A Study on Power Quality Improvement of Power Conversion System in Centralized-Power Type Electric Railway Vehicle

동력 집중식 철도차량의 전력변환장치 전력품질 향상연구

A Study on Power Quality Improvement of Power Conversion System in Centralized-Power Type Electric Railway Vehicle

김재문

^†

·윤차중

¹

·이을재

²

Jae-Moon Kim

^·

Cha-Jung Yun

^·

Eul-Jae Lee

1. 서 론

국내철도산업은최근침체기를 벗어나

'04

년 경부선고 속철도차량

(KTX)

상업운행과더불어대도시및지방자치단 체를중심으로 친환경교통수단으로서관심이증대되고 있 다

.

또한화석연료사용에따른환경오염발생과 연료비상 승에따른 운영비용이증가하면서기존의디젤엔진을 이용 한철도차량에서전기를 이용한전기 동력식철도차량으로 대체되고있으며

,

이에따른전기차량급전을위해전철화 가지속적으로증가되고있다

.

^{그러나중앙선등 국내산업}

선인경우 전철화정책에의해 해외에서도입하여운영중 인전기기관차는세부적인자료가거의없어전문지식을갖 춘전문가와 철도차량운영기관들이운영경험에의해 개량 화 및 유지보수가 이루어지고 있다

.

전력용소자로위상제어사이리스터

(Thyristor)

를사용하여 견인회로를구성하고있는 동력집중식 전기기관차인경우 제어방식의특성상입력역률이낮아변전소의부담이크며 직류전동기를견인전동기로 사용하여잦은고장이 문제점 으로대두되고있다

.

이에대한개선방안으로 도입된신형

전기기관차는

GTO(Gate Turn-Off)

를채용한

V/F

제어방식 에의한유도전동기를구동하여운행하고있으며

,

객차용전 원공급장치

(Head Electric Power: HEP)

가 장착되어객차에 직접전원공급을하고있다

.

그러나주회로의견인장치가주 된 문제점으로도출되었던기존과는 달리객실에공급되는 전원이상으로 인한문제점이주로대두되고있다

.

특히출 력전압의품질저하로추정되는신호장치간섭현상과냉방장 치의 이상동작현상이증가되고 있어여객수송의목적으로 전기기관차를운행하는경우발전차량을별도로견인하여객

실전원을 공급하고 있는 형편이다

[1-4].

본논문에서는신형전기기관차의객차용전원공급장치에 대한 출력전원의품질을분석하기 위해현차시험을수행하 여 취득된데이터를근간으로 전력변환장치의스위칭기법 을 추정하였다

.

추정된스위칭기법이현차시험을통해얻 은 파형과일치함을확인하였으며

,

시뮬레이션을통해출력 전원 품질을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다

.

2. 전력품질 분석 및 PWM기법 추정 2.1 객차용 전원공급장치 특성

신형전기기관차에는그림

1

과같이

2

대의객차용전원공

급장치

(HEP-1, HEP-2)

가 설치되어있으며입력측커패시터

양단의직류전압

2.8kV

를펄스폭변조

(PWM)

제어를적용

Abstract

This paper proposes an advanced filter design to improve power quality of a head electric power (HEP) as a power conversion unit in centralized-power type electric railway vehicle. First of all, we have measured waveform of output power of transformer connected HEP to design the filter. Throughout experiment and simulation results, it is estimated that switching technique used HEP is advanced selected harmonic elimination PWM (SHEPWM) and the applied switching fre- quency is about 300Hz. In this paper, a filter to improve power quality considering estimated parameters is designed. As a result, the reduction of the magnitude of the overall harmonic is achieved and confirmed through simulations.

Keywords

: Filter design, Head electric power (HEP), Selected harmonic elimination PWM (SHEPWM), Cut-off frequency

초 록 본 논문은 동력 집중식 철도차량에서 전력변환장치로서 객차용 전원공급장치의 전력품질을 향상시키 기 위해 보완된 필터설계를 제안한다

.

먼저

,

필터설계를 위해 객차용전원공급장치와 연결된 변압기의 출력전력 파형을 측정하였다

.

