KR20230049798A - 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법 - Google Patents

철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치에 관한 것으로, 복수의 반도체 변압기 모듈; 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 전체의 CHM 컨버터에 대한 지령 전압(Vs* d,Total)을 생성하고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 제어부; 및 상기 제어부에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력하는 위상 이동 변조부;를 포함한다.

Description

철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING SEMICONDUCTOR TRANSFORMER OF PROPULSION SYSTEM OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량 추진시스템의 주변압기를 반도체 변압기로 대체한 후 상기 반도체 변압기의 복수의 모듈을 독립적으로 제어하여 추진제어장치 및 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 하는, 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 기존 철도차량의 추진시스템에 사용되는 주변압기(계통전원을 입력받아 철도차량용 주전원 및 보조전원으로 변환하기 위한 변압기)는 25kV 가선(판토그래프를 통해 철도차량으로 공급되는 19~29kV 계통전원)이 인가되는 1차권선, 모터(예 : Traction Motor, T/M) 제어용 주전력변환장치(C/I)에 연결되는 2차권선, 보조전원장치(철도차량의 부하나 냉각기 FAN 등에 전원을 공급하기 위한 장치)에 사용되는 3차권선, 및 4차권선을 포함한다.
상기와 같이 기존 철도차량 추진시스템의 주변압기는 4개의 권선을 포함하고, 판토그래프로부터 유입되는 25kV 고압 전원이 인가되는 1차권선과 주전력변환장치(C/I, Converter/Inverter)에 전원을 공급하기 위한 2차권선, 보조전원장치(SIV : Static Inverter)에 전원을 공급하기 위한 3차권선 및 4차권선을 포함한다.
상기 2차권선, 3차권선 및 4차권선은 각기 모터(예 : Traction Motor, T/M)와 부하를 구동하기 위한 지정된 전압으로 감압하기 위하여, 상기 1차권선에 대하여 지정된 권선비에 의해 상기 25kV 고압을 지정된 전압으로 감압하게 된다.
이에 따라 상기 종래의 철도차량 추진시스템에 사용되는 주변압기는 복잡하고 부피가 크며 무겁고 제작비용을 증가시키는 문제점이 있다. 따라서 최근에는 도 1에 도시된 바와 같은, 상기 주변압기를 반도체 변압기(또는 지능형 반도체 변압기)로 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이러한 반도체 변압기(또는 지능형 반도체 변압기)(10)는, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 다수의 모듈(예 : 컨버터)로 구성되고, 각 모듈은 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터를 포함한다.
그런데 상기 반도체 변압기(또는 지능형 반도체 변압기)는 기존의 주변압기를 대체하는 방식이기 때문에 당연히 모터(T/M)와 부하에도 각기 지정된 전원을 공급하도록 구성되어야 한다.
예컨대 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 변압기(또는 지능형 반도체 변압기)(10)를 통해 출력되는 전원을, T/M 인버터(20)를 통해 모터(T/M)에 적합한 전원(예 : 약 1.5kV 이상)으로 변환하고, 또한 별도의 감압용 컨버터(30)와 SIV 인버터(40)를 통해 부하(Load)에 적합한 전원(예 : 수백 V 이하)으로 변환하도록 구성되어야 한다.
이 때 상기 반도체 변압기(10)는 기존의 주변압기와 C/I의 컨버터를 대신하여 상기 T/M 인버터(20)에 직류 전원을 출력한다. 그러나 상기 반도체 변압기(10)의 출력 전압과 상기 SIV 인버터(40)의 입력 전압이 다르기 때문에 상기 반도체 변압기(10)와 상기 SIV 인버터(40) 사이에는 감압용 컨버터(30)가 추가로 더 포함되어야 한다.
그런데 상기 감압용 컨버터(30)를 구동하기 위해서는, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 전력변환장치, 냉각장치, 및 제어시스템 등이 추가로 더 필요하며, 상기 반도체 변압기(10)의 제어기와 통신을 수행해야 하기 때문에 제어시스템의 복잡성이 증가하는 문제점이 있으며, 또한 상기 SIV 컨버터(40)는 일반적으로 수백 kW 용량으로 제작되기 때문에 철도차량 추진시스템의 부피 및 무게를 증가시키는 문제점이 있다.
