전기 철도계통은 기존 전력계통과 달리 단상, 대용량 부하로 필연적으로 전압강하, 전압불평형 및 고조파 왜곡 등의 전력품질의 문제가 발생한다. 이러한 문제점 중 상시전압강하는 전력품질의 가중 중요한 요소로서 SVC(StaticVar Compensator) 또는 STACOM(Static Compensator)를 설치하여 전압강하를 보상하는 연구가 수행되었다. 또한 순시전압강하는 고속으로 운전중인 철도차량의 제어 및 안전에 상당한 영향을 미칠것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 AT(Auto Transformer)급전계통에 적용되는 순간전압강하 보상장치에 관한 연구를 수행하였다. 순간전압강하에 의한 철도차량의 과도해석을 위해 전원, 철도급전변압기, AT, 철도선로 및 철도 차량부하를 모델링 하였다. 또한 순간전압강하 발생시 철도차량부하의 과도특성을 분석하였고 이를 보상하기위한 순간전압강하 보상장치 (DVR:Dynamic Voltage Restorer)를 제안하였다. 순간전압강하 보상 시뮬레이션 결과, 순간전압강하 보상장치의 철도급전계통의 적용은 상당히 유용함을 알수있었다.
전기 철도계통은 기존 전력계통과 달리 단상, 대용량 부하로 필연적으로 전압강하, 전압불평형 및 고조파 왜곡 등의 전력품질의 문제가 발생한다. 이러한 문제점 중 상시전압강하는 전력품질의 가중 중요한 요소로서 SVC(Static Var Compensator) 또는 STACOM(Static Compensator)를 설치하여 전압강하를 보상하는 연구가 수행되었다. 또한 순시전압강하는 고속으로 운전중인 철도차량의 제어 및 안전에 상당한 영향을 미칠것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 AT(Auto Transformer)급전계통에 적용되는 순간전압강하 보상장치에 관한 연구를 수행하였다. 순간전압강하에 의한 철도차량의 과도해석을 위해 전원, 철도급전변압기, AT, 철도선로 및 철도 차량부하를 모델링 하였다. 또한 순간전압강하 발생시 철도차량부하의 과도특성을 분석하였고 이를 보상하기위한 순간전압강하 보상장치 (DVR:Dynamic Voltage Restorer)를 제안하였다. 순간전압강하 보상 시뮬레이션 결과, 순간전압강하 보상장치의 철도급전계통의 적용은 상당히 유용함을 알수있었다.
The electric traction systems are quite differ from general power systems which is single-phase and heavy load. Therefore, there are inevitably power quality problems such as steady state or transient voltage drop, voltage imbalance and harmonic distortion. Among these problems, since steady-state v...
The electric traction systems are quite differ from general power systems which is single-phase and heavy load. Therefore, there are inevitably power quality problems such as steady state or transient voltage drop, voltage imbalance and harmonic distortion. Among these problems, since steady-state volatge drop is the one of most important factor in electric power quality, many researches about on the compensation of volatge drop by using SVC(Static Var Compensator) and/or STACOM(Static Compensator) have been studied and proposed Also, it is expected that transient voltage drop(voltage sag) could affect the control and safety of high speed traction load. In this paper, voltage sag compensation of AT(Auto Transformer) feeding system are studied The detailed transient models of utility source, scott transformer, AT, and traction load are estabilished. The application of DVR(Dynamic Voltage Restorer) in electric traction system is proposed to compensate the voltage sag of traction network which is occured by the fault of utility source. It can be shown that application of the DVR in electric traction system is very useful to compensate the volatge sag from the result of related simulation works.
The electric traction systems are quite differ from general power systems which is single-phase and heavy load. Therefore, there are inevitably power quality problems such as steady state or transient voltage drop, voltage imbalance and harmonic distortion. Among these problems, since steady-state volatge drop is the one of most important factor in electric power quality, many researches about on the compensation of volatge drop by using SVC(Static Var Compensator) and/or STACOM(Static Compensator) have been studied and proposed Also, it is expected that transient voltage drop(voltage sag) could affect the control and safety of high speed traction load. In this paper, voltage sag compensation of AT(Auto Transformer) feeding system are studied The detailed transient models of utility source, scott transformer, AT, and traction load are estabilished. The application of DVR(Dynamic Voltage Restorer) in electric traction system is proposed to compensate the voltage sag of traction network which is occured by the fault of utility source. It can be shown that application of the DVR in electric traction system is very useful to compensate the volatge sag from the result of related simulation works.
