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KR101689824B1 - Modular Multilevel Converter and Submodule of the Converter - Google Patents

Modular Multilevel Converter and Submodule of the Converter Download PDF

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KR101689824B1
KR101689824B1 KR1020140162436A KR20140162436A KR101689824B1 KR 101689824 B1 KR101689824 B1 KR 101689824B1 KR 1020140162436 A KR1020140162436 A KR 1020140162436A KR 20140162436 A KR20140162436 A KR 20140162436A KR 101689824 B1 KR101689824 B1 KR 101689824B1
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Abstract

모듈라 멀티 레벨 컨버터, 및 그 서브 모듈이 개시된다. 모듈라 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈은 제 1 양방향 스위치, 제 2 양방향 스위치, 커패시터, 제 1 단자, 제 2 단자, 및 제 3 양방향 스위치를 포함한다. 제 1 양방향 스위치, 및 제 2 양방향 스위치는 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된다. 커패시터는 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된다. 제 1 단자는 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결되고, 제 2 단자는 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 커패시터가 연결된 노드에 연결된다. 제 3 양방향 스위치는, 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 제 2 단자에서 제 1 단자로 직류 전류가 인가되는 경우 인가된 직류 전류의 경로 상에서 제 2 양방향 스위치와 반대 방향으로 연결된다.A modular multilevel converter, and its submodules, are disclosed. The submodule of the modular multilevel converter includes a first bidirectional switch, a second bidirectional switch, a capacitor, a first terminal, a second terminal, and a third bidirectional switch. The first bidirectional switch and the second bidirectional switch each include a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, and are connected in series in the same direction. The capacitors are connected in parallel across the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series. The first terminal is connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected and the second terminal is connected to the node to which the capacitor and the diode positive electrode included in the second bidirectional switch are connected. The third bidirectional switch includes a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element. When the direct current is applied from the second terminal to the first terminal, the third bidirectional switch is connected in the opposite direction to the second bidirectional switch on the path of the applied direct current do.

Description

모듈라 멀티레벨 컨버터 및 그 서브모듈{Modular Multilevel Converter and Submodule of the Converter}Modular Multilevel Converter < RTI ID = 0.0 > Submodule < / RTI &

본 발명은 전압형 초고압 직류 송전(HVDC) 시스템에 사용되는 모듈라 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모듈라 멀티레벨 컨버터, 및 그를 구성하는 모듈의 형태에 관한 것이다.The present invention relates to a modular multilevel converter used in a voltage type ultra high voltage direct current transmission (HVDC) system, and more particularly to a modular multilevel converter and the form of the module making up the modular multilevel converter.

초고압 직류 송전 기술은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 송전하는 기술이다. 전압을 변환하는 변전소를 컨버터 스테이션이라고 명칭하며, 컨버터 스테이션은 사용되는 전력용 반도체 소자의 종류와 에너지 저장원에 따라 전류형 초고압 직류 송전 시스템과 전압형 초고압 직류 송전 시스템, 그리고 이 두 가지의 혼합형인 하이브리드 초고압 직류 송전 시스템으로 분류된다. The ultra high voltage direct current transmission technology converts AC voltage into DC voltage and transmits it. The converter station is referred to as a converter station. The converter station is classified into a current type ultra high voltage direct current transmission system, a voltage type ultra high voltage direct current transmission system, and a hybrid type Hybrid high voltage direct current transmission system.

이 중 전압형 초고압 직류 송전 시스템의 컨버터 스테이션은 사용되는 토폴로지에 따라 2-레벨 컨버터 스테이션, 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터 스테이션, 모듈라 멀티레벨 컨버터 스테이션 등으로 분류된다. Among them, the converter station of the voltage type ultra high voltage DC transmission system is classified into a 2-level converter station, a 3-level Neutral Point Clamped (NPC) converter station and a modular multi-level converter station according to the topology used.

이 중 모듈라 멀티레벨 컨버터 스테이션이 다른 구조의 컨버터 스테이션에 비해 고조파가 적으므로 고조파 필터가 필요 없으며, 스위칭 저감 기법으로 인해 스위칭 손실을 적게 할 수 있으며, DC에 직접 연결된 커패시터를 가지고 있지 않고 서브 모듈 구조에 개별 커패시터를 가지고 있으므로 DC 단락 및 커패시터 고장시 대응이 용이하며, 수백 레벨 이상을 구현하여 고압화가 가능하며, 다단 계단형태로 정현파를 구성하므로 일반변압기를 사용할 수 있다는 장점들로 인해 널리 사용되고 있다. Among them, the modular multilevel converter station has fewer harmonics than the converter station of other structure, so it does not need harmonic filter, can reduce the switching loss due to the switching reduction technique, does not have a capacitor connected directly to DC, It is possible to cope with DC short circuit and capacitor failure. It can realize high voltage by implementing more than several hundred levels, and it is widely used because it can use a general transformer because it constitutes a sine wave in the form of a multi-stepped step.

