KR20150045462A - 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

일 실시형태에 따른 전력 변환 장치는, 자기 소호 능력을 갖는 스위칭 소자가 직렬로 2개 접속된 레그와, 당해 레그와 병렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 구성 요소를 변환기 유닛으로 하고, 1 이상의 상기 변환기 유닛이 직렬로 접속된 구성 요소를 상암이라고 했을 때, 3상의 각 상에 양측 상암과 단상 4권선 트랜스와 음측 상암을 포함하고, 상기 양측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 2차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 양측 단자에 접속되고, 상기 음측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 3차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 음측 단자에 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 2차 권선과 3차 권선의 음측은 서로 접속됨과 함께 3상간에서도 서로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 1차 권선 음측은 서로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 4차 권선은 델타 결선으로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 1차 권선 양측과, 고전압 교류계통 사이에 접속된 제1 교류 차단기와, 상기 4권선 트랜스의 4차 권선과 저전압 교류 전원 사이에 직렬로 접속된 제2 교류 차단기와 돌입 전류 억제용 저항을 구비한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 직류와 교류를 서로 전력 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래, 전력계통의 교류를 직류로 변환하는 컨버터나, 직류를 교류로 변환하여 모터 구동에 사용하는 전력 변환 장치에는, 3상 2레벨 컨버터, 3상 2레벨 인터버가 적용되어 왔다. 3상 2레벨 인터버는, 직류로부터 3상 교류를 출력하는 전력 변환 장치를 구성함에 있어 필요 최소한의 반도체 스위칭 소자 6개로 구성되기 때문에, 소형 저비용화를 도모할 수 있다.

한편, 그 출력 전압 파형은, 입력 직류 전압을 Vdc라고 했을 때, 각 상마다, +Vdc/2와, -Vdc/2의 2값의 전환을 PWM(펄스폭 변조)으로 행하고, 유사적으로 교류 파형이 생성된 파형으로 되어 있으며, 고내압의 스위칭 소자를 사용하고 있어서 PWM 스위칭 주파수를 높게 할 수 없는 고전압 모터 드라이브나, 직류 송전 등의 전력계통 접속 기기에 있어서는, 스위칭 고조파 저감을 위해, 3상 교류 출력에 리액터나 콘덴서로 구성되는 필터를 삽입하지만, 전력계통에 유출하는 고조파 성분이 다른 기기에 악영향을 끼치지 않는 레벨까지 저감하기 위해서는, 이 필터 용량이 커져 있으며, 비용 상승과, 중량 증가를 초래하고 있었다.

또한, 종래의 회로 방식에서는, 도 6에 나타낸 모듈러 멀티레벨 변환기와 같이, 초퍼 회로를 다단 접속하고, 전력계통, 배전계통 전압과 동등한 고전압을 변환할 수 있는 전력 변환기의 연구 개발도 진행되고 있다.

이것이 실용화되면, 중량·체적이 크고, 시스템 전체에 차지하는 비용도 비교적 큰 트랜스가 간략해지는 것 외에, 출력 전압·전류 파형이 다(多)레벨화에 의해 정현파에 근접하므로, 고조파 필터가 불필요해지는 메리트도 향수할 수 있다.

이 회로 방식은, 각 변환기 유닛의 구성 요소인 직류 콘덴서의 전압값을 일정하게 제어하기 위해서, 직류 전원을 환류시키는 환류 전류를 항시 흐르게 하는 것이 원리적으로 필요하다. 3상을 동일 직류 전원에 접속하고 있으므로, 각 상의 직류 전압 합성값이 약간이라도 다르면, 상간에 과대한 단락 전류가 흐르게 되어버려 기기를 파괴해버릴 위험이 있다. 이것을 방지하기 위해서, 각 상에 버퍼 리액터를 삽입하고, 단락 전류가 과대해지지 않도록 제한을 가하고 있다. 이 버퍼 리액터는 장치의 대형화, 고비용화를 초래한다.

이 과제를 해결하는 방법으로서, 도 7에 나타낸 바와 같은 주회로 구성이 제안되어 있다. 이 구성에서는, 단상 3권선 트랜스가 UVW의 각 상에 마련되어 있다. 이 방식을 사용하면, 버퍼 리액터와 같은 고비용·대형의 리액터를 없애면서, 고조파 억제 필터 없이 저레벨 고조파의 전압 전류 파형을 출력할 수 있는 소형의 전력 변환기를 제공할 수 있다.

