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KR102056252B1 - Hvdc 시스템의 전력 손실 보정 방법 - Google Patents

Hvdc 시스템의 전력 손실 보정 방법 Download PDF

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KR102056252B1
KR102056252B1 KR1020150021132A KR20150021132A KR102056252B1 KR 102056252 B1 KR102056252 B1 KR 102056252B1 KR 1020150021132 A KR1020150021132 A KR 1020150021132A KR 20150021132 A KR20150021132 A KR 20150021132A KR 102056252 B1 KR102056252 B1 KR 102056252B1
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power loss
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

실시 예에 따른 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법은 송전 전력량과 수전 전력량을 측정하는 단계; 상기 측정된 송전 전력량과 수전 전력량의 차이 값을 토대로 제 1 전력 손실량을 계산하는 단계; 상기 HVDC 시스템의 각 위치에 대한 임피던스 값을 토대로 상기 각 위치에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계; 상기 계산한 손실량들의 합 값을 토대로 제 2 전력 손실량을 계산하는 단계; 및 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이 값을 토대로 상기 HVDC 시스템에서 발생하는 전력 손실량의 보정을 위한 보정 값을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법{METHOD FOR POWER LOSS CALIBRATING IN A HVDC SYSTEM}
실시 예는, HVDC 시스템에 관한 것으로, 특히 HVDC 시스템의 송전소와 수전 소 사이에 발생하는 전력 손실을 보정하는 방법에 관한 것이다.
초고압 직류 송전(HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT, HVDC)은 송전소가 발전소에서 생산되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환시켜서 송전한 후, 수전소에서 교류로 재변환시켜 전력을 공급하는 송전 방식을 말한다.
HVDC 시스템은 해저 케이블 송전, 대용량 장거리 송전, 교류 계통 간 연계 등에 적용된다. 또한, HVDC 시스템은 서로 다른 주파수 계통 연계 및 비동기(asynchronism) 연계를 가능하게 한다.
송전소는 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 즉, 교류 전력을 해저 케이블 등을 이용하여 전송하는 상황은 매우 위험하기 때문에, 송전소는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수전소로 전송한다.
한편, HVDC 시스템에 이용되는 전압형 컨버터는 다양한 종류가 있으며, 최근 모듈형 멀티레벨 형태의 전압형 컨버터가 가장 주목받고 있다.
모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Multi-Level Converter, MMC)는 다수의 서브 모듈(Sub-Module)을 이용하여 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치이며, 각각의 서브 모듈을 충전, 방전, 바이패스 상태로 제어하여 동작한다.
그리고, 중앙 제어기는 상기 송전소에 설치된 계기용 변압기를 통해 획득되는 전압 값과 전류 값을 이용하여 상기 송전소에서 전송되는 송전 전력량을 계산한다.
또한, 상기 중앙 제어기는 상기 수전소에 설치된 계기용 변압기를 통해 획득되는 전압 값과 전류 값을 이용하여 상기 수전소에서 수신된 수전 전력량을 계산한다.
또한, 중앙 제어기는 상기 송전 전력량과 수전 전력량의 차이를 토대로 상기 전력 손실량을 계산한다. 그러나, 종래에서는 단순히 상기 송전 전력량과 상기 수전 전력량의 차이 값을 전력 손실량으로 인식한다.
그러나, HVDC 시스템을 설계 및 연구하는 단계에서는 각 기기의 스위칭 손실, 임피던스 성분에 의한 열 손실 및 고조파 손실을 고려하여 설계하고 있다.
하지만, 이론적인 설계 값은 항상 오차를 가지고 있으며, 이 오차의 범위를 실제 시스템 운전시에는 상당히 큰 손실로 나타난다. 따라서, 이러한 오차로 의한 손실로 HVDC 시스템은 정밀한 운전을 할 수 없으며, 실제 발생하지 않는 손실로 받아들이고 있다. 즉, 상기와 같이 단순히 송전 전력량과 수전 전력량의 차이 값으로는 정확한 전력 손실량을 측정하기 어렵다.
이를 위해, 각 기기와 선로에 수많은 전류 센서 및 전압 센서, 그리고 모니터링 장치를 장착하여 실제 손실을 측정하고 보정할 수 있으나, 이 방법을 실제로 너무 많은 기기들의 장착으로 인해 시스템에 적용되기 어려우며, 시스템에 적용되더라도 비용이 증가하는 문제가 있다.
실시 예에서는, 변환소의 임피던스 값을 이용하여 상기 변환소에서 발생한 전력량에 따른 전력 손실량을 검증할 수 있는 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법을 제공한다.
또한, 실시 예에서는 변환소에서 발생한 전력량에 따른 전력 손실량과 임피던스 값을 토대로 계산된 실제 전력 손실량에 차이가 발생하면, 상기 실제 전력 손실량을 보정할 수 있는 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법을 제공한다.
또한, 실시 예에서는 송전소, 수전소 및 송전 선로의 각각에서 발생하는 전력 손실량을 검증하고, 이에 따른 오차를 보정할 수 있는 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법을 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법은 송전 전력량과 수전 전력량을 측정하는 단계; 상기 측정된 송전 전력량과 수전 전력량의 차이 값을 토대로 제 1 전력 손실량을 계산하는 단계; 상기 HVDC 시스템의 각 위치에 대한 임피던스 값을 토대로 상기 각 위치에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계; 상기 계산한 손실량들의 합 값을 토대로 제 2 전력 손실량을 계산하는 단계; 및 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이 값을 토대로 상기 HVDC 시스템에서 발생하는 전력 손실량의 보정을 위한 보정 값을 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 각 위치에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계는, 변환소 1에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계와, 변환소 2에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계와, 상기 변환소 1과 변환소 2를 연결하는 송전 라인에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 보정 값은, 상기 제 2 전력 손실량과 동일한 값으로 상기 제 1 전력 손실량을 보정하기 위한 오프셋 값을 포함한다.
또한, 상기 송전 전력량은, 상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 변환소 1 또는 변환소 2의 전력량이며, 상기 수전 전력량은, 상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 변환소 2 또는 변환소 1의 전력량이다.
또한, 상기 오프셋 값은 상기 송전 라인의 임피던스 값을 상태에 따라 보정하기 위한 보정 값이다.
또한, 상기 보정 값은, 상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 서로 다른 값으로 각각 결정되며, 상기 운전 방향은, 상기 변환소 1이 송전소로 동작하고, 변환소 2가 수전소로 동작하는 제 1 운전 방향과, 상기 변환소 1이 수전소로 동작하고, 상기 변환소 2가 송전소로 동작하는 제 2 운전 방향을 포함한다.
또한, 상기 보정 값은, 상기 송전소에서 수전소로 공급되는 운전 전력량에 따라 서로 다른 값으로 각각 결정된다.