도 1은 모듈라 멀티레벨 컨버터 스테이션을 갖는 전압형 초고압 직류 송전 시스템의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a voltage type ultra high voltage DC transmission system having a modular multi-level converter station.

그림에서, AC Grid #1, AC Grid #2는 교류 계통, Tr 1, Tr 2는 변압기, 검은색 네모 박스는 초기 충전 회로, CBA 1, CBA 2는 보조 차단기(Auxiliary Circuit Breaker), CBM 1, CBM 2는 주 차단기 (Main Ciircuit Breaker), RIC 1, RIC 2는 초기 충전 저항(Initial Charging Resistor), SM 1, ... , SM N는 암(Arm)을 구성하는 서브 모듈(Sub-Module) 1번 ~ N번을 각각 나타낸다.In the figure, AC Grid # 1 and AC Grid # 2 are AC system, Tr 1 and Tr 2 are transformer, black box is initial charging circuit, CBA 1 and CBA 2 are Auxiliary Circuit Breaker, CBM 1, CBM 2 is a main circuit breaker, RIC 1, RIC 2 is an initial charging resistor, SM 1,..., SM N are sub-modules constituting an arm, 1 to N, respectively.

일반적으로 모듈라 멀티레벨 컨버터 스테이션은 서브 모듈의 형태에 따라 크게 3가지로 분류된다. 도 2는 서브모듈(SM)이 해프 브릿지(Half Bridge) 형태를 갖는 구조, 도 3은 서브모듈(SM)이 풀 브릿지(Full Bridge) 형태를 갖는 구조, 도 4는 서브모듈(SM)이 클램프 더블(Clamp Double) 형태를 갖는 구조를 각각 나타낸다. In general, modular multi-level converter stations are classified into three types according to the type of submodule. Fig. 2 shows a structure in which the sub-module SM has a half-bridge shape. Fig. 3 shows a structure in which the sub-module SM has a full bridge. And a structure having a double (double) shape.

DC 측에 지락사고가 발생할 경우 모든 스위치가 All OFF가 되며 서브 모듈의 아래측 스위치(S12)에 역병렬로 연결된 다이오드(D12)에 큰 단락전류가 흐르기 때문에, 도 2에서 싸이리스터(T1)는 다이오드를 보호하기 위해 아래측 스위치와 병렬로 연결되는 형태를 가진다. 즉 DC 단락시 싸이리스터를 턴-온 시켜 대부분의 단락전류가 싸이리스터를 통해 흐르게 하여 스위치를 보호하게 된다. When a ground fault occurs on the DC side, all the switches are turned OFF and a large short-circuit current flows in the diode D 12 connected in anti-parallel to the lower switch S 12 of the sub-module. 1 ) is connected in parallel with the lower switch to protect the diode. In other words, in the event of a DC short, the thyristor is turned on to allow most short-circuit currents to flow through the thyristor to protect the switch.

도 5는 DC 계통에 단락이 발생했을 경우 입력전압의 부호가 ++-일 경우에 단락전류의 흐름(적색화살표 방향)을 나타내었다. 도 2와 같은 구조를 갖는 서브 모듈을 사용하면 DC 단락이 발생할 경우 차단 속도가 수십ms 정도로 느린 일반 AC 차단기가 계통을 차단시킬 때까지 모든 스위치는 턴-오프 하고, 모든 싸이리스터는 턴-온 시켜야 한다. FIG. 5 shows the flow of short-circuit current (red arrow direction) when the sign of the input voltage is ++ - when a short circuit occurs in the DC system. Using a submodule having the structure as shown in FIG. 2, when a DC short occurs, all the switches are turned off until a general AC circuit breaker whose blocking rate is as low as several tens ms blocks the system, and all thyristors are turned on do.

즉 DC 단락으로 트립이 발생할 경우 AC 계통을 분리하기 때문에 재기동을 하기 위해 많은 시간이 소요되며 단락전류를 감당하기 위해 리액터 용량과 싸이리스터 용량을 같이 고려해야 하는 등의 단점을 가지는 반면 구조가 제일 간단하며 정상운전 시에 도통 손실이 가장 적다는 장점을 가진다. In other words, if a trip occurs due to a DC short, AC system is disconnected. Therefore, it takes much time to restart, and the reactor capacity and thyristor capacity must be considered in order to cope with short-circuit current. And has the advantage that the conduction loss is the smallest during normal operation.

정전의 파급효과를 차단하는 등의 계통의 신뢰성이 중요한 분야에 있어서는 해프 브릿지 구조를 갖는 서브모듈의 경우 적용하기 어려운 특성을 가지게 되어 풀 브릿지와 클램프 더블 구조를 갖는 서브 모듈이 적용된 MMC가 등장되었다. In the field where the reliability of the system is important, such as the interruption of power ripple effect, it is difficult to apply to the submodule having the half bridge structure. Thus, the MMC with the submodule having the full bridge and the clamp double structure has appeared.

