WO2024091083A1 - 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템 - Google Patents

모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템 Download PDF

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WO2024091083A1
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power
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direct current
output
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강남숙
조영호
김상현
안상준
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에이치디한국조선해양 주식회사
에이치디현대중공업 주식회사
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Definitions

  • Embodiments disclosed in this document relate to modular multilevel converters and power system systems using the same.
  • a modular multilevel converter realizes high voltage output through cascade connection of several converter valve submodule units.
  • the modular multilevel converter does not require direct cascade connection of switching elements, has low requirements for element trigger consistency, and also has excellent scalability, low switching frequency, and low operation loss. It has the advantage of high quality output voltage waveform.
  • Embodiments disclosed in this document seek to provide a power system system using a modular multilevel converter.
  • Embodiments disclosed in this document seek to provide a power system system for reducing the costs required to operate large electric propulsion ships.
  • Embodiments disclosed in this document are intended to provide a power system system that is easy to connect with multiple energy sources when operating a large electric propulsion ship.
  • Embodiments disclosed in this document seek to provide a power system system for efficiently utilizing the limited space of a ship.
  • the modular multilevel converter has legs according to preset phases, the legs have an upper arm and a lower arm, and the upper arm and a first converter unit, wherein the lower arm has a plurality of sub-modules connected in series, and converts direct current power input to the input terminal into alternating current power having the phase and outputs it through a first output terminal. And it may include a second converter unit that converts the direct current power input to the input terminal into alternating current power having a voltage level lower than the voltage level of the alternating current power output from the first converter unit and outputs it through a second output terminal.
  • the second converter unit is composed of a plurality of additional submodules of a full bridge type connected in series with the upper arm of the leg of the first converter unit, and a plurality of neighboring additional submodules are connected in parallel with each other.
  • the plurality of additional submodules include: a first low-voltage converter unit that converts the direct current power of the input terminal into alternating current power having a voltage level lower than the voltage level of the alternating current power output from the first converter unit; and a plurality of additional submodules of a full bridge type connected in series with the lower arm of the leg of the first converter unit, wherein the plurality of neighboring additional submodules are connected in parallel to each other, and the plurality of additional submodules are It may include at least one of a second low-voltage converter unit that converts the DC power of the input terminal into AC power having a voltage level lower than the voltage level of the AC power output from the first converter unit.
  • it may further include a control unit that controls power conversion of the first low-voltage converter unit and the second low-voltage converter unit.
  • the first converter unit when AC power is input to the first output terminal, the first converter unit converts the AC power input to the first output terminal into preset DC power and outputs it to the input terminal. It may be a bidirectional converter. .
  • the first converter unit and the second converter unit may convert DC power of the input terminal into three-phase AC power having different voltage levels and output the converted DC power.
  • a power system system includes a first modular multilevel converter having multiple output stages; a propulsion motor supplied with AC power from a first output stage among the multiple output stages; a first low-voltage alternating current (AC) distribution system that receives alternating current power from a second output terminal among the multiple output terminals; And it may include medium-voltage direct current (DC) distribution for supplying direct current power to the first modular multi-level converter.
  • a propulsion motor supplied with AC power from a first output stage among the multiple output stages
  • a first low-voltage alternating current (AC) distribution system that receives alternating current power from a second output terminal among the multiple output terminals
  • DC direct current
  • the voltage level of AC power output through the second output terminal may be lower than the voltage level of AC power output through the first output terminal.
  • the direct current power supplied to the first modular multi-level converter through the high-voltage direct current distribution may be generated directly or indirectly by at least one of an energy storage system, a fuel cell system, and a generator.
  • the generator and the high-voltage direct current distribution are electrically connected and may further include a second modular multi-level converter having at least one output stage.
  • the second modular multilevel converter may have a third output stage for outputting direct current power to the high voltage direct current distribution, and a fourth output stage for outputting alternating current power to the service load distribution.
  • the second modular multilevel converter may have a fifth output stage for outputting direct current power to the high voltage direct current distribution, and a sixth output stage for outputting direct current power to the service load distribution.
  • the voltage level of direct current power output through the sixth output terminal may be lower than the voltage level of direct current power output through the fifth output terminal.
  • the second output terminal and the low-voltage AC power distribution may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • it is connected to the high-voltage direct current distribution and may further include a bus tie for exchanging direct current power with other power system systems.
  • Embodiments disclosed in this document can provide a power system system using a modular multilevel converter.
  • Embodiments disclosed in this document can provide a power system system for reducing the costs required to operate large electric propulsion ships.
  • Embodiments disclosed in this document can provide a power system system that is easy to connect with a plurality of energy sources when operating a large electric propulsion ship.
  • Embodiments disclosed in this document can provide a power system system for efficiently utilizing the limited space of a ship.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a modular multilevel converter according to an embodiment disclosed in this document.
  • Figure 2 is a schematic circuit diagram of a sub-module of a modular multilevel converter according to an embodiment disclosed in this document.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing a modular multilevel converter according to an embodiment disclosed in this document.
  • 4A to 4C are schematic diagrams of a modular multi-level converter and a power system using the same according to an embodiment disclosed in this document.
  • 5A to 5B are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter with a single output stage is disposed between a high-voltage direct current distribution and a propulsion motor according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 6A to 6C are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is additionally disposed between high-voltage direct current distribution and a generator according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 7A to 7B are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter with multiple output stages is disposed between a high-voltage direct current distribution and a propulsion motor according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 8A to 8C are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is additionally disposed between high-voltage direct current distribution and a generator according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 9A to 9B are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter with multiple output stages is disposed between a high-voltage direct current distribution and a propulsion motor according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 10A to 10C are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is additionally disposed between high-voltage direct current distribution and a generator according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 11A to 11E are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is disposed between a high-voltage AC distribution and a propulsion motor according to an embodiment disclosed in this document.
  • Figure 12 is a diagram schematically showing a modular multi-level converter and rectifier stage according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 13A to 13C are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is disposed between high-voltage direct current distribution and a generator according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS. 14A to 14J are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter is additionally disposed between a high-voltage direct current distribution and a propulsion motor according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIGS 15a to 15d schematically show a power system system in which grids of essential loads and service loads are separated according to an embodiment disclosed in this document.
  • 1 is a diagram schematically showing a modular multilevel converter with a single output stage.
  • a modular multilevel converter having a single output stage includes a plurality of submodules (SM; CELL) and converts input direct current power (e.g., medium-voltage direct current (Medium-Voltage Direct Current)).
  • MVDC medium-voltage direct current
  • LVAC low-voltage alternating current
  • Figure 2 is a schematic circuit diagram of a sub-module of a modular multilevel converter.
  • the sub-module (SM) may be configured as a half-bridge or full-bridge method, and may also be configured as other circuits.
  • the sub-module (SM) can perform switching operations under the control of the controller.
  • the sub-module shown in FIG. 2 may be provided in the modular multi-level converter having a single output terminal of FIG. 1, but is not limited thereto, and may be used as a multi-level converter to be described later with reference to FIGS. 3, 4A and 4B, etc. It can also be provided in a modular multilevel converter having an output stage.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a modular multi-level converter 100 having multiple output stages according to an embodiment disclosed in this document. That is, it can be seen that the modular multi-level converter shown in FIG. 1 has a single output stage, while the modular multi-level converter shown in FIG. 3 has multiple output stages.
  • the modular multi-level converter 100 may include a first converter unit 110 and a second converter unit 121 and 122.
  • the first converter unit 110 may convert direct current power input to the input terminal into alternating current power having a phase and output it to the output terminal.
  • the first converter unit 110 may have a plurality of legs according to preset phases.
  • each of the plurality of legs may have an upper arm and a lower arm, and the upper arm and the lower arm may each have a plurality of submodules (SM).
  • SM submodules
  • a motor is shown as an example of a load.
  • the type of load supplied with power from the modular multi-level converter is not limited to the motor, and other types of loads other than the motor are possible. Power can also be supplied from a modular multilevel converter.
  • the second converter units 121 and 122 convert the DC power input to the input terminal into the AC power output from the first converter unit 110, separately from the AC power from each leg of the first converter unit 110. It can be converted to power (AC power or DC power) with a voltage level lower than the voltage level of .
  • the second converter unit may include at least one of the first low-pressure converter unit 121 and the second low-pressure converter unit 122.
  • first low-pressure converter unit 121 and the second low-pressure converter unit 122 are shown for convenience to facilitate understanding, but the second low-pressure converter unit 121 is provided only at either the top or bottom of the first converter unit 110. It is not excluded that the converter unit is located. That is, the first low-pressure converter unit 121 may be located only at the top of the first converter unit 110, or the second low-pressure converter unit 122 may be located only at the bottom of the first converter unit 110.
  • the first low-voltage converter unit 121 may convert direct current power from the input terminal into power having a voltage level lower than the voltage level of the alternating current power output from the first converter unit 110 and output the converted power.
  • the second low-voltage converter unit 122 may convert DC power from the input terminal into AC power having a voltage level lower than the voltage level of the AC power output from the first converter unit 110 and output the converted DC power.
  • the modular multi-level converter 100 may have multiple output stages (a first output stage corresponding to the first converter part and a second output stage corresponding to the second converter part), Through this, low-voltage power and high-voltage power can be supplied simultaneously.
  • the type of power output from the output terminal (i.e., auxiliary output terminal) of the second converter unit may be different.
