KR20230108424A - Modular multilevel converter - Google Patents

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KR20230108424A
KR20230108424A KR1020220003801A KR20220003801A KR20230108424A KR 20230108424 A KR20230108424 A KR 20230108424A KR 1020220003801 A KR1020220003801 A KR 1020220003801A KR 20220003801 A KR20220003801 A KR 20220003801A KR 20230108424 A KR20230108424 A KR 20230108424A
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이동춘
리덕중
홍시형
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 상대적으로 단순한 구조를 가져 경제성을 향상시키고 전력 손실을 감소시킬 수 있으면서, 서브모듈 커패시터의 전압 변동을 감소시키면서, AC측에 공통 모드 전압이 부가되지 않는 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로, 제1직류 전압원, 상기 제1직류 전압원과 직렬로 연결되는 제2직류 전압원, 상기 제1직류 전압원 및 상기 제2직류 전압원과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결되는 제1 내지 3레그를 포함하고, 상기 제1 내지 3레그 각각은, 순차적으로 직렬로 연결되는 어퍼 암; 중간 서브모듈 및 로워 암을 포함하며, 상기 중간 서브모듈은, 4개의 스위치와 1개의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a modular multilevel converter in which a common mode voltage is not added to the AC side while reducing voltage fluctuations of submodule capacitors while improving economic efficiency and reducing power loss due to a relatively simple structure. A first DC voltage source, a second DC voltage source connected in series with the first DC voltage source, first to third legs connected in parallel with the first DC voltage source and the second DC voltage source, and connected in parallel with each other, Each of the first to third legs includes an upper arm sequentially connected in series; It includes an intermediate sub-module and a lower arm, wherein the intermediate sub-module includes 4 switches and 1 capacitor.

Description

모듈러 멀티레벨 컨버터{Modular multilevel converter}Modular multilevel converter {Modular multilevel converter}

본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세히는 중전압 어플리케이션을 위한 저주파수 동작에서 모듈러 서브모듈(Submodule) 커패시터의 교류 전압을 감소시킬 수 있는 새로운 중앙부 서브모듈을 갖는 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a modular multilevel converter, and more particularly, to a modular multilevel converter having a novel central submodule capable of reducing an alternating voltage of a modular submodule capacitor in low frequency operation for medium voltage applications. .

최근 다수개의 모듈러 서브모듈(Modular Submodule, SMs)들이 직렬로 연결되어 구성되는 모듈러 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter, MMC)는 모듈성, 확장성, 내결함성, 작동 및 출력 전압의 낮은 고조파 함량과 같은 다양한 장점으로 인해 주목받고 있다. 이러한 이유로 인해 모듈러 멀티레벨 컨버터의 몇몇 어플리케이션은 중전압부터 고전압 산업 어플리케이션에 도입되어 왔다.Recently, a modular multilevel converter (MMC), which is composed of a plurality of modular submodules (SMs) connected in series, has various advantages such as modularity, scalability, fault tolerance, and low harmonic content of operating and output voltages. It is attracting attention because of For this reason, several applications of modular multilevel converters have been introduced in medium to high voltage industrial applications.

모듈러 멀티레벨 컨버터의 토폴로지와 관련해서는 극복해야할 몇 가지 문제가 있으며, 그 중 하나는 모듈러 서브모듈의 커패시터 전압의 첨두값(교류 전압에서 파형의 최대높이의 값) 변동이 출력 전류 레벨에 비례하고 기본 주파수에 반비례한다는 것이다. 이는 모듈러 서브모듈 커패시터에 큰 전압 변동을 야기하여 저주파수 동작 시 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능저하를 유발하는 요인이었다.Regarding the topology of the modular multilevel converter, there are several problems to be overcome, one of which is that the fluctuation of the peak value (the value of the maximum height of the waveform at the AC voltage) of the capacitor voltage of the modular submodule is proportional to the output current level and that is inversely proportional to the frequency. This caused a large voltage fluctuation in the modular submodule capacitor, which was a factor that caused the performance degradation of the modular multilevel converter during low frequency operation.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법은 고주파 전압과 AC순환 전류가 각 상의 레그에 주입되는 정현파 방법이었다. 상기한 정현파 방법은 컨버터의 저주파 작동 중에 암의 저주파 전력 변동이 감소하여 모듈러 서브모듈의 커패시터 전압 변동이 감쇠되는 효과가 있지만, 각 상에 주입된 고주파 전압에 비례하는 공통 모드 전압(Common-mode voltage, CMV)이 AC측에 부가되었다.A conventional method for solving this problem was a sine wave method in which a high-frequency voltage and an AC circulating current are injected into each phase leg. The above-described sinusoidal method has an effect of attenuating the voltage fluctuation of the capacitor of the modular submodule by reducing the low-frequency power fluctuation of the arm during the low-frequency operation of the converter, but the common-mode voltage proportional to the high-frequency voltage injected into each phase. , CMV) was added to the AC side.

한편, 기존의 모듈러 멀티레벨 컨버터와 달리, 위상 당 하나의 서브모듈이 저장되는 수정된 모듈러 멀티레벨 컨버터가 소개되었으며, 이러한 수정된 모듈러 멀티레벨 컨버터에서 서브모듈의 커패시터 전압 변동은 기존의 모듈러 멀티레벨 컨버터에 비해 상당히 감소되는 것으로 나타났다. 그러나 수정된 모듈러 멀티레벨 컨버터 역시 저주파 동작에서의 전압 변동은 여전히 큰 문제점이 있었다.Meanwhile, unlike conventional modular multilevel converters, a modified modular multilevel converter in which one submodule is stored per phase has been introduced. It was found to be significantly reduced compared to the converter. However, the modified modular multilevel converter still has a big problem with voltage fluctuation in low-frequency operation.

또한, 하나의 상에서 어퍼 암(Upper arm)과 로워 암(Lower arm) 사이에 배치된 중간 서브모듈을 가지는 모듈러 멀티레벨 컨버터의 토폴로지가 소개되었다. 상기한 방식의 모듈러 멀티레벨 컨버터는, 어퍼 암과 로워 삼 사이의 저주파 전력 변동으로 인한 전력 불균형이 중간 서브모듈을 통해 전달되어, 공통 모드 전압(CMV)을 주입하지 않고 서브모듈의 커패시터 전압 변동을 감소시켰다. 단, 이러한 방식에서 중간 서브모듈은 상대적으로 많은 부품수가 필요해 경제성이 낮은 문제점이 있었다.Also, a topology of a modular multilevel converter having an intermediate sub-module disposed between an upper arm and a lower arm in one phase has been introduced. In the above-described modular multilevel converter, the power imbalance due to the low-frequency power fluctuation between the upper arm and the lower three is transmitted through the middle submodule, and the capacitor voltage fluctuation of the submodule is reduced without injecting the common mode voltage (CMV). Reduced. However, in this method, the intermediate submodule requires a relatively large number of parts, resulting in low economic feasibility.

