WO2015030359A1 - 초고압직류송전용 컨버터 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a converter for ultra-high voltage direct current transmission, and more particularly, a power generation in an offshore wind farm using a converter topology in which a 12-pulse diode rectifier and a voltage source converter (VSC) are connected in series.
  • the present invention relates to a converter for ultra-high voltage direct current transmission for power transmission with a system of.
  • HVDC high voltage direct current
  • HVDC ultra-high voltage direct current transmission
  • the structure of the ultra-high voltage direct current transmission (HVDC) system includes a line-commutated current-source converter (CSC-HVDC) and a gate turn-off thyristor (GTOs) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) using a thyristor.
  • CSC-HVDC line-commutated current-source converter
  • GTOs gate turn-off thyristor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • VSC-HVDC Self-Commutated Voltage-Source Converters
  • FIG. 1 is an exemplary diagram showing a phase of a conventional current type HVDC system.
  • the current converter 1 as shown in FIG. 1 is constructed by connecting two three-phase six-pulse bridge controlled rectifiers 2 in series using thyristor valves.
  • the current converter 1 generates a 12-pulse voltage for a DC-link and is five times the frequency of the fifth and seventh harmonics of the grid current (ie, fundamental wave (eg, 60 Hz)).
  • a Y / Y / ⁇ three-wound transformer (3) is used to eliminate high frequencies (eg 300Hz) and seven times higher frequencies (eg 420Hz).
  • the Y / Y / ⁇ three winding transformer 3 is connected to an AC bus 4 of a grid or an offshore wind power plant (not shown).
  • the AC filter 5 (or AC harmonic filter) connected to the front end of the Y / Y / ⁇ 3 winding transformer 3 is also connected to the AC bus 4 to remove the harmonic current.
  • the AC filter 5 is a means for suppressing and absorbing outflow of harmonics generated in the current converter, and is composed of a resistor, a reactor, and a capacitor.
  • the smoothing reactor 6 disposed at the output of the three-phase six-pulse bridge controlled rectifier 2 has a DC cable (not shown, land power system) as well as protection against intermittent currents and limitations of DC fault current. It is used to smooth the current of the cable).
  • the direct current filter 7 connected to the rear end of the smoothing reactor 6 consists of a capacitor and is used to filter harmonics at the output voltage of the three-phase 12-pulse bridge controlled rectifier 2.
  • an external voltage source is not required to conduct the IGBT valve, and the size of the filter can be reduced.
  • FIG. 2 is an exemplary diagram showing a simplified diagram of an HVDC system using a conventional voltage converter.
  • the voltage converter 8 is composed of a converter valve 9 and is connected in the form of a bridge of a two-level converter type.
  • the voltage converter 8 may be replaced with a neutral-point clamped (NPC) multilevel converter and a modular multilevel converter (MMC).
  • NPC neutral-point clamped
  • MMC modular multilevel converter
  • Each converter valve 9 is composed of several IGBT 10 elements connected in series, the number of IGBT 10 elements being related to the rated voltage of the HVDC.
  • the voltage converter 8 is connected to the AC side 11 through the step-up inductor 12, the parallel filter 13, and the transformer 14, and the step-up inductor 12 is used to control the system current. It serves to suppress the harmonic current flowing to the system generated by the voltage boost and switching of the voltage converter (8).
  • two groups of DC capacitors 15 connected in series connected to a rear end of the voltage converter 80 may have both ends 16 and 17 of a DC cable (not shown, a cable for transmitting DC to a land power system). ) Is connected between.
  • the two groups of DC capacitors 15 have the same capacitance value.
  • the voltage type HVDC system can provide excellent control performance and reduce the installation area.
  • the converter loss of the system is higher than the current type HVDC.
  • the present invention was created to solve the above problems, by using a converter topology in which a voltage converter (VSC) and a 12-pulse diode rectifier are connected in series, improving control performance and installing compared with conventional current type HVDC. It is an object of the present invention to provide a converter for ultra high voltage direct current transmission that can reduce the area.
  • VSC voltage converter
  • 12-pulse diode rectifier 12-pulse diode rectifier
  • the present invention uses a converter topology in which a voltage converter (VSC) and a 12-pulse diode rectifier are connected in series to provide an ultra-high voltage direct current converter that can reduce system cost and converter loss compared with conventional voltage type HVDC.
  • VSC voltage converter
  • HVDC 12-pulse diode rectifier
  • an ultra-high voltage direct current converter includes: a 12-pulse diode rectifier for connecting two three-phase full-bridge diode rectifiers in series to rectify AC power received at an ocean side connection point into 12-pulse; And a voltage converter connected in series with a lower end of the 12-pulse diode rectifier, wherein the voltage converter controls the voltage of the AC power input from the maritime linkage point and the DC link voltage of the voltage converter. It is characterized by.
  • the present invention further includes a Y / Y / ⁇ three winding transformer connected to an input terminal of the 12-pulse diode rectifier to input AC power to each three-phase full-bridge diode rectifier of the 12-pulse diode rectifier. do.
  • the Y / Y / ⁇ 3 winding transformer is a fifth order generated by each three-phase full bridge diode rectifier by a 30 ° phase difference between two secondary phase voltages of the Y / Y / ⁇ three winding transformer.
  • the seventh harmonic current component is removed.
  • the present invention further includes a filter inductor connected in series to the input side of each three-phase full bridge diode rectifier, wherein two secondary sides of a Y / Y / ⁇ three-wound transformer are connected in series to the filter inductor. It is done.
  • the present invention is characterized in that it further comprises; AC filter is connected in parallel to the primary side of the Y / Y / ⁇ three winding transformer to remove the higher-order harmonics.
  • the AC filter includes a resistor, an inductor, and a capacitor, and is characterized by removing high-order harmonic components including 23rd and 25th harmonics and more of the grid current.
  • the present invention further includes a boost inductor connected in series to an input side of the voltage converter, wherein the boost inductor filters harmonic components generated in a current by switching of the voltage inverter, and the boost inductor includes a converter transformer.
  • the secondary side of is characterized in that connected in series.
