KR102399580B1 - 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치 - Google Patents

스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102399580B1
KR102399580B1 KR1020210160788A KR20210160788A KR102399580B1 KR 102399580 B1 KR102399580 B1 KR 102399580B1 KR 1020210160788 A KR1020210160788 A KR 1020210160788A KR 20210160788 A KR20210160788 A KR 20210160788A KR 102399580 B1 KR102399580 B1 KR 102399580B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
power
value
active
control command
Prior art date
Application number
KR1020210160788A
Other languages
English (en)
Inventor
안태풍
고유란
민명환
이태훈
최성수
Original Assignee
인텍전기전자 주식회사
한국철도공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인텍전기전자 주식회사, 한국철도공사 filed Critical 인텍전기전자 주식회사
Priority to KR1020210160788A priority Critical patent/KR102399580B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102399580B1 publication Critical patent/KR102399580B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/24—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from ac supply lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power
    • B60M3/02—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power with means for maintaining voltage within a predetermined range
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

본 발명은 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 기설된 철도변전소에 전력 보상 장치를 설치하는 경우, 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용함으로써 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류로부터 전력 보상을 위한 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치 제공이 불가한 문제를 해결하는데 있다.
일례로, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 각각 산출하는 유/무효 전력 산출부; 상기 유/무효 전력 산출부를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어되도록 M상과 T상의 제어 지령값을 각각 산출하는 제어 지령값 산출부; 및 상기 제어 지령값 산출부를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상하는 M/T상 전력 보상부를 포함하는 고속철도용 전력 보상 장치를 개시한다.

Description

스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치{POWER COMPENSATION DEVICE FOR HIGH-SPEED RAIL USING SECONDARY SIDE POWER OF SCOTT TRANSFORMER}
본 발명의 실시예는 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치에 관한 것이다.
국내외 교류전기철도 시스템은 3상 주전원을 철도부하에 적합한 단상 전원으로 변환하여 철도 차량에 전원을 공급한다. 이러한 구조는 일반 전력망과 철도 전력망 사이의 전압 불평형을 발생시킬 수 있다. 이러한 두 전력망 간의 전압 불평형을 개선하기 위해 변전 계통에 특수 변압기(스코트 결선 방식)을 사용하고 있다.
그러나, 변전소와 변전소 사이의 거리가 60 ~ 100km 사이로 간격이 상당히 멀고, 15MVA이상을 가지는 고속열차의 운행으로 인해 전압 불평형은 더욱 심해지고 있다. 이러한 점은 발전기, 변압기, 전차선로, 주요시설물의 수명 단축, 기능 저하, 효율 감소 등과 같은 영향을 미쳐 많은 경제적 손실을 준다.
이를 위한 해결방안으로 전력용 콘덴서를 설치하여 전압을 보상하는 방식을 채택해왔으나 이는 기계적인 스위칭 방식으로 응답속도가 느리고, 과도현상이 발생하는 단점이 있다.
또한, 인버터식 무효전력 보상장치인 전력품질 보상시스템인 SVC(Static Var Compensator)나 STATCOM(STaTic COMpensator)은 전력계통의 무효 전력을 신속 정확하게 연속적으로 보상하나 에너지 저장용 직류 커패시터를 별도로 구비하여야 함으로 설비의 증가와 제조원가가 상승하고, 2상 전원의 선로 구간별 공급에 따른 전압 불평형을 근본적으로 해결하지 못하는 문제점이 있다.
철도용 전력 보상 장치는 M상 측 단상 인버터와 T상 측 단상 인버터가 'Back to Back' 인버터로 구성한 구조로 스코트 변압기의 2차측의 M상 및 T상 사이에 설치되어 M상 및 T상 사이에서 유효 전력을 융통함과 동시에 M상 및 T상의 각각에서의 무효 전력도 보상이 가능하다.