한국 공개특허공보 제10-2021-0120250호("모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어장치 및 제어방법", 공개일 2021.10.07.)Korean Patent Laid-open Publication No. 10-2021-0120250 (“Control Apparatus and Control Method of Modular Multi-Level Converter”, Publication Date 2021.10.07.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 목적은, 상대적으로 단순한 구조를 가져 경제성을 향상시키고 전력 손실을 감소시킬 수 있으면서, 서브모듈 커패시터의 전압 변동을 감소시키면서, AC측에 공통 모드 전압이 부가되지 않는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the modular multilevel converter according to the present invention is to improve economic efficiency and reduce power loss by having a relatively simple structure, while reducing the An object of the present invention is to provide a modular multilevel converter in which a common mode voltage is not added to an AC side while reducing voltage fluctuation.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터는, 제1직류 전압원, 상기 제1직류 전압원과 직렬로 연결되는 제2직류 전압원, 상기 제1직류 전압원 및 상기 제2직류 전압원과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결되는 제1 내지 3레그를 포함하고, 상기 제1 내지 3레그 각각은, 순차적으로 직렬로 연결되는 어퍼 암, 중간 서브모듈 및 로워 암을 포함하며, 상기 중간 서브모듈은, 4개의 스위치와 1개의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.Modular multi-level converter according to the present invention for solving the technical problem as described above, a first DC voltage source, a second DC voltage source connected in series with the first DC voltage source, the first DC voltage source and the second DC voltage source It includes first to third legs connected in parallel to a voltage source and connected in parallel to each other, each of the first to third legs including an upper arm, an intermediate submodule, and a lower arm sequentially connected in series, wherein the The middle submodule is characterized by including four switches and one capacitor.

또한, 상기 중간 서브모듈은, 일단이 상기 어퍼 암과 연결되는 제1-1스위치, 일단이 상기 제1-1스위치와 연결되고, 타단이 출력단과 연결되는 제1-2스위치, 일단이 상기 제1-2스위치의 타단 및 상기 출력단과 연결되는 제2-1스위치, 일단이 상기 제2-1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 로워 암과 연결되는 제2-2스위치 및 일단이 상기 제1-1스위치 및 상기 제1-2스위치 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 사이에 연결되는 커패시터를 포함하고, 상기 제1-1스위치의 일단과 상기 제2-2스위치의 타단은 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, the intermediate submodule includes the 1-1 switch having one end connected to the upper arm, the 1-2 switch having one end connected to the 1-1 switch and the other end connected to the output terminal, and one end connected to the 1-1 switch. The other end of the 1-2 switch and the 2-1 switch connected to the output end, one end connected to the other end of the 2-1 switch, the other end connected to the lower arm 2-2 switch and one end connected to the first A capacitor connected between the 1-1 switch and the 1-2 switch, the other end of which is connected between the 2-1 switch and the 2-2 switch, and one end of the 1-1 switch and the The other ends of the 2-2 switch are characterized in that they are connected to each other.

또한, 상기 어퍼 암은, 일단이 상기 제1직류 전압원 연결되는 인덕터 및 상기 인덕터와 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 암 서브모듈을 포함하고, 상기 암 서브모듈은, 2개의 스위치 및 하나의 커패시터를 포함하는 하프 브리지 구조인 것을 특징으로 한다.Further, the upper arm includes an inductor having one end connected to the first DC voltage source and at least one arm submodule connected in series with the inductor, and the arm submodule includes two switches and one capacitor. It is characterized in that the half-bridge structure to.

또한, 상기 중간 서브모듈에 포함되는 스위치와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 스위치의 정격 전압은 서로 동일한 것을 특징으로 한다.In addition, the switch included in the middle submodule and the switch included in the arm submodule may have the same rated voltage.

또한, 상기 중간 서브모듈에 포함되는 커패시터와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 커패시터의 커패시턴스는 서로 동일한 것을 특징으로 한다.In addition, the capacitance of the capacitor included in the middle submodule and the capacitor included in the arm submodule are the same.

또한, 상기 로워 암은, 일단이 상기 제2직류 전압원 연결되는 인덕터 및 상기 인덕터와 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 암 서브모듈을 포함하고, 상기 암 서브모듈은, 2개의 스위치 및 하나의 커패시터를 포함하는 하프 브리지 구조인 것을 특징으로 한다.In addition, the lower arm includes an inductor having one end connected to the second DC voltage source and at least one arm submodule connected in series with the inductor, and the arm submodule includes two switches and one capacitor It is characterized in that the half-bridge structure to.

또한, 상기 중간 서브모듈에 포함되는 스위치와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 스위치의 정격 전압은 서로 동일한 것을 특징으로 한다.In addition, the switch included in the middle submodule and the switch included in the arm submodule may have the same rated voltage.

또한, 상기 중간 서브모듈에 포함되는 커패시터와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 커패시터의 커패시턴스는 서로 동일한 것을 특징으로 한다.In addition, the capacitance of the capacitor included in the middle submodule and the capacitor included in the arm submodule are the same.

또한, 상기 어퍼 암 및 상기 로워 암 각각에 고주파 전압을 주입하고, 상기 중간 서브모듈의 스위칭을 제어해 상기 고주파 전압을 상쇄시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a control unit injecting a high frequency voltage into each of the upper arm and the lower arm and canceling the high frequency voltage by controlling switching of the middle submodule.

또한, 상기 제1-1스위치, 상기 제1-2스위치, 상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 각각은 병렬로 연결된 다이오드를 포함하며, 상기 제1-1스위치 및 상기 제1-2스위치 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이고, 상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이며, 상기 제어부는, 상기 제1-1스위치 및 상기 제2-1스위치를 온 제어할 때, 상기 제1-2스위치 및 상기 제2-2스위치는 오프로 제어하고, 상기 제1스위치 및 상기 제2-1스위치를 오프 제어할 때, 상기 제1-2스위치 및 상기 제2-2스위치는 온 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, each of the 1-1 switch, the 1-2 switch, the 2-1 switch and the 2-2 switch includes a diode connected in parallel, and the 1-1 switch and the 1-1 switch. The diodes of each of the 2 switches are in opposite directions, the diodes of each of the 2-1 switch and the 2-2 switch are in opposite directions, and the control unit comprises the 1-1 switch and the 2-1 switch When controlling to turn on, the 1-2 switch and the 2-2 switch are controlled to be off, and when controlling the 1st switch and the 2-1 switch to be off, the 1-2 switch and the 1-2 switch are controlled to be off. The 2-2 switch is characterized in that it controls on.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터에 의하면, 중간 서브모듈을 구성하는 소자의 개수가 종래에 비해 적어져, 비교적 경제적으로 중간 서브모듈을 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 구현하여, 어퍼 암 및 로워 암에 포함되는 서브모듈 커패시터의 교류 전압 변동을 감소시키면서, AC측에 공통 모드 전압(Common mode voltage)를 인가하지 않을 수 있는 효과가 있다.According to the modular multi-level converter according to the present invention as described above, the number of elements constituting the intermediate sub-module is reduced compared to the prior art, so that the modular multi-level converter including the intermediate sub-module is relatively economically implemented, and the upper arm And while reducing the alternating voltage fluctuation of the sub-module capacitor included in the lower arm, there is an effect that the common mode voltage may not be applied to the AC side.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 회로도이고,
도 2는 단일의 암 서브모듈(SM1)의 회로도이며,
도 3은 중간 서브모듈(200)의 회로도이고,
도 4는 레그의 위상별 등가 회로도이며,
도 5는 기본 주파수가 12.5Hz인 기존 모듈러 멀티레벨 컨버터와 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이고,
도 6에는 중간 서브모듈(200)의 스위칭 장치에 대한 피크 전압 스트레스를 도시한 것이며,
도 7은 기본주파수인

