KR101726941B1 - 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템 - Google Patents

피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 병렬 피더블유엠 정류기를 이용하는 급전시스템에 관한 것으로서, 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터는, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 제어부는, 상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하며, 상기 컨버터가 고장 난 경우, 상기 고장난 컨버터가 정지되도록 제어하고, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 컨버터가 고장 난 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템{DC TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM USING PULSE WIDTH MODULATION(PWM) BOOST CONVERTER}
본 발명은 복수의 병렬 PWM 정류기를 이용하는 급전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열차에 직류전력을 공급하기 위해 병렬 연결된 복수의 PWM 정류기를 사용하되, 연속정격 및 과도정격 특성의 만족을 위해 상기 PWM 정류기가 병렬 연결되어 부스트 컨버터를 구성하는 급전시스템에 관한 것이다.
최근 경제적인 건설이 가능하면서도 도시미관, 환경소음 등의 여러 환경 요인과 급 곡선, 급 구배 등 제약조건이 많은 복잡한 도시환경 등 여러 복합적인 요인을 모두 고려할 수 있는 미래 친환경적이고 도시민에게 한층 더 친숙하게 다가설 수 있는 신개념 도시철도시스템 기술개발이 필요한 실정이다.
이러한 도시철도시스템으로서 도로 상면에서부터 지하 5~7m에 건설되어 도로 선형에 따라 주행이 가능한 지하철도인 저심도 도시철도시스템이 있다.
저심도 도시철도는 자동차와 동일한 작은 곡선 회전과 급한 경사에도 주행할 수 있는 지하철도로서, 고가 경전철 대비 저비용으로 지하에 건설하여 도시미관, 소음과 진동, 접근성과 쾌적성 및 편의성 등이 향상된 고효율의 신개념 도시철도 시스템이다.
이러한 저심도 도시철도의 전동차량에 급전할 때에는 교류전력을 직류전력으로 정류하고 정류된 직류전력을 전동차량에 공급하는 방식이 사용된다.
그러나 전동차량이 회생 제동중이거나 정차역에 도착할 때 또는 하향 경사로를 주행하는 경우에 회생된 에너지에 의해 직류모선의 전압을 상승시키게 된다.
즉, 회생 에너지는 전동차량의 급전계통에 제한된 전압만 상승시키고 남는 에너지는 회생시키지 못하게 되는 것으로서, 에너지가 다른 전동차에 의해 소모되지 않는 경우, 직류모선의 전압은 계속 높아지며 전동차량 시스템의 각종기기에 악영향을 미치게 된다.
특히, 저심도 도시철도 특성상 전동차량 간의 간격이 커서 회생 에너지가 다른 전동차량에 의해 소모되기 어려워 문제가 된다.
일반적으로, 현재 전동차량에 이용되는 직류급전 시스템에 적용되는 전력변환기는 다이오드 정류기이다. 이러한 다이오드 정류기는 공급 전압이 부하전류의 크기와 반비례하고 순방향 도통만 가능할 뿐만 아니라, 제어가 불가능하다.
특히, 순방향 도통만 가능한 특징은 앞서 설명한 회생전력(특히, 타 전동차에서 소비되지 못한 잉여회생전력)의 이용이 어려워지는 문제가 있다. 따라서, 다이오드 정류기를 사용하는 경우 별도의 회생용 인버터를 설치하거나 저항기를 통해 열로 소비하도록 구성된다.
또한, 공급 전압이 부하전류의 크기와 반비례하는 특징과 제어할 수 없는 특징에 따라 부하전류 증가가 발생하면 필연적으로 전압강하가 발생하는 문제가 있다. 이러한 전압강하 문제는 또한 이에 대응하기 위하여 정격전압에 비해 다소 높은 수준의 공급전압을 설정해야 하는 문제와 연결된다.
전압강하는 전동차량에 이용되는 직류급전 시스템에 있어 매우 중요한 문제이기 때문에, 이에 대응하기 위하여 정격전압보다 일정 정도 높인 공급전압을 설정하는 것은 회생전력을 활용할 수 있는 양이 제한되는 문제를 야기한다. 회생전력 활용의 효율화 측면에서 공급전압이 정격전압보다 높은 수준으로 설정되면 회생으로 활용할 수 있는 전력의 양이 줄어드는 것을 의미하기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 전동차량에 이용되는 직류급전 시스템에서 스위칭 소자를 활용한 PWM 제어방식의 전력변환기를 이용하는 기술이 제안되고 있다.
스위칭 소자를 활용한 PWM 제어방식의 전력변환기는 양방향 도통이 지원될 뿐만 아니라 제어할 수 있는 특성이 있어 회생전력 유입이 가능하고 부하전류의 증가에도 전압을 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
이러한 종래의 급전 시스템의 PWM 컨버터는 도 1과 같이 단일의 대형 유닛으로 구성되어 있고, 제어 성능을 높이기 위해서는 스위칭 주파수가 높아야 한다. 그러나 스위칭 주파수가 높아질수록 PWM 컨버터에서 발생하는 열 또한 많아지며, 발생된 열을 식히기 위한 장치가 부가적으로 마련되어야 하므로 공간을 많이 차지하는 문제가 발생된다.
또한, 스위칭 소자인 PWM 컨버터는 특성상 과도정격 특성도 중요한 기술요건이 되는데, 이러한 과도정격 특성을 만족하기 위해서는 200% 2시간 및 300% 1분간의 과도정격에 만족하는 소자가 선정되어야 하는 필요성이 제기된다.
그리고 PWM 컨버터 중 일부 PWM정류기가 고장 난 경우, 해당 정류기를 제외하고 일정한 전력을 공급하여 안정적으로 급전할 필요성이 제기된다.
