KR101943881B1 - Ｍｍｃ 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MMC(Modular Multilevel Converter) 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MMC 컨버터의 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암의 사이에 구비되어 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통적으로 사용 가능한 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 각각 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 및 하위 컨버터 암과 상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 연결된 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터에 있어서, 상기 예비 서브모듈은, 상기 서브모듈 내부에 DC전압을 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 병렬로 연결된 제1반도체 스위치; 상기 제1반도체 스위치에 직렬로 연결된 제2반도체 스위치; 상기 제2반도체 스위치에 직렬로 연결된 제3반도체 스위치; 및 상기 제1 내지 제3반도체 스위치의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부; 를 포함하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치의 중간점(N1)은 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈과 연결되고,상기 제2반도체 스위치와 상기 제3반도체 스위치의 중간점(N2)은 상기 MMC 컨버터의 부하접속단자와 연결되고, 상기 제3반도체 스위치와 상기 에너지저장부의 중간점(N3)은 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈과 연결된다.

Description

ＭＭＣ 컨버터 {MMC CONVERTER}
본 발명은 MMC(Modular Multilevel Converter) 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MMC 컨버터의 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암의 사이에 구비되어 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통적으로 사용 가능한 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 초고압 직류송전(HVDC:High Voltage Direct Current) 시스템에서는 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜 송전하고 수전단에서 교류로 재변환하여 부하에 전력을 공급하도록 한다. 이러한 HVDC 시스템은 전압승압을 통하여 효율적이고 경제적인 전력전송이 가능하고 이종계통 연계, 장거리 고효율 송전 등의 장점을 갖는다.
또한, 정지형 동기 보상기(STATCOM:Static Synchronous Compensator)은 FACTS(Flexible AC Transmission System) 기기 중 하나의 부류로 전력계통에 연결되어 전력전송 용량을 증대시키고 기존 설비의 이용률을 극대화하기 위해 사용되는 전력전자 기반의 보상기기를 말한다. 이러한 STATCOM 시스템은 전압형 전력반도체를 사용하여 계통을 병렬로 보상함으로써 전압을 일정하게 유지시켜 계통을 안정화시키는 장점을 갖는다.
HVDC 또는 STATCOM 시스템에는 MMC 컨버터가 연계될 수 있다.
종래의 MMC 컨버터는 도 1에 도시된 바와 같이 1개 이상의 상모듈(Phase)(1)로 구성되고 각 상모듈(1)은 2개의 출력단자(X1, X2)를 갖는 N개의 서브모듈(10)이 직렬연결된다. 부하접속단자(L1, L2, L3)는 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 접속될 수 있다.
각 상모듈(1)은 부하접속단자(L1, L2, L3)를 기준으로 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)으로 구분된다.
각 서브모듈(10)은 하프 브릿지 형태로 구성된 전력용반도체 두 개와 전력용반도체에 병렬로 연결된 에너지저장부로 구성된다.
이러한 종래의 MMC 컨버터는 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)에 서브모듈(10)과 동일한 형태의 예비 서브모듈(20)을 구비하여 동작 중인 서브모듈(10)에 고장이 발생하면 대체 서브모듈로써 투입되었다.
이러한 기존의 예비 서브모듈(20)의 구조는 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)에 공통적으로 적용될 수 없으므로 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b) 마다 각각 별도의 예비 서브모듈(20)을 구비해야 하는 번거로움이 있었다.
한국공개특허 제10-2012-0113145호 한국공개특허 제10-2016-0080016호
이에 본 발명은 MMC 컨버터의 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통적으로 사용 가능한 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 각각 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 및 하위 컨버터 암과 상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 연결된 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터에 있어서, 상기 예비 서브모듈은, 상기 서브모듈 내부에 DC전압을 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 병렬로 연결된 제1반도체 스위치; 상기 제1반도체 스위치에 직렬로 연결된 제2반도체 스위치; 상기 제2반도체 스위치에 직렬로 연결된 제3반도체 스위치; 및 상기 제1 내지 제3반도체 스위치의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부; 를 포함하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치의 중간점(N1)은 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈과 연결되고,상기 제2반도체 스위치와 상기 제3반도체 스위치의 중간점(N2)은 상기 MMC 컨버터의 부하접속단자와 연결되고, 상기 제3반도체 스위치와 상기 에너지저장부의 중간점(N3)은 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈과 연결된다.