  • the present invention may further include an AC filter connected in parallel between the secondary side of the converter transformer and the boost inductor to remove high-order harmonics of system current.
  • the voltage converter comprises at least one of a two-level voltage converter, a multilevel NPC converter and a modular multilevel converter.
  • the voltage converter is characterized in that 1/3 of the HVDC system voltage rating is selected as the rated voltage.
  • the present invention further includes a control unit for controlling the voltage converter, wherein the control unit receives an AC voltage command value and receives an AC voltage measurement value of the maritime linkage point as a feedback signal to control reactive power.
  • a marine side link point voltage controller for outputting a Q-axis command signal;
  • a DC link voltage controller which receives a DC link voltage command value and receives a DC link voltage measurement value of the voltage converter as a feedback signal and outputs a D-axis command signal for controlling active power;
  • a d-q converter for converting two-phase AC signals of the Q-axis command signal and the D-axis command signal respectively outputted from the marine side link point voltage controller and the DC link voltage controller into three phases;
  • a proportional resonance controller for bandpass filtering and removing eleventh and thirteenth harmonic current components generated at an ocean side junction by the 12-pulse diode rectifier;
  • a space vector PWM generator that receives a command value to which the output of the proportional resonance controller is added to the output of the d-
  • the marine side link point voltage controller and the DC link voltage controller characterized in that the proportional integral (PI) controller.
  • PI proportional integral
  • the present invention is a converter topology in which a voltage converter (VSC) and a 12-pulse diode rectifier are connected in series.
  • VSC voltage converter
  • the present invention can improve control performance and reduce an installation area in comparison with a conventional current type HVDC, and a conventional voltage type HVDC. Compared with the system, the system price and converter loss can be reduced, and the maintenance is easy.
  • FIG. 1 is an exemplary diagram showing a phase of a conventional current type HVDC system.
  • FIG. 2 is an exemplary diagram showing a simplified diagram of an HVDC system using a conventional voltage converter.
  • Figure 3 is an exemplary view showing a converter topology of the HVDC power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram illustrating a relationship between a DC side current and a DC link voltage of a three-phase full bridge diode rectifier according to an input side filter inductance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view showing a control block diagram of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary view showing the configuration of a converter topology of an HVDC system based on a 12-pulse diode rectifier and a two-level voltage converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram showing the configuration of a converter topology of an HVDC system based on a 12-pulse diode rectifier and a three-level NPC converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is an exemplary view showing a configuration of a converter topology of an HVDC system based on a 12-pulse diode rectifier and an MMC according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary view showing a converter topology of an HVDC power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • the converter topology of the HVDC power transmission system is configured such that a 12-pulse diode rectifier 210 and a voltage converter (VSC) 220 are connected in series.
  • VSC voltage converter
  • the present embodiment mainly describes the voltage converter 220 which is a marine side voltage converter (WFVSC: Wind Farm-VSC), and is a ground-side voltage converter (GSVSC), which is a power receiving point that receives electric power transmitted by DC.
  • WFVSC marine side voltage converter
  • GSVSC ground-side voltage converter
  • the 12-pulse diode rectifier 210 has a structure in which two three-phase bridge diode rectifiers 210a and 210b are connected in series through a Y / Y / ⁇ three-winding transformer, and a voltage converter 220 includes a 12-pulse diode rectifier ( Since the same current flows as in 210, the rated power is determined by the rated voltage of the 12-pulse diode rectifier 210 and the voltage converter 220.
  • the rated voltage of the voltage converter 220 is selected as low as possible, which has a better effect than reducing the rated current.
  • the simplest structure among the voltage converters 220 is a two-level voltage converter.
  • the 12-pulse diode rectifier 210 is a part of AC power generated in an offshore wind farm (not shown). Since the wind farm side voltage converter 200 is controlled to operate as a voltage source of a predetermined frequency, the remaining AC power is naturally absorbed into the wind farm side voltage converter 220.
  • each of the six-pulse diode rectifiers 210a and 210b of the converter topology is connected to a filter inductor 230 to reduce harmonic input current, and is input through a Y / Y / ⁇ three-wound transformer (Trdiode) 240. Connected to three-phase AC power.
  • the three-winding transformer (Trdiode) 240 is applied to the 12-pulse diode rectifier 210, the appropriate voltage transfers a portion of the AC power generated in the offshore wind farm to the output side.
  • the AC filter (250) installed at the front end of the Y / Y / ⁇ 3 winding transformer (Trdiode) (240) because it filters only the higher frequency components, such as the 23rd, 25th harmonic of the system current The size can be further reduced.
  • the 12-pulse diode rectifier 210 has an advantage that no reactive power is required for diode conduction. In addition, by keeping the DC link voltage of the HVDC transmission constant, the current flowing through the 12-pulse diode rectifier 210 is determined by the input side filter inductance L d .
  • the input voltage of the 12-pulse diode rectifier 210 must be higher than the direct current output voltage.
  • the inductance L d of the filter inductor 230 is related to the amount of active power flowing through the 12-pulse diode rectifier 210.
  • the output DC voltages V dc1 and V dc2 of the 6-pulse diode rectifiers 210a and 210b remain constant, the average value of the DC link currents I dc is the AC input voltage and the inductance of the filter inductor 230. Since it is determined by the value of (L d ), the input filter inductance (L d ) must be designed accordingly.
  • a boost inductor 231 is connected to the front end input side of the voltage converter 220, and an alternating current for removing high-order harmonics of a system current is provided between the converter transformer T rpwm 241 and the boost inductor 231.
  • AC filters 2 251 are connected.
  • an AC voltage input to the 12-pulse diode rectifier 210 at the seaside junction point (PCC) is described as P diode
  • an AC voltage input to the voltage converter 220 is described as P vsc . do.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram illustrating a relationship between a DC side current and a DC link voltage of a three-phase bridge diode rectifier according to an input side filter inductance according to an embodiment of the present invention.
  • the relationship graph of the output DC voltage V dc1 and the DC link current I dc shown in FIG. 4 is used for the design of the input side filter inductance L d .
