KR20230142736A - Dc 전원 장치 및 이를 포함하는 철도 변전소 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 DC 전원 장치는, 1차측(5) 및 2차측(6)을 갖는 변압기(1), 그의 입력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 다이오드 정류기(2), 그의 출력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 인버터(3), 상기 인버터(3)가 변압기(1)의 2차측(6)에 무효 전력을 발생시켜, 다이오드 정류기(2)의 출력 측에서 DC 전압을 목표값으로 조절하도록 인버터(3)를 제어하기 위해 배치된 컨트롤러(4)를 포함한다. 상기 컨트롤러(4)는 그의 입력 측에서 상기 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 적어도 하나의 DC 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 DC 신호를 사용하여 인버터(3)를 제어한다.
Description
본 발명은 열차, 트램웨이 등의 트랙션을 위해 직류를 공급하기 위한 DC 전원 장치에 관한 것이다. 특정 적용예에 따르면, 상기 DC 전원 장치는 DC 철도 변전소에 통합된다.
DC 전원 장치는 일반적으로 변압기를 통해 AC 배전망에 연결된 정류기를 포함하며, 상기 정류기는 하나 이상의 다이오드 브리지들로 형성된다. 이러한 DC 전원 장치의 단점은 부하(예컨대, 차량 전원)가 증가함에 따라 직렬 누설 저항 및 직렬 저항이 존재로 인해 DC 라인 전압이 강하한다는 것이다. 이 전압 강하로 인해 다음과 같은 문제들이 발생한다:
- 전압 강하를 보상하기 위해 변전소 사이의 간격을 제한해야 한다;
- 중 부하에서, DC 커티너리 전압이 과도하게 저하될 수 있고, 그 결과, 전류가 과도하게 증가하여, 차량에 장착된 전력 변환기에서 소산, 열 또는 회로 차단과 같은 작동 문제가 발생할 수 있다.
사이리스터 정류기들은 새로운 변전소 시스템에서 이러한 문제를 해결하기 위해 점진적으로 채택되고 있다. 사이리스터 정류기들은 DC 전압을 제어할 수 있도록 한다. 그러나, 이들은 다음과 같은 단점들이 있다:
- 기존 트랙션 정류기 유닛을 완전히 교체해야 한다;
- 이들은 다이오드 정류기보다 더 고가이다;
- 이들은 낮은 역률을 나타낸다.
전압 강하 문제 외에도, 다이오드 정류기와 사이리스터 정류기는 모두 단방향 전력 흐름을 나타내며, 즉, 제동 이벤트 동안, 다른 열차에 의해 포착될 수 없는 DC 라인을 통해 흐르는 에너지가 큰 제동 저항기에서 낭비되어야 한다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 사이리스터를 기반으로 하는 재생 인버터들이 철도 변전소에 채용되고 있다. 인버터가 장착된 변전소를 가역 변전소라고 한다. 가역 변전소에 대한 많은 전력 전자 아키텍처들은 주로 세 그룹으로 분류될 수 있는 최첨단 기술에서 발견된다:
- 특허 문헌 AU523146B, CN10277429B, CN1052269B, CN204333980U, EP 3091631A1, EP2343213B1, CN102267405B 및 CN202906763U에 개시된, 인버터와 관련된 다이오드 정류기;
- Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion Conference, 2010의 proc.에서 발행된 디. 코르닉(D. Cornic)에 의한 글 "Efficient recovery of braking energy through a reversible DC substation" ;
- IGBT에 기초한 양방향 펄스폭 변조(PWM) 변환기로, 특허 US 10554117 참조.
제동력은 일반적으로 모터 동력의 25% 내지 30%이다. 각 전력 흐름 방향의 전력 레벨 차가 크기 때문에 다이오드 정류기를 펄스폭 변조(PWM) 인버터, 특히 IGBT 기반 PWM 인버터와 결합하여 사용하는 것이 비용 측면에서 적절하다. 또한, 이들은 리트로핏을 허용한다(즉, 변압기-정류기 섹션은 교체할 필요가 없다). 그러나 DC 링크 전압 제어가능성과 관련하여 여전히 한계가 있다.
특허문헌 CN102774294B, CN102267405B 및 CN202906763U에 개시된 것과 같은 일부 솔루션은 DC 라인에 공급되는 액티브 전력을 PWM 인버터와 다이오드 정류기 사이에서 공유함으로써 액티브 전력 주입을 통해 DC 전압을 조절할 것을 제안하고 있다. 그러나, 정류기의 전체 작동 범위에서 DC 전압 강하를 완화하려면 높은 인버터 출력 정격이 필요하다.
다른 솔루션은 실용신안 CN 212323740U에서 제안되며, 이는 크기는 갖지만 위상이 반대인 무효 전류와 고조파 전류를 제공하여 다이오드 정류기에 의해 인출되는 무효 전류 및 고조파 전류를 보상하는 것으로 구성된다. 이 방법을 사용하면 정류기 출력 측의 DC 전압은 반드시 정류기의 무부하 전압 또는 그 근처에서 안정화된다. 즉, 정류기의 공칭 전압보다 훨씬 높다, 이는 필요한 인버터 전력 정격을 상당히 증가시켜 인버터의 전력 소비를 증가시키고, 시스템의 전반적인 에너지 효율을 감소시킨다. 또한, 이 방법은 다이오드 정류기의 AC 단자에서 순환하는 무효 전류 및 고조파를 모니터링해야 하므로, 일반적으로 추가 전류 및 전압 센서가 필요하기 때문에 시스템의 복잡성과 비용에 영향을 미친다.
본 발명은 상기 단점을 보완하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해 다음과 갈은 DC 전원 장치를 제공한다:
- 1차측 및 2차측을 갖는 변압기,
- 그의 입력 측에서 변압기의 2차측에 연결된 다이오드 정류기,
- 그의 출력 측에서 변압기의 2차측에 연결된 인버터,
- 상기 인버터가 변압기의 2차측에 고조파를 발생시켜 다이오드 정류기의 출력 측에서 DC 전압을 목표값으로 조절하도록 인버터를 제어하기 위해 배치된 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는, 그의 입력 측에서 다이오드 정류기에 의해 출력되는 적어도 하나의 DC 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 DC 신호를 사용하여 상기 인버터를 제어한다.
