컨버터의 바이패스 스위치 장치

컨버터의 바이패스 스위치 장치{BYPASS SWITCH APPARATUS FOR CONVERTER}

본 발명은 컨버터의 바이패스 스위치 장치에 관한 것으로서, 특히 다수의 서브모듈(sub-module)이 직렬로 연결된 컨버터에서 특정 서브모듈의 고장발생시 상전류를 그 고장난 서브모듈로부터 바이패스시켜 나머지 정상 서브모듈만으로 컨버터의 정상동작이 가능하도록 하는 컨버터의 바이패스 스위치 장치에 관한 것이다.

고전압 직류 송전용 컨버터의 경우 교류전압와 직류전류의 상호 변환을 위해 턴오프(turn-off) 제어가능한 전력용 반도체가 사용된다. 전력용 반도체의 내압이 한정되어 있으므로 고전압 처리를 위해서는 전력용 반도체 회로를 갖는 다수의 반도체 모듈이 직렬로 연결되어야 한다.

공지의 모듈라 멀티레벨 컨버터(MMC: Modular Multilevel Converter)는 주지된 바와 같이 전력용 반도체 회로가 2개의 출력단자를 형성하는 다수의 서브모듈을 포함하고 이들 다수의 서브모듈은 서로 직렬로 연결된다. 이러한 서브모듈은 예컨대 에너지저장부와, 다수의 전력용반도체스위치 및 환류다이오드로 이루어진 파워반도체회로를 포함할 수 있다. 이들 각각의 서브모듈에는 두 개의 접속단자가 형성된다.

이러한 MMC 컨버터에서는 특정 서브모듈에 고장발생시 그 고장난 서브모듈은 단락이 된다. 이러한 단락에 의해 두 개의 접속단자가 서로 연결됨으로써 상전류를 고장난 서브모듈로부터 바이패스시켜 다른 정상의 서브모듈에 의해 상모듈이 정상동작되도록 한다. 서브모듈의 단락을 위한 단락장치로서 두 접속단자를 연결시키기 위한 바이패스 스위치 장치가 구비된다. 이러한 바이패스 스위치 장치는 고장발생시 수 ㎳ 이내에 동작되도록 제어된다. 이로써 정상적인 운전에서는 서브모듈의 전력용반도체회로를 통해 정상적인 전류가 통전되지만 특정 서브모듈의 고장시 그 고장난 서브모듈은 바이패스 스위치 장치에 의해 단락되어 상전류가 바이패스 스위치 장치를 통해 바이패스되도록 함으로써 상모듈을 보호하게 된다.

도 1은 이러한 종래의 컨버터 바이패스 스위치 장치에 대한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 컨버터 바이패스 스위치 장치(10)는 밀봉한 용기에 의해 내부가 진공 상태로 유지되는 진공관(11)을 포함한다. 이러한 진공관(11)에는 고정로드(12a)에 고정접촉자(13)가 부설되고 가동로드(12b)에 가동접촉자(14)가 부설된다. 또한 고정로드(12a)와 가동로드(12b)에는 서브모듈의 제1출력단자 및 제2출력단자가 각각 연결된다. 따라서, 고정접촉자(13)와 가동접촉자(14)의 접촉 및 분리에 의해 제1출력단자 및 제2출력단자가 연결 및 분리되고 이로써 해당 서브모듈의 단락 및 그 해제가 실행되도록 한다. 진공관(11)의 내/외부 간의 압력차에 의해 가동로드(12b)에 유지력(21)이 발생하여 가동접촉자(14)를 고정접촉자(13) 방향으로 움직이게 한다. 이러한 유지력(21)은 내부 금속벨로우즈(22)의 스프링 작용과 진공관(11)의 내/외부 간 기압차에 의해 지원된다. 유지력(21)에 의해 가동접촉자(14)가 고정접촉자(13)에 접촉됨으로써 서브모듈이 단락되는 것이다. 이에 이와 같은 단락을 해제하기 위해서는 유지력(21)에 반대방향으로 작용하는 힘(23)이 필요하다. 이러한 반대의 힘(23)은 후단의 제어장치(30)에 의해 지원된다.

