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KR101943885B1 - Ｍｍｃ 컨버터 및 그의 서브모듈 - Google Patents

Ｍｍｃ 컨버터 및 그의 서브모듈 Download PDF

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KR101943885B1
KR101943885B1 KR1020170069210A KR20170069210A KR101943885B1 KR 101943885 B1 KR101943885 B1 KR 101943885B1 KR 1020170069210 A KR1020170069210 A KR 1020170069210A KR 20170069210 A KR20170069210 A KR 20170069210A KR 101943885 B1 KR101943885 B1 KR 101943885B1
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power semiconductor
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정홍주
오성민
유현호
이주연
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효성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 고전압 직류송전(HVDC)시스템에 연계되는 MMC 컨버터 및 그를 구성하는 서브모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 서브모듈은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.

Description

ＭＭＣ 컨버터 및 그의 서브모듈{MMC converter and submodule thereof}
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter:MMC)에 관한 것으로서, 특히 고전압 직류송전(HVDC) 시스템에 연계되는 MMC 컨버터 및 그를 구성하는 서브모듈에 관한 것이다.
고전압 직류 송전(High Voltage Direct Current: HVDC) 시스템은 발전소에서 생산된 교류전력을 직류전력으로 변환시켜 송전하고 수전단에서는 교류전력으로 재변환하여 부하에 공급하도록 한다. 이러한 HVDC 시스템은 전압 승압을 통하여 효율적이고 경제적인 전력전송이 가능하고 이종 계통의 연계, 장거리 고효율 송전 등의 장점을 갖는다.
이러한 HVDC 시스템에는 MMC 컨버터가 연계될 수 있다. 종래의 MMC 컨버터는 도 1과 같이 1개 이상의 상모듈(1)로 구성되고, 이러한 상모듈(1) 각각은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈(2)로 포함하여 구성된다.
종래의 서브모듈(2)은 도 2a와 같이 2개의 서로 직렬연결된 전력용 반도체 스위치(21)와 이에 병렬연결된 커패시터(22)로 구성된 하프 브릿지(half-bridge) 회로 또는 도 2b와 같이 2개의 서로 직렬연결된 전력용 반도체 스위치(21)의 쌍과 이들 쌍에 병렬연결된 커패시터(22)로 구성된 풀 브릿지(full-bridge) 회로로 구성된다. 이들 각각의 서브모듈(2)에 2개의 단자(X1,X2)가 형성되어 두 단자(X1,X2)를 통해 상단과 하단의 서브모듈이 서로 직렬연결되도록 한다.
각각의 상모듈(1)에는 AC 계통과 연결하기 위한 각각의 단자(L1,L2,L3)가 연결되며, 이러한 각 단자(L1,L2,L3)를 기준으로 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)으로 구분된다. 상위 컨버터 암(1a)의 최하단 서브모듈의 제2단자(X2)와 하위 컨버터 암(1b)의 최상단 서브모듈의 제1단자(X1)는 AC 계통의 단자(L1,L2,L3) 중 어느 하나와 연결된다. AC 계통은 예컨대 3상 교류 전력 시스템이 될 수 있다.
이러한 종래의 MMC 컨버터에서는 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)을 구성하는 서브모듈(2)에 서브모듈(2)의 리던던시(redundancy) 운영을 위해 서브모듈(2)과 동일한 형태를 갖는 적어도 하나 이상의 예비 서브모듈(3)을 구비하게 된다. 예비 서브모듈(3)은 동작 중인 복수의 서브모듈(2) 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입하기 위한 것으로서 고장이 발생한 서브모듈 대신에 투입되어 동작된다.
그런데 종래기술의 예비 서브모듈(3)은 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)에 공통으로 적용될 수 없으므로 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)마다 각각 별도의 예비 서브모듈(3)을 구비해야 하는 번거로움이 있고 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2012-0113145호 한국공개특허 제10-2016-0080016호
이에 본 발명은 MMC 컨버터에서 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 서브모듈을 포함하는 MMC 컨버터 및 그 서브모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치; 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터; 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자; 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자; 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치; 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터; 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자; 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자; 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예비 서브모듈은, MMC 컨버터를 구성하는 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 예비 서브모듈에 있어서, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치; 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터; 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자; 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자; 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하고, 상기 예비 서브모듈은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암 사이에 연결되며 상기 상위 컨버터 암 또는 하위 컨버터 암을 구성하는 복수의 서브모듈 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입되어 동작한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 예비 서브모듈은, MMC 컨버터를 구성하는 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 예비 서브모듈에 있어서, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치; 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터; 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자; 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자; 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하고, 상기 예비 서브모듈은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암 사이에 연결되며 상기 상위 컨버터 암 또는 하위 컨버터 암을 구성하는 복수의 서브모듈 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입되어 동작한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MMC 컨버터는, 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 및 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈에 직렬연결되고 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암을 포함하고, 상기 서브모듈 각각은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터는, 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 및 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈에 직렬연결되고 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암을 포함하고, 상기 서브모듈 각각은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터는, 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암; 및 상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 직렬연결되며 상기 상위 및 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 하나 이상의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 예비 서브모듈 각각은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터는, 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암; 및 상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 직렬연결되며 상기 상위 및 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 하나 이상의 예비 서브모듈을 포함하고, 상기 예비 서브모듈 각각은, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함한다.
