KR101071208B1 - 에이씨 급전방식의 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템에 관한 것으로; 변전소에 설치되어 가선으로부터 공급되는 교류전원을 강압하는 변압기와, 상기 변압기를 거친 강압된 입력전압을 직류 전압으로 변환하도록 제어신호에 따라 개폐제어되는 제1 내지 제4트랜지스터로 이루어지는 AC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장하는 에너지 저장부와, 상기 AC-DC 컨버터와 에너지 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 개폐제어되는 제5 및 제6트랜지스터로 이루어지는 양방향 DC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터 및 양방향 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류를 검출하고 상기 제1 내지 제6트랜지스터의 개폐를 제어하는 제어부로 구성된다.
본 발명에 따르면 가선을 통해 공급되는 교류전원을 적절한 크기의 직류전원으로 변환하여 전기적인 에너지로 저장하고 전동차로 공급되는 전원이 기준전압 이하로 내려가는 경우 저장된 전기에너지를 제공하는 구성을 통해 순간적으로 발생하는 회생에너지에 대하여 신속한 대응이 가능하여 전동차의 여타 시스템의 안정성을 증가시키는 효과가 있다.
전동차, 에너지, 저장

Description

에이씨 급전방식의 에너지 저장 시스템 { energy storage system of AC method of electric supply }
본 발명은 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 설명하면, AC 급전방식에서 발생된 전동차 회생전력을 공급받아 저장하고, 필요에 따라 이를 다시 전동차에 공급해 주는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
최근 전동차를 제동시키기 위한 제동방식으로 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속을 하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다.
이와 같은 회생제동방식은 철도 시스템 전체의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점이 있어 그 채용범위가 점차 확대되고 있는 추세이다.
그런데, 이와 같은 회생제동방식은 가속된 전동차가 주행 중 정차를 하기 위 하여 회생제동 방식으로 감속을 하는 경우 전동기는 발전기로 동작하여 발전제동을 수행하므로 순간적으로 큰 회생전력이 발생하게 된다. 이러한 회생전력은 가선(架線)에 순간적으로 큰 전압을 인가시킴으로써 가선전압을 변동시켜 시스템을 불안정하게 할 뿐 아니라, 후행(後行)하는 전동차가 그 전압을 수용하지 못하는 경우 가선 전압의 변동요인으로만 작용하여 후행 전동차의 고장 원인이 되기도 한다.
한편, 일반적으로 전동차의 전압공급방식은 정류기를 통하여 AC전압을 DC전압으로 변환한 후 공급하는 방식이며, 상기 정류기는 순방향 다이오드 방식으로 회로가 연결되어 있어 전동차의 회생전력은 전원 측으로 반환되지 않는다. 따라서 가선 상에서 소비되지 않는 잉여 회생전력은 열에너지로 전환되어 소비되거나, 가선의 전압을 상승시켜 진입하는 전동차의 과전압으로 자동차단되거나 또는 가선이 전압을 수용하지 못해 자기저항에서 회생전력을 소비하여 회생실효 상태가 발생하기도 한다.
물론, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 DC정류기에 회생용 인버터(inverter)를 설치하여 가선의 전압을 교류로 전환하여 전원측으로 반환하거나 가선으로부터 회생전력을 받아 저장하는 별도의 저장장치를 설치하기도 하였으나, 여러 대의 전동차에 의해 발생하는 회생전력이 인버터를 통해 그대로 여과없이 전원측으로 반환되는 경우 상기 회생전력에는 고조파를 포함하고 있어 수용가에 예기치 못한 피해를 줄 우려가 있다.
또한, 별도의 저장장치를 이용하는 예로서는 본 출원인이 선출원하여 등록된 대한민국 등록특허 제0659366호, 도시철도의 회생전력 저장시스템을 제시한 바 있 다.
이는 전동차의 전기 공급경로임과 동시에 상기 전동차의 감속시 회생제동에 의해 발생하는 전기가 되돌려지는 경로인 가선; 상기 가선에 전기적으로 연결되고 전원 입출력이 단속가능한 게이트; 상기 게이트에 연결되어 전원이 공급되면 공급된 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 저장하고, 제어신호에 의해 저장된 운동에너지를 전기에너지로 다시 변환하여 출력가능한 에너지 저장장치; 상기 가선에 전기적으로 연결되어 가선 전압을 검출하는 전압검출부; 상기 전압검출부에서 검출된 정보에 따른 제어신호에 의해 상기 게이트를 구동시키는 게이트구동회로; 및 상기 전압검출부의 검출 전압을 판단하여 게이트구동회로에 제어신호를 출력하고 에너지 저장장치의 작동을 제어하여 전기에너지와 운동에너지간의 변환 및 전원입출력을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하여 구성된다.
