KR20120094983A - A multi-parallel energy storage system including multi-phases power converters for regulating the catenary voltage of electric railway - Google Patents

A multi-parallel energy storage system including multi-phases power converters for regulating the catenary voltage of electric railway Download PDF

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KR20120094983A
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이을재
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이경산전 주식회사
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Abstract

PURPOSE: A multi-parallel energy storage system including a multi-phase power converter is provided to stably maintain line voltages by controlling an electric power inverter by a line voltage estimation algorithm. CONSTITUTION: A multi-phase power converter is connected to a line(1) of an electric railway in parallel. An initial charge device(5) and a high speed direct current circuit breaker(4) connect or divide the line and an energy storage device. An input filter reactor(8) and an input filter capacitor(9) control current change and voltage change which are made according to the operation of an electric power inverter. A voltage transformer(10) measures the voltage of an input unit which passes a voltage transformer(3) for measuring the line voltage and a filter. A current transformer(24) measures currents which are supplied or absorbed to the line.

Description

전기철도 가선의 전압 안정화용 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치{A Multi-parallel Energy Storage System including Multi-phases Power Converters for regulating the Catenary Voltage of Electric Railway }A multi-parallel energy storage system including multi-phases power converters for regulating the catenary voltage of electric railway}

본 발명은 전기철도 가선의 전압 안정화용 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치로, 차량의 역행과 제동시 가선에 발생하는 전압 변동을 예측 알고리즘에 의해 판단하여 가선으로 전류를 주입 또는 흡수할 수 있는 다상으로 구성된 전력변환기와 다상 전력변환기의 인터리브드 PWM(Inter Leaved PWM) 제어방법 및 고장발생시 상분리 방법에 의해 출력 전압파형에 함유된 리플을 줄일 수 있고, 단위 에너지 저장부를 여러 개로 나누어 스위치에 의해 접속 또는 분리가 가능하도록 함으로써 고장이 발생한 해당 에너지 저장부만 분리하여 지속적인 운전이 가능하고, 용량의 증감이 자유로운 에너지 저장장치에 관한 것이다.
The present invention is a multi-parallel energy storage device having a multi-phase power converter for voltage stabilization of an electric railway wire, and determines the voltage fluctuations occurring in the wire during vehicle backing and braking by a prediction algorithm to inject or absorb current into the wire. It is possible to reduce the ripple in the output voltage waveform by controlling the interleaved PWM control method of the multi-phase power converter and the multi-phase power converter and the phase separation method in the event of a failure. The present invention relates to an energy storage device capable of continuously operating by separating only a corresponding energy storage unit in which a failure has occurred by allowing connection or disconnection by means of a failure.

전기철도 차량의 제동방법 가운데 차량이 가지고 있는 운동에너지를 전동기에 의해 전기에너지로 되돌려 전기가선에 공급함으로써 제동력을 얻는 전기제동방식인 회생제동(Regenerative Break)이 널리 사용되고 있다. Among the braking methods of electric railway vehicles, regenerative break, which is an electric braking method that obtains braking force by returning kinetic energy of a vehicle to electric energy by an electric motor and supplying the electric wire, is widely used.

회생제동 방법을 사용하면 가선 전체의 전기사용량을 줄일 수 있으며, 기계제동시 발생하는 소음, 분진, 브레이슈 마모를 방지할 수 있는 장점이 있어 전기철도 차량의 운행 방법으로 널리 사용되고 있다.
The regenerative braking method can reduce the electricity consumption of the entire wire, and it is widely used as a method of operating an electric railway vehicle because it has the advantage of preventing noise, dust, and abrasion wear generated during mechanical braking.

가선전압은 차량이 전기에너지를 사용하는 역행(Powering)모드에서는 가선의 전압이 정류기 전압강하로 인해 정격전압에 비해 낮아지고, 회생제동시 되돌려지는 에너지에 의해 가선의 전압이 정격전압 보다 높아지며, 가선에 나타나는 전압 변동에 의한 다른 기기의 전자파 장애는 물론 다른 전동차의 운행에 영향을 줄 수 있다. 더욱이 차량 거리가 멀거나 운행 차량의 수가 작을 경우, 회생제동에 의해 발생한 전압이 소모되지 않고 임계값을 넘는 경우에 차량에 탑재된 제동저항에 의한 전기에너지의 소모를 통해 제동하는 방법을 취하고 있어 가선전압의 심한 변동은 물론 에너지 사용 효율이 저감되는 단점을 가지고 있다.
In the powering mode in which the vehicle uses electric energy, the line voltage is lower than the rated voltage due to the rectifier voltage drop, and the line voltage becomes higher than the rated voltage due to the energy returned during regenerative braking. Electromagnetic disturbances of other equipment due to voltage fluctuations shown in the diagram may affect the operation of other electric vehicles as well. In addition, when the vehicle distance is far or the number of running vehicles is small, when the voltage generated by the regenerative braking is not consumed and when the threshold value is exceeded, the braking method uses the electric energy consumed by the braking resistor mounted on the vehicle. As well as severe fluctuations in voltage, energy use efficiency is reduced.

차량 운행에 따라 변동하는 가선전압의 안정화와 에너지 소비 효율을 향상하기 위해 전기 에너지의 축적과 공급이 가능한 대용량 에너지 저장소자와 전력변환기를 이용하여 가선에 전기를 공급하는 정류기와 병렬로 구성하는 방안이 선행 특허(출원번호 10-2008-7015332)와 선행 특허(출원번호 10-2008-0056217)에서 제안된 바 있다.
In order to stabilize the line voltage fluctuating with vehicle operation and to improve the energy consumption efficiency, it is necessary to configure a parallel structure with a rectifier that supplies electricity to the line using a large-capacity energy storage and power converter that can accumulate and supply electrical energy. It has been proposed in prior patents (application no. 10-2008-7015332) and prior patents (application no. 10-2008-0056217).

