KR20180127106A - Energy Storage apparatus for AC High Speed Railway - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an energy storage apparatus for an AC-based high speed railway substation. The objective of the present invention is to build an energy storage apparatus system suitable for AC-based high speed railway substation in contrast to a peak power reduction apparatus for DC which has been widely used up to now. To this end, the energy storage apparatus for an AC-based high speed railway substation applies a multi-level inverter to a power conversion apparatus to operate in conjunction with a high voltage single phase AC voltage, and performs a demand power calculation to quickly identify and apply a load pattern of a concentrated control type of controller for controlling a power conversion apparatus and a high speed railway substation so as to secure efficient power operation, system stability, and reliability in consideration of a consumption pattern and am operation plan of the high speed railway substation.

Description

교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치{Energy Storage apparatus for AC High Speed Railway}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy storage apparatus for an AC-

본 발명은 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 고속열차 제동시 발생하는 회생에너지 및 변전소 전력을 통해 에너지를 저장하고 이를 이용하여 고속철도의 부하패턴에 따른 충방전 개시 여부 제어를 통해 효율적인 수요전력 공급을 달성할 수 있게 한 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation, and more particularly, to an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation which stores energy through regenerative energy and substation power generated during braking of a high speed train, To an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation capable of achieving efficient demand power supply.

주지된 바와 같이, 일반적으로, 철도분야의 전력수요는 평균부하와 피크부하의 차이가 크기 때문에 적은 에너지 저장장치 용량으로 큰 피크전력 저감이 가능한 부하패턴을 가지고 있고, 이러한 부하 패턴에 의해서 에너지 저장장치 시스템의 투자대비 효과가 매우 크다. As is well known, generally, the electric power demand in the railway sector has a load pattern capable of reducing large peak power with a small energy storage capacity because of a large difference between an average load and a peak load, The system is very effective against the investment.

또한, 에너지 저장장치 시스템은 차량의 잦은 기동과 제동이 반복되는 과정에서 발생하는 회생에너지의 이용률 향상 및 가선전압 안정화에 기여할 수 있다.In addition, the energy storage system can contribute to the improvement of utilization ratio of regenerative energy and the stabilization of the line voltage generated in the process of repeatedly starting and braking the vehicle.

이러한 에너지 저장장치는 1,500V의 직류전원을 사용하는 도시철도를 중심으로 활발하게 적용되고 있다. 도시철도의 직류 급전시스템은 3~3.5km정도의 짧은 변전소간 거리 및 빈번한 열차의 기동, 정차 특성으로 회생에너지 발생과 그 이용률이 높아 철도선진국을 비롯하여 국내에도 이미 적용되어 운영 중이다. These energy storage devices are being actively applied to urban railways using 1,500V DC power. The DC transmission system of the city railway has already been applied to the railway advanced countries and the domestic market because of the short distance between the substations of 3 ~ 3.5km and frequent train start and stop characteristics.

도 1은 도시철도 변전소에 적용되는 직류용 에너지 저장장치의 구성을 도시한 도면으로, 이를 참조하면, 교류전원을 직류전원으로 변환하는 순방향 정류기(4)와 피크전력 저감을 위한 에너지 저장장치 장치(10)로 구성된다. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a direct current energy storage device applied to an urban railway substation. Referring to FIG. 1, a forward rectifier 4 for converting AC power to DC power and an energy storage device 10).

변전소(20)로부터 3상의 교류전원을 공급받아 정류기(4)를 통하여 1,500Vdc의 직류전원으로 변환하여 에너지 저장장치(10)에 피크저감을 위한 전력을 비축하거나 열차(2)의 회생에너지를 이용하여 배터리를 충전한다. Phase AC power is supplied from the substation 20 and converted to a DC power of 1,500 Vdc through the rectifier 4 to save power for reducing the peak to the energy storage device 10 or to use the regenerative energy of the train 2 To charge the battery.

열차(2) 기동시에는 순시적으로 증가하는 전력량을 에너지 저장장치(10)로부터 공급받음으로써 피크전력 저감 기능을 수행한다.At the start of the train 2, the peak power reduction function is performed by receiving an instantaneous increase in the amount of power from the energy storage device 10.

한편, 2004년부터 운행되고 있는 KTX(Korea Train eXpress)와 같은 고속철도는 도시철도보다 대용량의 부하로서, 변전소간의 거리가 상대적으로 멀기 때문에 멀리 떨어진 전동차량에 전력을 공급하기 위해서 고압의 단상 교류전압(예를 들어, 55kV)을 이용하여 급전시스템 구성이 필수적이다. On the other hand, high-speed railway such as KTX (Korea Train eXpress), which has been operating since 2004, has a larger capacity than an urban railway and the distance between substations is relatively far. Therefore, a high-voltage single- For example, 55 kV), it is necessary to configure the power supply system.