유효 전력 보상 제어 장치는 전기철도에 부하가 발생하였을 때 스코트 변압기 2차측의 유효 전력이 평형화되도록 제어하는 장치로 검출한 M상 부하 전력과 T상 부하 전력의 차에서 절반에 해당하는 유효 전력을 철도용 전력 보상 장치로 융통한다.
그리고, 무효 전력 보상 제어 장치는 전기철도에 무효 성분을 포함한 부하가 발생하였을 때 스코트 변압기를 통해 주전원에서 무효 전력을 공급하지 않고, 철도용 전력 보상 장치로 M상측 무효전력은 M상측 인버터가 T상측 무효전력은 T상측 인버터가 각각 보상한다.
또한, 급전선로의 임피던스와 전기차로 인한 전압강하로 부하측 전압이 감소하였을 때 무효전력을 공급함으로써 전압강하를 보상한다.
유효 및 무효 전력 보상을 하기 위해서는 M상 및 T상의 유효 및 무효 전력을 계측하여 M상측 단상 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치와 T상측 단상 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치를 산출한다.
그러나, M상 및 T상 부하 측의 전압과 전류는 철도 변전소에서 제공하는 것으로 도 1에 도시된 바와 같이 X1과 X2에 전력 보상 장치가 설치되어야만 기존의 출력 전력 지령치 산출 방식을 적용할 수 있다. X1과 X2 지점에 전력 보상 장치가 설치되지 않는 경우에는 별도로 부하 전력을 측정하기 위해 전압 및 전류 계측 장치를 추가 설치해야 되는데, 운영하고 있는 변전소에 신설하기에는 어려움이 따르며 신설이 가능하더라도 비용이 상승하기 때문에 전력 보상 장치의 유용성이 떨어진다. 즉, 기설된 철도 변전소에 전력 보상 장치를 설치하는 경우 설치 위치에 따라 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류 측정을 이용하여 전력 보상장치의 출력 지령치를 산출할 수가 없어 전력 보상 장치 설비 구축에 한계를 보이게 된다.
공개특허공보 제10-2021-0057960호(공개일자: 2021년05월24일) 공개특허공보 제10-2019-0124450호(공개일자: 2019년11월05일)
본 발명의 실시예는, 기설된 철도변전소에 전력 보상 장치를 설치하는 경우, 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용함으로써 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류로부터 전력 보상을 위한 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치 제공이 불가한 문제를 해결할 수 있는 고속철도용 전력 보상 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치는, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 각각 산출하는 유/무효 전력 산출부; 상기 유/무효 전력 산출부를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어되도록 M상과 T상의 제어 지령값을 각각 산출하는 제어 지령값 산출부; 및 상기 제어 지령값 산출부를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상하는 M/T상 전력 보상부를 포함한다.
또한, 상기 제어 지령값 산출부는, 하기의 수식에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출할 수 있다.
Figure 112021133980539-pat00001
또한, 상기 t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, 상기 t-1는 상기 t 직전의 계측 시점이고, 상기 pf1은 M상의 사용자 설정 역률이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률이고, 상기 PM은 M상의 유효 전력값이고, 상기 PT은 T상의 유효 전력값이고, 상기 QM은 M상의 무효 전력값이고, 상기 QT은 T상의 무효 전력값일 수 있다.
또한, 상기 M/T상 전력 보상부는, M상 부하 측과 연결되어 M상과 제어 지령값으로 전력을 보상하는 M상 제어용 인버터; 및 T상 부하 측과 연결되어 T상의 제어 지령값으로 전력을 보상하는 T상 제어용 인버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 방법은, 유/무효 전력 산출부가, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 각각 산출하는 유/무효 전력 산출 단계; 제어 지령값 산출부가, 상기 유/무효 전력 산출 단계를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어되도록 M상과 T상의 제어 지령값을 각각 산출하는 제어 지령값 산출 단계; 및 M/T상 전력 보상부가, 상기 제어 지령값 산출 단계를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상하는 M/T상 전력 보상 단계를 포함한다.
