KR20120031069A

KR20120031069A - 스타 포인트 리액터를 갖는, 전기적 파라미터를 변환하기 위한 디바이스

Info

Publication number: KR20120031069A
Application number: KR1020127001234A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 아룸슈아트; 마이크 도마슈크; 볼케르 후센네터; 토마스 웨스터웰러
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: KR101386805B1; CN102474101A; EP2454794A2; RU2534027C2; BR112012001065B8; WO2011006796A3; RU2012105533A; CN102474101B; US20120120691A1; DE102009034354A1; US8994232B2; BR112012001065A2; BR112012001065B1; WO2011006796A2; EP2454794B1

Abstract

본 발명은, 전력 송신 및 분배 분야에서 전기적 파라미터를 변환하기 위한 장치(1)에 관한 것으로, 교류 전류 연결부(4)와 DC 전압 연결부(5, 6) 사이에 연장되는 전력 반도체 밸브들(3)을 포함하며, 각각의 전력 반도체 밸브(3)는 쌍극 서브모듈들(8)의 직렬 회로를 포함하며, 쌍극 서브모듈들 각각은 에너지 저장소, 및 에너지 저장소에 병렬로 배열된 전력 반도체 회로를 포함하는 교류 전류 그리드(11)와 DC 회로(7) 사이에 연결될 수 있는 인버터(2), 및 교류 전류 그리드(11)에 연결하기 위해 교류 전류 연결부(4)에 연결된 그리드 연결 유닛(9)를 포함하는데, 이로 인해 접지 퍼텐셜에 대한 DC 전압 회로의 전압의 간단하고, 효과적이고, 저렴한 대칭화가 발생되며, 그리드 연결 유닛(9)과 인버터(2) 사이에 퍼텐셜 포인트(13)를 갖고 연결되는 스타 포인트 리액터(14)가 제시되는데, 이는 접지된 스타 포인트(16)에 연결된 스로틀 코일들(15)을 포함하고, 여기서 스로틀 코일들(15)은 상기 코일들이 교류 전류 그리드(11)의 기본 주파수의 교류 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 하이 임피던스를 가지며, DC 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 로우 임피던스를 갖는 전류 경로를 구현하도록 구현된다.

Description

스타 포인트 리액터를 갖는, 전기적 파라미터를 변환하기 위한 디바이스{DEVICE FOR INVERTING AN ELECTRIC PARAMETER, HAVING A STAR POINT REACTOR}

본 발명은 컨버터를 사용하여 전기 에너지 송신 및 분배 분야에서 전기적 변수를 변환하기 위한 장치에 관한 것이며, 컨버터는 AC 전압 시스템과 DC 전압 회로 사이에서 스위칭될 수 있고, AC 전압 연결부와 DC 전압 연결부 사이에서 연장되는 전력 반도체 밸브들을 가지며, 각각의 전력 반도체 밸브는 쌍극 서브모듈들을 포함하는 직렬 회로를 포함하며, 쌍극 서브모듈들 각각은 에너지 저장소 및 전력 반도체 회로, 및 AC 전압 시스템으로의 연결을 위한 시스템 연결 유닛을 가지며, 상기 시스템 연결 유닛은 AC 전압 연결부에 연결된다.

전기적 변수를 변환하기 위한 장치들이, 예컨대 고전압 직류 송신 시스템의 일부분으로서 알려져 있다. 고전압 직류 송신 시스템(HVDC 시스템)은 일반적으로, DC 전압 중간 회로를 통해 서로 연결되며, 각각의 경우에 AC 전압측에서 하나의 AC 전압 시스템에 연결되는 두 개의 컨버터들을 갖는다. 고전압 직류 송신 시스템의 도움으로, 하나의 AC 전압 시스템으로부터 다른 AC 전압 시스템으로 전력을 송신하는 것이 가능하다. 특히, 장거리에 걸친 전력 송신은 AC 전압을 사용한 송신에 비해 송신 동안 더 낮은 손실이 발생하므로, 고전압 직류 송신을 사용할 때 유리하다.

