KR101224570B1

KR101224570B1 - 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법

Info

Publication number: KR101224570B1
Application number: KR1020110132708A
Authority: KR
Inventors: 이은규; 김태석; 권경민
Original assignee: 주식회사 우진산전
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-01-21
Also published as: JP5563615B2; JP2013123359A; CN103166216B; US20130147441A1; EP2604467A2; CN103166216A

Abstract

본 발명은 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법에 관한 것으로, 변전소의 전압변동, 운행패턴에 의한 전압변동, 시간대별 전압변동으로 인한 가선전압의 변동에 따른 최적의 트래킹을 자동으로 수행하도록 함으로써 에너지 저장 효율을 극대화시키도록 한 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명을 적용하면, 직류도시철도의 회생에너지를 효율적으로 사용하고 가선전압의 안정화를 구현할 수 있는 양방향 DC-DC컨버터로 최적의 에너지 절감량 효과를 얻을 수 있으며, 신재생에너지를 주요 에너지원으로 사용하는 스마트 그리드 또는 마이크로 그리드에 적용하는 에너지 저장시스템에 본 알고리즘을 적용 및 응용하여 신재생에너지원인 풍력발전 및 태양광발전의 불안정된 전원을 실시간으로 추종하여, 에너지를 충전 및 방전함으로써 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법{AUTO TUNING METHOD BASED ENERGY STORAGING SYSTEM OF A RAILROAD}

본 발명은 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 변전소의 전압변동, 운행패턴에 의한 전압변동, 시간대별 전압변동으로 인한 가선전압의 변동에 따른 최적의 트래킹을 자동으로 수행하도록 함으로써 에너지 저장 효율을 극대화시키도록 한 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법에 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.
한국공개특허 2006-0073067호(도시철도의 회생전력 저장시스템)에는 전기철도차량의 회생 제동에 의해 발생하여 가선으로 되돌려지는 회생전력을 가선으로부터 공급받아 운동에너지 형태로 저장하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하여 역사의 부대전력으로 공급할 수 있도록 한 것이다.
상기한 종래의 도시철도의 회생전력 저장시스템은 전기철도의 회생 제동에 의해 발생되는 회생 전력을 전기철도 차량에 직접 사용하지 않고, 역사 설비의 부대 전력으로 활용하고 있다.
회생 제동을 더욱 효율적으로 이용하기 위해서는 전기철도 차량에서 발생되는 회생 전력을 전기철도 차량의 역행시 차량 내 전동기에 직접 공급하도록 하는 구조에 대한 연구 개발이 필요한 실정이었다.
따라서, 한국철도기술연구원은 이러한 문제를 해결할 수 있도록 등록특허 10-981305를 통해, 전기철도 차량의 회생 제동시 발생되는 회생 전기에너지를 차량에 탑재된 에너지 저장장치에 저장하고, 차량의 운행 상태에 따라 에너지 저장장치의 충/방전을 반복하도록 하는 전기철도 차량의 회생 에너지 저장 시스템을 개발하였다.
하지만, 등록특허 10-981305호는 단지 철도차량내에 에너지 저장장치를 탑재할 수 있다는 것이 기술의 전부이며, 변전소의 전압변동 및 운행패턴에 의한 전압변동, 시간대별 전압변동으로 인해 에너지 저장효율이 떨어짐은 물론이고, 시스템이 불안정해진다는 문제는 여전히 남아있었다.

즉, 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.

회생에너지를 효율적으로 활용하기 위해서는 에너지저장시스템의 충, 방전 레벨 값이 중요한 요소로 작용하는데 전철 변전소 출력전압 변동 및 차량운행에 따른 가선전압의 변동으로 인하여 시스템을 효율적으로 활용하기 어려운 실정이다.

보다 상세하게 도 1을 참조하여 종래의 직류 전철 변전소의 가선 변동에 대해 살펴본다.

직류 전철 변전소의 급전시스템에 구비된 변전설비는 2500kW 12pulse 정류기로 구성되어 있으며, 2500kW 정류기는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 기능을 갖는다. 다음 표 1은 변전설비의 정류기 정격에 대하여 나타낸다.

