KR20210150852A - 하이브리드 반도체 변압기 - Google Patents

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KR20210150852A KR1020200067782A KR20200067782A KR20210150852A KR 20210150852 A KR20210150852 A KR 20210150852A KR 1020200067782 A KR1020200067782 A KR 1020200067782A KR 20200067782 A KR20200067782 A KR 20200067782A KR 20210150852 A KR20210150852 A KR 20210150852A
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조영훈
윤춘기
이태영
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한국전력공사
건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 하이브리드 반도체 변압기는, 전력 그리드 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 1차 권선; 상기 1차 권선을 이루는 코일이 감겨지는 철심; 부하 쪽에 위치하며 상기 철심에 감겨진 코일의 양단 라인을 구비하는 2차 권선; 상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 1차 권선의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치; 및 상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 반도체 변압기{HYBRID SEMICONDUCTOR TRANSFORMER}
본 발명은 탭 변압기의 권선에 젼력 변환 장치가 연결된 형태로, 2차측 정전압 및 전력조류제어 기능을 가지는 하이브리드 반도체 변압기에 관한 것이다.
종래에 사용되고 있는 코일, 철심으로 구성된 기존 배전용 변압기는, 배전 거리가 길어짐에 따라 수전단 측에서 전압강하 문제의 해결 및 계통 증감에 따른 전압 조정의 용도로, 다수개의 인출 탭들을 구비하는 탭 변압기를 사용하기도 한다.
도 1은 탭 절환기를 포함한 탭 변압기를 도시한 회로도이다.
탭 변압기와 탭 절환기는 도 1과 같은 구조를 가지며 물리적인 탭 절환기의 절체에 따라 탭 변압기의 2차측 전압을 선택적으로 변경시킬 수 있다. 도 1에서
Figure pat00001
~
Figure pat00002
는 탭 변압기의 1차측 권선수를 변경시켜주는 탭 절환기의 출력단으로 이중 한 가지를 연결하여 변압기의 턴수비를 조절해 2차측 전압을 조절한다. 변압기와 탭 절환기로 구성된 탭 변압기는 동작조건에 따라 부하시 탭 절환장치(OLTC : on load tap changer)와 무부하시 탭 절환장치(NLTC : no load tap changer)로 분류된다.
부하시 탭 절환장치는 초고압 전력용 변압기로 사용되어 왔으며 운전중 탭 변압기의 권선을 조정할 수 있어 부하가 인가된 상태에서 전압 조정이 가능하다.
무부하시 탭 절환장치는 2차측 전압 조정을 위해 탭 절환시 변압기 운전을 정지시킨 후 방전작업을 마친 뒤에 탭 절환을 동작시키는 장치로써 부하가 인가된 상태에서는 변경이 불가능하기 때문에 초기 설치시 탭 권선수를 고정시켜 설치한다.
이중 배전용 변압기에는 무부하시 탭 절환장치가 주로 사용되어 왔으나 이는 2차측 전압 조정을 위해서는 반드시 계통 차단이 이루어져야 하므로 탭 절환시 지속적인 전력공급이 어렵다. 또, 초기 설치시 탭 권선수를 고정시켜 사용하기 때문에 voltage sag, swell 등의 계통전압의 급작스러운 변화에 즉각적인 대응이 어렵다.
위의 기존 무부하시 탭 절환장치를 포함한 탭 변압기는 수동적인 동작 특성으로 인해 부하 및 계통 상태에 따라 전력변환 성능을 충분히 확보하기 어려우며 고품질의 출력을 필요로 하는 시스템에서 한계를 가지고 있다.
또한, 위의 기존 탭 변압기는 탭 절환기의 각각의 출력단에 따라 특정 크기의 전압만을 승·강압시킬 수 있어 다양한 계통 변화 조건에서 2차측 전압을 선형적으로 조절할 수 없다. 따라서 정확한 전압 보상 제어가 어렵다.
결국 안전에 대한 우려 때문에, 상기 OLTC를 구비한 경우에도, 실질적으로는 운영시 탭 변압기의 탭을 전환하는 것은 드물고, 대부분 변압기를 차단시킨 무부하 상태에서 탭을 수동으로 변경하는 방식으로 사용되고 있다.