본 발명에 따르면 MMC 컨버터에서 상위 및 하위 컨버터 암에 예비 서브모듈을 최소 2개 적용하던 것을 서브모듈 1개로 상위 및 하위 컨버터 암에 공통으로 적용할 수 있어 회로의 구조를 단순화시키고 비용을 절감할 수 있으며, MMC 컨버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 MMC 컨버터의 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 MMC 컨버터에 적용되는 서브모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 서브모듈의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 서브모듈의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 회로도이다.
도 6은 도 3의 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 일례에 대한 동작도이다.
도 7은 도 4의 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 일례에 대한 동작도이다.
도 8는 도 3의 서브모듈의 스위칭동작에 따른 전류 흐름도이다.
도 9는 도 4의 서브모듈의 스위칭동작에 따른 전류 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 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 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 서브모듈의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 서브모듈(100)은 제1 전력용 반도체 스위치(110), 제2 전력용 반도체 스위치(120), 제3 전력용 반도체 스위치(130) 및 커패시터(140)를 포함하여 구성된다.
제1 전력용 반도체 스위치(110)는 제1 반도체스위치(111) 및 이러한 제1 반도체스위치(111)에 역병렬로 연결된 제1 다이오드(112)를 포함하고, 제2 전력용 반도체 스위치(120)는 제2 반도체스위치(121) 및 이러한 제2 반도체스위치(121)에 역병렬로 연결된 제2 다이오드(122)를 포함한다. 이때, 이들 제1 전력용 반도체 스위치(110)와 제2 전력용 반도체 스위치(120)는 서로 동일한 방향으로 직렬연결된다.
커패시터(140)는 상기와 같이 서로 직렬연결된 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치(110,120) 전체에 병렬연결된다.
이러한 서브모듈(100)에는 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치(110,120) 사이의 제1 노드(N1)에 제1 단자(X1)가 연결되고 제2 전력용 반도체 스위치(120)와 커패시터(150) 사이의 제2 노드(N2)에 제2 단자(X2)가 연결된다. 제2 노드(N2)에는 제3 전력용 반도체 스위치(130)의 일단이 연결되고 타단에는 AC 계통의 입출력 단자와 연결되는 제3 단자(X3)가 연결된다. 즉, 제3 단자(X3)는 AC 계통과 연결되는 단자로서 제3 전력용 반도체 스위치(130)는 제3 단자(X3)를 통해 AC 계통과 연결되는 것이다. 이러한 제1 내지 제3 노드(N1~N3)는 해당 구성요소들 사이의 연결선에 각각의 단자를 연결하기 위한 분기선이 연결되는 지점이다.
제3 전력용 반도체 스위치(130)는 제3 반도체스위치(131) 및 이러한 제3 반도체스위치(131)에 역병렬로 연결된 제3 다이오드(132)를 포함한다. 이때, 제3 전력용 반도체 스위치(130)의 제3 다이오드(132)의 음극은 제2 노드(N2)와 연결되고 양극은 제3 단자(X3)와 연결된다.
여기서, 서브모듈(100)은 MMC 컨버터에서 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)을 구성하는 복수의 서브모듈로도 사용할 수 있지만, 이들 서브모듈에 고장발생 시 투입되는 예비(redundant) 서브모듈로도 사용할 수 있다. 예비 서브모듈로 사용되는 경우에는 MMC 컨버터에서 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11b) 사이에 연결되며 상위 컨버터 암(11a) 또는 하위 컨버터 암(11b)을 구성하는 복수의 서브모듈(12a,12b) 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입됨으로써 MMC 컨버터에서 서브모듈로서 동작되도록 한다.
제1 단자(X1)와 제2 단자(X2)는 정상적인 다른 서브모듈의 단자와 연결되며, 제3 단자(X3)는 AC 계통의 단자와 연결된다. 서브모듈(100)이 예비 서브모듈로 적용된 경우에는 상위 컨버터 암(11a) 또는 하위 컨버터 암(11b) 중 어느 한 컨버터 암의 다른 서브모듈과 직렬연결되는데, 이때 제1 단자(X1)는 상위 컨버터 암(11a)의 최하단 서브모듈(12a-n)의 두 단자 중 하나의 단자와 연결되고 제2 단자(X2)는 하위 컨버터 암(11b)의 최상단 서브모듈(12b-1)의 두 단자 중 하나의 단자와 연결된다. 그리고 제3 단자(X3)는 AC 계통의 단자와 연결되는 것이다.
