KR20210120250A - 모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

MMC 컨버터의 제어장치가 개시된다. 상기 제어장치는 는, 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성되며 DC 링크에 연결된 복수의 컨버터 암을 포함하는 MMC 컨버터의 제어장치에 있어서, 상기 컨버터 암의 암전류를 검출하여 DC 사고 발생을 판단하고 상기 DC 사고 발생이 판단되면 서브모듈을 보호하기 위한 바이패스 제어신호를 전송하고 상기 DC 사고를 통보하는 암제어기; 상기 암제어기로부터 수신된 상기 바이패스 제어신호에 따라 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 상기 서브모듈을 제어하는 서브모듈제어기; 상기 컨버터 암의 암전류 및 상기 DC 링크의 전압(DC 링크 전압)을 실시간 검출하고, 상기 암제어기로부터 상기 DC 사고 발생이 통보되면 상기 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 DC 사고가 일시적 DC 사고인지 또는 영구적 DC 사고인지를 판단하여 상기 암제어기로 상기 서브모듈의 정상동작을 위한 정상동작 제어신호 또는 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 제어신호를 전송하는 메인제어기를 포함한다.

Description

모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어장치 및 제어방법{Apparatus and method for controlling Modular Multilevel Converter}
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter,MMC)에 관한 것으로, 특히 MMC 컨버터의 DC 사고를 정확히 감지하고 빠른 속도로 보호할 수 있도록 제어하는 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
고전압 직류송전(High Voltage Direct Current, HVDC) 시스템은 송전단에서 AC/DC 변환기를 이용하여 AC 전력을 DC 전력으로 변환시켜 전력을 전송하고 수전단에서 다시 DC/AC 변환기를 이용하여 AC 전력을 공급한다.
이러한 HVDC 송전방식은 전압승압을 통하여 효율적이고 경제적인 전력전송이 가능하고 이종계통 연계, 장거리 고효율 송전 등의 장점을 갖는다.
HVDC 시스템에는 MMC 컨버터가 연계될 수 있다. MMC 컨버터는 다수의 서브모듈(Sub-Module, SM)이 직렬로 연결되어 컨버터 암(arm)을 구성하는 컨버터이다.
이러한 MMC는 다중 컨버터가 가지는 고전압 및 대용량의 전압 출력을 나타낼 수 있고 계단식의 출력으로 출력 전압을 조절할 수 있다.
그런데, MMC 컨버터는 AC 사고에 대한 대책은 많이 제안되었으나, DC 사고에 대한 대책이 거의 없는 실정이다. MMC 컨버터에서 DC 링크에 발생하는 단락 사고는 MMC 컨버터에 연계된 시스템에 악영향을 주기 때문에 최대한 빠른 시간에 컨버터를 정지하고 메인차단기를 개방하여 시스템을 보호해 주어야 한다.
종래에 MMC 컨버터의 DC 사고 감지는 컨버터 암을 통해 흐르는 암전류를 계측하여 과전류 발생 여부를 확인하여 DC 사고를 감지한다. 하지만, 이 경우 6개의 암전류를 모두 계측하여야 하므로 빠른 감지가 어렵다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1882908호에는 암전류를 기반으로 MMC 컨버터의 DC 사고를 감지하는 방안이 제시되어 있다. 하지만 상기 선행특허는 암전류만 계측하여 과전류 감지를 통해 DC 사고를 판단하므로 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 모든 컨버터 암의 암전류를 측정하여 DC 사고에 대처하기 때문에 MMC 컨버터의 보호동작이 늦다는 문제점이 있다.