도 2는 종래기술에 따른 하이브리드 반도체 변압기의 구성을 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1의 탭 절환기의 단점을 보완하기 위해 초기 제안된 하이브리드 형태의 반도체 변압기이다. 하이브리드 형태의 반도체 변압기는 기존 탭 변압기에서 탭 절환기를 전력변환 장치로 대체한 변압기로써 전력변환 장치의 제어를 통해 탭 변압기의 1차측 권선에 인가되는 전압을 조정함으로써 2차측 수전단 전압을 정확하게 제어할 수 있다.
도 2의 교류/교류 컨버터(AC/AC converter)는 양방향 전력반도체 스위치
Figure pat00003
,
Figure pat00004
로 구성되어 있으며 두 스위치의 pulse width modulation(PWM) 동작을 통해 컨버터 출력전압(
Figure pat00005
)을 계통으로 출력하여 1차측 권선에 인가되는 전압을 변경시킨다. 교류/교류 컨버터는 전력반도체 스위치 2개의 간단한 PWM 제어를 통해 탭 권선에 인가되는 탭 전압(
Figure pat00006
)의 평균적인 크기의 전압을 출력(
Figure pat00007
)하여 계통전압(
Figure pat00008
)으로 직렬 연결된다. 이때 탭 변압기의 1차측 전체 권선에 인가되는 전압은
Figure pat00009
가 되며 컨버터 출력전압(
Figure pat00010
)의 크기에 따라 변압비를 통해 2차측 전압을 보상한다. 즉, 탭 변압기 1차측 권선에 인가되는 전압이 변경됨에 따라 2차측 전압이 변경되며 이를 이용해 2차측 전압의 크기를 선형적으로 제어한다. 이 초기 모델은 간단한 구조와 제어 알고리즘을 가지고 있어 전력계통에 적용이 용이하다.
하지만, 컨버터 내부에 커패시터와 같은 저장장치가 없기 때문에 컨버터의 출력전압은 위상을 변화시켜 출력할 수 없다. 즉, 탭 전압과 항상 같은 위상의 크기만을 보상할 수 있어 역률제어가 제한되고 유·무효 전력제어가 매우 어렵다.
또한, 컨버터의 출력전압 최대값은 탭 전압의 크기를 넘을 수 없으므로 보상범위가 탭 권선에 인가되는 전압 이하로 제한된다.
대한민국 공개공보 10-2011-0114697호
본 발명은 전압 보상 제어 뿐만 아니라 역률제어 및/또는 무효전력 제어가 가능한 하이브리드 반도체 변압기를 제공하고자 한다.
본 발명은 전압 보상 제어의 보상 범위를 확장할 수 있는 하이브리드 반도체 변압기를 제공하고자 한다
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드 반도체 변압기는, 전력 그리드 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 1차 권선; 상기 1차 권선을 이루는 코일이 감겨지는 철심; 부하 쪽에 위치하며 상기 철심에 감겨진 코일의 양단 라인을 구비하는 2차 권선; 상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 1차 권선의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치; 및 상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 교류/직류 정류기는, 상기 1차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 링크단으로 전달하며, 상기 직류/교류 인버터는, 상기 직류 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전력 그리드로 전달할 수 있다.
여기서, 상기 전력 변환 장치는, 상기 교류/직류 정류기와 상기 직류/교류 인버터 사이의 직류링크 커패시터를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 상기 직류/교류 인버터가 계통 전압을 보상할 수 있는 최대 피크 전압을 생성하도록, 직류링크단의 전압 크기를 갖도록 상기 교류/직류 정류기를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 상기 직류/교류 인버터가 계통 전압을 보상할 수 있도록, 직류링크단 전압으로 상기 교류/직류 정류기의 입력 전류를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 2차측 정전압 제어 또는 전력 조류 제어를 위해, 직류링크단 전압으로 상기 직류/교류 인버터의 출력 전압 및 출력 전류를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 직류/교류 인버터로부터 최종 변환된 교류 전력은 계통 전력의 접지단에 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 반도체 변압기는, 고전압 사이트인 전력 그리드 쪽에 위치하는 1차 권선; 상기 1차 권선을 이루는 코일이 감겨지는 철심; 저전압 사이트인 부하 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 2차 권선; 상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 2차 권선의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치; 및 상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 교류/직류 정류기는, 상기 2차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 링크단으로 전달하며, 상기 직류/교류 인버터는, 상기 직류 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하쪽으로 전달할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 반도체 변압기를 실시하면, 전압 보상 제어 뿐만 아니라 역률제어 및/또는 무효전력 제어가 가능한 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 반도체 변압기는, 종래의 하이브리드 형태의 반도체 변압기에 비해 직류단을 가지는 2스테이지 회로 구조를 적용함으로써, 더 넓은 범위의 전압보상과 계통-수용가간 전력조류제어가 가능한 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 반도체 변압기는, 기 설치된 탭 변압기의 권선수와 단자 위치, 탭 전압에 관계없이 제어목표에 맞는 회로구조를 선택적으로 적용함으로써 모든 배전용 변압기에 적용이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 반도체 변압기는, 별도의 인프라 구축 없이 배전계통에 즉각 적용이 가능하며 각종 전력정보를 측정할 수 있어 마이크로그리드 설비와의 연계도 용이한 이점이 있다.
