KR20180079712A - 전동차의 회생에너지 검출장치 및 방법과 회생에너지 저장 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents

전동차의 회생에너지 검출장치 및 방법과 회생에너지 저장 시스템 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

전동차의 운행정보 및 가선전압 정보를 이용하여 회생에너지를 검출하는 장치 및 방법이 제공된다. 회생에너지 검출장치는 에너지 저장 제어 장치와 네트워크로 연결되며, 가선으로부터 전력을 공급받는 전동차의 회생제동에 따라 발생하는 회생에너지를 검출한다. 회생에너지 검출장치는, 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 수집하는 운행정보 수집부와, 가선전압의 변동정보를 수집하는 가선전압 정보 수집부와, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하는 제어부와, 에너지 저장 제어 장치가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록, 에너지 저장 제어 장치에 회생에너지 검출신호를 전송하는 전송부를 포함한다.

Description

전동차의 회생에너지 검출장치 및 방법과 회생에너지 저장 시스템 및 그 동작 방법{Apparatus of sensing regenerative energy of electric railway and method thereof and regenerative energy storage system and operating method thereof}
본 발명은 일정한 운행루틴을 가지는 전동차의 회생에너지를 저장하는 장치를 위해 전동차의 회생제동을 검출하는 회생에너지 검출장치 및 방법과 회생에너지 검출장치를 포함한 회생 에너지 저장 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 전동차는 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다. 이러한 회생제동방식은 전체 시스템의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈(brake shoe)의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 채용범위가 점차 확대되고 있다.
그러나 이러한 회생전력은 가선에 순간적으로 큰 전압을 인가시킴으로써 가선전압을 변동시켜 시스템을 불안정하게 할 뿐 아니라, 후행하는 전기철도 차량이 그 전압을 수용하지 못하는 경우 가선전압의 변동요인으로만 작용하여 후행 전동차의 고장 원인이 되거나 가선이 전압을 수용하지 못해 전동차의 자기 저항에서 회생전력을 소비하는 회생실효 상태가 발생하기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 DC 정류기에 회생용 인버터(inverter)를 설치하여 가선의 전압을 교류로 전환하여 전원으로 반환하거나 철도 배전시설에 사용하며, 또한, 가선으로부터 회생전력을 받아 저장하는 별도의 에너지저장장치(Energy Saving System, ESS)를 적용하여 회생에너지를 활용하고 있다.
현재 철도에서 일반적으로 사용하고 있는 에너지저장시스템은 가선의 전압이 일정하다는 전제하에 가선전압보다 일정전압 이상 상승 혹은 하강하였을 때 에너지저장 시스템을 충전 혹은 방전하도록 설정하게 된다. 그러나 회생에너지의 가선 내 자체 재활용, 변전 설비의 용량 증대에 따라 역행시 발생되는 가선전압의 전압강하폭이 축소되었기 때문에 에너지 저장장치의 방전개시 전압을 일정전압으로 설정하는 것은 매우 어렵다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템 기반에서 가선전압 변동상태를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 실제로 전동차의 역행시 발생하는 전압강하(약 15V)보다 변전소 자체의 전압 변동 및 기타 외부 요인에 의한 가선전압 변동폭(수전전압의 3%)이 더 크다. 이러한 이유로 인하여 회생전원 저장 시스템이 송전압 상승에 의한 가선전압 상승을 회생제동에 의한 것으로 인식하여 충전하거나 그 반대의 경우 방전을 수행하게 된다. 이 과정에서 송전 전압의 무의미한 변환에 의한 손실이 발생하는 한편, 에너지 저장장치의 과충전 혹은 과방전에 인한 기대수명의 감소가 우려되고 있다.
등록특허 10-1224570, 철도차량의 에너지 저장 시스템 기반 자동 튜닝 방법( 2013. 1. 21 공고) 등록특허 10-1273267, 에너지저장장치를 이용한 지능형 에너지 관리 시스템( 2013. 6. 11 공고)
본 발명은 전동차의 운행정보를 수집하고, 수집된 운행정보를 이용하여 회생에너지 저장 장치의 운전 시점을 지정하여, 가선전압 변동에 대한 반응성을 향상시키고, 주로 급전계통의 전압변동에 의해 발생되는 회생에너지와 무관계한 충방전을 방지하여 전체 전력계통의 효율 및 회생에너지 저장 시스템의 내구성과 안정성을 향상시키는 회생에너지 검출장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 제어 장치와 네트워크로 연결되며, 가선으로부터 전력을 공급받는 전동차의 회생에너지를 검출하는 장치는, 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 수집하는 운행정보 수집부와, 가선전압의 변동정보를 수집하는 가선전압 정보 수집부와, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하는 제어부와, 에너지 저장 제어 장치가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록, 에너지 저장 제어 장치에 회생에너지 검출신호를 전송하는 전송부를 포함한다.
운행정보는, 전동차의 위치, 속도, 가속도 및 주행 방향 정보를 포함할 수 있다.
가선전압 정보 수집부는, 제어부는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전 종료 신호를 생성하고, 전송부는 충전 종료 신호를 에너지 저장 제어 장치로 전송하여, 에너지 저장 제어 장치가 충전을 종료하도록 할 수 있다.
운행정보 수집부는 전동차의 위치를 감지하여 제어부로 전달하고, 제어부는 운행정보 수집부로부터 수신된 전동차의 위치정보를 이용하여 전동차가 접근하고 있는지 여부를 결정하고, 전동차가 회생에너지 검출장치로 접근하고 있으며, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 전동차의 회생제동이 시작되었다고 결정하고, 회생에너지 검출신호를 생성할 수 있다.
회생에너지 검출장치는 전동차로 전력을 공급하는 가선, 선로의 특정 지점 또는 철도시설물 주변에 설치되어 전동차의 회생제동 상황 정보를 실시간으로 확인하여 에너지 저장 제어 장치로 전송할 수 있다.
운행정보 수집부는, 전동차의 위치 정보 및 속도를 측정하는 감지부 및 전동차의 가속도를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.
운행정보 수집부는, 전동차에 포함되어 운행정보를 생성하는 운행정보 제공장치로부터 전동차의 운행정보를 전달받아 수집할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 회생에너지 검출장치 및 에너지 저장 제어 장치가 네트워크로 연결된 회생에너지 저장 시스템은, 전동차의 가속도를 포함한 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하고, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 에너지 저장 제어 장치로 전송하는 회생에너지 검출장치와, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 이용하여, 가선전압이 증가하는 제1 조건 및 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하고, 회생에너지 충전이 개시되도록 제어하는 에너지 저장 제어 장치를 포함한다.
