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KR20150003635A - 쌍극 ｈｖｄｃ시스템 - Google Patents

쌍극 ｈｖｄｃ시스템 Download PDF

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KR20150003635A
KR20150003635A KR1020130076760A KR20130076760A KR20150003635A KR 20150003635 A KR20150003635 A KR 20150003635A KR 1020130076760 A KR1020130076760 A KR 1020130076760A KR 20130076760 A KR20130076760 A KR 20130076760A KR 20150003635 A KR20150003635 A KR 20150003635A
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KR
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transformer
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harmonics
filter
hvdc system
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KR1020130076760A
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최순호
김진영
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한국전력공사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

본 발명은 쌍극 HVDC 시스템이 개시된다. 본 발명의 쌍극 HVDC 시스템은 사이리스터 밸브의 점호작용으로 직교류 변환시키며 직렬 연결된 제 1단극 컨버터와 제 2단극 컨버터; AC 모선에 상기 제 1단극 컨버터와 상기 제 2단극 컨버터를 각각 연결시키며, 상호간에 전기적인 위상차를 갖는 제 1변압기와 제 2변압기; 및 상기 AC 모선에서 고조파를 제거하고 고주파 성분을 필터링하기 위한 AC필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

쌍극 ＨＶＤＣ시스템{BIPOLE HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT SYSTEM}
본 발명은 쌍극 HVDC 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쌍극(Bipole) HVDC 시스템에서 2개의 단극 컨버터에 전기적 위상차를 갖는 변압기를 각각 접속하여 AC 계통측에서 발생되는 특성 고조파를 상쇄시켜 제거함으로써 고조파 필터의 사용을 줄일 수 있도록 한 쌍극 HVDC 시스템에 관한 것이다.
초고압 직류 송전(High Voltage Direct Current; HVDC)은 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜 송전한 이후, 수전점에서 교류로 재 변환시켜 전력을 공급하는 방식이다.
이러한 HVDC 송전 방식은 교류 송전방식의 장점인 전압 승압을 통한 효율적이며 경제적인 전력 전송을 가능하게 하고, 교류 송전의 여러 가지 단점을 극복할 수 있는 송전 방식이다.
HVDC 송전 방식은 교류 전력을 직류로 변환하는 사이리스터 컨버터를 사용한다. 이때, 위상제어를 하는 사이리스터 컨버터의 특성상 특성 고조파와 비특성 고조파를 발생시킨다. 이러한 고조파가 AC 계통에서 무시할 수 없는 크기일 경우 고조파를 제거하는 필터를 사용한다.
필터는 주로 커패시터, 리액터, 저항 등이 직병렬 조합으로 이루어져 HVDC 시스템에서 발생하는 고조파를 제거한다. 또한, 필터의 비용으로 인하여 2개의 공진점을 가지는 이중 조절 필터 또는 하이패스 필터가 이용되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2012-0058010호(2012. 06. 07. 공개, 발명의 명칭 : HVDC용 스마트 필터)에 개시되어 있다.
도 1은 일반적인 쌍극 HVDC 시스템을 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 AC 계통에 연계된 컨버터는 운전방식에 따라 AC를 DC로 변환하는 렉티파이어, DC를 AC로 변환하는 인버터로 구분될 수 있다.
쌍극 HVDC 시스템에서 렉티파이어(rectifier)와 인버터(inverter)는 일반적으로 제 1단극(Pole) 컨버터(30)와 제 2단극(Pole) 컨버터(32)가 직렬로 연결된 쌍극 형태로 구성된다.
이때 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 HVDC 시스템의 경제성 및 고조파 저감을 고려하여 일반적으로 6펄스 컨버터 두 개를 직렬 연결한 12펄스 컨버터를 사용한다.
또한, 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)에는 AC 모선(10) 측과 3상 변압기인 제 1변압기(20)와 제 2변압기(22)가 각각 연결된다.
이러한 12펄스 컨버터는 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 12nㅁ 1차에 해당하는 11차와 13차 고조파를 발생시킨다.
