KR20130006622A - 캐스케이딩된 컨버터들에 대한 컨버터 셀, 결함 컨버터 셀을 바이패싱하기 위한 제어 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
캐스케이딩된 전력 컨버터 및 캐스케이딩된 전력 컨버터를 동작시키는 방법이 개시된다. 캐스케이딩된 전력 컨버터는, 셀 커패시터, 및 적어도 2 개의 전기 밸브들을 가지는 적어도 하나의 상 레그를 포함하는 컨버터 셀로서, 적어도 하나의 상 레그는 셀 커패시터에 병렬 연결되는 컨버터 셀; 및 적어도 하나의 상 레그의 전기 밸브들의 스위칭을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은, 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 상 레그를 통한 전류 서지를 획득하기 위하여 셀 커패시터가 상 레그를 통해 단락되도록 하는 방식으로 전기 밸브들의 스위칭을 제어함으로써, 컨버터 셀을 통한 영구적인 전류 경로를 생성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 전력 전자 컨버터들의 분야에 관련되며, 특히 캐스케이딩된 전력 전자 컨버터들에 관련된다.
전압, 전류 및/또는 주파수를 제어함으로써 전기 에너지의 특성을 변경시키기 위한 반도체 밸브들을 포함하는 전력 전자 컨버터들이 널리 이용된다. 전력 전자 컨버터들은, 예를 들어 유틸리티 또는 산업용 그리드들을 위한 HVDC 송전 시스템들 안에서 또는 정적 무효전력 (VAR) 보상 시스템들 안에서와 같은 전력 송전 애플리케이션들에서 점점 많이 이용되고 있다.
이러한 애플리케이션들에서, 컨버터들의 다운 시간이 최소치까지 감소되는 것이 중요한데, 그 이유는 컨버터의 고장이 전력 공급 중단 사태에 이를 수 있기 때문이며, 이 사태가 발생되면 전력 제공 업자들에게 뿐만 아니라 사회적으로도 많은 비용이 발생될 수 있다. 전자 부품들의 수명 및 사이클링 성능을 개선시키기 위한 노력들에도 불구하고, 이러한 구성요소들을 결함 없이 동작시키는 것이 보장될 수는 없다. 그러므로, 전력 송전 시스템들을 설계할 때 리던던시를 두는 것이 중요한 개념이다.
캐스케이드 방식으로 직렬 연결된 복수 개의 셀들을 갖는 다중 레벨 전력 전자 컨버터들이 "정적 무효전력 생산용 개별 DC 소스들을 가지는 멀티레벨 전압원 인버터 (A multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources for Static Var Generation) ", Fang Zheng Peng 등, IEEE IAS Conf 1995 Proc. 에서 뿐만 아니라 DE 101 03 031 에서도 제안된 바 있다. 캐스케이딩된 컨버터들은 복수 개의 이산 컨버터 출력 전압 레벨들을 제공함으로써, 정현파 전압 파형의 합성을 용이하게 한다. 더 나아가, 잔여 셀들이 정상적으로 계속하여 동작할 수 있는 동안에 결함 셀의 단자들이 단락되고 결함 셀이 바이패싱될 수 있다는 점에서, 이러한 캐스케이딩된 컨버터들은 내재적으로 저비용으로 리던던시를 제공한다. 그러므로, 셀들의 잔여 개수가 충분하기만 하다면, 결함 셀에도 불구하고 잔여 셀들은 원하는 전압을 계속하여 전달할 수 있다.
반도체 디바이스들의 단자들을 단락시키기 위한 상이한 메커니즘들이 제안되어 왔는데, 예를 들어 WO 2007/023064 호를 참조하면, 여기서는 고장이 발생된 경우 정류기 회로의 단자들의 단락을 제공하기 위하여, 보호 구성요소가 정류기 회로에 병렬 연결된다; 또는 WO 2007/095873 호를 참조하면, 여기서는 단락 동작에서 방염/기계적 (pyrotechnical/mechanical) 소자가 이용된다. 이러한 메커니즘들은 추가적 하드웨어를 요구하는데, 따라서 반도체 디바이스들의 비용 및 크기를 증가시킨다.
" ETO 광 컨버터에 기반한 결함 내성이 있는 무변압기 전력 흐름 제어기 (Fault-Tolerant Transformerless Power Flow Controller Based - on ETO Light Converter )", Wenchao Song 등, Twenty - Third Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition , 2008 에서는, H-브리지 빌딩 블록 셀들을 가지는 캐스케이딩된 멀티레벨 컨버터가 개시된다. 2 개의 상보적인 스위치들이 턴오프되는 동안, H-브리지의 하나의 톱/보텀 스위치가 고장으로 인하여 단락되면, 다른 톱/보텀 스위치가 턴온됨으로써, H-브리지 빌딩 블록 셀이 단락 상태에 진입하도록 하는 것이 제안된다. 셀 단자들 간에서 AC 단락 회로를 획득하는 이러한 방법은 추가적 하드웨어를 전혀 사용하지 않고도 구현될 수 있다. 그러나, 이러한 메커니즘은, 다른 톱/보텀 스위치가 턴온된 상태를 유지시키기 위하여, 전력이 이 스위치의 게이트 구동 유닛에 제공될 것을 요구한다. 셀이 완전히 단락되면, DC 전압이 더 이상 해당 셀에게 이용가능하지 않게 될 것이며, 다른 톱/보텀 스위치를 턴온 상태로 유지시키기 위하여 필요한 전력이 셀 내에 쉽게 제공될 수 없다.
본 발명의 목적은 캐스케이딩된 전력 컨버터 내의 고장 컨버터 셀을 바이패싱하기 위한 다른 방법을 제공하는 것이다.
일 실시형태는 캐스케이딩된 전력 컨버터로서: 셀 커패시터, 및 적어도 2 개의 전기 밸브들을 가지는 적어도 하나의 상 레그 (phase leg) 를 포함하며, 적어도 하나의 상 레그는 셀 커패시터에 병렬 연결되는 컨버터 셀을 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터를 제공한다. 캐스케이딩된 전력 컨버터는 적어도 하나의 상 레그의 전기 밸브들의 스위칭을 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함한다. 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 상 레그를 통한 전류 서지 (current surge) 를 획득하기 위하여 셀 커패시터가 해당 상 레그를 통해 단락되도록 하는 방식으로 컨버터 셀의 전기 밸브들의 스위칭을 제어함으로써, 컨버터 셀을 통한 영구적인 전류 경로를 생성하도록 제어 시스템이 구성된다.
캐스케이딩된 전력 컨버터 내의 컨버터 셀을 바이패싱하는 방법이 또한 제공된다. 이 방법은 셀 커패시터 및 셀 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 상 레그를 갖는 컨버터 셀에 적용가능하며, 여기서 상 레그는 적어도 2 개의 직렬 연결된 전기 밸브들을 갖는다. 이 방법은 상 레그를 통한 전류 서지를 획득하기 위하여 셀 커패시터가 해당 상 레그를 통해 단락되도록 하는 방식으로 전기 밸브들의 스위칭을 제어함으로써, 해당 상 레그를 통한 영구적인 전류 경로를 생성하는 단계를 포함한다.
캐스케이딩된 컨버터 및 컨버터 셀의 바이패싱 방법을 이용하면, 셀 내의 어느 게이트 구동 유닛에도 전력을 제공하지 않고서도 결함 컨버터 셀이 바이패싱될 수 있는 것이 달성된다. 더 나아가, 캐스케이딩된 컨버터 및 컨버터 셀의 바이패싱 방법에 의하여 제공되는 바이패싱 메커니즘은 어떤 추가적인 하드웨어를 사용하지 않고서도 달성될 수 있다. 그러므로, 캐스케이딩된 컨버터에 바이패싱 가능성들을 제공하는 단순하고 공간 효율적인 방법이 본 발명의 기술에 의하여 달성될 수 있다.
일 예에서, 컨버터 셀은, 셀 커패시터의 단락시에 피크 전류를 제한하기 위하여 셀 커패시터와 상 레그 사이에 직렬 연결되는 리액터를 더 포함한다. 이를 통하여, 셀 커패시터의 단락시에 상 레그 (120) 의 구성요소들의 너무 급격한 가열이 방지될 수 있고, 그 결과 원하지 않는 손상이 발생할 위험성을 감소시킨다. 턴오프 동안에 밸브들 사이의 전압을 제한하기 위하여 연결되는 클램핑 회로가 이 실시형태에 더 제공될 수 있다.