또한, 고속철도 사용량이 매년 급속히 증가하는 상황에서 고속열차의 정시율을 유지하기 위해 변전소 급전구간 내에 계획된 열차보다 더 많은 열차가 운행될 수 있고, 이 경우 다수의 열차가 동시 가속 또는 감속시 발생하는 순시 피크전력은 매우 크게 증가하게 된다. In addition, in order to maintain the constant rate of the high-speed train in a situation where the high-speed rail usage is rapidly increasing every year, more trains can be operated in the substation feeding section than the planned train. In this case, The power is greatly increased.

따라서, 고속철도 변전소의 피크전력을 공급하기 위한 교류용 에너지저장장치 개발의 중요성은 점차 증가되는 추세이다. 이를 위해서는 직류대비 회생에너지의 활용도가 낮고, 추가적인 설비가 요구되는 등 경제적 불리함을 극복해야하며 고속철도의 부하패턴을 고려한 에너지 저장장치 시스템 운용이 수반되어야 한다.Therefore, the importance of developing an AC energy storage device for supplying peak power of a high-speed railway substation is increasing. To this end, it is necessary to overcome the economic disadvantages such as low utilization of regenerative energy compared with direct current and additional facilities, and it should be accompanied by energy storage system operation considering the load pattern of high-speed railway.

* 선행기술 문헌 : ‘에너지저장시스템 적용에 의한 에너지 절감 효과에 관한 연구’, 한국철도학회논문지 제12권 제9호, 2009. * Prior Art Documents: 'Study on Energy Saving Effect by Application of Energy Storage System', Journal of the Korean Society for Railway, 12 (9), 2009.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 현재까지 보편적으로 이용되었던 직류용 피크전력 저감장치와는 다르게 교류기반의 고속철도 변전소에 적합한 에너지 저장장치 시스템 구축을 지향하고, 이를 위해서 고압의 단상 교류전압과 연계되어 동작하기 위한 전력변환장치로 멀티레벨 인버터를 적용하고 전력변환장치를 제어하기 위한 집중제어방식의 제어기, 고속철도 변전소의 부하패턴의 신속한 파악 및 적용이 가능하도록 수요전력 연산을 수행하여 고속철도 변전소의 소비패턴과 운행 계획을 고려한 효율적인 전력운용과, 시스템 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the circumstances of the prior art described above, and unlike conventional peak power reduction devices for direct current, it is aimed to construct an energy storage system suitable for an AC-based high-speed railway substation, It is a concentrated control type controller for applying a multilevel inverter to a power conversion device to operate in conjunction with single-phase AC voltage and controlling a power conversion device, and performs demand power calculation to quickly identify and apply a load pattern of a high-speed railway substation And to provide an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation capable of efficiently operating the power plant considering the consumption pattern and the operation plan of the high-speed railway substation, and securing system stability and reliability.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 고속철도 변전소(20)로부터 전력을 공급받아 배터리(32)를 충전하고, 상기 배터리(32)에 충전된 전력을 고속철도 전동차(2)로 제공하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)에 있어서, 상기 배터리(32) 및, 변압기(34)를 매개한 고압의 교류전압과 연계되어 온/오프 스위칭 동작을 통해 교류전압을 생성하는 전력 변환장치(36)와; 수요예측 및, 에너지 저장장치에 대한 운전전략 설정값 설정과, 충방전 결정에 대한 기준전력값을 관리하고, 이를 통해 전력수요를 연산하여 예측하는 수요전력 연산부(40)와; 상기 배터리(32)의 출력과 상기 수요전력 연산부(40)의 출력을 비교하여 상기 전력변환장치(36)를 제어하여 전력 충방전을 수행하는 제어부(42)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 제공된다.In order to achieve the above object, according to a preferred embodiment of the present invention, power is supplied from a high-speed railway substation 20 to charge a battery 32, and electric power charged in the battery 32 is supplied to a high- (30) for an AC-based high-speed railway substation, the AC-based high-speed railway substation being provided with a battery (32) and a transformer (34) A conversion device (36); A demand power calculation unit 40 for calculating a demand forecast, setting an operation strategy set value for the energy storage device, managing a reference power value for charging / discharging determination, and calculating and predicting a power demand through the reference power value; And a controller (42) for comparing the output of the battery (32) and the output of the demand power calculator (40) to control the power converter (36) to perform power charging and discharging Energy storage for high-speed railway substations is provided.

바람직하게, 상기 전력 변환장치(36)는 상호 직렬 접속되고, IGBT로 이루어진 다수개의 멀티레벨 셀인버터(38)로 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 제공된다.Preferably, the power inverter 36 is connected in series and comprises a plurality of multilevel cell inverters 38 of IGBTs. An energy storage device for an AC-based high speed railway substation is provided.

바람직하게, 상기 전력 변환장치(36)는 장치 정격용량을 1/N 만큼 분할시킬 수 있도록 다수개의 셀 인버터가 병렬로 접속되어 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 제공된다.Preferably, the power inverter 36 comprises a plurality of cell inverters connected in parallel to divide the rated capacity of the device by 1 / N.

