都市鐵道 變電設備用 사이리스터 듀얼 컨버터 竝列運轉을 위한 最適의 모드 轉換 알고리즘 硏究 = A Study on Optimal Mode Conversion Algorithm for Parallel Operation of Thyristor Dual Converter for the Urban Railway Substation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Most of the systems that supply the electric power required for the operation of the electric motor car of the Urban railway convert the AC into DC and supply it through the trolly wire. The rectifier for converting AC to DC is diodes rectification a method and thyristor rectification a method.
The rectification method using a thyristor is a configuration in which a thyristor converter of 12 pulses is connected in a forward direction and a reverse direction, The thyristor converter connected in forward direction operates to supply electric power to the trolley wire.
Thyristor converter connected in reverse direction, is operated in reverse mode when regenerative electric power is generated due to regenerative braking at the time of stopping the electric train and the voltage of the trolley wire rises.
The thyristor converter can save about 20% of the operating power of the electric car by returning the voltage of the surplus trolley wire to the AC main by reverse mode operation.
Therefore, a rectification method using a thyristor is advantageous for improving the operation efficiency of the Urban railway and reducing the greenhouse gas.
However, the thyristor dual converter has a voltage fluctuation rate in the hysteresis band at the time of mode conversion and has a different voltage fluctuation rate depending on the load current slope at the time of mode conversion.
The purpose of the thyristor dual converter is to keep the trolly wire voltage constant even with load changes. Therefore, it is important to minimize trolley wire voltage changes through stable mode conversion even when the load direction changes.
In this paper, we propose a dual converter parallel operation that enables normal operation of electric motor car even when the trolly wire facility is simplified and the dual converter of the adjacent substation fails.

The proposed dual converter parallel operation control method is as follows.

First, it is a sequential mode conversion algorithm using cyclic current. The dual converter requires a zero-current discontinuity section to prevent short circuit when conversion between forward and reverse modes by load current. This section causes undershoot and overshoot in the DC output voltage. Even when the dual converter operates in parallel, there is instability in the DC output voltage. The sequential mode conversion algorithm using the circulating current can obtain a stable DC output voltage at the time of mode conversion even if the slope of the load current changes or has a value near the zero current.

Second, it is an unbalanced voltage compensation algorithm. The reference value of the voltage error compensator is changed according to the error value even if there is voltage sense error of each dual converter that may occur in the actual system. This suppresses the overshoot and undershoot of the DC output voltage caused by the parallel converter operation. The unbalanced voltage compensation algorithm prevents the circulating current divergence between the parallel operation dual converters and improves the phenomenon that the load current is concentrated in one dual converter.

