WO2017023084A1 - 하나의 변압기를 구비하는 upfc 장치 - Google Patents

하나의 변압기를 구비하는 upfc 장치 Download PDF

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WO2017023084A1
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sub
converter
converters
voltage
capacitor
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PCT/KR2016/008498
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English (en)
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Inventor
윤영두
이상훈
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명지대학교 산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/10—Flexible AC transmission systems [FACTS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an UPFC device, and more particularly, to a UPFC device capable of performing a power flow control function and a reactive power compensation function by including a transformer.
  • UPFC Unified power flow control
  • FACTS flexible AC transmission system
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a conventional UPFC device
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a phaser configuration of a voltage current of the UPFC device of FIG. 1.
  • the conventional UPFC device 100 includes a series inverter unit 110 including a series inverter and a series transformer, and a parallel inverter unit 120 including a parallel inverter and a parallel transformer.
  • the UPFC device 100 may control the power flow in the normal state by improving a small voltage through the series inverter unit 110, and may improve the dynamic stability of the transient state.
  • the UPFC device 100 internally supplies reactive power necessary for compensating reactive power of the system by injecting a current into the parallel inverter unit 120. Therefore, it can be installed at any point of the transmission line and can be operated regardless of expansion or change of the power system.
  • the conventional UPFC device 100 has a disadvantage in that an expensive cost is required. That is, referring to FIG. 1, the UPFC apparatus 100 requires two transformers, that is, a series transformer and a parallel transformer. Since the parallel transformer is directly applied with the transmission voltage, the series transformer must be able to conduct all of the transmission current. There is a disadvantage that the high cost. In addition, the series inverter has to be able to flow the transmission current increasing with the turn ratio of the series transformer, and because the use of a power converter capable of handling a high voltage, there is a costly disadvantage.
  • the UPFC device since the UPFC device must be installed on the transmission line, a large space is required, but the conventional UPFC device 100 has difficulty in applying to the actual transmission line.
  • the present invention is to propose a UPFC device that can perform a function of power flow control and reactive power compensation by providing a transformer.
  • an UPFC device operating in three phases, each of the UPFC device, a multi-output transformer for transforming a first voltage; And a power converter converting an output voltage of the multi-output transformer to output a second voltage, wherein the multi-output transformer includes a primary winding and M secondary windings, and one end of the primary winding and M One end of two secondary windings is connected to each other at a first node, and the other end of the M secondary windings is connected to the power converter.
  • the power converter includes a converter that generates a link voltage using the output voltage of the multi-output transformer; A link capacitor unit connected in parallel with the converter and storing the link voltage; And an inverter connected in parallel with the converter and the link capacitor and outputting the second voltage using the link voltage.
  • One end is connected to the first node, the other end is connected to the inverter; may further include a.
  • the converter includes M sub-converters connected in parallel, and each of the M sub-converters includes a first switch and a second switch connected in series, respectively, wherein one end of the first switch of the M sub-converters is connected to each other.
  • the other end of the second switch of the M sub-converters is connected to each other, and the other end of the i-th secondary winding of the other ends of the M secondary windings is connected to the i-th sub converter of the M sub-converters.
  • the other end of the first switch of the i-th sub-converter and one end of the second switch of the i-th sub-converter may be connected to the other end of the i-th secondary winding.
  • the link capacitor unit may include a first capacitor and a second capacitor connected in series, and the converter may include a voltage of the second node to which the voltage of the first node is connected to the other end of the first capacitor and one end of the second capacitor. It can be controlled to be the same. In addition, in order to improve performance, it may be controlled to a voltage determined according to the voltage of the first node.
  • the converter includes M sub-converters connected in parallel, and each of the M sub-converters includes a first diode and a second diode connected in series, respectively, wherein cathodes of the first diodes of the M sub-converters are mutually different.
  • the anode of the second diode of the M sub-converters is connected to each other, and the other end of the i-th secondary winding of the other ends of the M secondary windings is connected to an i-th subconverter of the M sub-converters.
