KR20110006721A

KR20110006721A - 전압원 컨버터

Info

Publication number: KR20110006721A
Application number: KR1020107027713A
Authority: KR
Inventors: 군나르 아스플룬드
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2011-01-20
Also published as: CN102084586B; US20110096580A1; CA2727112A1; KR101183507B1; EP2289163A1; US8422257B2; WO2009149743A1; CA2727112C; EP2289163B1; CN102084586A

Abstract

M2LC-타입의 전압원 컨버터는 스위칭 셀들 (7) 의 직렬 접속을 가지며, 각 스위칭 셀은, 한편으로는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 병렬로 접속된 환류 다이오드를 각각 갖는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들, 및 다른 한편으로는, 적어도 하나의 저장 커패시터 (20) 를 갖는다. 스위칭 셀들의 직렬 접속은 고전압 전위의 직류 전압 극 (5) 에 접속된 하나의 제 1 단부 (61) 및 컨버터의 위상 출력 (10) 에 접속된 대향 단부 (62) 를 갖는다. 장치 (70) 가 위상 출력 (10) 을 컨버터의 직류 전압측의 중성 전압 전위의 다른 극 (6) 에 접속하고 그 중성 전위에 대하여 포지티브와 네거티브 양자인 전압 펄스들을 위상 출력에 전달하도록 구성된다.

Description

전압원 컨버터{A VOLTAGE SOURCE CONVERTER}

본 발명은 전압원 컨버터에 관한 것으로서, 전압원 컨버터는 그 컨버터의 직류 전압측의 대향 극들 (opposite poles) 에 접속되고 스위칭 셀들의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 가지며, 각 스위칭 셀은, 한편으로는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 병렬로 접속된 환류 다이오드 (free-wheeling diode) 를 각각 갖는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들, 및 다른 한편으로는, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 가지며, 컨버터의 위상 출력이 스위칭 셀들의 직렬 접속을 따라 형성되는 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성되며, 각 스위칭 셀은, 위상 출력 상의 결정된 교류 전압을 획득하기 위해, 각 스위칭 셀의 반도체 디바이스들의 제어에 의해 2 개의 스위칭 상태들, 즉, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압이 각각 스위칭 셀의 단자들 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된다.

임의의 수의 위상 레그들을 가진 이러한 컨버터들은 본 발명의 범위 내에 있지만, 그 컨버터들은 통상적으로 그 컨버터의 교류 전압측의 3 상 교류 전압을 갖기 위해 3 개의 이러한 위상 레그들을 갖는다.

이런 타입의 전압원 컨버터는, 직류 전압이 교류 전압으로 변환되고 교류 전압이 직류 전압으로 변환되는 모든 종류의 상황에서 이용될 수도 있으며, 이러한 이용의 예는, 직류 전압이 통상적으로 3 상 교류 전압으로 변환되거나 또는 3 상 교류 전압이 직류 전압으로 변환되는 고전압 직류 (High Voltage Direct Current; HVDC)-플랜트 (plant) 의 스테이션 (station), 또는 교류 전압이 먼저 직류 전압으로 변환된 후 교류 전압으로 변환되는 백 투 백 (back-to-back) 스테이션은 물론, 직류 전압측이 프리 행잉 커패시터들로 이루어지는 SVC (Static Var Compensator) 에 있다. 그러나, 본 발명은 이들 애플리케이션들에 제한되지 않고, 머신들, 비히클들 등을 위한 상이한 타입의 구동 시스템들에서와 같은 다른 애플리케이션들을 또한 생각할 수 있다.

이런 타입의 전압원 컨버터는 예를 들어, DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 을 통하여 공지되어 있으며 DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 에 개시한 바와 같이 통상적으로 멀티 셀 컨버터 또는 M2LC 로 불린다. 이런 타입의 컨버터의 기능에 대해서는 이들 공개물들을 참조하게 된다. 컨버터의 스위칭 셀들은 상기 공개물들에 도시된 것과는 다른 외형 (appearance) 을 가질 수도 있으며, 예를 들어, 각 스위칭 셀은, 도입부에 언급된 2 개의 상태들 사이에서 스위칭되도록 스위칭 셀을 제어하는 것이 가능한 한은, 에너지 저장 커패시터를 2 개 이상 갖는 것이 가능하다.

이런 타입의 다른 전압원 컨버터는 SVC (Static Var Compensator) 에서 이용되는 US 5 642 275 를 통하여 공지되어 있으며, 여기서, 스위칭 셀들은 소위 H-브릿지들과 같이, 소위 풀 브릿지들의 형태의 상이한 외형을 갖는다.