컨버터 셀은 2 개의 상 레그들을 포함하는 풀-브리지 컨버터 셀이거나, 하나의 상 레그를 포함하는 하프-브리지 컨버터 셀일 수도 있다. 컨버터 셀이 풀-브리지 컨버터 셀이라면, 컨버터 셀은: 전기 밸브들의 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되는 제 1 및 제 2 파워 서플라이 유닛들을 더 포함할 수도 있고, 여기서 제 1 파워 서플라이 유닛은, 제 1 상 레그의 전기 밸브들의 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되며, 제 2 파워 서플라이 유닛은, 제 2 상 레그의 전기 밸브들의 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되며, 제 1 및 제 2 파워 서플라이 유닛들은 서로 독립적이다. 이를 통하여, 필요성이 발생하면 파워 서플라이들 중 하나가 고장인 경우에도 적어도 하나의 상 레그의 밸브들이 셀 커패시터를 단락시키도록 제어될 수 있다는 것이 보장될 수 있는 결과가 달성된다.
일 실시형태에서, 제어 시스템은 컨버터 셀의 상태를 표시하는 적어도 하나의 상태 신호를 수신하도록 구성된다. 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에 그리고 적어도 하나의 수신된 상태 신호에 의존하여, 제어 시스템은 또한, 턴온될 적어도 하나의 전기 밸브를 선택하고, 선택된 전기 밸브(들) 를 턴온하는 것이, 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하도록 하는 방식으로 선택이 수행되고; 셀 커패시터를 단락시키기 위하여, 턴온 상태로 스위칭하기 위한 선택된 전기 밸브(들) 에 대한 신호를 생성하도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 제어 시스템은, 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 턴온될 경우, 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하는 전기 밸브(들) 의 미리 결정된 세트에 대한 신호를 생성하도록 구성된다.
캐스케이딩된 전력 컨버터는 캐스케이드 형태로 배치되는 어느 적합한 개수의 컨버터 셀들을 포함할 수 있다. 특정 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 제어 시스템은, 해당 특정 컨버터 셀의 셀 커패시터가 상 레그를 통하여 단락되도록 하는 방식으로 해당 특정 컨버터 셀의 전기 밸브들의 스위칭을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 캐스케이딩된 전력 컨버터를 포함하는 SVC 스테이션은 물론, 캐스케이딩된 전력 컨버터를 포함하는 HVDC 스테이션에도 관련되고, 그리고 (예를 들어, HVDC 스테이션 및 SVC 스테이션에서의) 캐스케이딩된 전력 컨버터를 포함하는 전력 송전 시스템에 관련된다.
본 발명의 다른 양태들이 다음의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위들 안에서 설명된다.
도 1a 는 풀-브리지 컨버터 셀의 일 예를 도시한다.
도 1b 는 하프-브리지 컨버터 셀의 일 예를 도시한다.
도 1c 는 하프-브리지 컨버터 셀의 다른 예를 도시한다.
도 2a 는 풀-브리지 컨버터 셀들의 캐스케이드의 일 예를 도시한다.
도 2b 내지 도 2d 는 하프-브리지 컨버터 셀들의 캐스케이드들의 상이한 예들을 도시한다.
도 3a 는 예를 들어 정적 무효전력 (VAR) 보상 시스템에 사용하기에 적합한 3 상 캐스케이딩된 컨버터의 일 예를 도시한다.
도 3b 는 예를 들어 HVDC 시스템에 사용하기에 적합한 3 상 캐스케이딩된 AC/DC 컨버터의 일 예를 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 풀-브리지 컨버터 셀의 셀 상 레그들 중 하나를 통한 셀 커패시터 단락의 효과들을 예시한다.
도 4c 및 도 4d 는 각각 도 1b 및 도 1c 에 도시된 타입의 하프-브리지 컨버터 셀의 셀 상 레그를 통한 셀 커패시터 단락의 효과들을 예시한다.
도 5 는 캐스케이딩된 컨버터를 제어하기 위한 제어 시스템을 동작시키는 방법의 일 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b 는 도 5 의 흐름도에서 단락 단계의 상이한 실시형태들을 예시하는 흐름도이다.
도 7a 는 클램핑 회로는 물론 전류 기울기 제한을 위한 리액터를 포함하는 풀-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 7b 는 클램핑 회로는 물론 전류 기울기 제한을 위한 리액터를 포함하는 하프-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 8 은 상 레그들에 개별 파워 서플라이 시스템들이 제공되는 풀-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 9 는 컨버터 셀의 밸브들의 스위칭을 제어하도록 구성되는 제어 시스템의 일 실시형태를 예시한다.
도 1b 는 하프-브리지 컨버터 셀의 일 예를 도시한다.
도 1c 는 하프-브리지 컨버터 셀의 다른 예를 도시한다.
도 2a 는 풀-브리지 컨버터 셀들의 캐스케이드의 일 예를 도시한다.
도 2b 내지 도 2d 는 하프-브리지 컨버터 셀들의 캐스케이드들의 상이한 예들을 도시한다.
도 3a 는 예를 들어 정적 무효전력 (VAR) 보상 시스템에 사용하기에 적합한 3 상 캐스케이딩된 컨버터의 일 예를 도시한다.
도 3b 는 예를 들어 HVDC 시스템에 사용하기에 적합한 3 상 캐스케이딩된 AC/DC 컨버터의 일 예를 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 풀-브리지 컨버터 셀의 셀 상 레그들 중 하나를 통한 셀 커패시터 단락의 효과들을 예시한다.
도 4c 및 도 4d 는 각각 도 1b 및 도 1c 에 도시된 타입의 하프-브리지 컨버터 셀의 셀 상 레그를 통한 셀 커패시터 단락의 효과들을 예시한다.
도 5 는 캐스케이딩된 컨버터를 제어하기 위한 제어 시스템을 동작시키는 방법의 일 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b 는 도 5 의 흐름도에서 단락 단계의 상이한 실시형태들을 예시하는 흐름도이다.
도 7a 는 클램핑 회로는 물론 전류 기울기 제한을 위한 리액터를 포함하는 풀-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 7b 는 클램핑 회로는 물론 전류 기울기 제한을 위한 리액터를 포함하는 하프-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 8 은 상 레그들에 개별 파워 서플라이 시스템들이 제공되는 풀-브리지 컨버터 셀의 일 예를 예시한다.
도 9 는 컨버터 셀의 밸브들의 스위칭을 제어하도록 구성되는 제어 시스템의 일 실시형태를 예시한다.
도 1a 는 컨버터 셀 (100A) 의 일 실시형태의 일 예를 예시한 것으로, 이 컨버터 셀은 예를 들어 도 3a 에 도시된 바와 같은 캐스케이드 컨버터에 이용될 수 있다. 컨버터 셀 (100A) 은, 전류를 양방향으로 통전시키고 전압을 일 방향에서 차단할 수 있도록 구성되는 4 개의 전기 밸브들 (105a 내지 105d) 을 포함한다. 도 1a 의 전기 밸브 (105a 내지 105d) 는 단방향성 스위치 (11), 또는 단락을 위한 스위치 (11), 및 역-병렬 다이오드 (12) 를 포함하는데, 여기서 단방향성 스위치 (11) 는 스위치 온되는 것은 물론 스위치 오프되도록 제어될 수 있다. 4 개의 밸브들 (105a 내지 105d) 은 2 개의 상 레그들을 포함하는 풀-브리지 구조 (H-브리지 구조라고도 불린다) 로 배치되는데, 상 레그들은: 밸브 (105a) 및 밸브 (105b) 가 직렬 연결되는 상 레그 (120:1) 및, 밸브 (105c) 및 밸브 (105d) 가 직렬 연결되는 상 레그 (120:2) 이다. 하나의 상 레그 (120:1) 또는 상 레그 (120:2) 내에서, 밸브들은 동일한 방향에서 전압을 차단할 수 있도록 연결된다. 2 개의 상 레그들 (120:1 및 120:2) 은, 2 개의 상 레그들 (120:1 및 120:2) 이 셀 커패시터 (110) 의 동일한 단부로부터의 전압을 차단할 수 있도록 하는 방식으로 셀 커패시터 (110) 와 병렬 연결된다. 여기서, 셀 커패시터 (110) 양단의 전압은 Uc로 표시된다.
셀 단자들 (X 및 Y) 은 각각 상 레그 (120:1 및 120:2) 의 중간점에 제공되는데, 즉, 2 개의 밸브들 (105a 및 105b) 또는 밸브들 (105c 및 105d) 사이의 지점에 제공된다. 단자들 X 및 Y 사이의 전압은 Uxy 로 표시되는데, 이는 다음 표 1a 에 따라서 어떤 밸브들이 스위치 온되고 어떤 밸브들이 스위치 오프되는지에 따라서 상이한 값들을 가질 수 있다.
[표 1a]
표 1a. 도 1a 의 컨버터 셀 (100A) 의 스위칭 상태들
도 1a 의 컨버터 셀 (100A) 에는, 공지된 방식으로 스위칭 신호들 (130a 내지 130d) 을 밸브들 (105a 내지 105d) 로 각각 제공하도록 구성되는 4 개의 게이트 구동 유닛들 (125a 내지 125d) 이 더 제공된다. 게이트 구동 유닛들 (125a 내지 125d) 은 순서대로, 예를 들어 광 케이블들을 이용하여 제어 시스템 (135) 에 응답하도록 연결된다. 더 나아가, 게이트 구동 유닛들 (125a 내지 125d) 은 소망될 경우에는 전력원으로서 셀 커패시터 (110A) 에 연결될 수 있다.