동작과정을 살펴보면, 가동접촉볼트(12b)는 제어장치(30)의 코어접촉자(16)에 연결되고 코어접촉자(16)와 연자성 코어(17) 간에는 일정한 간격(19)이 존재한다. 정상운전시에는 코어(17)에 권선된 코일(18)에 전원이 인가되어 코어(17)가 전자석으로 작용하여 코어접촉자(16)을 끌어당기고 코어접촉자(17)에 연결된 가동접촉볼트(12b)가 연동하여 고정접촉자(13)과 가동접촉자(14)는 떨어지게 된다. 이로써 고정접촉자(13)과 가동접촉자(14) 사이에는 공극(15)이 발생되어 단락해제가 된다. 고장발생시에는 코일(18)로의 전원공급을 차단하여 상술한 유지력(21)에 의해 고정접촉자(13)와 가동접촉자(14)는 다시 접촉되어 단락을 형성하도록 한다.

그런데, 이러한 종래의 스위치장치의 경우 정상운전시에는 진공관(11)에서의 단락해제를 위해 코일(18)에 계속 전원을 공급해야 하므로 전력손실을 발생시키는 문제점이 있다. 또한, 컨버터가 정전상태일 경우에는 코일(18)에 전원을 공급할 수가 없고, 이 경우 고정접촉자(13)와 가동접촉자(14)의 단락해제가 불가능하며 이로써 컨버터에 전원을 인가하여 동작시킬 방법이 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 서브모듈의 단락을 위해 제공되며 전력의 손실을 최소화할 수 있는 컨버터의 바이패스 스위치 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 컨버터에서 고장난 서브모듈을 단락시키는 경우 단락을 위한 동작시에만 전원이 인가되고 정전상태에서 단락해제 상태를 유지할 수 있도록 하는 컨버터의 바이패스 스위치 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 서브모듈의 고장시 빠른 속도로 그 고장난 서브모듈을 단락시키고 이러한 서브모듈의 단락형성 및 단락해제의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 컨버터 바이패스 스위치 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 위한 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치는,

다수의 서브모듈이 직렬연결된 컨버터의 바이패스 스위치 장치에 있어서, 길이방향으로 전후진 가능한 가동철심; 상기 가동철심의 일단에서 연장되며 상기 가동철심의 전후진 이동에 따라 상기 서브모듈의 단락 및 단락해제를 결정하는 가동로드; 상기 길이방향에 일정한 각도로 상기 가동철심에 결합된 금속부재; 상기 가동철심의 둘레로 권선된 가동코일; 상기 가동코일에 인접하여 고정된 영구자석; 및 일단이 고정되고 타단이 상기 금속부재에 연결된 탄성부재를 포함한다.

본 발명에서, 상기 서브모듈의 정상운전시에는 상기 가동철심이 후진된 상태로 유지됨으로써 상기 금속부재가 상기 고정된 영구자석에 접촉된 상태에서 상기 탄성부재에 탄성력이 축적된다.

본 발명에서, 상기 영구자석에 상기 금속부재가 접촉된 상태에서 상기 영구자석이 상기 금속부재를 자성으로 당기는 인력이 상기 탄성부재가 상기 금속부재를 밀어내는 탄성력보다 크다.

본 발명에서, 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 가동코일에 공급된 전원에 의해 상기 가동코일에 유기된 자성으로 상기 영구자석으로부터 상기 금속부재를 밀어냄으로써 상기 가동로드를 이동시켜 상기 서브모듈을 단락시키도록 한다.

본 발명에서, 상기 금속부재를 밀어낼 때 상기 탄성부재에 축적된 탄성력에 의해 상기 금속부재가 가속된다.

본 발명에서, 상기 서브모듈이 단락된 이후에 상기 가동코일에 전원 공급이 차단되면 상기 탄성부재에 의해 상기 금속부재가 전진된 상태로 유지됨으로써 상기 서브모듈의 단락이 유지된다.

