KR20170120687A

KR20170120687A - 전류 제한을 갖는 전압 소스 변환기

Info

Publication number: KR20170120687A
Application number: KR1020177027301A
Authority: KR
Inventors: 기욤 데프레빌; 스테판 브레하우트
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-10-31
Also published as: WO2016135247A3; US10763666B2; EP3062429A1; CN107567677A; US20180166877A1; WO2016135247A2

Abstract

전압 소스 변환기(30)는 2개의 단자(32, 34, 42) 사이로 연장하는 변환기 아암(38, 40)으로서, 각각의 단자(32, 34, 42)는 하나 또는 각각의 전기 네트워크(44, 46)에 접속 가능하고, 변환기 아암(52, 54)은 적어도 하나의 모듈을 포함하는 밸브(58)를 포함하고, 하나 또는 각각의 모듈은 전압 소스를 선택적으로 제공하도록 동작 가능한 것인, 변환기 아암(38, 40); 및 2개의 단자(32, 34, 42) 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 밸브(58)를 선택적으로 동작하고 이에 의해 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된 제어기(62)를 포함한다.

Description

전류 제한을 갖는 전압 소스 변환기

본 발명은 전압 소스 변환기(voltage source converter)에 관한 것이다.

송전 네트워크에서, 교류(alternating current: AC) 전력이 통상적으로 가공선(overhead line) 및/또는 해저 케이블(undersea cable)을 거쳐 송전을 위해 직류(direct current: DC) 전력으로 변환된다. 이 변환은 송전선 또는 케이블에 의해 부여되는 AC 용량성 부하 효과를 보상해야 할 필요성을 제거하고, 이에 의해 선 및/또는 케이블의 킬로미터당 비용을 감소시킨다. AC로부터 DC로의 변환은 따라서, 전력이 장거리에 걸쳐 송전될 필요가 있을 때 비용 효과적이게 된다.

AC 대 DC 전력의 변환은 또한 상이한 주파수에서 동작하는 AC 네트워크를 상호접속할 필요가 있는 송전 네트워크에서 이용된다. 임의의 이러한 송전 네트워크에서, 변환기는 요구된 변환을 실행하기 위해 AC와 DC 전력 사이의 각각의 인터페이스에서 요구된다.

본 발명의 양태에 따르면, 전압 소스 변환기로서,

2개의 단자 사이로 연장하는 변환기 아암으로서, 각각의 단자는 하나 또는 각각의 전기 네트워크에 접속 가능하고, 변환기 아암은 적어도 하나의 모듈을 포함하는 밸브를 포함하고, 하나 또는 각각의 모듈은 전압 소스를 선택적으로 제공하도록 동작 가능한 것인, 변환기 아암; 및

2개의 단자 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 변환기 아암 내에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 밸브를 동작하도록 프로그램된 제어기를 포함하는 전압 소스 변환기가 제공된다.

사용시에, 변환기 아암 내의 밸브의 포함은 전압 소스 변환 동작을 수행하기 위해 전압 소스 변환기의 제어를 가능하게 한다. 전압 소스 변환 동작 중에, 변환기 아암 내에서 흐르는 전류는 그 정상 동작 레벨 또는 범위를 넘어 증가할 수도 있어, 따라서 변환기 아암 내에 과전류를 생성한다. 변환기 아암 내에서 흐르는 전류의 증가는 예를 들어, 연계된 전기 네트워크 내의 고장 또는 장애의 결과로서, 또는 변환기 아암 내의 구성요소 파괴 또는 열화의 결과로서 발생할 수도 있다.

변환기 아암 내의 과전류의 가능성은 기대 수명을 감소시키고, 변환기 아암 구성요소(예를 들어, 스위칭 소자) 뿐만 아니라 변환기 아암에 접속된 다른 장비(예를 들어, 송전 케이블)의 파괴의 위험을 증가시킨다. 게다가, 변환기 아암 내의 과전류의 존재는 변환기 아암 구성요소의 온도를 증가시키고 이에 의해 이들의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명에 따른 전압 소스 변환기 내의 제어기의 포함은 변환기 아암 내에 흐르는 전류의 선택적 제한을 가능하게 하여 변환기 아암 내에 흐르는 전류가 고정 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한되는 것을 보장한다. 이는 변환기 아암 구성요소 및 변환기 아암에 접속된 다른 장비의 기대 수명 및 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라, 또한 이들의 성능에 악영향을 미칠 수 있는 변환기 아암 구성요소의 온도의 증가를 방지한다.

게다가, 밸브가 변환기 아암의 부분을 형성하기 때문에, 전류 제한기로서의 밸브의 사용은 변환기 아암 내에서 흐르는 전류를 제한하는 요구에 대한 고속 응답을 가능하게 한다.

더욱이, 본 발명에 따른 전압 소스 변환기 내의 제어기의 포함은 변환기 아암 내에서 흐르는 전류의 선택적 제한을 가능하게 하기 위한 개별 전류 제한 장비의 설치를 위한 요구를 제거하여, 따라서 전압 소스 변환기의 비용, 크기 및 중량의 최적화를 허용한다.

고정 또는 가변 전류 임계치가 전압 소스 변환 동작 전 또는 중에 규정되고, 계산되고, 시뮬레이팅되고, 추정되거나 또는 관찰에 기초할 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 제어기는 전류 임계치에 도달하거나 초과하는 선택된 전류에 응답하여 전류 제한기로서 각각의 밸브를 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 전류 임계치에 도달하거나 초과하는 선택된 전류의 이벤트에 응답하도록 제어기를 구성함으로써, 요구가 발생할 때 전류 제한기로서 밸브를 자동으로 동작하는 것이 가능해진다.

선택된 전류가 전류 임계치에 도달하거나 초과하였는지 여부를 결정하기 위해, 선택된 전류는 밸브, 변환기 아암, 전압 소스 변환기 또는 전압 소스 변환기에 접속된 다른 장비(예를 들어, 변압기)를 거쳐 직접 또는 간접 측정되고, 추정되거나, 관찰될 수도 있다.

전술된 바와 같이, 변환기 아암 내에서 흐르는 전류의 증가는 예를 들어, 연계된 전기 네트워크 내의 고장 또는 장애의 결과로서 발생할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서, 제어기는 전기 네트워크 내의 또는 전기 네트워크 중 어느 하나 또는 모두 내의 고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브를 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 이는 고장 또는 장애의 발생으로부터 발생하는 높은 고장 전류가 변환기 아암 내에 흐르는 것을 방지한다.

