KR20010038845A - 직류 송전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류 송전 시스템에 관한 것으로, 전력을 소정의 거리로 송전할 때에 교류대신에 고압의 직류상태로 송전하기 위하여 소호능력을 가진 복수의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 복수의 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyrister)와 같은 반도체 소자(18)가 직병렬로 구성된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터(10) 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)와, 강압을 위한 인버터용 변압기(14) 및 증압을 위한 컨버터용 변압기(16)와, 상기 반도체 소자(18)로 표시된 이 소자는 자체적으로 온-오프(On-Off) 능력을 가지고 있으며, 이 반도체 소자(18)는 자체적으로 다이오드를 가지고 있기 때문에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터(10)를 스위칭하지 않더라도 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)의 입력전압을 정류한 전압을 인가시키는 콘덴서(20)가 포함된 것인 바, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 또는 게이트 턴오프 사이리스터와 같이 자기 소호능력이 있는 반도체 소자 등을 이용하여 무효전력 보상장치없이 전류(轉流)의 실패현상 및 고조파의 문제를 해결한 것이다.

Description

직류 송전 시스템{High Voltage Direct Current System}
본 발명은 직류 송전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력을 소정의 거리로 송전할 때에 교류대신에 고압의 직류상태로 송전하기 위하여 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 또는 게이트 턴오프 사이리스터와 같이 자기 소호능력이 있는 반도체 소자 등을 이용하여 무효전력 보상장치없이 전류(轉流)의 실패현상 및 고조파의 문제를 해결한 직류 송전 시스템에 관한 것이다.
발전기에서 출력되는 교류전압과 교류전류는 저전압 대전류이다. 이러한 형태의 전압과 전류는 전력 전송시에 대전류에 의한 도체 손실 때문에 고압이나 초고압 변압기를 이용하여 높은 전압을 유지하면서 저전류 형태로 장거리까지 전력을 송전하고 있다.
그러나, 이러한 교류전력의 전송은 송전선과 대지 사이의 용량성 부하와 송전선에 존재하는 인덕턴스 때문에 장거리로 송전하는 데는 제한을 받는다. 따라서, 이와 같은 송전의 제한을 해소하기 위하여 직류 송전 시스템의 개발이 이루어졌고, 이러한 직류 송전은 교류송전에 비하여 절연내역이 감소하며, 송전선과 대지 사이에서 용량성 부하가 발생하지 않는다는 장점은 있으나, 교류를 직류로 변환시키는 전력 변환장치가 고가일 뿐만 아니라, 현재까지 개발된 초대용량 반도체 소자가 사이리스터이기 때문에 위상제어에 따른 무효전력이 발생하는 단점이 있었다.
종래의 사이리스터를 이용한 직류 송전 시스템의 구성도를 참조하면, 교류전력을 직류전력으로 변환시키는 컨버터부(1)와, 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부(2)와, 소정 크기의 교류전력을 승압시키는 컨버터용 변압기(3)와, 소정 크기의 교류전력을 강압시키는 인버터용 변압기(4)와, 고조파와 무효전력을 동시에 보상하기 위한 복수의 필터(5a-5d)와, 상기 컨버터부(1)와 인버터부(2)를 제어하는 콘트롤러(6)가 포함되어 있다.
또한, 복수의 사이리스터(SCR)가 포함된 컨버터부(1)와 인버터부(2)는 교류전압의 위상을 제어하기 때문에 제어된 위상으로부터 전류를 흐르게 하므로, 교류전압과 교류전류 사이에 역률와 고조파 문제가 발생하게 된다.
따라서, 복수의 사이리스터(SCR)가 구성된 컨버터부(1)의 전압을 높이기 위하여 컨버터용 변압기(3)를 이용하여 고압의 직류로 만들어 준다. 그리고 고압의 직류를 인버터부(2)를 이용하여 다시 교류로 만들고 계통에 적당한 교류전압으로 낮추기 위해서 강압용 변압기, 즉 인버터용 변압기(4)를 거쳐 계통에 연계될 수 있도록 한 것이다. 이러한 사이리스터를 이용한 전력 변환장치는 위상제어를 수행하므로 고조파 문제와 무효전력 문제를 유발하기 때문에 고조파와 무효전력을 보상하기 위한 복수의 필터(5a-5d)를 가지고 있는 것이다.
이와 같이 종래의 사이리스터를 이용한 직류 송전 시스템의 단점은, 첫 번째, 사이리스터 직류 송전 시스템은 부하가 증가함에 따라 부하의 60% 정도의 무효전력을 발생시키고 있기 때문에 직류 송전 시스템의 송전단과 수전단에서 어떤 조건에서 전압이 붕괴되는 전압 안정도 문제를 유발할 수 있기 때문에 무효전력을 보상하기 위한 동기 조상기나 무효전력 보상장치(Static Var Compensator; SVC)를 직류 송전 시스템의 송전단과 수전단에 설치해야 한다는 점이다.
