KR101232218B1 - 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치 - Google Patents

도시 철도의 회생 에너지 저장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동차의 회생 제동에 의해 가선으로 되돌려지는 회생 전력을 공급받아 충전하고, 이를 방전하여 다시 전동차에 공급할 수 있는 전력 변환기를 사용하지 않는 회생 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 변전소로부터의 전력을 전동차에 공급하는 동시에 전동차의 감속시 회생 제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 가선; 상기 가선에 전기적으로 연결되어 전력의 입출력이 가능한 적어도 한쌍의 차단부; 상기 한쌍의 차단부의 사이에 전기적으로 연결되어 충전 및 방전이 가능한 전력 저장부; 및 상기 가선의 전압이 제1전압을 초과하면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 가선으로부터 전달된 전력에 의해 상기 전력 저장부가 충전되도록 하고, 상기 가선의 전압이 제2전압 미만이면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 전력 저장부로부터 상기 가선으로 상기 전력 저장부가 방전되도록 하며, 상기 가선의 전압이 제1전압과 제2전압의 사이이면 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 상기 전력 저장부의 충전 및 방전이 정지되도록 하는 제어부로 이루어진 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 개시한다.

Description

도시 철도의 회생 에너지 저장 장치{Restoration energy storage device of urban rail}
본 발명은 전력 변환기를 사용하지 않는 회생 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동차의 회생 제동에 의해 가선으로 되돌려지는 회생 전력을 공급받아 충전하고, 이를 방전하여 다시 전동차에 공급할 수 있는 전력 변환기를 사용하지 않는 회생 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
최근의 전동차는 에너지 절약을 위해 회생 제동 방식을 채택하고 있다. 가속된 전동차가 관성으로 주행 중 정차를 위해 감속을 할 때, 전동기는 발전기로 동작하여 발전 제동을 수행하므로 순간적으로 입력된 전압보다 큰 전압이 형성된다. 이 전동차의 운동에너지를 이용하여 이를 가선으로 되돌리는 방식으로, 이러한 회생 제동 방식을 이용하면 전체 시스템의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크 슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 채용 범위가 점차로 확대되고 있다.
그러나, 전동차의 발전 전기를 가선에 그대로 되돌리는 경우, 회생시 순간적으로 발생된 큰 에너지가 가선 전압을 변동하게 하여 시스템을 불안정하게 할 뿐만 회생 실효가 발생 되고, 후행 전동차가 그 전압을 수용하지 못할 경우 가선 전압의 변동 요인으로만 작용하고 후행 차량의 고장의 원인이 된다.
한편, 전동차의 전압 공급 방식은 AC 전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하여 공급하는 방식으로, 정류기는 순방향 다이오드 방식으로 회로가 연결되어 있어 전동차의 회생 전력은 전원측으로 반환되지 않는 구조이다. 따라서 소비되지 않는 가선의 잉여 회생 전력은 열에너지로 전환되어 소비되는 경우도 발생하고, 가선의 전압이 순간적으로 높아지는 경우 진입하는 열차의 과전압으로 자동 차단되는 경우, 또는 회생 차량에 가선 전압을 수용하지 못해 회생 실효 상태를 초래하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 DC 정류기에 끝단에 회생용 인버터(inverter)나 컨버터를 설치하여 가선의 전압을 교류로 전환하여 전원측으로 반환하는 방식이 도입되고 있으나, 여러 대의 전동차에 의해 발생하는 회생 전력이 인버터 또는 컨버터를 통해 그대로 여과없이 전원측으로 반환하는 경우, 고조파를 함유하고 있어 수용가에 예기치 못한 피해를 줄 우려가 있다. 또한 기존의 전력 저장 시스템으로서 플라이휠(FLY-WHELL) 저장 장치가 알려져 있는데, 이는 기계적인 동작으로 소음이 크고, 부피가 크며 유지 보수비 등, 순간적인 전기 에너지를 받아 들이는데 비효율적인 문제를 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 설치 비용을 최소화하면서 전동차 운행시 발생하는 전기 에너지를 효과적으로 적용할 수 있는 새로운 저장 시스템을 필요로 하고 있다.