Figure pat00001
가 10Hz일 때, 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 기본주파수인 가 5Hz일 때의 성능을 도시한 것이며,
도 9는 기본주파수인 가 10Hz일 때, 각각 t1과 t2에서 부하 전력이 저부하에서 고부하로 급격하게 변하고 저부하로 되돌아가는 과도 상태에서 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이고,
도 10은 기본주파수인
Figure pat00002
가 10Hz인 불평형 부하 조건에서 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이며,
도 11은 도 11(a)과 같이 t = 0.8 s에서 위상 c(
Figure pat00003
)의 전압 진폭이 40% 감소한 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어 성능을 도시한 것이고,
도 12는 기존의 토폴로지와 본 발명 사이의 다양한 동작 주파수(fo)에서의 전력 손실 비교를 도시한 것이다.1 is a circuit diagram of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention;
2 is a circuit diagram of a single arm submodule SM1;
3 is a circuit diagram of an intermediate submodule 200;
4 is an equivalent circuit diagram for each phase of a leg,
5 shows the performance of an existing modular multi-level converter having a basic frequency of 12.5 Hz and a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 shows the peak voltage stress for the switching device of the intermediate submodule 200;
7 is the fundamental frequency
Figure pat00001
When is 10 Hz, it shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention,
Figure 8 shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention when the basic frequency is 5Hz,
9 shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention in a transient state in which the load power rapidly changes from a low load to a high load and returns to a low load at t1 and t2, respectively, when the fundamental frequency is 10 Hz. is shown,
10 is the fundamental frequency
Figure pat00002
It shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention under an unbalanced load condition where is 10 Hz,
11 shows the phase c at t = 0.8 s as shown in FIG. 11 (a) (
Figure pat00003
) shows the control performance of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention in which the voltage amplitude of ) is reduced by 40%,
Figure 12 shows a comparison of power loss at various operating frequencies fo between the existing topology and the present invention.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a modular multi-level converter according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터는, 제1직류 전압원(D1), 제2직류 전압원(D2), 제1레그(10), 제2레그(20) 및 제3레그(30)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention includes a first DC voltage source D1, a second DC voltage source D2, a first leg 10, and a second leg 20. ) and the third leg 30.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1직류 전압원(D1) 및 제2직류 전압원(D2)은 서로 직렬로 연결되고, 제1직류 전압원(D1)과 제2직류 전압원(D2)의 사이는 접지될 수 있다.As shown in FIG. 1, the first DC voltage source D1 and the second DC voltage source D2 are connected in series with each other, and the first DC voltage source D1 and the second DC voltage source D2 are grounded. can

제1레그(10) ~ 제3레그(30)는 서로 직렬 연결된 제1직류 전압원(D1) 및 제2직류 전압원(D2)과 병렬로 연결되고, 제1레그(10), 제2레그(20) 및 제3레그(30) 또한 서로 병렬로 연결된다.The first leg 10 to the third leg 30 are connected in parallel with the first DC voltage source D1 and the second DC voltage source D2 connected in series with each other, and the first leg 10 and the second leg 20 ) and the third leg 30 are also connected in parallel with each other.

제1레그(10) ~ 제3레그(30) 각각은 a상, b상, c상에 대해서 연결된 것이다. 따라서 본 실시예에서 제1레그(10) ~ 제3레그(30)는 모두 동일한 구성을 가진다. 이하 제1레그(10) 하나만을 설명해, 제2레그(20) 및 제3레그(30)에 대한 설명을 대신한다.The first leg 10 to the third leg 30 are connected to phases a, b, and c, respectively. Therefore, in this embodiment, the first leg 10 to the third leg 30 all have the same configuration. Hereinafter, only the first leg 10 will be described to replace the description of the second leg 20 and the third leg 30 .

도 1에 도시된 바와 같이, 제1레그(10)는 어퍼 암(110), 중간 서브모듈(200) 및 로워 암(120)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the first leg 10 may include an upper arm 110 , a middle submodule 200 and a lower arm 120 .

어퍼 암(110), 중간 서브모듈(200) 및 로워 암(120)은 순차적으로 직렬로 연결된다. 어퍼 암(110)과 로워 암(120)은 서로 동일하므로, 이 또한 어퍼 암(110)만을 설명해 로워 암(120)을 함께 설명한다.The upper arm 110, the middle submodule 200, and the lower arm 120 are sequentially connected in series. Since the upper arm 110 and the lower arm 120 are the same, only the upper arm 110 will be described and the lower arm 120 will be described together.

도 1에 도시된 바와 같이, 어퍼 암(110)은 서로 직렬로 연결된 인덕터(L) 및 암 서브모듈(SM1)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the upper arm 110 may include an inductor L and an arm submodule SM1 connected in series with each other.

인덕터(L)는 일단이 제1직류 전압원(D1)과 연결되고, 타단은 암 서브모듈(SM1)의 일단과 연결된다. 암 서브모듈(SM1)은 적어도 하나 이상이 서로 직렬로 연결된다.One end of the inductor L is connected to the first DC voltage source D1, and the other end is connected to one end of the arm sub-module SM1. At least one of the arm submodules SM1 is serially connected to each other.

도 2는 단일의 암 서브모듈(SM1)의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a single arm submodule SM1.

도 2에 도시된 바와 같이, 단일의 암 서브모듈(SM1)은, 2개의 스위치 및 제1커패시터(C1)를 포함하여 하프 브리지(Half bridge) 구조로 이루어진다. 어퍼 암(110) 및 로워 암(120) 각각에 포함되는 인덕터(L)와 암 서브모듈(SM1)은 종래와 동일하다.As shown in FIG. 2, the single arm submodule SM1 has a half bridge structure including two switches and a first capacitor C1. The inductor L and the arm sub-module SM1 included in each of the upper arm 110 and the lower arm 120 are the same as those of the prior art.

본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터는 중간 서브모듈(200)이 어퍼 암(110)과 로워 암(120) 사이에 구비된 것을 특징으로 하며, 여기서 중간 서브모듈(200)은 4개의 스위치와 1개의 커패시터를 포함하여 이루어진다.The modular multilevel converter according to the present invention is characterized in that the middle submodule 200 is provided between the upper arm 110 and the lower arm 120, wherein the middle submodule 200 has four switches and one It consists of a capacitor.

도 3은 중간 서브모듈(200)의 회로도이다.3 is a circuit diagram of an intermediate submodule 200 .

도 3에 도시된 바와 같이, 중간 서브모듈(200)은, 제1-1스위치(S11), 제1-2스위치(S12), 제2-1스위치(S21), 제2-2스위치(S22) 및 제2커패시터(C2)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the intermediate submodule 200 includes a 1-1 switch S11, a 1-2 switch S12, a 2-1 switch S21, and a 2-2 switch S22. ) and a second capacitor C2.

제1-1스위치(S11)는 일단이 어퍼 암(110)과 연결된다.One end of the 1-1 switch S11 is connected to the upper arm 110.

제1-2스위치(S12)는 일단이 제1-1스위치(S11)와 연결되고, 타단이 출력단과 연결된다.The 1-2 switch S12 has one end connected to the 1-1 switch S11 and the other end connected to the output terminal.

제2-1스위치(S21)는 일단이 제1-2스위치(S12)의 타단 및 상기 출력단과 연결된다.One end of the 2-1 switch S21 is connected to the other end of the 1-2 switch S12 and the output terminal.

제2-2스위치(S22)는 일단이 제2-1스위치(S21)의 타단과 연결되고, 타단이 상기 로워 암(120)과 연결된다.The 2-2 switch S22 has one end connected to the other end of the 2-1 switch S21 and the other end connected to the lower arm 120.

제2커패시터(C2)는 일단이 제1-1스위치(S11) 및 제1-2스위치(S12) 사이에 연결되고, 타단이 제2-1스위치(S21) 및 제2-2스위치(S22) 사이에 연결된다.The second capacitor (C2) has one end connected between the 1-1 switch (S11) and the 1-2 switch (S12), and the other end connected to the 2-1 switch (S21) and the 2-2 switch (S22). connected between

제1-1스위치(S11)의 일단과 제2-2스위치(S22)의 타단은 서로 연결된다.One end of the 1-1 switch S11 and the other end of the 2-2 switch S22 are connected to each other.

