KR20190022203A - 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템 - Google Patents

필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템에 따르면, DC-DC 컨버터를 이용하여 인터리브드 방식으로 병렬 운전을 하는 PWM 제어방식의 전력변환기의 개수가 2개 이상으로 증가하더라도, 출력을 필터링 하는 필터의 개수를 1대로 줄일 수 있도록 하여 전력변환기의 부피 및 단가를 줄일 수 있으며, 철도 차량 전력 계통의 DC-DC 컨버터 제품 중 일부 제품에 고장이 발생하여도, 고장이 발생하지 않은 나머지 DC-DC 컨버터로 철도 차량 운행이 가능할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템{Parallel Operation System for Minimizing Filter}
본 발명은 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 신뢰성을 요구하는 철도 차량 전력 계통의 DC-DC 컨버터 제품 중 일부 제품에 고장이 발생하여도, 고장이 발생하지 않은 나머지 DC-DC 컨버터로 철도 차량 운행이 가능할 수 있도록 하는 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템에 관한 것이다.
고속전철 혹은 전동차의 모터 블록(추진 인버터)의 경우 전력변환장치 및 모터는 냉각팬을 통해 열을 방출 하는데, 전차선 내 전압이 없는(사구간) 곳을 통과 할 때 냉각 인버터의 전원 공급이 중단 되어 시스템의 정지를 야기 한다.
이를 해결하기 위해 사구간 통과 시 회생 제동 동작할 때 발생하는 회생에너지를 냉각 인버터 전원으로 공급하기 위해 DC-DC 컨버터를 사용한다.
신뢰성이 높이 요구 되는 철도 차량의 전장품의 경우 DC-DC 컨버터가 고장이 발생하면, 운행을 할 수 없는 상황이 되어 버리기 때문에 이를 병렬운전을 실시해야 한다.
기존의 PWM 제어방식의 DC-DC 컨버터는 출력을 필터링 하는 L-C필터를 사용하고, 인터리브드 방식으로 병렬 운전을 하게 되면, DC-DC 컨버터의 개수가 N대일 때, 이에 따른 L-C 필터도 N대 만큼 늘어나는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0143957호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, DC-DC 컨버터를 이용하여 인터리브드 방식으로 병렬 운전을 하는 PWM 제어방식의 전력변환기의 개수가 2개 이상으로 증가하더라도, 출력을 필터링 하는 필터의 개수를 1대로 줄일 수 있도록 하여 전력변환기의 부피 및 단가를 줄일 수 있으며, 철도 차량 전력 계통의 DC-DC 컨버터 제품 중 일부 제품에 고장이 발생하여도, 고장이 발생하지 않은 나머지 DC-DC 컨버터로 철도 차량 운행이 가능할 수 있도록 하는 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템은, DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제1입력필터, 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제1DC/AC 컨버터, 제1DC/AC 컨버터의 출력전압을 변환하는 제1변압기 및 제1변압기의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제1정류기를 포함하여 구성된 제1DC-DC컨버터부 및 제1DC-DC컨버터부와 병렬로 구비되는 것으로 DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제2입력필터, 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제2DC/AC 컨버터, 제2DC/AC 컨버터의 출력전압을 변환하는 제2변압기 및 제2변압기의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제2정류기를 포함하여 구성된 제2DC-DC컨버터부가 구성되어 각각 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어되며; 상기 제1정류기 및 제2정류기의 출력에 공통으로 연결되어, 변환된 DC 전압의 고주파 성분을 필터링하는 1개의 공통필터를 포함하여 구성된다.
상기 제1DC-DC컨버터부와 제2DC-DC컨버터부의 스위칭 동작은 180도 위상차를 갖을 수 있다.
상기 제1DC-DC컨버터부의 제1정류부 및 제2DC-DC컨버터부의 제2정류부를 통해 각각 출력되는 전류 값은 공통필터를 통해 출력되는 전류 값의 절반에 해당할 수 있다.
상기 제1DC-DC컨버터부 또는 제2DC-DC컨버터부 중 어느 하나가 고장이 발생되어 작동이 중단될 경우, 서로 연결된 신호선에 의해 고장이 발생한 DC-DC컨버터부가 검지되고, 고장나지 않은 DC-DC컨버터부의 정류부를 통해 출력되는 전류는 고장이 발생한 DC-DC컨버터부로부터 출력될 전류가 합쳐져서 출력될 수 있다.
