, 통상적으로 각각의 역-병렬 다이오드(anti-parallel diode)와 연결된 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistors; IGBTs)를 이용할 수 있다.

통상적으로 VSC는 AC 네트워크의 전기적 위상 각각에 대한 위상 림(phase limb)을 포함할 것이다. 각각의 위상 림은 각각의 하이-사이드 및 로우-사이드 DC 단자에서, 예를 들어, 하이-사이드 및 로우-사이드 DC 모선(busbar) 사이에서 DC 네트워크에 접속될 수도 있고, 또한 적어도 하나의 AC 노드를 통해 AC 네트워크에 연결될 것이다. 위상 림은 복수의 컨버터 암(converter arm)을 포함할 것이며, 각각의 컨버터 암은 AC 노드 및 규정된 공칭(nominal) DC 전압 사이에서 연장된다. 대칭적인 단극(monopole) 배열에서 위상 림은 2개의 컨버터 암을 가질 수도 있으며, 하이-사이드 컨버터 암은 AC 노드 및 하이-사이드 DC 단자 사이에서 연장되고 로우-사이드 컨버터 암은 AC 노드 및 로우-사이드 DC 단자 사이에서 연장된다. 다른 배열, 예를 들어 쌍극(bipole) 방식에서, 더 많은 컨버터 암이 있을 수도 있고, 예를 들어, 직렬 연결의 중간 지점에서 AC 노드를 가지는 포지티브 극을 형성하도록 하이-사이드 DC 단자 및 접지 단자 사이에 2개의 컨버터 암이 직렬로 있을 수도 있다. 마찬가지로, 네거티브 극은 접지 단자 및 로우-사이드 DC 단자 사이에 연결된 유사한 배열에 의해 형성된다. 각각의 경우에서, 각각의 컨버터 암은 밸브(valve)로서 지칭되는 스위칭 장치를 포함한다.

VSC의 다양한 디자인이 알려져 있다. 예를 들어, 모듈러 멀티레벨 컨버터(modular multilevel converter; MMC) 또는 대체 암 컨버터(alternate arm converter; AAC)와 같은 VSC의 일부 유형에서, 밸브는, 적어도 부분적으로, 복수의 셀의 직렬 연결로부터 형성될 수도 있고, 각각의 셀은 선택적으로 셀의 단자 사이에서 직렬로 연결되거나 바이패스될 수 있는 커패시터와 같은 에너지 저장 구성요소를 갖는다. 이러한 셀의 직렬 연결은 때때로 체인-링크 회로 또는 체인-링크 컨버터 또는 단순히 체인-링크로서 지칭되고, 셀은 종종 모듈을 형성하는 복수의 셀을 갖는 서브-모듈로서 지칭된다. 이러한 체인 링크 회로는 전압 파형-형성에 사용될 수 있고, 상대적으로 낮은 왜곡으로 AC 및 DC 사이의 변환을 허용할 수 있다.

요구되는 높은 전압을 처리할 수 있고 요구되는 성능을 제공할 수 있게 하기 위해, 각각의 밸브는 상대적으로 큰 수의 셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, ±250kV의 전압을 처리하는 대칭적인 단극 MMC의 경우, 각각의 밸브는 240개의 셀 또는 서브-모듈 정도를 포함할 수도 있다. 위상 림마다 2개의 밸브를 사용하는 경우, 이런 방식은 통상적인 3상 AC 네트워크를 위해 6개의 이러한 밸브를 요구한다.

밸브는 통상적으로 밸브 홀(valve hall)로서 알려진 특수하게 디자인된 구조에 수용된다. 밸브에 의해 처리된 높은 전압으로 인해, 밸브 사이에 및 밸브 및 주변 밸브 홀 사이에 적절한 절연 및 분리를 갖는 것이 매우 중요하다. 밸브 홀 디자인은 적절한 절연 안전 조치를 제공하기 위해 밸브 위 및/또는 아래에 큰 간격(clearance)이 있도록 개발했다.

6개의 밸브를 갖는 MMC-유형의 VSC의 경우, 밸브 및 주변 밸브 홀 사이에 요구되는 간격은 밸브 홀의 크기(dimension)가 매우 클 수 있는 것을 의미한다. 일부 경우에서, 밸브 홀에 대한 넓은 면적 또는 차지하는 공간(footprint)은 특히, 예를 들어, 밸브 홀이 크기를 적절하게 설정해야 하는 해양구조물(offshore platform) 상에 제공되는 경우, 예를 들어 비용 면에서 불리할 수도 있다.

본 발명의 실시예는 위에서 언급된 문제의 일부를 적어도 완화시키는 VSC를 조립하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

따라서, 전압원 컨버터(voltage source converter; VSC)를 위한 밸브 조립체가 제공되며, 이는 복수의 층(tier)으로 배열된 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈을 포함하고, 각각의 층은 상이한 높이에 배열되고; 상기 층의 상위 세트는 제1 AC 단자 및 제1 DC 단자 사이에 제1 VSC 밸브를 형성하도록 구성되고; 상기 층의 하위 세트는 제2 AC 단자 및 제2 DC 단자 사이에 제2 VSC 밸브를 형성하도록 구성되며, 제1 VSC 밸브는 적어도 부분적으로 제2 VSC 밸브 위에 가로놓인다(overlie).