  • the anode of the first diode of the i-th sub-converter and the cathode of the second diode of the i-th sub-converter may be connected to the other end of the i-th secondary winding.
  • the link capacitor unit may include a first capacitor and a second capacitor connected in series, and a second node connected to the other end of the first node and the first capacitor and one end of the second capacitor may be connected to each other.
  • an UPFC device operating in three phases, wherein the UPFC device in each phase includes a primary winding and M secondary windings, and one end of the primary winding and two M windings.
  • One end of the secondary winding has a multi-output transformer connected to each other at the first node;
  • a power converter connected to the other ends of the M secondary windings and converting an output voltage of the multi-output transformer;
  • a bypass unit having one end connected to the first node and the other end connected to an output of the power converter.
  • a UPFC device includes a multi-output transformer for transforming a first voltage; And a power converter converting an output voltage of the multi-output transformer to output a second voltage.
  • the multi-output transformer includes a primary winding and M secondary windings, all of which are electrically connected.
  • the multi-output transformer comprises a primary winding; And a plurality of secondary side windings.
  • the secondary windings are electrically connected to each other.
  • the UPFC device has an advantage of performing a power flow control function and a reactive power compensation function by including one transformer.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a conventional UPFC device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a phaser configuration of a voltage current of the UPFC device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a UPFC device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a single phase of the UPFC device of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a view used to compare the configuration of a multi-output transformer according to the present invention with the configuration of a conventional multi-output transformer.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of a UPFC device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a single phase of the UPFC device of FIG. 6.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a UPFC device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration on a single phase of the UPFC device of FIG.
  • the UPFC device 300 operates in three phases and controls the flow of active power and reactive power in a power system to promote high efficiency operation of the entire system.
  • the UPFC device 400 in each phase includes a multi-output transformer 410, a power converter 420, a controller (not shown), a first inductor unit 430, and a bypass unit 440. ) And a second inductor unit 450.
  • the function of each component will be described in detail.
  • the multi-output transformer 410 transforms the first voltage input through the input power supply.
  • the multi-output transformer 410 includes a primary winding 411 and M secondary windings 412, 413, 414.
  • the M secondary windings are illustrated as three (a1, a2, a3), but for convenience of description, the present invention is not limited thereto. In the following, it is assumed that there are three secondary windings.
  • one end of the primary winding 411 and one end of the three secondary windings 412, 413, 414 are connected to each other at the first node n1.
  • the other ends of the N secondary windings 412, 413, and 414 may be connected to the power converter 420, which will be described below, and the other end of the primary winding 411 may be connected to the N phase.
  • each secondary winding is not connected to each other (isolated state), but in the present invention, the three secondary windings 412, 413 and 414 One end is electrically connected to each other (non-insulated state). Therefore, the insulation characteristic disappears, but the capacity of the transformer is increased.
  • the power converter 420 converts the output voltage of the multi-output transformer 410 to output the second voltage.
  • the power converter 420 includes a converter 421, a link capacitor unit 422, and an inverter 423.
  • the converter 421 performs a function of maintaining the DC voltage, and generates a link voltage using the output voltage of the multi-output transformer 410.
  • the six switches included in the converter 421 are controlled on / off by a controller (not shown).
  • one end of the first switches S1, S3, S5 of the three sub-converters is connected to each other, and the other ends of the second switches S2, S4, S6 of the three sub-converters are connected to each other.
  • the other end of the i th secondary winding of the other ends of the three secondary windings is connected to the i th sub converter of the three sub converters, the other end of the first switch of the i th sub converter and the second of the i th sub converter.
  • One end of the switch is connected to the other end of the i-th secondary winding.
  • the link capacitor 422 is connected in parallel with the converter 421 and stores a link voltage.
