KR20230149415A - System for controlling sub-modules of modular multilevel converter - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용은 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 시스템은, 모듈레이션 및 전압 밸런싱 제어를 수행하도록 구성되는 제어기; 및 다수의 서브 모듈(SM)들로 구성된 하나 이상의 서브 모듈 그룹을 포함할 수 있다. 각각의 서브 모듈은 해당 서브 모듈의 파이어링 제어 및 상태 측정을 위한 제어 유닛을 포함할 수 있다. 상기 서브 모듈 그룹의 서브 모듈들 중 하나는 마스터 서브 모듈이고, 상기 서브 모듈 그룹의 나머지 서브 모듈들은 슬레이브 서브 모듈들일 수 있다. 상기 서브 모듈 그룹에 대하여 상기 제어기는 상기 마스터 서브 모듈과 케이블을 통해 직접 연결되고 상기 슬레이브 서브 모듈들과는 직접 연결되지 않으며, 상기 마스터 서브 모듈이 상기 슬레이브 서브 모듈들 각각과 직접 연결될 수 있다. 본 개시 내용에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 케이블 연결 복잡도를 감소시키고 서브 모듈에 내장된 제어 유닛의 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.This disclosure provides a system for controlling submodules of a modular multi-level converter. The system includes a controller configured to perform modulation and voltage balancing control; And it may include one or more sub-module groups consisting of a plurality of sub-modules (SMs). Each sub-module may include a control unit for firing control and status measurement of the corresponding sub-module. One of the submodules of the submodule group may be a master submodule, and the remaining submodules of the submodule group may be slave submodules. For the sub-module group, the controller is directly connected to the master sub-module through a cable and not directly connected to the slave sub-modules, and the master sub-module may be directly connected to each of the slave sub-modules. According to the present disclosure, there is an effect of reducing cable connection complexity of a modular multi-level converter and increasing utilization of a control unit built in a sub-module.

Description

모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING SUB-MODULES OF MODULAR MULTILEVEL CONVERTER}System for controlling submodules of a modular multilevel converter {SYSTEM FOR CONTROLLING SUB-MODULES OF MODULAR MULTILEVEL CONVERTER}

본 개시 내용은 모듈형 멀티레벨 컨버터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.The present disclosure relates to a modular multilevel converter, and more particularly to a system for controlling submodules of a modular multilevel converter.

신재생에너지에 대한 수요가 나날이 증가하고 있으며, 신재생에너지원에 대한 전력 품질 문제를 개선하기 위해 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC: Modular Multi-level Converter)에 대한 수요 및 연구가 크게 증가하는 추세에 있다. 또한, 증가하는 전력 수요를 감당하기 위해 국내뿐만 아니라 세계적으로 고전압송전선로(HVDC: High Voltage Direct Current)의 설치사례가 늘고 있으며, HVDC를 설치함에 있어 MMC가 이용될 수 있다.Demand for new and renewable energy is increasing day by day, and demand and research on modular multi-level converters (MMC) are increasing significantly to improve power quality problems for new and renewable energy sources. there is. In addition, in order to handle the increasing demand for power, the number of installation cases of high voltage transmission lines (HVDC: High Voltage Direct Current) is increasing not only domestically but also internationally, and MMC can be used when installing HVDC.

전술한 바와 같이, 신재생에너지원 및 HVDC 개발에 있어 MMC가 좋은 해결책이 될 수 있으나, 일반적으로 MMC는 수백개의 서브 모듈(SM: Sub-Module)들을 가질 수 있기 때문에, 시스템 구성이 과도하게 복잡하고 구축 비용 또한 매우 높은 문제점을 가지고 있다.As mentioned above, MMC can be a good solution in the development of new renewable energy sources and HVDC, but in general, MMC can have hundreds of sub-modules (SM: Sub-Modules), so the system configuration is excessively complex. And the construction cost is also very high.

MMC 시스템을 구축하는데 있어 제어기와 서브모듈간 연결의 복잡성이 시스템 복잡성 및 비용을 증가시키는 주요 요인이 될 수 있으며, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 MMC의 서브 모듈 제어 구조를 제시할 필요가 있다.When building an MMC system, the complexity of the connection between the controller and submodules can be a major factor that increases system complexity and cost, and it is necessary to present an MMC submodule control structure that can solve these problems.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 개시 내용은 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present disclosure to solve these problems is to provide a system for controlling submodules of a modular multi-level converter.

