WO2014104831A1 - 컨버터의 바이패스 장치 - Google Patents

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WO2014104831A1
WO2014104831A1 PCT/KR2013/012337 KR2013012337W WO2014104831A1 WO 2014104831 A1 WO2014104831 A1 WO 2014104831A1 KR 2013012337 W KR2013012337 W KR 2013012337W WO 2014104831 A1 WO2014104831 A1 WO 2014104831A1
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core
coil
switch tube
vacuum switch
converter
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PCT/KR2013/012337
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Inventor
박정수
양항준
최종윤
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주식회사 효성
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    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the present invention relates to protection of a converter.
  • the sub-module having a phase current failure when a specific submodule fails.
  • a turn-off controllable power semiconductor is used for the mutual conversion between an AC voltage and a DC current. Since the breakdown voltage of the power semiconductor is limited, a plurality of semiconductor modules having a power semiconductor circuit must be connected in series for high voltage processing. Various semiconductor modules may be connected to each other to form a power semiconductor circuit.
  • such a power semiconductor circuit includes a plurality of sub-modules forming two output terminals, and a plurality of sub-modules.
  • the modules are connected in series with each other.
  • Such a submodule may include an energy storage unit and a power semiconductor circuit including a plurality of power semiconductor switches and a reflux diode.
  • This known MMC converter is shown in FIG.
  • the converter is composed of one or more phase modules 1 and a plurality of sub-modules 10 are connected in series to each of the phase modules 1.
  • the AC voltage side terminals L1, L2, L3 can be connected to a three-phase load, for example, a three-phase AC power system.
  • the sub module 10 is composed of a power semiconductor switch 12 and 13 and a reflux diode 14 and 15 connected in parallel to the energy storage unit 11 and the energy storage unit 11, respectively, and capable of turn-off control. At least one power semiconductor circuit 16 may be included.
  • Each of the sub-modules 10 may be implemented in various configurations in which the energy storage unit 11 and the at least one power semiconductor circuit 16 are arranged differently.
  • Each of these submodules 10 is provided with a first connection terminal X1 and a second connection terminal X2.
  • a vacuum switch tube 100 is provided as a short circuit for shorting the submodule 10.
  • the vacuum switch tube 100 is controlled to be shorted by a controller (not shown) within a few msec after a failure occurs.
  • a normal current is energized through the power semiconductor circuit 16 of the submodule 10, but when a specific submodule 10 fails, the vacuum switch tube 100 of the failed submodule 10 is shorted and the phase current is shorted.
  • the upper module 1 is protected by allowing the vacuum switch tube 100 to be bypassed.
  • FIG. 3 is a cutaway side view of the vacuum switch tube 100
  • FIG. 4 is a side view of a control device for controlling the operation of the vacuum switch tube 100 of FIG. 3.
  • the vacuum switch tube 100 is maintained in a vacuum state by the vacuum sealed container.
  • the fixed contact 101 is attached to the fixed contact bolt 111 and the movable contact 102 is attached to the movable contact bolt 112.
  • the first output terminal (X1) and the second output terminal (X2) is connected to the fixed contact bolt 111 and the movable contact bolt 112, respectively. Therefore, the short circuit is formed and released by the contact and separation of the fixed contact 101 and the movable contact 102.
  • the holding force 200 is generated in the movable contact bolt 112 in the longitudinal direction to move the movable contact 102 in the direction of the fixed contactor 101.
  • This holding force 200 is supported by the spring action of the inner metal bellows 120 and the pressure difference between the inside and the outside of the vacuum switch tube (100).
  • a force 240 that acts against the holding force 200 is required. This opposite force 240 is supported by the controller 300.
  • the power is applied to the coil 340 wound on the core 320 in normal operation
  • the core 320 acts as an electromagnet to attract the core contact 310, and the movable contact bolt 112 connected to the core contact 310 is interlocked so that the fixed contact 101 and the movable contact 102 are separated.
  • a gap 150 is generated between the fixed contactor 101 and the movable contactor 102 to release the short circuit.
  • the power supply to the coil 340 is cut off so that the fixed contactor 101 and the movable contactor 102 are contacted by the force 200 to form a short circuit.
  • another object of the present invention is to provide a bypass device of a converter in which the power supply is applied only during the operation for short-circuit in the case of the control device of the vacuum switch tube and maintains the short-circuit release state in the power failure state.
  • a control device for controlling the operation of the vacuum switch tube and the operation of the vacuum switch tube to short-circuit a phase current from the failed submodule by shorting the first connection terminal and the second connection terminal of the failed submodule when a failure of the submodule occurs;
  • the control device includes a permanent magnet having a different polarity and guiding short-circuit and release of the vacuum switch tube, a core fixedly installed to contact / separate the permanent magnet, a coil wound on the core, and applying power to the coil.
