KR100964631B1 - Power supply system for an electric rail car having function for stabilizing voltage of a wire - Google Patents

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Abstract

이 발명은, 하나의 인버터를 통하여 4가지의 모드 기능을 하여 능동적으로 직류 가선의 전압변동을 안정화시킴으로써 직류 가선에 안정적인 전력공급을 공급하고 계통에 양질의 전력을 제공함과 동시에 열차운행에 안정성을 가져다 줄 수 있는, 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템에 관한 것으로서,The present invention provides four modes of function through one inverter, which actively stabilizes the voltage fluctuations of the DC line, providing stable power supply to the DC line, providing high-quality power to the system, and bringing stability to train operation. The present invention relates to a power supply system for a DC electric vehicle having a line voltage stabilization function,

계통으로부터 공급되는 교류전압을 변압하기 위한 변압기와, 상기한 변압기에 각각 연결되어 있는 주 정류기 및 가선전압 안정화 장치가 설치되어 있는 변전소를 포함하여 이루어지며, 상기한 가선전압 안정화 장치는, 변압기에 연결되어 있는 수동 필터부와, 상기 수동 필터부에 연결되어 있는 3상 PWM 인버터부와, 직류가선의 전압을 실시간으로 확인하는 센싱부와, 상기 센싱부에 연결되어 직류가선의 전압이 정상적인 운행구간에서는 능동전력필터로 동작하여 계통의 고조파를 보상하여 주고, 직류가선전압이 기준전압보다 상승했을때는 회생모드로 동작을 하고, 직류가선에 전압이 전혀 공급되지 않을 경우에는 3상 PWM 인버터부가 주 정류기를 대신하여 직류가선에 전력을 공급하는 예비모드로 동작을 하고, 직류가선전압이 기준전압보다 하강하였을 때에는 인버터를 통하여 가선전압을 보상하여주는 보상모드로 동작을 하도록 상기 3상 PWM 인버터부를 제어하는 제어부와, 상기한 제어부에 의해 온오프됨으로써 상기 3상 PWM 인버터부와 직류가선을 연결 또는 차단하는 마그네틱 스위치를 포함하여 이루어진다. And a transformer for transforming an AC voltage supplied from the system, and a substation provided with a main rectifier and a line voltage stabilization device respectively connected to the transformer, wherein the line voltage stabilization device is connected to a transformer. A passive filter unit, a three-phase PWM inverter unit connected to the passive filter unit, a sensing unit for checking the voltage of the DC wire in real time, and a voltage of the DC wire connected to the sensing unit in a normal driving section It operates as an active power filter to compensate for harmonics in the system. When the DC line voltage rises above the reference voltage, it operates in regenerative mode. When no voltage is supplied to the DC line, the 3-phase PWM inverter unit Instead of the rectifier, it operates in the reserve mode of supplying power to the DC line, and the DC line voltage drops below the reference voltage. In this case, the control unit controls the three-phase PWM inverter unit to operate in a compensation mode that compensates the wire voltage through the inverter, and the three-phase PWM inverter unit and the DC wire are connected or disconnected by being turned on and off by the control unit. It is made by including a magnetic switch.

변압기, 주정류기, 가선전압, 수동 필터부, 인버터부, 센셍부, 제어부  Transformer, Main Rectifier, Line Voltage, Passive Filter, Inverter, Sensing, Control

Description

가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템{Power supply system for an electric rail car having function for stabilizing voltage of a wire}Power supply system for an electric rail car having function for stabilizing voltage of a wire}

이 발명은 직류 전동차 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 하나의 인버터를 통하여 4가지의 모드 기능을 하여 능동적으로 직류 가선의 전압변동을 안정화시킴으로써 직류 가선에 안정적인 전력공급을 공급하고 계통에 양질의 전력을 제공함과 동시에 열차운행에 안정성을 가져다 줄 수 있는, 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to the field of DC electric vehicles, and more specifically, it has four mode functions through one inverter to actively stabilize the voltage fluctuation of the DC line, thereby supplying a stable power supply to the DC line and supplying high-quality power to the system. The present invention relates to a power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function, which can provide stability to train operation at the same time.

직류 전동차를 운행시키기 위해서는 직류 전동차에 DC 전력을 공급해주기 위한 급전 시스템을 필요로 한다. In order to operate a DC train, a power supply system for supplying DC power to the DC train is required.

도 1은 종래의 직류 전동차용 급전 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a power supply system for a conventional DC electric vehicle.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 직류 전동차용 급전 시스템은, 계통으로부터 공급되는 교류전압을 변압하기 위한 변압기(11)와, 상기한 변압기(11)에 각각 연결되어 있는 주 정류기(12) 및 예비 정류기(13)와, 상기한 주 정류기(12) 및 예비 정류기(13)에 연결되어 있는 저항기(14)가 설치되어 있는 변전 소(10)를 포함하여 이루어지며, 상기한 변전소(10)가 여러 군데 설비되어 있는 구성으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, a conventional power supply system for a direct current electric vehicle includes a transformer 11 for transforming an AC voltage supplied from a system, and a main rectifier 12 connected to the transformer 11, respectively. And a substation 10 provided with a preliminary rectifier 13 and a resistor 14 connected to the main rectifier 12 and the preliminary rectifier 13, and the substation 10 described above. It consists of a configuration that is installed in several places.

