KR101119128B1

KR101119128B1 - 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치

Info

Publication number: KR101119128B1
Application number: KR1020100005889A
Authority: KR
Inventors: 김양수
Original assignee: 동산엔지니어링 주식회사; 김양수
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2012-03-20
Also published as: KR20110086259A; WO2011090325A2; WO2011090325A3; CN102834284A

Abstract

본 발명은 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전소에서 발전되어 수전받는 전압을 일정 전압으로 변전시키는 변전부, 변전부의 전력을 선택적으로 차단시키는 차단기, 변전부의 출력전압을 일정 전압으로 강압시키는 변압기, 변압기에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키는 전력변환장치, 태양광을 이용하여 전력을 발생시키는 태양전지, 태양전지의 전력을 전력변환장치에서 정류된 전력의 전압과 동일하게 변환시키는 컨버터, 및 전력변환장치를 제어하되, 컨버터를 통해 공급되는 전력과 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 보충될 전력량을 확인하고, 이 보충 전력량을 보충하기 위해 전력변환장치의 듀티비(duty) 또는 점호각을 조절하는 제어반을 포함하여 이루어지며, 이에 따라, 태양전지의 발생 전력을 이용하여 경전철 운행에 필요한 전력을 충당할 수 있어 종래 사용되던 계통전원 전력량을 감소시킴에 따라 비용을 절감할 수 있고, 녹색에너지 이용에 따른 오염 요소를 감소시킬 수 있다.

Description

계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치{Power supply apparatus for light rail transit using utility interactive photovoltaic generation }

본 발명은 전력공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지에 의해 발생되는 전력을 효율적으로 이용하여 계통전원의 전력 사용량을 감소시킴에 따라 비용을 감소시키고, 환경오염을 감소시킬 수 있는 태양전지를 이용한 경전철 전력공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 경전철을 비롯한 직류전철은 공급되는 전력에 의해 운행되는 것으로, 이러한 전력을 공급하기 위해 다수의 급전 변전소가 철도선로를 따라 적당한 간격으로 설치된다.

이 급전 변전소에서는, 교류 전력을 직류 전력으로 정류하기 위한 단일 또는 다수의 변환기 셋트가 배치된다.

이 변환기는 한전변전소로부터 교류(AC) 전력을 입력 받고, 출력 측인 직류(DC) 전력은 각각의 차단기를 통해 각각의 전차 급전선에 접속된다.

다시 말하면, 순전력 변환기 및 고속 직류(DC) 차단기를 갖고 있는 다수의 급전 회로는 안정적인 급전을 위해 적당한 간격으로 정급선의 파워레일 및 부급선의 주행레일, 또는 정극 및 부극의 각각의 파워레일에 서로 병렬로 접속된다.

이와 같이, 변전소의 전력을 변환하여 파워레일 및 주행레일에 접속하여 전력을 공급함에 따라 경전철이 운행되고, 한 번에 많은 사람들을 이동시킬 수 있어 편리함을 제공하고 있다.

그러나 최근에 들어 환경오염을 최소화시키기 위해 녹색에너지를 이용하여 기존 전력을 대체하자는 움직임이 진행 중 임에 따라 녹색에너지의 활용수단이 활발하게 개발되고 있다.

종래의 경전철 운행을 위한 전력은 발전기를 통해 생산되는 전력을 여러 단계에 거쳐 공급함에 따라 그 발생부터 공급까지 비용과 환경을 오염시키는 요소가 많은 문제점이 있다.

이를 극복하기 위해 태양전지를 이용해 전력을 생산하고 있지만, 실제적으로 환경적인 조건에 따라 전력량이 일정하지 못하는 문제점이 있어 지금까지 효율적으로 적용하지 못하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 계통의 전력과 태양전지의 전력을 동시에 사용하여 경전철을 운행하되, 태양전지의 전력을 우선적으로 사용함에 따라 운행 비용을 절감시킬 수 있다.

그리고 태양전지의 동작점을 항상 최적상태로 유지시키기 위한 MPPT(Maxium Power point Tracking) 제어 기능을 갖는 컨버터를 구비하여 최적의 발전량을 공급할 수 있고, 전압/전류 센서에 의해 태양전지 발전량을 감지하여 제어반에 전송함에 따라 태양전지 전력에 따른 전력변환장치의 듀티비 또는 점호각을 실시간으로 설정할 수 있다.

