KR20050100237A - A electric power regeneration apparatus that equipped a active power filter in electric train - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비교적 저주파수의 인버터를 직류급전선로에 서로 병렬로 연결하고 송전 선로에 고압 변압기를 연결하여 인버터의 스위칭 로스에 따른 전력소모를 크게 하지 않고서도 실제 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 보다 정현파에 가까운 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 그 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치를 제공한다.The present invention can increase the frequency of the actual transformer output without increasing the power consumption due to the switching loss of the inverter by connecting the inverter of comparatively low frequency to the DC feeder line in parallel and connecting the high voltage transformer to the transmission line, The present invention also provides an electric power regenerating apparatus for an electric vehicle system having an active power filter function capable of improving the control performance of an electric power filter function by obtaining an AC waveform close to that of an AC power source.
이는 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수를 갖는 AC전원으로 출력하기 위한 제1, 제2 인버터; 상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스를 구비함에 의해 달성될 수 있다.Which is connected in parallel to the DC feeder line of a train and outputs DC power from the DC feeder line of the train to an AC power source having a frequency higher than its own switching frequency using a carrier having an opposite phase to each other 1, a second inverter; And a first and a second grid-connected transformer for summing the outputs of the first and second inverters and outputting them to an AC power line.
Description
본 발명은 전동차시스템의 전력회생장치에 관한 것으로, 특히 전동차의 직류급전선로로 회생되는 DC전력을 인버터를 이용하여 깨끗한 AC전력으로 변환하여 AC전력라인으로 제공할 수 있도록 하는 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power regeneration device for a train electric vehicle, and more particularly to a power regeneration device for an electric vehicle having an active power filter function that converts DC power regenerated to a DC power supply line of a train to an AC power line, And more particularly to a power regenerating apparatus for a railway train system.
일반적으로 전동차에는 도 1에 도시한 바와 같이, 직류급전선로를 통해 DC 1,500V가 공급되며, 전동차가 내리막길이나 감속 운행시에는 관성 에너지가 직류급전선로로 회생되어 직류급전선로의 전압을 DC 1,800V로 상승시키게 된다.Generally, as shown in FIG. 1, a DC 1,500 V is supplied to a train, and when the train is downhill or decelerating, the inertial energy is converted into a DC feeder line to increase the voltage of the DC feeder line to DC 1,800 V.
전압 상승을 억제하기 위해 저항을 통해 에너지를 강제로 소모시키며, 저항에서 소모되는 에너지만큼의 전력손실이 따르게 된다. 또한 저항을 통하여 에너지를 회생시키지 못하는 상황에서는 전동차에서 기계 브레이크의 사용률을 높여 차량의 유지보수비용을 증가시키게 된다.To suppress the voltage rise, the energy is forcibly consumed through the resistor, resulting in a power loss equal to the energy consumed by the resistor. Also, in the situation where the energy can not be regenerated through the resistance, the maintenance cost of the vehicle is increased by increasing the usage rate of the mechanical brake in the electric vehicle.
이에 따라 회생용 인버터를 사용하여 직류급전선로로 복귀되는 DC전원을 AC파형으로 만들어 AC전력라인으로 제공하도록 하고 있으며, 이는 통상 인버터에서 스위칭 펄스 형태로 변환하고 인버터 후단의 트랜스에서 정현파 형태의 파형으로 출력토록 하여 에너지를 전원계통으로 회생할 수 있도록 하고 있다.Accordingly, the DC power that is returned to the DC feeder line by using the regenerative inverter is converted into an AC waveform to be provided as an AC power line. This is converted into a switching pulse form in the inverter in general, and a sinusoidal waveform in the transformer at the rear end of the inverter So that the energy can be regenerated to the power supply system.
통상 인버터의 제어성능을 향상시키기 위해 인버터의 스위칭 주파수를 상승시키게 되는데, 인버터의 스위칭 주파수를 상승시키게 되면 대용량 인버터의 경우 인버터의 스위칭 로스에 따른 전력소모가 커지게 되는 단점이 발생하게 된다. In general, the switching frequency of the inverter is raised to improve the control performance of the inverter. If the switching frequency of the inverter is increased, power consumption of the inverter due to the switching loss of the inverter becomes large.
따라서 400Hz 정도의 스위칭 주파수를 갖는 인버터를 다수 개 사용하는 경우가 있으나, 이 역시 다수개의 인버터가 사용됨에 따라 인버터 자체의 전력소모가 증가하는 단점이 있었다.Therefore, although a plurality of inverters having a switching frequency of about 400 Hz are used, there is a disadvantage in that the power consumption of the inverter itself increases as a plurality of inverters are used.