본 개시 내용의 일 실시예에 따르면, 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 모듈레이션 및 전압 밸런싱 제어를 수행하도록 구성되는 제어기; 및 다수의 서브 모듈(SM)들로 구성된 하나 이상의 서브 모듈 그룹을 포함할 수 있다. 각각의 서브 모듈은 해당 서브 모듈의 파이어링(firing) 제어 및 상태(status) 측정을 위한 제어 유닛을 포함할 수 있다. 상기 서브 모듈 그룹의 서브 모듈들 중 하나는 마스터 서브 모듈이고, 상기 서브 모듈 그룹의 나머지 서브 모듈들은 슬레이브 서브 모듈들일 수 있다. 상기 서브 모듈 그룹에 대하여 상기 제어기는 상기 마스터 서브 모듈과 파이어링 신호 라인 및 상태 신호 라인을 통해 직접 연결되고 상기 슬레이브 서브 모듈들과는 직접 연결되지 않으며, 상기 마스터 서브 모듈은 상기 서브 모듈 그룹 내의 각각의 슬레이브 서브 모듈과 제 2 파이어링 신호 라인 및 제 2 상태 신호 라인을 통해 직접 연결될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, a system for controlling submodules of a modular multi-level converter is provided. The system includes a controller configured to perform modulation and voltage balancing control; And it may include one or more sub-module groups consisting of a plurality of sub-modules (SMs). Each sub-module may include a control unit for controlling firing and measuring the status of the corresponding sub-module. One of the submodules of the submodule group may be a master submodule, and the remaining submodules of the submodule group may be slave submodules. For the submodule group, the controller is directly connected to the master submodule through a firing signal line and a status signal line and is not directly connected to the slave submodules, and the master submodule is connected to each slave in the submodule group. It can be directly connected to the submodule through the second firing signal line and the second status signal line.

또한, 상기 제어기는 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들(SM1 ~ SMn)에 대한 파이어링 제어를 위한 게이트 신호들(G1 ~ Gn)을 생성하여 상기 파이어링 신호 라인을 통해 상기 마스터 서브 모듈로 전달할 수 있다. 상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 자신에 대한 게이트 신호(G1)를 제외한 나머지 게이트 신호들(G2 ~ Gn)을 해당 슬레이브 서브 모듈로 각각의 제 2 파이어링 신호 라인을 통해 분배하도록 구성될 수 있다.In addition, the controller generates gate signals (G 1 to G n ) for firing control for all sub-modules (SM1 to SMn) of the sub-module group and transmits the gate signals (G 1 to G n ) to the master sub-module through the firing signal line. It can be passed on. The control unit of the master sub-module will be configured to distribute the remaining gate signals (G 2 to G n ) excluding the gate signal ( G 1 ) for itself to the corresponding slave sub-modules through each second firing signal line. You can.

또한, 상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 상기 서브 모듈 그룹의 슬레이브 서브 모듈들의 전압값들(v2 ~ vn)을 각각의 제 2 상태 신호 라인을 통해 수신하고 자신의 전압값(v1)을 포함한 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들의 전압값들(v1 ~ vn)을 상기 상태 신호 라인을 통해 상기 제어기로 전달하도록 구성될 수 있다.In addition, the control unit of the master sub-module receives the voltage values (v 2 to v n ) of the slave sub-modules of the sub-module group through each second state signal line and receives its own voltage value (v 1 ). It may be configured to transmit voltage values (v 1 to v n ) of all sub-modules of the sub-module group including the sub-module group to the controller through the status signal line.

또한, 상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들의 전압값들(v1 ~ vn) 및 상기 서브 모듈 그룹의 전류값(iup 또는 ilw)을 포함하는 상기 서브 모듈 그룹의 상태 측정 데이터를 상기 상태 신호 라인을 통해 상기 제어기로 전달하도록 구성될 수 있다.In addition, the control unit of the master sub-module is configured to control the sub-module including voltage values (v 1 to v n ) of all sub-modules of the sub-module group and current values (i up or i lw ) of the sub-module group. It may be configured to transmit group status measurement data to the controller through the status signal line.

또한, 상기 서브 모듈은 하프 브리지(Half Bridge) 형태의 서브 모듈(HB-SM)일 수 있다.Additionally, the sub-module may be a half-bridge type sub-module (HB-SM).

또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터는 3상 전력 계통과 연결되며, 상기 하나 이상의 서브 모듈 그룹의 각각의 서브 모듈 그룹은 각 상에 대한 상위 암(Upper Arm) 또는 하위 암(Lower Arm)을 구성할 수 있다.In addition, the modular multi-level converter is connected to a three-phase power system, and each sub-module group of the one or more sub-module groups constitutes an upper arm or lower arm for each phase. You can.

또한, 상기 시스템은, 상기 제어기와 연결되며, 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 무효전력 제어 및 전압 제어를 수행하도록 구성되는 상위 제어기를 더 포함할 수 있다.In addition, the system may further include a higher level controller connected to the controller and configured to perform reactive power control and voltage control of the modular multi-level converter.

본 개시 내용에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 케이블 연결 복잡도를 감소시키고 서브 모듈에 내장된 제어 유닛의 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.According to the present disclosure, there is an effect of reducing cable connection complexity of a modular multi-level converter and increasing utilization of a control unit built in a sub-module.