제1 AC 단자는 제2 AC 단자와 동일할 수도 있고, 즉 제1 및 제2 VSC 밸브를 위한 통상의 AC 단자가 있을 수도 있다. 통상의 AC 단자는 스위칭 모듈의 상기 복수의 층의 중간 지점에서 실질적으로 위치될 수도 있다.

일부 경우에서, 제1 DC 단자는 상기 복수의 층의 가장 상위 층의 모듈에 연결될 수도 있다. 제2 DC 단자는 상기 복수의 층의 가장 하위 층의 모듈에 연결될 수도 있다.

일부 경우에서, 밸브 조립체는 대칭적인 단극 VSC로서 사용하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 사용시, 제1 DC 단자는 한 극성의 공칭 전압에서 유지될 수도 있고 제2 DC 단자는 반대 극성의 공칭 전압에서 유지될 수도 있다.

대안적으로, 일부 경우에서, 밸브 조립체는 대칭적인 쌍극 VSC로서 사용하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우에서, 사용시, 제1 DC 단자는 한 극성의 공칭 전압에서 유지될 수도 있고 제 2 DC 단자는 접지 전위에서 유지될 수도 있다. 이러한 경우에서, 밸브 조립체의 가장 하위 층 및 밸브 홀의 바닥 사이의 간격 거리는 밸브 조립체의 가장 상위 층 및 밸브 홀의 천장 사이의 간격 거리보다 더 낮을 수도 있다. 밸브 조립체는 쌍극 VSC의 포지티브 극을 제공할 수도 있고 쌍극 VSC의 네거티브 극으로서 구성된 제2 밸브 조립체에 전기적으로 연결될 수도 있다.

밸브 조립체는 밸브 홀에 위치될 수도 있다. 밸브 조립체의 적어도 일부는 밸브 홀의 바닥으로부터 지지될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 밸브 조립체의 적어도 일부는 밸브 홀의 천장으로부터 지지될 수도 있다. 일부 경우에서, 지지 플랫폼은 스위칭 모듈의 복수의 층의 제1 상위 서브세트 및 모듈의 복수의 층의 제2 하위 서브세트 사이에 위치될 수도 있다. 스위칭 모듈의 복수의 층의 제1 상위 서브세트는 지지 플랫폼으로부터 지지될 수도 있다. 스위칭 모듈의 복수의 층의 상위 서브세트는 제1 VSC 밸브를 형성하도록 구성되는 상기 층의 상위 세트를 포함할 수도 있다.

일부 배열에서, 밸브 조립체는 다른 서브-섹션과는 별도로 지지되는 서브-섹션을 포함할 수도 있다.

모듈은 밸브 조립체를 통한 나선 전류 경로를 제공하도록 직렬로 연결될 수도 있다.

각각의 스위칭 모듈은 복수의 직렬 연결된 서브-모듈을 포함할 수도 있으며, 각각의 서브-모듈은 서브-모듈의 단자 사이에 직렬로 에너지 저장 구성요소를 연결하거나 에너지 저장 구성요소를 바이패스하는 경로에서 서브-모듈의 단자를 연결하도록 작동되는 에너지 저장 구성요소 및 스위치 배열을 포함한다.

또한 양태는 전압원 컨버터를 조립하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은: 각각의 층이 상이한 높이에 배열된 복수의 층에 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈을 제공하는 단계; 제1 AC 단자 및 제1 DC 단자 사이에 제1 VSC 밸브를 형성하도록 상기 층의 상위 세트를 연결하는 단계; 및 제2 AC 단자 및 제2 DC 단자 사이에 제2 VSC 밸브를 형성하도록 상기 층의 하위 세트를 연결하는 단계를 포함하고, 제1 VSC 밸브는 적어도 부분적으로 제2 VSC 밸브 위로 가로놓인다.

본 발명은 이제 첨부 도면을 참조하여, 단지 예시로서 설명될 것이다:
도 1은 대칭적인 단극 구성에서 VSC의 원리를 도시한다;
도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 VSC에 사용될 수도 있는 것과 같은 포지티브 및 네거티브 밸브 구조를 도시한다;
도 3은 실시예에 따른 이중 밸브 조립체를 포함하는 VSC의 원리를 도시한다;
도 4는 이중 밸브 조립체의 실시예를 도시한다;
도 5는 어떻게 이중 밸브 조립체가 쌍극 구성에서 VSC를 위해 구현될 수 있는지를 도시한다; 그리고
도 6a 내지 도 6c는 어떻게 이중 밸브 조립체가 밸브 홀에서 지지될 수 있는지에 대한 다양한 실시예를 도시한다.

