KR102220587B1 - Apparatus for eliminating harmonics of hvdc system and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치에 관한 것으로, 서로 직렬로 접속되는 복수의 서브 모듈을 포함하여 교류 전원을 직류 전원으로, 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 다중 모듈 컨버터(Multi Module Converter, MMC), 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 제어부 및 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 고조파 제거부를 포함하되, 제어부는 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 복수의 서브 모듈을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an apparatus for removing harmonics of an HVDC system, including a plurality of sub-modules connected in series with each other, and converting AC power to DC power or DC power to AC power and outputting a multi-module converter. , MMC), a control unit for controlling on and off of a plurality of sub-modules based on a reference voltage to be output, and a harmonic removing unit for calculating a control angle for removing harmonics generated as a result of the on and off control, the control unit Is characterized in that switching the plurality of sub-modules based on the control angle calculated through the harmonic removal unit.
Description
본 발명은 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압의 직류 전력의 송전 및 배전을 위한 다중 모듈 컨버터(Multi Module Converter, MMC)에서 발생하는 고조파를 필터없이 제거하기 위한 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus and method for removing harmonics of an HVDC system, and more particularly, to remove harmonics generated in a multi-module converter (MMC) for transmission and distribution of high-voltage direct current power without a filter. It relates to an apparatus and method for removing harmonics of an HVDC system.
HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템은 교류 발전기에 의해서 만들어지는 교류 전력을 AC/DC 변환기인 렉티파이어(Rectifier)를 통해 직류 전력으로 변환하여 배전 대상 지역으로 직류 전력을 전송하고, 다시 DC/AC 변환기인 인버터(Inverter)를 통해 교류 전력으로 변환하여 전력을 공급하는 방식이다.The HVDC (High Voltage Direct Current) system converts AC power generated by an AC generator into DC power through a rectifier, an AC/DC converter, and transmits DC power to the target area for distribution, and then a DC/AC converter. It is a method of supplying power by converting it into AC power through an inverter.
직류로 배전한다면 각종 전자제품의 크기가 대폭 줄어들고 각종 교류 장치에 필요한 변압기 역시 모두 제거될 수 있으며, 다양한 속도를 낼 수 있는 모터 또한 직류 전기를 사용할 수 있게 된다.If DC power distribution is used, the size of various electronic products is drastically reduced, all transformers required for various AC devices can be removed, and motors capable of various speeds can also use DC electricity.
HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 구분된다.The HVDC system is divided into a current type HVDC system using a thyristor valve and a voltage type HVDC system using an IGBT (Insulated Gate Bipolar mode Transistor) element.
전류형 HVDC 시스템은 사이리스터 밸브를 정류하기 위해 발전기나 동기조상기와 같은 회전기 기기가 인버터 측 계통에 필요하며, 무효전력 보상을 위한 커패시터 뱅크가 인버터 측이나 렉티파이어 측에 존재해야 한다. 특히, 전류형 HVDC 시스템은 고조파를 발생시키기 때문에 이를 제거하기 위한 고조파 필터가 필수적으로 필요하다.In the current HVDC system, a rotating device such as a generator or a synchronous controller is required in the inverter-side system to rectify the thyristor valve, and a capacitor bank for compensation of reactive power must be present on the inverter side or the rectifier side. In particular, since the current-type HVDC system generates harmonics, a harmonic filter to remove them is indispensable.
이러한 전류형 HVDC 시스템의 단점을 보완하기 위한 것이 IGBT 전력용 반도체 소자를 이용한 전압형 HVDC 시스템이다. 전류형 HVDC 시스템과 비교했을 때 전압형 HVDC 시스템은 고속 스위칭에 의해 점차 고조파가 큰 폭으로 감소해 고조파 필터의 크기가 상대적으로 작아질 수 있으며, 무효전력 공급이 필요하지 않음은 물론 유효전력과 무효전력 제어가 독립적으로 가능하다는 장점을 갖는다.In order to compensate for the shortcomings of such a current type HVDC system, a voltage type HVDC system using a semiconductor device for IGBT power is used. Compared with the current type HVDC system, the voltage type HVDC system gradually decreases the harmonics by high speed switching, so the size of the harmonic filter can be relatively small.It does not require reactive power supply, as well as active power and invalidity. It has the advantage that power control is possible independently.