도 1은 탭 절환기를 포함한 탭 변압기를 도시한 회로도.
도 2는 도 1의 탭 절환기의 단점을 보완하기 위한 종래 기술의 하이브리드 형태의 반도체 변압기를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 4a는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 하프 브릿지 2레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 4b는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 풀 브릿지 2레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5a는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 TNPC 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5b는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 NPC 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 6은 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 케스케이드 형태의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 7은 도 3의 하이브리드 변압기의 세부 구성을 도시한 회로도.
도 8은 도 7의 하이브리드 변압기에 구비된 정류기의 직류링크 전압-입력 필터 인덕터 전류 제어기 구조를 도시한 제어 블록도.
도 9는 도 7의 하이브리드 변압기에 구비된 인버터의 출력 전압-출력 필터 인덕터 전류 제어기 구조를 도시한 제어 블록도.
도 10은 도 7의 2차측 정전압 제어 알고리즘이 적용된 인버터 제어기 구조를 도시한 제어 블록도.
도 11은 도 7의 2차측 유·무효 전력 제어 알고리즘이 적용된 인버터 제어기 구조를 도시한 제어 블록도.
도 12a는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 다른 실시예를 도시한 회로도.
도 12b는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 또 다른 실시예를 도시한 회로도.
도 13은 삼상 배전계통에 적용된 하이브리드 반도체 변압기의 연결 구성을 도시한 회로도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
상술한 종래의 탭 변압기와 초기 하이브리드 형태의 반도체 변압기는 제한된 2차측 전압보상 범위를 가지고 있으며 계통과 동상의 전압만 출력이 가능하기 때문에 1-2차측간 유무효전력 및 역률의 제어가 제한된다.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도시한 하이브리드 변압기는, 전력 그리드 쪽에 위치하는 탭 권선으로서 1차 권선(120); 상기 1차 권선(120)을 이루는 코일이 감겨지는 철심(140); 부하 쪽에 위치하는 단일 권선으로서 2차 권선(160); 상기 1차 권선의 일부에 연결되어, 상기 전력 그리드에서 1차 권선(120)으로 공급되는 교류 전력의 일부를 되돌리는 전력 변환 장치(200)를 포함한다.
도 3에 도시한 구성만으로는 초기 하이브리드 형태의 반도체 변압기와 유사하다. 그러나, 도 3의 전력 변환 장치(200)는 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 점에, 교류/교류 컨버터로 이루어진 초기 하이브리드 형태의 반도체 변압기와 차이가 존재한다.
다시말해, 본 발명에서는 기존 교류/교류 컨버터 대신 직류링크단을 가지는 2 스테이지 구조의 백투백 컨버터를 적용한다. 직류링크단을 포함하는 전력 변환 장치 회로 구조를 적용함으로써 백투백 컨버터는 계통의 위상과 다른 위상을 가지는 전압을 출력할 수 있어, 역률 및 유·무효전력 제어가 자유롭게 가능하게 된다.
탭 변압기의 탭은 1차측 뿐만 아니라 2차측에도 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.
본 발명의 백투백 컨버터는 탭 변압기의 탭이 연결된 위치에 따라 1,2차측 모두 적용이 가능하며 2차측에 연결된 경우에도 2차측 전압 및 역률제어가 가능하다.
