KR20140075554A - 컨버터 - Google Patents

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KR20140075554A KR1020127000326A KR20127000326A KR20140075554A KR 20140075554 A KR20140075554 A KR 20140075554A KR 1020127000326 A KR1020127000326 A KR 1020127000326A KR 20127000326 A KR20127000326 A KR 20127000326A KR 20140075554 A KR20140075554 A KR 20140075554A
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알스톰 그리드 유케이 리미티드
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Abstract

고전압 DC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터(30)는 제1 및 제2 DC 단자들(34,36) 사이에 접속된 적어도 하나의 체인-링크(chain-link) 컨버터(32)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 직렬로 접속된 일련의 모듈들(38)을 포함하고 각각의 모듈(38)은 에너지 저장 장치(42)와 병렬로 접속된 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들(40)을 포함한다. DC 회로망들이 상기 제1 및 제2 DC 단자들에 접속될 때 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 상기 모듈들(38)의 스위칭을 제어하여 상기 모듈들(38) 중 하나 이상의 모듈들의 에너지 저장 장치들(42)을 선택적으로 충전 또는 방전시키고, 필요에 따라서는 상기 DC 회로망들의 DC 전압 레벨들에 있어 어떤 차이가 있더라도 그 차이를 오프셋(offset)시키도록 동작가능하다.

Description

컨버터{Converter}
본 발명은 고전압 직류(high voltage direct current; HVDC) 송전(power transmission)에 사용하기 위한 직류(direct current; DC) 전압 소스 컨버터에 관한 것이다.
송전 회로망들에서는, 가공 선로(overhead line)들 및/또는 해저 케이블들을 통한 송전을 위해 교류(alternating current; AC) 전력이 직류(DC) 전력으로 변환되는 것이 전형적이다. 이러한 변환이 의미하는 것은 AC 전력이 DC 전력으로 변환되지 않으면 송전 선로 또는 케이블에 의해 발생하게 되는 AC 용량성 부하 효과들을 보상할 필요가 없다는 것을 의미한다. 이는 또한 송전 선로들 및/또는 케이블들의 단위 킬로미터에 대한 비용을 감소시키기 때문에 장거리를 통한 송전이 필요할 때에는 AC 전력으로부터 DC 전력으로의 변환이 비용효과적이게 한다.
DC 송전 및 배전 회로망들은 HVDC 송전의 출현을 지원하는데 필요하다. 그러나, 이와 같은 DC 송전 및 배전 회로망들은 서로 다른 전압 레벨들에서 종종 동작하는데, 이로 인해, DC 전력 그리드를 형성하도록 DC 송전 및 배전 회로망들을 상호접속할 경우에는 어려움에 직면할 수 있다.
그러므로, 서로 다른 전압 레벨들에서 동작하는 DC 송전 및 배전 회로망들 간의 전력의 전송을 용이하게 하도록 동작가능한 HVDC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터를 제공하는 것이 바람직하다.
한가지 해결방안은 DC-DC 전력 컨버터 내에 트랜스포머(transformer)를 사용하는 것이다.
트랜스포머들은 AC 전압들을 스텝-업(step-up) 또는 스텝-다운(step-down)시켜 서로 다른 전압 레벨들에서 동작하는 AC 회로망들의 상호접속을 용이하게 하도록 동작한다. 트랜스포머를 사용하여 서로 다른 전압 레벨들에서 동작하는 DC 회로망들을 상호접속시키려면, 상기 트랜스포머로 하여금 2개의 회로망들 간에 필요한 AC 전압의 스텝-업 또는 스텝-다운을 초래시킬 수 있게 하도록 상기 트랜스포머의 각각의 측 상에서 DC 전력이 AC 전력으로 변환되어야 한다.
트랜스포머 외에도, AC-DC 전압 컨버터들이 내장되어야 함으로써 DC 송전 기반구조의 크기, 중량 및 비용이 증가하게 되어 결국에는 바람직하지 않은 구조가 된다.
다른 한가지 해결방안은, 2개의 DC 단자들(26,28) 사이에, 직렬로 접속된 인턱터(22), 및 병렬로 접속된 커패시터(24)를 포함하는, 도 1에 도시된 바와 같은 직접 DC-DC 전력 컨버터 구조(20)를 사용하는 것이다. 이러한 타입의 구조들은 종종 DC 회로망들 및 접속형 전기 부하들의 동작을 최적화시키기 위해 DC 전압을 스텝-업 또는 스텝-다운하도록 하는 트랙션 드라이브(traction drive)들과 같은 용도들에 종종 사용되고 있다.
