KR101301553B1

KR101301553B1 - 슈퍼 커패시터(이디엘씨)를 이용한 에이씨 전력 품질 개선장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101301553B1
Application number: KR1020110142868A
Authority: KR
Inventors: 이은규; 이용우; 김태석; 권경민; 손경민; 장민주; 박윤재; 오인석; 전용주; 최원규
Original assignee: 한국철도공사; 주식회사 우진산전
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-09-04
Also published as: KR20130074692A

Abstract

본 발명은 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법에 관한 것으로, AC 철도전력 시스템에서 철도 차량의 추진 및 제동에 의해 파생되는 역률 저감을 방지하고, 철도 차량의 운전에 의하여 발생되는 계통 전압강하를 보상함으로써 계통 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명을 적용하면, 철도차량의 운행상태를 인지하여 그 운행상태 기반으로 충전모드와 방전모드를 구분하여 효과적으로 유효전력과 무효전력을 보상해줌으로써 역률 개선과 전압강하 방지를 이룰 수 있고, 궁극적으로 에너지 효율과 품질이 개선될 수 있다는 장점이 있다.

Description

슈퍼 커패시터(이디엘씨)를 이용한 에이씨 전력 품질 개선장치 및 그 방법{DEVICE OF IMPROVING AC POWER QUALITY WITH SUPER CAPACITOR(EDLC)}

본 발명은 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 AC 철도전력 시스템에서 철도 차량의 추진 및 제동에 의해 파생되는 역률 저감을 방지하고, 철도 차량의 운전에 의하여 발생되는 계통 전압강하를 보상함으로써 계통 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 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 있으며, 대한민국 등록특허 제 0659366호를 통해 개시되어 있다.

그러나, 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 가선전압을 변동시켜 시스템을 불안정하게 할 뿐 아니라, 후행 전동차가 그 전압을 수용하지 못하는 경우 가선전압의 변동요인으로만 작용하여 후행 차량 고장의 원인이 되기도 한다.

보다 상세하게, AC 철도 전력 시스템을 살펴보면, AC 철도 전력 시스템은 일반적으로 철도 차량이 추진하기 위하여 사용되는 관성이 큰 모터 부하로 인해 전차선의 전압, 전류 특성이 한국전력(이하 한전이라 함)의 상용라인과는 다소 차이가 있다.

철도 차량의 추진 시에는 가선에서 순식간에 많은 전력을 공급받아 소모해야하므로 전압강하가 일어나기도 하며, 반대로 철도 차량의 감속 시 발생하는 회생에너지로 인해 가선전압의 상승 및 전압, 전류의 위상차가 발생한다. 즉, 가선전압이나 전류는 매우 변동성이 크다는 문제가 있었다.

또한, 모터의 인덕턴스에 의해 발생하는 전압, 전류의 위상차는 계통에 무효 전력량을 증가시켜 에너지 손실의 원인이 된다.

한편, 이러한 가선의 전압 강하 및 역률의 변화는 결국에는 제한된 한국전력의 송배전 전력에 영향을 주어 송배전 시스템과 철도 운행에 악영향을 미친다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, AC 철도전력 시스템에서 철도 차량의 추진 및 제동에 의해 파생되는 역률 저감을 방지하고, 철도 차량의 운전에 의하여 발생되는 계통 전압강하를 보상함으로써 계통 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 전압 강하를 위한 변압기와; AC 전원을 DC로 변환하거나 DC 전원을 AC전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터와; 슈퍼 커패시터에 대한 충방전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터와; 양방향 DC/DC 컨버터에 의해 전력을 충전하기 위해 슈퍼 커패시터로 이루어진 에너지 저장부가 순차적으로 구성되며; 상기 슈퍼 커패시터에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 SC 모니터링부와; 가선의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받아 기설정된 전압, 전류의 위상차, 전압, 전류 크기를 비교하여 역행시 충전모드, 역행시 방전모드, 회생시 충전모드, 회생시 방전모드중 어느 한 모드의 해당 여부를 판단하고, 판단된 어느 한 모드를 가동시켜 설정 전압과 전류를 공급하도록 제어하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 제어부는 변압기의 1차 전압이 48000V로 떨어지게 되면 AC-DC 컨버터(104)에서 DC_link 단으로 125V(기준전압 980V)만큼 +보상을 하며, 1차 전압이 56000V로 상승하면 AC-DC 컨버터(104)에서 17V(기준전압 980V)만큼 -보상을 하도록 제어함으로써 DC_link 단의 전압을 1500[Vdc]로 일정하게 유지, 제어하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 에너지 저장부는 1166.4[V]/ 68.75[F]의 전체 용량으로 설계된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 AC/DC 컨버터는 S1, S2, S3, S4 4개의 IGBT로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터로 각각의 스위치에는 역병렬 다이오드가 연결된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치가 제공된다.

