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WO2018124519A1 - 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템 - Google Patents

모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템 Download PDF

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WO2018124519A1
WO2018124519A1 PCT/KR2017/014161 KR2017014161W WO2018124519A1 WO 2018124519 A1 WO2018124519 A1 WO 2018124519A1 KR 2017014161 W KR2017014161 W KR 2017014161W WO 2018124519 A1 WO2018124519 A1 WO 2018124519A1
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mmc converter
mmc
switching
line
converter
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PCT/KR2017/014161
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French (fr)
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김희진
허견
이동수
강재식
정주용
김상민
나종서
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Hyosung Corp
Original Assignee
Hyosung Corp
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Publication date
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Publication of WO2018124519A1 publication Critical patent/WO2018124519A1/ko
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Definitions

  • FIG. 6 is a view illustrating an operation when power is supplied from a first MMC converter to a second MMC converter in a steady state in an MMC converter system according to an embodiment of the present invention
  • the first MMC converter 110 and the second MMC converter 210 have the same configuration.
  • the first MMC converter device 110 includes a plurality of submodules 111 connected in series with each other
  • the second MMC converter device 210 includes a plurality of submodules 211 connected in series with each other.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Rectifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 두 개의 MMC 컨버터장치 간에 연결된 선로에 복수의 단로부를 설치하여 고장전류의 빠른 차단이 가능한 MMC 컨버터 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제1 MMC 컨버터장치; 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제2 MMC 컨버터장치; 상기 제1 및 제2 MMC 컨버터장치 간의 선로에 설치된 제1 단로부; 및 상기 선로에 상기 제1 단로부와 직렬연결된 제2 단로부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단로부는 각각 상기 선로에 설치되어 상기 선로를 개폐하는 기계식 스위치와 상기 기계식 스위치에 병렬연결된 다이오드를 포함하고, 상기 두 다이오드는 서로 역방향으로 설치된다.

Description

모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter:MMC) 시스템에 관한 것으로서, 특히 두 개의 MMC 컨버터장치 사이에 연결된 선로에 복수의 단로부를 설치하여 DC 고장전류의 빠른 차단이 가능하도록 하는 MMC 컨버터 시스템에 관한 것이다.
모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC) 장치는 다중 레벨 컨버터의 한 종류로서, 여러 개의 서브모듈(Sub Module:SM)이 직렬로 연결되어 컨버터 암을 구성하도록 이루어진 컨버터이다.
이러한 MMC 컨버터장치는 다중 컨버터가 가지는 높은 전압의 출력 및 대용량의 출력을 나타낼 수 있고, 계단식의 출력으로 출력 전압을 조절할 수 있다.
MMC 컨버터장치는 일반적인 다중레벨 컨버터에 비해 구조가 간단하여 구현이 쉽고 여분의 서브모듈을 사용함으로써 수명을 연장시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 MMC 컨버터장치의 구성도이다.
일반적인 MMC 컨버터장치는 예컨대, 3개의 레그(Leg)(13a,13b,13c), 6개의 컨버터 암(Arm)(11a,11b,11c,12a,12b,12c)으로 이루어지고, 각 암(Arm)에는 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈(SM)을 포함한다.
이러한 컨버터 암(Arm)은 3개의 상위 암(Upper Arm)(11a,11b,11c) 및 3개의 하위 암(Lower Arm)(12a,12b,12c)으로 구성될 수 있다. 도면에는 일례로 각 암별로 4개의 서브모듈(SM)(10)을 예시하고 있으나 이러한 서브모듈(SM)의 개수는 당연히 변경이 가능하다.
이러한 MMC 컨버터는 모선을 통해 입력되는 DC측 입력전압(Vdc)을 3개의 레그(13a,13b,13c)를 통해 AC측 출력전압으로 변환하여 출력한다. 이러한 출력전압은 각 암에 포함된 서브모듈(SM)(10)의 온/오프(On/Off) 상태에 따라 달라진다.