도 1에 도시된 구조는 중개용 DC-AC 컨버터들에 대한 요구를 회피하는 것이므로 결과적으로는 중개용 DC-AC 컨버터들을 요구하면서 트랜스포머를 통해 이루어질 수 있는 것보다 작고, 가벼우며 그리고 비용이 덜 들게 된다.
그러나, 도 1에 도시된 DC-DC 전력 컨버터와 같은 기존의 DC-DC 전력 컨버터들은 수십 또는 수백 kW에서 동작하도록 설계된 것들이다. 이와는 대조적으로, HVDC 송전은 수십 또는 수백 MW를 포함하는 것이 전형적이다.
도 1에 도시된 직접 DC-DC 전력 컨버터를 고 전력 레벨들에서 동작시키도록 개조하는 것이 가능하다. 이는, DC 단자들 사이에 병렬 및 직렬 브랜치들로 접속된 전자 스위치들(21,23)을, 직렬로 접속된 다수의 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT)들의 형태로 제공되는 고 전력 전자 스위치들로 대체함으로써 이루어질 수 있다. 그러나, 직렬 스트링들로의 IGBT 장치들의 접속은 종종 다수의 트랜지스터 간에 공유하는 전압을 제어하도록 복잡한 능동 게이트 드라이브들 및 많은 수동 컴포넌트들을 필요로 하므로, 다시금 바람직하지 못한 구조를 초래하게 한다.
본 발명의 목적은 서로 다른 전압 레벨들에서 동작하는 DC 송전 및 배전 회로망들 간의 전력의 전송을 용이하게 하도록 동작가능한 HVDC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시태양에 의하면, 고전압 DC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터가 제공되며, 상기 DC 전압 소스 컨버터는 제1 및 제2 DC 단자들 사이에 접속된 적어도 하나의 체인-링크(chain-link) 컨버터를 포함하며, 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 직렬로 접속된 일련의 모듈들을 포함하고 각각의 모듈은 에너지 저장 장치와 병렬로 접속된 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들을 포함하며, DC 회로망들이 상기 제1 및 제2 DC 단자들에 접속될 때 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 상기 모듈들의 스위칭을 제어하여 상기 모듈들 중 하나 이상의 모듈들의 에너지 저장 장치들을 선택적으로 충전 또는 방전시키고, 필요에 따라서는 상기 DC 회로망들의 DC 전압 레벨들에 있어 어떤 차이가 있더라도 그러한 차이를 오프셋(offset)시키도록 동작가능하다.
복수 개의 개별 모듈들을 포함하는 체인-링크 컨버터의 사용은 서로 다른 전압 레벨들이 형성될 수 있게 한다. 그러므로, 송전에서의 고전압 레벨들은 상기 체인-링크 컨버터에서 모듈들의 개수를 증가시킴으로써 수용될 수 있다.
상기 체인-링크 컨버터는, 상기 일련의 모듈들 중 각각의 모듈에 있는 에너지 저장 장치로 하여금 인접 모듈들을 바이패스 상태로 되게 하여 공급 전압 레일로 독립적으로 충전할 수 있게 함으로써 간단히 전압 증배기 회로로서 동작하도록 이루어질 수 있다. 이리하여, 제어된 출력 전압을 생성하도록 다수의 개별 모듈들의 에너지 저장 장치들을 직렬로 접속시킴으로써 출력 공급 전압이 형성될 수 있다. 개별적인 에너지 저장 장치들이 본질적으로 이 기간 동안 방전하게 되면, 직렬로 접속된 모듈들의 개수는 필요한 경우에 원하는 출력 전압 프로파일을 유지하도록 점차로 증가할 수 있게 된다.
모든 충전 및 방전 사이클들 동안 전하 이동(charge transfer)을 균등하게 하는 스위칭 기법들은 전압 균등화를 보장하는데 필요하다.
상기 반도체 스위치들은 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터들로부터 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 반도체 스위치들은 게이트 턴-오프 사이리스터(gate turn-off thyristor)들 또는 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor)들로 형성될 수 있다.
각각의 모듈에 있는 각각의 반도체 스위치 쌍 또는 모든 반도체 스위치 쌍은 회로에 에너지 저장 장치를 삽입하거나 또는 단락 회로를 통해 상기 에너지 저장 장치를 바이패스하게 하도록 제어가능하다.
각각의 모듈에서 제공되는 에너지 저장 장치는 커패시터인 것이 바람직하지만, 다른 실시예들에서는 연료 전지, 배터리 또는 AC 전기 발전기 또는 정류기일 수 있으며, 이들 각각의 장치는 유효 전력의 소스를 추가로 제공할 수 있다.
체인-링크 타입 컨버터의 사용은 단방향이거나(즉, 한 극성만으로 전압 스텝(voltage step)들을 생성하거나) 양방향인(즉, 양(+) 극성 및 음(-) 극성 모두로 전압 스텝들을 생성하는) 컨버터의 사용을 허용한다.