본 발명은 종래의 복잡한 인버터 또는 컨버터와 같은 전력 변환기를 사용하지 않고 회생 제동에 의해 발생하여 가선으로 되돌려지는 회생 전력을 가선으로부터 공급받아 배터리, 전기 이중층 캐패시터와 같은 전력 저장부에 저장하고, 가선의 전력 부족시 이를 방전하여 다시 가선에 공급하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
일례로, 본 발명은 가선 전압이 제1전압을 초과할 경우 전력 저장부가 충전 되고, 가선 전압이 제1전압보다 낮은 제2전압 미만일 경우 전력 저장부가 방전되며, 가선 전압이 제1전압 내지 제2전압의 사이에 있을 경우 전력 저장부의 충,방전 이 정지되는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 전력 저장부의 전압이 제3기준 전압을 초과하면 충전을 정지하고, 전력 저장부의 전압이 제4기준 전압 미만일 경우에도 충전 및 방전을 정지하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 가선의 충전 및 방전의 전압 범위가 차량 운전 간격, 차량 편성, 용량 및 사용자의 요구 조건에 따라 조정 가능한 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 복잡한 구성 및 복잡한 제어 방식을 갖는 전력 변환기를 사용하지 않고, 가선 상태에 따라 자연적으로 충전과 방전이 이루어지는 구성 및 방식이기 때문에, 적은 비용으로 고효율의 에너지를 이용할 수 있는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치는 도시 철도의 가선 전압에 따라 전력 변환기없이 전력 저장부에 전력을 충전하거나 또는 전력을 방전한다.
상기 전력 저장부는 상기 가선의 전압 및 사용자의 요구에 따라 동작 전압이 가변될 수 있다.
상기 전력 저장부는 배터리 및 전기 이중층 캐패시터 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치는 변전소로부터의 전력을 전동차에 공급하는 동시에 전동차의 감속시 회생 제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 가선; 상기 가선에 전기적으로 연결되어 전력의 입출력이 가능한 적어도 한쌍의 차단부; 상기 한쌍의 차단부의 사이에 전기적으로 연결되어 충전 및 방전이 가능한 전력 저장부; 및 상기 가선의 전압이 제1전압을 초과하면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 가선으로부터 전달된 전력에 의해 상기 전력 저장부가 충전되도록 하고, 상기 가선의 전압이 제2전압 미만이면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 전력 저장부로부터 상기 가선으로 상기 전력 저장부가 방전되도록 하며, 상기 가선의 전압이 제1전압과 제2전압의 사이이면 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 상기 전력 저장부의 충전 및 방전이 정지되도록 하는 제어부를 포함한다.
상기 한쌍의 차단부는 상기 전력 저장부의 양측단에 설치된다.
상기 제어부는 상기 전력 저장부의 전압이 제3전압에 도달하면, 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 충전이 정지되도록 하고, 상기 전력 저장부의 전압이 상기 제3전압보다 작은 제4전압에 도달되면, 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 방전이 정지되도록 한다. 상기 제3전압은 상기 제1전압보다 높은 전압이고, 상기 제4전압은 상기 제2전압보다 낮은 전압이다.
상기 전력 저장부에는 상기 전력 저장부를 모니터링하기 위한 모니터링부가 연결되고, 상기 모니터링부는 상기 전력 저장부에 병렬로 연결되어 상기 전력 저장부의 전압을 감지하는 전압 센서; 상기 전력 저장부에 직렬로 연결되어 상기 전력 저장부의 전류를 감지하는 전류 센서; 및 상기 전력 저장부에 부착되어 상기 전력 저장부의 온도를 감지하는 온도 센서로 이루어진다.