이에 따라, 운행 비용을 절감하여 경전철을 운행할 수 있으며, 녹색에너지인 태양전지의 전력을 이용함에 따라 종래 계통전원의 전력 사용을 감소시켜 운영비용을 감소시키고 환경 오염 요인을 감소시킬 수 있는 태양전지를 이용한 경전철 전력공급장치를 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 한 쌍의 주행레일 및 하나의 파워레일, 또는 한 쌍의 파워레일을 갖고, 고가 건설되는 철로를 따라 이동되는 경전철에 전력을 공급하는 전력 공급장치에 있어서, 발전소에서 생산되어 수전받는 전력을 일정 전압으로 변전시키는 변전부, 상기 변전부의 전력을 선택적으로 차단시키는 차단기, 상기 변전부의 출력전력을 일정 전압으로 강압시키는 변압기, 상기 변압기에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키는 전력변환장치, 태양광을 이용하여 전력을 발생시키는 태양전지, 상기 태양전지의 전압을 상기 전력변환장치에서 정류된 전력의 전압과 동일하게 변환시키는 컨버터, 및 상기 컨버터를 통해 공급되는 전력과 상기 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 보충될 전력량을 확인하는 제어반을 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 전력변환장치는 스위칭 소자가 구비되고, 상기 제어반은 보충 전력량을 보충하기 위해 상기 전력변환장치의 듀티비(duty) 또는 점호각의 조절을 위해 상기 스위칭 소자를 온?오프 시킴으로써, 정류기능을 제어한다.

그리고 상기 전력변환장치의 또 다른 실시 예로 스위칭 소자가 아닌, 다이오드 소자가 구비되어 일정하게 정류된다.

또한, 상기 컨버터는, 실시간 변동되는 상기 태양전지의 동작점을 항상 최적상태로 유지시키기 위한 MPPT(Maxium Power point Tracking) 제어 기능을 하는 MPPT제어부, 상기 경전철로부터 발생되는 회생전력, 일사량 감소로 인한 태양전지 전압강하에 의해 파워레일 및 전력변환장치의 전압이 태양전지의 전압보다 높을 경우 상기 태양전지로 전류가 역류되는 것을 방지하는 역류방지장치부, 태양전지에서 전력이 발생되지 않으면 상기 컨버터를 자동으로 운전 정지시키는 자동운전정지 제어부, 및 상기 태양전지에서 발생되는 전압과 전류를 감지하는 전압/전류 센서를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 제어반은, 상기 전압/전류 센서의 감지값을 전송받아 태양전지에서 발생되는 전력을 확인하여 상기 스위칭 소자를 사용한 전력변환장치의 듀티비 또는 점호각을 조정함에 따라 상기 전력변환장치의 정류량을 제어한다.

또한, 상기 차단기는 교류(AC)차단기이다.

그리고 상기 경전철 운행에 필요한 전력은 DC 750V, 상기 변전부는 발전소에서 수전받는 AC 154kV를 AC 22.9kV로 강압시키고, 상기 변압기는 변전부의 AC 22.9kV를 AC 600V로 강압시키며, 상기 전력변환장치는 변압기의 AC 600V를 DC 750V로 정류시킨다.

또한, 상기 전력변환장치와 파워레일, 상기 컨버터와 파워레일, 상기 태양전지와 컨버터 사이에 각각 구비되어 공급되는 전력 중 고장전류 발생 및 유지보수?점검 시 선택적으로 급속히 차단시키는 고속도차단기가 더 구비된다. 전력변환장치와 파워레일, 컨버터와 파워레일 사이의 상기 고속도차단기는 서로 연동되어 한 측에서 차단 시 다른 한 측도 바로 차단되어 보수?점검자의 안전을 보장한다.

그리고 상기 태양전지는, 상기 철로가 설치된 고가의 양 측면에 그 길이방향을 따라 다수 개 설치된다.