단방향의 단상 멀티레벨 컨버터를 제공하기 위해, 각각의 모듈의 반도체 스위치들은, 제로(0) 또는 양(+) 전압을 전개할 수 있지만 양측 방향 모두로 전류를 흐르게 할 수 있는 2-사분면(2-quadrant) 유니폴라 모듈을 정의하도록 하프-브리지(half-bridge) 구조로 개별적인 에너지 저장 장치와 접속될 수 있는 것이 바람직하다.
양방향의 단상 멀티레벨 컨버터를 제공하기 위해, 각각의 모듈의 반도체 스위치들은 양(+) 전압 또는 음(-) 전압을 전개할 수 있으며 또한 양측 방향 모두로 전류를 흐르게 할 수 있는 4-사분면(4-quadrant) 바이폴라 모듈을 정의하도록 풀-브리지(full-bridge) 구조로 개별적인 에너지 저장 장치와 접속될 수 있는 것이 바람직하다.
상기 4-사분면 바이폴라 모듈의 양방향 특성은, 그러한 양방향 특성이 전압 반전을 제공하고 동일한 DC 전압 소스 컨버터에서 전압 스텝-업 및 스텝-다운 능력을 제공하는데 활용될 수 있기 때문에 유리하다.
상기 DC 전압 소스 컨버터는 모든 또는 각각의 모듈의 전기 충전 및 방전 간에 토글링(toggling)하도록 하는 스위칭 어셈블리를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스위칭 어셈블리는 충전 및 방전 동작들의 타이밍을 통해 제어된 방식으로 조종될 수 있게 하며, 본 발명의 실시예들에서는 하나 이상의 다이오드들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 다이오드들의 사용은 자동 스위칭 시스템을 제공함으로써 DC 전압 소스 컨버터의 동작이 전류 흐름 방향을 바꾸어 주는 다어오드의 순방향 또는 역방향 바이어싱을 통해 모듈의 충전 및 방전 사이로 스위칭하게 된다.
본 발명의 실시예들에서는, 체인-링크 컨버터가 제1 DC 단자와 병렬로 접속될 수 있으며 제2 DC 단자 및 스위칭 어셈블리의 직렬 구조와 병렬로 접속될 수 있다.
이러한 구조는 전력이 낮은 DC 전압으로부터 높은 DC 전압으로 전송될 수 있게 하는 병렬 컨버터를 형성한다.
본 발명의 다른 실시예들에서는, 체인-링크 컨버터 및 제2 DC 단자의 직렬 구조가 제1 DC 단자와 병렬로 접속될 수 있으며 스위칭 어셈블리와 병렬로 접속될 수 있다.
이러한 구조는 전력이 높은 DC 전압으로부터 낮은 DC 전압으로 전송될 수 있게 하는 병렬 컨버터를 형성한다.
본 발명의 부가적인 실시예들에서는, 제1 체인-링크 컨버터는 제1 DC 단자와 병렬로 접속될 수 있으며 제2 DC 단자 및 제2 체인-링크 컨버터의 직렬 구조와 병렬로 접속될 수 있다.
이러한 구조는 병렬 및 직렬 컨버터들의 기능들을 결합함으로써, 결과적으로는 유동적인(flexible) DC 전압 소스 컨버터를 형성한다.
또 다른 실시예들에서는, DC 전압 소스 컨버터가 제1 및 제2 DC 단자들 중 어느 하나 또는 각각의 단자와 직렬로 접속된 하나 이상의 인덕터들을 포함할 수 있다. 인덕터를 포함시키는 것은 DC 회로망들 내로 흐르는 전류의 흐름을 조절하는데 도움을 준다.
지금부터는 본 발명의 바람직한 실시예들이 비-제한적인 예들로 첨부도면들을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 체인-링크 컨버터를 포함함으로써 서로 다른 전압 레벨들에서 동작하는 DC 송전 및 배전 회로망들 간의 전력의 전송을 용이하게 하도록 동작가능한 HVDC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터를 제공한다.
도 1은 수십 내지 수백 kW 범위에서의 DC-DC 변환을 위한 선행기술의 전압 소스 컨버터를 개략적인 형태로 보여주는 도면이다.
도 2a는 체인-링크 컨버터에서 2-사분면 유니폴라 모듈의 구조 및 2-사분면 유니폴라 모듈의 위치를 보여주는 도면이다.
도 2b는 체인-링크 컨버터에서 4-사분면 바이폴라 모듈 및 4-사분면 바이폴라 모듈의 위치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 병렬 DC 전압 소스 컨버터를 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 병렬 DC 전압 소스 컨버터의 충전 및 방전 스텝들을 보여주는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 풀-브리지 요소들에 기반한 병렬 DC 전압 소스 컨버터의 양방향 방전 능력을 보여주는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 직렬 DC 전압 소스 컨버터를 보여주는 도면이다.