또한, 본 개시 내용에 따르면, 중앙 제어기가 수백개의 서브 모듈 각각과 케이블 연결되는 대신에 중앙 제어기는 마스터 서브 모듈로만 케이블 연결되며, 마스터 서브 모듈을 통해 슬레이브 서브 모듈들을 제어할 수 있도록 함으로써 케이블 연결을 위한 복잡성 및 그로 인한 비용을 획기적으로 줄일 수 있으며, 마스터/슬레이브 서브 모듈 제어 구조를 위해 별개의 추가 장치들을 장착할 필요없이 기존 서브 모듈에 내장된 제어 유닛을 활용할 수 있는 장점을 가진다.In addition, according to the present disclosure, instead of the central controller being cable-connected to each of hundreds of sub-modules, the central controller is cable-connected only to the master sub-module, and is able to control the slave sub-modules through the master sub-module, thereby reducing the cable connection. The complexity and resulting costs can be dramatically reduced, and it has the advantage of utilizing the control unit built into the existing submodule without the need to install separate additional devices for the master/slave submodule control structure.

도 1은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 기본 구성을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2는 하프 브리지 타입의 서브 모듈(HB-SM)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 예시적인 제어 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 마스터/슬레이브 서브모듈에 기반한 제어 구조를 나타내는 도면이다.
1 is an exemplary diagram showing the basic configuration of a modular multilevel converter.
Figure 2 is a diagram showing an example of a half-bridge type submodule (HB-SM).
3 is a diagram showing an exemplary control structure of a modular multilevel converter.
FIG. 4 is a diagram illustrating a control structure based on master/slave submodules of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. First, when adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 다양한 양상들이 아래에서 설명된다. 여기에서 제시되는 발명들은 폭넓은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며 여기에서 제시되는 임의의 특정한 구조, 기능 또는 이들 모두는 단지 예시적이라는 것을 이해하도록 한다. 여기에서 제시되는 발명들에 기반하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에서 제시되는 하나의 양상이 임의의 다른 양상들과 독립적으로 구현될 수 있으며 둘 이상의 이러한 양상들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 임의의 수의 양상들을 이용하여 장치가 구현될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 하나 이상의 양상들에 더하여 또는 이들 양상들이 아닌 다른 구조, 기능 또는 구조 및 기능을 이용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다.Various aspects of the invention are described below. It is to be understood that the inventions presented herein may be implemented in a wide variety of forms and that any particular structure, function, or both, presented herein is illustrative only. Based on the inventions presented herein, those skilled in the art will understand that one aspect presented herein can be implemented independently of any other aspects and that two or more of these aspects can be implemented in various ways. You will understand that it can be combined with . For example, an apparatus may be implemented or a method may be practiced using any number of the aspects set forth herein. Additionally, such an apparatus may be implemented or such a method may be practiced using other structure, functionality, or structure and functionality in addition to or other than one or more aspects described herein.

본 명세서에서 제시되는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)는 유연송전시스템(FACTS) 및 고전압송전선로(HVDC)에 적용될 수 있는 전압형 컨버터 방식의 장치일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 언급되는 전력 시스템은 3상 전력 시스템일 수 있다.The modular multi-level converter (MMC) presented in this specification may be a voltage-type converter type device that can be applied to flexible transmission systems (FACTS) and high-voltage transmission lines (HVDC). Additionally, the power system referred to herein may be a three-phase power system.

도 1은 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)의 기본 구성을 나타내는 예시적인 도면이다.1 is an exemplary diagram showing the basic configuration of a modular multilevel converter (MMC).

MMC는 전압 소스 컨버터의 일종으로서 직류(DC) 전원을 계단파로 만들어 교류(AC) 전압을 생성할 수 있는 장치이다. MMC의 주요 기능은 무효전력보상, 고조파 제거, 상 불평형 해소 등일 수 있다.MMC is a type of voltage source converter and is a device that can generate alternating current (AC) voltage by converting direct current (DC) power into a step wave. The main functions of MMC can be reactive power compensation, harmonic removal, and phase imbalance resolution.

도 1을 참조하면, MMC는 전력 계통의 3 상(130)에 맞추어서 3 상으로 구성될 수 있으며 각 상은 상위 암(Upper Arm)(120)과 하위 암(Lower Arm)(121)을 포함할 수 있다. 각각의 암은 복수개의 서브모듈(SM: Sub Module)(110)들을 포함할 수 있으며, 이러한 서브모듈들은 직렬로 구성될 수 있다. 또한, 각각의 암에는 과전류를 방지하기 위한 리액터(L)가 연결될 수 있다. 서브 모듈(SM)(100)은 구현예에 따라 하프 브리지(Half Bridge) SM(HB-SM), 풀 브리지(Full Bridge) SM(FB-SM), 3-레벨 플라잉-커패시터 SM(3L-FCSM) 등일 수 있다. 아래에서는 설명의 편의를 위해 HB-SM 타입의 서브 모듈(100)을 기준으로 설명하도록 한다.Referring to Figure 1, the MMC may be composed of three phases in accordance with the three phases 130 of the power system, and each phase may include an upper arm 120 and a lower arm 121. there is. Each arm may include a plurality of submodules (SM: Sub Modules) 110, and these submodules may be configured in series. Additionally, a reactor (L) to prevent overcurrent may be connected to each arm. Depending on the implementation, the submodule (SM) 100 is a half bridge SM (HB-SM), a full bridge SM (FB-SM), and a 3-level flying-capacitor SM (3L-FCSM). ), etc. Below, for convenience of explanation, the description will be based on the HB-SM type submodule 100.