목록	전압
정격 DC 전압	1500V
정류기용 변압기 2차측 전압	600V
3상 전파 정류기 전압계수	1.35
정류기 2차측 전압	810V
12Pulse 정류기 2차측 전압	1620V

동 도면을 통해 직류 변전소의 가선 변동을 살펴보면, 직류 지하철 급전시스템에서 변압기와 정류기를 통한 가선전원은 한전 전원의 변동에 의해 결정이 된다. 한전에서의 공급전원의 변동은 3[%]까지 허용이 되고, 실제 측정결과 정류기 후단의 가선전압은 일정한 패턴이 없이 1625V를 기준으로 1612~1640V범위까지 변동이 됨을 확인하였다.

도 1은 열차 운행 시에 DCPT를 이용하여 정류기 후단의 모선을 측정한 결과로서 측정라인이 두껍게 유지되는 윤곽을 보면 가선이 열차의 운행에 관계없이 흔들리고 있는 모습을 확인 할 수 있다. 여기서 날카롭게 나타나는 측정전압은 열차의 역행과 회생 시에 나타나는 전압이다.

일반적으로 사용하고 있는 에너지저장시스템은 가선의 전압이 일정하다는 전제하에 가선전압보다 일정전압 이상 상승 혹은 하강하였을 때 에너지저장 시스템을 충전 혹은 방전하도록 설정하게 된다. 하지만 변전 설비의 용량이 증대됨에 따라 역행 시 발생되는 가선전압의 전압강하가 매우 작은 현실에서는 에너지 저장장치의 방전을 개시 시키는 전압을 일정전압으로 설정하는 것이 매우 어렵게 된다.

또한, 다른 문제로 이러한 역행 시 발생되는 전압강하가 15V이하인데 반해 가선의 전압은 30V이상의 변동폭을 가지게 되어 실제 에너지 저장장치의 충,방전의 수행은 원활하지 못하게 될 수 있다. 이러한 이유에서 가선전압의 변동에 따른 에너지 저장장치의 충방전 개시전압 및 유지 전압에 변동을 시켜야할 필요성이 있다. 하지만 가선전압의 변동은 어떠한 시간이나 열차의 운행패턴에 의한 일정한 패턴을 가지는 것이 아니므로 가선전압의 변동을 트랙킹하기란 매우 어려운 실정이다.

가선전압은 비단 변전소의 전압 변동이나 운행 패턴의 변화에 의한 변동 이외에 시간에 따라 변동되기도 하는 바, 가선전원은 한전배전라인으로부터 22.9[kV]의 전원을 공급받아 12상 변압기와 정류기를 거쳐 공급되게 된다. 이때 수전되는 22.9[kV]는 3%의 변동폭을 가지고 공급이 되게 되고 이는 변전소의 DC가선전원에 영향을 주게 된다. 이러한 이유에서 가선전원의 변동에 대해 적절히 보상할 필요가 있다. 도 2는 대전도시철도 1호선 대동변전소에서 실제 측정한 데이터를 시간대 별로 정규화 시킨 결과이다. 그림2에서 보는 바와 같이 가선전원은 대략 1610[V]에서 1630[V]까지 가변됨을 확인할 수 있다.