본 발명에서 상기 상위 컨버터 암에 포함된 다수의 서브모듈 중 하나의 서브모듈에 고장이 발생하면, 상기 스위칭 제어부는 상기 제3반도체 스위치를 온(ON)으로 유지하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치의 스위칭을 제어하여 상기 예비 서브모듈을 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈로 사용한다.
본 발명에서 상기 하위 컨버터 암에 포함된 다수의 서브모듈 중 하나의 서브모듈에 고장이 발생하면, 상기 스위칭 제어부는 상기 제2반도체 스위치를 온(ON)으로 유지하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제3반도체 스위치의 스위칭을 제어하여 상기 예비 서브모듈을 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈로 사용한다.
본 발명에서 상기 중간점(N1)은 상기 상위 컨버터 암의 최하단 서브모듈의 두 출력단자 중 하나와 연결된다.
본 발명에서 상기 중간점(N3)은 상기 하위 컨버터 암의 최상단 서브모듈의 두 출력단자 중 하나와 연결된다.
본 발명에 따르면 상 모듈에 상위 및 하위 컨버터 암 용의 예비 서브모듈을 최소 2개 적용하던 것을 공통으로 사용할 수 있는 예비 서브모듈 1개로 적용할 수 있어 회로의 구조를 단순화시키고, 비용을 절감할 수 있으며, MMC 컨버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 MMC 컨버터의 등가회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MMC 컨버터와 예비 서브모듈의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 서브모듈의 상위 컨버터 암 적용시의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 서브모듈의 하위 컨버터 암 적용시의 회로도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MMC 컨버터와 예비 서브모듈의 회로도이다.
먼저, 도 2의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 MMC 컨버터의 상모듈(1)을 나타내었다. 도 2의 (a)를 참조하면 MMC 컨버터의 상모듈(1)은 상위 컨버터 암(1a)와 하위 컨버터 암(1b)로 구성되어 있으며, 각 컨버터 암은 서로 직렬연결된 N개의 서브모듈(10)로 구성되어 있으며, 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)의 사이에 예비 서브모듈(100)이 구비되어 있다.
예비 서브모듈(100)은 세 개의 단자(A, B, C)를 구비하고 있으며, 첫번째 단자(A)는 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈(10)인 N번째 서브모듈(10)과 직렬로 연결되고, 두번째 단자(B)는 MMC 컨버터의 부하접속단자인 L1(또는 L2, L3)과 연결된다. 세번째 단자(C)는 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈(10)인 첫번째 서브모듈(10)과 직렬로 연결된다. 이하에서는 설명의 편의상 L1 단자와의 연결에 대해 설명한다.
즉, 예비 서브모듈(100)은 상위 컨버터 암(1a)와 하위 컨버터 암(1b)의 사이에 연결되어 부하접속단자인 L1과 연결된다.
이러한 예비 서브모듈(100)은 스위칭 제어부(미도시)에 의해 내부에 구성된 반도체 스위치가 제어된다.
예비 서브모듈(100)의 더 상세한 회로를 도 2의 (b)에 나타내었다.
도 2의 (b)를 참조하면, 예비 서브모듈(100)은 에너지저장부(110)와 3개의 반도체 스위치(120, 130, 140)을 포함하여 구성되었다.
제1반도체 스위치(120), 제2반도체 스위치(130) 및 제3반도체 스위치(140)는 상호간에 직렬로 연결되어 에너지저장부(110)에 직렬 연결된다.
에너지저장부(110)는 예비 서브모듈(100) 내에 저장된 DC전압을 저장하는 구성이며, 3개의 반도체 스위치(120, 130, 140)는 전류의 흐름을 스위칭하는 소자로서 예컨대, IGBT, FET, 트랜지스터 등을 적용할 수 있다.
이러한 3개의 반도체 스위치(120, 130, 140)는 MMC 컨버터의 스위칭 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 턴온/턴오프가 제어된다.