이에, 기존 MMC 컨버터의 DC 사고 감지 기술에 대한 한계성을 극복하기 위한 DC 사고 감지 및 보호를 위한 제어 방안이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-1882908호
본 발명은 MMC 컨버터에서 DC 사고를 보다 빠르게 감지하는 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 MMC 컨버터에서 암전류와 DC 링크전압을 동시에 확인하여 DC 사고 감지의 신뢰성을 높일 수 있는 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 MMC 컨버터의 메인제어기뿐만 아니라 암제어기에서도 암전류를 계측하고 암제어기에서도 서브모듈의 동작을 제어할 수 있도록 하여 DC 사고시 빠른 대처가 가능하도록 하는 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 MMC 컨버터에서 모든 컨버터 암의 암전류에 과전류가 발생하지 않는 순간적인 DC 사고시에는 서브모듈을 정상동작으로 복귀하도록 하여 MMC 컨버터의 운용에 유연성을 발휘할 수 있도록 하는 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어장치는, 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성되며 DC 링크에 연결된 복수의 컨버터 암을 포함하는 MMC 컨버터의 제어장치에 있어서, 상기 컨버터 암의 암전류를 검출하여 DC 사고 발생을 판단하고 상기 DC 사고 발생이 판단되면 서브모듈을 보호하기 위한 바이패스 제어신호를 전송하고 상기 DC 사고를 통보하는 암제어기; 상기 암제어기로부터 수신된 상기 바이패스 제어신호에 따라 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 상기 서브모듈을 제어하는 서브모듈제어기; 상기 컨버터 암의 암전류 및 상기 DC 링크의 전압(DC 링크 전압)을 실시간 검출하고, 상기 암제어기로부터 상기 DC 사고 발생이 통보되면 상기 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 DC 사고가 일시적 DC 사고인지 또는 영구적 DC 사고인지를 판단하여 상기 암제어기로 상기 서브모듈의 정상동작을 위한 정상동작 제어신호 또는 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 제어신호를 전송하는 메인제어기를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈은, 복수의 전력용 스위치와, 상기 전력용 스위치에 병렬로 연결된 커패시터를 포함하는 하프브릿지 또는 풀브릿지 회로; 상기 하프브릿지 또는 풀브릿지 회로의 입출력단자 사이에 연결되어 전류를 바이패스시키는 바이패스 스위치를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈제어기는 상기 암제어기로 수신된 상기 바이패스 제어신호에 따라 상기 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 바이패스 스위치를 온시킨다.
본 실시예에서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고이고 다시 정상상태로 복귀하면 상기 암제어기로 상기 서브모듈을 정상동작시키도록 하는 정상동작 제어신호를 전송한다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 정상동작 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 정상적으로 동작하도록 제어한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호가 대응하여 턴오프되어 있는 상기 전력용 스위치를 턴온시키고 온되어 있는 상기 바이패스 스위치를 오프시킨다.
본 실시예에서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 영구적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송한다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 바이패스 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 제어한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 턴오프되어 있는 상기 전력용 스위치를 계속 턴오프로 유지시키고 온되어 있는 상기 바이패스 스위치를 계속 온으로 유지시킨다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 검출된 암전류를 기초로 상기 DC 사고 발생이 판단되면 상기 메인제어기로부터 제어신호의 수신 없이 상기 서브모듈제어기로 상기 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 바이패스 스위치를 온시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송한다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 검출된 암전류가 설정전류보다 큰 경우 상기 DC 사고가 발생한 것으로 판단한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어방법은, 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성되고 DC 링크에 연결된 복수의 컨버터 암을 포함하는 MMC 컨버터의 제어방법에 있어서, 암제어기에서 상기 컨버터 암의 암전류를 검출하여 DC 사고 발생 여부를 판단하는 단계; 상기 DC 사고 발생으로 판단되면 서브모듈제어기로 바이패스 제어신호를 전송하고 메인제어기로 상기 DC 사고 발생을 통보하는 단계; 상기 서브모듈제어기가 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 상기 서브모듈을 제어하는 단계; 상기 메인제어기에서 상기 컨버터 암의 암전류 및 상기 DC 링크의 전압(DC 링크 전압)을 실시간 검출하고, 상기 DC 사고 발생이 통보되면 상기 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단하는 단계; 상기 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지에 따라 상기 메인제어기가 상기 암제어기로 상기 서브모듈의 정상동작을 위한 정상동작 제어신호 또는 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 제어신호를 전송하는 단계를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 서브모듈을 정상동작시키도록 하는 정상동작 제어신호를 전송한다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 정상동작 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 정상적으로 동작하도록 제어한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호가 대응하여 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴온시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 오프시킨다.
본 실시예에서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 영구적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송한다.
본 실시예에서, 상기 암제어기는 상기 바이패스 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 제어한다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 온시킨다.
본 실시예에서, 상기 서브모듈의 동작을 제어하는 단계는, 상기 서브모듈제어기가 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 온시킨다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터에서 컨버터 암의 암전류뿐만 아니라 DC 링크의 전압을 함께 감시함으로써 DC 사고를 보다 빠르게 감지할 수 있다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터에서 암전류와 DC 링크전압을 동시에 감시하므로 DC 사고 감지의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터의 메인제어기뿐만 아니라 암제어기에서도 암전류를 계측하고 암제어기에서도 서브모듈의 동작을 제어할 수 있으므로 DC 사고시 빠른 대처가 가능하다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터에서 모든 컨버터 암의 암전류에 과전류가 발생하지 않는 순간적인 DC 사고시에는 서브모듈을 정상동작으로 복귀하도록 하여 MMC 컨버터의 운용에 유연성을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 개략적인 구성도.