따라서 본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명은 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 이용한 인버터를 이중화하고 이에 고압 변압기를 결선하여 스위칭 주파수를 상승시킴으로써 인버터에 의한 전력소모를 크게 하지 않고서도 고압 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 정현파에 가까운 깨끗한 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 그 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a high voltage transformer having a high voltage transformer output without increasing the power consumption by an inverter by doubling an inverter using an insulated gate bipolar transistor (IGBT) The present invention provides a power regenerating apparatus for an electric vehicle system having an active power filter function capable of enhancing the control performance of the AC power supply system so that a clean AC waveform close to a sinusoidal wave can be obtained.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치는, 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되어 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 반대의 위상을 가지는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수를 갖는 AC전원으로 출력하기 위한 제1, 제2 인버터와; 상기 제1, 제2 인버터의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 출력하기 위한 제1, 제2 계통연계트랜스를 구비함을 특징으로 한다.To achieve these and other advantages and in accordance with the purpose of the present invention, as embodied and broadly described herein, there is provided a power regeneration apparatus for an electric vehicle having an active power filter function, comprising: a plurality of DC power supply lines connected in parallel to each other, A first inverter for outputting to an AC power source having a frequency higher than a switching frequency of the first inverter using a carrier having a first switching frequency; And first and second grid-connected transformers for summing the outputs of the first and second inverters and outputting the sum to the AC power line.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치의 구성도를 도시한 것이다.FIG. 2 is a block diagram of a power regenerating apparatus of a train electric vehicle having an active power filter function according to the present invention.
도시한 바와 같이, 전동차의 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원을 서로 180도의 위상차를 갖는 캐리어를 이용하여 그 자체의 스위칭 주파수보다 높은 주파수를 갖는 AC전원으로 출력하기 위한 2개의 인버터(10),(20)가 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결되고, 이 인버터(10),(20)의 입력단에 각각 리플 제거용 콘텐서(C1),(C2)가 접속되어 있다.As shown in the figure, two inverters 10, 10 for outputting DC power applied from a DC feeder line of a train to an AC power source having a frequency higher than its own switching frequency by using a carrier having a phase difference of 180 degrees from each other 20 are connected in parallel to each other in a DC feed line of a train. Ripple removing capacitors C1, C2 are connected to the input terminals of the inverters 10, 20, respectively.
여기서, 상기 인버터(10),(20)는 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 이용한다.Here, the inverters 10 and 20 use an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a PWM control method.
상기 인버터(10),(20)의 출력단에는 각각 코일(L11),(L12)과 콘덴서(C11),(C12) 및 저항(R11),(R12)으로 이루어져 인버터(10),(20)의 출력성분중의 고주파 성분을 필터링하기 위한 필터(30),(40)가 각각 접속되어 있으며, 필터(30),(40)는 선택적으로 사용 가능하다.The output terminals of the inverters 10 and 20 are connected to the output terminals of the inverters 10 and 20 which are composed of the coils L11 and L12, the capacitors C11 and C12, and the resistors R11 and R12, Filters 30 and 40 for filtering the high-frequency components of the output components are connected, respectively, and the filters 30 and 40 are selectively usable.
또한, 상기 필터(30),(40)에는 상기 필터(30),(40)를 통해 고주파 성분이 제거된 인버터(10),(20)의 출력을 합산하여 AC전력라인으로 보내기 위한 계통연계트랜스(T1),(T2)가 각각 접속되어 있다.In addition, the filters 30 and 40 are connected to an AC power line for summing the outputs of the inverters 10 and 20 from which high frequency components have been removed through the filters 30 and 40, (T1) and (T2), respectively.
이러한 본 발명은 전력회생과 더불어 도 1에 도시한 바와 같은 전동차시스템의 일반적인 전원공급 계통도에서의 정류기 부하 등의 DC전압을 사용하는 곳에서 발생할 수 있는 고조파와 무효전력을 보상할 수 있는 액티브 파워 필터(Active Power Filter : 이하, APF라 칭함)의 기능을 갖는다.The present invention also relates to an active power filter capable of compensating harmonics and reactive power that may occur in a place where a DC voltage such as a rectifier load is used in a general power supply system diagram of a train system as shown in FIG. (Hereinafter referred to as " APF ").
이는 전동차가 운전 중에는 인버터(10),(20)가 APF기능을 수행하고, 전동차가 내리막길을 운행중이거나 급제동시에는 에너지를 회생하는 회생모드로 동작하도록 하는 것으로, 도시하지 않은 제어부에서 직류급전선로로부터 인가되는 DC전력의 DC전압을 검출하여 제어부내에 기 설정된 기준전압보다 높을 때는 회생모드로, 기준전압과 동일하거나 낮을 때는 APF로 동작되도록 본 발명의 시스템을 제어하게 된다.This allows the inverters 10 and 20 to perform the APF function during the operation of the electric motor vehicle and to operate in the regenerative mode in which the electric motor vehicle is running downhill or regenerates energy at the same time as the electric motor vehicle is running. And controls the system of the present invention to operate in the regenerative mode when the DC voltage is higher than a predetermined reference voltage in the control unit and when the DC voltage is equal to or lower than the reference voltage.