또한, 한 쌍의 주행레일 및 하나의 파워레일, 또는 한 쌍의 파워레일을 갖고, 고가 건설되는 철로를 따라 이동되는 경전철에 전력을 공급하는 전력 공급장치에 있어서, 발전소에서 생산되어 수전받는 전력을 일정 전압으로 변전시키는 변전부, 상기 변전부의 전력을 선택적으로 차단시키는 차단기, 상기 변전부의 출력전력을 일정 전압으로 강압시키는 변압기, 상기 변압기에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키는 전력변환장치, 태양광을 이용하여 전력을 발생시키는 태양전지, 상기 경전철로부터 발생되는 회생전력, 태양전지의 전압강하에 의해 상기 전력변환장치 및 파워레일의 전압이 태양전지의 전압보다 높을 경우 상기 태양전지로 전류가 역류되는 것을 방지하는 역류방지장치, 및 상기 태양전지의 전력과 상기 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 보충될 전력량을 확인하는 제어반을 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 전력변환장치는 스위칭 소자가 구비되고, 상기 제어반은 보충 전력량을 보충하기 위해 상기 전력변환장치의 듀티비(duty) 또는 점호각의 조절을 위해 상기 스위칭 소자를 온?오프 시킴으로써, 정류기능을 제어한다.

또한, 상기 전력변환장치의 또 다른 실시예로 스위칭 소자가 아닌, 다이오드 소자가 구비되어 일정하게 정류된다.

그리고 상기 역류방지장치는, 상기 태양전지에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 전압/전류 센서가 더 구비된다.

또한, 상기 전압/전류 센서는 태양전지의 전압, 전류 데이터를 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)로 전송할 수 있게 해준다.

또한, 상기 차단기는 교류(AC)차단기이다.

그리고 상기 경전철 운행에 필요한 전력은 DC 750V이며, 상기 변전부는 발전소에서 수전받는 AC 154kV를 AC 22.9kV로 강압시키고, 상기 변압기는 변전부의 AC 22.9kV를 AC 600V로 강압시키며, 상기 전력변환장치는 변압기의 AC 600V를 DC 750V로 정류시킨다.

또한, 상기 전력변환장치와 파워레일, 상기 역류방지장치와 파워레일, 상기 태양전지와 역류방지장치 사이에 각각 구비되어 공급되는 전력 중 고장전류 발생 및 유지보수?점검 시 선택적으로 급속히 차단시키는 고속도차단기가 더 구비된다. 전력변환장치와 파워레일, 역류방지장치와 파워레일 사이의 상기 고속도차단기는 서로 연동되어 한 측에서 차단 시 다른 한 측도 바로 차단되어 보수?점검자의 안전을 보장한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치에 의하면, 태양전지의 발생 전력을 이용하여 경전철 운행에 필요한 전력을 충당할 수 있어 종래 사용되던 계통전원의 소비 전력량을 감소시킴에 따라 비용을 절감할 수 있고, 녹색에너지 이용에 따른 오염 요소를 감소시킬 수 있게 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

도 1은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치의 컨버터를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치의 다른 실시 예를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이며,
도 5는 도4의 역류방지장치를 도시한 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력 공급장치의 태양전지 설치 실시 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치의 컨버터를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치의 다른 실시 예를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이며, 도 5는 도4의 역류방지장치를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치의 태양전지 설치 실시 예를 도시한 도면이다.

도면에서 도시한 바와 같이, 태양전지를 이용한 경전철 전력공급장치(10)는 변전부(100)와 차단기(200), 변압기(300), 전력변환장치(400), 태양전지(500), 컨버터(600) 및 제어반(700)로 구성된다.

먼저, 경전철은 레일(20)이 구비된 것으로, 레일(20)은 한 쌍의 주행레일(24)과 하나의 파워레일(22), 또는 한 쌍의 파워레일(22)이 구비된 철로를 고가로 건설함에 따라 기존 도로와 지하철 및 기차 등에 지장 받지 않도록 설치되어 진다.

이러한 경전철의 운행을 위해서 전력을 공급하기 위해 발전기의 전력과 태양전지(500)의 전력을 효율적으로 사용하여 그 비용을 절감하고, 환경오염 요인을 감소시킬 수 있다.

이를 위한 전력공급장치(10)의 변전부(100)는 각 발전소에서 발전되어 수전받는 전압을 일정 전압으로 변전시키는 것으로, 보통 장거리로 송전하기 위해 전압을 증가시키지만, 본 발명에선 경전철 운행에 적합한 전압으로 만들기 위해 강압시키게 된다.