실시 예에 따르면, 변환소의 전력 손실량을 계산하여 실제 전력 손실량과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 계산된 전력 손실량의 오차를 보정해줌으로써, 변환소의 전력 손실 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면 복수의 변환소 사이를 연결하는 전송 선로의 전송 전력에 따른 임피던스 변화를 반영하여 상기 복수의 변환소 사이에서 발생하는 전력 손실량을 보정해줌으로써, 간단하게 전송 전력의 손실을 최소화하면서 오차를 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 직류 송전(high voltage direct current transmission, HVDC transmission) 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모노폴라 방식의 고전압 직류 송전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이폴라 방식의 고전압 직류 송전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트랜스포머와 3상 밸브 브릿지의 결선을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 서브 모듈의 연결을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브 모듈 구성의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브 모듈의 등가 모델을 나타낸다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브 모듈의 동작을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 손실 보정 시스템의 구성을 보여주는 구성 블록도이다.
도 15 내지 17은 실시 예에 따른 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 직류 송전(high voltage direct current transmission, HVDC transmission) 시스템을 보여준다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 HVDC 시스템(100)은 발전 파트(101), 송전 측 교류 파트(110), 송전 측 변전 파트(103), 직류 송전 파트(140), 수요 측 변전 파트(105), 수요 측 교류 파트(170), 수요 파트(180), 및 제어 파트(190)를 포함한다. 송전 측 변전 파트(103)는 송전 측 트랜스포머 파트(120), 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)를 포함한다. 수요 측 변전 파트(105)는 수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150), 수요 측 트랜스포머 파트(160)를 포함한다.
발전 파트(101)는 3상의 교류 전력을 생성한다. 발전 파트(101)는 복수의 발전소를 포함할 수 있다.
송전 측 교류 파트(110)는 발전 파트(101)가 생성한 3상 교류 전력을 송전 측 트랜스포머 파트(120)와 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)를 포함하는 DC 변전소에 전달한다.
송전 측 트랜스포머 파트(120)는 송전 측 교류 파트(110)를 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130) 및 직류 송전 파트(140)로부터 격리한다(isolate).
송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)는 송전 측 트랜스포머 파트(120)의 출력에 해당하는 3상 교류 전력를 직류 전력으로 변환한다.
직류 송전 파트(140)는 송전 측의 직류 전력을 수요 측으로 전달한다.
수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150)는 직류 송전 파트(140)에 의해 전달된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다.
수요 측 트랜스포머 파트(160)는 수요 측 교류 파트(170)를 수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150)와 직류 송전 파트(140)로부터 격리한다.
수요 측 교류 파트(170)는 수요 측 트랜스포머 파트(160)의 출력에 해당하는 3상 교류 전력을 수요 파트(180)에 제공한다.
제어 파트(190)는 발전 파트(101), 송전 측 교류 파트(110), 송전 측 변전 파트(103), 직류 송전 파트(140), 수요 측 변전 파트(105), 수요 측 교류 파트(170), 수요 파트(180), 제어 파트(190), 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130), 수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150) 중 적어도 하나를 제어한다. 특히, 제어 파트(190)는 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)와 수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150) 내의 복수의 밸브의 턴온 및 턴오프의 타이밍을 제어할 수 있다. 이때, 밸브는 싸이리스터 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT)에 해당할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모노폴라 방식의 고전압 직류 송전 시스템을 보여준다.
특히, 도 2는 단일의 극의 직류 전력을 송전하는 시스템을 보여준다. 이하의 설명에서는 단일의 극은 양극(positive pole)임을 가정하여 설명하나 이에 한정될 필요는 없다.
송전 측 교류 파트(110)는 교류 송전 라인(111)과 교류 필터(113)를 포함한다.
교류 송전 라인(111)은 발전 파트(101)가 생성한 3상의 교류 전력을 송전 측 변전 파트(103)로 전달한다.
교류 필터(113)는 변전 파트(103)이 이용하는 주파수 성분 이외의 나머지 주파수 성분을 전달된 3상 교류 전력에서 제거한다.
송전 측 트랜스포머 파트(120)는 양극을 위하여 하나 이상의 트랜스포머(121)를 포함한다. 양극을 위하여 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)는 양극 직류 전력을 생성하는 교류-양극 직류 컨버터(131)를 포함하고, 이 교류-양극 직류 컨버터(131)는 하나 이상의 트랜스포머(121)에 각각 대응하는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(131a)를 포함한다.
하나의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 6개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
2개의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 12개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
3개의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 18개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 양극 직류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
직류 송전 파트(140)는 송전 측 양극 직류 필터(141), 양극 직류 송전 라인(143), 수요 측 양극 직류 필터(145)를 포함한다.
송전 측 양극 직류 필터(141)는 인덕터(L1)와 커패시터(C1)를 포함하며, 교류-양극 직류 컨버터(131)가 출력하는 양극 직류 전력을 직류 필터링한다.
양극 직류 송전 라인(143)는 양극 직류 전력의 전송을 위한 하나의 DC 라인을 가지고, 전류의 귀환 통로로는 대지가 이용할 수 있다. 이 DC 라인 상에는 하나 이상의 스위치가 배치될 수 있다.
수요 측 양극 직류 필터(145)는 인덕터(L2)와 커패시터(C2)를 포함하며, 양극 직류 송전 라인(143)을 통해 전달된 양극 직류 전력을 직류 필터링한다.
수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150)는 양극 직류-교류 컨버터(151)를 포함하고, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(151a)를 포함한다.
수요 측 트랜스포머 파트(160)는 양극을 위하여 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(151a)에 각각 대응하는 하나 이상의 트랜스포머(161)를 포함한다.
하나의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 6개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
2개의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 12개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
3개의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 18개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 교류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
수요 측 교류 파트(170)는 교류 필터(171)와 교류 송전 라인(173)을 포함한다.
교류 필터(171)는 수요 파트(180)가 이용하는 주파수 성분(예컨데, 60Hz) 이외의 나머지 주파수 성분을, 수요 측 변전 파트(105)가 생성하는 교류 전력에서 제거한다.
교류 송전 라인(173)은 필터링된 교류 전력을 수요 파트(180)에 전달한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 방식의 고전압 직류 송전 시스템을 보여준다.
특히, 도 3은 2개의 극의 직류 전력을 송전하는 시스템을 보여준다. 이하의 설명에서는 2개의 극은 양극(positive pole)과 음극(negative pole)임을 가정하여 설명하나 이에 한정될 필요는 없다.
송전 측 교류 파트(110)는 교류 송전 라인(111)과 교류 필터(113)를 포함한다.
교류 송전 라인(111)은 발전 파트(101)가 생성한 3상의 교류 전력을 송전 측 변전 파트(103)로 전달한다.
교류 필터(113)는 변전 파트(103)이 이용하는 주파수 성분 이외의 나머지 주파수 성분을 전달된 3상 교류 전력에서 제거한다.
송전 측 트랜스포머 파트(120)는 양극을 위한 하나 이상의 트랜스포머(121)를 포함하고, 음극을 위한 하나 이상의 트랜스포머(122)를 포함한다. 송전 측 교류-직류 컨버터 파트(130)는 양극 직류 전력을 생성하는 교류-양극 직류 컨버터(131)와 음극 직류 전력을 생성하는 교류-음극 직류 컨버터(132)를 포함하고, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 양극을 위한 하나 이상의 트랜스포머(121)에 각각 대응하는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(131a)를 포함하고, 교류-음극 직류 컨버터(132)는 음극을 위한 하나 이상의 트랜스포머(122)에 각각 대응하는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(132a)를 포함한다.