풀 브릿지와 클램프 더블 구조의 서브 모듈 모두 DC 계통의 단락시 AC 차단기의 턴-오프가 필요하지 않으므로 AC 계통을 분리하지 않고 재기동을 위한 준비를 빠르게 할 수 있는 장점을 가지지만 사용되는 소자가 더 많이 요구되며 온 상태 도통 손실이 증가하는 단점을 가진다. Both the full bridge and the double-clamped submodules have the advantage of not having to turn off the AC circuit breaker in the event of a short circuit in the DC system, thus making it possible to quickly prepare for restart without disconnecting the AC system. And the on-state conduction loss is increased.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 풀-브릿지와 클램프 더블 구조와 동일한 AC/DC 차단능력을 가지면서 기존 구조보다 서브모듈을 구성하는 소자수를 줄이고 도통 손실을 줄인 새로운 서브모듈의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made in order to solve the conventional problems described above, and it is an object of the present invention to reduce the number of elements constituting sub- And to provide a new submodule structure that is reduced in size.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 모듈라 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈은 제 1 양방향 스위치, 제 2 양방향 스위치, 커패시터, 제 1 단자, 제 2 단자, 및 제 3 양방향 스위치를 포함한다.In order to achieve the above object, a submodule of a modular multilevel converter according to the present invention includes a first bidirectional switch, a second bidirectional switch, a capacitor, a first terminal, a second terminal, and a third bidirectional switch.

제 1 양방향 스위치, 및 제 2 양방향 스위치는 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된다. 커패시터는 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된다. 제 1 단자는 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결되고, 제 2 단자는 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 커패시터가 연결된 노드에 연결된다. 제 3 양방향 스위치는, 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 제 2 단자에서 제 1 단자로 직류 전류가 인가되는 경우 인가된 직류 전류의 경로 상에서 제 2 양방향 스위치와 반대 방향으로 연결된다.The first bidirectional switch and the second bidirectional switch each include a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, and are connected in series in the same direction. The capacitors are connected in parallel across the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series. The first terminal is connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected and the second terminal is connected to the node to which the capacitor and the diode positive electrode included in the second bidirectional switch are connected. The third bidirectional switch includes a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element. When the direct current is applied from the second terminal to the first terminal, the third bidirectional switch is connected in the opposite direction to the second bidirectional switch on the path of the applied direct current do.

이때, 제 3 양방향 스위치는 포함된 다이오드의 양극이 제 2 양방향 스위치와 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결될 수 있다.At this time, the third bidirectional switch may be connected to the node where the anode of the included diode is connected to the second bidirectional switch and the capacitor.

또한, 제 3 양방향 스위치는 포함된 다이오드의 음극이 제 1 양방향 스위치와 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결될 수 있다.Also, the third bidirectional switch may be connected to a node where the cathode of the included diode is connected to the first bidirectional switch and the two bidirectional switches.

또한, 본 발명에 일 태양에 따른 모듈라 멀티 레벨 컨버터는, 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치, 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터, 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자, 및 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자, 및 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며 제 2 단자에서 제 1 단자로 직류 전류가 인가되는 경우 인가된 직류 전류의 경로 상에서 제 2 양방향 스위치와 반대 방향으로 연결된 제 3 양방향 스위치를 포함하는 서브 모듈을 포함한다.Further, a modular multi-level converter according to an aspect of the present invention includes: a first bidirectional switch and a second bidirectional switch, each of which includes a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, A first terminal connected to a node to which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected, and a second terminal connected to a node to which the capacitor is connected and a diode anode included in the second bidirectional switch, And a third bidirectional switch including a diode connected in parallel to the switching element and the switching element and connected in the opposite direction to the second bidirectional switch on the path of the applied direct current when the direct current is applied from the second terminal to the first terminal, And a submodule that includes the submodule.

또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따른 모듈라 멀티 레벨 컨버터는, 해프 브릿지 서브 모듈부, 및 양방향 스위치부를 포함한다. 해프 브릿지 서브 모듈부는, 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치, 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터, 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자, 및 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자를 포함하는 복수의 서브 모듈이 직렬 연결되며, 양방향 스위치부는, 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하는 제 3 양방향 스위치를 포함하며, 해프 브릿지 서브 모듈부에 직류 전류가 인가되는 경우 인가된 직류 전류의 경로 상에서 제 3 방향 스위치가 제 2 양방향 스위치와 반대 방향으로 연결되도록 해프 브릿지 서브 모듈부와 연결된다.Further, a modular multi-level converter according to another aspect of the present invention includes a half bridge submodule portion, and a bi-directional switch portion. The half bridge submodule unit includes a first bidirectional switch and a second bidirectional switch, a first bidirectional switch connected in series and a second bidirectional switch connected in series in parallel in the same direction, respectively, parallel to the switching device and the switching device respectively A plurality of submodules including a connected capacitor, a first terminal connected to a node to which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected, and a second terminal connected to a node to which a capacitor is connected and a diode anode included in the second bidirectional switch, And the bidirectional switch unit includes a third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, and when the direct current is applied to the half bridge submodule unit, The switch is connected in the opposite direction to the second bi-directional switch And the bridge bridge sub-module unit.