이는 마찬가지로, 에너지 저장 시스템의 효율을 높이기 위해 가선전압의 변동을 트랙킹하기가 매우 어렵게 하는 요소로 작용된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 변전소의 전압변동, 운행패턴에 의한 전압변동, 시간대별 전압변동으로 인한 가선전압의 변동에 따른 최적의 트래킹을 자동으로 수행하도록 함으로써 에너지 저장 효율을 극대화시키도록 한 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 철도차량의 에너지 저장장치에 구비된 컨버터를 턴온하는 제 1과정과; 슈퍼 캐패시터의 초기 충전이 완료되어 전력 모드(충전 또는 방전 동작을 수행할 수 있는 모드)가 작동되는 제 2과정과; 충전 모드(급전 전압이 충전개시전압보다 큰 경우), 또는 방전 모드(급전 전압이 방전개시전압보다 큰 경우)중 어느 한 모드가 선택되는 제 3과정과; 전력 충전모드 또는 방전모드가 개시되거나 또는 에너지 저장장치의 컨버터가 턴오프되어 작동이 정지되는 제 4과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건(충전모드->방전모드 또는 방전모드->충전모드)이 만족하는 지를 판단하는 제 5과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되는 경우, 각 진행 모드를 변경(충전모드를 방전모드로 변경 또는 방전모드를 충전모드로 변경)하는 제 6과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되지 않은 경우, 전압 유지(자동레벨 충전 및 방전 제한전압 유지) 또는 자동 튜닝 조건이 되는 지를 판단하는 제 7과정과; 전압 유지 또는 자동 튜닝(자동 레벨충전 및 방전 제한전압 조절을 수행하는 튜닝)처리를 수행하는 제 8과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 3과정은 가선 전압(급전전압)이 충전 개시전압보다 작거나 또는 가선 전압이 충전 개시전압보다 큰 경우(=가선전압과 충격 개시전압이 동일한 경우만 제외한 경우) 에너지 저장장치의 컨버터를 턴오프시키는 과정과; 가선 전압이 충전개시전압보다 큰 지를 판단하는 과정과; 가선 전압이 충전개시전압보다 큰 경우, 충전을 개시하는 과정과; 가선 전압이 방전개시전압보다 작은 지를 판단하는 과정과; 가선 전압이 방전개시전압보다 작은 경우, 방전을 개시하는 과정으로 이루어져 어느 한 모드가 선택되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 4과정은 슈퍼 캐패시터의 충전압전 또는 방전전압이 충전 제한전압 또는 방전 제한전압보다 커지는 지를 판단하는 과정과; 슈퍼 캐패시터의 충전 또는 방전전압이 충전 또는 방전 제한전압보다 커지는 경우, 컨버터를 턴오프하는 과정이 더 포함된 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 5과정은 충전 모드시 방전 개시 작동시간이 10초보다 큰 경우, 방전모드로 변환하고; 방전 모드시 충전 개시 작동시간이 10초보다 작은 경우, 충전모드로 변환하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 7과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압(현재 설정된 방전개시 전압)이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같은 지를 판단하는 과정과; 방전모드시 실제 충전개시 전압(현재 설정된 충전개시 전압)이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같은 지를 판단하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 8과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압(현재 설정된 방전개시 전압)이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같으면 실제 방전개시 전압을 자동 레벨 방전제한 전압으로 설정하는 과정과; 실제 방전개시 전압이 자동 레벨 방전제한 전압보다 작으면 방전개시전압을 레벨-업되게 갱신하는 과정과; 방전모드시 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같으면 실제 충전개시 전압을 자동 레벨 충전제한 전압으로 설정하는 과정과; 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 크면 방전개시전압을 레벨-다운되게 갱신하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이 제공된다.

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본 발명에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법은 직류도시철도의 회생에너지를 효율적으로 사용하고 가선전압의 안정화를 구현할 수 있는 양방향 DC-DC컨버터로 최적의 에너지 절감량 효과를 얻을 수 있으며, 신재생에너지를 주요 에너지원으로 사용하는 스마트 그리드 또는 마이크로 그리드에 적용하는 에너지 저장시스템에 본 알고리즘을 적용 및 응용하여 신재생에너지원인 풍력발전 및 태양광발전의 불안정된 전원을 실시간으로 추종하여, 에너지를 충전 및 방전함으로써 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 에너지 저장 시스템 기반에서 가선 전압변동 상태를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 에너지 저장 시스템 기반에서 시간에 따른 가선 전압변동 상태를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장장치의 구성을 나타내는 회로도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템에 적용된 전력모드 제어기의 간략화한 구성도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝상태를 도시한 플로우챠트,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 미적용시 과방전 상태를 나타내는 동작시험도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 미적용시 과충전 상태를 나타내는 동작시험도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝을 적용한 상태를 나타내는 시험도이다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장장치의 구성을 나타내는 회로도이다.