또한, 제1반도체 스위치(120)와 제2반도체 스위치(130)의 중간점(N1)은 예비 서브모듈(100)의 첫번째 단자(A)와 연결되어 MMC 컨버터 상에서 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈(10)과 직렬로 연결된다.
제2반도체 스위치(130)와 제3반도체 스위치(140)의 중간점(N2)는 예비 서브모듈(100)의 두번째 단자(B)와 연결되어 MMC 컨버터의 부하접속단자 L1과 연결된다.
마지막으로 제3반도체 스위치(140)와 에너지저장부(110)의 중간점(N3)는 예비 서브모듈(100)의 세번째 단자(C)와 연결되어 MMC 컨버터 상에서 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈(10)과 직렬로 연결된다.
이러한 구조를 갖는 예비 서브모듈(100)은 상위 컨버터 암(1a) 또는 하위 컨버터 암(1b)에 구비된 하프 브릿지(Half bridge) 형태의 서브모듈(10)에 고장이 발생한 경우 대체하여 사용된다.
그러나 예비 서브모듈(100)의 구조는 하프 브릿지 형태가 아니므로 3개의 반도체 스위치(120, 130, 140)를 적절히 제어하여 하프 브릿지 형태의 서브모듈(10) 구조가 되도록 하며, 상위 컨버터 암(1a) 또는 하위 컨버터 암(1b)의 서브모듈(10)을 대체할 수 있도록 한다.
이러한 예비 서브모듈(100)의 상위 또는 하위 컨버터 암(1a, 1b) 적용 시의 동작에 대해 도 3과 도 4를 통해 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 서브모듈의 상위 컨버터 암 적용시의 회로도이다.
도 3은 MMC 컨버터의 상위 컨버터 암(1a)에 포함된 다수의 서브모듈(10) 중 하나의 서브모듈(10)에 고장이 발생한 경우 예비 서브모듈(100)의 제어동작 및 등가 회로를 나타낸다.
도 3의 (a)를 참조하면, 상위 컨버터 암(1a)의 서브모듈(10)에 고장이 발생하면, 스위칭 제어부는 예비 서브모듈(100)의 제3반도체 스위치(140)를 온(ON)으로 유지하여 중간점 N2와 N3 사이를 단락(Short) 상태가 되도록 한다.
이러한 상태의 등가회로를 도 3의 (b)에 나타내었다.
도 3의 (b)를 참조하면, 제3반도체 스위치(140)의 온(ON)에 의해 중간점 N2와 N3사이는 단락(Short) 상태가 되어 같은 지점으로 표시되며, 예비 서브모듈(100)은 제1반도체 스위치(120)와 제2반도체 스위치(130) 및 에너지저장부(110)를 구비한 하프 브릿지 형태의 회로로 구성된다.
또한, 중간점 N1은 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈(10)과 직렬로 연결되는 단자 A와 연결되고, 중간점 N2와 N3는 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈(10)과 연결되는 단자 B 및 MMC 컨버터의 부하접속단자와 연결되는 단자 C와 연결되기 때문에 예비 서브모듈(100)은 실질적으로 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈로써 동작할 수 있게 된다.
즉, 스위칭 제어부는 제3반도체 스위치(140)를 온(ON)으로 유지하면서 제1반도체 스위치(120)와 제2반도체 스위치(130)의 턴온/턴오프를 제어하여 예비 서브모듈(100)을 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈로서 동작시키는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 서브모듈의 하위 컨버터 암 적용시의 회로도이다.
도 4는 MMC 컨버터의 하위 컨버터 암(1b)에 포함된 다수의 서브모듈(10) 중 하나의 서브모듈(10)에 고장이 발생한 경우 예비 서브모듈(100)의 제어동작 및 등가 회로를 나타낸다.
도 4의 (a)를 참조하면, 하위 컨버터 암(1b)의 서브모듈(10)에 고장이 발생하면, 스위칭 제어부는 예비 서브모듈(100)의 제2반도체 스위치(130)를 온(ON)으로 유지하여 중간점 N1과 N2 사이를 단락(Short) 상태가 되도록 한다.
이러한 상태의 등가회로를 도 4의 (b)에 나타내었다.
