1. 서 론

분산동력식 고속철도차량의 추진시스템은 25kV, 60Hz의 교류 단상 전압을 입력받아 주변압기와 컨버터를 거쳐 수 kV의 직류 전압으로 변환하여, 인버터를 거쳐 전동기를 구동시킨다. 추진시스템은 차량 내부에 탑재되어야 하므로 크기와 중량에 제한이 따른다. 특히, 철도차량 부품은 승객들의 안전과 직결되므로 높은 신뢰성이 요구되며 이를 위해 다중화 및 고장허용제어 등을 적용하고 있다^[1].

모듈화된 전력변환 장치를 직렬 및 병렬로 연결해 반도체 변압기를 구성하면, 다수의 저전압 모듈로 고전압 대전력 변환이 가능하다^[1-4]. 또한, 수십 kHz의 고주파 구동을 통해 수십 Hz 대역의 낮은 주파수를 사용하는 전통적인 변압기에 비하여 부피 및 중량의 감소가 가능하다. AC 입력 측에 인버터를 사용하는 경우에는 무효전류 및 고조파 보상 등 제어 동작이 가능하며, 일부 모듈이 소손 등의 이유로 기능을 수행하지 못할 경우 바이패스 회로를 동작시켜 출력 등이 제한된 동작을 수행하는 고장허용제어 기능의 구현이 가능하다.

반도체 변압기의 성능 검증에 요구되는 시험 항목은 철도차량용 전력변환장치 성능시험 항목 중 구성품 시험에 해당한다^[5]. 인버터 및 추진 전동기가 포함된 추진시스템 조합시험은 교류 수전 설비와 발전기 및 인버터와 같이 기존 설비의 활용이 가능하나 반도체 변압기의 경우 다양한 설비들이 요구된다^[6].

다수 개의 모듈로 구성된 반도체 변압기의 개발을 위해서는 하위 구성품인 단일 모듈부터 시작하여 직병렬 모듈 조합 구성과 반도체 변압기 시스템까지 점진적으로 개발 및 검증이 필요하다. 이의 검증을 위해서는 단일 모듈을 시험하기 위한 수백 V의 저압부터 전체 시스템에 대한 최대 29kV 특고압까지 넓은 전압 범위뿐만 아니라 수백 kW부터 수 MW의 용량에 대한 부하 및 수전 설비가 요구된다.

본 논문은 고속철도차량 추진시스템에 적용하기 위한 반도체 변압기의 검증 방안과 이를 위한 시험설비 구축을 다룬다. 100kW 구성품 시험부터 최대 4.2MW의 반도체 변압기 시스템 시험을 위한 설비의 구성 방안을 제시한다.

2. 반도체 변압기

분산동력식 고속철도차량용 반도체 변압기는 차량의 주변압기와 컨버터를 대체하는 형태로 설계되었으며 이를 Fig. 1에 나타내었다. 기존 구성의 경우 주 변압기는 특고압 교류 전압을 수 kV의 교류 전압으로 감압시키고 컨버터를 통해 직류 전압으로 변환하는 구조를 가진다. 반도체 변압기는 특고압 교류 전압을 직접적으로 입력 받아서 직류 전압으로 변환하는 형태로 주 변압기와 컨버터의 기능을 수행한다.

Fig. 1. Comparison diagram between the existing system and the solid-state transformer system

2.1 반도체 변압기 시스템 구성

반도체 변압기 시스템은 14개의 모듈로 구성되고 모듈은 3개의 셀로 구성된다. 각 사양을 Table 1에 나타내었으며, 구성은 Fig. 2와 같이 각 모듈의 직병렬 결선 구조를 가진다. 입력 측은 모두 직렬로 구성되어 각 모듈에 고전압이 분배되고 출력 측은 모두 병렬로 구성되어 각 모듈의 전류가 더해지는 형태로 출력된다.