상기 고장난 DC-DC컨버터부가 고장에서 복귀하여 다시 작동이 되면, 상기 제1DC-DC컨버터부의 제1정류부 및 제2DC-DC컨버터부의 제2정류부를 통해 각각 출력되는 전류는 공통필터를 통해 출력되는 전류 값의 절반에 해당할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템에 따르면, DC-DC 컨버터를 이용하여 인터리브드 방식으로 병렬 운전을 하는 PWM 제어방식의 전력변환기의 개수가 2개 이상으로 증가하더라도, 출력을 필터링 하는 필터의 개수를 1대로 줄일 수 있도록 하여 전력변환기의 부피 및 단가를 줄일 수 있으며, 철도 차량 전력 계통의 DC-DC 컨버터 제품 중 일부 제품에 고장이 발생하여도, 고장이 발생하지 않은 나머지 DC-DC 컨버터로 철도 차량 운행이 가능할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템을 나타낸 블록도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템을 통한 PWM 제어 방법을 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템에서 고장 발생 시 단독 운전 및 재기동 후 병렬 운전을 설명하기 위한 타임 차트이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이, 서로 병렬로 연결이 되어 CAN(Controller Area Network) 통신으로 통신이 이루어지면서 PWM 동기화 수행을 하는 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)가 포함되어 구성된다.
참고로 본 발명에서는 DC-DC컨버터부 2대를 병렬로 연결하여 사용하는 예를 나타내었으며, 병렬 운전에 따른 인터리브드(interleaved) 방식에 따라 스위칭 시점을 2대일 경우 180도, 3대일 경우 120도, 4대일 경우 90도, N대 일 때 360도/N 으로 스위칭 시점을 맞춰 DC-DC컨버터부의 대수를 달리하여 사용할 수도 있다.
상기 제1DC-DC컨버터부(100)는 DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제1입력필터(110), 제1입력필터(110)를 통하여 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제1DC/AC컨버터(130), 제1DC/AC컨버터(130)의 출력전압을 변환하는 제1변압기(150) 및 제1변압기(150)의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제1정류기(170)를 포함하여 구성된다.
제2DC-DC컨버터부(300)는 제1DC-DC컨버터부(100)와 마찬가지로, DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제2입력필터(310), 제2입력필터(310)를 통하여 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제2DC/AC컨버터(330), 제2DC/AC컨버터(330)의 출력전압을 변환하는 제2변압기(350) 및 제2변압기(350)의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제2정류기(370)를 포함하여 구성된다.
상기 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)는 각각 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어되는 것으로, 제1DC-DC컨버터부(100)와 제2DC-DC컨버터부(300)의 스위칭 동작은 180도 위상차를 갖는다.
그리고 상기 제1정류기(170) 및 제2정류기(370)의 출력에 공통으로 연결되어, 변환된 DC 전압의 고주파 성분을 필터링하는 1개의 공통필터(500)를 포함하여 구성된다.
상기 공통필터(500)는 L-C 필터로 구성될 수 있다.
제1DC-DC컨버터부(100)와 제2DC-DC컨버터부(300)에서 PWM 동기방법은 마스터에 해당하는 제1DC-DC컨버터부(100)를 기준으로 하나의 삼각파에서 기준 값을 비교하여 PWM 파형을 만들어 낸다.
그리고 제1DC-DC컨버터부(100)를 기준으로 제2DC-DC컨버터부(300)는 180도 위상차의 삼각파를 발생시키고, 이를 기준 값과 비교하여 제1DC-DC컨버터부(100)와 제2DC-DC컨버터부(300)의 PWM 파형은 180도 위상차를 갖게 된다.
제1DC-DC컨버터부(100)에서는 DC 입력전압인 삼각파(도 1의 (a))는 제1입력필터(110)로 입력되어 고주파 성분이 필터링되고, 제1입력필터(110)를 통하여 고주파 성분이 필터링된 DC 입력전압은 제1DC/AC컨버터(130)로 입력되어 구형파 형태의 AC 전압으로 변환된다.