  • I o is a PER PHASE short-circuit current value of the 6-pulse diode rectifier 210a (or 210b), which is determined by the input AC voltage and the input side filter inductance L d .
  • V dco is the average output voltage value of the 6-pulse diode rectifier 210a (or 210b) at no load.
  • the voltage converter 220 is substantially used for operating the HVDC power transmission system.
  • the voltage converter 220 is connected in series with the 12-pulse diode rectifier 210, and the rated voltage is set equal to 1/3 of the HVDC rated voltage equivalent to the 6-pulse diode rectifiers 210a and 210b. That is, the two six-pulse diode rectifiers 210a and 210b and the voltage converter 220 divide the rated voltage by three. This means that the rated power of the voltage converter 220 is also 1/3 of the rating of the HVDC power transmission system.
  • the voltage converter 220 operates as a voltage source of a constant frequency.
  • a boost inductor (L f ) 231 connected to the front end of the voltage converter 220 is required to control the voltage and grid current of the voltage converter 220, and also switches. It is possible to filter the generated high frequency current.
  • the voltage-type converter 220 controls the AC side voltage at a constant magnitude and frequency, so that power generated at the offshore wind farm without a frequency / power control loop is naturally transferred to the HVDC link. Is absorbed.
  • the voltage converter 220 is used to control the DC link voltage V dc3 .
  • FIG. 5 is an exemplary view showing a control block diagram of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view showing a control block diagram of an HVDC system and a voltage converter according to the present invention, through which the sea side AC voltage (ie, AC voltage) and the direct current of the voltage converter 220 are controlled. Control the link voltage V dc3 .
  • a proportional integral (PI) controller is used to control the magnitudes of the DC link voltage and the AC voltage of the voltage converter 220. That is, the AC voltage of the Point of Common Coupling (PCC) is measured and used as a feedback signal of the Point of Common Coupling controller 310a. In addition, the DC link voltage of the voltage converter 220 is measured and used as a feedback signal of the DC link voltage controller 310b.
  • PCC Point of Common Coupling
  • DC link voltage of the voltage converter 220 is measured and used as a feedback signal of the DC link voltage controller 310b.
  • V * mag.pcc and V * dc3 which are not described herein, are command values for controlling the magnitudes of the AC voltage and the DC link voltage of the voltage converter 220, respectively.
  • the maritime side link point voltage controller 310a and the DC link voltage controller 310b each have a Q-axis command signal V * q.vsc for controlling reactive power and a D-axis command signal V * for controlling active power. d.vsc ) and input to the dq converter 340.
  • the outputs of the voltage controllers 310a and 310b are dq synchronous coordinate system voltage components, which are converted into three-phase coordinate systems. That is, the dq converter 340 converts the two-phase AC signal of the Q-axis command signal V * q.vsc and the D-axis command signal V * d.vsc into a three-phase signal.
  • the eleventh and thirteenth harmonic current components generated at the maritime side junction point (PCC_offshore) by the 12-pulse diode rectifier 210 ( ) Is extracted through a band pass filter (BPF) 350 and then removed using two Proportional-Resonant (PR) controllers 320.
  • BPF band pass filter
  • PR Proportional-Resonant
  • the output of the proportional resonant controller 320 is added to the output converted into a three-phase fixed coordinate system through the dq converter 340 to add a command value for space-vector PWM (Space-Vector Pulse-Width Modulation) (V * a , V *). b , V * c ).
  • the space vector PWM generator (SVPWM) 330 generates a gating signal for conducting each IGBT element constituting the voltage converter 220.
  • FIG. 6 is an exemplary view showing the configuration of a converter topology of an HVDC system based on a 12-pulse diode rectifier and a two-level voltage converter according to an embodiment of the present invention.
  • the simplest voltage converter structure in the converter topology of the HVDC system according to the present invention is a two-level voltage converter 220a as shown in FIG. 6 and is also referred to as a two-level PWM converter.
  • the converter topology of the HVDC system according to the present invention is simple to operate and control, but as described with reference to FIG. 2, a large number of IGBTs connected in series to the voltage converter valve are required to satisfy the rated voltage of the HVDC. In addition, a high switching frequency is required to reduce the total harmonic distortion of the two-level voltage converter 220a, which leads to a high switching loss of the HVDC converter, and a high voltage stress in the two-level converter.
  • Voltage stress of the two-level voltage converter of the HVDC system can be reduced by using a multilevel voltage converter. That is, in the converter topology of the HVDC system according to the present invention, the voltage converter 220 may be replaced with a multilevel converter such as a three-level NPC converter 220b instead of the two-level voltage converter 220a.
  • FIG. 7 is an exemplary view showing the configuration of a converter topology of an HVDC system based on a 12-pulse diode rectifier and a 3-level NPC converter according to an embodiment of the present invention.
  • the 3-level neutral point clamped (NPC) converter 220b operates as a voltage source converter similar to the 2-level PWM converter 220a, and controls to maintain a constant magnitude and frequency of a marine side junction point (PCC) voltage. do.
  • the DC link voltage of the voltage converter 220 by controlling the DC link voltage of the voltage converter 220, the DC voltage of the 12-pulse diode rectifier 210 is indirectly controlled.
  • a multilevel NPC converter 220b (or a 3-level NPC converter) instead of the two-level PWM converter 220a reduces the switching frequency for the same total harmonic distortion, or filters inductor 230 (see FIG. 3). Can reduce the size.
  • the voltage stress of switching devices eg IGBTs
  • dv / dt reduction the number of relevels
  • the converter topology of the HVDC system may use a modular multilevel converter (MMC) 220c instead of the two voltage converters 220a and 220b described above.
  • MMC modular multilevel converter
  • FIG 8 is an exemplary view showing the configuration of the converter topology of the HVDC system based on the 12-pulse diode rectifier and MMC according to an embodiment of the present invention.
  • the modular multilevel converter (MMC) 220c plays the same role as the two-level PWM converter 220a as shown in FIG. 6 or the three-level NPC converter 220b as shown in FIG. Perform.
  • the modular multilevel converter has the following advantages when compared to the three-level NPC converter 220b and the two-level voltage converter 220a.