그러나 상술한 종래 기술의 에너지 저장시스템은, 에너지의 충전과 방전을 담당하는 전력변환기(DC/DC컨버터)가 한 개 또는 다수 개이라 하더라도 각각이 독립적으로 동작하여 오히려 가선의 전압에 스위칭 노이즈가 불규칙하게 중첩되어 가선 전압에 심각한 전압변동이 발생할 수 있으며, 한 개의 전력변환기에 고장이 발생하면 해당 에너지 저장매체를 이용한 충전과 방전이 불가능한 구조로 되어 있다.
However, in the above-described energy storage system of the prior art, even if there is one or more power converters (DC / DC converters) that are responsible for charging and discharging energy, each of them operates independently, so that switching noise is irregular at the line voltage. In this case, a severe voltage fluctuation may occur in the line voltage, and if a single power converter fails, charging and discharging using the corresponding energy storage medium is impossible.

특히, 하나의 가선에 여러 개의 에너지 저장시스템이 분포되어 연결되어 있는 경우 가선의 전압을 판독하여 충전 기준전압 이상에서 충전을 하고, 방전 기준 전압 이하에서 전기에너지를 방전하는 방법으로 운영함으로써 여러 대의 전차가 발생하는 가선 전압의 노이즈에 반응하여 빈번히 동작하는 문제점을 가지고 있고, 여러 개의 에너지 저장시스템 간의 에너지 충전과 방전이 이루어져서 효율적이지 못하다. 이러한 문제점을 회피하기 위해 정격전압 1500V인 가선에 대해 예를 들어 1800V의 충전 개시 전압을 두고 있으며, 1000V에서 방전을 시작하는 전압으로 설정하는 것과 같이 운전전압 밴드를 크게 두고 운영함으로써 가선전압은 크게 출렁이게 되는 문제점이 있다.In particular, when several energy storage systems are distributed and connected to a single wire, a plurality of tanks are operated by reading the voltage of the wire and charging above the charging reference voltage and discharging electric energy below the discharge reference voltage. Has a problem of frequently operating in response to the noise of the generated line voltage, and the energy charging and discharging between several energy storage system is not efficient. In order to avoid this problem, the charging start voltage of 1800V is applied to the wire with rated voltage of 1500V, and the operation voltage band is largely operated by setting the operating voltage band large, such as setting the voltage to start discharging at 1000V. There is a problem with this.

에너지 저장시스템에서 에너지를 저장하는 소자는 기본 단위의 소자가 가지고 있는 내압이 수 볼트(Volt)로 작으므로 많은 수를 직렬로 연결하고, 충분한 에너지를 저장하기 위해 많은 수를 병렬로 연결하여 에너지 저장부를 구성하고 있다. 많은 수의 직렬 연결된 에너지 저장 매체는 충전 또는 방전시 내부 손실에 의해 열이 발생하며, 내부 임피던스에 따라 충전 또는 방전되는 양이 달라지므로 직렬 연결된 소자의 전압 불평형이 발생하게 된다.
In the energy storage system, the energy storage device has a small internal voltage of several volts, so the large number is connected in series, and the large number is connected in parallel to save energy. It constitutes wealth. A large number of series-connected energy storage media generate heat due to internal loss during charging or discharging, and the amount of charge or discharge varies depending on internal impedance, resulting in voltage unbalance of the series-connected device.

단위 에너지 저장 소자에 충전된 전압이 내전압 이상이 되면 소손이 발생할 수 있어 보호를 위해 에너지 저장장치를 가선으로부터 분리하여야 하는 문제점이 발생하므로 에너지 저장장치로써의 역할을 수행할 수 없게 된다. 최근에 차량의 에너지 사용효율 증대를 목적으로 차량에 제동저항이 구비되어 있지 않은 차량을 도입하고 있는 추세이며, 이런 무저항 차량들이 운행하는 경우에는 에너지 저장장치가 가선전압의 상승을 반드시 억제하여야 하므로 높은 신뢰성이 요구된다.
When the voltage charged in the unit energy storage device is higher than the withstand voltage, burnout may occur, and thus, the energy storage device needs to be separated from the wires for protection, and thus, the energy storage device may not function as an energy storage device. Recently, in order to increase the energy use efficiency of a vehicle, a vehicle that is not equipped with a braking resistor is being introduced. In the case of such non-resistance vehicles, the energy storage device must suppress an increase in the line voltage because the vehicle has no high resistance. Reliability is required.

한편, 차량의 운행 빈도 변화 또는 가선에 연결된 차량의 수가 변화하게 되면 변전소에 기 설치된 에너지 저장장치의 용량을 조절할 필요가 있다. 그러나 종래의 기술은 최초 설계된 에너지 저장부의 용량과 전력변환기 용량의 조절이 자유롭지 못한 단점을 가지고 있다.
On the other hand, when the driving frequency of the vehicle or the number of vehicles connected to the line changes, it is necessary to adjust the capacity of the energy storage device pre-installed in the substation. However, the related art has a disadvantage in that the capacity of the initially designed energy storage unit and the power converter capacity are not freely adjusted.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에너지 저장장치를 이루고 있는 주요 부분인 전력변환기를 다상화하고 병렬 연결구조로 구성하고, 연결 또는 분리가 가능하도록 스위치를 장착한 에너지 저장부의 다중화로 에너지 저장장치 운영의 자유도를 높여 장치가 갖는 신뢰성과 확장성을 증대하고, 가선전압 변동을 정확하게 판단하는 알고리즘과 제어방법에 의해 가선전압의 안정화가 가능한 에너지 저장장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art described above, the power converter which is a main part of the energy storage device is multi-phased and configured in a parallel connection structure, the switch to be connected or disconnected By increasing the degree of freedom of operation of the energy storage device by multiplexing the installed energy storage unit, it increases the reliability and expandability of the device, and provides an energy storage device that can stabilize the line voltage by an algorithm and control method that accurately determines the fluctuation of the line voltage. It aims to do it.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전기철도 가선의 전압 안정화용 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치는, 회로의 연결 또는 분리가 가능한 스위치를 갖춘 다중 병렬구조의 에너지 저장부와; 페이스-랙 구조의 전력회로, 필터 리액터와 전류변성기를 기본단위로 다수 개가 병렬로 구성된 전력변환부와; 다수 개의 전력변환기를 인터리브드 PWM으로 제어하며 가선 전압의 변동을 예측할 수 있는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, a multi-parallel energy storage device having a multi-phase power converter for voltage stabilization of an electric railway wire according to the present invention comprises: a multi-parallel energy storage unit having a switch capable of connecting or disconnecting circuits; A power conversion unit including a plurality of face-rack structured power circuits, filter reactors, and current transformers in parallel as basic units; And a controller capable of controlling a plurality of power converters by interleaved PWM and predicting a change in the line voltage.

