교류구간 맥동현상과 직류구간 공진현상 저감을 위한 철도차량용 전력변환장치 제어기법

Abstract

본 논문은 철도차량의 추진제어장치 및 보조전원장치의 향상된 제어 알고리즘에 대해 제안한다. 먼저, AC/DC 구간에서 모두 운전이 가능한 철도차량용 추진제어장치 알고리즘에 대해 제안한다. 철도차량을 움직이기 위해 입력전원을 받아오는 가선전압은 지역에 따라 AC 입력전원과 DC 입력전원으로 나뉜다. 서울 내부는 DC 입력전원으로 구성되어 있지만 수도권 바깥 지역은 AC/DC 입력전원을 모두 사용할 수 있는 철도차량만이 운행 가능하다. 이러한 구간들이 점차 늘어나고 있어 AC/DC 겸용 철도차량 추진제어장치 알고리즘의 기술 개발 및 향상이 필수적이다. AC 입력전원 구간에서 차량이 운전되는 경우, 단상 컨버터 구동으로 인해 계통전원 주파수의 2배인 120Hz 성분 전압변동이 발생하는데 인버터 출력주파수가 120Hz인 시점에서 출력 전류에 매우 큰 맥동 전류가 발생하는 비트현상이 일어난다. DC 입력전원에서는 입력전원의 변동 및 유도성 부하로 인해서 입력단의 커패시턴스와 인덕턴스 성분으로 인한 L-C 공진현상이 발생한다. 따라서, 본 논문에서는 AC/DC 철도차량의 향상된 추진제어 알고리즘을 위해 각 구간에서 공진현상과 비트현상을 분석하고 이를 보완하기 위한 알고리즘을 제안한다. AC 구간에서는 Bandpass Filter를 이용하여 120Hz 공진성분을 추출한 뒤 유도전동기 제어를 위한 슬립주파수에 보상을 해서 공진현상을 억제 시키며, DC 구간에서는 전압센서에 의한 DC 입력전압과 Lowpass Filter를 거친 DC 입력전압을 비교한 공진성분을 슬립주파수에 보상을 해서 공진현상을 억제시키는 제어 알고리즘을 제안한다. 각 공진성분을 슬립주파수에 보상하는 이유는 추진제어장치의 특성상 고속영역(1pulse mode)에서 전압변조지수의 가변이 불가능하므로 인버터 스위칭 주파수를 가변하여 출력의 균형을 유지하기 위함이며 이를 포함한 이론적 분석 및 제어 알고리즘을 제안한다. 또한, 본 논문에서는 철도차량용 보조전원장치의 소형 경량화를 위한 Direct Two-level Inverter(DTI) 최적 제어 알고리즘을 제안한다. 철도차량용 보조전원장치에서도 추진제어장치의 DC구간의 공진현상과 동일한 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해, 기존의 철도차량용 보조전원장치는 가선전압으로부터 입력전원을 받고 인버터 입력전원 평활을 위하여 DC/DC 컨버터를 이용한다. 그러나, DC/DC 컨버터의 추가로 인해 제작비용이 증가하는 단점이 있으며 이를 보완하기 위해 입력단에 댐핑저항이 추가된 토폴로지도 존재한다. 댐핑저항이 추가된 토폴로지는 특정역에서 지상신호 노이즈를 발생시켜 철도차량 운행에 지장을 주는 단점이 존재한다. 따라서, 본 논문에서 사용되는 토폴로지는 제작비용 및 유지보수 비용을 줄이기 위하여 DC/DC 컨버터를 사용하지 않으며, 일정 구간에서 지상신호 노이즈를 발생시키는 댐핑저항도 제거된 DTI 토폴로지를 제안한다. 이때, 추진제어장치의 DC구간에서 일어나는 현상과 동일한 유도성 부하의 변동에 의한 직류단 공진현상 억제방법이 필수적으로 적용되어야 한다. 본 논문에서는 직류단 전압의 공진현상을 억제하기 위해 공진 현상이 일어나는 시점보다 앞선 시점에서 동기좌표계 q축 전압 지령에 공진에 대한 성분을 보상해줌으로써 직류단 공진현상을 억제하는 알고리즘을 제안한다. 보조전원장치는 고정주파수/고정전압 제어로 인해 추진제어장치와는 다르게 전압변조지수를 가변하는 제어 알고리즘을 제안한다. 제안하는 철도차량의 추진제어장치 알고리즘을 적용한 결과 공진현상으로 불안정한 인버터 출력을 안정되게 제어함으로써 실제 서울 1호선에 적용되어 양호한 성능으로 주행 중이다. 또한, 철도차량의 보조전원장치에서 댐핑저항을 제거하고 알고리즘으로 성능을 향상 시킴으로써 특정지역의 신호 교란 문제를 해결함과 동시에 원가 절감 및 보조전원장치의 소형 경량화에 대한 결과까지 얻을 수 있었다. 제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 실제 주행기록과 실험을 통해 우수성을 검증한다.