  • Converter topologies including the modular multilevel converter (MMC) have the advantage of providing high flexibility with low converter losses and increased power capacity.
  • the 12-pulse diode rectifier 210 and the voltage converter 220 are connected in series, and the AC voltage magnitude and the direct current of the voltage converter 220.
  • controllers 310a and 310b for link voltage control, it is possible to perform a simulation using a PSCAD (ie, a simulation program for designing a power system) of an HVDC transmission system associated with an offshore wind farm.
  • a PSCAD ie, a simulation program for designing a power system
  • a two-level voltage converter (or two-level PWM converter) 220a, a multilevel NPC converter 220b, or a modular multilevel converter (MMC) 220c may be used as the voltage converter.
  • the converter topology of the HVDC system configured by connecting the 12-pulse diode rectifier 210 and the voltage converter 220 according to the present invention has sufficient competitiveness over topologies such as current type HVDC and voltage type HVDC transmission systems. It can be applied to AC system linkage of offshore wind farms, and can also be used for power transmission over long distances, significantly reducing costs and system losses compared to conventional voltage type HVDC transmission systems. It is possible to improve the performance compared to the conventional current HVDC system.

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Abstract

본 발명은 초고압직류송전용 컨버터에 관한 것으로, 두 개의 3상 브리지 다이오드 정류기가 직렬 연결되어 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력을 12-펄스로 정류하는 12-펄스 다이오드 정류기 및 상기 12-펄스 다이오드 정류기의 하단에 직렬 연결되는 전압형 컨버터를 포함하며, 상기 전압형 컨버터는 상기 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력의 전압과 상기 전압형 컨버터의 직류링크 전압을 제어한다.

Description

초고압직류송전용 컨버터
본 발명은 초고압직류송전용 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 12-펄스 다이오드정류기와 전압형 컨버터(VSC : Voltage Source Converter)가 직렬로 연결된 컨버터 토폴로지를 사용하여 해상 풍력발전단지에서 발전된 전력을 육상의 계통으로 송전하기 위한 초고압직류송전용 컨버터에 관한 것이다.
최근 전력계통 보호의 필요성과 환경문제 관심의 증가로 초고압직류송전(HVDC : High Voltage Direct Current) 기술이 부각되고 있다. 상기 초고압직류송전(HVDC)은 비용, 설치 면적의 감소, 신재생 에너지원과의 연계의 용이성, 높은 안정성, 전력품질 향상 등의 다양한 장점을 제공한다.
상기 초고압직류송전(HVDC) 시스템의 구조에는 사이리스터(Thyristor)를 사용한 전류형 컨버터(Line-commutated Current-Source Converters, CSC-HVDC)와 게이트 턴-오프 사이리스터(GTOs)나 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한 전압형 컨버터 (Self-Commutated Voltage-Source Converters, VSC-HVDC)의 2가지 토폴로지가 있다.
도 1은 종래의 전류형 HVDC 시스템의 한 상에 대한 다이어그램을 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같은 전류형 컨버터(1)는 사이리스터 밸브를 사용한 3상 6-펄스 브리지 제어 정류기(2) 두 개를 직렬 연결하여 구성된다.
상기 전류형 컨버터(1)는 직류링크(DC-link)에 대해 12-펄스의 전압을 발생하고, 계통 전류의 5차, 7차 고조파(즉, 기본파(예 : 60Hz)의 주파수보다 5배 높은 주파수(예 : 300Hz)와 7배 높은 주파수(예 : 420Hz))를 제거하기 위해 Y/Y/△ 3권선 변압기(3)를 사용한다.
상기 Y/Y/△ 3권선 변압기(3)는 계통이나 해상 풍력 발전소(미도시)의 교류 버스(4)에 연결된다. 또한 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기(3)의 전단에 접속된 교류 필터(5)(또는 교류 고조파필터)는 고조파 전류를 제거하기 위해 상기 교류 버스(4)에 연결된다. 상기 교류 필터(5)는 전류형 컨버터에서 발생한 고조파의 유출을 억제하고 흡수하는 수단으로서, 저항기(Resistor), 리액터(Reactor), 커패시터(Capacitor)로 구성된다.
상기 3상 6-펄스 브리지 제어 정류기(2)의 출력단에 배치되는 평활용 리액터(6)는 간헐적인 전류에 대한 보호, 및 직류 고장 전류의 제한뿐만 아니라, 직류 케이블(미도시, 육상의 전력계통으로 직류를 전송하기 위한 케이블)의 전류를 평활화하기 위해 사용된다.
상기 평활용 리액터(6) 후단에 접속된 직류 필터(7)는 커패시터로 구성되며, 상기 3상 12-펄스 브리지 제어 정류기(2)의 출력전압에서 고조파를 여과하기 위해 사용된다.
상기 전류형 HVDC 송전에서는 사이리스터의 소호(commutation)를 위해 교류 전원 측으로부터 무효전력이 요구되며, 교류 전원의 전압과 주파수 정보가 필요한 단점이 있다. 상기 전류형 HVDC의 단점은 자기 소호 능력이 있는 IGBT 전압형 컨버터로 극복될 수 있으며, 전압형 컨버터는 제어를 통해 무효전력을 생성하거나 소비할 수 있다.
또한 상기 전압형 컨버터에서는 IGBT 밸브의 도통에 외부의 전압원이 필요하지 않으며, 필터의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 2는 종래의 전압형 컨버터를 이용한 HVDC 시스템의 간략화된 다이어그램을 보인 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전압형 컨버터(8)는 컨버터 밸브(9)로 구성되며, 2-레벨 컨버터 타입의 브리지 형태로 연결되어 있다.
상기 전압형 컨버터(8)는 중성점 클래핑(NPC, Neutral-Point Clamped) 멀티레벨 컨버터, 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC, Modular Multilevel Converter)로 대체될 수 있다. 상기 각 컨버터 밸브(9)는 여러 개의 IGBT(10) 소자가 직렬로 연결되어 구성되며, IGBT(10) 소자의 개수는 HVDC의 정격 전압과 관련된다.