  • the link capacitor unit 422 includes a first capacitor C1 and a second capacitor C2 connected in series. That is, the other end of the first capacitor C1 and one end of the second capacitor C2 are connected to each other at the second node n2, and one end of the first capacitor C1 is connected to the first switch S1 of the three sub-converters. , One end of S3 and S5 are connected to each other, and the other end of the second capacitor C2 is connected to the other end of the second switch S2, S4, and S6 of the three sub-converters.
  • the converter 421 controls the voltage of the first node to be equal to the voltage of the second node, or to improve the performance, the second voltage is determined according to the voltage of the first node.
  • the voltage of the node may be controlled, which may be performed through a controller (not shown).
  • the inverter 423 is a voltage regulation circuit, is connected in parallel with the converter 421 and the link capacitor unit 422, and outputs a second voltage (voltage of the third node n3) using the link voltage.
  • the inverter 423 includes a third switch S7 and a fourth switch S8 connected in series, which are controlled on / off by a controller (not shown).
  • one end of the third switch S7 is connected to one end of the first switches S1, S3 and S5 of the three sub-converters and one end of the first capacitor
  • the other end of the fourth switch S8 is connected to three ends. It is connected to the other end of the second switch (S2, S4, S6) and the other end of the second capacitor of the sub-converters, the other end of the third switch (S7) and one end of the fourth switch (S8) at the third node (n3) Connected.
  • a power converter 420 is connected to the converter 421.
  • bypass unit 440 bypasses the system voltage when the UPFC device 300 is not operated. At this time, when the power converter 420 does not operate, the switch in the bypass unit 440 is turned on, and when the power converter 420 is operated, the switch in the bypass unit 440 is turned off.
  • the second inductor unit 450 performs a function of limiting current.
  • the secondary windings of the multi-output transformer 410 of each phase are connected to each other without being insulated, and one transformer in each phase based on the configuration described above.
  • the conventional UPFC device was able to perform the current flow control function and the reactive power compensation function only when both a series transformer and a parallel transformer are provided, but the present invention does not require a series transformer and has an increased capacity through non-insulation.
  • the above function can be performed only through the transformer of. Therefore, there is no cost and the installation space is reduced.
  • the switch in the power converter can be configured at a low rated voltage, so that the cost of the power converter can be greatly reduced.
  • FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a UPFC device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration on a single phase of the UPFC device of FIG.
  • the UPFC device 600 operates in three phases, and the UPFC device 700 in each phase includes a multi-output transformer 710, a power converter 720, a controller (not shown), and a third phase.
  • the first inductor unit 730, the bypass unit 740, and the second inductor unit 750 are included.
  • the power converter 720 includes a converter 721, a link capacitor unit 722, and an inverter 723.
  • the UPFC device 600 according to the second embodiment of the present invention is the same as the UPFC device 300 according to the second embodiment of the present invention except for the configuration of the converter 721, for convenience of description Only the configuration of the converter 721 will be described.
  • the converter 721 performs three functions of maintaining the DC voltage and generating a link voltage.
  • one ends of the first diodes D1, D3, and D5 of the three sub-converters are connected to each other, and the other ends of the second diodes D2, D4, and D6 of the three sub-converters are connected to each other.
  • the other end of the i th secondary winding of the other ends of the three secondary windings is connected to the i th sub converter of the three sub converters, the other end of the first diode of the i th sub converter and the second of the i th sub converter.
  • One end of the diode is connected to the other end of the ith secondary winding.
  • the second node n2 to which one end of the end and the second capacitor C2 is connected is connected.
  • the UPFC device 600 according to the second embodiment of the present invention is a diode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) in the converter 721, the UPFC device according to the first embodiment of the present invention Corresponds to the switches S1, S2, S3, S4, S5, and S6 inside the converter 421 of 300, except for this difference with the UPFC device 300 according to the first embodiment of the present invention.
  • the same function can be performed. Therefore, description thereof will be omitted.