도시하지는 않았지만, 도 3의 도시한 하이브리드 변압기를 위한 전체 시스템은, 탭 변압기, 전력 변환 장치, 입출력 필터, 고장시 절체를 위한 바이패스 스위치를 더 포함할 수 있다. 탭 변압기의 탭 권선(120)에 인가되는 전압은 전력 변환 장치(정류기, 인버터 모두 포함)(200)의 입력에 연결되며, 전력 변환 장치(200)는 이 전압을 변환하여 다양한 크기와 역률의 전압을 출력한다. 출력된 전압은 각 구조에 따라 2차측 전압을 제어하기 위한 출력 단자로 연결되어 전압의 크기와 역률, 전력을 제어할 수 있다.
도 3은 탭 변압기의 1차측에 탭 권선(120)이 위치한 구조에 대한 전체 회로 구조이다. 탭은 1차측 권선(120)의 일부에 연결되어 있으며 이 권선(120)에 인가되는 탭 전압은 전력 변환 장치(200)의 입력단으로 연결된다. 전력 변환 장치(200)는 교류 입력전압을 직류전압으로 승압한 후 다시 교류전압으로 변환한다. 최종 변환된 교류전압은 계통전압의 접지단에 직렬로 연결되고 1차측 권선 전체에 인가되는 전압을 조정할 수 있다. 이는 최종적으로는 변압기의 권선비에 따라 2차측 전압을 조정에까지 영향을 미칠 수 있다.
도 4a는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 하프 브릿지 2레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 4b는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 풀 브릿지 2레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5a는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 TNPC 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5b는 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 NPC 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 6은 도 3의 하이브리드 변압기를 구성하는 컨버터로 적용될 수 있는 케스케이드 형태의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 도시한 회로도이다.
본 발명의 사상에 따라 도 3의 전력 변환 장치는 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루지는데(즉, 2스테이지 컨버터 회로), 각 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터는, 도 4a 내지 도 6의 컨버터로 적용될 수 있다. 컨버팅 스위칭 제어의 편의를 위해, 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터는 서로 대칭적인 컨버터로 제작되는 것이 유리하지만, 이에 한정하지는 않는다.
도 4a는 하프브릿지 형태의 2레벨 컨버터 회로로 한 레그의 스위치만으로 구성되어 있으며 각각의 전력반도체 스위치에는 최대 직류단 전압의 절반(
Figure pat00011
)의 전압이 인가된다.
도 4b는 풀브릿지 형태의 2레벨 컨버터 회로로 두 개의 레그로 구성되며 각각의 전력반도체 스위치에는 최대 직류단 전압(
Figure pat00012
)이 인가된다.
도 5a는 멀티레벨 컨버터중 3레벨 TNPC 컨버터를 도시하며, 도 5b는 NPC 컨버터 회로를 도시한다. TNPC 컨버터의 가운데 중성점 전력반도체 스위치(
Figure pat00013
,
Figure pat00014
)는
Figure pat00015
, 이외 스위치는
Figure pat00016
의 전압이 인가되며 NPC 컨버터는 모든 전력반도체 스위치에
Figure pat00017
의 전압이 인가된다.
도 5a 및 5b의 멀티레벨 컨버터 회로는 2레벨 하프 브릿지 컨버터 회로보다 스위칭 소자의 수는 더 많지만, 극전압을 더 많은 레벨로 나누어 합성이 가능하기 때문에 스위치에 인가되는 전압에 대해 낮은 dv/dt 특성을 가진다. 따라서 출력 필터의 부피를 줄일 수 있어 시스템의 전력 밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6에 도시한 cascaded 구조의 멀티레벨 컨버터는, 2레벨 혹은 3레벨 컨버터를 직렬로 연결하여 고전압을 각 모듈별로 나누어 분담하면서 제어목표를 달성할 수 있다. 또한 전력반도체 스위치에 인가되는 전압이 모듈수에 따라 분배됨에 따라 종래의 단일모듈 회로보다 고전압 응용분야에 적용되기 적합하다.
도 4a 내지 도 6에 도시한 각각의 컨버터는 탭 변압기의 탭 권선수, 탭 전압(
Figure pat00018
)의 크기, 제어범위에 따라 선택적으로 적용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 하이브리드 변압기의 세부 구성을 도시한 회로도이다.
