KR20200048375A - 서브모듈 성능평가장치 - Google Patents

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KR20200048375A
KR20200048375A KR1020180130421A KR20180130421A KR20200048375A KR 20200048375 A KR20200048375 A KR 20200048375A KR 1020180130421 A KR1020180130421 A KR 1020180130421A KR 20180130421 A KR20180130421 A KR 20180130421A KR 20200048375 A KR20200048375 A KR 20200048375A
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김태진
오창열
이종필
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 서브모듈의 성능을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다. 서브모듈 성능평가장치는 적어도 한 쌍의 IGBT부(S1, S2) 및 적어도 하나의 커패시터(Csm)를 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 서브모듈(1)의 성능평가장치로서, 서브모듈(1)에 3상 AC전원을 공급하는 AC전원부(110)와, AC전원부(110)로부터 전달받은 3상 AC전원을 승압하여 정류하는 다중펄스 승압변압기(120)와, 승압변압기(120)의 DC 출력단에 결합되는 DC 링크 커패시터부(130)와, DC 링크 커패시터부(130)의 DC 전압을 입력 받으며, 서브모듈(1)에 공급되는 전류 및 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에 인가되는 전압 중 어느 하나를 제어하기 위한 인버터부(140)와, 인버터부(140)와 서브모듈(1) 사이에 결합되어 서브모듈(1)로 공급되는 전류를 인버터부(140)로 피드백하는 인덕터부(150)를 포함한다.

Description

서브모듈 성능평가장치 {APPARATUS FOR TESTING PERFORMANCE OF SUB-MODULE}
본 발명은 전기 기기 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서브모듈의 성능을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다.
최근 고압, 대용량 컨버터 분야에서 모듈형 다단 컨버터(Modular Multilevel Convertor; MMC)가 관심을 받으며 활발한 연구가 진행되고 있다. 모듈형 다단 컨버터(MMC)는 많은 수의 서브모듈이 직렬로 연결되므로 전압 레벨 확장이 용이하며, 낮은 스위칭 주파수에서도 높은 전압 레벨로 인해 우수한 출력을 얻을 수 있는 장점으로 고압 직류(HVDC) 송전, 무효 전력 보상기(STATCOM), 모터 드라이브 분야에 활용되고 있다.
도 1은 모듈형 다단 컨버터(MMC)의 서브모듈을 설명하기 위한 하프 브릿지 컨버터의 회로도이다. 도 1에 나타낸 것처럼, 하프 브릿지 컨버터는 상보적으로 동작하는 IGBT 스위치 2개와 에너지를 저장하기 위한 커패시터로 구성된다.
암 전류 방향이 양(Positive)일 경우, 스위치 S1이 턴-온 시 암 전류가 환류 다이오드 D1을 거쳐 커패시터로 흐르므로 커패시터가 충전된다. 스위치 S2가 턴-온 시 커패시터를 우회하므로 커패시터 전압은 변동하지 않는다.
반대로 암 전류 방향이 음(Negative)일 경우, 스위치 S1이 턴-온 시 암 전류가 커패시터로 흐르므로 커패시터가 방전되며, 스위치 S2가 턴-온 시 암 전류는 환류 다이오드 D2로 흘러 커패시터를 우회하므로 커패시터 전압의 변동은 없다. 따라서, 스위치 S1이 턴-온 될 때 암 전류의 방향에 따라 커패시터의 충전 및 방전이 결정된다.
도 2는 모듈형 다단 컨버터(MMC)의 구성을 설명하기 위한 회로도이다. 도 2에 나타낸 것처럼, 직렬 연결된 N개의 서브모듈과 암 인덕터가 연결되어 암(A절점-B절점)을 구성하고, 교류 출력단을 기준으로 2개의 암이 연결되어 하나의 레그(A절점-C절점)를 구성한다.
암 인덕터는 단락 사고 시 단락 전류의 급격한 상승을 방지하는 역할을 한다. 각 서브모듈 커패시터 전압은 직류단 전압을 N 등분한 크기를 가지며, 한 암에서 출력되는 전압은 암을 구성하는 각 서브모듈의 출력전압의 합과 같다.