또한, 상기 제어 지령값 산출 단계는, 하기의 수식에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출할 수 있다.
Figure 112021133980539-pat00002
또한, 상기 t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, 상기 t-1는 상기 t 직전의 계측 시점이고, 상기 pf1은 M상의 사용자 설정 역률이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률이고, 상기 PM은 M상의 유효 전력값이고, 상기 PT은 T상의 유효 전력값이고, 상기 QM은 M상의 무효 전력값이고, 상기 QT은 T상의 무효 전력값일 수 있다.
또한, 상기 M/T상 전력 보상 단계는, M상 부하 측과 연결된 M상 제어용 인버터를 이용하여 M상과 제어 지령값으로 전력을 보상하는 M상 전력 보상 단계; 및 T상 부하 측과 연결된 T상 제어용 인버터를 이용하여 T상의 제어 지령값으로 전력을 보상하는 T상 전력 보상 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기설된 철도변전소에 전력 보상 장치를 설치하는 경우, 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용함으로써 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류로부터 전력 보상을 위한 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치 제공이 불가한 문제를 해결할 수 있는 고속철도용 전력 보상 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 기존의 고속철도용 전력 보상 장치의 설치 구조와 위치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 장치의 설치 구조와 위치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 전력 보상 제어 전 전력의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 전력 보상 과정 중에 전력의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 제어 후 전력의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 기존의 고속철도용 전력 보상 장치의 설치 구조와 위치를 나타낸 도면이다.
기존 방식에서는 철도용 전력 보상 장치가 X1, X2 지점에 설치되고, 칠도변전소로부터 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류(
Figure 112021133980539-pat00003
)측정값을 받아 M상 및 T상의 유효 및 무효 전력(
Figure 112021133980539-pat00004
)을 계산한다. 여기서, X1 지점은 스코트 변압기 M상 측과 M상 부하 측 보호용 차단기 사이의 전류 전압 계측 지점이고, X2 지점은 스코트 변압기 T상 측과 T상 부하 측 보호용 차단기 사이의 전류 전압 계측 지점이다.
계산된 부하 측의 유효 및 무효 전력값으로 M상 측 단상 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치(
Figure 112021133980539-pat00005
)와 T상측 단상 인버터의 유효 및 무효 전력 출력 지령치(
Figure 112021133980539-pat00006
)를 각각 산출한다. 이와 관련된 최종 수식은 하기의 수식 1 내지 수식 4로 정의될 수 있으며, M상과 T상 전력의 함수로 표현하여 도출 가능하다.
[수식 1]
Figure 112021133980539-pat00007
[수식 2]
Figure 112021133980539-pat00008
[수식 3]
Figure 112021133980539-pat00009
[수식 4]
Figure 112021133980539-pat00010
M상 부하의 유효 전력은
Figure 112021133980539-pat00011
이고, T상 부하의 유효 전력은
Figure 112021133980539-pat00012
이다. 보상 장치를 통해 스코트 변압기 2차측 전력은 같아야 하므로(
Figure 112021133980539-pat00013
),
Figure 112021133980539-pat00014
이 되며, M상측 인버터와 T상측 인버터의 출력 유효 전력은 크기가 같고, 방향(부호)이 반대이므로
Figure 112021133980539-pat00015
이 되어 수식 1을 도출할 수 있다. 즉, M상 및 T상 부하 측의 전압과 전류(
Figure 112021133980539-pat00016
)만 알면 출력 전력 지령치를 산출할 수 있다.