이 방식으로, 본 발명에 따른 전압 소스 변환기 내의 제어기의 포함은 고장 및 장애 순간 보상(ride through) 능력을 전압 소스 변환기에 제공한다. 이는 전압 소스 변환기가 특정 고장 및 장애 조건 하에서 고장 또는 장애 기간 전체에 걸쳐 전압 소스 변환 동작을 수행하게 하고, 다른 고장 및 장애 조건 하에서 정상 동작 상태로의 전압 소스 변환기의 고속 복구를 가능하게 한다.

고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브를 동작하는 능력은 전압 소스 변환기가 고장 또는 장애 중에 전압 소스 변환 동작을 계속 수행하는 것을 허용한다. 예를 들어, 제어기는 밸브가 전류 제한기로서 동작될 때 2개의 단자 사이에서 전력을 전달하기 위해 변환기 아암을 선택적으로 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 그렇지 않으면, 변환기 아암 내에 흐르는 전류를 제한하기 위해 고장 또는 장애 중에 변환기 아암을 차단할 필요가 있고, 따라서 전압 소스 변환기가 전압 소스 변환 동작을 수행하는 것을 방지하고 이에 의해 전압 소스 변환기의 작동에 의존하는 최종 사용자를 불편하게 한다.

고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브를 동작하는 능력은 또한 고장 또는 장애 중에 변환기 아암 내에서 흐르는 전류의 능동 제어를 위한 요구를 제거한다. 변환기 아암 내에서 흐르는 전류의 이러한 능동 제어는 실행이 어려울 수 있고, 복잡한 제어 알고리즘의 사용을 필요로 할 것이다.

더욱이, 고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브를 동작하는 능력은 전압 소스 변환 동작 중에 발생하는 고장 또는 장애의 가능성을 고려하기 위해 변환기 아암 구성요소의 기대 수명을 감소시켜야 할 필요성을 감소시킨다.

밸브는 전기 네트워크 내의 또는 전기 네트워크 중 어느 하나 또는 모두 내의 고장 또는 장애의 발생 이외의 다른 이벤트 중에, 또는 심지어 변환기 아암 내의 과전류의 가능성이 존재하지 않을 때에도 전류 제한기로서 동작될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

하나 또는 각각의 전기 네트워크는 AC 또는 DC 전기 네트워크일 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전압 소스 변환기는 AC-DC, DC-AC, AC-AC 또는 DC-DC 전압 소스 변환기일 수도 있다.

전압 소스 변환기의 토폴로지는 연계된 전력 용례의 요구에 따라 다양할 수도 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에서, 전압 소스 변환기는,

제1 전기 네트워크에 접속을 위한 제1 및 제2 단자; 및

제1 및 제2 단자 사이에서 연장하는 위상 림(limb)으로서, 위상 림은 제3 단자에 의해 분리되어 있는 제1 및 제2 위상 림부를 포함하고, 각각의 위상 림부는 제3 단자와 제1 및 제2 단자 중 각각의 하나 사이에서 연장하고, 제3 단자는 제2 전기 네트워크에 접속 가능하고, 제1 및 제2 위상 림부 중 어느 하나 또는 모두는 변환기 아암의 형태인 것인, 위상 림을 포함할 수도 있고,

제어기는 제3 단자 및 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 하나 또는 각각의 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 하나 또는 각각의 변환기 아암 내에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 하나 또는 각각의 밸브를 동작하도록 프로그램된다.

각각의 위상 림부의 구성은 전압 소스 변환 동작의 요구에 따라 다양할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 위상 림부는 적어도 하나의 스위칭 소자; 적어도 하나의 리액터(reactor); 전압 소스를 제공하도록 동작 가능한 적어도 하나의 모듈; 또는 이들의 조합 중 임의의 하나를 포함할 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 제어기는 제3 단자 및 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 하나 또는 각각의 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 위상 림 내에서 또는 내로 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 하나 또는 각각의 밸브를 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 이는 단지 변환기 아암 내에서 흐르는 전류만에 대조적으로 전체 위상 림 내로 흐르는 전류의 선택적 제한을 허용한다.

전압 소스 변환기는 복수의 위상 림을 포함할 수도 있다.

전압 소스 변환기가 복수의 위상 림을 포함하는 실시예에서, 제어기는 제3 단자 및 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 각각의 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 복수의 위상 림 사이에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브를 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 이는 단지 변환기 아암 또는 위상 림 내에서 흐르는 전류만에 대조적으로 복수의 위상 림 사이에 흐르는 전류(예를 들어, 복수의 위상 림을 통해 순환하는 전류)의 선택적 제한을 허용한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제어기는 하나 또는 각각의 밸브가 전류 제한기로서 동작될 때 제3 단자와 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 사이에서 전력을 전달하기 위해 각각의 위상 림부를 선택적으로 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 이와 같이, 전압 소스 변환기는 전류 제한기로서 하나 또는 각각의 밸브의 동작 중에도 전압 소스 변환 동작을 수행하는 것이 가능하다.

전압 소스 변환기가 복수의 위상 림을 포함하는 실시예에서, 각각의 위상 림의 제3 단자는 다상 AC 전기 네트워크의 각각의 위상에 접속 가능할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 제어기는 하나 또는 각각의 밸브를 전류 제한기로서 동작하기 위한 클램핑 전압 오더 신호를 발생하기 위해 적어도 하나의 전압 파라미터를 프로세싱하도록 프로그램될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 하나 또는 각각의 전압 파라미터는 제3 단자에서의 전압; 하나 또는 각각의 변환기 아암을 가로지르는 전압; 제2 전기 네트워크의 전압; 또는 제2 전기 네트워크의 전압과 하나 이상의 고조파 전압 성분의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수도 있다.

하나 또는 각각의 모듈은 적어도 하나의 스위칭 소자 및 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스를 포함할 수도 있고, 하나 또는 각각의 모듈 내의 하나 또는 각각의 스위칭 소자 및 하나 또는 각각의 에너지 저장 디바이스는 조합하여 전압 소스를 선택적으로 제공한다.

각각의 에너지 저장 디바이스는 에너지를 저장하거나 방출하는 것이 가능한 임의의 디바이스, 예를 들어 캐패시터 또는 배터리일 수도 있다.

하나 또는 각각의 모듈은, 0 또는 0이 아닌 전압을 제공할 수 있고 바람직하게는 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 단방향성 전압 소스일 수도 있는 데, 즉 하나 또는 각각의 모듈은 2-상한(quadrant) 단극형 모듈일 수도 있다. 예를 들어, 하나 또는 각각의 모듈은, 0 또는 양의 전압을 제공할 수 있고 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 2-상한 단극형 모듈을 형성하기 위해 하프 브리지 배열로 에너지 저장 디바이스와 병렬로 접속된 한 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수도 있다.