에너지 저장 제어 장치는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전종료 신호를 생성하여 충전이 종료되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 회생에너지 저장 시스템은, 전동차에 설치되어 전동차의 운행정보를 생성하는 운행정보 제공장치를 더 포함하고, 회생에너지 검출장치는, 운행정보 제공장치로부터 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 전달받아 수집할 수 있다.
운행정보 제공장치는, 회생에너지 검출장치로부터 전동차의 운행 상태를 감지하기 위하여 수신되는 감지 신호를 반사하는 반사판과, 전동차의 운행정보를 생성하는 운행정보 생성부와, 생성된 운행정보를 회생에너지 검출장치로 전송하는 통신부를 포함할 수 있다.
2대 이상의 전동차가 진행하고 있는 경우, 에너지 저장 제어 장치는, 제1 전동차의 가속도가 감소하거나, 제2 전동차의 가속도가 감소하는 제5 조건과, 가선전압이 증가하는 제6 조건을 만족하면 회생에너지 충전 개시를 결정하고, 제1 전동차의 가속도가 0 이상이 되고 제2 전동차의 가속도도 0 이상이 되는 제7 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제8 조건 중 어느 하나를 만족하면, 회생에너지 충전종료 신호를 생성하여 충전이 종료되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 제어 장치와 네트워크로 연결되며, 가선으로부터 전력을 공급받는 전동차의 회생에너지 검출장치의 회생에너지 검출방법은, 가선전압의 변동 상태를 나타내는 가선전압 정보 및 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 수집하는 단계와, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하는 단계와, 에너지 저장 제어 장치에 회생에너지 검출신호를 전송하여, 에너지 저장 제어 장치가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 회생에너지 검출장치 및 에너지 저장 제어 장치가 네트워크로 연결된 회생에너지 저장 시스템의 동작 방법은, 회생에너지 검출장치는, 전동차의 가속도를 포함한 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하고, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 에너지 저장 제어 장치로 전송하는 단계와, 에너지 저장 제어 장치는, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 이용하여 가선전압이 증가하는 제1 조건 및 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하고, 회생에너지 충전을 개시하는 단계; 를 포함한다.
본 발명에 따르면, 변전설비 용량의 증대로 역행동작에 의한 전압강하 대비 계통으로부터의 수선전압 변동폭이 더 큰 상황에서, 정확한 회생시점 인식을 통하여 회생제동에 의해 발생하는 전압상승을 우선적으로 제어하여 전체 시스템의 안전과 에너지 효율성을 높이고, 그 과정에서 발생할 수 있는 비용과 위험성을 최소화할 수 있다. 즉, 회생에너지 저장장치의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있어 에너지 저장 시스템 전반의 효율과 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 회생에너지 회수율 제고에 필요한 자료의 범위를 명확히 하고 그 방법을 제시함으로써 전동차 혹은 가선에 추가적인 시설물 설치를 최소화하는 한편 데이터 처리 과정에서 발생할 수 있는 혼선을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템 기반에서 가선전압 변동상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 전동차의 운행 패턴에 따른 전동차의 속도, 가속도 및 가선전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출장치, 운행정보 제공장치 및 에너지 저장 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출방법에 따른 회생에너지 저장 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2대 이상의 전동차가 운행시 회생에너지 검출장치를 포함한 회생에너지 저장 시스템의 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 노면에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 가선에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 노변에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
가선(10)은 변전소(도시되지 않음)로부터의 전력을 전동차(200)에 공급하는 동시에 전동차의 감속시 회생 제동에 의해 발생하는 전력이 되돌려지는 경로이다. 회생에너지 검출장치(100)는 가선(10)으로부터 전력을 공급받는 전동차(200)의 회생제동에 의해 발생되는 회생에너지를 검출한다. 회생에너지 검출장치(100)는 제동 혹은 감속이 이루어지는 구간에 설치되어 전동차(200)의 운행정보를 이용하여 전동차(200)의 회생제동 여부를 감지하고, 회생제동 여부를 에너지 저장 제어 장치(300)에 전송할 수 있다.
회생에너지 검출장치(100)는 가선(10), 선로의 특정 지점 또는 철도시설물 주변에 설치되어 전동차의 회생제동 상황 정보를 실시간으로 확인하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 회생에너지 검출장치(100)는 정차역 앞이나 커브 등 감속이 필요한 구간에 설치되며 정확한 위치는 그 선로의 환경(지상/지하, 구배여부, 커브여부 등)에 따라 선로 아래, 선로 옆 등을 다양한 위치에 설치될 수 있다. 또한, 회생에너지 검출장치(100)는 적외선, 레이저 음파 등 비접촉적 방식을 적용해 전동차의 접근을 확인하는 센서를 이용하여 전동차의 움직임을 인식하고 전동차로부터 받은 정보로 전동차(200)의 가속도를 측정할 수 있다.
여기에서, 전동차(200)의 운행정보는 전동차(200)의 위치, 속도, 가속도, 주행 방향 정보 등을 포함할 수 있으며, 회생에너지 검출장치(100)는 전동차(200)의 운행정보를 이용하여 전동차(200)가 접근하고 있는지 여부 및 회생 제동 여부 등을 결정할 수 있다.
전동차(200)에는 운행정보 제공장치(210)가 설치되어, 운행정보 제공장치(210)는 회생에너지 검출장치(100)로 전동차(200)의 운행정보를 전송할 수 있다. 그에 따라, 회생에너지 검출장치(100)는 운행정보 제공장치(210)로부터 전동차(200)의 운행정보를 수신할 수 있다. 또는, 회생에너지 검출장치(100)는 별도의 전동차 운행 시스템(도시되지 않음)으로부터 전동차(200)의 운행정보를 수신할 수 있다.
회생에너지 검출장치(100)는 에너지 저장 제어 장치(300)와 네트워크로 연결된다. 회생에너지 검출장치(100)는 전력선, 광케이블, Wi-Fi 등 유무선 통신 등 다양한 형태의 네트워크로 에너지 저장 제어 장치(300)와 연결되어 통신할 수 있다.
