KR20080072068A

KR20080072068A - 직류 전력 저장 장치

Info

Publication number: KR20080072068A
Application number: KR1020087015332A
Authority: KR
Inventors: 타다시 우에무라
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-08-05
Also published as: WO2007091371A1; TW200737643A; JP4572840B2; KR100991460B1; JP2007210513A; TWI331431B; CN101365606B; MY151762A; CN101365606A

Abstract

직류 전력 저장 장치의 대형화 및 비용 증가 없이, 외부 라인의 전압 강하 억제, 전기 차의 회생 전력 흡수 및 전기 차의 회생 실효를 방지한다.

전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압(대기 전압)은, 공급 시스템의 무부하시 및 정상 부하시, 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한 전압 근처로 설정된다.

외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 상한 전압을 초과하면, 회생 전력이 이중 층 커패시터로 흡수되고, 동시에 전기 차가 회생 전류 스퀴징 조작에 의해, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 그 최대 전압을 초과하는 것을 억제한다(회생 실효 방지). 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 하한 전압 미만이 되면, 상기 장치는 승강압초퍼의 강압 조작과 승압 조작에 의해, 전기 이중 층 커패시터로부터의 방전 전력에 의해, 외부 라인 전압을 그 정격 전압 범위의 하한 미만이 되지 않도록 유지한다(전압 강하 억제).

전력 회생

Description

직류 전력 저장 장치{DC POWER STORAGE DEVICE}

본 발명은 전기 철도의 외부 라인에 병렬로 연결되어, 역행(力行) 운행 조작 중에 전기 차에 전력을 공급하고 회생(回生) 조작(operation) 중에 전력을 흡수하는 직류 전력 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 외부 라인의 전압 강하 대책, 전기 차의 회생 전력 흡수 대책 및 전기 차의 회생 실효 방지 대책을 위해 전력 저장 매체를 제어하는 충전 및 방전 제어 시스템 및/또는 방법에 관한 것이다.

직류 공급 시스템에서, 철도 수송 전력 변전소(DCVR)들이 비교적 간격이 장거리가 되도록 설치된다. 그러므로, 가장 가까운 변전소로부터 전기 철도 차까지의 거리에 대해, 예를 들어 기동시 등과 같이 많은 전류가 흐르는 시점에 외부 라인의 전압 강하가 크기 때문에, 판타그래프 점 전압이 규정치 이하로 낮아질 수 있다. 이러한 전압 강하를 보상하기 위해, 철도 수송 전력 변전소가 제공되거나, 전기 차에서 노치 억제가 수행된다.

또한, 조용하거나 운행이 빈번하지 않은 철도에서는, 회생 운전 모드 중의 전기 차가 다른 전기 차에 의해 흡수된 회생 에너지를 역행 전력용 에너지로 흡수할 기회가 적기 때문에, 회생 실효(전기 제동 불능)가 되기 쉽다. 또, 운행이 빈번 하거나 활동적인 철도에서도, 회생 운전 모드 중 전기 차에서, 다른 전기 차 중 역행 운행 조작이 종료했을 경우에는, 부하의 급격한 감소에 의한 회생 실효가 발생할 수 있다.

이와 같은 회생이 실패하거나 취소되면, 전기 차는 회생 조작을 멈추게 되고, 제동 모드를 전기 제동에서부터 기계 제동으로 변화시키게 된다. 이러한 제동 모드 변화 조작은 제동 지연을 유발하여, 전기차가 예정된 지점에서 정지하지 못하게 하고, 기계 제동의 급제동으로 인해 휠과 브레이크 슈 사이의 마모로 인해 수명 단축을 유발하게 된다. 이러한 회생 실효를 방지하기 위해 회생 전력을 흡수하는 하기의 방법들이 제안되고 있다.

(1) 인버터에 의해 교류 전원으로 회생 전력을 공급하는 회생 방법

도 4a에 도시된 바와 같이, 전기 차 1에 의해 회생된 직류 전력을, 직류 공급원으로 외부 라인에 연결된 인버터 2 및 인버터용 변압기 3에 의해 제어된 전압 및 제어된 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 이러한 교류 전력을 상기 교류 전력원 측으로 공급한다.

이러한 방법은 상기 회생 전력을 흡수하기 위한 교류 부하를 요구하며, 또한 인버터용 변압기, 교류 차단기, 인버터, 및 직류 차단기 등을 필요로 하여, 시스템 전체의 비용이 높게 된다.

(2) 초퍼에 의한 회생 저항 장치로 회생 전력을 공급하는 회생 방법

도 4b에 도시된 바와 같이, 초퍼 장치 4는 전기 차 1에 의해 회생된 직류 전력을, 제어된 전압의 직류 전력으로 변환하고, 회생 저항 장치 5는 이러한 직류 전 력을 열로서 흡수한다.

이러한 방법은, 모든 회생 전력이 회생 저항 장치에 의해 열로 흡수되기 때문에, 회생 전력을 효과적으로 이용할 수 없고, 이러한 방법은 대형 저항 장치를 필요로 하게 된다. 게다가, 이 방법은 저항 장치에 발생하는 열을 방산 처리하기 위해 환기 설비 및 방열 설비를 필요로 하며, 이러한 장치는 초퍼를 포함하여, 비교적 비용이 높게 된다.