하나 또는 각각의 모듈은, 음의, 0 또는 양의 전압을 제공할 수 있고 바람직하게는 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 양방향성 전압 소스일 수도 있는 데, 즉 하나 또는 각각의 모듈은 4-상한 쌍극형 모듈일 수도 있다. 예를 들어, 하나 또는 각각의 모듈은, 음의, 0 또는 양의 전압을 제공할 수 있고 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 4-상한 쌍극형 모듈을 형성하기 위해 풀브리지 배열로 에너지 저장 디바이스와 병렬로 접속된 2개의 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수도 있다.

하나 또는 각각의 밸브는 2-상한 단극형 모듈과 4-상한 쌍극형 모듈의 조합을 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 하나 또는 각각의 밸브의 모듈형 배열은, 원하는 정격을 성취하기 위해 하나 또는 각각의 밸브 내의 모듈의 수를 증가시키거나 감소시키는 것이 간단하다는 것을 의미한다.

각각의 스위칭 소자는 예를 들어, 절연 게이트 쌍극 트랜지스터, 게이트 턴오프 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터, 주입 촉진형 게이트 트랜지스터 또는 통합 게이트 정류 사이리스터와 같은 자기 정류형 스위칭 소자일 수도 있다.

각각의 스위칭 소자는 예를 들어, 사이리스터 또는 다이오드와 같은 자연 정류형 스위칭 소자일 수도 있다.

위상 림부 중 어느 하나 또는 모두가 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 실시예에서, 제어기는, 사용된 스위칭 소자의 유형에 따라, 하나 또는 각각의 스위칭 소자에 턴온 또는 턴오프 제어 신호를 송신함으로써 또는 하나 또는 각각의 스위칭 소자의 스위칭을 선택적으로 야기하기 위해 제3 단자에서 전압 파형의 구성을 제어하도록 하나 또는 각각의 밸브를 동작함으로써, 대응 위상 림부의 하나 또는 각각의 스위칭 소자의 스위칭을 제어할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 전압 소스 변환기를 위한 용례는

· 백투백 변환기(back-to-back converters);

· 라인 대 라인 변환기(line-to-line converters);

· 육상 및 해상 풍력 발전소;

· 다중 단자 DC 전기 네트워크, 예를 들어 DC 전력망;

· 전기 분해;

· 가요성 AC 전송 시스템 디바이스;

· 필터링 장비;

· 태양열, 열차, 전차, 지하철 서브스테이션;

· 주파수 변환 서브스테이션(예를 들어, 50 Hz 내지 60 Hz 변환 서브스테이션);

· 예를 들어, 열차 도메인을 위한, 오토바이 및 트럭 도메인을 위한, 항구 도메인을 위한, 민간 및 군사 선박 도메인을 위한, 우주 및 항공기 도메인을 위한, 군사 도메인을 위한, 재생 에너지를 위한, 핵에너지를 위한, 화석 에너지를 위한 AC-DC, DC-AC, AC-AC, DC-DC 변환

을 포함한다.

본 발명의 특징을 설명하기 위한 용어 "제1" 및 "제2"의 사용은 단지 유사한 특징(예를 들어, 제1 및 제2 위상 림부) 사이를 구별하는 것을 돕도록 의도된 것이고, 다른 특징에 비한 하나의 특징의 상대적인 중요성을 지시하도록 의도된 것은 아니라는 것이 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 비한정적인 예를 경유하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전압 소스 변환기를 개략 형태로 도시하고 있고;
도 2는 4-상한 쌍극형 모듈의 구조를 개략 형태로 도시하고 있고;
도 3은 2-상한 쌍극형 모듈의 구조를 개략 형태로 도시하고 있고;
도 4는 AC 전기 네트워크 내의 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있고;
도 5는 DC 전기 네트워크의 각각의 극에서 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있고;
도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5의 고장의 발생 중에 각각 전류 제한기로서 도 1에 도시되어 있는 밸브의 동작을 개략 형태로 도시하고 있고;
도 8 및 도 9는 제어기의 제1 토폴로지를 조합하여 도시하고 있고;
도 10 및 도 11은 제어기의 제2 토폴로지를 조합하여 도시하고 있고;
도 12는 제어기의 제3 토폴로지를 도시하고 있고;
도 13은 제어기의 제4 토폴로지를 도시하고 있고;
도 14는 제어기의 제5 토폴로지를 도시하고 있고;
도 15 및 도 16은 제어기의 제6 토폴로지를 조합하여 도시하고 있고;
도 17 내지 도 20은 제어기의 제7 토폴로지를 조합하여 도시하고 있고;
도 21은 제어기의 제8 토폴로지를 도시하고 있고;
도 22 내지 도 27은 제어기의 제9 토폴로지를 조합하여 도시하고 있고;
도 28은 제어기의 제1 시뮬레이션 토폴로지를 개략 형태로 도시하고 있고;
도 29는 제어기의 제2 시뮬레이션 토폴로지를 개략 형태로 도시하고 있고;
도 30은 AC 전기 네트워크의 일 위상에서 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있고;
도 31은 AC 전기 네트워크의 일 위상에서 고장의 발생 중에 전류 제한기로서의 밸브의 동작을 개략 형태로 도시하고 있고;
도 32 내지 도 35는 도 28 및 도 29에 도시되어 있는 제1 및 제2 시뮬레이션 토폴로지에 기초하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전압 소스 변환기가 도 1에 도시되어 있다.

전압 소스 변환기(30)는 제1 및 제2 DC 단자(32, 34), 및 복수의 위상 림(36)을 포함한다. 간단화의 목적으로, 도 1은 단지 복수의 위상 림(36) 중 하나만을 도시하고 있지만, 다른 위상 림(36)은 도 1에 도시되어 있는 위상 림(36)에 구조가 동일하다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

각각의 위상 림(36)은 제1 및 제2 DC 단자(32, 34) 사이로 연장한다. 각각의 위상 림(36)은 제3 단자(42)에 의해 분리된 제1 및 제2 위상 림부(38, 40)를 포함한다. 도시되어 있는 실시예에서, 제1 위상 림부(38)는 제1 DC 단자(32)와 제3 단자(42) 사이로 연장하고, 제2 위상 림부(40)는 제2 DC 단자(34)와 제3 단자(42) 사이로 연장한다.

