전기철도 부하는 전기차가 전차선을 따라 판타그래프를 이용하여 집전하면서 운행하고 정지 및 가감속을 수시로 하기 때문에 일반 전력계통의 부하와 다른 변동부하 형태의 특성을 가지고 있다. 우리나라 수도권의 지하철 운행 초기에 전동차는 다이오드 정류방식에 의한 저항제어방식을 사용하였고 산업선에 운행하던 전기차는 싸이리스터 위상제어방식을 사용한다. 이러한 스위칭 소자를 사용하는 경우 전기차에서는 저차 고조파에서부터 고차 고조파까지 고조파를 발생시키고 있다. 근래에 제작되어 운행하는 전기차는 ...
전기철도 부하는 전기차가 전차선을 따라 판타그래프를 이용하여 집전하면서 운행하고 정지 및 가감속을 수시로 하기 때문에 일반 전력계통의 부하와 다른 변동부하 형태의 특성을 가지고 있다. 우리나라 수도권의 지하철 운행 초기에 전동차는 다이오드 정류방식에 의한 저항제어방식을 사용하였고 산업선에 운행하던 전기차는 싸이리스터 위상제어방식을 사용한다. 이러한 스위칭 소자를 사용하는 경우 전기차에서는 저차 고조파에서부터 고차 고조파까지 고조파를 발생시키고 있다. 근래에 제작되어 운행하는 전기차는 견인전동기의 제어기술 발달로 대출력이면서 고속의 스위칭이 가능한 스위칭소자가 개발됨에 따라 견인전동기를 교류전동기인 3상 유도전동기가 주로 사용되는 추세이다. 그러나 대전류를 고속으로 스위칭하므로 비교적 많은 고조파를 발생시키고 있다. 또한 교류급전방식의 경우 전기차의 추진제어장치는 유도전동기의 견인제어를 위해 인버터를 사용하여 VVVF 제어를 수행하고 있으며, 인버터 입력단에 필요한 직류를 공급하기 위해 브릿지 다이오드 정류기를 사용한 세미 브릿지 PWM인버터를 견인 인버터로 사용하고 있다. 그러나 이 경우 전기차에서 전원측에 발생시키는 고조파는 PWM 인버터 제어시 발생하는 스위칭 노이즈를 비롯한 비선형 소자에 의한 고조파가 발생한다. 고조파 성분 함유율은 국제적으로 규제하고 있으며, 전원의 고조파 영향으로 철도신호설비, 변전제어설비, 역무자동화 설비 등에 기기 오동작과 같은 문제가 발생되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내에서 널리 쓰이는 교류 전기철도 AT(Auto Transformer)급전시스템을 해석하고, 전력품질 향상을 위해 고조파 저감방안에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 AT급전계통을 모델링 하였으며, 세미 브릿지 PWM 인버터 차량을 부하모델로 하여 고조파를 분석하고, 고조파를 저감시키기 위한 수동필터와 능동필터를 결합한 하이브리드 형태의 필터 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 필터 시스템을 검증하기 위하여 PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aid Design/Electro Magnetic Transient DC)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, AT 급전계통을 갖는 전기철도 시스템에 가장 경제적이고 적합한 형태를 도출하기 위하여 수동필터만을 이용한 필터 시스템과 2레벨 인버터를 이용한 능동필터 시스템, 제안된 시스템 등을 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 시뮬레이션을 통하여 능동필터 시스템의 제어가 가장 간단한 2레벨 인버터에 비하여 스위칭 스트레스가 적어 스위치 용량을 감소시킬 수 있는 형태인 5레벨 H-Bridge 종속 인버터를 수동필터와 결합한 하이브리드 형태의 필터시스템이 AT 급전계통에 세미브릿지 인버터 차량을 주로 사용하는 코레일에 가장 적합한 형태임을 증명하였다.