  • a modular multi-level converter having an auxiliary output stage that outputs AC power will be described later with reference to FIG. 4A.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing a modular multilevel converter 100 having multiple output stages according to an embodiment disclosed in this document.
  • the modular multi-level converter 100 may include a first converter unit 110 and a second converter unit 120. At this time, the modular multi-level converter 100 may further include a control unit 130.
  • the first converter unit 110 has legs (L1, L2, L3) according to preset phases, and each of the legs (L1, L2, L3) has an upper arm (UA1, UA2, UA3) and lower arms (LA1, LA2, LA3), and the upper arms (UA1, UA2, UA3) and lower arms (LA1, LA2, LA3) each have a plurality of submodules connected in series.
  • SM can be provided to convert the input direct current power into alternating current power.
  • the direct current power input to the first converter unit 110 may be medium-voltage direct current (MVDC), and the first converter unit 110 converts the direct current power into alternating current power to load the load. can be driven. At this time, the converted AC power may be three-phase AC power.
  • MVDC medium-voltage direct current
  • a motor is shown as an example of a load.
  • the type of load supplied with power from the modular multi-level converter is not limited to the motor, and other types of loads other than the motor are possible. Power can also be supplied from a modular multilevel converter.
  • the first to third legs (L1, L2, L3) may have upper arms (UA1, UA2, UA3) and lower arms (LA1, LA2, LA3), respectively.
  • the upper arms (UA1, UA2, UA3) and lower arms (LA1, LA2, LA3) of the first to third legs (L1, L2, L3) each have N sub-arms connected in series. It may be provided with a module (SM) (where N is a natural number).
  • the voltage of the upper or lower arm of one leg may be the voltage (Vmvdc) of the medium voltage direct current power (MVDC) input to the input terminal, and the voltage between each of the upper and lower DC power terminals and ground (gnd) is 0.5Vmvdc. can be displayed.
  • the first converter unit 110 may convert direct current power input to the input terminal into alternating current power having a phase and output it to the output terminal.
  • the second converter unit 120 converts the DC power input to the input terminal separately from the AC power from each leg (L1, L2, L3) of the first converter unit 110 to the first converter unit 110. It can be converted into AC power with a voltage level lower than the voltage level of the AC power output from .
  • the second converter unit 120 may include a first low-pressure converter unit 121 and a second low-pressure converter unit 122.
  • the first low-voltage converter unit 121 may be composed of a plurality of additional submodules configured in a full bridge manner, and each additional submodule is connected to each leg (L1, L2, L3) of the first converter unit 110. ) can be connected in series with each upper arm (UA1, UA2, UA3). Additionally, each additional submodule connected in series with each upper arm (UA1, UA2, UA3) can be connected in parallel with each other. At this time, the first low-voltage converter unit 121 may convert the direct current power from the input terminal into alternating current power having a voltage level lower than the voltage level of the alternating current power output from the first converter unit 110 and output it.
  • the second low-voltage converter unit 122 may be composed of a plurality of additional submodules configured in a full bridge manner, and each additional submodule is connected to each leg (L1, L2, L3) of the first converter unit 110. ) can be connected in series with each lower arm (LA1, LA2, LA3). Additionally, each additional submodule connected in series with each lower arm (LA1, LA2, LA3) can be connected in parallel with each other.
  • the second low-voltage converter unit 122 may convert DC power from the input terminal into AC power having a voltage level lower than the voltage level of the AC power output from the first converter unit 110 and output the converted DC power.
  • the modular multi-level converter 100 can simultaneously supply low-voltage AC power and high-voltage AC power. That is, the modular multi-level converter 100 according to an embodiment disclosed in this document may have multiple output stages (a first output stage and a second output stage).
  • the modular multi-level converter 100 may further include a control unit 130, where the control unit 130 controls the power of the first converter unit and the second converter unit 110 and 120. You can control the conversion operation.
  • control unit 130 may control the switching operations of the first low-pressure converter unit and the second low-pressure converter units 121 and 122 of the second converter unit 120, and the first low-pressure converter unit and the second low-pressure converter unit 120
  • the switching circuits of each of the converter units 121 and 122 perform a switching operation under the control of the control unit 130 to convert the power of the upper arm or lower arm into an AC voltage level lower than the AC power of the first converter unit 110. It can be converted into power and output.
  • control unit 130 may be composed of at least one processing unit and memory.
  • the processing unit is, for example, a central processing unit (CPU), graphics processing unit (GPU), microprocessor, application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA), etc. may include and may have multiple cores.
  • the memory may be volatile memory (eg, RAM, etc.), non-volatile memory (eg, ROM, flash memory, etc.), or a combination thereof.
  • Figure 4b is a schematic configuration diagram of a modular multilevel converter according to another embodiment disclosed in this document.
  • a modular multi-level converter 200 may include a first converter unit 210, a second converter unit 220, and a control unit 230.
  • the first converter unit 210 shown in FIG. 4B may have the same configuration as the first converter unit 110 shown in FIG. 4A.
  • the first converter unit 210 may be a bidirectional converter.
  • the first converter unit 210 when high-voltage AC power from the generator is input to the output terminal in FIG. 4A, the first converter unit 210 can output high-voltage direct current power to the input terminal in FIG. 4A.
  • Low-voltage direct current power may refer to direct current power less than 1500V
  • high-voltage direct current power may refer to direct current power greater than 1500V and less than 100kV.
  • the modular multilevel converter 100 in FIG. 4A can receive DC power, output AC power through a first output stage, and output AC power through a second output stage, and the module in FIG. 4B
  • the multilevel converter 200 receives alternating current power and outputs direct current power through a first output terminal (position corresponding to the input terminal in FIG. 4A) and a second output terminal (position corresponding to the second output terminal in FIG. 4A).
  • AC power can be output through .
  • the configuration and operation of the first converter unit 210, the second converter unit 220, and the control unit 230 are omitted since they overlap with the description in FIG. 4A.
  • Figure 4c is a schematic configuration diagram of a power system using a modular multi-level converter with multiple output stages according to an embodiment disclosed in this document.
  • a power system system using a modular multi-level converter with multiple output stages requires low-voltage AC power through an auxiliary output stage without a conventional transformer, as shown in FIG. 4C. It can supply low-voltage AC power corresponding to low-voltage loads.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams of a power system using a modular multi-level converter (MMC) according to an embodiment disclosed in this document.
  • MMC modular multi-level converter
  • the modular multi-level converter 10 shown in FIGS. 5A to 5B may be a modular multi-level converter with a single output stage, like the modular multi-level converter shown in FIG. 1.
  • a modular multi-level converter 10 having a single output stage can be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 5A to 5B, the high-voltage direct current distribution 20 and the remaining devices (e.g., generator, large motor, etc.), a general inverter/converter may be used, or a modular multilevel converter may be used.
  • the power system using the modular multi-level converter 10 with a single output stage is used for medium-voltage direct current (MVDC) distribution.
  • MVDC medium-voltage direct current
  • (20) a modular multi-level converter
  • a propulsion motor (Prop. Motor) (30).
  • the modular multi-level converter 10 may be placed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30.
  • a modular multilevel converter includes a plurality of submodules, and accordingly, even if the modular multilevel converter is connected to high capacity power (distribution), the capacity that each submodule must handle is reduced.
  • modular multilevel converters can be used by flexibly adding or removing submodules depending on the situation, creating an advantageous effect in terms of scalability.
  • power can be transferred from the high-voltage direct current distribution 20 to the low-voltage alternating current distribution (LVAC) through the DC/AC power conversion device 40.
  • LVAC low-voltage alternating current distribution
  • power is primarily transferred from the high-voltage direct current distribution 20 to the low-voltage direct current distribution (LVDC) through the DC/DC power conversion device 40, and the DC/AC power conversion device Power can be transmitted secondarily from low-voltage direct current distribution (LVDC) to low-voltage alternating current distribution (LVAC).
  • LVDC low-voltage direct current distribution
  • LVAC low-voltage alternating current distribution
  • a power source that supplies power may be additionally included, for example, as shown in FIGS. 5A and 5B, an energy storage system (ESS), a fuel cell system (SOFC), a diesel generator (DG), and an axle. At least some of the generators (shaft generators) may be additionally included.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • axle At least some of the generators (shaft generators) may be additionally included.
  • the capacity of a large motor may be smaller than the capacity of a propulsion motor (e.g., 10 MW or more).
  • the large motors may be connected differently depending on the type of wire. If the large motor is connected to MVDC, the separate step of boosting the voltage can be omitted when sending from Aft to Fwd. Accordingly, considering that the size of the large-capacity high-pressure motor is smaller than that of the large-capacity low-pressure motor, the size of the motor can be reduced because the high-voltage motor can be used.
  • a power conversion device may be used to transfer power supplied from a power source to the high-voltage direct current distribution 20.
  • the power conversion device may be a general inverter or converter as shown in FIGS. 5A and 5B, but is not limited thereto, and a modular multi-level converter having a single output stage or multiple output stages may be used.
  • FIGS. 6A to 6C show a power system in which the modular multi-level converter 10 having a single output stage described with reference to FIGS. 5A and 5B is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30, It shows an embodiment in which a modular multi-level converter 50 having a single output stage or multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator (DG) 60.
  • DG generator
  • a modular multi-level converter 10 having a single output stage can be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 6A to 6C, except for the generator 60
  • a typical inverter/converter may be used between the remaining devices (e.g., energy storage system, large motor, etc.) and the high-voltage direct current distribution 20, or a modular multilevel converter may be used.
