[논문]4단자 회로망 모델을 이용한 전기철도 차량기지의 전압불평형 해석

창상훈; 오광해; 김정훈

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The traction power demand highly varies with time and train positions and the traction load is a large-capacity current at single phase converted from 3-phase power system. Subsequently, each phase current converted from 3-phase power system cannot be maintained in balance any longer and thus the tr...

The traction power demand highly varies with time and train positions and the traction load is a large-capacity current at single phase converted from 3-phase power system. Subsequently, each phase current converted from 3-phase power system cannot be maintained in balance any longer and thus the traction load can bring about imbalance in three-phase voltage. Therefore, the exact assessment of voltage unbalance must be carried out preferentially as well as load forecast at stages of designing and planning for electric railway system. The evaluation of unbalance voltage in areas, such as electric railway depots should be a prerequisite with more accuracy. The conventional researches on voltage unbalance have dealt with connection schemes of the transformers used in ac AT-fed electric railroads system and induced formulas to briefly evaluate voltage unbalance in the system(3). These formulas are still being used widely due to their easy applicabilities on voltage unbalance evaluation. Meanwhile, they don't take into account detailed characteristics of ac AT-fed electric railroads system, being founded on some assumptions. Accordingly. accuracy still remains in question. This paper proposes a new method to more effectively estimate voltage unbalance index. In this method, numerous diverted circuits in electric railway depots are categorized in three components and each component is defined as a two-port network model. The equivalent circuit for the entire power supply system is also described into a two-port network model by making parallel and/or series connections of these components. Efficiency and accuracy in voltage unbalance calculation as well can be promoted by simplifying the circuits into two-port network models.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 철도부하에 의한 전압불평형을 보다 정밀하게 평가하기 위해 새로운 불평형지수 산정기법을 제안 하였다. 제안한 방법에서는 철도차량기지의 수많은 분기회로의 각 회로요소를 4단자 둥가회로망 모델로 정의하고 이들을 직병렬 결합함으로써 전체급전시스템에 대한 둥가회로를 4단 자 둥가회로망 모델로 표현하였다.
따라서 본 연구에서는 철도부하에 의한 전압불평형을 보다 정밀하게 평가하기 위한 블평형지수 산정기법을 개발하였다. 특히, 철도차량기지의 수많은 분기회로의 각 회로요소를 4단자 등가회로망 모델로 정의하고 이들을 직병렬 결합함으로써 전체급전시스템에 대한 둥가회로를 간단히 모델링하고 효과적으로 계산할 수 있도록 하였다.
특히 철도차량기지와 같이 차량부하가 한쪽 방면에 밀집되어 부하의 불평형의 가능성이 큰 개소에서는 보다 정밀하게 검토되어야 할 중요한 과제라 할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 철도차량기지에서의 전압불평형 문제에 주안점을 두어 그 발생 원인을 규명하고 이를 정밀하게 평가하기 위한 방법을 다 룬다.
차량기지에 대한 블평형보상설비의 설치필요 유무를 결정하기 위하여, 차량의 운행상태에 따른 전압 불평형을을 평가한 결과를 표. 2에 보인다.

가설 설정

전원계통과 전차선로에 대한 4단자 회로정수는 일정한 상수로 표현된다. 그러나 차량의 정전력부하에 대한 둥 가임피던스는 차량전압에 의존하므로 초기에는 차량전압을 정격전압인 27.5kV로 가정하여 4단자회로정수를 구한다.
철도차량부하에 기인된 전압블평형을 평가하기 위한 방법으로는 Chen [3]에 의해 유도된 평가식이 가장 널리 이용되어 왔다. 이 방법에서는 전기철도에서의 전압불평형 평가식 유도를 단순화 하기 위해서, 전철용 스코트 변압기와 급전회로는 이상적이라고 가정하였다. 이러한 가정에 의해, 변압기 와 급전선로에서 전압강하와 손실은 일어나지 않기 때문에 변전소에서의 철도부하와 변압기는 둥가부하로써 간단히 표현되고, 변압기의 일차측인 인출점( PCC ; Point of Common Coupling)에 철도부하에 기인된 전압불평형 평가식이 도출되었다.