그리고 차단기(200)는 변전부(100)의 전력을 선택적으로 차단시키는 것으로, 계통의 보호와 점검을 위해 구비된다.

변압기(300)는 변전부(100)의 출력전력을 일정 전압으로 강압시키는 것으로, 경전철을 운행하기 위해 사용되는 전압으로 강압시키게 된다.

이와 같이, 강압된 전력은 전력변환장치(400)에서 정류되는 것으로, 변압기(300)에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키게 된다.

그리고 태양전지(500)는 태양광을 이용하여 전력을 발생시키게 되고, 컨버터(600)는 태양전지(500)의 전압을 전력변환장치(400)에서 정류된 전력의 전압과 동일하게 변환시키게 된다.

이는, 발전기에서 송전되어 정류된 전압 조건에 태양전지의 전압 조건을 동일하게 변환하여 정류된 전압과 태양전지 전압의 병렬연결에 있어 전압차에 의한 문제를 해결하고 태양전지의 효율적인 사용을 위한 것으로, 그 사용량은 제어반(700)에서 설정된다.

이 제어반(700)은 전력변환장치(400)를 제어하되, 컨버터(600)를 통해 공급되는 전력과 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 보충될 전력량을 확인하게 된다.

이와 같이, 확인된 보충 전력량을 보충하기 위해 전력변환장치(400)의 듀티비(duty) 또는 점호각을 조절하는 것으로, 변동되는 태양전지(500)의 전력에 효과적으로 대응하여 계통전원의 전력을 공급함에 따라 경전철을 운행할 수 있다.

여기서, 듀티비(duty)는 전력사용 비율을 뜻하는 것으로, 태양전지(500)의 전력을 우선 사용하고, 보충량을 확인하여 그 보충량을 보충하기 위해 전력변환장치(400)를 제어하기 위한 듀티비 또는 점호각을 정하는 것이다.

이러한 듀티비는 한 주기를 1로 보았을 때 ON의 시간을 비율로 나타낸 것으로, 듀티비가 커지면 출력이 커지고, 듀티비가 작아지면 출력이 작아지게 된다.

또한 점호각은 OFF 상태에서 ON되는 각도를 말하며, 지연각이라고도 한다.

이 점호각의 일 실시 예로, 전력변환장치(400) 사이리스터의 경우 OFF상태에 있다가 게이트에 양의 전류펄스를 주면 ON이 되어 전류가 도통되며, 게이트에 음의 전류펄스를 주거나 사이리스터 양단에 역전압을 걸어주면 OFF가 된다.

이러한 원리로 사이리스터를 ON하는 각도를 조절하여 전력변환장치(400)의 출력 크기를 조절하는 것이다.

이와 같이, 듀비티와 점호각은 전력변환장치(400)의 출력을 조절하는 데 의미가 있지만 다소 차이가 있는 것으로, 일 실시 예의 사이리스터에는 점호각이라 말을 사용하지만, 다른 스위칭 소자에서는 사용하지 않기 때문에 듀티비 또는 점호각이라 칭함이 바람직하다.

이때, 도 1에서 도시한 바와 같이, 전력변환장치(400)는 스위칭 소자가 구비되어 선택적으로 온?오프 제어가 가능함에 따라 제어반(700)에 의해 온?오프 됨으로서 정류기능이 제어된다.

이는, 태양전지(500)의 전력에 따라 전력변환장치(400)를 제어하여 정량의 전력을 정류시키기 위함으로, 제어반(700)에서 설정된 듀티비 또는 점호각에 따라 필요 이상의 정류작업을 방지할 수 있다.

그리고 도 2에서 도시한 바와 같이, 컨버터(600)는 MPPT제어부(610)와 역류방지장치부(620), 자동운전정지 제어부(630) 및 전압/전류 센서(640)로 구성된다.

먼저, MPPT제어부(610)는 실시간 변동되는 상기 태양전지의 동작점을 항상 최적상태로 유지시키기 위한 MPPT(Maxium Power point Tracking) 제어 기능을 하는 것으로, 태양전지(500)의 전력을 최적상태로 공급하게 된다.