  • control unit to control the power supply to the coil during normal operation to maintain the state in which the permanent magnet is in contact with the core.
  • the end of the core and the corresponding permanent magnet have the same polarity.
  • the coil is wound around the core a plurality of times in the direction that the polarity of the end of the core and the permanent magnet is the same.
  • the short circuit of the vacuum switch tube is maintained even after the power supply to the coil is cut off.
  • the power supply is minimized since the power supply is not required after the normal state and bypass by supplying power only when a failure occurs in the control device of the vacuum switch tube for shorting of the submodule in the converter connected in series. can do.
  • the short-circuit release state can be maintained even in the case of a power failure state in the converter, so that it is possible to operate the converter by supplying power through an AC or DC terminal.
  • 1 is an equivalent circuit diagram showing a conventional known converter.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a submodule in the converter of FIG.
  • FIG. 3 is a cutaway side view of the vacuum switch tube in the converter of FIG.
  • FIG. 4 is a side view of a controller for controlling the operation of the vacuum switch tube of FIG.
  • Figure 5 is a side view of a control device of a vacuum switch tube according to an embodiment of the present invention.
  • the bypass device of the converter according to the present invention can be applied to a power conversion converter in which a plurality of submodules are connected in series. In the event of a failure of such a submodule, the phase current is bypassed out of the failed submodule in order to prevent the operation of the entire converter from being stopped by the disconnection of the phase module 1.
  • phase module connects the DC voltage side to the positive and negative DC voltage bus lines P0 and N0, respectively.
  • DC voltages not shown exist between these DC voltage bus lines P0 and N0.
  • Each of these phase modules has one intermediate AC voltage terminal and two external DC voltage terminals.
  • One phase module arm is formed between the intermediate AC voltage terminal and each outer DC voltage terminal, and the phase module arm becomes a series circuit of the submodule.
  • Each submodule has its own capacitor which is an energy storage part, and a power semiconductor circuit is connected in parallel with this capacitor.
  • the power semiconductor circuit includes a turn-off controllable power semiconductor, and a free-wheel diode is anti-parallel connected to the turn-off controllable power semiconductor.
  • each turn-off controllable power semiconductor and a reflux diode attached thereto constitute one power semiconductor circuit.
  • a plurality of power semiconductor circuits are in contact with each other, and may be configured as a so-called half or full bridge circuit, one of the capacitor voltages, zero voltages, or polarity inverting capacitors appears at the output terminals at each end of each submodule.
  • Such a converter is called a modular multilevel converter (MMC).
  • the MMC converter is connected in series with a distributed energy storage unit (capacitor) and a plurality of sub-modules connected in parallel to the energy storage unit and having at least one power semiconductor module circuit composed of a plurality of power semiconductor switches and a reflux diode. do.
  • a first output terminal and a second output terminal are formed as output terminals of the submodule.
  • Short circuit devices are connected in parallel to the submodules for this short circuit. Specifically, it is connected between two output terminals of a submodule, and when a failure of the submodule occurs, the short circuit between the two output terminals allows the entire sub-module to operate normally to protect the entire converter.
  • a known vacuum switch tube is used as a short circuit device for bypassing phase current through such a short circuit.
  • These vacuum switch tubes are installed in parallel for each submodule, and are connected between two output terminals X1 and X2 of each submodule. In normal operation, the phase current is energized through the submodule, and in the case of a failure of a specific submodule, the vacuum switch tube is shorted so that it is bypassed through the vacuum switch tube.
  • Such a short circuit in the vacuum switch tube is executed by the control device according to the present invention.
  • FIG 5 is a side view of a control device of a vacuum switch tube according to an embodiment of the present invention.
  • the control device 500 of the vacuum switch tube is provided with a permanent magnet 510 that both ends of the opposite polarity and guides the short and release of the short circuit of the vacuum switch tube (100) . That is, it has an N pole and an S pole on both sides with respect to the center.
  • the permanent magnet 510 is connected to the movable contact bolt 112 is inserted into the vacuum switch tube 100. Therefore, the movable contact bolt 112 is moved in conjunction with the movement of the permanent magnet 510, and the short circuit in the vacuum switch tube 100 and the short circuit release are performed.
  • control device 500 of the vacuum switch tube according to the present invention includes a soft magnetic core (520).
  • This core 520 is preferably fixed.
  • the permanent magnet 510 is in contact with the core 520 by its own magnetic force.
  • the movable contact bolt 112 of the vacuum switch tube 100 connected to the permanent magnet 510 is moved in the direction of the core 520 to fix the internal fixed contact. Since the bolt 111 is separated from the short-circuit release occurs. Therefore, in normal operation, the permanent magnet 510 must be moved to the core 520 side to be in contact with the core 520 to release the short circuit in the vacuum switch tube 100.