이와 같이 고압에서 사용되는 고가의 커패시터는 그 신뢰도를 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 커패시터 개발시 커패시터 초기 특성, 정격 용량 등 다양한 특성에 대해 테스트를 수행하고 있다.
그런데, 종래의 테스트 장치는 커패시터에 사인파, 또는 단순 펄스 파형 정도만을 인가할 수 있는 수준이어서, 커패시터가 동작하는 다양한 동작 조건을 적절히 모의하여 검사를 수행할 수가 없었다.
예를 들어, MMC의 경우 동작시 전류가 쵸핑(chopping)되어 인가되며, 더구나, 실제 사용시에는 다단으로 사용되어 커패시터에 인가되는 쵸핑 형태가 다양하게 변화하게 된다. 그런데, 종래의 테스트 장치로는 이와 같이 실제 MMC 동작시 커패시터에 인가되는 전류에 의한 스트레스 등을 테스트할 수 있는 방법이 없었다.
KR 101171584 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터 소자가 실제 동작시에 발생할 수 있는 다양한 동작 조건을 다양한 특성의 커패시터에 대해 인가할 수 있어, 검사 대상 커패시터의 신뢰도를 보장할 수 있도록 해주는 검사 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 별도의 복잡한 회로 없이, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터는 물론 서브모듈 자체의 검사도 수행할 수 있도록 해 주는 검사 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 서브모듈 성능평가장치는 적어도 한 쌍의 IGBT부(S1, S2) 및 적어도 하나의 커패시터(Csm)를 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 서브모듈(1)의 성능평가장치로서, 서브모듈(1)에 3상 AC전원을 공급하는 AC전원부(110)와, AC전원부(110)로부터 전달받은 3상 AC전원을 승압하여 정류하는 다중펄스 승압변압기(120)와, 승압변압기(120)의 DC 출력단에 결합되는 DC 링크 커패시터부(130)와, DC 링크 커패시터부(130)의 DC 전압을 입력 받으며, 서브모듈(1)에 공급되는 전류 및 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에 인가되는 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 인버터부(140)와, 인버터부(140)와 서브모듈(1) 사이에 결합되어 서브모듈(1)로 공급되는 전류를 인버터부(140)로 피드백하는 인덕터부(150)를 포함한다.
또한, 서브모듈(1)에 공급되는 전류의 크기와 형태 및 서브모듈(1)의 커패시터에서의 전압의 크기 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부(200)와 서브모듈의 스위치의 스위칭을 제어하는 스위치 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 검사 대상 서브모듈의 스위치를 실제 사용시와 동일하게 제어함으로써, 서브모듈에 포함된 커패시터 소자가 실제 동작시에 발생할 수 있는 다양한 동작 조건을 다양한 특성의 커패시터에 대해 인가할 수 있어, 검사 대상 커패시터의 신뢰도를 보장할 수 있게 된다.
또한, 별도의 복잡한 회로 없이, 서브모듈에 포함된 커패시터는 물론 서브모듈 자체의 검사도 수행할 수 있게 된다.
또한, 다중펄스 승압변압기(120)는 12펄스, 18펄스, 24펄스 승압변압기 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 제어부(200)는 인버터부(140)를 이용하여 커패시터에서의 전류 및 전압을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 인덕터부(150)로부터 전류를 피드백받고, 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)로부터 전압을 피드백받을 수 있다.
이때, 측정된 전압 및 전류 데이터를 이용하여 커패시터의 용량을 산출하는 용량 산출부(600)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 서브모듈의 테스트 도중 획득된 데이터를 이용하여 테스트와 동시에 커패시터의 용량까지 실시간으로 산출할 수 있게 된다.
이때, 커패시터의 용량 C Test 은,
Figure pat00001
의 수학식에 의해 산출되고, △V c1 과 △V c2 는 각각 정현파 반주기 시간 △T1과 △T 2 동안의 커패시터의 최대 충전 전압의 차이이고, i c.av1 과 i c.ac2 는 △T1과 △T 2 시간 동안의 평균 전류이며, f p 는 쵸핑된 정현파 전류의 주파수일 수 있다.