도 2는 하프 브리지(Half Bridge) 타입의 서브 모듈(HB-SM)의 일례를 나타내는 도면이다.Figure 2 is a diagram showing an example of a half bridge type submodule (HB-SM).

도 2에 도시된 바와 같이, 하프 브리지 형태의 서브모듈(HB-SM)(110)은 2개의 IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) 스위치들(111, 113), 2개의 다이오드들(115, 117) 및 커패시터와 같은 에너지 저장 소자(119)를 포함할 수 있다. 각각의 서브 모듈(110)은 2개의 단자들(121, 123)를 이용하여 다른 서브 모듈(110)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 각각의 서브 모듈(110)은 중앙 처리 유닛(CPU), 필드프로그래밍가능한 게이트 어레이(FPGA) 등으로 구현될 수 있는 제어 유닛을 내장할 수 있으며, 제어 유닛을 통해 해당 서브 모듈의 파이어링(firing) 제어(예를 들어, IGBT의 온(on)/오프(off) 제어) 및 상태 측정(예를 들어, 서브 모듈의 전압값, 전류값 측정)을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 2, the half-bridge type submodule (HB-SM) 110 includes two IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) switches 111 and 113 and two diodes 115 and 117. and an energy storage element 119 such as a capacitor. Each sub-module 110 may be connected in series to another sub-module 110 using two terminals 121 and 123. In addition, each sub-module 110 may have a built-in control unit that can be implemented with a central processing unit (CPU), a field programmable gate array (FPGA), etc., and the firing (firing) of the corresponding sub-module through the control unit. firing) control (e.g., on/off control of IGBT) and status measurement (e.g., measurement of voltage value and current value of sub-module) can be performed.

도 2와 같은 HB-SM 타입의 서브 모듈(110)은 IGBT 스위치(111, 113)로 입력되는 제어 신호에 따라 0V, +Vdc_cell의 2단계 전압을 가질 수 있으며 FB-SM 타입의 서브 모듈(110)은 -Vdc_cell, 0V, +Vdc_cell의 3단계 전압을 가질 수 있다. MMC는 MMC 내의 모든 서브 모듈(110)의 IGBT 스위치(111, 113)를 온/오프 제어하여 사인파 형태의 AC 전력이 각 상의 AC 단자에 생성될 수 있도록 동작할 수 있다.The HB-SM type submodule 110 as shown in FIG. 2 can have a two-level voltage of 0V and +Vdc_cell according to the control signal input to the IGBT switches 111 and 113, and the FB-SM type submodule 110 ) can have three voltage levels: -Vdc_cell, 0V, and +Vdc_cell. The MMC may operate by controlling the IGBT switches 111 and 113 of all submodules 110 within the MMC on/off so that AC power in the form of a sine wave can be generated at the AC terminal of each phase.

도 3은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 예시적인 제어 구조를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing an exemplary control structure of a modular multilevel converter.