이때, 양방향 스위치부는 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 제 3 양방향 스위치를 포함할 수 있다.At this time, the bidirectional switch unit may include a plurality of third bidirectional switches connected in series in the same direction.

또한, 제 3 양방향 스위치는 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 다이오드와 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 스위칭 소자가 서로 역병렬 연결된 것일 수 있다.In addition, the third bidirectional switch may have a plurality of diodes connected in series in the same direction and a plurality of switching elements connected in series in the same direction, which are connected in reverse parallel to each other.

본 발명에 의하면, 기존의 풀-브릿지와 클램프 더블 구조와 동일한 AC/DC 차단능력을 가지면서 기존 구조보다 서브모듈을 구성하는 소자수를 줄일 수 있어 하드웨어 비용을 절감할 수 있으며 또한 도통손실을 줄일 수 있으므로 효율을 향상시킬 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to reduce the number of elements constituting the submodule compared with the existing structure while having the same AC / DC blocking capability as the conventional full-bridge and clamp double structure, thereby reducing hardware cost and reducing conduction loss So that the efficiency can be improved.

도 1은 모듈라 멀티레벨 컨버터 스테이션을 갖는 전압형 초고압 직류 송전 시스템의 회로.
도 2는 HBSM(Half Bridge Sub-Module) 구조도.
도 3은 FBSM(Full Bridge Sub-Module) 구조도.
도 4는 CDSM(Clamp Double Sub-Module) 구조도.
도 5는 HBSM(Half Bridge Sub-Module) 구조의 MMC에서 DC 단락시 단락전류 흐름을 도시한 도면.
도 6은 T-Bridge Sub-Module 구조를 도시한 도면.
도 7은 한 Arm에 대한 T-Bridge 1을 도시한 도면.
도 8은 한 Arm에 대한 T-Bridge 2를 도시한 도면.
도 9는 도 8의 T-Bridge 2에서 SX3 스위치를 모두 모아 놓은 회로(T-Bridge 3)를 나타낸 도면으로서, 도 9a 내지 9c는 각각 한 Arm에 대한 T-Bridge 3 구조들을 도시한 도면.
도 10은 Arm 당 서브모듈의 수를 N 이라 할 때 각 서브모듈에 필요한 소자를 비교한 표.
도 11은 서브모듈 구조에 따른 AC/DC 차단 능력과 손실 특성을 비교한 표.
도 12는 T-Bridge 2 구조의 MMC에서 DC 단락시 단락전류의 차단 경로 예를 도시한 도면.
도 13은 도 1의 MMC I에서 Arm 당 서브모듈을 8개로 하였으며 DC-링크에 평활용 인덕턴스와 저항을 추가한 경우에서의 시뮬레이션 조건을 나타낸 표.
도 14는 N=8인 T-Bridge 1 구조에서 DC 단락시 파형을 나타낸 그래프.
도 15와 16은 N=8인 T-Bridge 1 구조에서 각각 Upper Arm과 Lower Arm에서의 파형을 나타낸 그래프.
도 17, 도 18 그리고, 도 19는 각각 N=8인 T-Bridge 2 구조에서 DC 단락에 대한 시뮬레이션을 동일하게 수행한 결과를 나타낸 그래프.
1 is a circuit diagram of a voltage type ultra high voltage DC transmission system having a modular multi-level converter station.
2 is a half-bridge sub-module (HBSM) structure diagram;
3 is a FBSM (Full Bridge Sub-Module) structure diagram.
4 is a schematic diagram of a CDSM (Clamp Double Sub-Module).
FIG. 5 is a diagram showing a short-circuit current flow in a DC short circuit in an MMC having a Half Bridge Sub-Module (HBSM) structure; FIG.
6 illustrates a T-Bridge sub-module structure;
7 shows a T-Bridge 1 for one arm.
8 shows a T-Bridge 2 for one arm.
FIG. 9 is a diagram showing a circuit (T-Bridge 3) in which all S X3 switches are integrated in T-Bridge 2 of FIG. 8, and FIGS. 9A to 9C are views showing T-Bridge 3 structures for one arm.
10 is a table comparing the devices required for each submodule when the number of submodules per arm is N. FIG.
11 is a table comparing AC / DC blocking capability and loss characteristics according to the submodule structure.
12 is a diagram showing an example of a cut-off path of a short-circuit current during DC short-circuit in an MMC having a T-Bridge 2 structure;
FIG. 13 is a table showing the simulation conditions in a case where 8 submodules are provided per arm in MMC I of FIG. 1, and a smoothing inductance and a resistance are added to the DC-link.
14 is a graph showing a waveform at the time of DC shorting in the structure of T-Bridge 1 with N = 8;
15 and 16 are graphs showing the waveforms of the upper arm and the lower arm in the T-Bridge 1 structure with N = 8, respectively.
FIGS. 17, 18, and 19 are graphs showing the results of simulations of the DC short circuit in the T-Bridge 2 structure with N = 8, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 6a, 및 6b는 본 발명에서 고안한 T-Bridge Sub-Module(100) 구조에 대한 두 가지 형태를 나타낸 도면이다. 두 가지 모듈 형태는 도 1에서처럼 캐스캐이드(Cascade) 형태로 연결되면 서로 동일한 특성을 갖게 된다.FIGS. 6A and 6B are views showing two types of structures of the T-Bridge sub-module 100 devised in the present invention. The two module types have the same characteristics when connected in a cascade form as shown in FIG.