양극을 위하여 하나의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 6개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
양극을 위하여 2개의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 12개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(121)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
양극을 위하여 3개의 3상 밸브 브릿지(131a)가 이용되는 경우, 교류-양극 직류 컨버터(131)는 교류 전력을 이용하여 18개의 펄스를 가지는 양극 직류 전력을 생성할 수 있다. 양극 직류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
음극을 위하여 하나의 3상 밸브 브릿지(132a)가 이용되는 경우, 교류-음극 직류 컨버터(132)는 6개의 펄스를 가지는 음극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(122)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
음극을 위하여 2개의 3상 밸브 브릿지(132a)가 이용되는 경우, 교류-음극 직류 컨버터(132)는 12개의 펄스를 가지는 음극 직류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(122)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(122)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
음극을 위하여 3개의 3상 밸브 브릿지(132a)가 이용되는 경우, 교류-음극 직류 컨버터(132)는 18개의 펄스를 가지는 음극 직류 전력을 생성할 수 있다. 음극 직류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
직류 송전 파트(140)는 송전 측 양극 직류 필터(141), 송전 측 음극 직류 필터(142), 양극 직류 송전 라인(143), 음극 직류 송전 라인(144), 수요 측 양극 직류 필터(145), 수요 측 음극 직류 필터(146)를 포함한다.
송전 측 양극 직류 필터(141)는 인덕터(L1)와 커패시터(C1)를 포함하며, 교류-양극 직류 컨버터(131)가 출력하는 양극 직류 전력을 직류 필터링한다.
송전 측 음극 직류 필터(142)는 인덕터(L3)와 커패시터(C3)를 포함하며, 교류-음극 직류 컨버터(132)가 출력하는 음극 직류 전력을 직류 필터링한다.
양극 직류 송전 라인(143)는 양극 직류 전력의 전송을 위한 하나의 DC 라인을 가지고, 전류의 귀환 통로로는 대지가 이용할 수 있다. 이 DC 라인 상에는 하나 이상의 스위치가 배치될 수 있다.
음극 직류 송전 라인(144)는 음극 직류 전력의 전송을 위한 하나의 DC 라인을 가지고, 전류의 귀환 통로로는 대지가 이용할 수 있다. 이 DC 라인 상에는 하나 이상의 스위치가 배치될 수 있다.
수요 측 양극 직류 필터(145)는 인덕터(L2)와 커패시터(C2)를 포함하며, 양극 직류 송전 라인(143)을 통해 전달된 양극 직류 전력을 직류 필터링한다.
수요 측 음극 직류 필터(146)는 인덕터(L4)와 커패시터(C4)를 포함하며, 음극 직류 송전 라인(144)을 통해 전달된 음극 직류 전력을 직류 필터링한다.
수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150)는 양극 직류-교류 컨버터(151)와 음극 직류-교류 컨버터(152)를 포함하고, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(151a)를 포함하고, 음극 직류-교류 컨버터(152)는 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(152a)를 포함한다.
수요 측 트랜스포머 파트(160)는 양극을 위하여 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(151a)에 각각 대응하는 하나 이상의 트랜스포머(161)를 포함하고, 음극을 위하여 하나 이상의 3상 밸브 브릿지(152a)에 각각 대응하는 하나 이상의 트랜스포머(162)를 포함한다.
양극을 위하여 하나의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 6개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
양극을 위하여 2개의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 12개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(161)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
양극을 위하여 3개의 3상 밸브 브릿지(151a)가 이용되는 경우, 양극 직류-교류 컨버터(151)는 양극 직류 전력을 이용하여 18개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 교류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
음극을 위하여 하나의 3상 밸브 브릿지(152a)가 이용되는 경우, 음극 직류-교류 컨버터(152)는 음극 직류 전력을 이용하여 6개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 그 하나의 트랜스포머(162)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, Y-델타(Δ) 형상의 결선을 가질 수도 있다.
음극을 위하여 2개의 3상 밸브 브릿지(152a)가 이용되는 경우, 음극 직류-교류 컨버터(152)는 음극 직류 전력을 이용하여 12개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 이때, 2개 중 하나의 트랜스포머(162)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Y 형상의 결선을 가질 수도 있고, 나머지 하나의 트랜스포머(162)의 1차측 코일과 2차측 코일은 Y-Δ 형상의 결선을 가질 수도 있다.
음극을 위하여 3개의 3상 밸브 브릿지(152a)가 이용되는 경우, 음극 직류-교류 컨버터(152)는 음극 직류 전력을 이용하여 18개의 펄스를 가지는 교류 전력을 생성할 수 있다. 교류 전력의 펄스의 수가 많을수록, 필터의 가격이 낮아질 수 있다.
수요 측 교류 파트(170)는 교류 필터(171)와 교류 송전 라인(173)을 포함한다.
교류 필터(171)는 수요 파트(180)가 이용하는 주파수 성분(예컨데, 60Hz) 이외의 나머지 주파수 성분을, 수요 측 변전 파트(105)가 생성하는 교류 전력에서 제거한다.
교류 송전 라인(173)은 필터링된 교류 전력을 수요 파트(180)에 전달한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트랜스포머와 3상 밸브 브릿지의 결선을 보여준다.
특히, 도 4는 양극을 위한 2개의 트랜스포머(121)와 양극을 위한 2개의 3상 밸브 브릿지(131a)의 결선을 보여준다. 음극을 위한 2개의 트랜스포머(122)와 음극을 위한 2개의 3상 밸브 브릿지(132a)의 결선, 양극을 위한 2개의 트랜스포머(161)와 양극을 위한 2개의 3상 밸브 브릿지(151a)의 결선, 음극을 위한 2개의 트랜스포머(162)와 음극을 위한 2개의 3상 밸브 브릿지(152a)의 결선, 양극을 위한 1개의 트랜스포머(121)와 양극을 위한 1개의 3상 밸브 브릿지(131a), 양극을 위한 1개의 트랜스포머(161)와 양극을 위한 1개의 3상 밸브 브릿지(151a)의 결선 등은 도 4의 실시예로부터 용이하게 도출할 수 있으므로, 그 도면과 설명은 생략한다.
도 4에서, Y-Y 형상의 결선을 가지는 트랜스포머(121)를 상측 트랜스포머, Y-Δ 형상의 결선을 가지는 트랜스포머(121)를 하측 트랜스포머, 상측 트랜스포머에 연결되는 3상 밸브 브릿지(131a)를 상측 3상 밸브 브릿지, 하측 트랜스포머에 연결되는 3상 밸브 브릿지(131a)를 하측 3상 밸브 브릿지라고 부르도록 한다.
상측 3상 밸브 브릿지와 하측 3상 밸브 브릿지는 직류 전력을 출력하는 2개의 출력단인 제1 출력단(OUT1)과 제2 출력단(OUT2)을 가진다.
상측 3상 밸브 브릿지는 6개의 밸브(D1-D6)를 포함하고, 하측 3상 밸브 브릿지는 6개의 밸브(D7-D12)를 포함한다.