  • a modular multi-level converter 50 having a single output stage is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the modular multilevel converter includes a plurality of submodules, and thus, even if the modular multilevel converter is connected to a high capacity power (generator), the capacity that each submodule must handle is reduced.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20
  • the auxiliary output stage (low-voltage AC power output) transmits power to the service load (LVAC).
  • LVAC service load
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output stages shown in FIG. 6B may be identical/similar to the structure and operation of the modular multi-level converter 200 shown in FIG. 4B.
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output terminals and the service load may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • a two-winding transformer may require two units, and a three-winding transformer may require one unit.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20, and the auxiliary output stage (low-voltage DC power output) transmits power to the service load (LVDC).
  • LVDC service load
  • the power system may additionally include a bus tie for exchanging power with other power system systems.
  • a bus tie may be located between the first power system system and the second power system system, and the bus tie connects and disconnects the first power system system and the second power system system. It may include a bus tie breaker to control. At this time, the breaker may be a solid state circuit breaker (SSCB) as shown in FIG. 5A, etc., but is not limited thereto and may be a mechanical breaker.
  • SSCB solid state circuit breaker
  • FIGS. 7A and 7B are schematic diagrams of a power system using a modular multi-level converter 10 having multiple output stages according to an embodiment disclosed in this document.
  • the modular multi-level converter 10 shown in FIGS. 7A to 7B may be a modular multi-level converter having multiple output stages, like the modular multi-level converter 100 shown in FIG. 4A.
  • the first output stage may output high-voltage AC power for driving the propulsion motor 30, and the second output stage may output low-pressure AC power.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages may be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 7A to 7B, while the remaining devices (e.g., energy A general inverter/converter may be used between the storage system, large motor, etc.) and the high-voltage direct current distribution 20, or a modular multi-level converter may be used.
  • the power system system using a modular multi-level converter 10 with multiple output stages includes high-voltage direct current (Medium-Voltage Direct Current; MVDC) distribution 20 and low-voltage alternating current distribution (Low).
  • MVDC Medium-Voltage Direct Current
  • LVAC Low-Voltage Alternating Current
  • LVAC 70
  • Propulsion motor Prop. Motor
  • the modular multi-level converter 10 may be placed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30.
  • the modular multilevel converter 10 of the power grid system shown in FIGS. 7A and 7B has multiple output stages. Therefore, there is no additional need for a separate inverter to supply power to the service load or the corresponding low-voltage AC distribution 70. Accordingly, the power system system can be implemented smaller and simpler, the number of required parts is reduced, thereby improving productivity, and making management and maintenance easier.
  • an energy storage system ESS
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • a shaft generator may be used as a power source that supplies power to the high-voltage direct current distribution 20.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • shaft generator a shaft generator
  • an energy storage system (ESS) and a fuel cell system (SOFC) can directly generate direct current power to supply to the high voltage direct current distribution 20.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • a diesel generator (DG) and a shaft generator may indirectly generate direct current power to supply to the high voltage direct current distribution 20. That is, a separate process may be required to convert alternating current power generated by the diesel generator (DG) and shaft generator into direct current power.
  • the modular multi-level converter 10 having multiple output terminals and the service load 70 may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • FIGS. 7A and 7B show a power system in which the modular multi-level converter 10 having multiple output stages described with reference to FIGS. 7A and 7B is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30, It shows an embodiment in which a modular multi-level converter 50 having a single output stage or multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages can be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 8A to 8C, the remaining devices except the generator ( For example, a general inverter/converter may be used between the energy storage system, large motor, etc.) and the high-voltage direct current distribution 20, or a modular multi-level converter may be used.
  • the generator For example, a general inverter/converter may be used between the energy storage system, large motor, etc.
  • a modular multi-level converter may be used.
  • a modular multi-level converter 50 having a single output stage is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the modular multilevel converter 50 includes a plurality of submodules, and accordingly, even if the modular multilevel converter 50 is connected to a high capacity power (generator), the capacity that each submodule must handle is It has a reducing effect.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20
  • the auxiliary output stage (low-voltage AC power output) transmits power to the service load (LVAC).
  • LVAC low-voltage AC power output
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output stages disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60 shown in FIG. 8B may have the same/similar structure to the structure shown in FIG. 4B. You can.
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output terminals and the service load (LVAC) may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20
  • the auxiliary output stage (low-voltage DC power output) transmits power to the service load (LVDC).
  • LVDC service load
  • power is primarily transferred to LVDC from a modular multi-level converter 50 having multiple output stages disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60, and is converted to LVDC through a DC/AC power conversion device. Power can be transmitted secondarily from the LVAC.
  • 9A and 9B are schematic diagrams of a power system using a modular multi-level converter 10 with multiple output stages according to an embodiment disclosed in this document.
  • the modular multi-level converter having multiple output stages shown in FIGS. 7A and 7B described above outputs high-voltage AC power for driving the propulsion motor 30 through the first output stage and low-pressure AC power through the second output stage.
  • the modular multilevel converter 10 having multiple output stages shown in FIGS. 9A to 9B outputs high-voltage AC power for driving the propulsion motor 30 through the first output stage.
  • output, and low-voltage direct current (LVDC) power can be output through the second output terminal.
  • LVDC can be provided to onboard loads (such as LED lamps) without adding a separate power conversion device, making it possible to implement a smaller and simpler power system, and reducing the number of required parts, increasing productivity. Improved, management and maintenance become easier.
  • Low-pressure AC power may refer to AC power of less than 1000V
  • high-voltage AC power may refer to AC power of more than 1000V and less than 35kV.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages may be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 9A to 9B, while the remaining devices (e.g., energy A general inverter/converter may be used between the storage system, large motor, etc.) and the high-voltage direct current distribution 20, or a modular multi-level converter may be used.
  • the power system system using a modular multi-level converter 10 with multiple output stages includes medium-voltage direct current (MVDC) distribution 20 and low-voltage direct current distribution (20).
  • MVDC medium-voltage direct current
  • LVDC Low-voltage direct current
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • LVDC 80
  • Propulsion motor Prop. Motor
  • the modular multi-level converter 10 may be placed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30.
  • the modular multilevel converter 10 of the power grid system shown in FIGS. 9A and 9B has multiple output stages, so that it can be used to provide service load or corresponding low voltage direct current. There is no additional need for a separate inverter/converter to supply power to the distribution 80.
  • an energy storage system ESS
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • a shaft generator may be used as a power source that supplies power to the high-voltage direct current distribution 20.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • shaft generator a shaft generator
  • an energy storage system (ESS) and a fuel cell system (SOFC) can directly generate direct current power to supply to the high voltage direct current distribution 20.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • a diesel generator (DG) and a shaft generator may indirectly generate direct current power to supply to the high voltage direct current distribution 20. That is, a separate process may be required to convert alternating current power generated by the diesel generator (DG) and shaft generator into direct current power.
  • 10A to 10C show a power system in which the modular multi-level converter 10 having multiple output stages described with reference to FIGS. 9A and 9B is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30, It shows an embodiment in which a modular multi-level converter 50 having a single output stage or multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the diesel generator DG.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages can be used between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 10A to 10C, the remaining devices except the generator ( For example, a general inverter/converter may be used between the energy storage system, large motor, etc.) and the high-voltage direct current distribution 20, or a modular multi-level converter may be used.
  • the generator For example, a general inverter/converter may be used between the energy storage system, large motor, etc.
  • a modular multi-level converter may be used.
  • a modular multi-level converter 50 having a single output stage is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator.
  • the modular multilevel converter 50 includes a plurality of submodules, and accordingly, even if the modular multilevel converter 50 is connected to a high capacity power (generator), the capacity that each submodule must handle is It has a reducing effect.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20
  • the auxiliary output stage (low-voltage AC power output) transmits power to the service load (LVAC).
  • LVAC service load
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output stages disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator shown in FIG. 10B may have the same/similar structure to the structure shown in FIG. 4B.
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output terminals and the service load (LVAC) may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator.
  • the main output stage (high-voltage DC power output) of the modular multi-level converter 50 having multiple output stages transmits power to the high-voltage DC power distribution 20
  • the auxiliary output stage (low-voltage DC power output) transmits power to the service load (LVDC).
  • LVDC service load
  • power is primarily transferred to LVDC from a modular multi-level converter (50) with multiple output stages disposed between the high-voltage direct current distribution (20) and the generator, and from LVDC to LVAC through a DC/AC power conversion device. Power can be transmitted secondarily.
  • FIG. 11A is a schematic configuration of a power grid system including a modular multilevel converter 10 with a single output stage and a medium-voltage alternating current (MVAC) 90 according to an embodiment disclosed in this document. It is also a degree.
  • MVAC medium-voltage alternating current
  • the modular multi-level converter 10 having a single output terminal shown in FIG. 11A receives high-voltage direct current power (MVDC) as an input and drives a load (e.g., propulsion motor 30) as explained in FIG. 1. Since it outputs high-voltage AC power to It is arranged to convert alternating current power into direct current power and transmit direct current power to a modular multi-level converter.
  • MVDC high-voltage direct current power
  • a load e.g., propulsion motor 30
  • a modular multi-level converter 10 and a rectifier stage 10_1 having a single output stage are used between the high-voltage AC distribution 90 and the propulsion motor 30 shown in FIG. 11A, while the high-voltage AC distribution ( 90) and the remaining devices (e.g., energy storage system (ESS), fuel cell system (SOFC), large motor, etc.), a general inverter/converter may be used, or a modular multilevel converter may be used.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • large motor etc.
