KR102082140B1

KR102082140B1 - Hvdc 시스템에서 전력 값 측정 방법

Info

Publication number: KR102082140B1
Application number: KR1020150021131A
Authority: KR
Inventors: 최용길; 최호석
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2020-02-27
Also published as: EP3056914B1; CN105870954B; JP2016148651A; US10254320B2; CN105870954A; EP3056914A1; JP6301976B2; US20160231366A1; KR20160098896A; ES2721447T3

Abstract

실시 예에 따른 HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법은 변전소의 특정 위치에 설치된 센서 그룹으로부터 측정된 전류 값 및 전압 값을 수신하는 단계; 상기 센서 그룹이 설치된 위치의 선로 임피던스를 확인하는 단계; 상기 전류 값 및 전압 값을 이용하여 상기 변전소의 제 1 전력 값을 계산하는 단계; 상기 전류 값 및 상기 선로 임피던스를 이용하여 상기 변전소의 제 2 전력 값을 계산하는 단계; 상기 전압 값 및 상기 선로 임피던스를 이용하여 상기 변전소의 제 3 전력 값을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 제 1 내지 3 전력 값을 비교하여, 상기 제 2 및 3 전력 값 중 어느 하나의 전력 값을 상기 변전소의 실제 전력 값으로 결정하는 단계를 포함한다.

Description

HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법{METHOD FOR DETECTING POWER VALUE IN A HVDC SYSTEM}

실시 예는, HVDC 시스템에 관한 것으로, 특히 전압 센서 및 전류 센서를 통해 측정된 값들을 이용하여 전력 값을 계산하는 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.

이러한 HVDC 시스템에는 시스템 제어 및 시스템 보호 등의 목적을 위하여 여러 개소에 계기용 변압기가 설치된다.

그러나, 상기와 같은 계기용 변압기는 동일 제품인 경우에도 전압 측정 범위에 따라 서로 다른 측정 값을 감지함에 따라 측정 오류가 발생할 수 있으며, 이는 시스템 고장으로 인식되어 심각한 경우에는 시스템 운전을 중단해야 하는 상황이 발생할 수 있다.

즉, 일반적으로 단일 계기용 변압기의 전압 측정 오차는 0.2~0.5% 범위를 가져야 한다. 그러나, HVDC 시스템에 적용되는 계기용 변압기는 초고압 측정시에 오차 범위가 상당히 커지게 되며, 또한 여러 개소에 복수의 계기용 변압기가 설치되는 경우, 각각의 계기용 변압기가 가지는 측정 오차로부터 야기되는 오류의 범위는 더 넓어질 수 밖에 없는 실정이다.

또한, 이를 위해 보다 정밀한 센싱 기기를 사용할 수 있으나, 정밀한 센싱 기기를 사용하기에는 설치 비용과 기술적인 문제가 존재하게 된다.

실시 예에서는, HVDC 시스템에 설치된 센서들의 측정 오차로 인해 나타나는 전력 손실을 보정할 수 있는 HVDC 시스템에서 전력량 측정 방법을 제공한다.

또한, 실시 예에서는 임피던스 값을 이용하여 전류 측정 오차 및 전압 측정 오차의 추이를 비교하고, 이에 따라 오차 정도가 작은 측정 값을 이용하여 전력을 계산할 수 있는 HVDC 시스템에서 전력량 측정 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.

또한, 상기 센서 그룹은, 상기 특정 위치의 전류를 측정하는 전류 센서와, 상기 특정 위치의 전압을 측정하는 전압 센서를 포함한다.

또한, 상기 선로 임피던스는, 상기 전류 센서와 전압 센서를 연결하는 선로의 임피던스를 포함한다.