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Abstract

하나의 변압기를 구비하는 UPFC 장치가 개시된다. 개시된 UPFC 장치는 3상에서 동작하는 UPFC 장치로서, 각각의 상에서의 UPFC 장치는, 제1 전압을 변압하는 다출력 변압기; 및 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시키는 전력 변환기;를 포함하되, 상기 다출력 변압기는 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 1차측 권선의 일단 및 M개의 2차측 권선들의 일단은 제1 노드에서 서로 연결되어 있고, 상기 M개의 2차측 권선들의 타단은 상기 전력 변환기와 연결된다.

Description

하나의 변압기를 구비하는 UPFC 장치
본 발명의 실시예들은 UPFC 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 변압기를 구비하여 전력 조류 제어(power flow control) 기능 및 무효 전력 보상 기능을 수행할 수 있는 UPFC 장치에 관한 것이다.
UPFC(Unified power flow control) 장치는 직, 병렬형 FACTS(유연송전시스템: flexible AC transmission system) 장치로써 계통의 전압, 유효 전력 및 무효 전력의 변수를 동시에 제어하여 계통 전체의 고효율 운전을 도모하는 전력 조류 제어를 수행하는 장치를 의미한다.
도 1은 종래의 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 UPFC 장치의 전압 전류의 페이서(phasor) 구성도를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 UPFC 장치(100)는 직렬 인버터 및 직렬 변압기를 포함하는 직렬 인버터부(110) 및 병렬 인버터 및 병렬 변압기를 포함하는 병렬 인버터부(120)를 포함한다.
이 때, UPFC 장치(100)는 직렬 인버터부(110)를 통해 작은 전압을 조절함으로써，정상상태에서 전력 조류를 제어하고，과도 상태의 동적 안정도를 개선할 수 있다. 그리고, UPFC 장치(100)는 병렬 인버터부(120)에 전류를 주입함으로써, 계통의 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 내부적으로 공급한다. 따라서, 송전 선로의 어떤 지점에도 설치 가능하고 전력 계통의 확장이나 변경에 관계없이 운용이 가능하다.
하지만, 종래의 UPFC 장치(100)는 고가의 비용이 필요하다는 단점이 있다. 즉, 도 1을 참조하면, UPFC 장치(100)에는 두 개의 변압기들, 즉 직렬 변압기와 병렬 변압기가 필요한데, 병렬 변압기는 송전 전압이 직접 걸리고, 직렬 변압기는 송전 전류를 모두 도통할 수 있어야 하기 때문에 고비용이 소요되는 단점이 있다. 또한, 직렬 인버터는 직렬 변압기의 턴 비에 따라 증가하는 송전 전류를 흘릴 수 있어야 하고, 높은 전압을 처리할 수 있는 전력 변환기를 사용해야 하므로，비용이 비싼 단점이 있다.
또한, 공간적 측면에서도 송전 선로에 UPFC 장치를 설치해야 하므로, 넓은 공간이 필요한데, 종래의 UPFC 장치(100)는 실제 송전 선로에 적용하기에 어려움이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 하나의 변압기를 구비하여 전력 조류 제어(power flow control) 및 무효 전력 보상의 기능을 수행할 수 있는 UPFC 장치를 제안하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 3상에서 동작하는 UPFC 장치로서, 각각의 상에서의 UPFC 장치는, 제1 전압을 변압하는 다출력 변압기; 및 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시키는 전력 변환기;를 포함하되, 상기 다출력 변압기는 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 1차측 권선의 일단 및 M개의 2차측 권선들의 일단은 제1 노드에서 서로 연결되어 있고, 상기 M개의 2차측 권선들의 타단은 상기 전력 변환기와 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치가 제공된다.
상기 전력 변환기는, 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 이용하여 링크 전압을 생성하는 컨버터; 상기 컨버터와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 저장하는 링크 캐패시터부; 및 상기 컨버터 및 상기 링크 캐패시터부와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 이용하여 상기 제2 전압을 출력하는 인버터;를 포함할 수 있다
일단이 상기 제1 노드와 연결되고, 타단이 상기 인버터와 연결되는 바이패스부;를 더 포함할 수 있다.