바람직하게, 상기 수요전력 연산부(40)는 변전소의 부하패턴 및, 열차 운행 일정을 통한 일 단위 전력수요를 연산하여 수요를 예측하고, 상기 부하패턴은 과거의 동일 날짜 대상으로 하는 부하패턴이며, 그 부하패턴 및 수요연산으로 인해 충방전의 기준이 되는 제 1, 2 기준전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 제공된다.Preferably, the demand power calculation unit 40 calculates a daily demand power demand based on a load pattern of a substation and a schedule of train operation, predicts a demand, and the load pattern is a load pattern for the same past date target. And the first and second reference powers serving as a reference for charging and discharging are calculated based on the load pattern and the demand calculation. The energy storage device for an AC-based high-speed railway substation is provided.

바람직하게, 상기 제어부(42)는 매시간마다 배터리 충전량, 부하량의 신호를 인가받고 현재 시간이 충방전 패턴의 방전가능한 시간대인지 충전 가능한 시간대인지 판단하고, 충전가능한 시간대일 경우, 현재 부하량과 제 1 기준전력을 비교하고 부하량이 크면 동작대기, 작으면 배터리 충전상태에 따라 충전동작 또는 보호동작을 수행하며, 반면 현재시간대가 방전 가능한 시간이면, 제 2기준전력과 현재 부하량을 비교하고 배터리 충전량에 따라 방전동작, 동작대기, 보호동작중 어느 하나를 선택적으로 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 제공된다.Preferably, the controller 42 determines whether the current time is a dischargeable time zone or a rechargeable time zone when the battery charge amount and the load amount signal are received every hour, and if the current time is a rechargeable time zone, If the current time zone is a dischargeable time, the second reference power is compared with the current load amount. If the current charging time is shorter than the second reference power, Wherein the controller is configured to selectively control the operation of the high-speed railway substation, the operation standby, and the protection operation.

본 발명에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치는 전력소비가 적은 시간대 또는 심야 시간에 배터리를 충전하고 그 에너지를 이용하여 피크전력 시간대에 방전하여 최적화된 전력 소비가 가능하게 되고, 에너지 저장장치의 충방전에 대한 최적운영을 통해서 고속철도 운영에 소요되는 전력 요금의 절감을 기대할 수 있다는 장점이 있다.The energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to the present invention charges a battery in a time zone or a nighttime in which power consumption is low and discharges it in a peak power time zone using the energy to enable optimized power consumption. It is possible to expect reduction of electric power charges for high-speed railway operation through optimal operation for charging and discharging.

도 1은 종래의 도시철도 변전소에 적용되는 직류용 에너지 저장장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치에 포함된 전력변환장치의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치를 제어하기 위한 제어부의 구성을 도시한 블록도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트이다.
1 is a diagram showing a DC storage device for DC power applied to a conventional urban railway substation,
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a configuration of a power conversion apparatus included in an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing the configuration of a control unit for controlling an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a signal flow of an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치의 구성을 도시한 블록도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치에 포함된 전력변환장치의 구성을 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치를 제어하기 위한 제어부의 구성을 도시한 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of an energy storage device for an AC- FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a control unit for controlling an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention.

이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 현재까지 보편적으로 이용되었던 직류용 피크전력 저감장치와는 다르게 교류기반의 고속철도 변전소에 적합한 에너지 저장장치 시스템 구축을 지향하고, 이를 위해서 고압의 단상 교류전압과 연계되어 동작하기 위한 전력변환장치로 멀티레벨 인버터를 적용하고 전력변환장치를 제어하기 위한 집중제어방식의 제어기, 고속철도 변전소의 부하패턴의 신속한 파악 및 적용이 가능하도록 수요전력 연산을 수행하여 고속철도 변전소의 소비패턴과 운행 계획을 고려한 효율적인 전력운용과, 시스템 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 장치이다.The energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention differs from the energy storage device 30 for a DC peak power reduction device, which has been widely used until now, This is a power conversion device to operate in conjunction with a single-phase AC voltage of high voltage for a multi-level inverter, a centralized control system for controlling the power conversion device, a fast grasp of the load pattern of the high speed railway substation, It is a device that enables efficient power operation considering the consumption pattern and operation plan of high-speed railway substation, system stability and reliability by performing demand power calculation to be applicable.

