KR101334318B1 - Power converting device - Google Patents
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Abstract
실시예는 전력변환장치에 관한 것이다. 실시예에 따른 전력변환장치는 발전기에 연결되고, 멀티-레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터와 발전기측 컨버터에 연결되고, 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 DC 링크단과, 일단이 계통에 연결되고, 타단은 DC 링크단에 연결되며, 두 개의 2레벨 컨버터를 포함하는 계통 측 컨버터를 포함하고, 2레벨 컨버터는 직렬로 연결되며, 두 개의 2레벨 컨버터가 직렬 연결된 부분의 노드는 상위 커패시터와 하위 커패시터를 연결하는 중성점과 연결된다. Embodiments relate to a power converter. The power converter according to the embodiment is connected to a generator, a generator-side converter including a multi-level converter and a generator-side converter, a DC link stage including an upper capacitor and a lower capacitor, one end is connected to the grid, The other end is connected to the DC link stage and includes a grid-side converter including two two-level converters, the two-level converters are connected in series, and the nodes of the two two-level converters in series are connected to the upper capacitor and the lower capacitor. Is connected with the neutral point.
Description
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 계통 측에 2레벨 컨버터를 직렬로 연결하여 중성점과 연결한 전력변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power converter, and more particularly, to a power converter connected to the neutral point by connecting a two-level converter in series on the grid side.
신재생에너지란, 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물 유기체등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로서, 최근 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래의 에너지원으로 각광받고 있다.Renewable energy is an energy used by converting existing fossil fuels or converting renewable energy including sunlight, water, geothermal energy, and biological organisms, and is emerging as a future energy source for a sustainable energy supply system. I am getting it.
특히, 신재생에너지는 유가의 불안정, 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 더 커지게 되었다. 신재생에너지의 종류는 풍력, 파력, 조력, 태양광, 폐기물 에너지등의 재생 에너지 분야, 지력, 연료전지, 수소 에너지등을 들수 있다.In particular, renewable energy has become more important due to the instability of oil prices and the regulatory response of the Climate Change Convention. Renewable energy types include wind power, wave power, tidal power, solar energy, waste energy, and renewable energy fields, such as intelligence, fuel cells, and hydrogen energy.
신재생에너지 발전시스템에서 반드시 필요한 구성으로는 전력변환장치(Power Converter)를 들 수 있으며, 이는 가변적인 풍속 또는 유속 조건에 기인하는 가변 전압, 가변 주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.An essential element in the renewable energy generation system is a power converter, which is a low voltage primary energy having a variable voltage and a variable frequency characteristic due to a variable wind speed or flow rate. It is a device for purifying high quality secondary energy with constant voltage and constant frequency so that it can be linked.
특히 신재생에너지 발전 시스템 시장에서 많이 적용되고 있는 발전기로는 권선형 유도 발전기(Double-Fed Indection Generator, DFIG) 및 동기 발전기(Synchronous Generator, SG)를 들 수 있다.In particular, the generators that are widely applied in the renewable energy generation system market include the Double-Fed Indection Generator (DFIG) and the Synchronous Generator (SG).
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 전력변환장치를 간략히 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram schematically showing a power conversion apparatus according to a comparative example of the present invention.
도 1은 일반적인 3상 발전기에 적용될 수 있는 전력변환 시스템의 일 예를 도시한 것으로, 백-투-백(Back-to-Back) 3레벨 컨버터를 갖는 전력변환장치를 도시한 것이다. 1 illustrates an example of a power conversion system that can be applied to a general three-phase generator, and illustrates a power conversion apparatus having a back-to-back three-level converter.