상기 컨버터는 병렬로 연결되는 M개의 서브 컨버터들을 포함하고, 상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 스위치의 일단은 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 스위치의 타단은 서로 연결되며, 상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 스위치의 타단 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 스위치의 일단이 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결될 수 있다.
상기 링크 캐패시터부는 직렬 연결된 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하고, 상기 컨버터는 상기 제1 노드의 전압이, 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제2 캐패시터의 일단이 연결되는 제2 노드의 전압과 동일하게 되도록 제어할 수 있다. 또한, 성능 향상을 위해, 상기 제1 노드의 전압에 따라 결정하는 전압으로 제어할 수도 있다.
상기 컨버터는 병렬로 연결되는 M개의 서브 컨버터들을 포함하고, 상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 다이오드의 캐소드가 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 다이오드의 애노드가 서로 연결되며, 상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 다이오드의 애노드 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 다이오드의 캐소드가 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결될 수 있다.
상기 링크 캐패시터부는 직렬 연결된 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하고, 상기 제1 노드 및 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제2 캐패시터의 일단이 연결되는 제2 노드가 서로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3상에서 동작하는 UPFC 장치로서, 각각의 상에서의 UPFC 장치는, 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 1차측 권선의 일단 및 M개의 2차측 권선들의 일단은 제1 노드에서 서로 연결되는 다출력 변압기; 상기 M개의 2차측 권선들의 타단과 연결되어 있고, 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하는 전력 변환기; 및 일단이 상기 제1 노드와 연결되고, 타단이 상기 전력 변환기의 출력부와 연결되는 바이패스부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, UPFC 장치는 제1 전압을 변압하는 다출력 변압기; 및 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시키는 전력 변환기;를 포함한다. 상기 다출력 변압기는 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 2차측 권선들은 모두 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다출력 변압기는 1차측 권선; 및 복수의 2차측 권선들을 포함한다. 여기서, 상기 2차측 권선들이 상호 전기적으로 연결된다.
본 발명에 따른 UPFC 장치는 하나의 변압기를 구비하여 전력 조류 제어(power flow control) 기능 및 무효 전력 보상 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 UPFC 장치의 전압 전류의 페이서(phasor) 구성도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 UPFC 장치의 단상에서의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다출력 변압기의 구성을 종래의 다출력 변압기의 구성과 비교하기 위해 사용된 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 7는 도 6의 UPFC 장치의 단상에서의 구성을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 UPFC 장치의 단상에서의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치(300)는 3상에서 동작하며, 전력 계통에서 유효 전력, 무효 전력의 흐름을 제어하여 계통 전체의 고효율 운전을 도모하는 장치이다. 그리고, 도 4을 참조하면, 각각의 상에서의 UPFC 장치(400)는 다출력 변압기(410), 전력 변환기(420), 제어부(미도시), 제1 인덕터부(430), 바이패스부(440) 및 제2 인덕터부(450)를 포함한다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 다출력 변압기(410)는 입력 전원부를 통해 입력된 제1 전압을 변압한다.
보다 상세하게, 다출력 변압기(410)는 1차측 권선(411) 및 M개(2 이상의 정수임)의 2차측 권선들(412, 413, 414)을 포함한다. 도 3 및 도 4에서는 M개의 2차측 권선들이 3개(a1, a2, a3)인 것으로 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이하에서는 2차측 권선들이 3개가 있는 것으로 가정한다.
여기서, 1차측 권선(411)의 일단 및 3개의 2차측 권선들(412, 413, 414)의 일단은 제1 노드(n1)에서 서로 연결되어 있다. 또한, N개의 2차측 권선들(412, 413, 414)의 타단은 아래에서 설명할 전력 변환기(420)와 연결되고, 1차측 권선(411)의 타단은 N상과 연결될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 다출력 변압기는 각각의 2차측 권선이 서로 연결되어 있지 않았으나(절연 상태), 본 발명의 경우 3개의 2차측 권선들(412, 413, 414)의 일단이 서로 전기적으로 연결되어 있다(비 절연 상태). 따라서, 절연 특성이 사라지지만 변압기의 용량이 증가하는 효과가 있다.