상기의 다중 병렬구조의 에너지 저장부는 전기에너지 저장매체를 직렬과 병렬 회로로 구성된 일정한 용량을 갖는 단위 에너지 저장모듈과 그 저장모듈마다 하나의 스위치와 감시부를 설치하여 기본 유니트를 구성하고, 상기 유니트를 병렬로 다수 개로 구성하여 해당 시스템이 필요한 용량을 구축하며 필요에 따라 순시적으로 회로 연결 및 분리가 가능한 구조를 갖추도록 구성한다. 감시부는 평상시 에너지 저장매체의 셀 전압 및 온도를 측정하고 상술한 제어부와 통신에 의해 이상 유무를 전달하며 스위치를 조작하여 해당 에너지 저장 유니트가 시스템에서 분리 또는 투입이 가능하도록 동작한다.
The energy storage unit of the multi-parallel structure comprises a unit energy storage module having a constant capacity consisting of an electric energy storage medium consisting of a series and a parallel circuit, and a basic unit by installing one switch and a monitoring unit for each storage module. It is configured so that the system builds the required capacity by constructing a plurality in parallel and has a structure that can be instantaneously connected and disconnected as needed. The monitoring unit normally measures the cell voltage and temperature of the energy storage medium, transmits the abnormality by communication with the above-described control unit, and operates the switch so that the corresponding energy storage unit can be separated or input from the system.

상기의 다상(Multi-Phase) 전력변환기는 전력용 반도체 소자 두 개를 페이스-랙 구조를 갖도록 연결하고, 두 개의 소자 사이에 필터 리액터와 전류변성기를 연결하여 하나의 기본 단위로 만들고, 설치 개소에 필요한 전력변환기의 전류용량에 맞도록 여러 개를 병렬로 연결하여 구성되며, 필요에 따라 증설이 가능한 구조를 갖는다. 다수 개가 병렬로 연결된 전력변환기에 위치한 전력용 반도체 소자들은 PWM 한 주기를 병렬 연결된 상 수로 나눈 위상 간격을 두고 전력용 반도체 소자를 온오프(ON/OFF) 제어하는 인터리브드 PWM 펄스로 구동되므로 가선에 전류를 주입 또는 가선으로부터 전류를 흡수함에 있어서 전류 리플 및 전압리플을 최소화할 수 있다.
The multi-phase power converter connects two power semiconductor devices to have a face-rack structure, connects a filter reactor and a current transformer between the two devices to form a single basic unit, It is composed by connecting several in parallel to meet the current capacity of power converter required, and has a structure that can be expanded as needed. Power semiconductor devices located in power converters connected in parallel are driven by interleaved PWM pulses that control the power semiconductor devices ON / OFF at a phase interval divided by a constant PWM period. Current ripple and voltage ripple can be minimized in injecting current or absorbing current from the wire.

이에 부가하여 상기의 다상 전력변환기 각각의 동작은 제어부에 의해 매 상(Phase)별로 모니터링 되며, 과전압, 과전류, 과온, 상불평형, 전력변환소자 이상 등의 고장이 검출된 상은 PWM 제어를 중단하고, 다음 PWM 주기에서는 병렬 연결된 상 수에서 제어가 중단된 상 수를 제외한 새로운 위상 간격을 생성하고 새로운 위상 간격을 갖는 인터리브드 PWM 구동신호를 전력변환기에 인가함으로써 가선전압의 제어를 자동으로 이어 갈 수 있는 알고리즘으로 동작된다.
In addition, the operation of each of the above-mentioned multi-phase power converter is monitored for each phase by the controller, and a phase in which a fault such as an overvoltage, an overcurrent, an overtemperature, a phase imbalance, or an abnormality in a power conversion element is detected stops PWM control. In the next PWM period, the control of the line voltage can be automatically continued by generating a new phase interval except for the control interrupted constant in the paralleled constant and applying an interleaved PWM driving signal having the new phase interval to the power converter. It works with an algorithm.

상기 다상 전력변환기는 변동하는 전기가선의 전압을 예측 알고리즘으로 구하여 미리 예측된 전압의 크기와 정격전압과의 오차를 줄이는 방향으로 가선으로 공급 또는 흡수하는 전류 목표값을 생성하고 인터리브드 PWM펄스를 생성하는 제어부에 의해 동작되므로 가선전압을 안정하게 제어할 수 있다.
The multi-phase power converter obtains the voltage of the fluctuating electric wires by using a prediction algorithm, generates a current target value for supplying or absorbing wires in the direction of reducing the error between the pre-predicted voltage magnitude and the rated voltage, and generates an interleaved PWM pulse. It is operated by the control unit can control the wire voltage stably.

상술한 구성에 부가하여 가선으로 연결되는 부분에 전류 안정화용 필터 리액터와 전압 안정화용 필름 콘덴서로 구성된 입력 필터부와 초기충전부, 방전회로부와 전압변성기, 전류변성기, 보호 퓨즈 및 고속도 직류차단기 등으로 구성된 검출 및 보호회로부를 더 구비하여 전기에너지의 충전과 방전이 가능하도록 구성된다.
In addition to the above-mentioned configuration, the input filter part composed of the current stabilization filter reactor and the voltage stabilization film capacitor in the part connected by wires, the initial charging part, the discharge circuit part, the voltage transformer, the current transformer, the protective fuse, and the high speed DC circuit breaker, etc. It further comprises a detection and protection circuit unit is configured to enable the charging and discharging of electrical energy.

