[논문]철도 직류 급전용 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템의 병렬운전 기법

김영우; 문동옥; 이창희

doi:10.6113/tkpe.2017.22.1.9

철도 직류 급전용 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템의 병렬운전 기법
Parallel Control Algorithm of Thyristor Dual Converter Power System for DC Power Substation of Railway 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.1, 2017년, pp.9 - 17

김영우 (Core Technology Innovation Lab, Dawonsys) , 문동옥 (Core Technology Innovation Lab, Dawonsys) , 이창희 (Core Technology Innovation Lab, Dawonsys)

Abstract ▼ AI-Helper

A parallel control algorithm of thyristor dual-converter power system for the DC power supply of railway is proposed. The circulating current and current imbalance generated during parallel operation can be limited to control the output voltage of each power system by using the proposed parallel control algorithm. The proposed control algorithm can also eliminate output current sensor to achieve the same output response without additional costs. The validity of the proposed algorithm is verified through simulation and experiment.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 도시철도 직류 급전용 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템의 병렬운전 기법을 제안한다. 제안하는 병렬운전 기법은 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하며 병렬운전 시 발생하는 순환전류에 대한 제어 및 부하 불균형 제어를 통해 안정적인 병렬운전을 수행할 수 있다.
또한 싸이리스터 이중 컨버터의 단독운전 기법 중 DC 출력전류 값을 이용한 제어 방식^[9],[10]에서 DC측 전류 센서를 제거한 제어 기법을 제안한다. 이를 통해 기존 제어기법과 동일한 제어 성능을 가지면서 시스템 가격 저하 및 안정성을 향상 시킬 수 있는 제어기법을 제안한다. 제안하는 제어 기법은 10kW 축소모델을 통해 타당성을 검증하였으며 추후 4MW 실제 모델에 적용 예정이다.

제안 방법

제안하는 병렬운전 기법은 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하며 병렬운전 시 발생하는 순환전류에 대한 제어 및 부하 불균형 제어를 통해 안정적인 병렬운전을 수행할 수 있다. 또한 싸이리스터 이중 컨버터의 단독운전 기법 중 DC 출력전류 값을 이용한 제어 방식^[9],[10]에서 DC측 전류 센서를 제거한 제어 기법을 제안한다. 이를 통해 기존 제어기법과 동일한 제어 성능을 가지면서 시스템 가격 저하 및 안정성을 향상 시킬 수 있는 제어기법을 제안한다.
제안하는 병렬운전 기법은 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하며 병렬운전 시 발생하는 순환전류에 대한제어 및 부하 불균형 제어를 통해 안정적인 병렬운전을 수행할 수 있다. 또한 싸이리스터 이중 컨버터의 단독운전 기법 중 DC 출력전류 값을 이용한 제어 방식에서 DC측 전류 센서를 제거한 제어 기법을 제안함으로 써기존 제어기법과 동일한 제어 성능을 가지면서 시스템가격 저하 및 안정성을 향상시켰다. 제안하는 제어 기법은 10kW 축소모델을 통해 타당성을 검증하였으며 추후4MW 실제 모델에 적용 예정이다.
기존 Droop 제어기는 병렬로 연결된 컨버터의 전류를 고려하지 않고 Droop 계수에 따른 출력의 지령치의 증가 또는 감소를 통한 부하 불균형을 해소하기 때문에 출력 특성 및 안정도가 다른 제어 기법들에 비해 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이러한 Droop 제어기의 문제점을 해결하기 위하여 제안하는 병렬운전 제어기법은 통신을 사용하지 않고 아날로그 신호를 통해 병렬로 연결된 컨버터의 전류 및 동작 상태신호를 확인하여 제어를 수행한다. 따라서 제안하는 병렬운전 제어기법은Droop 제어 보다 출력 안정도를 향상 시킬 수 있지만 기존의 마스터-슬레이브 방식의 통신선의 숫자와 아날로그 신호선의 숫자가 더 많으며 모든 제어기의 접지가 동일한 단점이 있다.
그림 8은 제안하는 싸이리스터 이중컨버터의 단독운전 기법에 대한 시험 파형이다. 제안하는 단독운전 기법은 컨버터의 입력 전류를 통해 출력 전류를 모사한다. 모사된 출력전류는 전류의 방향성을 고려하지 않고 전류의 크기만을 출력한다.
전류 불균형 제어기-1과 전압제어기는 단독운전에서 사용하던 제어기와 동일하다. 제안하는 병렬운전 기법은 PLL오차 또는 전압 센서의 오차 그리고 기생성분의 영향으로 인하여 발생하는 시스템간 전류 불균형을 해소하기 위한 전류 불균형 제어기-2가 사용되며 이 전류제어기의 출력 값은 출력 전압 지령치에 보상된다. 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템은 컨버터 출력이 커패시터로 구성되어 있으며 전류 리플을 저감시키기 위한 인덕터가 존재하지 않는다.
그림 7은 제안하는 이중컨버터 전력 시스템의 병렬운전 시 출력 전류에 따른 전압 지령치를 나타낸다. 제안하는 병렬운전 기법은 시스템간 전류 불균형을 제어하기 위하여 시스템의 전압 지령값에 시스템간 전류 불균형 제어기의 보상값이 더해진다. 따라서 출력되는 전압 값은 V_dc,ref값과는 항상 다른 값을 출력하게 된다.
또한 출력 전류를 기준으로 싸이리스터 이중 컨버터를 온/오프를 결정하는 기존의 방식은 턴 오프 제어 불가 소자인 싸이리스터의 특성상 이중 컨버터의 오프 상태를 보장 시킬 수 없는 단점이 있다. 하지만 제안하는 제어 기법은 반도체 소자의 특성을 이용하여 각각의 싸이리스터들의 오프 상태를 판단하며 이를 이용하여 이중 컨버터의 오프 상태를 보장 할 수 있다. 이중 컨버터의 오프 시 싸이리스터 전압은 다음과 같다.