도 7은 직렬 DC 전압 소스 컨버터의 충전 및 방전 스텝들을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 DC 전압 소스 컨버터를 보여주는 도면이다.
도 3에는 본 발명의 한 실시예에 따른 고전압 DC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터(30)가 도시되어 있다. 상기 컨버터(30)는 제1 및 제2 DC 단자들(34,36) 사이에 접속된 체인-링크 컨버터(32)를 포함한다. 상기 체인-링크 컨버터(32)는 직렬로 접속된 일련의 모듈들(38)을 포함하며, 각각의 모듈(38)은 에너지 저장 장치(42)와 병렬로 접속된 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들(40)(도 2a 및 도 2b 참조)을 포함한다.
상기 체인-링크 컨버터(32)는, DC 회로망들이 상기 제1 및 제2 DC 단자들(34,36)에 접속될 경우에 상기 모듈들(38)의 스위칭을 제어하여 상기 모듈들(38)의 하나 이상의 모듈들의 에너지 저장 장치들(42)을 선택적으로 충전 또는 방전하고, 필요에 따라서는 상기 DC 회로망들의 DC 전압 레벨들에 있어 어떠한 차이가 있더라도 그 차이를 오프셋(offset)시키도록 동작가능하다.
상기 제1 및 제2 DC 단자들(34,36)에 접속된 DC 회로망들 간의 전력의 전송은 상기 DC 회로망들 중 하나의 회로망의 DC 전압이 다른 하나의 회로망의 DC 전압과 매칭(matching)하도록 스텝-업 또는 스텝-다운될 것을 요구한다.
체인-링크 컨버터(32)의 사용은 개별 체인-링크 모듈들(38)의 독립적인 스위칭을 통해 각각의 모듈(38)을 바이패스시킬 수 있게 하거나 회로 내에 각각의 모듈(38)를 삽입시킬 수 있게 한다.
회로 내에 모듈(38)를 삽입하는 것은 충전되지 않은 모듈(38)이 입력 전압에 의해 전기적으로 충전될 수 있게 하거나, 충전된 모듈(38)이 출력 전압으로 전기적으로 방전될 수 있게 한다. 그 외에도, 체인-링크 컨버터(32)의 사용은 복수 개의 모듈들(38)이 동시적인 전기 충전 또는 방전을 위해 회로 내에 삽입될 수 있게 한다.
도 2a에 도시된 실시예에서는, 상기 체인-링크 컨버터(32)에 있는 모듈들(38)이 하프-브리지 요소들(44)로부터 형성될 수 있음으로써, 각각의 요소(44)에서는, 상기 반도체 스위치들(40)은 제로(0) 또는 양(+) 전압을 전개할 수 있고 양측 방향들로 전류를 흐르게 할 수 있는 2-사분면 유니폴라 모듈(38)을 정의하도록 하프-브리지 구조로 개별적인 에너지 저장 장치(42)와 접속된다.
도 2b에 도시된 실시예에서는, 상기 체인-링크 컨버터(32)에 있는 모듈들(38)은 풀-브리지 요소들(46)로부터 형성될 수 있음으로써, 각각의 요소(46)에서는, 각각의 모듈(38)의 반도체 스위치들(40)이 제로, 양(+) 또는 음(-) 전압을 전개할 수 있고 양측 방향들로 전류를 흐르게 할 수 있는 4-사분면 바이폴라 모듈(38)을 정의하도록 풀-브리지 구조로 개별적인 에너지 저장 장치(42)와 접속된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예들 각각에서는, 각각의 모듈(38)의 에너지 저장 장치(42)가 커패시터이다. 상상컨대, 다른 실시예들에서는, 상기 에너지 저장 장치(42)가 연료 전지, 배터리 또는 국부 정류 기능을 갖는 AC 전기 발전기일 수 있다.
도 3에 도시된 컨버터(30)에서는, 체인-링크 컨버터(32)가 제1 DC 단자(34)와 병렬로 접속되며 제2 DC 단자(36) 및 스위칭 어셈블리(48)의 직렬 구조와 병렬로 접속된다. 제1 인덕터(50)는 제1 DC 단자(34)와 직렬로 접속되며 제2 인덕터(52)는 제2 DC 단자(36)와 직렬로 접속된다.
상기 스위칭 어셈블리(48)는, 하프-브리지 요소(44) 또는 풀-브리지 요소(46)인 것이 바람직한, 모두나 각각의 모듈(38)의 전기 충전 및 방전 간에 토클링하는데 활용된다.