하나의 변전소(10)는 두 구간의 직류가선을 담당하여 급전을 하게 되는데, 전동차(20)에 DC 전력을 공급하게 되는 직류가선 한 구간의 길이는 대략 3~4Km이다. 그리고, 하나의 변전소(10)에는 3대의 다이오드 정류기가 설치되어 있는데, 그 중에서 2대의 다이오드 정류기는 각각 한 구간의 직류가선을 담담하는 주 정류기(12)로서 사용되며, 나머지 1대의 다이오드 정류기는 예비 정류기(13)로서 주 정류기(12)의 고장시에 하나의 직류가선에 대한 전력을 담당하도록 되어 있다.One substation 10 is in charge of the DC line of the two sections to be fed, the length of one section of the DC line to supply DC power to the electric vehicle 20 is approximately 3 ~ 4Km. In addition, three diode rectifiers are installed in one substation 10, of which two diode rectifiers are used as main rectifiers 12 which respectively cover a DC line in one section, and one diode rectifier is used. The preliminary rectifier 13 is configured to take charge of power for one DC wire in the event of failure of the main rectifier 12.

상기한 구성에 의한 종래의 직류 전동차용 급전 시스템은, 변전소(10)에서 변압기(11)와 주 정류기(12)를 이용하여 AC 전력을 DC 전력으로 변환한 뒤에 이를 직류가선을 통하여 직류 전동차(20)에 공급함으로써 직류 전동차(20)가 운행될 수 있도록 한다. The conventional power supply system for a direct current electric vehicle according to the above-described configuration converts AC power into DC power using a transformer 11 and a main rectifier 12 in a substation 10, and then converts the AC power into DC power through a DC electric wire ( 20 to allow the DC electric vehicle 20 to be driven.

일반적으로 상기한 직류가선의 전압은 전동차의 운행 전동차의 운행 조건에 따라 순시적으로 변화하게 되는데, 크게 직류가선 전압이 안정영역을 넘어 상승하는 경우와, 직류가선 전압이 안정영역에 존재하는 경우와, 직류가선 전압이 안정영역보다 낮아지는 경우의 3가지로 나눌 수 있으며, 위의 3가지 경우중에서 직류가선 전압이 안정영역을 넘어 상승하는 경우와 직류가선 전압이 안정영역보다 낮아지는 경우에는 전동차(20)의 운행에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 이를 해결하기 위한 방법을 필요로 하게 되며, 종전의 직류 전동차 급전 시스템에서는 이를 다음과 같이 해결하고 있다.In general, the voltage of the DC wire is instantaneously changed according to the driving conditions of the driving of the electric vehicle. When the DC wire voltage rises beyond the stable region, the DC wire voltage is present in the stable region. And the case where the DC line voltage is lower than the stable region. Among the above three cases, the DC line voltage rises beyond the stable region and the DC line voltage is lower than the stable region. When losing, it may cause a problem in the operation of the electric vehicle 20, so a method for solving the problem is required, and the conventional DC electric vehicle feeding system solves this as follows.

먼저, 전동차(20)가 정차역에 정지하기 위하여 제동중이거나 하향 구배구간을 주행하는 경우에, 전동차의 견인 전동기가 발전기와 같이 동작하여 견인 전동기로부터 전력이 발생하게 된다. 이와 같이 전동차(20)의 견인 전동기로부터 발생된 전력은 전체전력의 약 40∼45%정도가 되는데, 이 전력의 일부는 인접한 다른 차량에서 소비되고, 약 10～20%인 잉여 전력은 직류가선측으로 공급되어 직류가선의 전압을 상승시키게 된다. First, when the electric vehicle 20 is braking or driving down a gradient section to stop at a station, the traction motor of the electric vehicle operates like a generator to generate electric power from the traction motor. In this way, the electric power generated from the traction motor of the electric vehicle 20 is about 40 to 45% of the total power, and a part of this power is consumed by another adjacent vehicle, and the surplus power of about 10 to 20% is the DC line side. Supply to increase the voltage of the DC wire.

이와 같은 직류가선의 전압상승은 변전소의 정류기 및 차량에 탑재된 전력 변환기의 장애를 일으키는 원인이 되기 때문에, 이를 방지하기 위해 저항기(14)를 이용하여 잉여 전력을 강제로 소모시킴으로써 직류가선의 과전압을 방지한다. Since the voltage rise of the DC wire causes a failure of the rectifier of the substation and the power converter mounted on the vehicle, the excessive voltage of the DC wire is reduced by forcibly consuming surplus power using the resistor 14 to prevent this. prevent.

또한, 주 정류기(12)에 고장이 발생하는 경우에 직류가선측으로 전력이 공급되지 못함으로써 직류가선의 전압이 안정영역보다 절대적으로 낮아지게 된다. In addition, when a failure occurs in the main rectifier 12, the power is not supplied to the DC line side, so that the voltage of the DC line is lower than the stable region.

이 경우에는 예비 정류기(13)를 이용하여 전압을 공급함으로써 전동차(20)가 정상적으로 운행될 수 있도록 한다. In this case, the electric vehicle 20 may operate normally by supplying a voltage using the preliminary rectifier 13.