(3) 직류 전력 저장 장치를 이용하는 회생 방법

도 4c에 도시된 바와 같이, 정류기 6의 직류 측에, 승강압초퍼 7 및 직류 전력 저장 소자 8로 이루어진 직류 전력 저장 장치를 제공한다. 전기 차 1의 회생 조작에 의해 외부 라인 전압이 그 정격 전압 범위의 상한을 초과하게 되면, 초퍼 7의 전압 감소 제어에 의해 외부 라인 전압을 낮은 전압 수준으로 조절되고, 회생 전력이 외부 라인으로부터 상기 초퍼 6을 통해 직류 전력 저장 소자 8로 충전 전류로서 흡수된다(특허 문헌 1, 및 특허 문헌 2 참조).

외부 라인 전압이 전기 차의 역행 운전 조작에 의해 정격 전압 범위의 하한 미만이 되면, 외부 라인 저압은 초퍼 7의 전압 증가 제어에 의해 보다 전압 수준으로 제어되고, 전력이 초퍼 7을 통해 직류 전력 저장 소자 8로부터 외부 라인으로 공급된다. 따라서, 이 시스템은 전압 강하에 대응하는 수단으로서 사용될 수 있다. 또한, 교류 전원측에서 볼 때, 부하의 평준화를 위해 사용될 수 있다.

도 5는, 직류 전력 저장 장치의 주 회로 구성을 보여준다. 승강압초퍼 7은 고전압측 암; 저전압측 암; 및 리엑터 L를 포함한다. 상기 고전압측 암은 제1단이 외부 라인 및 제2단에 연결되고, 외부 라인으로부터 흘러드는 충전 전류를 제어하도록 연결된 반도체 스위치 SW1, 및 반도체 스위치 SW1와 역병렬로 연결된 비평행 다이오드 D1를 포함한다. 상기 저전압측 암은 반도체 스위치 SW1의 제2단에 연결된 제1단 및 제2단을 가지며, 반도체 스위치 SW1와 전류를 제어할 수 있는 방향이 같아, 반도체 스위치 SW1와 직렬로 연결된 반도체 스위치 SW2, 및 반도체 스위치 SW2와 역병렬로 연결된 비평행 다이오드 D2를 포함한다. 상기 리엑터 L은 제1단이 반도체 스위치 SW1의 제2단에 연결되고, 제2단이 전기 이중 층 커패시터 EDLC에 연결된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전기 차 1의 회생 조작으로 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 상한을 초과하게 되면, 상기 구성의 전력 저장 시스템은 초퍼의 제어로 외부 라인 전압을 감소시킨다. 즉, 시스템은 스위치 SW1를 제어하여 스위칭 동작되도록 하여, 스위치 SW1의 온 기간 동안 외부 라인으로부터 스위치 SW1 및 리액터 L를 통해 충전 전류가 EDLC로 흐르도록 하고, 스위치 SW1의 오프 기간에는 리액터 L로부터 EDLC 및 D2를 통해 순환 전류로 EDLC를 충전한다. 그에 따라, 시스템은 EDLC로의 충전 전력으로서 전력을 회생한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전기 차 1의 역행 운전 조작으로 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 하한의 미만이 되면, 전력 저장 시스템은 초퍼의 제어로 외부 라인 전압을 증가시킨다. 즉, 시스템은 스위치 SW2를 초핑 모드로 하여, 스위치SW2의 온 기간 동안, EDLC로부터 리액터 L 및 스위치 SW2를 통해 EDLC에 단락전류(short circuiting)가 흐르게 하여 리액터 L에 전자 에너지로서 축적하고, 스위 치 SW2의 오프 기간 동안 EDLC로부터 리액터 L 및 D1를 통해 외부 라인으로 방전 전류가 흐르도록 하여, 외부 라인의 전압 강하를 억제한다.

직류 전력 저장 장치는, 전기 이중 층 커패시터 외에 축전지를 포함할 수 있다. 축전지를 장시간의 에너지 축적 및 축적량 면에서 우수하다. 그러나 축전지는 급속 충방전 특성 면에서 열등하다. 그러므로, 축전지는 빠르게 올라오는 회생 전력의 충전에 지연을 유발하거나, 전기 차의 시동 또는 가속시 부하의 급속한 변화에 따른 방전 조작에서 지연을 유발하여, 축전지는 외부 라인 전압의 급속한 변화나 회생 실효를 야기할 우려가 있다. 한편, 전기 이중 층 커패시터는 급속한 충방전 특성 면에서 우수하여, 전기 차로부터 회생 에너지를 적절히 흡수하고, 부하에서 급속한 변화에 재빨리 대응할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본국 특허공개공보 제2000－233669호

[특허 문헌 2] 일본국 특허공개공보 제2001－260718호

제1의 과제

전기 이중 층 커패시터와 승강압초퍼를 포함하는 직류 전력 저장 장치를 이용해, 외부 라인의 전압 강하를 억제하기 위해, 도 5의 구성에서는, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압(대기 전압)을 외부 라인 전압의 정격 전압 범위의 하한 전압의 이하 값으로 설정하고, 전기 이중 층 커패시터로부터 리액터 L → 다이오드 D1의 경로에 의해 외부 라인으로의 방전을 방지한다. 또한, 전기 이중 층 커패시터로부터 공급될 수 있는 전력량(축적 전력량)을 최대화하기 위해, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 외부 라인 전압의 정격 전압 범위의 하한 전압에 가까운 값으로 설정한다.

예를 들면, 1500 V 시스템에서, 외부 라인 전압이 1200 V(외부 라인 전압의 정격 전압 범위의 하한) 이하이고, 전력이 전기 이중 층 커패시터로부터 공급되면, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압(대기 전압)을 1200 V 이하로 설정하고, 초퍼에 의한 승압 제어로 외부 라인 전압의 전압 강하를 억제하도록 시스템이 구비된다.