특히, 모듈화되고 규격화된 설계로 짧은 기간에 전력 전송이 가능하며, 전압과 전력의 제어가 용이하다.In particular, the modularized and standardized design enables power transmission in a short period of time, and it is easy to control voltage and power.
일반적으로 전압형 HVDC 시스템은 전력계통의 두 AC 모선을 DC로 연계하도록 구성되며, AC/DC 변환설비인 렉티파이어, DC/AC 변환설비인 인버터, 렉티파이어와 인버터를 연계하는 DC 송전선로, 변환용 변압기로 구성된다.In general, a voltage-type HVDC system is configured to connect two AC buses in the power system to DC, and converts the rectifier as an AC/DC conversion facility, an inverter as a DC/AC conversion facility, and a DC transmission line that connects the rectifier and the inverter. It consists of a transformer.
구체적으로 렉티파이어 측과 인버터 측은 대칭적인 형태를 가지며, 각각의 렉티파이어 측 제어기와 인버터 측 제어기는 유효전력/무효전력을 개별적으로 제어 가능하다.Specifically, the rectifier side and the inverter side have a symmetrical shape, and each of the rectifier side controller and the inverter side controller can individually control active power/reactive power.
도 1은 전압형 다중 모듈 컨버터를 구성하는 내부 회로도이다.1 is an internal circuit diagram of a voltage-type multi-module converter.
도 1에 도시된 바와 같이, 전압형 다중 모듈 컨버터는 정격전력을 높이기 위해 다수의 서브모듈이 직렬 접속되어 연결되어 구성되며, 각각의 서브모듈은 하프브리지 또는 풀브리지 형태로 구성된다.As shown in FIG. 1, the voltage-type multi-module converter is configured by connecting and connecting a plurality of sub-modules in series in order to increase the rated power, and each sub-module is configured in a half-bridge or full-bridge form.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 2014-0041100 호(2014.04.04.공개, 발명의 명칭 : HVDC 시스템의 관측기 PLL을 이용한 비특성 고조파 억제 방법)가 있다.
As a prior art related to the present invention, there is Korean Patent Publication No. 2014-0041100 (published on April 4, 2014, title of the invention: a method for suppressing non-characteristic harmonics using an observer PLL of an HVDC system).
다수의 서브모듈이 직렬로 접속되어 전압 및 전력의 정격을 높이도록 구성된 전압형 다중 모듈 컨버터에서, 직렬로 접속하는 서브모듈의 수가 50개 이상이 되면 운전시 발생하는 저차 고조파(Harmonics)의 양이 허용치 이내일 뿐 아니라 크기가 매우 작기 때문에, 이를 제거하기 위한 필터의 필요성이 사라진다.In a voltage-type multi-module converter configured to increase the voltage and power rating by connecting a number of submodules in series, when the number of submodules connected in series is 50 or more, the amount of low-order harmonics generated during operation is reduced. Since it is not only within the allowable value, but also has a very small size, the need for a filter to remove it disappears.
그러나, 직렬로 접속하는 서브모듈의 수가 적은 경우에는 저차 고조파가 발생하게 되며, 고조파의 크기가 허용치를 초과할 가능성이 높아진다.However, when the number of submodules connected in series is small, low-order harmonics are generated, and there is a high possibility that the size of the harmonics exceeds the allowable value.
그리고, 이러한 고조파를 제거하기 위해 필터를 사용하는 것은 전체 HVDC 시스템의 비용을 증가시키며, 커패시터의 수명 문제로 인해 추가적인 유지보수비가 발생할 수 있다는 문제가 있었다.In addition, using a filter to remove such harmonics increases the cost of the entire HVDC system, and there is a problem that additional maintenance costs may be incurred due to the lifetime problem of the capacitor.
본 발명은 전술한 필요성을 충족시키기 위해 창안된 것으로서, 고압의 직류 전력의 송전 및 배전을 위한 다중 모듈 컨버터(Multi Module Converter, MMC)에서 발생하는 고조파를 별도의 필터없이 최소한의 스위칭으로 제거하기 위한 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention was invented to meet the above-described necessity, and to remove harmonics generated in a multi-module converter (MMC) for transmission and distribution of high-voltage direct current power with minimal switching without a separate filter. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for removing harmonics of an HVDC system.