한편, 본 발명은 가선의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받는 제 1과정과; 가선으로부터 인가받은 신호를 모드 선택을 위해, 기설정된 전압, 전류의 위상차와 전압, 전류 크기와 비교하는 제 2과정과; 역행시 충전모드, 역행시 방전모드, 회생시 충전모드, 회생시 방전모드중 어느 한 모드의 해당 여부를 판단하는 제 3과정과; 판단된 어느 한 모드를 가동시켜 설정 전압과 전류를 공급하도록 제어하는 제 4과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제 1과정은 가선의 전압 및 전류의 위상차, 가선전압의 크기에 대한 신호를 인가받는 과정인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제 4과정은 역행시 충전모드인 경우라면 충전시 무효전력 보상을 위해 역률을

,

가 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제 4과정은 역행시 방전모드인 경우라면, 유효전력 보상을 위해 역률을

,

이 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 제 4과정은 회생시 충전모드인 경우라면, 무효전력 보상을 위해 역률을

,

바람직하게, 상기 제 4과정은 회생시 방전모드인 경우라면, 유효전력 보상을 위해 역률을

,

본 발명에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법은 철도차량의 운행상태를 인지하여 그 운행상태 기반으로 충전모드와 방전모드를 구분하여 효과적으로 유효전력과 무효전력을 보상해줌으로써 역률 개선과 전압강하 방지를 이룰 수 있고, 궁극적으로 에너지 효율과 품질이 개선될 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치의 회로구성을 도시한 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 모듈의 외형을 도시한 사진,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치를 제어하기 위한 제어부의 외형을 도시한 사진,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 AC/DC 컨버터를 도시한 회로도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터를 도시한 회로도,
도 6은 전동차의 역/회생 시 가선전압, 전류를 나타낸 그래프,
도 7은 전동차의 역/회생 시 전력분포 및 역률을 나타낸 그래프,
도 8은 가선의 부하 및 AC 전력품질 개선장치에 따른 전력 전송 다이어그램,
도 9는 전동차의 역행 시 AC 전력품질 개선장치의 동작 알고리즘을 나타낸 그래프,
도 10은 전동차의 회생 시 AC 전력품질 개선장치의 동작 알고리즘을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치의 회로구성을 도시한 회로도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 모듈의 외형을 도시한 사진, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치를 제어하기 위한 제어부의 외형을 도시한 사진, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 AC/DC 컨버터를 도시한 회로도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터를 도시한 회로도이다.

이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치(200)는 AC 철도전력 시스템에서 철도 차량의 추진 및 제동에 의해 파생되는 역률 저감을 방지하고, 철도 차량의 운전에 의하여 발생되는 계통 전압강하를 보상하기 위하여 AC 전압 및 전류의 위상을 검지하여 수전측의 전압에 대한 전류의 위상차 발생시 진상 전류를 공급하고, 슈퍼 커패시터(EDLC: Electric Double Layer Capacitor)에 저장된 에너지를 계통 전압강하시 공급함으로써 계통 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 장치이다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치(200)는 AC 전압 및 전류의 위상을 검지하여, 전압강하나 전류 위상차 발생시 저장된 전력을 신속하게 투입하여 전압 변동을 방지하고 전류의 위상차를 보상시킴으로서 계통 전압이 안정적으로 유지될 수 있게 한다.