본 발명은 고출력을 송신하도록 구성된 그러한 전압원 컨버터들과 주로 관련되지만 배타적으로 그 전압원 컨버터들에만 관련되는 것은 아니며, 이런 이유 때문에, 고출력을 송신하는 경우가 어떤 방식으로 본 발명을 그 경우에 제한하는 것이 아니라 예시하기 위해 주로 이하에 논의될 것이다. 이러한 전압원 컨버터가 고출력을 송신하기 위해 이용되는 경우, 이것은 또한 고전압이 핸들링되는 것을 의미하며, 컨버터의 직류 전압측의 전압은 스위칭 셀들의 에너지 저장 커패시터들 양단의 전압들에 의해 결정된다. 이것은 많은 수의 반도체 디바이스들을 위해 비교적 많은 수의 스위칭 셀들이 직렬로 접속되는, 즉, 반도체 어셈블리들이 각 스위칭 셀에서 직렬로 접속되는 것을 의미하며, 이런 타입의 전압원 컨버터는 위상 레그에서의 스위칭 셀들의 수가 비교적 많을 때 특히 해당한다. 직렬로 접속된 많은 수의 이러한 스위칭 셀들은, 이들 스위칭 셀들을 제어하여 제 1 스위칭 상태와 제 2 스위칭 상태 간을 변경하며, 이에 의해 위상 출력에서, 사인곡선 전압 (sinusoidal voltage) 에 매우 근접한 교류 전압을 획득하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이것은 턴-오프 타입의 적어도 하나의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬 (anti-parallel) 로 접속된 적어도 하나의 환류 다이오드를 가진 스위칭 셀들을 갖는 DE 101 03 031 A1 의 도 1 에 도시된 타입의 공지된 전압원 컨버터들에 통상적으로 이용된 것보다 실질적으로 더 낮은 스위칭 주파수들에 의하여 이미 획득될 수도 있다. 이것은 실질적으로 더 낮은 손실을 획득하는 것을 가능하게 하고, 또한 필터링 및 고조파 전류 및 전파 장애 (radio interference) 의 문제들을 상당히 저감시켜, 그에 대한 장비의 비용이 적게 들 수도 있다.

이미 공지된 이런 타입의 전압원 컨버터들은, 그 컨버터의 직류 전압측의 2 개의 극들이 어스 (earth) 에 대하여 동일한 전압을 갖고 그 사이에 AC 전압이 있다는 것을 의미하는 대칭 조건 (symmetrical conditions) 을 가정한다. 그러나, 일부 경우는, 컨버터의 위상 출력과 그 위상 출력에 접속된 교류 전압 네트워크 또는 라인 사이의 변압기들 없이 동작하는 것에 해당할 수도 있으며, 컨버터로부터의 교류 전압이 상기 네트워크에서의 교류 전압과 동일하다면, 네트워크에 직접 접속하는데 통상 큰 문제가 없다.

그러나, M2LC-타입의 공지된 컨버터들은 어떤 변압기도 없이 또는 단지 자동 접속된 (auto-connected) 변압기만의 이용에 의한 단극 동작 (monopolar operation) 을 허용하지 않아, 컨버터의 직류 전압측과 교류 전압측의 전압 레벨들이 임의의 변압기를 요구하지 않는다는 사실에도 불구하고 그들과 연관된 상당한 비용이 드는 변압기가 이용되어야 한다.

본 발명의 목적은 어떤 변압기도 필요 없이 단극 동작을 가능하게 하는 도입부에 정의된 타입의 전압원 컨버터를 제공하는 것이다.

이 목적은 본 발명에 따라, 대향 극들 중 하나의 대향 극이 직류 전압측의 고전압 전위에 접속된 고전압 전위 극이고 대향 극들 중 나머지 대향 극이 직류 전압측의 중성 (neutral) 전압 전위에 접속된 중성 전위 극이며, 스위칭 셀들의 직렬 접속에서, 고전압 전위 극에 접속되도록 구성된 제 1 단부 및 위상 출력에 접속되도록 구성된 제 2 단부를 갖는 그러한 컨버터를 제공함으로써 획득되며, 그 컨버터는 위상 출력을 중성 전위 극에 접속하고 중성 전압 전위에 대하여 포지티브와 네거티브 양자인 전압 펄스들을 위상 출력에 전달하도록 구성된 장치 (arrangement) 를 더 포함한다.