밸브(D1)는 제1 출력단(OUT1)에 연결되는 캐소드와 상측 트랜스포머의 2차측 코일의 제1 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D2)는 밸브(D5)의 애노드에 연결되는 캐소드와 밸브(D6)의 애노드에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D3)는 제1 출력단(OUT1)에 연결되는 캐소드와 상측 트랜스포머의 2차측 코일의 제2 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D4)는 밸브(D1)의 애노드에 연결되는 캐소드와 밸브(D6)의 애노드에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D5)는 제1 출력단(OUT1)에 연결되는 캐소드와 상측 트랜스포머의 2차측 코일의 제3 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D6)는 밸브(D3)의 애노드에 연결되는 캐소드를 가진다.
밸브(D7)는 밸브(D6)의 애노드에 연결되는 캐소드와 하측 트랜스포머의 2차측 코일의 제1 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D8)는 밸브(D11)의 애노드에 연결되는 캐소드와 제2 출력단(OUT2)에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D9)는 밸브(D6)의 애노드에 연결되는 캐소드와 하측 트랜스포머의 2차측 코일의 제2 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D10)는 밸브(D7)의 애노드에 연결되는 캐소드와 제2 출력단(OUT2)에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D11)는 밸브(D6)의 애노드에 연결되는 캐소드와 하측 트랜스포머의 2차측 코일의 제3 단자에 연결되는 애노드를 가진다.
밸브(D12)는 밸브(D9)의 애노드에 연결되는 캐소드와 제2 출력단(OUT2)에 연결되는 애노드를 가진다.
한편, 수요 측 직류-교류 컨버터 파트(150)는 모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Mulit-Level Converter, 200)로 구성될 수 있다.
모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 복수의 서브 모듈(210)을 이용하여 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
도 5 및 6을 참고하여 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 구성을 설명한다.
도 5 및 6은 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 구성 블록도이다.
모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 중앙 제어기(250), 복수의 서브 제어기(230), 복수의 서브 모듈(210)을 포함한다.
중앙 제어기(250)는 복수의 서브 제어기(230)를 제어하고, 각각의 서브 제어기(230)는 자신과 연결된 각각의 서브 모듈(210)을 제어할 수 있다.
이때, 도 5에서와 같이, 하나의 서브 제어기(230)는 하나의 서브 모듈(210)과 연결되고, 그에 따라 상기 중앙 제어기(250)를 통해 전송되는 제어 신호를 기준으로 자신과 연결된 하나의 서브 모듈(210)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 이와 다르게, 도 6에서와 같이 하나의 서브 제어기(230)는 복수의 서브 모듈(210)과 연결되고, 그에 따라 상기 중앙 제어기(250)를 통해 전송되는 복수의 제어 신호를 이용하여 상기 자신과 연결된 복수의 서브 모듈(210)에 대한 각각의 제어 신호를 확인하고, 상기 확인한 제어 신호를 기준으로 상기 복수의 서브 모듈(210)을 각각 제어할 수 있다.
상기 중앙 제어기(250)는 상기 복수의 서브 모듈(210)의 동작 조건을 결정하고, 상기 결정한 동작 조건에 따라 상기 복수의 서브 모듈(210)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
그리고, 중앙 제어기(250)는 상기 제어 신호가 생성되면, 상기 생성된 제어 신호를 상기 서브 제어기(230)로 전송한다.
이때, 상기 복수의 서브 제어기(230)에는 어드레스가 할당되어 있으며, 이에 따라 상기 중앙 제어기(250)는 각각의 서브 모듈(210)에 대한 제어 신호를 생성하고, 상기 할당된 어드레스를 기준으로 상기 생성한 제어 신호를 상기 서브 제어기(230)에 전송한다.
예를 들어, 제 1 서브 모듈(210)과 제 1 서브 제어기(230)가 상호 연결되어, 상기 제 1 서브 제어기(230)를 통해 상기 제 1 서브 모듈(210)의 스위칭 제어가 이루어지고, 상기 제 1 서브 모듈(210)에 할당된 어드레스 정보가 '1'인 경우, 상기 중앙 제어기(250)는 상기 제 1 서브 모듈(210)에 대응하는 제어 신호를 상기 '1'이라는 어드레스가 할당된 제 1 서브 모듈(210)로 전송한다.
그리고, 제 1 서브 모듈(210)은 상기 중앙 제어기(250)를 통해 전송되는 제어 신호를 수신하고, 상기 수신한 제어 신호에 따라 상기 자신과 연결된 서브 모듈(210)을 제어한다.
이때, 상기 중앙 제어기(250)에서 서브 제어기(230)로 전송되는 제어신호에는, 상기 서브 모듈(210)의 스위칭 조건 정보와 함께 상기 스위칭 조건 정보가 어느 서브 모듈(210)에 적용될 정보인지를 나타내는 식별정보를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 서브 제어기(230)는 상기 제어 신호에 포함된 식별 정보를 이용하여 상기 중앙 제어기(250)로부터 전송된 제어 신호가 자신과 연결된 서브 모듈에 대응하는 제어 신호인지를 확인하고, 그에 따라 상기 제어 신호에 포함된 스위칭 조건 정보를 기준으로 상기 서브 모듈의 스위칭 조건을 제어할 수 있다.
이때, 상기 수신된 제어 신호에 포함된 식별 정보가 자신과 연결된 서브 모듈(210)에 상응하지 않는 경우, 상기 서브 제어기(230)는 상기 수신된 제어 신호에 따른 스위칭 동작 조건을 상기 서브 모듈(210)에 적용하지 않는다.
그리고, 상기 서브 제어기(230)는 상기 제어 신호에 포함된 식별 정보에 대응하는 서브 모듈을 제어하는 다른 서브 제어기로 상기 수신한 제어 신호를 전달한다.
이하에서는, 상기 서브 모듈(210), 서브 제어기(230) 및 중앙 제어기(250)에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
서브 모듈(210)은 직류 전력을 입력받아 충전, 방전 및 바이패스 동작 중 어느 하나의 동작을 수행할 수 있다.
서브 모듈(210)은 다이오드를 포함하는 스위칭 소자로 구성되며, 이에 따라 스위칭 동작과 다이오드의 정류 동작으로 서브 모듈(210)의 충전, 방전 및 바이패스 동작 중 어느 하나의 동작을 수행할 수 있다.
상기 서브 제어기(230) 각각은, 상기 서브 모듈(210)에 대한 정보를 획득하고, 상기 획득한 정보를 어드레스 정보 내에 삽입한다. 그리고, 서브 제어기(230) 각각은, 상기 중앙 제어기(250)의 요청에 따라 상기 획득한 정보들이 삽입된 어드레스 정보를 상기 중앙 제어기(250)로 전송한다.
이를 위해, 상기 서브 제어기(230) 각각은 적어도 하나의 센서를 가질 수 있다. 상기 서브 제어기(230)에 포함된 센서는 상기 서브 모듈(210)의 전류, 전압 중 하나 이상을 측정할 수 있다.
그리고, 상기 서브 제어기(230)는 상기 측정한 서브 모듈(210)의 전류 및 전압 정보 중 적어도 하나의 정보를 어드레스 정보 내에 삽입할 수 있다. 이때, 상기 측정한 정보는 상기 서브 모듈(210)에 충전된 전압 정보일 수 있다.