보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치(200)는 변압기(102) 및 VCD(103), 전력변환기(104,105), 에너지 저장부(106)와, SC 모니터링(110), 제어부(100)로 구성되며, 변압기(102)의 전압과 전류를 검출하는 일반적 구성이므로 도시를 생략하였다.

즉, 교류 구간에서 적용되는 AC 전력 품질 개선장치의 구성은 교류 가선과의 결선을 위한 VCB(103), 단상 AC 55[kV] 전원을 AC 980[V]로 강압하는 변압기(102), 4상한 운전이 가능한 듀얼 AC/DC 컨버터(104)가 포함되며, 양방향 전력흐름이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터(5) 및 에너지를 저장하는 에너지 저장부(106)로 구성된다.

이때, 상기 듀얼 AC/DC 컨버터(104)는 Dual PWM 컨버터(4)로 PWM 제어가 가능한 컨버터이며, 상기 에너지 저장부(106)는 슈퍼 캐패시터(SC)를 주로 하는 에너지 저장수단이다.

도 2는 슈퍼 커패시터 모듈로 이루어진 에너지 저장부의 실사를 나타낸 것으로, 슈퍼 캐패시터 모듈은 2.7V/3,000F의 단위셀이 직렬로 18개가 접속되어 총 전압 및 용량은 48.6V/165F 으로 구성되어 있다. 본 발명에 적용된 에너지 저장부(106)는 슈퍼 커패시터(SC)의 모듈을 직렬로 24개씩, 총 10줄을 병렬로 연결하여 총 240개의 슈퍼 커패시터(SC)를 사용한다.

240개의 슈퍼 커패시터(SC)로 구성된 에너지저장 장치(106)는 1166.4[V]/ 68.75[F]의 전체 용량으로 설계되었다. 슈퍼 커패시터(SC)의 최대 충전전압은 DC 입력전압의 약 2/3 레벨로 제안하였으며 이 시스템은 DC 입력정격(DC1800V)에 대해 DC1,100V로 정의한다. 따라서 에너지 저장장치의 최대 방전량은

이다.

상기 제어부(100)는 가선의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받아 기설정된 전압, 전류의 위상차와 비교하여 역행시 충전모드, 역행시 방전모드, 회생시 충전모드, 회생시 방전모드중 어느 한 모드의 해당 여부를 판단하고, 판단된 어느 한 모드를 가동시켜 설정 전압과 전류를 공급하도록 전력변환부(104,105)를 제어하는 수단이다.

제어부(100)의 외형은 도 3에 도시된 바, 전력변환장치를 제어하기 위해서 고속의 32비트 마이크로프로세서를 사용하여 순시치 제어를 행하고 있다. 특히 구조상의 특징으로서는 인터페이스부, 메인콘트롤부와 입출력 콘넥터의 배선을 4층 기판에 의한 마더보드(백보드)를 사용함으로서 배선을 대폭 줄이고 노이즈에 의한 악영향을 최소화하였다. 또한 각 보드는 기능별로 분류되어 있어 시스템 확장이 용이하고 전면의 컨넥터는 인터페이스를 용이하도록 설계하였다. 제어 장치의 주기능은 컨텍터 및 보호동작을 수행할 수 있는 SEQUENCE 제어, 보호기능 및 PWM CONVERTER GATE 제어 및 고장에 대한 보호 기능을 포함하고 있다.

단로기(PDS)는 공칭전압 72.5kV의 교류회로에 사용하는 옥외용 단로기를 적용하였다.

상기 변압기(102)는 옥외형 변압기로, 정격용량은 5000kVA이며, 상수/주파수는 60Hz의 정격을 지원하는 변압기를 사용한다. 55000V의 AC전압을 980V로 변환하기 위하여 변압기의 권수비는 (a):56.12로 제작한다.