보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 고속철도 변전소(20)로부터 전력을 공급받아 배터리(32)를 충전하고, 상기 배터리(32)에 충전된 전력을 고속철도 전동차(2)로 제공하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)인 바, 그 내부에 상기 배터리(32) 및, 변압기(34)를 매개한 고압의 교류전압과 연계되어 온/오프 스위칭 동작을 통해 교류전압을 생성하는 전력 변환장치(36)가 포함되어 구성된다.The energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention is configured to charge the battery 32 by receiving power from the high-speed railway substation 20, Voltage high-speed railway substation, which provides electric power to a high-speed railway electric railway vehicle 2. The electric energy storage device 30 includes an on / And a power conversion device 36 for generating an AC voltage through an off-switching operation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 수요예측 및, 에너지 저장장치에 대한 운전전략 설정값 설정과, 충방전 결정에 대한 기준전력값을 관리하고, 이를 통해 전력수요를 연산하여 예측하는 수요전력 연산부(40)와; 상기 배터리(32)의 출력과 상기 수요전력 연산부(40)의 출력을 비교하여 상기 전력변환장치(36)를 제어하여 전력 충방전을 수행하는 제어부(42)를 포함하여 구성된다.In addition, the energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention may include a demand forecasting unit, an operation strategy setting value setting unit for managing an energy storage unit, A demand power calculation unit 40 for calculating and predicting the power demand through the power demand calculation unit 40; And a controller 42 for comparing the output of the battery 32 and the output of the demand power calculator 40 to control the power inverter 36 to perform power charging and discharging.

본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 단상 연계 변압기(34), 전력변환장치(36), 배터리(32), 제어부(42), 수요전력 연산부(40)로 구성된 바, 고속철도 변전소를 통해 단상 55kV의 가선전압이 인가되고 이와 연계된 에너지 저장장치를 통해서 피크전력을 분담하게 된다. 전력변환장치(36)는 직류전원인 배터리를 교류로 바꿔주는 역할을 하며 이를 구동하기위한 제어부(42)와 연동된다. 제어부(42)는 배터리 신호와 운전전략부의 출력으로 나오는 동작지령을 입력으로 받아 에너지 저장장치(30)의 동작을 제어하고 전력변환장치(36) 및 배터리(32)가 안정적으로 운용될 수 있도록 제어한다.The energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention includes a single phase coplanar transformer 34, a power conversion device 36, a battery 32, a control unit 42, a demand power calculation unit 40, Phase voltage of 55 kV through a high-speed railway substation and share the peak power through the associated energy storage device. The power conversion device 36 converts the battery, which is a direct current power source, into AC, and is interlocked with a controller 42 for driving the battery. The control unit 42 controls the operation of the energy storage device 30 by receiving the battery signal and the operation command from the output of the operation strategy unit and controls the power conversion unit 36 and the battery 32 to be operated stably do.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 변전소(20)로부터 공급받은 전력을 고속철도 전동차(2)와 전기적으로 연결된 가선을 통하여 고속철도 전동차(2)로 공급한다. 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)는 고속철도 변전소(20)로부터 전력올 공급받아 저장하거나 전동차(2) 제동시 발생하는 회생에너지를 배터리(32)로 전송하여 에너지를 저장하고, 저장된 전력은 다수 전동차(2)의 동시 기동시 발생되는 피크전력을 분담함으로써 효율적인 전력소비가 가능하다. That is, the energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention supplies electric power supplied from the substation 20 to a high-speed railway electric railway vehicle 2 through a wire electrically connected to the electric railway train 2 do. The energy storage device 30 for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention receives electric power from the high-speed railway substation 20 and stores it or transmits the regenerative energy generated when the electric motor 2 is braked to the battery 32 Energy is stored, and the stored electric power shares the peak electric power generated at the time of simultaneous activation of the plurality of electric trains 2, thereby enabling efficient power consumption.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a signal flow of an energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention.

이를 참조하면, 상기 전력 변환장치(36)는 상호 직렬 접속되고, IGBT로 이루어진 다수개의 멀티레벨 셀인버터(38)로 구성된다.Referring to FIG. 1, the power inverter 36 is composed of a plurality of multilevel cell inverters 38 connected in series and composed of IGBTs.

또한, 상기 전력 변환장치(36)는 장치 정격용량을 1/N 만큼 분할시킬 수 있도록 다수개의 셀 인버터가 병렬로 접속되어 구성된다.In addition, the power inverter 36 is configured by connecting a plurality of cell inverters in parallel so that the rated capacity of the device can be divided by 1 / N.

즉, 상기 전력 변환장치(36)는 고압의 55kV 교류전압과 연계하기 위해 멀티레벨 인버터를 적용하며 이는 셀 인버터 형태 다수 모듈로 이루어진다. 각각의 셀 인버터는 전력 반도체소자인 IGBT를 적용하여 on/off동작을 수행하여 교류전압을 생성한다. 여기서 N개의 셀 인버터를 적용할 경우, 각 셀 인버터에는 시스템 정격용량의 1/N만큼을 분담하게 되고 멀티레벨 인버터로 인하여 고조파 저감의 효과를 기대할 수 있다.That is, the power inverter 36 applies a multi-level inverter to connect with a high-voltage 55 kV AC voltage, which is composed of a plurality of modules in the form of a cell inverter. Each cell inverter applies an IGBT, which is a power semiconductor element, to perform an on / off operation to generate an AC voltage. When N cell inverters are applied, each cell inverter shares 1 / N of the rated capacity of the system, and a harmonic reduction effect can be expected due to the multi-level inverter.

