KR20240055293A - Module type multi-level converter - Google Patents

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KR20240055293A
KR20240055293A KR1020220135410A KR20220135410A KR20240055293A KR 20240055293 A KR20240055293 A KR 20240055293A KR 1020220135410 A KR1020220135410 A KR 1020220135410A KR 20220135410 A KR20220135410 A KR 20220135410A KR 20240055293 A KR20240055293 A KR 20240055293A
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김기수
조영호
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에이치디한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은, 컨버터 회로의 리던던시(redundancy)를 확보하면서 하드웨어의 무게, 부피, 손실 또는 스위칭 안정성을 개선할 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터는 사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)을 갖고 상기 레그는 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상기 상부 암 및 상기 하부 암은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈을 구비하여 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 컨버터부, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 각 복수의 서브 모듈의 고장 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가하는 제어부를 포함할 수 있다. The present invention is intended to provide a modular multilevel converter that can improve the weight, volume, loss, or switching stability of hardware while ensuring redundancy of the converter circuit, and provides a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention. The multi-level converter has legs according to preset phases, and the legs have an upper arm and a lower arm, and the upper arm and the lower arm each have a plurality of submodules connected in series. A converter unit that converts the input direct current power into alternating current power having the phase, adding a preset harmonic component to the reference voltage of the phase depending on whether or not each of the plurality of submodules of the upper arm and the lower arm fails. It may include a control unit that does.

Description

모듈형 멀티레벨 컨버터{MODULE TYPE MULTI-LEVEL CONVERTER}Modular multi-level converter {MODULE TYPE MULTI-LEVEL CONVERTER}

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a modular multilevel converter.

일반적으로, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 여러가지의 모듈의 결합으로 이루어져 있다. 이는 하나의 모듈에 이상이 생길 경우 해당 모듈만 정지시킨 후 도통함으로써 하드웨어의 동작 유지가 가능하다. 이 경우, 하드웨어 동작은 유지가 되지만, 하나의 모듈이 동작하지 않기에 출력 전압과 전력이 감소되며 모듈수의 불균형으로 컨버터 제어면에서 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 정상 동작을 위한 최소 필요한 모듈 수 보다 추가로 모듈을 이용하여 리더던시(redundancy) 모듈을 확보하는 기술이 있다. 모듈 문제 발생시에도 정상 동작을 위한 최소 모듈 수가 유지됨으로써 하드웨어 동작은 문제 발생 전과 동일하게 유지된다. 추가의 모듈을 쓰는 만큼 하드웨어의 부피, 무게, 비용이 증가하는 문제점이 발생한다.Generally, a modular multilevel converter consists of a combination of several modules. If a problem occurs in one module, it is possible to maintain the operation of the hardware by stopping only the module and then turning it on. In this case, the hardware operation is maintained, but since one module does not operate, the output voltage and power are reduced, and problems may occur in converter control due to an imbalance in the number of modules. To solve this problem, there is a technology to secure a redundancy module by using additional modules than the minimum number of modules required for normal operation. Even when a module problem occurs, the minimum number of modules for normal operation is maintained, so hardware operation remains the same as before the problem occurred. As additional modules are used, the size, weight, and cost of the hardware increase.

대한민국 등록특허공보 제10-1711947호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1711947 미국 등록특허공보 8537578호US Patent Publication No. 8537578