또한, 서브모듈은 미리 설정된 복수의 종류 중에서 선택될 수 있고, 스위치 제어부는 선택된 서브모듈의 종류에 따라 서브모듈 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다.
또한, 미리 설정된 복수의 종류는 서브모듈로 구성된 밸브(Valve)의 종류를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 검사 대상 서브모듈의 스위치를 실제 사용시와 동일하게 제어함으로써, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터 소자가 실제 동작시에 발생할 수 있는 다양한 동작 조건을 다양한 특성의 커패시터에 대해 인가할 수 있어, 검사 대상 커패시터의 신뢰도를 보장할 수 있게 된다.
또한, 별도의 복잡한 회로 없이, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터는 물론 서브모듈 자체의 검사도 수행할 수 있게 된다.
또한, 서브모듈의 테스트 도중 획득된 데이터를 이용하여 테스트와 동시에 커패시터의 용량까지 실시간으로 산출할 수 있게 된다.
또한, AC 전원을 승압하여 DC 전압으로 정류하는 구조로 다중펄스 승압변압기를 차용함으로써 제조비용이 절감되고, 비교적 간단한 구조를 통해 서브모듈의 검사를 수행할 수 있게 된다.
도 1은 모듈형 다단 컨버터(MMC)의 서브모듈을 설명하기 위한 하프 브릿지 컨버터의 회로도.
도 2는 모듈형 다단 컨버터(MMC)의 구성을 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명의 서브모듈 성능평가장치의 개략적인 블록도.
도 4는 도 3의 제어 구조의 예를 도시한 도면.
도 5는 도 3의 일 실시예의 회로도.
도 6은 도 4의 도면을 간략하게 표현한 회로도.
도 7은 커패시터 전압 제어 시뮬레이션 결과가 도시된 그래프.
도 8은 서브모듈에 흐르는 전류의 옵셋 조절 기능을 시뮬레이션한 결과가 도시된 그래프.
도 9는 도 5의 인버터부 및 서브모듈 스위치의 스위칭 파형을 도시한 그래프.
도 10은 인버터 전류가 양의 방향일 때 스위치의 동작 모드가 도시된 도면.
도 11은 인버터 전류가 음의 방향일 때 스위치 동작 모드가 도시된 도면.
도 12는 커패시터 용량 추정 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 13은 도 3을 실제 구현한 다른 예들의 회로도.
도 14는 도 5과 다른 형태의 서브모듈 및 밸브(Valve)를 검사하는 예가 도시된 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브모듈 성능평가장치의 개략적인 블록도이고, 도 4는 도 3의 제어 구조의 예를 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 실제 구현 회로 일 예의 회로도이다.
도 3에서 서브모듈 성능평가장치는 적어도 한 쌍의 IGBT부(S1, S2) 및 적어도 하나의 커패시터(Csm)를 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 서브모듈(1)의 성능평가장치로서, 전원 공급부(100), 제어부(200), 스위치 제어부(300), 데이터 측정부(400), 상태 평가부(500), 및 용량 산출부(600)를 포함한다.
또한, 도 4에서 전원공급부(100)는 서브모듈(1)에 3상 AC전원을 공급하는 AC전원부(110)와, AC전원부(110)로부터 전달받은 3상 AC전원을 승압하여 정류하는 다중펄스 승압변압기(120)와, 승압변압기(120)의 DC 출력단에 결합되는 DC 링크 커패시터부(130)와, DC 링크 커패시터부(130)의 DC 전압을 입력 받으며, 서브모듈(1)에 공급되는 전류 및 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에 인가되는 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 인버터부(140)와, 인버터부(140)와 서브모듈(1) 사이에 결합되어 서브모듈(1)로 공급되는 전류를 인버터부(140)로 피드백하는 인덕터부(150)를 포함한다.
이 때, 인덕터부(150)는 필터부로, 스위치 제어부(300)는 펄스 조절부로 각각 구현되어 있다.