M2LC-컨버터의 소위 밸브 브랜치로서 컨버터의 위상 출력과 직류 전압측의 고전압 전위 사이에 접속되는 컨버터의 일부를 가짐으로써, 및 중성 전위에 접속되도록 구성된 장치에 의해 구성된 다른 극에 위상 출력을 접속하는 컨버터의 일부를 가짐으로써, 및 이로써 위상 출력으로 전달된 전압 펄스들을 포지티브와 네거티브 양자가 되게 함으로써, 이런 타입의 컨버터의 단극 동작은 어떤 변압기도 필요 없이 수행될 수도 있어, 비용이 절약될 수도 있다. 따라서, 이것에 의해 전류를 장치로부터 위상 출력으로 전도하는 것은 물론 반대 방향으로 전도하는 것도 가능하다.

컨버터의 위상 출력 상에 인가된 교류 전압이 장치에 의해 인가된 전압 펄스들과 고전압 전위 극으로부터 인가된 하나의 부호 (sign) 의 전압 펄스들의 전위차에 의해 형성되고, 고전압 전위 극으로부터 인가된 전압 펄스들은 오직 포지티브이거나 또는 오직 네거티브이며, 장치에 의해 인가된 전압 펄스들은 포지티브 또는 네거티브일 수도 있다는 것에 주목하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 컨버터가 어떤 변압기도 필요 없이 단극 동작을 가능하게 하지만, 특히, 자동 접속된 변압기와 같은 변압기가 위상 출력과 교류 전압 네트워크 또는 라인 사이에 접속될 수도 있다는 것에 주목하게 된다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 장치는 중성 전위의 양측, 즉, 포지티브와 네거티브에 대해 동일한 최대 크기를 가진 전압 펄스들을 전달하도록 구성됨으로써 중성 전위에 대하여 대칭이다. 이것은 컨버터의 단순하고 신뢰가능한 동작에 적합하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 장치는 접지에 접속됨으로써 위상 출력을 중성 전위 극에 접속하도록 구성된다. 이것은 중성 전위를 정의하기에 적합한 방식이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 접지에 대하여 고전압 전위 극 상의 고전압 전위의 1/3 내지 2/3 사이, 특히 약 1/2 의 피크 전압을 갖는 위상 출력 상의 결정된 교류 전압을 획득하기 위해 컨버터를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 접지에 대한 고전압 전위의 전압에 대한 피크 교류 전압에 대한 약 1/2 의 관계는 컨버터의 고정된 출력 정격을 위해 이러한 컨버터에 대해 가능한 최저 비용을 초래하는 것으로 드러났다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 장치는 위상 출력 상의 컨버터에 의해 전달될 교류 전압의 피크 값에 실질적으로 대응하는 중성 전위에 대한 최대 피크 값들 사이에서 변하는 전압 펄스들을 위상 출력에 전달하도록 구성된다. 이 장치의 구성은, 상기 언급된 관계가 목표로 한 교류 전압을 획득하기 위한 전압 펄스들을 초래하는 컨버터의 2 개의 밸브 브랜치들로부터의 전압 펄스들 또는 전위들을 더함으로써 위상 출력 상에서 목표로 한 교류 전압을 획득하기에 적합하게 하기 때문에, 특히 상기 언급된 관계가 지배적인 경우에 바람직하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 장치는 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 병렬로 접속된 환류 다이오드를 각각 갖는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들을 각각 갖고 병렬로 접속된 2 개의 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 적어도 하나의 H-브릿지를 포함하며, H-브릿지는 또한 스위칭 엘리먼트들과 병렬로 접속된 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 가지며, 스위칭 엘리먼트들 중 제 1 스위칭 엘리먼트의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점은 중성 전위에 접속되고, 제 2 스위칭 엘리먼트의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점은 위상 출력에 접속된다. 본 발명을 실현하기 위해 필요한 특징들을 가진 장치는, 단순하고 신뢰가능한 수단에 의해, 위상 출력으로 전달된 전압 펄스들을 포지티브와 네거티브 양자에 이르게 하는 이러한 H-브릿지들의 이용에 의해 획득될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 직렬로 접속된 복수의 H-브릿지들을 포함하며, H-브릿지들의 직렬 접속의 일단에서의 제 1 스위칭 엘리먼트의 중간점은 중성 전위에 접속되도록 구성되며 H-브릿지의 직렬 접속의 대향 단에서의 제 2 스위칭 엘리먼트의 중간점은 위상 출력에 접속되도록 구성된다. 이것에 의해, 컨버터의 손실을 저감시키고 원하는 형상을 가진 교류 전압을 획득하기 위해 위상 출력으로 전달된 전압 펄스들의 전압 레벨들의 적절한 선택을 획득하기 위하여 원하는 수의 이러한 H-브릿지들을 선택하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 장치는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 스위칭 셀들을 포함한다. 상이한 레벨의 전압 펄스들을 획득하기 위해 이러한 스위칭 셀들을 이용하는 것이 바람직할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 장치에서의 스위칭 셀들의 직렬 접속은, 스위칭 셀의 에너지 저장 커패시터에 의해 제공된 전압에 대하여 대향되는 (oppositely directed) 스위칭 셀들을 포함한다. 이것은 전달된 전압 펄스들을 포지티브와 네거티브 양자에 이르게 하는 장치를 획득하기 위해 스위칭 셀들의 직렬 접속을 이용하는 것을 가능하게 한다. 그 후, 장치는 스위칭 셀의 에너지 저장 커패시터에 의해 제공된 전압에 대하여 일방향으로 향한 스위칭 셀들의 절반과 반대 방향으로 향한 스위칭 셀들의 나머지 절반을 가진 스위칭 셀들의 직렬 접속을 갖는 것이 바람직하다.