또한, 서브 제어기(230)는 상기 중앙 제어기(250)로부터 전송되는 레퍼런스 정보를 상기 어드레스 정보 내에 삽입할 수 있다. 상기 레퍼런스 정보는, 기준 직류 전압 및 스위칭 캐리어 신호를 포함할 수 있다.
또한, 서브 제어기(230)는 상기 서브 모듈(210)의 스위칭 히스토리 정보를 상기 어드레스 정보 내에 저장할 수 있다. 상기 스위칭 히스토리 정보는 상기 서브 모듈(210)이 수행한 충전 동작, 방전 동작 및 바이패스 동작에 대한 히스토리 정보를 의미한다.
즉, 상기 서브 제어기(230)는 상기 서브 모듈(210)에 대한 현재 스위칭 정보, 그리고 이전 시점에 수행한 스위칭 정보를 확인하고, 상기 확인한 스위칭 정보를 상기 어드레스 정보 내에 삽입한다.
또한, 상기 서브 제어기(230) 각각에는 어드레스가 할당되며, 이에 따라 상기 어드레스 정보 내에는 상기 할당된 어드레스에 대응하는 식별 정보가 포함될 수 있다.
그리고, 상기 서브 제어기(230)는 상기 중앙 제어기(250)에는 자신의 어드레스의 확인을 요청하는 신호가 수신되면, 상기 수신된 요청 신호에 따라 상기 어드레스 정보를 상기 중앙 제어기(250)로 전송한다.
이때, 상기 전송되는 어드레스 정보 내에는 상기와 같은 식별 정보뿐만 아니라, 상기 서브 모듈(210)과 관련된 다양한 정보가 포함되어 있다.
상기 중앙 제어기(250)는 상기 어드레스의 확인만으로도, 상기 서브 제어기(230)가 제어하고 있는 서브 모듈(210)의 상태 정보까지 확인할 수 있다.
또한, 상기 중앙 제어기(250)는 상기 확인한 상태 정보에 의거하여, 상기 다수의 서브 모듈(210)의 스위칭 상태를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 서브 모듈(210)은 복수 개로 이루어져 있으며, 이에 따라 특정 서브 모듈은 계속적인 충전 동작만을 수행할 수 있고, 다른 서브 모듈은 방전 동작 또는 바이 패스 동작만을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 중앙 제어기(250)는 상기 확인한 어드레스 정보 내에 포함되어 있는 스위칭 히스토리 정보를 이용하여, 현 시점에서의 방전 동작을 수행할 서브 모듈, 충전 동작을 수행할 서브 모듈 및 바이패스 동작을 수행할 서브 모듈을 각각 결정한다.
또한, 상기 중앙 제어기(250)는 상기 어드레스 정보 내에 포함된 충전 전압 정보를 이용하여, 현 시점에 필요한 전력에 따라 방전 동작을 수행할 서브 모듈의 수를 결정할 수 있다.
즉, 중앙 제어기(250)는 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
중앙 제어기(250)는 자신과 연계된 교류 파트(110, 170) 및 직류 송전 파트(140)의 전류, 전압을 측정할 수 있다.
또한, 중앙 제어기(250)는 전체 제어값을 산출할 수 있다.
여기서 전체 제어값이란, 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 출력 교류 전력의 전압, 전류, 주파수 크기에 대한 목표값일 수 있다.
중앙 제어기(250)는 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)와 연계된 교류 파트(110, 170)의 전류, 전압 및 직류 송전 파트(140)의 전류, 전압 중 하나 이상을 기초로 전체 제어값을 산출할 수 있다.
한편, 중앙 제어기(250)는 통신 장치(미도시)를 통해 상위 제어기(미도시)로부터 수신한 기준 유효 전력, 기준 무효 전력, 기준 전류, 기준 전압 중 하나 이상을 기초로 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 동작을 제어할 수도 있다.
중앙 제어기(250)는 상기 서브 제어기(230)와 데이터를 주고 받을 수 있으며, 이에 따라 상기 설명한 바와 같은 어드레스 정보를 제공받을 수 있다.
도 7을 참고하여, 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)에 포함되는 복수의 서브 모듈(210)의 연결을 설명한다.
도 7은 3상 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)에 포함되는 복수의 서브 모듈(210)의 연결을 나타낸다.
도 7을 참고하면, 복수의 서브 모듈(210)은 직렬로 연결될 수 있으며, 하나의 상(Phase)의 양극 또는 음극에 연결된 복수의 서브 모듈(210)을 하나의 암(Arm)을 구성할 수 있다.
3상 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 일반적으로 6개의 암(Arm)으로 구성될 수 있으며, A, B, C인 3상 각각에 대해 양극과 음극으로 구성되어 6개의 암(Arm)으로 구성될 수 있다.
이에 따라, 3상 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 A상 양극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제1 암(221), A상 음극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제2 암(222), B상 양극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제3 암(223), B상 음극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제4 암(224), C상 양극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제5 암(225), C상 음극에 대한 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 제6 암(226)으로 구성될 수 있다.
그리고 하나의 상(Phase)에 대한 복수의 서브 모듈(210)은 레그(Leg)를 구성할 수 있다.
이에 따라, 3상 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 A상에 대한 복수의 서브 모듈(210)을 포함하는 A상 레그(227)과, B상에 대한 복수의 서브 모듈(210)을 포함하는 B상 레그(228), C상에 대한 복수의 서브 모듈(210)을 포함하는 C상 레그(229)로 구성될 수 있다.
그래서 제1 암(221) 내지 제 6암(226)은 각각 A, B, C상 레그(227, 228, 229)에 포함된다.
구체적으로, A상 레그(227)에는 A상의 양극 암인 제1 암(221)과 음극 암인 제2 암(222)이 포함되며, B상 레그(228)에는 B상의 양극 암인 제3 암(223)과 음극 암인 제4 암(224)가 포함된다. 그리고 C상 레그(229)에는 C상의 양극 암인 제5 암(225)과 음극 암인 제6 암(226)이 포함된다.
또한, 복수의 서브 모듈(210)은 극성에 따라 양극 암(Arm, 227)과 음극 암(Arm, 228)을 구성할 수 있다.
구체적으로 도 7을 참고하면, 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)에 포함되는 복수의 서브 모듈(210)은 중성선(n)을 기준으로 양극에 대응하는 복수의 서브 모듈(210)과 음극에 대응하는 복수의 서브 모듈(210)로 분류할 수 있다.
그래서 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 양극에 대응하는 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 양극 암(227), 음극에 대응하는 복수의 서브 모듈(210)로 구성되는 음극 암(228)로 구성될 수 있다.
이에 따라, 양극 암(227)은 제1 암(221), 제3 암(223), 제5 암(225)로 구성될 수 있고, 음극 암(228)은 제2 암(222), 제4 암(224), 제6 암(226)으로 구성될 수 있다.
이어서 도 8을 참고하여, 서브 모듈(210)의 구성을 설명한다.
도 8은 서브 모듈(210)의 구성에 대한 예시도이다.