도 2는 상기 MMC 컨버터를 구성하는 서브모듈의 일 실시예.
도 3은 상기 MMC 컨버터를 구성하는 서브모듈의 다른 실시예.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터에서 제어기들의 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어장치의 구성도.
도 6은 상기 MMC 컨버터 제어장치의 동작에 따른 서브모듈에서의 전류흐름을 설명하는 일 예시도.
도 7은 상기 MMC 컨버터 제어장치의 동작에 따른 서브모듈에서의 전류흐름을 설명하는 다른 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어방법을 나타낸 흐름도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터(1)는 DC 계통에 연결되는 DC 링크(link)(11,12)에 복수의 컨버터 암(arm)(13a,13b,13c,14a,14b,14c)이 연결될 수 있고, 각각의 암에는 복수개의 서브모듈(SM)(10)이 서로 직렬로 연결될 수 있다.
각각의 암은 상위 암(13a,13b,13c)과 하위 암(14a,14b,14c)으로 구성될 수 있다. 상위 암과 하위 암의 중간지점에는 복수의 레그(15a,15b,15c)가 연결될 수 있고, MMC 컨버터(1)는 이들 레그(15a,15b,15c)를 통해 AC 계통과 연결될 수 있다.
DC 링크(11,12)에는 DC 링크 전압이 각각 인력 또는 출력될 수 있으며, 이들 두 DC 링크(11,12) 간에는 Pole-to-Pole 전압으로서 DC 전압(Vdc)이 입력 또는 출력될 수 있다.
MMC 컨버터(1)는 DC 링크(11,12)를 통해 DC 계통에서 입력된 DC 링크 전압을 AC 전압으로 변환하여 레그(15a,15b,15c)를 통해 AC 계통으로 전달할 수 있다.
또한, MMC 컨버터(1)는 AC 계통에서 레그(15a,15b,15c)를 통해 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 DC 링크(11,12)를 통해 DC 계통으로 전달할 수 있다.
도 2에는 상기 MMC 컨버터(1)의 컨버터 암을 구성하는 서브모듈(10)의 일 실시예가 도시되고, 도 3에는 이러한 서브모듈(10)의 다른 실시예가 도시된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 각각의 서브모듈(SM)(10)은 한 쌍의 전력용 스위치(21)와, 이들 전력용 스위치(21)에 병렬로 연결된 커패시터(22)를 포함하는 이른바 하프브릿지(half bridge) 회로를 포함할 수 있다. 각각의 전력용 스위치(21)는 전력용 반도체스위치(21a)와 이에 역병렬로 연결될 다이오드(21b)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서 각각의 서브모듈(SM)은 서로 병렬 연결된 두 쌍의 전력용 스위치(31)와, 이들 전력용 스위치(31)에 병렬로 연결된 커패시터(32)를 포함하는 이른바 풀브릿지(full bridge) 회로를 포함할 수 있다. 각각의 전력용 스위치(31)는 전력용 반도체스위치(31a)와 이에 역병렬 연결된 다이오드(31b)를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3에서 서브모듈(10)에서 전력용 스위치(21,31)는 예컨대, IGBT로 구성될 수 있으며, 하기에서 설명될 서브모듈제어기(43)에 의해 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)될 수 있다. MMC 컨버터(1)에서 서브모듈(10)은 중요한 구성요소이며, 전력용 스위치(21,31)의 턴온/턴오프 동작에 의해 MMC 컨버터에서 AC-DC 전압의 변환이 이루어질 수 있다.
서브모듈(10)에는 2개의 입출력단자(X1,X2)가 형성될 수 있으며, 이들 입출력단자(X1,X2)를 통해 다른 서브모듈(10)과 서로 직렬로 연결될 수 있다. 그리고, 최상단 및 최하단의 서브모듈(10)은 각각 DC 링크(11,12)에 연결될 수 있다.
입출력단자(X1,X2) 간에는 바이패스 스위치(23,33)가 연결될 수 있다. 이러한 바이패스 스위치(23,33)는 DC 사고 발생시 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 보호하기 위해 DC 사고 전류를 바이패스시키기 위한 경로를 형성할 수 있다.
상세히, 서브모듈(10)이 정상적으로 동작시 바이패스 스위치(23,33)는 오프되어 전류는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)와 커패시터(22,32)로 흐르고 바이패스 스위치(23,33)로는 전류가 흐르지 않는다.
DC 사고가 발생하면 바이패스 스위치(23,33)가 온될 수 있다. 바이패스 스위치(23,33)가 턴온되면 DC 사고 전류가 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스될 수 있다. 이때, 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)는 턴오프되어 DC 사고 전류의 유입이 차단될 수 있다.