또한, 상기 변전소의 운전 조건이 송전 운전 조건 및 수전 운전 조건 중 어느 운전 조건인지를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 센서 그룹이 설치된 위치의 선로 임피던스를 확인하는 단계는, 상기 확인된 운전 조건에 대응하는 선로 임피던스를 확인하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 결정하는 단계는, 상기 제 1 내지 3 전력 값을 비교하여, 상기 전압 값의 측정 오차 및 상기 전류 값의 측정 오차 중 작은 측정 오차를 가지는 측정 값을 확인하는 단계와, 상기 제 2 및 3 전력 값 중 상기 확인된 측정 값을 이용하여 계산된 전력 값을 확인하는 단계와, 상기 확인된 측정 값을 이용하여 계산된 전력 값을 상기 실제 전력 값으로 결정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 측정 오차가 큰 측정 값을 측정한 센서의 교체를 요구하는 신호를 출력하는 단계를 더 포함한다.

실시 예에 의하면, 다양한 방식을 토대로 전력량을 계산하여 전압 및 전류의 측정 오차에 대한 추이를 비교하고, 이에 따라 오차 정도가 작은 측정 값을 이용하여 전력 손실을 계산하기 때문에, HVDC 시스템에서의 전압 및 전류 측정의 오차에 의해 발생하는 전력 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 전압 및 전류의 측정 오차에 의해 발생하는 변환소 전력 손실의 오차를 보정함으로써 HVDC 시스템의 성능을 향상시켜 전력 측정에 대한 정밀도 및 동작에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있을 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 일 실시 예에 따른 전력 값 보정 장치를 나타낸 구성 블록도이다.
도 15 및 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템에서의 전력 값 측정 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 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 음극 직류 필터(142)는 인덕터(L3)와 커패시터(C3)를 포함하며, 교류-음극 직류 컨버터(132)가 출력하는 음극 직류 전력을 직류 필터링한다.

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 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.

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 일 실시 예에 따른 전력 값 보정 장치를 나타낸 구성 블록도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 HVDC 시스템에서의 전력 값 보정 장치는, 다수의 센서 그룹(310)과 전력 값 보정부(320)를 포함한다.

다수의 센서 그룹(310)은 전류 측정을 위한 전류 센서와 전압 측정을 위한 전압 센서가 하나의 그룹을 이루며, 그에 따라 상기 HVDC 시스템 내의 측정 지점에 각각 설치될 수 있다.

예를 들어, 다수의 센서 그룹(310)은 제1 센서 그룹, 제 2 센서 그룹 및 제 3 센서 그룹을 포함할 수 있고, 상기 제 1 센서 그룹은, 수요측 또는 송전측 트랜스포머 파트에 설치될 수 있고, 제 2 센서 그룹은 수요측 또는 송전측 컨버터 파트에 설치될 수 있으며, 제 3 센서 그룹은 직류 송전 파트에 설치될 수 있다.

전력 값 보정부(320)은 상기 다수의 센서 그룹(310)을 통해 각각 측정된 전류 및 전압 값을 이용하여 전력 값을 계산한다.

이때, 전력 값 보정부(320)는 각각의 센서 그룹(310)을 통해 측정된 전압 및 전류, 그리고 상기 각각의 센서 그룹의 선로 임피던스를 이용하여 상기 전력 값을 계산한다.

상기 선로 임피던스는 각각의 센서 그룹(310)을 구성하는 전류 센서와 전압 센서 사이를 연결하는 선로의 임피던스를 의미할 수 있다.

상기 선로 임피던스는 시스템 설계 시에 설정되어 있으며, 상기 전력 값 보정부(320)는 상기 시스템 설계 시에 설정된 선로 임피던스를 이용하여 상기 전력 값을 계산한다.

또한, 이와 다르게 상기 전력 값 보정부(320)는 현 상태에서의 선로 임피던스를 측정 및 계산하고, 상기 측정 및 계산한 선로 임피던스를 이용하여 상기 전력 값을 계산할 수도 있다.

상기 전력 값은 다음과 같은 방법에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 1]

P_1 = V_1 * I_1 * t

여기에서, P_1은 전력 값이고, V_1은 센서 그룹의 전압 센서를 통해 측정된 전압 값이며, I_1은 센서 그룹의 전류 센서를 통해 측정된 전류 값이며, t는 전력 송전 또는 수전 시간이다.