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문제 정의
[2-4], 이러한 문제점을 분석하고 해결하기 위해 철도급전계통의 전압강하 해석[2], 철도급전계통 등가 회로 및 파라미터 해석[2-4], 사고해석 및 보호협조[4-乩 전압불평형 평가{1], 전력품질 보상]9-16] 등의 여러가지 연구가 진행되어 왔다. 본 논문에서는 전기철도 급전시스템에 발생하는 순간전압강하를 보상에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 국내 교류전기철도 표준 급전방식인 AT (Auto Transformed급전시스템철도급전변압기인 스콧트 변압기, AT변압기, 철도선로 및 철도 차량부하를 모델링 하였다.
본 논문에서는 철도급전계통의 사고해석 및 순간 전압강하 보상장치 적용에 관한 연구를 수행하였으며 이를 요약하면 다음과 같다. 철도 급전계통의 과도해석을 위해 수립된 수학적 모델을 기본으로 하여 전자기 과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 철도 차량의 제어 및 안정성에 상당히 영향을 미칠 것으로 예상되는 전원계통 사고시 발생하는 순간 전압강하에 의한 철도차량 부하의 과도특성을 분석하였다.
가설 설정
순간사고는 1초에 3상지락사고가 발생하였다고 가정하였으며지속시간은 10 사이클(16.67[ms])로 하였다.
순간전압강하 보상은 철도차량부하가 ATI과 AT2 구간사이에서 운행하고 있을 때 전원 계통에 순간 사고가 발생할때 이때 발생하는 철도 급전선로의 전압강하를 보상하는 사례를 분석하였고, 이의 결과를 그림 16에서 부터 20에 나타내었다. 순간사고는 3상 단락 사고로 1초에 발생하여 지속시간은 10 사이클로 가정하였다.
사용하였다. 이때 철도차량은 ATI과 AT2의 중간지점인 6[km]에 운행중이라고 가정하였다. 그림 7에서 그림 12에는 순간전압강하시 전기 철도차량의 과도해석 시뮬레이션 결과를 나타내었다.
제안 방법
시뮬레이션 결과, 순간전압강하가 철도차량 부하의 제어 및 안전에 상당한 영향을 미치는 것으로 보인다. 또한 순간전압강하를 보상하기 위한 방안으로 급전선-전차선에 설치되는 순간 전압 강하 보상 기(DVR)를 제안하였으며 이의 모델링을 확립하였으며 이의 유효성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 시뮬레이션 결과 전원 계통사고시에 순간 전압강하 보상장치의 운전으로 철도차량부하의 과도특성이 안정적임을 알 수 있었다.
과도응답은 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를사용하여 해석하였다. 또한 순간전압강하를 보상하기위한 방안으로 급전선-전차선에 설치되는 순간전압강하 보상기 (DVR: Dynamic Voltage Restorer) 를 제안하였고 이의 성능 및 유효성을 시뮬레이션을통하여 확인하였다.
본 장에서는 전원계통의 순간사고시 발생흐}는 순간전압강하시 전기철도 차량부하의 과도응답 특성을 전자기과도해석프로그램인 PSCAD/EMTTDC를 사용하여 분석하였다. 또한 철도급전계통에서 발생하는 순간전압강하를 보상하는 철도계통용 순간전압강하 보상장치 (DVR)를 제안하였고 이의 유용성을 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/ EMTDC를 사용하여 분석, 입증하였다.
전원 계통의 사고시에 철도 급전변압기 2차측 즉 철도 선로에는 순간전압강하가 일어나며 이때 발생하는 철도급전계통의 순간전압강하는 달리고 있는 철도차량의 제어 및안전에 상당한 영향을 미칠것으로 예상되므로 이의정확한 해석은 상당히 중요하다. 본 장에서는 전원계통의 순간사고시 발생흐}는 순간전압강하시 전기철도 차량부하의 과도응답 특성을 전자기과도해석프로그램인 PSCAD/EMTTDC를 사용하여 분석하였다. 또한 철도급전계통에서 발생하는 순간전압강하를 보상하는 철도계통용 순간전압강하 보상장치 (DVR)를 제안하였고 이의 유용성을 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/ EMTDC를 사용하여 분석, 입증하였다.