도 1b 에서, 컨버터 셀 (100B) 의 다른 타입의 일 실시형태가 도시되는데, 여기서는 2 개의 전기 밸브들 (105e 및 105f) 이 하나의 상 레그 (120:3) 를 형성하고, 이 하나의 상 레그는 하프-브리지 구조로 셀 커패시터 (110) 와 병렬 연결된다. 셀 단자 (X) 는 상 레그 (120:3) 의 중간점에 제공되고, 즉, 2 개의 밸브들 (105e 및 105f) 사이의 지점에 제공되고, 셀 단자 (Y) 는 셀 커패시터 (110) 및 상 레그 (120:3) 사이의 지점에 제공되는데, 이 지점을 향해서 밸브들 (105e 및 105f) 의 단방향성 스위치들 (11) 이 전류를 통전시킬 수 있다. 도 1c 에서, 상 레그 (120:4) 를 가지는 등가적인 컨버터 셀 (100C) 이 도시된다. 컨버터 셀 (100C) 에서, 단자 (X) 는 셀 커패시터 (110) 와 상 레그 (120:4) 사이의 지점에 제공되는데, 이 지점을 향해서 밸브들 (105e 및 105f) 의 역-병렬 다이오드들 (12) 이 전류를 통전시킬 수 있고, 단자 (Y) 는 상 레그 (120:4) 의 중간점에 제공된다. 컨버터 셀 (100B 및 100C) 각각은 게이트 구동 유닛들 (125e 및 125f) 및 게이트 구동 유닛들 (125g 및 125h) 에 의하여 개별적으로 제어되어, 단자들 (X 및 Y) 사이의 전압 Uxy 가 다음 표 1b 및 1c 각각에 따르는 2 개의 상이한 값들 중 하나를 가지게 할 수 있다.
[표 1b]
표 1b. 도 1b 의 컨버터 셀 (100B) 의 스위칭 상태들
[표 1c]
표 1c. 도 1c 의 컨버터 셀 (100C) 의 스위칭 상태들
상 레그들 (120:1, 120:2, 120:3 및 120:4) 들 중 임의의 하나 (또는 이들 모두) 에 대해서 언급할 때, 공통 용어인 상 레그 (120) 가 이용될 것이다. 이와 유사하게, 밸브들 (105a, 105b, 105c, 105d, 105e, 105f, 105g 및 105h) 중 임의의 하나에 대해서 언급할 때, 공통 용어인 밸브 (105) 가 이용될 것이다; 그리고 컨버터 셀들 (100A, 100B 및 100C) 중 임의의 하나에 대해서 언급할 때에는, 공통 용어인 컨버터 셀 (100) 이 이용될 것이며, 이러한 방식으로 공통 용어들이 이용될 것이다.
컨버터 셀 구조와 무관하게, 상 레그는 동일한 기본 토폴로지를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c 에 도시된 상 레그들 (120) 각각은 2 개의 밸브들 (105) 을 가지는데, 각 밸브는 DC 레일들 중 하나를 상 레그 (120) 의 중간점에 연결한다.
도 1a 내지 도 1c 의 전기 밸브 (105) 는 단방향성 스위치 (11) 및 역-병렬 다이오드 (12) 를 포함하는 것으로 도시되는데, 여기서 단방향성 스위치 (11) 는 스위치 온 되는 것뿐만 아니라 스위치 오프되도록 제어될 수 있다. 몇 가지 실시형태들에서, 스위치는 역으로 통전하고 있으면 역-병렬 다이오드 (12) 는 스위치 (11) 내에 통합될 수 있다. 그 자신이 밸브 (105) 의 기능성을 제공할 수 있는 이러한 역 통전 스위치 (reverse conducting switch) 의 일 예는 역 통전 통합 게이트 정류 사이리스터 (integrated gate-commutated thyristor, IGCT) 이다. 더 나아가, 전기 밸브 (105) 는, 직렬로 및/또는 병렬로 연결되며 동시에 스위칭되도록 배치되는 2 개 이상의 스위치들 (11) 및/또는 2 개 이상의 역-병렬 정류 소자들 (12) 을 포함할 수 있다.
컨버터 셀 (100) 의 게이트 구동 유닛 (125) 은 제어 시스템 (135) 에 연결되는데, 제어 시스템은 컨버터 셀 (100) 의 상이한 스위칭 상태들에 교대로 도달하기 위하여 컨버터 셀 (100) 의 밸브들 (105) 의 스위칭을 제어하도록 구성된다 (표 1a, 표 1b 또는 표 1c 를 참조한다). 다시 말하면, 컨버터 셀 (100) 의 밸브들 (105) 은 게이트 구동 유닛들 (125) 을 통하여 제어 시스템 (135) 에 응답하도록 연결된다.
통상적으로, 도 1a 내지 도 1c 의 제어 시스템 (135) 은 컨버터 셀 (100A, 100B 또는 100C) 각각의 상태를 나타내는 상태 신호들 (140) 의 일 세트를 수신하도록 구성되는데, 이러한 상태 신호에 기반하여 컨버터 셀 (100) 의 제어 동작이 수행된다.
셀 커패시터 (110) 의 단락을 회피하기 위하여, 제어 시스템 (135) 에는 상 레그 (120) 의 2 개의 단방향성 스위치들 (11) 이 동시에 스위치 온 되는 것을 방지하는 인터록 시스템 (interlock system) 이 흔히 설치된다. 셀 커패시터 (110) 가 자신의 동작 전압까지 충전되었을 때 셀 커패시터 (110) 를 단락시키면, 통상적으로 상 레그 (120) 의 단방향성 스위치들 (11) 이 복구 불가능하도록 손상되는 것을 야기할 것이고, 따라서 컨버터 셀 (100) 이 동작 불가능하게 될 것이다. 그러므로, 이러한 손상을 회피하기 위하여, 상이한 스위칭 상태들 사이에서 스위칭할 때, 상 레그 (120) 의 양 밸브들 모두가 스위치 오프되는 짧은 시간 주기가 흔히 채택된다.
복수 개의 컨버터 셀들 (100) 이 직렬 연결되어 캐스케이드를 제공할 수 있으며, 그 출력 전압은 복수 개의 이산 값들을 가질 수 있다. 컨버터 셀들 (100) 의 캐스케이드들의 예들이 도 2a 내지 도 2d 에 도시된다. 도 2a 에는 풀-브리지 컨버터 셀들 (100A) 의 풀-브리지 캐스케이드 (200A) 가 도시된다. 도 2b 는 하프-브리지 컨버터 셀들 (100B) 의 하프-브리지 캐스케이드 (200B) 를 도시하고; 도 2c 는 하프-브리지 컨버터 셀들 (100C) 의 등가적인 하프-브리지 캐스케이드 (200C) 를 도시하며; 도 2d 는 하프-브리지 컨버터 셀들 (100B 및 100C) 이 교대로 제공되는 하프-브리지 캐스케이드 (200D) 를 도시한다. 캐스케이드 (200) 는 임의의 개수인 M 개의 컨버터 셀들 (100) 을 포함할 수 있으며, 여기서 
이며, 이들 중에서 4 개가 도 2a 내지 도 2d 에 각각 도시된다.
컨버터 셀 캐스케이드들 (200) 이 캐스케이딩된 컨버터들에 이용될 수 있는데, 이 캐스케이딩된 컨버터들은 체인-링크 컨버터들이라고도 불린다. 도 3a 에는, 풀-브리지 캐스케이딩된 전력 전자 컨버터 (300A) 의 일 실시형태의 일 예가 도시된다. 도 3a 의 캐스케이딩된 컨버터 (300A) 는 3 상 단자들 (305i, 305ii 및 305iii) 을 가지는 3 상의 Δ-연결된 컨버터이다. 캐스케이딩된 컨버터 (300A) 는 상 당 (per phase), 리액터 (310) 와 직렬 연결된 하나의 풀-브리지 캐스케이드 (200A) 를 포함한다. 또는, 풀-브리지 캐스케이드들 (200A) 은 대안적으로 3 상 Y-연결 컨버터에 이용되거나, 또는 다른 개수의 상들을 가지는 캐스케이딩된 컨버터에 이용될 수 있다. 풀-브리지 컨버터 셀들 (100A) 을 포함하는 캐스케이딩된 컨버터는, 예를 들어 정적 무효전력 보상 (static VAR compensation, SVC) 시스템에 이용될 수 있다.