즉, 상위 암 및 하위 암 각각에 일례로 4개의 서브모듈이 포함된 경우, 온(On) 상태를 유지하는 서브모듈(SM)(10)의 개수에 따라 출력전압을 조절할 수 있다. 이때 출력전압을 조절하기 위해 각 암에 있는 각각의 서브모듈(10)의 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다.
도 2는 일반적인 MMC 컨버터의 서브모듈의 일 예시도이다.
도 2를 참조하면, 각각의 서브모듈(SM)(10)은 한 쌍의 반도체스위치(21)와, 이들 반도체스위치(21)에 병렬연결된 커패시터(22)를 포함하는 하프브릿지(half bridge) 회로를 포함한다. 반도체스위치(21)는 파워반도체소자(21a)와 이에 역병렬로 연결된 다이오드(21b)를 포함한다.
이러한 종래의 MMC 컨버터장치는 AC 고장에 대한 대책은 많으나 DC 고장에 대한 대책이 거의 없는 실정이다. 즉, 종래의 하프브릿지 회로로 구성된 서브모듈의 경우 DC 고장이 발생하면 AC측으로부터의 고장전류가 다이오드(21b)로만 흐르기 때문에 고장전류를 차단할 수 없다는 문제점이 있다. 이에 고장전류를 차단하기 위해 종래에 풀브릿지 회로로 구성된 서브모듈이 제시되었다.
도 3은 일반적인 MMC 컨버터장치의 서브모듈의 다른 예시도이다.
도 3을 참조하면, 각각의 서브모듈(SM)은 서로 병렬 연결된 두 쌍의 반도체스위치(31)와, 이들 반도체스위치(31)에 병렬연결된 커패시터(32)를 포함하는 풀브릿지(full bridge) 회로를 포함한다. 반도체스위치(31)는 파워반도체소자(31a)와 이에 역병렬 연결된 다이오드(31b)를 포함한다.
이와 같이, 풀브릿지 회로로 구성된 서브모듈의 경우 DC 고장발생시 AC측으로부터의 고장전류에 의해 내부의 커패시터(33)에 역전압이 걸리므로 고장전류를 차단할 수 있다는 장점은 있으나, 반도체스위치(31)의 스위칭동작에 따른 손실이 증가하는 단점이 있다. 실제 동일한 개수의 서브모듈을 하프브릿지 회로보다 풀브릿지 회로로 구성하는 경우 약 30% 이상으로 스위칭 손실이 발생한다.
또한, 도 2 및 도 3의 MMC 컨버터장치의 경우 2개의 MMC 컨버터장치가 선로를 통해 서로 연결되어 상호 간 전력을 송수신하는 중에 선로에 고장발생시 DC 선로측 고장전류를 빠르게 차단하는데 어려움이 있고 상기한 손실발생이 따르는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, MMC 컨버터장치 간에 선로를 통해 전력을 송수신하는 과정에서 선로에 발생한 고장전류를 빠르게 차단하면서도 스위칭 손실을 줄일 수 있도록 하는 MMC 컨버터 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템은, 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제1 MMC 컨버터장치; 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제2 MMC 컨버터장치; 상기 제1 및 제2 MMC 컨버터장치 간의 선로에 설치된 제1 단로부; 및 상기 선로에 상기 제1 단로부와 직렬연결된 제2 단로부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단로부는 각각 상기 선로에 설치되어 상기 선로를 개폐하는 기계식 스위치와 상기 기계식 스위치에 병렬연결된 다이오드를 포함하고, 상기 두 다이오드는 서로 역방향으로 설치된다.
상기 제1 및 제2 단로부는 각각 상기 다이오드에 병렬연결된 커패시터 및 저항의 직렬연결을 더 포함한다.
상기 제1 MMC 컨버터장치에서 상기 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시, 상기 제1 단로부의 기계식 스위치는 닫히고 상기 제2 단로부의 기계식 스위치는 개방되어 상기 제1 MMC 컨버터장치로부터 출력된 전류가 상기 제1 단로부의 기계식 스위치 및 상기 제2 단로부의 다이오드를 통해 상기 제2 MMC 컨버터장치로 흐르도록 한다.
