HVDC 변환기

HVDC converter

HVDC 컨버터는 전력을 고전압 교류(AC)에서 고전압 직류(HVDC)로 변환하거나 그 반대로 변환합니다.HVDC는 장거리 또는 주파수가 [1]다른 AC 전원 시스템 간에 전기 에너지를 전송하기 위해 AC의 대안으로 사용됩니다.최대 2기가와트(GW)[2]의 변환과 최대 900킬로볼트([3]kV)의 전압 정격을 가진 HVDC 컨버터가 구축되어 있어 기술적으로도 높은 정격을 실현할 수 있습니다.완전한 컨버터 스테이션은 최대 1,100 kV의 총 시스템 DC 전압 정격을 달성하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 여러 개의 컨버터를 포함할 수 있습니다.

HVDC 컨버터 기호

거의 모든 HVDC 컨버터는 본질적으로 양방향입니다.이 컨버터는 AC에서 DC로(정류) 또는 DC에서 AC로(반전) 변환할 수 있습니다.완전한 HVDC 시스템은 항상 정류기(AC를 DC로 변환)로서 동작하는 적어도 1개의 컨버터와 인버터(DC를 AC로 변환)로서 동작하는 적어도 1개의 컨버터를 포함한다.일부 HVDC 시스템은 이 양방향 속성을 최대한 활용한다(예를 들어 영국과 프랑스 [4]간 크로스 채널 링크와 같은 국경을 넘는 전력 거래를 위해 설계된 시스템).예를 [5]들어 브라질의 이타이푸 방식 등 원격 발전소에서 전력을 내보내도록 설계된 다른 장치들은 선호하는 방향의 전력 흐름에만 최적화될 수 있다.이러한 방식에서는 비선호 방향의 전력 흐름은 용량이 감소하거나 효율성이 저하될 수 있습니다.

HVDC 컨버터의 종류

HVDC 컨버터는 여러 가지 다른 형태를 취할 수 있습니다.1930년대까지 구축된 초기 HVDC 시스템은 효과적으로 회전 변환기였으며 DC 측면에는 직렬로, AC 측면에는 병렬로 연결된 모터-발전기 세트를 사용하여 전기 기계 변환을 사용했습니다.그러나 1940년대 이후 제작된 모든 HVDC 시스템은 전자(정적) 변환기를 사용했습니다.

HVDC용 전자 변환기는 크게 두 가지 범주로 나뉩니다.라인 정류 컨버터(HVDC classic)는 온만 가능한 전자 스위치로 제조됩니다.전압 소싱 컨버터는 온/오프 모두 가능한 스위칭 장치로 제작됩니다.라인 정류 변환기(LCC)는 [6]1970년대까지는 수은 아크 밸브를 사용했으며, 1970년대부터 현재까지 사이리스터를 사용했다.1997년에 [7]HVDC에 처음 등장한 Voltage-Source Converter(VSC; 전압원 변환기)는 트랜지스터(일반적으로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)를 사용합니다.

2012년 현재 라인 정류 및 전압 소스 기술은 모두 중요하다. 라인 정류 변환기는 주로 매우 높은 용량과 효율성이 필요한 곳에 사용되며 전압 소스 변환기는 주로 약한 AC 시스템을 상호 연결하거나 다음과 같은 대규모 풍력을 그리드에 연결하거나 HVDC 상호 연결에 사용된다.미래에는 멀티 터미널 HVDC 시스템으로 확장될 예정입니다.전압-소스 컨버터 HVDC 시장은 부분적으로 해상 풍력에 대한 투자 급증으로 빠르게 성장하고 있으며, 모듈러 멀티 레벨 컨버터(MMC)[8]가 선두 주자로 부상하고 있습니다.

전기 기계식 변환기

1880년대에 DC 장거리 전송의 이점이 명백해지기 시작했고 여러 상업용 송전 시스템이 [1]가동되기 시작했습니다.이들 중 가장 성공적인 것은 René Thury가 개발한 시스템을 사용했으며 DC 측에서 여러 모터 발전기 세트를 직렬로 연결하는 원리를 기반으로 했습니다.가장 잘 알려진 예는 프랑스의 200km 리옹-무티에 DC 송전 체계로, 1906년부터 1936년까지 무티에 수력발전소에서 [9]리옹시로 전력을 송전하는 상업적으로 운영되었다.Kimbark는[10] 이 시스템이 상당히 안정적으로 작동했다고 보고했지만, 오늘날의 기준으로는 전체 엔드 투 엔드 효율(약 70%)이 좋지 않았다고 합니다.1930년대부터 [6]가스 충전 튜브(주로 수은 아크 밸브와 티라트론)를 사용하는 정적 대체에 대한 광범위한 연구가 이루어지기 시작했으며, 이는 상당히 높은 효율성의 가능성을 가지고 있었다.초소형 기계식 회전 변환기는 1960년대 및 트랜지스터 시대까지 배터리에서 무선 및 RADAR에 필요한 고전압으로 전력 변환하는 방법으로 항공기 및 차량과 같은 불리한 환경에서의 틈새 애플리케이션에 계속 사용되었다.