상기 전력 저장부는 배선 방전부를 포함하고, 상기 배선 방전부는 상기 전력 저장부에 병렬로 연결된 방전용 저항; 및 상기 방전용 저항에 직결로 연결된 방전용 스위치를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 종래의 복잡한 구성 및 복잡한 제어가 필요한 인버터 또는 컨버터와 같은 전력 변환기를 사용하지 않고, 한쌍의 차단부를 동시에 턴온 또는 동시에 턴오프함으로써, 회생 제동에 의해 발생하여 가선으로 되돌려지는 회생 전력을 가선으로부터 공급받아 배터리, 전기 이중층 캐패시터와 같은 전력 저장부에 저장하고, 가선의 전력 부족시 이를 다시 가선에 공급하는 간단한 구성 및 간단한 제어 방식을 갖는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
일례로, 본 발명은 가선 전압이 제1전압을 초과할 경우 전력 저장부가 충전되도록 하고, 가선 전압이 제1전압보다 낮은 제2전압 미만일 경우 전력 저장부가 방전되도록 하며, 가선 전압이 제1전압 내지 제2전압의 사이에 있을 경우 전력 저장부가 충,방전을 정지하도록 한 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 전력 저장부의 전압이 제3기준 전압을 초과하면 충전을 정지하고, 전력 저장부의 전압이 제3기준 전압보다 낮은 제4기준 전압 미만일 경우에도 충전 및 방전을 정지하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 가선의 충전 및 방전의 전압 범위가 차량 운전 간격, 차량 편성, 용량 및 사용자의 요구 조건에 따라 조정 가능한 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
더불어, 본 발명은 복잡한 구성 및 제어 방식을 갖는 전력 변환기를 사용하지 않고, 가선 상태에 따라 자연적으로 충전과 방전이 이루어지는 간단한 구성 및 간단한 제어 방식을 갖기 때문에 적은 비용으로 고효율의 에너지를 이용할 수 있는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치의 전력계통을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치의 동작을 도시한 일례이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1을 참조하면, 도시 철도의 전력은 변전소(도면부호 생략), 정류기(101), 외부 차단부(102), 가선(110)을 거쳐 전동차(105)에 공급되도록 구성되는 데, 예를 들어, 변전소의 AC 전압은 정류기(101)를 통하여 대략 DC 1500V 또는 DC 750V의 전압으로 정류되어 가선(110)을 통해 전동차(105)에 공급된다. 여기서, 상기 DC 전압은 변경될 수 있으며, 이러한 DC 전압으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
주행 및 정차를 반복하면서 정차역 사이를 운행하는 전동차(105)는 가선(110)을 통해 DC 전압을 공급받아 전동기(모터)를 구동함으로써 가속을 하게 되고, 일정한 속도로 가속된 후에는 관성을 이용하여 관성 운행을 하게 되며, 감속시에는 전동기가 회생 제동 시스템에 의해 발전기 기능을 하면서 전동차(105)의 관성 운동 에너지를 이용하여 발전을 하고 이러한 회생 전력은 가선(110)으로 되돌려진다.
본 발명은 이와 같이 가선(110)으로 되돌려진 회생 전력에 의해 가선(110)의 전압이 제1전압을 초과할 경우, 회생 전력을 한쌍의 차단부(121,122)를 통하여 전력 저장부(130)에 공급하여 전력 저장부(130)가 충전되도록 구성한다. 본 발명에 의하면 회생 전력이 발전된 경우에, 가까운 곳에 회생 전력을 필요로 하는 다른 전동차가 없거나 순간적인 전압 변동에 의해 가선(110)에 과전압이 발생하는 경우 이러한 회생 전력을 전력 저장부(130)에 공급하여 충전되도록 함으로써, 회생 전력에 의해 가선(110)의 전압이 변동하는 것을 방지하면서도 회생 실효를 감소시키는 것이 가능하게 된다.
