KR101191244B1 - 양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치 - Google Patents

양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치 Download PDF

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권경민
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Abstract

본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치에 관한 것으로, 연동장치들의 작동을 고려한 제어부의 설계로 인해 충방전의 효율성을 높이고, 에너지 저장용량이나 변동을 위한 최소 구성의 변경이나 추가로 인해 경제성을 높이고 사용 편의성을 향상시킨 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명을 적용하면, 슈퍼 캐패시터로 이루어진 저장부를 용량 추가나 변경에 따라 박스형 모듈로 간단하게 추가할 수 있으며, 다양한 센서와 신호 점검을 통해 정확하고 효율적인 저장부의 충방전이 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

Description

양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치{POWER STORAGE APPARATUS OF CITY RAILWAY WITH A BOTH DIRECTION DC/DC CONVERTER}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 연동장치들의 작동을 고려한 제어부의 설계로 인해 충방전의 효율성을 높이고, 에너지 저장용량이나 변동을 위한 최소 구성의 변경이나 추가로 인해 경제성을 높이고 사용 편의성을 향상시킨 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 전 세계적으로 기후변화의 결과는 환경 파괴의 위기와 고유가로 나타나게 되면서 동시에 자원고갈의 위기에 직면하였고 석유에너지의 고갈과 환경오염이 가속화됨에 따라 지구온난화를 방지하기 위한 쿄토의정서가 발효됨에 따라 CO2 배출을 억제하기 위한 신재생에너지 및 개발이 시급한 과제로 급부상하고 있다.
이러한 실정하에서 기술개발의 방향은 풍력, 조력, 태양광, 수력 등의 자연에너지를 이용한 신재생에너지 개발에 집중하고 있지만, 기존의 에너지 발생이나 저장시스템에서 손실로 처리되는 에너지 시스템이나 장치를 개선하여 손실율을 최소화시키는 방향으로도 활발하게 개발이 이루어지고 있다.
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, 종래의 회생제동방식의 에너지 저장장치는 제어부의 기능이 지극히 제한적이어서, 연동장치들의 작동을 고려하지 못하고 단순히 전압/전류 정도만 체크하고, 에너지 저장부인 슈퍼 캐패시터를 모니터링하는 정도에 그쳤으므로 에너지 저장부를 통한 충방전의 효율이 높지 않았다는 문제가 있었다.
또한, 종래의 회생제동방식의 에너지 저장장치는 용량증대 또는 변동이 필요한 경우 DC/DC 컨버터부와 저장매체를 재설계해야 하는 문제점이 있었다. 예를 들어, DC/DC 컨버터부와 저장매체가 750V, 10MJ 를 적용하다가 750V, 15MJ로 용량이 증대하게 되면, 기존의 회생전력 저장시스템을 변경하여 사용할 수 없고, 750V, 15MJ로 설정되는 회생전력 저장시스템을 새로 설계 제작하여 사용해야 했다.
최근에는 750V, 20MJ의 저장매체가 필요한 경우, 750V, 10MJ의 저장매체 복수개를 접속시켜서 활용도를 높이도록 한 기술이 개발되었다.