2009년 cigre 논문 예고집 Paper401(Multilevel Voltage-Sourced Converters for HVDC and FACTS Applications : Siemens AG)

그러나, 이 회로 방식은, 최초의 기동에 있어서, 변환기를 구성하는 변환기 유닛의 콘덴서를 전력계통으로부터 초기 충전할 필요가 있지만, 충전 전류의 돌입 과전류를 억제하기 위한 초기 충전 저항이, 전력계통 전압의 고전압의 절연에 견디는 사양으로 설치할 필요가 있기 때문에, 고비용, 대형화해버리는 문제가 있다.

또한, 도 7에 나타낸 바와 같은 회로 구성에 있어서는, 변환기로부터 의도하지 않게 출력되게 되는 3차 고조파 전류 등이, 트랜스의 여자 전류가 되어서 계통 전압이 정현파 전압이 아닌 왜곡 전압이 되게 되는 결과, 전력계통에 악영향을 줄 우려가 있었다.

따라서 실시형태는, 고조파 억제 필터 없이 저레벨 고조파의 전압 전류 파형을 출력함과 함께, 버퍼 리액터와 같은 고비용·대형의 리액터를 없애고, 또한, 초기 충전용 돌입 전류 억제 저항도 저비용 소형화할 수 있는, 소형의 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

일 실시형태는, 직류와 교류를 서로 전력 변환하는 전력 변환 장치로서, 자기 소호(自己消弧) 능력을 갖는 스위칭 소자가 직렬로 2개 접속된 레그(leg)와, 당해 레그와 병렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 구성 요소를 변환기 유닛이라 하고, 1 이상의 상기 변환기 유닛이 직렬로 접속된 구성 요소를 상암이라 했을 때, 3상의 각 상에 양측(正側) 상암과 단상 4권선 트랜스와 음측(負側) 상암(phase arm)을 포함하고, 상기 양측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 2차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 양측 단자에 접속되고, 상기 음측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 3차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 음측 단자에 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 2차 권선과 3차 권선의 음측은 서로 접속됨과 함께 3상간에서도 서로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 1차 권선 음측은 서로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 4차 권선은 델타 결선으로 접속되고, 상기 4권선 트랜스의 1차 권선 양측과, 고전압 교류계통 사이에 접속된 제1 교류 차단기와, 상기 4권선 트랜스의 4차 권선과 저전압 교류 전원 사이에 직렬로 접속된 제2 교류 차단기와 돌입(突入) 전류 억제용 저항을 구비한다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 초기 충전 시의 동작을 나타낸 도면.
도 3은 초기 충전 시의 동작을 나타낸 도면.
도 4는 제2 실시형태에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 제3 실시형태에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 종래의 전력 변환기의 구성예를 나타낸 도면.
도 7은 종래의 전력 변환기의 구성예를 나타낸 도면.

이하, 실시형태에 따른 전력 변환 장치에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 이하, 이 전력 변환 장치를, 3상 50㎐의 전원을 절연 트랜스를 통하여 직류로 전력 변환하는 전력 변환 장치(컨버터)로서 설명한다. 그러나, 이 전력 변환 장치는, 전류 지령값의 극성을 반대로 하는 등의 제어에 의해, 직류를 3상 50㎐의 교류로 변환하는 전력 변환 장치(인터버)로서도 동작할 수 있다.

자기 소호 능력을 갖는 스위칭 소자 Q1을 직렬로 2개 접속한 레그(1)와, 콘덴서 C1을 병렬로 접속하여 이루어지는 초퍼 브리지 단위 변환기(2)를 변환기 유닛으로서, N개(본 예에서는 N=2)의 변환기 유닛을 직렬로 접속한 상암(3)을 구성한다.

양측 상암의 일단은 직류 전원(C2, C3) 양측 단자에 접속되고, 타단은 단상 4권선 트랜스 TR의 2차 권선 양측에 접속된다. 음측 상암의 일단은 직류 전원 음측 단자에 접속되고, 타단은 트랜스 TR의 3차 권선 양측에 접속된다. 트랜스 TR의 2차 권선 음측과 3차 권선 음측은 서로 접속되고, U상, V상, W상간에서도 교류 중점 Nac로서 서로 접속된다. 트랜스 TR의 4차 권선은, U상, V상, W상에 있어서, 서로 직렬 접속되고, 델타 결선의 구성을 갖고 있다.

