KR20220165588A - 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터 - Google Patents

서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터 Download PDF

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윤종수
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한국전력공사
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Abstract

본 발명의 사상에 따른, 교류 전력 선로에서 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 플러스 선로와 직류 마이너스 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터는, 상기 교류 전력 선로와 상기 직류 플러스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암; 상기 교류 전력 선로와 상기 직류 마이너스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암; 상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및 상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자를 포함할 수 있다.

Description

서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터{MULTILEVEL CONVERTER WITH BYPASS PROTECTION ELEMENT FOR EACH SUBMODULE GROUP}
직류 전력을 교류 전력으로 변환하거나, 또는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터로서, 특히, 전압형 HVDC 시스템의 전력 변환 수단으로 적용될 수 있는 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.
전력 전송은 전통적인 교류 전송 방식으로 수행되다가, 최근 주로 직류로 발전하는 태양광 같은 분산 전력 설비의 도입 및 독립된 스마트 전력그리드의 출현 등으로 직류 전송 방식의 전력 전송이 시도되고 있다. 특히, 스위칭 소자의 급격한 발전은 기존보다 높은 전압으로 직류 전력 전송을 가능하게 해 주고 있다.
HVDC 시스템(High Voltage Direct Current System)은 전력 변환 설비를 통해 교류를 직류로 변환한 후 전력을 전송하는 시스템이다. 일반적으로 HVDC 시스템은 하나의 송전단과 하나의 수전단을 통해 전력을 전송한다. HVDC는 변환기(Converter)의 종류에 따라 전류형 HVDC(Line Commutated Converter-HVDC, LCC-HVDC)와 전압형 HVDC(Voltage Sourced Converter-HVDC, VSC-HVDC)로 구분할 수 있다. 전류형 HVDC는 무효 전력을 흡수만 하므로 변환기 외에 무효 전력 공급 장치를 추가적으로 설치해야 하지만, 전압형 HVDC는 자체적으로 무효 전력을 흡수 또는 공급할 수 있는 능력이 있어 최근에 HVDC 시장에서 주목을 받고 있다.
도 1은 전압형 HVDC 시스템 구성을 예시하는 간략화 구성도이다.
도 2는 전압형 HVDC 시스템에 적용될 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC) 구성을 예시하는 회로도이다.
도 3은 도 2의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 구성하는 서브모듈의 구성을 예시한 회로도이다.
모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Multi-level Converter, MMC)는 근래의 전압형 HVDC 시스템에서 가장 일반적으로 사용하는 컨버터이다. 모듈형 멀티레벨 컨버터는 동일한 구성의 컨버터를 모듈로 제작하여 이를 통해 전압을 확장하므로 전압 확장에 유리할 뿐만 아니라 하나의 모듈에 고장이 발생하여도 고장난 모듈을 탈락(bypass)시키고 지속적으로 운전할 수 있으므로 HVDC 시스템의 운전 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 MMC의 구성의 일 예를 보여주고 있다. 도시한 바와 같이 MMC의 하나의 레그(Leg)로 되어 있으며, 각 레그는 2개의 암(Arm)으로 구성되어 있다. 암은 다수의 서브 모듈(Submodule)과 하나의 리액터로 구성되어 있다. 서브모듈은 풀-브릿지(Full-bridge) 형태 또는 하프-브릿지(Harf-bridge) 형태 등 다양한 컨버터 구조로 구성할 수 있으며, 도면에서는 하프브릿지 형태의 서브모듈을 예시로 보여주고 있다. MMC는 이러한 서브모듈을 연결하여 DC 및 AC 전압을 생성한다.
도 3은 서브모듈의 구성의 일 예를 보여주고 있다. 실제 전압형 HVDC 시스템에서는 시스템의 신뢰성 향상 및 안정적인 운전을 위해 서브모듈에 보호용 싸이리스터 밸브(Protection SCR)와 바이패스 스위치(By-pass switch)가 탑재되어 있다. 보호용 SCR은 DC 고장이 발생했을 때 고장 전류가 IGBT를 통해 흐르지 않도록 하여 과전류로 인한 IGBT의 소손을 방지하는 역할을 한다. 바이패스 스위치는 IGBT 고장과 같은 서브모듈 내부 고장으로 인하여 서브모듈을 더 이상 운전할 수 없을 경우 우회로를 제공하기 위해 사용된다.