도 3b 에서, 하프-브리지 캐스케이딩된 전력 전자 컨버터 (300B) 의 일 실시형태의 일 예가 도시된다. 도 3b 의 캐스케이딩된 컨버터 (300B) 는 3 상 AC 전압을 정류하거나 또는 DC 전압을 3 상 AC 전압으로 인버팅하도록 배치되는 3 상 AC/DC 컨버터이다. 캐스케이딩된 컨버터 (300B) 는, 2x2 로 직렬 연결되며, 제 1 직렬 연결된 캐스케이드 쌍의 중간점이 제 1 AC 상 (315i) 에 연결되고, 제 2 직렬-연결 캐스케이드 쌍의 중간점이 제 2 AC 상 (315ii) 등에 연결되는, 하프-브리지 컨버터 셀들의 6 개의 캐스케이드들 (200) 을 포함한다 (예를 들어, 6 개의 캐스케이드들 (200B, 200C 또는 200D) 을 포함한다). 개별 직렬 연결된 캐스케이드 쌍들의 종단점들은 DC 단자들 (320i 및 320ii) 에 연결되는데, 이들에는 DC 전력원 또는 네트워크가 연결될 수도 있다. 도 3b 의 컨버터 (300B) 의 하프-브리지 캐스케이드들 (200B/C/D) 은 각각 리액터 (325) 와 직렬 연결되고, 리액터들 (350) 은 각 AC 상 연결점 (315) 과 직렬 연결된다. 또는, 하프-브리지 캐스케이드들 (200B, 200C, 200D) 은 상이한 개수의 상들을 가지는 AC/DC 컨버터 (300B) 에 이용될 수 있다. 하프-브리지 캐스케이드들 (200B/C/D) 을 포함하는 AC/DC 컨버터는, 예를 들어 고전압 직류 전류 (High Voltage Direct Current, HVDC) 스테이션에 이용될 수 있다.
컨버터 셀 (100) 의 오동작은, 예를 들어 밸브 (105) 의 단락된 스위치 (11) 에 의하여; 밸브 (105) 를 턴온 및/또는 턴오프시킬 수 없는 결함 게이트 구동 유닛 (125) 에 의하여; 고장으로 개방 회로가 된 밸브 (105) 등에 의하여 야기될 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 전통적인 2 레벨 컨버터들 대신에 캐스케이딩된 컨버터들 (300) 을 이용하는 장점은, 추가적인 "스페어" 컨버터 셀들 (100) 이 캐스케이드 (200) 에 제공된다는 점 또는 컨버터 셀 (100) 에 고장이 발생하는 경우에 컨버터 (300) 가 잔여 컨버터 셀들 (100) 과 함께 더 낮은 전압에서 동작하도록 배치될 수도 있다는 점에서, 리던던시가 효율적으로 조달될 수도 있다는 것이다. 그러나, 캐스케이드 (200) 의 하나 이상의 컨버터 셀들 (100) 에 고장이 발생했을 때 잔여 컨버터 셀들 (100) 이 계속 동작하기 위해서는, 결함 컨버터 셀(들) (100) 이 바이패싱되어야 하는 것이 바람직하다. 만일 결함 컨버터 셀 (100) 이 바이패싱되지 않는다면, 이것은 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 동작에 위험을 발생시킬 수도 있다. 예를 들어, 결함 컨버터 셀 (100) 은 너무 높은 전압을 가지게 될 수도 있는데, 이것은 잠재적으로 심각한 결과들을 야기할 수 있는 절연 파괴가 일어나도록 할 수도 있다.
본 발명의 기술에 따르면, 결함 컨버터 셀 (100) 의 바이패싱은 상 레그 (120) 를 통하여 셀 커패시터 (110) 를 단락시킴으로써 얻어질 수 있고, 이를 통하여 셀 커패시터 (110) 에 저장된 에너지를 상 레그 (120) 를 통하여 영구적 단락 회로를 생성하는데 이용한다. 컨버터 기술의 모든 공지된 애플리케이션들에서, 충전된 셀 커패시터 (110) 가 이와 같이 단락되는 것이 회피되도록 보장하기 위한 조치들이 취해져 왔는데, 그 이유는 이러한 단락 동작에 의하여 생성되는 전류 서지 (current surge) 가 파괴적인 힘들을 가지고 있기 때문이다. 반면에, 본 발명의 기술은 셀 커패시터 (110) 에 저장된 에너지의 파괴적 힘들을 건설적으로 이용하여, 결함 컨버터 셀 (100) 의 전체 상 레그 (120) 를 통하여 원하는 영구적 전류 경로를 생성한다. 전류 서지가 상 레그 (120) 를 통해 흐르도록 허용함으로써, 상 레그의 스위치들 (11) 에는 전류의 관점에서 과부하가 걸리게 될 것이고, 전체 상 레그는 영구적으로 단락될 것이다. 그러므로, 생성된 영구적인 전류 경로가 결함 컨버터 셀 (100) 을 바이패싱하도록 동작하는 바이패스 경로를 형성할 것이다.
상 레그 (120) 를 통하여 셀 커패시터 (110) 를 단락시킴으로써 결함 컨버터 셀 (100) 의 단자들을 단락시키는 방법은, 고장의 결과로 개방 회로가 아니라 단락 회로가 되는 스위치들 (11) 을 가지는 컨버터 셀들 (100) 에 적용가능하다. 디스크 타입 패키지 내의 고전력 반도체 디바이스들이 통상적으로 이러한 고장 거동을 보여준다. 디스크 타입 패키지 구조의 반도체 디바이스의 일 예가 EP0588026 에 제공된다. 디스크 타입 패키지 내의 반도체 디바이스들에서, 반전도체성 웨이퍼가, 반전도체성 디바이스의 단자들을 형성하는 두 플레이트들 (전형적으로 몰리브덴 플레이트들) 사이에서 압착된다. 더 나아가, 디스크 타입 패키지 내의 반도체 디바이스들은 흔히 어떤 탄소도 포함하지 않는데, 이 때문에 전류 서지가 큰 경우에도 폭발의 위험성이 낮다. 디스크 타입 패키지 구조로 제작될 수 있는 적합한 스위치들 (11) 의 예들은 통합 게이트 정류 사이리스터들 (Integrated Gate-Commutated Thyristors, IGCTs), 게이트 턴-오프 사이리스터들 (Gate Turn-Off Thyristors, GTOs), 이미터 턴-오프 사이리스터들 (Emitter Turn-Off thyristors, ETOs) 및 역 통전 IGCT들이다. 고장 결과 단락 회로가 되는 다른 스위치들 (11) 이 역시 이용될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d 에서, 고장난 밸브 (105) 를 가지며 위에서 설명된 단락 동작이 수행된 상이한 컨버터 셀들 (100) 의 예들이 도시된다. 도 4a 는 밸브 (105a) 가 결함이 있는 것으로 검출된 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 을 예시하는데, 이 도면에서 결함은 밸브 (105a) 상의 십자로 표시된다. 컨버터 셀 (100A) 의 단자들 (X 및 Y) 을 단락시킬 필요성이 검출되었고, 밸브들 (105a 및 105b) 이 동시에 턴온됨으로써 셀 커패시터 (110) 로부터의 전류 방전이 상 레그 (120:1) 를 통하여 흐르도록 허용되었으며, 따라서 밸브들 (105a 및 105b) 의 단방향성 스위치들 (11) 이 고장 결과 단락 회로가 되도록 야기하는데, 도 4a 에서는 단락 회로가 이러한 단방향성 스위치들 (11) 을 관통하는 굵은 선으로 표시된다. 상 레그 (120:1) 의 단방향성 스위치들 (11) 을 단락시킴으로써, 컨버터 셀 (100A) 을 통하여 셀 단자들 (X 및 Y) 사이에서 영구적인 전류 경로가 생성되었는데, 이것은 도 4a 에서 화살표가 표시된 경로로 표시되는 바와 같다. 전류는 밸브 (105b) 의 단락된 단방향성 스위치 (11) 를 통하고, 그리고 밸브 (105d) 의 다이오드 (12) 를 통하여 단지 (X) 로부터 단자 (Y) 로 통과할 수 있다. 단자 (Y) 로부터 단자 (X) 까지는, 전류는 밸브 (105c) 의 다이오드 (12) 를 통하여 그리고 밸브 (105a) 의 단락된 단방향성 스위치 (11) 를 통하여 통과할 수 있다. 밸브들 (105a 및 105b) 의 스위치들 (11) 이 영구적으로 고장나서 단락 회로가 되어 버렸고, 밸브들 (105c 및 105d) 의 다이오드들 (12) 이 수동 소자들이기 때문에, 컨버터 셀 (100A) 을 통한 전류 경로는 영구적이고 컨버터 셀 (100A) 로의 임의의 파워 서플라이와 무관하다.