T-Bridge Sub-Module(100)은 제 1 양방향 스위치(110), 제 2 양방향 스위치(120), 커패시터(130), 제 1 단자(140), 제 2 단자(150), 및 제 3 양방향 스위치(160)를 포함한다. The T-Bridge sub-module 100 includes a first bidirectional switch 110, a second bidirectional switch 120, a capacitor 130, a first terminal 140, a second terminal 150, (160).

제 1 양방향 스위치(110), 및 제 2 양방향 스위치(120)는 스위칭 소자(S11, S12) 및 스위칭 소자(S11, S12)와 역병렬 연결된 다이오드(D11, D12)를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된다. A first two-way switch 110, and a second two-way switch 120 comprises a switching device (S 11, S12) and switching elements (S 11, S 12) and a diode (D 11, D 12) anti-parallel connected to each And are connected in series in the same direction.

스위치 S11 과 S12 는 기존과 동일하게 상보적인 온-오프 동작을 수행한다. S13 은 정상상태시에는 항상 턴-온을 유지하며 DC 단락을 포함하여 이상 상태가 발생시 턴-오프 된다. The switches S 11 and S 12 perform a complementary on-off operation as in the conventional case. S 13 maintains the turn-on state at all times in the normal state and turns off at the occurrence of the abnormal state including the DC short circuit.

커패시터(130)는 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치(110) 및 제 2 양방향 스위치(120) 전체에 병렬 연결된다.The capacitor 130 is connected in parallel to the first bidirectional switch 110 and the second bidirectional switch 120 connected in series.

제 1 단자(140)는 제 1 양방향 스위치(110)와 제 2 양방향 스위치(120)가 연결된 노드에 연결되고, 제 2 단자(150)는 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드(D12) 양극과 커패시터(130)가 연결된 노드에 연결된다. The first terminal 140 is connected to the node to which the first bidirectional switch 110 and the second bidirectional switch 120 are connected and the second terminal 150 is connected to the anode of the diode D 12 included in the second bidirectional switch The capacitor 130 is connected to the node to which it is connected.

제 3 양방향 스위치(160)는, 스위칭 소자(S13) 및 스위칭 소자(S13)와 역병렬 연결된 다이오드(D13)를 포함하며, 제 2 단자(150)에서 제 1 단자(140)로 직류 전류가 인가되는 경우 인가된 직류 전류의 경로 상에서 제 2 양방향 스위치(120)와 반대 방향으로 연결된다.The third bidirectional switch 160 includes a diode D 13 connected in parallel to the switching element S 13 and the switching element S 13 and is connected in series to the first terminal 140 via a direct current Directional switch 120 on the path of the applied direct current when the current is applied.

도 7은 T-Bridge Sub-Module 구조(100)를 N개 사용하여 한 Arm을 구성한 회로(T-Bridge 1)를 나타내고, 도 8은 T-Bridge Sub-Module 구조(100)를 N/2개 사용하고 순수한 Half-Bridge Sub-Module 구조를 N/2개 사용하여 한 Arm을 구성한 회로(T-Bridge 2)를 나타낸다. FIG. 7 shows a circuit (T-Bridge 1) in which one arm is formed by using N T-bridge sub-module structures 100, FIG. 8 shows N / 2 (T-Bridge 2) which consists of one arm using N / 2 of a pure half-bridge sub-module structure.

일반적으로 AC 피크 전압크기의 2배 정도를 DC 전체 전압으로 사용하기 때문에 TBSM와 HBSM의 개수가 N/2개를 갖지만, 정확한 TBSM와 HBSM의 개수는 DC 단락시 구성되는 AC 전원과 TBSM의 회로로부터 계산된다. 즉 AC 전압의 최대 피크 크기를 블록킹하기 위해 TBSM에서 스위치 SX3 가 몇 개 필요한지의 관계로부터 얻을 수 있다.Generally, the number of TBSM and HBSM is N / 2 because twice the AC peak voltage is used as DC total voltage. However, the number of correct TBSM and HBSM is different from AC power and TBSM circuit . That is, how many switches S X3 are needed in the TBSM to block the maximum peak size of the AC voltage.