제안 방법

3) 제안한 알고리즘을 이용하여 구한 전압불평형률 계산결과를 종래의 근사방법과 비교함으로써 두 방법의 계산 결과상의 차이와 이유를 조사하였다.
4) 차량기지에 대하여 전압불평형 당면가능성을 평가하여 대책설비 필요성 유무를 결정하였다.
본 연구에서 제안한 전기철도 전압불평형 평가방법의 계산 특성과 실계통에의 활용가능성을 검증하기 위해 실계통(경부 고속철도 서울차량기지)에 대하여 사례연구를 실시하여 그 결과를 다각적으로 검토분석 하였다.
따라서 본 논문에서는 철도부하에 의한 전압불평형을 보다 정밀하게 평가하기 위해 새로운 불평형지수 산정기법을 제안 하였다. 제안한 방법에서는 철도차량기지의 수많은 분기회로의 각 회로요소를 4단자 둥가회로망 모델로 정의하고 이들을 직병렬 결합함으로써 전체급전시스템에 대한 둥가회로를 4단 자 둥가회로망 모델로 표현하였다. 결국 전압불평형률 산정을 위한 회로해석은 간단한 4단자망 해석문제로 단순화되어 계산의 정밀성을 유지하면서 동시에 계산의 효율성을 도모할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 철도부하에 의한 전압불평형을 보다 정밀하게 평가하기 위한 블평형지수 산정기법을 개발하였다. 특히, 철도차량기지의 수많은 분기회로의 각 회로요소를 4단자 등가회로망 모델로 정의하고 이들을 직병렬 결합함으로써 전체급전시스템에 대한 둥가회로를 간단히 모델링하고 효과적으로 계산할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

첫 번째 구간은 차량기지내로의 출입을 위한 복선의 진입선이고, 두 번째 구간은 유치선과 착발선이 있는 22개의 선로이며, 세 번째 구간은 청소선과 검수고로 향하는 2개의 선로로 구성되어 있다.

데이터처리

제안한 알고리즘의 유용성을 검증하기 위해 실제 전철 급전 시스템의 차량기지에 대하여 사례연구를 실시하여 그 결과를 다각적으로 검토분석 하였다.

이론/모형

의 둥가회로에서 스코트변압기의 전압 . 전류관계식을 이용하여 회로해석을 수행한다. 먼저, 스코트변압기의 전 압 및 전류관계식⑵을 이용, 1차측 두 폐회로에 대해 KVL을 적용하면 회로방정식을 구할 수 있고, 회로방정식으로부터 급 전측 전류 It, Im는 식(29)로 계산된다.

성능/효과

1) 철도차량기지의 수많은 분기회로의 각 회로요소를 4단 자 둥가회로망 모델로 정의하고 이들을 지병렬 결합함 으로써 전압불평형률 산정을 위한 회로해석을 간단한 4 단자망 해석문제로 단순화시켜 계산의 정밀성을 유지하면서 동시에 계산의 효율성을 도모할 수 있다.
2) 회로해석기법을 이용하여 불평형율을 산정하므로써 기존의 방법에서는 고려할 수 없었던 계통 파라미터를 충분히 고려하여 불평형율을 선정할 수 있었다.
5) 전원계통 임피던스와 전압불평형과의 상관성을 밝혀, 차량기지에 전력을 급전할 수 있는 한전후보모선을 선정하는데 제안한 알고리즘을 활용할 수 있음을 입중하였다.
2에 보인다. 계산결과 견인부하 역률이 0.45, 보조부하역률이 0.59인 경우에 전압불평형률이 0.0798%로 가장 크게 나타났으나, 한국전력에서 규정한 전압불평형 10분 평균 1% 이내에 있으므로 전압블평형 문제는 발생하지 않는 것으로 판단된다.
그림에서 제안한 알고리즘을 이용하여 구한 전압불평형률 계산결과는 종래의 근사방법에 비해 8% 크게 계산되었다. 이러한 계산결과의 차이는
한편, 제안한 방법의 정확성을 검중하기 위해 기존선 군포 전철변전소의 3상 수전측에서의 실측한 결과, 전압불평형률은 10분평균 0.1889%로 측정되었고 이는 예측계산값 0.1802%와 거의 일치하는 값이다. 이는 제안한 방법의 정밀성을 입증하 는 예라 할 수 있다.

참고문헌 (4)

Minoru Obe, Masaaki Ono and Tadao shibuya, 'Voltage Compensation and 3-Phase Balancer for Efficient Operation of Electric Trance', MEIDEN REVIEW series No. 105, 1995, No. 3, pp. 20-28
Cha, Jun-Min, Chang, Sang-Hoon, Oh, Kwang-Hae, 'Assessment of Autotransformer-Fed Electric Traction Systems Using Thevenin's Equivalent Circuit', The International Conference on Electrical Engineering, JULY 21-24, 1998
Tsai-Hsiang Chen, 'Criteria to Estimate the Voltage Unbalances due to High-Speed Railway Demands', IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 9, No. 3, August, 1994

상세보기
Ronald John Hill and Ibrahim H. Cevik, 'On-Line Simulation of Voltage Regulation in Auto-transformer-Fed AC Electric Railroad Traction Networks', IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 42, No. 3, August 1993

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