이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법은 변전소의 전압변동, 운행패턴에 의한 전압변동, 시간대별 전압변동으로 인한 가선전압의 변동에 따른 최적의 트래킹을 자동으로 수행하도록 함으로써 에너지 저장 효율을 극대화시키도록 한 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법이다.

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

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.

상기 DC-DC 컨버터(30)는 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.

상기 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.

상기 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.

상기 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)는 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 제 1트랜지스터(31)와 제 2트랜지스터(32)를 스위칭 하면서 양방향으로 DC 전압을 특정 DC전압으로 변환시킨다. 상기 제 1트랜지스터(31)와 제 2트랜지스터(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 제 2트랜지스터가 Off되고 제 1트랜지스터(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 제 1트랜지스터와 제 2트랜지스터를 180도 위상 차이를 두어 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우 주 스위칭 역할은 제 2트랜지스터가 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 소모시키기 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. 슈퍼커패시터 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 제 1트랜지스터(31)를 On 상태로 스위칭시키기 위한 제어신호를 출력한다. 이때 양방향 DC/DC컨버터는 Buck Converter로서 작동하게 된다.

또한, 가선전압이 1000V 이하로 떨어지는 경우에는 제어부는 제1트랜지스터를 Off 상태로, 제2트랜지스터를 On상태로 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 슈퍼커패시터 모니터링부(90)가 저장부(50)가 완충상태임을 출력한 경우에는 가선전압이 1800V(저장 기준전압) 이상이 되더라도 충전모드로 전환하지 않으며 슈퍼커패시터 모니터링부(90)에 의하여 측정된 저장부(50)의 전압이 1000V(공급 기준 전압) 이하일 경우에는 전력공급모드로 전환하지 않는다.

본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장시스템의 제어부(60)는 초기 슈퍼커패시터의 정전류 충전을 위한 초기충전 제어기와 초기 충전완료 후 열차의 역행, 제동시 발생하는 회생 에너지를 이용하여 가선전원을 안정화시키기 위한 전력제어기(110)로 구성하였으며, 각 제어기의 구조는 PI-PI의 2중 루프 제어기로 설계한다.

초기 충전제어기는 초기 슈퍼캐패시터를 충전하기 위한 제어기로 슈퍼캐패시터가 완전 방전되었을 때에 dv/dt성분에 의한 돌입전류를 방지를 위한 소프트 스타트 제어기와 정전류 제어를 위한 전류제어기 그리고 전류제어기의 출력 값에 따라 듀티비를 제어하기 위한 전압제어기로 구성된다.

도 4는 본 발명이 적용된 전력모드 제어기의 간략화한 구성도이다. 전력모드 시 내부 루프인 전류제어기(120)는 초기충전모드일 때와 달리 내부루프에 위치하게 되어 외부루프인 전력제어기(110)의 절점주파수보다 빠른 절점주파수를 가지게 된다.

전력모드에서 외부루프인 전력제어기(110)는 DC링크단의 전력을 제어하는 것으로 DC링크단의 임피던스는 추종값과 실제값이 항상 같게 됨으로 결국 에 의한 에러값을 보상하는 결과와 동일하게 계산되어진다.

전력제어기(110)에 있어서 시스템 전달함수 는 식(1)의 관계에 의해 식(2)과 같은 시스템 전달함수로 계산된다.

(식 1)

(식 2)

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템의 기능과 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝상태를 도시한 플로우챠트이다.

먼저, 에너지저장 시스템구성 및 제어기 설계는 일반적으로 가선의 전원이 일정한 환경이라는 가정에서부터 출발하여 설계가 이루어졌으나, 실제로는 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 이렇게 이상적인 환경의 가선상태는 존재하지 않는다. 다시 말해 충전과 방전을 시행할 때 반드시 고려되어야 할 사항으로 가선의 변동폭 및 그에 따른 충전과 방전의 개시, 유지전압의 변동이 필연적으로 발생된다.