도 1을 참조하면, 3상 동기 발전기(1)에 적용되는 전력변환장치는 교류(AC)/직류(DC)컨버터(발전기 측 컨버터)(3)와 직류/교류 컨버터(계통 측 컨버터)(5)를 구비한다. 각각의 컨버터(3, 5)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 다시 이를 교류 전원으로 변환하는 교류-직류-교류 변환기능을 갖는다.Referring to FIG. 1, a power converter applied to a three-phase
구체적으로 동기 발전기(1)의 출력은 단일 3상으로 되며, 동기 발전기(1)에 연결된 발전기 측 컨버터(3)와 전력 계통(Grid) 측에 연결된 계통 측 컨버터(5) 사이에 DC 링크단(7)이 구비되어, 양측의 컨버터(3, 5)가 DC 링크단(7)을 공유한다.Specifically, the output of the
이 때, 발전기측 컨버터(3)와 계통측 컨버터(5)는 도시한 바와 같이 12개의 스위칭 소자(11,12)를 갖는 2레벨 컨버터로 구성된다. At this time, the generator-
DC 링크단(7)에 인가되는 전압은 발전기(1)의 회전자 권선을 통해 발전되는 에너지가 계통까지 전달될 수 있도록 항상 일정한 크기로 유지되도록 제어된다.The voltage applied to the
다만, 일 예로 대용량의 풍력 발전기를 설치하는 경우, 에너지의 낭비를 막기 위하여 고전압의 풍력 발전기를 설치하게 되며, 이에 따라 고전압의 발전기를 제어하기 위해 전력변환장치도 고전압 전력변환장치를 사용해야 한다.However, in the case of installing a large-capacity wind generator, for example, a high voltage wind generator is installed in order to prevent waste of energy. Accordingly, the power converter must also use a high voltage power converter to control the high voltage generator.
컨버터(3, 5)는 스위칭 소자를 포함하며, 주로 사용되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT)의 경우 전압 레벨의 한계를 가지므로, 3레벨 다이오드 클램프드 컨버터를 사용한다. The
그러나 3레벨 다이오드 클램프드 컨버터는, 2레벨 컨버터보다 많은 스위칭 소자와 클램핑 다이오드(claimping diode)를 구비하므로, 전체 회로가 복잡해지고, DC 링크단(7)의 중성점 전위를 제어해야 하는 단점을 갖는다.However, since the three-level diode clamped converter has more switching elements and clamping diodes than the two-level converter, the entire circuit is complicated and has the disadvantage of controlling the neutral point potential of the
한국공개특허 제2009-0056110호는 클램핑 다이오드를 사용하지 않고, 스위치로 중성점들을 클램프함으로써, 출력전압의 레벨을 증가시켜 출력전압의 고조파 및 부하 전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 멀티-레벨로 확장시 용이하게 모듈화할 수 있는 스위치 클램프드 멀티-레벨 인버터를 개시하고 있다. 그러나, 본 발명이 개시하는 계통 측 컨버터를 직렬로 연결된 2레벨 컨버터를 사용하여 중성점을 제어하는 구성과는 차이가 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0056110 clamps neutral points with a switch without using a clamping diode, thereby increasing the level of the output voltage, thereby reducing the harmonics of the output voltage and the ripple of the load current, and extending to multi-levels. Disclosed is a switch clamped multi-level inverter that can be easily modularized. However, there is a difference from the configuration of controlling the neutral point by using a two-level converter connected in series with the system-side converter disclosed in the present invention.
본 발명의 실시예들은 발전기 측 컨버터는 3레벨로 구성하되, 계통 측 컨버터를 직렬로 연결된 2레벨 컨버터를 사용하여 중성점 전압의 불균형 현상을 제어할 필요가 없는 전력 변환 장치를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention is to provide a power conversion device configured to have a three-level generator side converter, there is no need to control the imbalance of the neutral point voltage using a two-level converter connected in series with the grid side converter.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전기에 연결되고, 멀티-레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 DC 링크단; 및 일단이 계통에 연결되고, 타단은 상기 DC 링크단에 연결되며, 복수의 2레벨 컨버터를 포함하는 계통측 컨버터를 포함하고, 상기 계통측 컨버터를 구성하는 상기 복수의 2레벨 컨버터는 직렬로 연결되는 전력변환장치를 제공한다.According to one aspect of the invention, a generator-side converter connected to the generator, including a multi-level converter; A DC link stage connected to the generator-side converter and including an upper capacitor and a lower capacitor; And a grid side converter having one end connected to the grid and the other end connected to the DC link stage and including a plurality of two level converters, wherein the plurality of two level converters constituting the grid side converter are connected in series. Provided is a power converter.
