윤치명
(Chi-Myeong Yun)
1iD
민명환
(Myung-Hwan Min)
†iD
-
(Dept. of Transportation Engineering, Korea University of Science and Technology, Korea)
-
(ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd., Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
DC traction system, Energy efficiency, Regenerative energy, Field study, Voltage control
1. Introduction
전세계적인 탄소 저감을 위한 노력의 일환으로 철도교통 분야에서는 에너지 효율 향상을 위한 연구를 진행하고 있다. 이 중 직류 도시철도의 급전시스템은
역 간 거리가 짧고 차량의 역행과 제동이 빈번하기 때문에 대표적인 에너지 절약 연구 주제로 활용된다[1-4].
그러나 철도 운송 부문의 에너지 비용이 상승함에 따라 인프라 에너지 효율 향상에 대한 수요가 증가하고 있다[5]. 9개 철도 운영기관의 전력 소비량은 2018년 대비 2023년 약 3.9% 감소했지만(2018년 5,696GWh, 2023년 5,473GWh)
실제 전기 비용은 34.9% 증가했다 (2018년 7,658억 원, 2023년 1조 331억 원) [6].
따라서, 에너지 효율 향상을 위해 다양한 방식으로 급전 전압을 제어하는 여러 가지 방법이 연구되고 있다. 한 가지 방법으로는 양방향 컨버터[7]를 사용하여 전압을 조정하는 방법이 있다. 전압 안정화 측면에서 높은 안정성을 보이지만, 직렬 전압을 하나의 정전압으로 유지하는 특성으로 인해 변전소
간 회생 에너지 분배가 제대로 이루어지지 않을 가능성이 있다[8].
다른 방법으로는 가변 인덕터를 이용해 변전소 출력 전압을 제어하는 방법이 있다. 변압기와 다이오드 정류기 사이에 가변 인덕터를 설치하여 출력 전압을
제어할 수 있다. 하지만, 본 방식의 경우 물리적인 설치 공간이 필요하며, 아울러 전압이 높아진 경우에만 활용이 가능하여 사용이 제한적이다[9].
따라서, 본 논문에서는 Electronic On-Load Tap Changer(OLTC)와 같은 능동제어가 가능한 소자를 급전계통에 적용하기전 변전소
출력 전압에 따른 에너지 효율 변화를 분석하였다. 전압을 올렸을 때와 전압을 낮추었을 때 두 가지 상황을 상정하여 각 상황별 에너지 효율 향상을 모의하였다.
2개의 철도 운영기관에서 현장계측 시험을 통한 결과와 전력해석 프로그램인 PSCAD(Power System Computer Aided Design)/EMTDC(Electromagnetic
Transients including DC)를 이용한 결과를 비교하여 전압 변화에 따른 에너지 효율 향상을 입증하였다.
2. 본 론
2.1 Advantage of Increasing the Voltage
다수의 차량이 가속을 하고 있는 경우, 병렬 급전방식으로 공급되는 직류 급전계통의 전압은 한시적으로 낮아지게 된다. 옴의 법칙에 의해 전압이 낮아지는
경우 전력 손실 측면에서 전류가 높아지므로 에너지 효율에 악영향을 미칠 수 있다.
직류 급전계통을 등가회로로 이용해 전압 상승에 따른 선로와 변전소 자체 손실 변화를 분석할 수 있다. 2개의 변전소 사이 차량 한 대가 있는 상황에서의
등가 회로는 그림 1과 같이 표현된다[10].
그림 1. 직류 급전계통 등가회로도
Fig. 1. Typical DC traction system equivalent circuit
여기서, 차량의 부하 $P_{t}$는 일정하다고 가정하고 각 변전소의 전원저항 $R_{s}$과 선로저항 $R_{l}$을 하나의 컨덕턴스로 나타내었다.
노드 방정식을 이용하여 각 변전소에서 공급되는 전류는 식 (1), (2)와 같다.
각 차량의 전류값과 전압을 이용해 차량의 식 (3)과 같이 소비 전력은 변전소의 전류 합과 차량 전압의 곱에 의해 결정된다.
각 변전소의 전류 식 (1)과 (2)를 식 (3)에 대입하여 정리하면 식 (4)가 도출된다. 식 (4)를 이용하여 A 변전소에서 소비되는 전력으로 정리하면 식 (5)가 된다.
변전소의 전압을 변경하게 되면 변전소 내부 저항 값에도 영향을 주게된다. 변화하는 변전소 내부 저항은 식 (6)으로 표현된다[11].
여기서, V는 직류 전압, P는 정격 용량(MVA) 그리고, %Z는 단위 길이당 %Z로 변전소, 수전선로 그리고 정류기용 변압기의 %Z의 합을 나타낸다.
전차선과 레일의 저항은 변화가 없다고 가정하고 발생되는 손실의 합은 그림 2와 같이 전압이 향상됨에 따라 줄어들게 된다.