상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 각각의 서브모듈(100)은 상단 및 하단의 다른 서브모듈과 직렬연결하기 위한 제1 및 제2 단자(X1,X2)를 구비함과 동시에 AC 계통과 연결하기 위한 제3 단자(X3)를 각각 포함한다. 이로써, 서브모듈(100)은 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 내 서브모듈로 사용되는 경우, 그리고 예비 서브모듈로 사용되는 경우 모두 AC 계통과 직접 연결되는 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 서브모듈의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 서브모듈(200)은 제1 전력용 반도체 스위치(210), 제2 전력용 반도체 스위치(220), 제3 전력용 반도체 스위치(230) 및 커패시터(240)를 포함하여 구성된다.
제1 전력용 반도체 스위치(210)는 제1 반도체스위치(211) 및 이러한 제1 반도체스위치(211)에 역병렬로 연결된 제1 다이오드(212)를 포함하고, 제2 전력용 반도체 스위치(220)는 제2 반도체스위치(221) 및 이러한 제2 반도체스위치(221)에 역병렬로 연결된 제2 다이오드(222)를 포함한다. 이때, 이들 제1 전력용 반도체 스위치(210)와 제2 전력용 반도체 스위치(220)는 서로 동일한 방향으로 직렬연결된다.
커패시터(240)는 상기와 같이 서로 직렬연결된 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치(210,220) 전체에 병렬연결된다.
이러한 서브모듈(200)에는 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치(210,220) 사이의 제1 노드(N1)에 제1 단자(X1)가 연결되고 제2 전력용 반도체 스위치(220)와 커패시터(150) 사이의 제2 노드(N2)에 제2 단자(X2)가 연결된다. 제1 노드(N1)에는 제3 전력용 반도체 스위치(230)의 일단이 연결되고 타단에는 AC 계통의 입출력 단자와 연결되는 제3 단자(X3)가 연결된다. 즉, 제3 단자(X3)는 AC 계통과 연결되는 단자로서 제3 전력용 반도체 스위치(230)는 제3 단자(X3)를 통해 AC 계통과 연결되는 것이다. 이러한 제1 내지 제3 노드(N1~N3)는 해당 구성요소들 사이의 연결선에 각각의 단자를 연결하기 위한 분기선이 연결되는 지점이다.
제3 전력용 반도체 스위치(230)는 제3 반도체스위치(131) 및 이러한 제3 반도체스위치(131)에 역병렬로 연결된 제3 다이오드(132)를 포함한다. 이때, 제3 전력용 반도체 스위치(130)의 제3 다이오드(132)의 음극은 제1 노드(N1)와 연결되고 양극은 제3 단자(X3)와 연결된다.
여기서, 서브모듈(200)은 MMC 컨버터에서 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)을 구성하는 복수의 서브모듈로도 사용할 수 있지만, 이들 서브모듈에 고장발생 시 투입되는 예비(redundant) 서브모듈로도 사용할 수 있다. 예비 서브모듈로 사용되는 경우에는 MMC 컨버터에서 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11b) 사이에 연결되며 상위 컨버터 암(11a) 또는 하위 컨버터 암(11b)을 구성하는 복수의 서브모듈(12a,12b) 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입됨으로써 MMC 컨버터에서 서브모듈로서 동작되도록 한다.
제1 단자(X1)와 제2 단자(X2)는 정상적인 다른 서브모듈의 단자와 연결되며, 제3 단자(X3)는 AC 계통의 단자와 연결된다. 서브모듈(200)이 예비 서브모듈로 적용된 경우에는 상위 컨버터 암(11a) 또는 하위 컨버터 암(11b) 중 어느 한 컨버터 암의 다른 서브모듈과 직렬연결되는데, 이때 제1 단자(X1)는 상위 컨버터 암(11a)의 최하단 서브모듈(12a-n)의 두 단자 중 하나의 단자와 연결되고 제2 단자(X2)는 하위 컨버터 암(11b)의 최상단 서브모듈(12b-1)의 두 단자 중 하나의 단자와 연결된다. 그리고 제3 단자(X3)는 AC 계통의 단자와 연결되는 것이다.
상술한 바와 같이, 도 4에 도시된 각각의 서브모듈(200)은 도 3에 도시된 서브모듈(100)과 동일하게 상단 및 하단의 다른 서브모듈과 직렬연결하기 위한 제1 및 제2 단자(X1,X2)를 구비함과 동시에 AC 계통과 연결하기 위한 제3 단자(X3)를 각각 포함한다. 이로써, 서브모듈(200)은 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 내 서브모듈로 사용되는 경우, 그리고 예비 서브모듈로 사용되는 경우 모두 AC 계통과 직접 연결되는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 서브모듈(100,200)이 적용된 MMC 컨버터에서는 N개의 서브모듈(100,200)과 적어도 하나 이상의 예비 서브모듈(100a,200a)을 포함한다. 여기서, N개의 서브모듈(100,200)과 예비 서브모듈(100a,200)은 설명의 편의상 도면부호를 다르게 부여하였으나 실제로는 도 3 및 도 4와 같이 서로 동일한 구성을 갖는다. 예비 서브모듈(100a,200a)은 N개의 서브모듈(100,200) 중 어느 하나에 고장발생 시 그 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입되어 동작한다.