성능/효과

따라서 그림 8에서 볼 수 있듯이 모사된 출력 전류는 실제 출력전류에 절댓값을 취한 형태로 나타나게 된다. 기존의 단독운전 제어기법은 I_dc를 이용하여 모드전환을 하지만 제안하는 단독운전 제어기법은 I_dc,est를 이용하여 모드전환을 하며 기존과 동일한 응답특성을 가지는 것을 확인 할 수 있다^[9]. 그림 9와 그림10은 각각 이중컨버터의 동작 모드에 따른 입력 전류와 싸이리스터 전압이다.
첫째, 중앙 집중식 제어는 중앙 제어기의 고장 발생 시 시스템 전체가 차단되는 단점이 있어 가장 안정적이나 모듈화 측면에서 단점을 가진다. 둘째, 마스터/슬레이브 방식은 산업계에서 가장 많이 사용되고 있으며 안정적이지만 마스터 컨버터의 고장 발생 시 시스템 전체가 차단되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 마스터-승계형 제어 방식이 있지만 마스터 승계 시 발생하는 과도응답에 의하여 출력 안정도가 저하되는 단점이 있다.
이러한 Droop 제어기의 문제점을 해결하기 위하여 제안하는 병렬운전 제어기법은 통신을 사용하지 않고 아날로그 신호를 통해 병렬로 연결된 컨버터의 전류 및 동작 상태신호를 확인하여 제어를 수행한다. 따라서 제안하는 병렬운전 제어기법은Droop 제어 보다 출력 안정도를 향상 시킬 수 있지만 기존의 마스터-슬레이브 방식의 통신선의 숫자와 아날로그 신호선의 숫자가 더 많으며 모든 제어기의 접지가 동일한 단점이 있다. 그러나 통신을 사용하지 않기 때문에 노이즈에 강인한 장점이 있으며 각각의 독립적인 제어를 통해 별도의 알고리즘 추가 없이 병렬로 연결된 컨버터의 고장 시에도 항상 출력을 일정하게 유시 시킬 수 있는 장점이 있다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 제안하는 단독운전 제어 기법은 기존의 단독운전 제어기법과 동일한 응답 특성을 가진다. 또한 부하 상황에 관계없이 컨버터는 모드전환을 통하여 일정 전압을 제어하며 모드전환 시엔 컨버터가 동작 상태를 C_state로부터 확인한 후 모드전환을 하는 것을 확인 할 수 있다.
이를 보완하기 위하여 마스터-승계형 제어 방식이 있지만 마스터 승계 시 발생하는 과도응답에 의하여 출력 안정도가 저하되는 단점이 있다. 마지막으로 Droop 제어 방식은 각각의 제어기가 독립적인 제어를 수행하여 모듈화 측면에서 가장 장점을 가지지만 출력의 안정도 및 부하 불균형 제어성능이 나머지 제어 방식에 비하여 떨어진다.
그림 14에서 볼 수 있듯이 부하 상태나 컨버터의 순서에 상관없이 컨버터의 정지 후 재 동작 시에도 순환전류나 전류 불균형이 발생하지 않고 정상적으로 동작하는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하여 하나의 컨버터가 정지 시에도 출력을 일정하게 제어 하는 것을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 도시철도 직류 급전용 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템의 병렬운전 기법을 제안한다. 제안하는 병렬운전 기법은 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하며 병렬운전 시 발생하는 순환전류에 대한 제어 및 부하 불균형 제어를 통해 안정적인 병렬운전을 수행할 수 있다. 또한 싸이리스터 이중 컨버터의 단독운전 기법 중 DC 출력전류 값을 이용한 제어 방식^[9],[10]에서 DC측 전류 센서를 제거한 제어 기법을 제안한다.
본 논문에서는 도시철도 직류 급전용 싸이리스터 이중 컨버터 전력 시스템의 병렬운전 기법을 제안한다. 제안하는 병렬운전 기법은 각각의 컨버터가 독립적인 제어를 수행하며 병렬운전 시 발생하는 순환전류에 대한 제어 및 부하 불균형 제어를 통해 안정적인 병렬운전을 수행할 수 있다. 또한 싸이리스터 이중 컨버터의 단독운전 기법 중 DC 출력전류 값을 이용한 제어 방식^[9],[10]에서 DC측 전류 센서를 제거한 제어 기법을 제안한다.
기존 병렬운전 기법으로는 중앙 집중식 제어^[1],[2], 마스터/슬레이브 제어^[3],[4], Droop 제어^[5-8]등이 있다. 첫째, 중앙 집중식 제어는 중앙 제어기의 고장 발생 시 시스템 전체가 차단되는 단점이 있어 가장 안정적이나 모듈화 측면에서 단점을 가진다. 둘째, 마스터/슬레이브 방식은 산업계에서 가장 많이 사용되고 있으며 안정적이지만 마스터 컨버터의 고장 발생 시 시스템 전체가 차단되는 단점이 있다.

