[논문]교류전기철도 전력품질 향상을 위한 직.병렬 보상장치 적용에 관한 연구

박수철; 송중호; 창상훈

doi:10.5207/jieie.2007.21.1.131

교류전기철도 전력품질 향상을 위한 직.병렬 보상장치 적용에 관한 연구
Application of Multi-Level Inverter for Improvement of Power Quality in AC 25[kV] Electrified Railway System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.21 no.1, 2007년, pp.131 - 141

박수철 (한국철도시설공단 전기기술단) , 송중호 (서울산업대학교 공과대학 전기공학과) , 창상훈 (서울산업대학교 철도전문대학원)

초록
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본 논문에서는 병렬 인버터를 통한 고조파 보상은 물론 직렬 인버터로 전압강하 보상 및 부하불평형 문제도 해결할 수 있는 보상설비에 대하여 특성을 분석하였다. 제안하는 설비의 구조와 제어방법을 제시하고, 제어방법의 효과를 검증하기 위하여 전기철도 급전시스템과 보상설비를 모델링하여 모의계산을 수행하여 그 결과를 제시하였으며, 본 논문에서는 기존의 급전선로 전압강하 보상시스템의 단점을 보완하기 위해 DC-Link를 공유하는 직렬과 병력형 인버터를 Scott 변압기 2차 측의 T상과 M상에 두어 다양한 보상 특성을 확인하였다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 급전선로의 전기차로 인해 발생하는 고조파전류를 병력인버터를 통해 제거하여 154[kV] 3상 모선으로의 유임을 차단하게 된다. 또한 모선의 선간단락, 일선지락 등의 사호로 발생되는 급전선로의 순간전압강하 혹은 순간전압상승 등을 보상하여 지속적인 전압공급을 가능하게 됨을 확인하였다. 더불어 철도의 기동 등으로 인한 순간적인 전압의 강하에 있어서도 직렬인버터를 통한 보상으로 인해 전압의 지속적인 유지를 확보할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 이러한 다양한 보상동작을 수행한 수 있는 제안된 시스템의 동작을 PSCAD/EMTDC를 통해 검증하였으며, 향후 시스템 제작에 따른 특성분석에 용이하게 적용될 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes analysis on new equipment for power quality in electric railway. The proposed equipment consists of series inverter and parallel inverter. Each inverter is connected by capacitor as dc link. This structure can be compensated for active and reactive power in catenary through transformer. We verified the proposed equipment using the PSCAD/EMTDC and the calculation results from the proposed approach are widely described in the paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DC-Link 전압을 일정하게 유지하기 위하여 본 연구에서는 PI제어기를 이용한 제어를 수행하였으며, PI제어기의 비례이득과 적분이득의 적절한 산정이 필요하다 할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 급전선로 전압강하 보상시스템의 단점을 보완하기 위해 DC-Link를 공유하는 직렬과 병렬형 인버터를 Scott 변압기 2차 측의 T상과 M상에 두어 다양한 보상 특성을 확인하였다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 급전선로의 전기차로 인해 발생하는 고조파전류를 병렬인버터를 통해 제거하여 154[kV] 3상 모선으로의 유입을 차단하게 된다.
본 논문에서는 병 렬 인버터를 통한 고조파 보상은 물론 직렬 인버터로 전압강하 보상 및 부하불평형문제도 해결할 수 있는 보상설비에 대하여 특성을 분석해 보고자 한다. 제안하는 설비의 구조와 제어 방법을 제시하고, 제어방법의 효과를 검증하기 위하여 전기철도 급전시스템과 보상설비를 모델링하여 모의계산을 수행하였다.
본 시뮬레 이션에서는 모선의 선간단락 사고에 따른 교류급전시스템의 순간전압강하에 대한 모의와 전철의 기동순간에 나타나는 급전선로의 전압강하에 대한 모의를 통한 제안된 시스템의 동작 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다.