이어서, 구형파 형태의 AC 전압은 제1변압기(150)로 입력되어 상대적으로 저전압인 구형파 형태의 전압으로 변환되고, 구형파 형태의 전압은 제1정류기(170)로 입력되어 펄스 형태의 전압인 DC 전압(도 1의 (b))으로 변환된다.
제2DC-DC컨버터부(300)에서 발생된 DC 입력전압인 삼각파(도 1의 (c))는 제1DC-DC컨버터부(100)보다 180도 위상차를 가지면서 제2입력필터(310)로 입력되어 고주파 성분이 필터링되고, 제2입력필터(310)를 통하여 고주파 성분이 필터링된 DC 입력전압은 제2DC/AC컨버터(330)로 입력되어 구형파 형태의 AC 전압으로 변환된다.
이어서, 구형파 형태의 AC 전압은 제2변압기(350)로 입력되어 저전압인 구형파 형태로 변환되고, 구형파 형태의 전압은 제2정류기(370)로 입력되어 펄스 형태의 전압인 DC 전압(도 1의 (d))으로 변환된다.
이어서, 제1정류기(170)로부터 출력되는 펄스 형태의 DC 전압과 제2정류기(370)로부터 출력되는 펄스 형태의 DC 전압은 공통필터(500)로 입력되어 DC 전압의 고주파 성분이 필터링되어 DC 전압으로 출력된다.
상술한 바와 같이 구성된 병렬 운전 시스템은 기본적으로 병렬 제어이기 때문에 제1DC-DC컨버터부(100)가 출력전압 제어를 위해 전압/전류 제어를 실시하고, 제2DC-DC컨버터부(300)는 전류 제어로 맞춰놓으면, 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)간의 평형 제어가 가능하다.
이때 평형을 맞추기 위해 CAN 통신을 통한 duty정보를 통해 평형 제어를 실시한다.
즉, 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)는 병렬운전의 평형을 맞춰야하기 때문에, 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300) 각각 1/2의 전류 제어를 수행한다.
따라서 각각 1/2 전류 제어(예를 들어, 52kW를 26kW씩 제어)해야 하기 때문에 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)의 duty를 동일하게 전류의 평형과 맞추려고 CAN통신으로 서로 duty 정보를 받아 평균값으로 동일하게 제어할 수 있다.
제1DC-DC컨버터부(100)의 duty는 결국 전류를 제어하기 위한 파라미터 값이다.
일반적인 병렬제어 시 마스터슬레이브 기능으로 제어할 경우, 위와 같이 마스터인 제1DC-DC컨버터부(100)는 전압/전류 제어, 슬레이브인 제2DC-DC컨버터부(300)는 전류 제어하여 평형제어를 실시한다.
따라서 일반적인 병렬제어 시 도 3에 나타낸 바와 같이, 공통필터(500)를 통해 출력되는 최종 출력 전류(예를 들어 78A)는 제1DC-DC컨버터부(100)로부터 출력되는 출력전류(예를 들어 39A) 및 제2DC-DC컨버터부(300)로부터 출력되는 출력전류(예를 들어 39A)를 합친 전류 값이 된다.
한편, 병렬제어 동작 중 제1DC-DC컨버터부(100) 또는 제2DC-DC컨버터부(300)의 고장이 발생 될 경우, 제1DC-DC컨버터부(100)와 제2DC-DC컨버터부(300)간에 연결된 신호선에 따라 고장을 검지하여, 서로 고장이 검지가 되는지 확인한다.
이어서, 제1DC-DC컨버터부(100)에서 고장이 발생한 경우, 마스터였던 제1DC-DC컨버터부(100)가 제2DC-DC컨버터부(300)로 이동해야하기 때문에, 제2DC-DC컨버터부(300)가 마스터가 되어 전압/전류 제어를 실시함으로써 단독 운전이 수행된다.
따라서 제2DC-DC컨버터부(300)는 최종 출력 전류를 2배 높여 제어하게 된다.
아울러, 제2DC-DC컨버터부(300)에서 고장이 발생한 경우, 제1DC-DC컨버터부(100)는 마찬가지로 최종 출력 전류를 2배 높여 제어하게 된다.
