MODULAR MULTI-LEVEL CONVERTER AND DC FAILURE BLOCKING METHOD THEREFOR

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC,100)는 3개의 레그(103a,103b,103c)와, 6개의 암(Arm)(101a,101b,101c,102a,102b,102c)으로 이루어지고, 각 암(Arm)에는 복수의 서브모듈(SM)이 포함된다. 이러한 암(Arm)은 다시 상위 암(Upper Arm)(101a,101b,101c) 및 하위 암(Lower Arm)(102a,102b,102c)으로 구성된다. 이들 각 컨버터 암(101a,101b,101c,102a,102b,102c)은 동일한 구성을 가지므로, 본 발명에서는 설명의 편의상 하나의 컨버터 암(101a)에 대해 설명한다.

각 컨버터 암(101a)은 서로 직렬로 연결된 N(N≥2,정수)개의 서브모듈(110)과, 각 서브모듈(110)에 직렬 연결되어 컨버터 암(101a)의 회로를 개방(open)시키는 회로개방부(120)를 포함한다. 이들 N개의 서브모듈(110) 및 회로개방부(120)는 제어부(미도시)에 의해 그 동작이 제어된다.

여기서, 본 실시 예에 따른 N개 서브모듈(110)은 풀브릿지(full bridge) 회로를 포함하는 n개(n<N인 정수)의 서브모듈(110a)과 하프브릿지(half bridge) 회로를 포함하는 N-n개의 서브모듈(110b)로 구성된다. 이러한 하프브릿지 회로는 직렬 연결된 한 쌍의 전력용반도체(111)와 이들 전력용반도체(111)에 병렬 연결된 커패시터(112)를 포함하고, 풀브릿지 회로는 병렬 연결된 두 쌍의 전력용반도체(113)와, 이들 전력용반도체(113)에 병렬 연결된 커패시터(114)를 포함한다. 그리고, 각 전력용반도체(111,113)는 파워반도체소자와 이에 역방향으로 병렬 연결될 다이오드를 포함한다. 이러한 전력용반도체(111,113)은 예컨대 IGBT, FET 등이 될 수 있으며, 제어부(미도시)에 의해 그 스위칭동작이 제어된다.

이와 같이 구성된 MMC 컨버터(100)의 경우 DC측에 단락과 같은 고장이 발생하게 되면, AC측으로부터 DC측으로 고장전류(이하, DC 고장전류라 함)가 각 상의 컨버터 암(101a)을 통해 흐르게 된다. 따라서, DC 고장발생 시 컨버터 암(101a)에 흐르는 암 전류는 DC 고장전류로서, 이러한 DC 고장전류는 대전류이므로 각 서브모듈(110a)의 내부 소자를 손상시킬 수 있다. 이에, 본 발명에서는 MMC 컨버터(100)의 DC 고장발생 시 컨버터 암(101a)의 회로를 개방(open)시켜 컨버터 암(101a)으로 유입되는 DC 고장전류를 차단하여 컨버터 회로를 보호하도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)의 동작 및 DC 고장 차단방법을 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 MMC 컨버터의 DC 고장발생시 컨버터 암의 암 전류 파형도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)가 정상상태일 경우에는 컨버터 암(101a)에 정상적인 DC 전류(Is)가 일정하게 흐르게 된다. t1 시점에 MMC 컨버터(100)의 DC 고장이 발생하면 서브모듈(110)의 풀브릿지 회로 및 하프브릿지 회로의 커패시터(112,114)에 저장된 전압이 방전되면서 프리휠링(free-wheeling) 전류가 흐르게 되어 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류는 t2 시점까지 순간적으로 급격히 증가하게 된다. 이때, 비록 t1 시점에 MMC 컨버터(100)의 제어부(미도시)에서 DC 고장을 인지하여 서브모듈(110)의 전력용반도체(111,113)를 오프(off)시키지만, 정상운전 중 t1 시점에 갑작스럽게 DC 고장이 발생하게 되면 실질적으로 전력용반도체(111,113)가 오프(off) 스위칭에 동작시간이 필요하므로 t1~t2의 짧은 구간 동안에는 DC 고장전류가 급격히 증가하게 되는 것이다.