여기서, 중간 서브모듈(200)에 포함되는 제1-1스위치(S11), 제1-2스위치(S12), 제2-1스위치(S21) 및 제2-2스위치(S22) 각각과, 암 서브모듈(SM1)에 포함되는 스위치의 정격 전압은 서로 동일할 수 있으며, 또한 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터(C1)와 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2)의 커패시턴스는 서로 동일할 수 있다.Here, each of the 1-1 switch (S11), 1-2 switch (S12), 2-1 switch (S21) and 2-2 switch (S22) included in the intermediate submodule 200, and the arm The rated voltages of the switches included in the submodule SM1 may be the same, and the capacitances of the first capacitor C1 of the female submodule SM1 and the second capacitor C2 of the middle submodule 200 are may be identical to each other.

본 발명의 중앙 서브모듈은 총 4개의 스위칭 소자와 1개의 커패시터를 사용하여 구성되기 때문에, 종래에 비해 소자의 개수가 줄어들어, 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터를 상대적으로 경제적으로 구현할 수 있는 효과가 있다.Since the central sub-module of the present invention is composed of a total of 4 switching elements and 1 capacitor, the number of elements is reduced compared to the prior art, so that the modular multi-level converter according to the present invention can be implemented relatively economically. there is.

본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터는, 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.The modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention may further include a controller (not shown).

제어부는 어퍼 암(110) 및 로워 암(120) 각각에 고주파 전압을 주입하고, 중간 서브모듈(200)의 스위칭을 제어한다. 즉, 본 발명의 제어부는 일종의 제어기일 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부는 어퍼 암(110) 및 로워 암(120)에 포함되는 암 서브모듈(SM1)에 포함되는 제1커패시터(C1)의 전압 변동을 완화하기 위해, 종래 사인파 방식에서와 같이 고주파 전압인

Figure pat00004
를 어퍼 암(110)과 로워 암(120)에 주입한다. 이때, 어퍼 암(110)과 로워 암(120) 각각의 전압은 아래와 같이 표현될 수 있다.The control unit injects a high frequency voltage into each of the upper arm 110 and the lower arm 120 and controls switching of the middle submodule 200 . That is, the controller of the present invention may be a kind of controller. More specifically, in order to mitigate the voltage fluctuation of the first capacitor C1 included in the arm sub-module SM1 included in the upper arm 110 and the lower arm 120, the control unit generates a high-frequency signal as in the conventional sine wave method. voltage
Figure pat00004
is injected into the upper arm 110 and the lower arm 120. At this time, each voltage of the upper arm 110 and the lower arm 120 may be expressed as follows.

(1)

Figure pat00005
(One)
Figure pat00005

(2)

Figure pat00006
(2)
Figure pat00006

상기한 식에서

Figure pat00007
와
Figure pat00008
는 각각 암 서브모듈(SM1)의 출력전압과 DC 전압이다. 단, 이렇게 고주파 전압인
Figure pat00009
이 어퍼 암(110)과 로워 암(120)에 주입될 경우, AC측에 공통 모드 전압(CMV)이 부가된다. 본 발명은 이를 방지하기 위해, 중간 서브모듈(200)은 어퍼 암(110) 및 로워 암(120)측으로 반대되는 극성의 전압을 출력해, 어퍼 암(110)과 로워 암(120)의 두 고주파 전압인
Figure pat00010
를 상쇄한다. 중간 서브모듈(200)의 출력단자를 x, 어퍼 암(110)과 연결되는 일단을 y, 로워 암(120)과 연결되는 타단을 z라고 할 때,
Figure pat00011
와
Figure pat00012
는 다음과 같이 표현된다.in the above expression
Figure pat00007
and
Figure pat00008
are the output voltage and DC voltage of the arm sub-module SM1, respectively. However, such a high-frequency voltage
Figure pat00009
When injected into the upper arm 110 and the lower arm 120, a common mode voltage (CMV) is added to the AC side. To prevent this, the middle submodule 200 outputs a voltage of opposite polarity to the upper arm 110 and the lower arm 120, so that the two high-frequency waves of the upper arm 110 and the lower arm 120 voltage
Figure pat00010
offset When the output terminal of the middle submodule 200 is x, one end connected to the upper arm 110 is y, and the other end connected to the lower arm 120 is z,
Figure pat00011
and
Figure pat00012
is expressed as:

(3)

Figure pat00013
(3)
Figure pat00013

(4)

Figure pat00014
(4)
Figure pat00014

도 3에 도시된 바와 같이, 제1-1스위치(S11), 제1-2스위치(S12), 제2-1스위치(S21) 및 제2-2스위치(S22) 각각은 병렬로 연결된 다이오드를 포함하되, 제1-1스위치(S11) 및 제1-2스위치(S12) 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이고, 제2-1스위치(S21) 및 제2-2스위치(S22) 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이다. 이때, 제어부는 제1-1스위치(S11) 및 제2-1스위치(S21)를 온 제어할 때, 제1-2스위치(S12) 및 제2-2스위치(S22)는 오프로 제어하고, 제1-1스위치(S11) 및 제2-1스위치(S21)를 오프 제어할 때, 제1-2스위치(S12) 및 제2-2스위치(S22)는 온 제어한다. 이를 표로 표현하면 아래와 같다.As shown in FIG. 3, each of the 1-1 switch S11, 1-2 switch S12, 2-1 switch S21 and 2-2 switch S22 includes diodes connected in parallel. Including, but, the diodes of each of the 1-1 switch (S11) and the 1-2 switch (S12) are opposite to each other, and the diodes of each of the 2-1 switch (S21) and the 2-2 switch (S22) are opposite to each other At this time, when controlling the 1-1 switch (S11) and the 2-1 switch (S21), the control unit controls the 1-2 switch (S12) and the 2-2 switch (S22) to be off, When the 1-1 switch S11 and the 2-1 switch S21 are off-controlled, the 1-2 switch S12 and the 2-2 switch S22 are on-controlled. Expressing this in a table is as follows.

상기한 표에서

Figure pat00016
은 중간 서브모듈(200)의 어퍼 암(110)측 출력 전압이며, 이는 중간 서브모듈(200)의 로워 암(120)측 출력 전압인
Figure pat00017
의 반대이다.in the above table
Figure pat00016
is the output voltage on the upper arm 110 side of the middle submodule 200, which is the output voltage on the lower arm 120 side of the middle submodule 200
Figure pat00017
is the opposite of

도 4는 레그의 위상별 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram for each phase of a leg.