회생 전력은 전동차(105)의 감속 과정에서 발전(發電)됨으로 회생시 순간적으로 발생한 에너지에 의한 가선(110)의 전압의 변동은 전동차의 감속 구간에 발생하게 된다. 따라서 본 발명에 따르면 전력 저장부(130)가 전동차의 감속 구간의 말미 즉, 정차역에 인접하여 설치되는 것이 바람직하고, 전력 저장부(130)에 저장된 전력은 전동차의 가속시 가선(110)에 다시 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 회생 전력이 다시 가선(110)을 통해 전동차의 추진 에너지로 이용되므로, 가선(110)의 전압 변동을 방지하면서 전동차의 안정적인 회생 및 회생 전력의 효율적 활용이 가능하게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치(100)는 가선(110, 도 1 참조), 적어도 한쌍의 차단부(121,122), 적어도 하나의 전력 저장부(130), 제어부(140), 적어도 하나의 모니터링부(150) 및 배선 방전부(160)를 포함한다.
상기 가선(110)은 변전소로부터의 전력을 전동차에 공급하는 동시에 전동차의 감속시 회생 제동에 의해 발생하는 전력이 되돌려지는 경로이다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 가선(110)에는 전압 검출부가 전기적으로 연결되어 가선(110)의 전압을 검출할 수 있도록 되어 있고, 전압 검출부의 검출 정보는 제어부(140)에 전달된다. 일례로, 가선(110)의 전압이 대략 DC 1500V ~ DC 1800V 안에서 변동하는 경우 도시 철도 장치(100)가 수용할 수 있는 전압 변동 범위로 규정되는 데, 회생 전력이 가선(110)으로 되돌려지면서 가선(110)의 전압이 변동되어 DC 1700V(제1전압)를 초과하는 경우, 제어부(140)는 이를 과전압 상태로 판단하고 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴온시킨다. 따라서 회생 전력에 의한 가선(110)의 과전압은 전력 저장부(130)로 전달되어, 전력 저장부(130)가 충전된다. 여기서, 상기 제1전압은 사용자의 요구에 의해 더 높거나 더 낮은 전압으로 변경될 수 있으며, 본 발명에서 상기 제1전압을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 가선(110)에는 전류 검출부가 전기적으로 연결되어 검출된 전류정보를 제어부(140)에 입력하도록 구성되어 있다. 따라서 제어부(140)는 가선(110)을 통해 과전류가 입력되는 것으로 판단되면 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴오프시켜 전력 저장부(130)의 충전 또는 방전이 정지되도록 한다. 이로 인해 과전류에 의해 장치(100)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 적어도 한쌍의 차단부(121,122)는 상기 전력 저장부(130)의 양측단에 설치됨으로써, 가선(110)에 전기적으로 연결 또는 분리되어 전력의 입출력이 이루어지도록 되어 있다. 즉, 상기 한쌍의 차단부(121,122)가 턴온될 경우 상기 전력 저장부(130)는 가선(110)으로부터 전력을 받아 충전되거나, 또는 가선(110)에 전력을 공급하여 방전하게 된다. 이러한 한쌍의 차단부(121,122)는 실질적으로 고속 회로 차단기(HSCB : High Speed Circuit Breaker)일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 적어도 하나의 전력 저장부(130)는 상기 한쌍의 차단부(121,122)의 사이에 전기적으로 연결되어 충전 및 방전된다. 이러한 전력 저장부(130)는 전기 이중층 캐패시터, 재충전 가능한 이차 전지(배터리) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나가 가능하며, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 제어부(140)는 상기 가선(110)의 전압 정보 및 가선(110)의 전류 정보를 입력받고, 이를 근거로 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 턴온시키거나 또는 턴오프하는 제어를 수행한다.
