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KR101379250B1 - 직류링크 충전 시스템 - Google Patents

직류링크 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

직류링크 충전 시스템이 개시된다. 직류링크 충전 시스템은, 상기 커패시터의 충전을 위해 상기 발전기측 컨버터에 교류 전압을 공급하는 초기충전 유니트; 및 상기 초기충전 유니트와 CAN 통신 방식에 따른 네트워크를 구성하고, 미리 지정된 전압까지 상기 커패시터가 충전되도록 하기 위해 상기 초기충전 유니트를 제어하는 컨버터 제어 유니트를 포함한다.

Description

직류링크 충전 시스템{DC link charging system}
본 발명은 직류링크 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전 시스템 등에서는 교류, 직류와 같은 전압 특성 변환을 위해 컨버터 시스템이 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 백투백 고전압 대용량 컨버터 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에 예시된 컨버터 구조는 수 MW 이상의 고전압 대용량 컨버터 시스템에 관한 것으로, 발전기 또는 전동기로부터 회생된 에너지를 계통(Grid)에 보내기 위해 백투백(Back to Back) 형태로 구성되어 있다.
도시된 구성에서, 충전이 안된 커패시터(110)가 바로 계통과 연결되면 계통측 컨버터(120)의 다이오드를 통해 단락 상태와 같은 전류가 흘러 계통측 컨버터(120)가 파괴될 수 있다. 이는 완전 방전 상태의 커패시터는 단락과 같은 효과를 내기 때문이다.
따라서, 우선 직류링크(VDC)단을 일정 전압까지 충전한 후에 메인 차단기(130)를 연결함으로써 계통측 컨버터(120)의 파괴를 방지하는 방법이 주로 사용된다. 일반적으로 고전압 대용량 컨버터 시스템에서 직류링크(VDC)단의 커패시터(110)는 매우 큰 값으로 설계되며, 이때 직류링크단의 커패시터(110) 충전을 위해 도 1에 도시된 바와 같은 초기충전 유니트(Precharging unit)(140)가 이용된다.
초기충전 유니트(140)의 동작을 간단히 설명보면, 우선 보조 변압기(150)를 통하여 440V의 전압을 입력받아 AC-AC 컨버터(142)를 이용하여 낮은 전압부터 서서히 높은 전압으로 가변하여 발전기측 컨버터(125)로 교류 전압을 공급하며, 초기충전 제어부(Precharging controller)(144)는 직류링크단의 커패시터(110)가 지정된 전압까지 충전되도록 제어한다. 예를 들어, 도 1에 예시된 3.3kV 컨버터 시스템에서의 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)가 계통에 연결하기 이전의 직류링크단 커패시터(110)의 충전 전압은 약 4.66kVDC정도일 수 있다.
초기충전 유니트(140)가 직류링크단의 커패시터(110)에 대한 충전 처리를 수행하도록 하기 위해, 컨버터 제어 유니트(180)는 아날로그 신호를 이용하여 제어 지령값을 초기충전 유니트(140)의 초기충전 제어부(144)로 전송하고, 초기충전 제어부(144)로부터 상태 정보(예를 들어 운전중, 정지, 폴트(fault) 등 중 하나 이상인 동작 상태 정보)를 릴레이 컨택(relay contact) 방식으로 수신한다.
그러나, 고전압 대용량 컨버터 시스템은 일반적으로 그 사이즈가 매우 크기 때문에 컨버터 제어 유니트(180)와 초기충전 제어부(144) 간의 거리가 약 5m 이상으로 매우 길게 되고, 따라서 장거리 전송시 노이즈에 취약한 아날로그 신호를 이용하는 경우 신호 송수신 과정에서 노이즈(noise)에 따른 오동작 가능성이 존재하는 문제점이 있다.
본 발명은 직류 링크단의 커패시터 충전을 위해 고전압 스위칭 환경 등과 같은 열악한 상황에서도 초기충전 유니트 및 컨버터 제어 유니트간의 안정적인 신호 송수신이 가능한 직류링크 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전기측 컨버터 및 계통측 컨버터에 각각 병렬 연결된 직류 링크단의 커패시터를 충전하기 위한 직류링크 충전 시스템에 있어서, 상기 커패시터의 충전을 위해 상기 발전기측 컨버터에 교류 전압을 공급하는 초기충전 유니트; 및 상기 초기충전 유니트와 CAN(Controlled Area Network) 통신 방식에 따른 네트워크를 구성하고, 미리 지정된 전압까지 상기 커패시터가 충전되도록 하기 위해 상기 초기충전 유니트를 제어하는 컨버터 제어 유니트를 포함하는 직류링크 충전 시스템이 제공된다.
상기 초기충전 유니트와 상기 컨버터 제어 유니트는 광 케이블(Fiber Optic Cable)을 이용하여 상호 연결될 수 있다.
상기 초기충전 유니트는, 계통으로부터 공급되는 교류 전압을 위상각 제어하여 가변하는 교류 전압으로 변환하는 AC-AC 컨버터; 상기 AC-AC 컨버터에 의해 위상각 제어된 교류 전압을 소정의 전압으로 승압하여 상기 발전기측 컨버터로 공급하는 변압기; 및 계통으로부터 공급되는 교류 전압을 위상각 제어하여 출력하도록 상기 AC-AC 컨버터를 제어하는 초기충전 제어부를 포함할 수 있다.
상기 초기충전 유니트는, 상기 변압기로부터 출력되는 교류 전압을 상기 발전기측 컨버터로 공급하기 위한 공급 라인을 단속하는 마그네틱 컨택트를 더 포함하되, 상기 컨버터 제어 유니트로부터 상기 커패시터의 충전 전압이 미리 지정된 전압이 도달하였음을 나타내는 신호가 수신되면 상기 초기충전 제어부는 상기 공급 라인의 차단을 위해 상기 마그네틱 컨택트를 조작할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 직류 링크단의 커패시터 충전을 위해 고전압 스위칭 환경 등과 같은 열악한 상황에서도 초기충전 유니트와의 안정적인 신호 송수신이 가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 백투백 고전압 대용량 컨버터 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 고전압 대용량 컨버터 시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기충전 유니트를 이용한 직류링크 충전 전압 제어 블록도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 고전압 대용량 컨버터 시스템을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기충전 유니트를 이용한 직류링크 충전 전압 제어 블록도이다.