일반적인 전압형 HVDC 시스템에서는 상기와 같은 서브모듈 구성을 통해 시스템의 신뢰성을 향상시킨다. 그런데 만약 보호 동작이 필요한 상황에서 보호용 SCR이 제대로 동작하지 않는다면(동작 실패가 발생한다면), 서브모듈 파괴로 인한 시스템 고장 상황이 발생할 수 있다. 또는 바이패스 스위치가 제대로 동작하지 않는다면(동작 실패가 발생한다면) 단일 서브모듈 고장이 발생한 상황에서도 전체 HVDC 시스템을 정지해야 하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 단일 보호용 스위치의 오동작으로 인하여 전체 HVDC 시스템의 신뢰성이 저하될 수 있는 우려가 있다.
대한민국 등록공보 10-2171603호
본 발명은 전압형 HVDC 시스템의 고장시에 서브모듈들을 효율적으로 보호할 수 있는 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른, 교류 전력 선로에서 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 플러스 선로와 직류 마이너스 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터는, 상기 교류 전력 선로와 상기 직류 플러스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암; 상기 교류 전력 선로와 상기 직류 마이너스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암; 상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및 상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 단위 전력 변환 소자는, 직렬 연결된 2개의 IGBT를 포함하며, 상기 단위 바이패스 보호 소자는, 고장이 발생된 IGBT을 더 이상 운전할 수 없을 경우 우회로를 제공하는 단위 바이패스 스위치; 및 고장 전류로 인한 IGBT의 소손을 방지하는 단위 보호 SCR을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는, 고장이 발생시 2개 이상의 상기 서브모듈들에 대한 우회로를 제공하는 바이패스 스위치; 및 고장 전류로 인한 상기 단위 전력 변환 소자의 소손을 방지하는 보호 SCR을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그룹별 바이패스 스위치 및 상기 그룹별 보호 SCR은, 서브모듈에 구비된 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치 동작이나 보호 SCR 동작 실패시 또는 동시에 동작할 수 있다.
여기서, 상기 서브모듈은 바이패스 스위치없이 양방향 보호 SCR만을 구비하거나, 또는 반도체 스위치로 바이패스 스위치를 구비하며, 상기 그룹별 바이패스 스위치는 기계식 스위치일 수 있다.
여기서, 상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는, 전류 관련된 용량은 상기 단위 바이패스 보호 소자와 동일하며, 역방향 전압에 대하여 요구되는 최소 내압 규격은 상기 단위 바이패스 보호 소자 보다 다수 배를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른, 직류 전력 선로에서 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전력 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터는, 상기 직류 전력 선로의 플러스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암; 상기 직류 전력 선로의 마이너스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암; 상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및 상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자를 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터를 실시하면, 전압형 HVDC 시스템의 고장시 대비에 대한 신뢰성과 안정성을 향상시키는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터는, 다수의 서브모듈이 연계되는 MMC의 개별 서브모듈 보호 동작을 그룹화 하여 이중화함으로써, 개별 서브모듈의 보호동작 뿐만 아니라 HVDC 시스템 전체의 보호 동작을 유기적으로 운용할 수 있도록 함으로써 전력사 관점에서 계통 시스템의 신뢰성 및 안정성을 향상 시키는 이점이 있다. 이에 따라, 전체 계통의 운용을 효과적으로 보조할 수 있다.
본 발명의 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터는, 개별 서브모듈의 상태 뿐만 아니라 그룹화된 서브모듈들을 실시간으로 모니터링하여 이상이 발견된 서브모듈의 운영을 적절하게 정지시키고 남아있는 서브모듈들이 최적 운용을 할 수 있도록 함으로써 전체 HVDC 시스템의 보호 동작을 보완할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, HVDC 시스템 접속 개소 및 전체 계통의 과도 상황에서도 빠른 안정도 회복을 도울 수 있으며 계통의 신뢰성 향상에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터는, 서브모듈의 그룹화 제어 시스템 운영을 통해 전압형 HVDC 시스템의 운용을 더욱 효율적으로 수행하게 하는 이점이 있다.