도시한 하이브리드 반도체 변압기는, 전력 그리드 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 1차 권선(120); 상기 1차 권선(120)을 이루는 코일이 감겨지는 철심(140); 부하 쪽에 위치하며 상기 철심(140)에 감겨진 코일의 양단 라인을 구비하는 2차 권선(160); 상기 1차 권선(120)의 일부에 연결된 교류/직류 정류기(260)와 직류/교류 인버터(220) 페어로 이루어진 전력 변환 장치(200); 및 상기 교류/직류 정류기(260) 및 상기 직류/교류 인버터(220)를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 교류/직류 정류기(260)는 상기 1차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류링크단으로 전달하며, 상기 직류/교류 인버터는 상기 직류링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전력 그리드로 전달함을 알 수 있다.(도면에서, 최종 변환된 교류전압은 계통전압의 접지단에 직렬 연결됨)
관점에 따라, 상기 전력 변환 장치(200)는, 교류/직류 정류기(260)와 직류/교류 인버터(220) 사이에 직류링크 커패시터를 더 포함한다고 볼 수도 있다. 그러나, 컨버터 회로는 직류링크단에 연결된 충분한 용량의 커패시터를 구비하며, 교류/직류 정류기(260)와 직류/교류 인버터(220)를 서로 대칭적으로 구현하면, 직류링크단에 연결된 커패시터는 공통으로 될 수 있으며, 이 경우, 직류링크 커패시터는 생략되었다고 볼 수도 있다.
도 7에서는 본 발명의 제어 변수 및 제어 개념도를 중심으로 세부 구성을 나타내었다. 탭 변압기는 탭이 연결되는측(
Figure pat00019
)과 반대측(
Figure pat00020
)으로 나뉘고, 탭 권선비에 따른 탭 전압(
Figure pat00021
)이 존재한다. 고압측(
Figure pat00022
)에는 계통 전원(
Figure pat00023
)이 연결되고, 저압측(
Figure pat00024
)은 부하가 연결되는 구조이다. 탭 전압은 백투백 컨버터의 정류기(260)의 입력부로 연결되며, 인버터(220)의 출력부는 계통 전원에 직렬연결된다. 한편, 도 7에서 vd_diff는 vdc전압이 직류링크단의 2개의 직렬연결 커패시터들에 의해 나눠지는, 2 분압 전압값들의 차이값을 의미한다.
상기 정류기(260)는 탭 변압기의 탭 권선비에 대한 탭 전압(
Figure pat00025
)을 이용하여 입력 필터 인덕터 전류(
Figure pat00026
), 직류단 전압(
Figure pat00027
)을 제어를 수행할 수 있다. 위상 고정 루프(Phase locked loop, PLL)에 의해 추출된 계통 전원의 위상
Figure pat00028
으로 동기화하여 입력 필터 인덕터 전류는 역률 보상(Power factor correction, PFC) 제어가 가능하다. 정류기(260)가 제어하는 직류단 전압의 크기는 이후 인버터가 계통 전원을 보상할 수 있는 최대 피크 전압을 결정한다. 탭 전압에 voltage swell 또는 sag이 발생하더라도 정류기(260)가 직류단 전압을 안정적으로 제어할 수 있어, 인버터의 안정적인 전압 합성을 보장한다. 이를 위해 직류링크단 전압이 정류기(260)의 입력 교류 전압보다 큰 것이 유리한 바, 상기 정류기(260)는 교류/직류 변환 과정에서 승압할 수 있다.
도 8은 도 7의 하이브리드 변압기에 구비된 정류기의 직류링크 전압-입력 필터 인덕터 전류 제어기 구조를 도시한 제어 블록도이다.
상기 정류기(260)의 직류단 전압-입력 필터 인덕터 전류 제어기 구조는 도 8에서 확인할 수 있다. 전압 제어기와 전류 제어기의 전달함수는 각각
Figure pat00029
,
Figure pat00030
으로 나타낼 수 있으며, 다양한 종류의 제어기 구조를 적용할 수 있다.
도시한 바와 같이, 전압 제어기와 전류 제어기의 전달함수는 전압 지령과 전류 지령으로 반영되어, 정류기(260)를 구성하는 스위칭 소자들에 대한 컨버팅 스위칭 제어(예: PWM)에 의해 실현되며, 상기 컨버팅 스위칭 제어는 수회 공지된 기술인 바 상세 설명은 생략하겠다. 이는 상기 인버터(220)의 경우도 마찬가지이다.