본 발명에서, 상기 영구자석은 상기 가동철심의 주위로 링 형상으로 설치된다.

본 발명에서, 상기 금속부재는 상기 가동철심에 수직으로 형성된다.

본 발명에서, 상기 서브모듈의 고장발생시 상기 가동코일에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

본 발명에 의하면 다수의 서브모듈이 직렬로 연결된 컨버터에서 서브모듈의 단락을 위해 고장발생시에만 전원을 공급하도록 함으로써 정상상태 및 바이패스 후에 전원이 필요없기 때문에 전력손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 컨버터에서 정전상태일 때에도 단락해제 상태를 유지할 수 있기 때문에 교류 또는 직류 단자를 통해 전력을 공급하여 컨버터를 동작시키는 것이 가능하다.

나아가, 본 발명에 의하면 서브모듈을 단락시킬 때 탄성부재에 축적된 탄성력을 이용하여 가동철심을 이동시킬 수 있으므로 저전력으로도 서브모듈을 단락시킬 수 있고, 이러한 탄성부재의 탄성력에 의해 가동철심을 빨리 가속시킬 수 있으므로 고속으로 서브모듈을 단락시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 컨버터의 바이패스 스위치 장치의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치의 동작을 위한 제어회로 구성도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치는 서브모듈(sub-module)이 다수 개로 직렬 연결된 전력 변환 컨버터에 적용될 수 있다. 이러한 컨버터용 바이패스 스위치 장치는 특정 서브모듈에 고장발생시 상모듈의 절선에 의해 컨버터 전체의 동작이 정지되는 것을 방지하기 위해 상전류를 그 고장난 서브모듈 밖으로 바이패스시키도록 한다.

각 서브모듈은 에너지저장부인 고유의 콘덴서를 가지고, 이 콘덴서에는 전력용 반도체 회로가 병렬접속되어 있다. 전력용 반도체 회로는 턴오프(turn-off) 제어가능한 전력용 반도체를 포함하고, 턴오프 제어가능한 전력용 반도체에는 환류다이오드(free-wheel diode)가 역병렬 접속된다. 이들 다수의 서브모듈은 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC)를 구성한다.

이하에서, 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치를 보다 구체적으로 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치의 구성도를 나타내고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치의 동작을 위한 제어회로의 구성에 대한 일 예시도이다.

도 2a는 서브모듈이 정상동작시 해당 서브모듈이 단락해제된 상태에 대한 바이패스 스위치 장치(100)의 단면도이고, 도 2b는 서브모듈의 고장발생시 해당 서브모듈이 단락된 상태에 대한 바이패스 스위치 장치(100)의 단면도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치(100)는 예컨대 하우징(110) 내부에 길이방향으로 전후진 가능한 가동철심(120)이 설치된다. 이러한 하우징(110)은 내부에 포함된 구성요소를 보호하기 위한 것으로서 바람직하게는 내부의 일부가 철심으로 구현되어 가동코일(150)을 둘러싸도록 구현될 수 있다. 가동철심(120)은 자기장에 영향을 받는 금속재질로 제작되며 예컨대 바람직하게는 원통형으로 구현될 수 있다. 이러한 가동철심(120)의 일단에는 가동로드(130)가 연결된다. 즉, 가동로드(130)는 가동철심(120)의 일 끝단부에서 하우징(110)의 외측으로 연장되도록 연결된다.

가동로드(130)의 끝단에는 가동접촉자(131)이 부설된다. 가동접촉자(131)는 가동로드(130)의 전후진에 따라 고정로드(181)의 끝단에 부설된 고정접촉자(181)와 접촉 및 분리되고, 이러한 접촉 및 분리에 의해 서브모듈의 단락 및 그 단락해제가 이루어진다. 가동접촉자(131)와 고정접촉자(181)은 진공관(190) 내에 형성된다.

또한, 가동철심(120)에 그 길이방향에 일정한 각도로 금속부재(140)가 결합된다. 이러한 금속부재(140)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예컨대 편평한 플레이트(plate) 형상으로 구현될 수도 있고 막대(bar) 형상으로 구현될 수도 있다. 또한, 이러한 금속부재(140)는 바람직하게는 가동철심(120)과 동일한 재질로 구현되며 가동철심(120)의 전후진 이동에 의해 함께 이동된다.

