KR100890951B1

KR100890951B1 - 전기이중층 커패시터를 이용한 도시철도의 회생전력저장시스템

Info

Publication number: KR100890951B1
Application number: KR1020070036733A
Authority: KR
Inventors: 김길동; 이한민; 박성혁; 이장무; 오세찬; 홍용기
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2009-04-03
Also published as: KR20080093177A

Abstract

본 발명은 DC/DC 컨버터를 이용하여 회생전력을 저장하는 저장시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 전동차의 회생제동에 의하여 발생하여 가선으로 되돌려지는 회생전력을 가선으로부터 공급받아 저장하고 필요에 따라 이를 다시 전동차에 공급하는 전기이중층 커패시터를 이용한 도시철도의 회생전력 저장시스템에 관한 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 가선, 필터부, 저장부, 양방향 DC/DC 컨버터, DC/DC 필터, 전압검출부 및 제어부를 구비한다.

가선은 전동차에 전기를 공급하는 경로이며, 전동차의 감속시 회생제동에 의하여 발생하는 전기가 되돌려진다. 필터부는 상기 가선에 전기적으로 연결되어 고주파 성분을 제거한다. 저장부는 전기적 에너지를 저장하는 전기 이중층 커패시터로 이루진다. 양방향 DC/DC 컨버터는 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 개폐한다. DC/DC 필터는 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 저장부 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거한다. 전압검출부는 상기 필터부에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 검출한다. 제어부는 전압검출부에서 검출된 가선의 전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터의 각각에 개폐 제어신호를 출력한다.

상기와 같은 구성을 통하여 본 발명은 순간적인 회생전압에 빠르게 대응하여 빠른 속도로 전기적 에너지를 저장하고, 다시 가선등을 통하여 전기에너지를 공급함에 있어서도 에너지 자체의 성질을 변환하지 않은 상태에서 공급하게 됨으로써 빠르게 전력을 공급할 수 있으며, 전체 도시철도 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 증가시키는 효과를 가진다.

DC/DC 컨버터, 슈퍼 커패시터, 전기이중층 커패시터, 회생전력

Description

전기이중층 커패시터를 이용한 도시철도의 회생전력 저장시스템 {Restoration-electric power storage system of electric railway using electric double layer capacitor}

도 1은 본 발명에 의한 회생전력 저장시스템을 나타내는 블록도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 충전부 20: 필터부

30: 양방향 DC/DC 컨버터 50: 저장부

60: 제어부 70: 전류검출부

80: 전압검출부 90: 커패시터 모니터링부

최근 전동차의 제동방식으로는 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속을 하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다. 이러한 회생제동방식은 전체 시스템의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 채용범위가 점차 확대되고 있다.

그러나 가속된 전동차가 주행 중 정차를 하기 위하여 회생제동 방식으로 감속을 하는 경우 전동기는 발전기로 동작하여 발전제동을 수행하므로 순간적으로 큰 전압(회생전력)이 발생하게 된다. 이러한 회생전력은 가선에 순간적으로 큰 전압을 인가시킴으로써 가선접압을 변동시켜 시스템을 불안정하게 할 뿐 아니라, 후행 전동차가 그 전압을 수용하지 못하는 경우 가선전압의 변동요인으로만 작용하여 후행 차량 고장의 원인이 되기도 한다.

한편 전동차의 전압공급방식은 정류기를 통하여 AC전압을 DC전압으로 변환한 후 공급하는 방식이며, 상기 정류기는 순방향 다이오드 방식으로 회로가 연결되어 있어 전동차의 회생전력은 전원 측으로 반환되지 않는다. 따라서 가선 상에서 소비되지 않는 잉여 회생전력은 열에너지로 전환되어 소비되거나, 가선의 전압을 상승 시켜 진입하는 열차의 과전압으로 자동차단되거나 또는 가선이 전압을 수용하지 못해 자기저항에서 회생전력을 소비하여 회생실효 상태가 발생하기도 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 DC정류기에 회생용 인버터(inverter)를 설치하여 가선의 전압을 교류로 전환하여 전원측으로 반환하거나 가선으로부터 회생전력을 받아 저장하는 별도의 저장장치를 설치하기도 하였다.