도 4b 는 컨버터 셀 (100A) 에 대한 다른 단락 동작의 결과를 예시하는데, 여기서는 결함 밸브 (105a) 가 유사하게 검출되었다. 이 경우에, 상 레그 (120:2), 즉, 결함 밸브 (105a) 가 검출되었던 것과 반대인 상 레그 (120) 의 밸브들 (105c 및 105d) 이 동시에 턴온됨으로써 셀 커패시터 (110) 로부터의 전류 방전이 상 레그 (120:2) 를 통하여 흐르도록 허용되었으며, 따라서 밸브들 (105c 및 105d) 의 단방향성 스위치들 (11) 이 고장 결과 단락 회로 모드가 되도록 야기하는데, 이 단락 회로들은 굵은 선으로 표시된다. 셀 단자들 (X 및 Y) 사이에서 영구적인 전류 경로가 생성되었는데, 여기서 전류는 밸브 (105a) 의 다이오드 (12) 및 밸브 (105c) 의 단락된 단방향성 스위치 (11) 를 통하여 단자 (X) 로부터 단자 (Y) 로 통과할 수 있다. 단자 (Y) 로부터 단자 (X) 까지는, 전류는 밸브 (105d) 의 단락된 단방향성 스위치 (11) 를 통하여, 그리고 밸브 (105b) 의 다이오드 (12) 를 통하여 통과할 수 있다. 만일, 도 4b 의 시나리오에서 결함 밸브 (105a) 가 자신의 단방향성 스위치 (11) 가 단락 회로가 되어 버렸기 때문에 결함이 있다면, 단자 (Y) 로부터 단자 (X) 로의 전류는 그 대신에 밸브들 (105c 및 105a) 을 통하여 진행할 수 있다.
도 4c 는 하프-브리지 컨버터 셀 (100B) 에 대한 단락 동작의 결과를 예시하는데, 여기서 결함은 하나의 셀 단자인 단자 (X) 에만 연결된 밸브인 밸브 (105e) 에서 검출되었다. 상 레그 (120:3) 의 밸브들 (105e 및 105f) 은 동시에 턴온됨으로써 셀 커패시터 (110) 로부터의 전류 방전이 상 레그 (120:3) 를 통해 흐르도록 허용되었으며, 따라서 밸브들 (105e 및 105f) 의 단방향성 스위치들 (11) 이 고장 결과 단락 회로 모드가 되도록 야기하는데, 이것은 굵은 선으로 표시되는 바와 같다. 도면에 표시되는 바와 같이, 셀 단자들 (X 및 Y) 간에 전류 경로가 형성되었으며, 여기서 전류는 예를 들어 밸브 (105f) 의 단락된 단방향성 스위치 (11) 를 통하여 단자 (X) 로부터 단자 (Y) 로 통과하고, 밸브 (105f) 의 다이오드 (12) 를 통하여 단자 (Y) 로부터 단자 (X) 로 통과할 수 있다. 도 4d 는 밸브 (105h) 에 결함이 있는 것으로 검출된 컨버터 셀 (100C) 에 대한 대응 경우를 예시한다.
셀 커패시터 (110) 를 단락시킴으로써 영구적인 전류 경로가 생성되는 상 레그 (120) 의 일부를 결함 밸브 (105) 가 형성하는 위의 도 4a, 도 4c 및 도 4d 에 도시된 시나리오들에서, 이 결함이 단방향성 스위치 (11) 의 단락인 것으로 식별된다면 결함 밸브 (105) 의 단방향성 스위치 (11) 를 턴온시킬 필요가 없었을 것이다. 그렇다면, 상 레그 (120) 의 비결함 밸브 (105) 의 단방향성 스위치 (11) 를 턴온하는 것으로 충분했었을 것이다. 그러나, 영구적인 전류 경로가 결함 밸브 (105) 의 단방향성 스위치 (11) 를 통하여 생성되는 것을 보장하기 위하여, 결함 밸브 (105) 의 스위치 (11) 에게 턴온하라는 명령이 제공될 수도 있다.
만일, 하프-브리지 컨버터 셀 (100B (100C)) 에서, 셀 단자들 (X 및 Y) 사이에 연결되는 밸브 (105f (105g)) 내에서 결함이 검출되면, 그리고 이 결함이 밸브 (105f (105g)) 의 단방향성 스위치 (11) 의 단락인 것으로 식별되면, 이론상 단락 동작이 요구되지 않을 것이다. 그러나, 영구적인 전류 경로가 결함 밸브 (105f (105g)) 의 단방향성 스위치 (11) 를 통하여 생성되는 것을 보장하기 위하여, 비결함 밸브 (105e (105h)) 의 단방향성 스위치 (11) 가 턴온되어 셀 커패시터 (110) 내에 저장된 에너지를 방출할 수 있다. 소망될 경우에는, 이 스위치를 통한 개방 경로를 보장하기 위하여, 결함 밸브 (105f (105g)) 의 단방향성 스위치 (11) 는 동시에 턴온하라고 지시될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같은 단락 회로 동작에서 단락되는 상 레그 (120) 의 다이오드 (12) 들 중 하나 또는 이들 모두가, 전류 서지의 결과로서 역시 고장이 발생하여 영구적인 단락 회로 상태가 된다면, 이것은 셀의 바이패싱을 방지하지 않을 것이며, 그 대신에 해당 전류를 위한 다른 경로들을 제공할 것이다.
도 5 는 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 동작 방법의 일 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도이다. 단계 500에서, 캐스케이딩된 컨버터 (300) 는 정상 동작에서 제어되는데, 예를 들어 종래의 방법으로 제어된다 (예를 들어, DE10103031 또는 Fang Zheng Peng , Jih - Sheng Lai , McKeever , J.W., VanCoevering , J., "정적 무효전력 생성을 위한 개별 DC 소스들을 가지는 멀티레벨 전압원 인버터 (A multilevel voltage - source inverter with separate DC sources for static VAR generation )", IEEE Transactions on Industry Applications , Volume 32, Issue 5, pp 1130-1138, Sep / Oct 1996 을 참조한다). 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 정상 동작 도중에, 단계 503에서 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 컨버터 셀들 (100) 중 임의의 셀에서 바이패스가 필요한 결함이 발생되었는지 여부가 점검된다. 예를 들어, 단계 503 은 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 상태를 연속적으로 모니터링하는 것의 일부일 수 있다. 만일 컨버터 셀 (100) 의 바이패싱이 필요한 결함이 발생되지 않았다면, 단계 500 의 정상 동작이 계속된다. 그러나, 컨버터 셀 (100) 이 바이패싱될 것을 요구하는 결함이 검출되었다면, 단계 505 에 진입되는데, 여기서 상 레그 (120) 를 통하여 전류 서지를 생성하기 위하여, 셀 커패시터 (110) 는 결함 컨버터 셀 (100) 의 상 레그 (120) 를 통하여 단락된다. 그러면 단계 510 에 진입되며, 여기서 컨버터 (300) 의 동작은, 동작하는 컨버터 셀 (100) 이 하나 줄어든 상태로 계속된다.
단계 505 로 진입하라는 결정은 결함 컨버터 셀 (100) 이 검출된 직후에 즉시 수행될 수 있으며, 또는, 상 레그 (120) 의 건설적인 (constructive) 단락 동작이 불필요하게 트리거링되는 것을 회피하기 위하여, 이러한 결정은 결함에 대한 추가적인 분석이 컨버터 셀 (100) 의 바이패싱이 필요하다고 확정할 때까지 지연될 수 있다.
도 6a 는 단계 505 의 일 실시형태의 예시인데, 여기서는 원하는 영구적인 단락 회로를 생성하기 위하여 턴온되는 적어도 하나의 단방향성 스위치 (11) 가, 도 5 의 단계 503 에서 검출된 결함의 속성에 기반하여 선택되었다. 단계 600에서, 단계 503 에서 검출된 결함의 속성이 식별된다. 컨버터 셀 (100) 의 결함 동작은, 예를 들어 밸브 (105) 의 단락된 스위치 (100) 에 의하거나; 밸브 (105) 를 턴온 및/또는 턴오프시킬 수 없는 결함 게이트 구동 유닛 (125) 에 의하거나; 고장 결과 개방 회로가 된 밸브 (105) 에 의하는 등에 의하여 야기될 수 있다. 결함의 속성이 식별되면, 단계 605 에 진입되는데, 여기서는 셀 커패시터 (110) 를 상 레그 (120) 를 통하여 단락시키기 위하여 적어도 하나의 스위치 (11) 가 턴온되도록 선택된다. 이 결함이 단락될 스위치 (11) 에 의하여 야기되는 경우에는, 결함 스위치 (11) 와 동일한 상 레그 (120) 의 다른 스위치 (11) 가 단계 605 에서 턴온되도록 선택되는 유일한 스위치 (11) 일 수 있다. 또는, 결함 상 레그 (120) 의 두 스위치들 (11) 모두가 선택될 수 있다. 이 대신에, 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 의 경우에서는 비결함 상 레그 (11) 의 두 스위치들 (11) 모두가 턴온되도록 선택될 수 있다. 단계 610 에서, 단계 605 에서 선택된 스위치(들)은 통상적으로, 대응하는 게이트 구동 유닛들 (125) 로부터 선택된 스위치들 각각으로의 턴-온 신호의 전송을 개시함으로써 턴온된다.