장치에서 스위칭 셀들의 직렬 접속만을 갖고 H-브릿지들을 갖지 않는 것이 가능하지만, 이러한 스위칭 셀들과 H-브릿지들을 조합하는 것이 가능하며, 본 발명의 다른 실시형태에서, 장치는 하나 이상의 H-브릿지들과 스위칭 셀들 중 하나 이상의 직렬 접속을 포함하며, 이 직렬 접속의 일단은 중성 전위에 접속되도록 구성되고, 이 직렬 접속의 타단은 위상 출력에 접속되도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 위상 레그의 위상 출력과 고전압 전위 극 사이의 스위칭 셀들의 직렬 접속의 스위칭 셀들의 수는 4 이상, 12 이상, 30 이상 또는 50 이상이다. 이런 타입의 컨버터는 앞에서 이미 언급한 바와 같이, 직렬 접속에서의 스위칭 셀들의 수가 커서 위상 출력 상에 전달된 가능한 레벨의 전압 펄스들의 수가 커지는 경우 특히 해당한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 반도체 어셈블리들의 반도체 디바이스들은 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 또는 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 이다. 이들은 이러한 컨버터들에 적합한 반도체 디바이스들이지만, 다른 턴-오프 타입의 반도체 디바이스들을 또한 생각할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 고전압 직류 (HVDC) 를 송신하기 위해 직류 전압 네트워크에 접속된 직류 전압측을 갖고 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 교류 전압측을 갖도록 구성된다. 이것은 이 타입의 컨버터의 특정 관심 애플리케이션을 위해 요구된 다수의 반도체 어셈블리들에 기인한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 2 개의 극들 양단의 직류 전압이 1kV 와 1200kV 사이 또는 10kV 와 1200kV 사이 또는 100kV 와 1200kV 사이가 되도록 구성된다. 본 발명은 직류 전압이 높을수록 더 관심이 있다.

또한, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 따라 전력을 송신하는 플랜트에 관한 것이다. 이러한 플랜트의 스테이션에는 매력적인 치수와 비교적 낮은 비용으로 높은 신뢰도가 제공될 수도 있다.

본 발명의 추가 이점들은 물론 이로운 특징들이 다음의 설명으로부터 명백할 것이다.

첨부 도면을 참조하여, 이하에 예들로서 인용된 본 발명의 실시형태들의 설명이 뒤따르게 된다.

도 1 은 본 발명에 따른 타입의 전압원 컨버터의 매우 단순한 도면이다.
도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 전압원 컨버터의 일부일 수도 있는 2 개의 상이한 공지된 스위칭 셀들을 예시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 타입의 공지된 전압원 컨버터를 매우 개략적으로 예시한 단순한 도면이다.
도 5 는 변압기가 없는 본 발명에 따른 타입의 공지된 전압원 컨버터의 도 4 와 유사한 도면이다
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전압원 컨버터의 도 5 와 유사한 도면이다.
도 7 은 시간에 대한 도 6 에 따른 컨버터의 위상 출력 상에 인가된 전압들의 도면이다.
도 8 및 도 9 는 각각 본 발명의 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에 따른 컨버터들의 도 6 에 대응하는 도면이다.

도 1 은 본 발명이 관련되는 타입의 전압원 컨버터 (1) 의 일반적인 구성을 매우 개략적으로 예시한다. 이 컨버터는 고전압 직류를 송신하는 직류 전압 네트워크와 같이, 컨버터의 직류 전압측의 대향 극들 (5, 6) 에 접속된 3 개의 위상 레그들 (2 내지 4) 을 갖는다. 각 위상 레그는 본 경우에는 16 개의 박스들로 표시된 스위칭 셀들 (7) 의 직렬 접속을 포함하며, 이 직렬 접속은, 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성되는 위상 출력을 형성하는 중간점 (10 내지 12) 에 의해 분리되는, 2 개의 동일 부분들, 즉 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 나뉜다. 위상 출력들 (10 내지 12) 은 가능하게는 변압기를 통하여 3 상 교류 전압 네트워크, 로드 등에 접속될 수도 있다. 교류 전압측의 교류 전압의 형상을 개선하기 위해 교류 전압측에 필터링 장비가 또한 배열된다.