에너지 저장 제어 장치(300)는 변전소(도시되지 않음) 또는 변전소와 회생에너지 검출장치(100) 사이에 연결되어 전동차(200)의 회생에너지의 저장을 제어한다. 에너지 저장 제어 장치(300)는 기존의 에너지 저장 시스템(도시되지 않음)의 일부로 형성되거나, 에너지 저장 시스템 외부에 설치될 수 있으며, 회생에너지의 검출에 따라 배터리(도시되지 않음)에 가선(10)으로부터 전달되는 회생에너지를 저장한다. 이하에서는, 회생에너지 검출장치(100), 에너지 저장 제어 장치(300) 및 배터리와 같은 회생에너지 저장수단을 포함하는 에너지 저장 시스템을 회생에너지 저장 시스템이라고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회생에너지 검출장치(100)는 전동차(200)의 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 이용하여, 회생 제동에 의하여 발생되는 회생에너지가 검출되는지를 결정하고, 회생에너지가 검출되었다고 결정되는 경우 회생에너지 검출신호를 생성하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송할 수 있다. 상세하게는, 회생에너지 검출장치(100)는 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송할 수 있다. 그에 따라, 에너지 저장 제어 장치(300)는 가선(10)으로부터 발생된 회생에너지의 충전을 개시하도록 제어할 수 있다.
또한, 회생에너지 검출장치(100)는 전동차(200)의 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 이용하여, 회생에너지 충전을 종료할 것인지를 결정하고, 회생에너지 충전 종료를 결정한 경우 회생에너지 충전종료 신호를 생성하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송할 수 있다. 상세하게는, 회생에너지 검출장치(100)는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0이상이 되는 제3 조건 및 충전 후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전종료 신호를 생성하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송할 수 있다. 그에 따라 에너지 저장 제어 장치(300)는 가선(10)으로부터 발생된 회생에너지의 충전을 종료하도록 제어할 수 있다.
다른 방법으로, 회생에너지 검출장치(100)는 전동차(200)의 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(300)가 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 이용하여 회생에너지가 검출되는지를 결정하고, 회생에너지가 검출되었다고 결정되는 경우 회생에너지 검출신호를 생성하여 회생에너지 저장을 개시하도록 제어할 수 있다. 상세하게는, 에너지 저장 제어 장치(300)는 가선전압이 증가하는 제1 조건과 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하는 경우, 회생에너지 검출신호를 생성하고, 회생에너지 충전이 개시되도록 제어할 수 있다.
또한, 에너지 저장 제어 장치(300)는 전동차(200)의 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 이용하여, 회생에너지 충전을 종료할 것인지를 결정하고, 회생에너지 충전 종료를 결정한 경우 회생에너지 충전종료 신호를 생성하여 회생에너지의 충전을 종료하도록 제어할 수 있다. 상세하게는, 에너지 저장 제어 장치(300)는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전종료 신호를 생성하여 충전이 종료되도록 제어할 수 있다.
회생에너지가 검출되는지 여부를 결정할 때에는, 회생에너지 검출장치(100)또는 에너지 저장 제어 장치(300)는 전동차(200)의 위치 정보를 확인하여 전동차(200)가 회생에너지 검출장치(100)에 근접하고 있는지 여부 및 가선전류(I)의 변동정보 등을 추가적으로 확인하고, 회생에너지 검출의 정확도를 높이도록 동작할 수 있다.
도 3은 전동차의 운행 패턴에 따른 전동차의 속도(v), 가속도(a) 및 가선전압(V)의 변화를 나타내는 그래프이다.
역에서 출발한 전동차(200)는 기동, 역행단계를 거쳐 목표속도에 이를 때까지 가속하며, 일정 속도에 이르면 관성을 통해 움직이는 타행 단계로 전환한다. 그리고 일정 지점을 통과하고 나면 제동을 시작하는데, 다음 역에 정차하기 직전이 회생에너지가 가장 크게 발생하는 시점으로, 그 외 선로의 구배 및 회전에 따라 역행과 제동이 추가로 수행된다.
전동차(200)의 역행중 가선전압(V)는 감소한 뒤 서서히 회복되는데, 이는 변전소에서 부족분을 제공하고 있음을 나타낸다. 한편, 제동할 때는 일시적인 전압 상승이 나타나는데, 이는 회생제동에 의해 전력이 전동차(200)에서 가선으로 흐르는 것을 의미하며, 이렇게 발생하는 전기에너지는 역행에 사용한 에너지의 40~50%를 차지한다고 알려져 있다.
회생에너지는 전동차(200) 운동에너지가 전기에너지로 전환되는 것이므로, 에너지 저장 제어 장치(300)에 의해서 회수 가능한 회생에너지의 총량은 전동차(200) 속도의 제곱에 비례한다. 또한, 내부 저항이나 에너지 저장 제어 장치를 포함한 에너지 저장 시스템 등의 부가적인 에너지 소모 요소가 없을 때, 회생에너지는 가선전류와 가선전압의 상승으로 나타난다. 1회의 회생제동에 의한 회생에너지량(E1)을 수학식 1에 표현한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서, Ek는 운동에너지 변화량을 나타내고, m은 전동차(200)의 중량을 나타내고, v는 제동 시작 시점의 속도를 나타내고, V는 전압 [V]을 나타내고, C는 에너지 저장 장치(도시되지 않음)에 포함되는 축전 장치(도시되지 않음)의 커패시턴스를 나타낸다.
전동차(200)는 자체 설비의 내압한계를 초과하는 전압이 나타나지 않도록 내장된 저항을 이용하여 실효시키며, 실효되는 에너지를 회수하기 위해 에너지 저장 제어 장치(300)의 의해 제어되는 에너지 저장 장치(도시되지 않음)가 사용된다. 회생에너지의 일부는 주변 차량의 역행에 의해 소모되며, 나머지는 가선전압(V) 상승을 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따라 회수하고자 하는 에너지가 된다. 회생에너지가 발생원에서 회생에너지 저장 시스템까지 가선(10)을 따라 이동할 때 저항손실이 발생하는데, 총량에 대한 비율은 낮지만 무시하기 어렵다. 한편, 부족한 에너지는 계통에서 가선(10)을 통해 공급받으므로 회생제동에 의해 에너지 저장 시스템이 회수하는 회생에너지의 양은 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기에서, Es는 1회의 회생에너지 회수량을 나타내고, Et는 역행차량에 전달된 에너지량을 나타내고, ER는 가선저항에 의한 소모량을 나타내고, EP는 계통으로부터의 부족분 공급량을 나타낸다.
회생제동에 의해 발생한 에너지를 후행 전동차(200)의 역행으로 상쇄하는 것도 가능하나, 제동과 역행동작이 발생하는 시간과 위치가 동일하지 않고 선후행 차량의 회생제동이 중복되는 경우도 발생한다. 따라서, 회생에너지 회수를 목적으로 하는 회생에너지 저장 시스템은 회생제동을 개별적으로 인식하여 대비할 필요가 있다. 한편, 역행동작에 의한 부족분은 계통으로부터 공급받을 수 있으므로, 회생에너지 회수를 주목표로 하는 에너지 저장 장치(도시되지 않음)가 가선으로 전력을 공급하는 상황은 위급상황에 한정되어야 할 것이다.