또한, 서브모듈(1)에 공급되는 전류의 크기와 형태 및 서브모듈(1)의 커패시터에서의 전압의 크기 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부(200)와 서브모듈의 스위치의 스위칭을 제어하는 스위치 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
제어부(200)는 서브모듈(1)로 공급되는 전류의 크기와 형태 및 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에서의 전압의 크기 중 적어도 어느 하나를 제어한다. 이를 위해, 제어부(200)는 인버터부(140)를 이용하여 커패시터(Csm)에서의 전류 및 전압을 제어할 수 있다. 인버터부(140)를 이용하여 인덕터부(150)에 흐르는 전류를 제어하는 것이다.
도 4에는 제어부(200)가 필터부(150)로부터 전류를 피드백받고, 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)로부터 전압을 피드백받아 인버터부(140)를 제어하는 구성이 도시되어 있다.
도 5는, 도 3의 실제 구형 회로의 일 예로서, 상기 다중펄스 승압변압기(120)가 12펄스 승압변압기로 도시되어 있다. 12펄스 승압변압기는 단순한 구조와 비용절감 차원에서 바람직한 구조로서, 3상 브리지 다이오드 정류기 두 대가 Y/Y/△ 3권선 변압기를 통해 직렬 연결된 구조이다.
각각의 3상 브리지 다이오드 정류기는 각 전압간 30도의 위상차이를 갖게 되고, 그 결과 비교적 평활한 전압을 출력하게 된다.
도 7은 커패시터 전압 제어 시뮬레이션 결과가 도시된 그래프이다. 도 7에는 서브모듈의 커패시터의 전압 V c_out 을 인버터부(140)의 전압 제어 기능을 이용하여 시뮬레이션한 결과가 도시되어 있다.
제어부(200)는 인버터부(140)를 이용하여 필터부(150)에 흐르는 전류의 옵셋 전류의 크기를 조절할 수 있다. 즉 전류 옵셋을 양의 방향으로 증가시키면 커패시터(Csm)의 충전량이 많아지므로 전압이 상승하고, 전류 옵셋을 음의 방향으로 증가시키면 커패시터(Csm)의 방전량이 많아지므로 서브모듈(1)의 커패시터(Csm) 전압이 감소한다. 이러한 인버터부(140)의 전압 제어기능을 통해서 서브모듈(1)에 DC 전압 역시 제어가 잘 됨을 확인할 수 있다.
도 8은 서브모듈에 흐르는 전류의 옵셋 조절 기능을 시뮬레이션한 결과가 도시된 그래프이다. 도 8a는 옵셋 0%로 충전량과 방전량이 동일한 파형이며, 도 8b는 +20%의 옵셋을 인가한 전류 파형이고, 도 8c는 -20%의 옵셋 전류를 인가한 파형이다. 이와 같이, 옵셋 전류 조절 기능을 통해서 실제 HVDC 시스템에 흐르는 전류 스트레스를 모의할 수 있다.
스위치 제어부(300)는 서브모듈(1)의 스위치의 스위칭을 제어한다. 도 9는 도 5의 인버터부(140) 및 서브모듈(1) 스위치의 스위칭 파형을 도시한 그래프이다. 도 9에는 서브모듈 성능평가장치의 인버터부(140) 및 테스트용 서브모듈(1)에 인가되는 스위칭 전압 전류 파형이 도시되어 있다.
제안하는 서브모듈 성능평가장치는 인버터부(140)에서 전류 제어를 통해서 서브모듈(1)에 인가되는 입력 전류를 제어할 수 있기 때문에, 사인 파형 및 고주파가 결합된 형태의 실제 HVDC 시험 조건에 일치하는 전류 파형을 생성해 낼 수 있다.
도 9의 인버터 제어 전류 Iref와 같이 기본파에 2고조파를 결합한 형태로 HVDC 서브모듈(1)에 흐르는 실제 전류의 파형과 같으며, 제안하는 장치는 이런 형태의 전류를 용이하게 구현할 수 있다.
제안하는 서브모듈 성능평가장치의 동작 모드는 인버터부(140)의 전류 I L 방향에 따라서 크게 충전과 방전 모드로 구분할 수 있다. 충전과 방전 모드는 인버터 전류가 양의 방향 혹은 음의 방향일 때로 나눌 수 있으며, 각각에 방향에 맞는 스위칭 패턴을 펄스 조절부(300)에서 제어한다.