상기 제2 MMC 컨버터장치에서 상기 제1 MMC 컨버터장치로 전력공급시, 상기 제2 단로부의 기계식 스위치는 닫히고 상기 제1 단로부의 기계식 스위치는 개방되어 상기 제2 MMC 컨버터장치로부터 출력된 전류가 상기 제2 단로부의 기계식 스위치 및 상기 제1 단로부의 다이오드를 통해 상기 제1 MMC 컨버터장치로 흐르도록 한다.
상기 제1 및 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈은 각각, 에너지를 저장하는 커패시터; 서로 직렬연결되어 상기 커패시터에 병렬연결된 제1 반도체스위치 및 제2 반도체스위치; 서로 직렬연결되어 상기 커패시터에 병렬연결된 제3 반도체스위치 및 제4 반도체스위치; 상기 제1 반도체스위치 및 제2 반도체스위치의 제1중간점에 연결된 제1출력단자; 상기 제3 반도체스위치 및 제4 반도체스위치의 제2중간점에 연결된 제1스위칭단자와 상기 제2 반도체스위치, 커패시터 및 제4 반도체스위치의 공통점에 연결된 제2스위칭단자 중 어느 하나와 연결되는 제2출력단자; 및 상기 제2출력단자를 상기 제1스위칭단자와 상기 제2스위칭단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 스위칭부를 포함한다.
여기서, 상기 제1 MMC 컨버터장치에서 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시, 상기 제1 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자와 상기 제1스위칭단자가 연결되고 상기 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자와 상기 제2스위칭단자가 연결되도록 한다.
여기서, 상기 제2 MMC 컨버터장치에서 제1 MMC 컨버터장치로 전력공급시, 상기 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자와 상기 제1스위칭단자가 연결되고 상기 제1 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자와 상기 제2스위칭단자가 연결되도록 한다.
상기 제1중간점은 상기 제1 반도체스위치의 이미터단자와 상기 제2 반도체스위치의 콜렉터단자와 연결된다.
상기 제2중간점은 상기 제3 반도체스위치의 이미터단자와 상기 제4 반도체스위치의 콜렉터단자와 연결된다.
상기 공통점는 상기 제2 반도체스위치의 이미터단자와 상기 커패시터의 음극단자와 상기 제4 반도체스위치의 이미터단자와 연결된다.
상기 제1 MMC 컨버터장치에서 상기 선로를 통해 상기 제2 MMC 컨버터장치로 전력을 공급하는 중에 상기 선로에 고장발생시, 상기 제1 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 제2출력단자와 상기 제1스위칭단자가 연결된 상태에서 상기 서브모듈의 전압의 합이 역전압을 형성하여 상기 제1 MMC 컨버터장치로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하고 상기 제2 단로부의 기계식 스위치가 개방된 상태에서 상기 다이오드에 의해 제2 MMC 컨버터장치로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단한다.
상기 제2 MMC 컨버터장치에서 상기 선로를 통해 상기 제1 MMC 컨버터장치로 전력을 공급하는 중에 상기 선로에 고장발생시, 상기 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈에서는 상기 제2출력단자와 상기 제1스위칭단자가 연결된 상태에서 상기 서브모듈의 전압의 합이 역전압을 형성하여 상기 제2 MMC 컨버터장치로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하고 상기 제1 단로부의 기계식 스위치가 개방된 상태에서 상기 다이오드에 의해 제1 MMC 컨버터장치로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단한다.
본 발명에 의하면 제1 MMC 컨버터장치와 제2 MMC 컨버터장치가 선로를 통해 전력을 상호 간에 송수신하는 MMC 컨버터 시스템에서 선로에 두 개의 단로부를 직렬연결하여 선로에 고장발생시 단로부를 스위칭하고 제1 및 제2 컨버터장치의 서브모듈을 스위칭함으로써 고장전류를 빠르게 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 제1 및 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈을 서로 다르게 스위칭하므로 종래의 풀브릿지회로의 서브모듈에 비해 스위칭 손실이 낮다.