도 5의 구성에서, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 외부 라인 전압의 정격 전압 범위의 하한 전압 미만으로 설정되기 때문에, 전기 이중 층 커패시터의 축적된 전력량이 제한된다. 축적된 전력량을 증가시키기 위해서는, 전기 이중 층 커패시터의 병렬 소자들의 수를 증가시키고, 승강압초퍼의 제어가능한 전류 용량을 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 방법은 직류 전력 저장 장치의 크기를 증가시키고, 비용을 증가시킨다.

제2의 과제

직류 전력 저장 장치가 전압 강하 억제와 회생 전력 흡수에 이용될 때, 외부 라인의 전압이 저하되었을 때, 상기 특허 문헌들의 시스템들은 전압 증가(또는 승압) 제어 모드의 초퍼에 의해 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 증가시켜 전압 강하를 억제하고, 외부 라인의 전압이 증가되었을 때, 전압 감소(또는 강압) 제어 모드의 초퍼에 의해 외부 라인 전압을 감소시켜 회생 전력을 흡수한다.

이 경우, 전압 강하에 대한 수단과 회생 전력 흡수를 위한 수단의 둘 다에 대한 사용을 위해, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압(대기 전압)의 동일한 전압 범위가 전압 강하를 억제하기 위한 방전 조작시와 회생 전력 흡수를 위한 충전 조작시에 사용된다. 그러나, 전압 강하를 억제하기 위한 조작시, 시스템은 전기 이중 층 커패시터가 완전히 충전되고, 그 단자 전압이 높은 완충상태에서, 전압 강하를 보다 효율적으로 억제할 수 있다. 회생 전력 흡수시, 시스템은 충전된 에너지의 양이 전기 이중 층 커패시터 내에서 보다 낮으며, 그 단자 전압이 더 낮은 상태에서, 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다. 그러므로, 공급된 방전 전기 에너지의 양과 흡수된 충전 에너지의 양이 같은 전압 범위에서 이용되기 때문에, 전압 강하 억제 기능과 회생 전력 흡수 기능의 둘 다를 수행하는 에너지의 양은 완전히 충전된 상태의 에너지의 양과 최소한 충전된 상태의 에너지의 양에 비하여 낮게 되어, 시스템은 두 기능을 동시에 만족할 수 없다.

그러므로, 전압 강하 억제와 회생 전력 흡수 기능의 두 기능을 만족시키는 충/방전 에너지의 양을 확보하기 위해, 상기의 제1의 과제와 같이, 전기 이중 층 커패시터의 병렬 개수를 증가시킴과 동시에 승강압초퍼의 제어 가능 전류 용량을 증가시키는 것이 필요하게 된다. 그 결과, 이러한 기술은 직류 전력 저장 장치의 크기를 증가시키고, 비용을 증가시키게 된다.

충/방전 에너지량을 높이기 위해, 전압 강하 기능용 단자 전압(대기 전압)을 낮게 한 제1 직류 전력 저장 요소와, 회생 전력 흡수 기능용으로 단자 전압을 높게 한 제2 직류 전력 저장 요소를 포함하는 듀얼 시스템을 채택할 수 있다. 그러나, 이러한 듀얼 시스템은 시스템의 크기와 비용을 증가시키게 된다.

제3의 과제

전기 이중 층 커패시터와 같은 전력 저장 매체가 완전히 충전된 상태의 경우, 상기 언급된 특허 문헌들의 시스템들은 회생 전력의 흡수를 하지 못하고, 전기 차가 회생 조작을 실시하면 회생 실효가 일어난다. 그러므로, 회생 전력 흡수용 저항 장치의 구비가 필요하게 된다. 또한, 몇 대의 전기 차가 역행 운전 조작을 시작할 때까지, 전력 저장 매체는 완전히 충전된 상태로 유지된다. 그러므로, 전기 차의 회생 조작이 연속되는 경우, 회생 실효가 연속적으로 일어난다.

본 발명의 목적은, 직류 전력 저장 장치의 대형화 및 고비용화 없이, 종래 장치에 비해, 외부 라인으로의 전력 공급량과 흡수 전력 량의 합을 증가시키기에 적합한 직류 전력 저장 장치 또는 시스템을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 외부 라인의 전압 강하 억제 기능 및 회생 전력 흡수를 개선시키고, 회생 실효 방지를 가능하게 하는 것이다.

앞서 언급한 기술적 과제들을 해결하기 위한, 본 발명의 직류 전력 저장 장치 또는 시스템은 전기 이중 층 커패시터와 같은 전력 저장 매체와 외부 라인과의 사이에 연결된, 승강압초퍼와 같은 직류/직류 컨버터를 포함한다. 외부 라인 전압이 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한을 초과하는 경우, 무부하 상태에서 상기 상한을 초과하는 정류기 무부하 전압까지 외부 라인 전압이 증가하므로, 본 발명의 장치는 충전 전도 경로를 만들고, 그에 의해 상기 전력 저장 매체를 상기 정류기의 무부하 전압까지 충전한다. 회생 전력 흡수를 위한 수단으로서, 외부 라인 전압(초퍼와 외부 라인을 연결하는 단자의 전압)이 상기 상한 전압을 초과하였을 때, 본 발명의 장치는 상기 전도 경로를 만들어, 상기 전력 저장 매체가 회생 차의 회생 전력을 충전 에너지로 흡수하게 한다. 상기 회생 차의 판타그래프 점 전압이 증가하면, 본 발명의 장치는 상기 전기 차의 회생 전류 스퀴징 기능을 이용해 상기 전기 차의 회생 실효를 방지한다. 전압 강하에 대한 수단으로, 외부 라인 전압이 외부 라인의 정격 전압 범위의 하한 전압의 미만이 되면, 본 발명의 장치는 전력 저장 매체의 단자 전압을 강압 제어 또는 승압 제어를 실시해, 전력 저장 매체로부터 외부 라인으로 방전을 가능하게 하여, 외부 라인 전압을 상기 하한 전압으로 유지한다. 본 발명의 직류 전력 저장 장치 또는 시스템은 이하의 구성을 가진다.