도 9a 내지 9c는 도 8의 T-Bridge 2에서 SX3 스위치를 모두 모아 놓은 회로(T-Bridge 3)를 나타낸다. T-Bridge 3 회로는 해프 브릿지 서브 모듈부(200), 및 양방향 스위치부(300)를 포함한다.9A to 9C show a circuit (T-Bridge 3) in which all of the switches S X3 in the T-Bridge 2 of FIG. 8 are collected. The T-Bridge 3 circuit includes a half bridge submodule unit 200, and a bidirectional switch unit 300.

다시 말해, T-Bridge 3의 경우 도 9a와 같이 순수한 Half-Bridge Sub-Module 구조의 해프 브릿지 서브 모듈부(200)와 반대 방향으로 위치한 스위치들의 집합인 양방향 스위치부(300)로 구성되는 구조, 도 9b와 같이 다이오드와 IGBT를 분리하여 직렬연결하는 양방향 스위치부(300)의 구조, 및 도 9c와 같이 하나의 양방향 스위치(300)로 구성된 양방향 스위치부(300)의 구조가 가능하다. In other words, in the case of the T-Bridge 3, the structure is composed of a bidirectional switch unit 300, which is a set of switches located in a direction opposite to the half bridge submodule unit 200 of a pure Half-Bridge sub- As shown in FIG. 9B, the structure of the bidirectional switch unit 300 in which the diode and the IGBT are separated and connected in series and the structure of the bidirectional switch unit 300 composed of one bidirectional switch 300 as shown in FIG. 9C are possible.

여기서 스위치들은 IGBT로만 국한된 것이 아니라 턴-오프가 가능한 모든 제어 가능한 스위치를 의미한다. 한 예로 IGBT 보다 도통손실이 적은 IGCT, GTO 등의 스위치들로 구성할 경우 온 상태 도통손실을 더욱 줄일 수 있다. 도 9c의 네모박스를 구성하는 스위치는 전력용반도체 소자로 구성된 암 스위치(Arm Switch)의 역할을 하게 된다.Here, the switches are not limited to IGBTs but all controllable switches that can be turned off. For example, when the IGCT or GTO switch has less conduction loss than the IGBT, on-state conduction loss can be further reduced. The switch constituting the square box of FIG. 9C serves as an arm switch composed of power semiconductor elements.

도 10은 암(Arm) 당 서브모듈의 수를 N 이라 할 때 각 서브모듈에 필요한 소자를 비교한 표이다. 표에서 Full-Bridge 1은 모든 서브모듈을 Full-Bridge 구조로 구성한 형태를 나타내며, Full-Bridge 2는 전체 서브모듈의 반은 Full-Bridge 구조로, 나머지 반은 Half-Bridge 구조로 구성한 형태를 나타낸다. FIG. 10 is a table comparing elements required for each submodule when the number of submodules per arm is N. FIG. In the table, Full-Bridge 1 represents a form in which all submodules are configured in a full-bridge structure, and Full-Bridge 2 represents a half-bridge structure in which half of all submodules are constituted by a half-bridge structure .

본 발명에 따라 고안한 T-Bridge 2가 가장 적은 소자들로 구성할 수 있음을 나타내지만, T-Bridge 3 구조를 사용하게 되면 사용되는 소자의 전압 정격에 따라 T-Bridge 2보다 더욱 적은 소자를 갖게 할 수도 있다.Although T-Bridge 2 devised in accordance with the present invention shows that it can be configured with the fewest elements, using the T-Bridge 3 structure requires fewer elements than the T-Bridge 2 depending on the voltage rating of the device used You can also have it.

도 11은 서브모듈 구조에 따른 AC/DC 차단 능력과 손실 특성을 비교한 표를 나타낸다. AC/DC 차단 능력을 가진 구조 중에서 T-Bridge 3 구조를 사용할 경우 가장 도통손실이 작은 특성을 갖게 됨을 나타낸다. 11 shows a table comparing AC / DC blocking capability and loss characteristics according to the submodule structure. It is shown that the T-Bridge 3 structure has the smallest conduction loss among AC / DC blocking capacitors.

도 12는 T-Bridge 2 구조에서 DC 단락시 DC 전류가 차단되는 하나의 예를 나타낸 회로이다. DC 단락시 모든 스위치들은 All OFF 되며 이로 인해 SX3 스위치로 전류가 흐를 수 없으며 또한 역병렬로 연결된 DX3 다이오드도 역 바이어스가 되어 전류가 흐를 수 없게 된다. 이로부터 AC/DC 차단 능력을 가짐을 알 수 있다. 12 is a circuit diagram showing an example in which the DC current is cut off during a DC short circuit in the T-Bridge 2 structure. When DC is shorted, all switches are all OFF, which means that current can not flow to S X3 switch and D X3 diode connected in anti-parallel is also reverse biased and current can not flow. From this it can be seen that it has AC / DC blocking capability.