회선 변환기

현재 가동되고 있는 HVDC 시스템의 대부분은 LCC(Line-Commutated Converters)에 근거하고 있습니다.line-cutrated라는 용어는 변환 프로세스가 컨버터가 접속되어 있는AC 시스템의 회선 전압에 의존하여 1개의 스위칭디바이스에서 [11]인접 디바이스로의 변환을 실시함을 나타냅니다.회선 변환 컨버터에서는 제어되지 않는(다이오드 등) 스위칭디바이스 또는 사이리스터 등의 제어액션에 의해서만 온(오프 불가)할 수 있는 스위칭디바이스가 사용됩니다.HVDC 컨버터는 원칙적으로 다이오드로 구성할 수 있지만 이러한 컨버터는 정류 모드에서만 사용할 수 있으며 DC 전압의 제어성이 떨어지는 것은 심각한 단점입니다.따라서 실제로 모든 LCC HVDC 시스템은 그리드 제어 수은 아크 밸브(1970년대까지) 또는 사이리스터(현재까지)를 사용한다.

라인 정류 컨버터에서는 DC 전류는 방향을 바꾸지 않습니다.DC 전류는 큰 인덕턴스를 통해 흐르기 때문에 거의 일정하다고 간주할 수 있습니다.AC측에서 컨버터는 전류원으로서 거의 동작하며 그리드 주파수와 고조파 전류를 AC 네트워크에 주입합니다.이 때문에 HVDC용 라인 정류 컨버터는 전류-소스 [11]컨버터로도 간주됩니다.전류의 방향은 변경할 수 없기 때문에 두 스테이션에서 DC 전압의 극성을 반전시킴으로써 전력 흐름 방향의 반전(필요한 경우)을 달성할 수 있습니다.

라인 교환식 6펄스 브리지

HVDC의 기본 LCC 구성에서는 3상 Graetz 브리지 정류기 또는 6상 펄스브릿지를 사용합니다.이것에는 6개의 전자 스위치가 포함되어 있으며, 각 스위치에는 3상 중 하나를 2개의 DC [12]단자 중 하나에 접속하고 있습니다.완전한 스위칭 소자는 그 구조에 관계없이 보통 밸브라고 불립니다.통상, 브리지내의 2개의 밸브는, 상행의 상과 하행의 상(다른 상으로부터의 상)으로 항상 통전하고 있습니다.2개의 전도 밸브는 3개의 AC 위상 전압 중 2개를 DC 단자에 직렬로 연결합니다.따라서 임의의 순간의 DC 출력 전압은 2개의 AC 위상 전압의 직렬 조합에 의해 제공됩니다.예를 들어 밸브 V1, V2가 도통하고 있는 경우에는 직류출력전압에 위상1의 전압에서 위상3의 전압을 뺀 값을 부여한다.

AC 전원에서는 피할 수 없는(그러나 유익한) 인덕턴스가 있기 때문에, 한 쌍의 도통 밸브에서 다음 쌍의 밸브로 즉시 이행하는 것은 아닙니다.오히려 교량의 같은 열에 있는 2개의 밸브가 동시에 전도되는 짧은 오버랩 기간이 있다.예를 들어 처음에 밸브 V1, V2가 도통하고 있는 상태에서 밸브 V3가 ON되면 도통은 V1에서 V3로 통과하지만 짧은 시간 동안 양쪽 밸브가 동시에 [11]도통한다.이 기간 동안 DC 출력 전압은 위상 1 및 2의 전압 평균에서 위상 3의 전압을 뺀 값으로 제공됩니다.HVDC 컨버터의 오버랩 각도μ(또는 u)는 부하 전류에 따라 증가하지만, 일반적으로 최대 부하에서는 약 20°입니다.