그러나, 상기한 종전의 직류 전동차 급전 시스템은, 저항기(14)를 통하여 직류전압 상승분을 강제로 소비하기 때문에 에너지를 사용함에 있어서 효율을 떨어뜨리고 있다는 단점뿐만 아니라, 변전소(10)의 온도 상승을 초래하여 다른 전기설비의 오동작을 유발할 수 있다는 문제점을 가지고 있다.However, the conventional direct current electric vehicle power supply system described above not only has the disadvantage of lowering efficiency in using energy because the DC voltage increase is forcibly consumed through the resistor 14, but also causes the temperature increase of the substation 10. There is a problem that can cause a malfunction of other electrical equipment.

또한 상기한 종전의 직류 전동차 급전 시스템은, 교류전압을 직류전압으로 변환하는 전력변환기로서 다이오드 정류기를 사용하고 있는데, 이와 같이 다이오드 정류기를 사용하는 경우, 전고조파 함유율은 최저 14%정도로 전력변환 방법상 많은 전류의 고조파를 발생시키고 있고, 역률은 0.92 정도로 낮음으로써 전력품질의 관점에서 보았을 때 상대적으로 효율이 저하되는 문제점이 있다.In addition, the above-described direct current electric vehicle power supply system uses a diode rectifier as a power converter for converting an AC voltage into a DC voltage. In the case of using the diode rectifier, the total harmonic content is at least 14%. Since a lot of harmonics of current are generated and the power factor is about 0.92, there is a problem in that efficiency is lowered in view of power quality.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 직류가선에서 발생되는 잉여 DC 전력을 회생용 인버터를 사용하여 스위칭 펄스 형태로 변환하고 회생용 인버터의 후단의 트랜스포머에서 정현파 형태의 파형으로 출력하여 AC 전력으로 만들어서 AC 전력라인으로 제공함으로써 에너지를 전원계통으로 회생시킬 수 있도록 하는 회생 시스템에 관한 기술이 제시되고 있다.In order to solve these problems, the surplus DC power generated from the DC line is converted into the switching pulse form by using the regenerative inverter, and the AC power is made by outputting the sinusoidal waveform from the transformer of the rear stage of the regenerative inverter to AC power. Techniques for regenerative systems that allow energy to be regenerated into the power system by providing in line have been proposed.

참고로, 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0603963(공고일자 2006년 07월 24일)의 "능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차 시스템의 전력 회생장치"에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 인버터를 이중화하고 이에 고압 변압기를 결선하여 스위칭 주파수를 상승시킴으로써 인버터에 의한 전력소모를 크게 하지 않고서도 고압 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 정현파에 가까운 깨끗한 AC 파형을 얻을 수 있도록 하는 기술이 본 출원인에 의해 개시된 바 있다.For reference, in the "Power Regenerative System of an Electric Vehicle System with an Active Power Filter Function" of Republic of Korea Patent Publication No. 10-0603963 (announced July 24, 2006), an inverter using IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is redundant. The present invention discloses a technique for obtaining a clean AC waveform close to a sine wave by increasing the switching frequency by connecting the high voltage transformer to increase the frequency of the output terminal of the high voltage transformer without increasing power consumption by the inverter. There is a bar.

또한, 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0629428(공고일자 2006년 09월 27일)의 "에너지 회생을 위한 전동차의 직류전원 공급 시스템"에는 전동차가 제동을 하거나 하강 경사로 주행을 하는 동안 회생되는 전력을 재생함에 있어 멀티레벨 인버터를 채용하여 회생용 전압을 스위칭시킴으로써 고조파 성분을 대폭 감소시키고 멀티레벨 인버터의 각 스위칭 소자에 인가되는 전압이 일반적인 인버터에 비해 1/2로 줄어들어 스위칭 소자의 정격을 낮추어 소자 비용을 줄일 수 있으며, 또한 스위 칭 동작시 스위칭 노이즈를 상당히 줄일 수 있는 기술이 본 출원인에 의해 개시된 바 있다.In addition, the "DC power supply system of an electric vehicle for energy regeneration" of the Republic of Korea Patent Publication No. 10-0629428 (announced September 27, 2006), the power that is regenerated while braking or driving down the ramp In regeneration, switching the regenerative voltage by using the multi-level inverter greatly reduces the harmonic content, and the voltage applied to each switching element of the multi-level inverter is reduced by 1/2 compared to the general inverter, thereby lowering the rating of the switching element. It has been disclosed by the present applicant to reduce the noise and to significantly reduce the switching noise during the switching operation.