그러나 여러 대의 전동차에 의해 발생하는 회생전력이 인버터를 통해 그대로 여과없이 전원측으로 반환되는 경우, 상기 회생전력에는 고조파를 포함하고 있어 수용가에 예기치 못한 피해를 줄 우려가 있다.

또한 별도의 저장장치를 이용하는 예로서는 본원 출원인이 2004년 12월 24일 출원한 "대한민국 등록특허 제10-0659366-0000호"의 프라이휠(Fly-wheel) 저장장치가 있다.

상기 플라이휠 저장장치는 전기 공급경로임과 동시에 상기 전동차의 감속시 회생제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 경로인 가선; 상기 가선에 전기적으로 연결되고 전원 입출력이 단속가능한 게이트; 상기 게이트에 연결되어 전원이 공급되면 공급된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 저장하고, 제어신호에 의해 저장된 운동에너지를 전기에너지로 다시 변환하여 출력가능한 에너지 저장장치; 상기 가선에 전기적으로 연결되어 가선 전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 전압검출부에서 검출된 정보에 따른 제어신호에 의해 상기 게이트를 구동시키는 게이트구동회 로; 및 상기 전압검출부의 검출 전압을 판단하여 게이트구동회로에 제어신호를 출력하고 에너지 저장장치의 작동을 제어하여 전기에너지와 운동에너지간의 변환 및 전원입출력을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하여 구성된다.

그러나 이는 저장부가 기계적으로 구성되고 동작되므로 소음이 크고, 장치 자체의 부피가 크며, 전기에너지를 운동에너지로 변환되는 과정이 포함되어 있어 순간적인 전기에너지를 받아 저장하는데 비효율적인 면이 있는 등의 개선의 여지가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 회생전력을 적절한 크기의 DC전압으로 변환하여 전기적인 에너지 자체로 저장하고 필요시 다시 전기에너지를 제공하는 수단을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 과제는 기존 플라이휠 방식의 저장장치에 비하여 순간적인 회생전압에 빠르게 대응하고, 급속 충전 및 방전이 가능하며 반영구적인 저장수단을 제공하는 데 있다.

나아가 본 발명은 충전부를 더 구비할 수 있다.

충전부는 상기 가선과 필터부 사이에 전기적으로 연결되어 상기 필터부의 커패시터의 충전시 과전류를 방지한다.

나아가 본 발명은 전류검출부를 더 구비할 수 있다.

전류검출부는 상기 필터부로 유입되는 전류량를 검출하여 제어부로 출력한다. 이때 상기 충전회로는 충전회로와 가선의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치를 더 구비하고, 상기 제어부는 전류검출부로부터 과전류가 검출되는 경우 상기 차단스위치를 개방시킨다.

한편, 본 발명은 커패시터 모니터링부를 더 구비할 수 있다.

커패시터 모니터링부는 상기 저장부의 전압, 전력을 측정하여 상기 제어부로 출력한다. 이때 상기 제어부는 충전모드에서 상기 저장부가 완충되는 경우 상기 제1트랜지스터를 Off 상태로 제어하는 신호를 출력하고, 전력공급모드에서 상기 커패시터 모니터링부로부터 입력된 전압이 기준 전압 이하가 되는 경우 상기 제2트랜지스터를 Off 상태로 제어하는 신호를 출력한다.

이하 [도 1]을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. [도 1]은 본 발명의 바람직한 실시예를 대략적으로 나타내는 회로도이다.

이하 전기 이중층 커패시터(EDLC; electric dual layer capacitor)는 EDLC로 약칭한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 구성은 전체적으로 충전부(10), 필터부(20), 양방향 DC/DC 컨버터(30), DC/DC 필터(40), 저장부(50), 제어부(60), 전류검출부(70) 및 전압검출부(80)로 되어 있다.

필터부(20)를 설명한다.

DC-DC 콘버터는 기본적으로 내부에서 높은 주파수(수십kHZ ~수백kHZ)로 발진을 시켜 승압,강압을 시키는 장치이므로 내부에서 트랜지스터나 FET등에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 입력 및 출력 전원선을 통해 나가는 것을 막기 위하여 필터가 필요하다.

본 실시예에서는 필터부(20)가 직렬 연결된 인덕터(21)와 병렬로 연결된 커패시터(22)로 이루어져 있으나 이 필터부(20)는 고주파 노이즈를 제거하기 위한 것으로서 다른 등가 회로 등으로 치환이 가능하다.