일례로, 상기 가선(110)의 전압이 제1전압(예를 들어, 1700V)을 초과하면 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴온시켜 상기 가선(110)으로부터 전달된 전력에 의해 상기 전력 저장부(130)가 충전되도록 하고, 상기 가선(110)의 전압이 상기 제1전압보다 낮은 제2전압(예를 들어, 1300V) 미만이면 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴온시켜 상기 전력 저장부(130)로부터 상기 가선(110)으로 상기 전력 저장부(130)가 방전되도록 한다. 또한, 상기 제어부(140)는 상기 가선(110)의 전압이 제1전압(예를 들어, 1700V)과 제2전압(예를 들어, 1300V)의 사이이면 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 턴오프하여, 상기 전력 저장부(130)의 충전 및 방전이 정지되도록 한다. 더불어, 상기 제어부(140)는 상기 가선(110)을 통하여 규정된 전류보다 큰 과전류가 흐르면, 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴오프시켜, 상기 전력 저장부(130)가 과전류로부터 보호되도록 한다. 이러한 제어부(140)는 컴퓨터, 아날로그 회로, 디지털 회로 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 구현될 수 있으며, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다. 또한, 여기서 상기 제1전압 및 상기 제2전압은 사용자의 요구에 따라 변경될 수 있으며, 상기 전압으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 적어도 하나의 모니터링부(150)는 상기 전력 저장부(130)의 전압, 전류 및 온도 등을 모니터링하기 위해 상기 전력 저장부(130)에 설치된다. 이러한 모니터링부(150)는 상기 전력 저장부(130)에 병렬로 연결되어 상기 전력 저장부(130)의 전압을 감지하는 전압 센서(151)와, 상기 전력 저장부(130)에 직렬로 연결되어 상기 전력 저장부(130)의 전류를 감지하는 전류 센서(152)와, 상기 전력 저장부(130)에 부착되어 상기 전력 저장부(130)의 온도를 감지하는 온도 센서(153)로 이루어진다.
더불어, 상기 모니터링부(150)는 상기 전력 저장부(130)의 전압 정보, 전류 정보 및 온도 정보를 상기 제어부(140)에 전달하고, 상기 제어부(140)는 상기 정보를 근거로 하여 일련의 제어 동작을 수행한다.
일례로, 상기 제어부(140)는 상기 전력 저장부(130)의 전압이 제3전압에 도달하면, 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴오프하여 충전이 정지되도록 한다. 여기서, 상기 제3전압은 전력 저장부(130)의 과충전 전압일 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 상기 전력 저장부(130)의 전압이 상기 제3전압보다 낮은 제4전압에 도달하면, 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 턴오프하여 방전이 정지되도록 한다. 여기서, 상기 제4전압은 전력 저장부(130)의 과방전 전압일 수 있다. 더욱이, 상기 제3전압은 상기 제1전압보다 높은 전압이고, 상기 제4전압은 상기 제2전압보다 낮은 전압일 수 있다.
여기서, 상기 제1전압 및 제2전압은 가선에서 변동되는 전압의 범위에 따라 정해지고, 상기 제3전압 및 제4전압은 전력 저장부의 규격이나 용량에 따라 정해지므로, 이러한 전압 범위를 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
상기 배선 방전부(160)는 상기 전력 저장부(130)에 연결되어, 유지 보수시 작업자의 안전을 확보하도록 한다. 즉, 상기 배선 방전부(160)는 상기 전력 저장부(130)에 병렬로 연결된 방전 저항(161) 및 상기 방전 저항(161)에 직결로 연결된 방전 스위치(162)를 포함하여 이루어진다. 이러한 배선 방전부(160)는 전력 저장부(130)의 유지 보수 작업중에 사용될 수 있다. 물론, 한쌍의 차단부(121,122)는 턴오프된 상태이며, 방전 스위치(162)가 턴온되면 배선에 남아 있을 수 있는 모든 전원이 방전 저항(161)을 통하여 제거됨으로써, 안전한 상태에서 유지 보수 작업이 가능하다.
한편, 상기 한쌍의 차단부(121,122) 사이에는 도 2에 도시된 바와 같이 한쌍의 전력 저장부(130)가 상호간 병렬로 연결된 형태를 할 수 있으나, 이러한 전력 저장부(130)의 연결 관계나 갯수로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 상기와 같은 한쌍의 전력 저장부(130)는 다수개가 병렬로 연결될 수 있으며, 이 경우 각쌍의 전력 저장부에 각각 한쌍의 차단부가 설치된다.