따라서, 스위칭 주파수를 높이고, 높아지는 스위칭 주파수에 따른 발열량을 최소화하며, 일부 PWM정류기가 고장 난 경우에도 일정한 전력을 공급할 수 있고, 스위칭 전력소자의 과도정격을 만족하는 충분한 용량을 지닌 직류 급전 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 특허청 공개 특허 공보 10-1999-0048785 대한민국 특허청 공개 특허 공보 10-2002-0025359 대한민국 특허청 공개 특허 공보 10-2002-0025360 일본 특허청 공개 특허 공보 JP2006061958
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 병렬 피더블유엠(PWM) 정류기로 구성된 피더블유엠(PWM) 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
구체적으로, PWM 정류기를 사용함으로써 회생 에너지를 교류전력으로 역변환시켜 에너지를 활용하도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 복수의 PWM 정류기를 병렬로 구성함으로써 스위칭 주파수가 PWM 정류기의 수에 대한 곱한 값만큼 상승한 것과 동일한 제어성능을 가지는 급전 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 PWM 정류기에서 발생하는 발열량을 줄이는데 그 목적이 있다.
게다가 일부의 PWM 정류기가 고장 난 경우에도 일정한 전력을 급전하도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 스위칭 전력소자의 과도정격을 만족하는 용량을 가지면서 설치면적을 최소화 하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터는, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 제어부는, 상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하며, 상기 컨버터가 고장 난 경우, 상기 고장난 컨버터가 정지되도록 제어하고, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 컨버터가 고장 난 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하도록 제어할 수 있다.
또한, 컨버터는 부스트 컨버터일 수 있다.
또한, 컨버터는, 4개의 상기 피더블유엠 정류기로 구성되어 병렬 조합되어 생성된 부스트 컨버터일 수 있다.
또한, 4개의 피더블유엠 정류기 중 제 1 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 1 위상이고, 제 2 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 2 위상이며, 제 3 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 3 위상이고, 제 4 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 4 위상이며, 상기 제 1 위상과 상기 제 2 위상의 차이, 상기 제 2 위상과 상기 제 3 위상의 차이 및 상기 제 3 위상과 상기 제 4 위상의 차이는 동일할 수 있다.
또한, 변압기는, 컨버터의 크기 감소를 위해 상기 컨버터의 입력측 리액터가 작아지도록, 상기 변압기의 인덕턴스를 증가시킬 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터는, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되고, 상기 제어부는, 상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하며, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하고, 상기 컨버터가 고장 난 경우, 상기 고장난 컨버터가 정지되도록 제어하며, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결 해제를 위하여 상기 고장 난 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결이 차단되도록 제어할 수 있다.
또한, 접촉기는, 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 상기 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성될 수 있다.
또한, 복수의 피더블유엠 정류기 각각은, 제어부를 포함하고, 상기 복수의 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 제어부 각각은, 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 상기 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부 를 포함하며, 상기 복수의 마스터 제어부 중 하나인 선택된 제 1 마스터 제어부는 상기 컨버터를 제어하고, 상기 복수의 슬레이브 제어부 중 하나인 제 1 슬레이브 제어부는 상기 제 1 마스터 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 슬레이브 제어부를 포함하는 제 1 피더블유엠 정류기를 제어할 수 있다.
또한, 복수의 피더블유엠 정류기 중 하나인 제 2 피더블유엠 정류기가 고장난 경우, 제 1 마스터 제어부는, 상기 제 2 피더블유엠 정류기가 병렬연결 해제 되도록, 상기 제 2 피더블유엠 정류기에 포함된 제 2 슬레이브 제어부를 제어하고, 상기 제 2 슬레이브 제어부는, 상기 제 2 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결이 차단되도록 제어할 수 있다.
또한, 제 1 마스터 제어부가 고장난 경우, 복수의 마스터 제어부 중 상기 제 1 마스터 제어부를 제외한 마스터 제어부에서 선택된 제 2 마스터 제어부가 상기 컨버터를 제어하고, 상기 제 1 슬레이브 제어부는 상기 제 2 마스터 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 슬레이브 제어부를 포함하는 제 1 피더블유엠 정류기를 제어할 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터는, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기;가 연결되고, 상기 제어부는, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 컨버터가 상기 고장 난 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며, 상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고, 상기 부하에 공급되는 전력에 따라 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부의 출력을 증폭시킬 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 복수의 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터 각각은, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되고, 상기 제어부는, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 컨버터가 고장 난 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며, 상기 컨버터 각각의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고, 상기 부하에 공급되는 전력에 따라 상기 복수의 컨버터 중 일부를 연결하거나 차단할 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 변압기, 상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 복수의 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 컨버터 각각은, 상호 병렬연결된 복수의 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기로 구성되고, 상기 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되고, 상기 제어부는, 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 상기 컨버터가 고장 난 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며, 상기 컨버터 각각의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고, 상기 복수의 컨버터를 구성하는 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부를 조합하여 상기 부하에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 컨버터 각각을 구성하는 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 제어부는, 상기 고장 난 피더블유엠 정류기의 병렬연결 해제를 위하여 상기 고장 난 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결을 차단하고, 상기 차단된 피더블유엠 정류기를 제외한 복수의 피더블유엠 정류기 각각을 조합하여 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부는, 차단된 피더블유엠 정류기를 제외한 복수의 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템은 교류전력의 전압을 변압하는 복수의 변압기, 상기 복수의 변압기 중 임의의 하나가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터 및 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 복수의 변압기 중 일부가 고장난 경우, 상기 제어부는 고장나지 않은 변압기에서 상기 고장난 변압기로 회생전력을 공급하도록 제어하고, 상기 고장나지 않은 변압기가 공급 가능한 전력이 상기 부하에서 소비하는 전력과 상기 회생전력의 합보다 작은 경우, 상기 고장나지 않은 변압기가 상기 고장난 변압기에 상기 회생전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있다.