도 1은 VSC(100)의 한 유형의 기본적인 원리를 도시한다. 도 1은, 예시에서, 대칭적인 단극 VSC 배열을 도시하고, 예를 들어, MMC 유형 VSC가 될 수도 있다. 도 1은 명확성을 위해 단 하나의 위상 림을 갖는 VSC를 도시하지만, 일부 구현에서 다수의 위상 림이 있을 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 위상 림은 DC 네트워크로의 연결을 위해 각각의 하이-사이드 및 로우-사이드 DC 단자(102, 103) 사이에 AC 네트워크로 연결하기 위한 AC 단자(101)을 가진다. 도시된 예시에서, 위상 림은 2개의 밸브(104, 105)를 포함하며, (포지티브 밸브로서 보일 수도 있는) 제 1 밸브(104)는 AC 단자(101) 및 하이-사이드 DC 단자(102) 사이에 접속되고, (네거티브 밸브로서 보일 수도 있는) 제2 밸브(105)는 AC 단자(101) 및 로우-사이드 DC 단자(103) 사이에 접속된다.

MMC 유형 VSC의 경우, 각각의 밸브는 복수의 스위칭 셀을 포함할 것이며, 각각의 셀은 커패시터와 같은 에너지 저장 구성요소 및 커패시터가 AC 단자(101) 및 관련된 DC 단자(102, 103) 사이에 직렬로 연결될 수 있도록 배열될 수도 있거나 바이패스될 수도 있는 IGBT와 같은 제어 가능한 스위칭 구성요소를 포함한다. 셀의 커패시터를 원하는 시퀀스로 직렬 여부에 관계없이 스위칭함으로써, 셀은 원하는 전압 파형을 합성할 수 있다.

통상적으로, 각각의 셀은 자체 하우징에 수용되며, 다수의 셀은 통상적으로 모듈이라고 칭해지는 것을 형성하도록 랙(rack) 상에 서로 인접하여 장착되고, 개별 셀은 서브-모듈로서 지칭된다. 밸브는 밸브 홀 내에 직렬로 다수의 모듈을 배열함으로써 구축될 것이다. 따라서 도 1은 포지티브 밸브(104)는 AC 단자(101)에 연결된 제1 모듈 및 하이-사이드 DC 단자(102)에 연결된 M번째 모듈을 갖는, 직렬로 연결된 M개의 모듈에 의해 형성될 수도 있는 것을 도시한다. 마찬가지로, 네거티브 밸브(105)는 로우-사이드 DC 단자(103)에 연결된 제1 모듈 및 AC 단자(101)에 연결된 N번째 모듈을 갖는, N개의 모듈(통상적으로 N=M)을 포함할 수도 있다.

요구되는 성능을 제공하고 HVDC 전력 분배를 위한 높은 전압을 처리할 수 있도록 위에서 언급된 것처럼, 예를 들어, 수백 킬로볼트 단위의 전압은 통상적으로 상대적으로 많은 수의 서브-모듈을 요구한다. 도 1에 도시된 바와 같이, VSC(100)에 대한 예시로서, 하이-사이드 및 로우-사이드 공칭 전압은 각각 +250kV 및 -250kV 정도일 수 있다. 모듈이 8개의 서브-모듈을 포함한다면, 30개의 모듈 정도가 있을 수도 있다.

또한 높은 전압은, 안전한 작동을 위해, 밸브 모듈이 안전 밸브 홀에 위치되어야 하고 원치 않는 전기 방전을 방지하도록 적절한 절연 수단을 통하고 밸브 홀의 또는 밸브 홀 내의 다른 구조로부터 적절한 간격으로 장착되어야 한다. 밸브 모듈은 분명히 직렬로 연결될 필요가 있지만, 사용시 밸브의 상이한 부분은 상당히 상이한 전압일 수도 있고 따라서 밸브를 형성하는 모듈은 또한 사용시, 상당히 상이한 전압일 수도 있는 다른 모듈로부터 충분히 절연될 필요가 있다는 것이 이해될 것이다.

도 2a 및 도 2b는 어떻게 포지티브 및 네거티브 밸브가 각각 조립될 수도 있는지에 대한 예시를 도시한다. 도 2a는 포지티브 밸브(104)의 구조를 보여주고 도 2b는 네거티브 밸브(105)의 구조를 보여준다. 각각의 경우에 밸브 구조는 복수의 스위칭 모듈(201)을 포함한다.

도 2a 및 도 2b의 예시에서, 모듈은 다수의 분리된 층으로 조립되며, 각각의 층은 상이한 높이, 즉 밸브 홀의 바닥으로부터 상이한 거리에서 지지되고, 각각의 층은 모듈의 다수의 행을 포함한다. 예시에서, 각각의 층은 모듈의 2개의 행을 가지며, 행은 실질적으로 평행하다. 행 내의 모듈은 서로 직렬로 연결되고 따라서 서로 인접하여 위치된다. 연결은 적절한 연결부(202)를 통해 행의 끝에서 모듈 사이에 이루어진다. 도시된 바와 같은 예시에서, 층의 2개의 행 사이의 연결은 (가장 위의 층에서 볼 수 있는 바와 같이) 맨 끝에서 이루어지고 층 사이의 연결은 층의 제2 행의 바깥 쪽의(nearside) 모듈에 위로 연결하는 한 층의 제1 행의 바깥 쪽의 모듈 사이에 이루어진다.