본 발명의 일 측면에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치는 서로 직렬로 접속되는 복수의 서브 모듈을 포함하여 교류 전원을 직류 전원으로, 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 다중 모듈 컨버터(Multi Module Converter, MMC); 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 제어부; 및 상기 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 고조파 제거부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for removing harmonics of an HVDC system according to an aspect of the present invention includes a plurality of sub-modules connected in series with each other, and converts AC power into DC power or converts DC power into AC power and outputs a multi-module converter. Converter, MMC); A controller that controls on and off of the plurality of sub-modules based on a reference voltage to be output; And a harmonic removal unit that calculates a control angle for removing harmonics generated as a result of the on and off control, wherein the control unit switches the plurality of sub-modules based on a control angle calculated through the harmonic removal unit. It is done.
본 발명에서 상기 제어부는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit controls on and off of the plurality of sub-modules using a Nearest Level Control (NLC) technique.
본 발명에서 상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 푸리에 변환부; 및 상기 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 제어각 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the harmonic removal unit Fourier transform unit for Fourier series conversion of power waveforms having a plurality of levels output from the multi-module converter; And a control angle calculator configured to calculate a control angle for removing harmonics with respect to the Fourier series transformed power waveform.
본 발명에서 상기 제어각 연산부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control angle calculation unit is characterized in that it calculates a number of control angles corresponding to a plurality of levels output from the multi-module converter.
본 발명에서 상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터에 포함되는 서브 모듈의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, when the number of sub-modules included in the multi-module converter is less than or equal to a preset reference value, the harmonic removing unit calculates a control angle for removing the harmonics.
본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법은 서로 직렬로 접속되는 복수의 서브 모듈을 포함하는 다중 모듈 컨버터가 교류 전원 또는 직류 전원을 입력받는 단계; 제어부가 상기 교류 전원 또는 직류 전원에 대응하여 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 단계; 고조파 제거부가 상기 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈을 스위칭하는 단계를 포함한다.A method for removing harmonics of an HVDC system according to an embodiment of the present invention includes the steps of: receiving AC power or DC power by a multi-module converter including a plurality of sub-modules connected in series with each other; Controlling, by a controller, on and off of the plurality of sub-modules based on a reference voltage to be output in response to the AC power or DC power; Calculating, by a harmonic removing unit, a control angle for removing harmonics generated as a result of the on/off control; And switching, by the control unit, the plurality of sub-modules based on a control angle calculated through the harmonic removing unit.
본 발명의 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 단계에서, 상기 제어부는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 것을 특징으로 한다.In the step of controlling on and off of the plurality of sub-modules of the present invention, the control unit controls on and off of the plurality of sub-modules using a Nearest Level Control (NLC) technique.
본 발명에서 상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계는, 푸리에 변환부가 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 단계; 및 제어각 연산부가 상기 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the calculating of a control angle for removing the harmonic may include: a Fourier transform unit converting a power supply waveform having a plurality of levels output from the multi-module converter to a Fourier series; And calculating, by a control angle calculator, a control angle for removing harmonics from the Fourier series-transformed power waveform.
본 발명의 상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계에서, 상기 제어각 연산부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산하는 것을 특징으로 한다.In the step of calculating a control angle for removing the harmonics of the present invention, the control angle calculator calculates a number of control angles corresponding to a plurality of levels output from the multi-module converter.
본 발명에서 상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계는, 상기 다중 모듈 컨버터에 포함되는 서브 모듈의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 수행되는 것을 특징으로 한다.
In the present invention, calculating the control angle for removing the harmonic is performed when the number of sub-modules included in the multi-module converter is less than or equal to a preset reference value.
본 발명에 따르면, 복수의 서브 모듈에 대한 최소한의 스위칭으로 다중 모듈 컨버터에서 발생하는 고조파를 효과적으로 제거할 수 있다.According to the present invention, harmonics generated in a multi-module converter can be effectively removed with minimal switching for a plurality of sub-modules.
또한, 본 발명은 종래와 같이 고조파를 제거하기 위한 별도의 필터를 설치할 필요가 없으므로 HVDC 시스템 구축의 비용을 절약할 수 있다.
In addition, since the present invention does not need to install a separate filter for removing harmonics as in the prior art, it is possible to save the cost of building an HVDC system.