(1) 직류 전력 저장 장치는 전력 저장 매체와 외부 라인과의 사이에 연결된 직류/직류 컨버터를 포함한다. 전기 직류/직류 컨버터는, 외부 라인 전압이 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한 전압을 초과하였을 때, 외부 라인과 전기 전력 저장 매체의 사이에 전도성 연결을 형성하여, 상기 전력 저장 매체를 충전 또는 방전하고, 그리고 외부 라인 전압이 상기 상한 전압의 미만이 되었을 때, 외부라인과 전력 저장 매체 사이의 연결을 차단하는 회생 전력 제어 수단 또는 영역;과 외부 라인 전압이 외부 라인의 정격 전압 범위의 하한 전압의 미만이 되었을 때, 그리고 전기 전력 저장 매체의 단자 전압이 상기 외부 라인 전압을 초과하였을 때, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압을 강압시키면서 상기 전력 저장 매체를 외부 라인 방향으로 방전하고, 그리고 외부 라인 전압이 상기 하한 전압 미만이 되고, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압이 전기 외부 라인 전압 미만이 될 때, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압을 승압시키면서 상기 전력 저장 매체를 외부 라인 방향으로 방전하는 전압 강하 억제 수단 또는 영역을 포함한다.

(2) 상기 상한 전압이 전기 차로부터의 회생 전력의 흡수에 의해 초과되고, 상기 전력 저장 매체와 외부 라인 사이의 연결으로 인해 외부 라인 전압이 상승하면, 상기 회생 전력 조절 수단 또는 영역은 전기 차의 회생 전류 스퀴징 기능의 회생 전류 스퀴징 조작과 함께, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압을 상기 단자 전압의 최대 전압 이하로 억제한다.

(3) 상기 직류/직류 컨버터는, 외부 라인의 무부하시에 외부 라인과 전력 저장 매체를 연결하고, 그에 의해 상기 전력 저장 매체를 충전하여, 전력저장매체의 단자 전압이 정류기의 무부하 전압에 도달하게 한다.

(4) 상기 직류/직류 컨버터는, 외부 라인이 상기 정격 전압 범위의 하한 전압 이상이 되고, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압이 정격 전압 범위의 상한 전압 이하가 될 때, 상기 단자 전압이 외부 라인 전압 미만인 경우에는 외부 라인 전압을 강압시키면서 외부 라인측으로부터 상기 전력 저장 매체를 충전하고, 상기 단자 전압이 외부 라인 전압을 초과하는 경우에는 외부 라인 전압을 승압시키면서 외부 라인측으로부터 상기 전력 저장 매체에 충전하는 수단 또는 장치를 포함한다.

(5) 직류/직류 컨버터는 전력 저장 매체의 단자 전압이 외부 라인 전압을 초과하면, 전력 저장 매체로부터 외부 라인측으로의 방전 전류를 제어 또는 차단하는 방전 제어 스위치를 포함한다.

(6) 직류/직류 컨버터는 주회로를 포함한다. 주회로는 외부 라인으로부터 흘러드는 충전 전류를 제어하는 방향으로 구비되며, 외부 라인에 연결된 제1단 및 제2단을 포함하는 반도체 스위치 SW1, 및 상기 반도체 스위치 SW1와 역병렬 접속된 다이오드 D1를 포함하는 고전압 측 암, 상기 반도체 스위치 SW1의 방향으로 구비되며, 반도체 스위치 SW1의 제2단과 직렬로 연결된 반도체 스위치 SW2, 및 상기 반도체 스위치 SW2와 역병렬 접속한 다이오드 D2를 포함하는 저전압 측 암, 및 상기 반도체 스위치 SW1의 제2단에 연결된 제1단 및 제2단을 포함하는 리액터를 포함하는 승강압초퍼; 및 상기 리액터 L의 제2단과 상기 전력 저장 매체의 사이를 연결하고, 상기 전력 저장 매체로부터의 방전 전류를 제어하는 방향으로 구비된 반도체 스위치 SW3 및 상기 반도체 스위치 SW3와 역병렬로 연결된 다이오드 D3를 포함하는 방전 제어 스위치를 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 직류 전력 저장 장치의 회로 구성도를 보여준다.

도 2는 도 1의 직류 전력 저장 장치가 적용된, 전기 차의 회생 전류 스퀴징 특성의 보여주는 그래프이다.

도 3은 회생 실효 방지 및 전압 저하 억제를 위해, 도 1의 직류 저장 장치의 조작들을 보여주는 전압 파형도이다.

도 4는 종래의 전력 회생 시스템의 3 가지 다른 예들을 보여주는 개념도들이다.

도 5는 종래의 직류 전력 저장 장치의 회로 구성도를 보여준다.