그리고 역류방지장치부(620)는 경전철로부터 발생되는 회생전력, 일사량 감소로 인한 태양전지 전압강하에 의해 전력변환장치(400) 및 파워레일의 전압이 태양전지(500)의 전압보다 높을 경우 태양전지(500)로 전류가 역류되는 것을 방지하는 것으로, 전류가 태양전지(500)로 역류하면 태양전지(500)를 파괴할 가능성이 있기 때문이다.

여기서 회생전력이라 함은, 가속된 경전철이 관성으로 주행 중 정차를 위해 전기적 제동을 할 때, 발생되는 것으로, 이 회생전력에 의해 파워레일의 전압이 올라가거나, 태양전지의 전압이 강하 될 때 전력변환장치(400) 및 파워레일으로부터 태양전지(500)로 전류가 역류하는 것을 이 역류방지장치부(620)가 방지하게 된다.

또한 전압차가 생기게 되면 태양전지(500)가 부하가 되면서 전류가 역류하여 태양전지를 파괴할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 역류방지장치부(620)가 구비됨이 바람직하다.

그리고 자동운전정지 제어부(630)는 태양전지(500)에서 전력이 발생되지 않으면 컨버터(600)를 자동으로 운전 정지시키는 기능으로 불필요한 전력소모를 방지하게 된다.

전압/전류 센서(640)는 태양전지(500)에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 것으로, 전력변환장치(400)의 듀티비(Duty) 또는 점호각을 설정하고 SCADA에 태양전지(500) 발전 상태를 전송하기 위한 데이터인 것이다.

이때 제어반(700)은 전압/전류 센서(640)의 감지값을 전송받아 태양전지(500)에서 발생되는 전력을 확인하여 듀티비 또는 점호각을 설정함에 따라 전력변환장치(400)의 정류량을 제어하게 된다.

한편, 도 3에서 도시한 바와 같이, 도 1의 전력공급장치(10)에서 전력변환장치(400')의 다른 실시 예로, 다이오드 소자가 구비되어 일정하게 정류될 수 있는 다이오드 정류기를 뜻하는 것이다.

이는, 종래 사용되는 방식을 적용한 것으로, 종래 계통도를 변경하지 않은 상태에서 태양전지(500)의 전력을 사용함에 따라 시설비를 절감시킬 수 있다.

이러한 다른 실시 예의 전력공급장치(10)의 컨버터(600)는 도 2에서 도시한 바와 같으며, 다시 설명하면, MPPT제어부(610)와 역류방지장치부(620), 자동운전정지 제어부(630) 및 전압/전류 센서(640)로 구성된다.

역류방지장치부(620)는 경전철로부터 발생되는 회생전력, 일사량 감소로 인한 태양전지 전압 강하에 의해 전력변환장치(400') 및 파워레일의 전압이 태양전지(500)의 전압보다 높을 경우 태양전지(500)로 전류가 역류되는 것을 방지하는 것으로, 전류가 태양전지(500)로 역류하면 태양전지(500)를 파괴할 가능성이 있기 때문이다.

여기서 회생전력이라 함은, 가속된 경전철이 관성으로 주행 중 정차를 위해 전기적 제동을 할 때, 발생되는 것으로, 이 회생전력에 의해 파워레일의 전압이 올라가거나, 태양전지의 전압이 강하 될 때 전력변환장치(400') 및 파워레일으로부터 태양전지(500)로 전류가 역류하는 것을 이 역류방지장치부(620)가 방지하게 된다.

전압/전류 센서(640)는 태양전지(500)에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 것으로, 그 감지값은 태양전지(500) 발전 상태를 SCADA에 전송하게 될 데이터인 것이다.

또 태양전지(500)에서 전력이 발생되지 않으면 컨버터(600)를 자동으로 운전 정지시키는 자동운전정지 기능을 더 포함하여 불필요한 전력소모를 방지하게 된다.

이때, 도 1과 도 3에서 도시한 전력공급장치(10)의 각 실시 예에 다수의 고속도차단기(800)가 구비되어 전류를 급속히 차단시키게 된다.