충전부(10)를 설명한다.

필터부(20)는 고주파 노이즈가 통과하는 것을 차단하는 역할을 하게되는데 본 바람직한 실시예에 의한 필터부(20)는 커패시터가 포함된다. 작은 용량의 커패시터는 충전시까지 걸리는 시간이 짧기 때문에 큰 문제가 되지 않으나 대용량의 커패시터의 경우 충전이 어느 정도 진행되어 전류량이 감소하기 전까지는 단락되어 있는 상태와 마찬가지가 되므로 과전류의 위험이 존재한다. 이러한 과전류는 주변 시스템에 큰 문제를 일으킬 수 있으므로 보호회로를 구비하여야 한다. 이러한 보호회로의 역할을 충전부(10)가 하게 된다.

충전스위치(13)가 Off 상태가 되면 충전부(10)의 저항(15)에 의하여 과전류가 흐르는 것을 방지한다. 커패시터(22)가 충분히 충전되고 난 뒤에 충전스위치(13)를 On 상태로 하게 된다.

충전부의 임피던스(11)는 회로의 임피던스 매칭을 하기위한 것으로 필요에 따라 선택이 가능하다. 차단스위치(12)는 고속차단기(5)와는 별도로 시스템 내부에서 전력을 차단하기 위한 것이다.

양방향 DC/DC컨버터(30)를 설명한다.

양방향 DC/DC컨버터(30)는 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 제1트랜지스터(31)와 제2트랜지스터(32)를 스위칭 하면서 양방향으로 DC 전압을 특정 DC전압으로 변환시킨다. 상기 제1트랜지스터(31)와 제2트랜지스터(32)에는 캐패시터(33,34)가 병렬로 더 구비되어 트랜지스터의 On/Off 동작이 고속(수십KHZ~수백 KHZ)으로 일어나는 경우 발생하는 전류 스파이크 상승을 억제한다. 제어신호에 의하여 제2트랜지스터가 Off되고 제1트랜지스터(31)가 On 상태로 스위칭하면 Buck Converter로서 작동하고, 제1트랜지스터가 Off 되고 제2트랜지스터(32)가 On 상태로 스위칭 되면 Boost Converter로서 작동하게 되지만 이 때 양방향 전력흐름을 제어하기 위해서는 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 180도 위상 차이를 두어 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우 주 스위칭 역할은 제2트랜지스터가 한다.

DC/DC 필터(40)를 설명한다.

필터부(20)에서 설명한 바와 같이 고주파 노이즈가 주위의 장치들로 흘러들어가 여러 가지 문제를 일으키는 것을 방지하기 위하여 DC/DC 필터(40)를 설명한다. 본 실시예에서는 인덕터(41)를 이용하였으나 같은 기능을 하는 여러 회로로 대치가 가능하다.

저장부(50)를 설명한다.

저장부(50)는 여러개의 EDLC(53)를 병렬 연결하여 구성되는데 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 전달받은 회생전력을 저장하게 된다. 이 때 커패시터의 용량에 따라 저장 시간이 결정된다.

한편 스위치(51)와 저항(52)은 커패시터에 저장된 전력을 인위적으로 소모시 키기 위한 부분이다.

여러 검출장치들을 설명한다.

전류검출부(70)는 필터부(20)로 유입되는 전류를 측정하여 후술할 제어부(60)로 출력하며, 전압검출부(80)는 필터부(20)의 커패시터(22) 양단의 전압 즉, 가선(1)의 전압을 검출하여 제어부(60)로 출력하게 된다. 커패시터 모니터링부(90)는 저장부(50)의 EDLC(53)의 전압 및 충전량 등을 측정하여 제어부(60)로 출력하게 된다.

제어부(60)를 설명한다.

제어부(60)는 마이크로프로세서 또는 일반 컴퓨터시스템으로 구성하는 것이 가능하다.

국내의 도시철도, 지하철 및 경전철에 있어서 차량에 제공되는 기준전압은 1500V 또는 750V인 경우가 대부분이다. 회생전력을 저장하는 기준전압은 상기 인가 전압보다 크게 설정되며, 회생전력을 다시 가선으로 공급하는 기준전압은 상기 인가 전압보다 작게 설정된다. 예를 들어 인가전압 1500V, 회생전력 저장기준 전압은 상기 인가전압 보다 큰 1800V 그리고 회생전력 공급기준 전압은 상기 인가접압 보다 작은 1000V로 설정한 경우 제어부(60)의 구성을 설명하면 다음과 같다.