도 2를 참조하면, 컨버터 제어 유니트(180)는 주제어부(main controller)(210), 신호 전달부(CAN Extension Fiber Obtic Board)(220), 신호 입출력부(I/O Board)(230), PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성부(PWM Board)(240)를 포함할 수 있다.
컨버터 제어 유니트(180)와 초기충전 제어부(144)는 고전압 스위칭 환경 등과 같은 열악한 상황에서도 안정적으로 신호를 송수신하기 위해 CAN(Controller Area Network) 통신 방식으로 상호 연결된다. 또한 컨버터 제어 유니트(180)와 초기충전 제어부(144) 및 컨버터 제어 유니트(180)와 각 컨버터(120, 125)는 노이즈에 의한 오동작 방지를 위해 광 케이블(Fiber Optic Cable)을 이용하여 상호 연결된다.
컨버터 제어 유니트(180)와 초기충전 제어부(144)는 CAN 드라이버를 이용하여 CAN 통신 방식의 네트워크로 구성될 수 있다. 그러나 고전압 대용량 스위칭 환경에서는 전기적 배선을 하는 경우 신호선에 노이즈가 많이 유입되어 데이터 오류가 빈번하게 발생될 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 광 케이블을 이용하여 CAN 통신 방식의 네트워크를 구성하는 방안을 제시한다. 광 신호를 이용한 CAN 통신 방식의 네트워크를 구성하기 위해서는 우선 CAN 드라이버를 이용하여 네트워크를 구성한 후, 전송할 신호를 TTL 신호로 변환하여 광 드라이버를 통해 전송하는 방식이 이용된다.
컨버터 제어 유니트(180)의 주제어부(210)는 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)의 전압 및 전류 정보를 읽어 계통(Grid) 및 발전기의 정상적인 동작 여부를 인식하고, 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)의 동작 제어와 메인 차단기(130) 및 보조 차단기(132)의 온오프 제어 등을 수행한다.
신호 전달부(220)는 전송할 신호를 TTL 신호로 변환하여 광 케이블(Fiber Optic Cable)을 이용하여 초기충전 제어부(144)로 전송한다. 또한 신호 전달부(220)는 광 케이블을 이용하여 초기충전 제어부(144)로부터 상태 정보(예를 들어 운전중, 정지, 폴트(fault) 등 중 하나 이상인 동작 상태 정보)를 수신할 수 있다.
신호 입출력부(230)는 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)의 동작 제어를 위해 필요한 정보를 디지털 입력 및 출력하는 기능을 수행한다. 신호 입출력부(230)에서 디지털 입력 및 출력하는 신호는 종래기술에 따른 컨버터 시스템의 신호 입출력부(I/O Board, 도 1 참조)와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
PWM 신호 생성부(240)는 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)의 동작 제어를 위한 제어 신호(예를 들어, 게이트 온/오프 신호 등)를 PWM 신호로 변환하여 출력한다.
도 4에는 컨버터 제어 유니트(180)가 초기충전 유니트(140)를 이용하여 직류링크단의 커패시터 충전을 위한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 컨버터 제어 유니트(180)는 PI 제어기를 이용하여 직류링크 전압 기준값(VDC_Ref)과 직류링크 전압 측정값(VDC)의 오차가 0(zero)이 되도록 초기충전 유니트(140), 계통측 컨버터(120) 및/또는 발전기측 컨버터(125)를 제어하는 과정을 수행한다. 이때, 각 과정에서의 제어 결과값인 도통각 정보는 CAN 통신 방식 및 광 케이블을 이용하여 초기충전 유니트(140)의 초기충전 제어부(144)로 전달된다.
초기충전 제어부(144)는 수신된 도통각 정보를 이용하여, 고정된 크기의 교류 전압을 위상각 제어하여 가변하는 교류 전압으로 변환하는 전력 변환 장치인 AC-AC 컨버터(142)를 구동한다.
즉, 초기충전 제어부(144)는 AC-AC 컨버터(142)를 구동하기 위해 우선 계통 전압을 측정하여 위상각 정보를 연산하고, 연산된 위상각 정보와 초기충전 유니트(140)로부터 제공받은 도통각 정보를 AC-AC 컨버터(142)로 제공하여 AC-AC 컨버터(142)에 포함된 사이리스터(thyristor)가 점호되도록 한다.
초기충전 제어부(144)는 계통 전압을 측정하기 위해 변압기(146)의 1차측 전압을 소정의 전압으로 감압하는 PT(Potential Transformer)를 이용할 수 있다. PT를 이용하여 측정된 신호와 기준전위는 비교기를 이용하여 제로 크로싱(zero crossing)되며, 비교기 출력은 계통 전압의 180도 위상과 동기되어 위상각 제어시 이용될 수 있다.
AC-AC 컨버터(142)에 의해 크기 가변된 교류 전압은 변압기(146)에 의해 승압된 후 발전기측 컨버터(125)로 제공되어 직류링크단의 커패시터(110)를 충전하게 된다.
컨버터 제어 유니트(180)는 직류링크단의 커패시터(110)의 충전 전압을 측정하여 직류링크 전압 기준값(VDC_Ref)만큼 충전이 완료되면, 컨버터 제어 유니트(180)는 충전이 완료되었음에 해당하는 신호를 초기충전 제어부(144)로 전송하여 마그네틱 컨택트(148)를 끊도록 한다. 또한, 컨버터 제어 유니트(180)의 주제어부(210)는 메인 차단기(130)를 연결하여 계통측 컨버터(120) 및 발전기측 컨버터(125)가 운전되도록 한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 컨버터 제어 유니트(180)는 초기충전 유니트(140)와 CAN 통신 기반의 네트워크로 구성되고 상호간에 광 케이블을 이용하여 신호를 송수신하는 특징을 가진다. 이를 통해, 종래기술에 따른 고전압 대용량 컨버터 시스템에서의 이용되는 노이즈에 취약한 아날로그 신호 전송 방식을 노이즈 환경에서도 안정적인 신호 송수신이 가능한 시스템으로 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
120 : 계통측 컨버터 125 : 발전기측 컨버터
140 : 초기충전 유니트 142 : AC-AC 컨버터
144 : 초기충전 제어부 146 : 변압기
148 : 마그네틱 콘택트 180 : 컨버터 제어 유니트
210 : 주제어부 220 : 신호 전달부
230 : 신호 입출력부 240 : 신호 생성부