도 6은 도 5의 직류 전력 저장 장치의 조작을 보여주는 파형도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 전기 차, 6: 정류기

7: 승강압초퍼, 8: 전기 이중 층 커패시터

9: 방전 제어 스위치, SW1~SW3: 반도체 스위치

D1~D3: 다이오드, L: 리액터

도 1은, 본 발명의 한 실시예에 따른 직류 전력 저장 장치 또는 시스템의 회로 구성도를 보여준다. 도 1의 주회로 영역은 도 5에 도시된 회로와 거의 유사하다. 그러나, 도 5에 도시된 회로와는 달리, 도 1에 도시된 회로는 리액터 L의 제2단과 상기 전력 저장 매체의 사이에 연결된, 방전 제어 스위치 9를 더 포함한다. 방전 제어 스위치 9는 전력 저장 매체로부터의 방전 전류를 제어하는 방향으로 구비된 반도체 스위치 SW3, 및 반도체 스위치 SW3와 역병렬 연결된 다이오드 D3으로 이루어진다.

제어 소자 또는 제어 장치 10은 초퍼 7의 승압 전압 및 강압 전압을 제어하는 기능을 한다. 또한, 제어 장치 10은 방전 제어 스위치 9의 스위칭 조작 및 도통/차단(on/off)을 제어하는 기능을 한다. 제어 장치 10은 각종 전압 설정 조건과 전압 검출 신호에 따라 하기에 언급되는 다양한 제어 조작을 수행한다. 따라서, 제어 장치 10은 하기 제어 수단들을 포함한다.

본 출원의 명세서 및 도면에서, "외부 라인"은 공급 변전소의 정류기 6의 직류측, 전력 저장 장치의 출력 측 공급 라인, 공급 라인, 가공 전선 및 트롤리선을 총칭한다.

(a) 전기 이중 층 커패시터는, 그 상한이 전기 차의 회생 전력에 의해 외부 라인에 발생할 수 있는 최대 전압 이상인 충전 전압 범위를 가지는 이중층 커패시터이다. 외부 라인의 무부하 상태에서, 이중층 커패시터는 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한을 초과하는 정류기의 무부하 전압까지 충전된다.

(b) 직류 전력 저장 장치 또는 시스템은 아래와 같은 방법으로 회생 전력 흡수 수단과 회생 실효 방지 수단을 제공한다. 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 상한 전압을 초과하면, 외부 라인과 전기 이중 층 커패시터를 연결하기 위해, 스위치 SW1와 SW3를 (전도 상태로) 턴온시키고, 전기 이중 층 커패시터가 회생 전력을 충전 전력으로 흡수시키게 한다. 이러한 전력 흡수로, 시스템은 외부 라인 전압의 급격한 전압 상승에 의한 전기 차의 회생 실효를 방지하고, 전기 이중 층 커패시터로부터 흡수한 회생 에너지를 역행 운전을 실시하는 전기 차로 방전하여 회생 전력을 유효하게 사용할 수 있다.

이러한 전력 흡수로 외부 라인 전압이 계속해서 상승하면, 시스템은 전기 차의 회생 전류 스퀴징 기능에 의한 회생 전류 스퀴징 조작과 협조하여 이중 층 커패시터의 단자 전압 및 외부 라인 전압을 제어하여, 최대 전압을 초과하는 정도로 증가되지 않도록 한다. 동시에, 시스템은 이러한 상태에서도 전기 차의 회생 전류 스퀴징 제어에 의해 회생이 실효되는 것을 억제한다.

(c) 직류 전류 전력 저장 장치 또는 시스템은 하기 방법으로 전압 강하에 대한 수단을 수행한다. 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 하한 전압 미만일 때, 시스템은 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 외부 라인 전압을 초과하면, 방전 제어 스위치 9의 반도체 스위치 SW3를 스위칭 제어 모드로 제어한다. 이러한 반도체 스위치 SW3의 스위칭 제어로 인해, 시스템은 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 강압 제어하고, 전기 이중 층 커패시터를 외부 라인 방향으로 방전한다. 전기 이중 층 커패시터로부터의 방전으로 인해, 시스템은 외부 라인 전압을 그 정격 전압 범위의 하한 전압 이상으로 유지한다. 또한, 이러한 방전으로 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 외부 라인 전압 미만이 될 때, 시스템은 반도체 스위치 SW3를 온(도통) 제어 상태로 하고, 초퍼 7의 반도체 스위치 SW2를 스위칭 제어 모드로 제어한다. 이러한 SW3 및 SW2의 제어 상태 변환으로 인해, 시스템은 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 승압 제어하는 동안, 이중층 커패시터로부터의 방전을 지속하여, 외부 라인 전압을 그 정격 전압 범위의 하한 전압 이상으로 유지한다.

회생 전류의 스퀴징은 기존의 전기 차에 구비되는 기능이다. 이러한 스퀴징 제어에서, 시스템은 전기 차의 판타그래프 점전압을 모니터한다. 판타그래프 점 전압이 기 설정 전압 이상이 되면, 시스템은 회생 전류를 100%로부터 0%까지 스퀴징하고, 이로 인해 과잉으로 판타그래프 점 전압이 과다하게 증가되는 것을 방지한다. 일반적으로, DC 1500V 시스템의 전기 차의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 판타그래프 점 전압이 DC 1600V 이하이면, 스퀴즈 비율이 1.0(스퀴즈 양 0%)과 동일하게 되고, 팬터그래프 점 전압이 DC1800V 이상이면, 스퀴즈 비율이 0(스퀴즈 양 100%)과 동일하게 된다. 1600 V 및 1800 V의 사이에서, 스퀴즈 비율은 전압에 대하여 직선적으로 비례하여 0으로 감소한다. 시스템은 이러한 방법으로 회생 전류 를 억제한다. 회생 전류의 이러한 스퀴징 제어에 의해 생성된 잉여 제동 에너지는 기계 제동에 의해 흡수된다.