따라서 상기 SIV 컨버터(40)와 같은 별도의 추가 전력변환장치(예 : 감압용 컨버터) 없이 반도체 변압기(10)의 모듈에 대한 독립제어를 통해 보조전원장치(철도차량의 부하나 냉각기 FAN 등에 전원을 공급하기 위한 장치)에도 전원을 공급할 수 있도록 하여, 반도체 변압기를 사용하는 철도차량 추진시스템의 부피, 무게, 복잡도, 및 비용 등을 더욱 감소시킬 수 있도록 하는 기술이 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2020-0126275호(2020.11.06. 공개, 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 철도차량 추진시스템의 주변압기를 반도체 변압기로 대체한 후 상기 반도체 변압기의 복수의 모듈을 독립적으로 제어하여 추진제어장치 및 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 하는, 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치는, 복수의 반도체 변압기 모듈; 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 전체의 CHM 컨버터에 대한 지령 전압(Vs* d,Total)을 생성하고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 제어부; 및 상기 제어부에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력하는 위상 이동 변조부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 입력은 계통전원에 직렬로 연결되고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 지정된 복수의 반도체 변압기 모듈의 DAB 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결되어 그 출력이 추진제어장치에 인가되게 구성되며, 나머지 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈을 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 변압기 모듈은, 각기 두 개의 직렬 연결된 H-bridge 컨버터; 및 상기 H-bridge 컨버터의 출력을 고주파 변압기를 통해 입력받는 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 H-bridge 컨버터는, Cascade H-bridge Multilevel(CHM) 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 위상을, 계통 입력 전류와 동일하게 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되어 추진제어장치에 인가되는 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하는 추진제어장치용 모듈 제어부; 및 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되지 않은 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급하는 SIV용 모듈 독립 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 추진제어장치용 모듈 제어부는, 전압 제어부가 전체 직류단 전압(Vdc,Total,)을 제어하고 출력으로 유효 전류 지령(Ie* q)을 출력하며, 전류 제어부가 유효 전류(Ie q)를 제어하고 출력으로 CHM 컨버터의 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 출력하고, SIV용 모듈 독립 제어부의 출력인 무효 전압 지령(Ve* d,Total)과 상기 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 역좌표 변환하여 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)을 산출하며, 상기 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)에서 독립 제어할 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)을 뺀 나머지 반도체 변압기 모듈의 개수(N-1)로 나누어 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈의 지령 전압(Vs* d,n-1)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 SIV용 모듈 독립 제어부는, 전압 제어부가 지정된 N번째 반도체 변압기 모듈의 직류단 전압(Vdc,n)을 독립적으로 제어하여 최소 전류 지령(I* min)을 출력하고, 유효 전류 지령(Ie* q)를 통해 무효 전류 지령(Ie* d)을 산출하며, 전류 제어부가 무효 전류(Ie d)를 제어하고, CHM 컨버터의 무효 전압 지령(Ve* d,Total)을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법은, 제어부가 철도차량 추진 시스템의 복수의 반도체 변압기 모듈 전체의 CHM 컨버터에 대한 지령 전압(Vs* d,Total)을 생성하고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 단계; 및 위상 이동 변조부가 상기 제어부에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 입력은 계통전원에 직렬로 연결되고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 지정된 복수의 반도체 변압기 모듈의 DAB 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결되어 그 출력이 추진제어장치에 인가되게 구성되며, 나머지 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈을 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 변압기 모듈은, 각기 두 개의 직렬 연결된 H-bridge 컨버터; 및 상기 H-bridge 컨버터의 출력을 고주파 변압기를 통해 입력받는 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 H-bridge 컨버터는, Cascade H-bridge Multilevel(CHM) 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 생성하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 위상을, 계통 입력 전류와 동일하게 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 추진제어장치용 모듈 제어부를 통해 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되어 추진제어장치에 인가되는 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하고, SIV용 모듈 독립 제어부를 통해 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되지 않은 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하기 위하여, 상기 추진제어장치용 모듈 제어부는, 전압 제어부가 전체 직류단 전압(Vdc,Total,)을 제어하고 출력으로 유효 전류 지령(Ie* q)을 출력하며, 전류 제어부가 유효 전류(Ie q)를 제어하고 출력으로 CHM 컨버터의 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 출력하고, SIV용 모듈 독립 제어부의 출력인 무효 전압 지령(Ve* d,Total)과 상기 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 역좌표 변환하여 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)을 산출하며, 상기 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)에서 독립 제어할 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)을 뺀 나머지 반도체 변압기 모듈의 개수(N-1)로 나누어 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈의 지령 전압(Vs* d,n-1)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어하기 위하여, 상기 SIV용 모듈 독립 제어부는, 전압 제어부가 지정된 N번째 반도체 변압기 모듈의 직류단 전압(Vdc,n)을 독립적으로 제어하여 최소 전류 지령(I* min)을 출력하고, 유효 전류 지령(Ie* q)를 통해 무효 전류 지령(Ie* d)을 산출하며, 전류 제어부가 무효 전류(Ie d)를 제어하고, CHM 컨버터의 무효 전압 지령(Ve* d,Total)을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 철도차량 추진시스템의 주변압기를 반도체 변압기로 대체한 후 상기 반도체 변압기의 복수의 모듈을 독립적으로 제어하여 추진제어장치(T/M 인버터) 및 보조전원장치(SIV)에 전원을 공급할 수 있도록 함으로써, 철도차량 추진시스템의 부피, 무게, 복잡도, 및 비용 등을 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기의 개념을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 2는 기존의 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기를 이용하여 부하에 전원을 공급하기 위하여 감압용 컨버터가 필요한 이유와 문제점을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 본 실시 예에 따른 반도체 변압기 모듈의 독립제어 원리를 설명하기 위한 예시도.