하지만, 이러한 경우의 에너지 저장장치는 거의 모든 구성 예컨대, 충전부, 필터부, 전류 및 전압 검출부, 제어부, DC/DC 컨버터부와 저장매체를 복수개 구성하고, 전류의 밸런스를 맞춰주기 위한 전류 발랜싱 제어부가 더 필요하므로 부품 절감이나 부피 축소 등의 장점이 거의 없고, 오히려 추가 구성이 필요하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연동장치들의 작동을 고려한 제어부의 설계로 인해 충방전의 효율성을 높이고, 에너지 저장용량이나 변동을 위한 최소 구성의 변경이나 추가로 인해 경제성을 높이고 사용 편의성을 향상시킨 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 가선에 전기적으로 연결되어 전력을 유입받으며, 내부에 단로기가 구성된 전력유입부와; 가선에 전기적으로 연결되어 고주파 성분을 제거하는 필터부와; 상기 가선과 필터부 사이에 전기적으로 연결되어 상기 필터부의 캐패시터의 충전시 과전류의 유입을 방지하며, 충전부와 가선의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치를 구비한 충전부와; 전기적 에너지를 저장하는 슈퍼 캐패시터가 복수개로 이루어진 저장부와; 상기 저장부의 용량, 입출력전류, 전력을 측정하여 제어부로 출력하는 모니터링하며, 캐패시터 모니터링부와; 상기 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 제 1트랜지스터 내지 제 6트랜지스터를 개폐함으로써 제어되며, 복수개가 병렬로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터와; 상기 필터부에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 검출하는 전압검출부와; 상기 필터부로 유입되는 전류량를 검출하여 제어부로 출력하는 전류검출부와; 상기 전류검출부 및 전압검출부에서 검출된 가선의 전류 및 전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 제 1트랜지스터 내지 제 6트랜지스터의 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 캐패시터 모니터링부는 그 개수가 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 저장부는 그 개수가 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 제어부는 PT유닛으로부터 DC링크 전압 및 슈퍼캐패시터의 전압을 실시간으로 인식받으며, CT유닛으로부터 DC링크 전류 및 슈퍼 캐패시터의 충방전 전류를 인가받는 아날로그 인터페이스 보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드에 대해 병렬로 구성되며, 컨텍터의 피드백 신호 및 퓨즈접점, 온도접점, 전면판넬의 스위치 접점을 인식하여 제어부의 구동 시퀀스 및 보호동작을 수행하게 하는 신호인식보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드와 신호인식보드로부터 신호를 인가받으며, 시스템의 시퀀스 및 보호동작과 통신동작을 수행하는 신호제어보드와; 상기 신호제어보드로부터 신호를 인가받아, 접점신호를 출력하는 디지털 출력접점부와; 상기 신호제어보드로부터 신호를 인가받아, GP-모니터와 통신을 수행하며 슈퍼 캐패시터 모니터링부와 통신을 수행하는 통신보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드와 신호제어보드로부터 각각 신호를 인가받아 PWM 펄스신호를 제어하는 PWM 제어보드와; 상기 PWM 제어보드로부터 PWM 펄스신호를 인가받아, 해당 PWM 펄스신호를 광신호로 변환하는 광출력보드와; 상기 광출력보드로부터 PWM 광신호를 인가받아, 외부게이트 구동신호를 발생하는 외부게이트 드라이버로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 PWM 제어보드는 아날로그 신호를 인가받는 센서입력회로부와; 상기 센서입력회로부의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부와; 상기 센서입력회로부의 출력신호와 고장기준값을 입력으로 고장검출, 인터럽트 요구신호를 출력하는 연산부와; 상기 A/D변환부와 연산부의 출력신호를 인가받아, 충방전 전류지령을 작성하고 양방향 쵸퍼의 펄스 패턴을 발생시키며, 쵸퍼의 듀티비를 제어하는 연산제어 처리부와; 전원상태를 감시하는 전원감시부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 신호제어보드는 다른 보드나 주회로간, TMS와의 통신을 수행하며, 통상 구동정보 및 고장기록을 수행하고, 고장시 각 부품의 상태를 NVSRAM에 저장하는 보드인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 신호인식보드는 100V 입력신호를 전달받는 입력회로부와; 입력회로부의 출력단과 접속되어 입력신호에 대한 surge 차단을 위한 서지차단부와; 서지차단부의 출력신호를 필터링 하기위한 필터 회로부와; 외부신호와 절연을 위한 절연 회로부가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 디지털 출력접점부는 마더보드의 출력신호와 외부신호를 분리하기 위한 절연 회로부와; 컨텍터 릴레이를 구동하기 위한 릴레이 드라이버를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 광출력보드는 PWM 제어보드로부터 12채널의 게이트 PWM 신호를 입력받아 광신호로 변환하여 게이트 드라이버를 구동시킴으로 