도 3에 도시된 실시예에서는, 상기 스위칭 어셈블리(48)는 다이오드(54)를 포함하지만, 다른 실시예들에서는 유사한 기능을 제공하는 임의의 수동 또는 능동 스위칭 수단을 포함할 수 있다.
지금부터는 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 회로망이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망보다 낮은 DC 전압을 갖는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 컨버터(30)의 동작이 설명될 것이다.
도 4a를 참조하면, 모듈(M1)의 하부 반도체 스위치(40)를 개방 위치에 있게 하고 상부 반도체 스위치(40)를 닫음으로써 모듈(M1)이 회로 내에 삽입되고 다른 모듈들(M2...Mn-1,Mn)의 개별적인 하부 반도체 스위치들(40)을 닫음으로써 다른 모듈들(M2...Mn -1,Mn)이 바이패스된다.
이리하여, 커패시터(42)가 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 전압과 동일해질 수 있는 소정 전압 레벨에 이를 때까지 상기 삽입된 모듈(M1)이 충전 전류(56)로 도시된 바와 같은, 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 전압에 의해 충전된다.
이리하여, 상기 충전된 모듈(M1)은 자신의 반도체 스위치들(40)을 닫음으로써 바이패스되고, 충전되지 않은 다른 모듈(M2)이 전기 충전되도록 회로 내에 삽입된다. 이러한 충전 프로세스는 사용자가 필요로 하는 만큼 다수의 모듈에 대해 반복된다. 충전 스텝 동안, 다이오드(54)는 역방향으로 바이어스되는데, 이것이 의미하는 것은 어떠한 전류도 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망으로 흐르지 않음을 의미한다.
삽입된 체인-링크 모듈들(38)의 개수는, 충전된 모든 모듈들(38)이 동일한 전기 충전량을 수용하게 하도록 충전 스텝 동안 동적으로 증가 및 감소할 수 있게 된다.
방전 스텝 동안, 체인-링크 컨버터(32)는, 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압보다 높게 되도록 복수 개의 충전된 모듈들(M1,M2...Mn -1,Mn)로부터 형성된다. 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압은 상기 삽입된 충전된 모듈들(38)의 전압들의 합이다.
상기 체인-링크 컨버터(32)를 형성하는데 필요한 충전된 모듈들(38)은 상기 충전된 모듈들(38)의 하부 반도체 스위치들을 개방 위치에 있게 하고 상기 충전된 모듈들(38)의 상부 반도체 스위치들을 닫힌 위치에 있게 함으로써 회로 내에 삽입되고 사용하지 않는, 충전되거나 충전되지 않은 모듈들(38)은 사용하지 않는, 충전되거나 충전되지 않은 모듈들(38)의 개별적인 하부 반도체 스위치들(40)을 닫음으로써 바이패스된다. 상기 체인-링크 컨버터(32) 및 상기 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압 간의 전압 차이로 인해 다이오드(54)가 순방향으로 바이어스됨으로써 상기 삽입된 모듈들(38)에 저장된 전기 에너지가 방전 전류(58)로 도시된 바와 같이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망으로 방전된다.
커패시터들(42)이 본질적으로 방전 사이클 동안 방전함으로써 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단 간의 전압이 강하하게 되면, 상기 체인-링크 컨버터(32)에서 사용되는 충전된 모듈들(38)의 개수가 원하는 출력 전압 프로파일을 유지하기 위해 점차로 증가할 수 있게 된다.
그러므로, 전력은 병렬 DC 전압 소스 컨버터(30)에서의 상기 체인-링크 모듈들(38)의 전기 충전 및 방전을 통해 제1 DC 단자(34)에 접속된 낮은 DC 회로망으로부터 제2 DC 단자(36)에 접속된 높은 DC 회로망으로 전송될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 복수 개의 모듈들(38)은 한번에 단일 모듈을 삽입하는 대신에 충전 프로세스 동안 동시에 충전되도록 회로에 삽입된다. 이는 개별적인 체인-링크 모듈들(38) 각각의 용량을 초과하는 DC 전압을 갖는 DC 회로망이 제1 DC 단자(34)에 접속될 수 있게 한다. 삽입된 모듈들(38)의 개수는 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압의 값들 및 개별적인 체인-링크 모듈들(38) 각각의 전압 용량에 의존한다.
상기 체인-링크 컨버터(32)에서의 풀-브리지 요소들의 사용을 채용하는 실시예들에서는, 4-사분면 바이폴라 모듈(46)의 양방향 특성이 병렬 DC 전압 소스 컨버터(30)가 낮은 DC 전압을 갖는 DC 회로망으로부터 높은 DC 전압을 갖는 DC 회로망으로 전력을 전송할 수 있게 하고 그러한 4-사분면 바이폴라 모듈(46)의 양방향 특성이 또한 DC 회로망들 간의 전압 반전을 제공할 수 있는 능력을 갖게 한다.