  • ESS energy storage system
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • a general inverter/converter may be used
  • a modular multilevel converter may be used.
  • FIGS. 11B and 11C are schematic diagrams of a power system including a modular multi-level converter 10 with multiple output stages and a high-voltage AC distribution 90 according to an embodiment disclosed in this document.
  • the power system shown in FIGS. 11B and 11C is overall similar to the power system shown in FIG. 11A, but is a modular multilevel converter with multiple output stages, rather than a modular multilevel converter with a single output stage. There is a difference in what is included. That is, since an auxiliary output stage for outputting low-pressure AC power is additionally included, low-pressure AC power corresponding to a low-pressure load requiring low-pressure AC power can be supplied without the power conversion device 91 of the power system system shown in FIG. 11A. You can.
  • a modular multi-level converter 10 and a rectifier stage 10_1 having multiple output stages are used between the high-voltage AC distribution 90 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 11b to 11c, while the high-pressure
  • a typical inverter/converter may be used between the AC power distribution 90 and the remaining devices (e.g., energy storage system, large motor, etc.), or a modular multilevel converter may be used.
  • the modular multi-level converter 10 having multiple output stages in the power system shown in FIGS. 11B and 11C receives high voltage direct current power (MVDC) as an input and operates the propulsion motor 30. Since it outputs high-voltage AC power for driving, if the power system includes high-voltage AC distribution (90), a rectifier stage (10_1) can be additionally placed in front of the modular multi-level converter (10) having multiple output stages. there is.
  • MVDC high voltage direct current power
  • the modular multi-level converter 10 having multiple output terminals and the service load 70 may be electrically connected through an isolation transformer.
  • the isolation transformer may be either a two-winding transformer or a three-winding transformer.
  • 11D and 11E are schematic configurations of a power grid system including a modular multi-level converter 10 with multiple output stages and medium-voltage alternating current (MVAC) according to an embodiment disclosed in this document. It is also a degree.
  • MVAC medium-voltage alternating current
  • the power system shown in FIGS. 11D and 11E is similar overall to the power system shown in FIG. 11A, but is a modular multilevel converter with multiple output stages, rather than a modular multilevel converter with a single output stage. There is a difference in what is included. That is, since an auxiliary output stage that outputs low-voltage direct-current power is additionally included, low-pressure direct-current power corresponding to a low-voltage load requiring low-pressure direct-current power can be supplied without the power conversion device 91 of the power system system shown in FIG. 11a. You can.
  • the power system shown in FIGS. 11D and 11E is overall similar to the power system shown in FIGS. 11B and 11C, but the difference is that the auxiliary output terminal outputs direct current power rather than alternating current power.
  • a modular multi-level converter 10 and a rectifier stage 10_1 having multiple output stages are used between the high-voltage AC distribution 90 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 11d to 11e, while the high-pressure
  • a typical inverter/converter may be used between the AC power distribution 90 and the remaining devices (e.g., energy storage system, large motor, etc.), or a modular multilevel converter may be used.
  • the modular multi-level converter 10 having multiple output stages in the power system shown in FIGS. 11D and 11E receives high-voltage direct current power (MVDC) as an input and operates the propulsion motor 30. Since it outputs high-voltage AC power for driving, if the power system includes high-voltage AC distribution (90), a rectifier stage (10_1) can be additionally placed in front of the modular multi-level converter (10) having multiple output stages. there is.
  • MVDC direct current power
  • low-voltage direct current power can be transmitted to low-voltage direct current distribution (LVDC) as shown in Figure 11d, but power is primarily transmitted to low-voltage direct current distribution (LVDC) as shown in Figure 11e, and power is transmitted from low-voltage direct current distribution (LVDC) through an inverter. Power can be transmitted secondarily through low-voltage alternating current distribution (LVAC).
  • LVDC low-voltage direct current distribution
  • LVAC low-voltage alternating current distribution
  • the rectifier stage 10_1 shown in FIGS. 11A to 11E may have the same/similar structure to a modular multi-level converter having a single output stage, which will be explained with reference to FIG. 12.
  • Figure 12 is a diagram schematically showing the modular multi-level converter 10 and the rectification stage 10_1 disposed in front of it.
  • the rectifier stage 10_1 has the same/similar structure to the modular multi-level converter having a single output stage described in FIG. 1. That is, the rectification stage receives high-voltage AC power from the high-voltage AC distribution (MVAC) through the input stage, converts it into high-voltage direct current power (MVDC), and outputs it, and the modular multi-level converter 10 operates the rectification stage (10_1) through the input stage. It can be confirmed that high-voltage direct current power (MVDC) is input from , converted to alternating current power, and output to the load end (e.g., motor).
  • MVAC high-voltage AC distribution
  • MVDC high-voltage direct current power
  • a propulsion motor is shown as an example of a load for convenience, but the load of the power system according to an embodiment disclosed in this document is not limited to the propulsion motor.
  • modular multi-level converter 10 shown in Figure 12 may be a modular multi-level converter having a single output stage as shown in Figure 11a, but is not limited thereto and may have multiple output stages as shown in Figures 11b and 11c. Branches may be modular multilevel converters.
  • FIGS. 13A to 13C are schematic diagrams of a power system in which a modular multi-level converter 50 is disposed between a high-voltage direct current distribution 20 and a generator 60 according to an embodiment disclosed in this document.
  • the power grid system may include a medium-voltage direct current (MVDC) distribution 20, a modular multilevel converter 50 with a single output stage, and a generator 60. You can. At this time, the modular multi-level converter 50 having a single output stage can be placed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • MVDC medium-voltage direct current
  • the power system may include a high-voltage direct current distribution 20, a modular multi-level converter 50 having multiple output stages, and a generator 60.
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output stages can be placed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60.
  • the modular multilevel converter 50 of the power system system shown in FIGS. 13B and 13C has multiple output stages. Therefore, there is no need for an additional inverter to supply power to the service load. Through this, the limited space of the ship can be effectively utilized and maintenance is easy.
  • the modular multi-level converter 50 disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60 in Figure 13b receives alternating current power from the generator 60 and converts direct current power to the high-voltage direct current distribution 20. While outputting low-voltage alternating current power (LVAC) to the low-voltage alternating current distribution 70 for outputting and supplying alternating current power to service loads, the modular arrangement disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60 in FIG. 13C The multi-level converter 50 receives alternating current power from the generator 60, outputs direct current power to the high-voltage direct current distribution 20, and outputs low-voltage direct current power (LVDC) to the low-voltage direct current distribution 80 to supply alternating current power to the service load. ), there is a difference in output.
  • LVAC low-voltage alternating current power
  • FIGS. 14A to 14J show a single output stage or multiple output stages in the power system system in which the modular multi-level converter 50 is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60 described with reference to FIGS. 13A and 13C. It shows an embodiment in which a modular multi-level converter 10 having a is further disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30.
  • a modular multi-level converter 50 having a single output stage is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60, the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion It can be seen that a modular multi-level converter 10 having a single output stage is additionally disposed between the motors 30.
  • FIG. 14b shows a case where the modular multi-level converter 10 having multiple output stages transmits low-voltage DC power to the low-voltage DC power distribution 80 through an auxiliary output stage (e.g., a second output stage). It is not limited.
  • the modular multilevel converter 10 having multiple output stages may transmit low-voltage AC power to the low-voltage AC distribution through an auxiliary output stage (eg, a second output stage).
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is disposed between the high voltage DC distribution 20 and the generator 60, the high voltage DC distribution 20 ) and the propulsion motor 30. It can be seen that a modular multi-level converter 10 having a single output stage or multiple output stages is additionally disposed.
  • a modular multi-level converter 10 having a single output stage is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30, and separate power is used to supply power to the service load. It can be confirmed that an additional conversion device 40 is required.
  • the modular multi-level converter 10 which is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30 shown in FIGS. 14d and 14e, has multiple output stages and thus supplies power to the service load. It can be seen that there is no additional need for a separate power conversion device to do this.
  • Figure 14d shows a case where the modular multi-level converter 10 having multiple output stages transmits low-voltage AC power to the low-voltage AC distribution 70 through an auxiliary output stage (e.g., a second output stage).
  • 14E shows a case where the modular multi-level converter 10 having multiple output stages transmits low-voltage DC power to the low-voltage DC power distribution 80 through an auxiliary output stage (eg, a second output stage).
  • a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is disposed between the high-voltage DC distribution 20 and the generator 60, the high-voltage DC distribution 20 ) and the propulsion motor 30. It can be seen that a modular multi-level converter 10 having a single output stage or multiple output stages is additionally disposed.
  • the modular multi-level converter 50 having multiple output stages disposed between the high-voltage DC distribution 20 and the generator 60 receives high-voltage AC power from the generator. receives input and outputs high-voltage direct current power and low-pressure alternating current power, while a modular multi-output terminal having multiple output terminals disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60 in the power system shown in FIGS. 14f to 14j It can be seen that the level converter 50 receives high-voltage AC power from the generator and outputs high-pressure DC power and low-pressure DC power.
  • FIGS. 14f and 14g in a power system system in which a modular multi-level converter 50 having multiple output stages is disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60, the high-voltage direct current distribution 20 ) and the propulsion motor 30.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages is additionally disposed.