인해 IGBT를 턴온 또는 턴오프시키는 광신호 변환부가 포함된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 제어부는 AC 220V 전원이 인가되고 각 컨텍터가 이상이 없을 시 GCK, MCB, HSCB 순으로 동작하게 제어하며, FC의 전압이 기준전압 이상으로 차게 되면 CHK를 턴온시켜 충방전을 위한 슈퍼캐패시터의 초기충전모드로 돌입시키고, 초기충전이 완료되면, 가선 전압의 상태에 따라 슈퍼캐패시터의 동작모드를 판별하여, 양방향 DC-DC 컨버터를 벅 모드와 부스터 모드로 교번 동작시키는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치는 슈퍼 캐패시터로 이루어진 저장부를 용량 추가나 변경에 따라 박스형 모듈로 간단하게 추가할 수 있으며, 다양한 센서와 신호 점검을 통해 정확하고 효율적인 저장부의 충방전이 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 구성을 나타내는 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치에 포함된 제어부의 구성을 도시한 블록구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 PWM 제어보드를 상세 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 신호제어보드를 상세 도시한 블록도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 신호인식보드를 상세 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 디지털 출력접점부를 상세 도시한 블록도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 광출력보드를 상세 도시한 블록도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 전원입력보드를 상세 도시한 블록도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 제어전원보드를 상세 도시한 블록도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 동작 시퀀스를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)는 연동장치들의 작동을 고려한 제어부의 설계로 인해 충방전의 효율성을 높이고, 에너지 저장용량이나 변동을 위한 최소 구성의 변경이나 추가로 인해 경제성을 높이고 사용 편의성을 향상시킨 장치이다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)는 가선에 전기적으로 연결되어 전력을 유입받으며, 내부에 단로기가 구성된 전력유입부(4)와; 가선에 전기적으로 연결되어 고주파 성분을 제거하는 필터부(8)와; 전기적 에너지를 저장하는 슈퍼 캐패시터가 복수개로 이루어진 저장부(28a,28b,28c)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)는 상기 필터부(8)와 저장부(28a,28b,28c)의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 제 1트랜지스터(22a) 내지 제 6트랜지스터(22f)를 개폐함으로써 제어되며, 복수개가 병렬로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터(20a,20b,20c)와; 상기 필터부(8)에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 검출하는 전압검출부(18); 상기 필터부(8)로 유입되는 전류량를 검출하여 제어부로 출력하는 전류검출부(16)와; 상기 전류검출부(16) 및 전압검출부(18)에서 검출된 가선의 전류 및 전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터(20a,20b,20c)의 제 1트랜지스터(22a) 내지 제 6트랜지스터(22f)의 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부(32):를 포함하여 구성된다.
또, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)는 상기 저장부(28a,28b,28c)의 용량, 입출력전류, 전력을 측정하여 상기 제어부(32)로 출력하는 모니터링하며, 복수개로 구성된 캐패시터 모니터링부(30a,30b,30c)와; 상기 가선과 필터부(8) 사이에 전기적으로 연결되어 상기 필터부(8)의 캐패시터의 충전시 과전류의 유입을 방지하며, 충전부와 가선의 전기적 연결을 개폐하는 차단스위치를 구비한 충전부(10);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
미설명부호 12, 14는 각각 전류 및 전압센서를 나타낸다.
상술한 구성을 가지는 각각의 저장모듈의 제어부(32)는 전류검출부로부터 과전류가 검출되는 경우 충전부의 차단스위치를 개방시키며, 충전모드인 경우 저장부가 완충되는 경우 상기 제1,3,5트랜지스터를 오프(Off) 상태로 제어하는 신호를 출력하고, 전력공급모드인 경우에는 상기 캐패시터 모니터링부로부터 입력된 전압이 기준 전압이하가 되는 경우 상기 제2,4,6트랜지스터를 오프(Off) 상태로 제어하는 신호를 출력하는 것에 의해 저장부에 대한 충방전을 제어하게 된다.
여기서, 상기 단로기(6)는 ESS 유지보수 또는 기타 점검 시 변전소 정류기 2차측과 주회로를 연결 또는 분리하기 위한 전동식 단로기를 포함하며, 기존 변전 설비와 동일한 지락계전기인 64P RELAY, 입력 평활용 필터리액터가 포함되어 있다.