  • Coil 530 is wound around a plurality of cores 520.
  • the coil 530 is for forming an electromagnet by inducing magnetism to the core 520 through the application of a power source.
  • the polarity of the magnetic induced at both ends of the core 520 is determined according to the winding direction of the coil 530 and the direction of the current.
  • control unit 500 of the vacuum switch tube according to the present invention is provided with a power supply unit 540 for applying power to the coil 530.
  • the power supply unit 540 applies power to the coil 530 under the control of the control unit 550 described later.
  • the magnetic field is induced on the core 520 to implement the electromagnet.
  • control device 500 of the vacuum switch tube includes a control unit 550 for controlling the power supply and power cut off from the power supply unit 540.
  • the control unit 550 determines whether normal operation or failure has occurred, and determines whether to supply power to the coil 530 or cut off the power supply for shorting and releasing the short circuit of the vacuum switch tube 100 according to the determination result. To control the operation of the (540).
  • the controller 550 maintains a power supply cutoff state to the coil 530 during the normal phase operation of the converter.
  • the permanent magnet 510 since no magnet is generated in the core 520, the permanent magnet 510 is in contact with the core 520 side due to its magnetic force. According to such contact, the movable contact bolt 112 connected to the permanent magnet 510 is also moved away from the fixed contact bolt 111 by moving toward the core 520 side as well. In other words, the movable contact 102 added to the end of the movable contact bolt 112 is moved to be spaced apart from the fixed contact 101 added to the end of the fixed contact bolt 111, so that a short circuit is not formed.
  • the control unit 550 detects this and controls the power supply unit 540 to supply power to the coil 530. In this way, when power is supplied to the coil 530, the magnetic core is induced in the soft magnetic core 520. At this time, the direction of the current or the direction of the winding is determined such that the polarity of the magnetic induced at both ends of the core 520 and the polarity of the corresponding permanent magnet 510 are the same polarity. As shown in the same polarity on both sides, the already fixed core 520 pushes the permanent magnet 510 so that the permanent magnet 510 moves to the vacuum switch tube 100 side.
  • the movable contact bolt 112 connected to the permanent magnet 510 is also moved together to move the movable contactor 102 to the fixed contactor 101 so that the vacuum switch tube 100 forms a short circuit.
  • the first output terminal X1 and the second output terminal X2 of the submodule 10 connected to the fixed contact bolt 111 and the movable contact bolt 112 are contacted and short-circuited.
  • the failure detection in the control unit 550 to the short circuit formation of the vacuum switch tube 100 is made within a few msec.
  • both ends of the core 520 and the corresponding permanent magnets 510 have the same polarity.
  • the coil 530 is wound around the core 520 in a direction in which both polarities are the same.
  • the present invention is characterized in that the short-circuit in the vacuum switch tube 100 is maintained as it is even if the power to the coil 530 is cut off after the short-circuit formation of the vacuum switch tube 100.
  • This causes the movable contact 102 to keep in contact with the fixed contactor 101 by the pressure difference and the holding force between the inside and the outside of the vacuum switch tube 100.
  • the pressure difference and the holding force is preferably greater than the magnetic force of the permanent magnet 510 to be in contact with the core 520 again.
  • the spacing between the study magnet 510 and the core 520 may also be maintained in consideration of this.
  • the power should be continuously supplied to the coil in order to maintain the release of the short circuit in the vacuum switch tube during the normal operation. After that, even if the power is cut off, the short circuit is maintained, thereby reducing power consumption compared to the prior art. Therefore, the present invention has the advantage that the loss of the entire system is reduced compared to the prior art because the power supply is required only at the time of failure only and the power supply is not necessary after the steady state and bypass. In addition, as an important feature, since the vacuum switch tube is kept open even when the converter in the electrostatic state is started, it is possible to start the power supply by supplying power to the converter from an external AC or DC circuit.

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Abstract

본 발명은 컨버터에서 고장난 서브모듈에 대해 상전류를 바이패스시키는 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 장치는, 에너지저장부와 상기 에너지저장부에 병렬로 연결되고 파워반도체스위치 및 환류다이오드를 포함하는 적어도 하나의 파워반도체회로로 이루어진 다수의 서브모듈이 서로 직렬연결된 컨버터에서의 바이패스 장치에 있어서, 상기 특정 서브모듈의 고장발생시 상기 고장난 서브모듈의 제1접속단자와 제2접속단자 사이를 단락시켜 상전류를 상기 고장난 서브모듈에 대해 바이패스시키는 진공스위치 관 및 상기 진공스위치 관의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 다른 극성을 가지며 상기 진공스위치 관의 단락 및 해제를 안내하는 영구자석, 상기 영구자석이 접촉/분리되도록 고정설치된 코어, 상기 코어에 권선된 코일, 상기 코일에 전원을 인가하는 전원부 및 상기 서브모듈의 고장발생 시 상기 전원부에서 상기 코일로 전원이 공급되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 코일에 전원이 공급되도록 상기 전원부를 제어하여 상기 코어에 유기된 자성으로 상기 영구자석을 밀어내어 상기 진공스위치 관의 단락을 안내하도록 하여 상기 상전류를 바이패스시키도록 한다.