도 4의 (b)를 참조하면, 제3반도체 스위치(140)의 온(ON)에 의해 중간점 N1와 N2사이는 단락(Short) 상태가 되어 같은 지점으로 표시되며, 예비 서브모듈(100)은 제1반도체 스위치(120)와 제3반도체 스위치(140) 및 에너지저장부(110)를 구비한 하프 브릿지 형태의 회로로 구성된다.
또한, 중간점 N1, N2는 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈(10)과 직렬로 연결되는 단자 A 및 MMC 컨버터의 부하접속단자와 연결되는 단자 C와 연결되고, 중간점 N3는 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈(10)과 연결되는 단자 C와 연결되기 때문에 예비 서브모듈(100)은 실질적으로 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈로써 동작할 수 있게 된다.
즉, 스위칭 제어부는 제2반도체 스위치(140)를 온(ON)으로 유지하면서 제1반도체 스위치(120)와 제3반도체 스위치(140)의 턴온/턴오프를 제어하여 예비 서브모듈(100)을 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈로서 동작시키는 것이다.
이와 같이, 스위칭 제어부가 예비 서브모듈(100)의 일부 반도체 스위치를 온(ON)으로 유지시키는 동작만으로 하나의 예비 서브모듈(100)을 이용하여 상위 또는 하위 컨버터 암(1a, 1b)에 모두 적용할 수 있는 대체 서브모듈 구성을 만들어 낼 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 MMC 컨버터의 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암의 사이에 공통적으로 적용될 수 있는 예비 서브모듈을 구비하고, 예비 서브모듈에 구비된 3개의 반도체 스위치 중 어느 하나의 스위치를 온(ON) 상태로 유지시키고 나머지 2개의 반도체 스위치를 제어하여 상위 또는 하위 컨버터 암을 구성하는 서브모듈에 고장이 발생하였을 때 이를 대체하여 적용 가능하도록 한다.
이상에서 설명한 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. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 상모듈 1a : 상위 컨버터 암
1b : 하위 컨버터 암 10 : 서브모듈
100, 20 : 예비 서브모듈 110 : 에너지저장부
120 : 제1반도체 스위치 130 : 제2반도체 스위치
140 : 제3반도체 스위치

Claims (5)

  1. 각각 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 및 하위 컨버터 암과 상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 연결된 예비 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터에 있어서,
    상기 예비 서브모듈은,
    상기 서브모듈 내부에 DC전압을 저장하는 에너지저장부;
    상기 에너지저장부에 직렬로 연결된 제1반도체 스위치;
    상기 제1반도체 스위치에 직렬로 연결된 제2반도체 스위치;
    상기 제2반도체 스위치에 직렬로 연결된 제3반도체 스위치; 및
    상기 제1 내지 제3반도체 스위치의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부; 를 포함하고,
    상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치의 중간점(N1)은 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈과 연결되고,
    상기 제2반도체 스위치와 상기 제3반도체 스위치의 중간점(N2)은 상기 MMC 컨버터의 부하접속단자와 연결되고,
    상기 제3반도체 스위치와 상기 에너지저장부의 중간점(N3)은 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈과 연결되는 MMC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상위 컨버터 암에 포함된 다수의 서브모듈 중 하나의 서브모듈에 고장이 발생하면, 상기 스위칭 제어부는 상기 제3반도체 스위치를 온(ON)으로 유지하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치의 스위칭을 제어하여 상기 예비 서브모듈을 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈로 사용하는 MMC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 컨버터 암에 포함된 다수의 서브모듈 중 하나의 서브모듈에 고장이 발생하면, 상기 스위칭 제어부는 상기 제2반도체 스위치를 온(ON)으로 유지하고, 상기 제1반도체 스위치와 상기 제3반도체 스위치의 스위칭을 제어하여 상기 예비 서브모듈을 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈로 사용하는 MMC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간점(N1)은 상기 상위 컨버터 암의 최하단 서브모듈의 두 출력단자 중 하나와 연결되는 MMC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간점(N3)은 상기 하위 컨버터 암의 최상단 서브모듈의 두 출력단자 중 하나와 연결되는 MMC 컨버터.
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