바람직한 에너지저장시스템은 변전소 정류기 출력전압의 유동을 면밀하게 분석하여 시스템 충전시 변전소 전원으로 충전되면 안되며, 방전 개시전압을 너무 높게 선정하여 상시방전 체계로 선정하여서도 안된다.

따라서, 에너지저장시스템의 충, 방전 개시전압을 고정하게 되면 변전소 전원의 변동 및 열차운행에 따라 슈퍼캐패시터는 충전량에 비해 방전량이 많아지거나 방전량에 비해 충전량이 많아져 과충전, 과방전상태에 머물게 되므로 에너지 절감율은 떨어질 수밖에 없게 된다.

이는 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝이 필요한 근거인 바, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템의 자동 튜닝방법은 에너지저장시스템의 충, 방전 개시전압을 고정하지 않은 상태에서 상시 모니터링하고 그 변동값을 반영하여 각종 전압들이 연동되게 제어하는 방법이다.

보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템은 가선의 급전이 개시되어 슈퍼 커패시터가 초기 충전을 완료한 상태에서 전력 모드가 작동되면 충, 방전 개시전압과 급전전압을 비교하여 충, 방전개시전압을 단계별로 상승 또는 하강시켜 충전과 방전을 개시하도록 한다.

더욱 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템의 신호흐름을 살펴보면, 철도차량의 에너지 저장장치가 구동 개시되는 제 1과정을 거치며, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장장치는 슈퍼 캐패시터의 초기 충전이 완료되어 전력 모드가 작동되는 제 2과정과; 충전 모드 또는 방전 모드중 어느 한 모드가 선택되는 제 3과정과; 전력 충전모드 또는 방전모드가 개시되거나 또는 에너지 저장장치의 작동이 정지되는 제 4과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족하는 지를 판단하는 제 5과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되는 경우, 각 진행 모드를 변경하는 제 6과정과; 충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되지 않은 경우, 전압 유지 또는 자동 튜닝 조건이 되는 지를 판단하는 제 7과정과; 전압 유지 또는 자동 튜닝처리를 수행하는 제 8과정으로 이루어진다.

이때, 상기 제 3과정은 급전 전압이 충전 개시전압보다 작거나 또는 급전 전압이 충전 개시전압보다 큰 경우 에너지 저장장치의 작동을 정지시키는 과정(ST-4)과; 급전 전압이 충전개시전압보다 큰 지를 판단하는 과정(ST-5)과; 급전 전압이 충전개시전압보다 큰 경우, 전력모드 충전을 개시하는 과정(ST-7)과; 급전 전압이 방전개시전압보다 큰 지를 판단하는 과정(ST-6)과; 급전 전압이 방전개시전압보다 큰 경우, 전력모드 방전을 개시하는 과정(ST-14)으로 이루어져 어느 한 모드가 선택되는 과정이다.

또한, 상기 제 4과정은 슈퍼 캐패시터의 충전 또는 방전전압이 충전 또는 방전 제한전압보다 커지는 지를 판단하는 과정(ST-8,15)과; 슈퍼 캐패시터의 충전 또는 방전전압이 충전 또는 방전 제한전압보다 커지는 경우, 시스템 충전이나 시스템 방전을 차단하는 과정(ST-9, 16)이 더 포함된다.

한편, 상기 제 5과정은 충전 모드시 방전 개시 작동시간이 10초보다 큰 경우, 방전모드로 변환하고; 방전 모드시 충전 개시 작동시간이 10초보다 작은 경우, 충전모드로 변환하는 과정이다.

또, 상기 제 7과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같은 지를 판단하는 과정(ST-11)과; 방전모드시 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같은 지를 판단하는 과정(ST-18)으로 이루어진다.