도 9는 도 7의 하이브리드 변압기에 구비된 인버터의 출력 전압-출력 필터 인덕터 전류 제어기 구조를 도시한 제어 블록도이다.
상기 인버터(220)는 직류단 전압을 이용하여 출력 전압(
Figure pat00031
)과 출력 필터 인덕터 전류(
Figure pat00032
)를 제어한다. 인버터(220)는 2차측 정전압 제어 또는 전력 조류 제어에 의해 생성된 인버터 출력 전압 지령에 따라 보상 전압을 합성할 수 있다.
상기 인버터(220)의 출력 전압-출력 필터 인덕터 전류 제어기 구조는 도 9에서 확인할 수 있다. 전압 제어기와 전류 제어기의 전달함수는 각각
Figure pat00033
,
Figure pat00034
으로 나타낼 수 있고, 또한 다양한 종류의 제어기 구조를 적용할 수 있다.
상기 인버터(220) 출력 전압 지령(
Figure pat00035
) 생성을 위해 2차측 전압 제어기나 유·무효 전력 제어기는 인버터 전압 제어기 외곽에 위치하여 3중 루프 구조의 형태를 가질 수 있다.
도 10은 도 7의 2차측 정전압 제어 알고리즘이 적용된 인버터 제어기 구조를 도시한 제어 블록도이다.
도 10에서, 탭 변압기 2차측 전압(
Figure pat00036
)을 일정하게 유지하기 위한 전압 제어기 전달함수는
Figure pat00037
로 나타낼 수 있다. 그 출력은 인버터 전압 제어기의 전압 지령(
Figure pat00038
)으로 입력되는 것을 확인할 수 있다. 2차측 전력 조류 제어 알고리즘은 앞서 설명한 정전압 제어 알고리즘과 달리 dq-동기 좌표계 상에서 제어된다.
도 11은 도 7의 2차측 유·무효 전력 제어 알고리즘이 적용된 인버터 제어기 구조를 도시한 제어 블록도이다.(도면이 너무 복잡해지는 것을 방지하기 위해 도 7에서는 미도시하였다.)
도 11에서는, 원하는 유·무효 전력 지령(
Figure pat00039
,
Figure pat00040
)에 대하여 2차측 출력 전압(
Figure pat00041
)과 2차측 출력 전류(
Figure pat00042
)를 측정하여 계산된 유·무효 전력(
Figure pat00043
,
Figure pat00044
)은
Figure pat00045
의 전달함수를 가지는 전력 제어기로 제어될 수 있다. 유효 전력 제어기의 출력은 인버터 d축 전압 지령(
Figure pat00046
), 무효 전력 제어기의 출력은 인버터 q축 전압 지령(
Figure pat00047
)으로 생성될 수 있다. 생성된 dq-동기 좌표계 상의 인버터 전압 지령을 계통 전원의 위상
Figure pat00048
을 이용하여 정지좌표계 상으로 변환할 수 있다. dq/abc 블록을 지나 생성된 정지좌표계 상의 인버터 전압 지령(
Figure pat00049
)에 대하여 인버터는 보상 전압을 제어할 수 있다.
도 12a는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 다른 실시예를 도시한 회로도이다.
도시한 실시예의 하이브리드 반도체 변압기는, 고전압 사이트인 전력 그리드 쪽에 위치하는 1차 권선(420); 상기 1차 권선(420)을 이루는 코일이 감겨지는 철심(440); 저전압 사이트인 부하 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 2차 권선(460); 상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 2차 권선(460)의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치(600); 및 상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 교류/직류 정류기는, 상기 2차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 링크단으로 전달하며, 상기 직류/교류 인버터는, 상기 직류 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하며, 상기 변환된 교류 전력은 상기 2차 권선의 나머지에 의해 변압된 교류 전력과 함께 부하쪽으로 전달된다.
도시한 실시예의 경우 탭 변압기의 2차측에 전력 변환 장치(600)가 연결된 회로 구조를 가진다. 여기서, 전력 변환 장치(600)는 2차측 권선에 병렬로 연결되며 2차측에 흐르는 전류를 제어하여 보상을 수행할 수 있다. 도 3 및 도 7에 나타낸 실시예의 경우와 유사한 방식으로, 전류를 제어함으로써 2차측 및 이에 유발되는 1차측에 대하여 역률 및 전력제어가 가능하다.