도 8을 참고하면, 서브 모듈(210)은 2개의 스위치, 2개의 다이오드, 커패시터를 포함한다. 이러한 서브 모듈(210)의 형태를 하프 브릿지(half-bridge) 형태 또는 반파 인버터(half bridge inverter)라고도 한다.
그리고 스위칭부(217)에 포함되는 스위치는 전력 반도체를 포함할 수 있다.
여기서 전력 반도체는 전력 장치용 반도체 소자를 말하며, 전력의 변환이나 제어용에 최적화될 수 있다. 그리고 전력 반도체는 밸브 장치라고 하기도 한다.
이에 따라 스위칭부(217)에 포함되는 스위치는 전력 반도체로 구성될 수 있어서, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 등으로 구성될 수 있다.
저장부(219)는 커패시터를 포함하고 있어서, 에너지를 충전 또는 방전할 수 있다. 한편, 서브 모듈(210)의 구성 및 동작을 기초로 서브 모듈(210)을 등가 모델로 나타낼 수 있다.
도 9는 서브 모듈(210)의 등가 모델을 나타내며, 도 9를 참고하면 서브 모듈(210)은 스위치와 커패시터로 구성된 에너지 충전 및 방전 장치로 나타낼 수 있다.
이에 따라 서브 모듈(210)은 출력 전압이 Vsm인 에너지 충전 및 방전장치와 동일함을 확인할 수 있다.
이어서 도 10 내지 도 13을 참고하여, 서브 모듈(210)의 동작을 설명한다.
도 10 내지 도 13의 서브 모듈(210)의 스위치부(217)는 복수의 스위치 T1, T2를 포함하고, 각각의 스위치는 각각의 다이오드 D1, D2에 연결된다. 그리고 서브 모듈(210)의 저장부(219)는 커패시터를 포함한다.
도 10 및 도 11을 참고하여 서브 모듈(210)의 충전 및 방전동작을 설명한다.
도 10 및 도 11은 서브 모듈(210)의 커패시터 전압(Vsm) 형성을 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 스위치부(217)의 스위치 T1은 턴온, 스위치 T2는 턴오프 된 상태를 나타낸다. 이에 따라 서브 모듈(210)은 각각의 스위치 동작에 따라 커패시터 전압을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 10을 참고하면 서브 모듈(210)에 유입되는 전류는 다이오드 D1을 거쳐 커패시터에 전달되어 커패시터 전압을 형성한다. 그리고 형성된 커패시터 전압은 커패시터에 에너지를 충전할 수 있다.
그리고 서브 모듈(210)은 충전된 에너지를 방출하는 방출 동작을 할 수 있다.
구체적으로, 도 11을 참고하면 서브 모듈(210)에 충전된 에너지인 커패시터의 저장 에너지는 스위치 T1을 거쳐 출력된다. 따라서 서브 모듈(210)은 저장된 에너지를 방출할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참고하여 서브 모듈(210)의 바이패스(Bypass) 동작을 설명한다.
도 12 및 도 13은 서브 모듈(210)의 영 전압 형성을 나타낸다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 스위치부(217)의 스위치 T1은 턴오프, 스위치 T2는 턴온 된 상태를 나타낸다. 이에 따라 서브 모듈(210)의 커패시터에 전류가 흐르지 않게 되어, 서브 모듈(210)은 영 전압을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 12를 참고하면 서브 모듈(210)로 유입되는 전류는 스위치 T2를 통해 출력되어 서브 모듈(210)은 영 전압을 형성할 수 있다.
그리고 도 13을 참고하면, 서브 모듈(210)에 유입되는 전류는 다이오드 D2를 통해 출력되어 서브 모듈(210)은 영 전압을 형성할 수 있다.
이처럼 서브 모듈(210)은 영 전압을 형성할 수 있어서, 흐르는 전류가 서브 모듈(210)에 유입되지 않고 통과하는 바이패스 동작을 수행할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 손실 보정 시스템의 구성을 보여주는 구성 블록도이다.
도 14를 참조하면, 전력 손실 보정 시스템은 HVDC 시스템(300) 및 전력 손실량 보정 장치(400)를 포함한다.
HVDC 시스템(300)은 상기에서 설명하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 설명한 바와 같이, HVDC 시스템(300)은 변환소 1(310), 변환소 2(320) 및 송전 선로(300)를 포함한다.
상기 변환소 1(310) 및 변환소 2(320)는 운전 상태에 따라 송전소 및 수전소 중 어느 하나로 동작하게 된다. 예를 들어, 변환소 1(310)이 송전소로 동작하는 경우, 상기 변환소 2(320)는 상기 변환소 1(310)에서 전송되는 전력을 수신하는 수전소로 동작한다. 이와 반대로, 변환소 2(320)가 송전소로 동작하는 경우, 상기 변환소 1(310)은 상기 변환소 2(320)에서 전송되는 전력을 수신하는 수전소로 동작한다.
상기 송전 선로(300)는 변환소 1(310) 및 변환소 2(320) 사이에 배치되며, 그에 따라 상기 변환소 1(310)에서 발생한 전력을 상기 변환소 2(320)로 전송할 수 있으며, 이와 반대로 상기 변환소 2(320)에서 발생하는 전력을 변환소 1(310)로 전송할 수 있다.
전력 손실량 보정 장치(400)는 변환소 1(310), 변환소 2(320) 및 송전 선로(330)의 각각에서 발생하는 전력 손실량을 계산하고, 그에 따라 임피던스 값을 토대로 상기 계산된 전력 손실량을 검증하며, 상기 검증 결과에 따라 상기 계산된 전력 손실량을 보정한다.
이러한 전력 손실량의 보정은, 상기 변환소 1(310), 변환소 2(320) 및 송전 선로(330)의 각각에 대해 수행될 수 있다. 또한, 상기 전력 손실량의 보정은 상기 상기 변환소 1(310), 변환소 2(320) 및 송전 선로(330)의 운전 모드 및 요구 전력량에 따라 구분되어 이루어진다.
예를 들어, 전력 손실량 보정 장치(400)는 요구 전력량별로 변환소 1(310)이 송전소로 동작하고 변환소 2(320)가 수전소로 동작하는 조건에서 전력 손실량을 보정하고, 또한 요구 전력량별로 변환소 1(310)이 수전소로 동작하고 변환소 2(320)가 송전소로 동작하는 조건에서 전력 손실량을 보정한다.
즉, 기존의 전력 손실량의 계산 방법은 송전 전력량(송전소에 설치된 전압 센서의 측정 값 * 송전소에 설치된 전류 센서의 측정 값)에서 수전 전력량(수전소에 설치된 전압 센서의 측정 값 * 수전소에 설치된 전류 센서의 측정 값)의 차이 값으로 계산되었다.
그러나, 실제 HVDC 시스템은 전력 변환을 수행하는 밸브, 변압기, 필터 및 제어기 등으로 구성되며, 이에 따른 스위칭 손실 및 고조파가 발생하게 된다.
이에 따라, HVDC 시스템은 고조파 억제, 전류와 전압의 평활 및 위상 제어를 해야 하기 때문에 코일 및 커패시터로 이루어진 고조파 필터, 평활 리액터, 중성선 커패시터 및 포화 리액터 등을 포함한다.