두 번째는 사이리스터 컨버터와 인버터는 위상 제어시스템이기 때문에 교류측에는 전류 고조파 제거용 필터가 설치되어야 하고, 직류측에는 전압 고조파 제어용 필터가 설치되어야 한다.
세 번째는 직류 송전 시스템은 사이리스터 위상지점에 따라 무효전력의 발생이 달라지기 때문에 위상 제어기의 제어범위가 좁다.
네 번째는 직류 송전 시스템의 사이리스터는 자기 소호능력이 없기 때문에 송전단의 전압이 항상 존재해야 한다는 점과 수신단 전압이 어느 전압 이상으로 작아지면 전류(轉流) 실패를 유발한다는 점이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출한 것으로, 무효전력 보상장치가 필요없는 직류 송전 시스템을 제공하기 위한 것으로, 이 직류 송전 시스템은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transisor; IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyrister; GTO)와 같이 자기 소호능력이 있는 소자를 이용하여 직류 송전 시스템의 컨버터와 인버터를 구성하였고, 본 발명은 기본적으로 PWM 제어방식을 채택하여 단위 역률제어가 가능하며, 무효전력과 유효전력을 미의로 제어할 수 있기 때문에 계통상황에 따라 무효전력 보상장치로써 이용할 수도 있고, 사이리스터와 같이 전류(轉流) 실패현상이 없으며, 고조파 문제를 해결하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 속용성이 대단히 빠른 이상적인 발전기 시스템과 유사하여 발전기 시스템의 여자 시스템과 유사한 특성을 가지고 있는, 즉 계통의 전압이나 무효전력을 제어하는 무효전력 제어기와 발전기의 터빈 시스템 제어와 유사한 특성을 가지고 있는, 다시말해서, 계통의 주파수나 유효전력을 제어하는 유효전력 제어기를 가지고, 이러한 유효전력 제어기와 무효전력 제어기는 독립적으로 제어가 되며, 최종적으로 3상 전력으로 변환되어 계통에 주입하기 위한 것이다.
도 1은 종래에 사이리스터를 이용한 직류 송전 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 직류 송전 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 소호능력을 갖는 직류 송전 시스템의 제어 블록도,
도 4는 본 발명의 소호능력을 갖는 직류 송전 시스템의 컨버터 제어 블록도,
도 5는 도 3의 유효 전력 제어기의 상세한 모듈을 나타낸 도면,
도 6은 도 3의 무효 전력 제어기의 상세한 모듈을 나타낸 도면,
도 7은 상변환기의 구성도.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터
12: 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 인버터
14: 인버터용 변압기 16: 컨버터용 변압기
18: 반도체소자 20: 콘덴서
22: 콘트롤러 30, 65: 자동 주파수 제어기
35, 60: 자동 유효전력 제어기 36, 69: 자동 무효전력 제어기
37, 67: 교류-자동 전압 제어기 38: 직류-자동 전압 제어기
51, 57, 58: 3/2상 변환기 52, 53, 61, 63, 66, 68, 70: PI제어기
62: 컨버터 직류전압 제어기 72: 정지/회전 좌표계
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 소호능력을 가진 복수의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 복수의 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyrister)와 같은 반도체 소자가 직병렬로 구성된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터와, 강압을 위한 인버터용 변압기 및 증압을 위한 컨버터용 변압기와, 상기 반도체 소자로 표시된 이 소자는 자체적으로 온-오프(On-Off) 능력을 가지고 있으며, 이 반도체 소자는 자체적으로 다이오드를 가지고 있기 때문에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터를 스위칭하지 않더라도 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터의 입력전압을 정류한 전압을 인가시키는 콘덴서가 포함되어 이루어진 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 유효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 주파수를 추종하게 하는 자동 주파수 제어기(Automatic Frequency Controller)와, 계통의 유효전력을 제어하는 자동 유효전력 제어기(Automatic Power Regulator)와, 직류 출력단의 전압을 제어하는 직류-자동 전압 제어기(Direct Current Automatic Voltage Regulator)와, 무효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 무효전력을 제어하는 자동 무효전력 제어기(Automatic Reactive Regulator)와, 계통의 전압을 제어하는 교류-자동 전압 제어기(Alternative Current Automatic Voltage Regulator)와, 직류-자동 전압 제어모드를 선택할 것인지 아니면 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드를 선택할 것인지를 논리 선택하는 모드 선택기가 구성된 것이 특징이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 직류 송전 시스템의 구성도이다.