그러나, M상 및 T상 부하 측의 전압과 전류(
Figure 112021133980539-pat00017
)는 철도 변전소에서 제공하는 것으로 도 1에 도시된 바와 같이 X1과 X2에 전력 보상 장치가 설치되어야만 기존의 출력 전력 지령치 산출 방식을 적용할 수 있다. X1과 X2 지점에 전력 보상 장치가 설치되지 않는 경우에는 별도로 부하 전력을 측정하기 위해 전압 및 전류 계측 장치를 추가 설치해야 되는데, 운영하고 있는 변전소에 신설하기에는 어려움이 따르며 신설이 가능하더라도 비용이 상승하기 때문에 전력 보상 장치의 유용성이 떨어진다. 즉, 기설된 철도 변전소에 전력 보상 장치를 설치하는 경우 설치 위치에 따라 M상 및 T상 부하 측의 전압, 전류 측정을 이용하여 전력 보상장치의 출력 지령치(
Figure 112021133980539-pat00018
)를 산출할 수가 없어 전력 보상 장치 설비 구축에 한계를 보이게 된다.
이에 따라 별도의 계측 장비의 신설 없이 전력 보상 장치 설비를 추가 설치함에 있어 스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 전압, 전압 전류(
Figure 112021133980539-pat00019
)를 이용하여 M상 및 T상 유효 및 무효 전력을 계측하고, 이를 통해 M상 및 T상 인버터의 지령값(
Figure 112021133980539-pat00020
) 을 산출 및 출력하는 본 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 장치 및 방법을 제시하여 상술한 문제점을 해결할 수 있으며, 이에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 장치의 설치 구조와 위치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 전력 보상 제어 전 전력의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 전력 보상 과정 중에 전력의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 제어 후 전력의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치(1000)는 유/무효 전력 산출부(100), 제어 지령값 산출부(200) 및 M/T상 전력 보상부(300) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 유/무효 전력 산출부(100)는, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값(PM)과 무효 전력값(QM), 및 T상의 유효 전력값(PT)과 무효 전력값(QT)을 각각 산출할 수 있다.
기설된 철도변전소의 경우, M상 및 T상 부하측의 전압, 전류(
Figure 112021133980539-pat00021
)와 스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 전압, 전압 전류(
Figure 112021133980539-pat00022
)를 측정하고 있다. 유/무효 전력 산출부(100)는 기설된 철도변전소에서 측정하는 스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 전압, 전압 전류값(
Figure 112021133980539-pat00023
)을 제공 받아 M상의 유효 전력값(PM)과 무효 전력값(QM), 및 T상의 유효 전력값(PT)과 무효 전력값(QT)을 각각 산출할 수 있다.
상기 제어 지령값 산출부(200)는, 유/무효 전력 산출부(100)를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어(M상의 사용자 설정 역률이 M상의 계측 역률과 동일해지고, T상의 사용자 설정 역률이 T상의 계측 역률과 동일해지도록)되도록 M상과 T상의 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00024
)을 각각 산출할 수 있다.
좀 더 구체적으로 제어 지령값 산출부(200)는, 하기의 수식 5 내지 수식 8에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출할 수 있다.
[수식 5]
Figure 112021133980539-pat00025
[수식 6]
Figure 112021133980539-pat00026
[수식 7]
Figure 112021133980539-pat00027
[수식 8]
Figure 112021133980539-pat00028
수식 5 내지 수식 8에서, t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, t-1는 t 직전의 계측 시점을 의미하며, pf1은 M상의 사용자 설정 역률 값이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률 값으로서, 각각 상수 값을 가질 수 있다. 또한, PM은 M상의 유효 전력값이고, PT은 T상의 유효 전력값이고, QM은 M상의 무효 전력값이고, QT은 T상의 무효 전력값을 의미할 수 있다.
예를 들어, M상 및 T상 부하 측의 유효 전력이
Figure 112021133980539-pat00029
라고 가정했을 때, 초기 시점에는 철도용 전력 보상 장치가 제어되지 않았으므로 도 4에 도시된 바와 같이 유효전력 흐름이 발생할 수 있다. 이때, 철도용 전력 보상 장치의 유효전력 지령치는
Figure 112021133980539-pat00030
로 수식 1과 수식 5와 같은 결과 값을 가질 수 있다. 이는 부하 측 전압 및 전류를 알지 못하더라도 스코트 변압기 2차측 전압과 전류 계측값으로 지령치를 산출할 수 있다.