본 발명은 복수의 병렬 피더블유엠(PWM) 정류기로 구성된 피더블유엠 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로, PWM 정류기를 사용함으로써 회생 에너지를 교류전력으로 역변환시켜 에너지를 활용할 수 있다.
또한, 복수의 PWM 정류기를 병렬로 구성함으로써 스위칭 주파수가 PWM 정류기의 수에 대한 곱한 값만큼 상승한 것과 동일한 제어성능을 가지는 급전 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
그리고 PWM 정류기에서 발생하는 발열량을 줄일 수 있다.
게다가 일부의 PWM 정류기가 고장 난 경우에도 일정한 전력을 급전할 수 있다.
또한, 스위칭 전력소자의 과도정격을 만족하는 용량을 가지면서 설치면적을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 일부 계통이 고장 난 경우, 계통의 고장이 확산되지 않도록 차단하여 전체 급전 시스템의 안정화를 도모할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 1개의 PWM 정류기를 이용하는 급전 시스템의 회로구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템의 블록 구성도(Block diagram)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터를 구성하는 PWM 정류기의 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 병렬연결된 복수의 PWM 정류기로 구성된, PWM 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템의 회로 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터를 이용하는 전력 공급시스템의 외부 통신 인터페이스 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 컨버터 제어를 위한 시뮬레이션 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 부스트 컨버터 내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 PWM 부스트 컨버터내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압 및 상전류에 대한 FFT 파형이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 부스트 컨버터내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 고장 난 PWM 정류기를 제외한 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다.
도 10은 부하가 1.5MW의 경우로 150%의 과부하조건시 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템이 정상운전시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템에서 1개의 PWM 정류기가 고장시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이다.
도 13a 및 13b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템에서 2개의 PWM 정류기가 고장시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템에서 PWM 정류기가 고장에 따른 위상제어를 도시한 것이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터를 이용하여 기설정된 전력을 공급하는 일례를 도시한 것이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시례 따른 일부 계통이 고장시, 고장 난 계통을 시스템의 분리를 도시한 것이다.
종래의 급전 시스템은 전동차가 제동을 할 때 발생하는 회생 에너지를 유용하게 사용할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 정류기로 PWM 컨버터를 사용하는 급전 시스템이 개발되었지만 PWM 컨버터의 제어성능 향상을 위해 스위칭 주파수를 높임으로써 PWM 컨버터에서 발생하는 발열 또한 문제가 된다.
본 발명에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 급전 시스템에 사용되는 정류기로 복수의 PWM 컨버터를 병렬로 연결하고, 각각의 PWM 컨버터의 스위칭 동작 위상이 다르도록 제어함으로써 급전 시스템의 제어성능을 향상시키고 발열문제 또한 해결하였다.
또한, 복수의 부스터 컨버터 방식의 PWM 컨버터를 병렬연결하여 과도정격에 만족하는 충분한 용량을 갖도록 하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<구성>
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 급전 시스템이 포함하는 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템의 블록 구성도(Block diagram)이다.
급전 시스템은 변압기(100), PWM(Pulse Width Modulation) 부스트 컨버터(200) 및 제어부(300) 등을 포함할 수 있다. 단, 도 2에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소를 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 급전 시스템이 구현될 수도 있다.
먼저, 변압기(100)는 교류 전원으로부터 공급받은 전력의 전압을 변환하는 수단이다. 교류 전원은 전동차에 공급하기 위한 전력을 공급하는 수단으로서 변전소가 이에 해당될 수 있다.
변전소에서 보내는 교류전력의 전압은 보통 22.9KV이지만, 전동차에는 일반적으로 750V 또는 1500V 정도의 전압이 사용되기 때문에 변전소에서 보내는 전력의 전압은 전동차에 직접 사용하기에는 매우 높은 전압이다. 따라서 변전소에서 보내는 교류전력의 전압을 낮추기 위해 변압기(100)가 사용된다.
PWM(Pulse Width Modulation) 부스트 컨버터(200)는 상용전력을 직접 정류하고 이 직류전력을 고주파 인버터를 이용하여 고주파 구형파로 변환하고 변압기(100)를 이용하여 필요한 전압만큼 낮춘 후에 정류하고 평활하여 직류전력으로 변환시키는 정류기이다.
또한, 교류전력을 직류전력으로 변환하는 순변환 뿐만 아니라 직류전력을 교류전력으로 변환하는 역변환의 기능을 가져 인버터의 역할을 수행할 수도 있다.
본 발명과 관련하여, PWM 부스트 컨버터(200)는 필요에 따라 복수개가 사용될 수 있다.
한편, PWM 부스트 컨버터(200)에는 트랜지스터가 사용되는데, 트랜지스터로서 절연게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용될 수 있다.
절연게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBT)는 전기 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능을 빠르게 수행할 수 있도록 만들어진 고전력 스위칭용 반도체이다.
전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능을 수행하기 위해서는 동작속도가 빠르고 전력의 손실이 적은 부품이 필요하다. 그러나 기존 스위칭 반도체인 트랜지스터는 가격이 저렴한 대신 회로구성이 복잡하고 동작속도가 느린 단점이 있고, MOSFET는 저전력이고 속도가 빠른 대신 비싸다는 단점이 있다.
절연게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBT)는 위와 같은 단점을 보완한 트랜지스터이다.