스위칭 셀들 (7) 을 제어하기 위해 제어 유닛 (13) 이 배열되며, 그것에 의해 컨버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다.

전압원 컨버터는, 한편으로는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 병렬로 접속된 환류 다이오드를 각각 가진 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들, 및 다른 한편으로는, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 갖는 타입의 스위칭 셀들 (7) 을 가지며, 이러한 스위칭 셀들의 2 가지 예 (7, 7') 가 도 2 및 도 3 에 도시된다. 스위칭 셀들의 단자들 (14, 15) 은 위상 레그를 형성하는 스위칭 셀들의 직렬 접속에서 인접한 스위칭 셀들에 접속되도록 구성된다. 반도체 디바이스들 (16, 17) 은 이 경우에 다이오드들 (18, 19) 과 병렬로 접속된 IGBT 이다. 어셈블리 마다 하나의 반도체 디바이스 및 하나의 다이오드만이 도시되어 있지만, 이들은 어셈블리를 통하여 흐르는 전류를 공유하기 위해 병렬로 접속된 다수의 반도체 디바이스들 및 다이오드들을 각각 나타낼 수도 있다. 에너지 저장 커패시터 (20) 는 다이오드들 및 반도체 디바이스들의 각각의 직렬 접속과 병렬로 접속된다. 하나의 단자 (14) 는 2 개의 반도체 디바이스들 사이의 중간점은 물론 2 개의 다이오드들 사이의 중간점에 접속된다. 다른 단자 (15) 는 에너지 저장 커패시터 (20), 도 2 의 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터 (20) 의 일측, 도 3 에 따른 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터 (20) 의 타측에 접속된다. 도 2 및 도 3 에 도시한 바와 같이 각 반도체 디바이스 및 각 다이오드는 핸들링될 전압들을 핸들링가능하게 하기 위하여 2 개 이상이 직렬로 접속될 수도 있으며, 이렇게 직렬로 접속된 반도체 디바이스들은 하나의 단일 반도체 디바이스로서 작용하도록 동시에 제어될 수도 있다.

도 2 및 도 3 에 도시된 스위칭 셀들은 a) 제 1 스위칭 상태 및 b) 제 2 스위칭 상태 중 하나의 상태를 획득하도록 제어될 수도 있으며, 여기서, a) 의 경우에는, 커패시터 (20) 양단의 전압, 및 b) 의 경우에는, 제로 전압이 단자들 (14, 15) 양단에 인가된다. 도 2 에서 제 1 상태를 획득하기 위해, 반도체 디바이스 (16) 는 턴 온되고 반도체 디바이스 (17) 는 턴 오프되며, 도 3 에 따른 실시형태에서는, 반도체 디바이스 (17) 가 턴 온되고 반도체 디바이스 (16) 가 턴 오프된다. 스위칭 셀들은, 도 2 에 따른 실시형태에서, 반도체 디바이스 (16) 가 턴 오프되고 반도체 디바이스 (17) 가 턴 온되며, 도 3 에서, 반도체 디바이스 (17) 가 턴 오프되고 반도체 디바이스 (16) 가 턴 온되도록, 반도체 디바이스들의 상태를 변경함으로써 제 2 스위칭 상태로 스위칭된다.

도 4 는 도 1 에 따른 컨버터의 위상 레그 (2) 가 도 3 에 도시된 타입의 스위칭 셀들에 의해 어떻게 형성되는지를 좀 더 상세하게 도시한 것으로, 도 4 에는, 도면을 단순화하기 위해 총 10 개의 스위칭 셀들이 생략되어 있다. 제어 유닛 (13) 은 반도체 디바이스들을 제어함으로써 스위칭 셀들을 제어하여, 직렬 접속에서의 다른 스위칭 셀들의 전압에 더해질 제로 전압 또는 커패시터 양단의 전압 중 어느 하나를 전달하도록 구성된다. 변압기 (21) 및 필터링 장치 (22) 가 또한 여기에 나타난다. 위상 리액터 (50, 51) 를 통하여 각 밸브 브랜치가 위상 출력 (10) 에 어떻게 접속되는지가 도시되며, 이러한 위상 리액터들은 또한 도 1 에서 위상 출력들 (10, 11 및 12) 에 대해 존재해야 하지만, 도면을 단순화하기 위해 생략되어 있다.