상기 전압형 컨버터(8)는 승압용 인덕터(12)와 병렬 필터(13), 변압기(14)를 통해 교류 측(11)과 연결되며, 상기 승압용 인덕터(12)는 계통 전류의 제어를 위한 전압 승압과 상기 전압형 컨버터(8)의 스위칭으로 발생된 계통으로 흐르는 고조파 전류를 억제하는 역할을 한다. 또한 상기 전압형 컨버터(80)의 후단에 접속되는 직렬 연결된 2개 군의 직류 커패시터(15)는 직류 케이블(미도시, 육상의 전력계통으로 직류를 전송하기 위한 케이블)의 양 극(16, 17) 사이에 연결된다.
상기 2개의 군의 직류 커패시터(15)는 동일한 커패시턴스 값을 가진다.
상기 전압형 HVDC 시스템은 우수한 제어 성능을 제공하고, 설치 면적을 줄일 수 있다. 그러나 시스템의 컨버터 손실이 전류형 HVDC 보다 더 높은 단점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1019683호(2011.02.25.등록, 변조 제어를 갖는 전압형 초고압 직류송전 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 전압형 컨버터(VSC)와 12-펄스 다이오드정류기가 직렬로 연결된 컨버터 토폴로지를 사용함으로써 종래의 전류형 HVDC와 비교 시 제어성능을 향상시키고 설치면적을 감소시킬 수 있도록 하는 초고압직류송전용 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 전압형 컨버터(VSC)와 12-펄스 다이오드정류기가 직렬로 연결된 컨버터 토폴로지를 사용함으로써 종래의 전압형 HVDC와 비교 시 시스템 가격과 컨버터 손실을 감소시킬 수 있도록 하는 초고압직류송전용 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 초고압직류송전용 컨버터는, 두 개의 3상 전브리지 다이오드 정류기가 직렬 연결되어 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력을 12-펄스로 정류하는 12-펄스 다이오드 정류기; 및 상기 12-펄스 다이오드 정류기의 하단에 직렬 연결되는 전압형 컨버터;를 포함하며, 상기 전압형 컨버터는 상기 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력의 전압과 상기 전압형 컨버터의 직류링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 12-펄스 다이오드 정류기의 입력단에 연결되어 상기 12-펄스 다이오드 정류기의 각 3상 전브리지 다이오드 정류기에 교류 전력을 입력하는 Y/Y/△ 3권선 변압기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기는, 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기의 두 2차측 상전압 간의 30°위상차에 의해 각 3상 전브리지 다이오드 정류기에 의해 발생되는 5차, 7차 고조파 전류 성분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 각 3상 전브리지 다이오드 정류기의 입력 측에 직렬 연결되는 필터 인덕터;를 더 포함하고, 상기 필터 인덕터에 Y/Y/△ 3권선 변압기의 두 2차 측이 각기 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기의 1차 측에 병렬 연결되어 고차 고조파를 제거하는 교류 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 교류 필터는, 저항기, 인덕터 및 커패시터를 포함하여 구성되며, 계통 전류의 23차와 25차 고조파 및 그 이상을 포함하는 고차 고조파 성분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 전압형 컨버터의 입력측에 직렬 연결되는 승압 인덕터;를 더 포함하고, 상기 승압 인덕터는, 상기 전압형 인버터의 스위칭에 의해 전류에 발생되는 고조파 성분을 필터링하며, 상기 승압 인덕터에는 컨버터 변압기의 2차 측이 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 컨버터 변압기의 2차 측과 상기 승압 인덕터의 사이에는 계통 전류의 고차 고조파를 제거하기 위하여 병렬 접속되는 교류 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전압형 컨버터는, 2-레벨 전압형 컨버터, 멀티레벨 NPC 컨버터 및 모듈형 멀티레벨 컨버터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전압형 컨버터는, HVDC 시스템 전압 정격의 1/3이 정격 전압으로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 전압형 컨버터를 제어하기 위한 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 교류 전압 지령치를 입력받고, 또한 상기 해상 측 연계점의 교류 전압 측정치를 피드백 신호로 입력받아 무효전력을 제어하는 Q축 지령신호를 출력하는 해상 측 연계점 전압 제어기; 직류링크 전압 지령치를 입력받고, 또한 상기 전압형 컨버터의 직류링크 전압 측정치를 피드백 신호로 입력받아 유효전력을 제어하는 D축 지령신호를 출력하는 직류링크 전압 제어기; 상기 해상 측 연계점 전압 제어기와 상기 직류링크 전압 제어기에서 각기 출력되는 Q축 지령신호 및 D축 지령신호의 2상 교류 신호를 3상으로 변환시키는 d-q 변환기; 상기 12-펄스 다이오드 정류기에 의해 해상 측 연계점에 발생된 11차, 13차 고조파 전류 성분을 밴드패스 필터링하여 제거하는 비례 공진 제어기; 및 상기 d-q 변환기의 출력에 상기 비례 공진 제어기의 출력이 더해진 지령치를 입력받아 상기 전압형 컨버터에 구성된 각 IGBT 소자를 공간벡터 PWM 방식으로 제어하는 공간벡터 PWM 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 해상 측 연계점 전압 제어기와 상기 직류링크 전압 제어기는, 비례 적분(PI) 제어기인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전압형 컨버터(VSC)와 12-펄스 다이오드정류기가 직렬로 연결된 컨버터 토폴로지로서, 종래의 전류형 HVDC와 비교 시 제어성능을 향상시키고 설치면적을 감소시킬 수 있으며, 또한 종래의 전압형 HVDC와 비교 시 시스템 가격과 컨버터 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유지보수를 용이하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전류형 HVDC 시스템의 한 상에 대한 다이어그램을 보인 예시도.
