KR101794858B1 - 회생 에너지 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

가선 전압에 비하여 상대적으로 낮은 정격 내압의 전력변환 모듈인 복수의 회생 컨버터 모듈을 이용하여 구성된 회생 에너지 전력변환장치를 제공한다. 회생 에너지를 회수하여 전력저장장치에 저장하는 회생 에너지 전력변환장치는, 가선전압을 분배하도록 직렬 연결된 복수의 전압분배 유닛을 포함하는 분배부와, 복수의 전압분배 유닛에 각각 연결되어, 분배된 복수의 분배 전압에 대응하는 전력을 각각 회생 에너지로 변환하는 복수의 회생 컨버터 모듈을 각각 포함하는 하나 이상의 회생 컨버터 유닛을 포함한다.

Description

회생 에너지 전력변환장치{Power converter for regeneration energy}
본 발명은 회생 에너지 전력변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 높은 정격 내압을 가지는 스위칭 소자를 사용하지 않고 회생 에너지의 전력을 변환할 수 있는 전력변환장치에 관한 것이다.
회생 제동(回生制動)은, 전동기를 발전기로서 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법이다. 전력 회생 브레이크라고도 불린다. 회생 제동시 발생하는 회생에너지를 제동력으로서 이용할 수도 있으며, 전동기를 동력으로 하는 엘리베이터, 전동차, 자동차 등에 넓게 이용된다.
회생 에너지 시스템은 저항부하를 통해 연소되는 에너지를 별도의 전력변환장치를 이용해 회수하여 곧바로 계통전력 망으로 보내거나, 별도의 에너지저장장치에 저장하는 시스템이다. 일반적인 철도차량 전동차의 가선전압은 약 1500 [Vdc] 정도이고, 전동차의 제동시 전동차에서 회생 에너지가 발생하며, 이로 인하여 가선전압은 1500 [Vdc]에서 약 2000 [Vdc] 이상까지 상승한다. 전동차의 제동시 발생되는 가선전압의 상승은 관련 기기들의 고장을 유발하게 되므로 가선전압이 약 1800 [Vdc] 이상이 되면 철도차량 내에 장착되어 있는 저항부하를 이용하여 에너지를 연소시킨다.
일반적인 회생 에너지 전력변환장치는 필요한 교류전원이나 또는 직류전원을 출력시키기 위해서 내부적으로 DC/DC 혹은 DC/AC변환 과정을 거친다. 이때 DC/DC 변환기의 스위칭 소자에는 최대 약 2000 [V] 정도까지 가선전압이 인가되게 되며, 따라서 스위칭 소자는 이러한 고압을 견딜 수 있는 정격 내압을 갖는 소자이어야 한다. 일반적으로 스위칭 소자의 정격내압은 입력전압의 최소 1.5배 이상인 최소 3000 [V] 이상이어야 한다. 현재 전력변환장치의 스위칭 소자로 사용되고 있는 전력반도체는 정격 내압이 높을수록 부품수급이 어렵고, 가격 또한 매우 고가이다. 뿐만 아니라, 전력변환 회로의 설계에 있어서도 전압이 높을수록 고전압에 따른 절연구조를 고려해야 하므로 설계가 매우 까다로운 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 반도체 소자의 스위칭 손실은 해당 소자의 정격내압이 클수록 증가하게 되므로 정격내압이 높으면 스위칭 주파수를 높이는데도 한계가 있다. 스위칭 주파수가 낮아질수록 변압기 및 LC 필터회로 등 전력 변환 회로를 구성하는 수동소자의 크기 및 가격은 상대적으로 증가하며, 주파수가 낮아질수록 가청 주파수대에 운전을 하므로 스위칭 소음이 발생하게 된다.
또한, 일반적으로 회생 에너지의 발생용량은 전동차의 정차빈도 등에 따라 크게 달라지므로 설치 장소에 따라 필요한 회생 에너지 시스템의 용량도 각각 다르다. 그러나, 단일 시스템으로 구성할 경우 용량이 고정되므로 설치될 장소에 따른 용량변화에 능동적인 대응이 어려움이 있다. 또한, 단일 시스템으로 구성할 경우 시스템에 장애발생시 시스템 전체의 작동이 멈추게 될 뿐 아니라 장애복구를 위해서는 시스템 유지 보수에도 많은 시간과 인력이 소요된다.