도 5 는 대칭 조건, 즉 2 개의 극들 (5, 6) 이 동일한 전압을 갖고 그 사이에 교류 전압이 있다는 것을 가정하도록 구성되는 도 1 에 도시된 타입의 전압원 컨버터를 개략적으로 예시한다. 이 설계는 바이폴라 동작이 가능한 한은, 어떤 변압기도 없이 위상 출력 (10) 의 교류 전압 네트워크 (60) 와의 접속을 허용한다. 그러나, 고장의 발생 시에 필요하거나 요망될 수도 있는 단극 동작은 전혀 가능하지 않다.

도 6 은 위상 출력 (10) 을 교류 전압 네트워크 (60) 에 접속하기 위한 어떤 변압기도 필요 없이 단극 동작을 가능하게 하는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전압원 컨버터를 개략적으로 예시한다. 이 컨버터는 컨버터의 직류 전압측의 고전압 전위의 극 (5) 에 접속되도록 구성된 하나의 제 1 단부 (61) 및 위상 출력 (10) 에 접속되도록 구성된 다른 대향 제 2 단부 (62) 를 가진 도 3 에 도시된 타입의 스위칭 셀들 (7) 의 직렬 접속을 갖는다. 컨버터는 컨버터의 직류 전압측의 중성 전압 전위 (여기서 71 에서 어스됨으로써 접지) 의 다른 극 (6) 에 위상 출력 (10) 을 접속하고 중성 전위 (접지) 에 대하여 포지티브와 네거티브 양자인 전압 펄스들을 위상 출력에 전달하도록 구성된 장치 (70) 를 더 포함한다. 장치 (70) 는 여기서 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 (16, 17) 및 그 반도체 디바이스 (16, 17) 와 병렬로 접속된 환류 다이오드 (18, 19) 를 각각 갖는 직렬로 접속된 2 개의 반도체 어셈블리들 (74 내지 77) 을 각각 갖고 병렬로 접속된 2 개의 스위칭 엘리먼트들 (72, 73) 을 포함하는 H-브릿지 또는 풀 브릿지를 포함한다. H-브릿지는 또한 스위칭 엘리먼트들과 병렬로 접속된 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (78) 를 갖는다.

스위칭 엘리먼트들 중 제 1 스위칭 엘리먼트 (72) 의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점 (79) 은 접지 (71) 에 접속되고, 다른 제 2 스위칭 엘리먼트 (73) 의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점 (80) 은 위상 출력 (10) 에 접속된다.

이제, 도 7 을 또한 참조하게 된다. 제어 유닛 (90) (도 6 참조) 은 위상 출력 (10) 상에서 목표로 한 교류 전압을 획득하기 위하여 상부 밸브 브랜치의 스위칭 셀들 (7) 의 반도체 디바이스들 및 H-브릿지의 반도체 디바이스들을 제어하도록 구성된다. 상부 밸브 브랜치에 의해 전달된 전압 펄스 A 가 0 과 여기서 위상 출력 (10) 상 및 그것에 의해 교류 전압 네트워크 (60) 상의 피크 교류 전압의 대략 2 배인 최대 고전압 전위 (-2U_D) 사이에서 어떻게 변할 수도 있는지가 도 7 에 매우 개략적으로 예시된다. 커브 B 는 H-브릿지로부터 위상 출력 (10) 으로 전달된 전압 및 이 전압이 어떻게 포지티브 (U_D) 와 네거티브 (-U_D) 양자에 이르는지를 개략적으로 도시한다. 이들 2 개의 커브들 사이의 차이는 교류 전압 네트워크 (60) 상의 교류 전압을 형성할 것이며 그에 따라 커브 B 에 대응할 것이다.

따라서, 도 6 에 따른 컨버터는 컨버터와 교류 전압 네트워크 (60) 사이에 어떤 변압기도 필요 없이 단극 동작 및 그 중성 전위 극 (6) 에서의 양방향으로의 전류의 전도를 가능하게 한다.

도 6 에 도시된 컨버터의 단극 동작에 대한 시뮬레이션이 수행되었으며, 이러한 단극 동작 동안 컨버터의 에너지 저장 커패시터는 여전히 안정 상태로 있는 것으로 드러났다.

또한, 결정된 정격 출력에 대한 도 6 에 따른 컨버터의 비용은, 제어 유닛 (90) 이 극 (5) 의 고전압 전위의 약 1/2 의 피크 전압을 갖는 교류 전압을 위상 출력 상에서 획득하기 위해 컨버터를 제어하도록 구성되는 경우 최소값을 갖는 것으로 계산된다.