또한, 상기 제 8과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같으면 실제 방전개시 작동전압을 자동 레벨 방전제한 전압으로 설정하는 과정(ST-13)과; 실제 방전개시 전압이 자동 레벨 방전제한 전압보다 작으면 방전개시전압을 레벨-업되게 갱신하는 과정(ST-12)과; 방전모드시 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같으면 실제 충전개시 작동전압을 자동 레벨 충전제한 전압으로 설정하는 과정(ST-20)과; 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 크면 방전개시전압을 레벨-다운되게 갱신하는 과정(ST-19)으로 이루어진다.

결과적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템은 자동 튜닝 알고리즘을 적용하여 충, 방전의 횟수를 증가시킴으로 인해 에너지 저장 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다.

-자동 튜닝 기법 적용 전 충방전 알고리즘

자동 튜닝기법 적용 전 충,방전 알고리즘은 무부하시 가선전원이 1625[V]로 일정하다는 가정 하에서 충방전 개시전압, 유지전압, 리셋전압을 고정된 값으로 설정하였다. 설정값은 가선전원을 측정하여 차량이 역행 시, 회생 시 가선전원을 측정하여 평균적으로 충방전을 원활히 수행할 수 있는 값으로 설정하였다. 설정값은 아래의 값에 의해 결정된다.

충전 시

충전개시전압 : (무부하시 가선전원 + 30)[V] = 1655[V]

충전리셋전압 : (무부하시 가선전원 + 15)[V] = 1640[V]

충전유지전압 : (무부하시 가선전원 + 20)[V] = 1645[V]

방전 시

방전개시전압 : (무부하시 가선전원 - 9 )[V] = 1616[V]

방전리셋전압 : (무부하시 가선전원 - 0 )[V] = 1625[V]

방전유지전압 : (무부하시 가선전원 - 5 )[V] = 1620[V]

-자동 튜닝 기법 적용시 알고리즘

자동 튜닝기법 알고리즘은 충방전시 셋팅값의 계산은 자동 튜닝기법 적용 전과 동일한 알고리즘을 사용하지만 무부하시 가선전원을 찾아 변동 적용하는 방법에서 차이를 갖는다. 하지만 차량운행 시간대에 무부하시 전원을 프로세서가 스스로 찾아 인식하기는 매우 어렵다. 현재 적용된 자동 튜닝기법으로 무부하시 전원을 찾는 방법은 초기 무부하시 전원을 1625[V]로 정의하고, 에너지 저장장치가 과충전 상태에서 일정 시간동안 방전을 하지 못하면 무부하시 전원을 20[s]에 4[V]씩 증가시킴으로서 적은 역행 에너지에 대하여도 방전을 수행할 수 있도록 하였고, 마찬가지로 과방전 상태에서는 일정 시간동안 충전을 하지 못하면 20[s]에 5[V]씩 감소시킴으로서 적은 회생에서도 충전을 수행하도록 하였다. 만약 무부하시 전원이 너무 높게 설정되거나 혹은 너무 낮게 설정이 되면 과방전상태나 과충전 상태로 가게 되고 설정값은 충방전을 수행하는 동안 무부하시 가선의 전원을 찾게 되도록 한다.

실제 시험에서 무부하시 전원을 찾기 위해 충방전을 최대 2회 튜닝 작업으로 추정함을 확인하였다. 또한 자동 튜닝기법 적용 후 충방전 횟수가 하루평균 약 600회 정도 증가하였고, 동일 전류제한치를 적용하였을 때 슈퍼캐패시터에서 공급하는 전력이 약 1.5배 이상 증가됨을 확인하였다.

-충전 시

충전개시전압 : (무부하시 가선전원 + 30)[V] = 1655[V]

충전리셋전압 : (무부하시 가선전원 + 15)[V] = 1640[V]

충전유지전압 : (무부하시 가선전원 + 20)[V] = 1645[V]

-방전 시

방전개시전압 : (무부하시 가선전원 - 9 )[V] = 1616[V]

방전리셋전압 : (무부하시 가선전원 - 0 )[V] = 1625[V]

방전유지전압 : (무부하시 가선전원 - 5 )[V] = 1620[V]

아래의 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 충, 방전 조건 및 슈퍼캐패시터의 충, 방전 제한용량에 대하여 나타낸 것이며, 수퍼캐패시터에 흘릴 수 있는 전류는 200A로 제한한 것이다.