Description

컨버터의 바이패스 장치
본 발명은 컨버터의 보호에 관한 것으로서, 특히 에너지저장부와 그 에너지저장부에 병렬로 연결된 파워반도체회로를 갖는 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 특정 서브모듈의 고장발생시 상전류를 그 고장난 서브모듈로부터 바이패스시켜 나머지 정상 서브모듈만으로 컨버터의 정상동작이 가능하도록 하는 컨버터의 바이패스 장치에 관한 것이다.
고전압 직류 송전용 컨버터의 경우 교류전압와 직류전류의 상호 변환을 위해 턴오프(turn-off) 제어가능한 파워 반도체가 사용된다. 파워 반도체의 내압이 한정되어 있으므로 고전압 처리를 위해서는 파워 반도체 회로를 갖는 다수의 반도체 모듈이 직렬로 연결되어야 한다. 파워 반도체 회로의 구성을 위해 여러 가지의 반도체 모듈을 서로 연결할 수 있다.
주지된 바와 같이, 공지의 모듈라 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)의 경우에는 이와 같은 파워 반도체 회로가 2개의 출력단자를 형성하는 다수의 서브모듈(sub-module)을 포함하고 이들 다수의 서브모듈은 서로 직렬로 연결된다. 이러한 서브모듈은 예컨대 에너지저장부와, 다수의 파워반도체스위치 및 환류다이오드로 이루어진 파워반도체회로를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 이러한 공지의 MMC 컨버터가 도시된다. 해당 컨버터는 1개 이상의 상모듈(phase module)(1)로 구성되고 이들 각 상모듈(1)에는 다수의 서브모듈(10)이 직렬로 연결된다. 부하접속단자로서 교류전압측 단자(L1,L2,L3)는 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 접속될 수 있다.
도 2에 이러한 서브모듈(10)의 등가회로의 일례가 도시된다. 이러한 서브모듈(10)은 각각 에너지저장부(11)와 그 에너지저장부(11)에 병렬로 연결되고 턴오프제어가 가능한 파워반도체스위치(12,13) 및 환류다이오드(14,15)로 구성된 적어도 하나의 파워반도체회로(16)를 포함하여 구성될 수 있다. 이들 각 서브모듈(10)은 에너지저장부(11)와 적어도 하나의 파워반도체회로(16)가 다르게 배치되어 다양한 구성으로 구현될 수도 있다. 이들 각각의 서브모듈(10)에는 제1접속단자(X1)와 제2접속단자(X2)가 형성된다.
또한, MMC 컨버터에는 특정 서브모듈(10)의 고장발생시 상모듈(1)의 절선회로(Open Circuit) 방지를 위해 그 고장난 서브모듈(10)은 단락이 된다. 이러한 단락에 의해 상전류를 상기 고장난 서브모듈(10)로부터 바이패스시켜 다른 정상의 서브모듈(10)에 의해 상모듈(1)이 정상동작되도록 한다. 서브모듈(10)의 단락을 위한 단락장치로서 예컨대 진공스위치 관(100)이 구비된다. 이 진공스위치 관(100)은 제어부(미도시)에 의해 고장발생 후 수 msec 이내에 단락되도록 제어된다. 이로써 정상적인 운전에서는 서브모듈(10)의 파워반도체회로(16)를 통해 정상적인 전류가 통전되지만 특정 서브모듈(10)의 고장시 그 고장난 서브모듈(10)의 진공스위치 관(100)이 단락되어 상전류가 진공스위치 관(100)을 통해 바이패스되도록 함으로써 상모듈(1)을 보호하게 된다.