도면에는 1개의 예비 서브모듈(100a,200a)을 예시적으로 도시하고 있으나, 이는 일례이며 예비 서브모듈(100a,200a)은 적어도 하나 이상을 구비함이 바람직하다. 특히, 본 발명에서는 종래기술에서 상위 컨버터 암(1a)과 하위 컨버터 암(1b)에 각각 예비 서브모듈(2a)을 구비하는 것과는 달리 상위 컨버터 암(11a)과 하위 컨버터 암(11b)에 공통으로 사용할 수 있는 예비 서브모듈(100a,200a)을 구비한다.
예컨대, 종래는 상위 및 하위 컨버터 암(1a,1b)에 각각 1개씩, 총 2개의 예비 서브모듈(2a)을 구비하였으나, 본 발명은 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)에 공통으로 사용 가능한 1개의 서브모듈(100a 또는 200a)만 구비하여 상위 또는 하위 컨버터 암(11a,11b)의 서브모듈 중 어느 하나에 고장이 발생한 경우 상위 또는 하위 컨버터 암(11a,11b)에 그 고장난 서브모듈을 대체할 수 있다. 이로써, 종래에 비해 예비 서브모듈의 개수를 줄일 수 있고 비용측면에서 매우 유리하다. 본 발명에서 예비 서브모듈의 개수는 MMC 컨버터의 특성 및 컨버터 암의 서브모듈의 개수에 따라 선택적으로 결정될 것이다.
또한, 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 MMC 컨버터에서의 각 서브모듈(100,200,100a,200a)은 각각 제3 단자(X3)를 통해 AC 계통과 직접 연결된다는 특징을 갖는다.
도 6은 도 3의 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 일례에 대한 동작도이다.
도 6에서는 일례로 상위 컨버터 암(11a)과 하위 컨버터 암(11b)에 각각 2개의 서브모듈(100-u1,100-u2,100-d1,100-d2)이 구비되고, 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 사이에 1개의 예비 서브모듈(100a)이 연결된 MMC 컨버터에서의 동작에 따른 전류 흐름을 도시하고 있다.
먼저, 도 6의 (a)에는 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11b)에서 각각 2개의 서브모듈(100-u1,100-u2,100-d1,100-d2)이 정상적인 운전 중에 상위 컨버터 암(11a)의 두 번째 서브모듈(100-u2)에 고장발생으로 전류를 바이패스(bypass)하는 상황에서 예비 서브모듈(100a)이 고장이 발생한 서브모듈(100-u2)을 대체하여 투입되는 일례를 도시한다.
고장이 발생한 서브모듈(100-u2)은 전류를 바이패스시키기 위해 제2 전력용 반도체 스위치(120)를 턴온시켜 제1 단자(X1)를 통해 상단의 서브모듈(100-u1)로부터 공급되는 전류를 제2 전력용 반도체 스위치(120)를 통해 제2 단자(X2)로 흐르게 하여 하단의 서브모듈(100-d1)로 공급되도록 한다.
예비 서브모듈(100)은 고장이 발생한 서브모듈(100-u2)을 대체하여 투입되는데, 이를 위해 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치(110,130)는 턴온되고 제2 전력용 반도체 스위치(120)는 턴오프 상태가 유지된다. 이로써 상기와 같이 고장이 발생한 서브모듈(100-u2)에서 바이패스된 전류가 제1 단자(X1)를 통해 공급되어 제1 전력용 반도체 스위치(110)와 커패시터(140)를 통해 제2 단자(X2)로 흐르게 되고 제3 전력용 반도체 스위치(130)가 턴온 상태이므로 AC 계통에 전류가 공급된다.
이러한 예비 서브모듈(100a)의 투입은 예비 서브모듈(100a)이 설치된 개수에 따라 상술한 바와 같이 동일한 원리로 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입될 수 있다.
이때, 도면에서와 같이 예비 서브모듈(100a)이 모두 투입된 상태에서 상위 컨버터 암(11a)의 다른 서브모듈에 고장이 추가로 발생한 경우에는 도 6의 (b)와 같이 하위 컨버터 암(11b)을 구성하는 복수의 서브모듈 중 어느 하나를 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하도록 할 수 있다.