도 1은 전압형 다중 모듈 컨버터를 구성하는 내부 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 다중 모듈 컨버터에서 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 고조파를 제거하기 위한 스위칭 제어를 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래의 변조 기법만이 적용된 경우에 HVDC 시스템의 AC 계통 전압을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 고조파 제거 기법이 적용된 AC 계통 전압을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법의 구현 과정을 설명하는 절차 흐름도이다.1 is an internal circuit diagram of a voltage-type multi-module converter.
2 is a functional block diagram of an apparatus for removing harmonics of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing power waveforms having a plurality of levels output from a multi-module converter of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a switching control for removing harmonics based on a control angle calculated through a harmonic removal unit of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the AC system voltage of the HVDC system when only the conventional modulation technique is applied.
6 is a diagram illustrating an AC system voltage to which a harmonic removal technique is applied of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating an implementation process of a method for removing harmonics in an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치 및 그 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, an apparatus and method for removing harmonics of an HVDC system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 기능 블록도이다.2 is a functional block diagram of an apparatus for removing harmonics of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치는 다중 모듈 컨버터(100), 제어부(200) 및 고조파 제거부(300)를 포함한다.Referring to FIG. 2, an apparatus for removing harmonics of an HVDC system according to an embodiment of the present invention includes a
다중 모듈 컨버터(Multi Module Converter, MMC)(100)는 서로 직렬로 접속되는 복수의 서브 모듈(10)을 포함하여 교류 전원을 직류 전원으로, 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 구성이다.The multi-module converter (MMC) 100 includes a plurality of
즉, HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템에서 교류를 직류로 변환하는 컨버터 측과 직류를 교류로 변환하는 컨버터 측은 대칭적인 형태를 가지므로, 본 실시예에 따른 고조파 제거 장치의 다중 모듈 컨버터(100)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 컨버터 중 어느 것이든 포함할 수 있다.That is, in a high voltage direct current (HVDC) system, since the converter side that converts AC to DC and the converter side that converts DC to AC have a symmetrical shape, the
본 실시예에서는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 경우에 발생하는 고조파를 제거하는 예를 설명하기로 한다.In the present embodiment, an example of removing harmonics generated when DC power is converted into AC power and output will be described.
제어부(200)는 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다.The
구체적으로 제어부(200)는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다.Specifically, the
NLC 기법은 다수의 서브 모듈(10)로 구성된 전압형 다중 모듈 컨버터(100)에 적용되는 변조기법으로, 교류 전압을 발생시키고자 할 때 발생시키고자 하는 정현파 기준 전압(Vref)을 기준으로 턴온되거나 바이패스되는 서브 모듈(10)의 숫자를 결정함으로써, 턴온되는 서브 모듈(10)의 숫자에 따라서 정현파 기준 전압을 추종하도록 하는 기법이다.The NLC technique is a modulation technique applied to the voltage-type
즉, 제어부(200)는 기준 전압을 추종하도록 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 설정하고, 해당 전원 파형에 대응되는 전압을 출력하도록 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다.That is, the
이 때, 전원 파형의 레벨은 서브 모듈(10)의 수와 동일하게 설정될 수 있다.In this case, the level of the power waveform may be set equal to the number of
N개의 서브 모듈(10)을 포함하는 다중 모듈 컨버터(100)에서 각각의 서브 모듈(10)에서 출력되는 전압(Vdc/N)이 일정한 것으로 가정하면, N개의 서브 모듈(10)을 포함하는 컨버터 암(미도시)은 N+1(0, Vdc/N, 2Vdc/N, ..., Vdc)개의 레벨을 갖는 이산적인 출력 전압을 발생시킬 수 있다. Assuming that the voltage (V dc /N) output from each
구체적으로 턴온되거나 바이패스되어야 하는 서브 모듈(10)의 숫자는 아래의 수학식 1과 같이 연산된다.Specifically, the number of
(이 때, Non,u는 컨버터의 상단 암에서 턴온되어야 하는 서브모듈의 개수를 의미하고, Non,l은 컨버터의 하단 암에서 턴온되어야 하는 서브모듈의 개수를 의미하며, round는 반올림 함수를 의미함)(At this time, N on,u means the number of submodules to be turned on from the upper arm of the converter, N on,l means the number of submodules to be turned on from the lower arm of the converter, and round is a rounding function. Means)
따라서, 수학식 1을 통해 결정된 값으로 서브 모듈(10)을 온, 오프 제어할 경우에 출력전압의 평균값은 정현파의 기준 전압(Vref)을 추종하게 된다.Accordingly, when the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 다중 모듈 컨버터에서 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing power waveforms having a plurality of levels output from a multi-module converter of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제어부(200)는 기준 전압을 추종하도록 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 결정하고, 해당 전원 파형에 해당하는 전압을 출력하도록 복수의 서브 모듈(10)을 각각 온, 오프시킨다.Referring to FIG. 3, the
이러한 NLC 변조기법은 서브 모듈(10)의 턴온 또는 바이패스의 조절로 정현파의 기준 전압을 추종하는 기법이기 때문에, 서브 모듈(10)의 숫자가 많은 컨버터일수록 정확하게 정현파의 기준 전압을 추종할 수 있다.Since this NLC modulation technique is a technique of following the reference voltage of the sine wave by adjusting the turn-on or the bypass of the sub-module 10, it is possible to accurately follow the reference voltage of the sine wave as the number of converters of the sub-module 10 increases. .