이러한 필터 기능을 하는 수동 소자들을 주파수에 따른 임피던스 값(허수 부분의 저항)이 지속적으로 변화하게 되며, 이에 따른 전력 손실량을 측정할 시 임피던스가 계속적으로 변화하게 된다.
임피던스란 저항이지만, 변화하지 않는 실수부를 저항이라고 부르며, 실수부와 허수부로 구성되어 진다. 그리고, 상기 허수부는 주로 주파수에 따라 변화하는 저항을 의미한다.
임피던스에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
임피던스는 저항, 코일, 축전기가 직렬로 연결된 교류회로의 합성저항을 의미한다. 임피던스는 전압과 전류의 비율외에 위상도 함께 나타내는 벡터량이다. 그리고, 임피던스의 복소수 Z는 R + ix (i는 허수단위)로 표시하며 실수부분 R은 저항값이며, 허수부분 x는 리액턴스이다.
여기에서, 직류회로에서는 전기저항이 곧 전압과 전류의 비를 의미한다. 그러나 교류회로에서는 코일이나 축전기에 의해 전압과 전류의 위상이 달라지므로 복소 임피던스를 사용하여 저항값과 위상을 함께 나타낸다.
저항을 통과한 전류는 전압과 위상이 같으며, 코일에 전류가 흐르면 전류보다 전압의 위상이 90°(1/4주기)가 빠르며, 축전기에 의해서는 전압이 전류보다 90°늦다. 따라서 저항, 코일, 축전기를 통과한 후 위상 δ는 다음과 같이 쓸 수 있으며, 곧 복소임피던스의 각이 된다.
Figure 112015014688041-pat00001
그리고, 임피던스 Z는 직류에서의 저항값에 해당하며, 크기는 아래와 같다.
Figure 112015014688041-pat00002
여기서 R은 저항, X=XL-XC 는 전체 리액턴스(total reactance)이다. X값은 유도성일 때에 양의 값을 가지고, 용량성일 때에 음의 값을 갖는다.
그리고, 직렬접속시킨 회로의 임피던스는 각 요소들의 합이 되며, 병렬접속시킨 것의 임피던스의 역수는 각 임피던스의 역수의 합과 같다.
Zseries=Z1 +Z2 =(R1 + R2)+i(X1+X2)
(Zparallel) -1=Z1 -1+Z2 -1
교류는 시간에 따라 그 임피던스 값이 변화하므로 전류와 전압의 실효값을 사용한다. 따라서 교류전압의 실효값을 Ve라고 하면, 전류의 실효값 Ie=Ve/Z가 된다.
이에 따라, 전력 전송이 일정하다고 가정하고, 고조파가 발생하지 않는다면, 시스템 설계 시에 설정된 임피던스 값이 고정되게 된다.
그러나,, HVDC 시스템에서는 교류-직류 또는 직류-교류로 지속적인 전력 변환이 이루어지며, 밸브라는 스위칭 수단이 존재하여 고조파가 지속적으로 발생하고, 계통과의 연계에 따라 고조파가 유입되며, 이러한 고조파를 제거하기 위한 고조파 필터도 존재한다. 이에 따라, 전력 손실 계산 시에 임피던스 값도 계속적으로 변화하게 되며, 이에 따른 전력 손실량도 지속적으로 변화하게 된다.
따라서, 전력 손실량 보정 장치(400)는 변환소 1(310), 변환소 2(320) 및 송전 선로(330)의 임피던스 값을 계산하고, 이에 따른 HVDC 시스템의 운전 시에 각각의 위치에서 발생하는 전력 손실량을 검증 및 보정한다.
이를 위해, 전력 손실량 보정 장치(400)는 제 1 전력 손실량을 계산한다.
상기 제 1 전력 손실량은 종래에서 사용한 전력 손실량 계산 방법을 그대로 이용한 것이다.
즉, 상기 제 1 전력 손실량은 다음과 같이 계산될 수 있다.
제 1 전력 손실량 = 송전 전력량(V_1*I_1) - 수전 전력량(V_2*I_2)
여기에서, 상기 V_1 및 I_1은 송전소로 동작하는 변환소에 설치된 전압 센서 및 전류 센서를 통해 획득된 값이고, 상기 V_2 및 I_2는 수전소로 동작하는 변환소에 설치된 전압 센서 및 전류 센서를 통해 획득된 값이다.
전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 제 1 전력 손실량이 계산되면, 상기 계산된 제 1 전력 손실량이 정확한 값인지를 검증하고, 상기 제 1 전력 손실량이 정확한 값이 아니라면 이에 대한 오차를 보정한다.
상기 검증을 위하여, 상기 전력 손실량 보정 장치(400)는 변환소 1(310)에서 발생하는 손실량, 변환소 2(320)에서 발생하는 손실량, 그리고 송전 선로(330)에서 발생하는 손실량을 각각 계산하고, 이를 토대로 제 2 전력 손실량을 계산한다.
즉, 상기 제 2 전력 손실량은 다음과 같은 식에 의해 계산될 수 있다.
제 2 전력 손실량 = 변환소 1 손실량 + 변환소 2 손실량 + 송전 라인 손실량
여기에서, 상기 변환소 1 손실량은 I_1*I_1*Z1에 의해 계산되며, 상기 Z1는 변환소 1의 임피던스 값이다.
또한, 변환소 2 손실량은 I_2*I_2*Z2에 의해 계산되며, 상기 Z2는 변환소 2의 임피던스 값이다.
또한, 송전 라인 손실량은 I_3*I_3*Z3에 의해 계산되며, 상기 I_3는 상기 송전 라인의 전류 값이며, 상기 Z3는 송전라인의 임피던스 값이다.
상기와 같은 계산에 의해, 각 기기(변환소 1, 변환소 2 및 송전 라인)에서 발생하는 손실량을 확인할 수 있다.
그리고, 실질적으로 상기 제 2 전력 손실량은 상기 HVDC 시스템에서 발생한 실제 전력 손실량일 수 있다. 보다 명확하게는, 상기 제 2 전력 손실량이 상기 HVDC 시스템에서 측정된 정확한 손실량일 수 있다.
이때, 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량은 실질적으로 동일한 값이어야 이상적이다. 그러나, 상기 설명한 바와 같이 변환 고조파 및 주파수 온도에 따라 손실량이 지속적으로 변하기 때문에 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량은 값아 지기가 어렵다.
따라서, 실시 예에서는 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량이 오차를 보정하기 위한 보정 작업을 지속적으로 수행한다.
즉, 상기와 같이 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이는 0이 되어야 이상적이지만, 실제로는 그렇지 않는 경우가 많다. 이에 따라, 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이가 x이면, 상기 x값만큼 수전소의 전력량에 보정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 30MW운전 조건에서 상기 변환소 1에서 변환소 2로 전력이 전송되는 상황(변환소 1이 송전소로 동작하고, 변환소 2가 수전소로 동작하는 조건)에서, 상기 제 1 전력 손실량에서 제 2 전력 손실량을 뺀 결과 값이 1MW이면, 상기 수전소에서 측정된 전력량에 상기 차이 값이 1MW를 오프셋 값으로 하여 보정할 수 있다. 예를 들어, 상기 수전소인 변환소 2에서 측정된 전력량이 28MW인 경우, 상기 오프셋 값을 적용하여, 상기 변환소 2의 전력량을 29MW로 인지할 수 있다.