한편, 회생제동에 의한 전압의 변동폭은 그 가속도와 연동된다. 수학식 3에서 볼 수 있듯이 전동차(200)에서 가속도(a)는 저크 한계(Jerk Limit) 및 전동차(200) 유효견인력 내에서 결정되므로 단일 회생제동에 의한 전압 변동은 최대치가 지정되어 있으며, 이는 에너지 저장 장치(도시되지 않음)에 포함되는 컨버터의 용량과 동작시점을 지정하는 요소가 된다. 전동차의 가속도와 그 최대한도는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기에서, JL는 저크 한계(Jerk Limit)를 나타내고, t는 동작 시간을 나타내고, EFtow는 유효 견인력을 나타내고, mmin는 승객 또는 화물이 없는 경우의 전차 기본 중량을 나타낸다.
외부 요소를 감안하지 않을 때 회생제동에 의한 가선전압(V) 변동은 전동차(200) 가속도(a)와 비례하며, 가선전압(V)의 변동과 가속도(a)와의 비례 관계는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기에서, a는 가속도이고, V(t)는 t시점의 가선전압이고, C는 에너지 저장 장치(도시되지 않음)에 포함되는 축전장치의 커패시턴스를 나타내고, m은 전동차의 중량을 나타낸다.
전동차(200)의 진행방향을 양(+)의 방향으로 할 때, 전동차(200)의 가속도(a)는 역행중에 양의 값을 가지며, 타행중에는 외부 마찰에 의해 변동이 거의 없는 음의 값을 가지게 되고, 제동중에는 음의 방향으로 증가했다가 줄어들어 완전히 멈추었을 때 0이 된다.
이에 따라, 회생에너지 검출장치(100)는 접근하는 전동차(200)의 가속도(a)를 직접 측정하거나 외부로부터 전달받아 에너지 저장 제어 장치(300)의 충방전 동작을 제어할 수 있다. 또는, 회생에너지 검출장치(100)는 가속도(a) 이외의 부가정보를 에너지 저장 제어 장치(300)에 제공하여, 에너지 저장 제어 장치(300)가 회생에너지의 충방전 동작을 제어하도록 할 수도 있다.
이와 같은 전동차 가속도 변화와 가선전압 변동에 따른 에너지 저장 제어 장치(300)의 동작 예시는 아래의 표 1로 나타낼 수 있다.
가속도 변화 가선전압 변동 제어부 동작 상태
<0 상승 충전 지시 회생에너지 인식
<0 유지 없음 회생에너지가 역행 등에 의해 상쇄
≥0 상승 없음 회생제동이 아닌 전압상승으로 판단
가속도 변화 : at-at- 1 , at<0
가선전압 변동 : Vt-Vt - 1 , 유지는 변동이 측정기의 측정오차 이내일 때, 상승은 그보다 큰 값으로 증가할 때를 의미함.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출장치, 운행정보 제공장치 및 에너지 저장 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
회생에너지 검출장치(100), 운행정보 제공장치(210) 및 에너지 저장 제어 장치(300)는 다양한 형태의 네트워크로 연결될 수 있다. 예를 들어, 회생에너지 검출장치(100)는 에너지 저장 제어 장치(300)와 전력선, 자체 통신선 또는 무선망 등을 통해 통신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 저장 시스템은 회생에너지 검출장치(100) 및 에너지 저장 제어 장치(300)로 구성되거나, 회생에너지 검출장치(100), 운행정보 제공장치(210) 및 에너지 저장 제어 장치(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
회생에너지 검출장치(100)는, 운행정보 수집부(110), 가선전압 정보 수집부(120), 제어부(130) 및 전송부(140)를 포함하고, 각 구성요소(110, 120, 130, 1400는 서로 데이터를 송수신하도록 구성될 수 있다. 운행정보 수집부(110), 가선전압 정보 수집부(120), 제어부(130) 및 전송부(140)는 회생에너지 검출장치(100)의 설치 위치의 특성과 필요에 따라 결합되거나 분리되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전송부(140)의 설치 위치 및 부속 설비는 에너지 저장 제어 장치(300)와 통신을 원활하게 할 목적으로 운행정보 수집부(110), 가선전압 정보 수집부(120) 및 제어부(130)의 위치와 관계없이 다양한 위치에 설치될 수 있다. 일 예로 운행정보 수집부(110), 가선전압 정보 수집부(120) 및 제어부(130)는 지상에 설치되고, 전송부(140)는 지하에 매설될 수 있다. 다른 예로, 운행정보 수집부(110)는 전동차 노선 주변에 설치되고 가선전압 정보 수집부(120) 및 제어부(130)는 에너지 저장 제어 장치(300)에 근접하게 설치될 수 있다. 또한, 운행정보 수집부(110)는 전동차의 운행경로를 따라 복수의 위치에 복수 개가 설치되어 이용될 수 있다.
운행정보 수집부(110)는 전동차(200)의 가속도를 포함한 운행정보를 수집한다. 운행정보 수집부(110)는 전동차(200)의 가속도를 포함한 운행정보를 측정하기 위한 속도 센서, 가속도 센서 등 다양한 형태의 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 또는, 운행정보 수집부(110)는 후술할 운행정보 제공장치(210)로부터 전동차(200)의 운행정보를 수신하여 수집하는 통신 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 운행정보 수집부(110)는 전동차(200)의 위치를 감지하고, 감지된 위치 정보를 실시간으로 제어부(130)로 전달할 수 있다.
운행정보 수집부(110)는 전동차의 위치 정보 및 속도를 측정하는 감지부(도시되지 않음) 및 전동차의 가속도를 계산하는 계산부(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 운행정보 수집부(110)는 회생에너지 검출을 위하여 적외선이나 레이저, 마이크로파, 자기장 등 비접점 혹은 근접 통신 방식을 사용하거나, 전동차(200)의 운행 및 선로의 유지/보수에 방해되지 않는 한도 내에서 전동차(200)와 접촉할 수 있도록 설계될 수 있다. 운행정보 수집부(110)에서 전동차(200)의 운행을 감지하기 위하여 송신하는 신호는 반대편 차량의 운행에 영향을 받지 않도록 출력과 범위가 조정될 수 있다.