즉, 서브 모듈(10)의 숫자가 많을수록 각 서브 모듈(10)에서 출력되는 복수의 레벨 간의 간격이 작아져서 출력되는 교류 전압이 정현파에 가까워지고, 스위칭 주파수가 낮아져서 손실이 감소될 수 있기 때문에 서브 모듈(10)의 숫자가 많은 다중 모듈 컨버터(100)일수록 고조파없이 정확하게 정현파의 기준 전압을 추종하는 전압을 출력할 수 있다.That is, as the number of
그러나, 서브 모듈(10)의 수가 적은 다중 모듈 컨버터(100), 예를 들어 20개 이내의 서브 모듈(10)을 포함하는 다중 모듈 컨버터(100)는 운전시 20차 이내의 저차 고조파가 발생하고, 고조파의 크기가 허용치를 초과하게 된다.However, the
따라서, 본 실시예에서 고조파 제거부(300)는 제어부(200)의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다.Accordingly, in the present embodiment, the
특히, 고조파 제거부(300)는 다중 모듈 컨버터(100)에 포함되는 서브 모듈(10)의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다.In particular, the
이 때, 기준수치는 HVDC 시스템의 고조파 허용치를 벗어날 정도의 고조파가 생성될 수 있는 서브 모듈(10)의 수를 의미하는 것으로, 이론적 수치 또는 실험적 경험치에 따라 자유롭게 설정될 수 있다.In this case, the reference value refers to the number of
즉, 본 실시예에서는 최소한의 스위칭으로 고조파를 선택하여 제거할 수 있도록 NLC 기법으로 변조된 복수의 레벨을 갖는 전원 파형의 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다.That is, in this embodiment, the control angle for removing the harmonics of the power supply waveform having a plurality of levels modulated by the NLC technique is calculated so that the harmonics can be selected and removed with minimal switching.
이 때, 고조파 제거부(300)는 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 푸리에 변환부(320)와 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 제어각 연산부(340)를 포함한다.In this case, the
구체적으로 푸리에 변환부(320)가 도 4에 도시된 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 경우를 살펴보면, 해당 파형은 dc 성분이 없고 기함수(odd function)이기 때문에, 각 제어각에 따른 전압은 아래의 수학식 2와 같이 연산된다.Specifically, looking at the case where the
이 때, 계수인 bn은 아래의 수학식 3을 통해 연산될 수 있다.In this case, the coefficient b n may be calculated through
(이 때, D는 DC 송전 선로의 전압인 Vdc를 의미함)(In this case, D means V dc , the voltage of the DC transmission line)
푸리에 급수를 연산하는 방법은 이미 공지된 기술이므로 보다 구체적인 연산 방법에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the method of calculating the Fourier series is a known technique, a more detailed description of the operation method will be omitted.
이 때, 푸리에 계수 b1은 기본파의 크기를 제어하는 계수이며, 그 크기는 모듈레이션 인덱스(M)가 된다.In this case, the Fourier coefficient b 1 is a coefficient that controls the magnitude of the fundamental wave, and the magnitude becomes a modulation index (M).