그러나, 상기한 종래의 기술들은, 직류 전동철의 운행조건에 따라 급변하는 직류 가선전압을 보상하여 일정 영역안에 직류전압으로 유지하여야 하지만, 가선전압이 전동차가 운행할 수 있는 기준전압보다 낮아졌을 때에도 계속적으로 능동전력필터로서 작용하여 고조파 보상만을 하기 때문에, 가선전압의 순간적인 전압강하에 대한 보상 대책은 준비되어 있지 않은 문제점이 있다.However, the above-mentioned conventional techniques should compensate for the DC line voltage rapidly changing according to the operating conditions of the DC train, and maintain the DC voltage within a certain range, even when the line voltage is lower than the reference voltage at which the electric vehicle can operate. Therefore, since only the harmonic compensation is performed by acting as an active power filter, there is a problem that a countermeasure against the instantaneous voltage drop of the line voltage is not prepared.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정상적인 운행구간에서는 능동전력필터로 동작하여 계통의 고조파를 보상하여 주고, 가선전압이 기준전압보다 상승했을때는 회생모드로 동작을 하고, 가선전압에 전압이 전혀 공급되지 않을 경우에는 예비모드로 동작을 하고, 가선전압이 기준전압보다 하강하였을 때에는 인버터를 통하여 가선전압을 보상하여주는 보상모드로 동작을 함으로써 하나의 인버터를 통하여 4가지의 모드 기능을 하여 능동적으로 직류 가선의 전압변동을 안정화시킴으로써 직류 가선에 안정적인 전력공급을 공급하고 계통에 양질의 전력을 제공함과 동시에 열차운행에 안정성을 가져다 줄 수 있는, 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to solve the conventional problems as described above, to operate as an active power filter in the normal running section to compensate the harmonics of the system, the operation in the regenerative mode when the line voltage rises above the reference voltage If no voltage is supplied to the line voltage, it operates in the reserve mode. When the line voltage falls below the reference voltage, the inverter operates in the compensation mode that compensates the line voltage through the inverter. It has a line voltage stabilization function that can provide stable power supply to the DC line, provide high-quality power to the system, and bring stability to the train operation by actively stabilizing the voltage fluctuation of the DC line by functioning as a branch mode. To provide a feed system for a DC electric vehicle.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 계통으로부터 공급되는 교류전압을 변압하기 위한 변압기와, 상기한 변압기에 각각 연결되어 있는 주 정류기 및 가선전압 안정화 장치가 설치되어 있는 변전소를 포함하여 이루어지며, 상기한 가선전압 안정화 장치는, 변압기에 연결되어 있는 수동 필터부와, 상기 수동 필터부에 연결되어 있는 3상 PWM 인버터부와, 직류가선의 전압을 실시간으로 확인하는 센싱부와, 상기 센싱부에 연결되어 직류가선의 전압이 정상적인 운행구간에서는 능동전력필터(Active Power Filter, APF)로 동작하여 계통의 고조파를 보상하여 주고, 직류가선전압이 기준전압보다 상승했을때는 회생모드로 동작을 하고, 직류가선에 전압이 전혀 공급되지 않을 경우에는 3상 PWM 인버터부가 주 정류기를 대신하여 직류가선에 전력을 공급하는 예비모드로 동작을 하고, 순간적으로 직류가선전압이 기준전압보다 하강하였을 때에는 인버터를 통하여 가선전압을 보상하여주는 보상모드로 동작을 하도록 상기 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다. As a means for achieving the above object, the configuration of the present invention includes a transformer for transforming an alternating voltage supplied from a system, and a substation provided with a main rectifier and a line voltage stabilization device respectively connected to the transformer. The wire voltage stabilization device includes a passive filter unit connected to a transformer, a three-phase PWM inverter unit connected to the passive filter unit, a sensing unit for real-time checking the voltage of the DC wire; It is connected to the sensing unit and compensates the harmonics of the system by operating as an active power filter (APF) in the normal operating section of the DC line voltage. If no voltage is supplied to the DC line at all, the three-phase PWM inverter unit transfers to the DC line instead of the main rectifier. The three-phase PWM (Pulse Width Modulation) inverter unit to operate in a compensation mode that compensates for the line voltage through the inverter when the DC line voltage falls below the reference voltage. It includes a control unit for controlling.

이 발명의 구성은, 상기한 제어부에 의해 온오프됨으로써 상기 3상 PWM 인버터부와 직류가선을 연결 또는 차단하는 마그네틱 스위치(Magnetic Switch)를 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.The configuration of the present invention is preferably made by further comprising a magnetic switch for connecting or disconnecting the three-phase PWM inverter unit and the DC wire by being turned on and off by the control unit.

이 발명의 구성은, 상기 3상 PWM 인버터부는 3상을 형성하기 위한 6개의 스위칭 소자와, 상기한 6개의 스위칭 소자에 각각 병렬로 연결되어 있는 6개의 다이오드로 이루어지면 바람직하다.The configuration of the present invention is preferably such that the three-phase PWM inverter unit is composed of six switching elements for forming three phases and six diodes each connected in parallel to the six switching elements.

이 발명의 구성은, 상기한 스위칭 소자는 IGBT로 이루어지면 바람직하다. The configuration of the present invention is preferably such that the switching element is made of IGBT.

이 발명의 구성은, 상기 수동 필터부는 3상 PWM 인버터부가 계통으로 전력을 반환할 시에 계통측에 순수한 정현파 성분을 전달해 주기 위한 LCL 필터로 이루 어지면 바람직하다. The configuration of the present invention, the passive filter unit is preferably made of an LCL filter for delivering a pure sine wave component to the system side when the three-phase PWM inverter unit returns power to the system.

이 발명은, 하나의 인버터를 통하여 4가지의 모드 기능을 하여 능동적으로 직류 가선의 전압변동을 안정화시킴으로써 직류 가선에 안정적인 전력공급을 공급하고 계통에 양질의 전력을 제공함과 동시에 열차운행에 안정성을 가져다 줄 수 있는, 효과를 갖는다.The present invention provides four modes of function through one inverter, which actively stabilizes the voltage fluctuations of the DC line, providing stable power supply to the DC line, providing high-quality power to the system, and bringing stability to train operation. It can give an effect.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe in detail enough to enable those skilled in the art to easily carry out the present invention. . Other objects, features, and operational advantages, including the purpose, operation, and effect of the present invention will become more apparent from the description of the preferred embodiments.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.For reference, the embodiments disclosed herein are only presented by selecting the most preferred embodiment in order to help those skilled in the art from the various possible examples, the technical spirit of the present invention is not necessarily limited or limited only by this embodiment Rather, various changes, additions, and changes are possible within the scope without departing from the spirit of the present invention, as well as other equivalent embodiments.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 세부 회로 구성도이다.2 is a block diagram of a power supply system for a DC electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a DC electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention Detailed circuit diagram of the power supply system.