제어부(60)는 전압검출부(80)로부터 가선의 전압을 입력받아 가선(1)전압이 1800V 이상이 되는 경우 충전모드로 전환하기 위하여 제1트랜지스터(31)를 On 상태 로 스위칭시키기 위한 제어신호를 출력한다. 이때 양방향 DC/DC 컨버터는 Buck Converter로서 작동하게 된다.

또한 가선전압이 1000V 이하로 떨어지는 경우에는 제어부는 제1트랜지스터를 Off 상태로, 제2트랜지스터를 On 상태로 제어하는 신호를 출력한다. 이때 양방향 DC/DC 컨버터는 Boost Converter로서 작동하게 된다.

본 실시예의 경우 제어부는 제1트랜지스터(31) 및 제2트랜지스터(32)를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어신호를 출력한다. PWM 제어에 관하여는 공지의 방법이므로 상세한 설명을 생략한다.

한편 커패시터 모니터링부(90)가 저장부(50)가 완충상태임을 출력한 경우에는 가선전압이 1800V(저장 기준 전압) 이상이 되더라도 충전모드로 전환하지 않으며 커패시터 모니터링부(90)에 의하여 측정된 저장부(50)의 전압이 1000V(공급 기준 전압) 이하일 경우에는 전력공급모드로 전환하지 않는다.

이하 본 실시예에 의한 작용을 설명한다.

도시철도 전동차는 정차역 사이를 주행 및 정차를 반복하며 운행한다. 이 때 전동차는 가선을 통해 DC 전압을 공급받아 전동기(모터)를 구동함으로써 가속을 하게 되고, 일정한 속도로 가속된 후에는 관성을 이용하여 관성운행을 하게 되며, 감속시에는 전동기가 발전기 기능을 하면서 전동차의 관성 운동에너지를 이용하여 발전을 함으로써 회생전력을 발생시킨다. 이러한 회생전력은 가선으로 돌려지게 된다.

이러한 회생전력을 저장하기 위하여 본 실시예에 의한 회생전력 저장시스템의 작용 혹은 작동은 작동초기모드, 일반감시모드, 충전모드, 전력공급모드로 구분될 수 있다.

[도 1]을 참조하여 보면 작동초기모드는 필터회로의 커패시터(22)을 충전하기 위한 단계이다.

앞서 설명한 바와 같이 충전부(10)는 충전스위치(13)에 의하여 과전류를 방지하며 필터부(20)의 커패시터(22)를 충전시킨다. 이 때 충전스위치가 On 상태로 전환되는 시기는 필터부(20)의 커패시터(22)가 약 70% 정도 충전되는 시기이다. 충전이 완료되면 필터부(20)의 커패시터 양단에는 가선 전압과 동일한 전압이 인가된다.

일반감시모드는 EDLC(53)의 충방전 작동없이 가선(1)의 전압을 측정하여 기준치와 비교하는 단계이다.

전압검출부(80)가 가선(1) 전압을 측정하여 그 측정치를 제어부(60)로 출력하면, 제어부는 기준치와 비교하여 충전모드로 전환할 것인지 전력공급모드로 전환할 것인지를 판단하고 그 판단에 따라 양방향 DC/DC 컨버터로 제어신호를 출력하게 된다.

구체적으로 본 실시예의 경우는 가선전압이 1800V 이상이며 저장부(50)가 완충상태가 아닌 경우 충전모드로 전환하여 Buck Converter로서 작동하며, 가선전압 이 1000V 이하로 떨어지고 저장부(50)의 EDLC(53) 양단의 전압이 기준치 이하가 아닌 경우 전력공급모드로 전환하여 Boost Converter로서 작동하게 된다. 한편 상기 저장 및 공급 기준 전압은 가선 및 주위 시스템의 상황에 따라 선택가능하다.