즉, 바이패스 스위치(23.33)의 온되어 DC 사고 전류가 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)가 아니라 우회경로인 바이패스 스위치(24,34)를 통해 바이패스될 수 있다. 이로써 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 DC 사고 전류로부터 보호할 수 있다.
본 실시예에서 바이패스 스위치(23,33)는 예컨대 싸이리스터(thyristor), 기계식 스위치(mechanical switch), 전력용 반도체스위치 등으로 구현될 수 있으며, 이러한 바이패스 스위치(23,33)의 온/오프는 서브모듈제어기(43)에 의해 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터에서 제어기들의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 MMC 컨버터(1)를 제어하기 위한 제어로서 메인제어기(110), 복수의 암제어기(120) 및 복수의 서브모듈제어기(130)를 포함할 수 있다.
서브모듈제어기(130)는 서브모듈(10)마다 내부에 각각 설치될 수 있으며, 해당 서브모듈(10)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 특히, 서브모듈제어기(43)는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)의 턴온/턴오프 및 바이패스 스위치(23,33)의 온/오프를 각각 제어할 수 있다
암제어기(120)는 컨버터 암(13a,13b,13c,14a,14b,14c)마다 구분되도록 설치될 수 있다. 일례로 암제어기(120)는 총 6개가 설치되며, 상위 암(13a,13b,13c)과 하위 암(14a,14b,14c)마다 각각 대응되도록 하나씩 설치될 수 있다.
이러한 암제어기(120)는 상위 암(13a,13b,13c)과 하위 암(14a,14b,14c)을 구성하는 복수의 서브모듈제어기(130)를 제어할 수 있다.
암제어기(120)는 상위의 메인제어기(110)로부터 제어신호 및 데이터를 수신하여 하위의 서브모듈제어기(130)로 전달하고, 역으로 서브모듈제어기(130)로부터 전달되는 상태신호 및 데이터를 메인제어기(110)로 전달할 수 있다.
메인제어기(110)는 MMC 컨버터(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한 메인제어기(110)는 MMC 컨버터(1)가 연계되는 HVDC 시스템(미도시)의 동작을 제어할 수도 있다.
메인제어기(110)는 복수의 암제어기(120)를 제어할 수 있고, 각각의 암제어기(120)는 복수의 서브모듈제어기(130)를 제어할 수 있다. 즉, 메인제어기(110)에서 제어신호를 암제어기(120)로 전달할 수 있고, 암제어기(120)는 전달된 제어신호에 대응하여 서브모듈제어기(130)로 제어신호를 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어장치(100)는 메인제어기(110), 복수의 암제어기(120) 및 복수의 서브모듈제어기(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
메인제어기(110)는 DC 링크(11,12)에 인가된 DC 링크 전압을 검출할 수 있고 복수의 컨버터 암(13a,13b,13c,14a,14b,14c)에 흐르는 암전류를 검출할 수 있다.
이를 위해 메인제어기(110)는 DC 링크 전압을 검출할 수 있는 전압검출부(미도시) 및 컨버터 암에 흐르는 암전류를 검출할 수 있는 전류검출부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 메인제어기(110)는 검출된 DC 링크 전압 및 암전류를 이용하여 서브모듈(10)의 동작에 대한 제어신호를 암제어기(120)로 전달할 수 있다. 이때, 제어신호는 예컨대 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)의 턴온/턴오프 신호 및 바이패스 스위치(23,33)의 온/오프 신호일 수 있다.
암제어기(120)는 복수의 컨버터 암(13a,13b,13c,14a,14b,14c)에 흐르는 암전류를 각각 검출할 수 있다. 이를 위해 암제어기(120)는 암전류를 검출할 수 있는 전류검출부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 암제어기(120)는 검출된 암전류를 기초로 서브모듈(10)의 동작에 대한 제어신호를 서브모듈제어기(130)로 전달할 수 있다. 상기 제어신호는 예컨대 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)의 턴온/턴오프 신호 및 바이패스 스위치(23.33)의 온/오프 신호일 수 있다.
또한, 암제어기(120)는 메인제어기(110)로부터 서브모듈(10)의 동작에 대한 제어신호가 수신되면 서브모듈제어기(130)로 상기 제어신호를 전달할 수 있다.
서브모듈제어기(130)는 암제어기(120)로부터 서브모듈(10)의 동작에 대한 제어신호가 수신되면, 상기 제어신호에 대응하여 서브모듈(10)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 제어신호에 따라 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴온/턴오프하거나 또는 바이패스 스위치(23.33)를 온/오프할 수 있다.