PWM 부스트 컨버터(200)의 출력전압은 제어회로에서 기준전압과 비교하여 적절한 시비율(Duty Ratio)로 조절할 수 있다. 이때, 시비율이란 스위치가 On/Off 되는 주기(T)에 대한 스위치가 On되는 시간(T1)의 비율(T1/T)을 뜻하는 것으로서, 스위칭 소자를 제어하여 시비율에 의해 출력전압을 유지시킬 수 있다.
이와 같이 PWM 부스트 컨버터(200)의 출력전압은 스위칭에 의해 제어되므로 1초당 스위칭 횟수, 즉 스위칭 주파수가 높을수록 출력전압을 제어할 수 있는 제어성능이 높아진다. 그러나 스위칭 주파수가 높을수록 PWM 부스트 컨버터(200)에서 발생하는 열도 많아진다.
PWM 부스트 컨버터(200)에 대하여 도 3 및 도 4를 더 참조하여 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210)의 회로 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 병렬연결된 복수의 PWM 정류기(210)로 구성되는 PWM 부스트 컨버터(200)를 이용하는 급전 시스템의 회로 구성도이다.
도 3에 따르면, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210)는 고속스위칭이 가능한 IGBT로 구성된 회로로 구성될 수 있다.
각 상별로 대용량 IGBT 2개를 히트파이프 방식 방열판에 부착하여 3개의 방열판을 사용하므로 3상회로에서 총 6개의 대용량 IGBT를 통해 하나의 단위 용량 PWM 정류기(210)가 구성될 수 있다.
그리고 단위 용량 PWM 정류기(210)를 병렬로 구성하여 1개의 PWM 부스트 컨버터(200)가 구성될 수 있다.
이때, 단위 용량 PWM 정류기(210) 각각은 PWM제어부(미도시)를 포함할 수 있고, PWM제어부는 마스터기능과 슬레이브 기능을 동시에 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
PWM제어부의 마스터기능은 하나의 PWM 부스트 컨버터(200) 전체를 제어할 수 있으며, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210)가 고장 난 경우, 고장 난 PWM 정류기(210)를 제외하고 운영할 수 있도록 제어할 수 있다. 이때, PWM 정류기(210)가 스위칭하는 동작의 위상을 제어할 수 있다.
또한, 마스터 기능을 수행하는 PWM제어부가 고장 난 경우, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 타 PWM 정류기(210)에 위치된 PWM제어부가 마스터 기능을 이어받아 PWM 부스트 컨버터(200) 전체를 제어할 수 있다.
이하에서는 도 4을 참조하여 전술한 구성들을 기초로 병렬연결된 복수의 PWM 정류기로 구성된 PWM 부스트 컨버터(200)를 이용하는 급전 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4에 따르면, PWM 부스트 컨버터(200)는 연속정격 특성 및 과도정격 특성을 만족하기 위하여 200% 2시간 및 300% 1분간의 과도정격에 만족하기 위하여 단위용량의 PWM 정류기가 병렬 4다중방식로 조합되어 형성되고, 1개의 PWM 부스트 컨버터(200)는 내부의 단위 용량의 PWM 정류기(210) 중 적어도 하나가 고장이 나서 사용 불가능한 경우, 고장이 난 PWM 정류기(210)를 차단하고 나머지 PWM 정류기(210)로 전력공급 운전이 가능한 리던던시 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, PWM 정류기(210)는 각각 접촉기가 설치되어 1개의 PWM 정류기(210)가 고장시 차단 후 운전이 가능한 리던던시 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
일례로서, 과도정격 150% 2시간 정격을 만족하는 250KW의 단위 PWM 정류기(210) 4대를 다권선 변압기(100)와 조합하여 리던던시를 가진 정격용량 1MW인 1조의 PWM 부스트 컨버터(200)가 구축되고, 구축된 1조의 정격용량 1MW인 PWM 부스트 컨버터(200)를 병렬로 증설하여 노선에 필요한 용량의 급전시스템이 구축될 수 있다.
또한, PWM 부스트 컨버터(200)의 입력부에 정현파의 교류전력이 입력되면, 첫번째 PWM 정류기는 0도에 스위치 On, 두번째 PWM 정류기는 10도에 스위치 On, 세번째 PWM 정류기는 20도에 스위치 On, 네번째 PWM 정류기는 30도에 스위치 On 되도록 제어부(300)는 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상을 조절할 수 있다.
이와 같이 4개의 PWM 정류기가 스위칭하는 위상의 차이를 두면 각 PWM 정류기의 스위칭 주파수를 f라고 하였을 때 급전 시스템의 스위칭 주파수는 4xf로 운영되는 급전 시스템과 같게 된다.
즉, PWM 정류기의 스위칭 주파수는 f 이므로 발열량은 스위칭 주파수 f에 해당하는 PWM 정류기를 이용하는 급전 시스템의 발열량과 같지만 제어성능은 4xf의 스위칭 주파수로 운영되는 급전 시스템의 제어성능과 같게 되는 것이다.
다만, PWM 정류기의 개수 및 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상은 이러한 예시에 한정되는 것은 아니고 각 시스템의 요구에 맞게 변경될 수 있다. 또한, 상기의 예시와 같이 각 PWM 정류기의 위상 차이가 반드시 동일해야 하는 것은 아니다.
