KR100511645B1 - 회생 전동차 대응한 직렬 디씨 전압 급전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량에 공급하는 DC 전력을 정류 방식으로 공급하고 차량 회생시는 컨버터를 통하여 회생 전력을 전원에 공급함으로써 안정적인 공급과 회생이 자유로운 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 회생 차량 도입에 따라서 급전 시스템으로서 회생에너지를 유효하게 이용하고, 회생실효를 저감하기 위한 시스템 구성이 필요하다. 본 발명에 있어서 주안점은 차량에 공급하는 DC전력을 정류방식으로 공급하고 차량 회생시는 컨버터를 통하여 회생전력을 전원에 공급함으로써 안정적인 공급과 회생이 자유롭게 할 수 있어, 일정전압유지와 회생시 남는 전력은 전원으로 회생될 수 될 수 있도록 제어하는 방식을 그 특징으로 한다.

Description

회생 전동차 대응한 직렬 디씨 전압 급전 시스템{SERIAL DC VOLTAGE SUPPLY SYSTEM FOR RECYCLED ELECTRIC TRAIN}

본 발명은 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량에 공급하는 DC 전력을 정류 방식으로 공급하고 차량 회생시는 컨버터를 통하여 회생 전력을 전원에 공급함으로써 안정적인 공급과 회생이 자유로운 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 전동차에 전원을 공급하기 위해서는 일반적으로 AC전력을 변압기와 3상 브릿지 정류회로를 이용하여 전동차 급전선에 전력을 공급하고 있다. 직류로 변환하는 정류회로는 최초에는 6펄스정류기 그 이후에는 12펄스 정류기 방식을 채용하여 사용하였다.

일반적으로 전동차의 급전용으로 많이 사용하고 있는 정류방식은 3상전원, 변압기, 정류기, 차단기, 급전선으로 공급된다. 전압을 급전선에 공급하기 위해서는 특고압 1차 변전소에 송전해야 하므로 인하여 이에 따른 부대 비용이 높고, 급전구간에서 여러 대의 차량이 역행과 회생을 반복하고 있기 때문에 정류공급방식에 의한 리플이 많이 포함하고 있고, 심한 부하변동으로 가선전압변동이 크고 차량과 차량사이의 이격 거리가 가까울 때 전압변동이 크게되어 차량의 보호장치가 동작되어 차량이 순간 정지하는 경우가 많이 발생한다. 현재 이런 문제점을 보완하기 위해 전차선의 전압이 부족하거나, 전동차 회생시 전압이 상승하는 것을 PWM 인버터를 통해 보완 해주는 역할을 함으로써 정전압제어와 완벽한 회생제어가 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하고자 이루어진 것으로서, 변전소 급전전압을 기존전압에 반으로 공급받아 DC 전압으로 정류할 때에는 정류기와, PWM컨버터가 각각 동작하여 750V전압을 만들어 1500V전압을 출력전압을 할 수 있는 방식이다. 또한 정상시에는 정류장치와 PWM컨버터가 공급을 하고, 가선전압 강하시에는 PWM컨버터가 정전압으로 유지를 하고, 차량의 회생으로 전압이 상승시에는 회생용 PWM 전력변환기를 이용하여 전철시스템에서 잉여분의 직류전력을 교류모선으로 회생하면서 고조파를 저감하고, 회생전력을 고효율로 제어할 수 있는 방법을 제안한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하고자, 상호 병렬접속되어 전압공급부로부터 공급되는 AC 전압을 일정 레벨로 변압하여 출력하는 제1 및 제2 변압기와, 상기 제1 변압기로부터 공급되는 AC 전압을 정류하여 제1 DC 전압을 공급하는 정류장치와, 상기 제2 변압기로부터 공급되는 AC 전압을 제2 DC 전압으로 변환한 후 상기 정류장치로부터 공급되는 상기 제1 DC 전압과 상기 제2 DC 전압을 더하여 상기 급전선으로 출력하고, 전동차 회생 또는 속도 감속시 회생된 에너지에 의해 상기 급전선으로부터 상승된 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 회생전압을 생성하는 PWM 인버터를 포함하는 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명은 정류 회로와 PWM 컨버터를 이용하여 사용 전력을 고역율의 순변환과 역변환을 하여 전력을 공급하는 제어방식을 대상으로 하였다. 전압형 PWM 컨버터는 리액턴스를 사이에 두고 교류전원과 결합되는 구조를 하고 있다. 이러한 구조를 갖는 컨버터는 고조파가 적게 포함된 정현파에 가까운 교류전류를 흐르게 하며, 직류측 전압이 변조율에 반비례하여 높아지는 특성을 갖게 된다. 무부하의 전압형 컨버터는 교류전원의 역률을 개선하는 무효전력 발생기의 기능을 가지며 무효전력의 보상을 필요로 하는 전력계통에 응용하여 전압조정 등의 수단으로 사용하고 있다. AC/DC 변환기로의 적용은 무효전력을 0으로 하는 고역율의 순변환과 역변환의 능력을 가진다.