도 4에 도시된

Figure pat00018
및
Figure pat00019
에는 기본 주파수인
Figure pat00020
, 직류 성분(0.5Vdc) 및 고주파 전압
Figure pat00021
이 포함된다. 중간 서브모듈의 등가 회로도 반대 극성의
Figure pat00022
및
Figure pat00023
에서
Figure pat00024
구성 요소로 단순화된다. 이에 따르면,
Figure pat00025
는 출력 전압 파형에 영향을 미치지 않는다. 동작 중 AC 순환 전류인
Figure pat00026
는 기존의 DC 순환 전류
Figure pat00027
와 별도로 레그를 통해 흐르도록 제어된다.
Figure pat00028
와
Figure pat00029
사이의 상호 작용은 DC 입력전압인 0.5Vdc과 출력 전류
Figure pat00030
사이의 상호 작용으로 인해, 어퍼 암(110) 및 로워 암(120)에 저주파 전력을 생성한다. 따라서 본 발명은 저주파 전력 변동을 감소시킬 수 있고, 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터(C1)의 전압 변동은 더 낮아지는 효과가 있다.shown in Figure 4
Figure pat00018
and
Figure pat00019
is the fundamental frequency
Figure pat00020
, DC component (0.5Vdc) and high-frequency voltage
Figure pat00021
This is included. Equivalent circuit diagram of the middle submodule of opposite polarity
Figure pat00022
and
Figure pat00023
at
Figure pat00024
Simplified into components. According to this,
Figure pat00025
does not affect the output voltage waveform. AC circulating current during operation
Figure pat00026
is the conventional DC circulating current
Figure pat00027
is controlled to flow through the leg separately from
Figure pat00028
and
Figure pat00029
The interaction between the DC input voltage 0.5Vdc and the output current
Figure pat00030
Due to the interaction between the upper arm 110 and the lower arm 120 generate low-frequency power. Therefore, the present invention has the effect of reducing low-frequency power fluctuation and lowering the voltage fluctuation of the first capacitor C1 of the arm sub-module SM1.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터의 전압 변동을 감소시키는 것에 대해서 수학적으로 분석한다. As described above, the reduction of the voltage fluctuation of the first capacitor of the arm sub-module SM1 of the modular multi-level converter according to the present invention is mathematically analyzed.

앞서 설명한 수식 (1) ~ (4)에서,

Figure pat00031
와
Figure pat00032
는 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.In Equations (1) to (4) described above,
Figure pat00031
and
Figure pat00032
can each be expressed as:

(5)

Figure pat00033
(5)
Figure pat00033

(6)

Figure pat00034
(6)
Figure pat00034

여기서

Figure pat00035
와
Figure pat00036
는 각 양의 진폭을 나타내고,
Figure pat00037
및
Figure pat00038
는 기본 및 고주파수 성분의 각 주파수,
Figure pat00039
는 초기 위상각,
Figure pat00040
는 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2)의 기준 전압, m은 변조 지수이다. 또한 어퍼 암(110) 및 로워 암(120) 각각의 전류인
Figure pat00041
및
Figure pat00042
은 아래와 같이 표현된다.here
Figure pat00035
and
Figure pat00036
represents the amplitude of each quantity,
Figure pat00037
and
Figure pat00038
is each frequency of the fundamental and high frequency components,
Figure pat00039
is the initial phase angle,
Figure pat00040
Is the reference voltage of the second capacitor C2 of the intermediate submodule 200, and m is the modulation index. In addition, the current of each of the upper arm 110 and the lower arm 120
Figure pat00041
and
Figure pat00042
is expressed as:

(7)

Figure pat00043
(7)
Figure pat00043

(8)

Figure pat00044
(8)
Figure pat00044

여기서

Figure pat00045
은 레그를 통해 흐르는 순환 전류이며,
Figure pat00046
은 DC 순환 전류인
Figure pat00047
와 AC 순환 전류인
Figure pat00048
를 포함하며, 여기서
Figure pat00049
는 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터(C1)의 전압을 제어하는데 사용되고,
Figure pat00050
는 암 서브모듈(SM1)의 전압 변동을 완화하기 위해 적용된다.
Figure pat00051
는 아래와 같이 표현된다.here
Figure pat00045
is the circulating current flowing through the leg,
Figure pat00046
is the DC circulating current
Figure pat00047
with AC circulating current
Figure pat00048
including, where
Figure pat00049
Is used to control the voltage of the first capacitor C1 of the arm submodule SM1,
Figure pat00050
is applied to mitigate the voltage fluctuation of the arm submodule SM1.
Figure pat00051
is expressed as:

(9)

Figure pat00052
(9)
Figure pat00052

상기한 식에서

Figure pat00053
는 AC 순환 전류의 진폭이다.in the above expression
Figure pat00053
is the amplitude of the AC circulating current.

어퍼 암(110)의 순시 전력

Figure pat00054
는 수식 (1)과 (7)을 다음과 같이 곱하여 계산할 수 있다.Instantaneous power of upper arm 110
Figure pat00054
can be calculated by multiplying Equations (1) and (7) as:

(10)

Figure pat00055
(10)
Figure pat00055

암 서브모듈(SM1)에서 큰 AC 전압 변동은 주로 저주파 전력 변동으로 인해 발생한다. 상기한 수식 (10)에서 저주파 전력 변동인

Figure pat00056
는 아래와 같이 유도된다.Large AC voltage fluctuations in Arm submodule SM1 are mainly caused by low frequency power fluctuations. In the above equation (10), the low-frequency power fluctuation
Figure pat00056
is derived as follows.

(11)

Figure pat00057
(11)
Figure pat00057

상기한 수식 (11)에서, 첫 번째 항과 두 번째 항은 DC 입력 측과 AC 출력 측의 전력이 균형을 이루므로 서로 음수이다. 이 두 항에서 DC 순환 전류는 다음과 같이 유도된다.In the above Equation (11), the first term and the second term are negative numbers because the powers of the DC input side and the AC output side are balanced. In these two terms, the DC circulating current is derived as:

(12)

Figure pat00058
(12)
Figure pat00058

수식 (12)에 (11)을 대입하면 아래와 같이 유도할 수 있다.By substituting (11) into Equation (12), it can be derived as follows.

(13)

Figure pat00059
(13)
Figure pat00059

상기한 수식 (13)에서 우변의 첫 번째 항과 두 번째 항은 기본 주파수와 큰 전력 변동을 일으키기 때문에 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터(C1) 전압 변동이 큰 주요 원인이다. 제1커패시터(C1)의 전압 변동을 최소화하기 위해

Figure pat00060
는 (13)에서 오른쪽의 첫 번째 항과 두 번째 항이 기본 주파수와 큰 전력 변동을 일으키기 때문에, 제1커패시터(C1) 전압 변동의 큰 요인이다. 따라서 전압 변동을 최소화하려면
Figure pat00061
를 억제해야 한다. 여기서 첫 번째 및 두 번째 항은 다음과 같이 세 번째 항에 의해 무효화될 수 있다.In Equation (13), since the first term and the second term on the right side cause a large power fluctuation with the fundamental frequency, it is the main cause of the large voltage fluctuation of the first capacitor C1 of the arm submodule SM1. In order to minimize the voltage fluctuation of the first capacitor (C1)
Figure pat00060
Since the first and second terms on the right in (13) cause a large power fluctuation with the fundamental frequency, it is a large factor in the voltage fluctuation of the first capacitor (C1). Therefore, to minimize voltage fluctuations
Figure pat00061
should suppress Here, the first and second terms can be overridden by the third term as follows.

(14)

Figure pat00062
(14)
Figure pat00062

상기한 수식 (14)에서

Figure pat00063
는 다음과 같이 정의될 수 있다.In the above formula (14)
Figure pat00063
can be defined as:

(15)

Figure pat00064
(15)
Figure pat00064

수식 (12)에 수식 (15)를 대입하면, AC 순환 전류

Figure pat00065
는 다음과 같이 정리될 수 있다.Substituting Equation (15) into Equation (12), the AC circulating current
Figure pat00065
can be arranged as follows.

(16)

Figure pat00066
(16)
Figure pat00066

결과적으로 제어부는

Figure pat00067
를 어퍼 암(110)과 로워 암(120)에 주입하여, 각 암의 저주파 전력 변동을 완화하여 암 서브모듈(SM1)의 전압 변동을 감소시킬 수 있다.As a result, the control
Figure pat00067
may be injected into the upper arm 110 and the lower arm 120 to alleviate the low-frequency power fluctuation of each arm, thereby reducing the voltage fluctuation of the arm sub-module SM1.