이어서, 고장난 DC-DC컨버터부가 고장에서 복귀하여 재기동 하였을 때, 다시 병렬 평형 제어를 실시하게 되고, 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)는 최종 출력 전류가 각각 1/2씩(예를 들어 39A) 제어하게 된다.
도 2의 (e)는 DC-DC컨버터부 1대를 이용할 때와, DC-DC컨버터부를 복수로 구비하여 인터리브드 방법을 이용하였을 때의 전류 파형을 나타낸 것으로, 피크 투 피크(peak to peak)가 2배 차이나는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 제1DC-DC컨버터부(100) 및 제2DC-DC컨버터부(300)의 2대의 DC-DC컨버터부에 공통으로 연결된 1개의 공통필터(500)를 사용하는 예를 나타내었으며, DC-DC컨버터부가 3개 이상으로 증가하더라도, 공통필터(500)는 3개 이상으로 증가하는 것이 아닌, 1개만으로 사용할 수 있으므로, DC-DC컨버터부를 구성하는 부피가 기존에 비해 1.7배 내지 2배 축소될 수 있다.
그리고 DC-DC컨버터부 총 용량이 예를 들어, 52kW(1대당 26kW, 2대 병렬운전으로 52kW)라면, 기존에는 제동 저항기를 분배하여 전원을 공급함으로써 저항에 52kW의 손실이 발생하였지만, 본 발명에 따른 DC-DC컨버터부를 사용 할 경우, 52kW의 용량을 사용하여 저항에서 소비되는 에너지가 없기 때문에 효율(약 90%)을 감안하면 소비 전력량 5.2kW로써 약 10배의 전력량이 감소되는 효과가 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 제1DC-DC컨버터부 110: 제1입력필터
130: 제1DC/AC컨버터 150: 제1변압기
170; 제1정류기 300: 제2DC-DC컨버터부
310: 제2입력필터 330: 제2DC/AC컨버터
350: 제2변압기 370: 제2정류기
500: 공통필터

Claims (5)

  1. DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제1입력필터, 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제1DC/AC컨버터, 제1DC/AC컨버터의 출력전압을 변환하는 제1변압기 및 제1변압기의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제1정류기를 포함하여 구성된 제1DC-DC컨버터부 및 제1DC-DC컨버터부와 병렬로 구비되는 것으로 DC 입력전압의 고주파 성분을 필터링하는 제2입력필터, 필터링된 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하는 제2DC/AC컨버터, 제2DC/AC컨버터의 출력전압을 변환하는 제2변압기 및 제2변압기의 출력전압을 정류하여 DC 전압으로 변환하는 제2정류기를 포함하여 구성된 제2DC-DC컨버터부가 구성되어 각각 서로 다른 위상에서 스위칭 동작을 수행하도록 제어되며;
    상기 제1정류기 및 제2정류기의 출력에 공통으로 연결되어, 변환된 DC 전압의 고주파 성분을 필터링하는 1개의 공통필터를 포함하여 구성된 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1DC-DC컨버터부와 제2DC-DC컨버터부의 스위칭 동작은 180도 위상차를 갖는 것을 특징으로 한 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1DC-DC컨버터부의 제1정류부 및 제2DC-DC컨버터부의 제2정류부를 통해 각각 출력되는 전류 값은 공통필터를 통해 출력되는 전류 값의 절반에 해당하는 것을 특징으로 한 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1DC-DC컨버터부 또는 제2DC-DC컨버터부 중 어느 하나가 고장이 발생되어 작동이 중단될 경우, 서로 연결된 신호선에 의해 고장난 DC-DC컨버터부가 검지되고, 고장나지 않은 DC-DC컨버터부의 정류부를 통해 출력되는 전류는 고장난 DC-DC컨버터부로부터 출력될 전류가 합쳐져서 출력되는 것을 특징으로 한 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 고장난 DC-DC컨버터부가 고장에서 복귀하여 다시 작동이 되면, 상기 제1DC-DC컨버터부의 제1정류부 및 제2DC-DC컨버터부의 제2정류부를 통해 각각 출력되는 전류는 공통필터를 통해 출력되는 전류 값의 절반에 해당하는 것을 특징으로 한 필터를 최소화하는 병렬 운전 시스템.
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