예컨대, 상기와 같이 고장이 발생한 서브모듈(100-u2)을 대체하여 투입된 예비 서브모듈(100a)에도 고장이 발생한 경우에는 도 6의 (b)와 같이 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈(100-d1)이 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 전환할 수 있다.
도 6의 (b)에는 예컨대 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈(100-d1)을 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하도록 전환하는 일례로서, 이를 위해 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치(110,130)는 턴온되고 제2 전력용 반도체 스위치(120)는 턴오프된다. 이로써, 전류가 제1 단자(X1)로 공급되어 제1 전력용 반도체 스위치(110)와 커패시터(140)를 통해 제2 단자(X2)로 흐르게 되고 제3 전력용 반도체 스위치(130)가 턴온 상태이므로 AC 계통에 전류가 공급된다.
이때, 예비 서브모듈(100a)은 이미 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하고 있으므로 AC 계통으로 전류 공급을 차단하기 위해 제3 전력용 반도체 스위치(230)를 턴오프로 전환한다.
이와 같이 본 발명에 따른 서브모듈(100)은 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11a)을 구성하는 서브모듈로도 적용이 가능하고, 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 사이에 연결된 예비 서브모듈로도 적용이 가능하다. 뿐만 아니라, MMC 컨버터의 운전 중에 필요에 따라서는 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하는 중에 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈로 전환하여 동작할 수도 있다. 물론 그 반대의 경우도 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈(100)이 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)을 구성하는 서브모듈로 동작하는 경우와 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)의 사이에 연결된 예비 서브모듈로 동작하는 경우에 따라 제1 내지 제3 전력용 반도체 스위치(110,120,130)의 턴온/턴오프에 대한 스위칭 동작을 제어함으로써 MMC 컨버터를 동작시킬 수 있다.
이는 도 6의 (a)와 (b)에 도시된 일례와 같이 서브모듈(100)이 상위 컨버터 암(11a) 또는 하위 컨버터 암(11b) 중 어느 컨버터 암의 서브모듈로 동작하는지에 따라 제1 내지 제4 전력용 반도체 스위치(110~140)의 스위칭 동작이 달라지며, 이러한 스위칭 동작에 따라 전류의 흐름도 달라진다.
특히, 서브모듈(100)이 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하는 경우 제3 단자(X3)로 AC 계통의 전압이 입력되지 않으면 상위 컨버터 암(11a)의 N개의 서브모듈 중 하나로 동작하고, AC 계통의 전압이 입력되면 상위 컨버터 암(11a)의 예비 서브모듈(100a)로 동작한다. 또한, 서브모듈(100)이 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈로 동작하는 경우 제3 단자(X3)로 AC 계통의 전압이 입력되지 않으면 하위 컨버터 암(11b)의 N개의 서브모듈 중 하나로 동작하고, AC 계통의 전압이 입력되면 하위 컨버터 암(11b)의 예비 서브모듈(100a)로 동작한다.
도 7은 도 4의 서브모듈이 적용된 MMC 컨버터의 일례에 대한 동작도이다.
도 7에서도 일례로 상위 컨버터 암(11a)과 하위 컨버터 암(11b)에 각각 2개의 서브모듈(200-u1,200-u2,200-d1,200-d2)이 구비되고, 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 사이에 1개의 예비 서브모듈(200a)이 연결된 MMC 컨버터에서의 동작에 따른 전류 흐름을 도시하고 있다.
먼저, 도 7의 (a)에서 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11b)에서 각각 2개의 서브모듈(200-u1,200-u2,200-d1,200-d2)이 정상적인 운전 중에 상위 컨버터 암(11a)의 두 번째 서브모듈(200-u2)에 고장발생으로 전류를 바이패스(bypass)하는 상황에서 예비 서브모듈(200a)이 고장이 발생한 서브모듈(100-u2)을 대체하여 투입되는 일례가 도시된다.
고장이 발생한 서브모듈(200-u2)은 전류를 바이패스시키기 위해 제2 전력용 반도체 스위치(220)를 턴온시키고 제1,3 전력용 반도체 스위치(210,230)는 턴오프시켜 제1 단자(X1)를 통해 상단의 서브모듈(200-u1)로부터 공급되는 전류를 제2 전력용 반도체 스위치(220)를 통해 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 서브모듈(200-d1)로 공급되도록 한다.
예비 서브모듈(200a)은 고장이 발생한 서브모듈(200-u2)을 대체하여 투입되는데, 이를 위해 제1 전력용 반도체 스위치(210)는 턴온되고 제2,3 전력용 반도체 스위치(220,230)는 턴오프 상태가 유지된다. 이로써 상기와 같이 고장이 발생한 서브모듈(200-u2)에서 바이패스된 전류가 제1 단자(X1)를 통해 공급되어 제1 전력용 반도체 스위치(210)와 커패시터(240)를 통해 제2 단자(X2)로 흐르게 된다.