스위칭 소자로 사이리스터를 사용하는 3상 전파(Graetz) 브리지 정류 회로
정류 프로세스가 설명되었습니다.밸브 1과 밸브 2만 전도하는 경우 DC 전압은 3상 전압 중 2상 전압으로 형성됩니다.오버랩 기간 동안 DC 전압은 3상 전압 모두에서 형성됩니다.

오버랩 기간 동안 출력 DC 전압은 그렇지 않은 경우보다 낮아지고 오버랩 기간 동안 DC [11]전압에 가시적인 노치가 발생합니다.이것의 중요한 효과는 오버랩 주기가 증가함에 따라 평균 DC 출력 전압이 감소한다는 것입니다. 따라서 평균 DC 전압은 DC 전류가 증가함에 따라 감소합니다.

오버랩 각도가 20°인 알파=20°인 6소켓 브릿지의 전압 및 전류 파형

6펄스 컨버터의 평균 DC 출력 전압은 [13]다음과 같습니다.

장소:

VLLpeak - 라인 대 라인 입력 전압의 피크 값(컨버터 변압기의 컨버터 측),
α - 사이리스터의 발사 각도
Lc - 위상당 정류 인덕턴스
Id - 직류

발사 각도α는 밸브 전체의 전압이 양(다이오드가 전도하기 시작하는 시점)이 되고 사이리스터가 [11][14]켜지는 시점부터의 시간 지연을 나타냅니다.상기 식에 따르면 발사각도가 높아질수록 평균 직류출력전압은 낮아지는 것이 분명하다.실제로 라인 정류 컨버터에서는 발사 각도가 컨버터를 제어하는 유일한 고속 방법을 나타냅니다.발사각 제어는 HVDC 시스템 양단의 DC 전압을 연속적으로 조절하여 원하는 수준의 전력 전달을 얻기 위해 사용됩니다.

θ=20° 및 μ=20° 인버터 작동용 밸브 전압 및 전류

컨버터의 DC 출력 전압은 점화 각도가 증가함에 따라 지속적으로 양의 값이 낮아집니다. 최대 90°의 점화 각도는 정류에 해당하며 양의 DC 전압이 발생하는 반면, 90° 이상의 점화 각도는 반전에 해당하며 음의 DC [15]전압이 발생합니다.그러나 발사 각도는 두 가지 이유로 180°까지 확장할 수 없습니다.첫째, 오버랩 각도 μ를 허용하고 둘째, 밸브의 통전 후 정전압 내구성 회복에 필요한 추가 소멸 각도 θ를 허용해야 한다.소광각θ는 사이리스터의 OFF 시간q t와 관련이 있습니다.θ의 일반적인 값은 15°입니다.α, γ 및 μ는 다음과 같이 상호 관련된다.

- - { \display = -\mu} (도 단위)

선로 정류 12펄스 브리지

60°마다 상변화가 있는 경우 6펄스 배열이 사용되면 DC 및 AC 단자 모두에서 상당한 고조파 왜곡이 발생합니다.파형을 사인파로 복원하려면 대형 필터링 구성 요소가 필요합니다.6펄스 브리지 배열의 개선은 12펄스 [11]브리지에 12개의 밸브를 사용합니다.12펄스 브릿지는 효과적으로 직류 측에 직렬로 접속되어 각각의 교류 전원 사이에 위상 변위가 배치되어 고조파 전압 및 전류의 일부가 상쇄되는 2개의 6펄스 브릿지는 실질적으로 2개의 6펄스 브릿지다.

두 AC 전원 사이의 위상 변위는 보통 30°이며, 두 개의 다른 2차 권선(또는 밸브 권선)이 있는 컨버터 변압기를 사용하여 실현됩니다.일반적으로 밸브 권선 중 하나는 별(wye)로 연결되어 있고 다른 하나는 델타로 [16]연결되어 있습니다.3상 각 2세트를 2개의 DC 레일에 연결하는 12개의 밸브를 통해 30°마다 상변화가 발생하고 저주파 고조파의 수준이 상당히 감소하여 필터링 요건이 상당히 단순해집니다.이러한 이유로 12펄스 시스템은 수은 아크 밸브로 구축된 HVDC 시스템은 두 개의 6펄스 그룹 중 하나를 바이패스하여 임시 작동을 제공하지만 거의 모든 라인 정류 변환기 HVDC 시스템에 표준이 되었습니다.