본 절에서는 전원계통의 순간사고시 발생하는 순간전압강하시 전기철도 차량부하의 과도응답특성 및 영향을 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 분석하였다.
평가하였다. 순간전압강하 보상은 철도차량부하가 ATI과 AT2 구간사이에서 운행하고 있을 때 전원 계통에 순간 사고가 발생할때 이때 발생하는 철도 급전선로의 전압강하를 보상하는 사례를 분석하였고, 이의 결과를 그림 16에서 부터 20에 나타내었다. 순간사고는 3상 단락 사고로 1초에 발생하여 지속시간은 10 사이클로 가정하였다.
본 논문에서는 전기철도 급전시스템에 발생하는 순간전압강하를 보상에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 국내 교류전기철도 표준 급전방식인 AT (Auto Transformed급전시스템철도급전변압기인 스콧트 변압기, AT변압기, 철도선로 및 철도 차량부하를 모델링 하였다. 과도응답은 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를사용하여 해석하였다.
전기철도 차량의 단상 변압기, 정류기, 3상 인버터 및 삼상 유도전동기와 같은 구성요소를 기본으로 하여 이의 특성 및 과도 응답을 정확히 파악하기 위한 정확한 모델링을 실제 전기철도 차량의 파라미터를 바탕으로 검토 하였으며 PSCAD/EMTDC상에 구현된 모델을 그림 5에 나타내었다. 현재 전기철도 차량의 구성은 총 10개의 차량으로 구성되어 있으며 차량의 역할별로 TC, M, M', T차량으로 구분되어진다.
일반적으로 전압강하를 고려하여 스콧트 변압기의 2차측 전압은 55 (kV)로 한다. 전원 모델링은 3상전압원으로 모델링하였고 일반적인 국내 전력계통에서 배전 변전소에서 상위 계통을 등가한 임피던스를 무한 전원으로 축약하였으며 파라미터는 다음의표 1과 같다.
제어도를 보여준다. 제안된 순간전압강하 보상장치의 제어도를 보면, 부하에 공급되는 전원전압을 측정하여 기본파 성분만을 이용하여 이의 크기와위상을 구하여 기준전압으로 한다. 사고 판별기 (Fault dectector) 에서 사고를 판별하면 사고전의 전압(기준전압)에서 사고후의 전압을 빼서 그 차이만큼을 PWM의 사인 기준파로 보내어 보상한다.
제안한 순간전압 보상장치의 유효성을 입증하기 위해 순간전압강하 보상에 대한 성능을 평가하였다. 순간전압강하 보상은 철도차량부하가 ATI과 AT2 구간사이에서 운행하고 있을 때 전원 계통에 순간 사고가 발생할때 이때 발생하는 철도 급전선로의 전압강하를 보상하는 사례를 분석하였고, 이의 결과를 그림 16에서 부터 20에 나타내었다.
이를 요약하면 다음과 같다. 철도 급전계통의 과도해석을 위해 수립된 수학적 모델을 기본으로 하여 전자기 과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 철도 차량의 제어 및 안정성에 상당히 영향을 미칠 것으로 예상되는 전원계통 사고시 발생하는 순간 전압강하에 의한 철도차량 부하의 과도특성을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 순간전압강하가 철도차량 부하의 제어 및 안전에 상당한 영향을 미치는 것으로 보인다.
대상 데이터
TC차량은 전기철도의 앞, 뒤에 위치하고 제어를 당당하며, M 및 M'차량은 견인전동기가 4대씩 설치되어 총 5개의 차량이 편성되고, 특히 M'차량에는 수전변압기가 설치되어 있다. 차량의 편성은 TC-M-M, -T-T-M'-T-M- M-IC의 순으로_ 총 10개의 차량이 편성된다. 견인전동기가 설치되어 있는 M 및 차량의 구성 요소를 살펴보면다음과 같다.
철도계통의 모델 및 이의 파라미터는 3장에서 수립된 전원, 스콧트 변압기, AT 및 과도해석용 철도차량부하을 사용하였다. 이때 철도차량은 ATI과 AT2의 중간지점인 6[km]에 운행중이라고 가정하였다.