단계 600 에서 검출된 결함이 결함 게이트 구동 유닛 (125) 에 의하여 야기되는 것으로 발견되면, 동일한 상 레그 (120) 의 두 스위치들이 단계 605 에서 턴온되도록 선택되는 것이 유리하다. 결함 게이트 구동 유닛 (125) 은 자신이 제어하도록 구성된 스위치 (11) 를 턴온할 수 없을 수도 있기 때문에, 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 의 경우에는, 결함 게이트 구동 유닛 (125) 에 의하여 제어되는 스위치 (11) 를 포함하지 않는 상 레그 (120) 의 2 개의 스위치들 (11) 을 선택하는 것이 유리할 수도 있다.
단계 505 의 다른 실시형태가 도 6b 에 예시된다. 여기서는 선택 단계 (605) 가 수행되지 않는다. 그 대신에, 단계 505 에서 주된 결함이 발견되는 것이, 단계 615 에서 컨버터 셀 (100) 의 스위치들 (11) 의 미리 결정된 세트의 턴온을 트리거링할 것이다. 하프-브리지 컨버터 셀 (100B/C) 에서는, 스위치들의 미리 결정된 세트가 상 레그 (120:3/120:4) 의 두 스위치들일 수 있다. 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 에서는, 스위치들의 미리 결정된 세트가 상 레그 (120:1 또는 120:2) 의 두 스위치들 (11) 일 수도 있고 또는 4 개의 스위치들 (11) 모두일 수도 있다.
상 레그 (120) 의 2 개의 스위치들 (11) 이 동시에 스위치 온되는 것을 방지하는 인터록 시스템이 제어 시스템 (135) 에 설치되는 제어 시스템 (135) 의 일 실시형태에서, 단계 505 는 예를 들어 이러한 인터록 시스템의 제거를 수반할 수 있다.
상 레그 (120) 의 구성요소들의 내열 속성들 및 셀 커패시터 (110) 양단의 전압 Uc 의 크기에 의존하여, 상 레그 (120) 를 통한 셀 커패시터 (110) 의 단락시에 생성되는 전류 서지가 구성요소들의 너무 빠른 가열을 일으켜서 컨버터 셀 (100) 에 바람직하지 않은 손상을 야기할 위험성이 존재할 수도 있다. 일 실시형태에서, 전류 서지의 시간당 변화율 (time derivative) 을 제한하고 이를 통해 피크 전류를 제한하며 그리고 원하지 않는 손상의 위험을 감소시키기 위하여, 컨버터 셀 (100) 의 회로 내에 리액터가 도입된다. 예를 들어, 단방향성 스위치들이, 전류가 디바이스 내에 너무 빨리 진입하면 디바이스의 소영역 내에 누적될 것이며, 따라서 그 소영역이 급격히 가열되는 반도체 웨이퍼를 포함하는 디스크 타입 패키지 내의 반도체 디바이스들인 경우에 이것은 유용할 수도 있다.
도 7a 는 전류 기울기 제한 목적들을 위한 리액터 (700) 를 포함하는 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 의 일 실시형태의 일 예이다. 이 실시형태에서 컨버터 셀 (100A) 의 회로 내의 리액터 (700) 의 위치는, 이 리액터가 셀 커패시터 (110) 를 상 레그들 (120:1 및 120:2) 에 연결시키는 경로 내에 연결되도록 한다. 도 7a 의 리액터 (700) 는 상 레그들 (120:1 및 120:2) 의 양극 단자들의 연결점과 셀 커패시터 (110) 사이의 DC 링크에 연결된다. 리액터 (700) 의 다른 위치들도 채택될 수 있다: 예를 들어 리액터 (700) 는 셀 커패시터 (110) 의 타측 상에서, 즉, 상 레그들 (120:1 및 120:2) 의 음극 단자들의 연결점과 셀 커패시터 (700) 사이의 DC 링크에 위치할 수도 있으며, 또는 적어도 2 개의 리액터부들 (reactor parts) 로서 연결될 수도 있는데, 여기서 적어도 하나의 리액터부는 상 레그들 (120) 각각과, 셀 커패시터 (110) 가 상 레그 (120) 에 연결되는 지점 사이에 연결된다.
도 7a 의 컨버터 셀 (100A) 에는 클램핑 회로 (705) 도 더 설치되어 있다. 이러한 클램핑 회로 (705) 의 목적은, 정상 동작 도중에 밸브 (105) 로부터 다른 밸브 (105) 로의 전류의 교환 (commutation) 시에 밸브 (105) 양단의 과전압을 감소시키거나 회피하기 위한 것인데, 이러한 전압은 리액터 (700) 양단의 유도 전압으로부터 유래한다. 도 7a 의 클램핑 회로 (705) 는 셀 커패시터 (110) 가 연결된 DC 링크 주위에 반사 대칭성 (reflection symmetry) 을 제공하며, DC 링크의 어느 한 측에서 다이오드 (710), 커패시터 (715) 및 저항 (720) 을 포함하는데, 이것들은 각각 클램핑 다이오드 (710), 클램핑 커패시터 (715) 및 클램핑 저항 (720) 이라고 불린다. 클램핑 회로 (705) 는 밸브 (105a) 가 스위치 오프될 때 전류 변화에 의하여 유도되는 리액터 (700) 양단의 전압에 의하여 구동되는 전류에 대한 다른 경로를 제공하도록 배치됨으로써, 스위치-오프된 밸브 (105) 양단의 과전압이 회피될 수 있다. 클램핑 다이오드 (710) 및 클램핑 커패시터 (715) 는 직렬 연결로 연결되는데, 이것은 다시 상 레그 (120) 와 병렬 연결되며, 따라서 더 이상 닫힌 밸브 (105) 에 진입할 수 없는 전류의 댐핑 (damping) 을 제공한다. 클램핑 저항 (720) 은, 클램핑 커패시터 (715) 를 방전시키는 가능성을 제공하기 위하여 일단에서 클램핑 다이오드 (710) 와 클램핑 커패시터 (715) 사이의 지점에 연결되고, 타단은 셀 커패시터 (110) 와 리액터 (700) 사이의 지점에 연결된다.
도 7b 는 리액터 (700) 가 밸브들 (105e 및 105f) 에 의하여 형성되는 상 레그 (120:3) 의 양극 단자들의 연결점과 셀 커패시터 (110) 사이에 직렬 연결된 하프-브리지 컨버터 셀 (100B) 의 일 실시형태를 예시한다. 또는, 리액터 (700) 는 상 레그 (120:3) 의 음극 단자들의 연결점과 셀 커패시터 (110) 사이에 연결될 수 있다.
도 7b 의 컨버터 셀 (100B) 은, 클램핑 다이오드 (710), 클램핑 커패시터 (715) 및 클램핑 저항 (720) 을 포함하는 클램핑 회로 (705) 를 더 포함한다. 클램핑 다이오드 및 클램핑 커패시터 (715) 는 직렬 연결로 연결되며, 이것은 다시 상 레그 (120) 와 병렬 연결된다. 클램핑 저항 (720) 의 일단이 클램핑 다이오드 (710) 와 클램핑 커패시터 (715) 사이의 지점에 연결되고, 타단은 셀 커패시터 (110) 와 리액터 (700) 사이의 지점에 연결된다.
도 7b 에 도시된 것과 유사한 클램핑 회로 구조가 컨버터 셀 (100C) 에 이용될 수 있다.
이 대신에, 유도 전류에 대한 다른 경로들을 제공하는 클램핑 회로 (705) 의 다른 구조들이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 클램핑 다이오드 (710) 및 클램핑 커패시터 (715) 는 상 레그 (120) 의 각 밸브 (105) 와 병렬로 연결될 수 있다. 도 7a 및 도 7b 의 클램핑 회로들 (705) 은, 컨버터 셀 (100) 이 전류 기울기 제한 리액터 (700) 를 포함하는 실시형태에서 리액턴스 (700) 의 클램핑을 제공한다. 그러나, 클램핑 회로 (700) 는 옵션으로 제거될 수 있다.
전류 기울기 제한을 위하여 이용되는 리액터 (700) 의 리액턴스 L700 는, 셀 커패시터 (110) 의 단락 동작시에, 전류가 단락된 상 레그 (120) 의 스위치들 (11) 의 단면에 걸쳐 균일하게 분배되기에 충분히 낮은 전류 시간당 변화량 (current time derivative) 을 제공할 수 있도록 충분히 높음으로써, 원하지 않는 손상을 다르게 야기할 수도 있는 스위치들 (11) 내의 국부적 가열을 회피하는 것이 바람직하다. 더 나아가, 리액턴스 L700 는, 상 레그 (120) 를 통한 전류가 스위치들 (11) 이 단락 모드로 들어가는 크기로 커질만큼 충분히 큰 전류 시간당 변화량을 제공하기에 충분히 낮은 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 셀 커패시터의 커패시턴스 C110 에 대한 리액턴스 L700 의 비는 다음 크기를 가진다.