가선 전압에 비하여 상대적으로 낮은 정격 내압의 전력변환 모듈인 복수의 회생 컨버터 모듈을 이용하여 구성된 회생 에너지 전력변환장치를 제공한다.
일 측면에 따른 회생 에너지 전력변환장치는, 가선전압을 분배하도록 직렬 연결된 복수의 전압분배 유닛을 포함하는 전압 분배부와, 복수의 전압분배 유닛에 각각 연결되어 분배된 복수의 분배 전압에 대응하는 전력을 각각 회생 에너지로 변환하는 복수의 회생 컨버터 모듈을 각각 포함하는 하나 이상의 회생 컨버터 유닛을 포함한다.
전압 분배부의 복수의 전압분배 유닛 각각은, 전압분배 저항 및 전압분배 저항에 병렬 연결된 커패시터로 구성될 수 있다.
전압분배부에 포함되는 복수의 커패시터 각각의 커패시터 용량은, 각 회생 컨버터 모듈에서 변환시키는 회생 에너지 용량, 각 회생 컨버터 모듈에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간 및 각 커패시터의 전압 변동량을 이용하여 결정될 수 있다.
복수의 회생 컨버터 모듈은 각각 가선과 전력저장장치를 전기적으로 절연시키기 위하여 고주파 절연 변압 방식을 적용하여 구성된다.
복수의 회생 컨버터 모듈 각각은 입력단이 서로 직렬 연결되며, 출력단은 서로 병렬 연결되도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 회생 컨버터 유닛은 전압 분배부에 병렬 연결될 수 있다.
복수의 회생 컨버터 모듈 각각은, DC 입력 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC/AC 컨버터와, 입력 전압을 감지하는 입력 전압 검출부와, 입력 전류를 감지하는 입력 전류 검출부와, 감지된 입력 전압 및 감지된 입력 전류를 이용하여 DC/AC 컨버터에 대한 PWM 제어를 수행하여, 각 회생 컨버터 모듈의 입력 전압들 간의 불균형을 제어하는 제어부와, DC/AC 컨버터의 출력 전압을 배터리 충전 전압으로 변환하는 변압기와, 변압기의 출력 전압을 정류하여 배터리 충전을 위한 DC 전압으로 변환하는 정류기 및 변환된 DC 전압의 고주파 성분을 필터링하는 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 회생 에너지 전력 변환 장치에 따르면, 서로 직렬 연결되는 회생 컨버터 모듈을 이용하여 가선 전압에 비하여 상대적으로 낮은 정격 내압의 스위칭 소자들로 구성된 회생 에너지 전력변환장치를 제공할 수 있다.
즉, 각각의 복수의 컨버터 모듈에는 가선 전압이 분압된 낮은 전압이 입력되므로 범용적으로 널리 사용되는 낮은 정격내압을 갖는 스위칭 소자의 사용이 가능하여, 부품수급이 원활하고 가격 또한 저렴한 이점이 있다. 뿐만 아니라, 낮은 스위칭 소자 사용으로 인해 고속 스위칭(예를 들어, 약 20 ~ 50 [㎑])이 가능해지게 되면, 고주파 스위칭을 통해 변압기와 LC 필터를 구성하는 수동부품의 사이즈와 가격을 줄일 수 있다.
또한, 저압 스위칭 소자(예를 들어, 약 20 ~ 50 [kHz])는 고압 스위칭 소자(예를 들어, 500 ~ 2000 [kHz]에 비해 스위칭 손실이 줄어 들고, 이를 통해 스위칭 주파수를 상승시킬 수 있으므로, 가청 주파수대 운전 범위를 벗어나게 되어 스위칭 소음의 발생이 없다.