변압기의 운영은 1차 입력전압(전압변동률)에 따른 2차 DC_link 단(에너지 저장장치)에서 전압을 보상할 수 있다. 1차 전압이 48000V로 떨어지게 되면 AC-DC 컨버터(104)에서 DC_link 단으로 125V(기준전압 980V)만큼 +보상을 하며, 1차 전압이 56000V로 상승하면 AC-DC 컨버터(104)에서 17V(기준전압 980V)만큼 -보상을 한다. 그래서 DC_link 단의 전압을 1500[Vdc]로 일정하게 유지, 제어한다.

VCB 장치(103)는 교류 차단기용으로 3-POLE, 단투, 옥내, 인출형의 형식으로 설계되었다. 정격전압은 7.2kV이며, 정격전류는 3150A, 정격주파수는 60Hz, 정격 차단전류는 40kA, 정격 차단시간은 3 Cycle 이내이다.

상기 AC/DC 컨버터(104)로 AC전원을 DC로 DC를 AC로 변환시키는 듀얼 전력변환장치로서, 주변압기는 단상 AC 55[kV] 전원을 AC 980[V]로 강압하고 강압된 전압을 양방향 DC/DC 컨버터(105)에 공급한다. S1, S2, S3, S4 4개의 IGBT로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터로 각각의 스위치에는 역병렬 다이오드(7)가 연결되어 있으며,

와

는 전원전압과 컨버터 입력전압이다.

와

는 입력측 승압용 교류 인덕터와 직렬등가 저항을 나타낸다.

는 DC측 평활용 캐패시터로 병렬로 접속되어 있다. 단상교류전력은 교류 리액터

와 AC/DC 컨버터를 거쳐 직류전력으로 변환되어 평활용 캐패시터

에

의 에너지로 저장되고, DC/DC 컨버터(105)의 입력전원으로 사용된다.

상기 양방향 DC/DC 컨버터(105)는 양방향 DC/DC Buck-Boost 컨버터로서, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(105)는 양방향 전류의 흐름이 가능하며 Buck 모드는 DC Line에서 슈퍼 커패시터로 충전하는 동작이며, Boost 모드는 슈퍼 커패시터(SC)로부터 DC Line으로 방전하는 모드로 동작한다. BL은 부스트 리액터의 약자로 Vdc단으로 에너지를 공급 시 슈퍼 커패시터(SC)의 전압을 부스트 해주는 역할을 한다.

입력단 FC(Filter Capacitor)는 스위칭에 의해 발생되는 고조파가 가선으로 유입되는 것을 막아 주기 위한 것으로 FC는 1800uF / 1800Vdc를 사용한다.

표 1은 전동차(부하)의 역행/회생시에 AC 전력품질 개선장치의 각 동작 모드를 나타낸 것으로 각 모드는 부하상태 및 ESS 상태에 따라 구분이 되어지며 이때 가선의 유효전력, 무효전력, 역률의 크기 및 효과를 분석한 것이다.

표 1

Mode1은 역행시 충전모드로써 변전소로부터 에너지 저장장치로 유효전력을 공급받아 무효전력을 보상하게 됨으로 역률을 개선, 에너지를 저감 효과를 가져 오는 구간이다.

Mode2는 역행시 방전모드로써 부하에 유효전력을 공급함으로서 변전소에서 공급해야할 유효전력을 감소시켜주어 에너지 저감효과를 가져온다.

Mode3은 회생시 충전모드로써 회생에너지에 의해 발생된 유효전력을 에너지저장장치가 흡수함으로서 역률을 개선, 에너지 저감 효과를 가져 오는 구간이다.

Mode4는 회생시 방전모드로써 Mode3에서 저장된 유효전력 성분을 에너지 저장장치가 재공급함으로서 변전소로 유입되는 유효전력의 양을 증가 시킬 뿐 아니라 역률를 개선시킴으로써 에너지 저감효과를 가져오는 구간이다.