따라서, HVDC 시스템에서는 고조파가 AC 계통에 주입되기 전에 제거하기 위해 AC 모선(10)에는 11차와 13차의 고조파를 제거하기 위한 11차,13차 AC필터(12)와, 24nㅁ 1차에 해당하는 23차와 25차의 고조파를 제거하기 위한 23차,25차 AC필터(14)와, 고주파 성분을 필터링하기 위한 고역통과 AC필터(16)가 적용된다.
도 2는 일반적인 쌍극 HVDC 시스템의 변압기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)에서는 사이리스터 밸브(미도시)의 점호작용으로 인해 AC 계통에 구형파 형태의 불연속 전류가 흐른다.
따라서, 제 1변압기(20)와 제 2변압기(22)의 1차측과 2차측에 흐르는 전류를 확인하면, (a)는 Y-Δ 결선 변압기의 2차측(밸브측)에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, (b)는 Y-Y 결선 변압기의 2차측(밸브측)에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, (c)는 각각의 전류가 변압기의 1차측(AC 계통측)에서 중첩되어 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다.
이와 같이 제 1단극 컨버터(30)과 제 2단극 컨버터(32)의 12펄스 컨버터에서 발생하는 고조파를 분석하기 위해 Y-Y 변압기 2차측(밸브측)에서 발생하는 고조파 전류를 푸리에 급수로 표현하면 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
그리고, Y-Δ 변압기 2차측의 고조파 전류는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
따라서, 제 1변압기(20)와 제 2변압기(22)의 1차측(AC 계통측)에서는 Y-Y 변압기와 Y-Δ 변압기의 전류가 중첩되면서, 5차와 7차 고조파전류는 상쇄됨에 따라 수학식 3과 같이 12nㅁ 1 차(11차, 13차, 23차, 25차,…)에 해당하는 고조파가 발생한다.
Figure pat00003
도 3은 일반적인 쌍극 HVDC 시스템에서 위치별 발생하는 고조파를 나타낸 블록구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 6펄스 컨버터 두 개를 직렬 연결한 12펄스 컨버터를 사용하는 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)에서 발생된 고조파 중에서 6nㅁ 1차(n=1, 3, 5, …)에 해당하는 고조파는 제 1변압기(20)와 제 2 변압기(22)의 1차측(AC 계통측)에서 상쇄되어 제거되고, 12nㅁ 1 차의 고조파가 남아 AC 모선(10)으로 주입된다.
이러한 고조파가 AC 계통에 주입되면 계통의 안정도 저하, 전파 장해, 고조파 공진 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에, AC 모선(10)에는 각 차수에 해당하는 고조파를 제거하기 위한 AC 필터가 설치된다.
즉, 11차와 13차의 고조파를 제거하기 위한 11차,13차 AC필터(12)와, 24nㅁ 1차에 해당하는 23차와 25차의 고조파를 제거하기 위한 23차,25차 AC필터(14)와, 고주파 성분을 필터링하기 위한 고역통과 AC필터(16)가 적용된다.
이와 같이 HVDC 시스템에서는 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)의 운전시 사이리스터 밸브의 점호에 의해 발생하는 AC 계통의 고조파를 제거하기 위해 다수의 고조파 필터가 적용되고 있다.
이중에서 가장 크게 발생하는 고조파는 12nㅁ 1차에 해당하는 고조파로써 고조파 필터도 11차와 13차 고조파를 제거하기 위해 최적화되어 있으며, 이를 효과적으로 제거하지 못할 경우 AC 계통의 안정도를 저하시킬 수 있고, 전파 장해를 유발할 수 있다.