사용시에, 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)는 DC 전기 네트워크(44)의 양극 및 음극에 각각 접속되고, DC 전기 네트워크(44)의 양의 단자 및 음의 단자는 각각 V_{DC_top} 및 V_DC _{_bottom}의 전압을 갖고, 각각의 위상 림(36)의 제3 단자(42)는 도 1에 변압기 인덕턴스로서 표현되어 있는 변압기(48)를 거쳐 다상 AC 전기 네트워크(46)의 각각의 위상에 접속된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 전압 소스 변환기는 전압 소스 변환기가 접속되어 있는 AC 전기 네트워크의 위상의 수에 정합하기 위해 단일의 위상 림 또는 상이한 복수의 위상 림을 가질 수도 있다는 것이 고려된다. 제1 및 제2 위상 림부(38, 40)는 각각 제1 및 제2 변환기 아암(38, 40)의 형태이다. 각각의 변환기 아암(38, 40)은 밸브(58)를 포함한다. 각각의 밸브(58)는 복수의 직렬 접속된 모듈(60)을 포함한다. 각각의 모듈(60)은 2개의 쌍의 스위칭 소자 및 캐패시터의 형태의 에너지 저장 디바이스를 포함한다. 각각의 모듈(60)에서, 스위칭 소자의 쌍은, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 0, 음의 또는 양의 전압을 제공할 수 있고 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 4-상한 쌍극형 모듈(60)을 형성하기 위해 풀브리지 배열로 캐패시터와 병렬로 접속되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 모듈(60)은 0 또는 양의 전압을 제공할 수 있는 단방향성 전압 소스일 수도 있다는 것이 고려된다. 이러한 모듈(60)은 바람직하게는 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 데, 즉 각각의 모듈(60)은 2-상한 단극형 모듈(60)일 수도 있다. 예를 들어, 각각의 모듈(60)은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 0 또는 양의 전압을 제공할 수 있고 2개의 방향에서 전류를 전도할 수 있는 2-상한 단극형 모듈(60)을 형성하기 위해 하프 브리지 배열로 에너지 저장 디바이스와 병렬로 접속된 한 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 밸브는 2-상한 단극형 모듈 및 4-상한 쌍극형 모듈의 조합을 포함할 수도 있다는 것이 고려된다.

각각의 모듈(60)의 각각의 스위칭 소자는 역병렬 다이오드와 병렬로 접속되어 있는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT)의 형태의 반도체 디바이스에 의해 구성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 모듈(60)의 각각의 스위칭 소자는 게이트 턴오프 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터, 주입 촉진형 게이트 트랜지스터, 통합 게이트 정류 사이리스터 또는 임의의 다른 자기 정류형 반도체 디바이스와 같은 상이한 스위칭 디바이스일 수도 있다는 것이 고려된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 캐패시터는 에너지를 저장하고 방출하는 것이 가능한 다른 에너지 저장 디바이스, 예를 들어 배터리로 대체될 수도 있다는 것이 고려된다.

각각의 모듈(60)의 캐패시터는 스위칭 소자의 상태를 변경함으로써 대응 밸브(58)를 선택적으로 바이패스되거나 삽입된다. 이는 캐패시터를 통해 전류를 선택적으로 유도하거나 또는 전류가 캐패시터를 바이패스하게 하여, 각각의 모듈(60)이 0, 음의 또는 양의 전압을 제공하게 된다.

각각의 모듈(60)의 캐패시터는 각각의 모듈(60) 내의 스위칭 소자의 쌍이 모듈(60) 내에 단락 회로를 형성하도록 구성될 때 바이패스되어, 단락이 캐패시터를 바이패스한다. 이는 밸브(58) 내의 전류가 단락 회로를 통과하고 캐패시터를 바이패스하게 하고, 따라서 모듈(60)은 0 전압을 제공하는 데, 즉 모듈(60)은 바이패스된 모드로 구성된다.

각각의 모듈(60)의 캐패시터는 각각의 모듈(60) 내의 스위칭 소자의 쌍이 밸브(58) 내의 전류가 캐패시터 내외로 흐르게 할 때 밸브(58) 내에 삽입된다. 캐패시터는 이어서 0이 아닌 전압을 제공하기 위해 그 저장된 에너지를 충전하거나 방전하는 데, 즉 모듈(60)은 비-바이패스된 모드로 구성된다. 각각의 모듈(60)의 스위칭 소자의 풀브리지 배열은 스위칭 소자의 구성이 어느 한 방향에서 캐패시터 내외로 전류가 흐르게 하도록 허용하고, 따라서 각각의 모듈(60)은 비-바이패스된 모드에서 음의 또는 양의 전압을 제공하도록 구성될 수 있다.

이 방식으로, 각각의 모듈(60)은 전압 소스를 선택적으로 제공하도록 동작 가능하다.

그 자신의 전압을 각각 제공하는 다수의 모듈(60)의 캐패시터의 각각의 밸브(58) 내로의 삽입을 거쳐, 그 개별 모듈(60)의 각각으로부터 이용 가능한 전압보다 더 높은 결합 전압(combined voltage)을 각각의 밸브(58)를 가로질러 축적하는(build up) 것이 가능하다.

전압 소스 변환기(30)는 각각의 모듈(60) 내의 스위칭 소자의 스위칭의 제어를 통해 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된 제어기(62)를 더 포함한다. 더 구체적으로, 제어기(62)는 그를 가로질러 밸브 전압(V_valve _{_top}, V_valve _{_bottom})을 발생하기 위해 각각의 밸브(58)를 동작하기 위한 각각의 전압 오더 신호(V_be _{_top}, V_be _{_bottom})를 발생한다. 각각의 전압 오더 신호(V_be _{_top}, V_be _{_bottom})는 각각의 밸브 전압(V_valve _{_top}, V_{valve_bottom})의 이미지이고, DC 전압 성분 및 AC 전압 성분으로 이루어진다.

도 1의 전압 소스 변환기(30)의 동작이 도 4 내지 도 35를 참조하여 이하와 같이 설명된다.

본 명세서에 있어서, 전압 소스 변환기(30)의 동작은 주로 그 복수의 위상 림(36) 중 하나를 참조하여 설명된다. 전압 소스 변환기(30)의 복수의 위상 림(36) 중 하나의 설명된 동작은 각각의 다른 위상 림(36)의 동작에 필요한 변경을 가하여 적용된다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

전압 소스 변환 동작을 수행하기 위한 전압 소스 변환기(30)의 제어 중에, 제어기(62)는 전압 소스를 선택적으로 제공하고 이에 의해 각각의 밸브(58)의 밸브 전압(V_{valve_top}, V_valve _{_bottom})을 수정하기 위해 각각의 모듈(60)의 스위칭 소자의 스위칭을 제어한다. 이는 AC 및 DC 전기 네트워크(46, 44)의 상호접속을 허용하고 이에 의해 AC 및 DC 전기 네트워크(46, 44) 사이의 전력의 전달을 가능하게 하기 위해 제3 단자(42)에서 AC 전압의 구성에 대한 제어를 가능하게 한다.