후속연구

이를 통해 기존 제어기법과 동일한 제어 성능을 가지면서 시스템 가격 저하 및 안정성을 향상 시킬 수 있는 제어기법을 제안한다. 제안하는 제어 기법은 10kW 축소모델을 통해 타당성을 검증하였으며 추후 4MW 실제 모델에 적용 예정이다.
이를 통해 기존 제어기법과 동일한 제어 성능을 가지면서 시스템 가격 저하 및 안정성을 향상 시킬 수 있는 제어기법을 제안한다. 제안하는 제어 기법은 10kW 축소모델을 통해 타당성을 검증하였으며 추후 4MW 실제 모델에 적용 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회생에너지의 적절한 처리가 중요한 이유는 무엇인가?	철도 차량의 제동 시 발생하는 회생 에너지는 수백kW∼수MW로 굉장히 크다. 이러한 회생에너지는 전차선 가선전압을 상승시켜 철도 급전 계통 및 전동차 내전장품에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 회생 에너지의 적절한 처리가 중요하다. 그에 따라 전동차 전장품의 안정성과 전동차 운영의 효율성 향상을 위하여 제동 시 발생하는 회생에너지를 이용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.
	가선 전력의 수요를 충족시키기 위해 사용하는 기존 병렬운전 기법에는 무엇이 있는가?	이런 문제점을 해결하기 위하여 병렬운전 기법에 대한 연구가 많이 진행 되어 왔다. 기존 병렬운전 기법으로는 중앙 집중식 제어[1],[2], 마스터/슬레이브 제어[3],[4], Droop 제어[5-8]등이 있다. 첫째, 중앙 집중식 제어는 중앙 제어기의 고장 발생 시 시스템 전체가 차단되는 단점이 있어 가장 안정적이나 모듈화 측면에서 단점을 가진다.
	기존의 다이오드 방식의 정류 시스템의 한계는 무엇인가?	기존의 다이오드 방식의 정류 시스템은 회생에너지를 이용하기 위한 방안으로 추가적으로 IGBT 회생 인버터, ESS 등을 사용하여 회생에너지를 활용하고 있다. 이러한 시스템들은 사용되는 소자의 용량의 한계로 인하여 회생에너지 이용률이 낮다. 또한 회생되지 못한 에너지들은 가선 전압 상승을 야기 시키기 때문에 가선 전압상승을 억제하기 위한 회생 저항기가 사용된다. 하지만 싸이리스터 이중 컨버터의 경우 대용량의 싸이리스터의 사용으로 회생되는 에너지의 이용률이 기존에 비하여 높으며 기존 다이오드 정류 시스템에 비하여 동일한 부피를 가지고 가선에 에너지 공급 및 회생이 가능한 장점을 가진다.

참고문헌 (10)

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S. Kim, G. Han, S. Han, and Y. Cho, "Initial firing angle control of 12-pulse parallel connected thyristor dual converter for urban railway power substations," Control algorithm of thyristor dual converter power system for railway power substation," in Proc. IEEE 2016 SPEEDAM, pp. 645-650. Jun. 2016.

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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