도 1은 일반적인 MMC 컨버터장치의 구성도,
도 2는 일반적인 MMC 컨버터장치의 서브모듈의 일 예시도,
도 3은 일반적인 MMC 컨버터장치의 서브모듈의 다른 예시도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에 적용되는 서브모듈의 예시도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 정상상태에서 제1 MMC 컨버터장치로부터 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시 동작 예시도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 정상상태에서 제2 MMC 컨버터장치로부터 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시 동작 예시도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 제1 MMC 컨버터장치에서 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급 중에 선로측 고장발생 시 DC 고장전류 차단을 위한 동작 예시도,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 제2 MMC 컨버터장치에서 제1 MMC 컨버터장치로 전력공급 중에 선로측 고장발생 시 DC 고장전류 차단을 위한 동작 예시도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터 시스템(100)은 제1 MMC 컨버터장치(110), 제1 단로부(120), 제2 MMC 컨버터장치(210) 및 제2 단로부(220)를 포함하여 구성된다.
제1 MMC 컨버터장치(110)와 제2 MMC 컨버터장치(210)는 서로 동일한 구성을 갖는다. 제1 MMC 컨버터장치(110)는 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈(111)을 포함하고 제2 MMC 컨버터장치(210)는 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈(211)을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 제1 MMC 컨버터장치(110) 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)는 각각 복수의 암(Arm)으로 이루어지고 각각의 암(Arm)은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈(SM)(111,211)로 구성된다.
이들 제1 MMC 컨버터장치(110)와 제2 MMC 컨버터장치(210)는 선로(10)로 연결되며, 이러한 선로(10)를 통해 상호 간에 전력을 송수신한다.
선로(10)에는 제1 단로부(120)와 제2 단로부(220)가 서로 직렬로 연결된다. 제1 단로부(120)와 제2 단로부(220)는 제1 MMC 컨버터장치(110)와 제2 MMC 컨버터장치(210)가 선로(10)를 통해 전력을 송수신할 때 상호 간에 전류를 공급 및 차단하는 기능을 수행한다. 특히, 제1 및 제2 단로부(121,221)는 선로(10)에 고장발생시 고장전류를 차단하는 기능을 수행한다.
도면에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 단로부(120,220)도 서로 동일한 구성을 갖는다. 즉, 제1 단로부(120)는 선로(10)에 설치되어 선로(10)를 개폐하는 기계식 스위치(121) 및 이러한 기계식 스위치(121)에 병렬연결된 다이오드(122)를 포함하여 구성되고, 제2 단로부(220)는 제1 단로부(120)에 직렬로 연결되며 선로(10)에 설치되어 선로(10)를 개폐하는 기계식 스위치(221) 및 이러한 기계식 스위치(221)에 병렬연결된 다이오드(222)를 포함하여 구성된다.
이때, 이들 두 다이오드(122,222)는 서로 역방향으로 설치된다.
또한, 이러한 제1 및 제2 단로부(120,220)는 각각 다이오드(122,222)에 병렬연결된 커패시터(123,223) 및 저항(124,224)의 직렬연결을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에 적용되는 서브모듈의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)에서의 서브모듈(111,211)은 서로 동일한 구성으로 이루어진다. 구체적으로 이러한 서브모듈(111,211)은 각각 에너지를 저장하는 커패시터(101,201)와, 서로 직렬연결되어 커패시터(101,201)에 병렬연결된 제1 반도체스위치(102,202) 및 제2 반도체스위치(103,203)와, 서로 직렬연결되어 커패시터(101,201)에 병렬연결된 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)와, 제1 반도체스위치(102,202) 및 제2 반도체스위치(103,203)의 제1중간점(N1,N1')에 연결된 제1출력단자(T1,T1')와, 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 제2중간점(N2,N2')에 연결된 제1스위칭단자(S1,S1')와 제2 반도체스위치(103,203), 커패시터(101,201) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 공통점(N0,N0')에 연결된 제2스위칭단자(S2,S2') 중 어느 하나와 연결되는 제2출력단자(T2,T2')와, 제2출력단자(T2,T2')를 제1스위칭단자(S1,S1') 및 제2스위칭단자(S2,S2') 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 스위칭부(106,206)를 포함하여 구성된다. 도면에서와 같이 이들 제1 내지 제4 반도체스위치(102,202~105,205)는 각각 파워반도체소자(102a,202a~105a,205a)와 이에 각각 역병렬로 연결된 다이오드(102b,202b~105b,205b)를 포함한다.