중간 서브모듈(200)의 전압 변동을 분석하기 위해서는, 도 3의 제2커패시터(C2)를 통해 흐르는 전류는 다음과 같이 얻어진다.To analyze the voltage fluctuation of the intermediate submodule 200, the current flowing through the second capacitor C2 in FIG. 3 is obtained as follows.

(17)

Figure pat00068
(17)
Figure pat00068

상기한 수식 (17)에서 제1-1스위치(S11)는 주로 중간 서브모듈(200)의 밸런진 세어의 보상 전압을 무시하고 주입된 고주파 전압

Figure pat00069
에 의해 제어된다. 수식 (6)의
Figure pat00070
을 정규화하고 수식 (17)의 제1-1스위치(S11)에 대입하면,
Figure pat00071
은 다음과 같이 표현될 수 있다.In the above Equation (17), the 1-1 switch (S11) mainly ignores the compensation voltage of the balancing count of the middle sub-module 200, and the injected high-frequency voltage
Figure pat00069
is controlled by of formula (6)
Figure pat00070
When normalized and substituted into the 1-1 switch (S11) of Equation (17),
Figure pat00071
can be expressed as:

(18)

Figure pat00072
(18)
Figure pat00072

상기한 식에서

Figure pat00073
는 다음과 같이 표현될 수 있다.in the above expression
Figure pat00073
can be expressed as

(19)

Figure pat00074
(19)
Figure pat00074

상기한 식에서

Figure pat00075
는 진폭이고
Figure pat00076
는 출력 전압과 출력 전류 사이의 위상각이다. 수식 (19)에 수식 (18)을 대입하면
Figure pat00077
는 아래와 같이 표현된다.in the above expression
Figure pat00075
is the amplitude
Figure pat00076
is the phase angle between the output voltage and the output current. Substituting Equation (18) into Equation (19) gives
Figure pat00077
is expressed as:

(20)

Figure pat00078
(20)
Figure pat00078

Figure pat00079
는 고주파 성분만 포함하고 있어, 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2)의 전압인
Figure pat00080
가 짧은 간격으로 충방전되는 것을 알 수 있다. 따라서 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2)의 AC 전압 변동은 낮다.
Figure pat00079
contains only high-frequency components, and is the voltage of the second capacitor C2 of the intermediate sub-module 200
Figure pat00080
It can be seen that is charged and discharged at short intervals. Accordingly, the AC voltage fluctuation of the second capacitor C2 of the intermediate submodule 200 is low.

본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 24개의 암 서브모듈과, 3개의 중간 서브모듈이 설치된 하드웨어가 사용되었으며, 아래 표에는 실험을 위한 시스템 매개변수가 나열되어 있다.An experiment was performed to verify the performance of the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention. In this experiment, hardware with 24 arm submodules and 3 intermediate submodules was used, and the table below lists the system parameters for the experiment.

도 5는 기본 주파수가 12.5Hz인 기존 모듈러 멀티레벨 컨버터와 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 기존 모듈러 멀티레벨 컨버터에 사용된 서브모듈 커패시터는 AC 전압 변동(27.5V)이 큰 것을 알 수 있는데, 암의 저주파 전력 변동이 크기 때문이다. 따라서 3상 출력 전류인

Figure pat00082
가 왜곡된다.5 shows the performance of an existing modular multi-level converter having a basic frequency of 12.5 Hz and a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5 (a), it can be seen that the submodule capacitor used in the existing modular multilevel converter has a large AC voltage fluctuation (27.5V), because the low frequency power fluctuation of the arm is large. Therefore, the three-phase output current
Figure pat00082
is distorted

반대로 도 5(b)와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능에서 암 서브모듈(SM1)의 커패시터 전압 변동은 약 7.5V로 완화되고

Figure pat00083
는 정현파이다. 암 서브모듈(SM1)의 제1커패시터(C1)의 AC 전압 변동은 고주파 성분의 주입으로 인한 기본 주파수 성분과 별도로 고주파 성분으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 또한 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2)에 흐르는 전류는 고주파 성분으로만 구성되어 있기 때문에
Figure pat00084
는 50V에서 6V의 변동으로, 상대적으로 변동이 감소하는 것을 확인할 수 있다.Conversely, as shown in FIG. 5(b), in the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention, the capacitor voltage fluctuation of the arm sub-module SM1 is reduced to about 7.5V,
Figure pat00083
is a sine wave. It can be seen that the AC voltage variation of the first capacitor C1 of the arm sub-module SM1 is composed of a high-frequency component separately from the fundamental frequency component due to the injection of the high-frequency component. In addition, since the current flowing through the second capacitor C2 of the intermediate sub-module 200 is composed of only high-frequency components,
Figure pat00084
is a variation of 50V to 6V, and it can be seen that the variation is relatively reduced.

도 6에는 중간 서브모듈(200)의 스위칭 장치에 대한 피크 전압 스트레스를 도시한 것이다. 도 6에서 S1은 앞서 설명한 제1-1스위치(S11) 및 제1-2스위치(S12)이며, S2는 제2-1스위치(） 및 제2-2스위치(S22)이다. S1와 S2의 값은 각각 약 50V로 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2) 전압과 동일하다. 이를 고려할 때 중간 서브모듈(200)에 구현된 구성요소의 정격전압 및 정전용량은 양팔 구성요소의 정격전압과 동일하다.6 shows the peak voltage stress for the switching devices of the middle submodule 200 . 6, S1 is the 1-1 switch (S11) and 1-2 switch (S12) described above, and S2 is the 2-1 switch () and 2-2 switch (S22). Each value is about 50 V, which is the same as the voltage of the second capacitor C2 of the middle submodule 200. Considering this, the rated voltage and capacitance of the components implemented in the middle submodule 200 are the ratings of the components of both arms. equal to voltage

도 7은 기본주파수인

Figure pat00085
가 10Hz일 때, 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이다. 3상 출력 전류의 정현파 파형은 도 7(a)에서 얻을 수 있으며, 여기서 진폭은 약 8A다. 도 7(b)은 50V에서 8V의 첨두값으로 제어된 서브모듈 커패시터의 밸런싱 성능을 보여주며, 중간 서브모듈(200)의 제2커패시터(C2) 전압인
Figure pat00086
도 50V에서 밸런싱이 용이한 것을 확인할 수 있다. 또한, 6V의 변동으로
Figure pat00087
가 (14)에서 논의된 바와 같이 짧은 간격으로 충방전되는 것을 확인할 수 있다.7 is the fundamental frequency
Figure pat00085
When is 10 Hz, it shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention. The sinusoidal waveform of the three-phase output current can be obtained in Fig. 7(a), where the amplitude is about 8A. 7(b) shows the balancing performance of the submodule capacitor controlled from 50V to the peak value of 8V, and the voltage of the second capacitor C2 of the middle submodule 200 is
Figure pat00086
It can be seen that balancing is easy in FIG. 50V. Also, with the fluctuation of 6V
Figure pat00087
It can be seen that is charged and discharged at short intervals as discussed in (14).