다음으로, 전력 변환기(420)는 다출력 변압기(410)의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시킨다. 여기서, 전력 변환기(420)는 컨버터(421), 링크 캐패시터부(422) 및 인버터(423)를 포함한다.
컨버터(421)는 DC 전압의 유지 제어의 기능을 수행하는 것으로서, 다출력 변압기(410)의 출력 전압을 이용하여 링크 전압을 생성한다.
보다 상세하게, 컨버터(421)는 병렬로 연결되는 3개(=M)의 서브 컨버터들을 포함하며, 3개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 스위치(S1, S3, S5) 및 제2 스위치(S2, S4, S6)를 각각 포함한다. 컨버터(421)에 포함되는 6개의 스위치는 제어부(미도시)에 의해 온/오프가 제어된다.
여기서, 3개의 서브 컨버터들의 제1 스위치(S1, S3, S5)의 일단은 서로 연결되고, 3개의 서브 컨버터들의 제2 스위치(S2, S4, S6)의 타단은 서로 연결된다. 또한, 3개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 3개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, i번째 서브 컨버터의 제1 스위치의 타단 및 i번째 서브 컨버터의 제2 스위치의 일단이 i번째 2차측 권선의 타단과 연결된다.
링크 캐패시터부(422)는 컨버터(421)와 병렬 연결되고, 링크 전압을 저장한다. 여기서, 링크 캐패시터부(422)는 직렬 연결된 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)를 포함한다. 즉, 제1 캐패시터(C1)의 타단과 제2 캐패시터(C2)의 일단은 제2 노드(n2)에서 서로 연결되고, 제1 캐패시터(C1)의 일단은 3개의 서브 컨버터들의 제1 스위치(S1, S3, S5)의 일단과 서로 연결되며, 제2 캐패시터(C2)의 타단은 3개의 서브 컨버터들의 제2 스위치(S2, S4, S6)의 타단과 연결된다. 그리고, 전압 균형을 맞추기 위해, 컨버터(421)는 제1 노드의 전압이 제2 노드의 전압과 동일하게 되도록 제어하거나, 또는 성능 향상을 위해, 제1 노드의 전압에 따라 결정하는 전압으로 제2 노드의 전압을 제어할 수도 있으며, 이는 제어부(미도시)을 통해 수행될 수 있다.
인버터(423)는 전압 조절 회로로서, 컨버터(421) 및 링크 캐패시터부(422)와 병렬 연결되고, 링크 전압을 이용하여 제2 전압(제3 노드(n3)의 전압)을 출력한다.
여기서, 인버터(423)는 직렬 연결된 제3 스위치(S7) 및 제4 스위치(S8)를 포함하며, 이는 제어부(미도시)에 의해 온/오프가 제어된다. 이 때, 제3 스위치(S7)의 일단은 3개의 서브 컨버터들의 제1 스위치(S1, S3, S5)의 일단 및 제1 캐패시터의 일단과 연결되고, 제4 스위치(S8)의 타단은 3개의 서브 컨버터들의 제2 스위치(S2, S4, S6)의 타단 및 제2 캐패시터의 타단과 연결되고, 제3 스위치(S7)의 타단 및 제4 스위치(S8)의 일단은 제3 노드(n3)에서 연결된다.
또한, 제1 인덕터부(430)는 전류를 제어하는 기능을 수행하는 것으로서, 3개(=M)의 인덕터를 포함하며, 2차측 권선들(412, 413, 414)의 타단 각각은 인덕터를 통해 전력 변환기(420), 즉 컨버터(421)와 연결된다.