도 10은 인버터 전류가 양의 방향일 때 스위치의 동작 모드가 도시된 도면이다. 도 10에는 I L 전류가 양의 방향일 때의 커패시터를 충전하는 모드 스위칭 패턴이 도시되어 있다.
T1 시간에 사인파 전류가 양의 방향일 때 S1은 항상 OFF 상태를 유지한다. 이때 PWM 스위칭을 하는 스위치는 S2이며, S2의 스위칭 동작에 따라서 I L 전류가 쵸핑되어 커패시터에 흐르는 전류 I c_out 이 흐르게 된다.
S2가 ON 되었을 때, 전류는 S2 스위치를 통해서 흐른다. 도 10a에서는 전류가 양의 방향으로 바이패스되는 경우의 스위치의 동작 모드가 도시되어 있다. 이때는 인버터부의 전류가 바이패스되어 흐르는 모드이며, 이때 커패시터 C out 에 흐르는 전류는 0이다.
동시에 C out 에 충전된 전압은 S1 스위치의 다이오드에 의해서 방전 패스가 차단되어 전압이 방전되지 않는다. S2가 OFF 되었을 때, IL의 전류는 S1의 다이오드를 통해서 커패시터로 흐르게 된다. 이때 동시에 커패시터에 전압을 충전한다. 도 10b에는 전류가 양의 방향으로 충전되는 경우의 스위치의 동작 모드가 도시되어 있다.
도 11은 인버터 전류가 음의 방향일 때 스위치 동작 모드가 도시된 도면이다. 도 11에는 I L 전류가 음의 방향일 때의 커패시터를 방전하는 모드 스위칭 패턴이 도시되어 있다.
T2 시간에 사인파 전류가 음의 방향일 때 S2은 항상 OFF 상태를 유지한다. 이때 PWM 스위칭을 하는 스위치는 S1이며, S1의 스위칭 동작에 따라서 I L 전류가 쵸핑되어 커패시터로부터 방전되는 전류 I c_out 이 흐르게 된다.
S1이 OFF 되었을 때, 전류는 S2 스위치의 다이오드를 통해서 흐른다. 이때는 인버터부의 전류가 바이패스되어 흐르는 모드이며, 이때 커패시터 C out 에 흐르는 전류는 0이다. 동시에 C out 에 충전된 전압은 S1 스위치의 다이오드에 의해서 방전 패스가 차단되어 전압이 방전되지 않는다. 도 11a에는 전류가 음의 방향으로 바이패스되는 경우의 스위치의 동작 모드가 도시되어 있다.
S1이 ON 되었을 때, IL의 전류는 S1의 스위치를 통해서 커패시터로부터 흐르게 된다. 이때 동시에 커패시터에 전압을 방전된다. 도 11b에서는 전류가 음의 방향으로 방전되는 경우의 스위치의 동작 모드가 도시되어 있다.
제안하는 회로의 스위칭 패턴은 서브모듈의 스위치 및 커패시터에 인가되는 전류 IL을 연속적으로 흐르게 할 수 있고, 다양한 스위칭 스트레스 패턴을 만들어서 서브모듈을 테스트할 수 있다. 이 특성을 이용해서 실제 서브모듈에 인가되는 전류 모의하여 안정적으로 쵸핑할 수 있게 된다. 예시는 Half-bridge 형태의 서브모듈의 동작만 들었지만 Full-bridge 형태의 서브모듈에도 동일한 방식으로 적용 가능하다.
데이터 측정부(400)는 커패시터에서의 전압 및 전류 데이터를 측정하며, 상태 평가부(500)는 측정된 전압 및 전류 데이터를 이용하여 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈(1)의 상태를 평가한다.
이와 같은 구성에 의하면, 검사 대상 서브모듈의 스위치를 실제 사용시와 동일하게 제어함으로써, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터 소자가 실제 동작시에 발생할 수 있는 다양한 동작 조건을 다양한 특성의 커패시터에 대해 인가할 수 있어, 검사 대상 커패시터의 신뢰도를 보장할 수 있게 된다.
또한, 별도의 복잡한 회로 없이, 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함된 커패시터는 물론 서브모듈 자체의 검사도 수행할 수 있게 된다.