본 발명의 특정 실시예들은 첨부된 종속 청구항들에 정의된다.
본 발명은 또한, 상기 정의된 DC 전원 장치를 포함하는 철도 변전소를 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 개시된 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치를 도시한다;
도 2 내지 6은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 상이한 가능한 구현들을 도시한다;
도 7은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 바람직한 구현을 도시한다;
도 8은, 인버터가 무효 전력을 생성하여 다이오드 정류기의 DC 출력 전압을 조절하도록 인버터를 제어하기 위해 배치된, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 폐루프 컨트롤러를 도시한다;
도 9는, 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 없는 경우 및 본 발명의 제1 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우의 두 가지 경우에서의 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 부하 전류를 도시한다;
도 10은, 본 발명의 제1 동작예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우 및 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 없는 경우, 열차가 운행 동작 중일 때 DC 전원 장치의 DC 출력 전압에 대한 응답을 도시한다;
도 11은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 바람직한 다른 구현예를 도시한다;
- 도 12는, 인버터가 무효 전력과 고조파를 모두 생성하여 다이오드 정류기의 DC 출력 전압을 조절하도록 하는 도 11에 도시된 인버터를 제어하도록 배치된 폐루프 컨트롤러를 도시한다;
도 13은, CN 212323740 U에 개시된 제어 방법을 사용한 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과(곡선 C1), 및 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 본 발명의 제2 동작에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우예(곡선 C2) 및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C3)의 두 경우에 있어서의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 14는, CN 212323740U에 개시된 제어 방법을 사용한 상기 DC 전원 장치의 인버터의 피상 전력 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과(곡선 C4), 및 본 발명의 제2 동작예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C5) 및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C6) 의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 인버터 피상 전력 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다:
도 15는, 본 발명의 제3 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C7)및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C8)의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 16은, 본 발명의 제3 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C9)및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C10)의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 인버터의 피상 전력 대 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 17은, DC 정류기 출력 전압 대신 DC 정류기 출력 전류를 입력 신호로 사용한, 본 발명에 따른 DC 전원 장치에서 인버터를 제어하는 컨트롤러의 일부의 대안적인 구현예를 도시한다;
도 18은, DC 정류기 출력 전류와 도 17의 구현에 사용될 수 있는 무효 전력 설정점 사이의 소정 관계를 도시한다;
도 19는, 도 17의 구현에 사용될 수 있는 DC 정류기 출력 전류, AC 전압과 무효 전력 설정점 사이의 소정 관계를 도시한다;
도 20은, DC 정류기 출력 전류와 DC 정류기 출력 전압 모두를 입력 신호로 사용한, 본 발명에 따른 DC 전원 장치에서 인버터를 제어하는 컨트롤러의 일부의 다른 대안적인 구현예를 도시한다.
도 2 내지 6은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 상이한 가능한 구현들을 도시한다;
도 7은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 바람직한 구현을 도시한다;
도 8은, 인버터가 무효 전력을 생성하여 다이오드 정류기의 DC 출력 전압을 조절하도록 인버터를 제어하기 위해 배치된, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 폐루프 컨트롤러를 도시한다;
도 9는, 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 없는 경우 및 본 발명의 제1 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우의 두 가지 경우에서의 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 부하 전류를 도시한다;
도 10은, 본 발명의 제1 동작예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우 및 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 없는 경우, 열차가 운행 동작 중일 때 DC 전원 장치의 DC 출력 전압에 대한 응답을 도시한다;
도 11은, 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 변압기, 다이오드 정류기 및 인버터의 바람직한 다른 구현예를 도시한다;
- 도 12는, 인버터가 무효 전력과 고조파를 모두 생성하여 다이오드 정류기의 DC 출력 전압을 조절하도록 하는 도 11에 도시된 인버터를 제어하도록 배치된 폐루프 컨트롤러를 도시한다;
도 13은, CN 212323740 U에 개시된 제어 방법을 사용한 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과(곡선 C1), 및 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 본 발명의 제2 동작에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우예(곡선 C2) 및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C3)의 두 경우에 있어서의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 14는, CN 212323740U에 개시된 제어 방법을 사용한 상기 DC 전원 장치의 인버터의 피상 전력 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과(곡선 C4), 및 본 발명의 제2 동작예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C5) 및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C6) 의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 인버터 피상 전력 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다:
도 15는, 본 발명의 제3 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C7)및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C8)의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 DC 출력 전압 대 그의 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 16은, 본 발명의 제3 동작 예에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우(곡선 C9)및 DC 전압 조절이 없는 경우(곡선 C10)의 두 가지 경우에 있어서의 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 인버터의 피상 전력 대 다이오드 정류기의 DC 부하 전력의 시뮬레이션 결과를 도시한다;
도 17은, DC 정류기 출력 전압 대신 DC 정류기 출력 전류를 입력 신호로 사용한, 본 발명에 따른 DC 전원 장치에서 인버터를 제어하는 컨트롤러의 일부의 대안적인 구현예를 도시한다;
도 18은, DC 정류기 출력 전류와 도 17의 구현에 사용될 수 있는 무효 전력 설정점 사이의 소정 관계를 도시한다;
도 19는, 도 17의 구현에 사용될 수 있는 DC 정류기 출력 전류, AC 전압과 무효 전력 설정점 사이의 소정 관계를 도시한다;
도 20은, DC 정류기 출력 전류와 DC 정류기 출력 전압 모두를 입력 신호로 사용한, 본 발명에 따른 DC 전원 장치에서 인버터를 제어하는 컨트롤러의 일부의 다른 대안적인 구현예를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 DC 철도 변전소용 DC 전원 장치는 변압기(1), 다이오드 정류기(2), 인버터(DC/AC 컨버터)(3) 및 컨트롤러(4)를 포함한다. 변압기(1)의 1차측(5)은 AC 배전망, 전형적으로 3상 AC 배전망, 보다 구체적으로 3상 중간 전압 AC 배전망으로부터 전력을 받는다. 변압기(1)의 2차측(6)은 다이오드 정류기(2)의 입력 측에 AC 전원을 공급한다. 다이오드 정류기(2)는 DC 전압(Vrect)를 출력하며, 이 전압은 열차의 트랙션을 위해 철도 노선에 공급된다. 인버터(3)는 그의 입력 측에서 DC 전압(Vrect)을 수신하고 그의 출력 측이 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된다. 인버터(3)의 입력 측에 있는 하나 이상의 다이오드들(7)은 인버터(3)을 단방향으로 한다. 상기 인버터(3)는, 바람직하게는, IGBT, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) 또는 IGCT (Integrated Gate-Committed Thyristors)과 같은 펄스폭 변조(PWM) 인버터이다. 2-레벨 인버터 및 다수-레벨 인버터를 포함한 다양한 인버터 토폴로지들이 사용될 수 있다.