그러나, 상기 에너지 저장장치는; 프라이휠(Fly-wheel)을 이용하는 기계적 구성으로 인해 동작시 소음이 크고, 에너지 저장장치 자체의 부피가 크며, 전기에너지를 운동에너지로 변환되는 과정이 포함되어 있어 순간적인 전기에너지를 받아 저장하는데 비효율적인 면이 있는 등의 개선의 여지가 있었다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변전소에 설치되어 AC 급전방식에서 발생된 전동차 회생전력을 공급받아 저장하고, 필요에 따라 이를 다시 전동차에 공급해 주는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존 플라이휠 방식에 비해 저장 효율이 높아 순간적인 회생전압에 빠르게 대응하고, 회생전압을 급속 충전 및 방전이 가능하며 반영구적으로 사용할 수 있는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
변전소에 설치되어 가선으로부터 공급되는 교류전원을 강압하는 변압기와, 상기 변압기를 거친 강압된 입력전압을 직류 전압으로 변환하도록 제어신호에 따라 개폐제어되는 제1 내지 제4트랜지스터로 이루어지는 AC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장하는 에너지 저장부와, 상기 AC-DC 컨버터와 에너지 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 개폐제어되는 제5 및 제6트랜지스터로 이루어지는 양방향 DC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터 및 양방향 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류를 검출하고 상기 제1 내지 제6트랜지스터의 개폐를 제어하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템을 제공한다.
이때, 상기 에너지 저장부는 슈퍼캐패시터(SC)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장부는 커패시터로 이루어지며 상기 커패시터의 충전전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 에너지저장 모니터링부가 더 구비되어, 충전모드로 동작중 상기 저장부가 완충되면 상기 제어부는 제5트랜지스터를 오프시키고, 전력공급모드로 동작중 상기 충전전압이 기준전압 이하이면 상기 제어부는 상기 제6트랜지스터를 오프시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 내지 제6트랜지스터는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 AC-DC 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 온/오프 제어되는 제1 내지 제4트랜지스터로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터이며, 상기 제1 내지 제4트랜지스터에는 역병렬 다이오드가 각각 연결되고, 평활용 캐패시터가 연결되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어부는 상기 AC-DC 컨버터의 직류전압 기준치 V* dc 와 실제 전압 피드백 값 Vdc의 편차 V* dc - Vdc를 전압제어기 Gv(s)에 입력하고 적분 및 비례 제어를 행하고; 전압제어기 Gv(s)의 출력은 부하 전류 급변에 대한 전향 보상항(정수 kL과 부하전류 iL의 곱)을 더하여 입력 전류 지령치의 크기를 만들고; 그 크기값을 전원전압에 동기한 sin(ωt)와 곱하여 입력전류 지령치 i* s를 생성하여 실제전류 is와의 편차를 전류제어기 Gi(s)에 입력하고; 입력전류 is에 교류회로 임피던스
Figure 112009081373982-pat00001
와 정수 k2를 곱하고, 정수 k1과 입력 전압 vs의 곱을 더한 값을 전류제어기 Gi(s)의 출력부에 더해 회로임피던스에 의한 입력전류파형의 왜형을 보상하여 2개의 스위칭 캐리어를 통해서 Unipolar 스위칭을 행하여 상기 AC-DC 컨버터의 제1 내지 제4트랜지스터를 스위칭 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 제어부의 PWM 제어에 의하여 턴온 또는 턴오프되는 제5 및 제6트랜지스터로 구성되어, 상기 제어부의 제어신호에 의하여 제6트랜지스터가 오프되고 제5트랜지스터가 온 상태로 스위칭하면 Buck Converter로서 작동하고, 상기 제5트랜지스터가 오프되고 제6트랜지스터가 온 상태로 스위칭 되면 Boost Converter로서 작동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 가선을 통해 공급되는 교류(AC)전원을 적절한 크기의 직류(DC)전원으로 변환하여 전기적인 에너지로 저장하고 전동차로 공급되는 전원이 기준전압 이하로 내려가는 경우 저장된 전기에너지를 제공하는 구성을 통해 순간적으로 발생하는 회생에너지에 대하여 신속한 대응이 가능하여 전동차의 여타 시스템이 불안정해지는 것을 방지하는 효과가 있으며 특히 운행구간이 짧아 가선전압의 변동이 상대적으로 큰 도시철도 구간에서 전체 도시철도 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기계적 방식인 기존 플라이휠 방식의 저장장치에 비하여 순 간적인 회생전압에 신속하게 대응하여 전기적 에너지를 저장하고 다시 가선 등을 통하여 전기에너지를 신속하게 공급함에 있어서도 에너지 자체의 성질을 변환하지 않은 상태에서 전력을 공급하는 효과도 있다.