용량 산출부(600)는 측정된 전압 및 전류 데이터를 이용하여 커패시터(Csm)의 용량을 산출한다. 이로 인해, 제안하는 서브모듈 성능평가장치는 서브모듈(1)에 존재하는 커패시터(Csm)의 충방전 테스트를 진행하면서 동시에 커패시터(Csm) 용량을 추정할 수 있다.
도 12는 커패시터 용량 추정 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 시스템 동작중 테스트하려는 커패시터(Csm)의 전압 (V c_Test ) 및 흐르는 전류 (I c_Test )를 측정해서 커패시터(Csm)의 용량을 실시간으로 측정할 수 있다.
Figure pat00002
위 커패시터(Csm)의 전류와 전압관계 식을 이용하여, 커패시터(Csm)의 충전전압 (V c_Test )의 차이 △V c1 과 △V c2 를 측정할 수 있다. 커패시터(Csm)에 흐르는 전류 (I c_Test )는 인버터부에서 전류 Peak 크기를 알 수 있으며, 전류 초핑부에서는 전류 쵸핑 패턴을 이용해서 평균 전류량을 계산할 수 있다.
쵸핑된 사인파 전류를 주파수가 f p , △T1과 △T 2 시간의 평균 전류를 i c.av1 과 i c.ac2 라 정의한다면, 커패시터(Csm)의 용량 C Test 는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
위 수식을 이용해서 커패시터(Csm) 충방전 테스트 및 커패시터(Csm) 용량 추정을 동시에 수행할 수 있다. 이와 같이, 제안하는 장치는 HVDC용 서브모듈(1)에 스위치류(S1, S2)와 커패시터(Csm)에 실제 HVDC 장치와 동일한 전압과 전류 스트레스를 인가함과 동시에 커패시터(Csm)의 용량을 추정할 수 있는 장점을 가진다.
정리하면, 제안하는 서브모듈 성능평가장치는 다중펄스 승압변압기와 인버터부와 테스트 대상인 HVDC용 서브모듈(서브모듈) 테스트 회로로 구성된다. 다중펄스 승압변압기는 입력 AC 전압을 승압 및 변압하여 인버터부의 입력 전압에 적합한 DC 전압으로 정류하는 역할을 한다. 인버터부는 인덕터 L에 흐르는 전류의 크기 및 모양을 제어한다.
서브모듈 테스트 회로는 HVDC용으로 개발된 서브모듈을 그대로 활용 가능한 장점을 가진다. 인버터부에서 제어되는 전류 파형을 서브모듈 테스트 회로에서 쵸핑하여 서브모듈의 커패시터 C out 에 쵸핑 전류 I c_out 와 DC 전압을 인가한다. 쵸핑 전류 I c_out 을 스위치에 스트레스 없이 흘려줄 수 있도록 스위치의 스위칭 패턴을 도 9에 제안하였다.
따라서 제안하는 장치는 HVDC용 서브모듈에 실제 정격 전류와 같은 패턴의 전류를 인가하여 서브모듈용 스위치를 테스트함과 동시에 서브모듈에 존재하는 커패시터에 실제 전류와 동일한 스트레스의 전류 패턴 및 전압을 인가할 수 있다.
이를 위해, 테스트하려는 서브모듈(1)에 인가되는 전압 및 전류의 크기는 인버터부(140)에서 전압 및 전류 피드백을 통해서 제어된다. 인버터부(140)는 필터부(150)의 인덕터의 전류 크기를 제어한다.
테스트를 위한 서브모듈(1)에서는 인버터부(140)에서 발생한 전류를 스위치(S1, S2)에 스트레스 없이 쵸핑한다. 쵸핑의 듀티 크기 및 패턴은 펄스 조절부(300)에서 결정한다. 전류 쵸핑부(300)를 통해서 쵸핑된 전류가 테스트하려는 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에 인가된다.