따라서 모듈은 나선형의 배열을 갖는 전류 경로를 제공하도록 서로 실질적으로 연결된다. 도 2a에 도시된 포지티브 밸브(104)의 경우, 맨 아래 층에서, 모듈 1 내지 5는 (도시된 바와 같이) 앞으로부터 뒤로 연속되어 있는 왼쪽에서 행으로 전개되고, 모듈 6 내지 10은 (도시된 바와 같이) 뒤로부터 앞으로 연속되어 있는 오른쪽에서 행으로 전개된다. 중간 층에서 모듈 11 내지 15는 다시 (도시된 바와 같이) 앞으로부터 뒤로 왼쪽에서 행으로 이어서 전개된다. 네거티브 밸브의 경우, 각각의 층 내의 배열은 동일하지만, 제1 모듈이 가장 위의 층에서 전개되고 층 사이의 연결은 층 아래로 된다. 이러한 배열은 밸브 내의 모듈의 전개가 각각의 밸브에 대해 사실상 동일하므로 사실상 편리하다.

이것은, 사용시, 층의 행 내의 모듈 사이에 및 다양한 층의 모듈 사이에 상대적으로 큰 전압 차이가 있을 수도 있음을 의미하는 것이 이해될 것이다. 따라서, 층 내의 행은 적절한 간격으로 서로로부터 떨어진 공간을 두고 층은 층간 절연 지지부(203)에 의해 서로로부터 분리되어 지지된다. 모듈의 행 및 층 사이에 요구되는 정확한 분리는 한 층에 직렬로 연결된 서브-모듈/모듈의 수 및 단일 서브-모듈에 의해 도달할 수 있는 최대 전압에 의존할 것이다.

도 2a에 도시된 포지티브 밸브(104) 및 도 2b에 도시된 네거티브 밸브(105) 각각의 경우, 관련된 하이-사이드 또는 로우-사이드 DC 단자(102 또는 103)로의 연결은 가장 높은 층으로부터 이루어지고 AC 단자(101)로의 연결은 가장 낮은 층으로부터 이루어진다. 사용시, 관련된 DC 단자(102 또는 103)는 높은 DC 전압 크기에서 유지되도록 예상될 것이다. AC 단자(101)의 전압은 사용시 큰 포지티브 전압 및 큰 네거티브 전압 사이에서 변할 수도 있다. 따라서 가장 낮은 층은 밸브 홀의 바닥으로부터 충분한 간격을 가지도록 지지될 수도 있다.

도시된 예시에서, 밸브는 밸브를 지지하는 절연된 밸브 지지부(204)를 포함한다. 밸브 지지부(204)의 정확한 높이는 사용시 예상되는 최대 전압에 의존하여 다시 변할 것이다. 밸브 지지부(204)는 단지 밸브가 어떻게 지지될 수 있는지에 대한 예시이고 당업자는 사용될 수 있는 다수의 지지 메커니즘이 있음을 인식할 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 대안은 밸브가 매달려 있는 천장 지지부를 포함할 수 있다.

MMC 또는 AAC 유형의 VSC의 경우, 통상적으로 3상이 요구되며, 따라서 6개의 밸브가 필요하다. 논의된 바와 같이, 이는 다수의 공학 난제를 제시할 수 있는 상대적으로 큰 밸브 홀의 필요를 초래한다. VSC의 차지하는 공간을 감소시켜, 공간을 절약하고 더 작은 면적의 밸브 홀을 허용하는 VSC 디자인은 따라서 유리할 것이다.

따라서, 본 개시의 실시예는 사실상 제2 밸브 위에 적층된 제1 밸브를 갖는 이중 밸브 배열을 이용한다. 사실상, 도 1을 다시 참조하면, 분리된 밸브 구조(104 및 105) 대신에, 2개의 밸브의 기능을 제공하는 단일 밸브 구조가 있다. 따라서, 각각의 층이 이전에 논의된 바와 같이 상이한 높이에서 배열된, 복수의 층으로 배열된 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈이 있다. 그러나, 실시예에서, 층의 상위 세트는 제1 AC 단자 및 제1 DC 단자 사이에 제1 VSC 밸브를 형성하도록 구성되고, 상기 층의 하위 세트는 제2 AC 단자 및 제2 DC 단자 사이에 제2 VSC 밸브를 형성하도록 구성되며, 제1 밸브는 적어도 부분적으로 제2 밸브 위에 가로놓인다.

도 3은 본 발명의 일반적인 개념을 도시한다. 선도(line diagram)는 도 1과 유사한 방식으로 하이-사이드 및 로우-사이드 DC 단자(102 및 103)일 수도 있는 2개의 DC 단자 사이에 연결된 AC 단자(101)를 도시한다. 그러나, 도 3에서 실시예는 도 1에 도시된 바와 같은 2개의 분리된 밸브 대신에 이중 밸브 조립체(301)를 사용한다. 2개의 밸브에 대한 통상의 빌딩 블록으로서 모듈의 층을 사용함으로써, 실질적으로 동일한 차지하는 공간 내에 2배의 밸브가 수용될 수 있다. 이중 밸브 조립체(301)는 AC-DC 변환 및 DC-AC 변환에 대한 파형 합성에 관하여 동일한 품질을 제공한다.