또한, PWM 부스트 컨버터(200)용 다권선 변압기의 인덕턴스를 높이는 것을 통해 입력측 리액터의 크기를 줄일 수 있고, 공간적 이점이 있는 PWM 부스트 컨버터(200) 전력공급시스템이 구축될 수 있다. 이때, 입력리액터는 변압기의 내부에 있는 인덕턴스와 직렬로 설치하여 전압을 안정적으로 제어할 수 있다. 입력 리액터는 변압기 2차측 마다 설치하며 각 IGBT스택 하부에 설치되고, 전압변동과 리플전류를 안정화하는 기능을 할 수 있다.
그리고 PWM 부스트 컨버터(200)는 스위칭 온-오프에 따른 서지 전압으로부터 IGBT를 보호하기 위해 스너버 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 충분한 전류를 공급하기 위해 필름커패시터로 구성된 DC-Link 커패시터를 탑재할 수 있다.
게이트 드라이버(Gate Driver)는 단위 용량 PWM 정류기(210)의 IGBT를 온-오프하기 위하여 IGBT에 부착되고, 제어기로부터 전달되는 신호를 받아 IGBT를 제어할 수 있다.
방열판은 온도센서가 장착되어 과온으로부터 IGBT를 보호할 수 있도록 온도정보를 실시간으로 검출할 수 있다.
또한, PWM 부스트 컨버터(200)는 매 스위칭 시간마다 입출력 전류를 관측하여 제어할 수 있도록 전류센서가 각 상에 장착될 수 있고, 전압제어 및 전류제어가 가능하도록 구성될 수 있다.
그리고 PWM 부스트 컨버터(200)는 스위칭 손실로 인하여 발생된 열을 효과적으로 방열하기 위해 히트 파이프(Heat Pipe) 방열판과 송풍기로 구성된 강제 풍냉식 냉각시스템을 적용되어 냉각공기의 흐름이 원활하도록 스택이 구성될 수 있다.
한편, 제어부(300)는 급전 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
특히, 본 발명에서는 변압기(100)의 변압비를 제어하여 변압기(100)의 2차측 전압을 변환할 수 있고, PWM 부스트 컨버터(200)가 출력하는 직류전압을 제어하기 위해 각 PWM 부스트 컨버터(200) 및 PWM 정류기가 스위칭하는 위상, 각 PWM 부스트 컨버터(200) 및 PWM 정류기의 스위칭 주파수 및 시비율(Duty Ratio)을 조절할 수 있다.
제어부(300)는 급전시스템 전체를 총괄하도록 외부에 설치될 수 있고, 각 PWM 부스트 컨버터(200) 각각을 제어하도록 PWM 부스트 컨버터 내에 설치될 수 있다. 또한, PWM 부스트 컨버터(200) 전체를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 PWM 정류기(210)를 제어하기 위한 슬레이브 제어부가 존재할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 부스트 컨버터를 이용하는 전력 공급시스템의 외부 통신 인터페이스 구성도이다.
도 5를 참조하면, 직류급전시스템반에는 Local EMS가 설치되어 필요시 상위 SCADA등과 에너지 관리 정보 교환 및 명령을 수행할 수 있다.
이때, 상위 SCADA와의 통신은 변전소 환경에 따라 시리얼 또는 이더넷 모두 가능하며 필요시 SCADA RTU를 경유할 수 있다.
그리고 직류급전시스템반 내부는 Local EMS가 직류급전제어기와 통신으로 연계하여 Energy Management는 EMS가 PWM 직류변환 알고리즘은 DSP가 담당할 수 있다.
<PWM 부스트 컨버터 제어실험>
이하에는 PWM 부스트 컨버터를 이용하는 급전 시스템에 있어서, PWM 부스트 컨버터 제어를 위한 실험결과를 도면을 참조하여 검토하여 본다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 PWM 컨버터 제어를 위한 시뮬레이션 구성도이다.
도 6에 나타난 시뮬레이션은, 1MW 구성을 위한 4개의 PWM 정류기가 정상적으로 동작할 경우를 가정한 것이다.
다중 트랜스포머에서 제공하는 독립적인 입력회로과 병렬 구성의 컨버터출력의 유효성을 확인하기 위하여 정격입력전압은 440Vac이고, 정격출력전압은 750Vdc이며, 개별의 스위칭 주파수는 9펄스 540Hz이고 병렬컨버터의 등가주파수는 2.16kHz이며 이는 36펄스에 해당한다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 PWM 부스트 컨버터 내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 급전시스템에 인가되는 교류전력에서, 비교모델을 위해 급전시스템의 PWM 부스트 컨버터(200)가 정상이고, PWM 부스트 컨버터(200)내의 모든 정류기에 동일한 부하를 분담하게 한 후, 각 컨버터의 위상을 제어하여 입력측으로 흐르는 합성전류에서 고조파가 최소화된 전류를 구한다.
도 7에서 (a)~(d) 파형은 정류기 각각의 1상에 대한 입력전류 파형과 선간 PWM 전압의 파형이다. 9-펄스로 제어되는 입력전류는 예상된 바와 같이 고조파의 정도가 매우 높고 THD는 약 25% 정도이다.
그리고 (e)는 개별 정류기의 입력전류를 합성한 것으로 이것은 트랜스포머의 입력전류 파형에 해당한다. 합성된 전류는 그림에서 보이는 바와 같이 고조파가 최소화된 형태이며 THD 5% 미만의 매우 우수한 전류품질을 확인 할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 PWM 부스트 컨버터내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압 및 상전류에 대한 FFT 파형이다.
도 7에 대한 주파수영역의 특성을 보기 위하여 FFT를 실시한 결과, 도 8 (a)~(d)에서는 5, 7, 9 및 11차의 고조파전류가 상대적으로 크게 발생하였으며 35차 고조파(2.1kHz)까지 1% 이상의 고조파가 관측되었다. 합성된 전류에서는 등가주파수 부근에서 2% 미만의 고조파가 발생하였으며 60차까지 개별 컨버터 입력전류의 고조파와 비교할 때 매우 우수한 주파수 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 급전 시스템의 부스트 컨버터내의 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 고장 난 PWM 정류기를 제외한 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다.