그러나, 동일한 조건에서 상기 HVDC 시스템을 재운전 시키고, 그에 따라 상기 계산 방법을 통해 손실량을 계산하여도 동일한 결과 값이 나오질 않는다. 이에 따라 단순히 상기와 같이 수전소의 전력량에 오프셋 값을 적용하여 보정하는 것으로 정확한 보정이 이루어지지 않을 수 있다.
따라서, 실시 예에서는, 송전 라인(330)의 임피던스 값을 상태에 따라 보정하여 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이를 보상한다.
예를 들어, 상기 송전 라인의 임피던스 값의 초기 값(설계 시의 설정 값)이 10인 경우, 상기와 같은 오프셋 값을 적용하여 상기 송전 라인의 임피던스 값을 9로 보정할 수 있다.
한편, 상기와 같은 보정은 운전 방향 및 운전 전력량에 따라 보정이 이루어진다. 즉, 변환소 1이 송전소로 동작하고, 변환소 2가 수전소로 동작하며, 상기 변환소 1에서 변환소 2로 전송되는 운전 전력량에 따라 상기와 같은 송전 라인의 임피던스를 보정하기 위한 보정 값이 결정된다.
또한, 변환소 1이 수전소로 동작하고 변환소 2가 송전소로 동작하며, 상기 변환소 2에서 변환소 1로 전송되는 운전 전력량에 따라 상기와 같은 송전 라인의 임피던스를 보정하기 위한 보정 값이 결정된다.
상기와 같이 실시 예에 따르면, 변환소의 전력 손실량을 계산하여 실제 전력 손실량과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 계산된 전력 손실량의 오차를 보정해줌으로써, 변환소의 전력 손실 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면 복수의 변환소 사이를 연결하는 전송 선로의 전송 전력에 따른 임피던스 변화를 반영하여 상기 복수의 변환소 사이에서 발생하는 전력 손실량을 보정해줌으로써, 간단하게 전송 전력의 손실을 최소화하면서 오차를 보정할 수 있다.
도 15 내지 17은 실시 예에 따른 HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 전력 손실량 보정 장치(400)는 송전 전력량을 측정한다(110단계). 상기 송전 전력량은, 변환소 1이 송전소로 동작하는 경우에는 상기 변환소 1의 전력량일 수 있으며, 변환소 2가 송전소로 동작하는 경우에는 상기 변환소 2의 전력량일 수 있다.
다음으로, 전력 손실량 보정 장치(400)는 수전 전력량을 측정한다(120단계). 상기 수전 전력량은, 변환소 1이 수전소로 동작하는 경우에는 상기 변환소 1의 전력량일 수 있으며, 변환소 2가 수전소로 동작하는 경우에는 상기 변환소 2의 전력량일 수 있다.
이어서, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 송전 전력량과 수전 전력량의 차이 값을 토대로 제 1 전력 손실량을 계산한다(130단계).
그리고, 전력 손실량 보정 장치(400)는 각 위치에서의 임피던스 값을 기준으로 제 2 전력 손실량을 계산한다(140단계).
이어서, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이 값을 토대로 전력 손실량 보상을 위한 보상 값을 결정한다(150단계).
도 16을 참조하면, 전력 손실량 보정 장치(400)는 송전소의 임피던스 값을 토대로 상기 송전소에서 발생하는 손실량을 계산한다(210단계).
이어서, 전력 손실량 보정 장치(400)는 수전소의 임피던스 값을 토대로 상기 수전소에서 발생하는 손실량을 계산한다(220단계).
또한, 전력 손실량 보정 장치(400)는 송전소와 수전소를 연결하는 송전 라인의 임피던스 값을 토대로 상기 송전 라인에서 발생하는 손실량을 계산한다(230단계).
그리고, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 송전소, 수전소 및 송전 라인의 손실량들의 총 합 값을 상기 제 2 전력 손실량으로 결정한다(240단계)/
또한, 도 17을 참조하면, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이 값을 계산한다(310단계).
그리고, HVDC 시스템의 운전 방향 및 운전 전력량을 확인한다(320단계).
또한, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 계산한 차이 값을 토대로 송전 라인의 임피던스 값을 보정하기 위한 보정 값을 결정한다(330단계).
그리고, 전력 손실량 보정 장치(400)는 상기 결정한 보정 값을 상기 확인한 운전 방향 및 운전 전력량에 따른 보정 값으로 결정한다(340단계).
실시 예에 따르면, 변환소의 전력 손실량을 계산하여 실제 전력 손실량과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 계산된 전력 손실량의 오차를 보정해줌으로써, 변환소의 전력 손실 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면 복수의 변환소 사이를 연결하는 전송 선로의 전송 전력에 따른 임피던스 변화를 반영하여 상기 복수의 변환소 사이에서 발생하는 전력 손실량을 보정해줌으로써, 간단하게 전송 전력의 손실을 최소화하면서 오차를 보정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
300: HVDC 시스템
400: 전력 손실량 보정 장치

Claims (7)

  1. HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법에 있어서,
    송전 전력량과 수전 전력량을 측정하는 단계;
    상기 측정된 송전 전력량과 수전 전력량의 차이 값을 토대로 제 1 전력 손실량을 계산하는 단계;
    상기 HVDC 시스템의 각 위치에 대한 임피던스 값을 토대로 상기 각 위치에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계;
    상기 계산한 손실량들의 합 값을 토대로 제 2 전력 손실량을 계산하는 단계; 및
    상기 제 1 전력 손실량과 제 2 전력 손실량의 차이 값을 토대로 상기 HVDC 시스템에서 발생하는 전력 손실량의 보정을 위한 보정 값을 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 각 위치에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계는,
    변환소 1에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계와,
    변환소 2에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계와,
    상기 변환소 1과 변환소 2를 연결하는 송전 라인에서 발생하는 손실량을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 송전 전력량은,
    상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 변환소 1 또는 변환소 2의 전력량이며,
    상기 수전 전력량은,
    상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 변환소 2 또는 변환소 1의 전력량인
    HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보정 값은,
    상기 제 2 전력 손실량과 동일한 값으로 상기 제 1 전력 손실량을 보정하기 위한 오프셋 값을 포함하는
    HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 오프셋 값은
    상기 송전 라인의 임피던스 값을 상태에 따라 보정하기 위한 보정 값인
    HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보정 값은,
    상기 HVDC 시스템의 운전 방향에 따라 서로 다른 값으로 각각 결정되며,
    상기 운전 방향은,
    상기 변환소 1이 송전소로 동작하고, 변환소 2가 수전소로 동작하는 제 1 운전 방향과,
    상기 변환소 1이 수전소로 동작하고, 상기 변환소 2가 송전소로 동작하는 제 2 운전 방향을 포함하는
    HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보정 값은,
    상기 송전소에서 수전소로 공급되는 운전 전력량에 따라 서로 다른 값으로 각각 결정되는
    HVDC 시스템의 전력 손실 보정 방법.
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