도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템의 구성은, 계통으로부터 공급되는 교류전압을 변압하기 위한 변압기(31)와, 상기한 변압기(31)에 각각 연결되어 있는 주 정류기(32) 및 가선전압 안정화 장치(33)가 설치되어 있는 변전소(30)를 포함하여 이루어지며, 상기한 변전소(30)가 여러 군데 설비되어 있는 구성으로 이루어진다.As shown in Figures 2 and 3, the configuration of the power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention, the transformer 31 for transforming the AC voltage supplied from the system and And a substation 30 in which the main rectifier 32 and the line voltage stabilization device 33 are installed, respectively, connected to the transformer 31, and the substation 30 is installed in several places. It consists of a configuration.

상기한 가선전압 안정화 장치(33)의 구성은, 변압기(31)에 연결되어 있는 수동 필터부(331)와, 상기 수동 필터부(331)에 연결되어 있는 3상 PWM 인버터부(332)와, 직류가선(21)의 전압을 실시간으로 확인하는 센싱부(333)와, 상기 센싱부(333)에 연결되어 직류가선(21)의 전압이 정상적인 운행구간에서는 능동전력필터로 동작하여 계통의 고조파를 보상하여 주고, 직류가선(21)의 전압이 기준전압보다 상승했을때는 회생모드로 동작을 하고, 직류가선(21)에 전압이 전혀 공급되지 않을 경우에는 3상 PWM 인버터부(332)가 주 정류기(32)를 대신하여 직류가선(21)에 전력을 공급하는 예비모드로 동작을 하고, 순간적으로 직류가선(21)의 전압이 기준전압보다 하강하였을 때에는 인버터를 통하여 가선전압을 보상하여주는 보상모드로 동작을 하도록 상기 3상 PWM 인버터부(332)를 제어하는 제어부(334)와, 상기한 제어부(334)에 의해 온오프됨으로써 상기 3상 PWM 인버터부(332)와 직류가선(21)을 연결 또는 차단하는 마그네틱 스위치(SW)를 포함하여 이루어진다. The configuration of the line voltage stabilization device 33 includes a passive filter unit 331 connected to the transformer 31, a three-phase PWM inverter unit 332 connected to the passive filter unit 331, The sensing unit 333 which checks the voltage of the DC line 21 in real time, and connected to the sensing unit 333 so that the voltage of the DC line 21 operates as an active power filter in a normal driving section. The harmonics are compensated for, and when the voltage of the DC wire 21 rises above the reference voltage, it operates in the regenerative mode. When the voltage is not supplied to the DC wire 21, the three-phase PWM inverter unit 332 ) Operates in the reserve mode of supplying power to the DC line 21 instead of the main rectifier 32, and when the voltage of the DC line 21 falls below the reference voltage momentarily, the line voltage through the inverter The three-phase PWM inverter unit 332 to operate in a compensation mode that compensates for By being turned on and off by the control controller 334 and the one control unit 334 comprises a magnetic switch (SW) to the three-phase PWM inverter unit 332 and the direct current is connected or cut off the line 21.

상기 센싱부(333)는 직류가선(21)의 전압의 크기를 실시간으로 검출하여 검출된 전압의 크기에 해당하는 전기적인 신호를 제어부(334)로 전송함으로써 제어부(334)가 검출된 전압의 상태에 따라서 3상 PWM 인버터부(332)의 동작모드를 결정할 수 있도록 하는 역할을 한다. The sensing unit 333 detects the magnitude of the voltage of the DC wire 21 in real time and transmits an electrical signal corresponding to the detected voltage to the control unit 334 so that the control unit 334 can detect the magnitude of the detected voltage. It serves to determine the operation mode of the three-phase PWM inverter unit 332 according to the state.

상기 제어부(334)는 상기 센싱부(333)에서 결정된 동작모드에 따라서 각 동작모드에 맞는 제어기법으로 3상 PWM 인버터부(332)의 스위칭을 결정하는 역할을 한다. 즉, 검출된 전압이 정상범위 보다 높은 경우, 3상 PWM 인버터부(332)가 회생모드에서 동작하도록 하고, 검출된 전압이 정상범위 내에 있을 경우 3상 PWM 인버터부(332)가 정상모드에서 동작하도록 하며, 전압이 전혀 검출되지 않을 경우에는 3상 PWM 인버터부(332)가 예비모드에 동작을 하도록 하며, 검출된 전압이 정상범위보다 낮은 경우 3상 PWM 인버터부(332)가 보상모드에서 동작하도록 한다. The control unit 334 determines the switching of the three-phase PWM inverter unit 332 by a control method for each operation mode according to the operation mode determined by the sensing unit 333. That is, when the detected voltage is higher than the normal range, the three-phase PWM inverter unit 332 operates in the regenerative mode, and when the detected voltage is within the normal range, the three-phase PWM inverter unit 332 operates in the normal mode. If no voltage is detected at all, the three-phase PWM inverter unit 332 operates in the reserve mode. If the detected voltage is lower than the normal range, the three-phase PWM inverter unit 332 operates in the compensation mode. Do it.