도 4는 이중 밸브 조립체(301)의 실시예를 도시한다. 이중 밸브 조립체(301)은 제2 밸브(303)를 형성하는 모듈의 세트 위에 제1 밸브(302)의 기능을 제공하는 다수의 모듈을 위치시킴으로써 구축된다. 제1 밸브를 형성하는 모듈은 제1 밸브가 적어도 부분적으로 제2 밸브 위에 가로놓일 수 있도록 제2 밸브를 형성하는 모듈 위에 있다. 즉, 제1 밸브의 면적은 적어도 부분적으로 수직 방향으로부터 볼 때 제2 밸브의 면적과 겹쳐진다. 유리하게는, 제1 밸브는 실질적으로 제2 밸브 위에 가로놓인다. 도시된 실시예에서, 제1 밸브(302)는 포지티브 밸브로서 보일 수 있고 네거티브 밸브(303) 위에 적층된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 예시와 같이, 밸브 조립체(301)는 직렬로 연결된 복수의 서브-모듈을 포함하는 다수의 모듈(201)을 포함한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 개별 밸브와 같이, 모듈(201)은 층을 형성하는 행으로 배열되고, 이 예시에서 다시 각각의 층에 대해 2개의 행을 가진다. 도시된 예시에 대해 밸브마다 3개의 층을 갖는 다수의 층이 각각의 단일 밸브를 형성한다. 이는 더 낮은 층 위에 가로놓이는 더 높은 층을 갖는 6개의 층을 포함하는 이중 밸브 조립체를 제공한다. 적어도 일부 층은 층간 절연부(304)에 의해 인접한 층으로부터 분리된다. 다시, 층간 절연부(304)에 의해 제공되는 층 사이의 정확한 분리는 층 내의 직렬로 연결된 모듈/서브-모듈의 수 및 단일 서브-모듈에 의해 도달할 수 있는 최대 전압에 의존하여 변할 것이다.

대칭적인 단극 VSC를 위한 이중 밸브 구조를 도시하는 도 4의 예시에서, 따라서 가장 상위 층은 하이-사이드 또는 로우-사이드 DC 단자 중 하나일 수도 있는 제1 DC 단자에 연결될 수도 있고 가장 하위 층은 로우-사이드 또는 하이-사이드 DC 단자 중 다른 하나일 수도 있는 제2 DC 단자에 연결될 수도 있다. 양 밸브 모두를 위한 통상의 AC 단자로서 쓰일 수도 있는 AC 단자는 도시된 바와 같이 층의 중간 지점에 위치될 수도 있지만, 일부 실시예에서, 분리된 AC 단자가 사용될 수도 있다. 이중 밸브 조립체는 자체로 절연 밸브 지지부(305)에 의해 지지되며, 이는 다시 밸브 홀의 바닥으로부터 연장되는 지지부와 같은 기둥일 수도 있지만, 나중에 더 상세히 설명될 것과 같은 천장 지지부 또는 측벽 지지부와 같은, 다른 지지 배열이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수도 있다. 밸브 지지부(305)는 다시 밸브 홀 바닥으로부터 이중 밸브 조립체에 대해 충분한 간격을 제공하도록 배열되어야 한다.

각각의 밸브에서 모듈(201)은 층 내에서는 행으로부터 행으로 및 층으로부터 층으로 모듈을 연결하는 연결부(306)를 이용하여 직렬로 연결된다.

이 예시에서, 포지티브 밸브(302)는 일반적으로 도 2a와 관련하여 이전에 설명된 바와 같은 유사한 방식으로 나선 전류 경로를 제공하도록 배열되고, 따라서 모듈의 순서는 도 2a와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 사실상 동일하다. 따라서 이중 밸브 조립체(301)의 포지티브 부분을 형성하는 모듈은, 각각의 층에 대해, 하나의 행을 따라 (도시된 바와 같이 왼쪽 행의 앞으로부터 뒤로) 연장되고 다른 행에서 반대 방향으로 방향을 바꾸며, 더 높은 층은 더 높은 번호의 모듈, 즉 하이-사이드 DC 단자에 더 가까운 모듈이다. 그러나, 이중 밸브 조립체의 네거티브 밸브(303)를 형성하는 층의 경우, 모듈의 순서는 도 2b에 도시된 배열과 비교하여 반대이다. 따라서 밸브의 네거티브 부분의 모듈 1 내지 N의 순서는 밸브의 포지티브 부분의 모듈 1 내지 M과 동일한 방식으로 정렬되는 모듈을 갖는 가장 낮은 층으로부터 시작하지만, 가장 낮은 층의 모듈 1은 로우-사이드 DC 단자와 결합된다.