이후, t2 시점부터 제어부에 의해 컨버터 암(101a)의 각 서브모듈(110)의 전력용반도체(111,113)가 각각 오프(off)됨에 따라 DC 고장전류는 점차 감소하게 된다. 이와 같이 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류는 점차 감소하여 풀브릿지 회로를 포함하는 n개의 서브모듈(110a)의 커패시터(114)에 저장된 전압이 AC측 3상 선간전압의 피크치보다 낮은 경우(t3 시점)에 0(zero)가 된다. 이는 풀브릿지 회로의 서브모듈(110a)의 개수를 줄이더라도 DC 고장전류가 0(zero)가 되는 구간(t3~t4)이 존재하게 된다. 즉, 풀브릿지 회로를 포함하는 서브모듈((110a)이 최소한 1개라도 있는 경우에는 DC 고장전류가 0(zero)가 되는 일정시간(T)(t3~t4 구간)이 최소한 존재한다. 이때, 컨버터 암(101a)의 DC 고장전류가 0(zero)가 되는 일정시간(T)의 길이는 풀브릿지회로를 포함하는 서브모듈(110a)의 개수(n개)에 비례하며, 이러한 풀브릿지회로를 포함하는 서브모듈(110a)의 개수(n개)는 상기 일정시간(T)이 회로개방부(120)의 동작시간보다 길도록 설정됨이 바람직하다. 그 이유는 회로개방부(120)는 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류가 0(zero)인 상태에서 동작하도록 하기 위한 것이다. 즉, 컨버터 암(101a)에 전류가 흐르지 않는 상태에서 회로개방부(120)를 동작시켜 컨버터 암(101a)의 회로를 개방하도록 하기 위한 것이다. 이는 회로개방부(120)의 동작시간을 확보하기 위한 것이다. 따라서, 상기한 바와 같이 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류가 흐르지 않는 일정시간(T)(t3~t4 구간)의 길이는 풀브릿지회로의 서브모듈(110a)의 개수에 비례하므로 본 발명에서는 상기 일정시간(T)의 길이가 회로개방부(120)의 동작시간보다 길도록 각 컨버터 암(101a)에 구현되는 플브릿지회로의 서브모듈(110a)의 개수(n개)를 결정하는 것이 중요하다.

이와 같이, 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류가 0(zero)가 되는 t3~t4 구간의 일정시간(T) 동안 내에 제어부에 의해 회로개방부(120)가 동작하게 되어 컨버터 암(101a)의 회로가 개방(open)되도록 한다. 여기서, 이러한 컨버터 암(101a)의 회로 개방이라 함은 바람직하게는 컨버터 암(101a)을 구성하는 선로를 단로, 격리 또는 분리하는 것을 포함한다. 또한, 다른 실시 예에서는 컨버터 암(101a)을 통해 흐르는 암 전류나 DC 고장전류의 흐름을 차단(blocking)하는 것도 포함할 수 있다. 이는 컨버터 암(101a)의 선로를 단로, 격리 또는 분리하여 암 전류나 DC 고장전류를 차단하는 것도 포함할 수도 있다.

여기서, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)는 회로개방부(120)를 구비하지 않는 종래의 MMC 컨버터에 비해 매우 중요한 작용 및 효과를 제공한다. 이를 구체적으로 설명한다. 회로개방부가 구비되지 않고 풀브릿지회로의 서브모듈만 구비된 종래의 MMC 컨버터의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 t4 시점 이후에 점선으로 표시된 고장전류(Ix)가 발생하게 되어 MMC 컨버터의 서브모듈로 흐르게 된다. 이러한 고장전류(Ix)는 풀브릿지회로의 서브모듈의 커패시터에 저장된 충전전압이 AC측 3상 선간전압의 피크치보다 작은 경우에 발생하게 된다. 이는 AC측 계통에서 3상 교류 고장전류가 공급될 때 120도의 위상(phase)으로 고장전류의 피크치가 나타나므로 3상 선간전압의 피크치가 서브모듈의 충전전압보다 높은 경우가 발생하게 된다. 따라서, 풀브릿지회로의 서브모듈의 개수를 줄이더라도 도 5의 스테이지 3(stage 3)에서와 같이 고장전류(Ix)는 존재하게 되는 것이다.

이에 반해, 본 발명은 상기한 종래방식에서 발생되는 고장전류(Ix)를 원천적으로 차단하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)에서는 회로개방부(120)를 구비하여 컨버터 암(101a)의 DC 고장전류가 0(zero)일 때, 회로개방부(120)를 동작시켜 컨버터 암(101a)의 회로를 개방하도록 함으로써, 컨버터 암(101a)에는 상기 종래와 같은 고장전류(Ix)는 흐르지 않게 되고, 도 5에 실선(A)으로 표시된 바와 같이 0(zero) 전류가 계속 유지되는 것이다.