PWM 정류기 중 한개가 고장나서 제외시킨 경우 개별 정류기의 스위칭 주파수는 정상시와 동일한 9펄스 540Hz이며 병렬컨버터의 등가주파수만 1.62kHz, 27펄스로 낮아진다. 도 9는 750kW의 부하에 대한 3병렬 정류기의 동작을 나타낸 것이다. 개별 정류기의 입력전류의 모양은 4병렬의 경우와 크게 다르지 않음을 알 수 있으며, 합성된 입력전류의 파형의 THD는 약 4∼5%로 양호함을 알 수 있다.
한편, 도 10은 부하가 1.5MW의 경우로 150%의 과부하조건시 PWM 정류기에 입력되는 교류전압의 그래프 및 각 PWM 정류기가 스위칭하는 위상이다. 전류가 증가함에 따라 리액터의 di/dt 변화량(기울기)에 대한 전체전류 크기의 비율이 증가하므로 파형의 THD가 개선되어 상전류의 THD도 20% 미만으로 낮아졌으며 이로 인하여 합성된 출력전류의 파형도 종래에 비하여 향상되게 됨을 알 수 있다.
<고장 난 PWM 정류기의 제외방법>
이하에서는 PWM 부스트 컨버터(200) 내의 PWM 정류기 중 일부가 고장 난 경우, 고장 난 PWM 정류기(210)를 시스템에저 제외시키는 방법에 대하여 검토하여 본다.
위에서 본 바와 같이, PWM 부스트 컨버터(200)내의 병렬연결된 복수의 PWM 정류기(210)는 각각 접촉기가 설치되어 있다. 이때 접촉기는 변압기(100)와 PWM 정류기 사이에 연결되어 있으며, 마그네틱 스위치로 구성될 수 있다.
접촉기 각각은 PWM제어부가 연결되어 있고, 위에서 본 바와 같이 PWM제어부는 마스터 기능 및 슬레이브 기능을 할 수 있으며, 마스터 기능을 하는 PWM제어부는 PWM 부스트 컨버터(200) 전체를 제어할 수 있다. 슬레이브 기능을 하는 PWM제어부는 마스터 기능을 하는 PWM제어부의 제어에 따라 접촉기를 연결하거나 차단할 수 있다.
또한, 마스터 기능을 하는 PWM제어부가 고장 난 경우, 슬레이브 기능을 하는 PWM제어부 중 하나가 마스터 기능을 승계하여 PWM 부스트 컨버터(200) 전체를 제어할 수 있다.
일례로서, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 1번 PWM 정류기(210)의 PWM제어부가 마스터 기능을 하고 있고, 1번 PWM 정류기(210)가 고장났지만, 1번 정류기의 PWM제어부는 정상적인 경우, 1번 정류기의 PWM제어부가 여전히 마스터 기능을 보유하고 PWM 부스트 컨버터(200)를 제어할 수 있다.
즉, 1번 PWM 정류기(210)의 접촉기를 제어하여 1번 PWM 정류기(210)를 계통에서 차단할 수 있고, 2번 내지 4번의 PWM 정류기(210)에 제어신호를 전달하여 위상변화등의 제어를 할 수 있다.
하지만, 1번 PWM 정류기(210)의 PWM제어부도 고장 난 경우, 마스터 기능을 2번 PWM 정류기(210)의 PWM제어부에 승계하게 된다. 마스터 기능을 승계한 2번 PWM 정류기(210)의 PWM제어부는 1번 PWM 정류기(210)의 PWM제어부를 작동불능으로 처리하고, 1번 PWM 정류기(210)는 2번 PWM 정류기(210)의 제어부가 직접 제어를 담당하게 된다. 또한, 3번, 4번 PWM 정류기(210)에 제어신호를 전달하여 위상변화등을 제어할 수 있다.
상기와 같은 방식으로 마스터 기능을 갖는 PWM제어부가 기능을 상실한다 하여도 순차적으로 마스터기능을 타 PWM 정류기(210)의 제어부가 승계하여 제어하므로 PWM 부스트 컨버터(200)는 안정적으로 운영될 수 있다.
도면을 통해서 검토를 하면,
도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템이 정상운전시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이고, 도 12a 및 12b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템에서 1개의 PWM 정류기가 고장시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이며, 도 13a 및 13b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터로 구성된 급전 시스템에서 2개의 PWM 정류기가 고장시 블록도 및 부하동작의 시뮬레이션 파형이다.
도 11과 도 12를 같이 참조하면, 도 12에서 보다시피 복수의 PWM 부스트 컨버터 중 하나에 포함된 PWM 정류기 한 개가 고장이 난 경우, 해당 PWM 정류기에 연결된 접촉기의 연결을 해제하고, 나머지 PWM 정류기만으로 운용하게 된다.
또한, 도 11과 도 13을 같이 참조하면, 도 13에서 보다시피 복수의 PWM 부스트 컨버터에 포함된 PWM 정류기가 각각 고장이 난 경우, 각각의 PWM 부스트 컨버터내에서 고장이 난 PWM 정류기에 연결된 접촉기의 연결을 해제하고, 나머지 PWM 정류기만으로 운용하게 된다.
상기와 같은 방법을 통해서, 고장이 난 PWM 정류기를 차단하고 나머지 PWM 정류기로 전력공급 운전이 가능하게 된다.