즉, 제어부는 직류급전선로로부터 인가되는 DC전력의 DC전압을 검출하여 제어부에 기 설정된 기준전압과 비교하여 기준전압보다 높으면 AC전력으로의 회생을 위해 회생모드로 동작하도록 시스템을 제어하고, 검출되는 DC전압이 기준전압과 동일하거나 낮으면 다시 말해, 전동차가 운전중인 경우는 전동차의 전원 공급을 위한 정류기의 사용으로 인한 무효전력 및 고조파를 제거하기 위한 APF모드로 동작하도록 시스템을 제어하게 되는 것이다.That is, the control unit detects the DC voltage of the DC power applied from the DC feeder line, compares the DC voltage of the DC power supplied from the DC power supply line with a preset reference voltage, controls the system to operate in the regenerative mode for regeneration to AC power if it is higher than the reference voltage, When the DC voltage is equal to or lower than the reference voltage, the system is controlled to operate in the APF mode for eliminating the reactive power and the harmonics due to the use of the rectifier for supplying power to the electric motor vehicle when the electric motor vehicle is in operation.
본 발명에서 APF모드로 동작시 인버터(10),(20)가 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용함과 더불어 PWM제어방식을 사용하여 대용량 인버터의 단점인 스위칭 주파수를 상승시켜(스위칭 주파수의 상승에 대한 설명은 후술함) 직류급전선로로부터 회생되는 DC전력이 고효율로 제어될 수 있도록 할뿐만 아니라, 도 1의 전원 계통측의 무효전력 보상 및 고조파 제거에 큰 역할을 수행하게 된다. 이때 무효전력보상이나 고조파 제거는 APF의 일반적인 기능에 해당되므로 그 상세한 설명은 약한다.In the present invention, when the inverter 10 or 20 uses the insulated gate bipolar transistor (IGBT) in the APF mode, the PWM control method is used to increase the switching frequency, which is a disadvantage of the large capacity inverter DC power regenerated from the DC feeder line can be controlled with high efficiency as well as the reactive power compensation and harmonic elimination on the power supply side of FIG. At this time, reactive power compensation or harmonic elimination is a general function of APF, so its detailed explanation is weak.
한편, 본 발명이 회생모드로 동작시 직류급전선로로부터 인가되는 DC전원이 콘덴서(C1),(C2)를 거치면서 리플성분이 제거된 후, 인버터(10),(20)로 입력되어 AC성분으로 출력되게 된다.In the meantime, when the present invention is operated in the regenerative mode, the DC power applied from the DC feeder line passes through the capacitors C1 and C2 and the ripple components are removed. Then, the DC power is input to the inverters 10 and 20, .
여기서, 상기 인버터(10),(20)는 직류급전선로에 서로 병렬로 연결됨에 따라 인버터(10),(20) 자체의 스위칭 주파수보다 그 출력 주파수를 높일 수 있게 되며, 이에 따라 비교적 저주파수의 스위칭 주파수를 갖는 인버터를 사용하여도 되므로 스위칭 로스 및 전력소모를 줄일 수 있게 되는 것이다.Since the inverters 10 and 20 are connected in parallel with each other on the DC feeder line, the output frequency of the inverters 10 and 20 can be increased more than the switching frequency of the inverters 10 and 20 themselves. Accordingly, An inverter having a frequency can be used, so that switching loss and power consumption can be reduced.
그리고 상기 인버터(10),(20)의 출력은 필터(30),(40)를 통해 고주파 성분이 제거되며, 이후 계통연계트랜스(T1),(T2)를 통해 합산됨과 더불어 필요에 따라 승압된 후, AC전력라인으로 보내지게 된다.The outputs of the inverters 10 and 20 are removed through the filters 30 and 40 and are then summed through the grid-connected transformers T1 and T2, And then sent to the AC power line.
한편, 도 3a와 도 3c는 상기 전동차의 직류급전선로에 서로 병렬로 연결된 인버터(10),(20)의 U상 레퍼런스(ref) 및 캐리어에 대한 파형을 나타낸 것으로, 인버터(10),(20)의 캐리어는 서로 180도의 위상차를 가지면서 동일한 레퍼런스(ref)와 비교하는 방식을 이용하며, 도 3 전체에 걸쳐 x축은 시간을, y축은 전압을 나타낸다.3A and 3C show waveforms of the U phase reference and the carrier of the inverters 10 and 20 connected in parallel with each other on the DC feeder line of the electric vehicle. The inverters 10 and 20 ) Are compared with the same reference ref with a phase difference of 180 degrees from each other. In FIG. 3, the x-axis represents time and the y-axis represents voltage.