  • Figure 14f shows a case where the additionally arranged modular multi-level converter 10 transmits low-voltage AC power to the low-voltage AC distribution 70 through an auxiliary output stage (e.g., a second output stage).
  • 14G shows a case where an additionally arranged modular multi-level converter 10 transmits low-voltage DC power to the low-voltage DC power distribution 80 through an auxiliary output stage (eg, a second output stage).
  • the low-voltage direct-current distribution 80 from the modular multi-level converter 50 disposed between the high-voltage direct-current distribution 20 and the generator 60 The point in which power is converted and transmitted is common, but there is a difference in that power is additionally transmitted from the low-voltage direct current distribution 80 to the low-voltage alternating current distribution 70 through a separate inverter.
  • a modular multi-level converter 10 having multiple output stages is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30, while the power system shown in FIG. 14h
  • a modular multi-level converter 10 having a single output stage is additionally disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30.
  • the low-voltage direct current distribution 80 from the modular multi-level converter 50 disposed between the high-voltage direct current distribution 20 and the generator 60
  • the point in which power is converted and transmitted is common, but in Figure 14i, there is a difference in that power is additionally transmitted from the low-voltage direct current distribution 80 to the low-voltage alternating current distribution 70 through a separate inverter.
  • the modular multi-level converter 10 additionally disposed between the high-voltage DC distribution 20 and the propulsion motor 30 provides low-voltage DC distribution. There is a difference in that direct current power is transmitted to (80).
  • the propulsion motor 30 requires a large amount of power, and according to an embodiment disclosed in this document, a modular multi-level converter 10 is added between the high-voltage direct current distribution 20 and the propulsion motor 30. When deployed, power can be stably supplied to the propulsion motor 30.
  • FIGS. 15A to 15D schematically show a power system system in which grids of essential loads and service loads are separated according to an embodiment disclosed in this document.
  • the essential load refers to a load that is essentially used when operating a ship
  • the service load refers to a load whose load can be varied depending on the situation.
  • the essential load can supply power consistently, and the service load can supply power variably.
  • the service load side can be easily controlled, thereby enabling efficient power management. becomes possible.
  • FIGS. 15A and 15B it can be seen that the first grid 1600 corresponding to the essential load end and the second grid 1700 corresponding to the service load end are electrically separated.
  • the first grid 1600 may include a high-voltage direct current distribution 1620, a propulsion motor 1630, and a modular multi-level converter 1610.
  • the first grid 1600 may additionally include a power source that supplies power, for example, an energy storage system (ESS), a fuel cell system (SOFC), a diesel generator (DG), and a shaft generator (Large Motor). ) may be additionally included.
  • ESS energy storage system
  • SOFC fuel cell system
  • DG diesel generator
  • DG shaft generator
  • a power conversion device may be used to transfer power supplied from a power source to the high-voltage direct current distribution 1620.
  • the power conversion device may be a general inverter, converter, etc., but is not limited thereto, and a modular multi-level converter having a single output stage or multiple output stages may be used.
  • the modular multi-level converter 1610 of the first grid 1600 may be a modular multi-level converter with a single output stage as shown in FIG. 15B, but is not limited thereto and as shown in FIG. 15A. It can be a modular multi-level converter with multiple output stages.
  • the modular multi-level converter 1610 has multiple output stages as shown in FIG. 15A, power can be transmitted simultaneously not only to the propulsion motor 30 but also to the lower load stage 1670.
  • the second grid 1700 may include a low-voltage AC power distribution unit 1710, a service load end 1720, and a variable speed generator 1730.
  • the first grid 1600 and the second grid 1700 are electrically separated as shown in FIGS. 15A and 15B, but in some cases, a switching operation is performed as shown in FIGS. 15C and 15D. Through this, the power of the first grid 1600 can be auxiliary transmitted to the second grid 1700.
  • a switch 1640 is connected between the auxiliary output terminal (second output terminal) of the modular multi-level converter 1610 having multiple output terminals of the first grid 1600 and the second grid 1700. ) is disposed, so that the power of the first grid 1600 can be shared with the second grid 1700 in an emergency.
  • a switch 1640 is added to the auxiliary output terminal of the modular multi-level converter 1610 having multiple output terminals of the first grid 1600 of FIG. 15C.
  • the modular multi-level converter 1610 of the first grid 1600 is shown to transmit low-voltage AC power to the second grid 1700, but the present invention is not limited thereto.
  • the modular multilevel converter 1610 of the first grid may transmit low-voltage direct current power to the second grid.
  • a switch 1640 is disposed between the modular multi-level converter 1650 having a single output terminal of the first grid 1600 and the high voltage direct current distribution 1620, so that in an emergency, the first The power of the grid 1600 may be shared with the second grid 1700.
  • a switch 1640 is additionally connected to the high voltage direct current distribution 1620 of the first grid 1600 of FIG. 15D, and a switch 1640 is connected between the switch 1640 and the second grid 1700. It can be seen that a modular multi-level converter 1650 having a single output stage is additionally placed.

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Abstract

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템에 관한 것으로, 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 입력단에 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제1 출력단을 통해 출력하는 제1 컨버터부; 및 상기 입력단에 입력된 상기 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 상기 교류 전력의 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제2 출력단을 통해 출력하는 제2 컨버터부를 포함할 수 있다.

Description

모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템
본 문서에 개시되는 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter, MMC)는 여러 개 컨버터 밸브 서브모듈 유닛의 캐스케이드 접속을 통해 고전압 출력을 실현한다. 모듈형 멀티레벨 컨버터는 스위칭 소자의 직접적인 캐스케이드 접속을 필요로 하지 않고, 소자의 트리거(trigger) 일치성에 대한 요구가 낮으며, 또한 확장성이 우수하고, 스위칭 주파수가 낮고, 작동 손실이 낮으며, 출력 전압 파형의 품질이 높다는 장점을 갖고 있다.
이에 따라, 선박의 전력 계통 시스템에 있어서 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용할 필요성이 대두되었다.
본 문서에 개시된 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 필요한 비용을 절감하기 위한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 있어서 복수의 에너지원과의 연계가 용이한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 선박의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 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 입력단에 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제1 출력단을 통해 출력하는 제1 컨버터부; 및 상기 입력단에 입력된 상기 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제2 출력단을 통해 출력하는 제2 컨버터부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 컨버터부는 상기 제1 컨버터부의 상기 레그의 상기 상부 암과 직렬로 연결된 풀 브리지 방식의 복수의 추가 서브모듈로 구성되고, 이웃하는 복수의 추가 서브모듈은 서로 병렬로 연결되며, 상기 복수의 추가 서브모듈은 상기 입력단의 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하는 제1 저압 컨버터부; 및 상기 제1 컨버터부의 상기 레그의 상기 하부 암과 직렬로 연결된 풀 브리지 방식의 복수의 추가 서브모듈로 구성되고, 이웃하는 복수의 추가 서브모듈은 서로 병렬로 연결되며, 상기 복수의 추가 서브모듈은 상기 입력단의 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하는 제2 저압 컨버터부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 저압 컨버터부 및 상기 제2 저압 컨버터부의 전력 변환을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 컨버터부는 상기 제1 출력단으로 교류 전력이 입력되면, 상기 제1 출력단으로 입력되는 교류 전력을 사전에 설정된 직류 전력으로 변환하여 상기 입력단으로 출력하는 양방향 컨버터일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 컨버터부 및 상기 제2 컨버터부는 상기 입력단의 직류 전력을 서로 다른 전압 레벨을 갖는 3상 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템은, 다중 출력단을 갖는 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터; 상기 다중 출력단 중 제1 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 추진 모터; 상기 다중 출력단 중 제2 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 제1 저압 교류(Low-Voltage Alternating Current) 배전; 및 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 직류 전력을 공급하기 위한 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current) 배전을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 출력단을 통해 출력되는 교류 전력의 전압 레벨은 상기 제1 출력단을 통해 출력되는 교류 전력의 전압 레벨보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고압 직류 배전을 통해 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 공급되는 직류 전력은, 에너지 저장 시스템, 연료 전지 시스템 및 발전기 중 적어도 하나에 의해 직간접적으로 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 발전기 및 상기 고압 직류 배전을 전기적으로 연결하며, 적어도 하나의 출력단을 갖는 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제3 출력단, 및 서비스 부하 배전에 교류 전력을 출력하기 위한 제4 출력단을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제5 출력단, 및 서비스 부하 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제6 출력단을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제6 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨은 상기 제5 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 출력단 및 상기 저압 교류 배전은 절연 변압기를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고압 직류 배전에 연결되어, 타 전력 계통 시스템과 직류 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 필요한 비용을 절감하기 위한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 있어서 복수의 에너지원과의 연계가 용이한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 선박의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7a 내지 도 7b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 교류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 12는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 정류단을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 14a 내지 도 14j는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 15a 내지 도 15d는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 필수 부하단(Essential Loads) 및 서비스 부하단(Service Loads)의 그리드가 분리된 전력 계통 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 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 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 문서에 개시된 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 복수의 서브 모듈(submodule; SM; CELL)을 구비하며, 입력된 직류 전력(가령, 중간 전압 직류 전력(Medium-Voltage Direct Current; MVDC))을 상을 갖는 교류 전력(가령, 저압 교류 전력(Low-Voltage Alternating Current; LVAC))으로 변환하여 단일 출력단을 통해 출력함으로써 부하(가령, 추진 모터 등)를 구동시킬 수 있다.