구체적으로, 제1 내지 제4 반도체스위치(102,202~105,205)는 각각이 베이스단자(B), 콜렉터단자(C) 및 이미터단자(E)를 구비한다. 이때, 도면에 도시된 일례와 같이 제1중간점(N1,N1')은 각각 제1 반도체스위치(102,202)의 이미터단자(E,E')와 제2 반도체스위치(103,203)의 콜렉터단자(C,C')와 공통으로 연결된다.
또한, 제2중간점(N2,N2')은 제3 반도체스위치(104,204)의 이미터단자(E,E')와 제4 반도체스위치(105,205)의 콜렉터단자(C,C')와 공통으로 연결된다.
또한, 공통점(N0,N0')는 제2 반도체스위치(103,203)의 이미터단자(E,E'), 커패시터(101.201)의 음극단자 및 제4 반도체스위치(105,205)의 이미터단자(E,E')와 공통으로 연결된다.
이러한 구성에 의해 스위칭부(106,206)의 스위칭 동작에 따라 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 사용 여부가 결정된다. 즉, 스위칭부(106,206)의 스위칭 동작에 의해 제2출력단자(T2,T2')가 제2스위칭단자(S2,S2')에 연결되는 경우 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)로는 전류가 흐르지 않아 온/오프 제어가 불필요하다. 반대로 스위칭부(106,206)의 스위칭 동작에 의해 제2출력단자(T2,T2')가 제1스위칭단자(S1,S1')에 연결되는 경우 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)로 전류가 도통되므로 제어부(미도시)에 의해 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 스위칭 동작이 필요하다.
본 발명에서 제1 내지 제4 반도체스위치(102,202~105,205)는 예컨대 IGBT, FET 등이 될 수 있으며, 제어부(미도시)에 의해 그 스위칭동작이 제어된다.
이와 같이 구성된 MMC 컨버터장치(110,210)에서는 선로(10)에 단락과 같은 고장이 발생하게 되면 AC측에서 DC측으로 고장전류(이하, DC 고장전류라 함)가 각 상의 컨버터 암을 통해 각 컨버터 암을 구성하는 복수의 서브모듈(101,201)로 흐르게 된다.
따라서, 선로(10)의 고장발생 시 컨버터 암의 각 서브모듈(101,201)로 흐르는 DC 고장전류는 대전류이므로 서브모듈(101,201)의 내부 소자를 손상시킬 수 있다. 이에, 본 발명에서는 MMC 컨버터 시스템(100)에서 선로(10)에 고장발생 시 제1 단로부(120) 및 제2 단로부(220)에 의해 선로(10)를 개방(open)시켜 DC 고장전류를 차단하도록 함으로써 제1 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)를 보호하도록 한다.
또한, 제1 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)의 서브모듈(111,211)은 내부의 각 스위칭부(106,206)의 스위칭 동작에 따라 이러한 DC 고장전류를 차단할 수도 있다. 즉, 스위칭부(106,206)에서 제2출력단자(T2,T2')가 제1스위칭단자(S1,S1')와 연결되도록 스위칭하며 각각의 커패시터(101,201)에 저장된 역전압에 의한 전류가 DC 고장전류와 반대방향이 되어 DC 고장전류를 차단하도록 한다. 이러한 고장전류 차단과정은 하기에서 구체적으로 설명한다.