상기 풀-브리지 요소들(46)의 양방향 특성으로 인해, 스위칭 어셈블리(48)는 직렬로 그리고 서로 반대방향으로 2개의 다이오드를 접속하도록 개조됨으로써, 방전 전류(58)의 원하는 방향이 다이오드로 하여금 역방향으로 바이어스되게 하는 경우에 어느 한 다이오드가 바이패스될 수 있다.
정상 동작시에는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 다이오드(54a)가 순방향으로 바이어스되고 다이오드(54b)가 역방향으로 바이어스되도록 각각의 충전된 풀-브리지 요소(46) 내의 커패시터(42)가 상기 체인-링크 컨버터(32) 내에 삽입된다. 이는 반도체 스위치들(40a,40c)을 개방 위치에 있게 하며 각각의 삽입된 풀-브리지 요소(46) 내의 반도체 요소들(40b,40d)을 닫고 기계 또는 반도체 바이어스 스위치(55)를 가지고 역방향으로 바이어스된 디이오드(54b)를 단락시킴으로써 이루어진다.
전압 반전을 제공하기 위해서는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 다이오드(54b)가 순방향으로 바이어스되고 다이오드(54a)가 역방향으로 바이어스되도록 각각의 충전된 풀-브리지 요소들(46) 내의 커패시터(42)가 상기 체인-링크 컨버터(32)에서 반대 방향으로 삽입된다. 이는 반도체 스위치들(40b,40d)을 개방 위치에 있게 하며 각각의 삽입된 풀-브리지 요소(46) 내의 반도체 스위치들(40a,40c)을 닫고 기계 또는 반도체 바이패스 스위치(55)를 가지고 역방향으로 바이어스된 다이오드(54a)를 단락시킴으로써 이루어진다.
그러므로, 방전 전류(58)는 각각의 풀-브리지 요소(46) 내의 반도체 스위치들(40a,40b,40c,40d)의 위치들에 의존하여 서로 다른 방향들로 흐를 수 있다.
따라서, 전력은 풀-브리지 요소들(46)의 사용에 기반한 병렬 DC 전압 소스 컨버터(30)에서의 체인-링크 모듈들(38)의 전기 충전 및 방전을 통해 낮은 DC 전압을 갖는 DC 회로망으로부터 높은 DC 전압을 갖는 DC 회로망으로 반전된 형태로 전송될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 직렬 DC 전압 소스 컨버터(60)가 도시되어 있다.
상기 체인-링크 컨버터(32)는 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압과 직렬로 접속된다. 이와 같은 컨버터(32) 및 제2 DC 단자(36)의 직렬 구조는 스위칭 어셈블리(62) 및 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압과 병렬로 접속된다. 제1 인덕터(50)는 제1 DC 단자(34)와 직렬로 접속되며 제2 인덕터(52)는 제2 DC 단자(36)와 직렬로 접속된다.
그러한 스위칭 수단(62)은 하프-브리지 요소들(44) 또는 풀-브리지 요소들(46)인 것이 바람직한 모든 또는 각각의 모듈(46)의 전기 충전 및 방전 간에 토글링하는데 활용된다. 이러한 실시예에서는, 상기 스위칭 어셈블리(62)가 다이오드(64)로 구성된다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 상기 스위칭 어셈블리(62)가 유사한 기능을 제공하는 임의의 수동 또는 능동 스위칭 수단으로 대체될 수 있다.
지금부터는 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압보다 낮은 DC 전압을 갖는 DC 회로망이 제1 DC 단자(34)에 접속되는 도 7을 참조하여 컨버터(60)의 동작이 설명될 것이다.
각각의 체인-링크 모듈(38)은 설계 단계에서 설정되는 최소 전압 레벨로 유지된다.
충전 스텝 동안에는, 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압이 상기 제1 및 제2 DC 단자들(34,36) 간의 차동 전압을 지원하도록 복수 개의 모듈들(38)이 상기 체인-링크 컨버터(32) 내에 삽입된다. 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압은 상기 삽입된 충전된 모듈들(38)의 전압들의 합이다.
상기 체인-링크 모듈들(38)이 충전 전류(56)에 의해 계속해서 충전됨에 따라, 각각의 체인-링크 모듈(38) 양단에 걸린 전압은 시간 경과에 따라 증가하게 된다. 그러므로, 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전체 전압을 유지하는 동안 각각의 삽입된 모듈(38)이 소정 레벨로 충전될 때까지 삽입된 모듈들(38)의 개수는 제어된 순환 방식(controlled cyclic manner)으로 감소할 수 있게 된다.
