KR20150044552A - 철도 차량용 전력공급시스템 - Google Patents

철도 차량용 전력공급시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지를 탑재하여 독립운행이 가능하며 철도차량의 에너지원을 다양화할 수 있는 철도 차량용 전력공급시스템을 제공한다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 철도 차량에 배치된 연료전지 발전부, 상기 연료전지 발전부에 연결되며 상기 철도 차량의 동력을 생성하는 추진부, 상기 연료전지 발전부와 상기 철도 차량의 외부 계통 사이의 전력을 양방향으로 변환하는 계통연계 양방향 전력 변환부 및 상기 연료전지 발전부, 추진부 및 계통연계 양방향 전력 변환부 사이의 전력 방향을 절환하는 전력 방향 절환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템을 개시한다.

Description

철도 차량용 전력공급시스템{Power supply system for railway vehicle}
본 발명의 일 실시예는 철도 차량용 전력공급시스템에 관한 것이다.
전력수요가 급증함에 따라 전력부족현상이 가중되고 있고 국가적 정전사태를 방지하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있으나 전적으로 외부로부터 공급되는 전력에 의존하는 전기철도차량은 대중교통수단으로서 전력사용량을 함부로 줄일 수 없는 형편이다. 이에 따라 전력을 소비만 하는 현재의 전기철도차량을 대체할 수 있는 독립 발전이 가능하고 필요 시 전력을 외부에 공급할 수 있는 새로운 개념의 철도차량이 필요한 실정이며 그 요구조건을 충족시킬 수 있는 철도차량으로서 연료전지 철도차량이 대안으로 떠오르고 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지를 탑재하여 독립운행이 가능하며 철도차량의 에너지원을 다양화할 수 있는 철도 차량용 전력공급시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 철도전력의 부족 시 비상전원으로 사용이 가능한 철도 차량용 전력공급시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 철도 차량용 전력공급시스템은 철도 차량에 배치된 연료전지 발전부, 상기 연료전지 발전부에 연결되며 상기 철도 차량의 동력을 생성하는 추진부, 상기 연료전지 발전부와 상기 철도 차량의 외부 계통 사이의 전력을 양방향으로 변환하는 계통연계 양방향 전력 변환부 및 상기 연료전지 발전부, 추진부 및 계통연계 양방향 전력 변환부 사이의 전력 방향을 절환하는 전력 방향 절환부를 포함한다.
상기 연료전지 발전부와 전력 방향 절환부 사이에 배치된 에너지 저장장치를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장장치는 충방전이 가능한 2차 전지로 구성될 수 있다.
상기 연료전지 발전부는 연료전지 및 BOP(Balance of Plant)로 구성될 수 있다.
상기 연료전지 발전부와 상기 에너지 저장장치 사이에는 다이오드가 형성되며, 상기 다이오드는 상기 연료전지 발전부로부터 상기 에너지 저장장치 및 전력 방향 절환부로 전류를 흐르게 할 수 있다.
상기 전력 방향 절환부는 상기 연료전지 발전부 측으로 설치된 제1스위치, 상기 추진부 측으로 설치된 제2스위치, 상기 계통연계 양방향 전력 변환부 측으로 설치된 제3스위치 및 상기 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치의 동작을 각각 제어하는 전력 방향 절환 제어기를 포함할 수 있다.
상기 계통연계 양방향 전력 변환부는 상기 제3스위치에 연결된 제1변환기, 상기 제1변환기에 연결된 변압기, 상기 변압기와 상기 외부 계통 사이에 전류를 변환하는 제2변환기와 제3변환기 및 상기 제1변환기, 제2변환기 및 제3변환기의 동작을 각각 제어하는 양방향 전력 변환 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제1변환기는 직류/교류 변환기로 구성되고, 제2변환기는 교류/교류 변환기로 구성되며, 제3변환기는 교류/직류 변환기로 구성될 수 있다.
제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치 각각은 전력 방향 절환 시 상호 인터락(Interlock) 기능이 주어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템은 연료전지를 탑재하여 독립운행이 가능하며 철도차량의 에너지원을 다양화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템은 철도전력의 부족 시 비상전원으로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템의 전력절환부를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템의 계통연계 양방향 전력변환부를 도시한 블록도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템의 전력 방향 절환부를 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템의 계통연계 양방향 전력 변환부를 도시한 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템(100)은 철도 차량(10) 내부에 탑재되는 연료전지 발전부(110), 에너지 저장장치(120), 전력 방향 절환부(130), 추진부(140) 및 계통연계 양방향 전력 변환부(150)로 구성된다.