한편, 제안하는 서브모듈 성능평가장치는 도 5과 같은 형태의 기본적인 형태뿐만 아니라 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이를 위해, 다중펄스 승압변압기와 인버터부가 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 13은 도 3을 실제 구현한 다른 예들의 회로도이다. 도 13에서 다중펄스 승압변압기는 각각 18펄스 승압변압기와 24펄스 승압변압기로 구현되어 있다. 12펄스 승압변압기가 적용되는 것이 바람직하나, 상황에 따라 18펄스 또는 24펄스 승압변압기가 적용될 수 있으며, 3상 브리지 다이오드 정류기의 개수와 연결방법은 다양할 수 있다. 이러한 전력 변환 토폴로지는 테스트하려는 서브모듈의 입출력 사양 및 용량에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
또한, 테스트용 서브모듈도 다양한 형태가 적용 가능한데, 도 14a는 도 5와 다른 형태의 서브모듈을 검사하는 예가 도시된 도면이고, 도 14b는 서브모듈이 확장된 밸브(Valve)를 검사하는 예가 도시된 회로도이다. 도 14a에는 Full-bridge 서브모듈을 검사하는 회로가 도시되어 있고, 도 14b에는 서브모듈들로 구성된 Valve를 검사하는 예가 도시되어 있다.
특히, 도 14b에 도시된 바와 같이 제안하는 서브모듈 성능평가장치는 한 개의 서브모듈이 아닌 서브모듈 다수대가 직렬로 연결된 구조의 Valve 형태의 구조에도 적용할 수 있다. 다수대의 직렬로 연결된 서브모듈에 입력되는 입력 전류를 인버터부의 제어를 통해서 생성하고 이를 각각의 서브모듈의 스위칭을 통해서 실제 HVDC의 Valve에 흐르는 전류 스트레스를 인가하는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
100: 전원 공급부
110: AC전원
120: 다중펄스 승압변압기
130: DC 링크 커패시터
140: 인버터부
150: 인덕터부

Claims (10)

  1. 적어도 한 쌍의 IGBT부(S1, S2) 및 적어도 하나의 커패시터(Csm)를 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 서브모듈(1)의 성능평가장치로서,
    상기 서브모듈(1)에 3상 AC전원을 공급하는 AC전원부(110)와,
    상기 AC전원부(110)로부터 전달받은 3상 AC전원을 승압하여 정류하는 다중펄스 승압변압기(120)와,
    상기 승압변압기(120)의 DC 출력단에 결합되는 DC 링크 커패시터부(130)와,
    상기 DC 링크 커패시터부(130)의 DC 전압을 입력 받으며, 상기 서브모듈(1)에 공급되는 전류 및 상기 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에 인가되는 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하기 위한 인버터부(140)와,
    상기 인버터부(140)와 상기 서브모듈(1) 사이에 결합되어 상기 서브모듈(1)로 공급되는 전류를 상기 인버터부(140)로 피드백하는 인덕터부(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브모듈(1)에 공급되는 전류의 크기와 형태 및 상기 서브모듈의 커패시터에서의 전압의 크기를 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브모듈(1)의 스위치의 스위칭을 제어하는 스위치 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 다중펄스 승압변압기(120)는 12펄스, 18펄스, 24펄스 승압변압기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부(200)는 상기 인버터부(140)를 이용하여 상기 커패시터에서의 전류 및 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부(200)는 상기 인덕터부(150)로부터 전류를 피드백받고, 상기 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)로부터 전압을 피드백받는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 서브모듈(1)의 커패시터(Csm)에서 측정된 전압 및 전류 데이터를 이용하여 상기 커패시터(Csm)의 용량을 산출하는 용량 산출부(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 커패시터의 용량 C Test 은,
    Figure pat00004

    의 수학식에 의해 산출되고, △V c1 과 △V c2 는 각각 정현파 반주기 시간 △T1과 △T 2 동안의 커패시터의 최대 충전 전압의 차이이고, i c.av1 과 i c.ac2 는 △T1과 △T 2 시간 동안의 평균 전류이며, f p 는 쵸핑된 정현파 전류의 주파수인 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 서브모듈(1)은 미리 설정된 복수의 종류 중에서 선택될 수 있고,
    상기 스위치 제어부(400)는 선택된 상기 서브모듈의 종류에 따라 상기 서브모듈 스위치의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 미리 설정된 복수의 종류는 상기 서브모듈(1)로 구성된 밸브(Valve)의 종류를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브모듈 성능평가장치.
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