철도용 전력 보상 장치는 전력 보상 과정 중에 0kW에서 200kW가 되도록 출력 전력을 점점 크게 상승시켜 도 5에 도시된 바와 같은 상황이 될 수 있다. M상 및 T상의 부하 전력을 모르는 상황이므로, 스코트 변압기 2차측 출력 전력으로 산정해야 하는데, 상술한 수식 1로는 산출이 어렵다. 또한, 철도용 전력 보상 장치를 도 1과 같이 설치하였다고 오판하는 경우에는 유효전력 지령치가
Figure 112021133980539-pat00031
가 되므로 전력 보상이 이루어지지 않는다.
스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 유효전력을 이용한 수식 5 및 수식 7을 이용하여 M상 및 T상 전력 제어 및 보상을 위한 유효 전력 출력 지령치를 산출하면 지속적으로
Figure 112021133980539-pat00032
로 초기 지령값과 같이 유지될 수 있다. 실제 계측 및 제어 시간 흐름을 상술한 예시와 같이 순간적으로 계산되지는 않지만 유/무효 전력 보상 제어를 상기와 같이 수행할 수 있다.
상기 M/T상 전력 보상부(300)는, 제어 지령값 산출부(200)를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00033
)으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상할 수 있다. 이를 위해 M/T상 전력 보상부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 M상 제어용 인버터(310)와 T상 제어용 인버터(320) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 M상 제어용 인버터(310)는 도 2에 도시된 바와 같이 M상 부하 측의 Y1 지점과 연결되어 M상과 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00034
)에 따른 유효 전력과 무효 전력을 출력함으로써 전력 보상을 수행할 수 있으며, T상 제어용 인버터(320)는 T상 부하 측의 Y2 지점과 연결되어 T상의 제어 지령값 (
Figure 112021133980539-pat00035
)에 따른 유효 전력과 무효 전력을 출력함으로써 전력 보상을 수행할 수 있다. 여기서, Y1 지점은 M상 제어용 인버터(310)가 연결되는 지점으로 M상 부하 측 보호용 차단기와 부하 사이의 지점이고, Y2 지점은 T상 제어용 인버터(320)가 연결되는 지점으로 T상 부하 측 보호용 차단기와 부하 사이의 지점이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속철도용 전력 보상 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 방법(S1000)는 유/무효 전력 산출 단계(S100), 제어 지령값 산출 단계(S200) 및 M/T상 전력 보상 단계(S300) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 유/무효 전력 산출 단계(S100)에서는, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값(PM)과 무효 전력값(QM), 및 T상의 유효 전력값(PT)과 무효 전력값(QT)을 각각 산출할 수 있다.
기설된 철도변전소의 경우, M상 및 T상 부하측의 전압, 전류(
Figure 112021133980539-pat00036
)와 스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 전압, 전압 전류(
Figure 112021133980539-pat00037
)를 측정하고 있다. 유/무효 전력 산출 단계(S100)에서는 기설된 철도변전소에서 측정하는 스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 전압, 전압 전류값(
Figure 112021133980539-pat00038
)을 제공 받아 M상의 유효 전력값(PM)과 무효 전력값(QM), 및 T상의 유효 전력값(PT)과 무효 전력값(QT)을 각각 산출할 수 있다.
상기 제어 지령값 산출 단계(S200)에서는, 유/무효 전력 산출 단계(S100)를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어(M상의 사용자 설정 역률이 M상의 계측 역률과 동일해지고, T상의 사용자 설정 역률이 T상의 계측 역률과 동일해지도록)되도록 M상과 T상의 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00039
)을 각각 산출할 수 있다.
