REDUNDANCY CONTROL METHOD OF MMC FOR STATCOM

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 STATCOM용 MMC의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 STATCOM용 MMC(100)는 3개의 상(110,120,130)을 포함하여 구성되며, 각 상(110,120,130)은 서로 직렬연결된 다수의 서브모듈(111)과 리던던시 서브모듈(112)을 포함한다. 서브모듈(111)은 운전에 참여하며 리던던시 서브모듈(112)은 운전중인 서브모듈(111)에 고장이 발생할 경우 대신해서 투입되어 운전에 참여하도록 제어된다.

각 상(110,120,130)은 부하접속단자인 교류전압단자(A,B,C)를 통해 각기 위상을 달리하는 동일한 교류전압을 출력하며, 이러한 출력전압은 3상 부하, 예컨대 3상 교류전력시스템에 연계될 수 있다.

각 상(110,120,130)에 포함된 서브모듈(111)은 운전중 각각 동일한 전압을 출력하고, 이러한 전압은 각 상(110,120,130)의 서브모듈(111)의 직렬접속 및 위상 제어에 의해 합쳐져 교류전압단자(A,B,C)에 교류전압으로 출력된다.

이러한 서브모듈(111)이 운전중에 고장이 발생하거나 임의의 사고로 인해 동작이 불가능하게 되면 리던던시 서브모듈(112)이 대체모듈로써 투입되는 것이다.

이처럼, 본 발명의 STATCOM용 MMC(100)는 정격에서 요구하는 서브모듈(111) 외에 예비모듈인 리던던시 서브모듈(112)을 더 구비하고 있으며, 이에 따라 서브모듈(111)의 고장시에도 리던던시 서브모듈(112)을 투입하여 MMC가 적용된 시스템의 운전을 중단하는 일 없이 정상적으로 시스템 가동이 가능하다.

만약 다수의 상(110,120,130) 중 어느 한 상에서, 일례로 제1 상(110)에서 리던던시 서브모듈(112)이 모두 투입된 상황에서 운전중인 서브모듈(111)에 고장이 발생한다면 더 이상 투입될 리던던시 서브모듈(112)이 없기 때문에 고장이 발생한 서브모듈(111)을 제외한 나머지 서브모듈(111)의 출력이 합쳐져 제1 상(110)의 출력전압이 된다.

이 경우, 제1 상(110)의 출력전압은 다른 상(120,130)의 출력전압보다 작은 값을 갖게 되어 3상 교류전원에 불균형이 생기게 된다. STATCOM용 MMC(100)의 경우 출력되는 교류 전원에 불균형이 생기면 부하에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 시스템을 중지시키는 기능을 수행하게 된다.

이러한 시스템의 운전 중지를 막기 위해, STATCOM용 MMC(110)는 운전중인 서브모듈(111)의 출력전압 및 출력전류를 조정하여 각 상(110,120,130)의 출력전압을 동일하게 맞추어 시스템이 정상적으로 가동될 수 있도록 제어한다.

먼저, 고장이 발생한 제1 상(110)의 나머지 운전 가능한 서브모듈(111)의 출력전압을 각각 높여 제1 상(110)의 전체 출력전압이 다른 상(120,130)의 전체 출력전압과 동일하도록 제어하는 방법이 있다.

예를 들어, 각 상(110,120,130)의 전체 서브모듈이 10개이고, 각 서브모듈의 출력전압이 5V인 MMC에서 각 상의 정격 전체 출력전압이 50Vp-p 일 때, 제1 상의 서브모듈 중 2개가 고장이 나고 투입될 리던던시 서브모듈이 없다고 한다면, 제1 상에서 운전 가능한 서브모듈의 개수는 8개가 되고 상기 8개의 서브모듈은 각각 약 6.2V로 출력전압을 높여 상기 제1 상의 정격 전체 출력전압이 50Vp-p로 유지하도록 제어한다.

다른 방법으로는 고장이 발생하지 않은 다른 상(120,130)의 각 서브모듈의 출력전압을 낮추어 다른 상(120,130)의 전체 출력전압이 상기 고장이 발생한 제1 상(110)의 전체 출력전압과 동일하도록 제어하는 방법이 있다.

예를 들어, 각 상(110,120,130)의 전체 서브모듈이 10개이고, 각 서브모듈의 출력전압이 5V인 MMC에서 각 상의 정격 전체 출력전압이 50Vp-p일 때, 제1 상의 서브모듈 중 2개가 고장이 나고 투입될 리던던시 서브모듈이 없다고 한다면, 제1 상에서 운전 가능한 서브모듈의 개수는 8개가 되고, 이에 따라 제1 상의 전체 출력전압은 40Vp-p로 낮아지는데, 고장이 발생하지 않은 다른 상의 전체 출력을 상기 제1 상의 전체 출력인 40Vp-p로 맞추기 위해 상기 다른 상의 10개의 서브모듈을 각각 4V로 출력전압을 낮추어 제어한다.