또한, 상기 복수의 2레벨 컨버터가 직렬로 연결된 제1 노드는, 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터 사이의 중성점과 연결된다.In addition, a first node to which the plurality of two-level converters are connected in series is connected to a neutral point between the upper capacitor and the lower capacitor.
또한, 상기 2레벨 컨버터 두 개가 직렬 연결되어 있는 경우, 상기 2레벨 컨버터는, 상기 상위 커패시터의 일단과 연결된 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 커패시터의 일단과 연결된 하위 2레벨 컨버터를 포함하는 전력변환장치.Also, when the two level converters are connected in series, the two level converter includes an upper two level converter connected to one end of the upper capacitor and a lower two level converter connected to one end of the lower capacitor.
또한, 상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터는 각각 6개의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 상위 2레벨 컨버터의 스위칭 소자는 상기 하위 2레벨 컨버터의 스위칭 소자와 직렬연결된다.In addition, the upper two-level converter and the lower two-level converter each have six switching elements, and the switching elements of the upper two-level converter are connected in series with the switching elements of the lower two-level converter.
또한, 상기 복수의 2레벨 컨버터는, 클램핑 다이오드를 구비하지 않는다.In addition, the plurality of two-level converters do not include a clamping diode.
또한, 상기 발전기 측 컨버터는, NPC형 3레벨 컨버터 또는 스위치 클램프드 3레벨 컨버터이다.The generator-side converter is an NPC type three level converter or a switch clamped three level converter.
또한, 전력변환장치는, 상기 발전기 측 컨버터와 상기 계통 측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 중성점 불균형을 제어하는 알고리즘을 포함하지 않는다.In addition, the power converter includes a control unit for controlling the operation of the generator-side converter and the grid-side converter, the control unit does not include an algorithm for controlling the neutral point imbalance.
또한, 상기 전력변환장치는, 상기 발전기에 복수의 발전기 측 컨버터가 병렬로 연결되고, 상기 계통에 복수의 계통 측 컨버터가 병렬로 연결되며, 상기 발전기 측 컨버터와 상기 계통 측 컨버터 사이에 상기 DC 링크단이 각각 연결된다.The power converter includes a plurality of generator-side converters connected in parallel to the generator, a plurality of grid-side converters connected in parallel to the grid, and the DC link between the generator-side converter and the grid-side converter. The stages are each connected.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 발전기에 연결되고, 멀티-레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 DC 링크단; 및 일단이 계통에 연결되고, 타단은 상기 DC 링크단에 연결되며, 두 개의 2레벨 컨버터를 포함하는 계통 측 컨버터를 포함하고, 상기 2레벨 컨버터는 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 2레벨 컨버터가 직렬 연결된 부분의 노드는 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터를 연결하는 중성점과 연결되는 전력변환장치가 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a generator-side converter connected to a generator and including a multi-level converter; A DC link stage connected to the generator-side converter and including an upper capacitor and a lower capacitor; And a grid side converter having one end connected to the grid and the other end connected to the DC link stage and including two two level converters, wherein the two level converters are connected in series. A node of a series connected portion may be provided with a power converter connected to a neutral point connecting the upper capacitor and the lower capacitor.
또한, 상기 중성점은 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터의 전압 기준점이다.Also, the neutral point is a voltage reference point of the upper capacitor and the lower capacitor.
또한, 상기 두 개의 2레벨 컨버터는, 상기 상위 커패시터와 연결되는 상위 2레벨 컨버터와, 상기 하위 커패시터와 연결되는 하위 2레벨 컨버터를 포함하고,The two two-level converters may include an upper two level converter connected to the upper capacitor and a lower two level converter connected to the lower capacitor.
상기 전력변환장치는, 상기 중성점을 기준으로 상기 상위 커패시터에 충전되는 전압과 상기 하위 커패시터에 충전되는 전압의 크기를 조절하도록 상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어부를 더 포함한다.The power converter is configured to turn on / off the switching elements included in the upper 2 level converter and the lower 2 level converter to adjust the magnitude of the voltage charged in the upper capacitor and the lower capacitor based on the neutral point. It further includes a control unit for controlling the off.