본 발명의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며, 도 13은 시뮬레이션 조건을 나타내었다. 시뮬레이션 회로는 도 1의 MMC I에서 암(Arm) 당 서브모듈을 8개로 하였으며 DC-링크에 평활용 인덕턴스와 저항을 추가하였다. 정상동작 중에 0.5초에 DC 단락을 발생시켰다. In order to verify the feasibility of the present invention, a simulation was performed. FIG. 13 shows simulation conditions. The simulation circuit has 8 submodules per arm in MMC I of FIG. 1 and adds a smoothing inductance and a resistor to the DC-link. A DC short was generated in 0.5 seconds during normal operation.

도 14는 N=8인 T-Bridge 1 구조에서 DC 단락시 파형을 나타낸 그래프로서, 도 14에서 0.5초에 DC 단락이 발생되어 DC-링크 전류가 증가되어 제한값에 도달하게 되면 제어기가 폴트를 감지하여 모든 스위치를 All OFF 시키게 되며 이때 DC 전류와 AC 전류가 영으로 감소하여 차단되고 있음을 나타낸다.FIG. 14 is a graph showing a waveform at the DC short circuit in the T-Bridge 1 structure with N = 8. In FIG. 14, when a short circuit occurs in 0.5 second and the DC link current is increased to reach the limit value, All of the switches are turned off. At this time, the DC current and the AC current are reduced to zero to indicate that they are shut off.

도 15와 16은 N=8인 T-Bridge 1 구조에서 각각 Upper Arm과 Lower Arm에서의 파형을 나타낸다. 추가된 IGBT 8개의 양단간 전압(VCE, 컬렉터와 이미터전압)과 상단과 하단의 서브모듈 8개의 양단간 전압을 나타낸 파형으로 모두 정상상태시의 2500V보다 작은 전압이 분배되면서 안정적으로 전압을 차단하고 있음을 나타낸다.15 and 16 show the waveforms of the upper arm and the lower arm in the T-Bridge 1 structure with N = 8, respectively. The voltage across the eight IGBTs (V CE , collector and emitter voltage) and the voltage across both ends of the upper and lower submodules are distributed to a voltage less than 2500 V at steady state, .

도 17, 도 18 그리고 그림 19는 N=8인 T-Bridge 2 구조에서 DC 단락에 대한 시뮬레이션을 동일하게 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. T-Bridge 서브모듈 수가 반으로 줄어도 정상상태시의 2500V보다 작은 전압이 분배되면서 안정적으로 전압을 차단하고 있음을 확인할 수 있다.
FIGS. 17, 18 and 19 are graphs showing the results of simulation of the DC short circuit in the T-Bridge 2 structure with N = 8. Even if the number of T-Bridge submodules is reduced by half, it can be confirmed that the voltage is less than 2500V at the steady state and the voltage is cut off stably.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
Although the present invention has been described in terms of some preferred embodiments, the scope of the present invention should not be limited thereby but should be modified and improved in accordance with the above-described embodiments.

100: T-Bridge Sub-Module
110: 제 1 양방향 스위치
120: 제 2 양방향 스위치
130: 커패시터
140: 제 1 단자
150: 제 2 단자
160: 제 3 양방향 스위치
200: 해프 브릿지 서브 모듈부
300: 양방향 스위치부
100: T-Bridge Sub-Module
110: first bidirectional switch
120: second bi-directional switch
130: Capacitor
140: first terminal
150: second terminal
160: Third bidirectional switch
200: Half bridge submodule part
300: bidirectional switch section

Claims (11)