따라서 이중 밸브 조립체의 포지티브 밸브(302)는 직렬로 연결된, 예를 들어 나선 경로에서, 도 2a의 밸브와 같은 동일한 방식으로, 모듈 1부터 시작하고 모듈 M까지 위쪽을 향해 나선형으로 연장되는 모듈에 의해 제공될 수도 있다. 또한 이중 밸브 조립체의 네거티브 밸브(303)는 AC 노드(101)로부터 시작하고 모듈 N으로부터 모듈 1로 아래쪽을 향해 나선형으로 연장되는 나선 경로에서 직렬로 연결되는 모듈에 의해 제공될 수도 있다. 이것은 모듈 N으로부터 모듈 1로 위쪽을 향해 나선형으로 연장되는 도 2b에 도시된 네거티브 밸브(105) 내의 배열과 대조적이다. 이런 방식으로 이중 밸브 조립체의 네거티브 밸브(303)를 연결하는 것은 각각의 밸브에 대한 AC 단자(101)가 이중 밸브 조립체의 중간 지점에서 연결되도록 허용하고 전압을, 이런 예시에서, 가장 낮은 층에 있는 로우-사이드 DC 전압으로부터 가장 높은 층에 있는 하이-사이드 DC 전압으로 증가시키는 것을 의미한다. 이중 밸브 조립체 상의 유사한 지점에서 포지티브 및 네거티브 밸브를 위한 AC 단자를 연결하는 것은 덜 복잡한 디자인을 제공할 수 있고 공간을 절약할 수 있다. 또한 각각의 밸브를 통한 전압의 나선형 증가는 소형(compact) 이중 밸브 조립체 디자인을 허용하므로 공간 절약에 도움을 준다.

위의 논의는 대칭적인 단극 구성 상에 집중되었다. 이러한 배열에서, 밸브의 가장 하위 층은 통상적으로 높은 크기를 가질 것인 로우-사이드 또는 하이-사이드 DC 전압일 수도 있다. 안전 예방을 위해 가장 하위 층 및 밸브 홀 바닥 사이에 상대적으로 큰 간격을 요구할 수도 있다. 그러나, 일부 VSC 디자인에서, 이중 밸브 조립체는 상대적으로 낮은 간격으로 달성될 수도 있다.

도 5는 쌍극 구성에서 VSC의 원리를 도시하는 선도를 도시한다. 다시 도 5는 단일 위상 림을 보여준다. 이전에 설명된 바와 같이, 위상 림은 하이-사이드 DC 단자(102) 및 로우-사이드 DC 단자(103) 사이에 연결된다. 그러나, 이 경우에, AC 네트워크로 연결되는 2개의 AC 노드(101p 및 101n)가 있다. 위상 림은 AC 노드(101p)의 양 측(either side)에 2개의 밸브가 제공되는 포지티브 극 및 AC 노드(101n) 양 측에 다른 2개의 밸브가 제공되는 네거티브 극으로 분할된다. 포지티브 극 및 네거티브 극 사이의 중간 지점은 전기적 접지 노드(501)에 결합된다.

또한 쌍극 구성에서 VSC는 각각의 극에 대해 하나의 이중 밸브 조립체를 사용함으로써 이중 밸브 조립체 디자인의 공간 절약 능력을 활용할 수 있다. 따라서 제1 이중 밸브 조립체(301p)는 포지티브 극의 2개의 밸브를 구현할 수 있다. 마찬가지로 제2 이중 밸브 조립체(301n)는 네거티브 극의 2개의 밸브를 구현할 수 있다.

쌍극 구성에서, 각각의 극에 있는 하나의 밸브의 한쪽 끝은 접지 전위에 있다. 따라서, 도 4에 도시된 이중 밸브 조립체가 도 5에 도시된 쌍극 VSC의 하나의 극, 즉 포지티브 이중 밸브 조립체(301p)에 사용되었다는 것을 고려한다. 이러한 경우에, 이중 밸브 조립체의 가장 상위 층은, 이전에 논의된 바와 같이 하이-사이드 DC 단자일 수도 있는 제1 DC 단자에 결합될 수 있다. 그러나, 이런 배열에서, 가장 하위 층은 따라서 전기적 접지 노드인 제2 DC 단자에 결합될 것이다. 이는 밸브 홀의 바닥 및 밸브 조립체의 가장 하위 층 사이에 요구되는 간격을 상당히 줄일 수도 있다. 유사하게, 네거티브 극은, 이 경우에 로우-사이드 DC 단자일 것인, 제1 DC 단자에 결합된 가장 상위 층 및 제2 DC 단자, 즉 전기적 접지 단자에 결합된 가장 하위 층으로 구현될 수 있다. 쌍극 구성의 경우, 논의된 바와 같은 이중 밸브 조립체의 사용은 따라서 2개의 밸브가 이전에 단일 밸브에 의해 점유되어 있던 것과 같은 동일한 바닥 공간에 제공될 수 있으므로 VSC에 요구되는 차지하는 공간을 감소시킬 수 있다. 그러나, 밸브 홀의 임의의 증가된 높이는, 단일 밸브의 경우, 포지티브 극의 포지티브 밸브(또는 네거티브 극의 네거티브 밸브)가 밸브 홀의 바닥으로부터 상대적으로 큰 간격을 요구하므로 상대적으로 제한될 수도 있다. 따라서 이중 밸브 조립체에 요구되는 더 낮은 간격은 밸브 조립체 내의 추가적인 층의 영향이 적어도 부분적으로 상쇄되는 것을 의미한다.

