KR20210097480A

KR20210097480A - Hvdc 시스템용 서브모듈 냉각장치

Info

Publication number: KR20210097480A
Application number: KR1020200011237A
Authority: KR
Inventors: 정홍주; 박용희; 양창환
Original assignee: 효성중공업 주식회사
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-09

Abstract

본 발명에 따른 HVDC시스템의 서브모듈을 냉각하는 장치는, 서브모듈, 서브모듈에 삽입되며 전력 소자가 배치되는 방열판, 방열판에 일측이 결합되며 타측이 서브모듈의 외부로 노출되게 구비된 열전도부재, 서브모듈의 외부에 구비된 열교환부, 및 열전도부재의 타측단부가 열교환부에 인입되게 구비될 수 있다.

Description

HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치{Sub Module Chiller for High Voltage Direct Current System}

본 발명은 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템용 서브모듈 냉각장치에 관한 것으로서 특히, 초고압 직류 송전 과정 중 서브모듈에서 발생되는 열을 외부로 전도시켜 신속하게 냉각될 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 초고압 직류 송전(HVDC; High Voltage Direct Current) 시스템은 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜 송전하고, 수전단에서 교류로 재변환하여 부하에 전력을 공급하도록 한다. 이러한 HVDC 시스템은 전압 승압을 통하여 효율적이고, 경제적인 전력전송이 가능하고 이종계통 연계, 장거리 고효율 송전 등의 장점을 갖는다.

HVDC 시스템에는 전력송전 및 무효전력 보상을 위해 MMC 컨버터 (Modular Multilevel Converter)가 연계될 수 있다. 이러한 MMC 컨버터에는 다수의 서브모듈(sub-module)이 직렬로 연결된다. MMC 컨버터에서 서브모듈은 매우 중요한 요소로서 별도 마련된 제어기에 의해 제어되는데, 서브모듈의 고전압을 서브모듈 제어기의 구동전원으로 이용하기 위해서는 서브모듈 제어기에 필요한 저전압으로 변환하는 전원장치가 필요하다.

MMC 컨버터의 서브모듈 제어기용 전원 시스템에서는 MMC 컨버터의 각 상(Phase)에 구성되는 서브모듈에서 저장되는 고전압을 DC/DC컨버터를 이용해 저전압으로 변환하여 변환된 전력을 서브모듈 제어기에 전원으로 공급하였다.

한편, 공개특허공보 제10-2017-0062065호(2017.06.07)에서 HVDC 시스템의 서브모듈 및 그 냉각구조가 제안되었고, 제안된 서브모듈 및 냉각구조는 커패시터의 상면에 밀착되는 냉각플레이트 내부로 냉매유로가 형성되며, 냉매유로에 하우징의 전면으로 돌출된 냉매유입구와 냉매유출구에 의하여 냉매가 순환되어 냉각이 이루어지도록 하였다.

그러나, 이러한 기존의 냉각구조는 사용 과정에서 순환되는 냉매가 외부로 누수되는 현상이 발생하였고, 이로 인해 시스템의 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2017-0062065호(2017.06.07)

본 발명은 HVDC 시스템의 서브모듈에 대해 냉각수를 이용하지 않고 서브모듈의 냉각이 이루어지도록 함으로써 서브모듈의 냉각시 냉각수의 누수를 방지할 수 있는 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 HVDC 시스템의 서브모듈에 대한 냉각 시 냉각수의 누수를 방지할 수 있어 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 HVDC시스템의 서브모듈을 냉각하는 장치는, 서브모듈, 상기 서브모듈에 삽입되며 전력 소자가 배치되는 방열판, 상기 방열판에 일측이 결합되며, 타측이 상기 서브모듈의 외부로 노출되게 구비된 열전도부재, 상기 서브모듈의 외부에 구비된 열교환부, 및 상기 열전도부재의 타측단부가 상기 열교환부에 인입되게 구비될 수 있다.