본 발명은 낮은 전압으로 인하여 적은 비용으로 변전소의 전압을 수전 받을 수 있고, 가선 직류전압을 정전압으로 유지하고, 회생시 변환기를 이용하여 에너지 효율을 높이는데 그 목적이 있다. PWM 변조는 교류 전원측 으로부터 고조파를 줄이는 방법을 사용하며, 전력의 공급 및 회생의 기능을 갖는 AC/DC 변환기의 구성에 대하여 서술한다. 전력 공급시 고조파를 줄이기 위해 전력변환기의 위상을 변화시켜 고조파를 제거하여 더욱더 안전한 전력을 공급할 수 있다.

차량에 공급하는 전력은 DC1500V이다. 이 전압을 공급하기 위해서는 정류장치와 PWM컨버터가 각각 750V씩 AC를 DC로 정류하므로 최종 출력단 에서는 DC1500V가 공급된다. 정류장치는 회생이 되지 않는 1상환 제어만 수행하고, PWM 컨버터는 4상환 제어를 수행하므로 부하에 전원이 부족시는 공급을 하고, 부하에서 회생시에는 PWM컨버터를 통하여 전원으로 반환하여 차량의 급전전압을 안정하게 유지하는 역할을 한다. PWM변환기는 전원의 전압과 전류를 동위상으로 유지하는 역률 1의 운전 상태가 바람직하며, 이 경우 선로 등의 손실을 최소화하는 경제적인 운전이 된다. 또한 변환기 자체로도 변환용량에 대하여 각 소자에 흐르는 전류가 가장 적은 상태이므로 전력용 반도체 소자를 가장 유효하게 사용하는 이상적인 운전방법이 된다.

도 1a는 전원 전압을 V, 변환기의 교류측 전압을 E라고 했을 때의 전원과 변환기의 등가회로이다. 도 1a에서 변환기로 흐르는 전류 I를 전원 V와 동상으로 유지할 경우, 전원전압과 전류벡터를 도 1b와 같은 벡터도로 나타낼 수 있다.

도 1b의 벡터도에서 첨자 f는 순변환의 경우이며, 첨자 r은 역변환 동작상태이다. 이러한 경우는 도 1b에 나타낸 전원과 변환기 사이에 있는 교류리액터의 전압강하를 전원과 90도의 위상차를 유지하고 있으며, 리액터 전압위상이 전원보다 90도 앞설 경우는 순변환, 90도 뒤질 경우는 역변환의 동작을 한다. 그러므로 변환기의 교류측 전압 E는 전원전압에서 리액터 전압을 뺀 전압 벡터를 유지하여야 한다. 즉 벡터도를 항상 직각 3각형으로 유지하도록 하여야 한다.

교류 전류는 리액터와 리액터양단전압에 의하여 결정되며 리액터전압은 교류전압과 컨버터의 교류측전압의 차가되므로 컨버터의 PWM 변조율과 변조파의 위상 및 직류전압에 의하여 교류전류의 제어가 가능하여 진다.

도 1a의 등가회로와 도 1b의 벡터도로부터 수학식 1이 얻어지고, 그 결과 수학식 2가 얻어진다.

여기에서, α는 V와 E의 위상차이고 변환기의 변환전력은 교류측에서의 입력전력이므로 수학식 3이 된다.

수학식 2와 수학식 3을 정리하면 수학식 4가 성립된다.

수학식 4는 컨버터의 변환전력을 나타낸 식이며, 수학식 2와 수학식 3을 함께 고려하면 변환 용량은 교류 리액터의 인덕턴스의 크기와 위상각 α에 의하여 결정됨을 알 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 정류장치 및 컨버터 직렬방식을 이용하여 전압 공급 및 전력 회생 회로를 이용하여 전동차 전력을 공급하는 전체 회로 구성도로써, 동작 과정은 다음과 같다. 여기서, 정류장치 및 PWM 인버터는 각각 3상 전압형(VSI) 전력 변환기를 갖는다. 또한, 전력 변환기는 IGBT, GTO 및 IGCT 소자 중 어느 하나로 이루어진다.

1) 역행 시에는 전력 공급용 변압기, 정류기, 인버터와 필터를 통하여 차량에 전압을 공급한다.

2) 차량이 회생 시에는 순간적으로 DC필터를 통하여 인버터, 인버터용 변압기, 전력용변압기를 통하여 전력으로 공급한다.

여기서, 인버터 출력전압은 DC750V이고, 정류기도 DC750V공급하므로, 이 전압이 합산되어 DC1500V를 공급한다.