여기서, 철도 차량(10)은 가선(11)을 통해 외부 계통(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 연료전지 발전부(110)는 연료전지와 BOP(Balance of Plant)로 구성되어 있고 수소와 공기를 공급받아 전기화학적인 과정을 통하여 전기를 발생시켜 전력을 외부로 공급한다. 즉, 철도 차량(10) 내부에 연료전지 발전부(110)가 직접 탑재되어, 철로 차량(10)에서 독립적인 운행이 가능하다.
상기 에너지 저장장치(120)는 기본적으로 충방전이 가능한 2차 전지로 구성된다. 여기서, 상기 2차 전지는 충전 또는 방전시간이 짧고 충전 또는 방전 전류가 큰 특징을 가진다. 또한, 상기 2차 전지는 철도 차량(10)이 제동 중에 발생한 회생 에너지를 저장할 수 있다.
여기서, 상기 연료전지 발전부(110)와 상기 에너지 저장장치(120) 사이에는 다이오드(111)가 배치되어, 연료전지 발전부(110)에서 에너지 저장장치(120), 상기 추진부(140) 또는 외부 계통(미도시)으로 전류가 흐를 수 있도록 하고, 이 역방향으로 전류가 흐르는 것을 방지한다.
상기 에너지 저장장치(120)는 연료전지 발전부(110)의 느린 부하 응답성을 보상하기 위하여 부하 변화에 대한 빠른 응답특성을 가지고 연료전지 발전부(110)의 기능 정지 및 외부로부터 전력을 공급받지 못하는 경우가 발생하면 철도 차량(10)을 가능한 안전한 장소까지 이동시키기 위한 비상 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
상기 전력 방향 절환부(130)는 연료전지 발전부(110)와 에너지 저장장치(120)에서 추진부(140)를 구동하기 위한 전력 공급 라인, 연료전지 발전부(110)와 에너지 저장장치(120)에서 철도 차량(10) 외부 계통(미도시)으로 전력을 공급하기 위한 전력 공급 라인, 철도 차량(10) 외부 계통(미도시)에서 전력을 공급받아 에너지 저장장치(120)에 충전 전류를 공급하고 철도 차량(10)의 추진부(140)를 구동시키기 위한 전력 공급 라인에서 필요에 따라 전력 공급 라인의 방향을 절환한다.
상기 전력 방향 절환부(130)는 도 2를 참조하면, 전력 방향 절환 스위치(131, 132, 133)는 최소 3개로 구성되고 전력 방향 절환 제어기(134)에 의해 제어된다.
여기서, 상기 전력 방향 절환 제어기(134)는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 전력공급시스템(100)의 다른 제어기와 통신을 수행하여 다양한 정보를 교환하는 것이 가능하다.
상기 전력 방향 절환 스위치(131, 132, 133) 중 제1스위치(131)은 상기 연료전지 발전부(110)와 에너지 저장장치(120) 측으로 형성되고, 제2스위치(132)는 상기 추진부(140) 측으로 형성되며, 제3스위치(133)는 외부 계통과 전력을 주고 받는 측으로 형성된다.
여기서, 상기 전력 방향 절환 스위치(131, 132, 133)의 동작은 운전자의 조작에 따른 전력 방향 절환 제어기(134)에 의해 제어되며 각각의 전력 방향 절환 시 장치 보호 및 안전을 위하여 상호 인터락(Interlock) 기능이 주어진다.
여기서, 상기 전력 방향 절환 스위치(131, 132, 133)의 동작을 전원과 부하 측면에서 살펴보면 다음의 [표 1]과 같다.
전원 부하 ON OFF
연료전지 발전부(110) 추진부(140) 제1스위치(131) 및 제2스위치(132) 제3스위치(133)
추진부(140) 에너지 저장장치(120) 제1스위치(131) 및 제2스위치(132) 제3스위치(133)
연료전지 발전부(110) 외부 계통 제1스위치(131) 및 제3스위치(133) 제2스위치(132)
외부 계통 에너지 저장장치(120) 또는 추진부(140) 제1스위치(131), 제2스위치(132) 및 제3스위치(133) -
상기 계통연계 양방향 전력 변환부(150)는 철도 차량(10)에서 발전된 전력을 철도 차량(10)의 외부 계통에 공급하거나 철도 차량(10)의 외부 계통으로부터 철도 차량(10)으로 전력을 공급받을 때 전기적인 상호 교류가 가능하도록 전압의 종류 및 크기에 따라 전력을 양방향으로 변환한다.
여기서, 계통연계 양방향 전력 변환부(150)는 철도 차량(10)의 외부 계통의 전압 종류에 따라 전력 변환은 직류/직류 및 직류/교류로 구분된다.
즉, 철도 차량(10)과 외부 계통 간에 전력을 공급할 때 철도 차량(10) 측의 저압은 고압으로 변환되어 외부 계통에 공급되고, 외부 계통의 고압은 철도 차량(10) 측 저압으로 변환되어 철도 차량(10)으로 공급된다.
상기 계통연계 양방향 전력 변환부(150)의 구성을 자세히 살펴보면, 철도 차량(10) 내 연료전지 발전부(110)에서 생성되거나 추진부(140)에서 회생 시 발생된 직류를 교류로 변환하기 위한 제1변환기(151)(직류/교류 변환기), 변환된 교류를 외부의 전압크기로 전환하기 위한 변압기(152), 상기 변압기(152)의 출력을 직류로 사용하는 외부 계통으로 공급하기 위한 제2변환기(153)(교류/직류 변환기), 상기 변압기(152)의 출력을 교류로 사용하는 외부 계통으로 공급하기 위한 제3변환기(154)(교류/교류 변환기) 및 제1변환기(151), 제2변환기(153) 및 제3변환기(154)들의 동작을 감시하고 제어하기 위한 양방향 전력 변환 제어기(155)로 구성된다.
여기서, 상기 변압기(152)의 출력 측은 외부 계통에 직류와 교류를 공급하기 위해 상이한 두 개의 전압 크기로 각각 출력하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정/변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100; 철도 차량용 전력공급시스템
110; 연료전지 발전부 120; 에너지 저장장치
130; 전력 방향 절환부 140; 추진부
150; 계통연계 양방향 전력 변환부