또한, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210)의 위상을 제어하여 일정한 전력을 공급하게 된다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하면, PWM 부스트 컨버터(200)가 4개의 PWM 정류기(210)로 구성되고, 모두 정상 작동하는 경우, 4개의 PWM 정류기(210)는 각각 90도의 위상차이를 갖도록 조정된다. 한 개의 PWM 정류기(210)가 고장 나거나 사용하지 않아 3개의 PWM 정류기(210)를 이용하는 경우는 각각 120도의 위상차이를 갖도록 조정된다. 또한 2개의 PWM 정류기(210)를 이용하는 경우는 각각 180도의 위상차이를 갖도록 조정된다.
<일정한 전력 공급을 위한 PWM 부스트 컨버터의 제어방법>
PWM 부스트 컨버터(200)는 부하에 일정한 전력을 공급하기 위하여, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210) 각각에 연결된 접촉기를 연결 또는 차단할 수 있다.
일례로서, 부하가 500KW의 전력이 필요한 경우, 250KW의 전력공급이 가능한 PWM 정류기(210) 2개만을 이용하여 공급할 수 있고, 나머지 2개의 PWM 정류기(210)는 접촉기가 차단되어 대기 상태가 될 수 있다.
부하가 750KW의 전력이 필요한 경우, 차단되어 있는 2개의 PWM 정류기(210)중 하나의 접촉기를 연결하여 전력을 추가로 공급할 수 있다. 또한, 부하가 1000KW의 전력이 필요한 경우, 모든 PWM 정류기(210)가 연결되어 부하에 전력을 공급할 수 있다.
한편, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210) 각각은 기 설정된 시간 내에서 출력을 상승시켜 공급할 수 있다.
일례로서, 부하에 1500KW이상의 전력이 필요한 경우, PWM 정류기(210) 각각은 기 설정된 시간 동안 375KW의 전력을 공급할 수 있다. 다만, 출력을 상승시켜 전력을 공급하는 PWM 정류기(210) 각각은 부담이 생길 수 있으므로, 출력 상승은 임시로 사용함이 바람직하다.
한편, PWM 부스트 컨버터(200)가 복수로 구성된 경우, 일부 PWM 부스트 컨버터(200)만을 이용할 수 있고, PWM 부스트 컨버터(200)를 구성하는 PWM 정류기(210)의 일부를 조합하여 이용할 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시례에 따른 복수의 PWM 부스트 컨버터를 이용하여 기설정된 전력을 공급하는 일례를 도시한 것이다.
일례로서, PWM 부스트 컨버터(200)가 2개로 구성된 경우, 부하에 공급하는 전력에 따라 일부 PWM 부스트 컨버터(200)만을 이용하거나, PWM 정류기(210)를 조합하여 이용할 수 있다. 부하에 1000KW의 전력이 필요한 경우, 한 개의 PWM 부스트 컨버터(200)에서 4개의 PWM 정류기(210)를 모두 이용하여 전력을 공급할 수 있고, 도 15a와 같이 두개의 PWM 부스트 컨버터(200)에서 각각 두 개의 PWM 정류기(210)를 이용하여 전력을 공급할 수 있으며, 도 15b와 같이 하나의 PWM 부스트 컨버터(200)는 세 개의 PWM 정류기(210), 다른 PWM 부스트 컨버터(200)는 한 개의 PWM 정류기(210)를 이용하여 전력을 공급할 수 있다.
<고장계통의 분리방법>
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시례 따른 일부 계통이 고장시, 고장 난 계통을 시스템의 분리를 도시한 것이다.
도 16a에서 보듯이 철도 급전 시스템에서, 철도에 공급하는 전력은 복수의 계통에서 공급될 수 있으며, 각 계통은 상호 연결되어 있다.
상기 복수의 계통 중에 일부가 고장 난 경우, 고장 나지 않은 계통에서는 고장 난 계통에 회생 전력을 공급하게 되어있고, PWM 부스트 컨버터(200)도 이를 공급할 수 있도록 설계될 수 있다.
다만 고장 나지 않은 계통은 부하 외 고장이 난 계통에 회생 전력 공급이 PWM 부스트 컨터버(200)에서 공급가능한 전력을 넘어서는 경우 고장이 날 수 있다. 즉 계통의 고장이 점차 확대될 수 있기 때문에 이를 방지하는 제어가 필요하다.
도 16b를 참조하면 제어부(300)는 부하에 필요한 공급전력 및 고장 난 계통에 필요한 회생전력을 계산하고, 계산된 전력이 PWM 부스트 컨버터(200)에서 공급가능한 전력을 초과하는 경우, PWM 부스트 컨버터에서 회생전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 설명된 급전 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
상기와 같은 발명을 통하여, 복수의 병렬 피더블유엠(PWM) 컨버터를 이용하는 급전 시스템이 제공될 수 있고, 회생 에너지를 교류전력으로 역변환시켜 에너지를 활용할 수 있으며, 복수의 PWM 컨버터를 병렬로 구성함으로써 스위칭 주파수가 PWM 컨버터의 수에 대한 곱한 값만큼 상승한 것과 동일한 제어성능을 가지는 급전 시스템을 사용자에게 제공할 수 있고, 일부의 PWM 컨버터가 고장 난 경우에도 급전할 수 있으며, 스위칭 전력소자의 과도정격을 만족하는 용량을 가지면서 설치면적을 최소화할 수 있게 된다.