이 경우, 운행정보 수집부(110)는 상대 전동차(200)의 신호, 가선 등 선로시설에서 발생하는 전자파에 간섭받지 않도록 부분적인 차폐가 이루어지도록 설치될 수 있으며, 이를 위하여 전동차(200) 동체에 전동차(200)의 운행정보 검출신호 발생에 필요한 장치로서 운행정보 제공장치(210)가 부착될 수 있다.
가선전압 정보 수집부(120)는 가선전압(V)의 변동정보를 수집한다. 가선전압 정보 수집부(120)는 가선전압(V)을 측정하는 전압 측정부(도시되지 않음) 및 측정된 가선전압 정보를 저장하는 가선전압 저장부(도시되지 않음)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(130)는 회생에너지 검출장치(100)의 동작 전반을 제어하며, 저장이 필요한 정보를 제어부(130) 내의 저장소 또는 제어부(130)외의 저장소에 저장하고, 저장된 정보를 이용하도록 구성될 수 있다. 제어부(130)는 가선전압 변동 정보 및 운행정보를 이용하여 전동차(200)의 회생제동에 의한 회생에너지가 발생하는지 여부를 결정할 수 있다.
상세하게는, 제어부(130)는 가선전압(V)이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도(a)가 감소하는 제2 조건을 둘 다 만족하면 전동차(200)의 회생제동이 시작되었다고 결정하고, 회생에너지 검출신호를 생성한다. 회생에너지 검출의 정확도를 높이기 위하여, 제어부(130)는 운행정보 수집부(110)로부터 수신된 전동차의 위치정보를 이용하여 전동차(200)가 접근하고 있는지 여부를 결정하고, 전동차가 회생에너지 검출장치(100)로 접근하고 있으며, 가선전압이 증가하는 제1 조건과 전동차(200)의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 전동차의 회생제동이 시작되었다고 결정하고, 회생에너지 검출신호를 생성하여 전송부(140)로 전달한다.
또한, 제어부(130)는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전 후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하면, 충전종료 신호를 생성하여 전송부(140)로 전달한다. 충전 이후에 변동중인 가선전압이 낮아지는 경우에는 에너지 저장 시스템이 전압 수준 복구를 위해 투입되는 전력을 흡수하게 되기 때문이다.
전송부(140)는 에너지 저장 제어 장치(300)가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록, 에너지 저장 제어 장치(300)에 회생에너지 검출신호를 전송할 수 있다. 또한, 전송부(140)는 에너지 저장 제어 장치(300)로 충전종료 신호를 전송하여, 에너지 저장 제어 장치(300)가 충전종료 신호의 수신에 따라 회생에너지 충전이 종료되도록 제어할 수 있다.
다른 방법으로, 제어부(130)는 운행정보 수집부(110) 및 가선전압 정보 수집부(120)에서 수집한 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 전송부(140)를 통해 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(300)가 수신된 운행정보 및 가선전압(V) 정보를 이용하여 회생에너지가 발생되었는지 여부를 검출할 수 있다.
운행정보 제공장치(210)는 전술한 바와 같이 전동차(200)에 설치될 수 있다. 운행정보 제공장치(210)는, 반사판(212), 운행정보 생성부(214) 및 통신부(216)를 포함할 수 있다.
반사판(212)는 통신부(216)와 회생에너지 검출장치(100) 사이의 신호의 간섭을 피하기 위하여, 회생에너지 검출장치(100)로부터 전동차(200)의 운행 상태를 감지하기 위하여 수신되는 감지 신호를 반사하도록 구성되고 설치될 수 있다.
운행정보 생성부(214)는 전동차(200)의 운행정보를 생성할 수 있다. 운행정보 생성부(214)는 전동차(200)의 위치, 속도, 가속도 등의 운행정보를 생성하거나, 직접 전동차(200)의 제동 상태를 나타내는 정보를 생성할 수도 있다.
통신부(216)는 생성된 운행정보를 회생에너지 검출장치(100)로 전송할 수 있다. 부가적으로, 통신부(216)는 전동차(200)의 제동 상태를 나타내는 정보를 회생에너지 검출장치(100)로 전송할 수도 있다.
운행정보 제공장치(210)는 전동차(200)의 전류 흐름을 측정하기 위한 전류 측정부(도시되지 않음) 및 가선전압을 감지하는 전압측정부(도시되지 않음) 등을 더 포함할 수 있다.
에너지 저장 제어 장치(300)는 수신부(310) 및 에너지 제어부(320)를 포함하고, 회생에너지를 에너지 저장부(330)에 저장한다. 수신부(310), 에너지 제어부(320) 및 에너지 저장부(330)는 에너지 저장 장치로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신부(310)가 회생에너지 검출장치(100)로부터 전송된 회생에너지 검출신호를 수신함에 따라, 에너지 제어부(320)는 에너지 저장부(330)에 회생에너지 충전을 개시하도록 제어할 수 있다. 또한, 수신부(310)가 회생에너지 검출장치(100)로부터 전송된 회생에너지 충전종료 신호를 수신함에 따라, 에너지 저장부(330)로의 회생에너지 충전을 종료할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수신부(310)가 회생에너지 검출장치(100)로부터 수신된 가선전압(V) 정보 및 수신된 운행정보를 이용하여, 에너지 제어부(320)는 회생에너지가 발생하였음을 나타내는 회생에너지 검출신호를 생성하고, 그에 따라 에너지 저장부(330)가 회생에너지 충전을 개시하도록 제어할 수 있다. 상세하게는, 에너지 제어부(320)는 가선전압(V)이 증가하는 제1 조건 및 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 둘 다 만족하면, 전동차(200)의 회생제동이 시작되었다고 결정하고, 에너지 저장부(330)에 회생에너지 충전을 개시할 수 있다. 또한, 에너지 제어부(320)는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하면, 충전을 종료하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 회생에너지 검출장치(100)는 전동차의 가속도를 포함한 운행정보 및 가선전압의 변동 상태를 나타내는 가선전압 정보를 수집한다(510).
회생에너지 검출장치(100)는 운행정보 및 가선전압 정보를 이용하여, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면(520), 회생에너지가 발생되었음을 나타내는 회생에너지 검출신호를 생성한다(530).
회생에너지 검출장치(100)는 에너지 저장 제어 장치(300)에 회생에너지 검출신호를 전송하여, 에너지 저장 제어 장치(300)가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록 한다(540).