아울러, 본 발명은 저장부를 커패시터를 이용하여 화학적 배터리나 기계적 특성을 이용한 저장장치에 비하여 무게나 부피를 줄일 수 있으며, 필요에 따라 다양한 용량으로 설치할 수 있는 효과도 있다.
이하, 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 그 특징들을 상세히 설명한다
이때, 도 1은 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 AC-DC 컨버터의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 제어부의 제어블럭도이고, 도 4는 본 발명에 따른 AC-DC 컨버터의 스위칭 패턴을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 충전모드에서의 전류 흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 충전모드에서의 제어 블럭도이고, 도 8은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 방전모드에서의 전류 흐름도이고, 도 9는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 방전모드에서의 제어 블럭도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템은 변전 소에 설치되어, 전동차의 회생제동시 발생하는 전기에너지를 저장하고 있다가 필요시에 전동차의 부대전력으로 이용 가능하게 구성된다.
이때, 전동차는 팬토그라프(미도시됨)를 통해 가선(架線)의 전원을 공급받는 것으로, 팬토그라프 및 변압기(10)를 거친 교류전원은 AC-DC컨버터(20)를 거쳐 DC전원으로 변환되어 모터를 제어하기 위해 직류 전원을 교류전원으로 변환하는 인버터를 거쳐 모터를 구동 제어하게 된다.
이때, AC-DC컨버터(20)와 인버터 사이에는 회생제동을 하는 경우 발생되는 전력을 효율적으로 처리하기 위한 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템이 구비된다.
이와 같은 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템은 변전소에 설치되는 것으로, 교류전원을 공급하는 경로인 교류가선과의 결선을 위한 차단스위치(VCB)와, 교류전압인 단상 AC 50[kV] 전원을 일정한 입력전압인 AC 980[V]로 강압하는 변압기(10)와, 상기 변압기(10)를 거친 강압된 입력전압을 직류 전압으로 변환하는 4상한 운전이 가능한 AC-DC 컨버터(20)와, 양방향 전력 흐름이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터(30)와, 에너지를 저장하는 슈퍼캐패시터(SC)로 이루어지는 에너지 저장부(40)와, 상기 AC-DC 컨버터(20) 및 양방향 DC-DC 컨버터(30)를 제어하고 상기 에너지 저장부(40)의 충전전원을 감시하는 제어부(50)로 구성된다.
이때, 상기 AC-DC 컨버터(20) 및 양방향 DC-DC 컨버터(30)를 구성하는 다수의 트랜지스터(S1,S2,S3,S4,S5,S6)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 사용한다.
한편, 팬토그라프와 변압기(10)의 사이에는 교류 가산과의 전기적인 연결을 개폐하는 차단스위치(VCB)가 더 구비된다. 이와 같은 구성에 의해 상기 제어부(50)는 과전류가 검출되는 경우 상기 차단스위치(VCB)를 개방시킨다.
한편, 상기 에너지 저장부(40)의 전압, 전력을 측정하여 상기 제어부(50)로 출력하는 에너지저장 모니터링부(52)가 더 구비되어, 상기 제어부(50)는 충전모드에서 상기 에너지 저장부(50)가 완충되는 경우 충전을 정지하도록 제어하고, 전력공급모드에서 상기 에너지저장 모니터링부(52)로부터 입력된 전압이 기준전압 이하인 경우 방전을 정지하도록 제어한다.
이하, 본 발명을 구성하는 각부의 구성을 좀 더 구체적으로 설명한다.
먼저, 가선은 전동차에 교류전원을 공급하는 경로로서, 가선으로부터 공급되는 교류전원은 일 예로 AC 25000V, 50000V이다.