도 6은 상기 MMC 컨버터 제어장치의 동작에 따른 서브모듈에서의 전류흐름을 설명하는 일 예시도이고, 도 7은 상기 MMC 컨버터 제어장치의 동작에 따른 서브모듈에서의 전류흐름을 설명하는 다른 예시도이다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터(1)의 제어장치(100)의 동작을 상세하게 설명한다.
암제어기(120)는 자신이 제어하는 컨버터 암에 흐르는 암전류를 실시간 검출하여 검출된 암전류가 DC 사고 전류인지를 판단할 수 있다.
예컨대, MMC 컨버터(1)에서 DC 사고가 발생하면 DC 사고 전류가 컨버터 암으로 흐를 수 있다. 이때, 암제어기(120)는 암전류를 실시간 검출하여 상기 암전류가 설정전류보다 큰지를 판단할 수 있다.
MMC 컨버터(1)에서 과전류의 원인은 여러 가지가 있을 수 있다. 본 실시예에서는 일례로 DC 사고가 발생하는 경우 컨버터 암에 DC 사고 전류가 흘러 암전류에 과전류가 발생하는 예에 대하여 설명한다.
암제어기(120)는 DC 사고에 의해 암전류가 설정전류보다 큰 DC 사고 전류인 것으로 판단되면 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 보호하기 위한 서브모듈(10)의 바이패스 제어신호를 서브모듈제어기(130)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 이러한 서브모듈(10)의 바이패스 제어신호는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴오프시키고 바이패스 스위치(23,33)를 온시키도록 하는 신호일 수 있다.
이에, 서브모듈제어기(130)는 이러한 바이패스 제어신호에 대응하여 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴오프시키고 바이패스 스위치(23,33)를 온시킬 수 있다.
이로써, DC 사고 전류가 서브모듈(10)의 내부로 유입되지 않고 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스되도록 함으로써 서브모듈(10)을 보호할 수 있도록 한다.
암제어기(120)는 DC 사고에 의해 암전류에 DC 사고 전류가 검출되면 DC 사고 전류 발생을 메인제어기(110)로 통보할 수 있다. 이러한 통보는 DC 사고 발생 또는 과전류 발생에 대한 통보가 될 수도 있다. 본 실시예에서 상기 통보는 DC 사고 발생을 알리는 플래그(flag)를 포함할 수 있다.
한편, 메인제어기(110)는 컨버터 암에 흐르는 암전류 및 DC 링크의 전압, 즉 DC 링크 전압을 실시간 검출할 수 있다. DC 사고가 발생하면 컨버터 암의 암전류는 설정전류보다 큰 DC 사고 전류가 흐르게 되고, DC 링크에는 설정전압보다 작은 DC 링크 전압이 걸릴 수 있다. 이에, 메인제어기(110)는 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 MMC 컨버터(1)에서 DC 사고 발생 여부를 판단할 수 있다.
본 실시예에서, 메인제어기(110)는 암제어기(120)로부터 DC 사고의 발생을 통보받으면, 실시간 검출되는 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 통보된 DC 사고가 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단할 수 있다.
예컨대, MMC 컨버터(1)에서 일시적인 DC 사고가 발생하면 암전류는 짧은 시간동안 일시적으로 증가한 후 다시 정상적인 상태로 돌아올 수 있고, DC 링크 전압은 짧은 시간동안 일시적으로 감소한 후 다시 정상적인 상태로 돌아올 수 있다.
하지만, 영구적인 DC 사고가 발생하면 암전류가 설정전류보다 큰 값을 계속 유지하고 DC 링크 전압은 설정전압보다 작은 값을 계속 유지할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 일시적인 DC 사고는 짧은 시간동안 DC 사고가 일시적으로 발생한 후 DC 링크 전압과 암전류가 곧 정상상태로 돌아오는 것을 의미한다.
메인제어기(110)는 DC 사고가 일시적인 것인지 또는 영구적인 것인지에 따라 암제어기(120)로 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31) 및 바이패스 스위치(23,33)의 동작에 대한 제어신호를 다르게 전송할 수 있다.
즉, 메인제어기(110)는 DC 사고가 일시적인 DC 사고로서 암전류와 DC 링크 전압이 다시 정상적인 값으로 복귀한 것으로 판단되면, 서브모듈(10)을 다시 정상적으로 동작시키기 위한 정상동작 제어신호를 암제어기(120)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 메인제어기(110)는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21.31)를 턴온으로 전환시키고 바이패스 스위치(23,33)를 오프로 전환시키도록 하는 정상동작 제어신호를 암제어기(120)로 전송할 수 있다.