즉, 상기 식 1에 따르면, HVDC 시스템을 구성하는 변환소의 전력 값은 시간에 따른 전압 값과 전류 값의 곱의 형태로 계산된다.

이때, 상기 HVDC 시스템은 크게 송전 변환소, 수전 변환소 및 이를 연결하는 송전 선로를 포함한다.

이때, 상기와 같은 센서 그룹이 송전 변환소에 설치된 센서 그룹인 경우, 상기 전력 값 보정부(320)는 송전 변환소에서 수전 변환소로 송전한 전력 값을 계산한다.

또한, 상기 센서 그룹이 수전 변환소에 설치된 센서 그룹인 경우, 상기 전력 값 보정부(320)는 수전 변환소에서 수전한 전력 값을 계산한다.

이때, 상기 송전 변환소는 상황에 따라 상기 수전 변환소에서 송전하는 전력을 수전하는 변환소로 동작할 수 있으며, 상기 수전 변환소도 상기 송전 변환소로 전력을 송전하는 변환소로 동작할 수 있다.

그리고, 상기 선로 임피던스는 해당 변환소가 수전 변환소로 동작하는지, 아니면 송전 변환소로 동작하는지에 따라 다르게 나타난다.

이에 따라, 전력 값 보정부(320)는 변환소의 운전 상태(송전 상태 및 수전 상태)에 따른 선로 임피던스를 확인하여 그에 대응하는 임피던스를 적용하여 전력 값을 계산한다.

한편, 종래 기술에 따라면 C&P(Control&Protection system)에서는 상기 수학식 1에 의해서만 전력 값을 계산하였다.

그러나, 상기 전압을 측정하는 전압 센서는 측정 오차 범위를 가지게 되며, 상기 전류를 측정하는 전류 센서도 측정 오차 범위를 가지게 된다. 이에 따라, 상기 전압 및 전류를 각각 측정하는 전압 센서와 전류 센서의 측정 오차로 인해 상기 계산된 전력 값에 차이가 발생할 수 있으며, 상기 차이는 시스템 상에서 전력 손실로 인식하게 된다.

예를 들어, 전압 센서의 오차가 ±5%이고, 전류 센서의 오차가 ±5%이며, 이에 따라 측정된 전압 오차가 +5%이고, 전류 오차가 -5%인 경우, 상기 전력 값은 다음과 같이 계산될 수 있다.

P_1= V_1*0.005*I_1*(-0.005)*t=V_1*I_1*0.000025*t

이때, 상기와 같은 HVDC 시스템에서 운전하는 전력은 매우 크기 때문에, 상기에서 발생하는 오차는 매우 크게 된다.

따라서, 실시 예에서는 상기 수학식 1뿐 아니라, 다른 수학식들을 추가로 이용하여 전력 값을 계산하고, 이에 따라 상기 전류 측정 오차 및 전압 측정 오차 중 어느 것의 오차가 더 큰지를 확인하도록 한다.

즉, 상기 수학식 1에서 전류는 전압/저항으로 표현될 수 있고, 전압은 전류*저항으로 표현될 수 있다.

여기에서, 상기 저항은 상기 선로 임피던스를 의미하므로, 실시 예에서는 상기 측정된 전류 값과 전압 값을 모두 이용하지 않고, 하나의 값만을 이용해서 상기 전력 값을 계산할 수 있게 된다.

[수학식 2]

P_2=I_1*I_1*Z_1*t

여기에서, P_2은 전력 값이고, I_1은 센서 그룹의 전류 센서를 통해 측정된 전류 값이며, Z_1은 해당 운전 상태에서 나타나는 선로 임피던스이며, t는 전력 송전 또는 수전 시간이다.

즉, 전력 값 보정부(320)는 상기 수학식 1에서와는 다르게 상기 수학식 2를 이용해서 전력 값을 계산할 수 있다.