이와 같은 가선의 교류전원은 전동차의 팬토그라프를 통해 변압기(10)와 AC-DC 컨버터(20)를 거쳐 양방향 DC-DC 컨버터(30)로 공급된다. 이때, 상기 AC-DC 컨버터(20)는 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 턴온(Turn On) 또는 턴오프(Turn Off)되는 제1 내지 제4트랜지스터(S1,S2,S3,S4)로 구성되어 제1 내지 제4트랜지스터(S1,S2,S3,S4)가 스위칭되면서 직류 전압으로 변환시킨다.
기본적으로 내부에서 수십㎑ ~ 수백㎑로 발진시켜 승압 및 강압을 시키는 장치이므로 내부에서 트랜지스터나 FET 등과 같은 스위칭소자의 스위칭 동작에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 입력 및 출력단을 통해 나가는 것을 막기 위해 상기 AC- DC 컨버터(20)에는 도 2에 도시된 바와 같이 고주파 노이즈를 제거하기 위해 평활용 캐패시터(Cdc)가 구비된다.
이때, 상기 평활용 캐패시터(Cdc)의 용량이 작은 경우에는 평활용 캐패시터(Cdc)가 충전하는 데까지 걸리는 시간이 짧기 때문에 큰 문제가 되지 않으나, 평활용 캐패시터(Cdc)가 대용량인 경우에는 충전이 어느 정도 진행되어 전류량이 감소하기 전까지는 단락되어 있는 상태와 마찬가지가 되므로 과전류의 위험이 존재한다.
이와 같은 AC-DC 컨버터(20)는 도 2에 도시된 바에 의하면, 단상 AC 50[kV] 전압을 변압기(10)를 거쳐 AC 980[V]로 강압하고 강압된 전원전압 Vs을 양방향 DC-DC 컨버터(30)에 공급하는 것으로, 제어부(50)의 제어에 따라 온/오프 제어되는 제1 내지 제4트랜지스터(S1,S2,S3,S4)로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터이며, 각각의 제1 내지 제4트랜지스터(S1,S2,S3,S4)에는 역병렬 다이오드(D1,D2,D3,D4)가 연결된다. 단상 교류전원은 교류 리액터(Ls)와 PWM 컨버터를 거쳐 직류전력으로 변환되어 평활용 캐패시터(Cdc)에
Figure 112009081373982-pat00002
의 에너지로 저장되고, 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 입력전원으로 사용된다.
이때, Vs와 Vc는 전원전압과 컨버터 입력전압이고, Ls와 Rs는 입력측 승압용 교류 인덕터와 직렬등가저항이다. DC측 평활용 캐패시터(Cdc)는 다수가 병렬로 접속 될 수 있다.
이와 같은 AC-DC 컨버터(20)는 도 3에 도시된 바와 같은 제어부(50)의 제어 흐름에 따라 제어된다.
먼저, 직류전압 기준치 V* dc 와 실제 전압 피드백 값 Vdc의 편차 V* dc - Vdc를 전압제어기 Gv(s)에 입력하고 적분 및 비례 제어를 행한다. 그리고, 전압제어기 Gv(s)의 출력은 부하 전류 급변에 대한 전향 보상항(정수 kL과 부하전류 iL의 곱)을 더하여 입력 전류 지령치의 크기를 만들어 내고, 이 값은 전원전압에 동기한 sin(ωt)와의 곱으로 입력전류 지령치 i* s를 생성한다. 생성된 전류 지령치 i* s와 실제전류 is와의 편차를 전류제어기 Gi(s)에 입력한다. 또한, 입력전류 is에 교류회로 임피던스
Figure 112009081373982-pat00003
와 정수 k2를 곱하고, 정수 k1과 입력 전압 vs의 곱을 더한 값을 전류제어기 Gi(s)의 출력부에 더해 회로임피던스에 의한 입력전류파형의 왜형을 보상한다. 이렇게 얻어진 최종 출력은 2개의 스위칭 캐리어를 통해서 Unipolar 스위칭을 행하게 된다. 상기 Unipolar 스위칭 방식은 컨버터 입력단이 단락되는 모드가 존재하여 컨버터 입력전압에 0, +Vdc, -Vdc가 나타나게 된다. 이 방식은 Bipolar 스위칭 방식과 비교하여 제어 알고리즘이 복잡하지만 컨버터의 스위칭 주파수를 높일 수 있어 입력전류의 리플을 감소시키는 장점이 있다.