100 : 변압기,
200 : PWM 부스트 컨버터,
210 : PWM 정류기,
210a : 고장난 PWM 정류기,
210b : 일부동작중인 PWM 정류기,
210c : 미사용 PWM 정류기,
211 : IGBT (절연게이트 쌍극성 트랜지스터),
220 : 접촉기,
300 : 제어부,
1000a : 정상동작 중인 계통,
1000b : 고장 난 계통,
2000 : 정상동작 중인 계통에서 고장 난 계통에 공급하는 전력.

Claims (17)

  1. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 변압기는,
    상기 컨버터의 크기 감소를 위해 상기 컨버터의 입력측 리액터가 작아지도록, 상기 변압기의 인덕턴스를 증가시키고,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하며,
    상기 컨버터가 고장 난 경우, 상기 고장난 컨버터가 정지되도록 제어하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 상기 컨버터가 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기를 병렬 조합에서 해제하도록 제어하고, 정상 작동 중인 단위 용량 피더블유엠 정류기로 병렬 조합되도록 제어하며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    4개의 단위 용량 피더블유엠 정류기로 구성되어 병렬 조합되어 생성된 컨버터인 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 4개의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 제 1 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 1 위상이고, 제 2 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 2 위상이며, 제 3 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 3 위상이고, 제 4 정류기가 스위칭 동작하는 위상은 제 4 위상이며,
    상기 제 1 위상과 상기 제 2 위상의 차이, 상기 제 2 위상과 상기 제 3 위상의 차이 및 상기 제 3 위상과 상기 제 4 위상의 차이는 동일한 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각이 스위칭 동작하는 위상의 차이가 동일하도록 제어하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각이 스위칭 동작하는 위상의 합이 360도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  6. 삭제
  7. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되되, 상기 접촉기는 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하며,
    상기 컨버터가 고장 난 경우, 상기 고장난 컨버터가 정지되도록 제어하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기의 병렬연결 해제를 위하여 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결이 차단되도록 제어하며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 마스터 제어부 중 하나인 선택된 제 1 마스터 제어부는 상기 컨버터를 제어하고,
    상기 복수의 슬레이브 제어부 중 하나인 제 1 슬레이브 제어부는 상기 제 1 마스터 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 슬레이브 제어부를 포함하는 제 1 피더블유엠 정류기를 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    복수의 피더블유엠 정류기 중 하나인 제 2 피더블유엠 정류기가 고장난 경우,
    상기 제 1 마스터 제어부는,
    상기 제 2 피더블유엠 정류기가 병렬연결 해제 되도록, 상기 제 2 피더블유엠 정류기에 포함된 제 2 슬레이브 제어부를 제어하고,
    상기 제 2 슬레이브 제어부는,
    상기 제 2 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결이 차단되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 마스터 제어부가 고장난 경우,
    상기 복수의 마스터 제어부 중 상기 제 1 마스터 제어부를 제외한 마스터 제어부에서 선택된 제 2 마스터 제어부가 상기 컨버터를 제어하고,
    상기 제 1 슬레이브 제어부는 상기 제 2 마스터 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 슬레이브 제어부를 포함하는 제 1 피더블유엠 정류기를 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  12. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되되, 상기 접촉기는 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 상기 컨버터가 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며,
    상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고,
    상기 부하에 공급되는 전력에 따라 상기 복수의 피더블유엠 정류기 중 일부의 출력을 증폭시키며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  13. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되되, 상기 접촉기는 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 상기 컨버터가 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며,
    상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고,
    상기 부하에 공급되는 전력에 따라 상기 복수의 컨버터 중 일부를 연결하거나 차단하며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  14. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되되, 상기 접촉기는 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우, 상기 컨버터가 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기를 제외하고 작동하도록 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기의 병렬연결을 해제하며,
    상기 컨버터의 출력단에서 출력되는 전압이 기 설정된 값으로 출력되도록 제어하고,
    상기 복수의 컨버터를 구성하는 상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부를 조합하여 상기 부하에 전력을 공급하며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 컨버터 각각을 구성하는 상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 중 일부가 고장난 경우,
    상기 제어부는,
    상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기의 병렬연결 해제를 위하여 상기 고장난 단위 용량 피더블유엠 정류기에 연결된 접촉기의 연결을 차단하고,
    상기 차단된 단위 용량 피더블유엠 정류기를 제외한 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각을 조합하여 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차단된 단위 용량 피더블유엠 정류기를 제외한 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각이 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
  17. 교류전력의 전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기가 변압한 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하에 공급하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    복수의 단위 용량 피더블유엠(PWM, Pulse Width Modulation) 정류기가 병렬 다중방식으로 조합되어 형성된 부스터 컨버터이고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 피더블유엠 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기에 포함된 복수의 피더블유엠 제어부 각각은 상기 컨버터를 제어하기 위한 마스터 제어부 및 피더블유엠 정류기를 제어하는 슬레이브 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 단위 용량 피더블유엠 정류기 각각은, 병렬연결을 위하여 접촉기가 연결되되, 상기 접촉기는 상기 접촉기의 연결이 차단되는 경우, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기를 보호하고, 상기 접촉기에 연결된 피더블유엠 정류기의 전원을 자동제어하기 위하여 마그네틱 스위치로 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 변압기 중 일부가 고장난 경우, 고장나지 않은 변압기에서 상기 고장난 변압기로 회생전력을 공급하도록 제어하고,
    상기 고장나지 않은 변압기가 공급 가능한 전력이 상기 부하에서 소비하는 전력과 상기 회생전력의 합보다 작은 경우, 상기 고장나지 않은 변압기가 상기 고장난 변압기에 상기 회생전력을 공급하지 않도록 제어하며,
    상기 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 고장 날 경우, 마스터 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부의 기능을 슬레이브 기능을 수행하는 피더블유엠 제어부가 순차적으로 승계하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 급전 시스템.
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