그리고, 특정 고조파를 제거하기 위해서는 해당 차수(k)에서의 계수 bk=0을 만족해야 한다.And, in order to remove a specific harmonic, the coefficient b k = 0 at the order k must be satisfied.
이에 기초하여 제어각 연산부(340)는 아래의 수학식 4를 통해서 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다.Based on this, the
(N0=0, αi는 모듈레이션 인덱스와 고조파 제거를 만족하는 제어각을 의미함)(N 0 = 0, α i means the control angle that satisfies the modulation index and harmonic removal)
이 때, 스위칭 천이를 위한 제어각과 모듈레이션 인덱스의 범위는 아래의 수학식 5를 만족해야 한다.In this case, the range of the control angle and the modulation index for the switching transition should satisfy
따라서, 수학식 1을 통해서 결정되는 턴온되는 서브 모듈(10)의 개수에 기초하여 제어각 연산부(340)는 수학식 4의 제어각을 연산한다.Accordingly, the control
구체적으로 제어각 연산부(340)는 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산한다.Specifically, the
즉, 서브 모듈(10)의 개수에 따라서 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 전압의 레벨 수는 달라지기 때문에, 제어각 연산부(340)는 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산한다.That is, since the number of levels of voltage output from the
구체적으로 제어각 연산부(340)는 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 레벨의 수(서브 모듈의 개수)의 두 배에 해당하는 제어각을 연산한다.Specifically, the
따라서 도 3에 도시된 바와 같이 네 개의 레벨을 갖는 전원 파형에 대해서 제어각 연산부(340)는 8개의 제어각을 연산한다.Accordingly, as shown in FIG. 3, the control
그리고 제어부(200)는 고조파 제거부(300)를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 복수의 서브 모듈(10)을 스위칭함으로써, 고조파를 제거할 수 있다.In addition, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 고조파를 제거하기 위한 스위칭 제어를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a switching control for removing harmonics based on a control angle calculated through a harmonic removal unit of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이 제어부(200)는 α1부터 α8에 해당하는 8개의 제어각에 기초하여 복수의 서브 모듈(10)을 스위칭하였고, 그에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전압이 형성됨을 확인할 수 있다.As described above, the
특히, 평형부하의 경우 3상의 다중 모듈 컨버터(100)에 대한 스위칭은 120°의 주기성으로 인해서 3의 배수에 해당하는 고조파와, 180°의 대칭성으로 인해서 2의 배수에 해당하는 고조파가 나타나지 않는다.In particular, in the case of a balanced load, a harmonic corresponding to a multiple of 3 due to the periodicity of 120° and a harmonic corresponding to a multiple of 2 due to the symmetry of 180° do not appear in the switching of the three-
따라서 본 실시예에서는 2의 배수와 3의 배수에 모두 해당하지 않는 6n±1차 고조파를 제거하게 된다.Therefore, in this embodiment, 6n±1st harmonics that do not correspond to both a multiple of 2 and a multiple of 3 are removed.
도 5는 종래의 변조 기법만이 적용된 경우에 HVDC 시스템의 AC 계통 전압을 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing the AC system voltage of the HVDC system when only the conventional modulation technique is applied.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 고조파 제거 기법이 적용된 AC 계통 전압을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating an AC system voltage to which a harmonic removal technique is applied of a harmonic removal device of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
도 5의 (A)는 종래의 변조 기법만이 적용된 경우에 HVDC 시스템의 AC 계통 전압의 상전압을 나타내고, (B)는 선간 전압을 나타낸다.5A shows the phase voltage of the AC system voltage of the HVDC system when only the conventional modulation technique is applied, and (B) shows the line voltage.
도 6의 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치의 고조파 제거 기법이 적용된 AC 계통 전압의 상전압을 나타내고, (B)는 선간 전압을 나타낸다.6A shows the phase voltage of the AC system voltage to which the harmonic removal technique of the harmonic removal device of the HVDC system according to an embodiment of the present invention is applied, and (B) shows the line voltage.