단로기는 에너지저장장치 유지 보수 및 장치 이상 점검 시 에너지저장장치로부터 가선전압을 안전하고 신뢰성있게 분리해주고 재연결한다. 이러한 단로기의 분리 및 재연결은 단로기 유니트 내에 함께 구성한 RS릴레이 및 스위치를 통하여 간단한 On 및 Off 버튼을 누름으로서 동작된다. 또한 스위치 고장 시 수동조작용 핸들을 이용하여 Off시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치에 포함된 제어부의 구성을 도시한 블록구성도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)에 포함된 제어부(32)는 PT유닛으로부터 DC링크 전압 및 슈퍼캐패시터의 전압을 실시간으로 인식받으며, CT유닛으로부터 DC링크 전류 및 슈퍼 캐패시터의 충방전 전류를 인가받는 아날로그 인터페이스 보드(34: INF23-1,2)와; 상기 아날로그 인터페이스 보드(34: INF23-1,2)에 대해 병렬로 구성되며, 컨텍터의 피드백 신호 및 퓨즈접점, 온도접점, 전면판넬의 스위치 접점을 인식하여 제어부(32)의 구동 시퀀스 및 보호동작을 수행하게 하는 신호인식보드(36:DIP13 & DIP-AUX)와; 상기 아날로그 인터페이스 보드(34: INF23-1,2)와 신호인식보드(36:DIP13 & DIP-AUX)로부터 신호를 인가받으며, 시스템의 시퀀스 및 보호동작과 통신동작을 수행하는 신호제어보드(38: PUZ33)와; 상기 신호제어보드(38: PUZ33)로부터 신호를 인가받아, 접점신호를 출력하는 디지털 출력접점부(46:RYO45)와; 상기 신호제어보드(38: PUZ33)로부터 신호를 인가받아, GP-모니터와 통신을 수행하며 슈퍼 캐패시터 모니터링부(30a,30b,30c)와 통신을 수행하는 통신보드(48:INF79)와; 상기 아날로그 인터페이스 보드(34: INF23-1,2)와 신호제어보드(38: PUZ33)로부터 각각 신호를 인가받아 PWM 펄스신호를 제어하는 PWM 제어보드(40: PWM33)와; 상기 PWM 제어보드(40: PWM33)로부터 PWM 펄스신호를 인가받아, 해당 PWM 펄스신호를 광신호로 변환하는 광출력보드(42: EOC09-1)와; 상기 광출력보드(42: EOC09-1)로부터 PWM 광신호를 인가받아, 외부게이트 구동신호를 발생하는 외부게이트 드라이버(44: IGBT Gate Driver)로 이루어진다.
보다 상세하게, 상기 제어부(32)는 메인 박스에 위치하여 시스템의 모든 시퀀스 및 제어, 보호동작 그리고 통신 기능을 수행한다.
이러한 기능을 수행하기 위한 프로세서는 32비트의 고성능 마이크로 프로세서(TMS320VC33)가 사용되었다. 또한 제어부는 각 보드를 기능별로 분류하여 시스템 확장이 용이하도록 설계 되었다.
먼저 INF23-1/2보드는 아날로그 인터페이스 보드로서 INF23-1보드는 시스템의 PT유닛으로부터 DC링크 전압 및 슈퍼캐패시터의 전압을 실시간으로 인식받는 보드이고, INF23-2보드는 시스템의 CT유닛으로부터 DC링크 전류 및 슈퍼 캐패시터의 충방전 전류를 센싱받도록 구성된다.
ISO26보드는 DA 컨버터를 이용하여 제어기 내부의 제어 시퀀스 및 아날로그 값을 모니터링 할 수 있도록 구성되었다. DIP13 및 DIP-AUX보드는 시스템의 컨텍터의 피드백 신호 및 퓨즈접점, 온도접점, 전면판넬의 스위치 접점등을 인식하여 제어기의 시퀀스 및 보호동작에 활용하는 기능을 하는 보드이다. 이러한 디지털 접점은 총 32개의 접점을 이용할 수 있도록 구성하였다.
RYO45보드는 디지털 출력 접점으로 총 8개의 출력을 할 수 있고, 컨텍터 및 릴레이의 여자코일을 여자 시키거나 전면판넬의 램프를 점등 시키는 등의 기능을 수행한다.
EOC09보드는 광출력 보드로서 PWM33보드에 의해 제어되는 PWM의 펄스 신호를 광으로 변환 시켜 외부 게이트 드라이버(IGDU)로 신호를 전송하는 기능을 수행한다. 광 변환의 목적은 외부에서 발생되는 전기적인 노이즈의 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.