또한, 가동철심(120)의 둘레에는 가동코일(150)이 다수 회로 권선된다. 이러한 가동코일(150)에 전원이 공급되면 솔레노이드 원리와 같이 가동코일(150)에 자기장이 형성되어 가동철심(120)을 길이방향으로 전후진으로 이동시킬 수 있도록 한다. 이때 가동코일(150)에 형성되는 자기장은 가동코일(150)에 공급되는 전원에 따라 자성의 극성이 달라진다. 본 실시 예에서 이러한 가동코일(150)에 인접하여 영구자석(160)이 고정설치된다. 영구자석(160)은 가동코일(150)에 발생한 자성으로부터 충분히 자기적 영향을 받을 수 있도록 인접하여 설치된다. 본 실시 예에서 영구자석(160)은 예컨대 하우징(110)의 내부에 고정될 수 있으며 가동코일(150)에 고정될 수도 있다. 이러한 영구자석(160)은 가동철심(120)의 주변에 링(ring) 또는 막대(bar) 형상으로 설치됨이 바람직하다.

또한, 하우징(110)의 내부와 금속부재(140)의 사이에는 탄성력을 갖는 탄성부재(170)가 설치된다. 이러한 탄성부재(170)는 예컨대 스프링으로 구현될 수 있으며 도면에서 볼 때 하우징(110)의 하부의 베이스(111)와 금속부재(140) 사이에 각각 고정된다. 이로써 금속부재(140)가 상하로 이동함에 따라 탄성부재(170)는 수축 및 이완된다. 이때, 탄성부재(170)가 수축되는 경우에는 내부에 탄성력이 축적된다. 이러한 금속부재(140)는 탄성력으로 베이스(111)를 기준으로 금속부재(140)를 밀러내는 기능을 수행한다.

한편, 도 3에서와 같이 본 발명에 따른 바이패스 스위치 장치(100)는 가동코일(150)에 전원을 인가하는 전원부(200) 및 전원부(200)를 제어하는 제어부(300) 중 적어도 하나 이상을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 여기서 전원부(200)는 가동코일(150)로 서로 다른 극성의 전류를 인가할 수 있으며, 이러한 전류의 인가는 제어부(300)에 의해 제어된다. 즉, 제어부(300)는 서브모듈이 정상운전인지 고장이 발생하였는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 바이패스 스위치 장치(100)의 단락을 위해 가동코일(150)로 전원을 공급할지를 결정하여 전원부(200)의 동작을 제어하도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 컨버터의 바이패스 스위치 장치(100)에 대한 동작과정을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 2a를 참조하면 컨버터의 전상운전시에는 가동코일(150)에 전원이 공급되지 않는다. 가동코일(150)에는 자성이 형성되지 않으며 영구자석(160)은 자체의 자력을 이용하여 금속부재(140)가 접촉된 상태를 유지한다. 이를 위하여 금속부재(140)는 도면에서 볼 때 후진이동되어 영구자석(160)에 접촉된 상태를 유지하며, 이와 같이 금속부재(140)의 후진이동에 의하여 금속부재(140)에 고정연결된 탄성부재(170)는 수축되어 내부에 탄성력이 축적된다. 또한, 금속부재(140)의 후진이동에 의해 가동철심(120) 및 가동로드(130)가 후진이동하게 되고 가동로드(130)의 끝단부에 부설된 가동접촉자(131)이 고정접촉자(181)과 분리된 상태가 유지되므로 서브모듈은 단락해제가 계속 유지된다.