The parallel operation control method of the proposed thyristor dual converter is analyzed by PISM simulation and the manufactured of 10 kW small scale dual converter verified by experiments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구의 배경 1
• 1.1.2 연구의 목적 3
• 1.2 논문의 구성 4
• Ⅱ. 도시철도 전력공급 시스템 6
• 2.1 다이오드 정류기를 사용한 전력공급 시스템 7
• 2.2 IGBT를 사용한 회생인버터 시스템 7
• 2.3 슈퍼 커패시터를 이용한 에너지 저장시스템 9
• 2.4 사이리스터를 사용한 듀얼 컨버터 시스템 10
• Ⅲ. 도시철도 견인 전동기 11
• 3.1 도시철도 견인용 유도전동기의 운전 특성 12
• 3.2 유도전동기의 수학적 모델링 13
• 3.3 유도전동기의 제어 13
• 3.4 유도전동기의 회생전력 16
• 3.5 유도전동기의 사양 23
• Ⅳ. 듀얼 컨버터의 모드 전환 알고리즘 24
• 4.1 3상 3권선 변압기 24
• 4.1.1 변압기 이론 24
• 4.1.2 변압기 사양 26
• 4.2 듀얼 컨버터의 구성 및 동작원리 27
• 4.2.1 듀얼 컨버터의 구성 27
• 4.2.2 듀얼 컨버터의 동작파형 및 동작순서 29
• 4.2.3 듀얼 컨버터의 사양 35
• 4.2.4 듀얼 컨버터의 위상 제어 36
• 4.2.5 포워드 모드 운전 40
• 4.2.6 리버스 모드 운전 42
• 4.3 듀얼 컨버터 모드 전환 제어 조건 44
• 4.4 단독운전 듀얼 컨버터 제어기의 구성 및 알고리즘 46
• 4.4.1 단독운전 듀얼 컨버터 제어기의 구성 46
• 4.4.2 단독운전 듀얼 컨버터의 제어 알고리즘 49
• 4.4.3 초기 점호각을 위한 오차 보정기의 PI 값 산정 52
• 4.4.4 초기 점호각에 따른 듀얼 컨버터의 응답특성 55
• 4.4.5 초기 점호각 추종 알고리즘 59
• 4.4.6 입력전압 변동이 있는 경우의 초기 점호각 추종 알고리즘 63
• Ⅴ. 유도전동기의 시뮬레이션 및 결과 66
• 5.1 유도전동기의 시뮬레이션 구성 66
• 5.1.1 유도전동기의 운전조건 66
• 5.1.2 시뮬레이션 구성도 68
• 5.2 유도전동기 시뮬레이션 및 결과 68
• Ⅵ. 축소형 듀얼 컨버터 제작 및 실험회로 구성 73
• 6.1 축소형 사이리스터 듀얼 컨버터의 제작 사양 73
• 6.1.1 △-△-Y 변압기 73
• 6.1.2 퓨즈 76
• 6.1.3 사이리스터 76
• 6.1.4 사이리스터 게이트 드라이브 보드 77
• 6.1.5 출력 필터 78
• 6.1.6 전류원 부하 79
• 6.1.7 듀얼 컨버터 실제 모델과 축소 모델의 비교 79
• 6.2 10kW 사이리스터 듀얼 컨버터 제작 및 회로구성 80
• 6.2.1 10kW 축소형 듀얼 컨버터의 전기 회로도 80
• 6.2.2 10kW 축소형 듀얼 컨버터의 3D 형상 82
• 6.2.3 10kW 듀얼 컨버터 제작 83
• 6.2.4 10kW 듀얼 컨버터의 실험회로 구성 84
• Ⅶ. 듀얼 컨버터의 단독운전 시뮬레이션 및 실험 86
• 7.1 듀얼 컨버터의 단독운전 직류공급설비 구성도 86
• 7.2 기존 듀얼 컨버터 시스템 모델링 89
• 7.3 듀얼 컨버터의 게이트 파형 91
• 7.4 모드 전환 시의 점호각 시뮬레이션 및 실험 93
• 7.4.1 초기 점호각 시뮬레이션 조건 93
• 7.4.2 10kW 축소모델의 점호각 분석 94
• 7.4.3 기존 듀얼 컨버터의 점호각 시뮬레이션 96
• 7.4.4 듀얼 컨버터 모드 전환 시의 최적 점호각 시뮬레이션 100
• 7.5 입력전압이 변동할 경우의 점호각 시뮬레이션 101
• 7.5.1 입력전압 변동을 고려한 시뮬레이션 구성 101
• 7.5.2 입력전압 변동이 없는 경우 시뮬레이션 결과 102
• 7.5.3 입력전압 변동이 +10%인 경우 시뮬레이션 결과 103
• 7.5.4 입력전압 변동이 -10%인 경우 시뮬레이션 결과 106
• 7.6 듀얼 컨버터의 단독운전 실험 108
• 7.6.1 전류원 부하용 듀얼 컨버터 실험 108
• 7.6.2 부하용 듀얼 컨버터와 파워용 듀얼 컨버터 연계실험 110
• Ⅷ. 듀얼 컨버터의 병렬운전 시뮬레이션 및 실험 115
• 8.1 듀얼 컨버터 병렬운전 시스템의 구성도 116
• 8.2 병렬운전 듀얼 컨버터의 순차적 모드 전환 알고리즘 117
• 8.2.1 병렬운전 듀얼 컨버터 118
• 8.2.2 부하전류에 따른 병렬운전 듀얼 컨버터의 순차적 모드 전환 119
• 8.2.3 듀얼 컨버터 단독운전과 병렬운전의 제어 알고리즘 비교 122
• 8.2.4 제안된 제어 알고리즘을 적용한 각 듀얼 컨버터의 특성분석 128
• Ⅸ. 듀얼 컨버터 병렬운전의 전압보상 132
• 9.1 병렬 듀얼 컨버터의 구성요소와 제어 알고리즘 133
• 9.1.1 병렬 듀얼 컨버터 시스템의 구성요소 133
• 9.1.2 12펄스 사이리스터 듀얼 컨버터의 제어 135
• 9.1.3 순환전류를 이용한 병렬 듀얼 컨버터의 동작원리 136
• 9.1.4 기존 병렬 듀얼 컨버터 제어의 문제점 138
• 9.1.5 병렬 듀얼 컨버터의 불균형 전압보상 제어 138
• 9.2 불균형 전압보상의 시뮬레이션 및 결과 140
• 9.2.1 불균형 전압보상의 시뮬레이션 구성 140
• 9.2.2 기존 병렬운전 제어 시뮬레이션 143
• 9.2.3 불균형 전압보상 병렬운전 제어 시뮬레이션 145
• 9.3 불균형 전압보상의 실험 및 결과 145
• Ⅹ. 결론 151

참고문헌 (Reference)

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20. 도시철도의 직류전력 공 급을 위한 사이리스터를 사용한 병렬 듀얼 컨버터의 순차적 모드 전환 제어 알고리즘에 대한 연구, 한성우, 김성안, 조윤현, 변기식, 대한전기학회, 전기학회 논문지, 제65권 제3 호, pp.511-519, , 2016