본 발명의 실시예들은, 스위칭 상태에 따라 나타나는 DC 링크단에 인가되는 전압의 불균형 현상을 별도의 알고리즘 없이도 제어할 수 있다.Embodiments of the present invention can control the unbalance of the voltage applied to the DC link terminal appearing according to the switching state without a separate algorithm.
또한, 계통 측 컨버터를 3레벨에서 2레벨로 변경함에 따라, 클램핑 다이오드를 제거할 수 있고, 이에 따라 전력변환장치의 제조단가를 낮출 수 있다.In addition, by changing the grid-side converter from three levels to two levels, it is possible to eliminate the clamping diode, thereby lowering the manufacturing cost of the power converter.
또한, DC 링크단 전압을 기존 3레벨 컨버터 사용시보다 낮게 설정하여 동작시킬 수 있어 시스템의 내구성을 향상 시킬 수 있다.In addition, it is possible to operate by setting the DC link stage voltage lower than when using a conventional three-level converter to improve the durability of the system.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 전력변환장치를 간략히 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치를 포함하는 전력변환 시스템을 간략히 도시한 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 DC 링크단의 전압변화를 간략히 도시한 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 DC 링크단의 전압변화를 간략히 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예와 실시예에 포함되는 스위칭 소자와 클램핑 다이오드의 수를 비교한 표이다.1 is a circuit diagram schematically showing a power conversion apparatus according to a comparative example of the present invention.
2 is a circuit diagram briefly illustrating a power conversion system including a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
3A is a graph schematically illustrating a voltage change of a DC link terminal according to a comparative example of the present invention.
Figure 3b is a graph showing a brief change in the voltage of the DC link stage according to an embodiment of the present invention.
4 is a table comparing the number of switching elements and clamping diodes included in Comparative Examples and Examples of the present invention.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.It is to be understood that the specific structural or functional descriptions of embodiments of the present invention disclosed herein are only for the purpose of illustrating embodiments of the inventive concept, But may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention are capable of various modifications and may take various forms, so that the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. It should be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are intended to distinguish one element from another, for example, without departing from the scope of the invention in accordance with the concepts of the present invention, the first element may be termed the second element, The second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 시스템(100)의 일부를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a portion of a
도 2를 참조하면, 전력변환장치(10)는 발전기 측 컨버터(20), DC링크(30), 계통 측 컨버터(40, 40')를 포함할 수 있다. 전력변환시스템(1)은 전력변환장치(10)와 발전기(100), 및 계통(200)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
발전기(100)는 터빈의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 AC 전력을 발생시킬 수 있다. 혹은 소용량 발전기의 경우 DC 전력을 발생시킬 수도 있다. 발생된 전력은 전력변환장치(10)를 통하여 AC-DC 컨버팅(Converting)될 수 있고, 혹은 DC-DC 컨버팅 될 수도 있다.The