트랙션 단계 동안, 철도 라인에는 변압기(1) 및 다이오드 정류기(2)를 통해 AC 배전망으로부터 유도되는 DC 전압(Vrect)이 공급되고, 컨트롤러(4)는 후술하는 바와 같이 DC 전압(Vrect)이 목표값(Vrect*)로 조절되도록 인버터(3)를 제어한다. 제동 단계 중에, 열차의 제동에 의해 생성된 DC 전력은 인버터(3)에 의해 변압기(1)을 통해 AC 배전망으로 주입되는 AC 전력으로 변환된다. 이를 통해 DC 네트워크에서 DC 제동력이 소멸되는 것을 방지하고 트랙션 전력의 상당 부분을 회복할 수 있도록 한다.
변압기(1), 다이오드 정류기(2) 및 인버터(3)에 대한 다양한 구현이 가능하다. 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 변압기(1)는 델타-와이 변압기일 수 있고, 다이오드 정류기(2)는 델타-와이 변압기의 2차 권선 중 각각 하나에 연결된 2개의 6펄스 다이오드 브리지(8)와 같은 2개의 다이오드 브리지(8)를 포함할 수 있다. 인버터(3)는 DC 전압(Vrect)를 각각의 DC 필터(10)을 통해 수신하고, 그 출력으로 각각의 AC 필터(11)를 통해 변압기(1)의 두 개의 2차 권선에 각각 연결된 2개의 3상 전력 반도체 브리지(9)를 포함할 수 있다. 변압기(1)의 2차 권선의 탭은 인버터(3)의 출력 측의 AC 전압 레벨을 조정하는 데 사용될 수 있다. 탭을 사용하는 대신, 변압기(12)(도 3 참조) 또는 단권 변압기(13)(도 4 참조)가 변압기(1)의 각 AC 필터(11)와 대응하는 2차 권선 사이에 제공될 수 있다. 두 개의 전력 반도체 브리지(9)를 갖는 대신에, 인버터(3)는 DC 필터(10)을 통해 DC 전압(Vrect)을 수신하고 그의 출력에서 델타-와이 변압기(14)및 AC 필터(11)(도 5) 또는 단권 변압기(15) 및 AC 필터(11)(도 6)를 통해 변압기(1)의 2차 권선에 연결되는 단일 3상 전력 반도체 브리지(9)를 포함할 수 있다.
전력 반도체 브리지(들)(도 3 및 5)의 출력 측에 하나 이상의 변압기들(12, 14)이 사용되는 경우, 변압기(12, 14)에 의해 제공되는 갈바닉 절연으로 인해 그/각 DC 필터(10)의 입력 측에 단일 다이오드(7)로 충분하다. 전력 반도체 브리지(들)(도 2, 4 및 6)의 출력 측에 변압기 또는 하나 이상의 단권 변압기(13, 15)가 사용되지 않는 경우, 재순환을 방지하기 위해 두 개의 다이오드들(극성 + 및 -에 대해 하나씩)이 제공된다.
DC 및 AC 필터(10, 11)는 일반적으로 인덕터와 커패시터 및 저항기들을 포함한다. 인버터(3)의 과변조를 방지하기 위해 AC 측에서 전압 레벨의 적응이 필요할 수 있다. 이러한 적응은 변압기(12)(도 3), 단권 변압기(13)(도 4) 또는 변압기(1)(도 2)에 채용된 탭에 의해 수행될 수 있다.
도 2 내지 4에 제시된 아키텍처는 정류기 다이오드 브리지의 직렬 연결에 적합할 있으며, 이는 일반적으로 3000 Vdc 철도망에서 볼 수 있다. 이 경우 인버터 전력 반도체 브리지(9)는 병렬이 아닌 직렬로 연결된다.
도 7에는 도 5의 구조에 기초하고 2-레벨 전압원 변환기 토폴로지를 갖는 인버터(3)가 보다 상세하게 도시되어 있다. 도 7에서는 설명의 편의를 위해 보호장치, 접촉기, 프리차지 회로 등이 생략되어 있다. 그러나, 변압기(1, 14)의 단자들에서의 권선 누출 인덕턴스가 도시되고 AC 필터 작업을 수행하는 데 사용된다. 인버터(3)의 출력 측에서 AC 전압의 스위칭 고조파를 더욱 감소시키기 위해 AC 필터링 구성요소들(인덕터, 커패시터)이 변압기(14)의 누설 인덕턴스와 직렬 또는 병렬로 부가될 수 있다. DC 전압(Vrect), 3상 전력 반도체 브리지(9)의 입력에서의 DC 링크 전압(Vdc_link) 및 DC 필터(10)의 출력에서 AC 전류(ia, ib 및 ic), 변압기(14)의 하나의 2차 권선에서의 AC 전압(va, vb, vc) 및 전력 반도체(여기서, IGBT) 스위칭 신호들(Q1 내지 Q6)을 포함하여, 제어를 수행하기 위한 키 전압 및 전류 측정들이 도시된다.
도 8은 다중 루프 제어 방식에 기반한 폐루프 컨트롤러인 컨트롤러(4)의 일반적인 구현예를 도시한다. 컨트롤러(4)는 위상 고정 루프(PLL)(20), a-b-c 대 d-q 변환 유닛(21), DC 링크 인버터 제어 라인(22) 및 DC 정류기 제어 라인(23)을 포함한다.