실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 스위칭 기법은 개선된 특정고조파 소거 펄스폭 변조이고

스위칭 주파수는

300Hz

임을 추정하였다

.

따라서 추정된 파라미터를 바탕으로전력품질을 향상시키기 위해필터

를 설계하였다

.

시뮬레이션 결과전체적으로 고조파의 크기가 감소함을 확인하였다

.

주요어 : 필터설계

,

객차용전원공급장치

,

특정고조파소거펄스폭변조

,

차단주파수

†

교신저자 : ^{한국철도대학 철도차량전기과} E-mail : [email protected]

1

한국철도공사

2

이경산전 ( ^주 )

하여

3

상

440V

교류전원을생성한다

.

회로는주스위칭 소 자로전류구동형

GTO

를사용하고

2

레벨스위칭을하는인 버터로구성되어있으며

,

정상상태에서

1

대만동작하다가고 장이발생할 경우예비상태로 대기중인나머지

1

대가 자동 으로절체된다

.

주변압기탱크내부에설치된독립적인

2

개 의변압기를사용하여절연및강압을수행하며변압기의

2

차측출력은병렬로 연결되어있고 변압기내부의누설인 덕턴스와델타

(

∆

)

로연결된

3

개의독립된커패시터에의해

회로를 구성한다

[2,3].

Fig. 1

HEP and circuit of transformer

2.2 현차시험을 통한 전원품질 분석 및 PWM기법 추정 객차용전원공급장치

(HEP)

의출력전력의품질분석을위 해그림

2

^{와같이변압기의}

2

^차측단자

(

^{필터커패시터연결}

부

)

에 전력분석기

CA8334

를구성하고현차시험을하였다

.

신형기관차를대상으로 청량리

-

^{영주 구간을왕복 운행하면}

서냉방장치가 자동절체가이루어지도록설정한후 기본파 를 포함한

50

^{차까지 고조파분석을 하였다}

.

그림

3(a)

는각상에대한 출력전압파형이고그림

3(b)

는

한상의

THD

^{분석결과를보여준다}

.

^{부하조건은자동으로동}

작되는냉방기가연결되어있으며측정하는동안

30A~80A

부하변화가측정되었다

.

^{연속된출력전압파형의측정결}

과

,

고조파왜율이 약

8.5~12%

사이에서변동하고 있었으

며비주기적으로

10%

^{이상의출력전압변동이측정되었다}

.

측정된결과를바탕으로고조파분석을하면

,

일반적으로전 력용반도체소자를사용하고

PWM

기법을적용한인버터에 서는

3

의 배수차고조파가 발생하지않도록 하거나최소화 가 되도록동기식

PWM

과 적절한캐리어 주파수를선택한

다

.

하지만 그림

3(b)

에 보듯이

3

차고조파를 포함한 저차

고조파가 상당히크게발생하고있는데이것은인버터후단 필터의 설계상수가적절하지않거나 부하가필터에영향을 주는 것으로 추정된다

.

한편그림

4

는 측정된 변압기의

2

차측 출력전류로그림

4(a)

에흐르는전류가

351.6A

정도흐르고있는반면실제부

하전류가흐르는그림

4(b)

의경우

37.6A

로 측정되었다

.

이

는 저차고조파제거를위해사용된필터용커패시터의값 이 매우커서부하전류의약

5~10

배에해당하는 무효전류 가 흐르고 있음을 의미한다

.

필터회로의차단주파수계산을위해객차용전원공급장치

의 출력측

PWM

전압을 측정하고자하였으나 차상에서측

Table 1

Specification of transformer on HEP

파라미터 사양

형식 Delta-Star

동작주파수 60Hz

2차측출력전압 440V ± 3%

변압기 1^차측전류 247A

권선비 2.2:1

1차측누설인덕턴스 365µ

H

Table 2

Specifications of filter circuit on output side

구분 사양

형식 3상 LC 필터

커패시터 1.77mF

커패시터정격 129.2kVar/440Vac

Fig. 2

The measuring circuit to analysis output power of HEP

Fig. 3

The Output voltage waveform and THD analysis

정이용이하지 않아변압기

2

차측 출력전압및 전류를 측 정하였다

.