수은 아크 밸브를 사용하는 12펄스 HVDC 컨버터로, 바이패스 밸브와 바이패스 스위치가 2개의 6펄스 브리지에 걸쳐 있습니다.
사이리스터 밸브를 사용하는 12펄스 HVDC 컨버터
HVDC의 쿼드라이벌 개념 설명

수은 아크 밸브

주요 기사:수은 아크 밸브
캐나다 매니토바주 넬슨강 DC 트랜스미션 시스템의 150킬로볼트, 1800A 수은 아크 밸브

초기 LCC 시스템은 수은 아크 밸브를 사용했으며, 이는 고출력 산업용 [17]정류기에 사용된 설계에서 발전한 것입니다.이러한 밸브를 HVDC에 적합하게 만들기 위해 여러 가지 적응이 필요했으며, 특히 HVDC에서 [18]발생하는 매우 높은 역방향 전압에서 아크백 위험을 최소화하기 위해 양극 전압 등급 전극을 사용해야 했다.이 분야의 선구적 업적의 대부분은 스웨덴에서 행해졌습니다.Dr Uno Lamm은 HVDC의 아버지로 널리 알려져 있으며 IEEE는 HVDC 분야에서 [19]뛰어난 공헌에 대해 "Uno Lamm Award"를 도입했습니다.고전압 적용에 필요한 매우 긴 양극 기둥은 각 양극에 의해 안전하게 전달될 수 있는 전류를 제한했기 때문에 대부분의 HVDC용 수은 아크 밸브는 [6]밸브당 여러 개의 양극 기둥(대부분 4개)을 병렬로 사용했습니다.

통상, 각 6펄스 다리의 각 암은 1개의 수은 아크 밸브로만 구성되어 있었지만, 구소련에서 건설된 2개의 프로젝트에서는 양극 [20]기둥을 병렬로 연결하지 않고 암당 2, 3개의 수은 아크 밸브를 사용했습니다.

HVDC용 수은 아크 밸브는 견고했지만 높은 유지보수가 필요했습니다.이 때문에 대부분의 수은 아크 HVDC 시스템은 6펄스 브리지마다 바이패스 스위치 기어로 구축되어 있어 짧은 [16][21]유지보수를 위해 6펄스 모드로 동작할 수 있었습니다.

수은 아크 밸브는 최대 150 kV, 1800 A의 정격으로 제작되었습니다.마지막으로 설치된 수은 아크 시스템은 캐나다의 넬슨 강 DC 트랜스미션 시스템으로 밸브당 6개의 양극 기둥을 병렬로 사용하여 1977년에 [22][23]완성되었습니다.마지막 수은 아크 시스템(뉴질랜드 북섬과 남섬 사이의 HVDC 인터아일랜드 연결)은 2012년에 폐쇄되었다.수은 아크 밸브는 다음 HVDC 프로젝트에도 [24]사용되었습니다.

사이리스터 밸브

사이리스터 밸브는 1972년 캐나다의 [23]Eel River Converter Station에서 HVDC 시스템에 처음 사용되었습니다.사이리스터는 다이오드와 비슷하지만 정의된 순간에 장치를 켜는 데 사용되는 추가 제어 단자가 있는 솔리드 스테이트 반도체 장치입니다.사이리스터의 파괴전압은 각각 몇 킬로볼트에 불과하기 때문에 HVDC 사이리스터 밸브는 직렬로 연결된 다수의 사이리스터를 사용하여 구축됩니다.밸브 전체의 전압이 사이리스터 간에 균일하게 공유되도록 하기 위해 그레이딩 캐패시터 및 저항기와 같은 추가 수동 구성 요소를 각 사이리스터와 병렬로 연결해야 합니다.사이리스터와 그 등급 설정 회로 및 기타 보조 장치를 사이리스터 레벨이라고 합니다.

뉴질랜드의 북섬과 남섬 사이의 HVDC 인터아일랜드의 폴 2용 12펄스 사이리스터 컨버터.맨 아래에 있는 사람이 규모에 대한 아이디어를 준다.

각 사이리스터 밸브는 일반적으로 수십 또는 수백 개의 사이리스터 레벨을 포함하며, 각 레벨은 [16]접지에 대해 서로 다른(높은) 전위로 작동합니다.따라서 사이리스터를 켜는 명령 정보는 단순히 와이어 연결을 사용하여 전송할 수 없으며 분리해야 합니다.분리 방법은 자성(펄스 변압기 사용)일 수 있지만 일반적으로 광학식입니다.간접광학 트리거링과 직접광학 트리거링의 두 가지 광학 방식이 사용됩니다.간접광 트리거링 방법에서 저전압제어전자는 광섬유를 따라 하이사이드제어전자에 광펄스를 송신하고, 하이사이드제어전자는 각 사이리스터에 걸친 전압에서 그 전력을 얻는다.대체 직접 광학 트리거링 방법은 제어 전자 장치의 광 펄스를 사용하여 LTT([25]Light-Triggered 사이리스터)를 전환하는 대신, 밸브 보호를 위해 소형 모니터링 전자 장치가 필요할 수 있습니다.