이때, 상기 열전도부재는 히트 파이프로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 열전도부재는, 진공력이 유지되도록 내,외부가 차단된 열전도 함체, 상기 열전도 함체의 내벽에 소정 두께를 갖도록 구비된 윅부재, 및 상기 윅부재의 내부로 제공되는 공간에 채워진 작동유체를 포함하고,

상기 열전도 함체는, 상기 방열판으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 상변화가 이루어지도록 구비된 증발부, 상기 열교환부에서 열을 빼앗기면서 액체상태로 상변화가 이루어지도록 구비된 응축부, 및 상기 증발부와 상기 응축부 사이에 구비된 단열부가 포함될 수 있다.

또한, 상기 열전도 함체는 평판형태를 갖도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 윅부재는, 가는 금속선이 그물 형상을 갖도록 하여 내부에 다공성 구조가 제공되는 랩드 스크린 타입(Wrapped Screen Type), 금속 파우더를 소결시켜 다공성 구조가 제공되는 신터 메탈 타입(Sintered Metal Type), 열전도 함체의 내벽에 홈을 형성하여 작동 유체가 흐르도록 하는 액시얼 그루브 타입(Axial Groove Type) 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 열교환부는, 열전도부재 삽입구, 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 구비된 열교환 탱크, 및 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구에 각각 결합된 냉각수 인렛 파이프 및 냉각수 아웃렛 파이프를 포함할 수 있다.

이때, 상기 냉각수 인렛 파이프 및 냉각수 아웃렛 파이프를 갖는 열교환부는 컨버터 밸브 프레임과 등전위 케이블로 결선될 수 있다.

또한, 상기 등전위 케이블로 결선되는 열교환부는 양끝에 위치한 것 중의 하나로서 가장 낮은 전위에 위치한 것일 수 있다.

본 발명은 HVDC 시스템의 서브모듈에 대해 냉각수를 이용하지 않고 서브모듈의 냉각이 이루어지도록 함으로써 서브모듈의 냉각시 냉각수의 누수를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 HVDC 시스템의 서브모듈에 대한 냉각 시 냉각수의 누수를 방지할 수 있어 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치를 도시한 예시도.
도2는 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치에 있어 열전도부재를 확대 도시한 예시도.
도3은 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치의 다른 실시예를 도시한 예시도.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 HVDC 시스템의 제어기 보드 ID 설정 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치를 도시한 예시도이고, 도2는 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치에 있어 열전도부재를 확대 도시한 예시도이다.

본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치는 냉각수를 사용하지 않고 냉각이 이루어지도록 하여 서브모듈을 냉각시키는 과정에서 누수현상이 발생되는 것을 방지하여 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것으로, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 서브모듈(100), 방열판(200), 열전도부재(300) 및 열교환부(400)를 포함한다.

여기에서, 서브모듈(100)은 송전 용량에 따라 여러 개가 일방향으로 구비된 것으로 동작 특성상 많은 열이 발생하게 되므로, 냉각 장치를 통해 발생되는 열이 제거되도록 이루어져 있다.

방열판(200)은 서브모듈(100)에 삽입된 것으로, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 전면부에 구비되어 있고, 열전도부재(300)는 방열판(200)에 일측이 결합되며, 타측은 서브모듈(100)의 외부로 노출되게 구비되어 있다.

이때, 열전도부재(300)는 히트 파이프로 구비되어 방열판(200)에서 발생된 열이 외부로 신속하게 전도되도록 할 수 있으며, 이러한 열전도부재(300)는 도2에서와 같이 열전도 함체(310), 윅부재(320), 작동유체(330), 증발부(340), 응축부(350) 및 단열부(360)가 포함되도록 구비되어 있다.

여기에서, 상기 열전도 함체(310)는 내,외부가 차단된 형태를 갖도록 하는 가운데 소정의 진공력이 유지되도록 구비되어 작동유체(330)의 증발이 원활하게 이루어질 수 있도록 형성되어 있으며, 또한 평판형태를 갖도록 이루어져 공간 활용율을 높일 수 있도록 되어 있다.

한편, 본 실시예에서는 이러한 열전도 함체(310)가 평판형태를 갖도록 하였으나, 평판형태 이외에 원통형태를 갖도록 할 수도 있으며, 경우에 따라 표면에 다수개의 냉각핀이 더 구비되도록 할 수 있다.