계통(200)은 그리드(Grid)라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들면, 계통(200)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여, 넓은 지역에 형성되어 있는 전기적인 연계(連繫)이다. The
전력변환장치(10)는 발전기 측 컨버터(20), DC 링크단(30), 계통 측 컨버터(40), 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.The
전력변환장치(10)의 구조는 교류(AC)/직류(DC) 컨버터(발전기 측 컨버터)(20)와 직류/교류 컨버터(계통 측 컨버터)(40, 40')를 구비하며, 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후, 다시 교류 전원으로 변환하는 구조이다.The structure of the
예컨대, 발전기(100)의 출력이 단일 3상으로 되어 있고, 발전기(100)에 연결된 발전기(160) 측 컨버터(20)와 계통 측 컨버터(40, 40')사이에 DC-링크단(30)을 공유할 수 있다. For example, the output of the
발전기 측 컨버터(20)는 발전기(100)에 연결되고, 멀티레벨 컨버터를 포함할 수 있다. 일 예로, 발전기 측 컨버터(20)는 3상 NPC형 3레벨 컨버터 또는 스위치 클램프드 3레벨 컨버터일 수 있다. The
DC 링크단(30)은, 발전기 측 컨버터(20)에 연결되며, 상위 커패시터(32)와 하위 커패시터(34)를 포함할 수 있다. The
계통 측 컨버터(40, 40')는 일단이 계통(200)에 연결되고, 타단이 DC 링크단(30)에 연결되며, 직렬로 연결된 복수개의 3상 2레벨 컨버터를 포함할 수 있다. The grid-
발전기 측 컨버터(20)와 계통 측 컨버터(40, 40')를 구성하는 스위칭 소자(22, 42)는 복수개의 반도체 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 소자는 GTO(gate turn-off thyristors), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistors), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 이루어질 수 있다. IGBT는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 게이트 부에 넣은 접합형 트랜지스터이다. 게이트-이미터 간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온/오프가 생기는 자기 소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 스위칭 소자이다. IGBT는 직류 전압 또는 교류 전압이 공급될 때 도통되어 1㎲의 빠른 속도로 온/오프(on/off)되는 특성을 갖기 때문에 고속 스위칭이 가능하다.The switching
발전기 측 컨버터(20)는 각 상에 4개의 스위칭 소자(22)와, 4개의 역병렬 다이오드, 그리고 2개의 클램핑 다이오드를 포함한다. 각각의 독립된 직류전원없이 클램핑 다이오드를 이용하여 3레벨 출력전압을 얻을 수 있다. The
구체적으로, 3상 NPC형 3레벨 컨버터의 각 상당 스위칭 상태는 스위칭 소자의 도통 상태에 따라 3가지의 상전압 상태가 존재하며, 임의의 상에 대하여 항상 쌍을 이루어 2개의 스위칭 소자가 턴 온(turn on)상태를 유지한다.Specifically, each of the equivalent switching states of the three-phase NPC type three-level converter has three phase voltage states according to the conduction state of the switching element, and always paired with any phase so that the two switching elements are turned on ( keep on.
NPC형 3레벨 컨버터의 경우, DC 링크단(30)의 전압 불균형 문제가 생기는데, 이는 구형파 공간벡터 PWM(R-SVPWM : Rectangular Space Vector Pulse-Width Modulation)제어 방식의 시퀀스 패턴을 재구성하고 스위칭 벡터 인가시간을 조정하는 알고리즘을 통하여 해결할 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 전력 변환 장치(10)의 제어부(50)에서 해당하는 알고리즘을 구현하여야 한다. In the case of the
또한, 이러한 알고리즘을 통하여도 전압 불균형을 제어할 수 없는 영역도 존재하는 문제가 있다. In addition, there is a problem that there is a region that can not control the voltage imbalance even through such an algorithm.
중성점(35)의 전압 불균형 문제를 해소하기 위해 계통 측 컨버터(30)는 직렬로 연결된 3상 2레벨 컨버터를 포함한다. 2레벨 컨버터는 클램핑 다이오드를 구비하지 않는다. 일 예로, 두 개의 2레벨 컨버터가 직렬로 연결된 경우, 직렬로 연결된 제1 노드(45)는 상위 커패시터(32)와 하위 커패시터(34)의 사이를 연결하는 중성점(35)과 연결될 수 있다.In order to solve the voltage imbalance problem of the
두 개의 2레벨 컨버터 중 상위 2레벨 컨버터(40)는 상위 커패시터(32)의 전압을 조절할 수 있고, 하위 2레벨 컨버터(40')는 하위 커패시터(34)의 전압을 조절할 수 있다. 그리고 중성점(35)은 상위 커패시터(32)의 전압과 하위 커패시터(34)의 전압을 측정하는 기준점이 된다.The upper two-