따라서

2

차측출력전류에는부하전류와필터 커 패시터의무효전류가포함되어 있으므로전류의고조파 형 태와출력전압의왜곡정도를측정하여

PWM

주파수의추정 이가능하다

.

짝수고조파를제거하기위해홀수의변조 주 파수를사용해야하므로 조건에만족하는주파수 변조지수

(

mf

)

는

5, 7, 9

중의하나가 된다

.

따라서식

(1)

에 의해 객 차용전원공급장치에적용된

PWM

주파수는

300Hz, 420Hz, 540Hz

중에 있다

[5].

(1)

여기서fs는스위칭주파수

,

f1은기본파 주파수

,

mf는주파 수 변조지수

한편입력전압에대한 출력선간전압 VLL은 선형 변조영 역

(

ma≤ 1.0

)

에서식

(2)

와같고

,

이를통해전압변조지수를 구할 수 있다

.

(2)

여기서Vdc는입력전압

,

은상전압

,

ma는전압변조지수

특정고조파제거

(SHEPWM)

방식은노치

(Notch)

라고 부

르는미리계산된스위칭각

(Angle)

을 반주기동안 사용하

여특정고조파를제거함과동시에전압의크기를제어할수 있다

.

^{일반적인비정현주기전압파형의푸리에급수전개}

는 아래와 같다

[6-8].

(3)

여기서 a0는 직류성분

,

식

(3)

에서변압기 출력전압파형은

1/4

주기대칭이므로 기수

(Odd)

고조파만으로충분하다

.

그리고v

(

^t

)

^{가단위크기}

,

즉 v

(

t

) = ±1

^{라고가정하면} bn은식

(4)

와 같이표현되는데

,

k개의 α각을사용하여기본파를제외하고총 k

-1

개의고조

파를제거할 수있음을의미하며

,

고조파제거를위한방법 은 참고문헌

[3]

에 자세히 언급하고 있다

.

[1 + 2(

−

cos

nα1

+ cos

nα2−

...

−

cos

nαk-1

+ cos

nαk

)]

= (4)

표

3

은 현차시험을통해얻은출력전압파형과상기의가 정을조합하여시뮬레이션을반복적으로수행하면서측정된 파형과가장유사한경우의파라미터를추정한값이다

.

특 히 현차시험에서부하가자동으로 투입되어출력전류의변 동률이많았던 점과전원공급장치의

GTO

소자로구성되어 있어출력전력이최소한

100kVA

를 초과한다고가정하여부

하전류를

120A

로 하였다

.

그림

5

와같이

PSpice

를 이용하

여전압및전류파형에대하여시뮬레이션을실시하였으며

,

스위칭 각의계산과고조파분석에 사용된시뮬레이션도구 는 식

(4)

을 이용하여 자체 제작된 프로그램이다

.

그림

6

^{은시뮬레이션각부의파형으로반주기동안펄스}

의수는

5

가되며스위칭주파수는

300Hz

가된다

.

그림

6(a),

f

s=

m

f×

f

1

V

LL 3

---2⋅

V

^ˆAN 0.612

m

a⋅

V

dc

= =

V

^ˆAN

v t

( )

a

0 (

a

ncos

n

ω

t b

+ nsin

n

ω

t

)

n 1=

∑

∞

+

=

a

n 1

π---

v t

( )cos

n

ω

t

dωt

b

n 1

π---

v t

( )sin

n

ω

t

dωt

0

∫

2π

=

0 ,

∫

2π

=

b

n 4

n

π ---

=

n

4π

--- 1 2 ( )–1^kcos

n

α_k

k 1=

∑

K

+

Fig. 4

The Output current waveform of transformer

Table 3

Simulation parameters

항목 설정값 항목 설정값

PWM 방식 SHEPWM 주파수 변조 (

m

f) 5

입력전압(

V

dc) 1,273 출력전압(

V

LL) 440

변조전압(

m

a) 0.51 필터인덕턴스 180µH

부하전류 120A 필터커패시터 1.77mF

Fig. 5

The Pspice circuit for simulation

(b), (c)

는스위칭소자의게이트신호들이며 그림

6(d), (e),

(f)

는 필터 전의 선간전압 파형을 보여준다

.