본 발명은 소호능력을 가진, 예를 들면, 복수의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 복수의 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyrister)와 같은 반도체 소자를 이용하였고, 이러한 반도체 소자를 직병렬로 이루어진 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터(10)와, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)가 구성되고, 그리고 강압을 위한 인버터용 변압기(14) 및 증압을 위한 컨버터용 변압기(16)를 가지고 있다.
반도체 소자(18)로 표시된 이 소자는 자체적으로 온-오프(On-Off) 능력을 가지고 있으며, 이 반도체 소자(18)는 자체적으로 다이오드를 가지고 있기 때문에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 스위칭하지 않더라도 직류 송전 시스템의 출력단에 부착되어 있는 콘덴서(20)의 양단에는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)의 입력전압을 정류한 전압이 인가된다. 이때, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 스위칭하면 컨버터용 변압기(16)에 있는 인덕턴스를 3상 교번적으로 순간 단락시키면 인덕턴스에 걸리는 전압을 콘덴서(20)에 보내줌으로써 다이오드에 의해서 정류된 전압보다 높은 전압으로 직류전압을 승압할 수 있다. 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 스위칭시키는 조건은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)의 직류출력 전압이 유효전류에 비례하기 때문에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)의 앞단에 3상의 선전류를 벡터적으로 3상 분할하여 유효전류와 무효전류로 나누어 유효전류가 직류 출력전압의 함수가 되도록 제어하고, 무효전류는 역률 1을 유지하던가 아니면 계통의 교류전압을 추종하도록 제어한다.
도 3은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 이용한 소호능력을 갖는 직류 송전 시스템의 제어 블록도로, 유효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 주파수를 추종하게 하는 자동 주파수 제어기(Automatic Frequency Controller)(30)와, 계통의 유효전력을 제어하는 자동 유효전력 제어기(Automatic Power Regulator)(35), 그리고 직류 출력단의 전압을 제어하는 직류-자동 전압 제어기(Direct Current Automatic Voltage Regulator)(38)로 구성되어 있다. 한편, 무효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 무효전력을 제어하는 자동 무효전력 제어기(Automatic Reactive Regulator)(36), 그리고 계통의 전압을 제어하는 교류-자동 전압 제어기(Alternative Current Automatic Voltage Regulator)(37)가 있다. 유효전력에 관계하는 제어기는 D축 전류 지령치로 환산되고, 무효전력에 관계하는 제어기의 출력은 Q축 전류 지령치로 환산된다. 지령된 D축 지령치와 Q축 지령치를 2/3상 변환식을 이용해서 3상 지령값으로 변환하고, 3상 지령값을 펄스폭 변조 인버터/컨버터로 보낸다.
도 3에서는 전력을 보내는 컨버터나 전력을 받는 인버터에서 동시에 적용되는 사항이나 컨버터가 직류-자동 전압 제어모드를 선택하면 인버터는 자동 주파수 제어모드나 자동 유효전력 제어모드를 선택한다. 그리고 교류-자동 전압 제어모드를 선택할 것인지 아니면 자동 무효전력 제어모드를 선택할 것인지 하는 문제는 큰 문제없이 임의로 선택하면 된다.
또한, 도 3의 논리 선택인 모드 선택기(39)는 직류-자동 전압 제어모드를 선택할 것인지 아니면 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드를 선택할 것인지를 선택하는 선택기로써 컨버터가 직류-자동 전압 제어모드이고, 인버터가 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드인 경우에 고장이나 기타 다른 외적인 요인에 따라 제어모드를 바꾸고 싶을 때에 컨버터는 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드, 그리고 인버터는 직류-자동 전압 제어모드로 모드변경을 할 수 있다. 모드 선택기(39)의 내부 로직은 직류-자동 전압 제어모드의 출력값과 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드의 출력값 중에서 최소값/최대값을 선택하게 된다. 최대값과 최소값은 환경과 설계기준에 의존한다.
도 4는 소호능력을 갖는 직류 송전 시스템의 컨버터 제어 블록도로, 도 3의 2축/3상 변환기(41)로부터 유효전류 Iqref와 무효전류 Idref의 지령치가 인가되면, 실제 계통의 선전류(Ia, Ib, Ic)(50)로부터 3/2상 변환기(51)를 거친 실제의 유효전류 Iq와 무효전류 Id를 피드백하여 지령값과 오차값을 PI제어기(52)를 거쳐 실제의 상전압(Va, Vb, Vc)(54)을 3/2상 변환한 값과 더해지고, 이 값을 3/2상 변환기(58)를 거쳐 펄스폭 변조기(59)의 지령값(A, B, C)을 만든다.