상기 수학식 2에 의해 계산된 전력 값은 상기 센서 그룹의 전압 센서를 통해 측정된 전압 값은 이용되지 않았으며, 단지 전류 센서를 통해 측정된 전류 값 및 선로 임피던스만이 이용되었다.

[수학식 3]

P_3=V_1*V_1/Z_1*t

여기에서, P_3은 전력 값이고, V_1은 센서 그룹의 전압 센서를 통해 측정된 전압 값이며, Z_1은 해당 운전 상태에서 나타나는 선로 임피던스이며, t는 전력 송전 또는 수전 시간이다.

또한, 전력 값 보정부(320)는 상기 수학식 1 및 2에서와는 다르게 수학식 3을 이용해서 전력 값을 계산할 수 있다.

상기 수학식 3에 의해 계산된 전력 값은 상기 센서 그룹의 전류 센서를 통해 측정된 전류 값은 이용되지 않았으며, 단지 전압 센서를 통해 측정된 전압 값 및 선로 임피던스만이 이용되었다.

상기 수학식 1에 의해 계산된 전력 값을 제 1 전력 값이라 하고, 수학식 2에 의해 계산된 전력 값을 제 2 전력 값이라 하며, 수학식 3에 의해 계산된 전력 값을 제 3 전력 값이라 한다면, 상기 제 1 내지 3 전력 값은 서로 다른 값을 가지게 된다.

이는, 상기 센서 그룹의 전류 센서를 통해 측정된 전류 값의 측정 오차와, 전압 센서를 통해 측정된 전압 값의 측정 오차의 정도가 서로 다르기 때문이다.

이에 따라, 상기 제 1 내지 3 전력 값 중 2개의 전력 값은 차이 정도가 크기 않으며, 상기 2개의 전력 값을 제외한 나머지 1개의 전력 값은 상기 2개의 전력 값과의 차이 정도가 크게 나타난다.

다시 말해서, 상기 전류 값의 측정 오차와, 전압 값의 측정 오차가 각각 존재하고, 상기 전류 값의 측정 오차가 전압 값의 측정 오차보다 큰 경우, 상기 측정 오차가 큰 전류 값을 메인으로 하여 계산된 제 2 전력 값은 상기 제 1 및 3 전력 값과 큰 차이를 보이게 된다.

이와 반대로, 상기 전압 값의 측정 오차가 전류 값의 측정 오차보다 큰 경우, 상기 측정 오차가 큰 전압 값을 메인으로 하여 계산된 제 3 전력 값은 제 1 및 2 전력 값과 큰 차이를 보이게 된다.

이에 따라, 전력 값 보정부(320)는 상기에서 전압 값의 측정 오차가 크다고 판단된 경우, 상기 전압 값이 아닌 전류 값을 메인으로 전력 값을 계산한 수학식 2의 결과 값을 해당 변환소의 실제 전력 값으로 보정한다.

또한, 이와 다르게 전력 값 보정부(320)는 상기에서 전류 값의 측정 오차가 크다고 판단된 경우, 상기 전류 값이 아닌 전압 값을 메인으로 전력 값을 계산한 수학식 3의 결과 값을 해당 변환소의 실제 전력 값으로 보정한다.

또한, 전력 값 보정부(320)는 상기 특정 측정 값에 대한 오차 정도를 확인하고, 이에 따라 해당 측정 값을 측정한 센서의 교체나 측정 값의 보정을 요구하는 신호를 출력한다.

또한, 전력 값 보정부(320)는 상기 특정 측정 값에 대한 오차 정도가 기준치를 벗어나면, 해당 측정 값은 무시하고 다른 측정 값을 가지고 전력 값을 계산하도록 한다.

즉, 실시 예에서는 상기 수학식 2 및 수학식 3의 계산 방식은 전압 측정 오차 및 전류 측정 오차가 다르기 때문에, 운전 전압 및 전류의 가변 시에 상기 수학식 1의 방식보다 오차의 원인을 알 수 있게 되고, 이를 토대로 지속적으로 전력 손실(측정 오차에 의해 발생하는 손실)을 줄일 수 있다.