상기 열전도 함체(310)는 높은 열 전도율을 갖도록 하기 위해 두께가 얇은 동, 알루미늄, 스테인레스로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 윅부재(320)는 모세관력이 발생되도록 하는 것으로 열전도 함체(310)의 내벽에 소정 두께를 갖도록 구비되어 있다. 이러한 상기 윅부재(320)는 가는 금속선이 그물 형상을 갖도록 하여 내부에 다공성 구조가 제공되는 랩드 스크린 타입(Wrapped Screen Type)을 갖도록 구비되어 있다.

상기 윅부재(320)는 가는 금속선이 그물 형상을 갖도록 하는 랩드 스크린 타입 이외에 금속 파우더를 소결시켜 다공성 구조가 제공되는 신터 메탈 타입(Sintered Metal Type), 열전도 함체(310)의 내벽에 홈을 형성하여 작동 유체가 흐르도록 하는 액시얼 그루브 타입(Axial Groove Type) 중 어느 하나가 포함되도록 하는 것이 더 바람직하다.

상기 작동유체(330)는 윅부재(320)의 내부로 제공되는 공간에 채워진 것으로, 작동온도가 -70~200℃ 인 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하고, 경우에 따라서는 작동온도가 200~500℃인 나프탈렌, 유황, 수은 중 어느 하나가 이용되도록 할 수 있다.

상기 증발부(340)는 방열판(200)으로부터 열을 흡수하여 작동유체(330)가 기체상태로 상변화가 이루어지도록 열전도 함체(310)에 구비되어 있고, 상기 열교환부(400)에서 열을 빼앗기면서 액체상태로 상변화가 이루어지도록 구비된 응축부(350)가 증발부(340)와 대응되도록 형성되어 있다.

상기 단열부(360)는 증발부(340)와 응축부(350) 사이에 구비되어 열손실이 방지될 수 있도록 이루어져 있다.

한편, 열교환부(400)는 열전도부재(300)를 통해 방열판(200)으로부터 전도된 열이 열교환을 통해 신속하게 냉각될 수 있도록 구비된 것으로, 열교환부(400)에 열전도부재(300)의 타측 단부가 소정 깊이로 인입되게 형성되어 있어 원활한 열교환이 이루어질 수 있도록 되어 있다.

이러한 상기 열교환부(400)는 열교환 탱크(410)의 상부에 열전도부재 삽입구(411)가 구비되어 있고, 하부에 냉각수 유입구(412) 및 냉각수 배출구(413)가 형성되어 있다.

상기 냉각수 유입구(412)와 냉각수 배출구(413)에는 냉각수 인렛, 아웃렛 파이프(420,421)가 각각 결합되도록 구비되어, 열교환이 이루어진 냉각수가 열교환 탱크(410)의 외부로 신속하게 배출되고 새로운 냉각수가 열교환 탱크(410)의 내부로 신속하게 공급되도록 하고 있다.

이상과 같은 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치를 통해 서브모듈의 냉각이 이루어지는 방법에 대해 설명하면, 먼저 서브모듈(100)의 IGBT에서 발생된 열은 방열판(200)으로 전도되고, 방열판(200)으로 전도된 열은 이어 히트 파이프(300)로 전도된다.

다음, 히트 파이프(300)로 전도된 열에 의하여 증발부(340)에 위치된 작동유체(330)에서 증발이 일어나고, 증발된 작동유체(330)는 기체상태에서 응축부(350)로 이동하게 된다.

응축부(350)로 이동된 기체상태의 작동유체(330)는 열교환부(400)의 열교환탱크(410)로 공급되어 배출되는 냉각수에 의하여 열교환이 이루어지는 과정에서 액체상태로 변화된다.

이후, 액체상태로 변환된 작동유체(330)는 윅부재(320)을 통해 증발부(340)로 이동하여 순환되는 과정이 반복되며 방열판(200)의 냉각이 이루어지게 된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, HVDC 시스템의 서브모듈에 대해 냉각수를 이용하지 않고 서브모듈의 냉각이 이루어지도록 함으로써 서브모듈의 냉각시 냉각수의 누수를 방지할 수 있으며, 이를 통해 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도3은 본 발명에 따른 HVDC 시스템용 서브모듈 냉각장치의 다른 실시예를 도시한 예시도이다.

