[논문]도시철도의 직류전력 공급을 위한 사이리스터를 사용한 병렬 듀얼 컨버터의 순차적 모드 전환 제어 알고리즘에 대한 연구

한성우; 김성안; 조윤현; 변기식

doi:10.5370/kiee.2016.65.3.511

도시철도의 직류전력 공급을 위한 사이리스터를 사용한 병렬 듀얼 컨버터의 순차적 모드 전환 제어 알고리즘에 대한 연구
A Studies for Sequential Mode Change Control Algorithm of the Parallel Dual Converter of Using Thyristor for Supplying the Urban Railway DC Power 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.3, 2016년, pp.511 - 519

한성우 (R&D Center, Busan, Transportation Corporation) , 김성안 (Dept. of Electrical Engineering, Dong-A University) , 조윤현 (Dept. of Electrical Engineering, Dong-A University) , 변기식 (Dept. of Control & Instrumentation, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is proposed control algorithm for the using thyristor of the parallel dual converter for Urban railway power supply in order to return the regenerative power generated by regenerative braking in urban railway train. Conventional control algorithm of Thyristor dual converter for urban railway power supply has voltage variation within a control range of hysteresis band. The purposed control algorithm of the parallel thyristor dual converter is to maintain a constant voltage without voltage variation in accordance with variable load through the Sequential mode change. And the control algorithm need calculating optimum initial firing angle to consider magnitude of the load current slope. For this purpose, Proposed algorithm for sequential conversion mode of the dual converter was verified by applying for the simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

도시철도 전차선 전력 공급용 사이리스터 듀얼 컨버터의 목적은 부하변화에 따라 전차선 가선전압을 일정하게 유지시켜주는 것이다. 부하의 방향이 바뀔 경우에도 안정적인 모드 전환을 통하여 전압변동률을 최소화하는 것이 중요하다.
따라서 본 논문에서는 사이리스터 듀얼 컨버터의 병렬운전을 위한 최적의 제어 알고리즘을 제안한다. 사이리스터 듀얼 컨버터 2대를 병렬로 연결하고 각 컨버터에서 모드 전환 알고리즘을 순차적으로 적용하여 전차선으로 공급되는 출력전압의 변동을 최소화한다.
따라서 부하 변화에 따라 전차선 가선전압의 제어가 가능하며 회생전력을 재사용이 가능한 사이리스터 듀얼 컨버터 시스템의 제어 알고리즘을 고찰하였다.
본 논문에서는 도시철도 전력 공급용 사이리스터 듀얼 컨버터의 안정적인 운전을 위해서 모드 전환 시점에 전압변동을 저감시키고 전차선에 듀얼 컨버터 간 절연구분 장치를 설치하지 않기 위해 병렬 듀얼 컨버터로 운전이 가능한 제어 알고리즘을 연구하였으며, 제어 알고리즘을 검증하기 위하여 각 구성요소를 설계사양에 맞추어 이론적 근거를 바탕으로 모델링하고 PSIM 시뮬레이션을 시행하여 도시철도 전차선 직류전력 공급용 사이리스터 사용 병렬 듀얼 컨버터의 제어 알고리즘 타당성을 입증하였다.
본 연구에서는 PSIM 시뮬레이션 구성도에 제안된 알고리즘을 적용하여 다양한 부하 변동에 따른 시뮬레이션 결과를 분석함으로써 제안된 제어 알고리즘의 유효성을 검증했다.