이하에서, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 MMC 컨버터 시스템(100)의 정상상태에서의 동작과정을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 정상상태에서 제1 MMC 컨버터장치로부터 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시 동작 예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 정상상태에서 제2 MMC 컨버터장치로부터 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급시 동작 예시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터 시스템(100)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력을 공급하는 경우에는 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)는 닫히고, 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)는 개방되어 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 출력된 전류가 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121) 및 제2 단로부(220)의 다이오드(222)를 통해 제2 MMC 컨버터장치(210)로 흐르도록 한다.
이때, 상기와 같이 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력공급시 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 스위칭부(106)의 스위칭에 의해 제2출력단자(T2)와 제1스위칭단자(S1)가 연결되도록 하고 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 스위칭부(206)에 의해 제2출력단자(T2')와 제2 스위칭단자(S2')가 연결되도록 한다.
여기서, 상기한 기계식 스위치(121,221)의 동작에서 닫히는 것(close)은 선로(10)를 연결하여 전류를 도통시킨다는 것이고 개방된다는 것(open)은 선로(10)의 연결을 끊어 전류의 도통을 차단한다는 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터 시스템(100)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력을 공급하는 경우에는 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)는 닫히고, 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)는 개방되어 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 출력된 전류가 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221) 및 제1 단로부(120)의 다이오드(122)를 통해 제1 MMC 컨버터장치(110)로 흐르도록 한다.
이때, 상기와 같이 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력공급시 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 스위칭부(206)의 스위칭에 의해 제2출력단자(T2')와 제1스위칭단자(S1')가 연결되도록 하고 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 스위칭부(106)에 의해 제2출력단자(T2)와 제1스위칭단자(S2)가 연결되도록 한다.
즉, 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이 제1 MMC 컨버터장치(110)와 제2 MMC 컨버터장치(210)가 선로(10)를 통해 전력을 상호 간에 송수신하는 경우 전력을 송전하는 측에서는 제2출력단자(T2,T2')가 제1스위칭단자(S1,S1')와 연결되도록 하고 전력을 수신하는 측에서는 제2출력단자(T2,T2')가 제2스위칭단자(S2,S2')와 연결되도록 각각의 스위칭부(106,206)의 스위칭 동작을 제어한다.
이하에서는 본 발명에 따른 MMC 컨버터 시스템(100)에서 선로에 고장발생시 고장전류를 차단하는 과정을 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 제1 MMC 컨버터장치에서 제2 MMC 컨버터장치로 전력공급 중에 선로측 고장발생 시 DC 고장전류 차단을 위한 동작 예시도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터 시스템에서 제2 MMC 컨버터장치에서 제1 MMC 컨버터장치로 전력공급 중에 선로측 고장발생 시 DC 고장전류 차단을 위한 동작 예시도이다.
도 8 및 도 9에서는 제1 MMC 컨버터장치(110)와 제2 MMC 컨버터장치(210) 간의 선로(10)에 단락과 같은 고장이 발생한 경우에 대하여 DC 고장전류를 차단하여 제1 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)를 보호하는 과정을 나타낸다.
먼저, 도 8은 상기한 도 6에서와 같이 MMC 컨버터 시스템(100)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력을 공급하는 중에 선로(10)에 고장발생시 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 제2출력단자(T2)와 제1스위칭단자(S1)가 연결되어 있고 서브모듈(111) 내의 반도체스위치(102~105)는 모두 오프(off)되어 서브모듈(111) 내의 다이오드(102b~105b)로 전류방향이 형성되고, 이에 다수의 서브모듈(111)의 전압의 합이 AC 계통의 선간전압에 대하여 역전압을 형성하여 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 선로(10)로 고장전류가 흐르지 않도록 차단한다.
이때, 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력을 공급하는 중이므로 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)는 이미 개방되어 있으며 역방향의 다이오드(222)에 의해 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 선로(10)로 흐르는 고장전류도 차단하도록 한다.
이 경우, 전력 송신측인 제1 MMC 컨버터장치(110)에서는 서브모듈(111)의 커패시터(101)에 충전된 전압에 의하여 서브모듈(111)이 AC 계통 전압에 대하여 역전압을 형성하여 고장전류를 차단하고 전력 수신측인 제2 MMC 컨버터장치(210)에서는 제2단로부(220)의 다이오드(222)의 방향과 고장전류의 방향이 반대이므로 고장전류는 다이오드(222)에 의해 차단되는 것이다. 이로써 수동소자를 통한 고장전류를 차단하기 때문에 빠른 고장전류 차단이 가능한 것이다.