위상 고정 루프(20)는 AC 전압 vq = 0의 "q" 좌표를 설정하도록 튜닝되고 3상 전압들(va, vb 및 vc)을 전압 크기 Vd, 위상각 θ 및 각 주파수 ω로 변환한다.
a-b-c 대 d-q 변환부(21)는 위상각(θ)을 사용하여 동기 기준 프레임(d-q 프레임)에서 3상 전류 ia, ib 및 ic를 2개의 성분 id 및 iq로 변환한다.
DC-링크 인버터 제어 라인(22)의 기능은 그 자체로 알려져 있다. 이는 전력 반도체 브리지(9)가 그의 동작을 위해 충분한 전압을 받도록 DC 링크 전압 (Vdc_link)를 조절하는 것을 포함한다. DC-링크 인버터 제어 라인(22)은 직렬로 인버터 DC 링크 전압(Vdc_link)로부터 목표값(Vdc_link*)을 감산하는 감산기(25)와 액티브 전력 설정 포인트(P*)를 출력하는 비례 적분(PI) 보상기(26)를 포함하는 DC 전압 폐루프 컨트롤러(24)를 포함한다. DC-링크 인버터 제어 라인(22)은, 직렬로, 교류 전압 크기(Vd)를 사용하여 액티브 전력 설정점(P*)을 기준 전류(id*)로 변환하기 위한 스케일링 유닛(28), 기준 전류(id*)로부터 a-b-c 대 d-q 변환 유닛(21)에 의해 출력되는 실제 전류(id)를 감산하기 위한 감산기(29), 비례-적분 보상기(30)에 의해 출력된 전압으로부터 전압 ω.L.iq를 감산하기 위한 다른 감산기(31)(여기서, L은 인버터 3의 출력 측에서 볼 수 있는 등가 교류 인덕턴스), 스케일링 유닛(42)을 통해 인버터(3)에 대한 전압 명령(Vid)을 출력하도록 전달되는 전압 크기(Vd)에 감산기(31)의 출력 신호를 가산하는 가산기(32)를 구비하는 AC 전류 폐루프 컨트롤러(27)를 더 포함한다.
DC 정류기 제어 라인(23)은, 직렬로, 목표값(Vrect*)으로부터 정류기 DC 전압(Vrect)를 감산하는 감산기(34) 및 무효 전력 설정점(Q*)을 출력하는 비례 적분(PI) 보상기(35)를 구비하는 DC 전압 폐루프 컨트롤러(33)을 포함한다. 직류 정류기 제어 라인(23)은, 직렬로, AC 전압 크기(Vd)를 사용하여 무효 전력 설정점(Q*)을 기준 전류(iq*)로 변환하기 위한 스케일링 유닛(37)을 구비하는 교류 전류 폐루프 컨트롤러(36), 기준 전류(iq*)로부터 a-b-c 대 d-q 변환 유닛(21)에 의해 출력되는 실제 전류(iq)를 감산하기 위한 감산기(38), 비례-적분 보상기(39), 및 인버터(3)에 대한 전압 명령(Viq)을 출력하기 위해, 비례-적분 보상기(39)에 의해 출력되는 전압을 전압 ω.L.id 에 가산하기 위한 가산기(40)(여기서 L은 인버터 3의 출력 측에서 볼 수 있는 등가 AC 인덕턴스)를 더 포함한다.
전압 명령 Vid 및 Viq는 위상각 θ와 함께 펄스폭 변조기(41)에 입력된다. 펄스폭 변조기(41)는 인버터(3)의 전력 반도체 브리지(9)를 제어하기 위해 스위칭 신호 Q1 내지 Q6을 출력한다. 펄스폭 변조기(41)는 공간 벡터 변조, 사인파 변조, 불연속 펄스폭 변조 형태 등과 같이 알려진 다른 변조 방식을 구현할 수 있다.
열차가 주행 중일 때, 인버터(3)는 차단 다이오드(7)의 존재로 인해 DC 네트워크에 전력을 공급할 수 없다. 인버터 DC 링크 전압(Vdc_link)은 정류기 DC 전압(Vrect)보다 높기 때문에(즉, Vdc_link* > Vrect*) 다이오드(7)는 차단 상태에 있다. 보상기(26)는 액티브 전력 설정점(P*)을 인버터(3)의 전력 손실을 보상할 수 있도록 작은 값으로 구동한다.
열차가 제동 중일 때, 액티브 전력 설정점(P*)은 DC 네트워크로부터 AC 네트워크로 생성된 총 재생 전력으로 설정된다. 이 시나리오에서 다이오드(7)는 도통을 개시하고 Vrect ≒ Vdc_link가 된다.
DC 정류기 제어와 관련하여, 열차가 주행중 일때 보상기(35)는 Vrect가 목표값(Vrect*)으로 조절되도록 무효 전력 설정점(Q*)를 구동한다. 열차가 제동 중일 때, Vrect는 전압 제어의 특정 한계를 초과하여 증가하고 Q*는 0으로 설정된다.
AC 전류 폐루프 컨트롤러(27, 36)는 인버터(3)의 출력에서 AC 전류의 역률을 조절할 수 있다. AC 전류 폐루프 컨트롤러(27, 36)는 두 개의 작동 모드들(열차 주행 및 열차 제동) 모두에서 유용하지만 내부 AC 전류 폐루프가 없는 제어 구현도 가능하다.
도 9는, 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 없는 경우((인버터(3) 비활성화, 도 9 도면의 연속선) 및 본 발명에 따른 DC 전압 조절이 있는 경우((인버터(3) 및 DC 정류기 제어 라인(23) 활성화, 도 9 도면의 파선)의 부하 전류((즉, DC 네트워크에 의해 다이오드 정류기(2)의 출력 측에서 소비되는 DC 전류, 공칭 DC 전류에 해당하는 100%의 부하 전류)의 함수로서 정류기 DC 전압(Vrect)를 도시한다, 도시된 바와 같이, DC 전압 조절이 없는 경우, 부하 전류가 증가함에 따라 전압이 강하하며, 이로 인해 주어진 전력 값에 대해 전류가 증가하고 소산, 열 및 회로 차단 위험이 발생한다. 인버터(3)가 활성화되면, DC 정류기 제어 라인(23)은 인버터(3)가 변압기(1)의 2차측에 무효 전력을 발생시켜 DC 전압(Vrect)가 부하 전류에 따라 일정하거나 변동할 수 있는 목표값으로 조절되도록 한다. 도시된 도면에서 DC 전압(Vrect)은 10%의 부하 전류에서 조절되기 시작하고, 50%의 부하 전류에서 다이오드 정류기(2)와 DC 네트워크의 공칭 전압인 750V로 점진적으로 감소한다. 50%를 초과하면, DC 전압이 750V로 조절된다. 다음, 인버터 DC 링크 전압(Vdc_link)는 액티브 전력 설정점 (P*)을 통해 조절된다.