이하, 전압 강하 대응 수단, 회생 전력 흡수 대응 수단, 및 회생 실효 방지 대응 수단을 위한 제어 조작들이 1500V 시스템에 적용될 때를 구체적인 예로 하여 상세히 설명한다.

(1) 공급 시스템의 조작 조건:

외부 라인의 정격 전압 범위를 DC 1600V(상한) ~ 1200 V(하한)로 하고, 공급 변전소의 정류기 6의 무부하 전압을 DC 1620V로 한다. 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 최대 충전 전압을 DC 1800V로 한다.

(2) 무부하 조작:

제어장치 10은, 외부 라인 전압이 1600 V 이상이면, 초퍼 7의 반도체 스위치 SW1를 온(도통) 제어 상태로 제어한다. 전기 이중 층 커패시터 EDLC가 1600 V 미만이면, 공급변전소의 정류기 6으로부터 전기 이중 층 커패시터 EDLC를 그 충전 전압이 정류기 6의 무부하 전압의 1620 V에 도달할 때까지 충전한다.

(3) 정상 부하 조작:

전기 차가 역행 모드로 조작되고, 외부 라인 전압이 정류기 무부하 전압(1620 V) 미만이 될 때, 정류기 6으로부터의 공급에 대하여 병렬로 구비된 제어 장치 10은 전기 이중 층 커패시터 EDLC로부터의 전력 공급을, 외부 라인 전압과 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 평형 상태이므로, 방전 제어 스위치 9의 온(도통) 제어로 수행한다. 그러나, 외부 라인 전압이 1600 V 미만이면(그러나, 1200 V 이상), 제어 장치 10은 방전 제어 스위치 9를 턴오프 한다. 그러므로, 이 경우에는, 외부 라인의 정격 전압 범위 내에서는 정류기 6만으로부터 역행 에너지가 공급된다.

(4) 회생 전력 흡수 수단 및 회생 실효 방지 수단:

도 3에 도시된 바와 같이, 전기 차로부터의 회생 전력에 의해 외부 라인 전압이 증가하고, 외부 라인 전압이 그 정격 전압 범위의 상한(1600 V)을 초과하였을 때(시각 t1), 제어장치 10은 승강압초퍼 7의 반도체 스위치 SW1을 턴온시키고, 반도체 스위치 SW3을 턴온시킨다. 이 경우에, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압도 1600 V이기 때문에, 시스템은 반도체 스위치 SW1의 온 제어에 의해, 외부 라인으로부터 전기 이중 층 커패시터 EDLC에 충전 전류가 흐르게 한다. 그에 의해, 시스템은 이 충전 조작으로 회생 전력을 흡수한다.

이러한 전기 차의 회생 전력의 충전 조작으로, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 상승하고, 전기 차의 판타그래프 점 전압도 함께 상승한다. 이러한 판타그래프 점 전압의 상승과 함께, 전기 차는 스퀴징 기능을 활성화하고, 회생 전류를 감소시킨다. 전기 차의 회생 조작이 종료되면(도 3 중 커브 A에 도시된 바와 같이, 외부 라인 전압의 상승이 종료되고, 외부 라인 전압이 정류기 무부하 전압(1620 V)으로 감소하면), 반도체 스위치 SW3의 온 제어에 의해, 이러한 영역 중 외부 라인과 주위 영역의 외부라인 전압들 사이의 전압 평형을 유지하기 위해, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 자발적으로 감소한다. 그 후, 무부하 상태가 유지되면, 정류기 무부하 전압(1620 V) 까지 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 감소된다. 외부 라인 전압이 상한 전압을 초과하면, 역행 운전하는 전기 차가 존재하는 경우에는, 정류기 무부하 전압까지, 전기 이중 층 커패시터 EDLC로부터 전기 차에의 전력 공급이 된다. 무부하 전압 미만에서, (도 3의 커브 B에 도시된 바와 같이) 병렬로 구비된 정류기와 전기 이중 층 커패시터 EDLC로부터 전기 차에 전력이 공급되고, 외부 라인 전압은 역행 운전하는 전기 차의 활동에 의해, 상한 전압 이하로 감소된다.

전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 외부 라인 정격 전압의 상한(1600 V) 이하가 되면, 제어 장치 10은 반도체 스위치 SW3의 오프(차단) 제어에 의해, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 방전 조작을 중단한다. 전기 차는 정류기 6으로부터만 전력 공급을 수신한다.

전기 차의 회생 조작이 계속되고, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 최대 전압(1800 V)에 도달하면(시각 t2), 전기 차로부터의 회생 전류는 전류 스퀴징 조작에 의해 영으로 감소한다. 외부 라인 전압도 정격 전압 상한(1600 V)을 넘어 일시적으로 1800 V가 되지만, 회생 전류가 영이기 때문에 그 이상의 전압 상승은 없고, 회생 실효를 방지한다.

그러므로, 회생 전력 흡수 수단 및 회생 실효 방지 수단에서, 외부 라인 전압은 일시적으로 정격 전압 범위의 상한(1600 V)을 초과할 수 있으나, 최종적으로 외부 라인 전압은 정류기 무부하 전압 또는 정격 전압 상한 이하의 수준으로 감소한다. 따라서, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압은 1600 V~1800 V의 범위 내로 제어된다.