본 발명에 따른 회로개방부(120)는 예컨대, 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류가 0(zero)일 때 회로를 단로시키는 단로기(disconnector)를 포함함이 바람직하다. DC 고장전류가 0(zero)인 구간에서 빠르게 회로를 단로하기 위해 동작시간이 짧은 울트라패스트 단로기(Ultrafast Disconnector)를 사용함이 바람직하다. 이러한 단로기는 회로에 전류가 흐르지 않는 상태에서 동작하는 스위치이므로, 본 발명에서는 풀브릿지회로의 서브모듈의 개수를 조절하여 단로기의 동작시간 동안 영전류를 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회로개방부의 예시적인 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회로개방부(120)는 적어도 하나의 전력용반도체(121)를 포함한다. 이러한 전력용반도체(121)는 서브모듈(110) 내의 전력용반도체(111,113)에 역방향으로 배치되는 것이 중요하다. 왜냐하면, AC측에서 공급되는 DC 고장전류를 차단(blocking)할 수 있도록 배치되어야 하기 때문이다. 전력용반도체(121)는 상술한 바와 같이 서브모듈(110)에 역방향으로 직렬 연결된 파워반도체(121a)와, 파워반도체(121a)에 역병렬로 연결된 다이오드(121b)를 포함한다. 이에, MMC 컨버터(110)의 DC 고장발생 시 제어부는 서브모듈(110)의 풀브릿지회로 및 하프브릿지회로의 전력용반도체(111,113)를 오프(off)시킨다. 이로써 컨버터 암(101a)에서의 DC 고장전류는 점차 감소하여 0(zero)가 된다. 이때, 제어부에 의해 회로개방부(120)의 전력용반도체(121)가 오프(off)되어 DC 고장전류를 차단하게 된다. 여기서, 회로개방부(120)가 단로기(disconnector)로 구현되는 상기 일례와는 달리, 전력용반도체(121)로 회로개방부(120)를 구현한 경우에는 DC 고장전류가 0(zero)가 아니더라도 0(zero)에서 기설정된 범위이면 전력용반도체(121)를 오프시킬 수도 있다. 이는 단로기(disconnector)는 회로에 전류가 흐르지 않을 때 동작이 가능한 스위치 소자이므로 영전류가 되어야 하지만, 전력용반도체 스위치는 영전류가 아니라 소정의 작은 전류가 흘러도 오프시켜 전류를 차단할 수 있기 때문이다.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 상기 회로개방부(120)는 단로기(disconnector)와 이러한 단로기에 직렬 연결된 적어도 하나의 전력용반도체(121)를 포함할 수도 있다. 이는 회로개방부(120)를 단로기와 전력용반도체를 동시에 직렬로 구현함으로써 DC 고장전류의 차단성능을 높일 수 있도록 한다.

이하, 상기한 MMC 컨버터(100)의 구성에 따른 DC 고장 차단방법을 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)는 상기한 바와 같이 복수의 컨버터 암(Arm)을 포함하고, 각 컨버터 암은 직렬 연결된 N(N≥2,정수)개의 서브모듈(110) 및 상기 N개의 서브모듈에 직렬 연결되어 상기 컨버터 암의 회로를 개방(open)시키는 회로개방부(120)를 포함한다. 여기서, N개의 서브모듈(110)은 풀브릿지회로를 포함하는 n(n<N)개의 서브모듈과 하프브릿지회로를 포함하는 나머지 N-n개의 서브모듈로 구성된다.

MMC 컨버터(100)의 DC 고장발생 시 제어부(미도시)에서 이러한 DC 고장을 인지하여(S101), 각 서브모듈(110) 내에 구성된 풀브릿지회로 및 하프브릿지회로 내의 전력용반도체(111,113)를 오프(off)시킨다(S103). 이어, 제어부에서 컨버터 암에서의 DC 고장전류가 0(zero) 또는 0(zero)에서 기설정된 범위 이내이면 해당 컨버터의 암의 회로를 개방(open)시켜 상기 DC 고장에 따른 DC 고장전류를 차단하도록 하기 위해 회로개방부(120)를 동작시킨다(S105). 이때, 회로개방부(120)는 컨버터 암의 DC 고장전류가 0(zero) 또는 0(zero)에서 기설정된 범위 이내로 유지되는 일정시간(T) 동안에 동작되도록 한다. 또한, 이러한 일정시간(T)은 풀브릿지 회로를 포함하는 서브모듈의 개수(n)에 비례하며, 풀브릿지 회로를 포함하는 서브모듈의 개수(n)는 이러한 일정시간(T)이 회로개방부(120)의 동작시간보다 길도록 설정되도록 한다. 이는 회로개방부(120)를 단로기(disconnector)로 구현하는 경우 컨버터 암에 흐르는 전류가 영전류를 유지해야 하기 때문이다. 물론, 회로개방부(120)는 서로 직렬 연결된 적어도 하나의 전력용반도체(121)로 구현될 수 있으며, 또 다른 예로서 단로기와 적어도 하나의 전력용반도체(121)를 서로 직렬로 연결할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 MMC 컨버터(100)는 각 컨버터 암을 구성할 때 다수의 서브모듈과 회로개방부로 구성하되, 다수의 서브모듈은 하프브릿지회로의 서브모듈과 풀브릿지회로의 서브모듈을 혼합하여 사용하도록 한다. 이로써, DC 고장발생시 컨버터 암으로 흐르는 DC 고장전류를 차단할 수 있도록 하고 풀브릿지회로의 서브모듈만으로 구성된 MMC 컨버터에 비해 스위칭손실을 크게 줄일 수 있도록 하고 비용절감 효과도 초래할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 일부 풀브릿지회로의 서브모듈을 적용함으로써 컨버터 암에 흐르는 전류를 영전류로 구현할 수 있으므로, 회로개방부(120)를 단로기(disconnector)로 구현할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.