주목할 점은

PWM

에 사용된스위칭각이일반적인

SHEPWM

에서구해

지는값이 아니라전체적으로고조파의 크기를최소화하는

최소 리플전류

PWM (Minimum Ripple Current PWM)

방

식에근사한점이다

.

그림

7(a)

는시뮬레이션을통해구해진

출력전압파형이며그림

7(b)

의현차시험을통해측정된전

압 파형과유사함을 보여준다

.

그림

7(c)

는 변압기

2

차측에

흐르는출력전류를시뮬레이션한 파형으로

7(d)

의 측정된 실제 전류와 매우 유사함을 알 수 있다

.

현차시험은파형형태와고조파분포등을관측하는것으 로 파형분석에따른

FFT

결과표

4

와 같이나타났으며

,

이

를 토대로고조파 최소화기법에근사한

SHEPWM

기법을

사용하고 있으며스위칭 주파수는

300Hz

임을알 수있다

.

또한 변압기결선방식이델타

-

스타방식이므로

1

차측임피 던스를

2

차측으로환산하여시뮬레이션에서현차시험을통 해 얻은파형을 근사화한 결과

2

차측필터인덕턴스는약

160~200

µH정도로추정되어시뮬레이션에서

180

µH를적용

하였다

.

3. 제안된 전력품질 개선방법

3.1 기존 필터의 특성

인버터출력파형은적절한필터회로를통과함으로써고차 의고조파가제거된매끄러운형태의사인파로변환된다

.

일 반적으로전원장치와 부하장치사이에직렬로삽입되는

L

Fig. 6

Waveforms on gate signal and line-to-line voltage

Fig. 7

Comparison on results between simulation and field test

Table 4

THD distribution on field test and simulation result(%)

구분 1차 3차 5차 7차 9차 11차 13차 15차 17차 19차

현차시험 100 3.77 6.9 1.05 0 3.5 3.5 0 0.64 0.47

시뮬레이션 100 3.12 5.26 0.75 0 3.6 3.5 0 0.72 0.47

필터

, LC

필터

, LC

필터이후부하측과직렬로인덕터를추

가로연결하는방식인

LCL

필터

,

특정고조파를 저감시키는

노치필터

(

또는

Tuned

필터

)

등

4

가지형식으로분류가가

능하다

.

기존출력측필터파라미터로부터식

(5)

와같이

3

상

LC

필터의 차단주파수가 계산된다

[5,9].

(5)

한편필터의특성임피던스및병렬부하에서의

Q

^P

(Quality factor at parallel loads)

값은식

(6)

과식

(7)

를통해구해진다

. (6) (7)

식

(5)

에서보듯이인버터의출력주파수가

60Hz

이므로필

터의공진점은

3

고조파인

180Hz

에근접하여있음을알 수

있다

.

또한식

(7)

에서

Q

값이

10

이상이므로필터회로는상 당히첨예한차단주파수 특성을갖는다

.

이것은약간의불 평형이존재하게되면출력전압에는

3

고조파가나타날수있

음을 의미한다

.

그림

8

은출력필터의이득과위상특성이며

그림

9

는

FFT

변환을통해시뮬레이션상에서얻어진

PWM

파형및필터통과후의파형에대한고조파분포를나타낸다 이와 같이현차시험과시뮬레이션을통해출력전원을고 찰하면

,

주로

5

차 이상의고조파에의한파형의왜곡이나 타나고있으며이를감쇄하기위해필터를사용하고 있다

.

그러나필터의차단주파수가

3

차고조파부근에위치하고있 어 부하변동이나전압변환순간에

3

차고조파가심하게발 생할 수 있으므로 정밀한 필터 설계가 필요하다

.

3.2 제안된 필터회로

운행되고 있는철도차량의

HEP

장치에서인버터의출력 전압

PWM

^{파형개선은설치환경을 고려할때 필터회로보}

완을통해서만가능하다

.