Claims (4)

  1. 발전기측 컨버터 및 계통측 컨버터에 각각 병렬 연결된 직류 링크단의 커패시터를 충전하기 위한 직류링크 충전 시스템에 있어서,
    상기 커패시터의 충전을 위해 상기 발전기측 컨버터에 교류 전압을 공급하는 초기충전 유니트; 및
    상기 초기충전 유니트와 CAN(Controlled Area Network) 통신 방식에 따른 네트워크를 구성하고, 미리 지정된 전압까지 상기 커패시터가 충전되도록 하기 위해 상기 초기충전 유니트를 제어하는 컨버터 제어 유니트를 포함하되,
    상기 초기충전 유니트는,
    계통으로부터 공급되는 교류 전압을 위상각 제어하여 가변하는 교류 전압으로 변환하는 AC-AC 컨버터;
    상기 AC-AC 컨버터에 의해 위상각 제어된 교류 전압을 소정의 전압으로 승압하여 상기 발전기측 컨버터로 공급하는 변압기; 및
    계통으로부터 공급되는 교류 전압을 위상각 제어하여 출력하도록 상기 AC-AC 컨버터를 제어하는 초기충전 제어부를 포함하는, 직류링크 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기충전 유니트와 상기 컨버터 제어 유니트는 광 케이블(Fiber Optic Cable)을 이용하여 상호 연결되는 직류링크 충전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초기충전 유니트는,
    상기 변압기로부터 출력되는 교류 전압을 상기 발전기측 컨버터로 공급하기 위한 공급 라인을 단속하는 마그네틱 컨택트를 더 포함하되,
    상기 컨버터 제어 유니트로부터 상기 커패시터의 충전 전압이 미리 지정된 전압이 도달하였음을 나타내는 신호가 수신되면 상기 초기충전 제어부는 상기 공급 라인의 차단을 위해 상기 마그네틱 컨택트를 조작하는 직류링크 충전 시스템.
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