또한, 도 9는 상기한 도 7에서와 같이 MMC 컨버터 시스템(100)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력을 공급하는 중에 선로(10)에 고장발생시 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 제2출력단자(T2')와 제1스위칭단자(S1')가 연결되어 있고, 서브모듈(211) 내의 모든 반도체스위치(202~205)가 오프(off)되어 서브모듈(211) 내의 다이오드(202b~205b)로 전류방향이 형성되고, 이에 서브모듈(211)의 전압의 합이 AC 계통의 선간전압에 대하여 역전압을 형성하여 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 선로(10)로 고장전류가 흐르지 않도록 차단한다.
이때, 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력을 공급하는 중이므로 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)는 이미 개방되어 있으며 역방향의 다이오드(122)에 의해 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 선로(10)로 흐르는 고장전류도 차단하도록 한다.
이와 같이, 도 8과 마찬가지로 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)의 스위칭부(206)는 제2출력단자(T2')가 제1스위칭단자(S1')와 연결되어 있어 제1출력단자(T1')와 제2출력단자(T2')에는 커패시터(201)에 충전된 전압에 의해 고장전류를 차단하도록 하는 것이다. 이는 선로(10)의 고장발생시 AC측으로부터 고장전류에 의해 서브모듈(211)에 역전압이 걸리므로 고장전류를 차단할 수 있는 것이다.
이 경우, 전력 송신측인 제2 MMC 컨버터장치(210)에서는 서브모듈(211)의 커패시터(201)에 충전된 역전압에 의해 고장전류를 차단하고 전력 수신측인 제1 MMC 컨버터장치(110)에서는 제1단로부(120)의 다이오드(122)의 방향과 고장전류의 방향이 반대이므로 고장전류는 다이오드(122)에 의해 차단된다. 이로써 수동소자를 통한 고장전류를 차단하기 때문에 빠른 고장전류 차단이 가능한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 제1 MMC 컨버터장치와 제2 MMC 컨버터장치가 선로를 통해 전력을 상호간에 송수신하는 MMC 컨버터 시스템에서 선로에 두 개의 단로부를 직렬연결하여 선로에 고장발생시 단로부를 스위칭하고 제1 및 제2 컨버터장치의 서브모듈을 스위칭함으로써 고장전류를 빠르게 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제1 및 제2 MMC 컨버터장치의 서브모듈을 서로 다르게 스위칭하므로 종래의 풀브릿지회로의 서브모듈을 사용한 MMC 컨버터장치에 비해 스위칭 손실 및 전도 손실이 낮다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제1 MMC 컨버터장치(110);
    서로 직렬연결된 복수의 서브모듈을 포함하는 제2 MMC 컨버터장치(210);
    상기 제1 및 제2 MMC 컨버터장치 간의 선로에 설치된 제1 단로부(120); 및
    상기 선로에 상기 제1 단로부와 직렬연결된 제2 단로부(220)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 단로부(120,220)는 각각,
    상기 선로에 설치되어 상기 선로를 개폐하는 기계식 스위치(121,221)와 상기 기계식 스위치(121,221)에 병렬연결된 다이오드(122,222)를 포함하고,
    상기 두 다이오드(122,222)는 서로 역방향으로 설치되는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단로부(120,220)는 각각,
    상기 다이오드(122,222)에 병렬연결된 커패시터(123,223) 및 저항(124,224)의 직렬연결을 더 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력공급시,
    상기 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)는 닫히고 상기 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)는 개방되어 상기 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 출력된 전류가 상기 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121) 및 상기 제2 단로부(220)의 다이오드(222)를 통해 상기 제2 MMC 컨버터장치(210)로 흐르도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력공급시,
    상기 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)는 닫히고 상기 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)는 개방되어 상기 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 출력된 전류가 상기 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221) 및 상기 제1 단로부(120)의 다이오드(122)를 통해 상기 제1 MMC 컨버터장치(110)로 흐르도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 MMC 컨버터장치(110,210)의 서브모듈(111,211)은 각각,