도 1은 전압형 HVDC 시스템 구성을 예시하는 간략화 구성도.
도 2는 전압형 HVDC 시스템에 적용될 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC) 구성을 예시하는 회로도.
도 3은 도 2의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 구성하는 서브모듈의 구성을 예시한 회로도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 전압형 HVDC 시스템을 구성하며 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터의 일 실시예를 도시한 블록 회로도.
도 5는 직류 전력 선로(DC)의 고장 상황을 예시한 구성도.
도 6은 직류 전력 선로DC 고장시 서브모듈 단위 바이패스 보호 소자의 보호 SCR의 동작 실패 상황을 예시한 구성도.
도 7은 직류 전력 선로DC 고장시 서브모듈 단위 바이패스 보호 소자의 서브모듈 바이패스 스위치 동작의 실패 상황을 예시한 구성도.
도 8은 직류 전력 선로DC 고장시 본 발명의 사상에 따른 그룹별 보호용 SCR가 동작하는 모습을 예시한 구성도.
도 9는 직류 전력 선로DC 고장시 본 발명의 사상에 따른 그룹별 바이패스 스위치가 동작하는 모습을 예시한 구성도.
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.
본 발명은 전압형 HVDC 시스템의 신뢰성과 안정성을 향상시키기 위한 목적으로 다수의 서브모듈이 연계되는 MMC의 개별 서브모듈 보호 동작을 그룹화하여 이중화 보호하는 것을 주된 사상으로 한다.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 전압형 HVDC 시스템을 구성하며 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터의 일 실시예를 도시한 블록 회로도이다.
도시한 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터는, 교류 전력 선로(vsa, vsb, vsc)에서 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 플러스 선로(P)와 직류 마이너스 선로(N)로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들(10-1 ~ 10-N)이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터로서,
상기 교류 전력 선로(vsa, vsb, vsc)와 상기 직류 플러스 선로(P) 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암; 상기 교류 전력 선로(vsa, vsb, vsc)와 상기 직류 마이너스 선로(N) 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암; 상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자(60, 80); 및 상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자를 포함할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 서브모듈을 그룹화 하면 각 암에 있는 N개의 서브모듈들을 x개의 그룹으로 묶을 수 있다. 각 그룹은 2개 이상(도면에서는 N개)의 서브모듈로 구성되고 서브모듈 그룹을 보호할 수 있도록 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자로서 바이패스 스위치(80)와 보호 SCR(60)을 구비하고 있다. 그룹별 바이패스 스위치(80)와 보호 SCR(60)은 서브모듈에 구비된 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치 동작이나 보호 SCR 동작 실패시 또는 동시에 동작할 수 있다. 이렇게 동작되는 그룹 보호용 스위치는 그룹뿐만 아니라 전체 HVDC 시스템을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 각 서브모듈이 구비하는 바이패스 보호 소자도 도 3에 도시한 바와 같이, 보호용 싸이리스터 밸브(Protection SCR)와 바이패스 스위치(By-pass switch)로 구성될 수 있다. 보호용 SCR은 DC 고장이 발생했을 때 고장 전류가 IGBT를 통해 흐르지 않도록 하여 과전류로 인한 IGBT의 소손을 방지하는 역할, 바이패스 스위치는 IGBT 고장과 같은 서브모듈 내부 고장으로 인하여 서브모듈을 더 이상 운전할 수 없을 경우 우회로를 제공하는 역할을 수행함은 동일하다.
구현에 따라, 상기 각 서브모듈이 구비하는 바이패스 보호 소자는 도 3의 구성 외에도, 다양한 스위치 및 SCR 조합들 중 하나로 구성될 수 있다.