즉, 측정 오차에 의한 손실이 전류에 의한 오차가 크다면, 측정된 전압 값을 토대로 계산한 전력 값으로 실제 전력 값의 보정이 가능하고, 측정 오차에 의한 손실이 전압에 의한 오차가 크다면, 측정된 전류 값을 토대로 계산한 전력 값으로 실제 전력 값의 보정이 가능하다.

또한, 실시 예에서는 송전 변환소 및 수전 변환소 측에서 상기와 같은 방식을 공통으로 사용하기 때문에 측정 오차의 손실을 보정하여 전력 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 상기와 같이 송전 변환소 및 수전 변환소에서 측정한 전류 값 및 전압 값의 측정 오차에 대한 추이를 비교할 수 있고, 이에 따라 오차가 더 발생하는 변환소의 전력을 보정할 수 있다. 또한 실제로 전압 센서와 전류 센서는 오차 범위를 가지고 있기 때문에 오차 범위를 벗어난 측정 값은 유지 보수를 하거나 측정 값을 무시하고 손실 계산을 할 수 있다.

도 15 및 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 HVDC 시스템에서의 전력 값 측정 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저 도 15를 참조하면, 센서 그룹은 HVDC 시스템의 특정 위치에 설치되며, 해당 위치에서의 전압 값 및 전류 값을 각각 측정한다(110단계).

이어서, 전력 값 보정부(320)는 상기 측정된 전압 값 및 전류 값을 수학식 1에 대입하여 제 1 전력 값을 계산한다(120단계).

또한, 전력 값 보정부(320)는 상기 측정된 전류 값 및 해당 센서 그룹의 전류 센서와 전압 센서 사이의 선로 임피던스를 수학식 2에 대입하여 제 2 전력 값을 계산한다(130단계).

이때, 상기 선로 임피던스는 운전 모드에 따라 서로 다른 값을 가지기 때문에, 상기 전력 값 보정부(320)는 현재의 운전 모드를 확인하고, 상기 확인한 운전 모드에 따라 상기 센서 그룹의 선로 임피던스를 확인한다.

그리고, 전력 값 보정부(320)는 상기 확인한 선로 임피던스와 상기 측정된 전류 값을 토대로 제 2 전력 값을 계산한다.

또한, 전력 값 보정부(320)는 상기 측정된 전압 값 및 상기 선로 임피던스를 수학식 3에 대입하여 제 3 전력 값을 계산한다(140단계).

이어서, 전력 값 보정부(320)는 상기 계산된 제 1 내지 3 전력 값을 비교하여, 상기 측정된 전류 값 및 전압 값 중 측정 오차가 작은 측정 값을 확인한다(150단계).

즉, 상기 제 1 내지 3 전력 값 중 하나의 특정 전력 값은 다른 2개의 전력 값과 큰 차이를 보인다. 이는, 상기 전류 값 및 전압 값 중 측정 오차가 큰 특정 측정 값을 토대로 상기 전력 값이 계산되었기 때문이다. 즉, 상기 제 2 전력 값 및 제 3 전력 값 중 어느 하나는 다른 전력 값들과 큰 차이를 가진다.

이에 따라, 전력 값 보정부(320)는 상기 제 2 전력 값 및 제 3 전력 값 중 측정 오차가 작은 측정 값을 토대로 계산된 전력 값을 최종 전력 값으로 결정한다(160단계).

즉, 전력 값 보정부(320)는 상기 제 2 전력 값이 제 1 및 3 전력 값과 큰 차이를 보이는 경우, 상기 측정된 전압 값의 측정 오차보다 전류 값의 측정 오차가 더 크다는 것을 확인하고, 그에 따라 측정 오차가 작은 전압 값을 기준으로 계산된 제 3 전력 값을 최종 전력 값으로 결정한다.

이와 다르게, 전력 값 보정부(320)는 상기 제 3 전력 값이 제 1 및 2 전력 값과 큰 차이를 보이는 경우, 상기 측정된 전류 값의 측정 오차보다 전압 값의 측정 오차가 더 크다는 것을 확인하고, 그에 따라 측정 오차가 작은 전류 값을 기준으로 계산된 제 2 전력 값을 최종 전력 값으로 결정한다.