여기서, U 110 은 셀 커패시터 (110) 양단의 공칭 전압이고, I nom 은 컨버터 셀 (100) 의 공칭 동작 전류이며, a 는 예를 들어 50 내지 200 의 범위 내에 위치할 수 있는 상수인데, 예를 들어 a 는 100 의 값을 가질 수 있다. 리액터 (700) 의 리액턴스 L700 와 셀 커패시터 (110) 의 커패시턴스 C110 간의 다른 비율들도 역시 이용될 수 있다. 클램핑 회로 (705) 를 가지는 컨버터 셀 (100) 의 일 예에서, 셀 커패시턴스 양단의 공칭 전압은 U110 = 2800 V 의 값을 가지고, 공칭 동작 전류는 Inom = 2000 A 의 값을 가지며, 셀 커패시터 (110) 의 커패시턴스는 C110 = 20 mF 의 값을 가지고, 리액터 (700) 의 리액턴스는 L700 = 5 μH 의 값을 가진다. 이러한 값들은 예로서만 제공되며, U110, Inom, C110 등은 임의의 소망 값을 가질 수 있다.
통상적으로, 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 동작은, 캐스케이딩된 컨버터 (300) 의 임의의 고장 부분들을 검출하기 위해서는 물론 스위치들 (11) 의 효율적인 스위칭을 허용하기 위하여 제어 시스템 (135) 에 의하여 모니터링된다. 이러한 모니터링은 예를 들어 컨버터 셀들 (100) 의 상 레그들 (120) 양단의 전압을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 전류의 교환이 이루어지는 도중에, 통상적으로는 상 레그 (120) 양단에는 어떠한 전압도 기대되지 않는다. 만일, 교환의 개시 이후에 상 레그 (120) 양단의 전압이 시간의 특정 주기 (예를 들어 대략 10 μs 내지 100 μs) 가 경과했을 때 0 레벨을 유지한다면, 상 레그 (120) 가 단락되었다고 가정할 수 있다. 만일 상 레그 (120) 양단의 전압이 교환시에 0 으로 가지 않는다면, 교환을 실행하기 위하여 밸브 (105) 를 턴온하도록 지시된 게이트 구동 유닛 (125) 이 그 밸브 (105) 를 턴온 및/또는 턴오프할 수 없다고 가정될 수 있다. 그러므로, 상 레그들 (120) 양단의 전압을 측정하고 이러한 측정치들을 나타내는 신호 (도 1a 내지 1c 의 신호들 (140) 참조) 를 제어 시스템 (135) 에 전달하도록 구성된 전압 측정 디바이스를 이용함으로써, 제어 시스템 (135) 은 정보를 획득할 수 있어서, 그에 의해 밸브 고장이 검출될 수도 있다. 이러한 측정치들로부터, 고장난 밸브 (105) 가 개방 또는 단락 모드에서 고장난 것인지 여부를 또한 추론할 수도 있다.
전력 컨버터의 동작을 모니터링하는 것은, 이것에 대신하거나 이에 추가하여 개별 밸브들 (105) 양단의 전압을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브 (105) 양단의 측정 전압이 현재의 스위칭 상태에 있는 밸브 (105) 양단의 기대 전압에 대응하지 않는다면, 밸브 고장 표시자가 획득될 수 있다.
제어 시스템 (135) 에게 고장 관련 정보를 제공할 수도 있는 측정의 다른 예는 게이트 구동 유닛들 (125) 에 공급되는 전력의 측정들이다. 만일 게이트 구동 유닛 (125) 에 충분한 전력이 결핍되면, 이것은 효율적인 스위칭 신호를 제공할 수 없을 수도 있으며, 따라서 이것이 서빙하는 스위치 (11) 가, 비록 스위치 (11) 자신은 결함이 없더라도, 기대되는 방식으로 거동하지 않을 수도 있다. 더 나아가, 게이트 구동 유닛 (125) 은 게이트 구동 유닛 (125) 에서 발생되는 상이한 타입들의 결함들을 검출하기 위한 내장형 결함 검출 기능 (fault detection) 을 포함할 수 있다. 컨버터 셀 결함들을 검출하기 위한 다른 방식들도 채택될 수도 있다.
컨버터 (300) 의 결함 컨버터 셀 (135) 을 바이패싱하기 위한 결정은, 해당 컨버터 셀 (100) 의 바이패싱을 요구하는 주된 결함을 검출한 제어 시스템 (135) 에 의하여 수밀리초 또는 이보다 더 짧은 시간 내에 취해질 수도 있다. 셀 커패시터 (110) 내에 저장된 에너지를 이용하여 상 레그 (120) 를 단락시키면 해당 셀을 바이패싱하는 신속하고 효율적인 방법을 제공하는데, 그 이유는 기계적 동작이 필요 없기 때문이다. 그러나, 몇 가지 이유로 상 레그 (120) 의 단락 동작이 해당 셀 커패시터 (110) 의 방전시에 수행되지 않았다면, 그 셀 커패시터 (110) 는 예를 들어 컨버터 셀 (100) 의 모든 스위치들 (11) 을 턴오프함으로써 재충전될 수 있다. 셀 커패시터 (110) 가 재충전되면, 단락 동작이 수행될 수 있다 (도 5 의 단계 505 참조).
풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 의 상 레그들 (120:1 및 120:2) 에는 도 8 에 도시된 바와 같은 개별 파워 서플라이 시스템들이 제공될 수 있다. 2 개의 개별 파워 서플라이 시스템들을 제공함으로써, 파워 서플라이들 중 하나가 고장난다 하더라도, 필요성이 생기면 적어도 하나의 상 레그 (120) 의 밸브들이 셀 커패시터 (120) 를 단락시키도록 제어될 수 있다는 것이 보장될 수 있다. 도 8 의 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 은 2 개의 개별 파워 서플라이 시스템들 (800:1 및 800:2) 을 포함한다. 파워 서플라이 시스템 (800:1) 은 게이트 구동 유닛들 (125a 및 125b) 에 연결되는데, 이들은 상 레그 (120:1) 의 밸브들 (105a 및 105b) 의 스위치들 (11) 에게 스위칭 신호들 (130a 및 130b) 을 공급하도록 배치되고, 파워 서플라이 시스템 (800:2) 은 게이트 구동 유닛들 (125a 및 125b) 에 연결되는데, 이들은 상 레그 (120:2) 의 밸브들 (105c 및 105d) 의 스위치들 (11) 에게 스위칭 신호들 (130c 및 130d) 을 공급하도록 배치된다. 그러므로, 파워 서플라이 시스템 (800:1) 이 고장나는 경우, 단락 신호들이 여전히 상 레그 (120:2) 의 스위치들 (11) 로 생성될 수 있고, 파워 서플라이 시스템 (800:2) 이 고장나는 경우, 단락 신호들이 여전히 상 레그 (120:1) 의 스위치들 (11) 로 생성될 수 있다. 예를 들어, 파워 서플라이 시스템 (800) 은 전력의 공급을 위하여 셀 커패시터 (110) 에 연결될 수 있다. 전력의 개별 공급을 위하여, 파워 서플라이 시스템들 (800:1 및 800:2) 은 독립적으로 셀 커패시터 (110) 에 연결될 수 있다. 다른 구현에서, 파워 서플라이 시스템들 (800:1 및 800:2) 은 상 레그들 (120:1 및 120:2) 의 밸브들 (105) 에 각각 연결된다. 그러면, 파워 서플라이 시스템 (800) 에 의하여 제공되는 전력은, 전력이 공급되는 게이트 구동 유닛 (125) 에 의하여 서빙되는 상 레그 (120) 의 턴오프된 밸브 (105) 로부터 수전될 수 있다. 파워 서플라이 시스템 (800) 은 예를 들어, 갈바닉 분리 (galvanic separation) 및 전압 적응 (voltage adaptation) 을 위한 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 파워 서플라이 시스템 (800) 의 동작 전압은, 예를 들어 15 V 내지 24 V 범위에 있을 수 있으며, 셀 커패시터 (110) 의 동작 전압은 전형적으로 매우 높을 것인데, 예를 들어 1600 V 내지 2800 V 의 범위에 있을 수 있다.