한편, 상기 수요전력 연산부(40)는 변전소의 부하패턴 및, 열차 운행 일정을 통한 일 단위 전력수요를 연산하여 수요를 예측하고, 상기 부하패턴은 과거의 동일 날짜 대상으로 하는 부하패턴이며, 그 부하패턴 및 수요연산으로 인해 충방전의 기준이 되는 제 1, 2 기준전력을 연산한다.On the other hand, the demand power calculation unit 40 calculates a daily demand power demand based on a load pattern of a substation and a daily train power demand, predicts a demand, and the load pattern is a load pattern for the same past date target, The first and second reference powers that are the reference of charge and discharge are calculated by the pattern and demand calculation.

상기 수요전력 연산부(40)는 크게 수요예측, ESS 운전전략 수립, 충방전 동작 결정의 기능을 가지고 순차적으로 에너지 저장장치의 운용을 결정한다. 변전소 수요예측 기능에서는 시스템이 관할하는 변전소의 부하패턴과 열차운행 일정을 입력으로 받아 일 단위의 전력 수요를 예측한다. 여기서 부하의 패턴은 과거 데이터 상의 동일한 날짜를 대상으로 통계적으로 취득하며 해당 변전소의 열차운행 일정을 반영하여 수요예측 데이터를 얻는다. The demand power calculation unit 40 sequentially determines the operation of the energy storage device with the function of predicting the demand, establishing the ESS operation strategy, and determining charge / discharge operation. In the substation demand forecasting function, the load pattern of the substation under the control of the system and the schedule of the train operation are inputted, and the power demand of each unit is predicted. Here, the load pattern is statistically acquired for the same date on the past data, and the demand forecast data is obtained by reflecting the train schedule of the corresponding substation.

이렇게 취득한 수요전력 예측데이터를 바탕으로 하루 동안의 에너지 저장장치 충방전 패턴 및 충전방전 동작 결정을 위한 기준전력1,2를 정한다. ESS운전 전략 수립까지의 행위는 해당날짜의 첫 열차운행이 시작되기 전까지 수행된다.Based on the obtained demanded power prediction data, the reference power 1, 2 for determining the charging / discharging pattern of the energy storage device and the charging / discharging operation for one day is determined. Actions up to the establishment of the ESS operation strategy are carried out until the first train on that date begins.

실제 열차운행이 시작되면 배터리 충전상태(SOC: Stage of Charge)와 부하량을 측정하고 시스템에 설정된 제약조건(기준전력 1/2, 충전량 상/하한치)과 비교를 통해 에너지 저장장치의 충방전 동작을 결정한다. 이렇게 결정된 동작명령은 전력변환장치의 제어부(42)에 전송되어 고속철도 변전소의 부하특성에 맞게 효율적인 에너지 관리가 진행된다.When the actual train starts to operate, the battery charge status (SOC: Stage of Charge) and load are measured, and the charging / discharging operation of the energy storage device is performed by comparing with the constraint conditions (reference power 1/2, charge amount upper / . The determined operation command is transmitted to the controller 42 of the power conversion apparatus, and efficient energy management is performed in accordance with the load characteristics of the high-speed railway substation.

정리하면, 상기 수요전력 연산부(40)는 변전소 수요 예측, 일별 에너지저장장치의 운전전략 수립, 에너지 저장장치의 충방전 동작 결정의 기능을 통해 고속철도용 에너지 저장장치의 최적 운영을 수행한다. 변전소 수요 예측에서는 고속철도 변전소의 전력 소비 패턴과 변전소의 급전 구간 내의 고속철도 운행일정 정보를 바탕으로 하루 동안의 시간대별 수요전력을 예측한다. In summary, the demand power calculation unit 40 performs optimal operation of the energy storage device for the high-speed railway through the function of predicting the demand of the substation, establishing the operation strategy of the daily energy storage device, and determining the charging / discharging operation of the energy storage device. Demand forecasts for substation demand forecast the power demand pattern of high - speed railway substations and the daytime demand power of the high - speed railway in the substation.

이를 위해서는 고속철도 변전소의 시간대별 전력소비 패턴을 저장하는 데이터베이스가 필요하며, 에너지 저장장치가 설치되는 변전소 전력공급 구간의 고속철도 운행일정을 저장할 수 있는 데이터베이스 또한 요구된다. 이 데이터베이스를 기반으로 소비전력 패턴과 고속철도 운행일정 정보의 상관관계 도출 후 수효전력을 자동으로 예측할 수 있다.This requires a database to store the power consumption patterns of the high-speed railway substations by time zone, and a database to store the schedule of the high-speed railway in the substation power supply section where the energy storage devices are installed. Based on this database, it is possible to automatically predict the power demand after deriving the correlation between power consumption pattern and schedule information of high - speed railway.