본 발명의 특징은 다수 개의 병렬회로로 구성된 다상 전력변환기와 각각의 스위치를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치의 선택에 대한 자유도가 높아 전기가선의 전압 안정화를 위해 에너지를 충방전할 때 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있으며 부가적으로 에너지 절약효과를 높일 수 있다.
The present invention has a high degree of freedom in selecting a multi-phase power converter composed of a plurality of parallel circuits and a multi-parallel energy storage device having respective switches, thereby improving reliability of the system when charging and discharging energy for voltage stabilization of an electric wire. It can secure and additionally save energy.

다수 개의 병렬회로로 구성된 다상 전력변환기의 위상차에 의한 인터리브드 PWM 제어방법으로 스위칭 리플이 작게 발생하여 가선전압의 전력품질이 향상되고, 가선 전압 예측 알고리즘에 의한 전력변환기 제어로 가선전압을 안정하게 유지할 수 있다.
The interleaved PWM control method by the phase difference of the multi-phase power converter composed of multiple parallel circuits produces small switching ripple, which improves the power quality of the line voltage, and maintains the line voltage stably by controlling the power converter by the line voltage prediction algorithm. Can be.

또한, 전력변환기의 병렬 회로의 개수와 에너지 저장부의 병렬 회로의 수를 각각 추가 또는 제거가 가능하여 다양한 용량을 갖는 에너지 저장장치로 만들 수 있어 설치 개소별로 요구되는 각기 다른 용량을 구현하기 용이하여 시스템 구성의 다양화가 가능하여 설치 및 유지비용이 절감되는 효과를 제공한다.In addition, the number of parallel circuits of the power converter and the number of parallel circuits of the energy storage unit can be added or removed, respectively, so that it can be made into an energy storage device having various capacities, so that it is easy to implement different capacities required for each installation location. It is possible to diversify the configuration, thereby reducing the installation and maintenance costs.

도면 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치의 블록 구성도,
도면 2는 본 발명의 일 실시 예로써 4개의 전력변환기가 병렬로 연결되었다 가정한 4상 병렬로 구성된 전력변환기의 운전하는 방법을 설명한 그래프,
도면 3 다상 전력변환기 가운데 하나가 고장이 발생한 경우 나머지 전력변환기의 운전하는 방법을 설명한 그래프,
도면 4 급변하는 가선의 전압을 예측하는 알고리즘의 블록 구성도,
도면 5 가선전압을 제어하는 제어알고리즘의 제어 블록 구성도,
1 is a block diagram of a multiple parallel energy storage device having a multi-phase power converter according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph illustrating a method of operating a power converter configured in four-phase parallel, in which four power converters are connected in parallel according to one embodiment of the present invention;
3 is a graph illustrating a method of operating the remaining power converter when one of the polyphase power converters has failed;
4 is a block diagram of an algorithm for predicting voltage of a rapidly changing line,
5 is a control block diagram of a control algorithm for controlling a line voltage,

이하, 본 발명의 일 실시 예인 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치을 첨부하는 도면을 참고로 하여 동작방법과 실시에 따른 발명의 특징을 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a multi-parallel energy storage device having a multi-phase power converter which is an embodiment of the present invention will be described the characteristics of the operation method and the invention according to the embodiment.

도 1은 본 발명에 따른 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치(이하 에너지 저장장치)의 블록 구성도이고, 도2는 다상 전력변환기의 인터리브드 PWM제어를 설명하는 그래프이고, 도3은 도 2와 같이 동작하다가 한 개의 상에 문제가 발생한 경우 제어하는 방법을 설명한 그래프이며, 도 4는 가선전압을 예측하는 블록도 이며, 도 5는 가선전압 제어 블록도 이다.
1 is a block diagram of a multi-parallel energy storage device (hereinafter, referred to as an energy storage device) having a polyphase power converter according to the present invention, FIG. 2 is a graph illustrating interleaved PWM control of a polyphase power converter, and FIG. 2 is a graph illustrating a method of controlling when a problem occurs in one phase, FIG. 4 is a block diagram for predicting a line voltage, and FIG. 5 is a line voltage control block diagram.

도 1의 도시에서 전기철도의 가선(1)에 병렬로 연결되는 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치(100)는, 그 내부에 영구고장에 대한 보호 퓨즈(2)를 구비하고, 초기충전장치(5)와 고속도 직류차단기(4)에 의해 가선과 에너지 저장장치를 연결 또는 분리가 가능하도록 구성되어 있으며, 전력변환기 동작에 따라 발생하는 전류변동과 전압변동을 억제하고 충분한 에너지를 공급하기 위한 입력 필터 리액터(8)과 입력 필터 커패시터(9)를 구비하고, 가선측 전압측정용 전압변성기(3)와 필터를 거친 입력부의 전압을 측정한기 위한 전압변성기(10) 및 가선으로 공급 또는 흡수되는 전류를 측정하기 위한 전류변성기(8)를 갖추고 있으며, 다수 개의 전력변환기(20a~20n)가 입력필터부와 에너지 저장부 사이에 병렬로 연결되어 있고, 다중 병렬로 연결 구조의 에너지 저장부(60a~60n)와 방전 저항(51)과 방전 스위치(50)가 여기에 병렬로 더 구비되고, 에너지 저장부의 전압을 측정하기 위한 전압변성기(11) 및 에너지 저장장치 전체를 제어하는 제어부(90)와 사용자 인터페이스를 위한 모터링 장치(200)로 구성된다.
1, a multi-parallel energy storage device 100 having a multi-phase power converter connected in parallel to the electric wire 1 of the electric railway has a protection fuse 2 for permanent failure therein, and The charging device 5 and the high-speed DC circuit breaker 4 are configured to connect or disconnect the wire and the energy storage device, and to suppress the current fluctuations and the voltage fluctuations generated by the operation of the power converter and supply sufficient energy. It is provided with an input filter reactor (8) and an input filter capacitor (9) for supplying or absorbing the voltage transformer (3) for measuring the line side voltage and the voltage transformer (10) for measuring the voltage of the input part passing through the filter. It is equipped with a current transformer (8) for measuring the current to be generated, a plurality of power converters (20a ~ 20n) are connected in parallel between the input filter unit and the energy storage unit, and connected in multiple parallel The energy storage unit 60a to 60n, the discharge resistor 51 and the discharge switch 50 are further provided in parallel thereto, and control the voltage transformer 11 and the entire energy storage device for measuring the voltage of the energy storage unit. Consists of the controller 90 and the motoring device 200 for the user interface.