예컨대, 양방향으로 2개의 SCR들의 조합, 하나의 바이패스 스위치와 양방향으로 2개의 SCR들의 조합, 2개의 바이패스 스위치(서로 방향이 다른 다이오드가 직렬 연결됨)들의 조합 중 하나로 구성될 수 있다.
특히, 본 발명의 사상에 따라 제시되는 그룹별 바이패스 소자와 관련하여서는, 구비된 그룹별 바이패스 스위치(80)로 서브모듈의 바이패스 스위치의 역할을 대체시킬 수 있다.
예컨대, 서브모듈에는 바이패스 스위치없이 양방향 보호 SCR만을 구비하거나, 서브모듈의 바이패스 스위치는 반도체 스위치로 구현하여, 서브모듈의 양방향 모두의 바이패스 동작 속도를 높이고 소자 비용을 절감하면서도, 그룹별 바이패스 스위치(80)를 기계적 스위치로 구현하여, 고장시에 충분한 안정성을 확보할 수 있다.
상술한 내용을 감안하면, 본 발명의 사상에 따른 그룹별 바이패스 스위치(80)는 기계식 스위치(릴레이 등)인 것이 바람직하지만, 이에 한정되지는 않고 반도체 스위치 등으로 구현될 수도 있음은 물론이다.
그룹별 바이패스 보호 소자도 각 서브모듈에 구비된 단위 바이패스 보호 소자와 마찬가지로 우회 전류 경로를 제공하므로, 그룹별 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치(80) 및 SCR(60)의 전류에 관련된 용량은 단위 바이패스 보호 소자의 것과 동일해도 무방하며, 오히려 동일한 경우가 바이패스시의 특성을 예측하기가 용이하다.
다만, 역방향 전압은 단위 바이패스 보호 소자 보다 다수(도면에서는 N개) 배로 걸리는 바, 그룹별 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치(80) 및 SCR(60)의 역방향 전압에 대하여 요구되는 최소 내압 규격은 단위 바이패스 보호 소자의 것보다 다수(도면에서는 N개) 배를 가지는 것이 바람직하다.
도시한 멀티레벨 컨버터는, 각 상의 상위 암 및 하위 암에는, 각 암으로의 외부 고주파 서지나 잡음을 차단하고, 스위칭 잡음을 차단하는 암 인덕터를 더 구비하고 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 사상에 따른 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터의 보호 동작에 대하여 구체적으로 예시한다.
도 5는 직류 전력 선로(DC)의 고장 상황을 예시한 구성도이다.
서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 멀티레벨 컨버터의 보호 동작의 예시를 설명하기 위해 먼저 도 5에 DC 고장 상황을 예시한다. 도 5와 같은 DC 지락 사고 발생 시 고장 전류는 MMC를 통해 흐르게 되고 이 때의 전류는 매우 크게 나타난다. 이 고장 전류가 IGBT 밸브를 통해 흐르게 되면 IGBT의 정격을 초과하게 되어 IGBT가 소손되므로 서브모듈 내부의 보호 SCR을 동작시켜 고장 전류가 SCR을 통해 흐르도록 한다.
도 6은 직류 전력 선로DC 고장시 서브모듈 단위 바이패스 보호 소자의 보호 SCR의 동작 실패 상황을 예시한 구성도이다.
그런데, 만약 도 6의 예시와 같이 DC 고장 시에 서브모듈 내부의 보호 SCR의 턴-온(Turn-on)이 실패하게 된다면 고장 전류는 IGBT를 통해 흐르게 된다. 따라서, 고장 전류가 흐르게 된 서브모듈의 IGBT는 정격을 초과하는 과전류로 인해 소손될 것이고 해당 서브모듈은 더 이상 사용할 수 없게 된다.
도 7은 직류 전력 선로DC 고장시 서브모듈 단위 바이패스 보호 소자의 서브모듈 바이패스 스위치 동작의 실패 상황을 예시한 구성도이다.