그림 2. 직류 전압 변동에 따른 변전소 손실 변화
Fig. 2. Changes in total substation losses due to variations in DC voltage
2.2 Advantage of Decreasing the Voltage
계통 내 제동하는 차량의 수가 많아 회생 전력량이 많아지게 되면 계통 전압이 올라가게 되며 시의적절하게 소비되어야 한다. 하지만, 그렇지 못할 경우
가선의 전압이 상승되어 과전압을 야기한다.
도시철도에서 활용되는 차량들은 계통 과전압을 방지하기 위해 차량 내부에 저항기가 설치되어 있다. 회생 에너지가 발생하고 전차선 전압이 문턱 전압을
넘을 때 저항기가 동작하여 Joule 열로 회생에너지를 소비한다. 하지만, 열로 소비되는 회생 에너지는 에너지 활용 측면에서는 경제적이지 않아 활용
방안이 필요하다.
병렬급전 방식으로 전력 공급이 되는 직류 급전계통 특성상 계통 전압이 계통 내에선 변전소들간 같은 크기로 인가된다. 단, 제동하거나 회생전력을 공급하는
차량의 위치에서는 전압의 크기가 변전소들과 달라지게 된다[9].
발생되는 전압의 차이를 이용해서 회생 에너지 활용을 극대화 할 수 있다. 회생 에너지가 발생될 동안 일시적으로 변압기 탭을 바꾸어 변전소의 전압을
낮추게 되면 회생에너지가 발생하는 차량 위치에서의 전압보다 훨씬 낮아지게 된다. 저항기로 낭비될 회생 에너지가 가선으로 전달되어 추가적인 에너지를
활용할 수 있게 된다.
그림 3(b)처럼 차량이 생성하는 회생 에너지가 증가하면 결국 회생 에너지 활용설비의 에너지 활용량이 더욱 많아지게 된다. 궁극적으로 계통의 에너지 효율이 향상되는
결과가 도출된다.
그림 3. 차량 상태에 따른 직류 급전계통의 전압 및 전력 변화 (a) 종래 급전계통 (b) 전압 변경 후
Fig. 3. Voltage and power variation according to vehicle status in DC traction system
(a) conventional system (b) after voltage control
이처럼 전압을 상황에 따라 시의적절하게 높이거나 낮추어 에너지 효율을 높일 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 전압 변화에 따른 효과를 분석하고자 한다.
3. 시뮬레이션 및 현장시험 결과
본 논문에서 제안하는 전압 변화에 따른 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 전력해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 실제 운영중인 국내 도시철도
노선 2개를 모델링하여 모의하였다. 아울러, 시뮬레이션 결과의 진위성을 검증하기 위해 실제 운영 노선에서 현장시험을 통해 결과를 요약하였다.
3.1 전압 증가 시나리오
전압을 높여 선로에서 발생되는 손실에 대한 변화를 분석하였다. 해당 시나리오는 국내 도시철도 운영사인 G 도시철도를 모델링 및 현장시험을 수행하였다.
특정 구간을 가속한 후 완전히 제동한 후 변압기의 고정 탭을 바꾸어 동일한 노선을 똑같은 상정 조건으로 운행하였다.
그림 4. 변압기 탭 조정에 따른 PSCAD/EMTDC 전력 손실 변화
Fig. 4. Change in power loss before/after tap change using PSCAD/EMTDC
시뮬레이션은 무부하 전압이 DC 1620V와 DC 1700V 각각의 전압 상태에서 차량으로 인해 발생되는 손실의 변화를 비교하였다. 전압 변경으로
인한 변화를 모의하기 위한 실험이므로 차량기지 변전소에서 2km 떨어진 지점에서 차량 이동을 시작하여 정상 운전 탭에서 2회 측정하였고, 100ms
단위로 데이터를 수집하고 저장하였다. 전차선의 저항은 0.0117 ohm/km, 레일 저항은 0.01479 ohm/km로 설정하였다.
전력 시뮬레이션 결과 정상상태 탭(DC 1620 V)에서의 전력 손실의 합은 약 8.59 kWh가 소비되었고 전압을 올린 탭(DC 1700 V)에서의
손실 합은 약 7.68 kWh로 약 10.52%의 손실이 감소되었다.
현장시험은 테스트 차량의 TCMS-VVVF 인버터 간 통신 라인을 분기하여 측정장치를 사용하여 데이터를 수집하였다. USB 및 이더넷 통신 포트를
통해 PC에 저장하였고 해당 데이터를 취합하여 분석하였다.
그 결과, 첫 번째 시험에서는 탭 변경 전 전력 손실이 11.366 kWh였고, 변경 후에는 10.806 kWh로 선로 손실이 7.434% 감소했다.
두 번째 시험에서는 변경 전 소비가 8.077 kWh였고, 변경 후에는 7.477 kWh로, 선 손실이 4.928% 감소했다.