2012년 현재 사이리스터 밸브는 100개 이상의 HVDC 체계에 사용되었으며, 더 많은 밸브는 아직 건설 중이거나 계획 중에 있다.운영 중인 단일 HVDC 변환기(12펄스 브리지)의 최고 전력 정격은 2010년 중국의 ±660 kV 닝둥-산둥 체계에서 2000 MW였다.기존의 바이폴라 [2]구조인 스킴의 양 끝에 2개의 변환기가 제공됩니다.2007년 이후 단일 HVDC 컨버터의 최고 전압 정격은 노르웨이와 네덜란드를 연결하는 ±450kV NorNed 방식이었으며, LCC HVDC [3]방식으로는 이례적인 배열로 양 끝에 단일 컨버터만 있습니다.

전압원 변환기

사이리스터(및 수은 정류기)는 제어 작용에 의해서만 켜질 수 있고(끄지 않음) 외부 AC 시스템에 의존하여 꺼짐 프로세스를 수행하므로 제어 시스템은 사이리스터를 [11]켜는 사이클에 있을 때 자유도가 1개뿐입니다.이는 HVDC 컨버터가 연결되어 있는 AC 시스템이 정류 전압 타이밍을 제공하기 위해 항상 동기식 기계를 포함해야 함을 의미하기 때문에 상황에 따라서는 HVDC의 유용성이 제한됩니다. 즉, HVDC 컨버터는 패시브 시스템에 전력을 공급할 수 없습니다.이는 이미 가동 중인 그리드에 추가 전원을 공급하는 문제가 아니지만 유일한 전원으로 사용할 수 없습니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 같은 다른 유형의 반도체 디바이스에서는 온오프 타이밍을 제어할 수 있어 제2의 자유도를 얻을 수 있다.그 결과 IGBT를 사용하여 대형 인버터에 가까운 자가 정류 컨버터를 동작시킬 수 있다.이러한 변환기에서는 일반적으로 DC 전압의 극성은 고정되어 있으며 큰 캐패시턴스로 평활되는 DC 전압은 일정하다고 간주할 수 있습니다.이러한 이유로 IGBT를 사용하는 HVDC 컨버터는 보통 전압-소스 컨버터(또는 전압-소스[26] 컨버터)라고 불립니다.제어성이 높아짐에 따라 많은 이점이 있습니다.특히 고조파 성능을 향상시키기 위해 사이클별로 여러 번 IGBT를 켜고 끌 수 있으며 컨버터가 더 이상 AC 시스템의 동기 기계에 의존하지 않습니다.따라서 전압소스 컨버터는 LCC HVDC에서는 불가능한 패시브 부하만으로 구성된 AC 네트워크에 전력을 공급할 수 있습니다.또한 전압원 변환기는 (주로 고조파 필터링이 훨씬 덜 필요하기 때문에) 회선 정류 변환기보다 상당히 콤팩트하며, 오프쇼어 플랫폼 등 공간이 중요한 장소의 회선 정류 변환기보다 선호됩니다.

라인 정류 HVDC 변환기와는 달리 전압-소스 변환기는 DC 전압의 일정한 극성을 유지하며, 대신 전류 방향을 반대로 함으로써 전력 반전을 실현합니다.이를 통해 전압-소스 변환기를 멀티 터미널 HVDC 시스템 또는 "DC 그리드"[27]에 훨씬 쉽게 연결할 수 있습니다.

전압원 변환기에 기반한 HVDC 시스템은 보통 6펄스 연결을 사용합니다.왜냐하면 변환기는 동등한 LCC보다 고조파 왜곡이 훨씬 적고 12펄스 연결이 불필요하기 때문입니다.이것에 의해, 컨버터 변압기의 구조가 심플화됩니다.그러나 전압-소스[28] 컨버터에는 몇 가지 다른 구성이 있으며 새로운 대안으로 연구가 계속 진행 중입니다.