이러한 예비 서브모듈(200a)의 투입은 예비 서브모듈(200a)이 설치된 개수에 따라 상기와 동일한 원리로 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입될 수 있다.
이때, 도면에서와 같이 예비 서브모듈(200a)이 모두 투입된 상태에서 상위 컨버터 암(11a)의 다른 서브모듈에 고장이 추가로 발생한 경우에는 도 7의 (b)와 같이 하위 컨버터 암(11b)을 구성하는 복수의 서브모듈 중 어느 하나를 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하도록 할 수 있다.
예컨대, 상기와 같이 고장이 발생한 서브모듈(200-u2)을 대체하여 투입된 예비 서브모듈(200a)에도 고장이 발생한 경우에는 도 7의 (b)와 같이 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈(200-d1)이 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 전환할 수 있다.
도 7의 (b)에는 예컨대 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈(200-d1)을 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하도록 전환하는 일례로서, 제2 전력용 반도체 스위치(220)는 턴오프로 전환되고 제1 전력용 반도체 스위치(210)는 턴온으로 전환된다. 이로써, 상기와 같이 고장이 발생한 예비 서브모듈(200-u1)에서 바이패스된 전류가 제1 단자(X1)로 공급되어 제1 전력용 반도체 스위치(210)와 커패시터(240)를 통해 제2 단자(X2)로 흐르게 되어 하단의 서브모듈(100-d1)로 공급된다.
이때, 예비 서브모듈(200a)은 이미 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하고 있으므로 AC 계통으로 전류 공급을 차단하기 위해 제3 전력용 반도체 스위치(230)를 턴오프로 전환한다. 그리고, 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈(100-d2)이 하위 컨버터 암(11b)의 최상단 서브모듈로 동작하여 AC 계통에 전류공급을 위해 제3 전력용 반도체 스위치(230)가 턴온된다.
이와 같이 본 발명에 따른 서브모듈(200)은 상위 컨버터 암(11a) 및 하위 컨버터 암(11a)을 구성하는 서브모듈로도 적용이 가능하고, 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b) 사이에 연결된 예비 서브모듈로도 적용이 가능하다. 뿐만 아니라, MMC 컨버터의 운전 중에 필요에 따라서는 상위 컨버터 암(11a)의 서브모듈로 동작하는 중에 하위 컨버터 암(11b)의 서브모듈로 전환하여 동작할 수도 있다. 물론 그 반대의 경우도 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈(200)이 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)을 구성하는 서브모듈로 동작하는 경우와 이들 상위 및 하위 컨버터 암(11a,11b)의 사이에 연결된 예비 서브모듈로 동작하는 경우에 따라 제1 내지 제3 전력용 반도체 스위치(210,220,230)의 턴온/턴오프에 대한 스위칭 동작을 제어함으로써 MMC 컨버터를 동작시킬 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈의 스위칭동작에 따른 전류 흐름도로서, 도 8은 도 3의 서브모듈(100)에 대한 스위칭 동작을 나타내고, 도 9는 도 4의 서브모듈(200)에 대한 스위칭 동작을 나타낸다.
도 8의 (a) 및 (b)는 AC 계통으로 전류가 출력되는 경우에 커패시터(140)에 충전하는 일례와 전류를 바이패스하는 일례를 각각 도시하고, 도 8의 (c) 및 (d)는 AC 계통으로 전류가 출력되지 않는 경우에 커패시터(140)에 충전하는 일례와 전류를 바이패스하는 일례를 각각 도시한다.
도 8의 (a)에서는 제1,3 전력용 반도체 스위치(110,130)가 턴온되고 제2 전력용 반도체 스위치(120)는 턴오프되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류가 제1 전력용 반도체 스위치(110) 및 커패시터(140)를 통해 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈(미도시)로 공급되고, 이와 동시에 이러한 전류는 제3 전력용 반도체 스위치(130)를 통해 제3 단자(X3)로 흘러 AC 계통으로 공급된다.
도 8의 (b)에서는 제1 전력용 반도체 스위치(110)가 턴오프되고 제2,3 전력용 반도체 스위치(120,130)는 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급되고, 이와 동시에 이러한 전류는 제3 전력용 반도체 스위치(130)를 통해 제3 단자(X3)로 흘러 AC 계통으로 공급된다.
도 8의 (c)에서는 제1 전력용 반도체 스위치(110)만 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 커패시터(140)를 통해 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급된다.
도 8의 (d)에서는 제2 전력용 반도체 스위치(120)만 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급된다.
이러한 서브모듈(100)의 각 위치 및 기능별 동작에 따른 제1 내지 제3 전력용 반도체 스위치(110~130)의 스위칭 동작은 하기 표 1과 같다.