상술한 전력변환기(20a)의 기본 구성은 IGBT와 같은 전력용 반도체 소자(21과 22)가 페이스-랙 구조로 연결되어 있으며, 그 연결 중심부에 필터 리액터(23)와 전류변성기(24)가 하나씩 연결되어 독립적으로 동작이 가능하도록 되어 있고, 이러한 다수 개의 전력변환기가 서로 다른 위상에서 병렬로 동작하도록 제어부(90)에서 인터리브드 PWM 구동 펄스를 생성하여 다상 전력변환기(20a~20n)에 인가하여 에너지 변환이 가능하다. In the basic configuration of the power converter 20a, power semiconductor elements 21 and 22, such as an IGBT, are connected in a face-rack structure, and a filter reactor 23 and a current transformer 24 are formed at the center of the connection. In order to operate independently, the plurality of power converters generate an interleaved PWM driving pulse from the control unit 90 to operate in parallel in different phases, and apply the energy to the multiphase power converters 20a to 20n. Conversion is possible.

전력용 반도체 소자 가운데 상암(Upper Arm)의 소자(21)를 PWM 제어하면 가선(1)에서 에너지 저장부(60a~60n)로 전압을 강압하는 전력변환기로 동작을 하고, 하암(Lower Arm)에 있는 소자(22)를 PWM 펄스로 구동하면 에너지 저장부(60a~60n)에서 가선(1)으로 전압을 승압하는 전력변환기로 동작을 하게 된다. 에너지 흐름에 따라 다상의 전력변환기 내에 있는 각각의 상암 소자를 선택할 수도 있고, 각각의 하암 소자를 선택하여 PWM제어 할 수 있다. 해당 소자의 선택은 소프트웨어 또는 하드웨어로 구성이 가능하다.
PWM control of the upper arm device 21 among the power semiconductor devices operates as a power converter for stepping down the voltage from the wire 1 to the energy storage units 60a to 60n, and to the lower arm. When the device 22 is driven by a PWM pulse, the device 22 operates as a power converter for boosting the voltage from the energy storage units 60a to 60n to the line 1. According to the energy flow, each phase arm element in the multi-phase power converter may be selected, or each lower arm element may be selected and PWM controlled. The device selection can be configured in software or hardware.

각각의 전력변환기를 통해 흐르는 전류는 각각의 전류변성기를 통해 검출이 가능하며 합산에 의해 전체 전류의 계산이 가능하며, 모두 동일한 PWM펄스로 제어도 가능하며, 독립적인 전류제어기를 구성하여 각각의 PWM펄스폭 제어도 가능하다.
The current flowing through each power converter can be detected through each current transformer, and the total current can be calculated by the summation, all can be controlled by the same PWM pulse, and each PWM can be configured by an independent current controller. Pulse width control is also possible.

도 2에 본 발명의 일 실시 예로 4개의 전력변환기가 병렬로 연결된 경우를 가정하고, 전기에너지의 흐름은 가선으로부터 의 에너지 저장부로 저장되는 경우를 가정하여, 제어부(90)에서 발생하는 인터리브드 PWM 구동 신호(300a~300d)에 의해 각 전력변환기(20a~20d)의 출력전류 파형(400a~400d) 및 에너지 저장부로 주입되는 전류의 파형(500)을 나타낸 것으로 한 개 또는 다수 개라 하더라도 위상차가 나게 제어하지 않으면 중첩이 되거나 출력리플이 커지게 되지만, 본 발명과 같이 다상 전력변환기 구성법과 연결된 상 수에 비례하게 위상차를 두고 PWM 제어하는 인터리브드 PWM 방법으로 구현하면 출력리플을 줄일 수 있어 매끄러운 전류와 전압을 얻을 수 있다.
In FIG. 2, it is assumed that four power converters are connected in parallel, and that the flow of electric energy is stored in the energy storage unit from the wire, and the interleaved PWM generated by the control unit 90 is generated. The output current waveforms 400a to 400d of the power converters 20a to 20d and the waveform 500 of the current injected into the energy storage unit by the driving signals 300a to 300d are shown. If not controlled, overlapping or output ripple becomes large. However, when implemented with an interleaved PWM method of PWM control with a phase difference proportional to a constant connected to a multiphase power converter configuration method as in the present invention, output ripple can be reduced, resulting in a smooth current and Voltage can be obtained.

도 3은 상술한 도 2의 예에서 4개의 상을 갖는 전력변환기들 가운데 임의로 한 개(20b)가 고장이 발생한 경우를 가정하고, 전 샘플링 시간에서 한 개의 상의 고장을 발견하여, 다음 샘플링 시간에 나머지 세 개의 전력변환기로 인터리브드 PWM 펄스를 생성한 예를 나타낸다. 에너지 저장부로 주입되는 전류파형(500)은 고장 발생 이후에 상분리에 의해 3개의 리플을 갖게 되며 연속동작이 가능하도록 동작시킴으로써 전력변환기의 신뢰성을 향상할 수 있다.
FIG. 3 assumes a case where any one of the four phase power converters in the example of FIG. 2 has a failure, and finds a failure of one phase at the previous sampling time, and at the next sampling time. The following example shows how to generate interleaved PWM pulses with the remaining three power converters. The current waveform 500 injected into the energy storage unit has three ripples due to phase separation after a failure occurs and can be operated to enable continuous operation, thereby improving reliability of the power converter.