도 7(c)은 DC 순환 및 AC 순환 전류(

Figure pat00088
및
Figure pat00089
)를 포함하는 순환 전류
Figure pat00090
를 보여준다. 암 전류와 공통 모드 전압(CMV)는 각각 도 7(d)와 도 7(e)에 나타나 있으며, 여기서 공통 모드 전압(CMV)는 약 ㅁ25V이다. 또한 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 기본주파수인
Figure pat00091
가 5Hz일 때의 성능은 도 8과 같다. 서브모듈 커패시터 및 중간 서브모듈 커패시터의 전압 변동이 적절하게 완화되는 경우. 중간 서브모듈 커패시터의 전압 변동은 출력 전류 Io의 진폭에 비례하는 수식 20의
Figure pat00092
에 따라 달라진다. 따라서 중간 서브모듈 커패시터(5V)의 전압 변동은 Io가 약 5A이므로 도 7(b)의 전압 변동(6V)보다 낮다.7(c) shows DC circulating and AC circulating currents (
Figure pat00088
and
Figure pat00089
) Circulating current containing
Figure pat00090
shows The dark current and the common mode voltage (CMV) are shown in Figs. 7(d) and 7(e), respectively, where the common mode voltage (CMV) is about ㅁ25V. In addition, the basic frequency of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention
Figure pat00091
The performance when is 5 Hz is shown in FIG. 8 . When the voltage fluctuations of the submodule capacitor and intermediate submodule capacitor are adequately mitigated. The voltage variation of the middle submodule capacitor is proportional to the amplitude of the output current Io by Equation 20:
Figure pat00092
depends on Therefore, the voltage variation of the middle submodule capacitor (5V) is lower than the voltage variation (6V) in Fig. 7(b) since Io is about 5A.

도 9는 기본주파수인

Figure pat00093
가 10Hz일 때, 각각 t1과 t2에서 부하 전력이 저부하에서 고부하로 급격하게 변하고 저부하로 되돌아가는 과도 상태에서 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이다. 도 9(a)는 고부하에서 진폭이 8A인 3상 출력 전류가 도시되어 있다. 서브모듈 커패시터 전압은 도 9(b)에 나와 있으며 낮은 전압 변동으로 50V에서 균형을 이룬다. 도 9(c)에서는 저주파 전력 변동을 줄이기 위해 부하가 가해질 때 순환 전류와 암 전류의 진폭이 증가하는 것이 도시되어 있다. 도 9(d)는 공통 모드 전압(CMV)을 보여주고 있으며, 동작 중 변화가 없다.9 is the fundamental frequency
Figure pat00093
When is 10Hz, the performance of the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention is shown in a transient state in which the load power rapidly changes from a low load to a high load and returns to the low load at t1 and t2, respectively. 9(a) shows a three-phase output current with an amplitude of 8A at high load. The submodule capacitor voltage is shown in Figure 9(b) and is balanced at 50V with low voltage fluctuation. In FIG. 9(c), it is shown that the amplitudes of the circulating current and the dark current increase when a load is applied to reduce the low-frequency power fluctuation. 9(d) shows the common mode voltage (CMV), and there is no change during operation.

도 10은 기본주파수인

Figure pat00094
가 10Hz인 불평형 부하 조건에서 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 성능을 도시한 것이다. 여기서는 4옴을 갖는 추가 저항이 c상에 연결된다. 도 10(a)에서
Figure pat00095
의 진폭은 8A에서 4.5A로 감소한 반면, 다른 상전류의 진폭은 그대로 유지된다. 이를 통해 서브모듈 캐패시터와 중간 서브모듈 캐패시터의 전압 밸런싱 성능은 언밸런스 부하의 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 불평형 상태에서 위상 c의 서브모듈 커패시터의 전압 변동은 도 10(c)와 같이 8V에서 6V로 감소하는데, 이는
Figure pat00096
의 진폭이 감소하기 때문에 발생한다.10 is the fundamental frequency
Figure pat00094
It shows the performance of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention under an unbalanced load condition in which is 10 Hz. Here an additional resistor with 4 ohms is connected to phase c. In Figure 10 (a)
Figure pat00095
The amplitude of the phase current decreased from 8 A to 4.5 A, while the amplitude of the other phase currents remained the same. From this, it can be seen that the voltage balancing performance of the submodule capacitor and the middle submodule capacitor is not affected by the unbalanced load. In the unbalanced state, the voltage fluctuation of the submodule capacitor of phase c decreases from 8V to 6V as shown in Fig. 10(c), which is
Figure pat00096
This occurs because the amplitude of

제안된 토폴로지의 인버터 동작과 더불어 그리드 컨버터로서의 동작도 조사한다. 도 11은 도 11(a)과 같이 t = 0.8 s에서 위상 c(

Figure pat00097
)의 전압 진폭이 40% 감소한 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 제어 성능을 보여준다. 도 11(b)과 도 11(c)는 동기 기준 좌표계에서 그리드 위상 전류와 dq-축 양을 보여주고 있으며, 이를 제거하기 위한 특별한 제어 방식이 적용되지 않았기 때문에 그리드 불균형 조건에서 왜곡된다. 따라서 직류단 전압은 도 11(d)과 같이 리플 성분을 갖는다. 그러나 서브모듈 캐패시터와 중간 서브모듈 캐패시터의 전압 밸런싱 성능은 각각 도 11(e) 및 도 11(f)과 같이 변동이 거의 없이 잘 유지된다.In addition to the inverter operation of the proposed topology, the operation as a grid converter is also investigated. 11 shows the phase c at t = 0.8 s as shown in FIG. 11 (a) (
Figure pat00097
) shows the control performance of the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention in which the voltage amplitude of ) is reduced by 40%. 11(b) and 11(c) show the grid phase current and the dq-axis amount in the synchronous reference coordinate system, which are distorted in the grid imbalance condition because no special control method is applied to eliminate them. Accordingly, the DC link voltage has a ripple component as shown in FIG. 11(d). However, the voltage balancing performance of the submodule capacitor and the intermediate submodule capacitor is well maintained with little change as shown in FIGS. 11(e) and 11(f), respectively.

시스템 효율성을 평가하기 위해 Infineon의 IGBT IKW20N60T를 사용하는 기존의 방법 및 본 발명의 전력 손실을 분석했다. 전도 및 스위칭 손실은 PSIM의 열 모듈을 사용하여 평가되었다. 도 12는 기존의 토폴로지와 본 발명 사이의 다양한 동작 주파수(fo)에서의 전력 손실 비교를 보여준다. Conv[5]_con, Conv[8]_con, Conv[5]_sw 및 Conv[8]_sw는 각각 두 가지 기존 토폴로지의 전도 및 스위칭 손실을 의미하며, Prop_con 및 Prop_sw는 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 전도 및 스위칭 손실을 의미한다.To evaluate the system efficiency, the power loss of the present invention and the existing method using Infineon's IGBT IKW20N60T were analyzed. Conduction and switching losses were evaluated using PSIM's thermal module. 12 shows a comparison of power loss at various operating frequencies fo between the existing topology and the present invention. Conv[5]_con, Conv[8]_con, Conv[5]_sw, and Conv[8]_sw mean the conduction and switching losses of the two existing topologies, respectively, and Prop_con and Prop_sw are according to an embodiment of the present invention. It refers to the conduction and switching losses of a modular multilevel converter.

본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터에서 중간 서브모듈은 기존 토폴로지에 비해 구성 요소가 적기 때문에 총 전력 손실이 적다. 종래 토폴로지 중 하나는 일반적으로 정격 주파수(50Hz)에서 작동하는 데 사용되기 때문에 낮은 주파수에서 전력 손실이 조사되지 않았다. 종래 다른 토폴로지 및 본 발명의 일실시예에 의한 모듈러 멀티레벨 컨버터의 정격 주파수 작동에서 서브모듈 커패시터 전압의 자연스러운 균형 때문에 레그에 고주파 성분이 주입되지 않았으며, 2차 고조파 전류가 주입되는 종래 토폴로지에 비해 전력 손실이 낮다.In the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention, the total power loss is small because the intermediate submodule has fewer components than the existing topology. Since one of the prior topologies is typically used to operate at rated frequency (50 Hz), power loss at lower frequencies has not been investigated. Compared to the conventional topology in which high-frequency components are not injected into the leg due to the natural balance of sub-module capacitor voltages in the rated frequency operation of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention and other conventional topologies, and second harmonic current is injected. Power loss is low.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and the scope of application is diverse, and various modifications and implementations are possible without departing from the gist of the present invention claimed in the claims.