상위 2레벨 컨버터(40)와 하위 2레벨 컨버터(40')는 각각 6개의 스위칭 소자(42, 42')를 포함하며, 상위 2레벨 컨버터(40)와 하위 2레벨 컨버터(40')가 직렬 연결된다는 것은 상위 2레벨 컨버터(40)의 스위칭 소자(42)와 하위 2레벨 컨버터(40')의 스위칭 소자(42')가 직렬로 연결되는 것과 같다.The upper two
2레벨 컨버터(40, 40') 각각은 상위 커패시터(32)와 하위 커패시터(34)의 전압값을 조절하여, 전체적으로 3레벨 컨버터가 갖는 중성점(35) 전압 불균형 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 제어부(50)는 중성점(35) 전압 불균형의 제어를 위한 알고리즘을 포함하지 않는다. 이를 통해, 제어부(50)의 수행 부담을 줄일 수 있다. Each of the two-
또한, 중성점(35) 전압 불균형의 제어가 불가능한 영역이 발생함에 따라 기존에 DC 링크단(7)의 전압보다 낮은 전압을 갖도록 커패시터(32, 34)를 설계하여, 시스템 내구성을 강화할 수 있다.In addition, as the region where the
또한, 직렬로 연결된 2개의 3상 2레벨 컨버터를 구성하는 스위칭 소자(42, 42')의 개수와 도 1에서 도시한 종래 전력변환장치를 구성하는 스위칭 소자(12)의 개수는 동일하나, 본 발명의 실시예에 따르면 종래 전력변환장치와 다르게 클램핑 다이오드(Clamping Diode)가 불필요하다. 따라서, 클램핑 다이오드의 개수 만큼 하드웨어 적인 비용을 감소시킬 수 있다.In addition, the number of switching
제어부(50)는 발전기 측 컨버터(20)를 구성하는 스위칭 소자(22)의 온/오프(on/off)를 제어함으로써, 발전기(100)의 전력을 제어할 수 있고, 발전기(100) 측 전압과 전류의 역률제어를 수행할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 계통 측 컨버터(40, 40')를 구성하는 스위칭 소자(42, 42')의 온/오프(on/off)를 제어함으로써 DC 링크단(30)의 전압을 제어할 수 있고, 계통(200) 측 전압과 전류의 역률 제어를 수행할 수 있다.The
또한, 계통 측 컨버터(40)가 3개의 직렬연결된 2레벨 컨버터인 경우, 발전기 측 컨버터(20)는 4레벨 NPC형 컨버터일 수 있고, 계통 측 컨버터(40)가 4개의 직렬연결된 2레벨 컨버터인 경우, 발전기 측 컨버터(20)는 5레벨 NPC형 컨버터일 수 있다.Further, when the
또한, 이러한 전력변환장치(10)는 복수개가 각각 병렬로 구비되어 전력변환시스템(1)을 구성할 수 있다. 즉, 복수의 발전기 측 컨버터(20)가 발전기(100)에 병렬로 연결되고, 계통(200)에 복수의 계통 측 컨버터(40)가 병렬로 연결되며, 복수의 발전기 측 컨버터(20)와 복수의 계통 측 컨버터(40) 사이에 각각 DC 링크단이 연결될 수 있다.In addition, a plurality of
도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 DC 링크단의 전압변화를 간략히 도시한 그래프이다. 3A is a graph schematically illustrating a voltage change of a DC link terminal according to a comparative example of the present invention.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 DC 링크단의 전압변화를 간략히 도시한 그래프이다.Figure 3b is a graph showing a brief change in the voltage of the DC link stage according to an embodiment of the present invention.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상위 커패시터(32)에 충전되는 전압은 Vdc_H이고, 하위 커패시터(34)에 충전되는 전압은 Vdc_L이다. 이러한 크기는 중성점(35)을 기준으로 결정된다. 도 3a는 본 발명의 비교예에 따른 DC 링크단(7)을 구성하는 커패시터의 전압 변화 곡선이다. 시간이 지날수록 상위 커패시터(32)에 충전되는 전압(Vdc_H)의 크기는 커지며, 하위 커패시터(34)에 충전되는 전압(Vdc_L)의 크기는 작아진다. 2, 3A, and 3B, the voltage charged to the
따라서, 커패시터들의 전압 변화가 누적되어 각 커패시터들 사이의 전압차가 커지는 직류단 전원 전압 불평형 현상이 발생함을 알 수 있다. 커패시터간 전압이 불일치하게 되면, 공간 전압 벡터가 이루는 육각형이 비대칭적으로 왜곡되어 전압 출력이 왜곡된다. 또한, 하나의 스위칭 소자에 걸리는 전압의 크기가 소자의 정격 전압을 초과할 수 있고, 이는 스위칭 소자를 파괴시킬 수 있다.Therefore, it can be seen that the voltage variation of the capacitors accumulates, resulting in an unbalanced DC power supply voltage in which the voltage difference between the capacitors increases. When the voltages between the capacitors are inconsistent, the hexagons formed by the space voltage vectors are asymmetrically distorted, thereby distorting the voltage output. In addition, the magnitude of the voltage across one switching element may exceed the rated voltage of the element, which may destroy the switching element.