분석 결과에서 보는 것과 같이 에너지 저장장치의 전력이 일정한 경우 부하의 유효/무효전력이 작거나, 역률이 좋지 않을 경우 혹은 에너지 저장장치의 전력을 증대 시킬 경우 상대적으로 역률 개선효과는 더 두드러지게 나타날 것이다. 4가지 전력변환장치의 충방전 모드는 역행/회생이 발생되는 구간에서는 상시적으로 에너지저장장치가 기동됨에 따라 역률개선은 물론 유효전력에 대한 보상효과가 탁월할 것으로 기대 된다.

AC구간에서의 에너지 저장장치 충전, 방전 시퀀스는 DC구간과 다르게 전류의 위상에 따른 전력분석이 선행되어야 한다. 일반적으로 DC구간에서는 회생 시에는 정류기에 의해 한전 수전단으로의 전류공급이 차단이 되기 때문에 DC선로의 전압이 상당히 상승하는 현상이 나타난다.

하지만 AC구간의 경우에는 회생 시 발생되는 역전류가 차단되지 않고 가선으로 유입되기 때문에 가선의 상승현상은 크게 나타나지 않게 된다. 이러한 이유에서 AC구간에서의 전력품질 개선장치는 가선의 전압과 전류의 위상과 크기에 대한 정보가 필요하게 된다. 즉 가선의 전압과 전류의 위상차로부터 열차의 운행정보를 알 수 있고, 더불어 역행, 회생 시 발생되는 유효전력과 무효전력의 성분의 크기를 분석할 수 있게 된다.

역행 시 가선의 전압과 전류는 도 6에서 보는 것과 같이 선로임피던스와 부하에 의해 위상차가 발생 되고, 이러한 위상차로 인해 도 7과 같이 무효전력 성분을 야기 시킨다. 발생된 무효전력 성분은 역률을 저해하는 요인으로 작용하게 된다.

도 8은 AC 가선으로 부터의 전력과 전동차 부하 및 AC 전력품질 개선장치를 나타낸 다이어그램으로 에너지의 흐름을 살펴볼 수 있다.

도 8의

,

는 각 유효전력의 크기를 나타내며

,

는 각 무효전력의 크기를 나타낸다.

역률은 가선의 모터 부하에 의해 발생되는 무효전력에 의해 나빠지게 되므로, 이러한 무효전력을 본 발명을 적용하여 적절히 보상하여 주면 역률은 개선되면서 유효전력 또한 보상할 수 있게 된다. 전력변환장치에 위해 커패시터에 충전되는 에너지는 커패시터(용량성 부하)에 위해 역률을 제어할 수 있다. 역률 보상을 위한 본 발명의 동작은 도 9, 도 10과 같이 가선의 환경(역행/회생)과 에너지저장장치의 환경(충전/방전)에 따라 4가지 모드로 나누어 분석할 수 있다.

Mode1(역행 시 충전모드) 역행 시 충전 모드에서는 도 9(a)와 같이 해석 할 수 있다. 도면의 는 가선의 피상전력을 나타낸다. 변전소에서 공급해야 하는 전력은 실제 부하에 의한 전력을 공급하여야 하지만 식(1.1), (1.2)에서와 같이 에너지 저장장치에 의해 유효전력을 공급받아 무효전력을 보상함으로서 역률을 식(1.3)과 같이

에서

로 향상 시킬 수 있게 된다. 이 때 유효전력 성분은 슈퍼캐패시터 충전에 사용된다.

(1.1)

(1.2)

여기서,

는

이다.

(1.3)

여기서, 전력변환장치에 의해 슈퍼 캐패시터에 충전을 할 경우, 슈퍼 캐패시터에 저장되는 전류를

로 제어하기 때문에 무효전력의 크기는 전체적으로 낮아지며 그 크기는

이다.