MMC는 모듈 구조로 되어 있어 시스템 내부에 여분의 서브모듈의 탑재할 수 있다. 이 여분의 서브모듈은 HVDC 시스템의 동작 중 서브모듈에 고장이 발생하더라도 고장 서브모듈을 탈락시키고 여분의 서브모듈을 투입시켜 시스템의 운전을 지속할 수 있도록 한다. 고장난 서브모듈을 탈락시키기 위해 서브모듈의 단위 바이패스 보호 소자에는 외부 제어 신호에 따라 확실하게 우회 경로를 제공하는 바이패스 스위치를 구비한다.
도 7에 도시한 바와 같이 바이패스 스위치가 동작함으로써 고장난 서브모듈을 시스템 운전에서 탈락시킬 수 있게 되는데, 단위 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치가 정상적으로 동작하지 않는다면, 해당 서브모듈을 운전에서 탈락시킬 수 없게 된다. 도 7과 같이 MMC에 전류가 흐르는 상황에서 고장 서브모듈의 탈락이 발생하지 않는다면 전류는 지속적으로 IGBT를 통해 커패시터의 전압을 충전시킬 것이다. 지속적으로 충전되는 커패시터 전압은 MMC 운전 특성을 저하시킬 것이며, 최악의 경우에는 고장 서브모듈 탈락 실패로 인하여 전체 HVDC 시스템에 고장이 발생할 수 있으며 운전을 정지해야 하는 상황이 될 수도 있다.
도 8은 직류 전력 선로DC 고장시 본 발명의 사상에 따른 그룹별 보호용 SCR가 동작하는 모습을 예시한 구성도이다.
도 8의 예시와 같이 DC 고장 시에 제안하는 그룹 보호 SCR이 동작하게 된다면 이중 보호 동작으로 인하여 단일 서브모듈의 보호 SCR 턴-온(Turn-on)이 실패하더라도 고장 전류는 IGBT를 통해 흐르지 않게 된다. 따라서, 과전류로 인해 IGBT 소자 및 서브모듈이 소손되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 직류 전력 선로DC 고장시 본 발명의 사상에 따른 그룹별 바이패스 스위치가 동작하는 모습을 예시한 구성도이다.
또한, 서브모듈 탈락이 필요한 상황에서도 도 9에 도시한 바와 같이 그룹 바이패스 스위치가 동작하게 된다면 단일 서브모듈 고장으로 인한 전체 시스템 고장 및 운전 정지 등의 상황을 피할 수 있게 된다. 따라서, 전압형 HVDC 시스템의 운전 연속성을 유지할 수 있으며, HVDC 시스템 뿐만 아니라 계통 전체의 신뢰도를 향상 시킬 수 있게 된다.
서브모듈 그룹 바이패스 스위치 및 보호 SCR 동작은 외부 제어 신호로서 보호 시퀀스를 통해 그룹별로 제어될 수도 있으며 동시에 제어될 수도 있다. 예컨대, 그룹 스위치의 동작 제어는 암 제어기를 통해 통합적으로 제어 될 수 있으며, 및/또는 별도의 그룹 제어기를 제작하여 그룹 제어기를 통해 개별 그룹별로 제어될 수도 있다.
한편, 상술한 도 4는 교류 전력 선로에서 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터에 대하여 도시하였는데, 직류 전력 선로에서 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터(이른바 멀티레벨 인버터)에도 마찬가지로 본 발명의 사상을 적용할 수 있음은 당연하다.
이와 같은 본 발명의 사상이 적용된, 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터는,
직류 전력 선로에서 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전력 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터로서,
상기 직류 전력 선로의 플러스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암; 상기 직류 전력 선로의 마이너스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암; 상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및 상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자를 포함할 수 있다.