AC 계통
출력		 커패시터
충전		 제1 전력용
반도체 스위치		 제2 전력용
반도체 스위치		 제3 전력용
반도체 스위치
출력 Vc ON OFF ON
0 (bypass) OFF ON ON
미출력 Vc ON OFF OFF
0 (bypass) OFF ON OFF
표 1에서와 같이 AC 계통에 전류가 공급되는 경우는 서브모듈이 예비 서브모듈로 동작하는 것이고 AC 계통으로 전류가 공급되지 않은 경우는 서브모듈이 컨버터 암의 서브모듈로 동작하는 것이다.
다음으로, 도 9의 (a) 및 (b)에서도 AC 계통으로 전류가 출력되는 경우에 커패시터(240)에 충전하는 일례와 전류를 바이패스하는 일례를 각각 도시하고, 도 9의 (c) 및 (d)에서도 AC 계통으로 전류가 출력되지 않는 경우에 커패시터(240)에 충전하는 일례와 전류를 바이패스하는 일례를 각각 도시한다.
도 9의 (a)에서는 제1,3 전력용 반도체 스위치(210,230)가 턴온되고 제2 전력용 반도체 스위치(220)는 턴오프되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류가 제1 전력용 반도체 스위치(210) 및 커패시터(240)를 통해 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈(미도시)로 공급되고, 이와 동시에 이러한 전류는 제3 전력용 반도체 스위치(230)를 통해 제3 단자(X3)로 흘러 AC 계통으로 공급된다.
도 9의 (b)에서는 제1 전력용 반도체 스위치(210)가 턴오프되고 제2,3 전력용 반도체 스위치(220,230)는 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급되고, 이와 동시에 이러한 전류는 제3 전력용 반도체 스위치(230)를 통해 제3 단자(X3)로 흘러 AC 계통으로 공급된다.
도 9의 (c)에서는 제1 전력용 반도체 스위치(210)만 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 커패시터(240)를 통해 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급된다.
도 9의 (d)에서는 제2 전력용 반도체 스위치(220)만 턴온되어 제1 단자(X1)를 통해 공급된 전류는 제2 단자(X2)로 흘러 하단의 다른 서브모듈로 공급된다.
이러한 서브모듈(200)의 각 위치 및 기능별 동작에 따른 제1 내지 제3 전력용 반도체 스위치(210~230)의 스위칭 동작은 하기 표 2과 같다.
AC 계통
출력		 커패시터
충전		 제1 전력용
반도체 스위치		 제2 전력용
반도체 스위치		 제3 전력용
반도체 스위치
출력 Vc ON OFF ON
0 (bypass) OFF ON ON
미출력 Vc ON OFF OFF
0 (bypass) OFF ON OFF
표 2에서와 같이 AC 계통에 전류가 공급되는 경우는 서브모듈이 예비 서브모듈로 동작하는 것이고 AC 계통으로 전류가 공급되지 않은 경우는 서브모듈이 컨버터 암의 서브모듈로 동작하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 서브모듈(100,200)은 MMC 컨버터에 적용될 수 있으며, 특히 MMC 컨버터에서 예비 서브모듈로도 적용이 가능하다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 서브모듈(100,200)은 다른 서브모듈과의 직렬연결을 위한 제1 단자(X1)와 제2 단자(X2)를 구비함과 동시에 AC 계통과의 연결을 위해 제3 단자(X3)를 각각 구비합니다. 이때, 제3 단자(X3)를 통해 AC 전압의 입력 여부에 따라 MMC 컨버터에서의 서브모듈과 예비 서브모듈로서의 스위칭 동작이 달라지며, 또한 커패시터에 충전 또는 전류의 바이패스에 따라 스위칭 동작이 달라진다.
따라서, 본 발명에 따른 서브모듈(100,200)을 MMC 컨버터에 적용하고 이러한 서브모듈을 구성하는 복수의 전력용 반도체 스위치의 스위칭 동작을 적절히 제어함으로써 MMC 컨버터의 효율적인 운전이 가능하고 비용측면에서도 매우 유리하다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.