따라서, 본 발명은 변압기와 결합될 때 일반적으로 나타나는 다이오드 정류기들이 DC 전압이 강하되는 문제 없이 저렴하고 신뢰할 수 있고 수명이 긴 정류기, 즉, 다이오드 정류기(2)를 사용하는 장점이 있다.
액티브 전력 생성에 기초한 DC 전압 조절을 위한 기존 솔루션과 비교하여, 본 발명의 장점은 인버터(3)가 정류 전압의 조절을 달성하는데 필요한 전력 정격이 감소된 것이다. 실제로, 무효 전력은 일반적으로 DC 전원 장치에서 유용하지 않다. 본 발명은 정류기 DC 전압을 조절하기 위한 목적으로 장치의 교류 구간에서 순환하는 무효 전력을 사용한다.
또한, 인버터(3)의 단방향 특성으로 인해 인버터(3)는 전체 전력이 아닌 재생 전력만을 위해 치수를 지정할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. 인버터는 일반적으로 제동 에너지 회복 목적으로 정류기 전력의 25% 내지 30% 범위의 전력 정격이 필요하다. 본 발명에서는, 인버터(3)를 재생 전력만을 위해 치수화할 수 있고 전압 조정 목적을 위해 인버터의 전력 정격을 높일 필요가 없다.
시뮬레이션 결과는 도 10에 도시되어 있다. 다이오드 정류기(2)와 DC 네트워크의 공칭 전압은 750V이고 다이오드 정류기(2)의 공칭 전력은 3MW이다. 철도망 전력은 50%로부터 300%(공칭 전력에 대응하는 100%의 부하)까지 단계적으로 증가한다. 인버터(3)이 비활성화되면, 정류기 전압이 765V로부터 665V로 강하한다. 무효 전력 컨트롤러가 활성화된 상태에서 인버터(3)이 활성화되면, 정류기 전압은 모든 전력 레벨에서 750V로 조절된다. 최대 약 100%의 부하 전력까지 인버터(3)는 어느 정도의 유도 전력(음의 부호를 갖는 무효 전력)을 생성한다. 부하 전력이 100% 넘어 증가하면, 인버터(3)는 용량성 전력(양의 부호를 갖는 무효 전력)을 생성한다. 정류기 전압 보상 레벨이 높을수록 필요한 무효 전력이 높아진다.
도 8의 실시예에서 많은 수정이 이루어질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, DC 링크 인버터 제어 라인(22) 및/또는 DC 정류기 제어 라인(23)의 DC 전압 폐루프 컨트롤러(24, 33)에서, 비례 적분 보상기 대신에 PID(Partional-Integral-Derivative) 보상기, 모델 예측 제어 등에 기초한 구성요소들이 사용될 수 있다. AC 전류 폐루프 컨트롤러(27, 36)는 전술한 것 이외의 다른 제어 루프 솔루션, 예를 들어 정지 프레임 제어 또는 이력 제어를 사용할 수 있다. 또한, 무효 전력 설정점 범위는 양의 값으로만 제한될 수 있다 - 도 9의 점선은 0 ~ 100% 사이의 부하 전류에 대한 연속 라인을 따라, 정류기 DC 전압(Vrect)의 부스팅만 수행할 수 있다.
본 발명에 의해 충족되는 조절 기능은 Vrect를 조절하기 위해 인버터(3)에서 요구되는 전류량을 더욱 감소시키기 위해 고조파 보상 기능으로 보상될 수 있다. 이 경우, 정류기 DC 전압(Vrect)은, 무효 전력과 유사하게 변압기(1)에서 전압 강하를 발생시키는 다이오드 정류기(2)에 의해 인출되는 전류 고조파를 (부분적 또는 전체적으로) 보상함으로써 증가될 수 있다. 필요한 수준의 보상은, 컨트롤러(24, 33)와 유사한 DC 전압 폐루프 컨트롤러에 의해 명령될 수도 있고 또는 최대 보상을 위해 설정될 수도 있다. 고조파의 보상은, 아이. 크사다(I. Quesada) 등의 논문(제목; "Evaluation of the boundaries of the solutions space for the Harmonic Cancellation Technique", Przeglad Elektrotechniczny, vol. 88, no. 1a, pp. 21-25, 2012)에 개시된 선택적 고조파 제거 방법에 기초하여, 또는 엘. 리몽시(L. Limongi) 등에 의한 논문(제목: "Digital Current-Control Schemes", IEEE industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 1, 2009)에 개시된 고조파 보상 네트워크를 갖는 전류 제어 방식에 기초하한 변조 방식과 같은 액티브 전력 필터링에 적용된 기존 기술을 사용하여 수행될 수 있다.
정류기 출력 전압 제어 방법과 결합된 고조파 보상 방법의 구현예는 이하에기술된다.
도 11은, 도 3에 도시된 AC 상호 연결 개념을 사용하는 아키텍처의 상세한 구현예를 도시한다. 이는, 변압기(1), 2개의 6펄스 다이오드 브리지(81, 82)를 갖는 다이오드 정류기(2) 및 2개의 IGBT 인버터 브리지(91, 92)를 갖는 인버터(3)를 포함한다. IGBT 인버터 브리지(91, 92)는 변압기(121, 122)를 통해 다이오드 브리지(81, 82)와 각각 서로 연결된다. 이 예에서, 각 인버터 브리지(91, 92)의 IGBT들의 전류 측정 신호(ia,b,c)와 스위칭 명령 신호(Q1-6)는 별도로 제어된다. 서브 인덱스 "1"을 갖는 신호는 인버터 브리지(91)에 대응하고, 서브 인덱스 "2"를 갖는 신호는 인버터 브리지(92)에 대응한다. 정류기 다이오드 브리지(81, 82)에 대한 입력 전류는 ia1_rect, ib1_rect, ic1_rect, ia2_rect, ib2_rect, ic2_rect로서 표시되고 다이오드 정류기(2)의 DC 출력 전류는 idc_rect로서 표시된다.