도면중 미설명 부호 102는 외부에 설치된 외부 차단부이고, 103,104는 사용자 또는 다른 시스템에 의해 동작하는 스위치이며, 106 역시 사용자 또는 다른 시스템에 의해 동작하는 스위치이다. 더불어 도면 부호 123은 상기 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 제어할 수 있는 차단 제어부로서, 이러한 차단 제어부는 상기 제어부(140)의 신호에 의해 제어된다.
이러한 구성을 하는 본 발명에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치(100)의 동작을 설명한다.
여기서, 전력 저장부(130)의 전압은 제3전압과 제4전압 사이를 유지하여 정상적으로 충전 및 방전이 가능한 상태로 가정한다. 또한, 전력 저장부(130)의 방전시에는 전력 저장부(130)의 전압이 가선(110)의 전압보다 높고, 전력 저장부(130)의 충전시에는 가선(110)의 전압이 전력 저장부(130)의 전압보다 높은 것으로 가정한다.
먼저, 전동차는 정차역 사이를 운행할 때 가속 구간, 관성 구간 및 감속 구간을 갖게 된다. 여기서, 가속 구간에서는 통상적으로 가선(110)으로부터 최대 전력을 전달받아 사용하므로 가선(110)의 전압이 정격 전압(예를 들면, 1500V)보다 낮은 전압으로 떨어진다. 예를 들면, 가속 운동 구간에서는 가선(110)의 전압이 제2전압(예를 들면, 1300V) 미만으로 떨어질 수 있다.
이와 같이 가선(110)의 전압이 제2전압 미만이 되면, 제어부(140)는 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 또는 순차적으로 턴온시킴으로써, 전력 저장부(130)가 방전되도록 한다. 이에 따라 전력 저장부(130)의 전력이 가선(110)에 공급되고, 따라서, 가선(110)의 전압 변동은 최소화된다.
한편, 전동차의 관성 구간에는 통상적으로 가선(110)의 전압이 정격 전압을 유지한다. 즉, 전동차의 관성 구간에서는 가선(110)의 전압이 제1전압(예를 들면, 1700V)과 제2전압(예를 들면, 1300V)의 사이의 전압을 유지한다. 이에 따라 제어부(140)는 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 또는 순차적으로 턴오프시킴으로써, 전력 저장부(130)의 방전이 정지되도록 한다. 이와 같이 하여, 전동차의 관성 구간중 가선(110)의 전압 변동이 없도록 한다.
마지막으로, 전동차의 감속 운동 구간에는 상술한 바와 같이 회생 제동에 의해 가선(110)으로 소정 전압이 되돌려진다. 이에 따라 가선(110)의 전압이 제1전압(예를 들면, 1700V)를 초과할 수 있다.
이와 같이 가선(110)의 전압이 제1전압을 초과하게 되면, 제어부(140)는 한쌍의 차단부(121,122)를 동시에 또는 순차적으로 턴온시킴으로써, 전력 저장부(130)가 충전되도록 한다. 이에 따라 가선(110)의 전력이 전력 저장부(130)에 공급되고, 따라서 가선(110)의 전압 변동이 최소화된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치의 동작방법을 도시한 일례이다.
이러한 동작 방법은 실질적으로 상술한 내용과 동일하며, 다만 본 발명의 이해를 위해 순서도로 도시한 것뿐이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치의 동작 방법은 가선 전압 감지 단계(S1)와, 가선 전압이 제2전압 미만인지 판단하는 단계(S2)와, 가선 전압이 제2전압 미만일 경우 전력 저장부의 방전 단계(S3)와, 가선 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S4)와, 가선 전압이 제1전압을 초과하는 경우 전력 저장부의 충전 단계(S5)와, 가선 전압이 제1전압과 제2전압의 사이에 있을 경우 전력 저장부의 방전 및 충전이 정지되는 단계(S6)를 포함한다.