종래 기술로부터 HVDC 송신에 대한 상이한 컨버터 토폴로지들이 알려져 있다. 본 기술분야의 당업자들에 의해 2-포인트 컨버터로 명명되는 2-스테이지 컨버터들은, 그들의 출력부에서 단지 두 개의 상이한 전압 레벨들만을 생성한다. 2-포인트 컨버터의 컨버터 밸브는, 서로 직렬로 배열된 다수의 전력 반도체 스위치들을 갖는다. 직렬 연결된 전력 반도체들 모두는, 예를 들어, 전력 반도체를 통한 전류 흐름이 중단되는 중단 위치로부터 전력 반도체를 통한 전류 흐름이 가능한 도통 위치로 동시에 스위칭되어야 한다. 자가 정류(self-commutated) 및 전압 인가(voltage impressing) 컨버터들은 "전압 소스 컨버터들(VSCs)"로 또한 명명된다. 세 개의 전압 스테이지들을 갖는 컨버터는 3-포인트 컨버터로 명명된다.

2-포인트 및 3-포인트 컨버터 외에, 종래 기술은 본 기술분야의 당업자들에 의해 "멀티레벨 전압 소스 컨버터(VSCs)"로 또한 명명되는, 소위 멀티 스테이지 컨버터를 또한 개시하였다. 멀티레벨 VSC들은 일반적으로 쌍극 서브모듈들로 구성되는 전력 반도체 밸브들을 갖는데, 쌍극 서브모듈들 각각은 예컨대 커패시터와 같은 에너지 저장소, 및 전력 반도체 회로를 갖고, 이것의 도움으로 커패시터에 걸친 전압 강하 또는 각각의 서브모듈의 출력 단자들에서 0의 전압을 생성하는 것이 가능하다. 서브모듈들을 포함하는 직렬 회로 때문에, 각각의 전력 반도체 밸브의 출력부에서의 전압이 단계식으로 변경될 수 있으며, 이러한 스테이지들의 레벨은 각각의 커패시터에 걸친 전압 강하에 의해 결정된다. 2-포인트 또는 3-포인트 컨버터들의 경우에 제공되는 DC 전압 회로의 중앙 커패시터는, 멀티레벨 VSC들의 경우 전력 반도체 밸브들의 개별적인 서브모듈들에 걸쳐 분배된다.

멀티레벨 컨버터들은, 컨버터의 전력 반도체 밸브들이 연결되는 DC 전압 중간 회로의 극들이 접지 퍼텐셜에 대해 상이한 크기를 갖는 전압을 가질 수 있다는 단점을 갖는다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 접지 퍼텐셜에 대한 DC 전압 회로의 전압의 간단하고, 효과적이며, 저렴한 밸런싱을 성취하기 위해 사용될 수 있는, 최초 언급된 종류의 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명은, 시스템 연결 유닛과 컨버터 사이의 퍼텐셜 포인트에 연결되며, 접지된 스타 포인트를 형성하기 위해 상호연결된 인덕터 코일들을 갖는 스타 포인트 리액터에 의해 이 목적을 달성하는데, 인덕터 코일들은 AC 전압 시스템의 기본 주파수를 갖는 교류 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 하이 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내고, 직류 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 로우 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내는 방식으로 구성된다.

본 발명에 따라, 컨버터측 퍼텐셜 커플링이 스타 포인트 리액터에 의해 실현된다. 스타 포인트 리액터는 스타 포인트를 형성하기 위해 상호연결되고, 스타 포인트로부터 이격되어 마주보는 면에서 각각의 컨버터의 AC 전압 연결부에 DC 연결되는 인덕터 코일들을 갖는다. 바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 장치가 시스템 연결 유닛의 도움으로 AC 전압 시스템에 연결되면, 스타 포인트 리액터는 AC 전압 시스템과 병렬로 배열된다. 스타 포인트 리액터의 인덕터 코일들은, 일반적으로 50 또는 60 Hz인 교류 전류의 기본 성분에 대해 하이 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내는 방식으로 구성되며, 이로 인해 교류 전류는 접지된 스타 포인트를 통해 흘러 나갈 수 없다. 그러나, 절연체 표면들 상의 기생 누설 전류의 크기 정도를 갖는 직류 전류의 전류 흐름은 가능하다. 편의상, 스타 포인트 리액터는, 실외에 설치되는 경우, 전력 반도체 밸브들이 배열되는 밸브 홀(valve hall)에 인접하여 위치한다. 그러므로, 이 스타 포인트 리액터의 도움으로, 플로팅 퍼텐셜을 갖는 멀티레벨 컨버터들의 DC 전압 중간 회로를 밸런싱하는 것이 가능하다. 바꾸어 말하면, DC 전압 중간 회로의 극들은 접지 퍼텐셜과 비교하여 대략 같은 값의 전압을 갖는다.