따라서, HVDC 시스템에서는 고조파 필터가 반드시 필요하며, 고조파 필터의 설비비는 시스템 비용의 일정 부분을 차지하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 쌍극(Bipole) HVDC 시스템에서 2개의 단극 컨버터에 전기적 위상차를 갖는 변압기를 각각 접속하여 AC 계통측에서 발생되는 특성 고조파를 상쇄시켜 제거함으로써 고조파 필터의 사용을 줄일 수 있도록 한 쌍극 HVDC 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 쌍극 HVDC 시스템은, 사이리스터 밸브의 점호작용으로 직교류 변환시키며 직렬 연결된 제 1단극 컨버터와 제 2단극 컨버터; AC 모선에 제 1단극 컨버터와 제 2단극 컨버터를 각각 연결시키며, 상호간에 전기적인 위상차를 갖는 제 1변압기와 제 2변압기; AC 모선에서 고조파를 제거하고 고주파 성분을 필터링하기 위한 AC필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1단극 컨버터와 제 2단극 컨버터는 12펄스 컨버터인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1변압기와 제 2변압기의 전기적인 위상차는 15ㅀ인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1변압기와 제 2변압기는 AC 모선과 Y-Y결선 및 Y-Δ결선으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 AC필터는 23차와 25차의 고조파를 제거하기 위한 23차,25차 AC필터; 및 고주파 성분을 필터링하기 위한 고역통과 AC필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 쌍극(Bipole) HVDC 시스템에서 2개의 단극 컨버터에 전기적 위상차를 갖는 변압기를 각각 접속하여 AC 계통측에서 발생되는 특성 고조파를 상쇄시켜 제거함으로써 고조파 필터의 사용을 줄일 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 고조파 필터의 사용을 줄일 수 있어 시스템 설비비를 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 쌍극 HVDC 시스템을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 일반적인 쌍극 HVDC 시스템의 변압기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다.
도 3은 일반적인 쌍극 HVDC 시스템에서 위치별 발생하는 고조파를 나타낸 블록구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템을 나타낸 블록구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 전압 벡터도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템의 변압기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템에서 위치별 발생하는 고조파를 나타낸 블록구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템을 나타낸 블록구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 전압 벡터도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템은 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32), 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24), 23차,25차 AC필터(14) 및 고역통과 AC필터(16)를 포함한다.
제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 사이리스터 밸브(미도시)의 점호작용으로 직교류 변환시킨다.
이러한 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 쌍극 HVDC 시스템의 운전 방식에 따라 AC를 DC로 변환하는 렉티파이어(rectifier), DC를 AC로 변환하는 인버터(inverter)로 구분될 수 있다.
이때 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 쌍극 HVDC 시스템에서 직렬로 연결된 쌍극 형태로 구성된다.
또한, 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 HVDC 시스템의 경제성 및 고조파 저감을 고려하여 12펄스 컨버터를 사용한다.
제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)는 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)를 AC 모선(10)에 각각 Y-Y결선과 Y-Δ결선으로 연결시킨다.
이때 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 전기적인 위상은 15ㅀ이동된 형태로 구성하여 AC 계통측에서 11차와 13차 고조파가 중첩되어 상쇄될 수 있도록 한다.
즉, 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)인 3상 변압기의 전압 벡터도를 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이 환상형(a)과 지그재그형(b)에서 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 전기적 위상이 15ㅀ이동된 상태를 볼 수 있다.
이와 같이 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)는 12펄스 컨버터로써 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 12nㅁ 1차에 해당하는 11차와 13차 고조파를 발생시킨다. 이렇게 발생된 고조파는 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)를 통해 중첩되어 AC 모선(10)으로 주입된다.
그러나, 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)는 15ㅀ의 전기적 위상차를 갖기 때문에 11차와 13차 고조파가 중첩되어 상쇄된다.
한편, 23차,25차 AC필터(14)는 AC 모선(10)에서 23차와 25차의 고조파를 제거하고, 고역통과 AC필터(16)는 AC 모선(10)에서 고주파 성분을 필터링한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템의 변압기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극 HVDC 시스템에서 위치별 발생하는 고조파를 나타낸 블록구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)에서는 사이리스터 밸브의 점호작용으로 인해 AC 계통에 구형파 형태의 불연속 전류가 흐른다.