또한, 바이패스부(440)는 UPFC 장치(300)를 운전하지 않는 경우 계통 전압을 바이패스하는 기능을 수행한다. 이 때, 전력 변환기(420)가 동작하지 않는 경우, 바이패스부(440) 내의 스위치가 온되며, 전력 변환기(420)가 동작하는 경우, 바이패스부(440) 내의 스위치는 오프된다. 그리고, 제2 인덕터부(450)는 제3 노드(n3)와 제4 노드(n4)가 순간적으로 다른 경우, 전류를 제한시키는 기능을 수행한다.
요컨대, 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치(300)는 각 상의 다출력 변압기(410)의 2차측 권선들이 절연되지 않고 서로 연결되어 있으며, 상기에서 설명한 구성에 기초하여 각 상에서 하나의 변압기 만으로도 전력 조류 제어(power flow control) 기능 및 무효 전력 보상 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
즉, 종래의 UPFC 장치는 직렬 변압기와 병렬 변압기가 모두 구비되어야 전류 조류 제어 기능 및 무효 전력 보상 기능을 수행할 수 있었지만, 본 발명은 직렬 변압기가 필요하지 않으며, 비 절연을 통해 용량이 증가된 하나의 변압기만을 통해 상기의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 고비용이 들지 않고, 설치 공간이 감소하는 장점이 있다. 또한, 전력 변환기의 DC 전압의 크기를 낮출 수 있으므로, 전력 변환기 내의 스위치를 낮은 정격 전압으로 구성할 수 있어서, 전력 변환기의 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 UPFC 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 7는 도 6의 UPFC 장치의 단상에서의 구성을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, UPFC 장치(600)는 3상에서 동작하며, 각각의 상에서의 UPFC 장치(700)는 다출력 변압기(710), 전력 변환기(720), 제어부(미도시), 제1 인덕터부(730), 바이패스부(740) 및 제2 인덕터부(750)를 포함한다. 그리고, 전력 변환기(720)는 컨버터(721), 링크 캐패시터부(722) 및 인버터(723)를 포함한다.
여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 UPFC 장치(600)는 컨버터(721)의 구성을 제외하고는 본 발명의 제2 실시예에 따른 UPFC 장치(300)와 동일하므로, 설명의 편의를 위해 컨버터(721)의 구성 만을 설명하기로 한다.
컨버터(721)는 앞서 설명한 바와 같이 DC 전압의 유지 제어의 기능을 수행하며 링크 전압을 생성하는 것으로서, 병렬로 연결되는 3개(=M)의 서브 컨버터들을 포함하며, 3개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 다이오드(D1, D3, D5) 및 제2 다이오드(D2, D4, D6)를 각각 포함한다.
여기서, 3개의 서브 컨버터들의 제1 다이오드(D1, D3, D5)의 일단은 서로 연결되고, 3개의 서브 컨버터들의 제2 다이오드(D2, D4, D6)의 타단은 서로 연결된다. 또한, 3개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 3개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, i번째 서브 컨버터의 제1 다이오드의 타단 및 i번째 서브 컨버터의 제2 다이오드의 일단이 i번째 2차측 권선의 타단과 연결된다.
또한, 양방향 동작을 위해, 1차측 권선(711)의 일단 및 3개의 2차측 권선들(712, 713, 714)의 일단이 연결되는 제1 노드(n1)와, 제1 캐패시터(C1)의 타단과 제2 캐패시터(C2)의 일단이 연결되는 제2 노드(n2)는 연결된다.