제안 방법

의 값에 따른 병렬 듀얼 컨버터의 각 듀얼 컨버터 기준전류를 나타낸 표이다. Case1과 Case5의 조건일 때는 I_ref1, I_ref2를 동일한 크기(I_dc/2)로 설정함으로써 각 듀얼 컨버터에 부하전류 I_dc가 균등하게 분배될 수 있도록 구성하였으며, Case2와 Case4의 경우에는 하나의 듀얼 컨버터를 off 시키고 남은 하나에 부하전류 I_dc를 흐르게 함으로써 차전류 제어와 동시에 하나의 듀얼 컨버터가 V_ref를 추종하도록 하여 V_dc를 유지 시킨다. Case3의 경우에는 I_ref1은 I_dc/2에 I_Dif를 더해주고 I_ref2는 I_dc/2에 I_Dif를 빼줌으로써 각 듀얼 컨버터 간에 순환전류가 흐를 수 있도록 하여 차전류 제어를 한다.
따라서 부하전류 Idc 기울기 값에 따라 최적의 초기 점호각 αintial을 적용할 수 있도록 했다.
먼저 ±2,500A의 크기와 주기 0.1Hz을 가지는 일정한 기울기 특성을 가지는 부하전류 Idc를 적용하여 병렬 듀얼 컨버터 시뮬레이션을 진행하였다.
모드 전환 시점에서 최적 초기 점호각 αintial을 적용함으로서 전압의 변동률을 저감할 수 있도록 하였다.
병렬 듀얼 컨버터의 각 듀얼 컨버터가 같은 모드로 운전할 경우 각각의 듀얼 컨버터에 균등한 부하를 분배하며, 부하전류 I_dc가 영전류 부근에 있을 경우에도 순차적인 모드 전환을 하기 위해 각각의 듀얼 컨버터에 다른 기준 전류 I_ref1, I_ref2를 설정했다. 임의의 부하전류에도 어느 한 대의 듀얼 컨버터가 전압제어를 담당함으로써 일정한 전압을 유지하면서 듀얼 컨버터의 모드전환이 이루어지도록 구성하였다.
병렬 듀얼 컨버터의 모드를 결정하기 위하여 조건에 따라 Flag신호와 gate신호를 결정해줌으로써 순차적인 모드 전환이 이루어지도록 구성하였다.
따라서 본 논문에서는 사이리스터 듀얼 컨버터의 병렬운전을 위한 최적의 제어 알고리즘을 제안한다. 사이리스터 듀얼 컨버터 2대를 병렬로 연결하고 각 컨버터에서 모드 전환 알고리즘을 순차적으로 적용하여 전차선으로 공급되는 출력전압의 변동을 최소화한다. 또한 부하의 기울기를 고려한 초기점호각을 적용함으로써 직류전압의 변동률을 저감시키며, 각 사이리스터 듀얼 컨버터의 전류제어를 통하여 부하전류를 균등하게 분배한다.
제안된 알고리즘은 그림 14와 그림 15에서 보여 주는 것과 같이 Fwd#1, Fwd#2, Rev#1, Rev#2를 통하여 각 듀얼 컨버터의 모드를 확인 할 수 있으며 단일 듀얼 컨버터와 다르게 임의의 시점에서도 하나의 듀얼 컨버터가 전압제어를 담당하고 있다. 이는 듀얼 컨버터가 V_ref를 추종하면서 모드전환이 가능하도록 시뮬레이션이 되고 있음을 의미한다.
직류 전압 Vdc와 부하전류 Idc를 검지하여 제어 알고리즘에 따라 듀얼 컨버터의 모드를 결정하며, Forward/Reverse Mode 전환 시 초기 점호각 αintial을 적용하여, Vref를 빠르게 추종하도록 한다.

대상 데이터

따라서 부하전류 I_dc 기울기 값에 따라 최적의 초기 점호각 α_intial을 적용할 수 있도록 했다. 부하전류 I_dc의 기울기 값을 구간화하고 PI제어에 사용하는 누적 에러 값을 선정했다. 모드 전환 시점에서 최적 초기 점호각 α_intial을 적용함으로서 전압의 변동률을 저감할 수 있도록 하였다.

데이터처리

표 6에서 기존 제어 알고리즘과 제안된 제어 알고리즘의 시뮬레이션 결과 값을 비교하였다. 기존 제어 알고리즘에서는 최대 전차선전압 V_max와 최소 전차선전압 V_min의 차이가 207V이며, 제안된 제어 알고리즘을 적용한 경우에는 전압의 차이가 68V로 제안된 제어 알고리즘의 전압변동이 139V 개선되었음을 알 수 있다.