그리고 도 3b와 도 3d는 인버터(10),(20)의 스위칭 펄스로 각각 인버터(10),(20)의 게이트 신호 파형을 나타낸 것이다.3B and FIG. 3D show the gate signal waveforms of the inverters 10 and 20 with the switching pulses of the inverters 10 and 20, respectively.
상기 인버터(10),(20)의 스위칭 주파수의 변화를 확실히 보기 위해 필터(30),(40)를 제거할 경우, 인버터(10),(20)의 출력은 계통연계트랜스(T1),(T2)를 거치면서 합산되어 계통연계트랜스(T1),(T2)의 시뮬레이션 파형(출력 R상 상전압)인 도 3e와 같이 됨을 알 수 있다.When the filters 30 and 40 are removed to clearly see the change in the switching frequency of the inverters 10 and 20, the outputs of the inverters 10 and 20 are connected to the grid-connected transformers T1 and T2, and the simulation waveform (output R phase voltage) of the grid-connected transformers T1 and T2 is shown in FIG. 3E.
뿐만 아니라, 도 3e의 파형을 보면 전체적으로는 도 3a 및 도 3c에 도시한 레퍼런스(ref)를 추종하면서 인버터(10)의 출력인 도 3b 및 인버터(20)의 출력인 도 3d에 비해 보다 잘게 쪼개진 파형이 됨에 따라 인버터(10),(20)에 비해 높은 주파수의 AC전원으로 출력됨을 알 수 있다.3A and 3C, the waveform of FIG. 3E is generally smaller than that of FIG. 3B, which is the output of the inverter 10 and FIG. 3D, which is the output of the inverter 20, while following the reference ref shown in FIGS. It can be seen that the AC power is outputted at a higher frequency than the inverters 10 and 20 as the waveform becomes.
이러한 본 발명은 대용량 인버터의 스위칭 주파수의 상승 한계를 넘기 위하여 상기 인버터(10),(20)를 비교적 저주파수의 인버터를 사용하더라도 이들을 직류급전선로에 서로 병렬로 배치함과 더불어 이들 인버터(10),(20)의 캐리어가 서로 180도의 위상차를 갖도록 하고 계통연계트랜스(T1),(T2)를 거치면서 합해져 최종 출력은 상기 인버터(10),(20)의 스위칭 주파수에 비해 높은 주파수를 얻을 수 있도록 한 것이다.Although the inverters 10 and 20 use relatively low frequency inverters in order to exceed the rising limit of the switching frequency of the large capacity inverter, they are arranged in parallel with each other in the DC feeder line, and the inverters 10, So that the carrier of the inverter 20 is phase-shifted by 180 degrees and connected to the grid-connected transformers T1 and T2 so that the final output is higher than the switching frequency of the inverters 10 and 20 It is.
본 발명은 상기에 기술된 실시 예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art, which is included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 비교적 저주파수의 인버터 2개를 직류급전선로에 서로 병렬로 배치하여 그 출력 주파수를 상승시킴으로써 고압 변압기 출력단의 주파수를 높일 수 있도록 하여 정현파에 가까운 AC파형을 얻을 수 있도록 함에 따라 스위칭 주파수 상승에 따른 제어성능을 향상시킬 수 있도록 함은 물론, 고효율의 시스템 구현과 더불어 고조파 제거 및 이에 따른 무효전력 보상, 에너지 회생 등의 다양한 효과를 얻을 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, two inverters having relatively low frequencies are arranged in parallel with each other in a DC feeder line, and the output frequency thereof is raised to increase the frequency of the output terminal of the high voltage transformer so that an AC waveform close to a sinusoidal wave can be obtained Accordingly, it is possible not only to improve the control performance according to the increase of the switching frequency, but also to achieve various effects such as harmonic elimination along with implementation of a high efficiency system, reactive power compensation and energy recovery.
도 1은 전동차시스템의 일반적인 전원공급 계통도.1 is a general power supply system diagram of a train system;
도 2는 본 발명에 따른 능동형 전력 필터 기능을 갖는 전동차시스템의 전력회생장치의 구성도.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an electric power filter,
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 각부의 파형도.Figs. 3A to 3E are waveform diagrams of respective portions of Fig. 2; Fig.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art
10,20 : 인버터 30,40 : 필터10, 20: inverter 30, 40: filter
T1,T2 : 계통연계트랜스 T1, T2: Grid-connected transformer
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| CN105991031A (en) * | 2015-02-10 | 2016-10-05 | 华为技术有限公司 | Voltage conversion circuit, switch power supply and voltage conversion method |
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2004
- 2004-04-13 KR KR1020040025448A patent/KR100603993B1/en active IP Right Grant
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