도 3에 도시된 바와 같이, MMC 제어 시스템은 상위 제어기(210), 하위 제어기(220) 및 복수의 서브 모듈들(110)을 포함할 수 있다. 상위 제어기(210)는 MMC의 무효전력 제어 및 전압 제어 등을 수행하도록 구성될 수 있다. 하위 제어기(220)는 상위 제어기(220)와 연결되며, 모듈레이션 및 전압 밸런싱 제어를 수행하도록 구성될 수 있다. MMC에 적용되는 모듈레이션 방식은 구현예에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 방식 또는 스테어케이스(staircase) 방식일 수 있다. 예를 들어, PWM 방식은 CPS-PWM, LSC-PWM 등일 수 있으며, 스테어케이스 방식은 NLM, 선택적 하모닉 제거(SHE), 동등 영역 메서드(EAM) 등일 수 있다. 하위 제어기(220)는 복수의 서브 모듈들(110) 각각과 케이블(예를 들어, 전기케이블, 광케이블 등)을 통해 연결될 수 있으며, 형성하고자 하는 전압 레벨에 따라 사용할 서브 모듈들(110)을 결정하고 이들을 온/오프 제어함으로써 전압 밸런싱 제어를 수행할 수 있다. 각각의 서브 모듈(110)은 CPU, FPGA 등으로 구현가능한 제어 유닛(미도시)을 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 해당 서브 모듈의 전압/전류 정보를 하위 제어기(220)로 전달하고 하위 제어기(220)로부터의 파이어링 제어 신호를 전달받아 해당 서브 모듈의 IGBT를 제어하도록 동작할 수 있다.As shown in FIG. 3, the MMC control system may include an upper controller 210, a lower controller 220, and a plurality of sub-modules 110. The upper controller 210 may be configured to perform reactive power control and voltage control of the MMC. The lower controller 220 is connected to the upper controller 220 and may be configured to perform modulation and voltage balancing control. The modulation method applied to MMC may be a PWM (Pulse Width Modulation) method or a staircase method depending on the implementation. For example, the PWM method may be CPS-PWM, LSC-PWM, etc., and the staircase method may be NLM, Selective Harmonic Elimination (SHE), Equivalent Area Method (EAM), etc. The lower controller 220 may be connected to each of the plurality of sub-modules 110 through cables (e.g., electric cables, optical cables, etc.), and determines which sub-modules 110 to use according to the voltage level to be formed. And by controlling them on/off, voltage balancing control can be performed. Each sub-module 110 may include a control unit (not shown) that can be implemented with a CPU, FPGA, etc., and the control unit transfers the voltage/current information of the corresponding sub-module to the lower controller 220 and the lower controller ( 220), it can receive a firing control signal and operate to control the IGBT of the corresponding sub-module.

도 3의 제어 구조에서, 하위 제어기(220)는 각각의 서브 모듈(110)과 직접 연결되며 이를 위해 하위 제어기(220) 및 복수의 서브 모듈들(110) 사이에서 1:n 통신을 위한 다수의 케이블들이 필요하게 된다. 실제 구현시 하위 제어기(220)와 서브 모듈들(110) 간에는 상당한 물리적 거리가 있으며, 통상적으로 MMC에는 200개 이상의 서브 모듈들이 적용될 수 있다. 따라서, 도 3의 제어 구조와 같이 MMC 제어 시스템을 설계하는 경우에, 하위 제어기(220)는 200개 이상의 서브 모듈들 각각과 케이블 연결되어야 하기 때문에 시스템 구조가 과도하게 복잡해질 수 있으며 그러한 구현을 위한 비용 역시 크게 증가될 수 있다. 또한, 고가의 광케이블을 적용하는 경우에 상당한 물리적 거리로 인해 케이블 자체 비용이 크게 증가할뿐만 아니라 광전 변환 모듈이 추가로 적용되어야 하기 때문에, 시스템 복잡도 및 비용은 더 크게 증가할 수 있다. 따라서, 본 개시 내용은 아래와 같은 마스터/슬레이브 서브 모듈에 기반한 MMC 제어 구조를 제안하고자 한다.In the control structure of FIG. 3, the lower controller 220 is directly connected to each sub-module 110, and for this purpose, a plurality of sub-controllers 220 and a plurality of sub-modules 110 are connected to each other for 1:n communication. Cables are needed. In actual implementation, there is a considerable physical distance between the lower controller 220 and the sub-modules 110, and typically more than 200 sub-modules can be applied to the MMC. Therefore, when designing an MMC control system like the control structure of FIG. 3, the sub-controller 220 must be connected with a cable to each of 200 or more sub-modules, so the system structure may become excessively complex, and such implementation requires Costs can also increase significantly. In addition, when applying an expensive optical cable, not only does the cost of the cable itself increase significantly due to the considerable physical distance, but also a photoelectric conversion module must be additionally applied, which can further increase system complexity and cost. Therefore, the present disclosure seeks to propose an MMC control structure based on the master/slave submodules below.

도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 마스터/슬레이브 서브모듈에 기반한 제어 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a control structure based on master/slave submodules of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present disclosure.

이러한 구현에서, MMC의 서브 모듈들(110)은 다수(예를 들어, N개(N은 양의 정수))의 서브 모듈들로 구성된 하나 이상의 서브 모듈 그룹으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 다수(N)개의 서브 모듈들로 구성된 상위 암(120) 또는 하위 암(121)이 하나의 서브 모듈 그룹으로 설정될 수 있다. 3상 전력 계통에 연결되는 각 상의 상위 암(120) 및 하위 암(121)을 각각의 서브 모듈 그룹으로 정의하는 경우, MMC 제어 시스템은 6개의 서브 모듈 그룹들(3개의 상위 암들 및 3개의 하위 암들)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 이에 한정되지 않으며 암 단위가 아닌 특정 개수의 서브 모듈들(110)이 하나의 서브 모듈 그룹으로 정의될 수도 있다.In this implementation, the submodules 110 of the MMC may be configured as one or more submodule groups consisting of a plurality (eg, N (N is a positive integer)) of submodules. For example, the upper arm 120 or the lower arm 121 composed of multiple (N) sub-modules may be set as one sub-module group. If the upper arm 120 and lower arm 121 of each phase connected to the three-phase power system are defined as each submodule group, the MMC control system has 6 submodule groups (3 upper arms and 3 lower arms) cancers). However, the present disclosure is not limited thereto, and a specific number of sub-modules 110, not arm units, may be defined as one sub-module group.