또한, 복수 개의 회생 컨버터 모듈을 직·병렬 구성하여 전력변환장치를 구성하므로, 일부 회생 컨버터 모듈에 장애가 발생하여도 해당 모듈의 단순교체만으로 조치가 가능하므로 신속한 장애복구가 가능할 뿐 아니라 원활한 유지보수가 가능하다. 특히, 운전 중 특정 회생 컨버터 모듈에 고장이 발생한 경우, 해당 회생 컨버터 모듈을 포함하는 회생 컨버터 유닛을 제외한 나머지 회생 컨버터 유닛을 통해 지속적인 회생 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 복수 개의 회생 컨버터 모듈을 직·병렬 구성하여 전력변환장치를 구성하므로, 입력되는 회생 에너지의 용량의 변화에도 유동적으로 회생 컨버터 모듈의 개수 및 구성을 조절하여 필요 용량에 따라 회생 에너지 전력변환장치의 구성을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생 에너지 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 회생 에너지 전력변환장치에 포함되는 회생 컨버터 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 회생 컨버터 모듈의 상세 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 회생 컨버터 모듈에 포함되는 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생 에너지 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
회생 에너지 전력변환장치(1)는 전원 차단 및 초기 충전부(10), 전압 분배부(20) 및 하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30) 및 단로기(40)를 포함한다. 전력변환된 회생 에너지는 에너지 저장소인 배터리 뱅크(50)로 저장된다.
전원 차단 및 초기 충전부(10)는 가선전압을 공급하는 가선(도시되지 않음)과 전압 분배부(20) 및 하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30) 사이의 접속을 연결 또는 차단한다. 전원 차단 및 초기 충전부(10)는 전동차의 제동시에 전동차의 제동 중 발생되는 전기에너지를 전압 분배부(20)를 통해 회생 컨버터 유닛(30)에 전달한다. 전원 차단 및 초기 충전부(10)는 단로기(11), MCCB(Mold Case Currect Breaker; 13) 및 초기 충전부(15)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 초기 충전부(15)는 충전의 온오프를 제어하는 충전 스위치(SW0) 및 충전 스위치(SW0)에 병렬 접속되는 초기 충전 저항(RO)를 포함하여 구성될 수 있다.
전압 분배부(20)는 가선전압을 분배하도록 복수의 전압분배 유닛(21, 22, 23, 24 및 25)을 포함한다. 도 1에서는 예시적으로 5개의 전압분배 유닛(21, 22, 23, 24 및 25)이 도시되어 있으나, 전압 분배부(20)에 포함되는 전압분배 유닛의 개수는 가선전압의 크기에 따라 회생 컨버터 유닛(31)과 같은 하나의 회생 컨버터 유닛에 포함되는 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 개수를 고려하여 결정될 수 있다.
전압 분배부(20)의 복수의 전압분배 유닛들(21, 22, 23, 24 및 25)은, 각 전압분배 저항(R1, R2, R3, R4 및 R5) 및 전압분배 저항(R1, R2, R3, R4 및 R5)에 각각 병렬 연결된 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)로 구성된다. 복수의 전압분배 유닛들(21, 22, 23, 24 및 25)에 의해 분배된 분배 전압의 합은 가선전압이 되도록 복수의 전압분배 유닛(21, 22, 23, 24 및 25)은 서로 직렬 연결되어 구성된다.
하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30)은 가선에서 발생한 회생 에너지를 배터리 뱅크(50)의 배터리 전압 및 전류 특성에 따라 전력 변환하여 배터리 뱅크(50)로 전달한다. 하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30)은 전압 분배부(20)의 출력에 병렬 연결된다. 도 1에서는 예시적으로 5개의 회생 컨버터 유닛(31, 32, 33, 34 및 35)이 도시되어 있으나, 하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30)의 개수는 가선(도시되지 않음)으로부터 공급되는 회생 에너지의 용량에 따라 결정된다.
하나 이상의 회생 컨버터 유닛(30)의 구성 및 동작에 대해서는 회생 컨버터 유닛(31)을 예를 들어 설명한다.
회생 컨버터 유닛(31)은, 전압 분배부(20)와 병렬 연결되어, 전압 분배부(20)에 의해 분배된 분배 전압을 각각 입력 전원으로 하는 회생 에너지로 변환하는 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)을 포함한다.
복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)은 전압 분배부(20)의 복수의 전압분배 유닛(21, 22, 23, 24 및 25)에 각각 병렬 연결되며, 출력단은 배터리 뱅크(50)측으로 서로 병렬 연결된다. 도 1에서는 예시적으로 5개의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)이 도시되어 있으나, 회생 컨버터 모듈의 개수는 가선전압의 크기에 따라 가변되어 결정될 수 있다.
또한, 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)은 각각 가선과 전력저장장치에 해당하는 배터리 뱅크(50)를 전기적으로 절연시키기 위하여 고주파 절연 변압기 방식을 적용하여 구성된다.