INF79보드는 통신 보드로서 내부의 점퍼핀의 셋팅에 따라 RS-485/422로 통신 인터페이스를 변경 가능하도록 설계되어졌고, 2채널까지 사용할 수 있다. 현 시스템에서는 A채널은 RS-422통신을 적용하요 메인장치의 전면의 GP-Monitor와 통신을 수행하고, B채널은 RS-485통신을 적용하여 슈퍼캐패시터의 상태감시 모듈과 통신을 수행하고 있다.
이러한 외부 인터페이스 장치의 모든 신호들은 PWM33보드와 PUZ33보드로 전송되어 제어 및 시퀀스, 보호동작의 기능을 수행하게 된다. PUZ33보드는 시스템의 시퀀스 및 보호동작 그리고 통신을 관장하는 보드로서 2개의 프로세서를 이용하여 제어된다. 또한 PWM33보드는 PUZ33보드의 시퀀스의 내용을 DPRAM을 통하여 전송받아 전력변환장치의 제어기능을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 PWM 제어보드를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 상기 PWM 제어보드(40: PWM33)는 아날로그 신호(60)를 인가받는 센서입력회로부(62)와; 상기 센서입력회로부(62)의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부(64)와; 상기 센서입력회로부(62)의 출력신호와 고장기준값을 입력으로 고장검출, 인터럽트 요구신호를 출력하는 연산부(68)와; 상기 A/D변환부(64)와 연산부(68)의 출력신호를 인가받아, 충방전 전류지령을 작성하고 양방향 쵸퍼의 펄스 패턴을 발생시키며, 쵸퍼의 듀티비를 제어하는 연산제어 처리부(72)와; 전원상태를 감시하는 전원감시부(80)를 포함하여 구성된다.
즉, PWM33-1 CARD는 제어알고리즘을 실시간으로 수행하기 위하여 주 연산장치로 고성능의 32 bit Digital Signal Processor 인 TI(Texas Instrument)사의 TMS320VC33을 사용하였다. 또한 Memory는 유지보수의 편의를 위해 ROM에 프로그램을 직접 다운로드가 가능하도록 Flash Memory를 사용하였다.
이 보드는 에너지 저장장치의 중추를 이루고 있기 때문에 32bit DSP에 의해 각종 처리를 소프트웨어로 실현하고 있다. 이 기판은 각종 아날로그 신호들을 입력받아 제어신호로 사용하여 에너지 저장장치의 충방전 전류지령을 작성하고, 양방향 쵸퍼의 PULSE PATTERN을 발생시킨다. 이것에 의해 입력가선전압 변동에 대해서 일정한 DC 전압으로 제어하기 위해 CHOPPER의 듀티비를 제어하는 기능을 갖는다.
이 보드에서 만들어진 PWM 펄스 파형은 EOC09 보드로 전송되어 광신호로 변환되어 각 게이트 드라이버를 구동시켜 최종적으로 IGBT를 턴온 또는 턴오프 시키게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 신호제어보드를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 상기 신호제어보드(38: PUZ33)는 다른 보드나 주회로간, TMS와의 통신을 수행하며, 통상 구동정보 및 고장기록을 수행하고, 고장시 각 부품의 상태를 NVSRAM에 저장하는 보드이다.
즉, PUZ33A 보드는 에너지저장장치를 CONTROL하기 위해 PWM33-1 CARD～주 회로간, TMS와의 통신등의 INTERFACE를 위한 CARD이다. 이 카드는 PWM33-1과의 통신으로서 각종 정보를 입력받아 통상정보와 고장기록 등을 저장하여 TMS와 통신을 주고 받는 역할을 한다.
또한, 에너지 저장장치 고장 시 각종 상황을 정기적으로 NVSRAM에 저장하여 고장기록등을 저장한다. 저장된 고장기록은 PC와 RS232통신을 통하여 다운로드하여 고장 시 상황을 알 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 신호인식보드를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 상기 신호인식보드(36:DIP13 & DIP-AUX)는 100V 입력신호를 전달받는 입력회로부(100)와; 입력회로부(100)의 출력단과 접속되어 입력신호에 대한 surge 차단을 위한 서지차단부(102)와; 서지차단부(102)의 출력신호를 필터링 하기위한 필터 회로부(104)와; 외부신호와 절연을 위한 절연 회로부(106)가 포함된다.