트랜스 TR의 1차 권선 음측은, U상, V상, W상 사이에서 서로 단락 접속하고, 1차 권선 양측은, U상, V상, W상의 입력단으로서 50㎐ 계통 전원에, 1차 권선 차단기(4)를 통하여 접속된다.

다음으로, 제1 실시형태의 동작을 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 상암(3)이 도 1과 같이, 2개의 변환기 유닛(2)으로 구성되었을 경우를 설명한다. 각 단상 트랜스 TR의 1차 2차 권선 간의 권수비는 1:1인 경우를 예로 설명한다. 또한, U상, V상, W상의 동작은 같으므로, U상을 예로서 이하 설명한다.

직류 전원(C2, C3)의 중성점 Ndc를 접지점의 전압 기준으로 하고, 접지점으로부터 본 교류 출력점의 전압을 Vu라고 한다. 또, 교류 중성점 Nac의 전위는, 직류 중성점 Ndc의 전위와 동일해지도록 제어된다. 직류 전원의 양음 각각의 전압을 Vdc, 변환기 유닛(2)의 콘덴서 전압을 Vc로 하고, 양측 전원 측에 접속되는 변환기 유닛의 출력 전압을 VuP, 음측 전원 측에 접속되는 변환기 유닛의 출력 전압을 VuN이라고 한다. 그러면, 다음 관계가 성립된다.

양측 변환기 유닛 전압 VuP=Vdc-VuRef

(VuRef는, 출력하고자 하는 교류 전압 지령값)

이때, 출력 전압 Vu는 이하와 같이 출력된다.

Vu=Vdc-VuP=Vdc-(Vdc-VuRef)=VuRef

음측 변환기 유닛 전압 VuN=Vdc-VuRef

(VuRef는, 출력하고자 하는 교류 전압 지령)

이때, 출력 전압 Vu는 이하와 같이 출력된다.

Vu=-Vdc+VuN

=-Vdc+(Vdc-VuRef)=-VuRef

교류 부하 전류 Iu는 양측 변환기 유닛과 음측 변환기 유닛에 각각 흐른다.

이때, 양측 변환기 유닛의 콘덴서는, 이하의 식으로 표시되는 전력 PowerP에 따라 충방전이 이루어진다.

PowerP=VuP×Iu=(Vdc-VuRef)×Iu

VuRef와 Iu가 동위상 즉 역률 1로 동작하고 있는 경우에 대해서 계산하면, 교류 1주기에서의 PowerP의 평균값은 마이너스가 된다. 즉, 상기 동작 모드만으로 출력 전압 제어를 행하면, 양측 변환기 유닛의 콘덴서 전압 평균값은 일정하게 유지할 수 없고, 운전 계속을 할 수 없다.

마찬가지로 음측 변환기 유닛의 콘덴서 전압도 역률 1 동작 시의 PowerN은, 교류 1주기에서의 평균값이 플러스가 되고, 콘덴서 전압 평균값을 일정하게 유지할 수 없고, 운전 계속을 할 수 없다.

이 문제를 해결하기 위해서, 직류 전원 양측으로부터 양측 변환기 유닛, 양측 단상 트랜스, 음측 단상 트랜스, 음측 변환기 유닛, 직류 전원 음측의 경로에서 직류로 충방전 전류를 흐르게 하여 콘덴서 전압의 평균값을 일정하게 한다.

구체적으로는, 이하 식에 의해, 직류 콘덴서 전압 평균값 일정 제어 보정값 ΔVfcControl을 연산하고, 양측 음측 변환기 유닛 출력 전압 지령 VuP, VuN을 보정 출력한다. 즉, 이 ΔVfcControl을 출력 전압 지령 VuP, VuN에 가산한다.

ΔVfcControl=G(s)×(VCref-VCu_AVE)

VCref는, 변환기 유닛 콘덴서 전압 지령값이며, 미리 설정된 값.

VCu_AVE는, U상 양음 전체 변환기 유닛의 콘덴서 전압 평균값.

G(s)는 제어 게인이며 s는 라플라스 연산자. 이것은 비례 적분 제어가 적합하다.

이 동작은 종래와 같지만, 종래에는, 직류 순환 전류의 급증을 방지하기 위한 버퍼 리액터를 특별히 설치할 필요가 있었던 것에 반해, 본 실시형태에 있어서의 회로 방식으로는, 직류 순환 전류의 경로에 절연 트랜스로서의 단상 트랜스가 포함되어 있기 때문에, 이 트랜스의 누설 인덕턴스 성분에 의해 직류 순환 전류의 급증이 원리적으로 발생하지 않는다.