도 5는 상기 도 3에 있어서, 제어부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치는, 복수의 반도체 변압기(SST : Solid State Transformer) 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N), 제어부(110), 및 위상 이동(Phase-shift) 변조부(120)를 포함한다.
상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)은 각기 H-bridge 컨버터와 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터로 구성된다.
이 때 상기 각 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)은 "SST Module 1"에 예시적으로 도시된 바와 같이, 25kV의 높은 교류 전압을 인가하기 위하여 두 개의 H-bridge가 직렬로 연결된 Cascade H-bridge Multilevel(CHM) 컨버터로 구성되고, 상기 CHM 컨버터의 출력이 고주파 변압기(HFTR)를 통해 상기 DAB 컨버터에 입력된다. 그리고 상기 지정된 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)의 DAB 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)의 DAB 컨버터의 출력은 추진제어장치(예 : T/M 인버터)에 인가된다. 여기서 상기 각 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)의 입력은 계통전원에 직렬로 연결된다.
또한 본 실시 예는 상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N) 중 지정된 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈(예 : SS1 Module N)을, 다른 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)에 대하여 별개로, 즉, 독립적으로 제어해서 보조전원장치(예 : SIV 인버터)에 전원을 공급할 수 있도록 구성한다.
즉, 본 발명은 지정된 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈(예 : SS1 Module N)을, 다른 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)에 대하여 독립적으로 제어해서 보조전원장치(예 : SIV 인버터)에 전원을 공급할 수 있도록 구성함으로써, 기존의 반도체 변압기 제어 시 SIV 인버터(도 2의 40)를 구동하기 위하여 필요했던 감압용 컨버터(도 2의 30)를 필요로 하지 않도록 한다.
예컨대 본 실시 예에서는 N-1개의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)은 추진제어장치(예 : T/M 인버터)에 전원을 공급하고, 1개의 반도체 변압기 모듈(예 : SS1 Module N)은 별도로 독립 제어하여 보조전원장치(예 : SIV 인버터)에 전원을 공급한다.
상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)에 대한 독립제어는 CHM 컨버터 제어를 통해 구현한다.
상기 제어부(110)는 상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)의 CHM 컨버터 전체의 지령 전압(Vs* d,Total) 및 독립제어를 위한 지정된 1개의 반도체 변압기 모듈(SST Module N)을 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성한다.
이 때, 상기 CHM 컨버터 전체의 지령 전압은 일정해야 하므로 독립제어를 위한 반도체 변압기 모듈(SST Module N)을 제외한 나머지 N-1개 반도체 변압기 모듈의 지령 전압은 상기 Vs* d,Total와 상기 V* d,n 차로 결정되고, 독립제어를 위한 계통 전류의 크기를 최소화하기 위해 상기 독립제어를 위한 지정된 1개의 반도체 변압기 모듈(SST Module N)을 위한 지령 전압(V* d,n)의 위상은 전류(계통 입력 전류)와 동일하게 제어한다(도 4 및 도 5 참조).
상기 위상 이동 변조부(120)는 상기 제어부(110)에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N)에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력한다.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 본 실시 예에 따른 반도체 변압기 모듈의 독립제어 원리를 설명하기 위한 예시도이고, 도 5는 상기 도 3에 있어서, 제어부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도이다.
상기 제어부(110)는 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되어 추진제어장치(예 : T/M 인버터)에 인가되는 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압(Vs* d,Total와 V* d,n 차)을 생성하는 추진제어장치용 모듈 제어부(111), 및 상기 복수의 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)에 대하여 별개로, 즉, 독립적으로 제어해서 보조전원장치(예 : SIV 인버터)에 전원을 공급하는 지정된 1개의 반도체 변압기 모듈(SST Module N)의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 SIV용 모듈 독립 제어부(112)를 포함한다.