요컨대, 본 발명의 제2 실시예에 따른 UPFC 장치(600)는 컨버터(721) 내의 다이오드들(D1, D2, D3, D4, D5, D6)이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치(300)의 컨버터(421) 내부의 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)과 대응되며, 이 차이점을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 UPFC 장치(300)와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 3상에서 동작하는 UPFC 장치로서, 각각의 상에서의 UPFC 장치는,
    제1 전압을 변압하는 다출력 변압기; 및
    상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시키는 전력 변환기;를 포함하되,
    상기 다출력 변압기는 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 1차측 권선의 일단 및 M개의 2차측 권선들의 일단은 제1 노드에서 서로 연결되어 있고, 상기 M개의 2차측 권선들의 타단은 상기 전력 변환기와 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환기는,
    상기 다출력 변압기의 출력 전압을 이용하여 링크 전압을 생성하는 컨버터;
    상기 컨버터와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 저장하는 링크 캐패시터부; 및
    상기 컨버터 및 상기 링크 캐패시터부와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 이용하여 상기 제2 전압을 출력하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    일단이 상기 제1 노드와 연결되고, 타단이 상기 인버터와 연결되는 바이패스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터는 병렬로 연결되는 M개의 서브 컨버터들을 포함하고, 상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 스위치의 일단은 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 스위치의 타단은 서로 연결되며,
    상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 스위치의 타단 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 스위치의 일단이 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 링크 캐패시터부는 직렬 연결된 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하고,
    상기 컨버터는 상기 제1 노드의 전압에 따라, 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제2 캐패시터의 일단이 연결되는 제2 노드의 전압을 조절하여 제어하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터는 병렬로 연결되는 M개의 서브 컨버터들을 포함하고, 상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 다이오드의 캐소드가 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 다이오드의 애노드가 서로 연결되며,
    상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 다이오드의 애노드 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 다이오드의 캐소드가 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 링크 캐패시터부는 직렬 연결된 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하고,
    상기 제1 노드 및 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제2 캐패시터의 일단이 연결되는 제2 노드가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  8. 3상에서 동작하는 UPFC 장치로서, 각각의 상에서의 UPFC 장치는,
    1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되, 상기 1차측 권선의 일단 및 M개의 2차측 권선들의 일단은 제1 노드에서 서로 연결되는 다출력 변압기;
    상기 M개의 2차측 권선들의 타단과 연결되어 있고, 상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하는 전력 변환기; 및
    일단이 상기 제1 노드와 연결되고, 타단이 상기 전력 변환기의 출력부와 연결되는 바이패스부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 변환기는, 상기 변압기의 출력 전압을 이용하여 링크 전압을 생성하는 컨버터;를 포함하되,
    상기 컨버터는 상기 컨버터는 병렬로 연결되는 M개의 서브 컨버터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 스위치의 일단이 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 스위치의 타단이 서로 연결되며,
    상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 스위치의 타단 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 스위치의 일단이 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 M개의 서브 컨버터들 각각은 직렬 연결된 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 각각 포함하되, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제1 다이오드의 캐소드가 서로 연결되고, 상기 M개의 서브 컨버터들의 제2 다이오드의 애노드가 서로 연결되며,
    상기 M개의 2차측 권선들의 타단 중 i번째 2차측 권선의 타단은 상기 M개의 서브 컨버터들 중 i번째 서브 컨버터와 연결되되, 상기 i번째 서브 컨버터의 제1 다이오드의 애노드 및 상기 i번째 서브 컨버터의 제2 다이오드의 캐소드가 상기 i번째 2차측 권선의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력 변환기는,
    상기 컨버터와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 저장하기 위한 직렬 연결된 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하는 링크 캐패시터부; 및
    상기 컨버터 및 상기 링크 캐패시터부와 병렬 연결되고, 상기 링크 전압을 이용하여 상기 전력 변환기의 출력 전압을 생성하는 인버터;를 포함하되,
    상기 제1 노드 및 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제2 캐패시터의 일단이 연결되는 제2 노드가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  13. 제1 전압을 변압하는 다출력 변압기; 및
    상기 다출력 변압기의 출력 전압을 변환하여 제2 전압을 출력시키는 전력 변환기;를 포함하며,
    상기 다출력 변압기는 1차측 권선 및 M개의 2차측 권선들을 포함하되,
    상기 2차측 권선들은 모두 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 UPFC 장치.
  14. 1차측 권선; 및
    복수의 2차측 권선들을 포함하되,
    상기 2차측 권선들이 상호 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다출력 변압기.
  15. 제14항에 있어서,
    동일 노드에서 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선들이 모두 연결되는 것을 특징으로 하는 다출력 변압기.
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