이때, 직류전압 기준치 V* dc 와 실제 전압 피드백 값 Vdc의 상대적인 크기를 비교하여 V* dc > Vdc의 경우에는 직류부하에 전력을 공급하고 Im은 정(+)의 값이 되고 i* s는 전원전압과 동일위상이 되지만, 반대로 V* dc < Vdc의 경우에는 전력 회생상태로 Im은 부(-)의 값이 되고 i* s는 전원전압과 반대의 위상이 된다. 그리고 전류제어기 Gi(s)의 출력은 i* s와 is부호의 절대치의 크기에 따라 정현파의 정(+) 또는 부(-)의 값이 되고, Gi(s)에서 증폭되어 변조파 신호를 얻을 수 있다.
한편, 도 4는 변조파 신호와 삼각파 X, 역상 삼각파 Y의 관계 및 이에 대응하는 게이트 신호(S1~S4)의 온/오프(ON/OFF)를 나타내며, 실선은 AC-DC 컨버터(20)의 입력 교류전압 Vc를 나타내고, 점선은 교류전압 Vc의 기본파 성분을 나타낸다. 게이트 신호(S1,S2) 및 게이트 신호(S3,S4)는 각각 교대로 온/오프(ON/OFF)하고, 교류전압 Vc는 첨두치가 직류전압 Vdc와 같은 PWM 변조파형이 된다. 직류 부하로부터 전력이 회생되어 전원으로 공급될 때는 전력의 흐름이 반대로 되어 변조파 신호의 극성이 반전된다. 교류 입력측에서 본 AC-DC 컨버터(20)의 전압 방정식은 아래의 식(1)과 같다.
Vs = VL + Vc -----------(1)
여기서,Vs는 교류 입력전압이고,
Figure 112009081373982-pat00004
이며, Vc는 AC-DC 컨버터(20)의 입력전압을 나타낸다. 또한, Vs는 정현파이고 컨버터 입력전압 Vc와 입력전류 is의 기본파 성분을 각각 Vc 과 Is로 나타낸다. 이때, 입력전압 Vs(=Vs·e0)를 기준 페이저로 선택하면 기본파 성분에 대한 전압식은 식 (2)와 같다.
Figure 112009081373982-pat00005
-----------(2)
여기서,
Figure 112009081373982-pat00006
로 표현된다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 제어부(50)의 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 턴온(Turn On) 또는 턴오프(Turn Off)되는 제5 및 제6트랜지스터(S5,S6)로 구성되어 제5 및 제6트랜지스터(S5,S6)가 스위칭되면서 양방향으로 DC 전압을 특정 DC전압으로 변환시킨다.
이때, 상기 제5 및 제6트랜지스터(S5,S6)의 제어신호는 제어부(50)로부터 인가되며, 상기 제어부(50)의 제어신호에 의하여 제6트랜지스터(S6)가 오프(Off)되고 제5트랜지스터(S5)가 온(On) 상태로 스위칭하면 Buck Converter로서 작동하게 된다.
한편, 제5트랜지스터(S5)가 오프(Off)되고 제6트랜지스터(S6)가 온(On) 상태 로 스위칭 되면 Boost Converter로서 작동하게 되지만, 양방향 전력흐름을 제어하기 위해서는 제5트랜지스터(S5)와 제6트랜지스터(S6)를 180°위상차를 두어 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우 주된 스위칭 역할은 제6트랜지스터(S6)가 하게 된다.
한편, 상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있는데, 이는 제어부(50)의 PWM(Pulse width modulation) 제어에 의하여 턴온(Turn On) 또는 턴오프(Turn Off)되는 제7 및 제8트랜지스터(S7,S8)로 구성되는 DC-DC Buck-Boost 쵸퍼로서 양방향 전류의 흐름이 가능하며, Buck 모드는 DC Line에서 에너지 저장부(40)의 슈퍼캐패시터(SC)로 충전하는 동작이며, Boost 모드는 에너지 저장부(40)의 슈퍼캐패시터(SC)로부터 DC Line으로 방전하는 모드로 동작된다. 이와 같은 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 충전모드와 전력모드로 선택 운전하게 된다.