도 3은 이러한 진공스위치 관(100)의 절단 측면도이고, 도 4는 도 3의 진공스위치 관(100)을 동작을 제어하는 제어장치의 측면도이다. 진공스위치 관(100)은 진공 밀봉한 용기에 의해 내부가 진공상태로 유지된다. 고정접촉볼트(111)에 고정접촉자(101)가 부설되고 가동접촉볼트(112)에는 가동접촉자(102)가 부설된다. 또한 고정접촉볼트(111)와 가동접촉볼트(112)에는 제1출력단자(X1) 및 제2출력단자(X2)가 각각 연결된다. 따라서, 고정접촉자(101)와 가동접촉자(102)의 접촉 및 분리에 의해 단락이 형성 및 해제되도록 한다. 진공스위치 관(100)의 내부와 외부 간의 압력차에 의해 가동접촉볼트(112)에 종방향으로 유지력(200)이 발생하여 가동접촉자(102)를 고정접촉자(101) 방향으로 움직이게 한다. 이러한 유지력(200)은 내부의 금속벨로우즈(120)의 스프링 작용과 진공스위치 관(100)의 내부와 외부 간의 기압차에 의해 지원된다. 이에, 진공스위치 관(100)에서의 단락을 해제하기 위해 유지력(200)에 반대로 작용하는 힘(240)이 필요하다. 이러한 반대의 힘(240)은 제어장치(300)에 의해 지원된다.
동작과정을 살펴보면, 제어장치(300)의 코어접촉자(310)와 연자성 코어(320) 간에는 간격(335)이 존재하고, 정상운전시에는 코어(320)에 권선된 코일(340)에 전원이 인가되어 코어(320)가 전자석으로 작용하여 코어접촉자(310)을 끌어당기고 코어접촉자(310)에 연결된 가동접촉볼트(112)가 연동하여 고정접촉자(101)과 가동접촉자(102)는 떨어지게 된다. 이로써 고정접촉자(101)과 가동접촉자(102) 사이에는 공극(150)이 발생되어 단락해제가 된다. 고장발생시에는 코일(340)로의 전원공급을 차단하여 상기한 힘(200)에 의해 고정접촉자(101)와 가동접촉자(102)는 접촉되어 단락을 형성하도록 한다.
그런데, 이러한 종래기술에서의 제어장치(300)의 경우, 정상운전시에는 진공스위치 관(100)의 단락해제를 위해 코일(340)에 계속 전원을 공급해야 하므로 전력손실을 발생시키는 문제점이 있다. 또한, 컨버터가 정전상태일 경우에는 코일(340)에 전원을 공급할 수가 없고, 이 경우 고정접촉자(101)와 가동접촉자(102)의 단락해제가 불가능하며, 이로써 고류전압측단자(L1,L2,L3) 또는 직류전압측단자(P,N)을 통해 컨버터에 전원을 인가하여 동작시킬 방법이 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 서브모듈의 단락을 위해 제공되는 진공스위치 관의 제어장치에 대한 전력손실을 최소화할 수 있는 컨버터의 바이패스 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 진공스위치 관의 제어장치의 경우 단락을 위한 동작시에만 전원이 인가되고 정전상태에서 단락해제 상태를 유지할 수 있도록 하는 컨버터의 바이패스 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 장치는,
에너지저장부와 상기 에너지저장부에 병렬로 연결되고 다수의 파워반도체스위치 및 환류다이오드로 구성된 적어도 하나의 파워반도체회로를 갖는 다수의 서브모듈(10)이 직렬연결된 컨버터에서의 바이패스 장치에 있어서, 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 고장난 서브모듈의 제1접속단자와 제2접속단자 사이를 단락시켜 상전류를 상기 고장난 서브모듈로부터 바이패스시키는 진공스위치 관 및 상기 진공스위치 관의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 다른 극성을 가지며 상기 진공스위치 관의 단락 및 해제를 안내하는 영구자석, 상기 영구자석이 접촉/분리되도록 고정설치된 코어, 상기 코어에 권선된 코일, 상기 코일에 전원을 인가하는 전원부 및 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 전원부에서 상기 코일로 전원이 공급되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 코일에 전원이 공급되도록 제어하여 상기 코어에 유기된 자성으로 상기 영구자석을 밀어내어 상기 진공스위치 관의 단락을 안내하도록 하여 상기 상전류를 바이패스시키도록 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 정상운전시 상기 코일에 전원공급이 차단되도록 제어하여 상기 영구자석이 상기 코어에 접촉된 상태를 유지하도록 한다.
본 발명에서, 상기 코어의 끝단부와 상기 대응하는 영구자석은 같은 극성을 갖는다.
본 발명에서, 상기 코일은 상기 코어의 끝단부와 영구자석의 극성이 동일하게 되는 방향으로 상기 코어에 다수 회 권선된다.
본 발명에서, 상기 코일에 전원공급이 차단된 이후에도 상기 진공스위치 관의 단락이 유지된다.
본 발명에서, 상기 코일에 전원공급이 차단된 이후 상기 영구자석과 코어가 서로 접촉되지 않도록 일정간격이 유지된다.