이러한 고속도차단기(800)는 전력변환장치(400, 400')와 파워레일(22), 컨버터(600)와 파워레일(22), 태양전지(500)와 컨버터(600) 사이에 각각 구비되어 공급되는 전력 중 고장전류 발생 시 선택적으로 급속히 차단시켜 계통을 보호하고 유지보수?점검 시 보수?점검자의 안전을 보장해 준다. 특히 전력변환장치(400, 400')와 파워레일(22), 컨버터(600)와 파워레일(22) 사이에 각각 구비되는 고속도차단기(800)는 서로 연동되어 한 측 차단 시 다른 한 측도 차단이 되어 안전을 보장해 준다.

한편, 도 4에서 도시한 바와 같이, 전력공급장치(10)의 또 다른 실시 예는, 변전부(100)와 차단기(200), 변압기(300), 전력변환장치(400), 태양전지(500), 역류방지장치(600') 및 제어반(700)로 구성된다.

변전부(100)는 각 발전소에서 발전되어 수전받는 전력을 일정 전압으로 변전시키는 것으로, 보통 장거리로 송전하기 위해 전압을 증가시키지만, 본 발명에선 경전철 운행에 적합한 전압으로 만들기 위해 강압시키게 된다.

그리고 태양전지(500)는 태양광을 이용하여 전력을 발생시키게 되고, 역류방지장치(600')는 경전철로부터 발생되는 회생전력, 일사량 감소로 인한 태양전지의 전압 강하에 의해 전력변환장치(400) 및 파워레일의 전압이 태양전지(500)의 전압보다 높을 경우 태양전지(500)로 전류가 역류되는 것을 방지하는 것으로, 전류가 태양전지(500)로 역류하면 태양전지(500)를 파괴할 가능성이 있기 때문이다.

여기서 회생전력이라 함은, 가속된 경전철이 관성으로 주행 중 정차를 위해 전기적 제동을 할 때, 발생되는 것으로, 이 회생전력에 의해 파워레일의 전압이 올라가거나, 태양전지의 전압이 강하 될 때 전력변환장치(400) 및 파워레일로부터 태양전지(500)로 전류가 역류하는 것을 이 역류방지장치(600')가 방지하게 된다.

또한 전압차가 생기게 되면 태양전지(500)가 부하가 되면서 전류가 역류하여 태양전지를 파괴할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 역류방지장치(600')가 구비됨이 바람직하다.

그리고 제어반(700)은 태양전지(500)의 전력과 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 보충될 전력량을 확인하게 된다.

다시 말해, 태양전지(500)의 전력을 우선 사용하고, 보충량을 확인하여 그 보충량을 보충하기 위해 전력변환장치(400)를 제어하기 위해 듀티비 또는 점호각을 설정하는 것이다.

이때, 도 4에서 도시한 바와 같이, 전력변환장치(400)는 스위칭 소자가 구비되어 선택적으로 온?오프 제어가 가능함에 따라 제어반(700)에 의해 온?오프 됨으로서 정류기능이 제어된다.

그리고 도 5에서 도시한 바와 같이, 역류방지장치(600')는 전압/전류 센서(610')를 포함한다.

이러한 전압/전류 센서(610')는 태양전지(500)에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 것으로, 듀티비(Duty) 또는 점호각을 설정하게 해주고, SCADA에 태양전지(500)의 발전 상태를 전송할 데이터인 것이다.

이때 제어반(700)은 전압/전류 센서(610')의 감지값을 전송받아 태양전지(500)에서 발생되는 전력을 확인하여 듀티비 또는 점호각을 설정함에 따라 전력변환장치(400)의 정류량을 제어하게 된다.

한편, 도 6에서 도시한 바와 같이, 도 4의 전력공급장치(10)에서 전력변환장치(400')의 다른 실시 예로, 다이오드 소자가 구비되어 일정하게 정류될 수 있는 다이오드 정류기를 뜻하는 것이다.

이러한 다른 실시 예의 전력공급장치(10)의 역류방지장치(600')는 도 5에서 도시한 바와 같으며, 다시 설명하면, 전압/전류 센서(610')를 포함한다.

이러한 전압/전류 센서(610')는 태양전지(500)에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 것으로, 그 감지값은 SCADA에 태양전지 발전 상태를 전송하기 위한 데이터 인 것이다.

이때, 도 4과 도 6에서 도시한 전력공급장치(10)의 각 실시 예에 다수의 고속도차단기(800)가 구비되어 전류를 급속히 차단시키게 된다.