도 12b는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 변압기의 또 다른 실시예를 도시한 회로도이다.
도시한 실시예의 경우 탭 변압기의 1차측도 단일 권선이 아닌 탭 권선으로 구현한 것과, 종래기술과 유사한 부하시 탭 절환장치(OLTC : on load tap changer) 또는 무부하시 탭 절환장치(NLTC : no load tap changer) 등으로 된 탭 절환기(800)를 구비한 것에 도 12a의 경우와 차이가 존재한다.
도 13은 삼상 배전계통에 적용된 하이브리드 반도체 변압기의 연결 구성을 도시한 회로도이다.
본 발명의 사상에 따른 하이브리드 반도체 변압기는 단상 탭 변압기와 전력 변환 장치를 하나의 모듈로 구성할 수 있으며, 이 모듈 3개를 이용하여 삼상 배전계통에도 적용할 수 있다. 도 13은 삼상 배전계통에 적용한 본 발명의 단상 모듈형 하이브리드 반도체 변압기를 나타낸다. 이를 적용하여 특정 상의 이상이 발생했을 경우 각 상별 전압조건을 고려하여 독립적으로 불평형 상태를 제어할 수 있다. 도 13에서는 Y 결선에 대하여 상술한 모듈 3개를 연결하였는데, △ 결선에 대해서도 상술한 모듈 3개를 연결할 수 있음은 물론이다. 삼상 전력계통에도 별도의 인터페이스 없이 직접적인 적용이 가능함을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
120 : 1차 권선
140 : 철심
160 : 2차 권선
200 : 전력 변환 장치
220 : 직류/교류 인버터
260 : 교류/직류 정류기
400 : 제어 장치

Claims (9)

  1. 전력 그리드 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 1차 권선;
    상기 1차 권선을 이루는 코일이 감겨지는 철심;
    부하 쪽에 위치하며 상기 철심에 감겨진 코일의 양단 라인을 구비하는 2차 권선;
    상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 1차 권선의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치; 및
    상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치
    를 포함하는 하이브리드 반도체 변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류/직류 정류기는, 상기 1차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 링크단으로 전달하며,
    상기 직류/교류 인버터는, 상기 직류 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전력 그리드로 전달하는 하이브리드 반도체 변압기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는,
    상기 교류/직류 정류기와 상기 직류/교류 인버터 사이의 직류링크 커패시터
    를 더 포함하는
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 직류/교류 인버터가 계통 전압을 보상할 수 있는 최대 피크 전압을 생성하도록, 직류링크단의 전압 크기를 갖도록 상기 교류/직류 정류기를 제어하는
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 직류/교류 인버터가 계통 전압을 보상할 수 있도록, 직류링크단 전압으로 상기 교류/직류 정류기의 입력 전류를 제어하는
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    2차측 정전압 제어 또는 전력 조류 제어를 위해, 직류링크단 전압으로 상기 직류/교류 인버터의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는
  7. 제1항에 있어서,
    상기 직류/교류 인버터로부터 최종 변환된 교류 전력은 계통 전력의 접지단에 직렬로 연결된
  8. 고전압 사이트인 전력 그리드 쪽에 위치하는 1차 권선;
    상기 1차 권선을 이루는 코일이 감겨지는 철심;
    저전압 사이트인 부하 쪽에 위치하며 양단 라인에 추가로 하나 이상의 탭 라인을 구비하는 2차 권선;
    상기 양단 라인 중 하나와 상기 탭 라인으로 상기 2차 권선의 일부에 연결된 교류/직류 정류기와 직류/교류 인버터 페어로 이루어진 전력 변환 장치; 및
    상기 교류/직류 정류기 및 상기 직류/교류 인버터를 구성하는 전력 변환 스위치 소자들을 제어하는 제어 장치
    를 포함하는 하이브리드 반도체 변압기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교류/직류 정류기는, 상기 2차 권선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 링크단으로 전달하며,
    상기 직류/교류 인버터는, 상기 직류 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하쪽으로 전달하는 하이브리드 반도체 변압기.




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