상기의 실시예에서는 하나의 서브모듈(100)에 대한 냉각 방식에 초점을 맞춰 설명하였으나, 본 발명은 이러한 형태 이외에 도3에 도시된 바와 같이, 복수의 서브모듈(100)에 대해 냉각수 인렛 파이프(420) 및 냉각수 아웃렛 파이프(421)를 갖는 열교환부(400)를 구비하고, 상기 열교환부(400)와 컨버터 밸브 프레임(500)에 등전위 케이블(510)이 결선되도록 할 수 있다.

이때, 등전위 케이블(510)이 결선되는 열교환부(400)는 양끝에 위치한 것 중의 하나로서, 바람직하게는 가장 낮은 전위에 위치한 열교환부(400)가 컨버터 밸브 프레임(500)에 결선되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이를 통해 기존의 냉각수 등전위 케이블을 대체할 수 있어 기존 케이블 결선의 길이와 복잡성을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면의 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 상기의 실시예와 도면에 의해 한정되지 않고 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 서브모듈 200 : 방열판
300 : 열전도부재 310 : 열전도 함체
320 : 윅부재 330 : 작동유체
340 : 증발부 350 : 응축부
360 : 단열부 400 : 열교환부
410 : 열교환 탱크 411 : 열전도부재 삽입구
412 : 냉각수 유입구 413 : 냉각수 배출구
420 : 냉각수 인렛 파이프 421 : 냉각수 아웃렛 파이프

Claims

HVDC시스템의 서브모듈을 냉각하는 장치로서,
서브모듈;
상기 서브모듈에 삽입되며 전력 소자가 배치되는 방열판;
상기 방열판에 일측이 결합되며, 타측이 상기 서브모듈의 외부로 노출되게 구비된 열전도부재;
상기 서브모듈의 외부에 구비된 열교환부; 및
상기 열전도부재의 타측단부가 상기 열교환부에 인입되게 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 열전도부재는,
히트 파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 열전도부재는,
진공력이 유지되도록 내,외부가 차단된 열전도 함체;
상기 열전도 함체의 내벽에 소정 두께를 갖도록 구비된 윅부재; 및
상기 윅부재의 내부로 제공되는 공간에 채워진 작동유체를 포함하고,
상기 열전도 함체는,
상기 방열판으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 상변화가 이루어지도록 구비된 증발부;
상기 열교환부에서 열을 빼앗기면서 액체상태로 상변화가 이루어지도록 구비된 응축부; 및
상기 증발부와 상기 응축부 사이에 구비된 단열부가 포함됨을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제3항에 있어서,
상기 열전도 함체는,
평판형태를 갖도록 구비됨을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제3항에 있어서,
상기 윅부재는,
가는 금속선이 그물 형상을 갖도록 하여 내부에 다공성 구조가 제공되는 랩드 스크린 타입(Wrapped Screen Type), 금속 파우더를 소결시켜 다공성 구조가 제공되는 신터 메탈 타입(Sintered Metal Type), 열전도 함체의 내벽에 홈을 형성하여 작동 유체가 흐르도록 하는 액시얼 그루브 타입(Axial Groove Type) 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 열교환부는,
열전도부재 삽입구, 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 구비된 열교환 탱크; 및
상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구에 각각 결합된 냉각수 인렛 파이프 및 냉각수 아웃렛 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제6항에 있어서,
상기 냉각수 인렛 파이프 및 냉각수 아웃렛 파이프를 갖는 열교환부는,
컨버터 밸브 프레임과 등전위 케이블로 결선되어 있음을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.
제7항에 있어서,
상기 등전위 케이블로 결선되는 열교환부는 양끝에 위치한 것 중의 하나로서 가장 낮은 전위에 위치한 것임을 특징으로 하는 HVDC용 서브모듈 냉각장치.