KR102288874B1 - 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법 - Google Patents

철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치에 관한 것으로, 복수의 입력커패시터와 하나의 출력커패시터를 포함하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치에 있어서, 상기 출력커패시터에만 병렬로 연결되는 방전장치; 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 상기 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 따라, 상기 철도차량 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터의 반도체소자를 스위칭 제어하여, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 제어부;를 포함한다.

Description

철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법{DISCHARGE CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR HIGH VOLTAGE CAPACITORS OF SEMICONDUCTOR TRANSFORMER USED IN TRAIN}
본 발명은 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 입력커패시터와 하나의 출력커패시터를 구비하는 철도차량 반도체변압기에 있어서, 출력커패시터에만 방전장치를 구비하여 출력커패시터 뿐만 아니라 입력커패시터의 방전까지 수행할 수 있도록 하는, 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량은 교류가선 운전을 위해서 대용량 변압기가 사용된다.
이때 상기 철도차량에서 통상적으로 사용되는 변압기는 유압식으로 교류가선의 60Hz/25kV를 60Hz/1-2kV로 변환하는 역할을 수행한다.
그런데 최근 철도차량의 고효율화와 경량화를 위해서 유압식/저주파변압기를 대신하여 반도체/고주파변압기로 구성된 반도체변압기를 적용하려는 연구가 진행되고 있다. 이때 상기 반도체변압기는 다수의 반도체소자, 다수의 고주파변압기, 및 다수의 커패시터로 구성되며, 기존 철도차량의 유압식/저주파변압기와 컨버터부를 대체하여 사용된다.
한편 철도차량에 사용되는 전력변환장치(예 : 변압기)는 동작이 멈추었을 경우, 장치 내 고압이 인가된 커패시터(즉, 고압커패시터)를 방전하는 기능이 필수적이다. 이때 고압커패시터 방전을 위해서는 방전저항을 커패시터에 병렬로 연결하는 방법이 가장 일반적인 방법이나, 상시 방전저항에서 손실이 발생함에 따라 방전용량을 작게 설정하기 때문에 실제 전력변환장치가 동작을 멈추었을 경우 방전되는 속도가 현저하게 느리다는 단점이 있다.
이에 따라 고압커패시터의 단시간 방전을 위해서 반도체소자와 직렬로 연결된 방전용량이 큰 저항을 커패시터에 병렬로 연결하는 방법이 사용된다(도 1 참조). 도 1은 종래의 고압커패시터 방전장치를 예시적으로 보인 회로도이다.
상술한 바와 같이 상기 반도체변압기는 다수의 반도체소자, 다수의 고주파변압기, 및 다수의 고압커패시터를 포함하며, 따라서 반도체변압기가 정지하였을 경우 고압커패시터에 인가되어 있는 전압을 단시간에 저전압으로 낮춰야 한다. 이에 따라 통상적으로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 고압커패시터의 단시간 방전을 위해서 반도체소자에 직렬로 연결된 방전용량이 큰 방전저항을 고압커패시터에 병렬로 연결하는 방전장치가 사용된다.
그런데 도 2에 도시된 바와 같이, 철도차량에 일반적으로 적용된 반도체변압기에서 기존에 고압커패시터의 방전을 위해서는, 셀 당 2곳(예 : 입력측 컨버터의 고압커패시터, 출력측 컨버터의 고압커패시터)에 방전장치가 연결되어야 하며, 상기 반도체변압기는 다수의 셀을 갖는 만큼 방전장치의 개수도 셀의 개수에 비례하여 증가하게 된다. 참고로 도 2에는 2개의 셀로 구성된 반도체 변압기가 도시되어 있으나, 더 많은 셀로 구성될 수 있다.
또한 상기 방전장치를 사용하는 것은 반도체소자와 방전저항만이 추가되는 것이 아니라, 하나의 방전장치 당 반도체소자 구동을 위한 게이트드라이버 회로 및 이를 제어하기 위한 제어 배선 등이 포함되어야 하기 때문에 반도체변압기의 복잡도가 증가할 뿐만 아니라 크기, 무게, 및 단가를 상승시킨다.
상기와 같이 철도차량의 반도체변압기는 다수의 고압커패시터를 포함하고 있기 때문에 만약 모든 커패시터에 단시간 방전을 위한 방전장치(즉, 반도체소자에 방전저항이 직렬로 연결된 방전장치)를 연결하는 것은 반도체변압기의 크기, 무게, 및 단가를 상승시키는 문제점이 있다.