이는 DC 사고가 일시적인 것이어서 DC 링크 전압과 암전류가 다시 정상상태로 복귀하면, 턴오프 상태이던 전력용 스위치(21,31)를 턴온으로 전환하고, 온 상태이던 바이패스 스위치(23,33)를 오프로 전환하기 위한 것이다.
이에, 암제어기(120)는 상기 정상동작 제어신호를 서브모듈제어기(130)로 전달하고, 서브모듈제어기(130)는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴온으로 전환하고, 바이패스 스위치(23,33)를 오프로 전환할 수 있다. 이로써, 정상상태의 전류가 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)와 커패시터(22,33)로 흐르도록 할 수 있다.
또한, 메인제어기(110)는 DC 사고가 영구적인 DC 사고로서 암전류와 DC 링크 전압이 정상적인 값으로 복귀하지 않는 것으로 판단되면 서브모듈(10)의 동작을 차단하고 DC 사고 전류를 바이패스시키기 위한 바이패스 제어신호를 암제어기(120)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 메인제어기(110)는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)의 턴오프를 계속 유지하고 바이패스 스위치(23,33)의 온을 계속 유지하도록 하는 바이패스 제어신호를 암제어기(120)로 전송할 수 있다.
이는 DC 사고가 영구적인 것이어서 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 계속 보호하도록 하기 위해 턴오프 상태이던 전력용 스위치(21,31)를 계속 턴오프로 유지하고, 온 상태이던 바이패스 스위치(23,33)를 계속 온 상태로 유지하기 위한 것이다. 이로써, DC 사고 전류의 바이패스를 계속 유지하여 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 계속 보호하도록 할 수 있다.
도 6 및 도 7에서 얇은 실선(B)은 정상상태의 전류가 전력용 스위치(21,31)를 통해 흐르는 상태에 대한 일례를 도시하고, 굵은 실선(A)은 DC 사고 전류가 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스되는 상태에 대한 일례를 도시한다.
정상상태에서는 전류가 전력용 스위치(21,31)를 통해 흐르지만, DC 사고시에는 DC 사고 전류가 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어방법을 보인 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어방법은, 암제어기(120)가 MMC 컨버터(1)를 구성하는 복수의 컨버터 암에 흐르는 암전류를 실시간 검출한다(S101).
본 실시예에서 컨버터 암은 예컨대 3개의 상위 암(13a,13b,13c)과 3개의 하위 암(14a,14b,14c)으로 구성될 수 있으며, 복수의 암제어기(120)는 각각의 컨버터 암별로 구비될 수 있다. 각각의 암제어기(120)는 자신에 대응되는 컨버터 암에 흐르는 암전류를 실시간 측정하는 것이다.
이어, 암제어기(120)는 상기와 같이 검출된 암전류가 설정전류보다 큰지를 판단한다(S103). 예컨대, 본 실시예에서는 검출된 암전류가 MMC 컨버터(1)에 발생된 DC 사고에 의한 DC 사고 전류인지를 판단하는 것이다.
암제어기(120)는 상기 암전류가 DC 사고 전류인 것으로 판단되면 서브모듈제어기(130)로 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)를 보호하기 위한 바이패스 제어신호를 전송하고(S105), 메인제어기(110)로 DC 사고 전류 발생을 통보한다(S107). 이러한 통보는 DC 사고 발생을 알리는 통보일 수 있다.
상기 바이패스 제어신호는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴오프시키고 바이패스 스위치(23,33)를 온시키도록 하는 신호일 수 있다. 이는 DC 사고 전류를 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스시키기 위한 것이다.
이에, 서브모듈제어기(130)는 서브모듈(10)의 전력용 스위치(21,31)를 턴오프시키고 바이패스 스위치(23,33)를 온시킬 수 있다(S109).
이로써, DC 사고에 의한 과전류가 바이패스 스위치(23,33)를 통해 바이패스되도록 하여 서브모듈(10)을 보호할 수 있다.
한편, 메인제어기(110)는 컨버터 암에 흐르는 암전류 및 DC 링크의 전압, 즉 DC 링크 전압을 실시간 검출한다(S111).
이때, 메인제어기(110)는 상기 S107에서 암제어기(120)로부터 DC 사고 전류 발생을 통보받으면, 실시간 검출되는 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 현재 DC 사고가 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단한다.
상기 판단에서, DC 사고가 영구적인 DC 사고인 것으로 판단되면(S113), 현재 턴오프된 전력용 스위치(21,31)를 계속 턴오프로 유지하고, 현재 온된 바이패스 스위치(23,33)를 계속 온으로 유지하도록 하는 바이패스 제어신호를 암제어기(120)로 전송한다(S115).