이러한 고속도차단기(800)는 전력변환장치(400, 400')와 파워레일(20), 역류방지장치(600')와 파워레일(20), 태양전지(500)와 역류방지장치(600') 사이에 각각 구비되어 공급되는 전력 중 고장전류 발생 시 선택적으로 급속히 차단시켜 계통을 보호하고 유지보수?점검 시 안전을 보장해 준다.

특히, 전력변환장치(400, 400')와 파워레일(20), 역류방지장치(600')와 파워레일(20) 간의 고속도차단기(800)는 연동시켜 한 측이 차단되면 동시에 다른 한 측도 차단이 되게 하여 보수?점검자의 안전을 보장한다.

그리고 차단기(200)는 교류(AC)차단기를 사용하여 변전부(100)의 교류(AC) 전력을 선택적으로 차단시킬 수 있다.

또한 일 실시 예로, 경전철 운행에 필요한 전력은 1500kW, 전압 DC 750V, 전류 2000A이며, 변전부(100)는 발전소에서 수전받는 AC 154kV를 AC 22.9kV로 강압시키게 된다.

그리고 변압기(300)는 변전부(100)의 AC 22.9kV를 AC 600V로 강압시키게 되며, 전력변환장치(400, 400')는 변압기의 AC 600V를 DC 750V로 정류시킨다.

즉, 전력변환장치(400, 400')에서 경전철 운행에 필요한 전력으로 최종 정류되는 것이다.

그리고 제어반(700)의 듀티비 또는 점호각 설정을 간략하게 살펴보면, 먼저, 태양전지(500)에서 발생되는 전압은 DC 600V, 전류가 200A로써, 경전철 운행에 필요한 전압인 DC 750V로 변압이 필요하다.

이러한 승압은 컨버터(600)에서 DC 600V가 DC 750V로 변압되는데, 이와 같은 승압에 의해 전류가 200A에서 160A로 낮아지게 된다.

이 데이터는 제어반(700)으로 전송되고, 제어반(700)에서는 듀티비 또는 점호각을 조정하여 전력변환장치(400)의 출력전력을 제어하게 된다.

다시 말해, 상기의 실시 예일 경우, 전력변환장치(400)의 출력 전압은 DC 750V, 전류는 1840A인 것이다.

이는, 경전철 운행에 필요한 전류가 2000A이고, 태양전지(500)의 전류가 160A임에 따라 전력변환장치의 전류는 1840A가 출력되는 것이다.

이와 같은, 전력과 전압 및 전류는 일 실시 예이며, 기후나 환경에 따라 변경됨이 당연하다.

그리고 도 7에서 도시한 바와 같이, 태양전지(500)는 철로가 설치된 고가의 양 측면에 그 길이방향을 따라 다수 개 설치됨이 바람직한 것으로, 태양광을 효율적으로 받아 전력 공급을 최대화시킬 수 있게 된다.

물론, 이러한 태양전지(500)의 설치 위치는 일 실시 예이며, 효율을 위해 한정되지 않는 것이다.

10 : 전력공급장치 100 : 변전부
200 : 차단기 300 : 변압기
400, 400' : 전력변환장치 500 : 태양전지
600 : 컨버터 610 : MPPT제어부
620 : 역류방지장치부 630 : 자동운전정지 제어부
600' : 역류방지장치 640, 610' : 전압/전류 센서
700 : 제어반 800 : 고속도차단기