도 2는 종래의 전압형 컨버터를 이용한 HVDC 시스템의 간략화된 다이어그램을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 컨버터 토폴로지를 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 측 필터 인덕턴스에 따라 3상 전브리지 다이오드 정류기의 직류 측 전류와 직류링크 전압의 관계를 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 제어 블록 다이어그램을 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 2-레벨 전압형 컨버터를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 3-레벨 NPC 컨버터를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 MMC를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초고압직류송전용 컨버터의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 컨버터 토폴로지를 보인 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 컨버터 토폴로지는, 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 전압형 컨버터(VSC)(220)가 직렬 연결된 형태로 구성된다. 이하 본 실시예에서는 해상 측 전압형 컨버터(WFVSC : Wind Farm - VSC)인 상기 전압형 컨버터(220)를 위주로 설명하고, 직류로 송전된 전력을 공급받는 수전점인 지상측 전압형 컨버터(GSVSC : Grid side-VSC)(또는 인버터)에 대한 설명은 생략한다.
상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)는 3상 브리지 다이오드 정류기(210a, 210b) 두 대가 Y/Y/△ 3권선 변압기를 통해 직렬 연결된 구조이며, 전압형 컨버터(220)에는 12-펄스 다이오드 정류기(210)에서와 동일한 전류가 흐르기 때문에, 정격 전력은 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 전압형 컨버터(220)의 정격 전압에 의해 결정된다.
또한, 상기 전압형 컨버터(220)에 사용되는 IGBT 소자의 개수를 줄이기 위하여 상기 전압형 컨버터(220)의 정격 전압을 가능한 낮게 선택하며, 이는 정격 전류를 감소시키는 것보다 더 좋은 효과가 있다. 상기 전압형 컨버터(220) 중에서 가장 간단한 구조는 2-레벨 전압형 컨버터이다.
상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 상기 전압형 컨버터(220)가 직렬로 연결된 컨버터 토폴로지에 있어서, 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)는 해상 풍력발전단지(미도시)에서 발전된 교류 전력의 일부를 전달받을 수 있으며, 상기 풍력발전단지 측 전압형 컨버터(200)가 제어되어 일정 주파수의 전압원으로 동작하기 때문에 나머지 교류 전력은 풍력발전단지 측 전압형 컨버터(220)로 자연적으로 흡수된다.
이때 상기 컨버터 토폴로지의 각 6-펄스 다이오드 정류기(210a, 210b)는 고조파 입력 전류를 감소하기 위하여 필터 인덕터(230)가 연결되고, Y/Y/△ 3권선 변압기(Trdiode)(240)를 통해 입력 3상 교류 전원과 연결된다. 상기 3권선 변압기(Trdiode)(240)는 12-펄스 다이오드 정류기(210)에 적절한 전압을 인가하여 해상 풍력발전단지에서 발전된 교류전력의 일부를 출력측으로 전달한다.
상기 Y/Y/△ 3권선 변압기(Trdiode)(240)의 두 2차측 상전압 간의 30°위상차에 의해 각각의 6-펄스 다이오드 정류기(210a, 210b)에 의해 발생된 5차, 7차 고조파 전류 성분이 변압기 1차측에서는 상쇄되어 나타나지 않는다.
이때 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기(Trdiode)(240)의 전단에 설치된 교류 필터(AC filters 1)(250)는 계통 전류의 23차, 25차 고조파와 같은 고차 주파수 성분만 여과하기 때문에 그 크기를 더 줄일 수 있다.
또한 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)는 다이오드 도통을 위한 무효전력이 필요하지 않은 장점이 있다. 또한 HVDC 송전의 직류링크 전압을 일정하게 유지함으로써, 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)에 흐르는 전류는 입력 측 필터 인덕턴스(Ld)에 의해 결정된다.
상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)를 통해 전력을 전달하기 위하여 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)의 입력 전압은 직류 출력 전압보다 더 높아야 한다.
참고로, 상기 필터 인덕터(230)의 인덕턴스(Ld)는 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)를 통해 흐르는 유효전력의 양과 관련이 있다. 따라서 만약 6-펄스 다이오드 정류기(210a, 210b)의 출력 직류전압(Vdc1,Vdc2)이 일정하게 유지된다면, 직류링크 전류(Idc)의 평균값은 교류 입력 전압과 필터 인덕터(230)의 인덕턴스(Ld) 값에 의해 결정되기 때문에 상기 입력 측 필터 인덕턴스(Ld)를 적절하게 설계하여야 한다.
한편 상기 전압형 컨버터(220)의 전단 입력측에는 승압 인덕터(231)가 접속되고, 컨버터 변압기(Trpwm)(241)와 상기 승압 인덕터(231)의 사이에는 계통 전류의 고차 고조파를 제거하기 위한 교류 필터(AC filters 2)(251)가 접속된다.
참고로, 상기 해상 측 연계점(PCC)에서 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)로 입력되는 교류 전압을 Pdiode라고 기재하고, 상기 전압형 컨버터(220)로 입력되는 교류 전압을 Pvsc라고 기재한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 측 필터 인덕턴스에 따라 3상 브리지 다이오드 정류기의 직류 측 전류와 직류링크 전압의 관계를 보인 예시도이다.
도 4에 도시된 출력 직류전압(Vdc1)과 직류링크 전류(Idc)의 관계 그래프는 입력 측 필터 인덕턴스(Ld)의 설계를 위해 사용된다.
여기서, Io는 상기 6-펄스 다이오드 정류기(210a)(또는 210b)의 상당(PER PHASE) 단락전류 값으로서, 입력 교류 전압과 입력 측 필터 인덕턴스(Ld)에 의해 결정된다. 그리고 Vdco는 무부하 상태에서 6-펄스 다이오드 정류기(210a)(또는 210b)의 평균 출력 전압 값이다.
상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)는 제어가 불가하므로, 실질적으로 상기 전압형 컨버터(220)가 HVDC 송전 시스템 운전을 위해 사용된다.
상기 전압형 컨버터(220)는 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 직렬 연결되며, 정격 전압은 상기 6-펄스 다이오드 정류기(210a 및 210b)와 동등하게 HVDC 정격 전압의 1/3으로 정한다. 즉, 두 개의 6-펄스 다이오드 정류기(210a, 210b)와 전압형 컨버터(220)가 각기 상기 정격 전압을 3등분 한다. 이는 상기 전압형 컨버터(220)의 정격 전력 또한 HVDC 송전 시스템 정격의 1/3임을 의미한다.