그 실시형태들이 도 6a 및 6b 에 도시되는 도 5 의 방법은, 예를 들어 제어 시스템 (135) 내에서 수행될 수 있는데, 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어의 적합한 조합을 이용하여 구현될 수도 있다. 그러므로, 제어 시스템 (135) 은, 일 실시형태에서는 위에 논의된 단락 동작을 수행하도록 프로그램가능하게 구성될 수 있다. 상태 신호들 (140) 을 수신하도록 구성된 입력부 (900), 스위칭 명령들을 전달하도록 구성되는 출력부 (905), 처리 수단 (910) 및 메모리 (915) 를 포함하는 제어 시스템 (135) 의 일 예가 도 9 에 도시된다. 메모리 (915) 는, 처리 수단 (910) 에서 실행되면 도 5 의 방법을 실행하는 컴퓨터 프로그램 코드 (920) 를 저장한다. 처리 수단 (910) 은 하나 이상의 프로세서들일 수 있다. 제어 시스템 (135) 의 일 실시형태에서, 제어 시스템 (135) 은 각각 하나 이상의 셀 컨버터 셀들 (100) 의 일 세트를 제어하는 복수 개의 서브-유닛들 및 이러한 서브-유닛들이 통신할 수 있는 중앙 제어 시스템을 포함한다. 다른 실시형태에서, 제어 시스템 (135) 은 중앙 제어 시스템만을 포함하는데, 이것이 컨버터 (300) 의 컨버터 셀들 (100) 모두의 동작을 제어한다. 일 실시형태에서, 제어 시스템 (135) 은 하드웨어만을 이용하여 구현된다.
위의 논의에서, 예를 들기 위한 목적을 위하여 각 상 레그 (120) 는 2 개의 직렬 연결된 전기 밸브들 (105) 을 갖는 것으로 도시되어 왔으며, 여기서 각 밸브 (105) 는 DC 레일들 중 하나를 상 레그 (120) 의 중간점에 연결한다. 그러나, 개시된 기술은 상 레그 (120) 가 세 개 이상의 전기 밸브들 (105) 을 포함하며, 이들은 컨버터 셀 (100) 이 상이한 스위칭 상태들을 취할 수 있도록 구성되는 구조들에도 역시 적용가능하다. 컨버터 셀 (100) 의 셀 커패시터 (110) 를 세 개 이상의 밸브들 (105) 을 가지는 상 레그 (120) 를 통하여 단락시킬 때, 상 레그 (120) 의 적어도 2 개의 직렬 연결된 밸브들 (105) 이 동시에 스위치온 됨으로써 셀 커패시터 (100) 을 거치고 상 레그 (120) 를 통하는 전류 경로가 생성되게 할 것이다.
위에 논의된 기술은 HVDC 및 정적 무효전력 보상과 같은 전력 애플리케이션들에서 이용되기 위한, 전압원이며 자가-교환하는 (self-commutating) 캐스케이딩된 전력 컨버터 (300) 에서 리던던시를 획득하기 위한 효율적이며 하드웨어적으로 경제적인 방법을 제공한다. 비록 본 발명의 다양한 양태들이 첨부되는 독립 청구항들에서 기술되지만, 본 발명의 다른 양태들은 위의 상세한 설명 및/또는 첨부되는 청구항들에 제공된 임의의 특징들의 조합을 포함하며, 첨부된 청구항들에 명시적으로 기술된 조합들만을 포함하는 것이 아니다.
당업계의 기술자는 본 명세서에서 제공된 기술이, 예를 들기 위한 목적만으로 제공되는 첨부된 도면들 및 앞선 상세한 설명에 개시된 실시형태들에 한정되는 것이 아니며, 오히려 이러한 기술은 복수 개의 다른 방법들로 구현될 수도 있고, 이것은 후속하는 청구항들에 의하여 정의된다는 것을 이해할 것이다.
Claims (13)
- 캐스케이딩된 전력 컨버터 (300A, 300B) 로서,
셀 커패시터 (110), 및 적어도 2 개의 전기 밸브들 (105) 을 가지는 적어도 하나의 상 레그 (phase leg; 120) 를 포함하는 컨버터 셀 (100A, 100B, 100C) 로서, 상기 적어도 하나의 상 레그는 상기 셀 커패시터에 병렬 연결되는, 상기 컨버터 셀 (100A, 100B, 100C); 및
상기 적어도 하나의 상 레그의 상기 전기 밸브들의 스위칭을 제어하기 위한 제어 시스템 (135) 을 포함하고,
상기 제어 시스템은, 상기 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 상 레그를 통한 전류 서지 (current surge) 를 획득하기 위하여 상기 셀 커패시터가 상기 상 레그를 통해 단락되도록 하는 방식으로 상기 컨버터 셀의 상기 전기 밸브들의 상기 스위칭을 제어함으로써, 상기 상 레그를 통한 영구적인 전류 경로를 생성하도록 구성되는, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 컨버터 셀은,
상기 셀 커패시터의 단락시에 피크 전류를 제한하기 위하여 상기 셀 커패시터와 상 레그 사이에 직렬 연결되는 리액터 (700) 를 더 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 2 항에 있어서,
상기 컨버터 셀은,
턴-오프 동안에 상기 밸브들 양단의 전압을 제한하기 위하여 연결되는 클램핑 회로 (705) 를 더 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨버터 셀은, 풀 브리지로 배치되는 2 개의 상 레그들 (120:1, 120:2) 을 포함하는 풀-브리지 컨버터 셀 (100A) 인, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 4 항에 있어서,
상기 컨버터 셀은,
상기 전기 밸브들의 상기 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되는 제 1 및 제 2 파워 서플라이 유닛들 (800:1, 800:2) 을 더 포함하고,
상기 제 1 파워 서플라이 유닛은, 제 1 상 레그의 상기 전기 밸브들의 상기 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되고, 상기 제 2 파워 서플라이 유닛은, 제 2 상 레그의 상기 전기 밸브들의 상기 스위칭을 위한 전력을 공급하도록 구성되며,
상기 제 1 및 제 2 파워 서플라이 유닛들은 서로 독립적인, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은,
상기 컨버터 셀의 상태를 표시하는 적어도 하나의 상태 신호 (140) 를 수신하고;
상기 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에 그리고 적어도 하나의 수신된 상태 신호에 의존하여,
턴온될 적어도 하나의 전기 밸브를 선택하고, 상기 선택된 전기 밸브(들) 를 턴온하는 것이, 상기 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하도록 하는 방식으로 상기 선택이 수행되고;
상기 셀 커패시터를 단락시키기 위하여, 턴온 상태로 스위칭하기 위한 상기 선택된 전기 밸브(들) 에 대한 신호 (125) 를 생성하도록 구성되는, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은,
상기 컨버터 셀을 바이패싱할 필요성의 검출시에, 턴온될 경우, 상기 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하는 전기 밸브(들) 의 미리 결정된 세트에 대한 신호 (125) 를 생성하도록 구성되는, 캐스케이딩된 전력 컨버터. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 캐스케이딩된 컨버터를 포함하는, SVC 스테이션.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 캐스케이딩된 컨버터를 포함하는, HVDC 스테이션.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 캐스케이딩된 컨버터를 포함하는, 전력 송전 시스템.
- 캐스케이딩된 전력 컨버터 (300A, 300B) 에서의 컨버터 셀 (100A, 100B, 100C) 을 바이패싱하는 방법으로서,
상기 컨버터 셀은, 셀 커패시터 (110), 및 상기 셀 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 상 레그 (120) 를 포함하고,
상 레그는, 적어도 2 개의 직렬 연결된 전기 밸브들 (105a 내지 105f) 을 가지며,
상기 방법은,
상 레그를 통한 전류 서지를 획득하기 위하여 상기 셀 커패시터가 상기 상 레그를 통해 단락되도록 하는 방식으로 상기 전기 밸브들의 스위칭을 제어함으로써, 상기 상 레그를 통한 영구적인 전류 경로를 생성하는 단계 (505) 를 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터에서의 컨버터 셀의 바이패싱 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 컨버터 셀의 상태를 표시하는 적어도 하나의 상태 신호 (140) 를 수신하는 단계; 및
상기 수신된 적어도 하나의 상태 신호에 의존하여, 턴온될 적어도 하나의 전기 밸브를 선택하는 단계 (605) 로서, 상기 선택된 전기 밸브(들) 를 턴온하는 것이, 상기 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하도록 하는 방식으로 상기 선택이 수행되는, 상기 턴온될 적어도 하나의 전기 밸브를 선택하는 단계 (605) 를 더 포함하고,
상기 단락시키는 것은,
상기 셀 커패시터를 단락시키기 위하여, 턴온 상태로 스위칭하기 위한 상기선택된 전기 밸브(들) 에 대한 신호 (125) 를 생성하는 것 (610) 을 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터에서의 컨버터 셀의 바이패싱 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 단락시키는 것은,
턴온될 경우, 상기 셀 커패시터를 단락시키는 상 레그를 통한 경로를 생성하는 전기 밸브(들) 의 미리 결정된 세트에 대한 신호 (125) 를 생성하는 것 (615) 을 포함하는, 캐스케이딩된 전력 컨버터에서의 컨버터 셀의 바이패싱 방법.
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