PSCAD/EMTDC상에서 구성된 직렬인버터의 구조는 다음의 그림 14와 같으며 이의 파라미터는 표 6에 나타내었다. 철도급전계통의 특성상 급전선과전차선 사이에 연결되는 단상으로 설계되었다. 직렬보상기기인 순간전압강하 보상장치는 그림 13과 같이 직렬주입변압기를 통해 계통에 연계된다.
모델을 그림 5에 나타내었다. 현재 전기철도 차량의 구성은 총 10개의 차량으로 구성되어 있으며 차량의 역할별로 TC, M, M', T차량으로 구분되어진다. TC차량은 전기철도의 앞, 뒤에 위치하고 제어를 당당하며, M 및 M'차량은 견인전동기가 4대씩 설치되어 총 5개의 차량이 편성되고, 특히 M'차량에는 수전변압기가 설치되어 있다.
데이터처리
이를 위해 국내 교류전기철도 표준 급전방식인 AT (Auto Transformed급전시스템철도급전변압기인 스콧트 변압기, AT변압기, 철도선로 및 철도 차량부하를 모델링 하였다. 과도응답은 전자기과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를사용하여 해석하였다. 또한 순간전압강하를 보상하기위한 방안으로 급전선-전차선에 설치되는 순간전압강하 보상기 (DVR: Dynamic Voltage Restorer) 를 제안하였고 이의 성능 및 유효성을 시뮬레이션을통하여 확인하였다.
성능/효과
또한 순간전압강하를 보상하기 위한 방안으로 급전선-전차선에 설치되는 순간 전압 강하 보상 기(DVR)를 제안하였으며 이의 모델링을 확립하였으며 이의 유효성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 시뮬레이션 결과 전원 계통사고시에 순간 전압강하 보상장치의 운전으로 철도차량부하의 과도특성이 안정적임을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 전원 계통의 사고로 인해 순간전압강하가 계통에 발생하고 이로 인해 전원측 전압은공칭전압의 30[%]까지 강하하지만 순간전압보상 장치의 동작으로 인해 철도급전변압기의 2차측 전압중순간전압강하 보상장치가 설치되어 있는 M상, T상의 전압이 사고전 전압으로 유지됨을 알 수 있다. 이때 순간전압강하 보상장치의 동작으로 인해 초기과도 상태시 노이즈가 생기는 것을 알 수 있었다.
철도 급전계통의 과도해석을 위해 수립된 수학적 모델을 기본으로 하여 전자기 과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 철도 차량의 제어 및 안정성에 상당히 영향을 미칠 것으로 예상되는 전원계통 사고시 발생하는 순간 전압강하에 의한 철도차량 부하의 과도특성을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 순간전압강하가 철도차량 부하의 제어 및 안전에 상당한 영향을 미치는 것으로 보인다. 또한 순간전압강하를 보상하기 위한 방안으로 급전선-전차선에 설치되는 순간 전압 강하 보상 기(DVR)를 제안하였으며 이의 모델링을 확립하였으며 이의 유효성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
시뮬레이션 결과를 보면, 순간 사고시 전원 전압의 순간전압강하로 인하여 철도 급전변압기의 M 상 및 T상 전압이 순간적으로 떨어짐을 알 수 있었다. 또한 철도차량부하의 동력원인 유도전동기에 공급되는 전압, 전류 파형이 왜곡되며 이로 인해 유도기에 공급되는 유효 및 무효전력이 감소하는 특성을 보이게 된다.
이때 순간전압강하 보상장치의 동작으로 인해 초기과도 상태시 노이즈가 생기는 것을 알 수 있었다. 유도기의 공급전압, 공급전류, 유효 및 무효전력은순간전압강하 보상장치의 동작으로 사고전과 동일하게 안정 적으로 동작함을 알 수 있었다 또한 유도기 속도변화는 아주 작아 철도차량의 운행 및 안전에 순간전압강하 장치의 순간전압강하 보상이 유용함을 알 수 있었다.
후속연구
본 논문의 철도차량 부하 모델링 및 순간전압강하보상의 사례연구 결과는 향후 추진될 국내 전기철도전력품질 기준연 구에 기초자료로서 상당히 유용할것이라 사료된다.
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