11a : 상위 컨버터 암 11b : 하위 컨버터 암
100,200 : 서브모듈 100a,200a : 예비 서브모듈
110~130,210~230 : 전력용 반도체 스위치
140,240 : 커패시터

Claims (24)

  1. 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치;
    상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터;
    상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자;
    상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자;
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및
    상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제2 노드에 연결되는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  3. 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치;
    상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터;
    상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자;
    상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자;
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및
    상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제1 노드에 연결되는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1단자는 상단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되고 상기 제2단자는 하단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  6. MMC 컨버터를 구성하는 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 예비 서브모듈에 있어서,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치;
    상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터;
    상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자;
    상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자;
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및
    상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하고,
    상기 예비 서브모듈은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암 사이에 연결되며 상기 상위 컨버터 암 또는 하위 컨버터 암을 구성하는 복수의 서브모듈 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입되어 동작하는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제2 노드에 연결되는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  8. MMC 컨버터를 구성하는 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 예비 서브모듈에 있어서,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치;
    상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터;
    상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자;
    상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자;
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치; 및
    상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하고,
    상기 예비 서브모듈은 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암과 하위 컨버터 암 사이에 연결되며 상기 상위 컨버터 암 또는 하위 컨버터 암을 구성하는 복수의 서브모듈 중 고장이 발생한 서브모듈을 대체하여 투입되어 동작하는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제1 노드에 연결되는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  10. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1단자는 상기 예비 서브모듈의 상단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되고 상기 제2단자는 상기 예비 서브모듈의 하단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  11. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 예비 서브모듈이 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈을 대체하여 투입되는 경우 상기 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치는 턴온되고 상기 제2 전력용 반도체 스위치는 턴오프되어 상기 제1 단자를 통해 공급된 전류가 상기 제1 전력용 반도체 스위치 및 커패시터를 통해 상기 제2 단자로 흐르고, 상기 전류는 상기 제3 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제3 단자로 흘러 상기 AC 계통으로 공급되는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  12. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 예비 서브모듈이 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈을 대체하여 투입되는 경우 상기 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치는 턴온되고 상기 제2 전력용 반도체 스위치는 턴오프되어 상기 제2 단자를 통해 공급된 전류가 상기 커패시터 및 제1 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제1 단자로 흐르고, 상기 전류는 상기 제3 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제3 단자로 흘러 상기 AC 계통으로 공급되는 MMC 컨버터의 예비 서브모듈.
  13. 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 및
    상기 상위 컨버터 암의 서브모듈에 직렬연결되고 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암을 포함하고,
    상기 서브모듈 각각은,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제2 노드에 연결되는 MMC 컨버터.
  15. 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암; 및
    상기 상위 컨버터 암의 서브모듈에 직렬연결되고 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암을 포함하고,
    상기 서브모듈 각각은,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제1 노드에 연결되는 MMC 컨버터.
  17. 제13항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1단자는 상기 서브모듈의 상단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되고 상기 제2단자는 상기 서브모듈의 하단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되는 MMC 컨버터.
  18. 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암;
    서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암; 및
    상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 직렬연결되며 상기 상위 및 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 하나 이상의 예비 서브모듈을 포함하고,
    상기 예비 서브모듈 각각은,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제2 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제2 노드에 연결되는 MMC 컨버터.
  20. 서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 상위 컨버터 암;
    서로 직렬연결된 복수의 서브모듈로 구성된 하위 컨버터 암; 및
    상기 상위 및 하위 컨버터 암 사이에 직렬연결되며 상기 상위 및 하위 컨버터 암에 공통으로 적용 가능한 하나 이상의 예비 서브모듈을 포함하고,
    상기 예비 서브모듈 각각은,
    반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 동일한 방향으로 서로 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치와, 상기 직렬연결된 제1 전력용 반도체 스위치 및 제2 전력용 반도체 스위치 전체에 병렬연결된 커패시터와, 상기 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치 사이의 제1 노드에 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전력용 반도체 스위치와 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 단자와, 반도체스위치 및 상기 반도체스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 각각 포함하고 일측이 상기 제1 노드에 연결된 제3 전력용 반도체 스위치와, 상기 제3 전력용 반도체 스위치의 타측에 연결되고 AC 계통의 단자와 연결되는 제3 단자를 포함하는 MMC 컨버터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3 전력용 반도체 스위치에 포함된 다이오드의 음극은 상기 제1 노드에 연결되는 MMC 컨버터.
  22. 제18항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1단자는 상기 예비 서브모듈의 상단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되고 상기 제2단자는 상기 예비 서브모듈의 하단에 연결된 서브모듈의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되는 MMC 컨버터.
  23. 제18항 또는 제20항에 있어서,
    상기 예비 서브모듈이 상기 상위 컨버터 암의 서브모듈을 대체하여 투입되는 경우 상기 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치는 턴온되고 상기 제2 전력용 반도체 스위치는 턴오프되어 상기 제1 단자를 통해 공급된 전류가 상기 제1 전력용 반도체 스위치 및 커패시터를 통해 상기 제2 단자로 흐르고, 상기 전류는 상기 제3 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제3 단자로 흘러 상기 AC 계통으로 공급되는 MMC 컨버터.
  24. 제18항 또는 제20항에 있어서,
    상기 예비 서브모듈이 상기 하위 컨버터 암의 서브모듈을 대체하여 투입되는 경우 상기 제1 및 제3 전력용 반도체 스위치는 턴온되고 상기 제2 전력용 반도체 스위치는 턴오프되어 상기 제2 단자를 통해 공급된 전류가 상기 커패시터 및 제1 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제1 단자로 흐르고, 상기 전류는 상기 제3 전력용 반도체 스위치를 통해 상기 제3 단자로 흘러 상기 AC 계통으로 공급되는 MMC 컨버터.
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