상기 3상 PWM 인버터부(332)는 3상을 형성하기 위한 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 스위칭 소자와, 상기한 6개의 IGBT에 각각 병렬로 연결되어 있는 6개의 다이오드로 구성되어 있으며, 직류가선(21)의 전압의 상태에 따라 4개의 동작모드로 동작한다. 4개의 동작모드는 각각, 정상모드, 회생모드, 예비모드, 보상모드이며, 이는 센싱부(333)에서 직류가선(21)으로부터 검출된 신호를 이용하여 제어부(334)가 결정한다. The three-phase PWM inverter unit 332 is composed of switching elements of six Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) for forming three phases, and six diodes connected in parallel to the six IGBTs, respectively. It operates in four operation modes according to the state of the voltage of the DC wire 21. The four operation modes are the normal mode, the regenerative mode, the preliminary mode, and the compensation mode, respectively, which are determined by the controller 334 using the signal detected by the DC wire 21 in the sensing unit 333.

상기 수동 필터부(331)는 계통과 3상 PWM 인버터부(332) 사이의 인터페이스(interface)로서 동작하며, 3상 PWM 인버터부(332)의 스위칭 주파수에 의한 고조파성분을 제거하는 역할을 수행하여 3상 PWM 인버터부(332)가 계통으로 전력을 반환할 시에 계통측에 순수한 정현파 성분을 전달해 주기 위한 LCL 필터로 이루어진다. The passive filter unit 331 operates as an interface between the system and the three-phase PWM inverter unit 332, and serves to remove harmonic components due to the switching frequency of the three-phase PWM inverter unit 332. When the three-phase PWM inverter unit 332 returns power to the system, it is composed of an LCL filter for delivering pure sinusoidal components to the system side.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전 시스템의 작용은 다음과 같다.The operation of the power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention by the above configuration is as follows.

도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 4가지 동작모드에 따른 전력흐름을 나타낸 도면이다.4A to 4D are diagrams illustrating power flows according to four operation modes of a power supply system for a DC electric vehicle having a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

계통으로부터 154KV 또는 22.9KV의 교류전압이 인가되면, Δ 결선 또는 Y 결선으로 이루어져 있는 변압기(31)를 통해 전압강하가 이루어지면서 주정류기(32)에 의해 직류전압으로 변환되어 직류가선(21)으로 인가됨으로써 전동차(20)가 운행될 수 있게 된다. When an AC voltage of 154 KV or 22.9 KV is applied from the system, a voltage drop is made through a transformer 31 consisting of a Δ connection or a Y connection, and is converted into a DC voltage by the main rectifier 32 to be a DC wire 21. By being applied to the electric vehicle 20 can be driven.

가선전압 안정화 장치(33)의 센싱부(333)가 검출한 직류가선(21)의 전압이 정상범위 안에 있고, 전체 급전시스템이 정상적으로 운전되고 있는 경우에, 제어부(334)는 3상 PWM 인버터부(332)가 정상모드에서 동작하도록 하며, 도 4의 (a)는 이 경우의 전력흐름을 나타낸다. When the voltage of the DC wire 21 detected by the sensing unit 333 of the line voltage stabilization device 33 is within the normal range and the entire power supply system is operating normally, the control unit 334 is a three-phase PWM inverter. The unit 332 is operated in the normal mode, and FIG. 4A shows power flow in this case.

정상모드에서 3상 PWM 인버터부(332)는 직류가선(21)과 분리되어 주 정류기(32)로 인해 발생하는 고조파를 보상하는 능동전력필터 기능을 수행한다. 제어부(334)는 마그네틱 스위치(SW)를 오프시키고 계통측의 고조파 성분을 검출하여 이와 동일한 고조파 성분을 3상 PWM 인버터부(332)가 제거하도록 스위칭함으로써 3상 PWM 인버터부(332)가 능동전력필터로서 기능하도록 하여 계통측의 전력품질을 개선시키는 역할을 한다. In the normal mode, the three-phase PWM inverter unit 332 is separated from the DC line 21 and performs an active power filter function to compensate for harmonics generated by the main rectifier 32. The control unit 334 turns off the magnetic switch SW, detects harmonic components on the grid side, and switches the same harmonic components to be removed by the three-phase PWM inverter unit 332 so that the three-phase PWM inverter unit 332 has active power. Functions as a filter to improve the power quality on the system side.

다음에, 전동차(20)의 제동시나 하구배 운행시 발생하는 회생에너지에 의한 직류가선의 전압이 정상범위를 벗어나서 상승하는 경우에 가선전압 안정화 장치(33)의 센싱부(333)가 검출한 직류가선(21)의 전압이 정상범위인 140~150V 보다 보다 높게 되면 3상 PWM 인버터부(332)는 회생모드에서 동작하게 되며, 도 4의 (b)는 이 경우의 전력흐름을 나타낸다. Next, the direct current detected by the sensing unit 333 of the line voltage stabilizing device 33 when the voltage of the DC wire caused by the regenerative energy generated during braking of the electric vehicle 20 or when the lower slope runs is increased outside the normal range. When the voltage of the line 21 is higher than the normal range 140 ~ 150V, the three-phase PWM inverter unit 332 operates in the regenerative mode, Figure 4 (b) shows the power flow in this case.