2레벨 컨버터

최초로 설치된 VSC-HVDC 체계(1997년 스웨덴에서[7] 위탁된 Hellsjön 실험 링크)부터 2012년까지 구축된 대부분의 VSC HVDC 시스템은 2단계 컨버터를 기반으로 했습니다.2레벨 변환기는 3상 전압-원[29] 변환기의 가장 단순한 유형으로 사이리스터가 역병렬 다이오드를 가진 IGBT로 대체되고 DC 평활화 원자로가 DC 평활 캐패시터로 대체된 6개의 펄스 브리지로 생각할 수 있다.이러한 변환기의 이름은 각 위상의 AC 출력 전압이 양극 및 음극 DC 단자의 전위에 해당하는 두 개의 이산 전압 레벨 사이에서 전환된다는 사실에서 유래되었습니다.위상 내의 2개의 밸브 중 상부가 켜지면 AC 출력 단자가 양의 DC 단자에 연결되어 컨버터의 중간점 전위에 대해 +µU의d 출력 전압이 발생합니다.반대로 위상 내의 하부 밸브가 켜지면 AC 출력 단자가 음의 DC 단자에 접속되어 출력 전압이 - µd U가 됩니다.일상에 대응하는 2개의 밸브를 동시에 켜면 DC 콘덴서가 제어되지 않고 방전되어 콘덴서가 심각하게 손상될 위험이 있습니다.버터

HVDC용 3상, 2레벨 전압원 변환기
2레벨 변환기의 동작 원리, 단상 표현 (그래프 내 전압 : DC 버스 중간점에 대한 출력 전압)
주어진 신호에 대응하는 PWM 펄스열을 생성하는 한 가지 방법은 교차 PWM입니다. 신호(여기서 빨간색 사인파)는 톱니 파형(파란색)과 비교됩니다.후자가 전자보다 작을 경우 PWM 신호(마젠타)는 하이 상태(1)가 됩니다.그 이외의 경우는, Low 상태(0)가 됩니다.

2-레벨 변환기에서 생성할 수 있는 가장 단순한(그리고 가장 높은 진폭) 파형은 사각파입니다. 그러나 이는 허용할 수 없는 수준의 고조파 왜곡을 발생시키므로 변환기의 고조파 왜곡을 개선하기 위해 항상 어떤 형태의 펄스 폭 변조(PWM)를 사용합니다.PWM의 결과로 IGBT는 각 메인 [30]사이클에서 여러 번(일반적으로 20번) 켜졌다 꺼집니다.이것에 의해, IGBT 로 스위칭 손실(de)이 높아져, 전체적인 전송 효율이 저하합니다.HVDC에는[31] 몇 가지 다른 PWM 전략이 가능하지만 스위칭 손실이 크기 때문에 모든 경우 2레벨 컨버터의 효율은 LCC보다 현저히 떨어집니다.일반적인 LCC HVDC 컨버터 스테이션은 최대 부하(HVDC 라인 또는 케이블 제외)에서 약 0.7%의 전력 손실이 발생하지만, 2-레벨 전압-소스 컨버터에서는 단당 2~3%의 전력 손실이 발생합니다.

2레벨 컨버터의 또 다른 단점은 HVDC 스킴에 필요한 매우 높은 동작전압을 달성하기 위해 수백 개의 IGBT를 직렬로 연결하고 각 [32]밸브에서 동시에 전환해야 한다는 것입니다.이를 위해서는 정교한 게이트 구동 회로를 갖춘 특수한 유형의 IGBT가 필요하며, 매우 높은 수준의 전자파 간섭이 발생할 수 있습니다.

3레벨 컨버터

2레벨 컨버터의 낮은 고조파 성능을 개선하기 위해 일부 HVDC 시스템은 3레벨 컨버터를 사용하여 구축되었습니다.3레벨 컨버터는 각 위상의 AC단자에서 3개의 (2개만 아닌) 이산전압레벨을 합성할 수 있습니다.+ and Ud 、 0 、 - ud U 。3레벨 컨버터의 일반적인 타입은 다이오드 클램프(또는 중성점 클램프) 컨버터이며, 각 위상은 DC-전압 라인에 따라 정격의 4개의 IGBT 밸브를 포함하고 있습니다.클램핑 다이오드 밸브 [32]2개DC 캐패시터는 직렬로 연결된 두 갈래로 나뉘며, 각 위상의 캐패시터 중간점과 1/4 및 3/4 지점 사이에 클램핑 다이오드 밸브가 연결됩니다.양의 출력 전압(+µ Ud)을 얻으려면 상위 2개의 IGBT 밸브가 켜지고, 음의 출력 전압(-µd U)을 얻으려면 하위 2개의 IGBT 밸브가 켜지며, 0의 출력 전압을 얻으려면 중간 2개의 IGBT 밸브가 켜집니다.이 후자의 상태에서는 2개의 클램핑 다이오드 밸브가 위상을 통과하는 전류 경로를 완성합니다.