직류 전력 전송을 위해 구비된 직류 전력 선로의 양단에 상술한 본 발명의 사상에 따른 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터 및 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터를 배치하여, 안정성이 개선된 전압형 HVDC 시스템을 구축할 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 실시예들은 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.
vsa, vsb, vsc : 교류 전력 선로
N : 직류 마이너스 선로
P : 직류 플러스 선로
10-1 ~ 10-N : 서브모듈
60 : 보호 SCR
80 : 바이패스 스위치

Claims (12)

  1. 교류 전력 선로에서 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 플러스 선로와 직류 마이너스 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터로서,
    상기 교류 전력 선로와 상기 직류 플러스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암;
    상기 교류 전력 선로와 상기 직류 마이너스 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암;
    상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및
    상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자
    를 포함하는 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 전력 변환 소자는,
    직렬 연결된 2개의 IGBT를 포함하며,
    상기 단위 바이패스 보호 소자는,
    고장이 발생된 IGBT을 더 이상 운전할 수 없을 경우 우회로를 제공하는 단위 바이패스 스위치; 및
    고장 전류로 인한 IGBT의 소손을 방지하는 단위 보호 SCR
    을 포함하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는,
    고장이 발생시 2개 이상의 상기 서브모듈들에 대한 우회로를 제공하는 바이패스 스위치; 및
    고장 전류로 인한 상기 단위 전력 변환 소자의 소손을 방지하는 보호 SCR
    을 포함하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그룹별 바이패스 스위치 및 상기 그룹별 보호 SCR은, 서브모듈에 구비된 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치 동작이나 보호 SCR 동작 실패시 또는 동시에 동작하는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 서브모듈은 바이패스 스위치없이 양방향 보호 SCR만을 구비하거나, 또는 반도체 스위치로 바이패스 스위치를 구비하며,
    상기 그룹별 바이패스 스위치는 기계식 스위치인 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는,
    전류 관련된 용량은 상기 단위 바이패스 보호 소자와 동일하며, 역방향 전압에 대하여 요구되는 최소 내압 규격은 상기 단위 바이패스 보호 소자 보다 다수 배를 가지는 교류-직류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  7. 직류 전력 선로에서 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전력 선로로 출력하도록, 단위 전력 변환 소자 및 단위 바이패스 보호 소자로 이루어진 서브모듈들이 다수개 직렬 연결된 구조를 구비하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터로서,
    상기 직류 전력 선로의 플러스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 상위 암;
    상기 직류 전력 선로의 마이너스 선로와 상기 교류 전력 선로 사이에 위치하며, 직렬 연결된 2개 이상의 상기 서브모듈들을 구비하는 하위 암;
    상기 상위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 상위 그룹별 바이패스 보호 소자; 및
    상기 하위 암에 구비된 직렬 연결된 2개 이상의 서브모듈들에 대한 우회 경로를 형성하는 하위 그룹별 바이패스 보호 소자
    를 포함하는 서브모듈 그룹별 바이패스 보호 소자를 갖춘 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단위 전력 변환 소자는,
    직렬 연결된 2개의 IGBT를 포함하며,
    상기 단위 바이패스 보호 소자는,
    고장이 발생된 IGBT을 더 이상 운전할 수 없을 경우 우회로를 제공하는 단위 바이패스 스위치; 및
    고장 전류로 인한 IGBT의 소손을 방지하는 단위 보호 SCR
    을 포함하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는,
    고장이 발생시 2개 이상의 상기 서브모듈들에 대한 우회로를 제공하는 바이패스 스위치; 및
    고장 전류로 인한 상기 단위 전력 변환 소자의 소손을 방지하는 보호 SCR
    을 포함하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그룹별 바이패스 스위치 및 상기 그룹별 보호 SCR은, 서브모듈에 구비된 바이패스 보호 소자의 바이패스 스위치 동작이나 보호 SCR 동작 실패시 또는 동시에 동작하는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 서브모듈은 바이패스 스위치없이 양방향 보호 SCR만을 구비하거나, 또는 반도체 스위치로 바이패스 스위치를 구비하며,
    상기 그룹별 바이패스 스위치는 기계식 스위치인 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 상위 그룹별 바이패스 보호 소자 및 하위 그룹별 바이패스 보호 소자는,
    전류 관련된 용량은 상기 단위 바이패스 보호 소자와 동일하며, 역방향 전압에 대하여 요구되는 최소 내압 규격은 상기 단위 바이패스 보호 소자 보다 다수 배를 가지는 직류-교류 변환을 위한 멀티레벨 컨버터.
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