다음으로, 본 실시형태에 따른 콘덴서의 초기 충전에 대하여 설명한다.

트랜스 TR의 4차 권선은, 초기 충전용으로 마련되어 있다. 이 4차 권선은, U상, V상, W상 각각의 단상 트랜스 TR의 4개째의 권선으로서 구성된다. 4차 권선의 U상 양측의 단자는 W상 음측의 단자에 접속하고, V상 양측의 단자는 U상 음측 단자, W상 양측 단자는 V상 음측 단자에 접속함으로써 델타 권선 구성이 된다.

4차 권선의 U상, V상, W상의 각각의 양측 단자는, 4차 권선 차단기(5), 저내전압의 초기 충전 저항(6)을 통하여, 저전압 교류 전원(7)에 접속된다. 이 교류 전원(7)에는 3.3㎸ 등의 일반 전원을 사용한다. 또는, 인터버 등의 가변 전압 전원을 사용해도 된다.

다음으로, 초기 충전 시의 동작을 도 2, 도 3을 사용하여 설명한다. 전력 변환기의 기동 시, 변환기 유닛의 콘덴서는 전부 방전되어 있으며, 제로 전압으로 되어 있다.

1차 권선 차단기(4)는 해방 상태이며, 우선 최초에 4차 권선 차단기(5)를 투입한다. 그러면, 3.3㎸ 3상 교류 전원(7)으로부터, 돌입 전류 억제용의 초기 충전 저항(6), 트랜스 4차 권선, 트랜스 2차 권선, 트랜스 3차 권선을 통과하면서, 변환기 유닛의 콘덴서가 충전된다.

도 2는 U'V'선간 전압이 양일 때, 즉 U'상 전압이 V'상 전압보다 높을 때의 충전 경로를 나타내고 있다. 이때, U상 음측 상암 및 V상 양측 상암의 콘덴서가 충전된다. 도 3은 U'V'선간 전압이 음일 때, 즉 U'상 전압이 V'전압보다 낮을 때의 충전 경로를 나타내고 있다. 이때, U상 양측 상암 및 V상 음측 상암의 콘덴서가 충전된다. 또, W상의 콘덴서도 V상과의 상호 작용으로 마찬가지로 충전된다.

돌입 전류 억제용의 초기 충전 저항(6)과, 변환기 유닛의 콘덴서의 직렬 수 만큼의 용량 C로 정해지는 시정수 T=C×R(초)로 콘덴서가 각각 충전된 후, 1차 권선 차단기(4)를 투입한다. 그 후, 전력 변환 장치는 통상 운전 동작으로 이행한다.

이상의 구성에 의해, 고조파 억제 필터 없이 저레벨 고조파의 전압 전류 파형을 출력함과 함께, 버퍼 리액터와 같은 고비용·대형의 리액터를 없애고, 또한, 돌입 전류 억제용의 초기 충전 저항도 저비용 소형화할 수 있는, 소형 전력 변환 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

도 4는 도 6에 나타낸 종래의 모듈러 멀티레벨 변환기(8)에, 제1 실시형태와 같은 초기 충전 회로(9)를 적용한 제2 실시형태의 구성을 나타낸다. 트랜스 TR은, 스타 결선으로 구성되는 1차 권선 및 2차 권선과, 델타 결선으로 구성되는 3차 권선을 갖는다. 1차 권선은 교류 차단기(4)를 통하여 고전압의 교류 전력계통에 접속되고, 2차 권선은 상기 모듈러 멀티레벨 변환기의 교류 단자에 접속되고, 3차 권선은, 차단기(5)와 초기 충전 저항(6)을 통하여, 저전압의 교류 전원(7)에 접속된다.

본 구성에 의해, 고조파 억제 필터 없이 저고조파의 전압 전류 파형을 출력함과 함께, 또한, 초기 충전용 돌입 전류 억제 저항도 저비용 소형화할 수 있는, 소형의 전력 변환기를 제공하는 것이 가능해진다.

도 5는 제3 실시형태에 따른 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

이 전력 변환 장치는, 도 4의 전력 변환 장치의 초기 충전 회로(9)에 대하여, 3상 단락용 스위치(10)가 차단기(5)와 초기 충전 및 방전용 저항(6) 사이에 마련되고, 차단기(5)가 3상 교류 전원(7) 측에 마련되고, 초기 충전 및 방전용 저항(6)이 트랜스의 3차 권선 측에 마련된다.