에너지 저장장치 운전전략 수립단계에서는 이전단계에서 예측된 하루동안의 시간대별 수요전력량에 따라 충전이 이루어지는 시간대와 방전이 이루어지는 시간이 결정된다.In the stage of establishing the energy storage device operation strategy, the time of charging and the time of discharging are determined according to the amount of power demanded for the day during the day predicted in the previous step.

또한, 기준전력 1은 충전동작 결정을 위해 사용되는 부하량 기준치로써 만약 부하량이 기준치 이하면 배터리 충전을 수행하며 기준전력 2는 방전동작 결정을 위해 사용되는 기준치로 현재 부하량이 기준치 이상이면 배터리 방전을 통해 피크전력 공급을 한다. 이 기준전력 1,2도 상기 수요전력 연산부(40)를 통한 배터리 충방전 패턴 수립과 함께 운전전략 수립단계에서 결정되며, 부하량이 많은 날과 적은 날에 따라서 기준전력량이 변경될 수 있도록 제어부(42)의 알고리즘이 구성되어져 있다. 이로 인하여, 배터리에 저장된 에너지의 관리가 효율적으로 운용이 될 수 있도록 한다.The reference power 1 is a load reference value used for determining the charging operation. If the load is less than the reference value, the battery is charged. The reference power 2 is a reference value used for determining the discharging operation. Peak power supply. The reference power 1 or 2 is determined in the operation strategy establishing step together with the battery charge / discharge pattern setting through the demand power calculator 40, and the control unit 42 ) Algorithm is constituted. This makes it possible to efficiently manage the energy stored in the battery.

배터리 충방전 동작 결정 단계에서는 실시간으로 결정이 이루어지며 이전단계에서 수립된 충방전 패턴, 기준전력1,2와 현재 부하량, 배터리 충전량(SOC)을 바탕으로 충전/방전 동작, 보호동작, 동작대기의 전력변환장치 지령이 결정된다. In the battery charge / discharge operation determination step, determination is made in real time, and a charge / discharge operation, a protection operation, and a standby state are performed based on the charge / discharge pattern established in the previous step, reference power 1, The power converter command is determined.

매시간마다 배터리 충전량, 부하량의 신호를 인가받고 현재 시간이 충방전 패턴의 방전가능한 시간대인지 충전 가능한 시간대인지 확인한다. 충전가능한 시간대일 경우, 현재 부하량과 기준전력 1을 비교하고 부하량이 크면 동작대기, 작으면 배터리 충전상태를 보고 충전동작 또는 보호동작을 수행한다. 반면 현재시간대가 방전 가능한 시간이면, 기준전력 2와 현재부하량을 비교 및 배터리 충전량을 고려하여 방전동작, 동작대기, 보호동작을 선별적으로 결정하게 된다.The battery charge amount and the load amount signal are applied every hour, and it is confirmed whether the current time is the dischargeable time zone or the rechargeable time zone. In the case of a rechargeable time zone, the current load is compared with the reference power 1, and if the load is large, the operation is waiting for the operation. If the load is small, the battery is charged. On the other hand, if the current time zone is a dischargeable time, the discharge operation, the standby for operation, and the protection operation are selectively determined by comparing the reference power 2 with the current load and considering the battery charge amount.

이를 위해, 상기 제어부(42)는 매시간마다 배터리 충전량, 부하량의 신호를 인가받고 현재 시간이 충방전 패턴의 방전가능한 시간대인지 충전 가능한 시간대인지 판단하고, 충전가능한 시간대일 경우, 현재 부하량과 제 1 기준전력을 비교하고 부하량이 크면 동작대기, 작으면 배터리 충전상태에 따라 충전동작 또는 보호동작을 수행하며, 반면 현재시간대가 방전 가능한 시간이면, 제 2기준전력과 현재 부하량을 비교하고 배터리 충전량에 따라 방전동작, 동작대기, 보호동작중 어느 하나를 선택적으로 수행하도록 제어한다.To this end, the control unit 42 determines whether the current time is a dischargeable time zone or a chargeable time zone when the battery charge amount and the load amount signal are received every hour, and if the current time is a rechargeable time zone, If the current time zone is a dischargeable time, the second reference power is compared with the current load amount. If the current charging time is shorter than the second reference power, An operation standby, and a protection operation.