본 명세서에 있어서, 각각의 밸브(58) 내의 모듈(60)의 캐패시터의 전압은 균형화되는 것으로 가정되고, 변환기 아암(38, 40)마다 무한개의 모듈(60)이 존재하고, 각각의 모듈(60) 내의 스위칭 소자의 스위칭 주파수는 제3 단자(42)에서 완벽한 정현파 AC 전압을 제공하도록 무한대인 것으로 가정된다. 이와 같이, 각각의 변환기 아암(38, 40)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 리액터와 직렬로 등가 전압 소스에 의해 표현될 수 있다.

각각의 위상 림(36)의 전기 특성은 이하의 식에 의해 제공된다:

여기서, i_{DC_top}은 제1 변환기 아암(38) 내에서 흐르는 전류이고;

i_{DC_bottom}은 제2 변환기 아암(40) 내에서 흐르는 전류이고;

i_{L_transf}는 변압기(48) 내에서 흐르는 전류이고;

i_{DC_Bus}는 제1 및 제2 DC 단자(32, 34) 내에서 흐르는 전류이고;

n_phase는 위상 림(36)의 수이고;

V_net은 AC 전기 네트워크(46)의 AC 전압이고;

M_{Transfo_Model}은 변압기(48)의 권선비이고;

V_transf는 변압기(48)를 가로지르는 AC 전압이고;

V_conv는 제3 단자(42)에서의 AC 전압이고[즉, 전압 소스 변환기(30)와 변압기(48) 사이의 전압];

L_transf는 변압기(48)의 인덕턴스이고;

R_{Limb_top}은 제1 변환기 아암(38)의 저항이고;

R_{Limb_bottom}은 제2 변환기 아암(40)의 저항이고;

L_Limb은 각각의 변환기 아암(38, 40)의 인덕턴스이고;

V_{DC_top}은 제1 DC 단자(32)에서의 DC 전압이고;

V_{DC_bottom}은 제2 DC 단자(34)에서의 DC 전압이다.

전압 소스 변환 동작 중에, 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류는 연계된 전기 네트워크(44, 46) 내의 고장 또는 장애의 결과로서 그 정상 동작 레벨 또는 범위를 넘어 증가할 수도 있고, 따라서 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 과전류를 야기한다.

도 4는 AC 전기 네트워크(46) 내의 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있다. 도 5는 DC 전기 네트워크(44)의 각각의 극에서 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있다. 고장은 DC 전기 네트워크(44)의 극 중 단지 하나에서만 발생할 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

각각의 변환기 아암(38, 40) 내의 과전류의 가능성은 기대 수명을 감소시키고, 변환기 아암 구성요소 뿐만 아니라 각각의 변환기 아암(38, 40)에 접속된 다른 장비(예를 들어, 송전 케이블)의 파괴의 위험을 증가시킨다. 게다가, 각각의 변환기 아암(38, 40) 내의 과전류의 존재는 변환기 아암 구성요소의 온도를 증가시키고 이에 의해 이들의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.

연계된 전기 네트워크(44, 46) 내의 고장 또는 장애의 발생 중에, 제어기(62)는 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 흐르는 선택된 전류, 위상 림(36) 내로 흐르는 선택된 전류 및/또는 복수의 위상 림(36) 중 2개 또는 3개 사이에서 순환하는 선택된 전류를 고정 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작한다. 더 구체적으로, 제어기(62)는 제3 단자(42)와 제1 및 제2 단자(32, 34)의 대응하는 것 중 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해, 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_{be_bottom_Clamp})의 AC 전압 성분을 클램핑함으로써, 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_{be_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생한다. 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_{be_bottom_Clamp})에 따라 각각의 밸브(58)를 동작하는 것은, AC 및 DC 전기 네트워크(46, 44) 각각 내의 고장의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브(58)의 동작을 개략적으로 도시하고 있는 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 밸브(58)가 선택된 전류를 제한하기 위해 등가의 전류 소스를 형성하게 한다.

각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})의 값은 전압 소스 변환 동작 전 또는 중에 규정되고, 계산되고, 시뮬레이팅되고, 추정되거나 또는 관찰에 기초할 수도 있는 고정 또는 가변 전류 임계치의 값에 의존한다.

제어기(62)는 전류 임계치에 도달하거나 초과하는 선택된 전류에 응답하여 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램될 수도 있다. 전류 임계치에 도달하거나 초과하는 선택된 전류의 이벤트에 응답하도록 제어기(62)를 구성함으로써, 요구가 발생할 때 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 자동으로 동작하는 것이 가능해진다. 선택된 전류가 전류 임계치에 도달하거나 초과하였는지 여부를 결정하기 위해, 선택된 전류는 각각의 밸브(58), 각각의 변환기 아암(38, 40), 전압 소스 변환기(30) 또는 전압 소스 변환기(30)에 접속된 다른 장비를 거쳐 직접 또는 간접 측정되고, 추정되거나, 관찰될 수도 있다.

전압 소스 변환기(30) 내의 제어기(62)의 포함은 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 흐르는 전류의 선택적 제한을 가능하게 하여 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 흐르는 전류가 고정 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한되는 것을 보장한다. 이는 고장 또는 장애의 발생으로부터 발생하는 높은 고장 전류가 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 흐르는 것을 방지한다. 이는 변환기 아암 구성요소 및 각각의 변환기 아암(38, 40)에 접속된 다른 장비의 기대 수명 및 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라, 또한 이들의 성능에 악영향을 미칠 수 있는 변환기 아암 구성요소의 온도의 증가를 방지한다.

게다가, 각각의 밸브(58)가 각각의 변환기 아암(38, 40)의 부분을 형성하기 때문에, 전류 제한기로서의 밸브(58)의 사용은 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류를 제한하는 요구에 대한 고속 응답을 가능하게 한다.

더욱이, 전압 소스 변환기(30) 내의 제어기(62)의 포함은 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류의 선택적 제한을 가능하게 하기 위한 개별 전류 제한 장비의 설치를 위한 요구를 제거하여, 따라서 전압 소스 변환기(30)의 비용, 크기 및 중량의 최적화를 허용한다.

이 방식으로, 전압 소스 변환기(30) 내의 제어기(62)의 포함은 고장 및 장애 순간 보상 능력을 전압 소스 변환기(30)에 제공한다. 이는 전압 소스 변환기(30)가 특정 고장 및 장애 조건[AC 전기 네트워크(46)의 1개의 위상에서의 고장 또는 2개의 위상에서의 고장과 같은] 하에서 고장 또는 장애 기간 전체에 걸쳐 전압 소스 변환 동작을 수행하게 하고, 다른 고장 및 장애 조건[AC 전기 네트워크(46)의 모든 3개의 위상에서의 고장과 같은] 하에서 정상 동작 상태로의 전압 소스 변환기(30)의 고속 복구를 가능하게 한다.