도 12는 정류기 출력 전압 제어 방법과 결합된 고조파 보상 방법에 대한 전류 제어에 기초한 컨트롤러(4)의 구현예를 도시한다. 여기서, 컨트롤러(4), 즉 폐루프 컨트롤러는, 도 8의 대응 유닛들과 유사한 유닛들(20, 25, 26, 28, 34, 35, 37)을 포함한다. 제1 다이오드 브리지(81)에서 입력 정류 전류 ia1_rect, ib1_rect, ic1_rect가 측정되고 고조파 보상 기준 계산부(431)에 입력된다. 이 유닛(431)은 a-b-c 프레임으로부터 d-q 프레임으로의 변환 및 필터링 기능을 통합한다. 상기 유닛(431)은 부호가 적응된 상태에서(기본 성분은 필터링됨) 컨트롤러(4)에 의해 보상될 다이오드 브리지(81)의 고조파를 포함하는 2개의 기준 신호 id1_rect_h* 및 iq1_rect_h*를 출력한다. 제1 인버터 브리지(91)의 3상 전류 ia1, ib1, ic1은 동기 기준 프레임에서 a-b-c 대 d-q 변환 유닛 211)에 의해 2개의 성분 id1, iq1로 변환된다.
가산기/감산기(291)에서 신호 id1은 스케일링 유닛(28)으로부터 오는 기준 신호 id1_rect_h*와 기준 신호 id*의 합으로부터 감산된다. 전용 고조파 보상기(441)는 일반적으로 도 8의 보상기(30)와 유사한 비례 적분 보상기(301)에 병렬로 추가되어 전류 컨트롤러(4)의 보상 능력을 목표 고조파 주파수에서 향상시킨다. 가산기/감산기(311)에서 유닛 441 및 301의 출력의 합계로부터 신호 ω.L.iq1을 감산하고, 그 결과를 위상 고정 루프(20)에 의해 출력되는 전압(Vd)를 수신하는 스케일링 유닛(421)의 출력에 가산하는 가산기(321)에 제공된다. 가산기(321)은 전압 명령 Vid1을 출력한다.
가산기/감산기(381)에서, 신호 iq1은 스케일링 유닛(37)으로부터 오는 기준 신호 iq1_rect_h*와 기준 신호 iq*의 합으로부터 감산된다. 전용 고조파 보상기(451)는 일반적으로 도 8의 보상기(39)와 유사한 비례 적분 보상기(391)와 병렬로 추가되어 전류 컨트롤러(4)의 목표 고조파 주파수에서의 보상 능력을 향상시킨다. 신호 ω.L.id1과 유닛 451 및 391의 출력은 가산기(401) 의해 가산되어 다른 전압 명령 Viq1을 생성한다. 전압 명령 Vid1 및 Viq1은 위상 고정 루프(20)에 의해 출력되는 위상각 θ와 함께 펄스폭 변조기(411)에 제공된다. 펄스폭 변조기(411)는 제1 인버터 브리지(91)를 제어하기 위해 스위칭 신호 Q11, Q21, Q31, Q41, Q51, Q61을 출력한다.
211, 431, 291, 301, 441, 321, 421, 381, 391, 391, 401, 451과 동일한 유닛들이 제2 다이오드 브리지(82)의 3상 전류 ia2_rect, ib2_rect, ic2_rect에 대해 제공되며, 설명의 단순화를 위해 단일 블록(462)으로서 도시된다. 따라서, 전압 명령 Vid2 및 Viq2가 생성되어 위상 고정 루프(20)에 의해 출력되는 위상각 θ와 함께 펄스폭 변조기(412)에 제공된다. 펄스폭 변조기(412)는 스위칭 신호 Q12, Q22, Q32, Q42, Q52, Q62를 출력하여 제2 인버터 브리지(92)를 제어한다.
고조파 보상기(441, 451)(및 블록 462의 보상기)은 (제5 고조파의 음의 시퀀스 및 제7 고조파의 양의 시퀀스를 보상하는) 6 fund에서 공진하는 공진 보상기에 기초할 수 있고, 12 fund 등의 다른 주파수에서도 가능하며, 이때 fund는 기본 주파수이다. 그 결과, 인버터 전압 명령 Vid 및 Viq는 인버터 AC 전류가 정류기 AC 전류 고조파를 부분적으로 보상하도록 변조된다. 다중 동기 기준 프레임 및 기타 체계에 기초한 고조파 보상을 위한 다른 구현도 가능하다((리몽기(Limongi) 등의 다음 글 참조 "Digital Current-Control Schemes", IEEE industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 1, 2009)).
도 12의 실시예와 같이 제어 라인(22, 23)에 추가되는 대신, 고조파의 보상은 DC 정류기 제어 라인(23)을 대체할 수 있으며, 즉, 도 8의 제어 라인(23)과 유사한 제어 라인은 무효 전력 대신 고조파를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 상기 고조파는 정류기 DC 전압(Vrect)를 조절하기 위한 목적으로 생성된다.
명백한 바와 같이, 위에 기술된 발명의 실시예들에서, 컨트롤러(4)는 DC 전압(Vrect)를 입력으로서 수신하고 이 전압을 피드백 신호로서 사용하여 DC 전압(Vrect)을 목표값(Vrect*)으로 조절하도록 인버터(3)을 제어한다. 목표값(Vrect*)은 일정하거나 부하 전류의 함수에 따라 달라질 수 있다. 후자의 경우, 다이오드 정류기(2)의 출력 측에 위치된 통상적인 DC 전류 센서는, 컨트롤러(4)에 DC 부하 전류 데이터를 제공하여 컨트롤러(4)가 소정의 규칙에 따라 목표값(Vrect*)을 변화시킬 수 있도록 한다.