좀 더 구체적으로 제어 지령값 산출 단계(S200)에서는, 하기의 수식 9 내지 수식 12에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출할 수 있다.
[수식 9]
Figure 112021133980539-pat00040
[수식 10]
Figure 112021133980539-pat00041
[수식 11]
Figure 112021133980539-pat00042
[수식 12]
Figure 112021133980539-pat00043
수식 9 내지 수식 12에서, t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, t-1는 상기 t 직전의 계측 시점을 의미하며, pf1은 M상의 사용자 설정 역률 값이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률 값으로서, 상수 값을 가질 수 있다. 또한, PM은 M상의 유효 전력값이고, PT은 T상의 유효 전력값이고, QM은 M상의 무효 전력값이고, QT은 T상의 무효 전력값을 의미할 수 있다.
예를 들어, M상 및 T상 부하 측의 유효 전력이
Figure 112021133980539-pat00044
라고 가정했을 때, 초기 시점에는 철도용 전력 보상 장치가 제어되지 않았으므로 도 4에 도시된 바와 같이 유효전력 흐름이 발생할 수 있다. 이때, 철도용 전력 보상 장치의 유효전력 지령치는
Figure 112021133980539-pat00045
로 수식 1과 수식 9와 같은 결과 값을 가질 수 있다. 이는 부하 측 전압 및 전류를 알지 못하더라도 스코트 변압기 2차측 전압과 전류 계측값으로 지령치를 산출할 수 있다.
철도용 전력 보상 장치는 전력 보상 과정 중에 0kW에서 200kW가 되도록 출력 전력을 점점 크게 상승시켜 도 5에 도시된 바와 같은 상황이 될 수 있다. M상 및 T상의 부하 전력을 모르는 상황이므로, 스코트 변압기 2차측 출력 전력으로 산정해야 하는데, 상술한 수식 1로는 산출이 어렵다. 또한, 철도용 전력 보상 장치를 도 1과 같이 설치하였다고 오판하는 경우에는 유효전력 지령치가
Figure 112021133980539-pat00046
가 되므로 전력 보상이 이루어지지 않는다.
스코트 변압기(Scott TR.)의 2차측의 유효전력을 이용한 수식 9 및 수식 11을 이용하여 M상 및 T상 전력 제어 및 보상을 위한 유효 전력 출력 지령치를 산출하면 지속적으로
Figure 112021133980539-pat00047
로 초기 지령값과 같이 유지될 수 있다. 실제 계측 및 제어 시간 흐름을 상술한 예시와 같이 순간적으로 계산되지는 않지만 유/무효 전력 보상 제어를 상기와 같이 수행할 수 있다.
상기 M/T상 전력 보상 단계(S300)에서는, 제어 지령값 산출 단계(S200)를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00048
)으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상할 수 있다. 이를 위해 M/T상 전력 보상 단계(S300)는 도 3에 도시된 바와 같이 M상 전력 보상 단계(S310)와 T상 전력 보상 단계(S320) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 M상 전력 보상 단계(S310)는 도 7에 도시된 바와 같이 M상 부하 측의 Y1 지점과 연결되어 M상과 제어 지령값(
Figure 112021133980539-pat00049
)에 따른 유효 전력과 무효 전력을 출력함으로써 전력 보상을 수행할 수 있으며, T상 전력 보상 단계(S320)는 T상 부하 측의 Y2 지점과 연결되어 T상의 제어 지령값 (
Figure 112021133980539-pat00050
)에 따른 유효 전력과 무효 전력을 출력함으로써 전력 보상을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1000: 고속철도용 전력 보상 장치
100: 유/무효 전력 산출부
200: 제어 지령값 산출부
300: M/T상 전력 보상부
310: T상 제어용 인버터
320: S상 제어용 인버터
S1000: 고속철도용 전력 보상 방법
S100: 유/무효 전력 산출 단계
S200: 제어 지령값 산출 단계
S300: M/T상 전력 보상 단계