각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)은 전압 분배부(20)에 의해 분배된 전압을 입력으로 한다. 상세하게는, 전압 분배부(20)의 각각의 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5) 양단에 인가된 분배 전압을 입력으로 하여 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5) 개수와 동일한 개수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)이 병렬 구성된다.
이와 같이, 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500) 구성을 통해 낮은 입력 전압을 가지는 전력 변환 장치를 구성할 수 있으며, 낮은 입력 전압을 통해, 범용적으로 널리 사용되는 낮은 정격내압의 스위칭 소자를 사용하여 전력변환장치로 구성될 수 있다. 회생 컨버터 유닛에 포함되는 회생 컨버터 모듈의 입력이 직렬 연결되므로, 예를 들어, 1500 [V] ~ 2000 [V] 정도에 이르는 가선 전압 VIN은 전압 분배 유닛 및 회생 컨버터 모듈의 개수 N으로 분압되어, VIN/N로 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 인가된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 회생 컨버터 유닛(100)에 5개의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력이 직렬연결되고, 5개의 회생 컨버터 유닛(31, 32, 33, 34 및 35)이 병렬 연결된 경우를 가정한다. 이 경우, 입력 회생 전력량이 500 [kW]이고, 가선 전압의 변동량이 1500 ~ 2000 [Vdc]인 경우, 1개의 회생 컨버터 유닛에 100 [kW]이 입력되며, 입력 전압의 변동량은 1500 ~ 2000[Vdc]이 된다. 또한, 1개의 회생 컨버터 모듈의 용량은 20[kW]이며, 300~400 [Vdc]의 전압 변동량을 가지게 된다.
따라서, 입력 전압이 변경되면, 입력단이 직렬로 구성되는 회생 컨버터 모듈의 개수를 조정하면 되고, 입력 용량이 변경되면 해당 용량에 맞게 회생 컨버터 유닛의 개수를 조정하면 된다. 예를 들어, 입력 전압이 1500 ~ 2000 [Vdc] 인 경우, 300 ~ 400 [Vdc]의 입력 전압을 가지는 5개의 회생 컨버터 모듈을 이용할 수 있다. 추후 입력 전압이 800 ~ 1000 [Vdc]인 시스템에 적용시에는, 300 ~ 400 [Vdc]의 입력 전압을 가지는 3개의 회생 컨버터 모듈로 구성할 수 있다. 이와 같은 방법으로, 회생 컨버터 모듈의 개수를 상황에 따라 변경할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 회생 에너지 전력 변환 장치를 이용하면, 새로운 입력 전압 및 용량을 가지는 환경에서도 별도의 추가적인 회생 에너지 전력 변환 장치를 개발하지 않고도, 회생 컨버터 모듈의 개수 및 구성을 변경하여 새로운 환경에 최적화시킬 수 있다.
한편, 스위칭 소자에 요구되는 전압내압은 (VIN/N * 1.5) 이상이 된다. 국내 도시철도의 경우 가선전압은 최대 2000 [V]이므로 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 직렬구성 개수를 5단으로 할 경우 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 인가되는 입력전압은 최대 400 [V]이며, 스위칭 소자는 전압내압 600 [V] 이상이면 된다. Si 계열 전력반도체 중 범용적으로 가장 널리 사용되는 전력반도체 소자가 전압내압 600 [V]급 소자이다.
즉, 각각의 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에는 낮은 전압이 입력되므로 범용적으로 널리 사용되는 낮은 정격내압을 갖는 스위칭 소자의 사용이 가능하다. 범용적으로 널리 사용되는 낮은 전압의 스위칭 소자(전압내압 600 [V]급)의 경우 부품수급이 원활하고 가격 또한 저렴한 이점이 있다. 또한, 통상 3300[V] 스위칭 소자의 스위칭 주파수는 대략 1~4 [kHz] 정도로 낮은데 비하여, 600 [V]급 스위칭 소자의 경우 스위칭 손실 또한 상대적으로 낮아 스위칭 주파수를 20~50 [kHz]까지 높일 수 있으며, 이 경우 가청 주파수 범위를 벗어나게 되므로 소음 발생이 없다. 그리고 스위칭 주파수를 높임으로써, 도 2의 변압기(140)와 LC 필터(160, 170)를 구성하는 수동부품의 사이즈와 가격을 줄일 수 있다.