전기철도 부하는 전기차가 전차선을 따라 판타그래프를 이용하여 집전하면서 운행하고 정지 및 가감속을 수시로 하기 때문에 일반 전력계통의 부하와 다른 변동부하 형태의 특성을 가지고 있다. 우리나라 수도권의 지하철 운행 초기에 전동차는 다이오드 정류방식에 의한 저항제어방식을 사용하였고 산업선에 운행하던 전기차는 싸이리스터 위상제어방식을 사용한다. 이러한 스위칭 소자를 사용하는 경우 전기차에서는 저차 고조파에서부터 고차 고조파까지 고조파를 발생시키고 있다. 근래에 제작되어 운행하는 전기차는 견인전동기의 제어기술 발달로 대출력이면서 고속의 스위칭이 가능한 스위칭소자가 개발됨에 따라 견인전동기를 교류전동기인 3상 유도전동기가 주로 사용되는 추세이다. 그러나 대전류를 고속으로 스위칭하므로 비교적 많은 고조파를 발생시키고 있다. 또한 교류급전방식의 경우 전기차의 추진제어장치는 유도전동기의 견인제어를 위해 인버터를 사용하여 VVVF 제어를 수행하고 있으며, 인버터 입력단에 필요한 직류를 공급하기 위해 브릿지 다이오드 정류기를 사용한 세미 브릿지 PWM인버터를 견인 인버터로 사용하고 있다. 그러나 이 경우 전기차에서 전원측에 발생시키는 고조파는 PWM 인버터 제어시 발생하는 스위칭 노이즈를 비롯한 비선형 소자에 의한 고조파가 발생한다. 고조파 성분 함유율은 국제적으로 규제하고 있으며, 전원의 고조파 영향으로 철도신호설비, 변전제어설비, 역무자동화 설비 등에 기기 오동작과 같은 문제가 발생되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내에서 널리 쓰이는 교류 전기철도 AT(Auto Transformer)급전시스템을 해석하고, 전력품질 향상을 위해 고조파 저감방안에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 AT급전계통을 모델링 하였으며, 세미 브릿지 PWM 인버터 차량을 부하모델로 하여 고조파를 분석하고, 고조파를 저감시키기 위한 수동필터와 능동필터를 결합한 하이브리드 형태의 필터 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 필터 시스템을 검증하기 위하여 PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aid Design/Electro Magnetic Transient DC)를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, AT 급전계통을 갖는 전기철도 시스템에 가장 경제적이고 적합한 형태를 도출하기 위하여 수동필터만을 이용한 필터 시스템과 2레벨 인버터를 이용한 능동필터 시스템, 제안된 시스템 등을 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 시뮬레이션을 통하여 능동필터 시스템의 제어가 가장 간단한 2레벨 인버터에 비하여 스위칭 스트레스가 적어 스위치 용량을 감소시킬 수 있는 형태인 5레벨 H-Bridge 종속 인버터를 수동필터와 결합한 하이브리드 형태의 필터시스템이 AT 급전계통에 세미브릿지 인버터 차량을 주로 사용하는 코레일에 가장 적합한 형태임을 증명하였다.
An electric train differs from general power system in load characteristics because it operates on collecting power from a catenary through a pantograph, and has a quite fluctuating load which is keeping acceleration, deceleration and stops from time to time. In the early stage of operating the subw...