이하에서는 상기 측정 오차의 정도를 확인하는 과정에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 16을 참조하면, 전력 값 보정부(320)는 상기 계산된 제 1 내지 3 전력 값을 비교하여, 다른 2개의 전력 값과 차이가 큰 특정 전력 값을 확인한다(210단계).

그리고, 전력 값 보정부(320)는 상기 확인한 특정 전력 값을 계산하는데 사용한 측정 값을 확인한다(220단계).

상기 확인 결과, 전력 값 보정부(320)는 상기 측정 값이 전류 값인지 여부를 판단한다(230단계).

그리고, 상기 측정 값이 전류 값이면, 상기 전력 값 보정부(320)는 상기 측정된 전류 값의 측정 오차가 전압 값의 측정 오차보다 큰 것으로 판단한다(240단계).

또한, 상기 측정 값이 전류 값이 아닌 전압 값이면, 상기 전력 값 보정부(320)는 상기 측정된 전압 값의 측정 오차가 전류 값의 측정 오차보다 큰 것으로 판단한다(250단계).

310: 센서 그룹
320: 전력 값 보정부

Claims

변전소의 특정 위치에 설치된 센서 그룹으로부터 측정된 전류 값 및 전압 값을 수신하는 단계;
상기 센서 그룹이 설치된 위치의 선로 임피던스를 확인하는 단계, 상기 선로 임피던스는 센서 그룹을 구성하는 전류 센서와 전압 센서 사이를 연결하는 선로의 임피던스임;
상기 전류 값 및 전압 값을 이용하여 상기 변전소의 제 1 전력 값을 계산하는 단계;
상기 전류 값 및 상기 선로 임피던스를 이용하여 상기 변전소의 제 2 전력 값을 계산하는 단계;
상기 전압 값 및 상기 선로 임피던스를 이용하여 상기 변전소의 제 3 전력 값을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 제 1 내지 3 전력 값들 각각을 서로 비교하여, 상기 제 2 및 3 전력 값 중 어느 하나의 전력 값을 상기 변전소의 실제 전력 값으로 결정하는 단계를 포함하고,
상기 결정하는 단계는
상기 제2 전력 값이, 상기 제1 전력 값 및 상기 제3 전력 값과 상대적으로, 차이가 큰 경우, 상기 제2 전력 값을 상기 변전소의 실제 전력 값으로 결정하는 단계 및
상기 제3 전력 값이, 상기 제1 전력 값 및 상기 제2 전력 값과 상대적으로 차이가 큰 경우, 상기 제3 전력 값을 상기 변전소의 실제 전력 값으로 결정하는 단계를 포함하는
HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법.
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삭제
제 1항에 있어서,
상기 변전소의 운전 조건이 송전 운전 조건 및 수전 운전 조건 중 어느 운전 조건인지를 판단하는 단계를 더 포함하고,
상기 센서 그룹이 설치된 위치의 선로 임피던스를 확인하는 단계는,
상기 확인된 운전 조건에 대응하는 선로 임피던스를 확인하는 단계를 포함하는
HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법.
제 1항에 있어서,
상기 결정하는 단계는,
상기 제 1 내지 3 전력 값들 각각을 서로 비교하여, 상기 전압 값의 측정 오차 및 상기 전류 값의 측정 오차 중 작은 측정 오차를 가지는 측정 값을 확인하는 단계와,
상기 제 2 및 3 전력 값 중 상기 확인된 측정 값을 이용하여 계산된 전력 값을 확인하는 단계와,
상기 확인된 측정 값을 이용하여 계산된 전력 값을 상기 실제 전력 값으로 결정하는 단계를 포함하는
HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법.
제 5항에 있어서,
상기 측정 오차가 큰 측정 값을 측정한 센서의 교체를 요구하는 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는
HVDC 시스템에서 전력 값 측정 방법.