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터 회로의 리던던시(redundancy)를 확보하면서 하드웨어의 무게, 부피, 손실 또는 스위칭 안정성을 개선할 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, a modular multilevel converter is provided that can improve the weight, volume, loss, or switching stability of hardware while ensuring redundancy of the converter circuit.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터는 사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)을 갖고 상기 레그는 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상기 상부 암 및 상기 하부 암은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈을 구비하여 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 컨버터부, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 각 복수의 서브 모듈의 고장 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가하는 제어부를 포함할 수 있다. In order to solve the problem of the present invention described above, the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention has legs according to preset phases, and the legs include an upper arm and a lower arm ( lower arm), wherein the upper arm and the lower arm each have a plurality of sub-modules connected in series to convert the input direct current power into alternating current power having the phase, and each of the upper arm and the lower arm It may include a control unit that adds a preset harmonic component to the reference voltage of the phase depending on whether a plurality of sub-modules are malfunctioning.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈 고장에 따른 리던던시를 확보하면서 추가적인 모듈을 요구하지 않아 하드웨어 부피, 무게 및 비용이 저감될 수 있으며, 모듈 전압이 상승되지 않거나 종래에 대비하여 상승 전압 레벨이 낮아 스위치의 비용 감소 및 안정성이 증가할 수 있으며, 각 암에서 구동되는 모듈수가 항상 동일하여 에너지 밸런싱 제어가 용이하고 제어 안정성이 증가될 수 있는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, hardware volume, weight, and cost can be reduced by not requiring additional modules while ensuring redundancy in case of module failure, and the module voltage does not increase or the rising voltage level is lower than in the past. The cost and stability of the switch can be reduced and the stability of the switch can be increased, and the number of modules driven in each arm is always the same, making energy balancing control easier and control stability increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 컨버터부의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부가 컨버터부에 제공하는 기준 전압의 파형 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부가 컨버터부에 제공하는 기준 전압의 보다 상세한 파형 그래프이다.1 is a schematic configuration diagram of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic circuit diagram of a sub-module of the converter unit of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic configuration diagram of the control unit of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a waveform graph of the reference voltage provided to the converter unit by the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a flowchart showing the operation of the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a more detailed waveform graph of the reference voltage provided to the converter unit by the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, preferred embodiments will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 컨버터부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the modular multi-level converter 100 according to an embodiment of the present invention may include a converter unit 110 and a control unit 120.

컨버터부(110)는 사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)(L1, L2, L3)을 갖고, 레그(L1, L2, L3)는 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상기 상부 암 및 상기 하부 암은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈(submodule)(SM)을 구비하여 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환할 수 있다. The converter unit 110 has legs (L1, L2, L3) according to preset phases, and the legs (L1, L2, L3) have an upper arm and a lower arm. , the upper arm and the lower arm each include a plurality of submodules (SM) connected in series to convert input direct current power into alternating current power having the above phase.

컨버터부(110)에 입력되는 직류 전력은 중간 전압 직류 전력(MVDC)일 수 있으며, 컨버터부(110)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터를 구동시킬 수 있으며, 상기 교류 전력은 3상 교류 전력일 수 있다. 이에 따라, 레그(L1, L2, L3)는 각각 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가질 수 있으며, 레그(L1, L2, L3) 각각의 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm) 각각은 직렬 연결된 복수의 서브 모듈(SM)을 구비할 수 있다. 상부 암과 하부암(1leg)의 총 전압합은 중간 전압 직류 전력(MVDC)의 전압(Vmvdc)일 수 있으며, 직류 전원단 상단 및 하단 각각과 접지(gnd) 사이의 전압은 0.5Vmvdc로 표시될 수 있다. The direct current power input to the converter unit 110 may be medium voltage direct current power (MVDC), and the converter unit 110 may convert the direct current power into alternating current power to drive the motor, and the alternating current power may be a three-phase alternating current power. It could be power. Accordingly, the legs (L1, L2, L3) may have an upper arm and a lower arm, respectively, and the legs (L1, L2, L3) may have an upper arm and a lower arm, respectively. (lower arm) Each may be provided with a plurality of sub-modules (SM) connected in series. The total voltage sum of the upper arm and lower arm (1 leg) may be the voltage (Vmvdc) of medium voltage direct current power (MVDC), and the voltage between each of the upper and lower DC power terminals and ground (gnd) may be expressed as 0.5Vmvdc. You can.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 컨버터부의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.Figure 2 is a schematic circuit diagram of a sub-module of the converter unit of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