또 다른 방법으로는 고장이 발생하지 않은 다른 각 상(120,130)에서 고장이 발생한 제1 상(110)에서 고장 발생한 서브모듈(111)의 개수만큼의 서브모듈(111)은 전류를 바이패스 시키고 나머지 서브모듈로 운전하도록 제어한다. 이로써 다른 각 상(120,130)의 나머지 서브모듈(111)의 출력전압은 제1 상(110)의 서브모듈(111) 출력전압과 동일하도록 제어하는 방법이 있다.

예를 들어, 각 상(110,120,130)의 서브모듈이 10개이고, 각 서브모듈의 출력전압이 5V인 MMC에서 각 상의 정격 전체 출력전압이 50Vp-p일 때, 제1 상의 서브모듈 중 2개가 고장이 나고 더이상 투입될 리던던시 서브모듈이 없다고 한다면, 고장이 발생하지 않은 다른 각 상(120,130)에서 각각 2개의 서브모듈(제1 상에서 2개의 서브모듈에 고장이 발생하였으므로)에 대해 전류를 바이패스시키도록 제어하고 나머지 8개의 서브모듈은 정상적으로 동작을 제어함으로서 제1 상의 동작중인 서브모듈과 동일한 출력전압을 출력하도록 한다. 이로써, 각 상은 모두 8개의 서브모듈이 각각 5V의 출력전압으로 동작하는 것과 같으며 각 상의 전체 출력전압은 40Vp-p로 전체 무효전력은 낮아지지만 동일하게 제어되어 시스템을 지속적으로 가동할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 STATCOM용 MMC의 리던던시 제어 방법 중 서브모듈의 정격 출력전압을 높이는 제어 방법의 흐름도이다.

도 2를 참고하면, STATCOM에 연계되고, 다수의 상(110,120,130)으로 구성되며, 이들 각 상(110,120,130)은 운전중인 다수의 서브모듈(111)과 예비모듈인 리던던시 서브모듈(112)을 포함하는 STATCOM용 MMC(100)에서, 각 상(110,120,130) 중에 제1 상(110)의 서브모듈(111)에 고장이 발생하면(S100), 제1 상(110)에 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 있는지 확인한다(S110).

만약, 제1 상(110)의 리던던시 서브모듈(112)이 모두 운전에 투입된 상태에서 더 이상 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 없는 경우, 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈 외 다른 정상적인 서브모듈(111)의 출력전압을 높여 제1 상(110)의 전체 출력전압이 다른 상(120,130)의 전체 출력전압과 동일하도록 제어하여(S120), STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시킨다(S140).

이 경우, 제1 상(110)의 고장이 발생하지 않은 나머지 서브모듈(111)의 출력전압은 기존의 정격 출력전압보다 증가하게 되어 각 서브모듈(111)의 전압출력에 대한 스트레스는 증가할 수 있지만 시스템의 운전 중단을 원하는 일정만큼 지연시킬 수 있으며 고장이 발생한 서브모듈에 대한 교체 및 수리일정을 유연하게 조정할 수 있게 된다.

한편, 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대체할 상기 리던던시 서브모듈(112)이 있는 경우 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대신하여 리던던시 서브모듈(113)을 투입하도록 제어하고(S130), STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시키도록 한다(S140).

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 STATCOM용 MMC의 리던던시 제어방법 중 서브모듈의 정격 출력전압을 낮추는 제어 방법의 흐름도이다.

도 3을 참고하면, STATCOM에 연계되고, 다수의 상(110,120,130)으로 구성되며, 이들 각 상(110,120,130)은 운전중인 다수의 서브모듈(111)과 예비모듈인 리던던시 서브모듈(112)을 포함하는 STATCOM용 MMC(100)에서, 각 상(110,120,130) 중에 제1 상(110)의 서브모듈(111)에 고장이 발생하면(S200), 제1 상(110)에 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 있는지 확인한다(S210).

만약, 제1 상(110)의 리던던시 서브모듈(112)이 모두 운전에 투입된 상태에서 더 이상 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 없는 경우, 상기 제1 상(110)을 제외한 다른 상(120,130)의 각 서브모듈(111)의 출력전압을 낮춰 다른 상(120,130)의 전체 출력전압이 제1 상(110)의 출력전압과 동일하도록 제어하여(S220), STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시킨다(S240).