본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지에서 상기 전압형 컨버터(220)는 일정 주파수의 전압원으로 동작한다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 전압형 컨버터(220)의 전단에 접속된 승압 인덕터(Lf)(231)는 상기 전압형 컨버터(220)의 전압과 계통 전류를 제어하기 위해 필요하며, 또한 스위칭으로 인해 발생된 고주파 전류를 여과할 수 있다.
본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지에서 상기 전압형 컨버터(220)가 해상 측 교류 전압을 일정한 크기와 주파수로 제어함으로써, 주파수/전력 제어루프 없이 해상 풍력발전단지에서 발전된 전력이 HVDC 링크로 자연적으로 흡수된다. 또한 상기 전압형 컨버터(220)는 직류링크 전압(Vdc3)을 제어하기 위해 사용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 제어 블록 다이어그램을 보인 예시도이다.
다시 말해, 도 5는 본 발명에 따른 HVDC 시스템과 전압형 컨버터의 제어 블록 다이어그램을 보인 예시도로서, 상기 제어 블록을 통해서 해상 측 AC 전압(즉, 교류 전압)과 전압형 컨버터(220)의 직류링크 전압(Vdc3)을 제어한다.
여기서 상기 전압형 컨버터(220)의 직류링크 전압과 교류 전압의 크기를 제어하기 위해 비례 적분(PI) 제어기를 사용한다. 즉, 해상 측 연계점(PCC, Point of Common Coupling)의 교류 전압이 측정되어 해상 측 연계점 전압 제어기(310a)의 피드백 신호로 사용된다. 또한 상기 전압형 컨버터(220)의 직류링크 전압이 측정되어 직류링크 전압 제어기(310b)의 피드백 신호로 사용된다.
여기서 설명이 생략된 V* mag.pcc와 V* dc3는 각각 상기 전압형 컨버터(220)의 교류 전압과 직류링크 전압의 크기를 제어하기 위한 지령치이다.
상기 해상 측 연계점 전압 제어기(310a)와 상기 직류링크 전압 제어기(310b)는 각각 무효전력을 제어하는 Q축 지령신호(V* q.vsc)와 유효전력을 제어하는 D축 지령신호(V* d.vsc)를 출력하여 d-q 변환기(340)에 입력한다.
상기 각 전압 제어기(310a, 310b)의 출력은 d-q 동기좌표계 전압 성분인데 이를 3상 좌표계로 변환시킨다. 즉, 상기 d-q 변환기(340)는 상기 Q축 지령신호(V* q.vsc) 및 D축 지령신호(V* d.vsc)의 2상 교류 신호를 3상 신호로 변환시킨다.
또한 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)에 의해 해상 측 연계점(PCC_offshore)에 발생된 11차, 13차 고조파 전류 성분(
Figure PCTKR2014005726-appb-I000001
)을 밴드패스 필터(BPF)(350)를 통해 추출한 후 2개의 비례 공진(PR, Proportional-Resonant) 제어기(320)를 사용하여 제거한다.
상기 비례 공진 제어기(320)의 출력은 상기 d-q 변환기(340)를 통해 3상 고정좌표계로 변환된 출력에 더해져 공간벡터 PWM(Space-Vector Pulse-Width Modulation)을 위한 지령치(V* a,V* b,V* c)로 사용된다. 그리고 공간벡터 PWM 발생기(SVPWM)(330)는 상기 전압형 컨버터(220)를 구성하는 각 IGBT 소자를 도통하기 위한 게이팅 신호를 발생한다.
이하 상기 전압형 컨버터(220)의 다양한 구성에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 2-레벨 전압형 컨버터를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도이다.
본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지에서 가장 간단한 전압형 컨버터 구조는, 도 6에 도시된 바와 같은 2-레벨 전압형 컨버터(220a)이며 2-레벨 PWM 컨버터라고도 한다.
본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지는 동작과 제어가 간단하지만, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, HVDC의 정격 전압을 만족하기 위하여 전압형 컨버터 밸브에 직렬로 연결된 많은 수의 IGBT가 필요하다. 또한 상기 2-레벨 전압형 컨버터(220a)의 전고조파 왜형율을 줄이기 위해 높은 스위칭 주파수가 요구되며, 이는 HVDC 컨버터의 높은 스위칭 손실로 이어지고, 2-레벨 컨버터에서는 전압스트레스가 높다.
상기 HVDC 시스템의 2-레벨 전압형 컨버터의 전압 스트레스는 멀티레벨 전압형 컨버터를 이용하여 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지에서는 상기 전압형 컨버터(220)를 2-레벨 전압형 컨버터(220a) 대신 3-레벨 NPC 컨버터(220b)와 같은 멀티레벨 컨버터로 대체할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 3-레벨 NPC 컨버터를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도이다.
여기서 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터(220b)는 상기 2-레벨 PWM 컨버터(220a)와 마찬가지로 전압원 컨버터로서 동작하며, 해상 측 연계점(PCC) 전압의 크기와 주파수를 일정하게 유지되도록 제어한다.
또한, 전압형 컨버터(220)의 직류링크 전압을 제어함으로써, 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)의 직류전압을 간접적으로 제어한다. 상기 2-레벨 PWM 컨버터(220a) 대신 멀티레벨 NPC 컨버터(220b)(또는 3-레벨 NPC 컨버터)를 사용하면 동일한 전고조파 왜형율에 대해 스위칭 주파수를 감소시키거나 필터 인덕터(230, 도 3 참조)의 크기를 줄일 수 있다. 또한 스위칭 소자(예 : IGBT)의 전압 스트레스가 레레벨 수에 반비례로 줄어든다(dv/dt 감소).
또한 본 발명에 따른 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지는 상술한 두 전압형 컨버터(220a, 220b) 대신에 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)(220c)를 사용할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 12-펄스 다이오드 정류기와 MMC를 기반으로 한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지의 구성을 보인 예시도이다.