도 2는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 2를 참조하면 서브 모듈(SM)은 하프 브리지(half wave-bridge) 또는 풀 브리지(full wave-bridge) 방식으로 구성될 수 있으며, 그 외의 다른 회로로도 구성될 수 있다. 서브 모듈(SM)은 제어부의 제어에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
참고로, 도 2에 도시된 서브 모듈은 도 1의 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3, 도 4a 및 도 4b 등을 참조하여 후술할 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에도 구비될 수 있다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다. 즉, 도 1에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터는 단일 출력단을 가지는 반면에, 도 3에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터는 다중 출력단을 가지는 점을 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제1 컨버터부(110) 및 제2 컨버터부(121, 122)를 포함할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 상기 입력단에 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력단으로 출력할 수 있다. 일례로, 제1 컨버터부(110)는 사전에 설정된 상에 따른 복수의 레그(leg)를 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 레그는 각각은 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상부 암 및 하부 암은 각각 복수의 서브 모듈(SM)을 구비할 수 있다. 이하, 도 4a에 대한 설명에서 더 상세하게 후술하도록 한다.
참고로, 도 3에서는 편의상, 모터(Motor)를 부하의 예시로서 도시하고 있으나, 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받는 부하의 종류가 모터에 한정되는 것은 아니며, 모터를 제외한 다른 종류의 부하가 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
한편, 제2 컨버터부(121, 122)는 제1 컨버터부(110)의 각 레그로부터의 교류 전력과 별개로, 상기 입력단으로 입력된 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 전력(교류 전력 또는 직류 전력)으로 변환할 수 있다.
일례로, 제2 컨버터부는 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부(122) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 참고로, 도 3에서는 이해를 돕기 위해 편의상 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부(122)를 모두 도시하였으나, 제1 컨버터부(110)의 상단 및 하단 중 어느 하나에만 제2 컨버터부가 위치하는 것을 배제하는 것은 아니다. 즉, 제1 컨버터부(110)의 상단에만 제1 저압 컨버터부(121)가 위치하거나, 제1 컨버터부(110)의 하단에만 제2 저압 컨버터부(122)가 위치할 수 있다.
일례로, 제1 저압 컨버터부(121)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
일례로, 제2 저압 컨버터부(122)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
즉, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 다중 출력단(제1 컨버터부에 대응되는 제1 출력단 및 제2 컨버터부에 대응되는 제2 출력단)을 가질 수 있으며, 이를 통해 저압의 전력과 고압의 전력을 동시에 공급할 수 있다.
참고로, 제2 컨버터부의 구조에 따라 제2 컨버터부의 출력단(즉, 보조 출력단)으로부터 출력되는 전력의 유형이 상이할 수 있다. 그 중, 교류 전력을 출력하는 보조 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에 대해서 도 4a를 참조하여 후술하겠다.
도 4a는 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제1 컨버터부(110) 및 제2 컨버터부(120)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제어부(130)를 더 포함할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)(L1, L2, L3)를 갖고, 레그(L1, L2, L3) 각각은 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3)을 가지며, 상부 암(UA1, UA2, UA3) 및 하부 암(LA1, LA2, LA3)은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈(submodule; SM)을 구비하여 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)에 입력되는 직류 전력은 중간 전압 직류 전력(Medium-Voltage Direct Current; MVDC)일 수 있으며, 제1 컨버터부(110)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하를 구동시킬 수 있다. 이때, 변환된 교류 전력은 3상 교류 전력일 수 있다.
참고로, 도 4a에서는 편의상, 모터(Motor)를 부하의 예시로서 도시하고 있으나, 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받는 부하의 종류가 모터에 한정되는 것은 아니며, 모터를 제외한 다른 종류의 부하가 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
이때, 제1 레그 내지 제3 레그(L1, L2, L3)는 각각 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3)을 가질 수 있으며, 제1 레그 내지 제3 레그(L1, L2, L3) 각각의 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3) 각각은 직렬 연결된 N개의 서브 모듈(SM)(여기서, N은 자연수)을 구비할 수 있다. 한 레그의 상부 암 또는 하부 암의 전압은 입력단에 입력되는 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.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 상기 입력단에 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력단으로 출력할 수 있다.
참고로, 서브 모듈에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한 바 있으므로, 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
한편, 제2 컨버터부(120)는 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)로부터의 교류 전력과 별개로, 상기 입력단으로 입력된 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
일례로, 제2 컨버터부(120)는 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부 (122)를 포함할 수 있다.
일례로, 제1 저압 컨버터부(121)는 풀 브리지 방식으로 구성된 복수의 추가 서브모듈로 구성될 수 있으며, 각각의 추가 서브모듈은 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)의 각 상부 암(UA1, UA2, UA3)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 각 상부 암(UA1, UA2, UA3)과 직렬로 연결되어 있는 각각의 추가 서브모듈은 서로 병렬 연결될 수 있다. 이때, 제1 저압 컨버터부(121)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
일례로, 제2 저압 컨버터부(122)는 풀 브리지 방식으로 구성된 복수의 추가 서브모듈로 구성될 수 있으며, 각각의 추가 서브모듈은 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)의 각 하부 암(LA1, LA2, LA3)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 각 하부 암(LA1, LA2, LA3)과 직렬로 연결되어 있는 각각의 추가 서브모듈은 서로 병렬 연결될 수 있다. 제2 저압 컨버터부(122)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
이에 따라, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 저압의 교류 전력과 고압의 교류 전력을 동시에 공급할 수 있다. 즉, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 다중 출력단(제1 출력단 및 제2 출력단)을 가질 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제어부(130)를 더 포함할 수 있으며, 제어부(130)는 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부(110, 120)의 전원 변환 동작을 제어할 수 있다.
일례로, 제어부(130)는 제2 컨버터부(120)의 제1 저압 컨버터부 및 제2 저압 컨버터부(121, 122)의 스위칭 동작을 제어할 수 있으며, 제1 저압 컨버터부 및 제2 저압 컨버터부(121, 122) 각각의 스위칭 회로는 제어부(130)의 제어에 따라 스위칭 동작 하여 해당 상부암 또는 하부암의 전력을 상기 제1 컨버터부(110)의 교류 전력보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리로 구성될 수 있다. 여기서, 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. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 4b는 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 개략적인 구성도이다.
도 4b를 참조하면, 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 제1 컨버터부(210), 제2 컨버터부(220) 및 제어부(230)를 포함할 수 있다.
일례로, 도 4b에 도시된 제1 컨버터부(210)는 도 4a에 도시된 제1 컨버터부(110)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 가령, 제1 컨버터부(210)는 양방향 컨버터일 수 있다. 제1 컨버터부(210)가 양방향 컨버터인 경우, 발전기로부터의 고압 교류 전력이 도 4a에서의 출력단으로 입력되면 제1 컨버터부(210)는 도 4a에서의 입력단으로 고압 직류 전력을 출력할 수 있다. 저압 직류 전력은 1500V 미만인 직류 전력을 의미할 수 있고, 고압 직류 전력은 1500V이상이고 100kV미만의 직류 전력을 의미할 수 있다.
즉, 도 4a에서의 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 직류 전력을 입력 받아, 제1 출력단을 통해 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 교류 전력을 출력할 수 있으며, 도 4b에서의 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 교류 전력을 입력 받아, 제1 출력단(도 4a의 입력단에 대응되는 위치)을 통해 직류 전력을 출력하고, 제2 출력단(도 4a의 제2 출력단에 대응되는 위치)을 통해 교류 전력을 출력할 수 있다.
이외의 제1 컨버터부(210), 제2 컨버터부(220) 및 제어부(230)의 구성 및 동작은 도 4a에서의 설명과 중복되므로 생략하도록 한다.
도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
일례로, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템은, 도 4c에 도시된 바와 같이 종래의 변압기 없이도, 보조 출력단을 통해 저압 교류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 교류 전력을 공급할 수 있다.
이처럼, 추가적인 변압기를 설치하지 않고도 저압의 교류 전력을 저압 부하에 공급이 가능하여 비용이 저감되며, 설비의 무게 및 부피를 절감할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 1에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터와 같이 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다.
참고로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 고압 직류 배전(20) 및 나머지 장치(가령, 발전기, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
만약, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 아닌 일반 컨버터가 사용될 경우, 컨버터가 감당해야하는 전력의 용량이 너무 커지고, 이를 감당하기 위해서는 고사양의 소자가 필요하며, 필연적으로 부품 수급 문제 및 비용 문제가 발생하게 된다.
반면에, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고용량의 전력(배전)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 된다.
따라서, 대용량의 전력을 필요로 하는 추진 모터를 가지는 대형선 전기추진 선박에 모듈형 멀티레벨 컨버터를 사용함으로써 보편적인 사양의 소자들을 사용할 수 있게 되며, 부품 수급 문제 및 가격 측면에서 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 발생하게 된다.
이에 더해, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 상황에 따라 유동적으로 서브모듈을 추가하거나 제거하여 사용할 수 있으므로 확장성 측면에서 유리한 효과가 발생한다.
또한, 대형선 전기추진 선박에 고압 직류 배전을 적용함으로써 다른 에너지원(전력 공급원)들과의 연계가 용이해지며, 시스템 건전성이 높아질 수 있다.
한편, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치되는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 단일 출력단을 가지는 경우, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 교류 배전(LVAC)에 전력을 공급하기 위해서는, 별도의 인버터가 추가로 필요할 수 있다.