3) 회생 시에는 인버터를 통하여 순간적인 전압 변동에 대해 전원으로 반환하는 구조로 되어 있다.

그리고, 도 3에서 보는 바와 같이, 회생 전력을 공급하기 위한 PWM 컨버터를 이용하여 교류측은 고역률을 유지하도록 하였다.

도 4는 회생용 인버터(PWM CONVERTER)로써, 입력 전압으로 교류 전압이 입력되어 원하는 DC 전압으로 변경되어 차량에 전압을 공급하고, 차량 가선에서 사용된 DC 전압은 회생시 인버터를 통해 교류전원 60Hz 변경되어 전원으로 공급되는 방식이다.

도 5는 정류회로 장치에 관한 것으로, 입력된 교류 전압을 정류하여 DC 전압으로 변경시켜 차량에 DC750V 전압을 공급하는 장치이다.

하지만, 이 장치는 전력만 공급하고 전원으로는 회생할 수 없는 구조이다.

도 6는 정류장치와 PWM컨버터가 직렬동작시 제어각을 가변 했을 때 동작상황을 시뮬레이션 한 결과로써, 전압, 전류의 출력 특성이 양호하게 출력되고 있다는 것을 나타내고 있다.

도 7은 PWM컨버터가 직렬동작시 가선전압이 변동(하강)했을 때 동작상황을 시뮬레이션 한 결과로써, 이 결과 또한 전압, 전류의 출력 특성이 양호하게 즉, 회생시 가선전압이 변동하여도 전압과 전류가 변동없이 잘 공급되는 것을 나타내고 있다.

도 8은 인버터 시뮬레이션 모델링 회로로써, 인버터(PWM CONVERTER)로 전력을 공급 및 회생할 수 있는지를 확인하기 위해서 시뮬레이션하기 위해 모델링한 회로이다.

도 9는 시스템의 제어를 위한 제어블럭 회로도이다.

이상에서와 같이, 본 실시예에 의하면, 변전소에 급전하는 전압을 1/2로 낮을 수 있으므로 보호장치 및 변전설비를 줄일 수 있고, PWM컨버터를 이용하여 전차선에 필요한 정전압을 유지할 수 있다. 정류장치에서는 전압을 공급하고, 컨버터 장치에서는 전압공급과 회생을 병용하므로 써 가선의 안정화를 이룰 수 있고, 또한 전동차 운영적인 측면에서 에너지 절약이 되고 차량에 양질의 전력을 공급할 수 차량부품의 신뢰성도 향상시킬 수 있고, 차량운행 시격도 줄일 수 있고, 차량 운영처의 운영유지보수비를 저감할 수 있다.

도 1a는 컨버터의 등가회로.

도 1b는 도 1a의 벡터도

도 2는 본 발명에 의한 정류장치 및 컨버터 직렬 방식을 이용한 전압공급 전력회생회로의 회로도.

도 3은 본 발명의 블록도.

도 4는 회생 전력 공급하기 위한 PWM 컨버터

도 5는 정류장치의 3상 정류에 의해 AC전압을 DC전압으로 공급하기 위한 구성도.

도 6은 정류장치와 PWM컨버터가 직렬동작시 제어각을 가변 했을 때 동작상황을 시뮬레이션 결과.

도 7은 PWM 컨버터가 직렬 동작시 가선 전압이 변동(하강)했을 때 동작상황을 시뮬레이션 결과.

도 8은 3상 PWM컨버터 시뮬레이션 제어블럭

도 9는 시스템 제어 시뮬레이션 제어블럭

Claims (4)

1. 상호 병렬접속되어 전압공급부로부터 공급되는 AC 전압을 일정 레벨로 변압하여 출력하는 제1 및 제2 변압기;

   상기 제1 변압기로부터 공급되는 AC 전압을 정류하여 제1 DC 전압을 공급하는 정류장치; 및

   상기 제2 변압기로부터 공급되는 AC 전압을 제2 DC 전압으로 변환한 후 상기 정류장치로부터 공급되는 상기 제1 DC 전압과 상기 제2 DC 전압을 더하여 상기 급전선으로 출력하고, 전동차 회생 또는 속도 감속시 회생된 에너지에 의해 상기 급전선으로부터 상승된 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 회생전압을 생성하는 PWM 인버터

   를 포함하는 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류장치로부터 출력되는 상기 제1 DC 전압은 1500V인 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 정류장치 및 상기 PWM 인버터는 각각 3상 전압형(VSI) 전력 변환기를 갖는 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전력 변환기는 IGBT, GTO 및 IGCT 소자 중 어느 하나로 이루어진 회생 전동차 대응한 직렬 DC 전압 급전 시스템.