따라서, 본 발명의 실시에에 따른 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 1차측과 2차측에 흐르는 전류를 확인하면, (a)는 제 1변압기(20)의 1차측(AC 계통측)에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, (b)는 제 2변압기(24)의 1차측(AC 계통측)에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, (c)는 각각의 전류가 AC 모선(10)에서 중첩되어 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따라 제 1단극 컨버터(30)와 제 2단극 컨버터(32)의 12펄스 컨버터에서 발생하는 고조파를 분석하기 위해 AC 계통에서 발생하는 고조파 전류를 푸리에 급수로 표현하면 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
이와 같이 제 1변압기(20)의 1차측에서는 Y-Y 변압기와 Y-Δ 변압기의 전류가 중첩되면서, 5차와 7차 고조파 전류가 상쇄되어 12nㅁ 1 차(11차, 13차, 23차, 25차,… )에 해당하는 고조파가 발생한다.
그리고, 제 2변압기(24)의 1차측에서는 수학식 5와 같이 12nㅁ 1 차(11차, 13차, 23차, 25차,… )에 해당하는 고조파가 발생한다.
Figure pat00005
따라서, AC 모선(10)에 나타나는 고조파는 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 전류가 중첩되어 11차와 13차 고조파는 상쇄되고, 수학식 6과 같이 24nㅁ 1 차(23차, 25차, 47차, 49차,…)에 해당하는 고조파가 발생한다.
Figure pat00006
이와 같이 쌍극 HVDC 시스템에서 발생되는 고조파를 위치별로 나타내면 도 7과 같다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 1차측에서 발생되는 고조파는 각각 12nㅁ 1 차에 해당하는 고조파가 발생된다.
그러나, 수학식 4와 수학식 5에서 보는 바와 같이 부호가 상반되기 때문에 AC 모선(10)에서 중첩될 경우 수학식 6과 같이 11차와 13차 고조파가 상쇄되어 제거되고 23차와 25차 고조파만 남게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 11차와 13차 고조파가 전기적인 위상차를 갖는 제 1변압기(20)와 제 2변압기(24)의 중첩에 의해 상쇄되어 제거됨에 따라, AC 모선(10)에는 24nㅁ 1차에 해당하는 23차와 25차의 고조파를 제거하기 위한 23차,25차 AC필터(14)와, 고주파 성분을 필터링하기 위한 고역통과 AC필터(16)만 적용되어 11차와 13차 고조파를 제거하기 위한 필터를 제거할 수 있고, 이에 따른 시스템 설비비를 절감할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 쌍극 HVDC 시스템에 따르면, 쌍극(Bipole) HVDC 시스템에서 2개의 단극 컨버터에 전기적 위상차를 갖는 변압기를 각각 접속하여 AC 계통측에서 발생되는 특성 고조파를 상쇄시켜 제거함으로써 고조파 필터의 사용을 줄일 수 있으며, 고조파 필터의 사용을 줄임에 따라 시스템 설비비를 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : AC 모선 12 : 11차,13차 AC필터
14 : 23차,25차 AC필터 16 : 고역통과 AC필터
20 : 제 1변압기 22, 24 : 제 2변압기
30 : 제 1단극 컨버터 32 : 제 2단극 컨버터

Claims (5)

  1. 사이리스터 밸브의 점호작용으로 직교류 변환시키며 직렬 연결된 제 1단극 컨버터와 제 2단극 컨버터;
    AC 모선에 상기 제 1단극 컨버터와 상기 제 2단극 컨버터를 각각 연결시키며, 상호간에 전기적인 위상차를 갖는 제 1변압기와 제 2변압기; 및
    상기 AC 모선에서 고조파를 제거하고 고주파 성분을 필터링하기 위한 AC필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍극 HVDC 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단극 컨버터와 상기 제 2단극 컨버터는 12펄스 컨버터인 것을 특징으로 하는 쌍극 HVDC 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1변압기와 상기 제 2변압기의 전기적인 위상차는 15ㅀ인 것을 특징으로 하는 쌍극 HVDC 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1변압기와 제 2변압기는 상기 AC 모선과 Y-Y결선 및 Y-Δ결선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 쌍극 HVDC 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 AC필터는
    23차와 25차의 고조파를 제거하기 위한 23차,25차 AC필터; 및
    고주파 성분을 필터링하기 위한 고역통과 AC필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍극 HVDC 시스템.
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