높은 입력 전압을 직접적으로 변환이 가능하여 감압을 위한 60Hz 주변압기를 사용하지 않고 가선 전압이 인버터로 직접적으로 입력되는 형태를 가지며, 인버터의 출력은 DC/DC 컨버터로 입력되는 시스템 구조를 가진다.

Fig. 2. System configuration of solid-state transformer

Table 1. Specifications according to the configuration

반도체 변압기 셀
입력 전압	600Vrms
출력 전압	1000Vdc
정격 용량	100kW
반도체 변압기 모듈
입력 전압	1,800Vrms
출력 전압	3000Vdc
정격 용량	300kW
구성	3 셀 직렬 구성
반도체 변압기 시스템
입력 전압	25kVrms (최대 29kVrms)
출력 전압	3,000Vdc
정격 용량	4.2MW
구성	14 모듈 직렬 구성

2.2 반도체 변압기 모듈

반도체 변압기 모듈은 Fig. 3과 같이 3개의 셀이 입출력 모두 직렬로 연결된 형태를 가지며 각 셀은 바이패스 회로, 인버터, 컨버터로 구성된다.

바이패스는 회로의 오동작이나 소손 등에 의해 정상 기능을 수행하지 못하는 경우 도통되며 고장허용제어 기능을 수행한다. 이 경우 다른 모듈들의 입력 전압과 출력 전류가 조금 증가하며, 일부 회로가 소손된 경우에도 철도 차량의 운전은 지속 가능하다.

AC/DC 인버터는 각 인버터가 교류 600V를 입력받으며, DC링크는 직류 1000V로 설계되었다. 모듈에는 3개의 인버터가 직렬로 연결되므로 교류 1800V입력 직류 3000V 사양을 갖는다.

AC/DC 인버터에서 출력된 직류 3000V는 DC/DC컨버터에 입력된다. 컨버터는 절연 및 양방향 전력 전달을 위해 Dual-Active-Bridge 토폴로지가 적용되었다.

Fig. 3. Structure of solid-state transformer module

4. 시험 방법

반도체 변압기의 시험은 100kW 용량의 단일 셀 시험부터 300kW 모듈 시험, 2 직렬부터 14 직렬 시험까지 순차적으로 용량을 증가시키며 검증할 계획이다.

모듈 시험의 경우 수백 kW 부터 MW 수준의 용량이 요구되므로 수전 설비나 부하의 효율성을 위해, 1 모듈 시험까지만 저항 부하 시험을 통해 검증하며, 2 모듈부터는 3,000V 직류 단을 공유하는 형태의 Back-to-back 시험을 시행할 계획을 수립하였으며 이를 Table 2에 나타내었다.

전술된 시험에 대한 구성을 Fig. 4-7에 나타내었다. 100kW급 셀의 경우 Fig. 4와 같이 6.6kV to 600V 변압기를 통해 전원을 받아, 필터 리액터와 CT, PT를 거쳐 셀과 연결된다. 부하는 1,000V, 100kW 저항 부하가 사용되어 정격 출력까지 시험이 가능하다.

Fig. 4. Test configuration of single cell

Fig. 5. Test configuration of 1-3 module

Fig. 6. Test configuration of multi-module under light load conditions

Fig. 7. Test configuration of solid-state transformer system

다음으로, 300kW급 모듈 시험은 Fig. 5와 같이 단상 가변 승압 변압기를 통해 1,800V 교류 전압을 인가받으며, 300kW 저항 부하를 사용하여 정격 출력까지 시험이 가능하다.

다중 모듈 시험은 Fig. 5과 같이 경부하 시험 및 검증된 모듈의 Back-to-back 구성을 통해 수행한다. 이 경우 입력 측 변압기의 경우 2 모듈 조건에서는 3,600V 결선을 사용하고, 3 모듈 조건에서는 5,400V 결선을 사용한다. 변압기와 부하 저항의 용량이 각각 450kVA와 300kW로 제한되므로 경부하 조건에서 확인 후 검증된 모듈들로 Back-to-back 회로를 구성하여 정격 시험을 수행한다.