VSC 밸브는 많은 컴포넌트를 포함하는 상대적으로 큰 구조라는 것이 이해될 것이다. 단일 VSC는 수백개의 서브-모듈을 포함하고 VSC의 크기는 때때로 10m를 넘는다. VSC는 지진 활동(seismic activity)이 인프라(infrastructure)에 중대한 문제가 될 수도 있는 위치에 배치(deploy)되었다. 이와 같이, 밸브가 적절히 지지되는 것을 보장하는 것은 VSC가 확실하게 작동하는 것을 보장하기 위해 요구된다.

종래의 단일 밸브를 사용하는 VSC는 다수의 지지 난제를 제시하지만, 이러한 많은 난제를 해결하기 위해 디자인이 개발되었다. 이중 밸브 조립체를 사용하는 것은 이중 밸브 조립체가 충분히 지지되는 것을 보장하는 더욱 큰 난제를 제시한다. 그러나, 이중 밸브 조립체가 배열되고 지지될 수 있는 다수의 방식이 있다.

도 6a는 어떻게 이중 밸브 조립체를 갖는 VSC가 밸브 홀 내에 배열될 수 있는지에 대한 일례를 개략적으로 도시한다. 도 6a는, 도 5와 관련하여 논의된 바와 같이 쌍극 VSC의 2개의 이중 밸브 조립체(301p 및 301n)를 도시한다. 각각의 경우에, 이중 밸브 배열의 하위 섹션은 위에서 논의된 바와 같은 유사한 방식으로 밸브 홀 바닥(601)으로부터 연장되는 바닥에 장착된 밸브 지지부(305)에 의해 지지된다. 또한 위에서 언급된 것과 같이, 각각의 하위 섹션의 가장 하위 층이 접지 단자에 연결된 모듈을 포함한다면, 바닥(601) 및 이중 밸브 조립체 사이에 요구되는 간격은 상대적으로 낮을 수도 있다. 이중 밸브 조립체(301p 또는 301n)의 윗부분은 천장에 장착된 밸브 지지부(603)에 의해 밸브 홀 천장(602)으로부터 지지될 수도 있다. 이중 밸브 조립체의 가장 상위 층이 사용시 높은 크기의 전압일 수도 있으므로, 밸브 천장(602) 및 이중 밸브 조립체(301p 또는 301n) 사이에 더 큰 간격이 요구될 수도 있다

일부 배열에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 이중 밸브 조립체의 상위 부분은 지지 플랫폼(604) 상의 하위 부분 위에 위치될 수 있다. 도 6b는 이중 밸브 조립체(301p 및 301n)의 하위 부분이, 위에서 논의된 바와 같이, 지지부(305)에 의해 밸브 홀의 바닥(601)으로부터 지지될 수도 있다는 것을 도시한다. 그러나, 이런 경우에, 지지 플랫폼(604)은 하위 부분 및 상위 부분 사이에 배열된다. 지지 플랫폼(604)은 밸브 조립체의 면적을 넘어 연장되고 임의의 적절한 지지 구조에 의해 지지될 수도 있다. 따라서, 지지 플랫폼은 지지부(605)에 의해 적절한 간격으로 지지될 수도 있는 이중 밸브 조립체의 상위 부분을 위한 견고한 베이스를 제공한다. 사실상, 지지 플랫폼(604)은 밸브 홀의 중간층(floor)을 제공한다.

일부 실시예에서, 이중 밸브 조립체의 적어도 부분은 밸브 홀 바닥으로부터 지지될 수도 있고 적어도 부분은 밸브 홀 천장으로부터 지지될 수도 있다. 예를 들어, 도 6c는 이중 밸브 조립체(301)가 3개의 상이한 섹션으로 분할되는 예시를 도시한다. 이중 밸브 조립체의 적어도 하나의 부분은 밸브 홀 바닥(601)으로부터 지지되고 이중 밸브 조립체의 적어도 하나의 부분은 지지부(603)에 의해 밸브 홀 천장(602)으로부터 지지된다. 이러 방식으로 이중 밸브 조립체를 지지하는 것은 전체 이중 밸브 조립체가 바닥 및 천장 모두로부터 지지되는 것처럼 많은 지지부를 요구하지 않으면서 바닥 및 천장 지지 모두의 안정성 이득을 제공할 수도 있다.

이중 밸브 조립체를 활용하는 VSC의 모든 실시예는 종래의 밸브 조립체 기술을 사용하는 VSC와 비교하여 더 작은 차지하는 공간을 갖는 VSC를 제공한다. 이중 밸브 조립체를 갖는 VSC는 종래의 디자인을 사용하는 것들과 비교하여 면적이 절반인 밸브가 차지하는 공간을 제시할 수 있다. 또한 논의된 바와 같이, 쌍극 구성을 작동시키는 VSC 내의 이중 밸브 조립체 디자인을 사용하는 것은 대응하는 높이의 증가 없이 밸브 홀의 차지하는 공간을 감소시킬 수 있다.