편의상, 스타 포인트 리액터의 스타 포인트는 비반응성 저항기를 통해 접지 퍼텐셜에 연결된다. 비반응성 저항기의 도움으로, DC 전압 중간 회로의 도전체-접지 간 커패시턴스와 스타 포인트 리액터의 인덕턴스 사이에서 공진(resonance) 또는 진동(oscillation)이 예방될 수 있다. 그러므로, 이러한 방식으로 감쇄(attenuation)가 제공된다.

편의상, 각각의 인덕터 코일은 자화 가능한 심(magnetizable core)를 갖는다. 자화 가능한 심은, 예컨대 철심 등일 수 있다. 이에 관련한 적절한 개발에 따라, 심은 에어 갭의 범위를 정한다. 에어 갭은, 예컨대 최대 100 mA의 직류 전류를 전도하는 경우의 심의 이른 포화(premature saturation)를 방지하는 목적을 수행한다.

편의상, 각각의 서브모듈은 네 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들을 갖는 풀 브리지(full-bridge) 회로를 갖는데, 네 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들은 에너지 저장소에 걸리는 에너지 저장소 전압 강하, 0의 전압, 또는 역 에너지 저장소 전압이 서브모듈의 출력 단자들에서 생성될 수 있는 방식으로 에너지 저장소와 상호연결된다. 그러한 풀 브리지 회로들은 본 기술분야의 당업자에게 가장 잘 잘려져 있으며, 그 결과로서 그들의 정확한 동작 모드 및 회로에 대한 추가적인 세부 사항들이 본원에 제공될 필요가 없다. 풀 브리지 회로는 H 브리지 회로로 또한 명명된다. 프리휠링 다이오드가 각각의 연결 해제 가능한 전력 반도체와 반대로 병렬 연결된다.

이로부터 벗어나서, 각각의 서브모듈은, 에너지 저장소에 걸리는 에너지 저장소 전압 강하 또는 0의 전압이 서브모듈의 출력 단자들에서 생성될 수 있는 방식으로 에너지 저장소와 상호연결되는 두 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들을 갖는 하프 브리지 회로를 갖는다. 그러한 토폴로지 및 서브모듈들을 갖는 컨버터들은 소위 "마르콰르츠 컨버터(Marquardt converter)"로 또한 명명된다. 풀 브리지 회로와 반대로, 하프 브리지 회로에서는 출력 단자들에서 역 에너지 저장소 전압이 생성되는 것이 불가능하다. 그러한 이유로, 하프 브리지 회로의 경우, 컨버터에 대한 비용 집약적인 전력 반도체들의 수가 반으로 감소된다. 이 경우에 또한, 프리휠링 다이오드가 IGBT 또는 GTO와 같은 각각의 구동 가능하고 연결 해제 가능한 전력 반도체와 반대로 병렬 연결된다.

유리하게는, 시스템 연결 유닛은 변압기이다. 변압기는 각각의 요구 사항들에 따라 배선 연결된다. 변압기의 1차 권선(winding)은, 예컨대 스위치 기어 어셈블리를 통해 AC 전압 시스템에 연결된다. 변압기의 2차 권선은 컨버터의 AC 전압 연결부 및 스타 포인트 리액터에 DC 연결된다. 시스템 연결 유닛으로부터 컨버터의 AC 전압 연결부까지 연장되는 각각의 위상에 대해 인덕터 코일이 제공된다. 그러므로, 본 발명의 문맥에 있어서, 인덕터 코일들의 수는 연결 가능한 AC 전압 시스템의 위상들의 수에 대응한다.

추가적인 변형에서, 시스템 연결 유닛은 AC 전압 시스템과 직렬로 연결될 수 있는 인덕턴스를 포함한다. 이러한 개발에 따라, AC 전압 시스템으로부터 컨버터의 AC 전압 연결부까지의 전류 경로는 직렬로 연결된 인덕턴스를 통과한다. 시스템 연결 유닛은 또한, 인덕턴스와 직렬로 연결된 커패시터를 가질 수 있다. 더욱이, 시스템 연결 유닛이 변압기와 직렬 연결된 인덕턴스 및 직렬 연결된 커패시터를 모두 갖는 것이 가능하다. 인덕턴스는 원칙적으로 임의의 원하는 유도성 성분이다. 편의상, 인덕턴스는 코일, 인덕터, 권선 등이다.