Claims

한 쌍의 주행레일 및 하나의 파워레일, 또는 한 쌍의 파워레일을 갖고, 고가 건설되는 철로를 따라 이동되는 경전철에 전력을 공급하는 전력 공급장치에 있어서,
발전소에서 생산되어 수전받는 전력을 일정 전압으로 변전시키는 변전부;
상기 변전부의 전력을 선택적으로 차단시키는 차단기;
상기 변전부의 출력전력을 일정 전압으로 강압시키는 변압기;
상기 변압기에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키는 전력변환장치;
태양광을 이용하여 전력을 발생시키는 태양전지;
상기 태양전지의 전압을 상기 전력변환장치에서 정류된 전력의 전압과 동일하게 변환시키는 컨버터; 및
상기 컨버터를 통해 공급되는 전력과 상기 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 상기 전력변환장치에서 보충될 전력량을 확인하고, 제어하는 제어반을 포함하여 이루어지고,
상기 전력변환장치와 파워레일, 상기 컨버터와 파워레일 사이에 고속도차단기가 각각 구비되어 어느 한 측의 전력이 차단될 시 다른 한 측의 전력도 동시에 차단되는 연동 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제1항에 있어서,
상기 전력변환장치는 스위칭 소자가 구비되고,
상기 스위칭 소자 온?오프에 의해 듀티비(duty) 또는 점호각이 조절되며,
상기 제어반은 상기 스위칭 소자를 제어하여 정류기능을 제어하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제1항에 있어서, 상기 전력변환장치는,
다이오드 소자가 구비되어 전력을 일정하게 정류되는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 컨버터는,
실시간 변동되는 상기 태양전지의 동작점을 항상 최적상태로 유지시키기 위한 MPPT(Maxium Power point Tracking) 제어 기능을 하는 MPPT제어부;
상기 경전철로부터 발생되는 회생전력, 태양전지 전압 강하에 의해 상기 전력변환장치의 전압이 태양전지의 전압보다 높을 경우 상기 태양전지로 전류가 역류되는 것을 방지하는 역류방지장치부;
태양전지에서 전력이 발생되지 않으면 상기 컨버터를 자동으로 운전을 정지시키는 자동운전정지 제어부; 및
상기 태양전지에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 전압/전류 센서를 포함하여 이루어지는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제4항에 있어서, 상기 제어반은,
상기 전압/전류 센서의 감지값을 전송받아 태양전지에서 발생되는 전력을 확인하여 듀티비 또는 점호각을 설정함에 따라 상기 전력변환장치의 정류량을 제어하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 태양전지는,
상기 철로가 설치된 고가의 양 측면에 그 길이방향을 따라 다수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
한 쌍의 주행레일 및 하나의 파워레일, 또는 한 쌍의 파워레일을 갖고, 고가 건설되는 철로를 따라 이동되는 경전철에 전력을 공급하는 전력 공급장치에 있어서,
발전소에서 생산되어 수전받는 전력을 일정 전압으로 변전시키는 변전부;
상기 변전부의 전력을 선택적으로 차단시키는 차단기;
상기 변전부의 출력전력을 일정 전압으로 강압시키는 변압기;
상기 변압기에서 강압된 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 정류시키는 전력변환장치;
태양광을 이용하여 전력을 발생시키는 태양전지;
상기 경전철로부터 발생되는 회생전력, 태양전지의 전압강하에 의해 상기 전력변환장치 및 파워레일의 전압이 태양전지의 전압보다 높을 경우 상기 태양전지로 전류가 역류되는 것을 방지하는 역류방지장치; 및
상기 태양전지의 전력과 상기 경전철 운행에 필요한 전력을 비교하여 상기 전력변환장치에서 보충될 전력량을 확인하고, 제어하는 제어반을 포함하여 이루어지고,
상기 전력변환장치와 파워레일, 상기 역류방지장치와 파워레일 사이에 고속도차단기가 각각 구비되어 어느 한 측의 전력이 차단될 시 다른 한 측의 전력도 동시에 차단되는 연동 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제8항에 있어서,
상기 전력변환장치는 스위칭 소자가 구비되고,
상기 스위칭 소자 온?오프에 의해 듀티비(duty) 또는 점호각이 조절되며,
상기 제어반은 상기 스위칭 소자를 제어하여 정류기능을 제어하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제8항에 있어서, 상기 전력변환장치는,
다이오드 소자가 구비되어 전력을 일정하게 정류되는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 역류방지장치는,
상기 태양전지에서 발생되는 전력의 전압과 전류를 감지하는 전압/전류 센서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
제11항에 있어서, 상기 제어반은,
상기 전압/전류 센서의 감지값을 전송받아 태양전지에서 발생되는 전력을 확인하여 듀티비 또는 점호각을 설정함에 따라 상기 전력변환장치의 정류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.
삭제
제8항에 있어서, 상기 태양전지는,
상기 철로가 설치된 고가의 양 측면에 그 길이방향을 따라 다수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전을 이용한 경전철 전력공급장치.