일례로, 도 5a에서 도시하는 바와 같이, DC/AC 전력 변환 장치(40)를 통해 고압 직류 배전(20)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 전력을 전달할 수 있다.
다른 예로, 도 5b에서 도시하는 바와 같이, DC/DC 전력 변환 장치(40)를 통해 고압 직류 배전(20)로부터 저압 직류 배전(LVDC)로 1차적으로 전력을 전달하고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 저압 직류 배전(LVDC)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 전력을 공급하는 전력 공급원이 추가로 포함될 수 있는데, 일례로, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 추가로 포함될 수 있다.
일례로, 라지 모터(Large Motor)의 용량(가령, 수백kW~수MW)은 추진 모터의 용량(가령, 10MW 이상)보다 작을 수 있다. 이때, 라지 모터는 선종에 따라 각각 다르게 연결될 수 있다. 만약, 라지 모터를 MVDC와 연결하면 Aft 에서 Fwd로 보낼때 별도로 승압하는 단계를 생략할 수 있다. 이에 따라 대용량 저압 모터보다 대용량 고압 모터의 사이즈가 작은 점을 고려할 때, 고압 모터를 사용할 수 있으므로 모터의 사이즈를 감소시킬 수도 있다.
일례로, 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 고압 직류 배전(20)으로 전달하기 위한 전력 변환 장치가 사용될 수 있다. 이때, 전력 변환 장치는, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이 일반적인 인버터, 컨버터가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6c는, 도 5a 및 도 5b를 통해 설명한 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(DG)(60) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기(60)를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 6b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 구조 및 동작과 동일/유사할 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다. 참고로, 2권선 변압기의 경우 2기가 필요할 수 있으며, 3권선 변압기의 경우 1기가 필요할 수 있다.
또한, 도 6c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템은 타 전력 계통 시스템과 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함할 수 있다.
일례로, 제1 전력 계통 시스템 및 제2 전력 계통 시스템 사이에는 버스 타이(Bus Tie)가 위치할 수 있으며, 버스 타이(Bus Tie)는 제1 전력 계통 시스템 및 제2 전력 계통 시스템의 연결 및 차단을 제어하기 위한 차단기(Bus Tie Breaker)를 포함할 수 있다. 이때, 차단기는 도 5a 등에 도시된 바와 같이 반도체 차단기(solid state circuit breaker; SSCB)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 기계적 차단기일 수도 있다.
참고로, 이하에서 설명하는 내용 중, 도 1 내지 도 6c 등을 참조하여 전술했던 내용과 중복되는 내용에 대해서는 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있으므로 설명을 생략하기로 한다.
도 7a 및 도 7b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다. 이때, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 4a에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)와 같이 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다. 또한, 다중 출력단 중 제1 출력단은 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단은 저압 교류 전력을 출력할 수 있다.
참고로, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 저압 교류 배전(Low-Voltage Alternating Current; LVAC)(70), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템과 달리, 도 7a 및 도 7b에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 교류 배전(70)에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터가 추가로 필요하지 않다. 이에 따라, 전력 계통 시스템을 더 작고 간단하게 구현할 수 있게 되며, 필요 부품의 개수가 감소하여 생산성이 향상되고, 관리 및 유지 보수가 용이하게 된다.
일례로, 고압 직류 배전(20)에 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 이용될 수 있다.
일례로, 에너지 저장 시스템(ESS) 및 연료전지 시스템(SOFC)은 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 직접적으로 생성할 수 있다. 즉, 별도의 교류/직류 변환 과정이 필요하지 않을 수 있다.
다른 예로, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)는 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 간접적으로 생성할 수 있다. 즉, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 별도의 과정이 필요할 수 있다.
또한, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 서비스 부하(70)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는, 도 7a 및 도 7b를 통해 설명한 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 8a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 8b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 8b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 구조와 동일/유사한 구조를 가질 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 도 8c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 LVDC로 1차적으로 전력을 전달되고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 LVDC로부터 LVAC로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 전술한 도 7a 및 도 7b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터는 제1 출력단을 통해 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 저압 교류 전력(LVAC)을 출력하는 반면에, 도 9a 내지 도 9b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 제1 출력단을 통해 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 저압 직류 전력(LVDC)을 출력할 수 있다. 이에 따라, 별도의 전력 변환 장치가 추가되지 않고도 선내 부하(가령, LED 램프)에 LVDC를 제공할 수 있게 되므로 전력 계통 시스템을 더 작고 간단하게 구현할 수 있게 되며, 필요 부품의 개수가 감소하여 생산성이 향상되고, 관리 및 유지 보수가 용이하게 된다. 저압 교류 전력은 1000V미만의 교류 전력을 의미할 수 있고, 고압 교류 전력은 1000V이상이고 35kV미만인 교류 전력을 의미할 수 있다.
참고로, 도 9a 내지 도 9b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 저압 직류 배전(Low-Voltage Alternating Current; LVDC)(80), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 전력 계통 시스템과 유사하게, 도 9a 및 도 9b에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 직류 배전(80)에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터/컨버터가 추가로 필요하지 않다.
일례로, 고압 직류 배전(20)에 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 이용될 수 있다.
일례로, 에너지 저장 시스템(ESS) 및 연료전지 시스템(SOFC)은 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 직접적으로 생성할 수 있다. 즉, 별도의 교류/직류 변환 과정이 필요하지 않을 수 있다.
다른 예로, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)는 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 간접적으로 생성할 수 있다. 즉, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 별도의 과정이 필요할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는, 도 9a 및 도 9b를 통해 설명한 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 디젤 발전기(DG) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 10a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 10b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 10b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 구조와 동일/유사한 구조를 가질 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 도 10c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 LVDC로 1차적으로 전력을 전달되고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 LVDC로부터 LVAC로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 11a는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(Medium-Voltage Alternating Current; MVAC)(90)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11a에 도시된 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 1을 통해 설명한 바와 같이 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 부하(가령, 추진 모터(30))를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 직류 배전이 아닌 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치되어 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 모듈형 멀티레벨 컨버터로 직류 전력을 전달할 수 있다.
참고로, 도 11a에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11b 및 도 11c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(90)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 아닌, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함된 점에 차이가 있다. 즉, 저압 교류 전력을 출력하는 보조 출력단이 추가로 포함된 점에서, 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템의 전력 변환 장치(91)가 없이도 저압 교류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 교류 전력을 공급할 수 있다.
참고로, 도 11b 내지 도 11c에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11a에서 설명한 것과 유사하게, 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템에서의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치될 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 서비스 부하(70)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
도 11d 및 도 11e는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(Medium-Voltage Alternating Current; MVAC)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 아닌, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함된 점에 차이가 있다. 즉, 저압 직류 전력을 출력하는 보조 출력단이 추가로 포함된 점에서, 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템의 전력 변환 장치(91)가 없이도 저압 직류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 직류 전력을 공급할 수 있다. 또한, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 보조 출력단에서 교류 전력이 아닌 직류 전력을 출력하는 점에 차이가 있다.
참고로, 도 11d 내지 도 11e에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11a에서 설명한 것과 유사하게, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템에서의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치될 수 있다.
또한, 도 11d와 같이 저압 직류 배전(LVDC)으로 저압 직류 전력을 전송할 수 있으나, 도 11e와 같이 저압 직류 배전(LVDC)으로 1차적으로 전력을 전달하고, 인버터를 통해 저압 직류 배전(LVDC)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
한편, 도 11a 내지 도 11e에 도시된 정류단(10_1)은, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터와 동일/유사한 구조를 가질 수 있으며, 이에 대해 도 12를 통해 설명하고자 한다.
도 12는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 그 앞 단에 배치된 정류단(10_1)을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 정류단(10_1)은 도 1을 통해 설명했던 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터와 동일/유사한 구조를 가지는 점을 확인할 수 있다. 즉, 정류단은 입력단을 통해 고압 교류 배전(MVAC)으로부터 고압 교류 전력을 입력 받아 고압 직류 전력(MVDC)으로 변환하여 출력하며, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 입력단을 통해 정류단(10_1)으로부터 고압 직류 전력(MVDC)를 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 부하단(가령, 모터(Motor))으로 출력하는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 12에서는 편의상 부하의 예시로서 추진 모터를 도시하였으나, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템의 부하가 추진 모터에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 12에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는, 도 11a와 같이 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 11b 및 도 11c와 같이 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
일례로, 도 13a를 참조하면, 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 발전기(60)를 포함할 수 있다. 이때, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치될 수 있다.
다른 예로, 도 13b 및 도 13c를 참조하면, 전력 계통 시스템은, 고압 직류 배전(20), 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 발전기(60)를 포함할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치될 수 있다.
도 13a에 도시된 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 이용된 전력 계통 시스템과 달리, 도 13b 및 도 13c에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터가 추가로 필요하지 않다. 이를 통해, 선박의 제한된 공간을 효과적으로 활용할 수 있으며, 유지 보수가 간편한 효과가 있다.
참고로, 도 13b의 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기(60)로부터 교류 전력을 입력받아 고압 직류 배전(20)으로 직류 전력을 출력하고 서비스 부하에 교류 전력을 공급하기 위한 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력(LVAC)을 출력하는 반면에, 도 13c의 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기(60)로부터 교류 전력을 입력받아 고압 직류 배전(20)으로 직류 전력을 출력하고 서비스 부하에 교류 전력을 공급하기 위한 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력(LVDC)을 출력하는 차이가 있다.