(5) 전압 강하 대응 수단:

도 3에 도시된 바와 같이, 전기 차가 역행 운전 모드로 조작되고, 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 하한(1200 V) 미만이 되면(시각 t3), 제어장치 10은 반도체 스위치 SW3의 스위칭 제어로, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압을 감소시키고, 전기 이중 층 커패시터 EDLC로부터 리액터 L 및 다이오드 D1를 통해 방전 조작을 개시하고, 정류기 6로부터의 전력 공급과 함께 전압 강하를 억제한다. 전압 강하를 억제하는 조작으로 인해, 외부 라인 전압이 하한(1200 V) 이상으로 돌아오면(시각 t4: 도 3의 커브 C), 제어장치 10은 반도체 스위치 SW3를 턴 오프시켜 전기 이중 층 커패시터 EDLC로부터의 방전을 중단하고, 승강압초퍼를 승압 제어로 전환하여, 전기 이중 층 커패시터 EDLC를 충전하고(도 3의 커브 C＇), 1600 V 까지 충전 상태로 제어를 중단한다.

외부 라인 전압이 하한 전압(1200 V) 이하로 유지되고, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압이 외부 라인 전압보다 낮아지면(시각 t5), 제어장치 10은 반도체 스위치 SW3를 온 상태로 하고, 승강압초퍼 7의 반도체 스위치 SW2를 스위칭 제어 모드로 전환한다. 이에 따라, 제어 장치 10은 단자 전압을 증가시키고, 계속하여 방전하여, 정류기 6에서의 전력 공급과 함께, 외부 라인 전압의 전압 강하를 억제한다. 이러한 방전으로, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압은 하한 전압(1200 V) 이하로 감소한다. 이러한 전압 강하 억제에 의해, 외부 라인 전압이 하한 1200 V 이상으로 돌아오면(시각 t6：도 3의 커브 D), 제어장치 10은 승강압초퍼 7의 강압 제어로 전기 이중 층 커패시터 EDLC를 충전하고(도 3의 파형 D＇), 1600 V까지 충전 상태에서 강압 제어를 중지한다.

외부 라인의 전압 강하가 계속되고, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 방전으로 그 단자 전압이 최저 전압(500 V)까지 감소하면(시각 t7), 제어장치 10은 승강압초퍼 7의 제어를 중단한다. 전기 차의 역행 운전 조작이 종료되고(시각 t8), 외부 라인 전압이 1200 V 이상으로 돌아오면(시각 t9：도 3의 커브 E), 시스템은 전기 이중 층 커패시터 EDLC를 충전한다(도 3의 커브 E＇에 도시된 바와 같이).

따라서, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 단자 전압은 500 V~1600 V의 범위 내로 제어된다.

즉, 전압 강하 억제 수단의 시기에, 이러한 시스템은 전기 이중 층 커패시터 EDLC을 종래 장치에 비해, 넓은 전압 범위(500 V~1600 V)에서 충전 또는 방전을 가능하게 하고, 전기 이중 층 커패시터 EDLC의 용량이 종래 기술의 시스템과 같은 상태로 유지되더라도(병렬 소자의 수를 증가시킬 필요 없이), 전압 강하 억제를 위해서 공급될 수 있는 전력량을 큰폭으로 증가시킬 수 있다.

도시된 실시예에서는, 직류/직류 컨버터가 승강압초퍼와 방전 제어 스위치로 구성되어 있다. 그러나, 전기 이중 층 커패시터 EDLC와 같은 전력 저장 매체와 외부 라인 사이의 충전 및 방전을 가능하게 하기만 하면, 도시된 실시예와 상이한 구성을 가지는 충전 및 방전 회로를 사용하여 동등의 작용 효과를 달성할 수 있다.

도시된 실시예에 따른 시스템은 외부 라인의 무부하 상태 및 정상 부하 상태에서, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한 전압 근처가 되도록, 충전/방전 제어를 수행하도록 구비된다. 그러나, 시스템은 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 외부 라인의 정격 전압 범위의 하한 전압과 상한 전압의 사이로 제어하도록 구비될 수 있다.

예를 들면, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 하한 전압과 상한 전압의 중간 값으로 설정된다. 이러한 상태로부터, 시스템은 전압 강하 억제 수단과 회생 전력 흡수 수단의 양 기능을 만족하도록 활동한다. 또한, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 정류기의 무부하 전압 이상이 되면, 시스템은 역행 운전 차량이 존재하지 않아도, 외부 라인 전체의 전압 밸런스를 유지하면서 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 자연히 감소하도록 한다. 또한, 하나 이상의 차량에서 전력 회생 조작의 연속으로, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 연속적으로 증가하면, 시스템은 전기 차의 전류 스퀴징 제어를 이용하여 회생 실효를 억제한다.

도시된 실시예에서, 전력 저장 매체는 전기 이중 층 커패시터를 포함한다. 전력 저장 매체로서 하이브리드(hybrid) 커패시터, 대용량 커패시터, 및/또는 축전지를 사용해도, 동등한 효과 및 조작을 달성할 수 있다. 또한, 반도체 스위치를 임의의 전압으로 제어하는 예를 나타냈지만, 이 임의의 전압에 데드 밴드를 제공하는 것으로, 반도체 스위치의 채터링을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 시스템은, 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 상한 전압을 초과하였을 때는 회생 전력을 흡수하고, 외부 라인 전압이 정격 전압 범위의 하한 전압 미만이 될 때는 전압 강하를 억제할 수 있다.