한편, 서브모듈에 고장발생시에는 도 2b에서와 같이 가동코일(150)에 전원이 공급되고 가동코일(150)에는 자기장이 형성된다. 이러한 자기장에 의해 솔레노이드 원리와 같이 가동코일(150)의 내부에 위치한 가동철심(120)이 길이방향으로 전진이동하게 된다. 이로써 금속부재(140)는 도 2a에서와 같이 영구자석(160)에 접촉되어 있다가 이러한 가동철심(120)의 전진이동에 의해 영구자석(160)으로부터 분리되어 함께 전진이동하게 된다. 이때, 금속부재(160)가 전진이동할 때 탄성부재(170)에 축적된 탄성력에 의해 가속되어 빠른 속도로 이동하게 된다. 이는 가동접촉자(131)가 빠른 속도로 고정접촉자(181)에 접촉된다는 것을 의미하며, 결국 서브모듈의 단락이 빠른 속도로 진행되는 것이다. 이로써 가동로드(130)와 고정로드(180)에 각각 접속된 서브모듈의 제1출력단자(X1)와 제2출력단자(X2)가 서로 접촉되어 단락된다. 여기서, 바람직하게는 제어부(300)에서 서브모듈의 고장발생을 판단하고 단락형성을 위하여 전원부(200)를 제어하여 빠른 속도로 서브모듈을 단락시키도록 한다. 이러한 고장발생부터 단락형성까지는 수 ㎳ 이내로 구현되는데, 본 발명에서는 이러한 시간을 더 단축시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 서브모듈의 정상동작시에는 금속부재(140)를 후진이동시켜 내부에 설치된 영구자석(160)에 접촉시킨 상태를 계속 유지하도록 함으로써 가동철심(120)에 연결된 가동로드(130)가 후진된 상태가 유지되어 가동접촉자(131)가 고정접촉자(181)와 분리되도록 하고, 이로써 정상동작시에는 서브모듈이 단락해제된 상태를 유지하도록 한다. 이 경우 가동코일(150)에는 전원이 공급되지 않기 때문에 정상운전시에는 전력소비가 발생하지 않는다. 만약, 서브모듈에 고장발생시에는 가동코일(150)에 전원을 공급하여 가동철심(120)을 전진이동시켜 금속부재(140)를 영구자석(160)으로부터 분리시키되, 탄성부재(170)의 탄성력에 의해 가속시킴으로써 가동접촉자(131)가 고정접촉자(181)에 고속으로 접촉되도록 한다. 이와 같이 가동접촉자(131)과 고정접촉자(181)가 서로 접촉된 상태에서는 탄성부재(170)에 의해 접속된 상태가 계속 유지되며, 이는 전원공급이 차단되더라도 계속 유지된다.

이와 같이 금속부재(140)는 영구자석(160)으로부터 일단 분리되기만 하면 탄성부재(170)에 축적된 탄성력에 의해 빠른 속도로 가속되므로 가동철심(120)은 최소한 금속부재(140)가 영구자석(160)으로부터 일단 분리될 정도의 힘만 주어지면 된다. 따라서, 가동코일(150)에 적은 전력으로도 서브모듈의 단락을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

종래기술과 본 발명을 비교해 보면, 종래기술에서는 정상운전시에는 진공관에서의 단락해제를 유지하기 위해 코일에 전원을 계속 공급해야 하지만, 본 발명은 고장발생시에만 가동코일에 전원을 인가하고 단락이 형성된 이후에는 전원을 차단해도 단락이 계속 유지되고 있으므로 종래기술에 비해 전력소비를 현저히 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우 고장발생시에만 순간적으로 전원이 필요하고 정상상태 및 바이패스 이후에는 전원이 필요없기 때문에 종래기술에 비해 전체 시스템의 손실이 감소되는 장점이 있다. 또한, 중요한 특징으로서 정전상태의 컨버터를 기동시킬 때에도 진공스위치 관을 개방상태를 유지하기 때문에 외부 교류 또는 직류 회로로부터 컨버터에 전원을 공급하여 기동시키는 것이 가능하다.

상기한 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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 하우징 111 : 하우징 하부 베이스
120 : 가동철심 130 : 가동로드
131 : 가동접촉자 140 : 금속부재
150 : 가동코일 160 : 영구자석
170 : 탄성부재 180 : 고정로드
181 : 고정접촉자 190 : 진공관
200 : 전원부 300 : 제어부