그림 5. 철도차량 현장시험 데이터 취득 방법
Fig. 5. Acquiring field-test data from the train
표 1 전압 증가 시나리오 시뮬레이션 및 현장시험 결과 비교 분석
Table 1 Comparison of simulation and field test results for increasing the voltage
scenario
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Simulation Results
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Field Test Results
|
|
Before(kWh)
|
8.59
|
11.37
|
|
After(kWh)
|
7.69
|
10.81
|
|
Change Rate(%)
|
10.52
|
7.43
|
3.2 전압 감소 시나리오
해당 시나리오는 다른 국내 도시철도 운영사인 I 교통공사에서 진행했으며, 2019년 1차측 탭 전압을 23,500 V에서 24,000 V로 높여 직류
2차측 무부하 전압을 감소 시켰다. 아울러, 회생 에너지 활용설비의 동작 개시전압도 865 V에서 850 V로 조정하였다. 현장시험 전 시뮬레이션
분석을 위해 표 2의 파라미터를 활용하였다.
표 2 전압 감소 시나리오 시률레이션 파라미터
Table 2 Simulation parameters of decreasing the voltage scenario
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Simulation parameters
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Values
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Vehicle resistor threshold voltage [V]
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865
|
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REUF threshold voltage [V]
|
850
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Resistor and REUF stopping voltage [V]
|
820
|
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Power supply side resistance[mW]
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1.841
|
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Rectifier resistance[mW]
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13.5
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Catenary resistance per unit length[mW/km]
|
6.8
|
|
Rail resistance per unit length[mW/km]
|
7.65
|
|
Vehicle resistor Capacity[kW]
|
400
|
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REUF Capacity[kW]
|
1,000
|
그림 6. 회생 에너지 활용설비와 저항기 전력 사용량 변화 시뮬레이션 결과
Fig. 6. Simulation results of vehicle and regenerative energy utilization facilities
power change for decreasing the voltage
시뮬레이션 결과 회생에너지 활용량은 변경 전 213,087kWh, 변경 후 245,811 kWh로 약 15.36%가 증가하였고, 차량에서 저항기에
의해 열로 소비되던 회생 에너지는 약 28.96%가 감소되었다.
현장시험은 탭이 변경되기 전 2018년 데이터와 탭 변경 후 2022년 데이터를 비교 분석하였다. NI사의 NI 9223 및 NI 9229 DAQ를
이용하여 정류기의 출력 전압은 메인 HSCB 패널의 전압계에 연결하여 측정 하였고, 변전소의 각 피더별 전류는 피더 HSCB 패널 전류계에 연결하여
측정하였다. 실제 현장시험 사진은 그림 7과 같다.
2년간의 변화를 관찰한 결과 변경 전 약 248,385 kWh, 변경 후 284,207kWh의 회생에너지 활용설비의 전력 사용량이 변화하였고 약 14.42%의
변화가 도출되었다. 요약된 시뮬레이션과 현장시험 결과는 표 3과 같다. 시뮬레이션 결과와 현장시험 측정 결과의 데이터는 약 14%의 차이가 발생하는데, 현장 측정시 발생되는 측정 장비들의 오차와 시뮬레이션은
PSCAD의 Electromagnetic Transients 해석 특성상 발생되는 오차에 기인한다.
그림 7. ‘I’도시철도 운영사 변전소 현장시험 사진
Fig. 7. Field test footage of railway operator ‘I’ for decreasing the voltage scenario
표 3 전압 감소 시나리오 시뮬레이션 및 현장시험 결과 비교 분석
Table 3 Comparison of simulation and field test results for decreasing the voltage
scenario
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Simulation Results
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Field Test Results
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Before(kWh)
|
213,087
|
248,385
|
|
After(kWh)
|
245,811
|
284,207
|
|
Change Rate(%)
|
15.35
|
14.42
|
4. Conclusion
본 논문에서는 에너지 효율 향상을 위해 직류 전기철도 급전계통의 능동제어를 도입하기에 앞서 변전소 출력 전압을 변경하였을 때 나타나는 이점에 대해
소개하였다. 기존 변압기 탭을 높이거나 낮추어 고정된 무부하 전압 값을 조절하여 나타나는 변화를 전력 해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC로 모의한
결과, 전압을 증가시킨 시나리오에서는 약 10.52%의 전력 손실이 줄어드는 시뮬레이션 결과가 도출되었다. 전압을 낮춘 시나리오에서는 약 15.35%의
회생에너지 활용이 증가했다. 2개의 도시철도 운영사에서 현장시험을 통해 시뮬레이션 결과의 진위성을 입증하였다.
Acknowledgements
This work is supported by the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology
grant funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy(Grant RS-2023-00231152).
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Syst. Aircr., Railway, Ship Propuls. Road Vehicles Int. Transp. Electrific. Conf.
(ESARS-ITEC), pp. 1–6, Nov. 2018.
저자소개
He received a B.S. degrees in 2019, from the College of Electric and Electrical Enginnering,
Seoul, Hongik University. He reveived a M.S. degree from the College of Electrical
and Computer Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, South Korea. At present,
he is enrolled in the doctor’s program in the Department of Transportation Engineering,
Korea University of Science and Technology, Republic of Korea. His research interests
include traction system planning and load flow analysis based on load forecasting.
He received MS degree in electric engineering from Sungkyunkwan University. He is
currently a senior research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd. His
research interests are power quality and protection for power system and grid forming
inverter