이후에, 회생에너지 검출장치(100)는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하면, 충전종료 신호를 생성하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(300)는 충전종료 신호의 수신에 따라 충전이 종료되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생에너지 검출방법에 따른 회생에너지 저장 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 에너지 저장 제어 장치(300)가 회생에너지 검출장치(100)로부터 운행정보 및 가선전압 변동정보를 수신하여 회생에너지 검출 여부를 결정하여 회생에너지 검출신호를 생성하고, 또한 회생에너지 충전 종료 여부를 결정하여 충전종료 신호를 생성하는 경우를 예를 들어 설명한다.
도 2, 도 4 및 도 6을 참조하면, 회생에너지 검출장치(100)는 접근하는 전동차(200)를 인식하면, 직접 측정하거나, 변환하거나, 외부로부터 전달받은 가속도(a(t-1), a(t)) 및 가선전압(V(t-1), V(t)) 값을 에너지 저장 제어 장치(300)에 전송하며, 에너지 저장 제어 장치(300)는 가속도(a(t-1), a(t)) 및 가선전압(V(t-1), V(t)) 정보를 입력받는다(610). 가속도(a(t-1), a(t)) 및 가선전압(V(t-1), V(t)) 정보는 회생제동과 회생제동에 따른 회생에너지 발생을 인식하기 위한 정보이다.
전동차(200)가 회생제동을 함에 따라, 전동차(200)의 가속도(a(t))는 음의 방향으로 증가되며, 가선전압(V)이 상승된다. 이에 따라, 에너지 저장 제어 장치(300)는 회생에너지 검출장치(100)가 설치된 검출지점에 접근하는 전동차(200)에 대하여, 전동차(200)의 현재 가속도(a(t))가 0보다 작고(620), 전동차(200)의 현재 가속도(a(t))가 이전 값(a(t-1))보다 작아지고(630), 현재 가선전압(V(t-1))이 나중 가선전압(V(t))보다 클 때(640), 회생에너지의 충전 동작을 지시한다(650). 이와 같이, 동작 620 및 630으로 전동차(200)의 가속도 조건이 만족되는지 결정되고 동작 650으로 가선전압 변동 조건이 만족되는지 결정되어, 회생에너지가 유입되는지 확인될 수 있다.
또한, 에너지 저장 제어 장치(300)는 충전동작 종료시점을 파악하기 위해 일정 간격으로 전동차(200)의 가속도(a(t+1))와 가선전압(V(t+1))을 입력받는다(660).
제동에 의해 발생하는 가속도(a)는 제동을 종료하고 정지할 때까지 음의 값을 가지나, 그 크기는 변동될 수 있으므로, 충전의 종료조건은 가속도(a(t+1))가 0 또는 양의 값을 가질 때로 정한다(670). 동작 670으로 전동차(200)의 가속도 값으로 전동차(200)의 운전 상태가 확인되어, 에너지 저장 제어 장치(300)는 전동차(200)의 가속도(a(t+1))가 0이상이 되면 충전을 종료하고, 대기 상태로 전환된다(690).
또는, 가선전압 변동을 확인하여 회생에너지가 남아있는지 확인하기 위하여, 에너지 저장 제어 장치(300)는 선후행 차량의 역행 등으로 가선전압(V(t+1))이 가선전압(V(t))보다 낮은지 여부를 확인한다(680). 가선전압(V(t+1))이 가선전압(V(t))보다 낮다고 결정되는 경우(680), 에너지 저장 제어 장치(300)에 의해 회생에너지를 저장하는 에너지 저장부(330)가 전압 수준 복구를 위해 투입되는 전력을 흡수하게 되므로, 에너지 저장 제어 장치(300)는 충전을 종료하여 대기 상태로 전환된다(690).
에너지 저장 제어 장치(300)의 충전 개시 시점과 충전 종료 시점은 아래 수학식 5와 같이 간단히 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
여기에서, a는 가속도이고, V는 가선전압이고, t는 현재시점을 나타내고, i는 충전 개시 시점을 나타낸다.
이상은 회생에너지 검출장치(100)의 담당구간에 한 대의 전동차(200)가 운행하고 있는 상황을 설정한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2대의 전동차가 운행하는 경우 회생에너지 검출장치를 포함한 회생에너지 저장 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
두 대 이상의 전동차(730, 740)가 동시에 운행하고 있는 경우에 대하여, 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7을 참조하면, 회생에너지 검출장치 1(710) 및 회생에너지 검출장치 2(720)가 설치되어 있으며, 전동차 1(730) 및 전동차 2(740)가 우측 방향으로 운행중이라고 가정한다. 이 경우 전동차 1(730)이 선행 전동차가 되고, 전동차 2(740)가 후행 전동차가 된다. 회생에너지 검출장치 1(710)는 전동차 1(730)의 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송하고, 회생에너지 검출장치 2(720)는 전동차 2(740)의 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하여 에너지 저장 제어 장치(300)로 전송할 수 있다. 회생에너지 검출 장치 1(710) 및 회생에너지 검출 장치 2(720)는 서로 가선전압의 변동정보를 수집하는 가선정보 수집부(도시되지 않음)를 공유하도록 구성될 수 있다.
에너지 저장 제어 장치(300)는 회생에너지 검출장치 1(710) 및 회생에너지 검출장치(720) 각각으로부터 수신되는 정보를 각 회생에너지 검출장치(710, 720)별로 식별하여 저장하고 관리하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 제어 장치(300)는 전동차 1(730)의 가속도 값은 a(1, t)로, 전동차 2(740)의 가속도 값은 a(2, t)로 구분하여 저장하고 관리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전 개시를 위해서는 적어도 1대 이상의 전동차의 가속도 조건과 전압조건을 동시에 만족하여야 한다. 2대 이상의 전동차가 진행하고 있는 경우, 에너지 저장 제어 장치(300)는, 제1 전동차(730)의 가속도(a(1, t))가 감소하거나, 제2 전동차의 가속도(a(2, t))가 감소하는 제5 조건과, 가선전압이 증가하는 제6 조건을 만족하면 회생에너지 충전 개시를 결정할 수 있다.
또한, 에너지 저장 제어 장치(300)는 충전 종료 시점은 제동을 수행하는 전동차가 더 이상 존재하지 않거나, 충전 후 가선전압(V)이 낮아졌을 때로 결정할 수 있다.
선행하는 전동차 1(730)이 완전히 정지하기 전에 후행하는 전동차 2(740)가 제동을 수행하는 경우, 에너지 저장 제어 장치(300)는 가선전압이 강하되지 않는 한 선행 전동차(730)의 정지 이후에도 충전을 유지하게 되고, 후행 전동차(740)의 역행 등으로 전압이 강하하게 되면 선행 전동차(730)의 제동 여부와 관련 없이 충전을 종료한다. 이외의 경우 선후행 전동차(730, 740) 모두 제동을 종료했을 때 충전이 종료된다.