즉, DIP13-1/DIP-AUX 보드는 100V 입력신호를 전달받는 Digital 입력신호와 입력신호에 대한 surge 차단을 위한 Surge 차단 회로부, 필터링을 위한 필터 회로부, 외부신호와 절연을 위한 절연 회로부로 구성되어 있다.
DIP13-1 보드는 총 24채널의 디지털 신호를 입력받을 수 있도록 설계되어 있으며, DIP-AUX보드는 8채널의 디지털 신호를 입력받을 수 있도록 설계 되었다. 입력된 신호는 마더보드를 통해 PUZ33A보드로 전송되어 제어에 사용된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 디지털 출력접점부를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 상기 디지털 출력접점부(46:RYO45)는 마더보드(110)의 출력신호와 외부신호를 분리하기 위한 절연 회로부(114)와; 컨텍터 릴레이를 구동하기 위한 릴레이 드라이버(116)를 포함하여 구성된다.
즉, RYO45(Digital Output) 보드는 출력신호와 외부전원분리를 위한 전원 분리 회로부, Contactor Relay 구동을 위한 Relay 회로부로 구성되어 있다.
에너지 저장장치의 제어부(32)에는 8채널의 디지털 출력 회로를 구성하여 에너지 저장장치의 각 콘텍터를 구동시키거나 외부로 디지털 신호를 출력하는데 사용한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 광출력보드를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 상기 광출력보드(42: EOC09-1)는 PWM 제어보드(40)로부터 12채널의 게이트 PWM 신호를 입력받아 광신호로 변환하여 게이트 드라이버(44)를 구동시킴으로 인해 IGBT를 턴온 또는 턴오프시키는 광신호 변환부(122)가 포함된다.
즉, EOC09-1 보드는 PWM33-1로부터 12채널의 게이트 PWM 신호를 입력받아 광신호로 변환하여 게이트 드라이버를 구동시켜 IGBT를 턴온 또는 턴오프한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 전원입력보드를 상세 도시한 블록도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부에 포함된 제어전원보드를 상세 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 제어부(32)에 포함된 전원입력보드(130: PWS24A)와, 제어전원보드(150: PWS27A)를 살펴보면, PWS24 보드는 DC100V를 입력받아 필터회로와 전원 안정화 회로를 거쳐 Mother Board에 입력시켜 PWS27(제어전원 장치)로 준다.
PWS27 보드는 PWS24로부터 DC100V를 입력받아 SMPS(Switch Mode Power Supply)를 통해 각 제어기에서 필요한 제어전원을 만들어 공급한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치의 동작 시퀀스를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 10의 시퀀스를 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치(2)에 포함된 제어부(32)는 AC 220V 전원이 인가되어 제어기가 동작을 실행, 짧은 시간텀을 가지고 각 컨텍터가 이상이 없을 시 GCK(Ground Circuit Contactor), MCB(Main Circuit Breaker), HSCB(High Speed Circuit Breaker) 순으로 동작을 한다.
저장부(FC: 연료전지)의 전압이 기준전압 이상으로 차게 되면 CHK(Charging Contactor)가 ON되며 충방전을 위한 슈퍼캐패시터의 초기충전모드로 돌입을 한다.
초기 충전모드의 설명은 앞에서 설명한 것과 같이 돌입전류에 대한 슈퍼캐패시터의 보호동작 시퀀스이다.
초기충전이 완료되면, 가선 전압의 상태에 따라 제어기는 슈퍼캐패시터의 동작모드를 판별하여, 양방향 DCDC 컨버터를 벅 모드와 부스터 모드로 번갈아 가며 운행, 정상동작을 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치는 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.