한편, 상기 제어부(42)는 마스터 CPU(44)의 연산처리 부담을 개선하기 위해 인터페이스용 CPU(46)와 시퀀스 및 제어를 담당하는 마스터 CPU로 독립적 운용이 되도록 구성한다. 인터페이스용 CPU(46)는 주변장치인 에너지 관리시스템(EMS: Energy Management System), 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System) 등 과 데이터 송수신을 전담하고, 마스터 CPU(44)는 장치의 시퀀스 제어, 보호기능, 시스템 모니터링, 전력제어, PWM 신호 생성 등의 역할을 수행한다. 따라서 제어부(42)를 포함한 전력변환장치(36)는 BMS와 통신을 통해 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 EMS와 통신을 하여 가선의 상태정보 및 유효/무효전력지령을 받아 제어를 수행한다.On the other hand, the control unit 42 is configured to operate independently for the interface CPU 46 and the master CPU responsible for the sequence and control, in order to improve the processing burden of the master CPU 44. The interface CPU 46 is responsible for data transmission and reception with an energy management system (EMS), a battery management system (BMS), and the like, which are peripheral devices, and the master CPU 44 performs sequence control, Protection functions, system monitoring, power control, and PWM signal generation. Therefore, the power conversion device 36 including the control unit 42 monitors the battery status in real time through communication with the BMS, communicates with the EMS, and performs control by receiving the state information of the wire and the valid / invalid power command.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 결과 그래프로 에너지 저장장치가 적용된 고속철도 변전소의 전력량을 도시한다. 빨간색 막대그래프는 부하량을 의미하고, 파란색 막대그래프는 한전계통으로부터 수전받는 전력량을 나타낸다. FIG. 6 shows the amount of power of a high-speed railway substation to which an energy storage device is applied as a result graph according to an embodiment of the present invention. The red bar graph represents the load, and the blue bar graph represents the power received from the KEPCO system.

본 발명의 에너지 저장장치를 적용할 경우 알고리즘에 의해서 설정된 최대 수전전력 레벨(기준전력 2)에 따라서 한전 전력계통으로부터 공급받는 전력량은 제한됨을 확인할 수 있다. 에너지 저장장치 충전동작은 전기료가 저렴한 심야시간대를 대상으로 기준전력 1 이하의 부하량 일 때 수행되며 배터리 만충전이 될 때 까지 수행된다.When the energy storage device of the present invention is applied, it can be confirmed that the amount of power supplied from the electric power system according to the maximum receiving power level (reference power 2) set by the algorithm is limited. The charging operation of the energy storage device is performed when the electric charge is lower than a reference power of 1 for an inexpensive night time zone and is performed until the battery is fully charged.

도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하루동안의 에너지 저장장치의 출력과 충전상태를 도시한다. 도 6의 그래프와 동일한 조건으로 취득한 결과로써, 심야시간 충전 동작시에 의해 한전 전력계통으로부터 전력을 공급받아 배터리를 충전하며 충전량(SOC)이 40%에서 100%까지 상승하는 것을 볼 수 있다. 반면 기준전력 2에 의해 결정되는 방전동작 구간에서는 피크전력 분담을 위해서 에너지 저장장치가 고속철도 변전소에 전력공급을 수행함을 알 수 있다.Figure 7 shows the output and charge state of an energy storage device during a day according to one embodiment of the present invention. As a result obtained under the same conditions as the graph of FIG. 6, it can be seen that the charge amount (SOC) increases from 40% to 100% by supplying power from the electric power system during the nighttime charging operation and charging the battery. On the other hand, in the discharge operation period determined by the reference power 2, it can be seen that the energy storage device performs power supply to the high-speed railway substation for peak power sharing.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시 형태에 따른 고속철도 변전소용 에너지저장장치는 지금까지 도시철도에서 적용되어 왔던 직류기반 에너지저장장치 구성과 달리, 긴 변전구간과 고속철도 차량의 큰 전력소모량 등의 특성을 갖는 고속철도 시스템에 적합한 교류 기반의 에너지 저장장치 시스템을 제시한다. 시스템 구성은 가선전압인 55kV에 적합한 멀티레벨 인버터를 사용한 전력변환장치와 제어기 그리고 도시철도 부하특성 및 전력소비 최적화를 위한 운영 전략부로 구성된다. 그리고 고속철도 변전소의 누적된 전력 소비 데이터와 변전소 구간의 차량운행 일정 데이터을 바탕으로 에너지 저장장치의 운전 패턴을 결정함으로써, 전력소비가 적은 시간대 또는 심야 시간에 배터리를 충전하고 그 에너지를 이용하여 피크전력 시간대에 방전하여 최적화된 전력 소비가 가능하게 된다. 또한 이러한 시스템 및 최적운영을 통해서 고속철도 운영에 소요되는 전력 요금의 절감을 기대할 수 있다.As described above, the energy storage device for a high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention is different from the DC-based energy storage device that has been applied in urban railway so far, and has characteristics such as a long transition period and a large power consumption of a high- Based energy storage system suitable for a high-speed railway system having an AC power source. The system configuration consists of a power conversion device and controller using a multi-level inverter suitable for the 55-kV line voltage, and an operational strategy for optimizing the urban railroad load characteristics and power consumption. The operation pattern of the energy storage device is determined based on the cumulative power consumption data of the high-speed railway substation and the data of the vehicle driving schedule of the substation section. By thus determining the operation pattern of the energy storage device, the battery is charged in a low- Thereby enabling optimized power consumption. In addition, this system and optimal operation can be expected to reduce electric power charges for high-speed railway operation.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치는 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다. Meanwhile, the energy storage device for an AC-based high-speed railway substation according to an embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the technical gist of the present invention.