고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브(58)를 동작하는 능력은, 각각의 밸브(58)가 전류 제한기로서 동작될 때 제3 단자(42)와 제1 및 제2 단자(32, 34) 중 대응하는 것 사이에 전력을 전달하기 위해 변환기 아암(38, 40)을 동작하도록 제어기(62)가 프로그램되게 한다. 이와 같이, 고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브(58)를 동작하는 능력은 전압 소스 변환기(30)가 고장 또는 장애 중에 전압 소스 변환 동작을 계속 수행하는 것을 허용한다. 그렇지 않으면, 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에 흐르는 전류를 제한하기 위해 고장 또는 장애 중에 변환기 아암(38, 40)을 차단할 필요가 있고, 따라서 전압 소스 변환기(30)가 전압 소스 변환 동작을 수행하는 것을 방지하고 이에 의해 전압 소스 변환기(30)의 작동에 의존하는 최종 사용자를 불편하게 한다.

고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브(58)를 동작하는 능력은 또한 고장 또는 장애 중에 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류의 능동 제어를 위한 요구를 제거한다. 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류의 이러한 능동 제어는 실행이 어려울 수 있고, 복잡한 제어 알고리즘의 사용을 필요로 할 것이다.

더욱이, 고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 밸브(58)를 동작하는 능력은 전압 소스 변환 동작 중에 발생하는 고장 또는 장애의 가능성을 고려하기 위해 변환기 아암 구성요소의 기대 수명을 감소시켜야 할 필요성을 감소시킨다.

제어기(62)는 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하는 것을 가능하게 하기 위해 다양한 방식으로 프로그램될 수도 있는 데, 그 예가 이하와 같이 설명되어 있다.

이하의 예의 각각에서, 적용 가능하면, 각각의 이득값(KP, KC)은 임의의 고정값 또는 임의의 동적값일 수 있다. 예를 들어, 동적값은 측정된 전류와 전류 수요 사이의 에러의 함수일 수도 있고, 그리고/또는 실시간의 L_Limb의 함수, 및/또는 AC 전기 네트워크(46)의 주파수의 함수일 수 있다. 예를 들어, KP = KC = 2·π·f·L_Limb이고, 여기서 f는 AC 전기 네트워크(46)의 기본 주파수이다.

예 1

도 8은 이하의 식에 따라 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압의 값(V_{AC_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제1 토폴로지를 도시하고 있다.

여기서 R_{Limb_top} 및 R_{Limb_bottom}은 0인 것으로 고려되고;

I_LMax는 변압기(48) 내에서 흐르는 전류에 대한 전류 임계치이고;

V_AC _{_Clamp}는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압의 값이다.

이 방식으로, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생한다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 제3 단자(42)에서 AC 전압을 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_{be_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 위상 림(36) 내로 흐르는 선택된 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})의 발생 중에 AC 전기 네트워크(46)의 AC 전압(V_net)을 프로세싱하는 대신에, 제어기는 대신에 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 AC 전기 네트워크(46)의 AC 전압(V_net)과 하나 이상의 고조파 전압 성분의 조합을 프로세싱할 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

예 2

도 10 및 도 11은 이하의 식에 따라 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제2 토폴로지를 조합하여 도시하고 있다.

재차, R_{Limb_top} 및 R_{Limb_bottom}은 0인 것으로 고려된다.

도 10의 제2 토폴로지는, 제어기(62)가 AC 전기 네트워크(46)의 AC 전압(V_net) 대신에, 제3 단자(42)에서 AC 전압(V_conv)을 프로세싱함으로써 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 점에서, 도 8의 제1 토폴로지와는 상이하다.

도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 제3 단자(42)에서 전압을 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 위상 림(36) 내로 흐르는 선택된 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 3

도 12는 이하의 식에 따라 위상 림(36) 내로 흐르는 전류를 전류 임계치 이하로 제한하도록 요구되는 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 클램핑 전압의 값(V_DC _{_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제3 토폴로지를 도시하고 있다.

여기서, I_LMax는 변압기(48) 내에서 흐르는 전류에 대한 전류 임계치이다.

이 방식으로, 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 클램핑 전압값(V_{DC_Clamp})을 발생한다. 제어기(62)는 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 DC 전압을 클램핑 전압값(V_{DC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_{be_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 위상 림(36) 내로 흐르는 선택된 전류를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 4

도 13은 이하의 식에 따라 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp}, V_DC _{_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제4 토폴로지를 도시하고 있다.

제어기(62)의 제4 토폴로지는 도 9에 도시되어 있는 제어기(62)의 제1 토폴로지와 도 12에 도시되어 있는 제어기(62)의 제3 토폴로지의 조합이다.

이 방식으로, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 AC 및 DC 클램핑 전압(V_AC _{_Clamp}, V_DC _{_Clamp})을 발생한다. 제어기(62)는 제3 단자(42)에서의 AC 전압을 AC 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 그리고 제3 단자(42)에서의 DC 전압을 DC 클램핑 전압값(V_{DC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 5

도 14는 이하의 식에 따라 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp}, V_DC _{_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제5 토폴로지를 도시하고 있다.

도 14의 제5 토폴로지는, 제어기(62)의 제5 토폴로지가 도 11에 도시되어 있는 제어기(62)의 제2 토폴로지와 도 2에 도시되어 있는 제어기(62)의 제3 토폴로지의 조합인 점에서, 도 13의 제4 토폴로지와는 상이하다. 따라서, 제어기(62)는 AC 전기 네트워크(46)의 AC 전압(V_net) 대신에, 제3 단자(42)에서 AC 전압(V_conv)을 프로세싱함으로써 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp}, V_{DC_Clamp})을 발생하도록 프로그램된다.

이 방식으로, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 AC 및 DC 클램핑 전압(V_AC _{_Clamp}, V_DC _{_Clamp})을 발생한다. 제어기(62)는 제3 단자(42)에서의 AC 전압을 AC 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 그리고 제3 단자(42)에서의 DC 전압을 DC 클램핑 전압값(V_{DC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf) 및 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류를 각각의 전류 임계치(I_LMax, 2*I_{DC_Max}/n_phase) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 6

도 15 및 도 16은 이하의 식에 따라 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 각각의 전류(i_{DC_top}, i_{DC_bottom})를 전류 임계치(I_{MAX_} _IGBT) 이하로 제한하도록 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제6 토폴로지를 조합하여 도시하고 있다.