도 5를 참조하면 종래의 변조 기법을 적용한 경우에는 6n±1차에 해당하는 고조파의 크기가 높게 나타남을 확인할 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 고조파 제거 기법의 적용으로 6n±1차에 해당하는 고조파가 제거되었으며 고조파의 크기는 최대 0.2%에 불과함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, when a conventional modulation technique is applied, it can be seen that the size of a harmonic corresponding to 6n±1st order is high. As shown in FIG. 6, the harmonic removal technique according to the present embodiment is applied. It can be seen that the harmonics corresponding to the ±1st order have been removed and the size of the harmonics is only 0.2% at the maximum.
이와 같이 본 실시예에 따른 고조파 제거 기법에 의해서 최적의 제어각에서의 최소한의 스위칭을 통해 저차 고조파가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있다.
As described above, it can be seen that the low-order harmonics are effectively removed through minimal switching at the optimum control angle by the harmonic removal technique according to the present embodiment.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법의 구현 과정을 설명하는 절차 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating an implementation process of a method for removing harmonics in an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법의 구현 과정을 살펴보면, 먼저 서로 직렬로 접속되는 복수의 서브 모듈(10)을 포함하는 다중 모듈 컨버터(100)가 교류 전원 또는 직류 전원을 입력받는다(S10).Referring to FIG. 7, looking at the implementation process of the method for removing harmonics of the HVDC system according to an embodiment of the present invention, first, a
즉, HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템에서 교류를 직류로 변환하는 컨버터 측과 직류를 교류로 변환하는 컨버터 측은 대칭적인 형태를 가지므로, 본 실시예에 따른 고조파 제거 장치의 다중 모듈 컨버터(100)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 컨버터 중 어느 것이든 포함할 수 있다.That is, in a high voltage direct current (HVDC) system, since the converter side that converts AC to DC and the converter side that converts DC to AC have a symmetrical shape, the
본 실시예에서는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 경우에 발생하는 고조파를 제거하는 예를 설명하기로 한다.In the present embodiment, an example of removing harmonics generated when DC power is converted into AC power and output will be described.
이어서 제어부(200)는 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다(S20).Subsequently, the
구체적으로 제어부(200)는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다. 즉, 제어부(200)는 기준 전압을 추종하도록 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 설정하고, 해당 전원 파형에 대응되는 전압을 출력하도록 복수의 서브 모듈(10)에 대한 온, 오프를 제어한다.Specifically, the
그리고 고조파 제거부(300)의 푸리에 변환부(320)는 다중 모듈 컨버터(100)로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하고(S30), 제어각 연산부(340)는 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다(S40).Further, the
특히, 제어각 연산부(340)는 다중 모듈 컨버터(100)에 포함되는 서브 모듈(10)의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산한다.In particular, the control
즉, 본 실시예에서는 허용치를 벗어날 정도의 고조파가 생성될 정도로 서브 모듈(10)의 수가 적은 경우에만 전술한 단계(S30 및 S40)를 수행함으로써, 불필요한 제어 과정없이 변환된 전원을 출력할 수 있다.That is, in the present embodiment, by performing the above-described steps (S30 and S40) only when the number of
다음으로 제어부(200)는 고조파 제거부(300)를 통해 연산된 제어각에 기초하여 복수의 서브 모듈(10)을 스위칭함으로써(S50) 다중 모듈 컨버터(100)의 출력 전압에 포함된 저차 고조파를 제거할 수 있다.Next, the
본 실시예에 따르면, 복수의 서브 모듈에 대한 최소한의 스위칭으로 다중 모듈 컨버터에서 발생하는 고조파를 효과적으로 제거할 수 있다.According to the present embodiment, it is possible to effectively remove harmonics generated in a multi-module converter with minimal switching for a plurality of sub-modules.
또한, 본 실시예는 종래와 같이 고조파를 제거하기 위한 별도의 필터를 설치할 필요가 없으므로 HVDC 시스템 구축의 비용을 절약할 수 있다.In addition, in the present embodiment, since there is no need to install a separate filter for removing harmonics as in the prior art, the cost of constructing an HVDC system can be saved.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art to which the present technology pertains, various modifications and other equivalent embodiments are possible. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims.