방전 사이클 동안에는, 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압보다 높게 되도록 상기 체인-링크 컨버터(32)가 복수 개의 충전된 모듈들(36)로부터 형성된다.
상기 체인-링크 컨버터(32)를 형성하는데 필요한 충전된 모듈들(38)은 상기 충전된 모듈들(38)의 하부 반도체 스위치들(40)을 개방 위치에 있게 하며 상부 반도체 스위치들(40)을 닫힌 위치에 있게 함으로써 회로 내에 삽입되고 사용되지 않는, 충전되거나 충전되지 않은 모듈들(38)은 사용되지 않는, 충전되거나 충전되지 않은 모듈들(38)의 개별적인 하부 반도체 스위치들(40)을 닫음으로써 바이패스된다. 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압보다 높은 경우에, 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압은 다이오드(64)를 순방향으로 바이어스시키고 또한 상기 체인-링크 모듈들(38)에 대한 제1 및 제2 방전 전류들(58a,58b)의 형성을 초래시킨다.
제1 방전 전류(58a)는 다이오드(64) 및 체인-링크 컨버터(32)를 통해 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망 내로 흐르고 제2 방전 전류(58b)는 다이오드(64)를 통해 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 회로망 내로 흐른다.
그러므로, 전력은 직렬 DC 전압 소스 컨버터(60)에서의 체인-링크 모듈들(38)의 전기 충전 및 방전을 통해 제2 DC 단자(36)에 접속된 높은 DC 회로망으로부터 제1 DC 회로망에 접속된 낮은 DC 회로망으로 전송될 수 있다. 상기 체인-링크 컨버터(32)는, 상기 모듈들(38) 모두가 균등하게 방전되게 하기 위해 상기 모듈들(38)을 통해 순환하도록 제어가능하다. 방전 사이클의 종료시, 상기 모듈들(38) 모두는 상기 모듈들(38)의 최소 전압 레벨들로 복귀하고 다시금 충전 사이클이 개시하게 된다.
상기 체인-링크 컨버터(32)에서의 풀-브리지 요소들(46)의 사용을 활용하는 실시예들에서는, 4-사분면 바이폴라 모듈(46)의 양방향 특성이 직렬 DC 전압 소스 컨버터(60)로 하여금 도 7에 도시된 바와 같은 전압 스텝-다운 기능을 제공할 수 있게 하고 4-사분면 바이폴라 모듈(46)의 양방향 특성이 또한 전압 스텝-업 기능을 제공할 수 있는 능력을 갖게 한다.
상기 전압 스텝-업 기능은 특정의 반도체 스위치들을 폐쇄 및 개방하여 풀-브리지 요소들(46)에서의 전류 흐름 방향을 바꾸어 줌으로써 상기 체인-링크 컨버터(32)에서 각각의 풀-브리지 요소(46) 내의 커패시터(42)를 반대 방향으로 삽입시키는 방식으로 수행된다. 이러한 동작으로 상기 체인-링크 컨버터(32) 양단에 걸린 전압이 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압으로부터 감산하게 되는 대신에 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압에 추가하게 됨으로써, 상기 체인-링크 컨버터(32)에 걸린 전압 및 상기 직렬 컨버터(60) 양단에 걸린 전압이 결합하게 되어, 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 DC 전압이 높은 전압 레벨로 스텝-업하게 되는 결과가 초래된다.
그러므로, 전력은 풀-브리지 요소들(46)의 양방향 특성에 기반한 직렬 DC 전압 소스 컨버터(60)에서의 체인-링크 모듈들(38)의 전기 충전 및 방전을 통해 낮은 DC 회로망으로부터 높은 DC 회로망으로 전송될 수 있다.
풀-브리지 요소들(46)의 사용을 활용하는 직렬 DC 전압 소스 컨버터들(60)은 또한 제1 및 제2 DC 단자들(34,36)에 접속된 DC 회로망들 중 어느 하나에서의 고장으로 인한 피해를 제한할 수 있는 이점을 갖는다.
상기 DC 회로망들 중 어느 하나에서 고장이 난 경우에, 반도체 스위치들(40)은 개방 위치에 있게 되고, 물론 각각의 체인-링크 모듈(38) 내의 커패시터(42)는 프리-휠(free-wheel) 다이오드들(64)을 통한 구동 전압에 대항하는 전압을 삽입한다. 그 외에도, 상기 DC 회로망들 중 어느 하나에서의 고장 전류가 소멸하게 될 때까지 이러한 모드에서 커패시터들(42)이 계속 충전하도록 전류가 흐른다.
도 8에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 DC 전압 소스 컨버터(66)가 도시되어 있다.