10:에너지 저장장치, 20:변전소,
30:교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치,
32:배터리, 34:변압기,
36:전력변환장치, 38:셀인버터,
40:수요전력 연산부, 42:제어부.
10: Energy storage device, 20: Substation,
30: AC-based high-speed railway energy storage for substation,
32: battery, 34: transformer,
36: power conversion device, 38: cell inverter,
40: Demand power calculation unit, 42: Control unit.

Claims (5)

고속철도 변전소(20)로부터 전력을 공급받아 배터리(32)를 충전하고, 상기 배터리(32)에 충전된 전력을 고속철도 전동차(2)로 제공하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(30)에 있어서,
상기 배터리(32) 및, 변압기(34)를 매개한 고압의 교류전압과 연계되어 온/오프 스위칭 동작을 통해 교류전압을 생성하는 전력 변환장치(36)와;
수요예측 및, 에너지 저장장치에 대한 운전전략 설정값 설정과, 충방전 결정에 대한 기준전력값을 관리하고, 이를 통해 전력수요를 연산하여 예측하는 수요전력 연산부(40)와;
상기 배터리(32)의 출력과 상기 수요전력 연산부(40)의 출력을 비교하여 상기 전력변환장치(36)를 제어하여 전력 충방전을 수행하는 제어부(42)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치.
An energy storage device (30) for an AC-based high-speed railway substation, which receives electric power from a high-speed railway substation (20) to charge a battery (32) and supplies electric power charged in the battery (32)
A power converter 36 for generating an alternating voltage through on / off switching operation in association with the high voltage AC voltage mediated by the battery 32 and the transformer 34;
A demand power calculation unit 40 for calculating a demand forecast, setting an operation strategy set value for the energy storage device, managing a reference power value for charging / discharging determination, and calculating and predicting a power demand through the reference power value;
And a controller (42) for comparing the output of the battery (32) and the output of the demand power calculator (40) to control the power converter (36) to perform power charging and discharging Energy storage for high speed railway substations.
제 1항에 있어서,
상기 전력 변환장치(36)는 상호 직렬 접속되고, IGBT로 이루어진 다수개의 멀티레벨 셀인버터(38)로 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치.
The method according to claim 1,
Characterized in that the power inverter (36) comprises a plurality of multilevel cell inverters (38) connected in series and made up of IGBTs.
제 1항에 있어서,
상기 전력 변환장치(36)는 장치 정격용량을 1/N 만큼 분할시킬 수 있도록 다수개의 셀 인버터가 병렬로 접속되어 구성된 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치.
The method according to claim 1,
Wherein the power inverter (36) comprises a plurality of cell inverters connected in parallel to divide the rated capacity of the device by 1 / N.
제 1항에 있어서,
상기 수요전력 연산부(40)는 변전소의 부하패턴 및, 열차 운행 일정을 통한 일 단위 전력수요를 연산하여 수요를 예측하고, 상기 부하패턴은 과거의 동일 날짜 대상으로 하는 부하패턴이며, 그 부하패턴 및 수요연산으로 인해 충방전의 기준이 되는 제 1, 2 기준전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치.
The method according to claim 1,
The demand power calculation unit 40 calculates a daily demand power demand based on a load pattern of a substation and a schedule of train operation to predict a demand and the load pattern is a load pattern for the same past date target, And the first and second reference powers that are the reference of charge and discharge due to the demand calculation are calculated.
제 1항에 있어서,
상기 제어부(42)는 매시간마다 배터리 충전량, 부하량의 신호를 인가받고 현재 시간이 충방전 패턴의 방전가능한 시간대인지 충전 가능한 시간대인지 판단하고, 충전가능한 시간대일 경우, 현재 부하량과 제 1 기준전력을 비교하고 부하량이 크면 동작대기, 작으면 배터리 충전상태에 따라 충전동작 또는 보호동작을 수행하며, 반면 현재시간대가 방전 가능한 시간이면, 제 2기준전력과 현재 부하량을 비교하고 배터리 충전량에 따라 방전동작, 동작대기, 보호동작중 어느 하나를 선택적으로 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치.
The method according to claim 1,
The control unit 42 determines whether the current time is a dischargeable time zone or a chargeable time zone when the battery charge amount and the load amount signal are received every hour, and when the current time is a rechargeable time zone, If the current time zone is a dischargeable time, the second reference power and the current load amount are compared with each other. If the current charging time is shorter than the current charging time, Standby, and / or protection operation of the AC-based high-speed railway substation.
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