다만 본 실시 예에서 상기 제어부(110)를 상기 추진제어장치용 모듈 제어부(111)와 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)로 구분한 것은, 상기 제어부(110)의 기능에 대한 이해를 돕기 위한 설명의 편의를 위하여 기재된 것임에 유의한다.
상기 추진제어장치용 모듈 제어부(111)는, 구체적으로 도시되지 않았지만, 내부적으로 전압 제어부(상위 제어부)와 전류 제어부(하위 제어부)를 포함한다.
상기 전압 제어부는 전체 직류단 전압(Vdc,Total,)(모듈 직류단 전압(Vdc,i)의 합)을 제어하고 출력으로 유효 전류 지령(Ie* q)을 출력한다.
상기 전류 제어부는 유효 전류(Ie q)를 제어하고 출력으로 CHM 컨버터의 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 출력한다.
또한 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)의 출력인 무효 전압 지령(Ve* d,Total)과 상기 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 역좌표 변환하여 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)을 산출한다.
또한 상기 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)에 독립 제어할 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)을 뺀 나머지 반도체 변압기 모듈의 개수(N-1)로 나눔으로써, 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈의 지령 전압(Vs* d,n-1)을 산출한다.
한편 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)는, 구체적으로 도시되지 않았지만, 전압 제어부(상위 제어부)와 전류 제어부(하위 제어부)를 포함하고, SIV용 반도체 변압기 모듈의 독립제어를 위한 전압 제어부는 N번째 반도체 변압기 모듈의 직류단 전압(Vdc,n)을 독립적으로 제어한다.
또한 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)의 전압 제어부의 출력은 독립 제어를 위한 최소 전류 지령(I* min)을 출력하고, 유효 전류 지령(Ie* q)를 통해 무효 전류 지령(Ie* d)을 산출한다.
또한 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)의 전류 제어부는 무효 전류(Ie d)를 제어하고, CHM 컨버터의 무효 전압 지령(Ve* d,Total)을 출력한다.
이 때 SIV용 모듈 독립 제어부(112)의 전압 지령(V* d n)의 크기는 선형변조가 가능한 최댓값으로 고정하고 위상은 전류(계통 입력 전류)의 위상과 동상(동일한 위상)으로 제어한다.
상기 PWM 신호 출력부(113)는 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 상기 추진제어장치용 모듈 제어부(111) 및 상기 SIV용 모듈 독립 제어부(112)에서 각기 출력되는 전압 지령을 출력한다.
참고로 도 5에서 설명이 생략된 PI는 비례(Proportinal) 적분(Differential) 제어기를 의미한다.
이에 따라 본 실시 예는 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈(SST Module 1 ~ SST Module N-1)과 관계없이 SIV용 반도체 변압기 모듈(SST Module N)의 독립제어를 통해 보조전원장치(예 : SIV 인버터) 구동을 추가적인 하드웨어(예 : 감압용 컨버터) 및 상기 감압용 컨버터의 제어를 위한 제어시스템이 필요하지 않게 되므로, 반도체 변압기(또는 지능형 반도체 변압기)의 전력밀도를 향상 시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 철도차량 추진시스템의 주변압기를 반도체 변압기로 대체한 후 상기 반도체 변압기의 복수의 모듈을 독립적으로 제어하여 추진제어장치(T/M 인버터) 및 보조전원장치(SIV)에 전원을 공급할 수 있도록 함으로써, 철도차량 추진시스템의 부피, 무게, 복잡도, 및 비용 등을 감소시킬 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
110 : 제어부
120 : 위상 이동 변조부
SST Module 1 ~ SST Module N : 반도체 변압기 모듈

Claims (16)

  1. 복수의 반도체 변압기 모듈;
    상기 복수의 반도체 변압기 모듈 전체의 CHM 컨버터에 대한 지령 전압(Vs* d,Total)을 생성하고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력하는 위상 이동 변조부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 입력은 계통전원에 직렬로 연결되고,
    상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 지정된 복수의 반도체 변압기 모듈의 DAB 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결되어 그 출력이 추진제어장치에 인가되게 구성되며, 나머지 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈을 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 변압기 모듈은,
    각기 두 개의 직렬 연결된 H-bridge 컨버터; 및
    상기 H-bridge 컨버터의 출력을 고주파 변압기를 통해 입력받는 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 H-bridge 컨버터는,
    Cascade H-bridge Multilevel(CHM) 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 위상을, 계통 입력 전류와 동일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되어 추진제어장치에 인가되는 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하는 추진제어장치용 모듈 제어부; 및
    DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되지 않은 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급하는 SIV용 모듈 독립 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 추진제어장치용 모듈 제어부는,
    전압 제어부가 전체 직류단 전압(Vdc,Total,)을 제어하고 출력으로 유효 전류 지령(Ie* q)을 출력하며, 전류 제어부가 유효 전류(Ie q)를 제어하고 출력으로 CHM 컨버터의 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 출력하고, SIV용 모듈 독립 제어부의 출력인 무효 전압 지령(Ve* d,Total)과 상기 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 역좌표 변환하여 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)을 산출하며, 상기 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)에서 독립 제어할 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)을 뺀 나머지 반도체 변압기 모듈의 개수(N-1)로 나누어 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈의 지령 전압(Vs* d,n-1)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 SIV용 모듈 독립 제어부는,
    전압 제어부가 지정된 N번째 반도체 변압기 모듈의 직류단 전압(Vdc,n)을 독립적으로 제어하여 최소 전류 지령(I* min)을 출력하고, 유효 전류 지령(Ie* q)를 통해 무효 전류 지령(Ie* d)을 산출하며, 전류 제어부가 무효 전류(Ie d)를 제어하고, CHM 컨버터의 무효 전압 지령(Ve* d,Total)을 출력하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 장치.
  9. 제어부가 철도차량 추진 시스템의 복수의 반도체 변압기 모듈 전체의 CHM 컨버터에 대한 지령 전압(Vs* d,Total)을 생성하고, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 위한 지령 전압(V* d,n)을 생성하는 단계; 및
    위상 이동 변조부가 상기 제어부에서 출력된 지령 전압을 상기 복수의 반도체 변압기 모듈에 인가할 때 지정된 시간차에 따라 위상을 이동시켜 해당 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 입력은 계통전원에 직렬로 연결되고,
    상기 복수의 반도체 변압기 모듈 중 지정된 복수의 반도체 변압기 모듈의 DAB 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결되어 그 출력이 추진제어장치에 인가되게 구성되며, 나머지 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈을 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 반도체 변압기 모듈은,
    각기 두 개의 직렬 연결된 H-bridge 컨버터; 및
    상기 H-bridge 컨버터의 출력을 고주파 변압기를 통해 입력받는 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 H-bridge 컨버터는,
    Cascade H-bridge Multilevel(CHM) 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 생성하는 단계에서,
    상기 제어부는, 상기 독립제어를 위한 지정된 하나의 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)의 위상을, 계통 입력 전류와 동일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,
    추진제어장치용 모듈 제어부를 통해 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되어 추진제어장치에 인가되는 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하고,
    SIV용 모듈 독립 제어부를 통해 DAB 컨버터의 출력이 병렬로 연결되지 않은 적어도 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어해서 보조전원장치에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 복수의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 제어하기 위한 지령 전압을 생성하기 위하여,
    상기 추진제어장치용 모듈 제어부는,
    전압 제어부가 전체 직류단 전압(Vdc,Total,)을 제어하고 출력으로 유효 전류 지령(Ie* q)을 출력하며, 전류 제어부가 유효 전류(Ie q)를 제어하고 출력으로 CHM 컨버터의 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 출력하고, SIV용 모듈 독립 제어부의 출력인 무효 전압 지령(Ve* d,Total)과 상기 유효 전압 지령(Ve* q,Total)을 역좌표 변환하여 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)을 산출하며, 상기 CHM 컨버터의 전체 전압 지령(Vs* d,Total)에서 독립 제어할 반도체 변압기 모듈을 위한 지령 전압(V* d,n)을 뺀 나머지 반도체 변압기 모듈의 개수(N-1)로 나누어 추진제어장치용 반도체 변압기 모듈의 지령 전압(Vs* d,n-1)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 하나의 반도체 변압기 모듈의 CHM 컨버터를 독립적으로 제어하기 위하여,
    상기 SIV용 모듈 독립 제어부는,
    전압 제어부가 지정된 N번째 반도체 변압기 모듈의 직류단 전압(Vdc,n)을 독립적으로 제어하여 최소 전류 지령(I* min)을 출력하고, 유효 전류 지령(Ie* q)를 통해 무효 전류 지령(Ie* d)을 산출하며, 전류 제어부가 무효 전류(Ie d)를 제어하고, CHM 컨버터의 무효 전압 지령(Ve* d,Total)을 출력하는 것을 특징으로 하는 철도차량 추진시스템의 반도체 변압기 제어 방법.
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