Claims (9)

  1. 철도 차량에 배치된 연료전지 발전부;
    상기 연료전지 발전부에 연결되며 상기 철도 차량의 동력을 생성하는 추진부;
    상기 연료전지 발전부와 상기 철도 차량의 외부 계통 사이의 전력을 양방향으로 변환하는 계통연계 양방향 전력 변환부; 및
    상기 연료전지 발전부, 추진부 및 계통연계 양방향 전력 변환부 사이의 전력 방향을 절환하는 전력 방향 절환부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부와 전력 방향 절환부 사이에 배치된 에너지 저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치는 충방전이 가능한 2차 전지로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부는 연료전지 및 BOP(Balance of Plant)로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부와 상기 에너지 저장장치 사이에는 다이오드가 형성되며,
    상기 다이오드는 상기 연료전지 발전부로부터 상기 에너지 저장장치 및 전력 방향 절환부로 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 방향 절환부는 상기 연료전지 발전부 측으로 설치된 제1스위치, 상기 추진부 측으로 설치된 제2스위치, 상기 계통연계 양방향 전력 변환부 측으로 설치된 제3스위치 및 상기 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치의 동작을 각각 제어하는 전력 방향 절환 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 계통연계 양방향 전력 변환부는 상기 제3스위치에 연결된 제1변환기, 상기 제1변환기에 연결된 변압기, 상기 변압기와 상기 외부 계통 사이에 전류를 변환하는 제2변환기와 제3변환기 및 상기 제1변환기, 제2변환기 및 제3변환기의 동작을 각각 제어하는 양방향 전력 변환 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1변환기는 직류/교류 변환기로 구성되고, 제2변환기는 교류/교류 변환기로 구성되며, 제3변환기는 교류/직류 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치 각각은 전력 방향 절환 시 상호 인터락(Interlock) 기능이 주어지는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 전력공급시스템.
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