성능/효과

표 5에서 그림 8과 그림 9의 시뮬레이션 결과 값을 비교하였다. 기존 제어 알고리즘에서는 최대 전차선전압 V_max와 최소 전차선전압 V_min의 차이가 109V이며, 제안된 제어 알고리즘을 적용한 경우에는 전압의 차이가 40V로 제안된 알고리즘의 전압변동이 69V 개선되었음을 알 수 있다.
표 6에서 기존 제어 알고리즘과 제안된 제어 알고리즘의 시뮬레이션 결과 값을 비교하였다. 기존 제어 알고리즘에서는 최대 전차선전압 V_max와 최소 전차선전압 V_min의 차이가 207V이며, 제안된 제어 알고리즘을 적용한 경우에는 전압의 차이가 68V로 제안된 제어 알고리즘의 전압변동이 139V 개선되었음을 알 수 있다.
제안된 제어 알고리즘을 적용한 듀얼 컨버터의 모드 전환시점은 최대 전차선전압 V_max 가 1,670V이며, 최소 전차선전압 V_min은 1,630V의 값을 가진다. 기존 제어 알고리즘을 적용한 듀얼 컨버터의 V_max 1,705V, V_min 1,596V와 비교하면 전압변동을 크게 저감시켰음을 알 수 있다. 또한 I_dc 값에 따라 기준전류 I_ref1과 I_ref2가 결정 되고 있으며, I_dc1과 I_dc2가 기준 전류 값을 잘 추종하고 있음을 확인 할 수 있다.
기존 제어 알고리즘을 적용한 듀얼 컨버터의 V_max 1,705V, V_min 1,596V와 비교하면 전압변동을 크게 저감시켰음을 알 수 있다. 또한 I_dc 값에 따라 기준전류 I_ref1과 I_ref2가 결정 되고 있으며, I_dc1과 I_dc2가 기준 전류 값을 잘 추종하고 있음을 확인 할 수 있다.
기존 회생 전력 시스템과 비교하면 회생전력의 용량 제한이 발생하지 않기 때문에 회생전력의 재사용에 한계가 없어진다. 또한 제안된 시스템은 간단한 구조를 가지고 있어 기존 시스템에서 발생한 복잡한 구조와 설치면적 증가 문제, 에너지 저장 장치의 수명 한계, 별도의 제어기 및 변압기 신설로 인한 유지보수 비용 증가, 에너지 손실 증가 등을 해소할 수 있으며 단위 변전소간의 전차선 구분장치(절연 섹션)가 필요 없는 등의 장점을 가진다[6].
그림 16과 그림 17은 부하 변화율이 일정하지 않을 때 제안된 알고리즘을 적용한 각 사이리스터 병렬 듀얼 컨버터의 특성이다. 부하전류 I_dc의 변화에 대응하여 표 4의 조건에 따라 기준전류 I_ref를 만들어 주면, 차전류 제어를 통하여 부하를 균등하게 분배하면서 순차적으로 모드 전환이 이루어짐으로써 전압변동률을 저감시키면서 안정적으로 모드 전환이 이루어지는 것을 확인 할 수 있다.
1,650V에서 크게 벗어나지 않는다. 제안된 제어 알고리즘을 적용한 듀얼 컨버터의 모드 전환시점은 최대 전차선전압 V_max 가 1,670V이며, 최소 전차선전압 V_min은 1,630V의 값을 가진다. 기존 제어 알고리즘을 적용한 듀얼 컨버터의 V_max 1,705V, V_min 1,596V와 비교하면 전압변동을 크게 저감시켰음을 알 수 있다.
하지만 제안된 제어 알고리즘을 적용할 경우, 부하전류 I_dc의 기울기가 달라지거나 영전류 부근의 값을 가지더라도 V_dc가 기준전압 V_ref 값 1,650V에서 크게 벗어나지 않으며 안정적인 운전을 하고 있다. 영전류 부근에서 전압 변동률이 가장 크며, V_max는 1,696V이며, V_min 값은 1,628V이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 도시철도 전동차의 전력공급 시스템은 어떠한가?	기존의 도시철도 전동차의 전력공급 시스템은 교류 전원으로부터 전차선에 직류를 공급하기 위하여 주로 다이오드 정류방식을 이용하고 있다. 다이오드 정류방식은 설비가 간단하며 유지보수에 유리하지만 소자 특성상 단방향 전력 공급만 가능하다.
	회생에너지는 언제 발생하는가?	최근 도시철도에서도 전동차의 운영효율 향상과 온실가스 감축을 위해 도시철도 전동차 정차 시에 발생하는 회생에너지를 재사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는 추세이다.
	다이오드 정류방식의 소자 특성으로 인하여 발생하는 단점은?	다이오드 정류방식은 설비가 간단하며 유지보수에 유리하지만 소자 특성상 단방향 전력 공급만 가능하다. 따라서 회생에너지를 재사용 할 수 없으며 전차선에 인가되는 직류전압의 제어가 불가능한 단점을 갖고 있다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
Sung-Woo Han, "Development of algorithm for improving efficiency of dual converter power supply system of city railway", Master Thesis, Dong-A University, 2014.
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Bo Liljeqvist. "The Use of Voltage Controlled Thyristor Converters in Power Supply for DC Tranction Systems", Proceedings of the ASME/IEEE Spring Joint Railroad Conference, pp. 101-106, 1992.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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