서브 모듈 그룹에서, 서브 모듈들 중 하나는 마스터 서브 모듈(310)로 설정될 수 있으며, 해당 서브 모듈 그룹의 나머지 서브 모듈들은 슬레이브 서브 모듈들(311-2, 311-i, 311-n)로 설정될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 서브 모듈 그룹에 대하여 하위 제어기(220)는 마스터 서브 모듈(310)와 파이어링 신호 라인 및 상태 신호 라인을 포함하는 케이블을 통해 직접 연결될 수 있고, 그룹 내의 슬레이브 서브 모듈들(311-2, 311-i, 311-n)과는 직접 연결되지 않는다. 대신에, 마스터 서브 모듈(310)은 해당 서브 모듈 그룹 내의 각각의 슬레이브 서브 모듈(311-2, 311-i, 311-n)과 제 2 파이어링 신호 라인 및 제 2 상태 신호 라인을 포함하는 별도의 케이블을 통해 직접 연결될 수 있다. 하나의 서브 모듈 그룹을 구성하는 서브 모듈들(310, 311-2, 311-i, 311-n)은 직렬로 서로 인접하게 배치되기 때문에, 그룹 내 서브 모듈들 간의 케이블의 길이는 하위 제어기(220) 및 마스터 서브 모듈(310) 간의 케이블 길이보다 훨씬 짧을 수 있다. 이러한 구성을 통해, 하위 제어기(220)는 MMC를 구성하는 모든 서브 모듈들(110) 각각과 케이블로 연결되지 않으며, 각 서브 모듈 그룹의 마스터 서브 모듈(310, 320)과만 연결되어 MMC 제어 시스템의 복잡도를 크게 낮출 수 있다.In the submodule group, one of the submodules may be set as the master submodule 310, and the remaining submodules of the submodule group may be set as slave submodules 311-2, 311-i, and 311-n. can be set. As shown in Figure 4, for a sub-module group, the sub-controller 220 may be directly connected to the master sub-module 310 through a cable including a firing signal line and a status signal line, and the slave sub-module within the group It is not directly connected to fields 311-2, 311-i, and 311-n. Instead, the master submodule 310 is a separate submodule including each slave submodule (311-2, 311-i, 311-n) within the corresponding submodule group, a second firing signal line, and a second status signal line. can be connected directly via a cable. Since the submodules 310, 311-2, 311-i, and 311-n constituting one submodule group are arranged adjacent to each other in series, the length of the cable between submodules in the group is determined by the subcontroller 220 ) and may be much shorter than the cable length between the master submodule 310. Through this configuration, the sub-controller 220 is not connected with a cable to each of all sub-modules 110 constituting the MMC, but is connected only to the master sub-modules 310 and 320 of each sub-module group to control the MMC control system. Complexity can be greatly reduced.

도 4에 제시된 제어 구조에서, 제어기(220)는 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들(SM1 ~ SMn)(310, 311-2, 311-i, 311-n)에 대한 파이어링 제어를 위한 게이트 신호들(G1 ~ Gn)을 생성하여 파이어링 신호 라인을 통해 마스터 서브 모듈(310)로 전달할 수 있다. 마스터 서브 모듈(310)의 제어 유닛은 자신에 대한 게이트 신호(G1)를 제외한 나머지 게이트 신호들(G2 ~ Gn)을 해당 슬레이브 서브 모듈로 각각의 제 2 파이어링 신호 라인을 통해 분배하도록 구성될 수 있다. 마스터 서브 모듈(310)의 제어 유닛은 자신에 대한 게이트 신호(G1)에 따라 온/오프를 제어할 수 있으며, 슬레이브 서브 모듈들(311-2, 311-i, 311-n) 각각의 제어 유닛은 마스터 서브 모듈(310)로부터 전달받은 자신에 대한 게이트 신호(G)에 따라 온/오프를 제어할 수 있다.In the control structure shown in FIG. 4, the controller 220 provides a gate signal for firing control for all sub-modules (SM1 to SMn) (310, 311-2, 311-i, 311-n) of the sub-module group. G 1 to G n can be generated and transmitted to the master sub-module 310 through a firing signal line. The control unit of the master sub-module 310 distributes the remaining gate signals (G 2 to G n ), excluding the gate signal (G 1 ) for itself, to the corresponding slave sub-modules through each second firing signal line. It can be configured. The control unit of the master sub-module 310 can control on/off according to its gate signal (G 1 ), and controls each of the slave sub-modules 311-2, 311-i, and 311-n. The unit can control on/off according to its own gate signal (G) received from the master sub-module 310.