도 1과 함께, 도 2를 참조하면 서브 모듈(SM)은 반파-브리지(half wave-bridge) 또는 전파-브리지(full wave-bridge) 방식으로 구성될 수 있으며, 그 외의 다른 회로로도 구성될 수 있다. 서브 모듈(SM)은 제어부(120)의 제어에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 서브 모듈(SM)이 하프브리지 경우 각 상부 암 및 하부 암들은 0~Vmvdc의 전압 레벨을 출력할 수 있고, 풀브리지 경우 각 상부 암 및 하부 암들은 -Vmvdc~Vmvdc의 전압 레벨을 출력할 수 있다.Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, the sub-module (SM) may be configured as a half wave-bridge or full wave-bridge method, and may also be configured as other circuits. You can. The sub-module SM may perform a switching operation under the control of the control unit 120. If the submodule (SM) is half-bridge, each upper arm and lower arm can output a voltage level of 0~Vmvdc, and if the submodule (SM) is a full bridge, each upper arm and lower arm can output a voltage level of -Vmvdc~Vmvdc. .

다시, 도 1을 참조하면, 제어부(120)는 상부 암(upper arm) 및 하부 암(lower arm)의 각 복수의 서브 모듈(SM)의 고장 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가할 수 있다.Again, referring to FIG. 1, the control unit 120 adjusts the harmonic component preset to the reference voltage of the phase depending on whether or not each of the plurality of sub-modules (SM) of the upper arm and lower arm fails. can be added.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부의 개략적인 구성도이다.Figure 3 is a schematic configuration diagram of the control unit of a modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

도 1과 함께, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)의 제어부(120)는 검출부(121), 기준 전압 설정부(122) 및 출력 제어부(123)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 together with FIG. 1, the control unit 120 of the modular multi-level converter 100 according to an embodiment of the present invention includes a detection unit 121, a reference voltage setting unit 122, and an output control unit 123. ) may include.

검출부(121)는 각 레그(L1, L2, L3)의 상부 암(upper arm) 및 하부 암(lower arm)의 각 복수의 서브 모듈(SM)의 고장 여부를 검출할 수 있다. 각 복수의 서브 모듈(SM)의 고장 여부는 출력 전압의 하강이 발생되는 경우 서브 모듈(SM) 각각의 출력 전압을 검출하여 고장 여부를 판별할 수 있다.The detection unit 121 may detect whether each of the plurality of sub-modules SM of the upper arm and lower arm of each leg L1, L2, and L3 is broken. Failure of each of the plurality of sub-modules (SM) can be determined by detecting the output voltage of each sub-module (SM) when a drop in output voltage occurs.

기준 전압 설정부(122)는 검출부(121)로부터의 고장 검출 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가할 수 있다.The reference voltage setting unit 122 may add a preset harmonic component to the reference voltage of the phase depending on whether a failure is detected by the detection unit 121.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부가 컨버터부에 제공하는 기준 전압의 파형 그래프이다.Figure 4 is a waveform graph of the reference voltage provided to the converter unit by the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2와 함께, 도 4를 참조하면, 기준 전압 설정부(122)는 정상 상태에서는 도 4의 왼쪽에 도시된 바와 같이 사전에 설정된 정현파를 기준 전압으로 사용하고, 검출부(121)로부터 서브 모듈(SM)에 고장이 발생한 것으로 전달받으면, 모듈 고장시 발생하는 출력 전압 하강분을 보상하기 위해서, 도 4의 오른쪽에 도시된 바와 같이 상기 정현파에 사전에 설정된 고조파 성분을 부가할 수 있다.Referring to FIG. 4 along with FIGS. 1 and 2, the reference voltage setting unit 122 uses a preset sine wave as a reference voltage as shown on the left side of FIG. 4 in a normal state, and detects the voltage from the detection unit 121. When it is reported that a failure has occurred in the sub-module (SM), a preset harmonic component can be added to the sine wave, as shown on the right side of FIG. 4, in order to compensate for the output voltage drop that occurs when the module fails.

더하여, 기준 전압 설정부(122)는 서브 모듈 고장시 기준 전압을 정상 상태에서 변경 설정하여 각 암에서 동작하는 모듈수를 동일하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 에너지 밸런싱 제어의 용이성을 유지할 수 있다.In addition, the reference voltage setting unit 122 can maintain the same number of modules operating in each arm by changing the reference voltage from the normal state when a sub-module fails, thereby maintaining the ease of energy balancing control.