즉, Mode1에서의 가선의 공급전력량은 슈퍼캐패시터 충전에 사용된 유효전력만큼 상승하지만, 무효전력 보상에 따른 역률 개선으로 더 많은 효과를 기대할 수 있다. 가선의 공급전력량은

의 길이로 에너지저장 장치가 없었을 시의 공급전력

의 크기보다 더 작아 무효전력 보상에 따른 역률개선으로 더 작은 공급전력을 필요로 하며, 이로 인해 에너지 소비를 줄일 수 있게 된다.

Mode2(역행 시 방전모드)

역행 시 방전 모드에서는 도 9(b)와 같이 해석 할 수 있다. 변전소에서 공급해야 하는 전력은 실제 부하에 의한 전력을 공급하여야 하지만 식(1.4), (1.5)에서와 같이 에너지 저장장치가 유효전력에 대하여 방전을 함에 따라 변전소에서 공급해야 하는 유효전력의 부담률을 줄일 수 있게 된다. 이 때 역률은 식(1.6)과 같다.

(1.4)

(1.5)

여기서,

는

으로 단위 역률제어를 수행한다.

(1.6)

즉, Mode2에서의 역률(

)은 에너지 저장장치의 방전전력량에 의해 상대적으로 나빠지지만, 가선의 공급유효전력 부담률 저감효과로 인해 더 큰 기대 효과를 볼 수 있다.

Mode3(회생 시 충전모드)

회생 시 충전 모드에서는 도 10(a)와 같이 해석 할 수 있다. 변전소에 유입되는 전력은 실제 부하에 의해 공급받지만, 식(1.7), (1.8)와 같이 에너지 저장장치가 유효전력을 공급받아 무효전력을 보상하게 되고, 역률을 식(1.9)와 같이

에서

(1.7)

(1.8)

여기서,

는

이다.

(1.9)

여기서, 컨버터의 전류를

로 제어하기 때문에

이다.

즉, Mode3에서의 가선의 유입전력량은 슈퍼캐패시터 충전에 사용된 유효전력만큼 감소하지만, 무효전력 보상에 따른 역률 개선으로 더 많은 효과를 기대할 수 있다.

Mode4(회생 시 방전모드)

회생 시 방전 모드에서는 도 10(b)와 같이 해석 할 수 있다. 변전소에 유입되는 전력은 실제 부하에 의해 공급받지만, 식(1.10), (1.11)과 같이 에너지 저장장치가 유효전력에 대하여 방전을 함에 따라 변전소에 유입되는 유효전력이 증가하게 된다. 이때 역률은 식(1.12)와 같이 개선된다.

(1.10)

(1.11)

여기서,

는

으로 단위 역률제어를 수행한다.

(1.12)

즉, Mode4에서의 역률은 에너지 저장장치의 방전전력량에 의해 개선되고, 가선의 유입된 유효전력의 증가를 통해 더 큰 기대효과를 얻을 수 있다.

이를 위해, 상기 듀얼 AC-DC 컨버터(104)는 역행, 회생 시 컨버터의 DC-link단의 일정전압을 유지하기 위해, 전압제어기의 추종값을 1500[Vdc]로 고정을 하여 유지 하도록 한다. 하지만 단위역률 제어를 위한 전류 제어기는 일반적인 컨버터의 전류 제어기와 달리 각 모드를 나누어 위상각을 동기화 시킨다. 모드는 양방향 DC-DC컨버터에서 전송된 정보에 따라 결정된다.

또, 상기 양방향 DC-DC 컨버터(105)는 양방향 DC-DC 컨버터의 충, 방전 모드 결정으로, 열차의 운전 상태와 슈퍼 커패시터의 충전 전압에 의해 결정된다. 여기서 열차의 운전 상태는 컨버터의 입력전압과 가선의 전류의 위상각의 차이에 의해 결정한다.

ⅰ) 역행 시 :

ⅱ) 제동 시 :

여기서,

는 컨버터입력전압과 가선전류의 위상차 :

운전상태가 결정되면 양방향 DC-DC 컨버터의 충, 방전 모드 결정은 아래와 같이 결정된다.