컨트롤러(4)에 입력되는 피드백 신호로서 DC 전압을 사용함으로써, 본 발명은 CN 212323740U에 개시된 장치에 대해, 무효 전력 및 고조파를 측정하여 이들을 보상하기 위한 다이오드 정류기의 입력(AC 측)에 전압 및 전류 센서를 포함하는 고가의 감지 구성을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
또한, 도 13의 시뮬레이션 곡선(C1)에서 볼 수 있듯이, CN 212323740 U에 개시된 장치의 DC 전압은 무부하 전압(도 13의 약 790 V) 부근에서 유지되며, 이에 따라 공칭 전압(750 V)보다 훨씬 높게 유지되는데 그 이유는 다이오드 정류기에 의해 인출된 무효 전력 및 고조파를 완전히 보상하여 다이오드 정류기의 전체 작동 범위에 걸쳐 조절되기 때문이다. 이에 따라 인버터에 의한 전력 소비량이 증가한다(도 14, C4 참조). CN 212323740 U에 개시된 장치의 시뮬레이션을 위해, 인버터와 다이오드 정류기 사이를 순환하는 AC 전류에서 제5 및 제7 고조파의 양이 과도했기 때문에 정류기 브리지의 DC 양극 단자들 사이에 상간 변압기가 채용되었다고 명시되어 있다.
반면에, 본 발명(도 13, 곡선 C2 참조)에서는, 컨트롤러(4)는 인버터(3)를 제어하여, 이에 따라,
- DC 전압(Vrect)이 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압으로부터 다이오드 정류기(2)의 공칭 전압(이 예에서는, 750V)으로 떨어지면 인버터(3)가 비활성화된다,
- DC 전압(Vrect)이 다이오드 정류기(2)의 공칭 전압에 도달하면 인버터(3)가 활성화되어 공칭 전력(예컨대, 3000 kW)으로부터 최대 과부하(예컨대, 공칭 전력의 300%)까지 다이오드 정류기(2)의 동작 범위에 걸쳐 상기 DC 전압을 상기 공칭 전압으로 조절하도록 한다.
이러한 방식으로, 인버터에 의해 소비되는 전력은 훨씬 감소하고(도 14, 곡선 C5 참조), 전체적인 에너지 효율과 장비 수명이 증가한다. 특히, 인버터(3)의 파워 정격은 에너지 회복에 필요한 정격보다 높을 필요가 없으며, DC 전압이 공칭 전압 레벨 이하로 떨어질 때에만 인버터(3)를 작동시키면 된다.
도 13 및 14에는 인버터(3)가 비활성화(곡선 C3 및 C6)될 때의 DC 전압(Vrect)과 인버터(3)의 피상 전력의 진화의 비교를 위해 도시된다.
도 13 및 14의 실시예는 도 9 및 도 10의 실시예와 같이 DC 전압(Vrect)을 조절하기 위해 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 인버터(3)에 의해 무효 전력만 발생하게 된다. 그러나, 조절을 개시하기 위한 100% 부하 전에 유도 전력이 발생되는 도 9와 10의 예와 달리, 도 13과 14의 예에의 무효 전력은 오직 용량성이고 100% 부하에서 생성된다.
도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 DC 전원 장치의 다른 동작 예를 도시한다. 이 예(곡선 C7 참조)에서 다이오드 정류기는 최대 과부하 용량이 450%인 것으로 가정한다. DC 전압(Vrect)은 공칭 부하 전력으로부터 예를 들어 부하 전력 300%까지의 동작 범위에 걸쳐 공칭 전압으로 조절된 다음, 공칭 전압보다 낮지만 조절 없이 DC 전압보다 높은 상태를 유지하고 부하 전력의 함수로서 감소하는 목표 값(곡선 C8 참조)으로 조절된다. 특히, 도시된 바와 같이, 전압 강하 보상이 부하 전력 300% 초과, 최대 과부하, 즉 450%까지 일정하게 유지되도록 다양한 목표값을 선택할 수 있으며, 이에 따라 인버터(3)의 전력 소비가 클램프되도록 하여(곡선 C9 참조) 인버터(3)가 DC 전압을 레귤레이션하는 목적으로만 과치수화될 필요가 없도록 한다.
DC 전압(Vrect)를 다이오드 정류기(2)의 공칭 전압으로 조절하고 공칭 전압에서 조절을 시작하는 것이 단순성과 에너지 효율성을 위해 선호된다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 조절은 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압보다 낮지만 공칭 전압과는 다른 DC 전압(Vrect)에 대한 미리 정해진 값에서 시작될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에서는 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압으로부터 떨어지는 DC 전압(Vrect)이 소정의 전압(공칭 전압과 같거나 다른 전압)에 도달하면 조절이 시작될 수 있으며, 이때 DC 전압(Vrect)은 사전 설정된 전압과 같거나 낮은 일정하거나 다양한 목표값으로 조절된다. 무부하 전압과 소정 전압의 차는 전형적으로 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압과 공칭 전압의 차의 적어도 25%, 바람직하게는 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 75%이다. 무부하 전압과 소정 전압의 차는 전형적으로 최대 125%, 바람직하게는 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압과 공칭 전압의 차의 최대 110%이다.
위에 기술된 모든 실시예에서, 컨트롤러(4)는 DC 전압(Vrect)를 피드백 신호로 사용하여 인버터(3)을 제어한다. 그러나 다른 실시예에서, 컨트롤러(4)는, DC 전압(Vrect) 대신, 또는 그에 부가하여, 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 DC 전류를 사용하여 인버터(3)을 제어할 수 있다. 도 17은, 도 8의 DC 전압 폐루프 컨트롤러(33) 또는 도 12의 대응 DC 전압 폐루프 컨트롤러는, DC 정류기 출력 전류와 무효 전력 설정점 사이의 소정의 관계를 사용하여 DC 정류기 출력 전류 idc_rect의 함수로서 무효 전력 설정점(Q*)을 변조하는 룩업 테이블 또는 해석 함수(47)로 대체되는 이와 같은 실시예를 도시한다, 이 입력-출력 관계는 DC 정류기 출력 전류의 증가로 인한 DC 측에서의 전압 강하를 보상하기 위해 계산되고 AC 전압(Vd)도 입력으로서 취할 수 있다. 도 18 및 19는 간단한 선형 접근 방식을 기반으로 한 입-출력 관계 구현의 두 가지 예를 도시한다. 도 18의 예에서는 DC 정류기 출력 전류만 입력으로서 사용한다. 도 19의 예는 DC 정류기 출력 전류와 AC 전압을 모두 입력으로서 사용한다. DC 전압 자체 대신 DC 정류기 출력 전류를 사용하여 DC 전압을 조절하는 것은 무효 전력 주입, AC 전압, DC 전압 및 DC 전류 사이의 관계가 모델, 즉 모델을 기반으로 하기 때문에, 즉, 목표 DC 전압 레벨과 측정된 DC 전압 레벨 간의 차를 보상하는 폐루프 제어 동작이 없기 때문에 정확성이 떨어진다. 그러나, 이러한 래귤레이션은 다음과 같은 큰 이점도 있다:
- 이는 보다 높은 제어 대역폭을 갖는다: 응답 시간은 기본적으로 인버터의 내부 전류 루프에 의해 정의된다;
- 보다 간단하다: 외부 컨트롤 루프를 조정할 필요가 없으므로 잠재적인 안정성 문제를 방지할 수 있다;
- DC 정류기 전압 센서가 필요하지 않다.