본 발명에 의하면 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 서브모듈의 단락을 위해 진공스위치 관의 제어장치에 고장발생시에만 전원을 공급하도록 함으로써 정상상태 및 바이패스 후에 전원이 필요없기 때문에 전력손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 컨버터에서 정전상태일 때에도 단락해제 상태를 유지할 수 있기 때문에 교류 또는 직류 단자를 통해 전력을 공급하여 컨버터를 동작시키는 것이 가능하다.
도 1은 종래의 공지된 컨버터을 나타낸 등가회로도.
도 2는 도 1의 컨버터에서 서브모듈의 등가회로도.
도 3은 도 1의 컨버터에서 진공스위치 관의 절단 측면도.
도 4는 도 3의 진공스위치 관의 동작을 제어하는 제어장치의 측면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진공스위치 관의 제어장치에 대한 측면도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 장치는 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 전력 변환 컨버터에 적용될 수 있다. 이러한 서브모듈에 고장발생시 상모듈(1)의 절선에 의해 전체 컨버터의 동작이 정지되는 것을 방지하기 위하여 상전류를 그 고장난 서브모듈 밖으로 바이패스시키도록 한다.
이런 컨버터의 등가회로를 상세히 살펴보면, 상모듈은 직류전압 측을 각각 정 및 부의 직류전압 모선 P0 및 N0에 접속시킨다. 이들 직류전압 모선 P0 및 N0의 사이에는 도시하지 않은 직류전압이 존재한다. 이들 각 상모듈은 1개의 중간 교류전압단자와 2개이 외측 직류전압단자를 갖는다. 중간 교류전압단자와 각 외측 직류전압단자 사이에 1개의 상모듈 암(arm)이 형성되고, 이러한 상모듈 암은 서브모듈의 직렬회로로 된다. 각 서브모듈은 에너지저장부인 고유의 콘덴서를 가지고, 이 콘덴서에는 파워 반도체 회로가 병렬접속되어 있다. 파워 반도체 회로는 턴오프(turn-off) 제어가능한 파워 반도체를 포함하고, 턴오프 제어가능한 파워 반도체에는 환류다이오드(free-wheel diode)가 역병렬 접속되어 있다. 따라서, 각 턴오프 제어가능한 파워 반도체와 이에 각각 부설되는 환류다이오드가 1개의 파워 반도체 회로를 구성하게 된다. 또한 다수의 파워 반도체 회로가 서로 접촉되어, 이른바 하프 또는 풀 브릿지 회로 등으로 구성될 수 있으므로 각 서브모듈의 양단 출력단자에서는 콘덴서의 전압, 영전압 또는 극성반전되는 콘덴서 전압 중 하나가 나타난다. 이런 컨버터를 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)라 한다.
이러한 MMC 컨버터는 분산배치된 에너지저장부(콘덴서)와 그 에너지저장부에 병렬로 연결되고 다수의 파워반도체스위치 및 환류다이오드로 이루어진 적어도 하나의 파워 반도체 모듈회로를 갖는 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된다. 또한 서브모듈의 출력단자로서 제1출력단자와 제2출력단자가 형성된다.
MMC 컨버터에서 특정 서브모듈에 고장이 발생하면 대부분의 경우 제1출력단자와 제2출력단자 사이에는 절선회로(Open Circuit)가 형성된다. 따라서 개별 서브모듈의 고장으로 인해 상모듈(1) 또는 컨버터 시스템 전체의 동작이 불가능해진다. 이러한 문제점을 없애기 위해 고장난 서브모듈은 단락된다. 이러한 단락을 위해 서브모듈에는 단락장치가 병렬로 접속된다. 구체적으로는 서브모듈의 두 출력단자 사이에 접속되어 해당 서브모듈의 고장발생시 두 출력단자 사이를 단락시킴으로써 나머지 서브모듈로 정상적으로 운전하도록 함으로써 전체 컨버터를 보호하도록 한다.