따라서필터회로의기본구조는

LC

필터형식이므로식

(5)

^{을이용하여차단주파수를낮추도록}

인덕턴스

L

을 증가시키거나커패시턴스

C

를증가시킨다

.

그 러나커패시턴스는기존에상당히큰값이사용되고있어무 효전류가커서커패시턴스

C

는감소시키고인덕턴스

L

을증 가시켜야한다

.

^{인덕턴스는변압기의기생인덕턴스를이용}

하고있어외부에추가적인인덕터의삽입이요구된다

.

그

림

3(b)

^{에서 보듯이현차시험에서}

5

^{고조파가가장크고}

3

^고

조파

, 11

고조파및

13

고조파가다음으로 크게나타난다

. 3

고조파는 부하의불평형이나인버터의피드백 전압조정과 정에서발생하는미세한불평형으로인하여발생할수도있 으므로필터의조정으로완전히제거를하는 것은매우 어 렵다

.

하지만

5

차 이후의고조파는필터의개선으로제거혹 은 크기를줄이는것이가능하다

. 5

^{차 고조파이후에대하}

여고조파저감하는것을목표로하여필요한인덕턴스의크 기를 구하는 식은 식

(8)

과 같다

.

(8)

여기서 Vo5는 출력에포함된

5

차고조파의크기

,

Vi5는입력 에 포함된

5

차 고조파의 크기

Fig. 10

The proposed filter circuit in case of inserted inductor

그림

10

에서

3

상 인덕터

100

µH를추가한 경우식

(8)

에 의하면기존보다약

17%

^{의크기로작아지며필터의차단주}

f

c 1

2π 3

L

F

C

F

--- 1

2π× 3 180×

E

–6 1.77×

E

–3

--- 162.8

Hz

= = =

Z

0

L

_F

C

F

--- 0.319

= =

Q

p

R

_L

Z

0

--- 10.5

= =

V

_o5

n

ω1

C

F

---

n

ω

C

F 1

n

ω

C

_F

---

---–

V

_i5 ¹

n

ω

( )²

L

F

C

F–1 ---

V

_i15

= =

Fig. 8

The frequency characteristic of filter

Fig. 9

Harmonic distribution by FFT analysis (Simulation)

파수는식

(5)

에의해

130.5Hz

가된다

.

그림

11

은그림

5

와

같이

Pspice

회로도를 구성한후 인버터후단에

LC

필터를

삽입한시뮬레이션을수행했을경우인덕터삽입전후의출

력전압의파형과

FFT

분석을비교한것이다

.

인덕터를 삽

입했을경우

THD

는약

5~6%

를보였으며

,

기존의

10%

전

후를보인점에비추어볼때개선되었음을확인할수있었다

.

4. 결 론

본논문은동력집중식신형전기기관차의 전력변환장치 인

HEP

의전력품질을분석하기위해현차시험을하였다

.

이

를통해인버터

PWM

스위칭기법및 스위칭주파수등을

유추해내었으며인버터의 출력전압개선을위해 필터회로 의개선안을제시하였다

.

필터측커패시터의크기를조정하 는방법도있을 수있지만

,

기존의스위칭기법이나수동소 자등은그대로둔 채 추가적인인덕터를삽입하는방법을 택하였다

.

시뮬레이션을 통해

FFT

분석결과

3

상 인덕터

100

µH를삽입했을경우

THD

는 약

5~6%

를 보였으며

,

기존

의

10%

전후를보인점에비추어볼때 개선되었음을확인

할 수 있었다

.

감사의 글

본연구는

2010

년도국토해양부및한국건설교통기술평가

원의 지원에 의하여 이루어진 미래철도기술개발사업의

“

R&D/10PRTD - C051915 - 02

” 연구과제로관계부처에감 사드립니다

.

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접수일(2010년 8월 17일), 수정일(2010년 11월 4일), 게재확정일(2010년 11월 25일)

Fig. 11

Voltage waveform and FFT analysis in case of inserted

inductor or not