S310: T상 전력 보상 단계
S320: S상 전력 보상 단계

Claims (6)

  1. 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 각각 산출하는 유/무효 전력 산출부;
    유/무효 전력 산출부를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어되도록 M상과 T상의 제어 지령값을 각각 산출하는 제어 지령값 산출부; 및
    상기 제어 지령값 산출부를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상하는 M/T상 전력 보상부를 포함하고,
    상기 제어 지령값 산출부는,
    하기의 수식에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출하고,
    Figure 112022027653270-pat00060

    상기 t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, 상기 t-1는 상기 t 직전의 계측 시점이고,
    상기 pf1은 M상의 사용자 설정 역률이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률이고,
    상기 PM은 M상의 유효 전력값이고, 상기 PT은 T상의 유효 전력값이고, 상기 QM은 M상의 무효 전력값이고, 상기 QT은 T상의 무효 전력값인 것을 특징으로 하는 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 M/T상 전력 보상부는,
    M상 부하 측과 연결되어 M상과 제어 지령값으로 전력을 보상하는 M상 제어용 인버터; 및
    T상 부하 측과 연결되어 T상의 제어 지령값으로 전력을 보상하는 T상 제어용 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치.
  4. 유/무효 전력 산출부가, 스코트 변압기의 2차측인 M상과 T상의 전압과 전류 측정값을 기반으로 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 각각 산출하는 유/무효 전력 산출 단계;
    제어 지령값 산출부가, 상기 유/무효 전력 산출 단계를 통해 산출된 M상의 유효 전력값과 무효 전력값, 및 T상의 유효 전력값과 무효 전력값을 기반으로 M상의 유효 전력과 T상의 유효 전력이 서로 동일해지고, M상의 사용자 설정 역률에 따라 M상의 무효 전력이 제어되고, T상의 사용자 설정 역률에 따라 T상의 무효 전력이 제어되도록 M상과 T상의 제어 지령값을 각각 산출하는 제어 지령값 산출 단계; 및
    M/T상 전력 보상부가, 상기 제어 지령값 산출 단계를 통해 산출된 M상과 T상의 제어 지령값으로 M상 부하 측과 T상 부하 측에 대한 전력을 각각 보상하는 M/T상 전력 보상 단계를 포함하고,
    상기 제어 지령값 산출 단계는,
    하기의 수식에 따라 M상 유효 전력 제어 지령값(PM,inv(t)), M상 무효 전력 제어 지령값(QM,inv(t)), T상 유효 전력 제어 지령값(PT,inv(t)), 및 T상 무효 전력 제어 지령값(QT,inv(t))을 각각 산출하고,
    Figure 112022027653270-pat00061

    상기 t는 M상과 T상의 전압과 전류의 계측 시점이고, 상기 t-1는 상기 t 직전의 계측 시점이고,
    상기 pf1은 M상의 사용자 설정 역률이고, 상기 pf2는 T상의 사용자 설정 역률이고,
    상기 PM은 M상의 유효 전력값이고, 상기 PT은 T상의 유효 전력값이고, 상기 QM은 M상의 무효 전력값이고, 상기 QT은 T상의 무효 전력값인 것을 특징으로 하는 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 방법.
  5. 삭제
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 M/T상 전력 보상 단계는,
    M상 부하 측과 연결된 M상 제어용 인버터를 이용하여 M상과 제어 지령값으로 전력을 보상하는 M상 전력 보상 단계; 및
    T상 부하 측과 연결된 T상 제어용 인버터를 이용하여 T상의 제어 지령값으로 전력을 보상하는 T상 전력 보상 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 방법.