편의상, 스타 포인트 리액터의 인덕터 코일들은 절연체들 위에 배치된다. 특히, 인덕터 코일들을 갖는 스타 포인트 리액터는 실외에 설치되는 것이 편리하다.

유리하게는, 컨버터는 접지되지 않은 컨버터 스타 포인트를 가지며, 인덕터 코일들은 컨버터 스타 포인트에 배열된다.

본 발명의 추가적인 편리한 구성들 및 이점들은, 도면을 참조하는 예시적인 실시예들에 관한 아래의 설명의 주제이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 스타 포인트 리액터의 예시적인 실시예를 도시한다.

도 1은, 각각이 AC 전압 연결부(4)와 DC 전압 연결부(5 또는 6) 사이에서 연장되는 6개의 전력 반도체 밸브들(3)을 갖는 컨버터(2)를 갖는 본 발명에 따른 장치(1)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 경우, 각각의 전력 반도체 밸브(3)와 각각의 AC 전압 연결부(4) 사이에 코일 형태의 인덕턴스(18)가 제공되며, 상기 인덕턴스는 특히, 상이한 전력 반도체 밸브들(3) 사이를 흐를 수 있는 순환하는 전류의 조절을 용이하게 한다. 각각의 DC 전압 연결부(5)는, 도 1에 단지 부분적으로만 도시된 DC 전압 중간 회로(7)의 포지티브 단자에 연결된다. DC 전압 연결부들(6)은 DC 전압 중간 회로(7)의 네거티브 단자(-)에 연결된다. 각각의 전력 반도체 밸브(3)는, 각각 커패시터(도면에 도시되지 않음), 및 두 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들, IGBT들을 포함하는 전력 반도체 회로를 갖는 쌍극 서브모듈들(8)을 포함하며, 각각의 경우 하나의 프리휠링 다이오드가 반대로 병렬로 연결되는 직렬 회로를 포함한다. 서브모듈들(8)은 쌍극이므로 두 개의 출력 단자들을 갖는다. 커패시터에 걸리는 커패시터 전압 강하 또는 0의 전압이 각각의 서브모듈의 출력 단자들에서 생성될 수 있도록 전력 반도체들 및 커패시터를 위한 회로가 선택된다. 그러므로, 서브모듈들(8)의 편리한 구동에 의해, 전력 반도체 밸브들(3)에 걸리는 전압 강하를 단계적인 방식으로 조정하는 것이 가능하다. 고전압 직류 송신 분야의 응용들에서, 서브모듈들의 수는 20개 내지 수백개이다.

추가적으로, 장치(1)는 시스템 연결 유닛으로서 변압기(9)를 가지며, 변압기(9)는 AC 전압 시스템(11)에 연결되는 1차 권선(10), 및 컨버터(1)의 AC 전압 연결부(4)에 DC 연결되는 2차 권선(12)을 포함한다. AC 전압 시스템(11)은 3상 구성을 갖는다. 이는, AC 전압 연결부(4)의 수, 및 2차 권선(12)의 AC 전압 연결부(4)로의 DC 연결에 대한 도전체 부분(13)에 대응하여 적용된다. 도전체 부분(13)은 시스템 연결 유닛(9)과 컨버터(2)의 AC 전압 연결부(4) 사이의 퍼텐셜 포인트로도 명명될 수 있다.

포지티브 DC 전압과 네거티브 DC 전압의 균형을 맞추기 위해, 즉, 바꾸어 말하면, 접지 퍼텐셜에 대해 DC 전압 중간 회로(7)의 단자들의 균형을 맞추기 위해, 스타 포인트 리액터(14)가 제공된다. 스타 포인트 리액터(14)는 스타 포인트(16)를 형성하기 위해 상호연결된 세 개의 인덕터 코일들(15)을 갖는다. 스타 포인트(16)는 비반응성 저항기(17)를 통해 접지 퍼텐셜에 연결된다. 각각의 인덕터 코일(15)은 스타 포인트(16)로부터 이격되어 마주보는 측면에서 도전체 부분(13)의 위상에 연결되며, 따라서 컨버터(2)의 AC 전압 연결부(4)에 DC 연결된다.