An electric train differs from general power system in load characteristics because it operates on collecting power from a catenary through a pantograph, and has a quite fluctuating load which is keeping acceleration, deceleration and stops from time to time. In the early stage of operating the subway, the resister control method with diode rectifiers was used for an electric train in the capital region of Korea. Also, the thyristor phase control was used for an electric locomotive in the industrial line. Both of the two methods using switching elements have been showed problems that the train consequently generated low and high order harmonic currents. Recently designed electric trains have great output owing to the development of the control technology of a traction motor and also, traction motors are tend to be substituted by a three-phase induction motor, and an AC motor, as high-speed switching elements are developed. But strong microwaves are radiated with the high-speed switching of high current. In the case of AC feeding system, the traction control system of an electric train performs VVVF control using inverters for traction control of induction motor and transforms the AC line voltage into DC line voltage using PWM converter to input necessary DC voltage into inverter, at the same time controls DC voltage to be constant value. In this circumstance, however the harmonics on the line caused by an electric train generate harmonic currents due to a carrier frequency of a PWM converter; this harmonic provokes problems in regulations of the Korea Electric Power Corp, railway signal equipments, power transmission equipments and automatic fare collection equipments and so on. Therefore, this paper presents transient analysis of the AT(Auto Transformer) feeding system in AC electric railway which is widely used in domestic railways and we studied the methodology to reduce harmonics for power quality stabilizer. For a transient analysis of railway feeding system and vehicle, we modeled power source, scott transformer, AT, catenary and vehicle load. Especially, this paper utilizes a transient analysis model of vehicle load instead of existing models. The PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aid Design/ElectroMagnetic Transient DC ) was used to analyze accidents of the railway feeding system and transient response characteristics of railway vehicles. Also we performed several types of simulations with regards to a passive filter and an active filter in order to implement the H-Bride cascaded using hybrid-typed IGBT which is adequate to Korail and the active filter system using parallel passive filters; the H-bride cascaded inverter decreases harmonics from the filter by using IGBT that high-speed switching is available, and for applying IGBT to a large capacity system, single phase 5-level is implemented. Carrier array method and phase shift method was applied to inverter control respectively and we compared the efficiency of the filter and then provided the appropriate control technology for railway systems. This paper shows that reduction of the active filter rating can be achieved, and that the voltage stress on the switch of the active filter can be reduced by 50% compared to a 2-level inverter so that the rating of the switch is lowered. Moreover, we could make sure that control with current-injection method elevates the efficiency of compensating harmonics and a high stable controller makes robust control available.
An electric train differs from general power system in load characteristics because it operates on collecting power from a catenary through a pantograph, and has a quite fluctuating load which is keeping acceleration, deceleration and stops from time to time. In the early stage of operating the subway, the resister control method with diode rectifiers was used for an electric train in the capital region of Korea. Also, the thyristor phase control was used for an electric locomotive in the industrial line. Both of the two methods using switching elements have been showed problems that the train consequently generated low and high order harmonic currents. Recently designed electric trains have great output owing to the development of the control technology of a traction motor and also, traction motors are tend to be substituted by a three-phase induction motor, and an AC motor, as high-speed switching elements are developed. But strong microwaves are radiated with the high-speed switching of high current. In the case of AC feeding system, the traction control system of an electric train performs VVVF control using inverters for traction control of induction motor and transforms the AC line voltage into DC line voltage using PWM converter to input necessary DC voltage into inverter, at the same time controls DC voltage to be constant value. In this circumstance, however the harmonics on the line caused by an electric train generate harmonic currents due to a carrier frequency of a PWM converter; this harmonic provokes problems in regulations of the Korea Electric Power Corp, railway signal equipments, power transmission equipments and automatic fare collection equipments and so on. Therefore, this paper presents transient analysis of the AT(Auto Transformer) feeding system in AC electric railway which is widely used in domestic railways and we studied the methodology to reduce harmonics for power quality stabilizer. For a transient analysis of railway feeding system and vehicle, we modeled power source, scott transformer, AT, catenary and vehicle load. Especially, this paper utilizes a transient analysis model of vehicle load instead of existing models. The PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aid Design/ElectroMagnetic Transient DC ) was used to analyze accidents of the railway feeding system and transient response characteristics of railway vehicles. Also we performed several types of simulations with regards to a passive filter and an active filter in order to implement the H-Bride cascaded using hybrid-typed IGBT which is adequate to Korail and the active filter system using parallel passive filters; the H-bride cascaded inverter decreases harmonics from the filter by using IGBT that high-speed switching is available, and for applying IGBT to a large capacity system, single phase 5-level is implemented. Carrier array method and phase shift method was applied to inverter control respectively and we compared the efficiency of the filter and then provided the appropriate control technology for railway systems. This paper shows that reduction of the active filter rating can be achieved, and that the voltage stress on the switch of the active filter can be reduced by 50% compared to a 2-level inverter so that the rating of the switch is lowered. Moreover, we could make sure that control with current-injection method elevates the efficiency of compensating harmonics and a high stable controller makes robust control available.
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