HVDC용 3상, 3레벨 다이오드 클램프 전압원 변환기
3레벨 다이오드 클램프 컨버터의 동작 원리, 단상 표현

다이오드-클램프 컨버터(일명 액티브 중립점 클램프 컨버터)의 정교화에서는 클램프 다이오드 밸브가 IGBT 밸브로 대체되어 제어성이 향상됩니다.이러한 변환기는 호주의 Murraylink[33] 프로젝트와 미국의 [34]Cross Sound Cable 링크에 사용되었습니다.그러나 고조파 성능의 약간의 개선은 복잡성 측면에서 상당한 대가를 치렀으며, 설계는 이러한 두 프로젝트에 사용된 ±150 kV보다 높은 DC 전압까지 확장하기 어렵다는 것이 입증되었다.

일부 조정 속도 드라이브에서는 사용되지만 HVDC에서는 사용되지 않는 또 다른 유형의 3레벨 컨버터는 클램핑 다이오드 밸브를 1/4 지점과 3/4 [32]지점 사이에 연결된 분리된 플라잉 캐패시터로 교체합니다.작동 원리는 다이오드 클램프 컨버터의 작동 원리와 유사합니다.3레벨 컨버터의 다이오드 클램프 콘덴서 및 플라잉 콘덴서 바리안트 모두 더 많은 출력 레벨(예를 들어 5개)로 확장할 수 있지만 회로의 복잡성은 불균형적으로 증가하며 이러한 회로는 HVDC 애플리케이션에 실용적이라고 여겨지지 않았습니다.

모듈러 멀티 레벨 컨버터(MMC)

2003년 Marquardt에[8] 의해 HVDC 어플리케이션용으로 처음 제안되어 샌프란시스코의 [35]Trans Bay Cable 프로젝트에서 상업적으로 처음 사용된 모듈러 멀티 레벨 컨버터(MMC)는 현재 HVDC의 [36]가장 일반적인 전압 소스 컨버터가 되고 있습니다.

HVDC용 3상 Modular Multi-Level Converter(MMC; 모듈러 멀티레벨 컨버터)
HVDC용 Modular Multi-Level Converter(MMC; 모듈러 멀티레벨 컨버터)의 작동 원리. 밸브당 4개의 직렬 연결 서브모듈이 있습니다.알기 쉽게 하기 위해 3가지 단계 중 1가지 단계만 보여 줍니다.

2레벨 컨버터 및 6펄스 라인 정류 컨버터와 마찬가지로 MMC는 6개의 밸브로 구성되어 있으며 각 밸브는 1개의 AC 단자와1개의 DC 단자를 접속하고 있습니다.단, 2레벨 컨버터의 각 밸브가 직렬로 접속된 다수의 IGBT로 이루어진 고전압 제어 스위치인 경우에는 MMC의 각 밸브는 그 자체로 별도의 제어 가능한 전압원이다.각 MMC 밸브는 다수의 독립된 컨버터 서브모듈로 구성되어 있으며, 각 서브모듈에는 자체 스토리지 캐패시터가 포함되어 있습니다.회로의 가장 일반적인 형태인 하프브릿지 바리안트에서는 각 서브모듈에는 콘덴서를 통해 직렬로 연결된2개의 IGBT가 포함되어 있으며, 미드포인트 접속과2개의 콘덴서 단자 중1개가 외부 [35]접속으로 출력됩니다.각 서브모듈의 2개의 IGBT 중 어느 것이 켜져 있는지에 따라 캐패시터는 바이패스되거나 회로에 접속됩니다.따라서 각 서브모듈은 0 또는 Usm(U는 서브모듈sm 캐패시터 전압)의 전압을 생성하는 독립된 2레벨 컨버터 역할을 합니다.적절한 수의 하위 모듈을 직렬로 연결하면 밸브는 사인파에 매우 가깝고 매우 낮은 수준의 고조파 왜곡을 포함하는 단계별 전압 파형을 합성할 수 있습니다.

가능한 전도 상태를 보여주는 MMC 밸브

MMC는 주 주파수 사이클을 통해 컨버터의 6개 밸브 모두에서 전류가 연속적으로 흐른다는 점에서 다른 유형의 컨버터와 다릅니다.그 결과, MMC에서는 「On-state」나 「Off-state」등의 개념은 의미가 없습니다.직류전류는 3상으로 균등하게 분할되고 교류전류는 각 [35]상부의 밸브와 하부의 밸브로 균등하게 분할됩니다.따라서 각 밸브의 전류는 다음과 같이 직류d I 및 교류 I와ac 관련이 있습니다.