도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전압원 컨버터를 매우 개략적으로 예시한 것으로, 장치 (70) 는 스위칭 셀들의 직렬 접속을 포함하며, 에너지 저장 커패시터에 의해 제공된 전압에 대하여 스위칭 셀들의 절반 (7') 은 일 방향으로 향하게 되고 스위칭 셀들의 나머지 절반 (7) 은 반대 방향으로 향하게 된다. 이러한 장치는 또한 포지티브 및 네거티브 양자인 전압 펄스들이 위상 출력 (10) 에 공급되는 것을 허용한다.

도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 전압원 컨버터를 개략적으로 예시한 것으로, 장치 (70) 는 2 개의 H-브릿지들 (81, 82) 의 직렬 접속을 포함하며, 이 직렬 접속의 일단 (79) 은 접지 (71) 에 접속되도록 구성되고 이 직렬 접속의 타단 (80) 은 위상 출력 (10) 에 접속되도록 구성된다. 이 실시형태는 도 6 에 도시된 실시형태보다 더 많은 전압 레벨, 및 그것에 의해 교류 전압 네트워크 상의 교류 전압 커브의 더 양호한 형상을 획득하는 것을 가능하게 한다.

컨버터는 또한 필터 장비 및 본 발명과 아무런 관계도 없어 도면에 생략되어 있는 다른 수단과도 연관된다는 것에 주목하게 된다.

본 발명은 물론 상술된 실시형태들에 어떤 방식으로 제한되지 않고, 본 발명의 변형에 대한 많은 가능성들이 첨부된 특허청구범위에 정의한 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 당업자에게 명백할 것이다.

예를 들어, 도 8 및 도 9 에 도시된 것과는 상이한 수의 직렬로 접속된 H-브릿지들 또는 스위칭 셀들을 갖는 것이 가능하며, 또한 본 발명에 따른 컨버터에서의 장치에서 하나 이상의 이러한 스위칭 셀들을 하나 이상의 H-브릿지들과 조합하는 것이 가능하다.

고전압 전위 극과 위상 출력을 상호접속하는 밸브 브랜치에서 직렬로 접속된 스위칭 셀들의 수는 또한 도면에 도시된 것과는 다른 수일 수도 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 위상 출력은 교류 전압 네트워크에 직접 접속되도록 구성되며, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 위상 출력은 자동 접속된 변압기에 접속되어 교류 전압 네트워크에 접속되도록 구성된다.