출력 제어부(123)는 기준 전압 설정부(122)에 의해 설정된 기준 전압에 따라 해당 암의 출력을 제어할 수 있다.The output control unit 123 may control the output of the corresponding arm according to the reference voltage set by the reference voltage setting unit 122.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부의 동작을 나타내는 플로우차트이다. Figure 5 is a flowchart showing the operation of the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.

도 3과 함께, 도 5를 참조하면, 정상 상태 시에는 모든 서브 모듈이 동작하며 각 상전압의 기준 전압(vref)은 정현파(Asin(ωt+α))이다. 검출부(121)는 서브 모듈의 출력 전압(vc)이 정상 상태의 서브 모듈의 출력 전압(vcnormal)인지 여부에 따라 서브 모듈의 고장 여부를 판별할 수 있다(S1). 각 암은 전체 N개의 서브 모듈 중 최대 N개의 서브 모듈이 동작하며(S2), 이때 기준 전압 설정부(122)는 정상 상태의 기준 전압을 서브 모듈의 스위칭에 이용하도록 제공할 수 있다(S3).Referring to FIG. 5 along with FIG. 3 , in a normal state, all sub-modules operate and the reference voltage (v ref ) of each phase voltage is a sine wave (Asin(ωt+α)). The detection unit 121 can determine whether the submodule is broken depending on whether the output voltage ( vc ) of the submodule is the output voltage ( vcnormal ) of the submodule in a normal state (S1). Each arm operates a maximum of N submodules out of a total of N submodules (S2), and at this time, the reference voltage setting unit 122 may provide a reference voltage in a normal state to be used for switching of the submodules (S3). .

한편, 검출부(121)에 의해 서브 모듈의 고장이 판정된 경우, 제어부(120)는 각 암(arm)에서 고장난 서브 모듈의 개수를 확인할 수 있고(S4), 각 암(arm)에서 고장난 서브 모듈은 동작을 중지시킬 수 있다(S5)(최대 고장 모듈 수의 암이 아닌 다른 암의 모듈정지 우선순위는 다음과 같다. 1순위 - 고장 모듈, 2순위 - 커패시터 수명이 짧은 모듈 순서). 이에 따라, 각 암(arm)에서 정상동작 하는 서브 모듈은 최대 N-x개(여기서, N은 서브 모듈의 총 개수, x는 고장난 서브 모듈의 개수)일 수 있으며(S6), 기준 전압 설정부(122)는 상기 정현파(Asin(ωt+α))에 사전에 설정된 고조파 성분()를 부가하여 기준 전압(vref)을 설정할 수 있다(S7). Meanwhile, when the detection unit 121 determines that a submodule has failed, the control unit 120 can check the number of submodules that have failed in each arm (S4) and the submodule that has failed in each arm. can stop operation (S5) (The module stop priority for arms other than the arm with the maximum number of failed modules is as follows: 1st priority - failed module, 2nd priority - module with short capacitor life). Accordingly, the number of sub-modules operating normally in each arm can be up to N ) is a harmonic component ( ) can be added to set the reference voltage (v ref ) (S7).

출력 제어부(123)는 해당상태에서 출력 가능한 정현파(상전압)의 최대값(Vphase.max)에 상기 고조파 성부에 의한 1.15배 곱한 값이 정상 출력 상전압(A)보다 크면, 서브 모듈의 출력 전압이 변화 없이 현재 출력 전압을 유지(vc=vcnormal)하도록 제어할 수 있다(S8, S9). (1.15배 승압분이면 적은 것으로 보일 수 있으나, 정상적으로 선박 운용 중에 모듈이 고장 날 확률은 매우 낮으며, 고장이 난다 하더라도 각 암(arm)에서 서브 모듈 하나 정도이다. 한 암(arm)에서 두 개 이상의 서브 모듈이 고장이 날 확률이 매우 낮기 때문에 1.15배 승압이면 보통의 경우에는 전압 상승없이 리던던시(Redundancy)를 충분히 확보할 수 있다.) 해당 상태에서 출력 가능한 정현파(상전압)의 최대값(Vphase.max)에 상기 고조파 성분에 의한 1.15배 곱한 값이 정상 출력 상전압(A)이하이면, 서브 모듈의 전압을 하기의 수식 1과 같이 상승시킬 수 있다.The output control unit 123 outputs the sub-module when the maximum value (V phase.max ) of the sine wave (phase-to-phase voltage) that can be output in the corresponding state multiplied by 1.15 times by the harmonic component is greater than the normal output phase-to-phase voltage (A). The voltage can be controlled to maintain the current output voltage (v c =v cnormal ) without change (S8, S9). (1.15 times the boost may seem small, but the probability of a module failing during normal ship operation is very low, and even if it fails, it is about one sub-module in each arm. Two in one arm. Since the probability that the above sub-modules will fail is very low, a 1.15-fold boost can ensure sufficient redundancy without increasing the voltage in normal cases.) The maximum value of the sinusoidal wave (phase-to-phase voltage) that can be output in that state (V If the value multiplied by 1.15 times the harmonic component is less than or equal to the normal output phase voltage (A), the voltage of the sub module can be increased as shown in Equation 1 below.

(수식 1)(Formula 1)

여기서, vc.up은 상승된 서브 모듈의 전압, vcnormal은 정상 상태의 서브 모듈의 출력 전압일 수 있다.Here, v c.up may be the voltage of the sub-module in an elevated state, and v cnormal may be the output voltage of the sub-module in a normal state.

출력 제어부(123)는 상승된 서브 모듈의 전압(vc.up)이 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압(vc.max)보다 낮으면, 서브 모듈의 출력 전압을 상승된 서브 모듈의 전압으로 유지(vc=vc.up)하고, 상승된 서브 모듈의 전압(vc.up)이 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압(vc.max) 이상이면, 상승된 서브 모듈의 출력 전압을 감소시켜 서브 모듈의 출력 전압을 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압으로 감소(vc=vc.max)시킬 수 있다(S10, S11, S12, S13, S14). S14 단계의 경우에는 목표하는 전압에서 감소된 전압을 출력할 수 있다. 스위치 안정성을 위해 서브모듈의 출력이 목표보다 감소될 시 상전압의 출력또한 목표보다 떨어질 수 있다.If the voltage (v c.up ) of the raised sub-module is lower than the output voltage (v c.max ) of the sub-module preset for stable operation, the output control unit 123 controls the output voltage of the sub-module to If the voltage of the module is maintained (v c =v c.up ), and the voltage of the raised sub-module (v c.up ) is higher than the output voltage (v c.max ) of the sub-module preset for stable operation, By reducing the output voltage of the raised sub-module, the output voltage of the sub-module can be reduced to the pre-set output voltage of the sub-module (v c =v c.max ) for stable operation (S10, S11, S12, S13) , S14). In the case of step S14, a voltage reduced from the target voltage can be output. For switch stability, if the output of the submodule is reduced below the target, the output of the phase voltage may also fall below the target.

상술한 기준 전압의 파형은 다음의 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어부가 컨버터부에 제공하는 기준 전압의 보다 상세한 파형 그래프일 수 있다.The waveform of the above-described reference voltage may be a more detailed waveform graph of the reference voltage provided to the converter unit by the control unit of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6 below.

(여기서, α: 도 1에서의 3상 중 a, b, c 위상, ω: 모터(전동기) 각속도, A: 정상 출력 상전압(< 0.5Nvc), B: 모듈 전압 제한시 상전압, vc: 서브 모듈 전압, vc.normal: 정상 상태 시 서브 모듈 전압, Vphase.max: 출력가능한 정현파의 최대값(=0.5(N-x)vc), vc.max: 안정적 구동을 위한 서브 모듈 전압 제한 값, N: 한 암의 서브 모듈 전체 개수, x: 한 암에서 고장난 서브 모듈의 개수)(Here, α: a, b, and c phases among the three phases in Figure 1, ω: motor (electric motor) angular speed, A: normal output phase-to-phase voltage (< 0.5Nv c ), B: phase-to-phase voltage when module voltage is limited, v c : Sub-module voltage, v c.normal : Sub-module voltage in normal state, V phase.max : Maximum value of sine wave that can be output (=0.5(Nx)v c) , v c.max : Sub-module for stable operation Voltage limit value, N: total number of submodules in one arm, x: number of failed submodules in one arm)

상술한 바를 정리하면, 한 암에서 고장난 서브 모듈이 검출되는 경우 기존의 기준 전압에 제3 고조파 성분이 부가되며(제3 고조파 성분이 부가되는 경우 제3 고조파 성분의 크기는 1/6으로 설정할 수 있다. 이는 이때의 출력 전압 상승이 15.5%로 가장 크기 때문이다. 1/6이 아닌 다른 값으로 설정하여도 전압 상승은 가능하다. 예를 들어 제3 고조파 성분의 크기가 1/7이면 전압이 15% 상승하고, 1/5이여도 전압이 15% 상승하며, 1/4이면 전압이 11% 상승하고, 1/3이면 전압이 6% 상승할 수 있다.), 이로 인해, 서브 모듈의 출력 가능한 전압이 회복된다. 만약 출력 전압이 불충분할 시 약간의 모듈 전압 상승을 요구하게 된다. 이 때, 요구되는 전압 상승분은 종래의 특허문헌 1(US 8537578)에 비해 매우 작다. 만약 서브 모듈 고장수가 예상보다 많아 서브 모듈의 출력 전압이 예상외로 상승하는 것을 방지하기 위해, 모듈 전압 최대값을 제한할 수 있다. 이 경우엔, 출력할 수 있는 전력 또한 감소한다. 한편, 제3 고조파 성분이외에 다른 차수의 고조파 성분이 부가될 수 있으며, 이경우 위상 조정이 필요하며 출력 전압의 THD 증가가 발생할 수 있다. 제6 고조파 성분 이후 차수에서는 전압 상승의 효과가 없으며, 제3 고조파 성분의 큭기가 1/6이고 위상이 0도일 경우 15.5%의 전압 상승이 일어나는 반면, 제4 고조파 성분의 크기가 1/8이고 위상이 ±90도인 경우 전압이 7.5% 상승하며, 제5 고조파 성분의 크기가 1/12이고 위상이 180도인 경우 전압이 4.6% 상승하고, 제6 고조파 성분의 크기가 1/18이고 위상이 ±90도인 경우 전압이 3.4% 상승할 수 있다.To summarize the above, when a failed submodule is detected in one arm, a third harmonic component is added to the existing reference voltage (if the third harmonic component is added, the size of the third harmonic component can be set to 1/6). This is because the output voltage increase at this time is the largest at 1/6. For example, if the size of the third harmonic component is 1/7, the voltage can be increased. If it is 1/5, the voltage can increase by 15%, if it is 1/4, the voltage can increase by 11%, and if it is 1/3, the voltage can increase by 6%.), As a result, the output of the sub module Possible voltage is restored. If the output voltage is insufficient, a slight increase in module voltage is required. At this time, the required voltage increase is very small compared to the conventional patent document 1 (US 8537578). If the number of submodule failures is greater than expected, the maximum module voltage value can be limited to prevent the output voltage of the submodule from rising unexpectedly. In this case, the power that can be output also decreases. Meanwhile, in addition to the third harmonic component, harmonic components of other orders may be added, in which case phase adjustment is required and THD of the output voltage may increase. There is no effect of voltage increase in the order after the 6th harmonic component, and when the skew of the 3rd harmonic component is 1/6 and the phase is 0 degrees, a 15.5% voltage increase occurs, while the magnitude of the 4th harmonic component is 1/8 and When the phase is ±90 degrees, the voltage rises by 7.5%, when the magnitude of the 5th harmonic component is 1/12 and the phase is 180 degrees, the voltage increases by 4.6%, and when the magnitude of the 6th harmonic component is 1/18 and the phase is ± At 90 degrees, the voltage can increase by 3.4%.

상술한 동작에 관하여, 한 암에서 고장난 서브 모듈이 1,2,3개일 경우를 각각 예를 들어 보다 상세하게 설명하도록 한다. The above-described operation will be explained in more detail using examples of cases where 1, 2, and 3 sub-modules are broken in one arm.

먼저, 이고,first, ego,

할 수 있다. can do.

로 서브 모듈의 출력 전압을 상승시킬 수 있다.The output voltage of the submodule can be increased.

시킬 수 있다.You can do it.

본 발명은 입력 DC전압 조정이 가능한상태에서 유용할 수 있다. (ex: AFE 혹은 DC-DC 컨버터가 입력에 쓰이는 경우)The present invention can be useful when the input DC voltage can be adjusted. (ex: When AFE or DC-DC converter is used for input)

상술한 제어부는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(미도시) 및 메모리(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 상기 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다. 더하여, 본 명세서에서 사용되는 "제어부", "검출부", "기준 전압 설정부", "출력 제어부" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.The above-described control unit may include at least one processing unit (not shown) and a memory (not shown). Here, the processing unit may include, for example, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microprocessor, an application specific integrated circuit (ASIC), or a field programmable gate array (FPGA). etc., and may have a plurality of cores. The memory may be volatile memory (eg, RAM, etc.), non-volatile memory (eg, ROM, flash memory, etc.), or a combination thereof. In addition, terms such as "control unit", "detection unit", "reference voltage setting unit", "output control unit", etc. used in this specification generally refer to hardware, a combination of hardware and software, software, or computer-related entities that are running software. can refer to. For example, the control unit may be, but is not limited to, a process running on a processor, a processor, an object, an executable, a thread of execution, a program, and/or a computer. For example, both the application running on the controller and the controller can be components. One or more components may reside within a process and/or thread of execution, and a component may be localized on one computer or distributed between two or more computers.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 모듈 고장에 따른 리던던시를 확보하면서 추가적인 모듈을 요구하지 않아 하드웨어 부피, 무게 및 비용이 저감될 수 있으며, 모듈 전압이 상승되지 않거나 종래에 대비하여 상승 전압 레벨이 낮아 스위치의 비용 감소 및 안정성이 증가할 수 있으며, 각 암에서 구동되는 모듈수가 항상 동일하여 에너지 밸런싱 제어가 용이하고 제어 안정성이 증가될 수 있다.As described above, according to the present invention, hardware volume, weight, and cost can be reduced by ensuring redundancy in case of module failure and not requiring additional modules, and the module voltage does not increase or the increased voltage level is lower than in the past. Because it is low, the cost of the switch can be reduced and stability can be increased, and the number of modules driven in each arm is always the same, making energy balancing control easy and control stability increased.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is limited by the scope of the patent claims described below, and the configuration of the present invention can be varied within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. Those skilled in the art can easily see that changes and modifications can be made.

100: 모듈형 멀티레벨 컨버터
110: 컨버터부
120: 제어부
121: 검출부
122; 기준 전압 설정부
123: 출력 제어부100: Modular multilevel converter
110: converter unit
120: control unit
121: detection unit
122; Reference voltage setting unit
123: Output control unit

Claims (10)

사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)을 갖고 상기 레그는 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상기 상부 암 및 상기 하부 암은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈을 구비하여 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 컨버터부; 및
상기 상부 암 및 상기 하부 암의 각 복수의 서브 모듈의 고장 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가하는 제어부
를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
There is a leg according to a preset phase, and the leg has an upper arm and a lower arm, and the upper arm and the lower arm each have a plurality of submodules connected in series to input a converter unit that converts direct current power into alternating current power having the above phases; and
A control unit that adds a preset harmonic component to the reference voltage of the phase depending on whether each of the plurality of sub-modules of the upper arm and the lower arm fails.
Modular multilevel converter including.
 제1항에 있어서,
상기 제어부는
상기 상부 암 및 상기 하부 암의 각 복수의 서브 모듈의 고장 여부를 검출하는 검출부;
상기 검출부로부터의 고장 검출 여부에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가하는 기준 전압 설정부;
상기 기준 전압 설정부에 의해 설정된 기준 전압에 따라 해당 암의 출력을 제어하는 출력 제어부
를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to paragraph 1,
The control unit
a detection unit that detects whether each of the plurality of sub-modules of the upper arm and the lower arm is malfunctioning;
a reference voltage setting unit that adds a preset harmonic component to the reference voltage of the phase depending on whether a failure is detected by the detection unit;
An output control unit that controls the output of the arm according to the reference voltage set by the reference voltage setting unit.
Modular multilevel converter including.
 제2항에 있어서,
상기 기준 전압 설정부는 상기 검출부로부터의 고장이 검출되지 않으면 사전에 설정된 정현파를 갖는 상기 기준 전압을 제공하고, 상기 검출부로부터의 고장이 검출디면 상기 정현파에 제3 고조파 성분을 추가하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to paragraph 2,
The reference voltage setting unit provides the reference voltage with a preset sinusoidal wave when a failure is not detected from the detection unit, and adds a third harmonic component to the sinusoidal wave when a failure is detected from the detection unit. A modular multi-level converter .
 제2항에 있어서,
상기 기준 전압 설정부는 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 각 복수의 서브 모듈 중 해당 암에서 고장난 서브 모듈의 수에 따라 상기 상의 기준 전압에 사전에 설정된 고조파 성분을 추가하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to paragraph 2,
The reference voltage setting unit adds a preset harmonic component to the reference voltage of the phase according to the number of broken submodules in the arm among the plurality of submodules of the upper arm and the lower arm. A modular multi-level converter.
 제2항에 있어서,
상기 출력 제어부는 상기 기준 전압에 따른 각 상의 최대 출력가능한 전압이 각 상의 정상 상태의 최대 전압보다 크면 현재 서브 모듈의 출력 전압을 유지하도록 제어하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to paragraph 2,
The output control unit is a modular multi-level converter that controls to maintain the output voltage of the current sub-module when the maximum output voltage of each phase according to the reference voltage is greater than the maximum voltage in the normal state of each phase.
 제5항에 있어서,
상기 출력 제어부는 상기 기준 전압에 따른 각 상의 최대 출력가능한 전압이 각 상의 정상 상태의 최대 전압보다 작으면, 해당 암에서 정상 서브 모듈의 출력 전압을 상승시키는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to clause 5,
The output control unit is a modular multi-level converter that increases the output voltage of the normal sub-module in the corresponding arm when the maximum output voltage of each phase according to the reference voltage is less than the maximum voltage in the normal state of each phase.
 제6항에 있어서,
상기 출력 제어부는 상기 정상 서브 모듈의 상승된 출력 전압과 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압을 비교하여 비교 결과에 따라 상승된 출력 전압을 유지하거나, 감소시키는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
According to clause 6,
The output control unit compares the increased output voltage of the normal sub-module with the output voltage of a pre-set sub-module for stable operation and maintains or reduces the increased output voltage according to the comparison result. A modular multi-level converter.
 제7항에 있어서,
상기 출력 제어부는 상기 정상 서브 모듈의 상승된 출력 전압이 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압보다 낮으면 상승된 출력 전압을 유지하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
In clause 7,
The output control unit is a modular multi-level converter that maintains the increased output voltage when the increased output voltage of the normal sub-module is lower than the output voltage of the pre-set sub-module for stable operation.
 제7항에 있어서,
상기 출력 제어부는 상기 정상 서브 모듈의 상승된 출력 전압이 안정적 구동을 위해 사전에 설정된 서브 모듈의 출력 전압 이상이면, 상승된 출력 전압을 감소시키는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
In clause 7,
The output control unit is a modular multi-level converter that reduces the increased output voltage of the normal sub-module if the increased output voltage of the sub-module is higher than the output voltage of the pre-set sub-module for stable operation.
 제1항에 있어서,
상기 컨버터부는 입력 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하는 모듈형 멀티레벨 컨버터. According to paragraph 1,
The converter unit is a modular multi-level converter that converts input direct current power into three-phase alternating current power.
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