회생모드에서 3상 PWM 인버터부(332)는 직류가선(21)과 연결되어 잉여전력을 계통으로 반환함으로써 직류가선(21)의 전압을 안정화시키는 회생 기능을 수행한다. 제어부(334)는 마그네틱 스위치(SW)를 온시키고 직류가선(21)측의 에너지를 교류의 형태로 변환하여 계통과 동위상의 출력전류를 발생하도록 3상 PWM 인버터부(332)의 스위칭을 결정하는데, 검출전압과 기준전압과의 전압오차에 따라 제어량을 만들고, 유효분 전류를 생성하여, 유효분 전류와 무효분 전류로 3상의 보상 전류를 생성할 수 있도록 PWM 제어를 한다. In the regenerative mode, the three-phase PWM inverter unit 332 is connected to the DC wire 21 to return surplus power to the system to perform a regenerative function to stabilize the voltage of the DC wire 21. The control unit 334 determines the switching of the three-phase PWM inverter unit 332 to turn on the magnetic switch (SW) and convert the energy of the DC wire 21 side into an alternating current to generate an output current in phase with the system. The control amount is made according to the voltage error between the detected voltage and the reference voltage, and the active control current is generated, and the PWM control is performed so that the three-phase compensation current can be generated by the active and reactive current.

다음에, 주 정류기(32)의 고장시나 단선사고 발생시, 직류가선(21)에 전력이 공급되지 않아 0V로 떨어짐으로써 가선전압 안정화 장치(33)의 센싱부(333)가 전압을 검출하지 못하게 되면 3상 PWM 인버터부(332)는 예비모드에서 동작하게 되며, 도 4의 (c)는 이 경우의 전력흐름을 나타낸다. Next, when the main rectifier 32 breaks down or a disconnection accident occurs, power is not supplied to the DC wire 21 and drops to 0 V, thereby preventing the sensing unit 333 of the line voltage stabilizing device 33 from detecting a voltage. If the three-phase PWM inverter unit 332 is operated in the reserve mode, Figure 4 (c) shows the power flow in this case.

예비모드에서 3상 PWM 인버터부(332)는 주 정류기(32)를 대신하여 직류가선(21)에 전력을 공급하게 된다. 제어부(334)는 마그네틱 스위치(SW)를 온시키고 계통측의 에너지를 직류의 형태로 변환함과 동시에 고조파를 제거함으로써 양질의 직류전력이 직류가선(21)측에 공급되도록 3상 PWM 인버터부(332)의 스위칭을 제어한다. 따라서 별도의 예비 정류기의 설치를 필요로 하지 않게 된다. In the standby mode, the three-phase PWM inverter unit 332 supplies power to the DC wire 21 in place of the main rectifier 32. The control unit 334 turns on the magnetic switch (SW), converts the energy of the grid side into the form of direct current and at the same time removes harmonics, so that the high-quality DC power is supplied to the DC line 21 side three-phase PWM inverter unit Control the switching of (332). This eliminates the need for a separate preliminary rectifier.

다음에, 계통측에 이상이 있거나 주변에서 운행되고 있는 전동차의 영향으로 직류가선(21)측에 상대적으로 아주 짧은 순간동안 전압강하가 발생하게 되어 120~130V 정도로 떨어지게 됨으로써 가선전압 안정화 장치(33)의 센싱부(333)가 검출한 직류가선(21)의 전압이 정상범위인 140~150V 보다 조금 낮게 되는 경우에 3상 PWM 인버터부(332)는 위에서 언급한 예비모드와는 다른 별도의 보상모드에서 동작하게 되며, 도 4의 (d)는 이 경우의 전력흐름을 나타낸다. Next, a voltage drop occurs for a very short moment on the DC line 21 side due to the influence of an electric vehicle that is in trouble at the side of the system or is driven around, so that the line voltage stabilization device 33 is dropped to about 120 to 130V. When the voltage of the DC wire 21 detected by the sensing unit 333 is slightly lower than 140 to 150 V, which is the normal range, the three-phase PWM inverter unit 332 is different from the preliminary mode mentioned above. It operates in the compensation mode, and FIG. 4 (d) shows the power flow in this case.

보상모드에서는, 주 정류기(32)에 의해 직류가선(21)에 전력이 공급됨과 동시에, 상기한 주 정류기(32)와는 별도로 3상 PWM 인버터부(332)가 계통측의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류가선(21)측에 부가적으로 공급하여 줌으로써 정상범위보다 순간적으로 조금 낮게 형성된 직류가선(21)의 전압을 보상하는 역할을 한다. 제어부(334)는 마그네틱 스위치(SW)를 온시키고 계통측의 에너지를 직류의 형태로 변환함과 동시에 고조파를 제거함으로써 양질의 직류전력이 직류가선(21)측에 보상 공급되도록 3상 PWM 인버터부(332)의 스위칭을 제어한다.In the compensation mode, the main rectifier 32 supplies electric power to the DC wire 21, and the three-phase PWM inverter unit 332 separates the AC power of the grid side from the main rectifier 32. By converting to the additional supply to the DC line 21 side to serve to compensate the voltage of the DC line 21 formed slightly lower than the normal range. The control unit 334 turns on the magnetic switch (SW), converts the energy of the grid side into the form of direct current, and removes harmonics, so that a high-quality direct current power is supplied to the direct current line 21 by a three-phase PWM inverter. The switching of the unit 332 is controlled.