또한, 전력 저장 장치는 전기 이중 층 커패시터를 종래 장치보다 넓은 전압 범위에서 충전 및 방전을 가능하게 할 뿐만 아니라, 종래 장치의 완전히 충전된 상태 중 에너지 저장량과 동등 이상의 전기 이중 층 커패시터의 에너지 저장량으로 회생 전력의 흡수가 가능하다. 따라서, 시스템은 전압 강하 억제 수단과 회생 전력 흡수 수단의 양 기능을 만족할 수 있다. 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 정류기의 무부하 전압 이상이 되면, 시스템은 역행 운전 차량이 존재하지 않아도, 외부 라인 시스템 전체의 전압 밸런스와 함께, 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압을 자연히 감소시킨다. 연속적인 회생 운전 조작에 의해 전기 이중 층 커패시터의 단자 전압이 계속 상승하면, 시스템은 전기 차의 전류 스퀴징 제어의 사용으로 인해 회생 실효를 방지할 수 있다.

또한, 시스템의 대형화 및 비용의 증가를 유발함 없이, 전압 강하 억제를 위해, 공급될 수 있는 전력량을 현저히 증가시킬 수 있다.

Claims

전력 저장 매체와 직류 전기 철도의 외부 라인 사이에 연결된 직류/직류 컨버터를 포함하는 직류 전력 저장 장치에 있어서,

상기 직류/직류 컨버터는,

외부 라인 전압이 상기 외부 라인의 정격 전압 범위의 상한 전압을 초과하면, 상기 외부 라인과 상기 전력 저장 매체 사이에 전도성 연결을 형성하여, 상기 전력 저장 매체를 충전 또는 방전시키고, 상기 외부 라인 전압이 상기 상한 전압 미만이 되면, 상기 외부 라인과 상기 전력 저장 매체 사이의 상기 연결을 차단하는 회생 전력 제어 수단; 및

상기 외부 라인 전압이 상기 외부 라인의 상기 정격 전압 범위의 하한 전압미만이 되고, 상기 전력 저장 매체의 단자 전압이 상기 외부 라인 전압을 초과하면, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압을 강압시키면서 상기 전력 저장 매체를 상기 외부 라인 방향으로 방전하고, 상기 외부 라인 전압이 상기 하한 전압 미만이 되고, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압이 상기 외부 라인 전압 미만이 되면, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압을 승압시키면서 상기 전력 저장 매체를 상기 외부 라인 방향으로 방전하는 전압 강하 억제 수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전력 저장 장치.
제1항에 있어서,

전기 차로부터의 회생 전력의 흡수에 의해 상기 상한 전압이 초과되고, 상기 전력 저장 매체와 상기 외부 라인의 도통으로 상기 외부 라인 전압이 상승하면, 상기 회생 전력 제어 수단이 상기 전기 차의 회생 전류 스퀴징 기능의 회생 전류 스퀴징 조작과 함께, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압을 상기 단자 전압의 최대 전압 이하로 억제하는 것을 특징으로 하는 상기 직류 전력 저장 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 직류/직류 컨버터는,

상기 외부 라인의 무부하시, 상기 외부 라인과 상기 전력 저장 매체를 연결하고, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압이 정류기의 무부하 전압에 도달할 때까지, 상기 전력 저장 매체를 충전하는 것을 특징으로 하는 상기 직류 전력 저장 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 직류/직류 컨버터는,

상기 외부 라인이 상기 정격 전압 범위의 하한 전압 이상이 되고, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압이 상기 정격 전압 범위의 상기 상한 전압 이하가 되면, 상기 단자 전압이 상기 외부 라인 전압 미만인 경우에는 상기 외부 라인 전압을 강압시키면서 상기 외부 라인으로부터 상기 전력 저장 매체를 충전하고, 상기 단자 전압이 상기 외부 라인 전압을 초과하는 경우에는 상기 외부 라인 전압을 승 압시키면서 상기 외부 라인으로부터 상기 전력 저장 매체를 충전하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 직류 전력 저장 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 직류/직류 컨버터는, 상기 전력 저장 매체의 상기 단자 전압이 상기 외부 라인 전압을 초과하면, 상기 전력 저장 매체로부터 상기 외부 라인으로의 전류 방전을 제어 또는 차단하는 방전 제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 직류 전력 저장 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 직류/직류 컨버터는 주회로를 포함하며,

상기 주회로는,

상기 외부 라인으로부터 흘러드는 충전 전류를 제어하는 방향으로 구비되며, 상기 외부 라인에 연결된 제1단 및 제2단을 포함하는 반도체 스위치 SW1, 및 상기 반도체 스위치 SW1와 역병렬 접속된 다이오드 D1를 포함하는 고전압 측 암,

상기 반도체 스위치 SW1의 방향으로 구비되며, 상기 반도체 스위치 SW1의 상기 제2단과 직렬로 연결된 반도체 스위치 SW2, 및 상기 반도체 스위치 SW2와 역병렬 접속된 다이오드 D2를 포함하는 저전압 측 암, 및

상기 반도체 스위치 SW1의 상기 제2단에 연결된 제1단 및 제2단을 포함하는 리액터,를 포함하는 승강압초퍼; 및

상기 리액터 L의 상기 제2단과 상기 전력 저장 매체의 사이를 연결하고, 상기 전력 저장 매체로부터의 방전 전류를 제어하는 방향으로 구비된 반도체 스위치 SW3, 및

상기 반도체 스위치 SW3와 역병렬로 연결된 다이오드 D3,를 포함하는 방전 제어 스위치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 직류 전력 저장 장치.