또한, 회생 에너지 전력변환장치(1)는 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500) 여러 개를 직·병렬 구성하여 이루어지므로, 일부 모듈에 장애가 발생하여도 해당 모듈의 교체만으로 조치가 가능하므로 신속한 장애복구가 가능할 뿐 아니라 원활한 유지보수가 가능하다.
도 2는 도 1의 회생 에너지 전력변환장치(1)에 포함되는 회생 컨버터 유닛(31)의 구성을 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이, 회생 컨버터 유닛(31)에는 복수의 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)이 포함될 수 있다. 이하에서는, 도 2를 참조하여 회생 컨버터 모듈(100)을 중심으로 설명한다.
회생 컨버터 모듈(100)은 제1 보호회로(110), 제어부(115), 입력 커패시터(120), DC/AC 컨버터(130), 변압기(140), 정류기(150), 인덕터(160) 및 커패시 터(170) 및 제2 보호회로(180)를 포함할 수 있다.
제1 보호회로(110)는 충전시 과전류 보호를 위한 회로이다.
제어부(115)는 DC/AC 컨버터(130)에 대한 PWM 제어를 통해 전압 분배부(20)의 복수의 전압 분배 유닛(21, 22, 23, 24 및 25)의 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 전압을 일정하게 유지할 수 있도록 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력 전압들 간의 불균형을 제어하여 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력 전압들을 일정하게 제어한다.
DC/AC 컨버터(130)는 DC 입력 전압을 AC 전압으로 변환한다. DC/AC 컨버터(130)는 DC 입력 전압을 Phase Shift Full Bridge 방식을 통해 AC로 변환할 수 있다.
변압기(140)는 DC/AC 컨버터(130)의 출력 전압을 배터리 충전 전압으로 변환한다. 예를 들어, 변압기(140)는 고주파 변압기로써 40 [kHz]의 스위칭 주파수를 가지며, 회생 컨버터 모듈(100)의 입력 300~400 [Vdc]의 전압을 배터리 충전 전압 588 ~ 815 [Vdc]로 변경할 수 있다. 변압기(140)는 각각 가선과 전력저장장치에 해당하는 배터리 뱅크(50)를 전기적으로 절연시키기 위하여 고주파 절연 변압 방식을 적용하여 구성된다.
정류기(150)는 다이오드 정류기로 구성되어 변압기(140)의 2차측에서 생성된 AC 전압을 정류하여 배터리 충전을 위한 DC 전압으로 변환할 수 있다.
인덕터(160) 및 커패시터(170)는 LC 필터로서, 40[kHz]의 고주파 스위칭 성분을 필터링하기 위한 로우 패스 필터로서 동작한다.
제2 보호회로(180)는 초기 돌입 전류로 인한 제품 손상을 방지하기 위한 회로이다.
도 3은 도 2의 회생 컨버터 모듈(100)의 상세 회로를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 회생 컨버터 모듈(100)의 제1 보호회로(110)는 퓨즈(101), 과전류 방지를 위한 저항(R11) 및 충전 개시를 위한 스위치(SW11)를 포함할 수 있다. 초기 가선 전압이 유입되게 되면 전압 분배부(20)의 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)당 300~400[Vdc]의 전압이 인가된다. 이때 회생 컨버터 모듈(100) 내부의 DC_Link인 입력 커패시터(120)의 초기 전압은 0[Vdc]이므로, 커패시터(C1) 및 이에 직렬 연결된 입력 커패시터(120)사이에는 300~400[Vdc]의 전위차가 발생된다. 이때 저항(R11)이 없는 경우, 충전이 시작되면 초기 과도한 돌입전류가 유입되게 되어 제품이 손상되므로, 이를 방지하기 위해 저항(R11)을 통해 수 ms동안 커패시터(C1)와 입력 커패시터(120) 사이의 전위차를 없앤 이후 스위치(SW11)을 접촉시켜 시스템이 안정적으로 동작하게 할 수 있다.
입력 전압 검출부(111)는 제1 보호회로(110)에 연결되어 입력 전압을 검출하여 제어부(115)로 출력하고, 입력 전류 검출부(112)는 제1 보호 회로(110)에 연결되어 입력 전류를 검출하여 제어부(115)로 출력한다.
제어부(115)는 입력 전압 검출부(111)에 의해 검출된 입력 전압 및 입력 전류 검출부(112)에 의해 검출된 입력 전류를 이용하여 DC/AC 컨버터(130)에 대한 PWM 제어를 수행한다.
상세하게는, 가선 전압을 N 단계로 전압분배 할 경우 각 단계를 구성하는 회생 컨버터 모듈들(100, 200, 300, 400 및 500)의 특성에 의해 각각의 입력 전압에 불균형이 발생할 수 있다. 특히, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 포함되는 제어부(115)를 포함한 각 제어부의 동작 특성 차이에 의해 각각의 입력 전압에 불균형이 발생할 수 있다. 예를 들어, 회생 컨버터를 제어하는 제어부(115)에서의 샘플링 주기 만큼의 지연 시간으로 인해 전압 분배부(20)의 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 전압에 불균형이 발생할 수 있다.
이러한 불균형의 정도가 심해져 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력 제어범위를 초과할 경우 고장의 원인이 된다. 이를 방지하기 위하여, 제어부(115)는 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력전압의 균형을 유지하기 위한 제어(Voltage Unbalancing Control)을 수행할 수 있다.
이를 위해, 제어부(115)는 입력 전압 검출부(111) 및 입력 전류의 검출부(112)를 통해 검출된 입력 전압 및 입력 전류의 검출 값과, 제어하고자 하는 입력 전압 지령치 및 입력 전류 지령치를 각각 비교하여 입력 전력 용량 및 입력 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(115)는 회생 컨버터 모듈(100)의 입력전압(Vin)이 제어부(115)의 동작설정전압보다 클 경우, 전압 불균형을 해소하기 위해 PWM 신호를 조정으로써 입력 커패시터(120)의 전압을 조절함으로써, 결과적으로 커패시터(C1)의 전압을 조절할 수 있다.
입력 커패시터(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 커패시터가 병렬 연결되어 DC_링크로 동작할 수 있다.
DC/AC 컨버터(130)는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 스택으로 구성될 수 있다.
변압기(140)의 입력단은 DC/AC 컨버터(130)의 출력에 연결되며, 변압기(140)의 출력은 다이오드 정류기(150)로 전달된다. 변압기(140)는 각각 가선과 전력저장장치에 해당하는 배터리 뱅크(50)를 전기적으로 절연시키기 위하여 고주파 절연 변압기 방식을 적용하여 구성된다.
다이오드 정류기(150)는 상단의 4개의 다이오드로 구성된 제1 다이오드 정류기 및 하단의 4개의 다이오드로 구성된 제2 다이오드 정류기로 구성될 수 있다. 제1 다이오드 정류기의 출력은 제1 LC 필터(L1, C21)에 의해 필터링되며, 제2 다이오드 정류기의 출력은 제2 LC 필터(L2, C22)에 의해 필터링되고, 커패시터(C21) 및 커패시터(C22)의 출력 전압이 합해져서 배터리 충전 전압으로 출력된다.
제2 보호회로(180)는 저항(R12) 및 스위치(SW12)가 병렬연결되어 구성될 수 있다. 예를 들어, 초기 배터리 전압이 588 ~ 700 [Vdc]로 충전된 상태에서 배터리(50)가 회생 에너지 모듈(100)과 접촉되는 경우 필터용 커패시터(170)에 초기 돌입 전류가 발생하게 되어 제품이 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 저항(R12)을 통해 수 ms동안 배터리와 커패시터(170)의 전위차를 없앤 이후 충전되도록 하여 시스템이 안정적으로 동작하도록 한다.
배터리 전압 검출부(191)는 배터리 전압을 검출하여 제어부(115)로 출력하고, 출력 전압 검출부(192)는 출력 전압을 검출하여 제어부(115)로 출력하고, 출력 전류 검출부(193)는 출력 전류를 검출하여 제어부(115)로 출력한다. 제어부(115)는 검출된 배터리 전압, 출력 전압 및 출력 전류를 이용하여 충전 상황을 모니터링한다.
도 4는 도 3의 회생 컨버터 모듈(100)에 포함되는 제어부(115)의 구성을 나타내는 도면이다.
제어부(115)는 제1 차분기(401), 제1 비례 적분 제어기(403), 제2 차분기(405), 제2 비례 적분 제어기(407) 및 PWM 발생기(409)를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 차분기(401)는 입력 전압 지령치(Vin_ref)와 도 3의 입력 전압 검출부(112)에 의해 감지된 입력 전압(Vin) 사이의 차분 오차를 생성한다. 입력 전압 지령치(Vin _ ref)는 상위 제어기(도시되지 않음)으로부터 입력되거나 제어부(115)에 미리 설정될 수 있다.
제1 비례 적분 제어기(403)는 입력 전압 지령치(Vin_ref)와 입력 전압(Vin) 사이의 오차를 최소화하도록 비례적 적분 연산을 수행하여 입력 전류 지령치(Iin _ ref)를 출력한다.
제2 차분기(405)는 입력 전류 지령치(Iin_ref)와 입력 전류 검출부(112)에 의해 감지된 입력 전류(Iin) 사이의 차분 오차를 생성한다.
제2 비례 적분 제어기(407)는 감지된 입력 전류(Iin) 사이의 차분 오차를 최소화하도록 비례적 적분 연산을 수행한다. 제2 비례 적분 제어기(407)의 출력은 전압에 대한 전압 기준치(Vdc _ ref)로 출력하여 PWM 발생기(409)로 입력된다.
PWM 발생기(409)는, 전압 기준치(Vdc _ ref) 및 반송파(또는 삼각파)를 비교하여 PWM 신호의 듀티를 결정하고, 듀티에 따른 PWM 신호를 발생할 수 있다. PWM 신호 발생기(409)는 전압지령치(Vdc _ ref) 및 반송파의 비교 결과, 전압 기준치(Vdc _ ref)가 반송파보다 크면 하이 레벨의 신호를 출력하고, 전압 기준치(Vdc _ ref)가 반송파보다 작으면 로우 레벨의 신호를 출력할 수 있다.
한편, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 입력 전압의 균형의 유지를 고려하여 전압 분배부(20)의 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)를 구성할 필요가 있다. 상세하게는, 전압 분배부(20)의 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 용량은 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)의 회생 에너지 용량, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간 및 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 전압 변동량을 이용하여 결정될 수 있다.
여기에서, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간은 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)별 제어부의 제어 샘플링 주기에 따른다. 예를 들어, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)별 제어부의 제어 샘플링 주기가 1 [msec]인 경우, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간은 최대 1 [msec]일 수 있다.
이하에서는, 도 1을 참조하여, 전압 분배부(20)의 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 용량 산출 방법을 예를 들어 설명한다. 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)별 전동차의 회생 에너지량이 100 [kW]이고, 각 회생 컨버터 모듈(100, 200, 300, 400 및 500)에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간이 1 [msec]이고, 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 전압 변동량이 10 [V]인 경우를 가정하면, 각 회생 컨버터 모듈(100)당 회생 에너지 전력 변환량은 <회생 컨버터 모듈(100)에서 변환시키는 회생 에너지 용량 20 [kW] * 제어부(115)의 샘플링 주기에 의한 지연시간(1 msec)> 으로, 회생 컨버터 모듈(100)의 회생 에너지량은 20 [J]이 된다.
각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 용량은 수학식 1 및 2에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112015024136792-pat00001
이므로,
Figure 112015024136792-pat00002
이 된다.