그러면, 암제어기(120)는 상기 바이패스 제어신호를 서브모듈제어기(130)로 전달한다(S117).
이에, 서브모듈제어기(130)는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 전력용 스위치(21,31)를 계속 턴오프로 유지하고 바이패스 스위치(23,33)를 계속 온으로 유지하도록 제어한다(S119). 이는 DC 사고 전류를 바이패스 스위치(23,33)를 통해 계속해서 바이패스시키기 위한 것이다.
반대로, 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고이고 다시 정상상태로 복귀하는 것으로 판단되면(S121), 현재 턴오프된 전력용 스위치(21,31)를 턴온으로 전환하고, 현재 온된 바이패스 스위치(23,33)를 오프로 전환하도록 하는 정상동작 제어신호를 암제어기(120)로 전송한다(S123).
상기 정상동작 제어신호는 전력용 스위치(21,31)를 턴온시키고 바이패스 스위치(23,33)를 오프시켜 서브모듈(10)을 정상적으로 동작시키기 위한 것이다.
그러면, 암제어기(120)는 상기 정상동작 제어신호를 서브모듈제어기(130)로 전달한다(S125).
이에, 서브모듈제어기(130)는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 전력용 스위치(21,31)를 턴오프에서 턴온으로 전환하고 바이패스 스위치(23,33)를 온에서 오프로 전환하도록 제어한다(S127). 즉, 서브모듈(10)이 정삭동작하도록 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MMC 컨버터의 제어장치 및 제어방법에서는 암제어기(120)에서 암전류를 직접 검출하므로 DC 사고 과전류가 발생하는 것을 빠르게 감지할 수 있다.
DC 사고 전류가 감지되면 암제어기(120)는 메인제어기(110)로부터 제어신호의 수신을 기다릴 필요 없이 서브모듈(10)의 동작을 위한 제어신호를 직접 서브모듈제어기(130)로 전송하기 때문에 서브모듈(10)을 빠르게 제어할 수 있다. 이에 따라, DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 빠르게 보호하도록 한다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 메인제어기(110)에서 DC 사고가 일시적 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단할 수 있고, 일시적인 DC 사고로서 다시 정상상태로 복귀한 것으로 판단하면, 서브모듈(10)을 다시 정상적으로 동작시키도록 할 수 있다.
즉, DC 사고로 인해 우선 1차적으로 서브모듈(10)이 DC 사고 전류를 빠르게 바이패스시킨 상태에서 일시적인 DC 사고인 것으로 판단되면 서브모듈(10)을 다시 정상상태로 전환할 수 있는 것이다.
만약, DC 사고가 영구적인 DC 사고인 것으로 판단하면 DC 사고 전류로부터 서브모듈(10)을 계속 보호하도록 할 수 있다. 그 이후에 DC 사고에 대한 대처가 빠르게 진행되도록 할 수 있다.
한편, 종래는 암제어기(120)에서 DC 사고 전류를 감지하면 메인제어기(120)로 통보하고 메인제어기(120)로부터 제어신호를 수신하면 서브모듈제어기(130)로 서브모듈(10)의 동작을 위한 제어신호를 전송하도록 함으로써, 서브모듈(10)의 동작이 상대적으로 늦게 제어되었다.
하지만, 본 발명에서는 암제어기(120)가 DC 사고 전류를 판단하면 메인제어기(110)로부터 제어신호를 기다리지 않고 자체적으로 서브모듈제어기(130)로 우선 빠르게 서브모듈(10)의 동작에 대한 제어신호를 전달하므로 상기 종래기술에 비해 서브모듈(10)을 빠르게 동작시킬 수 있게 된다.