이상에서와 같이 본원 발명의 실시예에 따른 가선전압 안정화 장치(33)는, 종래의 3상 다이오드 정류기를 IGBT로 구성된 3상 PWM 인버터부(332)로 대체하고, 실시간으로 직류 가선(21)의 전압변동을 검출하여 모드변경이 가능하도록 제어기를 구현함으로써 과전압, 주 정류기 사고, 순간 전압강하등의 사고에 대한 순시적인 대처가 가능하고, 뿐만아니라 가선전압이 정상범위에 있는 경우에 계통의 전력품질을 보상하는 능동전력필터 기능까지 가짐으로써 전체 직류급전 시스템의 양질화 및 소형화를 이룰 수 있다. As described above, the line voltage stabilizing device 33 according to the embodiment of the present invention replaces the conventional three-phase diode rectifier with the three-phase PWM inverter unit 332 composed of IGBTs, and in real time of the DC line 21 Implementing a controller to detect voltage fluctuations and change modes enables instantaneous response to accidents such as overvoltages, main rectifier accidents, and instantaneous voltage drops, as well as power quality of the system when the line voltage is within the normal range By having an active power filter function to compensate for this, it is possible to achieve high quality and miniaturization of the entire DC power supply system.

도 1은 종래의 직류 전동차용 급전시스템의 블록 구성도이다. 1 is a block diagram of a conventional power supply system for a direct current electric vehicle.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 블록 구성도이다. 2 is a block diagram of a power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 세부 회로 구성도이다.3 is a detailed circuit diagram of a power supply system for a DC electric vehicle having a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 정상모드에 따른 전력흐름을 나타낸 도면이다.Figure 4 (a) is a view showing the power flow according to the normal mode of the power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 회생모드에 따른 전력흐름을 나타낸 도면이다.Figure 4 (b) is a view showing the power flow according to the regenerative mode of the power supply system for direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 예비모드에 따른 전력흐름을 나타낸 도면이다.Figure 4 (c) is a view showing the power flow according to the reserve mode of the power supply system for direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템의 보상모드에 따른 전력흐름을 나타낸 도면이다.Figure 4 (d) is a view showing the power flow according to the compensation mode of the power supply system for a direct current electric vehicle with a line voltage stabilization function according to an embodiment of the present invention.

Claims (5)

계통으로부터 공급되는 교류전압을 변압하기 위한 변압기와, 상기한 변압기에 각각 연결되어 있는 주 정류기 및 가선전압 안정화 장치가 설치되어 있는 변전소를 포함하여 이루어지며, It includes a transformer for transforming the AC voltage supplied from the system, and a substation installed with a main rectifier and a line voltage stabilization device connected to the transformer, respectively, 상기한 가선전압 안정화 장치는, The line voltage stabilizing device described above, 변압기에 연결되어 있는 수동 필터부와, Passive filter unit connected to the transformer, 상기 수동 필터부에 연결되어 있는 3상 PWM 인버터부와, A three-phase PWM inverter unit connected to the passive filter unit, 직류가선의 전압을 실시간으로 확인하는 센싱부와, Sensing unit for checking the voltage of the DC wire in real time, 상기 센싱부에 연결되어, 직류가선의 전압이 정상적인 운행구간에서는 능동전력필터로 동작하여 계통의 고조파를 보상하여 주고, 직류가선전압이 기준전압보다 상승했을때는 회생모드로 동작을 하고, 직류가선에 전압이 전혀 공급되지 않을 경우에는 3상 PWM 인버터부가 주 정류기를 대신하여 직류가선에 전력을 공급하는 예비모드로 동작을 하고, 순간적으로 직류가선전압이 기준전압보다 하강하였을 때에는 인버터를 통하여 가선전압을 보상하여주는 보상모드로 동작을 하도록 상기 3상 PWM 인버터부를 제어하는 제어부와,Connected to the sensing unit, the DC line voltage operates as an active power filter in the normal running section to compensate the harmonics of the system, and when the DC line voltage rises above the reference voltage, it operates in the regenerative mode. If no voltage is supplied to the line, the three-phase PWM inverter unit operates in the reserve mode of supplying power to the DC line in place of the main rectifier.When the DC line voltage drops momentarily below the reference voltage, the inverter is turned off. A control unit for controlling the three-phase PWM inverter unit to operate in a compensation mode for compensating for the live line voltage; 상기한 제어부에 의해 온오프됨으로써 상기 3상 PWM 인버터부와 직류가선을 연결 또는 차단하는 마그네틱 스위치를 포함하여 이루어지며,By the on and off by the control unit is made of a magnetic switch for connecting or disconnecting the three-phase PWM inverter unit and the DC wire, 상기 3상 PWM 인버터부는, 3상을 형성하기 위한 6개의 IGBT와, 상기한 6개의 IGBT에 각각 병렬로 연결되어 있는 6개의 다이오드로 이루어지며,The three-phase PWM inverter unit is composed of six IGBTs for forming three phases and six diodes connected in parallel to the six IGBTs, respectively. 상기 수동 필터부는 3상 PWM 인버터부가 계통으로 전력을 반환할 시에 계통측에 순수한 정현파 성분을 전달해 주기 위한 LCL 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가선전압 안정화 기능을 구비한 직류 전동차용 급전시스템.The passive filter unit is a power supply system for a DC electric vehicle with a line voltage stabilization function, characterized in that consisting of an LCL filter for delivering a pure sine wave component to the system side when the three-phase PWM inverter unit returns power to the system. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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