KR1020210160788A 2021-11-19 2021-11-19 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치 KR102399580B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210160788A KR102399580B1 (ko) 2021-11-19 2021-11-19 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210160788A KR102399580B1 (ko) 2021-11-19 2021-11-19 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102399580B1 true KR102399580B1 (ko) 2022-05-20

Family

ID=81798965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210160788A KR102399580B1 (ko) 2021-11-19 2021-11-19 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102399580B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017046416A (ja) * 2015-08-25 2017-03-02 株式会社東芝 鉄道用電力補償装置
JP2017188990A (ja) * 2016-04-04 2017-10-12 東海旅客鉄道株式会社 電車用電力変換制御装置
KR20190124450A (ko) 2018-04-26 2019-11-05 충북대학교 산학협력단 배전선로의 전압을 적정범위 내로 조정 가능한 무효전력 제어 시스템 및 방법
KR20210057960A (ko) 2019-11-13 2021-05-24 인텍전기전자 주식회사 전기철도용 전력보상장치
KR20210117839A (ko) * 2020-03-20 2021-09-29 한국전력공사 전력 품질 보상 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017046416A (ja) * 2015-08-25 2017-03-02 株式会社東芝 鉄道用電力補償装置
JP2017188990A (ja) * 2016-04-04 2017-10-12 東海旅客鉄道株式会社 電車用電力変換制御装置
KR20190124450A (ko) 2018-04-26 2019-11-05 충북대학교 산학협력단 배전선로의 전압을 적정범위 내로 조정 가능한 무효전력 제어 시스템 및 방법
KR20210057960A (ko) 2019-11-13 2021-05-24 인텍전기전자 주식회사 전기철도용 전력보상장치
KR20210117839A (ko) * 2020-03-20 2021-09-29 한국전력공사 전력 품질 보상 장치 및 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8379416B1 (en) Power conversion system and method
Jiang et al. Multiterminal HVDC systems in urban areas of large cities
Nikolaev et al. Application of static Var compensator of ultra-high power electric arc furnace for voltage drops compensation in factory power supply system of metallurgical enterprise
Jung et al. Analysis and control of DSTATCOM for a line voltage regulation
Firat et al. Comparative study of different transformer connections for railway power supply-mitigation of voltage unbalance
KR102399580B1 (ko) 스코트 변압기의 2차측 전력을 이용한 고속철도용 전력 보상 장치
Ramamurthy et al. Mitigation of motor starting voltage sags using distribution-class statcom
Pipelzadeh et al. An assessment of transient assistive measures using HVDC for special protection schemes: Case on the GB transmission system
Battistelli et al. Two-phase controlled compensator for alternating-current quality improvement of electrified railway systems
Levačić et al. An overview of harmonics in power transmission networks
CN107591820B (zh) 一种svg协调补偿***和方法
Fischer de Toledo Feasibility of HVDC for city infeed
Abdulkareem et al. Power Flow Analysis of Abule-Egba 33-kV Distribution Grid System with real network Simulations.
Dias et al. Analysis of a series tap for half-wavelength transmission lines using active filters
Raphael et al. Unified power flow controller for low voltage ride through capability of wind-based renewable energy grid-connected systems
Thwala et al. The effect of a phase shift transformer for power flow control
Battistelli et al. Control strategy of advanced 25 kV-50 Hz electrified railway systems
Barcelos et al. Dynamic direct voltage controller (d2vc) for grids with intermittent sources
Paul et al. Effects of two phase traction loading on a three phase power transformer
Eminzang et al. STATCOM effect on voltage stability in Ghanaian electrical grid
Schneider et al. Compensation of the voltage fluctuations in the distribution network of London underground using the SVC plus
RU225949U1 (ru) Устройство регулирования статического компенсатора реактивной мощности на посту секционирования контактной сети
KR102237644B1 (ko) 전기철도 급전시스템 해석 장치
RU218476U1 (ru) Устройство регулирования статического компенсатора реактивной мощности на посту секционирования
Ma et al. Study for voltage regulation and reactive power compensation for UHV AC transmission with IEEE P1860 draft standard

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant