WO2016108550A1 - 모듈러 멀티레벨 컨버터 - Google Patents

모듈러 멀티레벨 컨버터 Download PDF

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WO2016108550A1
WO2016108550A1 PCT/KR2015/014354 KR2015014354W WO2016108550A1 WO 2016108550 A1 WO2016108550 A1 WO 2016108550A1 KR 2015014354 W KR2015014354 W KR 2015014354W WO 2016108550 A1 WO2016108550 A1 WO 2016108550A1
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submodules
carrier
present
switching
converter
Prior art date
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PCT/KR2015/014354
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정홍주
최종윤
김준성
박정수
이두영
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주식회사 효성
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators

Definitions

  • the present invention relates to a modular multilevel converter (MMC). More specifically, the present invention relates to an M + redundant submodule in addition to the N submodules required for operation in an MMC converter.
  • MMC modular multilevel converter
  • a known Modular Multilevel Converter is composed of one or more phase modules 1 as shown in FIG. 1, and each phase module 1 has two N submodules 10 having output terminals X1 and X2 are connected in series.
  • the load connection terminals L1, L2, and L3 may be connected to a three phase load, for example, a three phase AC power system.
  • the upper module 1 is divided into an upper upper module 1a and a lower upper module 1b based on the load connection terminals L1, L2, and L3.
  • PWM pulse width modulation
  • FIG. 2 illustrates a carrier of a PSC-based PWM applied to a conventional MMC.
  • a carrier signal 22 allocated to N submodules 10 is -1.
  • the module is ON and the subcarrier of the small carrier is OFF. On / off switching of this submodule is controlled by a controller (not shown).
  • N carriers must be maintained. If a failure occurs in any one of the N submodules, the carrier cannot be maintained, which adversely affects the operation of the MMC converter.
  • the prior art proposes a method of driving by adding M redundant submodules in addition to the N submodules participating in the driving.
  • the carrier must be continuously changed for every N submodules among the N + M submodules.
  • the carrier of the 1st to Nth submodules is maintained in the current cycle and should be changed to the carrier of the 2nd (N + 1) th submodule in the next cycle.
  • the switching state is changed at the point of change of the carrier, so that unnecessary switching occurs and the switching frequency is increased, and it is difficult to implement a controller for continuously rotating the carrier.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems, and provided with N submodules and M redundant submodules required for operation in the MMC converter so that the N + M submodules participate in the switching while circulating. Its purpose is to provide a modular multilevel converter for controlling.
  • the present invention is to set the N + M phase-shifted carrier to the N + M sub-module in the MMC converter and set to unbalancing the vertical fluctuation range of the N + M carrier signal
  • Another purpose is to provide a modular multilevel converter.
  • Modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention, a plurality of sub-modules connected in series with each other; And a controller configured to control ON / OFF switching of the submodule.
  • the plurality of sub-module includes a plurality of M sub-parts participating in the operation of the MMC converter and when the failure occurs in at least one of the N sub-modules M spare in order to participate in the operation on behalf of the failed sub-modules And a sub module, wherein the controller switches on a sub module in which each carrier signal allocated to the N + M sub modules is larger than a preset reference signal, and turns off a small sub module. .
  • each carrier signal of the N + M submodules is unbalancing up and down fluctuation range.
  • each carrier signal has a vertical fluctuation range from -A to + (A ⁇ (N + M) / N).
  • each of the N + M submodules is switched on and then switched off after being phase-shifted by M carrier signals.
  • N + M carrier signals are allocated to the N + M sub-modules, respectively, and N sub-modules in the N + M sub-modules are sequentially circulated one by one to participate in the operation of the MMC converter.
  • all the N + M submodules perform on / off switching.
  • the carrier is changed in the conventional manner Eliminate unnecessary switching times.
  • the present invention simplifies the implementation of the controller because the controller of the N + M sub-modules do not need to continuously change the carrier as in the prior art.
  • the present invention has an effect that the operation of the MMC converter system is made efficiently and the implementation is simplified by eliminating unnecessary operations.
  • 1 is a circuit diagram of a conventional MMC converter
  • FIG. 2 is a waveform diagram of a carrier of the PSC-based PWM in the conventional MMC converter
  • FIG. 3 is an exemplary diagram of an MMC converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a carrier waveform diagram of a PSC-based PWM implemented in an MMC converter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating carrier assignment to N + M submodules in an MMC converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only to distinguish the components from other components, and the nature, order, order, etc. of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there may be another component between each component. It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG 3 is an exemplary diagram of an MMC converter according to an embodiment of the present invention.
  • N + 1 or 2N + 1 levels are basically used by using N (natural numbers) submodules 110 for each of the upper and lower upper modules 101a and 101b.
  • the N submodules 110 are operated by adding M (natural numbers) redundant submodules 120 for stable operation even when a failure occurs.
  • M preliminary submodules 120 are included in each phase module 101a and 101b, so that N + M submodules 110 and 120 in each phase module 101a and 101b are connected in series.
  • N submodules normally operated must be maintained at all times, and the remaining M submodules are kept in the standby state.
  • any one of the N sub-modules 110 in operation in the present invention is broken, one of the M spare sub-modules 120 is immediately input. That is, when an accident occurs in the N submodules 110, one of the preliminary submodules 120 should be immediately input in order to avoid problems in the operation of the MMC converter. Balancing must be maintained. To this end, carriers are allocated to all N + M submodules 110 and 120 including the spare submodule 120 to participate in ON / OFF switching, thereby maintaining overall balancing. This means that the number of submodules operating to generate the N + 1 level instantaneously is N, but the N + M submodules rotate to participate in the switching. ON / OFF switching of such N + M submodules is controlled by a controller (not shown).
  • FIG. 4 is a carrier waveform diagram of a PSC-based PWM implemented in an MMC converter according to an embodiment of the present invention.
  • phase-shifted carrier (PSC) based PWM is applied to implement on / off switching of N submodules.
  • the switching of the submodule is implemented by comparing the carrier signal with the reference signal.
  • the reference signal is represented by a square wave and the carrier signal is represented by a triangle wave, but the present invention is not limited thereto.
  • N such carrier signals appear depending on the number of N submodules operated. As shown in the figure, each carrier signal appears in a phase-shifted state and both frequency and amplitude are the same.
  • the on / off switching signal of the submodule is controlled by comparing the carrier signal with the reference signal.
  • the variation range of the N carrier signals is larger than the variation range of the reference signal. That is, when the reference signal is a sinusoidal wave that varies from -A to + A, for example, the carrier signal varies from -A to + (A + ⁇ ).
  • the N + M phase shift carrier signals allocated to the N submodules participating in the MMC converter and the M spare submodules preliminarily provided are -A to + A (N + M). Fluctuates up to / N Thus, each carrier signal is unbalancing up and down. In the example of FIG.
  • the N + M submodules may participate in the switching while cyclically setting the carrier signal to be unbalanced up and down (unbalancing). This is because in comparison with the prior art illustrated in FIG. 2, since there is no submodule in which the carrier signal is larger than the reference signal because the vertical fluctuation range of the reference signal and the carrier signal is the same, such a submodule is turned off. In this case, as shown in the present invention, all N + M submodules cannot sequentially participate in on / off switching.
  • the first carrier signal 41 becomes larger than the reference signal 44 by unbalanced the variation range of the carrier signal from -1 to 1.2.
  • the first submodule is switched OFF at a time T1 when the next second carrier signal 42 becomes larger than the reference signal 42. Rather, the first submodule is switched OFF when the third carrier signal 43 becomes larger than the reference signal.
  • the on / off switching of each sub-module has a phase transition effect unlike the conventional method.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a switching process of N + M submodules in an MMC converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • carriers are allocated to all N + M submodules so that N + M carrier signals appear. This is to allow all N + M submodules to participate in on / off switching.
  • carrier signal 1 is assigned to submodule # 1
  • carrier signal 2 is assigned to submodule # 2
  • carrier signal N is assigned to submodule #N
  • carrier signal N + 1 is assigned to the submodule # (N + 1)
  • the carrier signal N + M is assigned to the submodule # (N + M). This can be seen that the carrier signal is only assigned to the N sub-modules participating in the operation in the prior art.
  • the number of submodules participating in the operation of the MMC converter is N.
  • N the number of submodules participating in the operation of the MMC converter.
  • the remaining submodules # N + 1 to # N + M are each assigned a carrier signal and on / off switching, but do not participate in operation. This means that if at least one or more of the submodules of # 1 to #N occur, they immediately participate in operation on behalf of the failed submodule. For this purpose, the on / off switching is continuously performed even in the standby state.
  • N spare submodules are additionally provided to N submodules required for operation for each of the upper upper module and the lower upper module of the MMC converter to operate with N + M submodules.
  • N submodules normally operating should be maintained at all times, and the remaining M submodules should be kept in the standby state.
  • a spare submodule should be immediately put in place of the failed submodule in order to prevent problems with the operation of the MMC converter system.
  • all N + M submodules including spare submodules participate in the switching. That is, although there are N submodules that operate instantaneously to generate N + 1 multi-levels, N + M submodules rotate to participate in on / off switching.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 운전에 필요한 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터는 서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및 상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 다수의 서브모듈은 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 N+M개의 서브모듈에 할당된 각 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 작은 서브모듈은 오프(OFF)로 스위칭한다.

Description

모듈러 멀티레벨 컨버터
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MMC 컨버터에서 운전에 필요한 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 공지의 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)은 도 1에 도시된 바와 같이 1개 이상의 상모듈(phase module)(1)로 구성되고 각 상모듈(1)은 2개의 출력단자(X1,X2)를 갖는 N개의 서브모듈(10)이 직렬연결된다. 부하접속단자(L1,L2,L3)는 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 접속될 수 있다. 상모듈(1)은 부하접속단자(L1,L2,L3)를 기준으로 상부 상모듈(1a)과 하부 상모듈(1b)로 구분된다.
이러한 MMC 컨버터에서 서브모듈의 스위칭에는 펄스폭변조(PWM:Pulse Width Modulation) 방식이 통상적으로 사용된다. MMC 컨버터의 다양한 PWM 방식 중에서 위상전이된 캐리어(PSC:Phase-Shifted Carrier) 기반의 PWM은 출력의 멀티레벨화가 가능하고 낮은 스위칭 주파수에서도 출력에서 고조파가 적다는 장점이 있다.
도 2는 종래의 MMC에 적용된 PSC 기반 PWM의 캐리어를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 MMC 컨버터에 원하는 기준신호(21)가 -1에서 +1 사이의 값을 가지는 경우 N개의 서브모듈(10)에 할당된 캐리어(carrier) 신호(22)가 -1 ~ +1로 변동되도록 구성하고, 기준신호(21)와 N개의 서브모듈(10)에 할당된 캐리어 신호(22)의 크기를 비교하여 기준신호(21)보다 삼각파(22)가 큰 캐리어의 서브모듈은 온(ON)되고, 작은 캐리어의 서브모듈은 오프(OFF)된다. 이러한 서브모듈의 온/오프 스위칭은 제어기(미도시)에 의해 제어된다.
그런데, 이러한 종래방식에서는 N개의 캐리어를 유지해야 한다. 만약 N개의 서브모듈 중 어느 하나에 고장이 발생하는 경우 캐리어를 유지할 수 없어 MMC 컨버터의 운전에 악영향을 미치는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래기술에서는 운전에 참여하는 N개의 서브모듈 외에 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 추가하여 운전하는 기법이 제시되어 있다. 하지만, 이 경우에도 N+M개의 서브모듈 중 N개의 서브모듈마다 캐리어가 계속 변경되어야 한다. 예컨대, 현재주기에 1~N번째 서브모듈의 캐리어가 유지된 상태에서 다음주기에 2~(N+1)번째 서브모듈의 캐리어로 변경되어야 한다. 이 경우 캐리어의 변경시점에서 스위칭 상태가 변경되어 불필요한 스위칭이 발생하여 스위칭 주파수가 증가되는 문제점이 발생하고 캐리어를 계속 회전시기 위한 제어기의 구현이 힘들다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, MMC 컨버터에서 운영에 필요한 N개의 서브모듈과 M개의 예비(redundant) 서브모듈을 구비하여 N+M개의 서브모듈이 순환하면서 스위칭에 참여하도록 제어하는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈에 N+M개의 위상전이 캐리어(phase-shifted carrier)가 할당되며 상기 N+M개의 캐리어 신호의 상하 변동 범위를 불평형(unbalancing)하도록 설정하는 모듈러 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)는, 서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및 상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 다수의 서브모듈은 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 N+M개의 서브모듈에 할당된 각 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 서브모듈을 온(ON)으로 스위칭하고 작은 서브모듈을 오프(OFF)로 스위칭한다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈의 각 캐리어 신호는 상하 변동 범위가 불평형(unbalancing)하다.
본 발명에서, 상기 기준신호가 -A에서 +A까지의 상하 변동 범위를 갖는 경우, 상기 각 캐리어 신호는 -A에서 +(A×(N+M)/N)까지의 상하 변동 범위를 갖는다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈 각각은 온(ON)으로 스위칭된 후 M개의 캐리어 신호만큼 위상전이(phase-shifted)된 후에 오프(OFF)로 스위칭된다.
본 발명에서, N+M개의 캐리어 신호가 N+M개의 서브모듈에 각각 할당되고 상기 N+M개의 서브모듈에서 N개의 서브모듈이 순차적으로 하나씩 순환하면서 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하도록 한다.
본 발명에서, 상기 N+M개의 서브모듈이 모두 온/오프 스위칭을 수행한다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈의 캐리어의 크기범위를 상하 불평형하게 설정하여 예비 서브모듈을 포함한 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하도록 함으로써 기존의 방식에서 캐리어가 변경되면서 발생하는 불필요한 스위칭 횟수의 발생을 없애도록 한다.
또한, 본 발명에 의하면 N+M개의 서브모듈의 제어기에서 종래기술과 같이 캐리어를 계속 변경하기 위한 동작이 필요 없기 때문에 제어기의 구현이 간편해진다.
따라서, 본 발명은 MMC 컨버터 시스템의 동작이 효율적으로 이루어지도록 하며 불필요한 동작을 생략함으로써 구현이 간단해지는 효과가 있다.
도 1은 종래의 MMC 컨버터의 회로도,
도 2는 종래의 MMC 컨버터에서 PSC 기반 PWM의 캐리어의 파형도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예시도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에 구현된 PSC 기반 PWM의 캐리어 파형도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈에 캐리어의 할당을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)에서는 기본적으로 상ㆍ하부 상모듈(101a,101b)별로 N(자연수)개의 서브모듈(110)를 이용하여 N+1 또는 2N+1 레벨의 전압을 생성한다. 이때, N개의 서브모듈(110)에 고장발생시에도 안정적인 운용을 위해 M(자연수)개의 예비(redundant)의 서브모듈(120)을 추가하여 운전하게 된다. 이 경우 각 상모듈(101a,101b)당 M개의 예비 서브모듈(120)이 포함되어서 전체적으로 각 상모듈(101a,101b)당 N+M개의 서브모듈(110,120)이 직렬로 연결된다. 이와 같이 N+M개의 서브모듈로 운전하기 위해서는 정상적으로 운전되는 서브모듈은 항상 N개가 유지되어야 하며 나머지 M개의 서브모듈은 대기상태로 유지된다.
이때, 본 발명에서 운전중인 N개의 서브모듈(110) 중 어느 하나가 고장나면 M개의 예비 서브모듈(120) 중 하나가 즉시 투입된다. 즉, N개의 서브모듈(110)에 사고가 발생하는 경우 MMC 컨버터의 동작에 문제가 없도록 하기 위해서는 즉시 예비 서브모듈(120) 중 하나가 투입되어야 하므로 전체 N+M개의 각 서브모듈의 DC전압의 밸런싱(balancing)이 유지되어야 한다. 이를 위하여 예비 서브모듈(120)을 포함한 전체 N+M개의 서브모듈(110,120)에 캐리어(carrier)가 할당되어 모두 온/오프(ON/OFF) 스위칭에 참여하도록 함으로써 전체적인 밸런싱을 유지해야 한다. 이는 순시적으로 N+1 레벨을 생성하기 위해 동작하는 서브모듈의 개수는 N개이지만, N+M개의 서브모듈이 돌아가면서 스위칭에 참여하도록 하는 것이다. 이러한 N+M개의 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭은 제어부(미도시)에 의해 제어된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에 구현된 PSC 기반 PWM의 캐리어 파형도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서는 위상전이 캐리어(phase-shifted carrier:PSC) 기반의 PWM을 적용하여 N개의 서브모듈의 온/오프 스위칭을 구현하도록 한다. 이를 위하여 캐리어 신호와 기준신호를 비교하여 서브모듈의 스위칭이 구현된다. 기준신호는 정형파로 나타나고 캐리어 신호는 삼각파로 나타나지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 캐리어 신호는 운전되는 N개의 서브모듈의 개수에 따라 N개가 나타난다. 도면에 도시된 바와 같이 각각의 캐리어 신호는 위상전이된(phase-shifted) 상태로 나타나며 주파수 및 진폭은 모두 동일하다. 이러한 캐리어 신호와 기준신호의 비교를 통해 서브모듈의 온/오프 스위칭 신호를 제어하도록 한다.
이때, 본 발명의 실시 예에서 N개의 캐리어 신호의 변동 범위는 기준신호의 변동 범위보다 큰 것이 바람직하다. 즉, 기준신호가 예컨대 -A에서 +A까지 변동하는 정현파인 경우 캐리어 신호는 -A에서 +(A+α)까지 변동한다. 이를 구체적으로 설명하면, MMC 컨버터에서 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 예비적으로 구비된 M개의 예비 서브모듈에 할당된 N+M개의 위상전이 캐리어 신호는 -A부터 +A(N+M)/N까지 변동한다. 따라서, 각 캐리어 신호는 상하 변동이 불평형(unbalancing)하다. 도 4의 일례에서는 MMC 컨버터에서 운전중이 서브모듈이 10개(N=10)이고, 예비 서브모듈이 2개(M=2)라고 가정하고, 기준신호가 -1에서 +1 사이의 값을 가지는 경우 N+M개의 캐리어 신호는 -1에서 +1.2(=1×(10+2)/10)의 범위 내에서 변동하는 예를 도시하고 있다.
여기서, 캐리어 신호가 기준신호보다 큰 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 반대로 캐리어 신호가 기준신호보다 작은 서브모듈은 오프(OFF)로 스위칭된다. 따라서 도 4와 같이 상하 불평형(unbalancing)하게 캐리어 신호가 변동하도록 설정함으로써 N+M개의 서브모듈이 모두 순환하면서 스위칭에 참여하도록 할 수 있다. 이는 도 2에 도시된 종래기술과 비교할 때 종래기술에서는 기준신호와 캐리어 신호의 상하 변동 범위가 동일하기 때문에 캐리어 신호가 기준신호보다 큰 서브모듈이 존재하지 않을 경우가 있으므로 이러한 서브모듈은 오프(OFF) 상태가 되므로 본 발명과 같이 N+M개의 모든 서브모듈이 순차적으로 온/오프 스위칭에 참여하지 못하게 된다.
또한, 도 4에 도시된 일례에서 기준신호가 -1에서 +1 사이를 가지는 경우 캐리어 신호의 변동 범위를 -1~1.2까지 불평형하게 함으로써 제1 캐리어 신호(41)가 기준신호(44)보다 커져서 대응되는 제1 서브모듈이 온(ON)으로 스위칭된 이후에, 다음 제2 캐리어 신호(42)가 기준신호(42)보다 커지는 시점(T1)에 제1 서브모듈이 오프(OFF)로 스위칭되는 것이 아니라, 3번째 캐리어 신호(43)가 기준신호보다 커지는 시점(T2)에 제1 서브모듈이 오프(OFF)로 스위칭된다. 이는 제1 캐리어 신호(41)가 이후의 다른 2개의 캐리어 신호만큼 위상전이된(phase-shifted)된 효과를 갖도록 한다. 따라서, 제1 캐리어 신호(41)에 대응되는 제1 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭되고 이후 2개의 캐리어 신호가 위상전이된 이후에 오프(OFF)로 스위칭되는 것이다. 이러한 위상전이 효과는 예비 서브모듈의 개수(M)에 따라 결정된다. 다시 말하면, M개만큼 위상전이되는 효과를 갖는 것이다. 예컨대, 도 4의 일례와 같이 M=2이면 2개의 캐리어 신호만큰 위상전이 되는 효과를 가지는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하면서도 각 서브모듈의 온/오프 스위칭은 기존방식과는 달리 위상전이 효과를 가지도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서 N+M개의 서브모듈의 스위칭 과정을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터에서는 N+M개의 전체 서브모듈에 캐리어가 할당되어 N+M개의 캐리어 신호가 나타난다. 이는 N+M개의 서브모듈이 모두 온/오프 스위칭에 참여하도록 하기 위한 것이다.
즉, 도면에서와 같이 서브모듈 #1에 캐리어 신호 1이, 서브모듈 #2에는 캐리어 신호 2가 할당되고, 서브모듈 #N에는 캐리어 신호 N이 할당된다. 또한 서브모듈 #(N+1)에는 캐리어 신호 (N+1)이, 서브모듈 #(N+M)에는 캐리어 신호 (N+M)가 할당된다. 이는 종래기술에서 운전에 참여하고 있는 N개의 서브모듈에만 캐리어 신호가 할당되는 것과는 다름을 알 수 있다.
이때, MMC 컨버터의 운전에 참여하는 서브모듈의 개수는 N개이다. 예컨대, 서브모듈 #1부터 서브모듈 #N개까지만 운전에 참여한다. 나머지 #N+1부터 #N+M까지의 서브모듈은 캐리어 신호가 각각 할당되고 온/오프 스위칭은 이루어지지만 운전에는 참여하지 않는다. 이는 #1~#N의 서브모듈 중 적어도 하나 이상 고장이 발생하면 즉시 그 고장난 서브모듈을 대신하여 운전에 참가하게 된다. 이를 위하여 대기 상태에서도 계속 온/오프 스위칭은 이루어지고 있다.
이는 종래기술과 비교할 때 N개의 캐리어 신호가 N개의 서브모듈에 할당된 후 나머지 M개의 서브모듈에 N개의 캐리어 신호를 순차적으로 이동시켜야 하는 번거로움이 없는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 MMC 컨버터의 상부 상모듈 및 하부 상모듈마다 운전에 필요한 N개의 서브모듈에다 M개의 예비 서브모듈을 추가로 구비하여 N+M개의 서브모듈로 운전하도록 한다. 이때, 정상적으로 운전하는 서브모듈은 항상 N개가 유지되어야 하며, 나머지 M개의 서브모듈은 대기 상태로 유지되어야 한다. 또한, 운전중이 N개의 서브모듈 중 어느 하나에 고장이 발생시 MMC 컨버터 시스템의 동작에 문제가 없도록 하기 위해서는 즉시 예비 서브모듈이 그 고장난 서브모듈을 대신하여 투입되어야 한다. 이를 위해여 예비 서브모듈을 포함한 N+M개의 서브모듈이 모두 스위칭에 참여하도록 한다. 즉, 순시적으로 N+1의 멀티레벨을 생성하기 위해 동작하는 서브모듈은 N개이지만, N+M개의 서브모듈이 돌아가면서 온/오프 스위칭에 참여하게 된다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)에 있어서,
    서로 직렬로 연결된 다수의 서브모듈; 및
    상기 서브모듈의 온/오프(ON/OFF) 스위칭을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 다수의 서브모듈은 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하는 N개의 서브모듈과 상기 N개의 서브모듈 중 적어도 하나에 고장발생시 상기 고장발생한 서브모듈을 대신하여 운전에 참여하기 위해 M개의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 N+M개의 서브모듈에 할당된 각 캐리어 신호가 기설정된 기준신호보다 큰 경우에는 서브모듈은 온(ON)으로 스위칭하고 작은 경우에는 오프(OFF)로 스위칭하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 N+M개의 서브모듈의 각 캐리어 신호는 상하 변동 범위가 불평형(unbalancing)한 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기준신호가 -A에서 +A까지의 상하 변동 범위를 갖는 경우, 상기 각 캐리어 신호는 -A에서 +(A×(N+M)/N)까지의 상하 변동 범위를 갖는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 N+M개의 서브모듈 각각은 온(ON)으로 스위칭된 후 M개의 캐리어 신호만큼 위상전이(phase-shifted)된 후에 오프(OFF)로 스위칭되는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  5. 제1항에 있어서, N+M개의 캐리어 신호가 N+M개의 서브모듈에 각각 할당되고 상기 N+M개의 서브모듈에서 N개의 서브모듈이 순차적으로 하나씩 순환하면서 상기 MMC 컨버터의 운전에 참여하도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 N+M개의 서브모듈이 모두 온/오프 스위칭을 수행하는 모듈러 멀티레벨 컨버터.
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