Claims

전압원 컨버터로서,
상기 전압원 컨버터의 직류 전압측의 대향 극들 (5, 6) 에 접속되고 스위칭 셀들 (7, 7') 의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 가지며,
상기 스위칭 셀 각각은, 한편으로는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 (16, 17) 및 상기 반도체 디바이스 (16, 17) 와 병렬로 접속된 환류 다이오드 (free-wheeling diode) (18, 19) 를 각각 갖는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들을 갖고, 다른 한편으로는, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (20) 를 가지며,
상기 전압원 컨버터의 위상 출력 (10) 이 상기 스위칭 셀들의 직렬 접속을 따라 형성되는 상기 전압원 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성되며,
상기 스위칭 셀 (7, 7') 각각은, 상기 위상 출력 상의 결정된 교류 전압을 획득하기 위해, 각 스위칭 셀의 상기 반도체 디바이스들의 제어에 의해 2 개의 스위칭 상태들, 즉, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압이 각각 상기 스위칭 셀의 단자들 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성되는, 상기 전압원 컨버터로서,
상기 대향 극들 중 하나의 대향 극 (5) 은 상기 직류 전압측의 고전압 전위에 접속된 고전압 전위 극이고, 상기 대향 극들 중 나머지 대향 극 (6) 은 상기 직류 전압측의 중성 (neutral) 전압 전위에 접속된 중성 전위 극 (6) 이며,
상기 스위칭 셀들의 직렬 접속은 상기 고전압 전위 극 (5) 에 접속되도록 구성된 제 1 단부 (61) 및 상기 위상 출력 (10) 에 접속되도록 구성된 제 2 단부 (62) 를 가지며,
상기 전압원 컨버터는 상기 위상 출력 (10) 을 상기 중성 포지션 극 (6) 에 접속하고 상기 중성 전압 전위에 대하여 포지티브와 네거티브 양자인 전압 펄스들을 상기 위상 출력 (10) 에 전달하도록 구성된 장치 (arrangement) (70) 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 상기 중성 전위의 양측, 즉, 포지티브와 네거티브에 대해 동일한 최대 크기를 가진 상기 전압 펄스들을 전달하도록 구성됨으로써 상기 중성 전위 (71) 에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 접지에 접속됨으로써 상기 위상 출력 (10) 을 상기 중성 전위 극 (6) 에 접속하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
접지에 대하여 상기 고전압 전위 극 (5) 상의 상기 고전압 전위의 1/3 내지 2/3 사이, 바람직하게는 약 1/2 의 피크 전압을 갖는 상기 위상 출력 (10) 상의 상기 결정된 교류 전압을 획득하기 위해 상기 전압원 컨버터를 제어하도록 구성된 제어 유닛 (90) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 상기 위상 출력 상의 상기 전압원 컨버터에 의해 전달될 상기 교류 전압의 피크 값에 실질적으로 대응하는 상기 중성 전위에 대하여 최대 피크 값들 사이에서 변하는 상기 전압 펄스들을 상기 위상 출력 (10) 에 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 상기 반도체 디바이스와 병렬로 접속된 환류 다이오드를 각각 갖는 직렬로 접속된 적어도 2 개의 반도체 어셈블리들 (74 내지 77) 을 각각 갖고 병렬로 접속된 2 개의 스위칭 엘리먼트들 (72, 73) 을 포함하는 적어도 하나의 H-브릿지 (81, 82) 를 포함하고, 상기 H-브릿지는 또한 상기 스위칭 엘리먼트들 (72, 73) 과 병렬로 접속된 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (78) 를 가지며, 상기 스위칭 엘리먼트들 중 제 1 스위칭 엘리먼트 (72) 의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점 (79) 은 상기 중성 전위 (71) 에 접속되고, 상기 스위칭 엘리먼트들 (73) 중 제 2 스위칭 엘리먼트 (73) 의 반도체 어셈블리들 사이의 중간점 (80) 은 상기 위상 출력 (10) 에 접속되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 6 항에 있어서,
직렬로 접속된 복수의 상기 H-브릿지들 (81, 82) 을 포함하며, 상기 H-브릿지들의 직렬 접속의 일단에서의 제 1 스위칭 엘리먼트의 중간점 (79) 은 상기 중성 전위 (71) 에 접속되도록 구성되며, 상기 H-브릿지들의 직렬 접속의 타단에서의 제 2 스위칭 엘리먼트의 중간점 (80) 은 상기 위상 출력 (10) 에 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 직렬로 접속된 적어도 2 개의 상기 스위칭 셀들 (7, 7') 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 8 항에 있어서,
상기 장치 (70) 에서의 상기 스위칭 셀들 (7, 7') 의 직렬 접속은, 상기 에너지 저장 커패시터에 의해 제공된 전압에 대하여 대향되는 스위칭 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 9 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 상기 에너지 저장 커패시터에 의해 제공된 상기 전압에 대하여, 일 방향으로 향한 상기 스위칭 셀들의 절반 (7) 과 반대 방향으로 향한 상기 스위칭 셀들의 나머지 절반 (7') 을 가진 상기 스위칭 셀들 (7, 7') 의 직렬 접속을 갖는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 6 항 또는 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치 (70) 는, 하나 이상의 상기 H-브릿지들 (81, 82) 과 하나 이상의 상기 스위칭 셀들 (7, 7') 의 직렬 접속을 포함하며, 상기 직렬 접속의 일단은 상기 중성 전위 (71) 에 접속되도록 구성되고, 상기 직렬 접속의 타단은 상기 위상 출력 (10) 에 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 레그의 상기 위상 출력 (10) 과 상기 고전압 전위 극 (5) 사이의 상기 스위칭 셀들의 직렬 접속의 상기 스위칭 셀들 (7) 의 수는 4 이상, 12 이상, 30 이상 또는 50 이상인 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 어셈블리들의 상기 반도체 디바이스들 (16, 17) 은, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 또는 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 인 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
고전압 직류 (High Voltage Direct Current; HVDC) 를 송신하기 위한 직류 전압 네트워크에 접속된 상기 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크 (60) 에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 상기 교류 전압측을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2 개의 극들 양단의 직류 전압이 1kV 와 1200kV 사이 또는 10kV 와 1200kV 사이 또는 100kV 와 1200kV 사이가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압원 컨버터.
직류 전압 네트워크 (5, 6), 및 상기 직류 전압 네트워크와 교류 전압 네트워크 사이에서의 전력의 송신을 수행하도록 구성된 스테이션 (station) 을 통하여 상기 직류 전압 네트워크 (5, 6) 에 접속된 적어도 하나의 교류 전압 네트워크 (60) 를 포함하고, 직류 전압을 교류 전압으로, 그리고 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전압원 컨버터를 포함하는 전력을 송신하기 위한 플랜트 (plant) 로서,
상기 플랜트의 상기 스테이션은 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 전압원 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력을 송신하기 위한 플랜트.