도 1에서 다중 병렬 연결 구조의 에너지 저장부(60a~60n)는 에너지 저장매체를 직렬과 병렬로 연결하여 구성된 일정한 용량을 갖는 단위 에너지 저장모듈(62)과 그 저장모듈마다 하나의 스위치(61)와 감시부(63)을 설치하여 기본 유니트(60a)를 구성하고, 상기 유니트 다수 개를 병렬로 연결하여 시스템에 필요한 용량을 갖도록 에너지 저장시스템을 다중 병렬구조로 구성할 수 있다. 감시부(63)는 평상시 에너지 저장매체의 셀 전압 및 온도를 측정하며 상술한 제어부와 통신에 의해 이상 유무를 전달하며, 내부 고장 발생시 스위치를 조작하여 해당 에너지 저장 유니트가 시스템에서 분리 또는 투입이 가능하도록 동작한다.
In FIG. 1, the energy storage units 60a to 60n of the multiple parallel connection structure have a unit energy storage module 62 having a constant capacity configured by connecting energy storage media in series and parallel, and one switch 61 for each storage module. And a monitoring unit 63 may be installed to form a basic unit 60a, and the energy storage system may be configured in a multi-parallel structure so as to have a capacity required for the system by connecting a plurality of units in parallel. The monitoring unit 63 measures the cell voltage and temperature of the energy storage medium and transmits abnormality by communication with the above-described control unit, and when the internal failure occurs, the corresponding energy storage unit can be separated or input from the system. To work.

단위 에너지 저장모듈(62)을 구성할 때 충분한 내압과 필요한 용량을 갖도록 하기 위해서는 많은 수의 에너지 저장매체를 직렬과 병렬로 연결하여 구조적인 문제를 가지고 있으며, 전기에너지 충방전시 내부 손실에 의해 열이 발생하므로 방열을 해주어야 하며, 각각의 내부 임피던스 차에 의해 셀전압의 불균형이 발생하고, 허용범위를 벗어나게 되면 소손이 이루어질 수 있으므로 고장이 발생한 해당 에너지 유니트만을 병렬회로에서 스위치를 개방하여 분리함으로써 나머지 정상적인 에너지 저장장치는 연속적으로 에너지의 충방전이 가능하도록 동작된다.
When constructing the unit energy storage module 62, in order to have sufficient internal pressure and necessary capacity, there are structural problems by connecting a large number of energy storage media in series and in parallel. Because of this, heat dissipation should be performed. Unbalance of cell voltage may occur due to the difference of internal impedance, and burnout may occur if it is out of the allowable range. Normal energy storage devices are operated to enable continuous charging and discharging of energy.

고장요소가 제거되어 정상동작이 가능하게 되면, 병렬로 연결된 다른 에너지 저장모듈의 전압과 비교하여 전압의 크기가 유사하면 스위치(61)을 닫아 병렬회로를 구성할 수 있다. 여기서, 다른 저장모듈의 전압과 유사하게 만드는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 도 1에 있는 방전 스위치(50)을 닫아 전기에너지를 방전저항을 통해 방전하여 다른 저장모듈의 전압을 재투입하려는 에너지 저장모듈과 같게 만든 후 강제방전을 중지하고 재투입하고자 하는 저장모듈의 스위치를 온(On)시킴으로써 병렬회로를 만드는 것이고, 두 번째 방법은 다른 저장모듈은 개방한 상태에서 재투입하려는 모듈을 가선(1)의 전압을 이용하여 충전을 하다가 다른 저장모듈의 전압과 같아지면 다른 모듈을 동시에 투입하는 방법이 있다. 고장모듈의 분리와 재투입의 시퀀스는 제어기에 의해 자동으로 제어된다.
When the faulty element is removed to enable normal operation, the parallel circuit may be configured by closing the switch 61 when the magnitude of the voltage is similar to that of other energy storage modules connected in parallel. Here, there are two ways to make the voltage similar to that of other storage modules. The first method is to close the discharge switch 50 in FIG. 1 to discharge the electrical energy through the discharge resistor to make the same as the energy storage module to re-inject the voltage of another storage module, and then stop the forced discharge and store the re-injection. The second method is to make a parallel circuit by switching on the module. The second method is to charge the module to be re-inserted while the other storage module is open using the voltage of line (1), If they are the same, there is a way to inject other modules at the same time. The sequence of disconnection and reloading of the faulty module is automatically controlled by the controller.

다음은 차량운행에 따라 불규칙하게 변동하는 가선 전압을 안정하게 검출하는 예측 알고리즘에 대해 설명한다.
The following describes a prediction algorithm that stably detects a line voltage that fluctuates irregularly with vehicle driving.

가선의 전압변동을 예측하는 방법으로 과거에 측정한 가선 전압 검출값과 현재 검출값 및 기울기로부터 다음 샘플링 시간에서의 가선전압을 예측하여 미리 전류제어에 사용함으로써 가선전압 변동을 최소로 하여 안정화가 가능하다. 현재 샘플 시간에서 가선의 전압 검출값을 s(n)이라 할 때에 가선 전압의 기울기 a(n)는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 단, k는 시간지연상수로 s(n-k)는 k 만큼 지연된 전압이므로 a(n)은 k샘플 구간 동안의 기울기가 된다.
As a method of predicting the voltage variation of a live wire, the wire voltage at the next sampling time is estimated from the measured wire voltage detection value, the current detection value, and the slope, and used for current control in advance to stabilize the wire voltage variation. Do. When the detected voltage value of the live line at the current sample time is s (n), the slope a (n) of the live line voltage can be expressed by Equation 1 below. However, since k is a time delay constant and s (nk) is a voltage delayed by k, a (n) is a slope during k sample intervals.

수학식 1Equation 1

Figure pat00001
Figure pat00001

구해진 전압 변화량에 대해 왜란 및 써지 등에 의한 갑작스런 변화를 방지하기 위해 방형창을 갖는 FIR필터에 통과시키면 하기의 수학식 2로 정리하여 쓸 수 있다. 수학식 2에서 I는 창함수의 크기이고, w는 창함수의 값을 나타낸다.
In order to prevent a sudden change due to disturbance and surge for the obtained voltage change amount, passing through an FIR filter having a rectangular window can be written as Equation 2 below. In Equation 2, I is the size of the window function, w represents the value of the window function.