상술한 바와 같이, 각 서브모듈에 고장이 발생하면 서브모듈의 정상동작을 유지하기 위해 고장발생 후 수 msec 이내에 단락이 이루어져야 한다. 이러한 단락을 통해 상전류를 바이패스시키기 위한 단락장치로서 공지의 진공스위치 관이 이용된다. 이러한 진공스위치 관은 각 서브모듈마다 병렬로 설치되는데, 각 서브모듈의 두 출력단자(X1,X2) 사이에 접속된다. 정상운전시에는 상전류가 서브모듈을 통해 통전되도록 하고, 특정 서브모듈의 고장시에는 진공스위치 관을 통해 바이패스되도록 진공스위치 관이 단락되도록 한다. 이러한 진공스위치 관에서의 단락은 본 발명에 따른 제어장치에 의해 실행된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진공스위치 관의 제어장치의 측면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 진공스위치 관의 제어장치(500)에는 양끝단이 서로 반대 극성을 가지며 진공스위치 관(100)의 단락 및 단락해제를 안내하는 영구자석(510)이 구비된다. 즉, 중앙을 기준으로 양측으로 N극과 S극을 가진다. 또한, 영구자석(510)은 진공스위치 관(100) 내부를 삽입된 가동접촉볼트(112)와 연결된다. 따라서, 영구자석(510)의 이동에 따라 가동접촉볼트(112)가 연동되어 이동하게 되어 진공스위치 관(100)에서의 단락 및 그 단락해제가 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 진공스위치 관의 제어장치(500)는 연자성 코어(520)를 구비한다. 이러한 코어(520)는 바람직하게는 고정설치된다. 평상시나 정상운전시에는 영구자석(510)이 자체의 자력으로 코어(520)에 접촉되어 있다. 이와 같이 영구자석(510)이 코어(520)에 접촉되도록 함으로써 영구자석(510)에 연결된 진공스위치 관(100)의 가동접촉볼트(112)가 코어(520) 방향으로 이동하게 되어 내부의 고정접촉볼트(111)과 분리되므로 단락해제가 일어난다. 따라서 정상운전시에는 진공스위치 관(100)에서의 단락해제를 위해 영구자석(510)이 코어(520)측으로 이동되어 코어(520)에 접촉되어 있어야 한다.
이러한 코어(520)에는 코일(530)이 다수 회로 권선된다. 이러한 코일(530)은 전원의 인가를 통해 코어(520)에 자성을 유기하여 전자석을 형성하기 위한 것이다. 이때, 코어(520)의 양 끝단부에 유기되는 자성의 극성은 코일(530)의 권선방향 및 전류의 방향에 따라 결정된다.
또한, 본 발명에 따른 진공스위치 관의 제어장치(500)에는 코일(530)로 전원을 인가하기 위한 전원부(540)가 구비된다. 전원부(540)는 후술하는 제어부(550)의 제어에 의해 코일(530)로 전원을 인가하게 된다. 이러한 전원의 인가를 통해 상술한 바와 같이 코어(520)에 자성을 유기하여 전자석이 구현되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 진공스위치 관의 제어장치(500)는 전원부(540)에서의 전원공급 및 전원차단을 제어하는 제어부(550)를 포함한다. 제어부(550)는 정상운전인지 고장이 발생하였는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 진공스위치 관(100)의 단락 및 단락해제를 위하여 코일(530)로 전원을 공급할지 전원공급을 차단할지 결정하여 전원부(540)의 동작을 제어하도록 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 진공스위치 관의 제어장치에 대한 동작과정을 설명한다.
제어부(550)는 컨버터의 전상운전시 코일(530)에 전원공급 차단상태를 유지한다. 이 경우, 코어(520)에는 어떠한 자성도 생성되지 않기 때문에 영구자석(510)은 자체의 자력으로 인해 코어(520)측에 접촉되어 있게 된다. 이러한 접촉에 따라 영구자석(510)에 연결된 가동접촉볼트(112)도 같이 연동하여 코어(520)측으로 이동하게 됨으로써 고정접촉볼트(111)에서 떨어진 상태에 있게 된다. 다시 말해, 가동접촉볼트(112)의 끝단부에 부가된 가동접촉자(102)가 이동되어 고정접촉볼트(111)의 끝단부에 부가된 고정접촉자(101)로부터 이격됨으로써 단락이 형성되지 않는다.
그러나, 서브모듈에 고장이 발생한 경우에는 제어부(550)에서 이를 검출하여 코일(530)에 전원이 공급되도록 전원부(540)를 제어한다. 이와 같이 코일(530)에 전원이 공급되면 연자성의 코어(520)에는 자성이 유기된다. 이때, 코어(520)의 양 끝단부에 유기된 자성의 극성과 이에 대응하는 영구자석(510)의 극성이 서로 같은 극성이 되도록 전류의 방향 또는 권선의 방향을 결정한다. 이처럼 양측에서 동일극성을 나타냄에 따라 이미 고정된 코어(520)는 영구자석(510)을 밀어냄으로써 영구자석(510)은 진공스위치 관(100)측으로 이동하게 된다. 이러한 이동에 따라 영구자석(510)에 연결된 가동접촉볼트(112)도 연동하여 이동됨으로써 가동접촉자(102)가 고정접촉자(101)에 접촉되어 진공스위치 관(100)은 단락을 형성하게 된다. 이때 고정접촉볼트(111)와 가동접촉볼트(112)에 접속되어 있는 서브모듈(10)의 제1출력단자(X1)와 제2출력단자(X2)가 접촉되어 단락된다. 여기서 제어부(550)에서의 고장감지부터 진공스위치 관(100)의 단락형성까지 수 msec 이내에 이루어진다.