위에서 언급된 실시예는 본 발명을 제한하기 보다 예시하는 것이며, 당업자는 첨부된 청구범위의 범위로부터 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예를 디자인할 수 있다는 것에 유의해야 한다. "포함하는(comprising)"이라는 단어는 청구범위에 열거된 것들 외에 구성요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않으며, "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 청구범위 내의 임의의 참조 부호는 그들의 범위를 제한하도록 해석되지 않아야 한다.

Claims

전압원 컨버터(voltage source converter; VSC)를 위한 밸브 조립체(301)에 있어서,
각각의 층이 상이한 높이에 배열된, 복수의 층(tier)으로 배열된 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈(201)을 포함하고;
상기 층의 상위 세트는 제1 AC 단자(101) 및 제1 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제1 VSC 밸브(302)를 형성하도록 구성되고;
상기 층의 하위 세트는 제2 AC 단자(101) 및 제2 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제2 VSC 밸브(303)를 형성하도록 구성되며,
상기 제1 VSC 밸브는 상기 제2 VSC 밸브 위에 가로놓이는(overlie) 것인, 밸브 조립체.
제1항에 있어서,
상기 제1 AC 단자는 상기 제2 AC 단자와 동일하고 실질적으로 스위칭 모듈의 상기 복수의 층의 중간 지점에 위치되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 DC 단자(102, 103, 501)는 상기 복수의 층의 가장 상위 층의 모듈에 연결되고 상기 제2 DC 단자(102, 103, 501)는 상기 복수의 층의 가장 하위 층의 모듈에 연결되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는 대칭적인 단극(monopole) VSC로서 사용하도록 구성되며,
사용시, 상기 제1 DC 단자(102, 103)는 한 극성의 공칭 전압에서 유지되고 상기 제2 DC 단자(103, 102)는 반대 극성의 공칭 전압에서 유지되는 것인, 밸브 조립체.
제3항에 있어서,
상기 밸브 조립체는 대칭적인 쌍극(bipole) VSC로서 사용하도록 구성되며,
사용시, 상기 제1 DC 단자(102, 103)는 한 극성의 공칭 전압에서 유지되고 상기 제2 DC 단자(501)는 접지 전위에서 유지되는 것인, 밸브 조립체.
제5항에 있어서,
상기 밸브 조립체의 상기 가장 하위 층 및 밸브 홀의 바닥(601) 사이의 간격(clearance) 거리는 상기 밸브 조립체의 상기 가장 상위 층 및 상기 밸브 홀의 천장(602) 사이의 간격 거리보다 낮은 것인, 밸브 조립체.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 밸브 조립체(301p)는 쌍극 VSC의 포지티브 극을 포함하고 상기 쌍극 VSC의 네거티브 극으로서 구성된 제2 밸브 조립체(301n)에 전기적으로 연결되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는 밸브 홀 내에 위치되며,
상기 밸브 조립체의 적어도 일부는 상기 밸브 홀의 바닥(601)으로부터 지지되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는 밸브 홀 내에 위치되며,
상기 밸브 조립체의 적어도 일부는 상기 밸브 홀의 천장(602)으로부터 지지되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
스위칭 모듈의 상기 복수의 층의 제1 상위 서브세트 및 모듈의 상기 복수의 층의 제2 하위 서브세트 사이에 위치된 지지 플랫폼(604)을 더 포함하고,
스위칭 모듈의 상기 복수의 층의 상기 제1 상위 서브세트는 상기 지지 플랫폼으로부터 지지되는 것인, 밸브 조립체.
제10항에 있어서,
스위칭 모듈의 상기 복수의 층의 상위 서브세트는 상기 제1 VSC 밸브를 형성하도록 구성되는 상기 층의 상위 세트를 포함하는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는 다른 서브-섹션과는 별도로 지지되는 서브-섹션을 포함하는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈은 상기 밸브 조립체를 통해 나선 전류 경로를 제공하도록 직렬로 연결되는 것인, 밸브 조립체.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 스위칭 모듈은 복수의 직렬 연결된 서브-모듈을 포함하며,
각각의 서브-모듈은 에너지 저장 구성요소 및 스위치 배열을 포함하고,
상기 스위치 배열은 상기 서브-모듈의 단자 사이에 직렬로 상기 에너지 저장 구성요소를 연결하거나 상기 에너지 저장 구성요소를 바이패스(bypass)하는 경로로 상기 서브-모듈의 단자를 연결하도록 작동되는 것인, 밸브 조립체.
전압원 컨버터를 조립하기 위한 방법에 있어서,
각각의 층이 상이한 높이에 배열되는, 복수의 층에 복수의 직렬 연결된 스위칭 모듈(201)을 제공하는 단계;
제1 AC 단자(101) 및 제1 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제1 VSC 밸브(302)를 형성하도록 상기 층의 상위 세트를 연결하는 단계; 및
제2 AC 단자(101) 및 제2 DC 단자(102, 103, 501) 사이에 제2 VSC 밸브(303)를 형성하도록 상기 층의 하위 세트를 연결하는 단계를 포함하고,
상기 제1 VSC 밸브는 상기 제2 VSC 밸브 위에 가로놓이는 것인, 전압원 컨버터를 조립하기 위한 방법.