구분	자동 레벨 튜닝 미적용	자동 레벨 튜닝 적용
충전개시전압	1660V	1645-1660V
방전개시전압	1615V	1615-1624V
슈퍼캐패시터 과충전 제한전압	1050V	1050V
슈퍼캐패시터 과방전 제한전압	450V	450V
슈퍼캐패시터 충, 방전 전류제한	200A	200A

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 미적용시 과방전 상태를 나타내는 동작시험도이다.

이를 참조하면, 도 6은 자동 레벨 튜닝 미적용 시 에너지저장시스템의 충, 방전파형으로 가선전압이 전체적으로 낮아 슈퍼캐패시터 측에서는 과방전 영역에서 동작하게 된다. 확대된 파형에서 알 수 있듯이 슈퍼캐패시터의 과방전 레벨(450[V])에 도달 후부터 가선전압이 방전개시전압인 1615[V]가 되어도 방전을 해주지 못하고 있다. 이는 가선전압의 Normal 전압이 낮아진 상태에서 동작하고 있을 때 발생된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 미적용시 과충전 상태를 나타내는 동작시험도이다.

이를 참조하면, 도 7은 자동 레벨 튜닝 미적용 시 에너지저장시스템의 충, 방전파형으로 가선전압이 전체적으로 높아 슈퍼캐패시터 측에서는 과충전영역에서 동작하게 된다. 확대된 파형에서 알 수 있듯이 가선전압이 충전개시전압인 1660[V] 이상되는 순간 충전을 시작한다.

그러나, 가선의 Normal 전압이 높아진 상태이므로 슈퍼캐패시터의 과충전 레벨(1050[V])에 도달 후부터 차량의 역행시에도 가선전압이 방전개시전압인 1615[V] 이하로 되지 못해 방전을 해주지 못하는 현상이 발생된다. 따라서, 차량운행 및 변전소 출력변동에 따른 가선전압이 방전개시전압이하로 떨어지기 전까지는 회생전력이 발생하여도 이를 충전하지 못하게 됨을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝을 적용한 상태를 나타내는 시험도이다.

이를 참조하면, 도 8은 충, 방전 자동 레벨 튜닝 제어 알고리즘을 적용한 파형이다. 확대된 파형에서 알 수 있듯이 차량운행 및 변전소 출력변동에 따라 슈퍼개패시터의 과방전 상태에서 일정시간동안 충전동작이 이루어지지 않을 경우 가선의 Normal 전압이 낮아진 것으로 판단하여 충전개시전압을 단계별로 상승시켜 충전을 개시하도록 하게 된다.

또한, 과충전 상태에서 일정시간동안 방전동작이 이루어지지 않을 경우 가선의 Normal 전압이 높아진 것으로 판단하여 방전개시전압을 단계별로 상승시켜 방전을 개시하도록 하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 에너지저장시스템은 전동차 운행시 발생되는 회생에너지 재활용을 통하여 고유가 시대에 도시철도 운영기관의 전력비 절감을 향상시키고 전철 변전소 설비 및 가선전원의 안정화, 피크전력의 저감 및 CO2 배출가스 저감등의 효과가 기대되는 시스템이다.

본 발명을 통해, 직류도시철도의 회생에너지를 효율적으로 사용하고 가선전압의 안정화를 구현할 수 있는 양방향 DC-DC컨버터로 최적의 에너지 절감량 효과를 얻을 수 있는 충, 방전 Auto Level Tuning 알고리즘을 제안하였고, 실제 직류도시철도 시스템인 대전도시철도 1호선 변전시스템에 적용하여 제안된 기법의 성능은 시험을 통하여 그 효과를 분석하고 입증하였다.