수학식 2Equation 2

Figure pat00002
Figure pat00002

수학식 2의 값은 현재까지의 전압 기울기의 평균값을 의미하므로 짧은 구간 동안 전압의 변화가 정격운전 범위 내에 있다고 가정하면 1 샘플만큼 예측된 전압 기울기를 하기의 수학식 3과 같이 얻을 수 있다.
Since the value of Equation 2 means the average value of the voltage slope to date, it can be obtained as Equation 3 below by assuming that the change in voltage for a short period is within the rated operation range.

수학식 3Equation 3

Figure pat00003
Figure pat00003

수학식 3으로부터 가선 전압의 예측값을 하기의 수학식 4와 같은 1차함수로 나타낼 수 있다. 여기서, b(n)는 1차함수의 절편값으로 수학식 5와 같이 표현이 가능하다. 도 4에 가선 전압 예측값을 구하기 위한 블록도를 나타내었다. 여기서 얻어진 가선전압 예측값은 전력변환기의 구동을 위한 PWM 펄스폭 제어에 사용된다.
From Equation 3, the predicted value of the line voltage may be represented by a first-order function such as Equation 4 below. Here, b (n) is an intercept value of the first function and can be expressed as in Equation 5. 4 is a block diagram for obtaining a line voltage prediction value. The estimated line voltage value obtained here is used to control the PWM pulse width for driving the power converter.

수학식 4Equation 4

Figure pat00004
Figure pat00004

수학식 5Equation 5

Figure pat00005
Figure pat00005

도 5에서 가선전압 기준값은 일반적인 가선 750V 또는 1500V인 고정값으로 지령하면 되고, 피드백 되는 가선 전압 검출값을 현재의 검출값을 대신해서 도 4에서 예측한 값으로 대입하여 제어하면 전압제어기의 출력으로 미리 예측된 전류지령값이 생성된다. 전류제어기의 입력으로 지령값과 실측값의 오차를 대입함으로써 전력변환기의 구동을 위한 PWM 펄스폭을 예측하여 계산할 수 있다. 따라서 급변하는 가선전압을 에너지 저장장치를 이용하여 안정화 할 수 있으며, 일정한 가선 전압의 운용으로 에너지 사용 절감을 이룰 수 있다.
In FIG. 5, the reference value of the line voltage may be set to a fixed value of general line 750V or 1500V, and the feedback line voltage detection value is substituted into the value predicted in FIG. 4 instead of the current detection value to control the output of the voltage controller. A predicted current command value is generated. By substituting the error between the command value and the measured value as the input of the current controller, the PWM pulse width for driving the power converter can be estimated and calculated. Therefore, the rapidly changing line voltage can be stabilized using an energy storage device, and energy use can be reduced by operating a constant line voltage.

1: 전기철도의 가선 2:보호 퓨즈
3: 가선측 전압변성기 4: 고속 직류 차단기
5: 초기충전부 6: 단로기
7: 입력 전류변성기 8: 입력 필터 리액터
9: 입력 필터커패시터 10: 입력측 전압변성기
11: 에너지 저장부측 전압변성기
20a: 전력변환기 단위구성 a그룹 21: 상암 전력용 반도체 소자
22: 하암 전력용 반도체 소자 23: 필터 리액터
24: 전류변성기
20b: 전력변환기 단위구성 b그룹 20n: 전력변환기 단위구성 n그룹
50: 방전용 스위치 51: 방전 저항
60a: 에너지 저장부 a그룹 61: 에너지 저장부 개폐 스위치
62: 에너지 저장모듈 63: 에너지 저장매체 감시부
60b: 에너지 저장부 b그룹 60n: 에너지 저장부 n그룹
90: 제어부 100: 에너지 저장장치
200: 모니터링 장치 300a~300d: 인터리브드 PWM 구동신호
400a~400d: 출력 전류파형 500: 합쳐진 출력파형
s(n): 검출된 전압 a(n): 기울기
b(n): 1차함수의 절편 :1샘플 예측된 가선의 전압
s*: 가선 전압 기준값 I*:전류제어 기준값
Ireal: 실측 전류값
1: wire of electric railway 2: protection fuse
3: line side voltage transformer 4: high speed DC circuit breaker
5: initial charging part 6: disconnector
7: input current transformer 8: input filter reactor
9: input filter capacitor 10: input voltage transformer
11: Voltage transformer on the energy storage side
20a: Power converter unit configuration a group 21: semiconductor device for phase power
22: semiconductor device for haam power 23: filter reactor
24: current transformer
20b: power converter unit configuration b group 20n: power converter unit configuration n group
50: discharge switch 51: discharge resistance
60a: energy storage unit a group 61: energy storage unit switching switch
62: energy storage module 63: energy storage medium monitoring unit
60b: group n of energy storage 60n: group n of energy storage
90: control unit 100: energy storage device
200: monitoring device 300a to 300d: interleaved PWM drive signal
400a to 400d: output current waveform 500: combined output waveform
s (n): detected voltage a (n): slope
b (n): Intercept of 1st order function: 1 sample Predicted line voltage
s * : line voltage reference value I * : current control reference value
I real : Actual current value

Claims (7)