마스터 서브 모듈(310)의 제어 유닛은 해당 서브 모듈 그룹의 슬레이브 서브 모듈들(311-2, 311-i, 311-n)의 전압값들(v2 ~ vn)을 연결된 각각의 제 2 상태 신호 라인을 통해 수신할 수 있다. 이를 통해, 마스터 서브 모듈(310)의 제어 유닛은 자신의 전압값(v1)을 포함한 해당 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들(310, 311-2, 311-i, 311-n)의 전압값들(v1 ~ vn)을 획득할 수 있으며 이를 상태 신호 라인을 통해 제어기(220)로 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 마스터 서브 모듈(310)의 제어 유닛은 해당 서브 모듈 그룹의 전류값(iup 또는 ilw)을 획득할 수 있으며, 해당 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들(310, 311-2, 311-i, 311-n)의 전압값들(v1 ~ vn) 및 해당 서브 모듈 그룹의 전류값(iup 또는 ilw)을 포함하는 해당 서브 모듈 그룹의 상태 측정 데이터를 상태 신호 라인을 통해 제어기(220)로 전달할 수 있다.The control unit of the master sub-module 310 connects the voltage values (v 2 to v n ) of the slave sub-modules (311-2, 311-i, 311-n) of the corresponding sub-module group to each second state. It can be received through the signal line. Through this, the control unit of the master sub-module 310 controls the voltage values of all sub-modules (310, 311-2, 311-i, 311-n) of the corresponding sub-module group, including its own voltage value (v 1 ). (v 1 to v n ) can be obtained and configured to transmit them to the controller 220 through a status signal line. In addition, the control unit of the master sub-module 310 can acquire the current value (i up or i lw ) of the corresponding sub-module group, and all sub-modules 310, 311-2, 311- of the corresponding sub-module group The status measurement data of the corresponding submodule group, including the voltage values (v 1 to v n ) of (i, 311-n) and the current values (i up or i lw ) of the corresponding submodule group, are sent to the controller through the status signal line. It can be delivered to (220).

다시 제어기(220)는 마스터 서브 모듈(310)로부터 전달받은 해당 서브 모듈 그룹의 전압값들(v1 ~ vn)에 기초하여 모듈레이션 및 전압 밸런싱 제어를 통해 업데이트된 파이어링 제어를 위한 게이트 신호들(G1 ~ Gn)을 생성하여 파이어링 신호 라인을 통해 마스터 서브 모듈(310)로 전달할 수 있고, 마스터 서브 모듈(310)은 전술한 바와 같이 각각의 제 2 상태 신호 라인을 통해 해당 슬레이브 서브 모듈에 해당하는 게이트 신호(G)를 전달함으로써 해당 서브 모듈 그룹 내의 각 서브 모듈(310, 311-2, 311-i, 311-n)은 자신에 대한 업데이트된 게이트 신호(G)에 따라 다시 온/오프를 제어할 수 있다.Again, the controller 220 updates gate signals for firing control through modulation and voltage balancing control based on the voltage values (v 1 to v n ) of the corresponding sub-module group received from the master sub-module 310. (G 1 ~ G n ) can be generated and transmitted to the master sub-module 310 through the firing signal line, and the master sub-module 310 can generate the corresponding slave sub-module 310 through each second state signal line as described above. By transmitting the gate signal (G) corresponding to the module, each submodule (310, 311-2, 311-i, 311-n) within the corresponding submodule group turns on again according to the updated gate signal (G) for itself. You can control /off.

마스터 서브 모듈(310)이 해당 서브 모듈 그룹 내의 슬레이브 서브 모듈들(311-2, 311-i, 311-n)에 대하여 수행하는 전술한 동작들은 별개의 추가 장치들을 마스터 서브 모듈(310)에 장착할 필요없이 마스터 서브 모듈(310)에 내장된 제어 유닛을 이용하여 수행될 수 있으며, 이를 통해 서브 모듈에 내장된 제어 유닛의 활용도를 높일 수 있다.The above-described operations performed by the master sub-module 310 on the slave sub-modules 311-2, 311-i, and 311-n within the corresponding sub-module group are performed by mounting separate additional devices on the master sub-module 310. It can be performed using the control unit built in the master sub-module 310 without any need, and through this, the utilization of the control unit built in the sub-module can be increased.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the broadest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

110: 서브 모듈
120: 상위 암
121: 하위 암
130: 3상 전력 계통
210: 상위 제어기
220: 하위 제어기
310, 320: 마스터 서브 모듈
311-2, 311-i, 311-n: 슬레이브 서브 모듈
110: submodule
120: Top Cancer
121: Sub arm
130: 3-phase power system
210: upper controller
220: Sub-controller
310, 320: Master submodule
311-2, 311-i, 311-n: Slave submodule

Claims (7)