따라서 방전장치에 포함되는 방전저항의 개수를 최소화시키면서 반도체변압기 내 모든 고압커패시터를 방전시키기 위한 기술이 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2006-0050621호(2006.05.19. 공개, 콘덴서 충전 장치, 그를 위한 반도체 집적 회로, 및 콘덴서충방전 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 복수의 입력커패시터와 하나의 출력커패시터를 구비하는 철도차량 반도체변압기에 있어서, 출력커패시터에만 방전장치를 구비하여 출력커패시터 뿐만 아니라 입력커패시터의 방전까지 수행할 수 있도록 하는, 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치는, 복수의 입력커패시터와 하나의 출력커패시터를 포함하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치에 있어서, 상기 출력커패시터에만 병렬로 연결되는 방전장치; 및 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 상기 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 따라, 상기 철도차량 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터의 반도체소자를 스위칭 제어하여, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 1에 기초하여, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 의해 전달되는 전력(P)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure 112019123609005-pat00001
여기서, Vin, 및 Vout은 입출력전압의 크기, DΦ은 입출력컨버터간 출력전압의 위상차이, L은 변압기 누설인덕턴스, n은 변압기턴비, fs는 주파수(fs)이다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하는 PI제어기; 상기 전체지령전력을 셀 개수로 나누어 하나의 셀지령전력을 계산하는 셀지령전력 산출부; 및 상기 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)를 최종 산출하는 위상차이 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 3에 기초하여 출력커패시터방전지령전압을 산출하며,
(수학식 3)
Figure 112019123609005-pat00002
여기서 Vout,t=0은 출력커패시터의 초기전압, Vin,t=0은 입력커패시터의 초기전압, Vin은 입력커패시터전압인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 출력커패시터전압(Vout)을 요구되는 전압(VR)까지 요구되는 시간(tR)에 방전하기 위해서 아래의 수학식 6에 기초하여 상기 방전장치의 방전저항(R) 값을 결정하되,
(수학식 6)
Figure 112019123609005-pat00003
여기서 Ct는 모든 입력커패시터(Cin)와 출력커패시터(Cout)에 저장된 에너지로부터 계산된 전체 에너지 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법은, 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법에 있어서, 철도차량 반도체변압기가 정지될 경우, 제어부가 방전장치의 전력반도체소자를 스위칭 온시키는 단계; 상기 제어부가 현재의 입력커패시터전압과 출력커패시터전압을 측정하고, 이를 바탕으로 출력커패시터방전지령전압을 실시간으로 자동 선정하는 단계; 및 상기 제어부가 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야 하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 지정된 방식에 따라 계산된 위상차이(DΦ)에 따라 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터의 반도체소자를 스위칭 제어하여 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계 이후, 상기 제어부가 상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아질 때까지, 상기 출력커패시터방전지령전압을 실시간으로 자동 선정하는 단계 내지 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계를 반복 수행하는 단계; 및 상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아지면, 상기 제어부가 방전장치의 전력반도체소자를 스위치 오프시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 1에 기초하여, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 의해 전달되는 전력(P)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure 112019123609005-pat00004
여기서, Vin, 및 Vout은 입출력전압의 크기, DΦ은 입출력컨버터간 출력전압의 위상차이, L은 변압기 누설인덕턴스, n은 변압기턴비, fs는 주파수(fs)이다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하는 PI제어기; 상기 전체지령전력을 셀 개수로 나누어 하나의 셀지령전력을 계산하는 셀지령전력 산출부; 및 상기 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)를 최종 산출하는 위상차이 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 3에 기초하여 출력커패시터방전지령전압을 산출하며,
(수학식 3)
Figure 112019123609005-pat00005
여기서 Vout,t=0은 출력커패시터의 초기전압, Vin,t=0은 입력커패시터의 초기전압, Vin은 입력커패시터전압인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서, 상기 제어부는, 출력커패시터전압(Vout)을 요구되는 전압(VR)까지 요구되는 시간(tR)에 방전하기 위해서 아래의 수학식 6에 기초하여 상기 방전장치의 방전저항(R) 값을 결정하되,
(수학식 6)
Figure 112019123609005-pat00006
여기서 Ct는 모든 입력커패시터(Cin)와 출력커패시터(Cout)에 저장된 에너지로부터 계산된 전체 에너지 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 다수의 입력커패시터와 1개의 출력커패시터를 구비하는 철도차량 반도체변압기에 있어서, 출력커패시터에만 방전장치를 구비하여 출력커패시터 뿐만 아니라 입력커패시터의 방전까지 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 고압커패시터 방전장치를 예시적으로 보인 회로도.
도 2는 종래의 철도차량에 적용된 반도체변압기를 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 철도차량 반도체변압기의 입력측 컨버터와 출력측 컨버터의 출력전압과 출력전류 파형을 보인 예시도.
도 5는 상기 도 3에 있어서, 두 컨버터의 위상차이를 발생시키기 위한 위상제어를 수행하는 제어부의 구성을 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전장치용 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 7은 상기 도 3에 있어서, 본 실시예에 따라 출력커패시터 전압을 조정하는 경우의 입력측 컨버터 전류의 변화 그래프를 보인 예시도.
도 8은 상기 도 7과 대비하여, 본 실시예에 따른 방전 제어를 수행하지 않았을 경우의 입력측 컨버터 전류의 변화 그래프를 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
본 실시예에 따른 철도차량 반도체변압기에서 존재하는 고압커패시터는 다수의 입력커패시터와 1개의 출력커패시터(즉, 직렬 연결된 복수의 출력커패시터는 하나의 출력커패시터로 간주됨)를 포함하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 출력커패시터에만 방전장치(100)가 연결되며, 상기 방전장치(100)를 통해 출력커패시터 뿐만 아니라 입력커패시터의 방전을 수행한다.
이때 설명이 생략된 제어부(200)의 동작은 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 철도차량 반도체변압기의 입력측 컨버터와 출력측 컨버터의 출력전압과 출력전류 파형을 보인 예시도로서, 상기 입력커패시터에 저장된 에너지는 입력측 컨버터와 변압기를 통해서 출력커패시터로 전달되는데, 이때 입력측 컨버터와 출력측 컨버터는, 도 4에 도시된 바와 같이 동작하며, 상기 두 컨버터(즉, 입력측 컨버터, 출력측 컨버터)의 출력전압의 위상차이에 의해서 변압기에 전류가 생성되고 전력을 전달한다.
도 4의 (a),(b)에 도시된 그래프에서 변압기 입력전압과 변압기 출력전압 간의 위상차이에 의해 전달되는 전력은, 아래의 수학식 1과 같이 계산되며, 입출력전압의 크기(Vin, Vout), 입출력컨버터간 출력전압의 위상차이(DΦ), 변압기 누설인덕턴스(L), 변압기턴비(n), 입출력컨버터간 스위칭 주파수(fs)에 의해서 결정된다.
상기 변압기턴비(n)에 의해서는 전압 레벨 차이가 발생한다.
Figure 112019123609005-pat00007
한편 도 3에 도시된 방전장치(100)의 방전스위치(즉, 방전반도체소자)가 동작되면 출력커패시터의 전압은 시간이 흐름에 따라 방전이 되지만, 입력커패시터의 전압은 그대로 유지된다.
따라서 입력커패시터도 함께 방전시키기 위해서는 두 컨버터 동작의 제어를 통한 전력전달이 필요하다. 즉, 상기 두 컨버터(즉, 입력측 컨버터, 출력측 컨버터)의 출력전압의 위상차이에 의해서 변압기에 전류가 생성되게 하여, 상기 입력커패시터에 저장된 에너지를 입력측 컨버터와 변압기를 통해서 출력커패시터로 전달시켜야 한다. 이때 전달되는 전력은 수학식 1과 같이 위상차이(DΦ)에 의해서 결정된다. 상기 제어부(200)는 상기 위상차이(DΦ)가 발생하도록 하기 위하여, 상기 두 컨버터(즉, 입력측 컨버터, 출력측 컨버터)의 반도체소자를 스위칭하여 위상제어를 수행한다.
도 5는 상기 도 3에 있어서, 두 컨버터의 위상차이를 발생시키기 위한 위상제어를 수행하는 제어부의 구성을 보인 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(200)는 PI(Proportional Integral) 제어기(210), 셀지령전력 산출부(220), 및 위상차이 산출부(230)를 포함한다.
상기 제어부(200)는 출력커패시터전압(Vout)만을 제어하며, 상기 PI제어기(210)가 "출력커패시터방전지령전압"과 "출력커패시터전압(Vout)" 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하여 출력하고, 상기 셀지령전력 산출부(220)가 상기 전체지령전력을 셀 개수로 나누어 하나의 셀지령전력을 계산하여 출력하며, 상기 위상차이 산출부(230)가 상기 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)를 최종 산출한다.
상기 제어부(200)는 상기 최종 산출한 위상차이(DΦ)에 따라 상기 두 컨버터(즉, 입력측 컨버터, 출력측 컨버터)의 반도체소자를 스위칭 제어하는 것이다.
이때 상기 출력커패시터에 병렬 연결된 방전저항(R)에 의해서 방전되는 순시전력(P)은 아래의 수학식 2와 같이 결정된다.
Figure 112019123609005-pat00008
이때 출력커패시터 전압이 일정하려면 방전저항에서 소모되는 전력만큼 입력커패시터로부터 일정한 전력이 공급되어야 한다.
이에 따라 전력공급 시간이 증가함에 따라 입력커패시터의 전압은 낮아지게 되며, 동일한 전력공급을 위해서 입력측 컨버터에 흐르는 전류가 증가하게 되고, 전압이 매우 작아지면 전류가 무한대로 증가할 수 있다. 하지만, 입력측 컨버터에 사용되는 반도체소자는 정격전류 이상으로 동작시킬 수 없기 때문에 전류가 무한대로 증가하는 것을 방지하기 위하여 출력커패시터 전압을 적절하게 제어해야 한다.
따라서 본 실시예에서는 컨버터에 사용되는 반도체소자의 과전류를 방지하기 위해서 수학식 3과 같이 “출력커패시터방전지령전압”을 적용한다.
Figure 112019123609005-pat00009
여기서 Vout,t=0은 출력커패시터의 초기전압, Vin,t=0은 입력커패시터의 초기전압, Vin은 입력커패시터전압이다.
상기 수학식 3과 같이, 상기 “출력커패시터방전지령전압”은 입력커패시터전압(Vin)이 감소되는 비율만큼 같이 감소하게 된다.
이때 출력커패시터전압(Vout)은 수학식 4와 같이 시간에 따라 변하게 되며, R은 방전저항값, Ct는 수학식 5와 같이 모든 입력커패시터(Cin)와 출력커패시터(Cout)에 저장된 에너지로부터 계산된 전체 에너지 값이다.
Figure 112019123609005-pat00010
Figure 112019123609005-pat00011
본 실시예에 따른 방법을 통해 출력커패시터전압(Vout)을 요구되는 전압(VR)까지 요구되는 시간(tR)에 방전하기 위해서는 적절한 방전저항 값을 결정해야 하는데, 상기 방전저항 값은 수학식 4로부터 아래의 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019123609005-pat00012
이때 상기 입력커패시터전압(Vin)과 출력커패시터전압(Vout)은 상기 수학식 3의 비율로 변화하기 때문에 입력커패시터전압(Vin) 기준으로 요구되는 전압 설정이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전장치용 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 철도차량 반도체변압기가 정지될 경우(S101), 제어부(200)는 방전을 위한 방전장치의 전력반도체소자를 단락(즉, 스위칭 온)시킨다(S102).
그리고 상기 제어부(200)는 현재의 입력커패시터전압과 출력커패시터전압을 측정하고(S103), 상기 수학식 3에 따라 출력커패시터방전지령전압이 실시간으로 자동 선정된다(S104).
상기 제어부(200)는 "출력커패시터방전지령전압"과 "출력커패시터전압(Vout)" 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 상기 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)에 따라 상기 두 컨버터(즉, 입력측 컨버터, 출력측 컨버터)의 반도체소자를 스위칭 제어함으로써, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시한다(S105).
또한 상기 제어부(200)는 상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아질 때까지(S106), 상기 S103 단계 내지 S106 단계를 반복해서 수행하며, 상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아지면, 상기 제어부(200)는 방전장치(100)의 전력반도체소자를 개방(즉, 스위치 오프)시킨다(S107).
도 7은 상기 도 3에 있어서, 본 실시예에 따라 출력커패시터 전압을 조정하는 경우의 입력측 컨버터 전류의 변화 그래프를 보인 예시도로서, 도 7의 (d)와 같이, 상기 수학식 3에 기초하여 출력커패시터전압을 조정하면서 방전을 수행할 경우, 전류가 증가되지 않고, 각 모듈(즉, 셀)의 입력커패시터전압이 서서히 감소함에 따라 입력측 컨버터전류도 서서히 감소되는 것을 알 수 있다.
도 8은 상기 도 7과 대비하여, 본 실시예에 따른 방전 제어를 수행하지 않았을 경우의 입력측 컨버터 전류의 변화 그래프를 보인 예시도로서, 도 8의 (d)와 같이, 출력커패시터 전압을 조정하지 않고 일정하게 유지하면서 방전을 수행했을 경우, 각 모듈(즉, 셀)의 입력커패시터전압이 감소함에 따라 입력측 컨버터전류가 점차 증가하는 문제점이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
100 : 방전장치 200 : 제어부
210 : PI 제어기 220 : 셀지령전력 산출부
230 : 위상차이 산출부

Claims (11)

  1. 복수의 입력커패시터와 하나의 출력커패시터를 포함하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치에 있어서,
    상기 출력커패시터에만 병렬로 연결되는 방전장치; 및
    출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 상기 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 따라, 상기 철도차량 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터의 반도체소자를 스위칭 제어하여, 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하는 PI제어기;
    상기 전체지령전력을 셀 개수로 나누어 하나의 셀지령전력을 계산하는 셀지령전력 산출부; 및
    아래의 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)를 최종 산출하는 위상차이 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치.
    (수학식 1)
    Figure 112021028441343-pat00027

    여기서, Vin, 및 Vout 은 입출력전압의 크기, DΦ은 입출력컨버터간 출력전압의 위상차이, L은 변압기 누설인덕턴스, n은 변압기턴비, fs는 입출력컨버터간 스위칭 주파수(fs)이다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수학식 1에 기초하여, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 의해 전달되는 전력(P)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    아래의 수학식 3에 기초하여 출력커패시터방전지령전압을 산출하며,
    (수학식 3)
    Figure 112019123609005-pat00014

    여기서 Vout,t=0은 출력커패시터의 초기전압, Vin,t=0은 입력커패시터의 초기전압, Vin은 입력커패시터전압인 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    출력커패시터전압(Vout)을 요구되는 전압(VR)까지 요구되는 시간(tR)에 방전하기 위해서 아래의 수학식 6에 기초하여 상기 방전장치의 방전저항(R) 값을 결정하되,
    (수학식 6)
    Figure 112019123609005-pat00015

    여기서 Ct는 모든 입력커패시터(Cin)와 출력커패시터(Cout)에 저장된 에너지로부터 계산된 전체 에너지 값인 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어장치.
  6. 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법에 있어서,
    철도차량 반도체변압기가 정지될 경우, 제어부가 방전장치의 전력반도체소자를 스위칭 온시키는 단계;
    상기 제어부가 현재의 입력커패시터전압과 출력커패시터전압을 측정하고, 이를 바탕으로 출력커패시터방전지령전압을 실시간으로 자동 선정하는 단계; 및
    상기 제어부가 출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야 하는 전체지령전력을 산출하고, 상기 전체지령전력에서 하나의 셀지령전력을 계산하며, 지정된 방식에 따라 계산된 위상차이(DΦ)에 따라 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터의 반도체소자를 스위칭 제어하여 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    출력커패시터방전지령전압과 출력커패시터전압(Vout) 간의 차이를 바탕으로 입력커패시터에서 전달되어야하는 전체지령전력을 산출하는 PI제어기;
    상기 전체지령전력을 셀 개수로 나누어 하나의 셀지령전력을 계산하는 셀지령전력 산출부; 및
    아래의 수학식 1을 이용하여 계산된 위상차이(DΦ)를 최종 산출하는 위상차이 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법.
    (수학식 1)
    Figure 112021028441343-pat00028

    여기서, Vin, 및 Vout 은 입출력전압의 크기, DΦ은 입출력컨버터간 출력전압의 위상차이, L은 변압기 누설인덕턴스, n은 변압기턴비, fs는 입출력컨버터간 스위칭 주파수(fs)이다.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계 이후,
    상기 제어부가 상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아질 때까지, 상기 출력커패시터방전지령전압을 실시간으로 자동 선정하는 단계 내지 상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계를 반복 수행하는 단계; 및
    상기 출력커패시터전압(Vout)이 지정된 목표전압(VL)보다 작아지면, 상기 제어부가 방전장치의 전력반도체소자를 스위치 오프시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서,
    상기 제어부는,
    상기 수학식 1에 기초하여, 상기 반도체변압기의 입력측 컨버터 및 출력측 컨버터 간의 출력전압의 위상차이(DΦ)에 의해 전달되는 전력(P)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법.
  9. 삭제
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서,
    상기 제어부는,
    아래의 수학식 3에 기초하여 출력커패시터방전지령전압을 산출하며,
    (수학식 3)
    Figure 112019123609005-pat00017

    여기서 Vout,t=0은 출력커패시터의 초기전압, Vin,t=0은 입력커패시터의 초기전압, Vin은 입력커패시터전압인 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 위상차이(DΦ)에 의한 방전 제어를 실시하는 단계에서,
    상기 제어부는,
    출력커패시터전압(Vout)을 요구되는 전압(VR)까지 요구되는 시간(tR)에 방전하기 위해서 아래의 수학식 6에 기초하여 상기 방전장치의 방전저항(R) 값을 결정하되,
    (수학식 6)
    Figure 112019123609005-pat00018

    여기서 Ct는 모든 입력커패시터(Cin)와 출력커패시터(Cout)에 저장된 에너지로부터 계산된 전체 에너지 값인 것을 특징으로 하는 철도차량 반도체변압기의 고압커패시터의 방전 제어방법.
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