이후 다중 모듈 시험의 경우 Fig. 6과 같이 10∼30kV 교류 전압의 생성이 가능한 멀티탭 변압기를 통해 입력 전압을 인가하며, 부하는 300kW 경부하 및 Back-to- back 구성을 사용한다.

시스템 시험의 경우, Fig. 7과 같이 경부하 조건에서 제어 동작의 확인 후 반도체 변압기 시스템 2세트의 Back-to-back 구성을 통해 검증할 계획이다.

4. 시험설비 구축 및 시험

전술된 시험 구성에 요구되는 시험 설비들은 Table 3에 나타내었다. 필터 리액터는 4.2MW급 시스템 정격 출력에도 사용할 수 있는 사양으로 설계되었으며 변압기는 최소화된 설비로 다양한 출력 전압의 생성이 가능하도록 멀티탭 구조의 변압기 2대를 사용한다.

멀티탭 변압기 1의 경우 단일 셀 시험부터 3 모듈 직렬 시험까지 사용할 수 있으며, 멀티탭 변압기 2의 경우 6 모듈 직렬 시험부터 시스템 구성 시험까지 입력 전원으로 대응할 수 있으므로 설비 종류를 최소화하여 경제적, 설비 공간 측면에서 효율적으로 구축하였다.

Fig. 8. Constructed test facility for single module of solid-state transformer

Fig. 9. Experimental waveforms of single module test under rated output condition (300kW)

구축된 설비를 이용하여 반도체 변압기 검증 시험을 진행하였다. Fig. 8은 구축된 시험 설비를 이용한 단일 모듈 시험 사진이며 모듈 뒤쪽으로 6.6kV 수전 설비와 멀티탭 변압기, 저항 부하가 위치한다. 모듈의 우측에는 초기 충전회로가 위치하고 앞쪽에는 제어기를 비롯한 모니터링 설비들이 위치한다. 실험은 300kW 정격 조건에서 수행되었으며 이의 파형을 Fig. 9에 나타내었다. 하단의 파형을 확대한 것이 상단 파형이며, 교류 형태의 두 파형은 입력 전압과 전류다. 입력 전압은 인버터 전압과 동일하므로 고조파 스위칭 전압이 함께 측정되었으며 전류 파형은 왜곡된 형태의 정현파로 측정되었다. 전류의 왜곡은 단일 모듈에서는 인버터 스위칭 주파수가 낮기 때문으로, 시스템 레벨에서는 인버터 스위칭 주파수가 14배로 증가하므로 왜곡은 없을 것으로 예상된다. 아래의 직류 파형은 출력 전압과 전류로 3kV, 100A 출력을 확인할 수 있다. 직류 리플 또한 시스템 레벨에서는 더욱 감소할 것으로 보인다.

5. 결 론

본 논문에서는 분산동력식 고속철도차량의 추진시스템 적용을 위한 반도체 변압기의 구성과 이의 검증 방안에 따른 설비 구축 방안을 제안하였다.

반도체 변압기는 다수 개의 모듈이 직병렬 구조를 갖는 구조를 가지며 시스템은 14개의 모듈로 구성되고 각 모듈은 3개의 셀로 구성된다. 구성품의 순차적인 검증을 위해 전력 변환이 가능한 최소 단위인 단일 셀 시험부터 14 모듈로 구성된 시스템 시험까지 구성에 따른 시험 방안을 수립하였다. 시험 방안에 따라 요구되는 시험 구성안을 도출하고 그에 따른 설비를 최소화한 형태로 구성하였다. 단일 모듈 검증 조건에서 실험을 통한 검증이 이뤄졌으며 300kW 정격 출력을 확인하였다.

본 시험 장비는 시험 사이트에 구축이 완료되어 반도체 변압기의 검증에 활용되고 있으며 추후 모듈 직렬 시험 및 대용량 시스템 시험에 활용할 계획이다.