상기 DC 전압 소스 컨버터(66)는 제1 DC 단자(34)에 접속된 DC 회로망과 병렬로 접속되고 제2 체인-링크 컨버터(32b) 및 제2 DC 단자(36)에 접속된 DC 회로망의 직렬 구조와 병렬로 접속되는 제1 체인-링크 컨버터(32b)를 포함한다. 제1 인덕터(50)는 제1 DC 단자(34)와 직렬로 접속되고 제2 인덕터(52)는 제2 DC 단자(36)와 직렬로 접속된다.
이러한 실시예에서는, 스위칭 어셈블리가 여러 스위칭 수단(48,62)에 의해 이전에 수행됐던 스위칭 동작들을 수행하도록 제어가능한 체인-링크 컨버터들(32a,32b)로 대체된다.
상기 결합된 DC 전압 컨버터(66)는 단일 패키지에서 병렬 컨버터(30) 및 직렬 컨버터(60)의 기능들을 수행할 수 있는 유동적인 구조를 제공한다.

Claims (12)

  1. 고전압 DC 송전에서 사용하기 위한 DC 전압 소스 컨버터(30)로서, 상기 DC 전압 소스 컨버터는 제1 및 제2 DC 단자들(34,36) 사이에 접속된 적어도 하나의 체인-링크(chain-link) 컨버터(32)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 직렬로 접속된 일련의 모듈들(38)을 포함하고 각각의 모듈은 에너지 저장 장치(42)와 병렬로 접속된 적어도 한 쌍의 반도체 스위치들(40)을 포함하며, DC 회로망들이 상기 제1 및 제2 DC 단자들에 접속될 때 상기 적어도 하나의 체인-링크 컨버터 중 각각 또는 그 모두가 상기 모듈들의 스위칭을 제어하여 상기 모듈들 중 하나 이상의 모듈들의 에너지 저장 장치들을 선택적으로 충전 또는 방전시키고, 필요에 따라서는 상기 DC 회로망들의 DC 전압 레벨들에 있어 어떤 차이가 있더라도 그 차이를 오프셋(offset)시키도록 동작가능한, DC 전압 소스 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 반도체 스위치(40)는 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터를 포함하는, DC 전압 소스 컨버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 에너지 저장 장치(42)는 유효 전력의 소스를 제공할 수 있는, 커패시터, 배터리, 연료 전지, 정류 기능을 갖는 AC 전기 기계, DC 전기 기계 또는 다른 전압 소스인, DC 전압 소스 컨버터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 모듈의 반도체 스위치들(40)은, 제로(0) 또는 양(+) 전압을 전개할 수 있으며 양측 방향 모두로 전류를 흐르게 할 수 있는 2-사분면 유니폴라 모듈을 정의하도록 하프-브리지 구조에서 개별적인 에너지 저장 장치와 접속되는, DC 전압 소스 컨버터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 모듈의 반도체 스위치들(40)은 양(+) 전압 또는 음(-) 전압을 전개할 수 있으며 양측 방향 모두로 전류를 흐르게 할 수 있는 4-사분면 바이폴라 모듈을 정의하도록 풀-브리지 구조로 개별적인 에너지 저장 장치와 접속되는, DC 전압 소스 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 각각의 모듈의 반도체 스위치들은 고장 상태에서 개방 위치에 있게 하도록 동작가능한, DC 전압 소스 컨버터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 또는 각각의 체인-링크 컨버터의 모든 또는 각각의 모듈의 전기 충전 및 방전 간에 토글링(toggling)하도록 하는 스위칭 어셈블리(48)를 더 포함하는, DC 전압 소스 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 어셈블리(48)는 하나 이상의 다이오드들을 포함하는, DC 전압 소스 컨버터.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 모든 또는 각각의 체인-링크 컨버터는 상기 제1 DC 단자(34)와 병렬로 접속되며 상기 제2 DC 단자(36) 및 상기 스위칭 어셈블리(48)의 직렬 구조와 병렬로 접속되는, DC 전압 소스 컨버터.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 모든 또는 각각의 체인-링크 컨버터(32) 및 제2 DC 단자(36)의 직렬 구조는 상기 제1 DC 단자(34)와 병렬로 접속되며 상기 스위칭 조립체(48)와 병렬로 접속되는, DC 전압 소스 컨버터.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 체인-링크 컨버터(32a)는 상기 제1 DC 단자(34)와 병렬로 접속되며 제2 DC 단자(36) 및 제2 체인-링크 컨버터(32b)의 직렬 구조와 병렬로 접속되는, DC 전압 소스 컨버터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC 전압 소스 컨버터(30)는 상기 제1 및 제2 DC 단자들(34,36) 중 하나 또는 모두와 직렬로 접속된 하나 이상의 인덕터들(50,52)을 포함하는, DC 전압 소스 컨버터.
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