이때, 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈(111)을 제외한 나머지 정상적인 서브모듈(111)의 출력전압은 정격 출력전압으로 제어된다. 이 경우 제1 상(110)의 고장이 발생하지 않은 각 서브모듈(111)의 출력전압은 기존과 동일한 정격 출력전압이기 때문에 제1 상(110)의 전체 출력전압은 기존의 정격 전체 출력전압보다 작아진다. 이에 따라 제1 상(110)을 제외한 다른 상(120,130)의 전체 출력전압도 제1 상(110)의 전체 출력전압과 동일하도록 각 서브모듈(111)의 출력전압을 기존의 정격 출력전압보다 낮추게 되므로 각 상(110,120,130)의 전체 무효전력은 줄어들게 되지만 시스템의 운전 중단을 원하는 일정만큼 지연시킬 수 있으며 고장이 발생한 서브모듈에 대한 교체 및 수리일정을 유연하게 조정할 수 있게 된다.

한편, 제1 상(110)의 고장난 서브모듈(111)을 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 있는 경우에는 리던던시 서브모듈(112)을 투입하도록 제어하여(S230), 상기 STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시킨다(S240).

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 따른 STATCOM용 MMC의 리던던시 제어 방법 중 일부 서브모듈의 전류를 바이패스시키는 제어방법의 흐름도이다.

도 4를 참고하면, STATCOM에 연계되고, 다수의 상(110,120,130)으로 구성되며, 이들 각 상(110,120,130)은 운전중인 다수의 서브모듈(111)과 예비모듈인 리던던시 서브모듈(112)을 포함하는 STATCOM용 MMC(100)에서, 각 상(110,120,130) 중에 제1 상(110)의 서브모듈(111)에 고장이 발생하면(S300), 제1 상(110)에 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 있는지 확인한다(S310).

만약, 제1 상(110)의 리던던시 서브모듈(112)이 모두 운전에 투입된 상태에서 더 이상 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 없는 경우, 상기 제1 상(110)의 운전중인 서브모듈(111)에 고장발생 시 상기 제1 상(110)의 최대 출력전압으로 다른 각 상(120,130)의 출력전압을 제한한다(S320). 즉, 다른 각 상(120,130)의 출력전압이 제1 상(110)의 최대 출력전압이 되도록 다른 각 상(120,130)의 출력전압을 제한하는 것이다. 이는 제1 상(110)에서는 고장이 발생한 서브모듈이 있으므로 최대 출력전압은 정격보다 낮아지게 되고, 다른 상(120,130)은 모두 정상적인 서브모듈로 운전되고 있으므로 최대 출력전압은 제1 상(110)의 최대 출력전압보다 높다. 이에, 다른 상(120,130)은 상 간 평형을 유지하기 위해 제1 상(110)의 최대 출력가능한 전압(최대 출력전압)만큼 출력전압을 유지하도록 전체 출력전압을 제한하도록 하는 것이다. 이를 위해 일례로, 다른 상(120,130)은 제1 상(110)에서 고장이 발생한 서브모듈(111)의 개수만큼의 서브모듈(111)은 전류를 바이패스시키고 나머지 서브모듈(111)은 출력전압이 제1 상(110)의 서브모듈(111)의 출력전압과 동일하도록 제어한다. 이후에, STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시킨다(S340).

이때, 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈(111)을 제외한 나머지 정상적인 서브모듈(111)의 출력전압은 정격 출력전압으로 제어된다. 이 경우 제1 상(110)의 고장이 발생하지 않은 각 서브모듈(111)의 출력전압은 기존과 동일한 정격 출력전압이기 때문에 제1 상(110)의 전체 출력전압은 기존의 정격 전체 출력전압보다 작아진다. 이에 따라 상기 제1 상(110)을 제외한 다른 상(120,130)은 제1 상(110)의 전체 출력전압과 동일하게 하기 위해 제1 상(110)의 최대 출력전압만큼 출력전압을 제한하게 된다. 이를 위해 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈(111)의 개수만큼 다른 상(120,130)의 서브모듈(111)도 동작이 제한되도록 전류를 바이패스시키고 나머지 서브모듈만으로 동작시키도록 한다. 이는 제1,2,3 상(110,120,130)에서 각각 동일한 개수의 서브모듈을 이용하여 출력전압을 출력하도록 제어하는 것이다.

이로써, 각 서브모듈(111)의 출력전압은 기존의 정격 출력전압보다 낮아지게 되므로 각 상(110,120,130)의 전체 무효전력은 줄어들게 되지만 시스템의 운전 중단을 원하는 일정만큼 지연시킬 수 있으며 고장이 발생한 서브모듈에 대한 교체 및 수리일정을 유연하게 조정할 수 있게 된다.

한편, 제1 상(110)의 고장이 발생한 서브모듈(111)을 대체할 리던던시 서브모듈(112)이 있는 경우에는 리던던시 서브모듈(113)을 투입하도록 제어하여(S330), STATCOM용 MMC(100)를 계속 운전시킨다(S340).

이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.