또한, 종래에는 DC 사고가 발생하면 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단하지 않으므로, 일시적인 DC 사고인 경우 다시 정상상태로 복귀한 이후에도 서브모듈(10)에서 암전류를 계속 바이패스시킴으로써 MMC 컨버터의 운용에 유연성을 발휘할 수 없었지만, 본 발명에서는 일시적인 DC 사고인 경우에는 서브모듈(10)을 정상동작시켜 MMC 컨버터의 운용에 유연성을 발휘할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1 : MMC 컨버터 10 : 서브모듈(SM)
110 : 메인제어기 120 : 암제어기
130 : 서브모듈제어기

Claims (19)

  1. 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성되고 DC 링크에 연결된 복수의 컨버터 암을 포함하는 MMC 컨버터의 제어방법에 있어서,
    암제어기에서 상기 컨버터 암의 암전류를 검출하여 DC 사고 발생 여부를 판단하는 단계;
    상기 DC 사고 발생으로 판단되면 서브모듈제어기로 바이패스 제어신호를 전송하고 메인제어기로 상기 DC 사고 발생을 통보하는 단계;
    상기 서브모듈제어기가 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 상기 서브모듈을 제어하는 단계;
    상기 메인제어기에서 상기 컨버터 암의 암전류 및 상기 DC 링크의 전압(DC 링크 전압)을 실시간 검출하고, 상기 DC 사고 발생이 통보되면 상기 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지를 판단하는 단계;
    상기 일시적인 DC 사고인지 또는 영구적인 DC 사고인지에 따라 상기 메인제어기가 상기 암제어기로 상기 서브모듈의 정상동작을 위한 정상동작 제어신호 또는 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 서브모듈을 정상동작시키도록 하는 정상동작 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 암제어기는 상기 정상동작 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 정상적으로 동작하도록 제어하는 MMC 컨버터의 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호가 대응하여 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴온시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 오프시키는 MMC 컨버터의 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 영구적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 암제어기는 상기 바이패스 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 제어하는 MMC 컨버터의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 온시키는 MMC 컨버터의 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 서브모듈의 동작을 제어하는 단계는,
    상기 서브모듈제어기가 상기 서브모듈 내 복수의 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 스위치를 온시키는 MMC 컨버터의 제어방법.
  9. 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성되며 DC 링크에 연결된 복수의 컨버터 암을 포함하는 MMC 컨버터의 제어장치에 있어서,
    상기 컨버터 암의 암전류를 검출하여 DC 사고 발생을 판단하고 상기 DC 사고 발생이 판단되면 서브모듈을 보호하기 위한 바이패스 제어신호를 전송하고 상기 DC 사고를 통보하는 암제어기;
    상기 암제어기로부터 수신된 상기 바이패스 제어신호에 따라 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 상기 서브모듈을 제어하는 서브모듈제어기;
    상기 컨버터 암의 암전류 및 상기 DC 링크의 전압(DC 링크 전압)을 실시간 검출하고, 상기 암제어기로부터 상기 DC 사고 발생이 통보되면 상기 검출된 암전류 및 DC 링크 전압을 기초로 상기 DC 사고가 일시적 DC 사고인지 또는 영구적 DC 사고인지를 판단하여 상기 암제어기로 상기 서브모듈의 정상동작을 위한 정상동작 제어신호 또는 상기 DC 사고 전류의 바이패스를 위한 바이패스 제어신호를 전송하는 메인제어기를 포함하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 서브모듈은,
    복수의 전력용 스위치와, 상기 전력용 스위치에 병렬로 연결된 커패시터를 포함하는 하프브릿지 또는 풀브릿지 회로;
    상기 하브브릿지 또는 풀브릿지 회로의 입출력단자 사이에 연결되어 전류를 바이패스시키는 바이패스 스위치를 포함하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 서브모듈제어기는 상기 암제어기로 수신된 상기 바이패스 제어신호에 따라 상기 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 바이패스 스위치를 온시키는 MMC 컨버터의 제어장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 일시적인 DC 사고이고 다시 정상상태로 복귀하면 상기 암제어기로 상기 서브모듈을 정상동작시키도록 하는 정상동작 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 암제어기는 상기 정상동작 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 정상적으로 동작하도록 제어하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 서브모듈제어기는 상기 정상동작 제어신호가 대응하여 턴오프되어 있는 상기 전력용 스위치를 턴온시키고 온되어 있는 상기 바이패스 스위치를 오프시키는 MMC 컨버터의 제어장치.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 메인제어기는 상기 DC 사고가 영구적인 DC 사고이면 상기 암제어기로 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 암제어기는 상기 바이패스 제어신호를 상기 서브모듈제어기로 전달하고, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 상기 서브모듈이 상기 DC 사고 전류를 바이패스시키도록 제어하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 서브모듈제어기는 상기 바이패스 제어신호에 대응하여 턴오프되어 있는 상기 전력용 스위치를 계속 턴오프로 유지시키고 온되어 있는 상기 바이패스 스위치를 계속 온으로 유지시키는 MMC 컨버터의 제어장치.
  18. 청구항 10있어서, 상기 암제어기는 상기 검출된 암전류를 기초로 상기 DC 사고 발생이 판단되면 상기 메인제어기로부터 제어신호의 수신 없이 상기 서브모듈제어기로 상기 전력용 스위치를 턴오프시키고 상기 바이패스 스위치를 온시키도록 하는 바이패스 제어신호를 전송하는 MMC 컨버터의 제어장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 암제어기는 상기 검출된 암전류가 설정전류보다 큰 경우 상기 DC 사고가 발생한 것으로 판단하는 MMC 컨버터 제어장치.
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