1차 권선 차단기(4)를 개방하여 전력 변환 장치의 운전 정지 후, 변환기 유닛(2)의 콘덴서 C1은 고전압으로 충전되어 있다. 그래서, 변환기 유닛의 콘덴서를 단시간에 방전하고자 하는 경우에, 차단기(5)를 개방한 후, 3상 단락용 스위치(10)를 투입하고, 전력 변환 장치를 운전한다. 그러면, 초기 충전 및 방전용 저항(6)을 통하여 방전 전류가 흘러, 콘덴서 C1은 방전된다. 따라서 전력 변환 장치는, 안전한 상태로 유지된다. 또, 이 운전 정지 후에 콘덴서를 방전하기 위한 구성은, 도 1의 제1 실시형태에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다. 즉 도 1의 구성에 있어서, 초기 충전 저항(6)과 차단기(5)의 배치를 반대로 하고, 그 사이에 3상 단락용 스위치(10)를 마련하면 된다.

본 발명의 몇 가지의 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규한 실시형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

1…레그, 2…변환기 유닛, 3…상암, 4, 5…차단기, 6…초기 충전 저항, 7…저전압 교류 전원, 8…모듈러 멀티레벨 변환기, 9…초기 충전 회로, 10…3상 단락용 스위치

Claims (4)

1. 직류와 교류를 서로 전력 변환하는 전력 변환 장치로서,
   자기 소호(自己消弧) 능력을 갖는 스위칭 소자가 직렬로 2개 접속된 레그(leg)와, 당해 레그와 병렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 구성 요소를 변환기 유닛이라 하고, 1 이상의 상기 변환기 유닛이 직렬로 접속된 구성 요소를 상암(phase arm)이라 했을 때, 3상의 각 상에 양측(正側) 상암과 단상 4권선 트랜스와 음측(負側) 상암을 포함하고,
   상기 양측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 2차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 양측 단자에 접속되고,
   상기 음측 상암의 1단은, 상기 4권선 트랜스의 3차 권선 양측에 접속되고, 타단은 직류 음측 단자에 접속되고,
   상기 4권선 트랜스의 2차 권선과 3차 권선의 음측은 서로 접속됨과 함께 3상간에서도 서로 접속되고,
   상기 4권선 트랜스의 1차 권선 음측은 서로 접속되고,
   상기 4권선 트랜스의 4차 권선은 델타 결선으로 접속되고,
   상기 4권선 트랜스의 1차 권선 양측과, 고전압 교류계통 사이에 접속된 제1 교류 차단기와,
   상기 4권선 트랜스의 4차 권선과 저전압 교류 전원 사이에 직렬로 접속된 제2 교류 차단기와 돌입(突入) 전류 억제용 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전력 변환 장치의 기동 시, 상기 제1 교류 차단기를 개방한 상태에서, 상기 제2 교류 차단기를 투입함으로써, 상기 돌입 전류 억제용 저항으로 전류 제한하면서, 상기 저전압의 교류 전원으로부터 각 변환기 유닛을 구성하는 콘덴서에 전하를 충전한 후, 상기 교류 차단기를 투입하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 돌입 전류 억제용 저항은 상기 4차 권선에 접속되고, 상기 제2 교류 차단기는 상기 저전압 교류 전원에 접속되고, 상기 돌입 전류 억제용 저항과 상기 제2 교류 차단기 사이에 3상 단락용 스위치가 마련되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
4. 직류와 교류를 서로 전력 변환하는 전력 변환 장치로서,
   자기 소호 능력을 갖는 스위칭 소자가 직렬로 2개 접속된 레그와, 당해 레그와 병렬로 접속된 콘덴서로 이루어지는 구성 요소를 변환기 유닛이라 했을 때,
   상기 변환기 유닛을 복수 개 직렬로 접속하여 구성되는 암을 3상 병렬로 접속하고, 양측단을 직류 양측 단자, 음측단을 직류 음측 단자, 중간 단자를 교류 단자로 한 전력 변환기와,
   스타 결선으로 구성되는 1차 권선 및 2차 권선과, 델타 결선으로 구성되는 3차 권선을 갖고, 상기 2차 권선이 상기 전력 변환기의 교류 단자에 접속된 트랜스와,
   상기 1차 권선과 고전압의 교류 전력계통 사이에 접속된 제1 교류 차단기와,
   상기 3차 권선과 저전압의 교류 전원 사이에 직렬 접속된 제2 교류 차단기 및 돌입 전류 억제용 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.

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