또한, 신재생에너지를 주요 에너지원으로 사용하는 스마트 그리드 또는 마이크로 그리드에 적용하는 에너지 저장시스템에 본 알고리즘을 적용 및 응용하여 신재생에너지원인 풍력발전 및 태양광발전의 불안정된 전원을 실시간으로 추종하여, 에너지를 충전 및 방전함으로써 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

10:충전부, 20:필터부,
30:양방향 DC/DC 컨버터, 50:저장부,
60:제어부.

Claims

철도차량의 에너지 저장장치에 구비된 컨버터를 턴온하는 제 1과정과;
슈퍼 캐패시터의 초기 충전이 완료되어 전력 모드(충전 또는 방전 동작을 수행할 수 있는 모드)가 작동되는 제 2과정과;
충전 모드(급전 전압이 충전개시전압보다 큰 경우), 또는 방전 모드(급전 전압이 방전개시전압보다 큰 경우)중 어느 한 모드가 선택되는 제 3과정과;
전력 충전모드 또는 방전모드가 개시되거나 또는 에너지 저장장치의 컨버터가 턴오프되어 작동이 정지되는 제 4과정과;
충전모드와 방전모드의 스위칭 조건(충전모드->방전모드 또는 방전모드->충전모드)이 만족하는 지를 판단하는 제 5과정과;
충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되는 경우, 각 진행 모드를 변경(충전모드를 방전모드로 변경 또는 방전모드를 충전모드로 변경)하는 제 6과정과;
충전모드와 방전모드의 스위칭 조건이 만족되지 않은 경우, 전압 유지(자동레벨 충전 및 방전 제한전압 유지) 또는 자동 튜닝 조건이 되는 지를 판단하는 제 7과정과;
전압 유지 또는 자동 튜닝(자동 레벨충전 및 방전 제한전압 조절을 수행하는 튜닝)처리를 수행하는 제 8과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 3과정은 가선 전압(급전전압)이 충전 개시전압보다 작거나 또는 가선 전압이 충전 개시전압보다 큰 경우(=가선전압과 충격 개시전압이 동일한 경우만 제외한 경우) 에너지 저장장치의 컨버터를 턴오프시키는 과정과;
가선 전압이 충전개시전압보다 큰 지를 판단하는 과정과;
가선 전압이 충전개시전압보다 큰 경우, 충전을 개시하는 과정과;
가선 전압이 방전개시전압보다 작은 지를 판단하는 과정과;
가선 전압이 방전개시전압보다 작은 경우, 방전을 개시하는 과정으로 이루어져 어느 한 모드가 선택되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 4과정은 슈퍼 캐패시터의 충전압전 또는 방전전압이 충전 제한전압 또는 방전 제한전압보다 커지는 지를 판단하는 과정과;
슈퍼 캐패시터의 충전 또는 방전전압이 충전 또는 방전 제한전압보다 커지는 경우, 컨버터를 턴오프하는 과정이 더 포함된 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 5과정은 충전 모드시 방전 개시 작동시간이 10초보다 큰 경우, 방전모드로 변환하고;
방전 모드시 충전 개시 작동시간이 10초보다 작은 경우, 충전모드로 변환하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 7과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압(현재 설정된 방전개시 전압)이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같은 지를 판단하는 과정과;
방전모드시 실제 충전개시 전압(현재 설정된 충전개시 전압)이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같은 지를 판단하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 8과정은 충전모드시 실제 방전개시 전압(현재 설정된 방전개시 전압)이 자동 레벨 방전제한 전압보다 크거나 같으면 실제 방전개시 전압을 자동 레벨 방전제한 전압으로 설정하는 과정과;
실제 방전개시 전압이 자동 레벨 방전제한 전압보다 작으면 방전개시전압을 레벨-업되게 갱신하는 과정과;
방전모드시 실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 작거나 같으면 실제 충전개시 전압을 자동 레벨 충전제한 전압으로 설정하는 과정과;
실제 충전개시 전압이 자동 레벨 충전제한 전압보다 크면 방전개시전압을 레벨-다운되게 갱신하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법.