고압 직류 배전을 위한 종래의 차단기는 가격이 비싸고 사이즈가 크며 상용 제품이 적다는 문제가 존재하였으나, 도 13a 내지 도 13c에 도시된 바와 같이 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)를 배치할 경우, 차단기가 없는 전력 계통 시스템을 구현할 수 있게 되므로, 상기와 같은 문제점을 극복할 수 있게 된다.
도 14a 내지 도 14j는, 도 13a 및 도 13c를 통해 설명한 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
먼저, 도 14a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 14b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 14b에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전으로 저압 교류 전력을 전달할 수도 있다.
또한, 도 14c 내지 도 14e를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 14c에서는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 바, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위해서 별도의 전력 변환 장치(40)가 추가로 필요한 점을 확인할 수 있다.
반면에, 도 14d 및 도 14e에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위한 별도의 전력 변환 장치가 추가로 필요하지 않은 점을 확인할 수 있다.
참고로, 도 14d에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있는 반면에, 도 14e에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있다.
또한, 도 14f 내지 도 14j를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
참고로, 전술한 도 14c 내지 도 14e에 도시된 전력 계통 시스템에서 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기로부터 고압 교류 전력을 입력 받아서 고압 직류 전력 및 저압 교류 전력을 출력하는 반면에, 도 14f 내지 도 14j에 도시된 전력 계통 시스템에서 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기로부터 고압 교류 전력을 입력 받아서 고압 직류 전력 및 저압 직류 전력을 출력하는 점을 확인할 수 있다.
먼저, 도 14f 및 도 14g를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 14f에서는 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있는 반면에, 도 14g에서는 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있다.
또한, 도 14h를 참조하면, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 저압 직류 배전(80)으로 전력이 변환되어 전달되는 점은 공통되지만, 저압 직류 배전(80)으로부터 별도의 인버터를 통해 저압 교류 배전(70)으로 전력이 추가로 전달되는 점에서 차이가 있다. 또한, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템에서는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치되는 반면에, 도 14h에 도시된 전력 계통 시스템에서는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치되는 차이가 있다.
또한, 도 14i를 참조하면, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 저압 직류 배전(80)으로 전력이 변환되어 전달되는 점은 공통되지만, 도 14i에서는 저압 직류 배전(80)으로부터 별도의 인버터를 통해 저압 교류 배전(70)으로 전력이 추가로 전달되는 점에서 차이가 있다.
또한, 도 14j를 참조하면, 도 14i에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 저압 직류 배전(80)으로 직류 전력을 전달하는 점에서 차이가 있다.
또한, 추진 모터(30)는 대용량의 전력을 필요로 하는데, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따라 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)를 추가로 배치할 경우, 추진 모터(30)에 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 된다.
한편, 도 15a 내지 도 15d는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 필수 부하단(Essential Loads) 및 서비스 부하단(Service Loads)의 그리드가 분리된 전력 계통 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
참고로, 필수 부하단은 선박을 운항함에 있어 필수적으로 사용되는 부하를 의미하며, 서비스 부하단은 상황에 맞게 부하가 가변될 수 있는 부하를 의미한다. 필수 부하단은 전력을 일정하게 공급하고, 서비스 부하단은 전력을 가변적으로 공급할 수 있다.
종래에는 필수 부하단 및 서비스 부하단이 동일한 그리드에 포함되어 있어 서비스 부하단의 제어가 용이하지 않은 문제점이 존재하였다.
반면에, 도 15a 내지 도 15d에서 도시하는 바와 같이 필수 부하단의 그리드(1600) 및 서비스 부하단의 그리드(1700)가 분리될 경우, 서비스 부하단을 용이하게 제어할 수 있게 되므로, 효율적인 전력 관리가 가능해진다.
먼저 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 필수 부하단에 대응되는 제1 그리드(1600) 및 서비스 부하단에 대응되는 제2 그리드(1700)가 전기적으로 분리된 것을 확인할 수 있다.
이때, 제1 그리드(1600)는 고압 직류 배전(1620), 추진 모터(1630) 및 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 그리드(1600)에는 전력을 공급하는 전력 공급원이 추가로 포함될 수 있는데, 일례로, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Large Motor) 중 적어도 일부가 추가로 포함될 수 있다. 이때, 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 고압 직류 배전(1620)으로 전달하기 위한 전력 변환 장치가 사용될 수 있다. 이때, 전력 변환 장치는, 일반적인 인버터, 컨버터 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수도 있다. 또한, 제1 그리드(1600)의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)는 도 15b에서 도시하는 바와 같이 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 15a에서 도시하는 바와 같이 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다. 도 15a와 같이 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)가 다중 출력단을 가지는 경우, 추진 모터(30)뿐만 아니라 하위 부하단(1670)에도 동시에 전력을 전달할 수 있게 된다.
또한, 제2 그리드(1700)는 저압 교류 배전(1710), 서비스 부하단(1720) 및 가변속 발전기(1730)를 포함할 수 있다.
한편, 제2 그리드(1700)에 포함된 가변속 발전기(1730)에 문제가 발생하게 되는 경우 서비스 부하단(1720)에 전력이 공급되지 않는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 기본적으로는 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이 제1 그리드(1600) 및 제2 그리드(1700)를 전기적으로 분리하되, 경우에 따라 도 15c 및 도 15d에 도시된 바와 같이 스위칭 동작을 통해 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)에 보조적으로 전달할 수 있다.
일례로, 도 15c에 도시된 바와 같이, 제1 그리드(1600)의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)의 보조 출력단(제2 출력단) 및 제2 그리드(1700) 사이에 스위치(1640)가 배치되어, 비상시에 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)와 공유할 수 있다. 도 15a의 전력 계통 시스템과 비교할 때, 도 15c의 제1 그리드(1600)의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)의 보조 출력단 쪽에 스위치(1640)가 추가된 점을 확인할 수 있다. 참고로, 도 15c에서는, 제1 그리드(1600)의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)가 제2 그리드(1700)에 저압 교류 전력을 전달하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 제1 그리드의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)는 제2 그리드에 저압 직류 전력을 전달할 수도 있다.
다른 예로, 도 15d에 도시된 바와 같이, 제1 그리드(1600)의 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1650) 및 고압 직류 배전(1620) 사이에 스위치(1640)가 배치되어 비상시에 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)와 공유할 수 있다. 도 15b의 전력 계통 시스템과 비교할 때, 도 15d의 제1 그리드(1600)의 고압 직류 배전(1620)에 스위치(1640)가 추가로 연결되고, 해당 스위치(1640) 및 제2 그리드(1700) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1650)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
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 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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 (15)

  1. 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 입력단에 입력된 직류 전력을 상기 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제1 출력단을 통해 출력하는 제1 컨버터부; 및
    상기 입력단에 입력된 상기 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 제2 출력단을 통해 출력하는 제2 컨버터부
    를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 컨버터부는
    상기 제1 컨버터부의 상기 레그의 상기 상부 암과 직렬로 연결된 풀 브리지 방식의 복수의 추가 서브모듈로 구성되고, 이웃하는 복수의 추가 서브모듈은 서로 병렬로 연결되며, 상기 복수의 추가 서브모듈은 상기 입력단의 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하는 제1 저압 컨버터부; 및
    상기 제1 컨버터부의 상기 레그의 상기 하부 암과 직렬로 연결된 풀 브리지 방식의 복수의 추가 서브모듈로 구성되고, 이웃하는 복수의 추가 서브모듈은 서로 병렬로 연결되며, 상기 복수의 추가 서브모듈은 상기 입력단의 직류 전력을 상기 제1 컨버터부에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하는 제2 저압 컨버터부 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 저압 컨버터부 및 상기 제2 저압 컨버터부의 전력 변환을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 컨버터부는 상기 제1 출력단으로 교류 전력이 입력되면, 상기 제1 출력단으로 입력되는 교류 전력을 사전에 설정된 직류 전력으로 변환하여 상기 입력단으로 출력하는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 컨버터부 및 상기 제2 컨버터부는 상기 입력단의 직류 전력을 서로 다른 전압 레벨을 갖는 3상 교류 전력으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터.
  6. 다중 출력단을 갖는 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터;
    상기 다중 출력단 중 제1 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 추진 모터;
    상기 다중 출력단 중 제2 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 저압 교류(Low-Voltage Alternating Current) 배전; 및
    상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 직류 전력을 공급하기 위한 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current) 배전
    을 포함하는 전력 계통 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 출력단을 통해 출력되는 교류 전력의 전압 레벨은 상기 제1 출력단을 통해 출력되는 교류 전력의 전압 레벨보다 낮은 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 고압 직류 배전을 통해 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 공급되는 직류 전력은, 에너지 저장 시스템, 연료 전지 시스템 및 발전기 중 적어도 하나에 의해 직간접적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 발전기 및 상기 고압 직류 배전을 전기적으로 연결하며, 적어도 하나의 출력단을 갖는 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제3 출력단, 및 서비스 부하 배전에 교류 전력을 출력하기 위한 제4 출력단을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제5 출력단, 및 서비스 부하 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제6 출력단을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제6 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨은 상기 제5 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨보다 낮은 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 출력단 및 상기 저압 교류 배전은 절연 변압기를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  15. 청구항 6에 있어서,
    상기 고압 직류 배전에 연결되어, 타 전력 계통 시스템과 직류 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
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