즉, 에너지 저장 제어 장치(300)는 제1 전동차(730)의 가속도가 0 이상이 되고 제2 전동차(740)의 가속도도 0 이상이 되는 제7 조건 및 충전 개시후 변동중인 가선전압(V)이 낮아지는 제8 조건 중 어느 하나를 만족하면, 회생에너지 충전 종료를 결정할 수 있다.
2대 이상의 전동차가 운행중인 경우, 충전 개시 시점 및 종료 시점의 조건은 수학식 6과 같이 요약할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
여기에서, an은 n번 전동차의 가속도를 나타내고, V는 가선전압을 나타내고, t는 현재 시점을 나타낸다.
전동차 1(730)이 제동을 시작한 후 다시 역행하는 동안 다른 위치의 전동차 2(740)와 가선전압 변동에 따라 에너지 저장 제어 장치(300)의 동작 상태의 변화에 대한 예시는 아래의 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
상황 전동차 1 전동차 2 가선전압 제어 장치
제1 상태		 제어 장치
제2 상태		 비고
1 제동 제동 상승 대기 충전 회생제동 인식
2 제동 제동 하강 대기 대기 비정상 전압 강하
3 제동 타행 상승 대기 충전 회생제동 인식
4 제동 역행 상승 대기 충전 잔여 회생에너지 회수
5 제동 역행 하강 대기 대기 회생에너지가 모두 사용됨
6 정지 제동 상승 충전 충전 에너지 저장 지속
7 정지 제동 하강 충전 대기 외부에서 에너지 소모 중
8 정지 타행 상승 충전 대기 회생제동 없음
9 정지 타행 하강 충전 대기 회생제동 없음
10 역행 제동 상승 충전 충전 에너지 저장 계속
11 역행 제동 하강 충전 대기 회생에너지가 모두 사용됨
12 역행 제동 상승 대기 충전 잔여 회생에너지 회수
13 역행 제동 하강 대기 대기 회생에너지가 모두 사용됨
표 2에서, 제어 장치 제1 상태는 전동차 1(730) 및 전동차(740)의 동작을 인식하기 전의 에너지 저장 제어 장치(300)의 동작 상태를 나타내고, 제어 장치 제2 상태는 전동차 1(730) 및 전동차 2(740)의 동작의 변화를 인식한 후의 에너지 저장 제어 장치(300)의 동작 상태를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 노면에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
전동차(820)가 제동할 지점에 근접할 때, 선로 하부에 위치한 회생에너지 검출장치(810)는 내장된 센서를 통해 가속도를 측정하여 전동차의 제동 여부를 판단한다. 회생에너지 검출장치(810)는 접근하는 전동차(820)의 가속도 정보, 가선전압 정보를 이용하여 회생제동 여부를 결정하고, 회생제동을 나타내는 회생에너지 검출신호와 회생에너지 검출장치(810)의 현재 위치 또는 식별 정보 등 일련의 정보를 자체 통신선을 사용해 에너지 저장 제어 장치(830)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(830)는 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지의 저장을 제어할 수 있다.
다른 방법으로, 회생에너지 검출장치(810)가 전동차(820)의 가속도 및 가선전압 변화 정보를 에너지 저장 제어 장치(830)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(830)가 가속도 및 가선전압 변화 정보를 이용하여 회생 제동 여부를 검출하고, 회생에너지 저장을 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 가선에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
회생에너지 검출장치(910)는 가선(10)과 직, 간접적으로 연결되어 설치되고, 전동차(920)의 차체 또는 전동차(920)의 제어모듈(도시되지 않음)과의 근접통신을 통해 전동차의 가속도를 측정하고, 구현에 따라서는 전동차로부터 회생제동 브레이크의 동작신호를 받거나 전동차로부터 가선으로 흐르는 전류를 포착할 수 있다.
이때 회생에너지 검출장치(910)에서 전동차(920)의 가속도 및 가선전압을 측정하는 센서 부위는 가선(10) 및 전동차(920)에 의한 전자기적 간섭을 피하기 위해 일부분을 제외하고 완전히 차폐하도록 설치될 수 있다. 회생에너지 검출장치(910)는 전력선 통신을 통해 전동차(920)의 가속도 정보, 가선전압 정보를 이용하여 회생제동 여부를 결정하고, 회생제동을 나타내는 회생에너지 검출신호와 회생에너지 검출장치(910)의 현재 위치 등 일련의 정보를 자체 통신선을 사용해 에너지 저장 제어 장치(930)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(930)는 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지의 저장을 제어할 수 있다.
다른 방법으로, 회생에너지 검출장치(910)가 전동차(920)의 가속도 및 가선전압 변화 정보를 에너지 저장 제어 장치(930)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(830)가 가속도 및 가선전압 변화 정보를 이용하여 회생 제동 여부를 검출하고, 회생에너지 저장을 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 회생에너지 검출장치가 노변에 설치된 경우 회생에너지 검출장치와 주변 장치를 나타내는 도면이다.
전동차(1020)에 설치된 운행정보 제공장치(1022)는 회생에너지 검출장치(1010)를 직접 인식하고, 가속도 정보 및 가선전압 정보를 통신을 통해 선로변에 위치한 회생에너지 검출장치(1010)에 송신한다. 부가적으로, 회생제동 판단을 더 명확히 하기 위해 전동차(1020)에 전류측정기(도시되지 않음)를 설치하여, 가선(10)으로 흐르는 역전류의 값을 전송할 수 있다.
이때 회생에너지 검출장치(1010)의 운행정보 수집부(도시되지 않음) 및 가선전압 수집부(도시되지 않음)는 수신기로서 동작하며, 수신된 가속도 정보 및 가선전압 정보를 이용하여 회생제동 여부를 결정하고, 회생제동을 나타내는 회생에너지 검출신호와 회생에너지 검출장치(1010)의 현재 위치 등 일련의 정보를 자체 통신선을 사용해 에너지 저장 제어 장치(1030)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(1030)는 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지의 저장을 제어할 수 있다.
다른 방법으로, 회생에너지 검출장치(1010)가 전동차(1020)의 가속도 및 가선전압 변화 정보를 에너지 저장 제어 장치(1030)로 전송하고, 에너지 저장 제어 장치(1030)가 가속도 및 가선전압 변화 정보를 이용하여 회생 제동 여부를 검출하고, 회생에너지 저장을 제어할 수 있다.