상기한 바와 같이, 코어(520)의 양 끝단부와 이에 대응하는 영구자석(510)은 동일한 극성을 가지도록 한다. 이를 위해 양측 극성이 동일하게 되는 방향으로 코어(520)에 코일(530)이 권선되도록 한다. 또한, 본 발명은 진공스위치 관(100)의 단락형성 이후 코일(530)에 전원이 차단되더라도 진공스위치 관(100)에서의 단락은 그대로 유지된다는 특징이 있다. 이는 진공스위치 관(100)의 내부와 외부의 압력차 및 유지력에 의해 가동접촉자(102)가 고정접촉자(101)에 계속 접촉되어 있게 된다. 이때, 이러한 압력차 및 유지력은 영구자석(510)이 코어(520)에 다시 접촉되려는 자체의 자력보다 큰 것이 바람직하다. 물론 연구자석(510)과 코어(520) 간의 간격도 이를 고려하여 충분히 큰 일정간격을 유지하도록 할 수도 있다.
종래기술과 본 발명을 비교해 보면, 종래기술에서는 정상운전시에는 진공스위치 관에서의 단락해제를 유지하기 위해 코일에 전원을 계속 공급해야 하지만, 본 발명은 고장발생시에만 코일에 전원을 인가하고 단락이 형성된 이후에는 전원을 차단해도 단락이 계속 유지되고 있으므로 종래기술에 비해 전력 소비를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우 고장발생시에만 순간적으로 전원이 필요하고 정상상태 및 바이패스 이후에는 전원이 필요없기 때문에 종래기술에 비해 전체 시스템의 손실이 감소되는 장점이 있다. 또한, 중요한 특징으로서 정전상태의 컨버터를 기동시킬 때에도 진공스위치 관을 개방상태를 유지하기 때문에 외부 교류 또는 직류 회로로부터 컨버터에 전원을 공급하여 기동시키는 것이 가능하다.
상기한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 에너지저장부와 상기 에너지저장부에 병렬로 연결되고 다수의 파워반도체스위치 및 환류다이오드로 구성된 적어도 하나의 파워반도체회로를 갖는 다수의 서브모듈(10)이 직렬연결된 컨버터에서의 바이패스 장치에 있어서,
    상기 특정 서브모듈(10)의 고장발생시 상기 고장난 서브모듈(10)의 제1접속단자(X1)와 제2접속단자(X2) 사이를 단락시켜 상전류를 상기 고장난 서브모듈(10)로부터 바이패스시키는 진공스위치 관(100) 및 상기 진공스위치 관(100)의 동작을 제어하는 제어장치(500)를 포함하고,
    상기 제어장치(500)는 다른 극성을 가지며 상기 진공스위치 관(100)의 단락 및 해제를 안내하는 영구자석(510), 상기 영구자석(510)이 접촉/분리되도록 고정설치된 코어(520), 상기 코어(520)에 권선된 코일(530), 상기 코일(530)에 전원을 인가하는 전원부(540) 및 상기 서브모듈(10)의 고장발생 시 상기 전원부(540)에서 상기 코일(530)로 전원이 공급되도록 제어하는 제어부(550)를 포함하고,
    상기 제어부(550)는 상기 서브모듈(10)의 고장발생시 상기 코일(530)에 전원이 공급되도록 상기 전원부(540)를 제어하여 상기 코어(530)에 유기된 자성으로 상기 영구자석(510)을 밀어내어 상기 진공스위치 관(100)의 단락을 안내하도록 하여 상기 상전류를 바이패스시키도록 하는 컨버터의 바이패스 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 정상운전시 상기 코일(530)에 전원공급이 차단되도록 제어하여 상기 영구자석(510)이 상기 코어(520)에 접촉된 상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 컨버터의 고장전류 바이패스 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어(520)의 양 끝단부와 이에 대응하는 상기 영구자석(510)은 같은 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 컨버터의 고장전류 바이패스 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코일(530)은 상기 코어(520)의 끝단부와 상기 영구자석(510)의 극성이 동일하게 되는 방향으로 상기 코어(520)에 다수 회로 권선되는 것을 특징으로 하는 컨버터의 고장전류 바이패스 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일(530)에 전원공급이 차단된 이후에 상기 진공스위치 관(100)의 단락이 유지되는 것을 특징으로 하는 컨버터의 고장전류 바이패스 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코일(530)에 전원공급이 차단된 이후 상기 영구자석(510)과 코어(520)가 서로 접촉되지 않도록 일정간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 컨버터의 고장전류 바이패스 장치.
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