도 3b에서는 DC 링크단(30)의 중성점(35)과 직렬로 연결된 두 개의 2레벨 컨버터를 연결함으로써, 상위 커패시터(32)와 하위 커패시터(34)의 전압(Vdc_H, Vdc_L)이 거의 같음을 알 수 있다. In FIG. 3B, by connecting two two-level converters connected in series with the
도 4는 본 발명의 비교예와 실시예에 포함되는 스위칭 소자와 클램핑 다이오드의 수를 비교한 표이다.4 is a table comparing the number of switching elements and clamping diodes included in Comparative Examples and Examples of the present invention.
본 발명의 비교예인 도 1에 도시한 전력변환장치와 도 2에 도시한 전력변환장치를 구성하는 스위칭 소자 예를 들어 IGBT와, 클램핑 다이오드(Clamping Diode)의 개수를 살펴보면, 도 1에 도시한 전력변환장치는 IGBT 12개와 클램핑 다이오드 12개로 구성된다.Referring to the number of switching elements, for example, an IGBT and a clamping diode constituting the power converter shown in FIG. 1 and the power converter shown in FIG. 2 as a comparative example of the present invention, the power shown in FIG. The inverter consists of 12 IGBTs and 12 clamping diodes.
도 2에 도시한 전력변환장치(10)는 IGBT 12개를 포함하는 것은 도 1에 도시한 전력변환장치와 동일하나, 클램핑 다이오드를 포함하지 않는다. 즉, 이와 같이 2레벨 컨버터로 구성함에 따라, NPC 컨버터에 필수적인 구성요소인 클램핑 다이오드를 제거할 수 있고, 이로써 하드웨어적인 비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.The
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It should be understood that various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention.
10 : 전력변환장치 20 : 발전기 측 컨버터
22 : 스위칭 소자 30 : DC 링크단
40, 40' : 계통 측 컨버터 42, 42': 스위칭 소자
50 : 제어부 100 : 발전기
200 : 계통10: power converter 20: generator side converter
22: switching element 30: DC link stage
40, 40 ': grid-
50
200: System
Claims (11)
상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 DC 링크단;
일단이 계통에 연결되고, 타단은 상기 DC 링크단에 연결되며, 복수의 2레벨 컨버터를 포함하는 계통측 컨버터; 및
상기 발전기 측 컨버터와 상기 계통 측 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 계통측 컨버터를 구성하는 상기 복수의 2레벨 컨버터는 직렬로 연결되며,
상기 복수의 2레벨 컨버터가 직렬로 연결된 제1 노드는, 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터 사이의 중성점과 연결되고,
상기 2레벨 컨버터는, 상기 상위 커패시터의 일단과 연결된 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 커패시터의 일단과 연결된 하위 2레벨 컨버터를 포함하며,
상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터는 각각 6개의 스위칭 소자를 구비하며,
상기 상위 2레벨 컨버터의 스위칭 소자는 상기 하위 2레벨 컨버터의 스위칭 소자와 직렬연결되고,
상기 각각의 스위칭 소자는
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)이며,
상기 제어부는
상기 중성점을 기준으로 상기 상위 커패시터에 충전되는 전압과 상기 하위 커패시터에 충전되는 전압의 크기를 조절하도록 상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하고,
상기 복수의 2레벨 컨버터는,
클램핑 다이오드를 구비하지 않는 전력변환장치.A generator-side converter coupled to the generator and including a multi-level converter;
A DC link stage connected to the generator-side converter and including an upper capacitor and a lower capacitor;
A grid side converter having one end connected to the grid and the other end connected to the DC link stage and including a plurality of two-level converters; And
A control unit for controlling the operation of the generator-side converter and the grid-side converter,
The plurality of two-level converters constituting the grid-side converter is connected in series,
A first node to which the plurality of two-level converters are connected in series is connected to a neutral point between the upper capacitor and the lower capacitor,
The two level converter includes an upper two level converter connected to one end of the upper capacitor and a lower two level converter connected to one end of the lower capacitor,
The upper two level converter and the lower two level converter each have six switching elements,
The switching element of the upper two level converter is connected in series with the switching element of the lower two level converter,
Each switching element is
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs),
The control unit
Controlling on / off of switching elements included in the upper two-level converter and the lower two-level converter to adjust the magnitude of the voltage charged in the upper capacitor and the lower capacitor based on the neutral point;
The plurality of two-level converter,
Power converter without clamping diode.