회생에너지 저장 시스템의 에너지 회수율을 최대화하기 위해서는 저장 시스템을 전동차량에 설치하는 것이 좋으나 차상 설치할 경우 자체 무게의 증가와 더불어 교체비용이 발생하고, 급전 시스템이 불안정해질 수 있다. 따라서 지하철 회생에너지 저장 시스템은 역간에 또는 변전소에 설치하는 것이 바람직할 수 있다.
본 명세서에서 에너지 저장장치가 변전소에 설치되는 것을 가정하고 설명되었으나, 회생에너지 저장장치가 전차선 설비와 연계할 필요성이 낮고, 급전 시스템에 대한 간섭량이 적고, 간소한 구성으로 설치비용을 낮출 수 있어 역 간 설치 방식을 적용하거나 혼용할 수 있다. 대용량 에너지 저장 시스템을 설치할 공간 여유가 있는 변전소의 수가 적은 현실을 감안하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 회생에너지를 더 효율적이고 광범위하게 저장하고 활용할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 회생에너지 검출장치 110: 운행정보 수집부
120: 가선전압 정보 수집부 130: 제어부
140: 전송부 210: 운행정보 제공장치
300: 에너지 저장 제어 장치 310: 수신부
320: 에너지 제어부

Claims (14)

  1. 에너지 저장 제어 장치와 네트워크로 연결되며, 가선으로부터 전력을 공급받는 전동차의 회생에너지를 검출하는 장치로서,
    전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 수집하는 운행정보 수집부;
    가선전압의 변동정보를 수집하는 가선전압 정보 수집부;
    가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하는 제어부; 및
    에너지 저장 제어 장치가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록, 에너지 저장 제어 장치에 회생에너지 검출신호를 전송하는 전송부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전 종료 신호를 생성하고,
    상기 전송부는 상기 충전 종료 신호를 에너지 저장 제어 장치로 전송하여, 상기 에너지 저장 제어 장치가 충전을 종료하도록 하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    운행정보 수집부는 전동차의 위치를 감지하여 제어부로 전달하고,
    상기 제어부는 운행정보 수집부로부터 수신된 전동차의 위치정보를 이용하여 전동차가 접근하고 있는지 여부를 결정하고, 전동차가 회생에너지 검출장치로 접근하고 있으며, 가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 전동차의 회생제동이 시작되었다고 결정하고, 회생에너지 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회생에너지 검출장치는 전동차로 전력을 공급하는 가선, 선로의 특정 지점 또는 철도시설물 주변에 설치되어 전동차의 회생제동 상황 정보를 실시간으로 확인하여 에너지 저장 제어 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운행정보 수집부는, 전동차에 포함되어 운행정보를 생성하는 운행정보 제공장치로부터 전동차의 운행정보를 전달받아 수집하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출장치.
  6. 회생에너지 검출장치 및 에너지 저장 제어 장치가 네트워크로 연결된 회생에너지 저장 시스템으로서,
    전동차의 가속도를 포함한 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하고, 상기 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 에너지 저장 제어 장치로 전송하는 회생에너지 검출장치; 및
    운행정보 및 가선전압의 변동정보를 이용하여, 가선전압이 증가하는 제1 조건 및 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하고, 회생에너지 충전이 개시되도록 제어하는 에너지 저장 제어 장치; 를 포함하는 회생에너지 저장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전종료 신호를 생성하여 충전이 종료되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    전동차에 설치되어 전동차의 운행정보를 생성하는 운행정보 제공장치를 더 포함하고,
    상기 회생에너지 검출장치는, 상기 운행정보 제공장치로부터 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 전달받아 수집하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운행정보 제공장치는,
    회생에너지 검출장치로부터 전동차의 운행 상태를 감지하기 위하여 수신되는 감지 신호를 반사하는 반사판;
    상기 전동차의 운행정보를 생성하는 운행정보 생성부; 및
    생성된 운행정보를 회생에너지 검출장치로 전송하는 통신부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 저장 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    2대 이상의 전동차가 진행하고 있는 경우,
    상기 에너지 저장 제어 장치는,
    제1 전동차의 가속도가 감소하거나, 제2 전동차의 가속도가 감소하는 제5 조건과, 가선전압이 증가하는 제6 조건을 만족하면 회생에너지 충전 개시를 결정하고,
    제1 전동차의 가속도가 0 이상이 되고 제2 전동차의 가속도도 0 이상이 되는 제7 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제8 조건 중 어느 하나를 만족하면, 회생에너지 충전종료 신호를 생성하여 충전이 종료되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 저장 시스템.
  11. 에너지 저장 제어 장치와 네트워크로 연결되며, 가선으로부터 전력을 공급받는 전동차의 회생에너지 검출장치의 회생에너지 검출방법으로서,
    가선전압의 변동 상태를 나타내는 가선전압 정보 및 전동차의 가속도를 포함한 운행정보를 수집하는 단계;
    가선전압이 증가하는 제1 조건과, 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하는 단계; 및
    에너지 저장 제어 장치에 회생에너지 검출신호를 전송하여, 에너지 저장 제어 장치가 회생에너지 검출신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 개시하도록 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출방법.
  12. 제11항에 있어서,
    회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전 종료를 지시하는 충전종료 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 충전종료 신호를 에너지 저장 제어 장치로 전송하여, 에너지 저장 제어 장치가 충전종료 신호의 수신에 따라 회생에너지 충전을 종료하도록 하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 검출방법.
  13. 회생에너지 검출장치 및 에너지 저장 제어 장치가 네트워크로 연결된 회생에너지 저장 시스템의 동작 방법으로서,
    상기 회생에너지 검출장치는, 전동차의 가속도를 포함한 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 수집하고, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 에너지 저장 제어 장치로 전송하는 단계; 및
    상기 에너지 저장 제어 장치는, 운행정보 및 가선전압의 변동정보를 이용하여 가선전압이 증가하는 제1 조건 및 전동차의 가속도가 감소하는 제2 조건을 만족하면, 회생에너지 검출신호를 생성하고, 회생에너지 충전을 개시하는 단계; 를 포함하는 회생에너지 저장 시스템의 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 에너지 저장 제어 장치는, 회생에너지 충전 중에 전동차의 가속도가 0 이상이 되는 제3 조건 및 충전 이후 변동중인 가선전압이 낮아지는 제4 조건 중 어느 하나를 만족하는 경우, 충전 종료를 지시하는 충전종료 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 에너지 저장 제어 장치는, 상기 충전 종료 신호에 따라 회생에너지 충전을 종료하도록 제어하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생에너지 저장 시스템의 동작 방법.
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