전기철도 차량의 가선의 전압 변동을 억제하기 위해 전기에너지를 흡수 또는 공급할 수 있도록 분리가 가능한 다중 병렬구조의 에너지 저장 장치와;
상기 가선에 전압 변동을 억제하기 위해 전기에너지를 공급 또는 흡수할 때 가선 전압을 평활화 할 수 있는 여러 개의 페이스-랙(Phase Leg) 구조를 갖는 다상의 전력변환기;
가선의 전압변동을 예측하여 조기에 전압변동을 억제하는 가선전압 변동 예측알고리즘을 구현한 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 가선 전압 안정화용 다상 전력변환기를 구비한 다중 병렬 에너지 저장장치.
An energy storage device having a multi-parallel structure that can be separated to absorb or supply electric energy to suppress voltage fluctuations of wires of an electric railway vehicle;
A multiphase power converter having a plurality of phase leg structures capable of smoothing the line voltage when supplying or absorbing electrical energy to suppress voltage fluctuations in the line;
And a control unit that implements a line voltage change prediction algorithm that suppresses voltage change at an early stage by predicting a voltage change of the line. The multi-parallel energy storage device having a multi-phase power converter for stabilizing the line voltage.
제 1항에 있어서,
회로의 연결 또는 분리가 가능한 다중 병렬구조의 에너지 저장부는, 전기에너지 저장매체를 직렬과 병렬 회로로 구성하여 형성된 단위 저장모듈와 그 모듈마다 하나의 스위치와 감시부를 부착한 유니트를 기본 구성으로 하며, 다수 개의 상기 유니트가 병렬로 구성되어 필요에 따라 순시적으로 회로 연결 및 분리가 가능한 구조를 갖는 에너지 저장장치.
The method of claim 1,
The energy storage unit of the multi-parallel structure capable of connecting or disconnecting circuits includes a unit storage module formed by configuring an electric energy storage medium in series and parallel circuits, and a unit having one switch and a monitoring unit for each module. An energy storage device having a structure in which the two units are configured in parallel to enable instantaneous circuit connection and disconnection as necessary.
제 2항에 있어서,
전기에너지 저장매체는, 전기이중층 커패시터(Electric Double Layered Capacitor, 또는 Ultra Capacitor) 또는 고용량 이차전지 중 동일한 종류의 저장매체로 구성하여 사용하는 연결 및 분리가 가능하고, 필요에 따라 용량의 증감이 용이한 다중 병렬구조의 에너지 저장장치.
The method of claim 2,
The electrical energy storage medium can be connected and separated using the same type of storage medium, either an electric double layered capacitor or an ultracapacitor or a high capacity secondary battery, and the capacity can be easily increased or decreased as needed. Multiple parallel energy storage devices.
제 1항에 있어서,
여러 개의 페이스-랙 구조를 갖는 다상의 전력변환기는;
두 개의 전력용 반도체 스위치가 직렬로 연결되어 있는 페이스-랙 구조의 전력회로와, 페이스-랙 구조의 중심에 연결된 필터 리액터와 전류변성기를 기본단위로 구성되며, 이러한 전력변환기의 다수 개가 병렬로 연결되어 인터리브드 PMW(Inter leaved PWM)에 의해 각기 다른 위상에서 동작하며, 필요 용량에 따라 병렬 개수의 증감이 용이한 다상 전력변환기를 구비한 에너지 저장장치.
The method of claim 1,
A multiphase power converter having a plurality of face-rack structures;
It consists of a face-rack power circuit in which two power semiconductor switches are connected in series, a filter reactor and a current transformer connected to the center of the face-rack structure in basic units, and many of these power converters are connected in parallel. It is an energy storage device having a multi-phase power converter that is operated in different phases by interleaved PMW (Inter leaved PWM), and easy to increase or decrease the number of parallel according to the required capacity.
제 1항 내지 제 4항에 있어서,
여러 개의 페이스-랙 구조를 갖는 다상의 전력변환기는;
다수 개의 페이스-랙 구조 가운데 문제가 발생한 상을 분리하는 경우에 분리된 상(Phase)의 개 수 만큼 위상을 자동으로 조절하여 연속 동작이 가능한 다상 전력변환기의 제어방법을 구비한 에너지 저장장치.
The method according to claim 1, wherein
A multiphase power converter having a plurality of face-rack structures;
An energy storage device having a control method of a multi-phase power converter capable of continuously operating by automatically adjusting phases by the number of separated phases when separating a problematic phase among a plurality of face-rack structures.
제 1항에 있어서
가선전압 변동 예측알고리즘을 구현한 제어부는;
상기 전기철도 차량의 역행운전과 제동시에 발생하는 가선전압의 변화를 매 샘플링 시간 마다 검출하여, 단위시간 동안의 변화량으로부터 1 샘플 앞선 가선 전압의 예측값을 연산으로부터 구하고, 가선전압 지령값과 예측값을 비교하여 전류지령치 및 PWM 제어 펄스폭을 순차적으로 연산하는 제어부가 구비되어 가선전압을 효과적으로 안정화할 수 있고, 제동저항이 없는 전기철도차량과 제동저항이 있는 전기철도차량에 공히 적용할 수 있는 에너지 저장장치.
The method of claim 1, wherein
The controller implementing the line voltage variation prediction algorithm;
The change in the line voltage generated during retrograde driving and braking of the electric railway vehicle is detected at every sampling time, and the predicted value of the line voltage preceding one sample is calculated from the calculation during the unit time, and the line voltage command value and the predicted value are compared. It is equipped with a control unit that calculates the current command value and PWM control pulse width sequentially so that the wire voltage can be effectively stabilized, and can be applied to both electric railway vehicles without braking resistors and electric railway vehicles with braking resistors. .
제 1항에 있어서
가선전압 변동 예측알고리즘을 구현한 제어부는;
정전시 에너지 저장장치에 저장된 전기에너지를 다양한 통신수단을 이용하여 원격제어에 의해 가선에 전기 에너지를 공급함으로써 인근 역사에 정차가 가능하도록 하는 피난 에너지 공급 운전방법이 구비된 에너지 저장장치.

The method of claim 1, wherein
The controller implementing the line voltage variation prediction algorithm;
An energy storage device equipped with an evacuation energy supply operation method for allowing electric energy stored in an energy storage device to stop at a nearby history by supplying electrical energy to a live line by remote control using various communication means during a power failure.

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CN103094976A (en) * 2013-01-21 2013-05-08 华南理工大学 Device of overhead line captive test (CT) taking energy power supply
CN108306320A (en) * 2017-12-11 2018-07-20 广州智光电气股份有限公司 A kind of energy accumulation current converter and energy storage converter system
CN110165676A (en) * 2019-05-08 2019-08-23 华北电力大学 The compound direct current flow controller for having failure current limit and cut-out function

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