ⅰ) 충전 모드 : 슈퍼캐패시터 만방전 시

ⅱ) 방전 모드 : 슈퍼캐패시터 만충전 시

ⅲ) 기 타 : 모드 전환은 만충/만방 상태에서 이루어지고, 시스템 정지 시에는 이전상태를 유지한다. (단, 초기충전 이후에는 충전모드로 설정됨)

위와 같이 양방향 DC-DC 컨버터의 모드가 결정되면, 모드에 대한 정보를 컨버터로 전송하고, 컨버터 기동 후 1[s]뒤에 모드에 따라 기동을 수행한다.

또한, 전류의 추종값은 가선전압, 가선전류로부터 계산된 보상할 무효전력을 식 5.1과 같이 계산하여 충전하고, 방전 시에는 식 5.2와 같이 보상할 유효전력을 계산하여 공급한다.

(5.1)

(5.2)

여기서,

는 가선전압, 가선전류의 상차각 이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치 및 그 방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

100:제어부, 102:변압기,
104:듀얼 AC/DC 컨버터, 105:양방향 DC/DC 컨버터,
106:에너지 저장부.

Claims

전압 강하를 위한 변압기와; AC 전원을 DC로 변환하거나 DC 전원을 AC전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터와; 슈퍼 커패시터에 대한 충방전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터와; 양방향 DC/DC 컨버터에 의해 전력을 충전하기 위해 슈퍼 커패시터로 이루어진 에너지 저장부가 순차적으로 구성되며;
상기 슈퍼 커패시터에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 SC 모니터링부와;
가선의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받아 기설정된 전압, 전류의 위상차와 전압, 전류 크기를 비교하여 역행시 충전모드, 역행시 방전모드, 회생시 충전모드, 회생시 방전모드중 어느 한 모드에 해당하는 지를 판단하고, 해당 모드에 따른 전력 보상을 위해 역률을 제어하는 제어부로 이루어지고,
상기 제어부는 변압기의 1차 전압이 48000V로 떨어지게 되면 AC-DC 컨버터(104)에서 DC_link 단으로 125V(기준전압 980V)만큼 +보상을 하며, 1차 전압이 56000V로 상승하면 AC-DC 컨버터(104)에서 17V(기준전압 980V)만큼 -보상을 하도록 제어함으로써 DC_link 단의 전압을 1500[Vdc]로 일정하게 유지, 제어하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 에너지 저장부는 1166.4[V]/ 68.75[F]의 전체 용량으로 설계된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치.
제 1항에 있어서,
상기 AC/DC 컨버터는 S1, S2, S3, S4 4개의 IGBT로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터로 각각의 스위치에는 역병렬 다이오드가 연결된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선장치.
가선의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받는 제 1과정과;
가선으로부터 인가받은 신호를 모드 선택을 위해, 기설정된 전압, 전류의 위상차와 전압, 전류 크기와 비교하는 제 2과정과;
역행시 충전모드, 역행시 방전모드, 회생시 충전모드, 회생시 방전모드중 어느 한 모드의 해당 여부를 판단하는 제 3과정과;
판단된 어느 한 모드를 가동시켜 설정 전압과 전류를 공급하도록 제어하는 제 4과정으로 이루어지며;
상기 제 4과정은 역행시 충전모드인 경우라면 충전시 무효전력 보상을 위해 역률을
,
=
가 되게 제어하고;
역행시 방전모드인 경우라면, 유효전력 보상을 위해 역률을
,
=0이 되게 제어하고;
회생시 충전모드인 경우라면, 무효전력 보상을 위해 역률을
,
=
가 되게 제어하며;
회생시 방전모드인 경우라면, 유효전력 보상을 위해 역률을
,
=0이 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법.
제 5항에 있어서,
상기 제 1과정은 가선의 전압 및 전류의 위상차, 가선전압의 크기에 대한 신호를 인가받는 과정인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터(EDLC)를 이용한 AC 전력 품질 개선방법.
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