모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템으로서,
모듈레이션 및 전압 밸런싱 제어를 수행하도록 구성되는 제어기; 및
다수의 서브 모듈(SM)들로 구성된 하나 이상의 서브 모듈 그룹을 포함하고,
각각의 서브 모듈은 해당 서브 모듈의 파이어링(firing) 제어 및 상태(status) 측정을 위한 제어 유닛을 포함하고,
상기 서브 모듈 그룹의 서브 모듈들 중 하나는 마스터 서브 모듈이고, 상기 서브 모듈 그룹의 나머지 서브 모듈들은 슬레이브 서브 모듈들이고,
상기 서브 모듈 그룹에 대하여 상기 제어기는 상기 마스터 서브 모듈과 파이어링 신호 라인 및 상태 신호 라인을 통해 직접 연결되고 상기 슬레이브 서브 모듈들과는 직접 연결되지 않으며, 상기 마스터 서브 모듈은 상기 서브 모듈 그룹 내의 각각의 슬레이브 서브 모듈과 제 2 파이어링 신호 라인 및 제 2 상태 신호 라인을 통해 직접 연결되는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
A system for controlling submodules of a modular multi-level converter, comprising:
A controller configured to perform modulation and voltage balancing control; and
Includes one or more submodule groups consisting of a plurality of submodules (SMs),
Each submodule includes a control unit for controlling the firing and measuring the status of the submodule,
One of the submodules in the submodule group is a master submodule, and the remaining submodules in the submodule group are slave submodules,
For the submodule group, the controller is directly connected to the master submodule through a firing signal line and a status signal line and is not directly connected to the slave submodules, and the master submodule is connected to each slave in the submodule group. Directly connected to the submodule through a second firing signal line and a second status signal line,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들(SM1 ~ SMn)에 대한 파이어링 제어를 위한 게이트 신호들(G1 ~ Gn)을 생성하여 상기 파이어링 신호 라인을 통해 상기 마스터 서브 모듈로 전달하고, 상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 자신에 대한 게이트 신호(G1)를 제외한 나머지 게이트 신호들(G2 ~ Gn)을 해당 슬레이브 서브 모듈로 각각의 제 2 파이어링 신호 라인을 통해 분배하도록 구성되는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 1,
The controller generates gate signals (G 1 to G n ) for firing control for all sub-modules (SM1 to SMn) of the sub-module group and transmits them to the master sub-module through the firing signal line. And, the control unit of the master sub-module distributes the remaining gate signals (G 2 to G n ) excluding the gate signal ( G 1 ) for itself to the corresponding slave sub-modules through each second firing signal line. composed,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 1 항에 있어서,
상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 상기 서브 모듈 그룹의 슬레이브 서브 모듈들의 전압값들(v2 ~ vn)을 각각의 제 2 상태 신호 라인을 통해 수신하고 자신의 전압값(v1)을 포함한 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들의 전압값들(v1 ~ vn)을 상기 상태 신호 라인을 통해 상기 제어기로 전달하도록 구성되는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 1,
The control unit of the master sub-module receives the voltage values (v 2 to v n ) of the slave sub-modules of the sub-module group through each second state signal line and includes the voltage value (v 1 ) of the master sub-module. Configured to transmit voltage values (v 1 to v n ) of all sub-modules of a sub-module group to the controller through the status signal line,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 3 항에 있어서,
상기 마스터 서브 모듈의 제어 유닛은 상기 서브 모듈 그룹의 모든 서브 모듈들의 전압값들(v1 ~ vn) 및 상기 서브 모듈 그룹의 전류값(iup 또는 ilw)을 포함하는 상기 서브 모듈 그룹의 상태 측정 데이터를 상기 상태 신호 라인을 통해 상기 제어기로 전달하도록 구성되는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 3,
The control unit of the master sub-module is a control unit of the sub-module group including voltage values (v 1 to v n ) of all sub-modules of the sub-module group and current values (i up or i lw ) of the sub-module group. configured to transmit status measurement data to the controller via the status signal line,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 1 항에 있어서,
상기 서브 모듈은 하프 브리지(Half Bridge) 형태의 서브 모듈(HB-SM)인,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 1,
The submodule is a half bridge type submodule (HB-SM),
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 1 항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터는 3상 전력 계통과 연결되며, 상기 하나 이상의 서브 모듈 그룹의 각각의 서브 모듈 그룹은 각 상에 대한 상위 암(Upper Arm) 또는 하위 암(Lower Arm)을 구성하는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 1,
The modular multi-level converter is connected to a three-phase power system, and each sub-module group of the one or more sub-module groups constitutes an upper arm or lower arm for each phase,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기와 연결되며, 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 무효전력 제어 및 전압 제어를 수행하도록 구성되는 상위 제어기를 더 포함하는,
모듈형 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈을 제어하기 위한 시스템.
According to claim 1,
Further comprising an upper controller connected to the controller and configured to perform reactive power control and voltage control of the modular multi-level converter,
System for controlling submodules of modular multi-level converters.
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