상부 밸브: v + 2{ {I _ { \ {} } ={ _ { \ { }}} {3}} + { \ {_ { I _ { \ ac } } } } } } } } } } } }

하부 밸브: v - 2 { { I _ { \ {} } ={_ { \ { }} }} { - { \ {_ { \ ac } } } } } } } } } }

HVDC 어플리케이션의 일반적인 MMC는 각 밸브에 직렬로 연결된 약 300개의 서브모듈을 포함하므로 301레벨 컨버터에 해당합니다.이것에 의해, 고조파 성능이 뛰어나, 통상은 필터가 필요 없다.MMC의 또 다른 장점은 PWM이 필요하지 않다는 것입니다. 그 결과 전력 손실이 2레벨 컨버터의 전력 손실보다 훨씬 낮아져 [37][36][38]엔드당 약 1%가 됩니다.마지막으로 IGBT를 직접 직렬로 연결할 필요가 없기 때문에 IGBT 게이트 드라이브는 2레벨 컨버터만큼 정교할 필요가 없습니다.

MMC에는 두 가지 주요 단점이 있습니다.첫째, 제어는 2-레벨 컨버터보다 훨씬 복잡합니다.각 서브모듈 캐패시터의 전압 밸런스는 중요한 과제이며, 중앙 컨트롤 유닛과 밸브 사이의 상당한 연산 능력과 고속 통신이 필요합니다.둘째, 서브모듈 캐패시터 자체는 크고 [39]부피가 큽니다.MMC는 동등한 정격의 2레벨 컨버터보다 상당히 크지만 필터가 필요 없는 공간 절약으로 상쇄될 수 있습니다.

2012년 현재 운영 중인 최대 용량의 MMC HVDC 시스템은 여전히 400 MW 트랜스 베이 케이블 방식이지만, 프랑스에서 스페인까지 ±320 [40]kV의 전압으로 병렬로 구성된 2개의 1000 MW 링크로 구성된 지하 케이블 상호 연결을 포함하여 많은 대규모 계획이 구축 중에 있습니다.

변종

MMC의 변종에는 서브모듈을 구성하는2개의 스위치 각각에 복수의 IGBT를 직렬로 접속하는 방법이 있습니다.따라서 기존 MMC 배열보다 스텝 수가 적고 큰 출력 전압 파형을 얻을 수 있습니다.이 배치는 Cascaded Two Level(CTL; 캐스케이드 투레벨)[37] 컨버터라고 불립니다.기능적으로는, 고조파 퍼포먼스를 제외하고, 모든 면에서 종래의 하프 브릿지 MMC와 정확하게 동등합니다.다만, 대부분의 경우 필터링의 필요성을 회피할 수 있을 만큼 뛰어난 성능을 자랑합니다.

풀브릿지 MMC 서브모듈

또 다른 방법은 위에서 설명한 하프브릿지 MMC 서브모듈을 [41]2개가 아닌H 브릿지 배열로 4개의 IGBT를 포함하는 풀브릿지 서브모듈로 대체하는 것입니다.MMC의 풀브릿지 배리언트에서는 서브모듈 캐패시터를 어느 극성으로든 회로에 삽입할 수 있습니다.이를 통해 컨버터 제어에 있어 추가적인 유연성을 확보하고 컨버터가 양극 및 음극 DC 단자 사이의 단락에서 발생하는 고장 전류를 차단할 수 있습니다(이전 유형의 VSC에서는 불가능).또한 DC 전압을 극성(LCC HVDC 방식처럼)으로 하여 하이브리드 LCC 및 VSC HVDC 시스템의 가능성을 높입니다.단, 풀브릿지 배치에서는 IGBT의 2배가 필요하며, 동등한 하프브릿지 배치보다 전력손실이 커집니다.

기타 유형의 전압-소스 변환기

2레벨 컨버터와 모듈러 멀티레벨 [42]컨버터의 기능을 조합한 다양한 컨버터 타입이 제안되고 있습니다.이러한 하이브리드 VSC 시스템은 보다 콤팩트한 설계와 뛰어난 제어성으로 MMC의 낮은 손실과 높은 조화 성능을 달성하는 것을 목표로 하고 있지만, 이러한 개념은 아직 연구 [43]단계에 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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추가 정보

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외부 링크

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