도 5는 도 3의 유효 전력 제어기의 상세한 모듈을 나타낸 것으로, 유효전력 제어기의 입력은 유효전력 지령치로 표현되는 Pref 지령치와 주파수 지령치로 표현되는 f-ref 지령치 2개가 있다. 보통 3상 계통 시스템에서는 주파수나 위상은 유효전력과 관계가 있기 때문에 주파수의 변동은 유효전력의 변동으로 생각할 수 있다.
따라서, 유효전력 제어기에는 PI제어기(61)를 가지고 있는 유효전력 제어기(60)와, PI제어기(66)를 가지고 있는 주파수 제어기(65)가 있으며, PI제어기를 가지고 있는 컨버터의 직류전압은 유효전력으로 볼 수 있기 때문에 PI제어기(63)를 가진 컨버터 직류전압 제어기(62), 그리고 컨버터 직류전압 제어기의 출력과 유효전력 제어기와 주파수 제어기에서 나오는 출력되는 값을 계통조건에 따라 선택하는 최소 선택기(64)가 있다.
도 6은 도 3의 무효 전력 제어기의 상세한 모듈을 나타낸 것으로, 무효전력 제어기의 입력은 무효전력 지령치로 표현되는 Qref 지령치와, 계통의 주파수 지령치로 표현되는 Vac ref 지령치 2개가 있다. 보통 3상 계통 시스템에서는 계통의 3상 교류전압은 무효전력과 관계가 있기 때문에 계통의 3상 교류전압의 변동은 무효전력의 변동으로 생각할 수 있다. 따라서, 무효전력 제어기는 PI제어기(70)를 가지고 있는 무효전력 제어기(69)와 3상 교류 계통 전압을 제어하는 PI제어기(68)를 갖는 교류전압 제어기(67)가 있다.
도 7은 상변환기의 구성도로, 3상을 2상으로 바꾸는 로직을 나타낸 것으로, 3상을 90도 위상차가 있는 정지형 2상으로 변환하고, 다시 각속도에 따른 회전형 2상으로 변환한다. 즉 입력된 3상은 3/2상 변환기(72)를 거쳐 정지/회전 좌표계(74)를 통해 2상으로 변환되어 출력된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 무효전력 보상장치가 필요없이 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터나 게이트 턴오프 사이리스터와 같이 자기 소호능력이 있는 반도체 소자를 이용하여 직류 송전 시스템의 컨버터와 인버터를 구성하였고, PWM 제어방식을 채택하여 단위 역률제어가 가능하며, 무효전력과 유효전력을 미의로 제어할 수 있기 때문에 계통상황에 따라 무효전력 보상장치로써 이용할 수도 있고, 사이리스터와 같이 전류(轉流) 실패현상이 없으며, 고조파 문제를 해결한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 소호능력을 가진 복수의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 복수의 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyrister)와 같은 반도체 소자(18)가 직병렬로 구성된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터(10) 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)와,
    강압을 위한 인버터용 변압기(14) 및 증압을 위한 컨버터용 변압기(16)와,
    상기 반도체 소자(18)로 표시된 이 소자는 자체적으로 온-오프(On-Off) 능력을 가지고 있으며, 이 반도체 소자(18)는 자체적으로 다이오드를 가지고 있기 때문에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 인버터(10)를 스위칭하지 않더라도 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 컨버터(12)의 입력전압을 정류한 전압을 인가시키는 콘덴서(20)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 송전 시스템.
  2. 유효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 주파수를 추종하게 하는 자동 주파수 제어기(30)와,
    계통의 유효전력을 제어하는 자동 유효전력 제어기(35)와,
    직류 출력단의 전압을 제어하는 직류-자동 전압 제어기(38)와,
    무효전력에 관계되는 상위 제어기를 보면 계통의 무효전력을 제어하는 자동 무효전력 제어기(36)와,
    계통의 전압을 제어하는 교류-자동 전압 제어기(37)와,
    직류-자동 전압 제어모드를 선택할 것인지 아니면 자동 주파수 제어모드/자동 유효전력 제어모드를 선택할 것인지를 논리 선택하는 모드 선택기(39)가 포함된 것을 특징으로 하는 직류 송전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 자동 유효전력 제어기(35)는 PI제어기(61)를 가지고 있는 유효전력 제어기(60)와, PI제어기(66)를 가지고 있는 주파수 제어기(65)와, PI제어기(63)를 가진 컨버터 직류전압 제어기(62)와, 컨버터 직류전압 제어기의 출력과 유효전력 제어기와 주파수 제어기에서 나오는 출력되는 값을 계통조건에 따라 선택하는 최소 선택기(64)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 직류 송전 시스템.
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