충전모드로 전환되면 양방향 DC/DC 컨버터는 제1트랜지스터가 On 상태로 스위칭되고 제2트랜지스터가 Off 상태로 스위칭되어 Buck converter로서 동작하므로 가선전압은 저장부(50)의 EDLC(53)의 정격전압 내의 전압으로 전환되어 가선으로부터 전달된 전력이 EDLC(53)에 저장된다.

한편 커패시터 모니터링부(90)에 의하여 EDLC(53)가 완충된 것으로 측정되면 제어부(60)는 제1트랜지스터(31)를 Off 시키는 제어신호를 출력하고 충전모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.

전력공급모드로 전환되면 양방향 DC/DC 컨버터는 Boost Converter로 작동하므로 EDLC에 저장되어 있던 전력이 다시 가선에 공급되기 적당한 전압으로 전환되어 가선으로 되돌려진다. 이 때 EDLC의 전압이 일정 이하로 떨어지게 되면 제어부(60)는 제1트랜지스터 및/또는 제2트랜지스터를 Off 시키는 제어신호를 출력하여 전력공급모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 도시철도 회생전력 저장시스템으로 구현될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명에 의한 도시철도 회생전력 저장시스템은 회생전력을 적절한 크기의 DC전압으로 변환하여 전기적인 에너지 자체로 저장하고 가선이 기준전압 이하로 내려가는 경우 다시 가선을 통하여 인접 전동차 등으로 전기에너지를 제공할 수 있다. 따라서 순간적으로 발생하는 회생에너지에 대하여 빠른 대응을 함으로써 가선전압이 불안정하게 변동하여 기타 시스템이 불안정해지는 것을 방지하는 효과가 있으며 특히 운행구간이 짧아 가선전압의 변동이 상대적으로 큰 도시철도 구간에서는 이러한 효과가 더욱 크다.

또한 본 발명에 의한 도시철도 회생전력 저장시스템은 기존 플라이휠 방식의 저장장치에 비하여 순간적인 회생전압에 빠르게 대응하여 빠른 속도로 전기적 에너지를 저장하고, 다시 가선등을 통하여 전기에너지를 공급함에 있어서도 에너지 자체의 성질을 변환하지 않은 상태에서 공급하게 됨으로써 빠른게 전력을 공급할 수 있다.

또한 저장장치로서 커패시터를 이용하여 화학적 배터리나 기계적 특성을 이용한 저장장치에 비하여 무게나 부피를 줄일 수 있으며, 다양한 용량으로 설치가 가능한 효과가 있다.

즉, 본 발명은 전체 도시철도 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 증가시키는 효과를 가진다.

Claims

전동차에 전기를 공급하는 경로이며, 전동차의 감속시 회생제동에 의하여 발생하는 전기가 되돌려지는 가선;

상기 가선과 필터부(20) 사이에 구비되며, 임피던스(11), 차단스위치(12) 및 저항(15)을 포함하고, 상기 저항(15)와 병렬로 연결되어 후단에 접속되는 필터부(20)의 캐패시터(22) 충전 상태에 따라 동작되는 충전스위치(13)로 구성된 충전부;

상기 충전부를 통해 상기 가선에 전기적으로 연결되어 고주파 성분을 제거하는 필터부;

전기적 에너지를 저장하는 전기 이중층 커패시터로 이루어지는 저장부;

필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 개폐함으로써 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터;

상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 저장부 사이에 전기적으로 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 DC/DC 필터;

상기 필터부에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 검출하는 전압검출부;

전압검출부에서 검출된 가선의 전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터의 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부: 를 포함하되,

상기 제1트랜지스터와 제2트랜지스터에는 캐패시터(33,34)가 병렬로 더 구비되며,

상기 저장부의 전압, 전력을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 커패시터 모니터링부(90)를 더 구비하며,

상기 제어부는 충전모드에서 상기 저장부가 완충되는 경우 상기 제1트랜지스터를 Off 상태로 제어하는 신호를 출력하고, 전력공급모드에서 상기 커패시터 모니터링부로부터 입력된 전압이 기준 전압 이하가 되는 경우 상기 제2트랜지스터를 Off 상태로 제어하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 도시철도의 회생전력 저장시스템.
제1항에 있어서,

상기 충전스위치(13)는 상기 캐패시터(22)가 70% 충전될 때 스위치 ON 작동되는 것을 특징으로 하는 도시철도의 회생전력 저장시스템.
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