여기서, 상기 단계(S2) 및 단계(S3)는 서로 바뀔 수 있으며, 본 발명에서 상기와 같은 단계의 순서를 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 하여, 본 발명은 종래의 복잡한 구성 및 복잡한 제어가 필요한 인버터 또는 컨버터와 같은 전력 변환기를 사용하지 않고, 가선의 전압을 감지하여, 그 감지된 전압에 따라 한쌍의 차단부를 동시에 턴온 또는 동시에 턴오프함으로써, 가선으로부터 전력을 전력 저장부에 충전하거나, 전력 저장부로부터 가선을 향하여 방전을 할 수 있게 된다. 즉, 본 발명은 간단한 구성 및 간단한 제어 방식을 갖는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 종래의 전력 변환기를 갖는 장치에 비해 상당히 저렴한 가격을 가지며, 이에 따라 도시 철도에의 전체 설치 비용을 상당히 절감할 수 있다.
더불어, 본 발명은 전력 저장부에 모니터링부를 더 설치함으로써, 전력 저장부가 과충전되거나 또는 과방전되지 않도록 한다.
더불어, 본 발명은 가선의 충전 및 방전의 전압 범위가 차량 운전 간격, 차량 편성, 용량 및 사용자의 요구 조건에 따라 조정 가능하다.
더불어, 본 발명은 전력 변환기를 사용하지 않고, 가선 상태에 따라 자연적으로 충전과 방전이 이루어지기 때문에 적은 비용으로 고효율의 에너지를 이용할 수 있는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치
101; 정류기 102; 외부 차단기
103,104; 외부 스위치 110; 가선
121,122; 차단부 123; 차단 제어부
130; 전력 저장부 140; 제어부
150; 모니터링부 151; 전압 센서
152; 전류 센서 153; 온도 센서
160; 배선 방전부 161; 방전 저항
162; 방전 스위치

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 변전소로부터의 전력을 전동차에 공급하는 동시에 전동차의 감속시 회생 제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 가선;
    상기 가선에 전기적으로 연결되어 전력의 입출력이 가능한 적어도 한쌍의 차단부;
    상기 한쌍의 차단부의 사이에 전기적으로 연결되어 충전 및 방전이 가능한 전력 저장부; 및
    상기 가선의 전압이 제1전압을 초과하면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 가선으로부터 전달된 전력에 의해 상기 전력 저장부가 충전되도록 하고,
    상기 가선의 전압이 제2전압 미만이면 상기 한쌍의 차단부를 턴온시켜 상기 전력 저장부로부터 상기 가선으로 상기 전력 저장부가 방전되도록 하며,
    상기 가선의 전압이 제1전압과 제2전압의 사이이면 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 상기 전력 저장부의 충전 및 방전이 정지되도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는
    상기 전력 저장부의 전압이 제3전압에 도달하면, 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 충전이 정지되도록 하고,
    상기 전력 저장부의 전압이 상기 제3전압보다 작은 제4전압에 도달되면, 상기 한쌍의 차단부를 턴오프하여 방전이 정지되도록 하며,
    상기 제3전압은 상기 제1전압보다 높은 전압이고,
    상기 제4전압은 상기 제2전압보다 낮은 전압인 것을 특징으로 하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 한쌍의 차단부는 상기 전력 저장부의 양측단에 설치된 것을 특징으로 하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 저장부에는 상기 전력 저장부를 모니터링하기 위한 모니터링부가 연결되고,
    상기 모니터링부는
    상기 전력 저장부에 병렬로 연결되어 상기 전력 저장부의 전압을 감지하는 전압 센서;
    상기 전력 저장부에 직렬로 연결되어 상기 전력 저장부의 전류를 감지하는 전류 센서; 및
    상기 전력 저장부에 부착되어 상기 전력 저장부의 온도를 감지하는 온도 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 저장부는 배선 방전부를 포함하고,
    상기 배선 방전부는
    상기 전력 저장부에 병렬로 연결된 방전용 저항; 및
    상기 방전용 저항에 직결로 연결된 방전용 스위치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 도시 철도의 회생 에너지 저장 장치.
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