이때, 도 6 및 도 7에 의하면 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 제어부(50)의 제어에 의해 충전모드로 작동하는 경우 에너지 저장부(40)의 슈퍼캐패시터(SC)의 초기 충전시 과전류를 제한하기 위한 소프트 기동 제어기(53)와, 정전류 충전을 하기 위한 전류제어기(54), 그리고 PWM의 듀티를 제어하는 듀티 제어기(55)로 구성된다. 즉, 소프트 기동 제어기(53)는 슈퍼캐패시터(SC)의 완전 방전상태에서 충전 초기에 약 1초 ～ 1.2초 정도 최소펄스로 시작하여 슈퍼캐패시터(SC)로 유입되는 과전류를 제한하는 목적으로 사용되며, 전류제어기(54)는 슈퍼캐패시터(SC)에 일정 전류로 충전하기 위해 PI 제어기를 사용하여 에러 값에 대해 증폭하고 적분제어기를 통해 정상상태의 오차를 줄이도록 하였다. 전류 제어기(54)의 최종값은 듀티 제어기(55)에서 PWM의 듀티비를 제어하게 된다.
한편, 도 8 및 도 9에 의하면, 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 제어부(50)의 제어에 의해 전력 제어기(56)에 의해 전력모드로 작동하는 경우 초기 충전모드로 슈퍼캐패시터(SC)에 일정전압이 충전된 후 제어부(50)는 전력모드로 제어된다. 전력모드는 정의된 기준전압 레벨보다 입력전압이 높아지는 경우는 충전모드로 동작되며, 기준전압 레벨보다 입력전압이 낮은 경우는 방전모드로 동작된다. 정의된 기준전압과 입력전압의 오차를 PI 제어기를 통하여 슈퍼캐패시터(SC)로부터 충/방전되는 전류 기준값을 생성한다. 이 값은 실제 슈퍼캐패시터(SC)의 유입되는 전류를 기준 전류값에 추종하도록 전류제어기(PI)를 거쳐 듀티 제어기(57)에서 PWM의 듀티비를 정하게 된다.
다음으로 상기 에너지 저장부(40)는 슈퍼커패시터(SC)로 구성되어 양방향 DC-DC 컨버터(30)를 통하여 전달받은 회생전력을 저장하게 된다. 이때 슈퍼커패시터(SC)의 용량에 따라 저장 시간이 결정된다.
또한, 에너지저장 모니터링부(52)는 에너지 저장부(40)의 슈퍼커패시터(SC)의 전압 및 충전량 등을 측정하여 제어부(50)로 출력하게 된다.
그리고, 상기 제어부(50)는 마이크로프로세서 또는 일반 컴퓨터시스템으로 구성할 수 있다. 일반적으로 우리나라의 도시철도에 있어서 차량에 제공되는 교류전원은 AC 25000V, 50000V 등과 같이 다양하다. 이를 변압기(10) 및 AC-DC 컨버터(20)를 거치면서 DC 980V의 기준전압으로 변환한다.
이때, 저장 전력을 저장하는 기준전압은 인가전압보다 크게 설정되며, 회생전력을 다시 공급하는 기준전압은 상기 인가전압보다 작게 설정된다.
예를 들어, 인가전압이 DC 980V이고, 전력저장 기준전압은 상기 인가전압보다 큰 DC 1200V 그리고 전력공급 기준전압은 상기 인가전압보다 작은 DC 700V로 설정한 경우, 제어부(50)는 검출되는 인가전압이 DC 1200V 이상이 되는 경우 충전모드로 전환하기 위하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 제5트랜지스터(S5)를 온(On) 상태로 스위칭시키기 위한 제어신호를 출력하여 양방향 DC-DC 컨버터(30)를 Buck Converter로 작동시키게 된다.
그리고, 상기 인가전압이 700V 이하로 떨어지는 경우에는 제어부(50)는 상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 제5트랜지스터(S5)를 오프(Off) 상태로, 제6트랜지스터(S6)를 온(On) 상태로 제어하는 신호를 출력하여 양방향 DC-DC 컨버터(30)를 Boost Converter로 작동시키게 된다.
이 경우 상기 제어부(50)는 상기 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 제5 및 제6트랜지스터(S5,S6)를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어신호를 출력하게 되는데, 상기 PWM 제어에 관하여는 공지의 방법이므로 상세한 설명을 생략한다.