이 방식으로, 도 15 및 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 각각의 전류(i_{DC_top}, i_{DC_bottom})를 전류 임계치(I_{MAX_IGBT}) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생한다. 제어기(62)는 제3 단자(42)에서의 AC 전압을 AC 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 각각의 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 각각의 전류(i_{DC_top}, i_{DC_bottom})를 전류 임계치(I_{MAX_} _IGBT) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 7

도 17 내지 도 20은 이하의 식에 따라 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 각각의 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp_} _phaseA, V_AC _{_Clamp_} _phaseB, V_AC _{_Clamp_} _phaseC)을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제7 토폴로지를 조합하여 도시하고 있다.

여기서, V_AC _{_Clamp_} _phaseA _{_up} 및 V_AC _{_Clamp_} _phaseA _{_down}은 위상 림(36) 중 제1 위상 림과 관련하여 제3 단자(42)에서 AC 클램핑 전압(V_{AC_Clamp_phaseA})을 함께 규정하고;

V_AC _{_Clamp_} _phaseB _{_up} 및 V_AC _{_Clamp_} _phaseB _{_down}은 위상 림(36) 중 제2 위상 림과 관련하여 제3 단자(42)에서 AC 클램핑 전압(V_{AC_Clamp_phaseB})을 함께 규정하고;

V_AC _{_Clamp_} _phaseC _{_up} 및 V_AC _{_Clamp_} _phaseC _{_down}은 위상 림(36) 중 제3 위상 림과 관련하여 제3 단자(42)에서 AC 클램핑 전압(V_{AC_Clamp_phaseC})을 함께 규정하고;

V_AC _{_} _int _{_} _phaseA, V_AC _{_} _int _{_} _phaseB 및 V_AC _{_} _int _{_} _phaseC는 각각의 위상 림(36) 내에서 순환하는 교류이다.

이 방식으로, 도 17 내지 도 20에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 각각의 제3 단자(42)에서 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생한다. 도 18 내지 도 20에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 각각의 제3 단자(42)에서의 AC 전압을 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})에서 클램핑하도록 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_be _{_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 선택된 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

예 8

도 21은 이하의 식에 따라 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 각각의 클램핑 전압의 값(V_AC _{_Clamp_} _phaseA, V_{DC_Clamp_phaseA})을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제8 토폴로지를 조합하여 도시하고 있다.

예 9

도 22 내지 도 27은 이하의 식에 따라 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 각각의 클램핑 전압의 값을 발생하도록 프로그램되는 제어기(62)의 제9 토폴로지를 조합하여 도시하고 있다.

이 방식으로, 도 22 내지 도 27에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(62)는 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 전압값을 발생한다. 제어기(62)는 제3 단자(42)에서 AC 전압을 각각의 클램핑 전압값에서 클램핑하도록 위상 림(36) 내에서 각각의 밸브(58)를 동작하기 위해 각각의 클램핑 전압 오더 신호(V_be _{_top_Clamp}, V_{be_bottom_Clamp})를 발생하도록 프로그램된다. 이 방식으로, 제어기는 복수의 위상 림(36) 사이에서 순환하는 선택된 전류를 전류 임계치(Delta_I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 밸브(58)를 동작하도록 프로그램된다.

시뮬레이션 결과

도 28은 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에, 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 클램핑 오더값(V_{AC_Clamp})의 발생을 시뮬레이팅하는 데 사용된 제어기(62)의 제1 시뮬레이션 토폴로지를 개략 형태로 도시하고 있다. 제어기(62)의 제1 시뮬레이션 토폴로지는 도 10에 도시되어 있는 제어기(62)의 제2 토폴로지에 기초한다. 제1 시뮬레이션 토폴로지에서, 제어기(62)는 제3 단자(42)에서 AC 전압(V_conv)을 프로세싱함으로써 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생하도록 프로그램된다.

도 29는 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에, 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하도록 요구되는 제3 단자(42)에서의 그리고 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 클램핑 오더값(V_{AC_Clamp}, V_{DC_Clamp})의 발생을 시뮬레이팅하는 데 사용된 제어기(62)의 제2 시뮬레이션 토폴로지를 개략 형태로 도시하고 있다. 제어기(62)의 제2 시뮬레이션 토폴로지는 도 14에 도시되어 있는 제어기(62)의 제5 토폴로지에 기초한다. 제2 시뮬레이션 토폴로지에서, 제어기(62)는 제3 단자(42)에서 AC 전압(V_conv)을 프로세싱함으로써 클램핑 전압값(V_{AC_Clamp})을 발생하도록 프로그램된다.

도 30은 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생을 개략 형태로 도시하고 있다. 도 31은 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에, 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 대응 밸브(58)의 동작을 개략 형태로 도시하고 있다.

시뮬레이션에서, 제1 및 제2 DC 단자(32, 34) 내에서 흐르는 전류(I_{DC_Max})는 고장 중에 공칭값으로 유지된다.

도 32 내지 도 35는 전류 제한기로서 대응 밸브(58)의 동작이 있는 그리고 동작이 없는 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에 전압 소스 변환기(30)의 위상 림(36) 내에서 흐르는 전류의 거동을 비교하고 있다.

도 32 내지 도 35에서의 시뮬레이션 결과는 HVDC 점대점 구성으로 적용될 때 도 1의 전압 소스 변환기(30)의 시뮬레이션에 기초한다. 시뮬레이션에서, AC 및 DC 전기 네트워크(44, 46) 사이의 전력 흐름은 720 MW이고, DC 단자(32, 34)를 가로지르는 DC 전압(V_DC)은 600 kV이고, DC 전기 네트워크(44) 내에서 흐르는 전류(I_{DC_Bus})는 1200 A이다. 고장은 접지로의 단상 고장의 형태이고, 1초 동안 AC 전기 네트워크(24)에 인가된다.

도 32는 밸브(58)가 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 동작될 때, 전압 소스 변환기(30)의 DC 전력, 제3 단자(42) 내로 흐르는 전류(I_LA _{_} _transf), 및 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 전압의 시뮬레이션을 도시하고 있다.

도 33은 밸브(58)가 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 동작되지 않을 때, 전압 소스 변환기(30)의 DC 전력, 제3 단자(42) 내로 흐르는 전류(I_LA _{_} _transf), 및 제1 및 제2 DC 단자(32, 34)를 가로지르는 전압의 시뮬레이션을 도시하고 있다.

도 34는 밸브(58)가 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 동작될 때, 제1 및 제2 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류의 시뮬레이션을 도시하고 있다.

도 35는 밸브(58)가 AC 전기 네트워크(46)의 일 위상에서 고장의 발생 중에 위상 림(36) 내로 흐르는 전류(i_{L_} _transf)를 전류 임계치(I_LMax) 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 동작되지 않을 때, 제1 및 제2 변환기 아암(38, 40) 내에서 흐르는 전류의 시뮬레이션을 도시하고 있다.