수학식 2에 따르면, 위의 조건일 때 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)는 최소 400 [uF]이상의 용량으로 구성해야 한다. 또한, 각 제어부의 샘플링 주기가 1 [msec]보다 더 늦어 질수록 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 용량은 더 커져야 하며, 전압의 변동량이 작게 유지할수록 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 용량이 커져야 한다. 따라서, 각 커패시터(C1, C2, C3, C4 및 C5)의 최적 용량을 산정하기 위해서는 1차적으로 각 제어부의 샘플링 주기를 빠르게 제어할 수 있어야 한다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
1: 회생 에너지 전력변환장치 10: 충전 스위칭부
20: 전압 분배부 31: 회생 컨버터 유닛 1
32: 회생 컨버터 유닛 2 33: 회생 컨버터 유닛 3
34: 회생 컨버터 유닛 4 35: 회생 컨버터 유닛 5
100: 회생 컨버터 모듈 110: 제1 보호회로
115: 제어부 120: 입력 커패시터
130: DC/AC 컨버터 140: 변압기
150: 정류기 160: 인덕터
170: 커패시터 180: 제2 보호회로

Claims (7)

  1. 회생 에너지를 회수하여 전력저장장치에 저장하는 회생 에너지 전력변환장치에 있어서,
    가선전압을 분배하도록 직렬 연결된 복수의 전압분배 유닛을 포함하는 전압 분배부;
    복수의 전압분배 유닛에 각각 연결되어, 분배된 복수의 분배 전압에 대응하는 전력을 각각 회생 에너지로 변환하는 복수의 회생 컨버터 모듈을 각각 포함하는 하나 이상의 회생 컨버터 유닛; 및
    가선전압을 공급하는 가선과 상기 전압 분배부 및 상기 하나 이상의 회생 컨버터 유닛 사이의 접속을 연결 또는 차단하는 전원 차단 및 초기 충전부를 포함하고,
    상기 전압 분배부의 복수의 전압분배 유닛 각각은, 전압분배 저항 및 상기 전압분배 저항에 병렬 연결된 커패시터로 구성되고,
    상기 하나 이상의 회생 컨버터 유닛은 상기 전압 분배부에 병렬 연결되고,
    상기 회생 컨버터 모듈의 개수는 상기 가선전압에 따라 조정되되 상기 전압 분배부의 커패시터와 동일한 개수를 가지며, 상기 회생 컨버터 유닛의 개수는 회생 에너지의 용량에 따라 조정되도록 구성하여, 상기 복수의 회생 컨버터 모듈 각각에 인가되는 입력전압을 낮춤으로써 낮은 정격내압을 갖는 Si 계열의 전력반도체 스위칭 소자의 사용이 가능토록 하고,
    상기 복수의 회생 컨버터 모듈 각각은 입력단이 서로 직렬 연결되며, 출력단은 서로 병렬 연결되도록 구성되고,
    상기 복수의 회생 컨버터 모듈 각각은,
    DC 입력 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC/AC 컨버터;
    입력 전압을 감지하는 입력 전압 검출부;
    입력 전류를 감지하는 입력 전류 검출부;
    감지된 입력 전압 및 감지된 입력 전류를 이용하여 DC/AC 컨버터에 대한 PWM 제어를 수행하여, 각 회생 컨버터 모듈의 입력 전압들 간의 불균형을 제어하는 제어부;
    DC/AC 컨버터의 출력 전압을 배터리 충전 전압으로 변환하는 변압기;
    변압기의 출력 전압을 정류하여 배터리 충전을 위한 DC 전압으로 변환하는 정류기; 및
    변환된 DC 전압의 고주파 성분을 필터링하는 필터를 포함하며,
    상기 복수의 회생 컨버터 모듈의 제어부는,
    입력 전압 지령치와 상기 입력 전압 검출부에 의해 감지된 입력 전압 사이의 차분 오차를 생성하는 제1 차분기;
    상기 입력 전압 지령치와 입력 전압 사이의 오차를 최소화하도록 비례적 적분 연산을 수행하여 입력 전류 지령치를 출력하는 제1 비례 적분 제어기;
    입력 전류 지령치와 상기 입력 전류 검출부에 의해 감지된 입력 전류 사이의 차분 오차를 생성하는 제2 차분기;
    입력 전류 지령치와 상기 입력 전류 검출부에 의해 감지된 입력 전류 사이의 차분 오차를 최소화하도록 비례적 적분 연산을 수행하는 제2 비례 적분 제어기; 및
    상기 제2 비례 적분 제어기로부터 출력된 전압 기준치 및 반송파를 비교하여 PWM 신호의 듀티를 결정하고, 듀티에 따른 PWM 신호를 발생하는 PWM 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 회생 에너지 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압분배부에 포함되는 복수의 커패시터 각각의 커패시터 용량은, 각 회생 컨버터 모듈에서 변환시키는 회생 에너지 용량, 각 회생 컨버터 모듈에 포함되는 제어부의 샘플링 주기의 지연 시간 및 각 커패시터의 전압 변동량을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 회생 에너지 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회생 컨버터 모듈은 각각 가선과 전력저장장치를 전기적으로 절연시키기 위하여 고주파 절연 변압 방식을 적용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 회생 에너지 전력변환장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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