10: 서브 모듈
100: 다중 모듈 컨버터
200: 제어부
300: 고조파 제거부
320: 푸리에 변환부
340: 제어각 연산부10: sub module
100: multi-module converter
200: control unit
300: harmonic removal unit
320: Fourier transform unit
340: control angle operation unit
Claims (10)
출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 제어부; 및
상기 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 고조파 제거부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈을 스위칭하고,
상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터에 포함되는 서브 모듈의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하되,
상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 서브 모듈의 개수의 두 배에 해당하는 제어각을 연산하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치.A multi-module converter (MMC) converting AC power to DC power or converting DC power to AC power and outputting a plurality of sub-modules connected in series with each other;
A controller that controls on and off of the plurality of sub-modules based on a reference voltage to be output; And
A harmonic removal unit for calculating a control angle for removing a harmonic generated as a result of the on and off control, wherein the control unit switches the plurality of sub-modules based on a control angle calculated through the harmonic removal unit,
The harmonic removing unit calculates a control angle for removing the harmonic when the number of sub-modules included in the multi-module converter is less than or equal to a preset reference value,
The harmonic removing unit calculates a control angle corresponding to twice the number of sub-modules output from the multi-module converter.
상기 제어부는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치.The method of claim 1,
The control unit controls on and off of the plurality of sub-modules using a Nearest Level Control (NLC) technique.
상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 푸리에 변환부; 및
상기 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 제어각 연산부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치.The method of claim 2,
The harmonic removing unit may include a Fourier transform unit for converting a power waveform having a plurality of levels output from the multi-module converter to a Fourier series; And
A control angle calculator that calculates a control angle for removing harmonics from the Fourier series-converted power waveform
Harmonic removal device of the HVDC system comprising a.
상기 제어각 연산부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 장치.The method of claim 3,
The control angle calculation unit calculates a number of control angles corresponding to a plurality of levels output from the multi-module converter.
제어부가 상기 교류 전원 또는 직류 전원에 대응하여 출력하고자 하는 기준 전압에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 단계;
고조파 제거부가 상기 온, 오프 제어 결과 생성되는 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 고조파 제거부를 통해 연산되는 제어각에 기초하여 상기 복수의 서브 모듈을 스위칭하는 단계를 포함하되,
상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계는, 상기 다중 모듈 컨버터에 포함되는 서브 모듈의 수가 미리 설정된 기준수치 이하인 경우에 수행되고,
상기 고조파 제거부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 서브 모듈의 개수의 두 배에 해당하는 제어각을 연산하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법.Receiving an AC power or DC power by a multi-module converter including a plurality of sub-modules connected in series with each other;
Controlling, by a controller, on and off of the plurality of sub-modules based on a reference voltage to be output in response to the AC power or DC power;
Calculating, by a harmonic removing unit, a control angle for removing harmonics generated as a result of the on/off control; And
Including the step of switching the plurality of sub-modules based on a control angle calculated by the control unit through the harmonic removal unit,
The step of calculating the control angle for removing the harmonics is performed when the number of sub-modules included in the multi-module converter is less than or equal to a preset reference value,
The harmonic removing unit calculates a control angle corresponding to twice the number of sub-modules output from the multi-module converter.
상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 단계에서, 상기 제어부는 NLC(Nearest Level Control) 기법을 이용하여 상기 복수의 서브 모듈에 대한 온, 오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법.The method of claim 6,
In the step of controlling on and off of the plurality of sub-modules, the control unit controls on and off of the plurality of sub-modules using a Nearest Level Control (NLC) technique. How to remove.
상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계는, 푸리에 변환부가 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨을 갖는 전원 파형을 푸리에 급수 변환하는 단계; 및
제어각 연산부가 상기 푸리에 급수 변환된 전원 파형에 대한 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법.The method of claim 7,
The calculating of the control angle for removing the harmonic may include: a Fourier transform unit converting a power waveform having a plurality of levels output from the multi-module converter to a Fourier series; And
Computing a control angle for removing harmonics from the Fourier series-converted power waveform by a control angle calculator
Harmonic removal method of the HVDC system comprising a.
상기 고조파를 제거하기 위한 제어각을 연산하는 단계에서, 상기 제어각 연산부는 상기 다중 모듈 컨버터로부터 출력되는 복수의 레벨에 대응되는 수의 제어각을 연산하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 고조파 제거 방법.The method of claim 8,
In the step of calculating a control angle for removing the harmonics, the control angle calculation unit calculates a number of control angles corresponding to a plurality of levels output from the multi-module converter.
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