NPC형 3레벨 컨버터 또는 스위치 클램프드 3레벨 컨버터인 전력변환장치.The method of claim 1, wherein the generator-side converter,
Power converter which is an NPC type 3 level converter or a switch clamped 3 level converter.
상기 상위 커패시터와 상기 하위커패시터의 전압을 제어하는 알고리즘을 포함하지 않는 전력변환장치.The apparatus of claim 1,
The power converter does not include an algorithm for controlling the voltage of the upper capacitor and the lower capacitor.
상기 발전기에 복수의 발전기 측 컨버터가 병렬로 연결되고, 상기 계통에 복수의 계통 측 컨버터가 병렬로 연결되며, 상기 발전기 측 컨버터와 상기 계통 측 컨버터 사이에 상기 DC 링크단이 각각 연결된 전력변환장치.The method of claim 1, wherein the power converter,
And a plurality of generator side converters are connected in parallel to the generator, a plurality of grid side converters are connected in parallel to the grid, and the DC link stage is connected between the generator side converter and the grid side converter, respectively.
발전기에 연결되고, 멀티-레벨 컨버터를 포함하는 발전기측 컨버터;
상기 발전기측 컨버터에 연결되고, 상위 커패시터와 하위 커패시터를 포함하는 DC 링크단; 및
일단이 계통에 연결되고, 타단은 상기 DC 링크단에 연결되며, 두 개의 2레벨 컨버터를 포함하는 계통측 컨버터를 포함하고,
상기 2레벨 컨버터는 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 2레벨 컨버터가 직렬 연결된 부분의 노드는 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터를 연결하는 중성점과 연결되고,
상기 중성점은 상기 상위 커패시터와 상기 하위 커패시터의 전압 기준점이며,
상기 두 개의 2레벨 컨버터는,
상기 상위 커패시터와 연결되는 상위 2레벨 컨버터와, 상기 하위 커패시터와 연결되는 하위 2레벨 컨버터를 포함하고,
상기 전력변환장치는, 상기 중성점을 기준으로 상기 상위 커패시터에 충전되는 전압과 상기 하위 커패시터에 충전되는 전압의 크기를 조절하도록 상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어부를 더 포함하며,
상기 상위 2레벨 컨버터와 상기 하위 2레벨 컨버터에 포함된 스위칭 소자는
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)이고,
상기 두 개의 2레벨 컨버터는
클램핑 다이오드를 구비하지 않는 전력변환장치.In the power converter,
A generator-side converter coupled to the generator and including a multi-level converter;
A DC link stage connected to the generator-side converter and including an upper capacitor and a lower capacitor; And
One end is connected to the grid, the other end is connected to the DC link stage, and includes a grid side converter including two two level converters,
The two-level converter is connected in series, the node of the portion where the two two-level converter is connected in series is connected to the neutral point connecting the upper capacitor and the lower capacitor,
The neutral point is a voltage reference point of the upper capacitor and the lower capacitor,
The two two-level converter,
An upper two level converter connected to the upper capacitor and a lower two level converter connected to the lower capacitor,
The power converter is configured to turn on / off the switching elements included in the upper 2 level converter and the lower 2 level converter to adjust the magnitude of the voltage charged in the upper capacitor and the lower capacitor based on the neutral point. Further comprising a control unit for controlling the off,
Switching elements included in the upper two-level converter and the lower two-level converter
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
The two two-level converter
Power converter without clamping diode.
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