삭제delete 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치;
상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터;
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 포함된 다이오드의 양극이 상기 제 2 양방향 스위치와 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 3 양방향 스위치;
상기 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자; 및
상기 제 3 양방향 스위치에 포함된 다이오드 음극에 연결된 제 2 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch each including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch being connected in series in the same direction;
A capacitor connected in parallel to the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series;
A third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, the anode of the diode included being connected to a node to which the second bidirectional switch and the capacitor are connected;
A first terminal connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected; And
And a second terminal connected to the diode cathode included in the third bidirectional switch.
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치;
상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터;
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 포함된 다이오드 음극이 상기 제 1 양방향 스위치와 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 3 양방향 스위치;
상기 제 3 양방향 스위치의 다이오드 양극에 연결된 제 1 단자; 및
상기 제 2 양방향 스위치와 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch each including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch being connected in series in the same direction;
A capacitor connected in parallel to the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series;
A third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, wherein the diode cathode is connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected;
A first terminal coupled to the diode anode of the third bidirectional switch; And
And a second terminal connected to a node to which the second bidirectional switch and the capacitor are connected.
삭제delete 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치;
상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터;
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 포함된 다이오드의 양극이 상기 제 2 양방향 스위치와 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 3 양방향 스위치;
상기 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자; 및
상기 제 3 양방향 스위치의 다이오드 음극에 연결된 제 2 단자를 포함하는 서브 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch each including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch being connected in series in the same direction;
A capacitor connected in parallel to the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series;
A third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, the anode of the diode included being connected to a node to which the second bidirectional switch and the capacitor are connected;
A first terminal connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected; And
And a second terminal coupled to the diode cathode of the third bidirectional switch.
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치;
상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터;
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하며, 포함된 다이오드 음극이 상기 제 1 양방향 스위치와 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 3 양방향 스위치;
상기 제 3 양방향 스위치의 다이오드 양극에 연결된 제 1 단자; 및
상기 제 2 양방향 스위치와 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자를 포함하는 서브 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch each including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch being connected in series in the same direction;
A capacitor connected in parallel to the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series;
A third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel to the switching element, wherein the diode cathode is connected to a node to which the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are connected;
A first terminal coupled to the diode anode of the third bidirectional switch; And
And a second terminal coupled to the second bidirectional switch and a node to which the capacitor is connected.
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치, 상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터, 상기 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자, 및 상기 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자를 포함하는 복수의 서브 모듈이 직렬 연결된 해프 브릿지 서브 모듈부; 및
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하는 제 3 양방향 스위치를 포함하며 상기 해프 브릿지 서브 모듈부와 직렬 연결된 양방향 스위치부를 포함하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터로서,
상기 양방향 스위치부는, 상기 제 3 양방향 스위치의 다이오드 음극이 상기 복수의 서브 모듈 중 하나의 제 1 단자와 연결되도록 상기 해프 브릿지 서브 모듈부와 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch respectively connected in series in the same direction, a capacitor connected in parallel to all of the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series, and a diode connected in parallel with the switching element and the switching element, A plurality of submodules including a first terminal connected to a node to which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected and a second terminal connected to a node to which the capacitor is connected and a diode anode included in the second bidirectional switch are connected in series A half bridge submodule portion; And
A modular multilevel converter including a third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, and a bidirectional switch portion connected in series with the harbridge submodule portion,
Wherein the bidirectional switch unit is connected to the harp bridge sub-module unit such that a diode cathode of the third bidirectional switch is connected to a first terminal of one of the plurality of submodules.
제 7항에 있어서,
상기 양방향 스위치부는 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 상기 제 3 양방향 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
8. The method of claim 7,
Wherein the bidirectional switch unit includes a plurality of third bidirectional switches connected in series in the same direction.
제 7항에 있어서,
상기 제 3 양방향 스위치는 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 다이오드와 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 스위칭 소자가 서로 역병렬 연결된 것인 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
8. The method of claim 7,
Wherein the third bidirectional switch has a plurality of diodes connected in series in the same direction and a plurality of switching elements connected in series in the same direction are connected in reverse parallel to each other.
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 각각 포함하고, 동일한 방향으로 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치, 상기 직렬 연결된 제 1 양방향 스위치 및 제 2 양방향 스위치 전체에 병렬 연결된 커패시터, 상기 제 1 양방향 스위치와 제 2 양방향 스위치가 연결된 노드에 연결된 제 1 단자, 및 상기 제 2 양방향 스위치에 포함된 다이오드 양극과 상기 커패시터가 연결된 노드에 연결된 제 2 단자를 포함하는 복수의 서브 모듈이 직렬 연결된 해프 브릿지 서브 모듈부; 및
스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 역병렬 연결된 다이오드를 포함하는 제 3 양방향 스위치를 포함하며 상기 해프 브릿지 서브 모듈부와 직렬 연결된 양방향 스위치부를 포함하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터로서,
상기 양방향 스위치부는, 상기 제 3 양방향 스위치의 다이오드 양극이 상기 복수의 서브 모듈 중 하나의 제 2 단자와 연결되도록 상기 해프 브릿지 서브 모듈부와 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
A first bidirectional switch and a second bidirectional switch respectively connected in series in the same direction, a capacitor connected in parallel to all of the first bidirectional switch and the second bidirectional switch connected in series, and a diode connected in parallel with the switching element and the switching element, A plurality of submodules including a first terminal connected to a node to which a first bidirectional switch and a second bidirectional switch are connected and a second terminal connected to a node to which the capacitor is connected and a diode anode included in the second bidirectional switch are connected in series A half bridge submodule portion; And
A modular multilevel converter including a third bidirectional switch including a switching element and a diode connected in anti-parallel with the switching element, and a bidirectional switch portion connected in series with the harbridge submodule portion,
Wherein the bidirectional switch unit is connected to the harp bridge sub-module unit such that a diode anode of the third bidirectional switch is connected to a second terminal of one of the plurality of submodules.
제 10항에 있어서,
상기 제 3 양방향 스위치는 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 다이오드와 동일 방향으로 직렬 연결된 복수의 스위칭 소자가 서로 역병렬 연결된 것인 것을 특징으로 하는 모듈라 멀티 레벨 컨버터.
11. The method of claim 10,
Wherein the third bidirectional switch has a plurality of diodes connected in series in the same direction and a plurality of switching elements connected in series in the same direction are connected in reverse parallel to each other.
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