DC 전류 측정을 통해 시스템의 응답 시간을 가속화하고 DC 전압 폐루프 제어를 통해 무효 전력 설정점을 미세 조정하여 전압을 목표 레벨로 정확하게 제어할 수 있도록 두 가지 기법을 결합하여 모두 사용될 수 있다. 도 20은 두 가지 방법을 통합한 구현예를 도시한다.
Claims (23)
- DC 전원 장치로서,
- 1차측(5) 및 2차측(6)을 갖는 변압기(1),
- 그의 입력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 다이오드 정류기(2),
- 그의 출력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 인버터(3),
- 상기 인버터(3)가 변압기(1)의 2차측(6)에 무효 전력을 발생시켜, 다이오드 정류기(2)의 출력 측에서 DC 전압을 목표값으로 조절하도록 인버터(3)를 제어하기 위해 배치된 컨트롤러(4)를 포함하고,
상기 컨트롤러(4)는 그의 입력 측에서 상기 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 적어도 하나의 DC 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 DC 신호를 사용하여 인버터(3)를 제어하는, DC 전원 장치. - DC 전원 장치로서,
- 1차측(5) 및 2차측(6)을 갖는 변압기(1),
- 그의 입력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 다이오드 정류기(2),
- 그의 출력 측에서 변압기(1)의 2차측(6)에 연결된 인버터(3),
- 상기 인버터(3)가 변압기(1)의 2차측(6)에 고조파를 발생시켜 다이오드 정류기(2)의 출력 측에서 DC 전압을 목표값으로 조절하도록 인버터(3)를 제어하기 위해 배치된 컨트롤러(4)를 포함하고,
상기 컨트롤러(4)는, 그의 입력 측에서 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 적어도 하나의 DC 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 DC 신호를 사용하여 상기 인버터(3)를 제어하는, DC 전원 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서, DC 전압이 상기 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압으로부터 소정 전압으로 떨어지면 인버터(3)가 비활성화되고 상기 DC 전압이 상기 소정 전압에 도달하면 상기 인버터(3)가 활성화되어 상기 DC 전압을 상기 목표값으로 조절하도록, 상기 컨트롤러(4)가 인버터(3)를 제어하기 위해 배치되는, DC 전원 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 목표값은 상기 소정 전압 이하인, 것을 특징으로 하는 DC 전원 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 목표값은 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 DC 전류의 함수로서 변화하는, DC 전원 장치.
- 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무부하 전압과 소정 전압 간의 차는 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압과 공칭 전압 간의 차의 적어도 25%, 바람직하게는 적어도 50%인, 바람직하게는 적어도 75%인, DC 전원 장치.
- 제3항내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무부하 전압과 소정 전압 간의 차는 상기 다이오드 정류기(2)의 무부하 전압과 공칭 전압 간의 차의 최대 125%, 바람직하게는 최대 110%인, DC 전원 장치.
- 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정 전압은 다이오드 정류기(2)의 공칭 전압과 실질적으로 동일한, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변압기(1)의 2차측(6)은 다이오드 정류기(2) 및 인버터(3)에 각각 연결되는 적어도 2개의 2차 권선들을 갖는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변압기(1)는 델타-와이 변압기인, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이오드 정류기(2)는 적어도 하나의 6펄스 다이오드 브리지를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이오드 정류기(2)는 적어도 2개의 다이오드 브리지(8)를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터(3)는 예를 들어 IGBT, MOSFET 또는 IGCT에 기초한 적어도 하나의 전력 반도체 브리지(9)를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러(4)는 상기 인버터(3)를 펄스폭 변조하도록 배치되는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터(3)는 단방향인, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러(4)는 DC 전압 폐루프 컨트롤러(33)에 의해 구동되는 교류 폐루프 컨트롤러(36)를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제1항 및 제3항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터(3)가 상기 변압기(1)의 2차측(6)에 무효 전력 및 고조파를 발생시켜 상기 다이오드 정류기(2)의 출력 측의 DC 전압을 목표값으로 조절하도록, 상기 컨트롤러(4)가 인버터(3)를 제어하기 위해 배치되는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 DC 신호는 상기 DC 전압을 포함하는, DC 전원 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 컨트롤러(4)는 상기 DC 전압에 기초하여 인버터(3)를 제어하기 위한 DC 전압 폐루프 컨트롤러(33)를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 DC 신호는 상기 다이오드 정류기(2)에 의해 출력되는 DC 전류를 포함하는, DC 전원 장치.
- 제20항에 있어서, 상기 컨트롤러(4)는 DC 전류에 기초하여 인버터(3)를 제어하기 위해 룩업 테이블 또는 해석 함수(47)를 사용하는, DC 전원 장치.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 DC 전원 장치를 포함하는, 철도 변전소.
- 제22항에 있어서, 인버터(3)는, 차량의 트랙션 중에 폐루프 컨트롤러(4)의 제어 하에 다이오드 정류기(2)의 출력 측에서 DC 전압을 조절하고 차량의 제동 중에 교류 배전망으로의 주입을 위해 DC 전력을 회복하도록 배치되는, 철도 변전소.
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