한편, 상기 제어부(50)는 상기 에너지저장 모니터링부(52)가 에너지 저장부(40)의 슈퍼 커패시터(SC)가 완충상태임을 출력한 경우 인가전압이 980V(저장 기준 전압) 이상이 되더라도 충전모드로 전환하지 않으며 에너지저장 모니터링부(52)에 의하여 측정된 에너지 저장부(40)의 전압이 700V(공급 기준 전압) 이하일 경우 에는 전력공급모드로 전환하지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템의 동작 예를 상세히 설명한다. 도시철도의 전동차는 선로를 따라 정차역 사이를 주행 및 정차를 반복하며 운행하게 된다.
이때, 전동차는 팬토그라프를 통해 가선의 교류(AC)전압을 공급받아 변압기(10)와 AC-DC 컨버터(20)를 거쳐 전동기(모터)(미도시됨)를 구동함으로써 가속을 하게 되고, 일정한 속도로 가속된 후에는 관성을 이용하여 관성운행을 하게 되며, 감속시에는 전동기가 발전기 기능을 하면서 전동차의 관성 운동에너지를 이용하여 발전을 함으로써 회생전력을 발생시키게 되며, 상기 회생전력을 저장하거나 저장된 회생전력을 공급하기 위해 일반감시모드, 충전모드, 전력공급모드로 구분되어 구동된다.
이 경우 상기 AC-DC 컨버터(20)는 제어부(50)에 의해 제어되어 제1 내지 제4트랜지스터(S1,S2)(S3,S4)가 교대로 온/오프되면서 PWM변조파형이 되고, 직류 부하로 부터 전력이 회생되어 전원으로 공급되는 경우에는 전력의 흐름이 반대로 되어 변조파 신호의 극성이 반전된다.
이와 같이 전압이 인가되면 AC-DC 컨버터(20) 및 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 입력단 및 출력단의 전압 및 전류 등을 검출하는 전압 및 전류검출부(51)가 인가전압을 측정하고 이는 제어부(50)로 입력되어 일반감시모드로 동작하게 된다.
상기 일반감시모드는 에너지 저장부(40)의 슈퍼커패시터(SC)의 충전 또는 방 전 동작이 없이 인가전압을 측정하여 제어부(50) 내에 설정된 기준전압과 비교하는 모드이다. 즉, 전압 및 전류검출부(51)가 인가전압을 측정하여 그 측정치를 제어부(50)로 출력하면, 제어부(50)는 기준전압과 비교하여 충전모드로 전환할 것인지 전력공급모드로 전환할 것인지를 판단하고 그 판단에 따라 양방향 DC-DC 컨버터(30)의 제5 및 제6트랜지스터(S5,S6)를 온/오프(On/Off) 제어함으로써 충전모드 또는 전력공급모드로 동작시키게 된다.
즉, 제어부(50)에 입력되는 인가전압이 회생전력 저장 기준전압 이상이고 에너지 저장부(40)가 완충상태가 아닌 경우 충전모드로 전환하여 Buck Converter로서 작동하며, 인가전압이 회생전력 공급 기준전압 이하로 떨어지고 에너지 저장부(40)의 슈퍼커패시터(SC) 양단의 전압이 기준치 이하가 아닌 경우 전력공급모드로 전환하여 Boost Converter로서 작동하게 된다. 이 경우 상기 회생전력 저장 및 공급 기준전압은 전동차의 주변 장치 및 시스템의 상황에 따라 선택가능하다.
이때, 충전모드로 전환되면 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 제5트랜지스터(S5)가 온(On) 상태로 스위칭되고 제6트랜지스터(S6)가 오프(Off) 상태로 스위칭되어 Buck converter로서 동작하므로 인가전압은 에너지 저장부(40)의 슈퍼커패시터(SC)의 정격전압 내의 전압으로 전환되어 슈퍼커패시터(SC)에 저장된다.
한편, 커패시터 모니터링부(52)에 의하여 슈퍼커패시터(SC)가 완충된 것으로 측정되면 제어부(50)는 제5트랜지스터(S5)를 오프(Off)시키는 제어신호를 출력하고 충전모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.
그리고, 전력공급모드로 전환되면 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 Boost Converter로 작동하므로 슈퍼커패시터(SC)에 저장되어 있던 전력이 적당한 전압으로 전환되어 되돌려진다.