인덕터 코일들(15)은, 선택된 예시적인 실시예에서 50 Hz인, AC 전압 시스템(11)의 AC 전압의 기본 주파수에 대해 하이 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내도록 구성된다. 그 외에, 각각의 인덕터 코일(15)은 철심을 갖는다. 철심의 이른 포화를 막기 위해, 인덕터 코일들(15)의 각각의 철심 내에 에어 갭이 제공된다. 스타 포인트 리액터는, 방전 전압 변압기의 2차 권선들이 생략된, 종래 시장에 있는 방전 변압기로서 구축된다. 스타 포인트 리액터의 인덕터 코일들(15)은 적당한 절연체들, 예컨대 39 kV에 대해 설계된 절연체들 위에 설치된다. 그러므로, 스타 포인트 리액터(14)의 도움으로 AC 전압측의 컨버터(2)의 퍼텐셜 커플링이 가능하며, 그 결과로 DC 전압 중간 회로의 단자들의 균형이 맞추어진다. 제1 시험들은, AC 전압의 기본인 제3 고조파에 의한 스타 포인트 리액터의 극심한 여기(excitation)에도 불구하고, 시스템은 안정된 상태로 유지된다는 것을 나타내었다. 순환하는 전류들은 대부분 방지된다. 더욱이, DC 전압측의 퍼텐셜 커플링과 반대로, 현저하게 감소된 에너지 손실이 발생한다. 설계 측면에서 유도성 변압기와 유사한 스타 포인트 리액터는, 시장에서 표준 제품으로서 입수 가능하며, 그 결과 본 발명에 따른 장치는 저렴하다.

Claims

에너지 송신 및 분배 분야에서 전기적 변수를 변환하기 위한 장치(1)로서,
AC 전압 시스템(11)과 DC 전압 회로(7) 사이에서 스위칭될 수 있으며, AC 전압 연결부(4)와 DC 전압 연결부(5, 6) 사이에서 연장되는 전력 반도체 밸브들(3)을 갖는 컨버터(2) - 각각의 전력 반도체 밸브(3)는 각각이 에너지 저장소 및 전력 반도체 회로를 포함하는 쌍극 서브모듈들(8)을 포함하는 직렬 회로를 포함함 -; 및
상기 AC 전압 시스템(11)에 연결하기 위한 시스템 연결 유닛(9) - 상기 시스템 연결 유닛은 상기 AC 전압 연결부(4)에 연결됨 -
을 포함하며,
상기 시스템 연결 유닛(9)과 상기 컨버터(2) 사이의 퍼텐셜 포인트(13)에 연결되며, 접지된 스타 포인트(16)를 형성하기 위해 상호연결되는 인덕터 코일들(15) - 상기 인덕터 코일들(15)은, AC 전압 시스템(11)의 기본 주파수를 갖는 교류 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 하이 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내며, 직류 전류에 대한 접지 퍼텐셜에 대해 로우 임피던스를 갖는 전류 경로를 나타내는 방식으로 구성됨 - 을 갖는 스타 포인트 리액터(14)를 특징으로 하는 장치(1).
제1항에 있어서,
각각의 인덕터 코일(15)은, 그 측면이 상기 스타 포인트(16)로부터 떨어진 채로, 상기 컨버터(2)의 연관된 AC 전압 연결부(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스타 포인트 리액터(14)의 스타 포인트(16)는 비반응성 저항기(17)를 통해 상기 접지 퍼텐셜에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 인덕터 코일(15)은 자화 가능한 심(core)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제4항에 있어서,
상기 심은 에어 갭의 범위를 정하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 서브모듈(8)은, 상기 에너지 저장소에 걸리는 에너지 저장소 전압 강하, 0의 전압, 또는 역 에너지 저장소 전압이 상기 서브모듈의 출력 단자들에서 생성될 수 있는 방식으로 상기 에너지 저장소와 상호연결된 네 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들을 갖는 풀 브리지 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 서브모듈은, 상기 에너지 저장소에 걸리는 에너지 저장소 전압 강하 또는 0의 전압이 상기 서브모듈의 출력 단자들에서 생성될 수 있는 방식으로 상기 에너지 저장소와 상호연결된 두 개의 연결 해제 가능한 전력 반도체들을 갖는 하프 브리지 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템 연결 유닛은 변압기(9)인 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템 연결 유닛은, 상기 AC 전압 시스템(11)과 직렬로 연결될 수 있는 인덕턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스타 포인트 리액터(14)의 인덕터 코일들(15)은 절연체들 위에 맞추어지는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨버터(2)는 접지되지 않은 컨버터 스타 포인트를 가지며, 상기 인덕터 코일들(15)은 상기 컨버터 스타 포인트에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치(1).