여기서 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)(220c)는, 상기 도 6에 도시된 바와 같은 2-레벨 PWM 컨버터(220a)나 도 7에 도시된 바와 같은 3-레벨 NPC 컨버터(220b)와 동일한 역할을 수행한다.
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)는 상기 3-레벨 NPC 컨버터(220b) 및 상기 2-레벨 전압형 컨버터(220a)와 비교할 때 다음과 같은 장점을 가진다.
예컨대 1) 반도체 소자들의 낮은 스위칭 주파수로 인한 컨버터 손실의 감소, 2) 고조파 발생의 감소 → 필터의 크기 감소, 3) 하드웨어, 소프트웨어의 모듈화로 인한 높은 유연성, 4) 주요 소자의 수 감소 → 높은 신뢰성, 유지보수 용이, 5) 낮은 전압 스트레스 (dv/dt) → 소자의 수명 연장 등 장점이 있다.
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)를 포함하는 컨버터 토폴로지는 낮은 컨버터 손실과 전력 용량의 증가에 따른 높은 유연성을 제공하는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 HVDC 송전 시스템의 컨버터 토폴로지는, 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 전압형 컨버터(220)를 직렬 연결하고, 상기 전압형 컨버터(220)의 교류 전압 크기 및 직류링크 전압 제어를 위한 제어기(310a, 310b)를 제공함으로써, 해상 풍력발전단지와 연계된 HVDC 송전 시스템의 PSCAD(즉, Power System 설계를 위한 시뮬레이션 프로그램)를 이용한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 한다. 이때 상기 전압형 컨버터로서 2-레벨 전압형 컨버터(또는 2-레벨 PWM 컨버터)(220a), 멀티레벨 NPC 컨버터(220b), 혹은 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)(220c)를 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 상기 12-펄스 다이오드 정류기(210)와 전압형 컨버터(220)를 직렬 연결하여 구성한 HVDC 시스템의 컨버터 토폴로지는 전류형 HVDC, 전압형 HVDC 송전 시스템과 같은 토폴로지에 대해 충분한 경쟁력을 가지며, 해상 풍력발전단지의 교류 계통 연계에 적용될 수 있으며, 또한 장거리 지역으로 전력 전달을 위해 사용될 수 있으며, 비용과 시스템의 손실을 종래의 전압형 HVDC 송전시스템 비해 상당히 감소시킬 수 있으며, 또한 시스템의 제어성을 종래의 전류형 HVDC 시스템보다 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 두 개의 3상 전브리지 다이오드 정류기가 직렬 연결되어 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력을 12-펄스로 정류하는 12-펄스 다이오드 정류기; 및
    상기 12-펄스 다이오드 정류기의 하단에 직렬 연결되는 전압형 컨버터;를 포함하며, 상기 전압형 컨버터는 상기 해상 측 연계점에서 입력받은 교류 전력의 전압과 상기 전압형 컨버터의 직류링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 12-펄스 다이오드 정류기의 입력단에 연결되어 상기 12-펄스 다이오드 정류기의 각 3상 전브리지 다이오드 정류기에 교류 전력을 입력하는 Y/Y/△ 3권선 변압기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 Y/Y/△ 3권선 변압기는,
    상기 Y/Y/△ 3권선 변압기의 두 2차측 상전압 간의 30° 위상차에 의해 각 3상 전브리지 다이오드 정류기에 의해 발생되는 5차, 7차 고조파 전류 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 3상 브리지 다이오드 정류기의 입력 측에 직렬 연결되는 필터 인덕터;를 더 포함하고,
    상기 필터 인덕터에 Y/Y/△ 3권선 변압기의 두 2차 측이 각기 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 Y/Y/△ 3권선 변압기의 1차 측에 병렬 연결되어 고차 고조파를 제거하는 교류 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 교류 필터는,
    저항기, 인덕터 및 커패시터를 포함하여 구성되며, 계통 전류의 적어도 23차와 25차를 포함하는 고차 고조파 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전압형 컨버터의 입력측에 직렬 연결되는 승압 인덕터;를 더 포함하고,
    상기 승압 인덕터는, 상기 전압형 인버터의 스위칭에 의해 전류에 발생되는 고조파 성분을 필터링하며, 상기 승압 인덕터에는 컨버터 변압기의 2차 측이 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 컨버터 변압기의 2차 측과 상기 승압 인덕터의 사이에는 계통 전류의 고차 고조파를 제거하기 위하여 병렬 접속되는 교류 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 전압형 컨버터는,
    2-레벨 전압형 컨버터, 멀티레벨 NPC 컨버터 및 모듈형 멀티레벨 컨버터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 전압형 컨버터는,
    HVDC 시스템 전압 정격의 1/3이 정격 전압으로 선택되는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전압형 컨버터를 제어하기 위한 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 교류 전압 지령치를 입력받고, 또한 상기 해상 측 연계점의 교류 전압 측정치를 피드백 신호로 입력받아 무효전력을 제어하는 Q축 지령신호를 출력하는 해상 측 연계점 전압 제어기;
    직류링크 전압 지령치를 입력받고, 또한 상기 전압형 컨버터의 직류링크 전압 측정치를 피드백 신호로 입력받아 유효전력을 제어하는 D축 지령신호를 출력하는 직류링크 전압 제어기;
    상기 해상 측 연계점 전압 제어기와 상기 직류링크 전압 제어기에서 각기 출력되는 Q축 지령신호 및 D축 지령신호의 2상 교류 신호를 3상으로 변환시키는 d-q 변환기;
    상기 12-펄스 다이오드 정류기에 의해 해상 측 연계점에 발생된 11차, 13차 고조파 전류 성분을 밴드패스 필터링하여 제거하는 비례 공진 제어기; 및
    상기 d-q 변환기의 출력에 상기 비례 공진 제어기의 출력이 더해진 지령치를 입력받아 상기 전압형 컨버터에 구성된 각 IGBT 소자를 공간벡터 PWM 방식으로 제어하는 공간벡터 PWM 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 해상 측 연계점 전압 제어기와 상기 직류링크 전압 제어기는,
    비례 적분(PI) 제어기인 것을 특징으로 하는 초고압직류송전용 컨버터.
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