D1 : 제1직류 전압원
D2 : 제2직류 전압원
10 : 제1레그
20 : 제2레그
30 : 제3레그
110 : 어퍼 암
120 : 로워 암
200 : 중간 서브모듈
SM1 : 암 서브모듈
S11 : 제1-1스위치
S12 : 제1-2스위치
S21 : 제2-1스위치
S22 : 제2-2스위치
C1 : 제1커패시터
C2 : 제2커패시터D1: first DC voltage source
D2: Second DC voltage source
10: 1st leg
20: 2nd leg
30: 3rd leg
110: upper arm
120: lower arm
200: intermediate submodule
SM1: arm submodule
S11: 1-1 switch
S12: 1-2 switch
S21: 2-1 switch
S22: 2-2 switch
C1: first capacitor
C2: Second capacitor

Claims (10)

제1직류 전압원;
상기 제1직류 전압원과 직렬로 연결되는 제2직류 전압원;
상기 제1직류 전압원 및 상기 제2직류 전압원과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결되는 제1 내지 3레그;
를 포함하고,
상기 제1 내지 3레그 각각은,
순차적으로 직렬로 연결되는 어퍼 암; 중간 서브모듈; 및 로워 암;
을 포함하며,
상기 중간 서브모듈은,
4개의 스위치와 1개의 커패시터를 포함하는
것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
a first DC voltage source;
a second DC voltage source connected in series with the first DC voltage source;
first to third legs connected in parallel to the first DC voltage source and the second DC voltage source and connected in parallel to each other;
including,
Each of the first to third legs,
Upper arms sequentially connected in series; middle submodule; and lower arm;
Including,
The intermediate submodule,
4 switches and 1 capacitor
Modular multi-level converter, characterized in that.
 제1항에 있어서,
상기 중간 서브모듈은,
일단이 상기 어퍼 암과 연결되는 제1-1스위치;
일단이 상기 제1-1스위치와 연결되고, 타단이 출력단과 연결되는 제1-2스위치;
일단이 상기 제1-2스위치의 타단 및 상기 출력단과 연결되는 제2-1스위치;
일단이 상기 제2-1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 로워 암과 연결되는 제2-2스위치; 및
일단이 상기 제1-1스위치 및 상기 제1-2스위치 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 사이에 연결되는 커패시터;
를 포함하고,
상기 제1-1스위치의 일단과 상기 제2-2스위치의 타단은 서로 연결되는
것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 1,
The intermediate submodule,
a 1-1 switch having one end connected to the upper arm;
a 1-2 switch having one end connected to the 1-1 switch and the other end connected to an output terminal;
a 2-1 switch having one end connected to the other end of the 1-2 switch and the output terminal;
a 2-2 switch having one end connected to the other end of the 2-1 switch and the other end connected to the lower arm; and
a capacitor having one end connected between the 1-1 switch and the 1-2 switch and the other end connected between the 2-1 switch and the 2-2 switch;
including,
One end of the 1-1 switch and the other end of the 2-2 switch are connected to each other
Modular multi-level converter, characterized in that.
 제2항에 있어서,
상기 어퍼 암은,
일단이 상기 제1직류 전압원 연결되는 인덕터; 및
상기 인덕터와 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 암 서브모듈;
을 포함하고,
상기 암 서브모듈은,
2개의 스위치 및 하나의 커패시터를 포함하는 하프 브리지 구조인 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 2,
The upper arm,
an inductor having one end connected to the first DC voltage source; and
at least one arm submodule connected in series with the inductor;
including,
The arm submodule,
Modular multi-level converter, characterized in that the half-bridge structure including two switches and one capacitor.
 제3항에 있어서,
상기 중간 서브모듈에 포함되는 스위치와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 스위치의 정격 전압은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 3,
Modular multi-level converter, characterized in that the rated voltage of the switch included in the middle sub-module and the switch included in the arm sub-module are the same.
 제3항에 있어서,
상기 중간 서브모듈에 포함되는 커패시터와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 커패시터의 커패시턴스는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 3,
Modular multi-level converter, characterized in that the capacitance of the capacitor included in the middle sub-module and the capacitor included in the arm sub-module are the same.
 제2항에 있어서,
상기 로워 암은,
일단이 상기 제2직류 전압원 연결되는 인덕터; 및
상기 인덕터와 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 암 서브모듈;
을 포함하고,
상기 암 서브모듈은,
2개의 스위치 및 하나의 커패시터를 포함하는 하프 브리지 구조인 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 2,
The lower arm,
an inductor having one end connected to the second DC voltage source; and
at least one arm submodule connected in series with the inductor;
including,
The arm submodule,
Modular multi-level converter, characterized in that the half-bridge structure including two switches and one capacitor.
 제6항에 있어서,
상기 중간 서브모듈에 포함되는 스위치와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 스위치의 정격 전압은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 6,
Modular multi-level converter, characterized in that the rated voltage of the switch included in the middle sub-module and the switch included in the arm sub-module are the same.
 제6항에 있어서,
상기 중간 서브모듈에 포함되는 커패시터와, 상기 암 서브모듈에 포함되는 커패시터의 커패시턴스는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 6,
Modular multi-level converter, characterized in that the capacitance of the capacitor included in the middle sub-module and the capacitor included in the arm sub-module are the same.
 제2항에 있어서,
상기 어퍼 암 및 상기 로워 암 각각에 고주파 전압을 주입하고, 상기 중간 서브모듈의 스위칭을 제어해 상기 고주파 전압을 상쇄시키는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
According to claim 2,
a control unit injecting a high frequency voltage into each of the upper arm and the lower arm and canceling the high frequency voltage by controlling switching of the middle sub-module;
Modular multi-level converter characterized in that it further comprises.
 제9항에 있어서,
상기 제1-1스위치, 상기 제1-2스위치, 상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 각각은 병렬로 연결된 다이오드를 포함하며,
상기 제1-1스위치 및 상기 제1-2스위치 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이고,
상기 제2-1스위치 및 상기 제2-2스위치 각각의 다이오드는 서로 반대 방향이며,
상기 제어부는, 상기 제1-1스위치 및 상기 제2-1스위치를 온 제어할 때, 상기 제1-2스위치 및 상기 제2-2스위치는 오프로 제어하고, 상기 제1-1스위치 및 상기 제2-1스위치를 오프 제어할 때, 상기 제1-2스위치 및 상기 제2-2스위치는 온 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.According to claim 9,
Each of the 1-1 switch, the 1-2 switch, the 2-1 switch and the 2-2 switch includes a diode connected in parallel,
The diodes of the 1-1 switch and the 1-2 switch are opposite to each other,
The diodes of the 2-1 switch and the 2-2 switch are opposite to each other,
When controlling the 1-1 switch and the 2-1 switch to be turned on, the control unit controls the 1-2 switch and the 2-2 switch to be off, and controls the 1-1 switch and the 2-1 switch to be turned off. When the 2-1 switch is off-controlled, the 1-2 switch and the 2-2 switch are on-controlled. Modular multi-level converter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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