DC 전기 네트워크(44) 내에서 흐르는 전류(I_{DC_Bus}), DC 단자(32, 34)를 가로지르는 DC 전압(V_DC) 및 DC 전기 네트워크(44) 내의 DC 전력 흐름은 대응 밸브(58)가 전류 제한기로서 동작될 때 안정하고 제어 하에서 유지된다는 것을 도 32로부터 알 수 있다. 제1 변환기 아암 내의 전류(I_{DC_top})는 임의의 상당한 피크 전류 없이, 고장 전, 중 및 후에 제어 하에서 유지된다는 것을 도 35로부터 또한 알 수 있다.

한편, DC 전기 네트워크(44) 내에서 흐르는 전류(I_{DC_Bus}), DC 단자(32, 34)를 가로지르는 DC 전압(V_DC) 및 DC 전기 네트워크(44) 내의 DC 전력 흐름은 대응 밸브(58)가 전류 제한기로서 동작되지 않을 때 불안정하고 비교적 비제어된다는 것을 도 33으로부터 알 수 있다. 게다가, DC 전기 네트워크(44) 내의 DC 전력 흐름은 0 시퀀스 발진을 포함한다. 제1 변환기 아암 내의 전류(I_{DC_top})는 변환기 아암을 손상시킬 수 있는 임의의 상당한 피크 전류를 갖고, 고장 전, 중 및 후에 불안정하고 비교적 비제어된다는 것을 도 35로부터 또한 알 수 있다.

도시되어 있는 실시예에서 전압 소스 변환기(30)의 토폴로지는 단지 본 발명의 동작을 예시하는 것을 돕기 위해 선택된 것이고, 전압 소스 변환기(30)는 상이한 토폴로지를 갖는 다른 전압 소스 변환기에 의해 대체될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 제어기(62)의 토폴로지는 전술된 바와 같이, 단지 본 발명의 동작을 예시하는 것을 돕기 위해 선택된 것이고, 제어기(62)는 상이한 토폴로지를 갖는 다른 제어기에 의해 대체될 수도 있다는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다.

30: 전압 소스 변환기 32: 제1 DC 단자
34: 제2 DC 단자 36: 위상 림
38: 제1 위상 림부 40: 제2 위상 림부
42: 제3 단자 44: DC 전기 네트워크
46: 다상 AC 전기 네트워크 48: 변압기
58: 밸브 60: 모듈

Claims

전압 소스(voltage source) 변환기로서,
2개의 단자 사이로 연장하는 변환기 아암으로서, 각각의 상기 단자는 하나 또는 각각의 전기 네트워크에 접속 가능하고, 상기 변환기 아암은 적어도 하나의 모듈을 포함하는 밸브를 포함하고, 하나 또는 각각의 상기 모듈은 전압 소스를 선택적으로 제공하도록 동작 가능한 것인, 변환기 아암; 및
상기 2개의 단자 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 상기 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 상기 변환기 아암 내에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 상기 밸브를 동작하도록 프로그램된 제어기를 포함하는 전압 소스 변환기.
제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 임계치에 도달하거나 초과하는 선택된 전류에 응답하여 전류 제한기로서 상기 밸브를 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전기 네트워크 내의 또는 상기 전기 네트워크 중 어느 하나 또는 모두 내의 고장 또는 장애의 발생 중에 전류 제한기로서 상기 밸브를 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 밸브가 전류 제한기로서 동작될 때 상기 2개의 단자 사이에서 전력을 전달하기 위해 상기 변환기 아암을 선택적으로 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 또는 각각의 상기 전기 네트워크는 AC 또는 DC 전기 네트워크인 것인 전압 소스 변환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 전기 네트워크에 접속하기 위한 제1 및 제2 단자; 및
상기 제1 및 제2 단자 사이에서 연장하는 위상 림(phase limb)
을 포함하고,
상기 위상 림은 제3 단자에 의해 분리되어 있는 제1 및 제2 위상 림부를 포함하고, 각각의 상기 위상 림부는 상기 제3 단자와 상기 제1 및 제2 단자 중 각각의 하나 사이에서 연장하고, 상기 제3 단자는 제2 전기 네트워크에 접속 가능하고, 상기 제1 및 제2 위상 림부 중 어느 하나 또는 모두는 변환기 아암의 형태이며,
상기 제어기는 상기 제3 단자 및 상기 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 하나 또는 각각의 상기 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 하나 또는 각각의 상기 변환기 아암 내에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 하나 또는 각각의 상기 밸브를 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제6항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제3 단자 및 상기 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 하나 또는 각각의 상기 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 상기 위상 림 내에서 또는 상기 위상 림 내로 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 하나 또는 각각의 상기 밸브를 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제6항 또는 제7항에 있어서, 복수의 위상 림을 포함하고, 상기 제어기는 상기 제3 단자 및 상기 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 중 어느 하나 또는 모두에서 전압을 클램핑하기 위해 각각의 상기 밸브를 선택적으로 동작하고 이에 의해 상기 복수의 위상 림 사이에서 흐르는 선택된 전류를 고정된 또는 가변 전류 임계치 이하로 제한하기 위한 전류 제한기로서 각각의 상기 밸브를 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 하나 또는 각각의 상기 밸브가 전류 제한기로서 동작될 때 상기 제3 단자와 상기 제1 및 제2 단자 중 대응하는 것 사이에서 전력을 전달하기 위해 각각의 위상 림부를 선택적으로 동작하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 위상 림을 포함하고, 각각의 위상 림의 제3 단자는 다상 AC 전기 네트워크의 각각의 위상에 접속 가능한 것인 전압 소스 변환기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 하나 또는 각각의 상기 밸브를 전류 제한기로서 동작하기 위한 하나 또는 각각의 클램핑 전압 오더(order) 신호를 발생하기 위해 적어도 하나의 전압 파라미터를 프로세싱하도록 프로그램되는 것인 전압 소스 변환기.
제11항에 있어서, 하나 또는 각각의 상기 전압 파라미터는 상기 제3 단자에서의 전압; 하나 또는 각각의 상기 변환기 아암을 가로지르는 전압; 상기 제2 전기 네트워크의 전압; 또는 상기 제2 전기 네트워크의 전압과 하나 이상의 고조파 전압 성분의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것인 전압 소스 변환기.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 또는 각각의 상기 모듈은 적어도 하나의 스위칭 소자 및 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스를 포함하고, 하나 또는 각각의 상기 모듈 내의 하나 또는 각각의 상기 스위칭 소자 및 하나 또는 각각의 상기 에너지 저장 디바이스는 조합하여 전압 소스를 선택적으로 제공하는 것인 전압 소스 변환기.