이때, 상기 슈퍼커패시터(SC)의 전압이 일정 이하로 떨어지게 되면 제어부(50)는 제5트랜지스터(S5) 및/또는 제6트랜지스터(S6)를 오프(Off) 시키는 제어신호를 출력하여 전력공급모드를 종료시키고 일반 감시모드로 전환하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 AC-DC 컨버터의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 제어부의 제어블럭도이고,
도 4는 본 발명에 따른 AC-DC 컨버터의 스위칭 패턴을 도시한 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 충전모드에서의 전류 흐름도이고,
도 7은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 충전모드에서의 제어 블럭도이고,
도 8은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 방전모드에서의 전류 흐름도이고,
도 9는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 방전모드에서의 제어 블럭도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10: 변압기 20: AC-DC 컨버터
30: 양방향 DC-DC 컨버터 40: 에너지 저장부
50: 제어부 SC: 슈퍼캐패시터
S1,S2,S3,S4,S5,S6: 트랜지스터

Claims (7)

  1. 변전소에 설치되어 가선으로부터 공급되는 교류전원을 강압하는 변압기와; 팬토그라프와 상기 변압기의 사이에 설치되는 차단스위치와; 상기 변압기를 거친 강압된 입력전압을 직류 전압으로 변환하도록 제어신호에 따라 개폐제어되는 제1 내지 제4트랜지스터로 이루어지는 AC-DC 컨버터와; 상기 AC-DC 컨버터를 거친 전원을 전기적 에너지로 저장하도록 슈퍼캐패시터(SC)로 이루어지는 에너지 저장부와; 상기 AC-DC 컨버터와 에너지 저장부의 사이에 전기적으로 연결되어 제어신호에 따라 개폐제어되는 제5 및 제6트랜지스터로 이루어지는 양방향 DC-DC 컨버터와; 상기 AC-DC 컨버터 및 양방향 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류를 검출하고 상기 제1 내지 제6트랜지스터의 개폐를 제어하는 제어부;로 구성되되,
    상기 에너지 저장부는 커패시터로 이루어지며 상기 커패시터의 충전전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 에너지저장 모니터링부가 더 구비되어, 충전모드로 동작중 상기 저장부가 완충되면 상기 제어부는 제5트랜지스터를 오프시키고, 전력공급모드로 동작중 상기 충전전압이 기준전압 이하이면 상기 제어부는 상기 제6트랜지스터를 오프시키며,
    상기 AC-DC 컨버터는 상기 제어부의 제어에 따라 온/오프 제어되는 제1 내지 제4트랜지스터로 구성된 단상 전압형 PWM 컨버터이며, 상기 제1 내지 제4트랜지스터에는 역병렬 다이오드가 연결되고, 평활용 캐패시터가 연결되며,
    상기 제어부는 상기 AC-DC 컨버터의 직류전압 기준치 V* dc 와 실제 전압 피드백 값 Vdc의 편차 V* dc - Vdc를 전압제어기 Gv(s)에 입력하고 적분 및 비례 제어를 행하고; 전압제어기 Gv(s)의 출력은 부하 전류 급변에 대한 전향 보상항(정수 kL과 부하전류 iL의 곱)을 더하여 입력 전류 지령치의 크기를 만들고; 그 크기값을 전원전압에 동기한 sin(ωt)와 곱하여 입력전류 지령치 i* s를 생성하여 실제전류 is와의 편차를 전류제어기 Gi(s)에 입력하고; 입력전류 is에 교류회로 임피던스
    Figure 112011048994763-pat00017
    와 정수 k2를 곱하고, 정수 k1과 입력 전압 vs의 곱을 더한 값을 전류제어기 Gi(s)의 출력부에 더해 회로임피던스에 의한 입력전류파형의 왜형을 보상하여 2개의 스위칭 캐리어를 통해서 Unipolar 스위칭을 행하여 상기 AC-DC 컨버터의 제1 내지 제4트랜지스터를 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6트랜지스터는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는 제어부의 PWM 제어에 의하여 턴온 또는 턴오프되는 제5 및 제6트랜지스터로 구성되어, 상기 제어부의 제어신호에 의하여 제6트랜지스터가 오프되고 제5트랜지스터가 온 상태로 스위칭하면 Buck Converter로서 작 동하고, 상기 제5트랜지스터가 오프되고 제6트랜지스터가 온 상태로 스위칭 되면 Boost Converter로서 작동되는 것을 특징으로 하는 AC 급전방식의 에너지 저장 시스템.
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