    에너지를 저장하는 커패시터(101,201);
    서로 직렬연결되어 상기 커패시터에 병렬연결된 제1 반도체스위치(102,202) 및 제2 반도체스위치(103,203);
    서로 직렬연결되어 상기 커패시터에 병렬연결된 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205);
    상기 제1 반도체스위치(102,202) 및 제2 반도체스위치(103,203)의 제1중간점(N1,N1')에 연결된 제1출력단자(T1,T1');
    상기 제3 반도체스위치(104,204) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 제2중간점(N2,N2')에 연결된 제1스위칭단자(S1,S1')와 상기 제2 반도체스위치(103,203), 커패시터(101,201) 및 제4 반도체스위치(105,205)의 공통점(N0,N0')에 연결된 제2스위칭단자(S2,S2') 중 어느 하나와 연결되는 제2출력단자(T2,T2'); 및
    상기 제2출력단자(T2,T2')를 상기 제1스위칭단자(S1,S1')와 상기 제2스위칭단자(S2,S2') 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 스위칭부(106,206)를 포함하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력공급시,
    상기 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 상기 스위칭부(106)의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자(T2)와 상기 제1스위칭단자(S1)가 연결되고 상기 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 상기 스위칭부(206)의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자(T2')와 상기 제2스위칭단자(S2')가 연결되도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력공급시,
    상기 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 상기 스위칭부(206)의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자(T2')와 상기 제1스위칭단자(S1')가 연결되고 상기 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 상기 스위칭부(106)의 스위칭에 의해 상기 제2출력단자(T2)와 상기 제2스위칭단자(S2)가 연결되도록 하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1중간점(N1,N1')은 각각 상기 제1 반도체스위치(102,202)의 이미터단자(E,E')와 상기 제2 반도체스위치(103,203)의 콜렉터단자(C,C')와 연결되는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2중간점(N2,N2')은 각각 상기 제3 반도체스위치(104,204)의 이미터단자(E,E')와 상기 제4 반도체스위치(105,205)의 콜렉터단자(C,C')와 연결되는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 공통점(N0,N0')는 각각 상기 제2 반도체스위치(103,203)의 이미터단자(E,E')와 상기 커패시터(101.201)의 음극단자와 상기 제4 반도체스위치(105,205)의 이미터단자(E,E')와 연결되는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 MMC 컨버터장치(110)에서 상기 선로(10)를 통해 상기 제2 MMC 컨버터장치(210)로 전력을 공급하는 중에 상기 선로(10)에 고장발생시,
    상기 제1 MMC 컨버터장치(110)의 서브모듈(111)에서는 상기 제2출력단자(T2)와 상기 제1스위칭단자(S1)가 연결된 상태에서 상기 서브모듈(111)의 전압의 합이 역전압을 형성하여 상기 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하고 상기 제2 단로부(220)의 기계식 스위치(221)가 개방된 상태에서 상기 다이오드(222)에 의해 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제2 MMC 컨버터장치(210)에서 상기 선로(10)를 통해 상기 제1 MMC 컨버터장치(110)로 전력을 공급하는 중에 상기 선로(10)에 고장발생시,
    상기 제2 MMC 컨버터장치(210)의 서브모듈(211)에서는 상기 제2출력단자(T2')와 상기 제1스위칭단자(S1')가 연결된 상태에서 상기 서브모듈(211)의 전압의 합이 역전압을 형성하여 상기 제2 MMC 컨버터장치(210)로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하고 상기 제1 단로부(120)의 기계식 스위치(121)가 개방된 상태에서 상기 다이오드(122)에 의해 제1 MMC 컨버터장치(110)로부터 상기 선로로 흐르는 고장전류를 차단하는 모듈러 멀티레벨 컨버터 시스템.
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