4:전력유입부, 6:단로기,
8:필터부, 10:충전부,
20a,20b,20c:양방향 DC-DC 커넥터, 28a,28b,28c:저장부,
32:제어부

Claims (10)

  1. 가선에 전기적으로 연결되어 전력을 유입받으며, 내부에 단로기가 구성된 전력유입부와;
    가선에 전기적으로 연결되어 고주파 성분을 제거하는 필터부와;
    상기 가선과 필터부 사이에 전기적으로 차단스위치가 연결되고, 그 차단스위치에 연결되어 충전되는 충전부와;
    전기적 에너지를 저장하는 슈퍼 캐패시터가 복수개로 이루어진 저장부와;
    상기 저장부의 용량과 , 입출력되는 전류값 및 전력값을 측정하여 제어부로 출력하는 캐패시터 모니터링부와;
    각 양방향 DC/DC 컨버터에 복수의 트랜지스터가 구비되고, 상기 필터부와 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 각 트랜지스터(제 1트랜지스터 내지 제 6트랜지스터)를 개폐함으로써 제어되며, 복수개가 병렬로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터와;
    상기 필터부에 전기적으로 연결되어 상기 가선의 전압을 검출하는 전압검출부와;
    상기 필터부로 유입되는 전류량를 검출하여 제어부로 출력하는 전류검출부와;
    상기 전류검출부 및 전압검출부에서 검출된 가선의 전류 및 전압을 판단하여 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 제 1트랜지스터 내지 제 6트랜지스터의 각각에 개폐 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하며;
    상기 제어부는 PT유닛으로부터 DC링크 전압 및 슈퍼캐패시터의 전압을 실시간으로 인식받으며, CT유닛으로부터 DC링크 전류 및 슈퍼 캐패시터의 충방전 전류를 인가받는 아날로그 인터페이스 보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드에 대해 병렬로 구성되며, 컨텍터의 피드백 신호 및 퓨즈접점, 온도접점, 전면판넬의 스위치 접점을 인식하여 제어부의 구동 시퀀스 및 보호동작을 수행하게 하는 신호인식보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드와 신호인식보드로부터 신호를 인가받으며, 시스템의 시퀀스 및 보호동작과 통신동작을 수행하는 신호제어보드와; 상기 신호제어보드로부터 신호를 인가받아, 접점신호를 출력하는 디지털 출력접점부와; 상기 신호제어보드로부터 신호를 인가받아, 그 신호를 원격의 관제 모니터로 전송하며, 슈퍼 캐패시터 모니터링부와 통신을 수행하는 통신보드와; 상기 아날로그 인터페이스 보드와 신호제어보드로부터 각각 신호를 인가받아 PWM 펄스신호를 제어하는 PWM 제어보드와; 상기 PWM 제어보드로부터 PWM 펄스신호를 인가받아, 해당 PWM 펄스신호를 광신호로 변환하는 광출력보드와; 상기 광출력보드로부터 PWM 광신호를 인가받아, 외부게이트 구동신호를 발생하는 외부게이트 드라이버로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐패시터 모니터링부는 그 개수가 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저장부는 그 개수가 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 제어보드는 아날로그 신호를 인가받는 센서입력회로부와;
    상기 센서입력회로부의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부와;
    상기 센서입력회로부의 출력신호와 고장기준값을 입력으로 고장검출, 인터럽트 요구신호를 출력하는 연산부와;
    상기 A/D변환부와 연산부의 출력신호를 인가받아, 충방전 전류지령을 작성하고 양방향 쵸퍼의 펄스 패턴을 발생시키며, 쵸퍼의 듀티비를 제어하는 연산제어 처리부와;
    전원상태를 감시하는 전원감시부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 신호제어보드는 다른 보드나, 해당 보드의 주회로 또는, TMS(열차안전관리시스템: Train management safty)와의 통신을 수행하며, 통상 구동정보 및 고장기록을 수행하고, 고장시 각 부품의 상태를 NVSRAM에 저장하는 보드인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 신호인식보드는 100V 입력신호를 전달받는 입력회로부와;
    입력회로부의 출력단과 접속되어 입력신호에 대한 surge 차단을 위한 서지차단부와;
    서지차단부의 출력신호를 필터링 하기위한 필터 회로부와;
    외부신호와 절연을 위한 절연 회로부가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 디지털 출력접점부는 신호인식보드에 구성된 마더보드의 출력신호와 외부신호를 분리하기 위한 절연 회로부와;
    그 절연회로부와 연결되고, 컨텍터 릴레이를 구동하기 위한 릴레이 드라이버가 순차적으로 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광출력보드는 PWM 제어보드로부터 12채널의 게이트 PWM 신호를 입력받아 광신호로 변환하여 게이트 드라이버를 구동시킴으로 인해 IGBT를 턴온 또는 턴오프시키는 광신호 변환부가 포함된 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 도시철도의 에너지 저장장치.
  10. 삭제
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