제안 방법

전원모델은 실제 계통과 유사한 선로구현을 위해 3상 4선식 154[kV] 전원으로 구성하였으며, 선로에서 발생할 수 있는 전압외란 현상 중 순간 전압강하를 모의하기 위해 154[kV] 선로 양단에 저항을 두어 선간단락 사고를 발생시킬 수 있도록 모델링하였다. 또한 서로 90[이의 위상차를 갖는 M상과 T 상에 해당하는 전압을 생성하기 위해 154[kV] : 55[kV] 변압비를 가진 Scott 변압기를 두어 M상과 T상의 선로를 모델링하였다.
직렬인버터의 스위칭 주파수는 3, 060[Hz]로 하였다. 병렬인버터의 구성은 IGBT 스위칭 소자와 스위칭 LC필터, 10 :1의권수비를 가진 절연변압기로 구성하였으며, 스위칭주파수는 직 렬인버터와 동일한 3, 060[Hz]로 설정하였다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 급전선로의 전기차로 인해 발생하는 고조파전류를 병렬인버터를 통해 제거하여 154[kV] 3상 모선으로의 유입을 차단하게 된다. 또한 모선의 선간단락, 일선지락 등의 사고로 발생되는 급전선로의 순간전압강하 혹은 순간 전압상승 등을 보상하여 지속적인 전압공급을 가능하게 됨을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 전력품질 보상장치는 직렬보상 장치와 병렬보상장치가 혼합된 형태를 가지고 있으며, 그 개략적인 구조는 그림 1과 같다. 제안한 시스템은 스코트 변압기 2차측에 M상과 T상에 각각 설치된다.
본 논문에서는 제안하는 시스템의 동작과 성능을 분석하기 위해 계통해석에 유용한 프로그램인 PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided DesigrVElectro Magnetic Transients DC Analysis ProgramX 이용하여 전체 시스템 모델링 및 성능해석을 실시하였다. 그림 8은 PSCAD/EMTDC을 이용한 전체 시뮬레이션 모형을 나타낸 것이다.
본 시스템의 제어기에서는 M상의 경우 M상 전원 전압을 90[이위상 지연 필터를 거쳐 M상과 90[이를 이루는 하나의 전압을 생성하고 이를 마치 3상 전압을 Parks 변환을 통해 얻은 90[이차를 갖는 정지 좌표상의 전압으로 가상하여 위상각을 구하였다. 그림 3은 구해진 위상각을 보여준다.
맥동의 크기에 따라서 결정된다. 본 연구에서는 커패시터의 용량을 병렬인버터의 직류단 최대 전압맥동율을 고려하여 설계하였으며, 아래 식 (3)은 직류 측 커패시터에 나타나는 최대 과전압을 나타낸다.
비선형 부하로 대표할 수 있는 것이 다이오드 정류기 부하라 할 수 있는데, 이러한 형태의 부하는 급전선로에 고조파 전류를 흐르게 하여 전력품질을 저하시키는요인으로 작용하게 된다. 시뮬레이션에 사용된 부하 모델 구성에 있어서도 이러한 점을 고려하여 다이오드 정류기 형태의 유도성 부하를 구현하여 적용하였다.
이로 인해 전기차가 위치해 있는 급전선로는 순간 전압이 강하하는 것을 볼 수 있으며, 본 논문에서 제안한 시스템을 적용할 경우에 이러한 전압강하 현상을 보상하는 것을 알 수 있다. 전기차의 기동 순간을 모의하기 위해 다이오드 정류기로 모델링한 전기차의 부하용량을 30[%]정도 크게 설정하는 것으로 모의를 하였으며, T상과 M상의 부하변동은 동일하게 설정하였다. 그림 15 (a)와 (b)는 각각 T상과 M 상측의 전원·부하·직렬인버터 주입전압을 보여주고 있으며, 그림 15 (c)는 급전선로의 전원과 부하전압의 실효치를 보여준다.
전원모델은 실제 계통과 유사한 선로구현을 위해 3상 4선식 154[kV] 전원으로 구성하였으며, 선로에서 발생할 수 있는 전압외란 현상 중 순간 전압강하를 모의하기 위해 154[kV] 선로 양단에 저항을 두어 선간단락 사고를 발생시킬 수 있도록 모델링하였다. 또한 서로 90[이의 위상차를 갖는 M상과 T 상에 해당하는 전압을 생성하기 위해 154[kV] : 55[kV] 변압비를 가진 Scott 변압기를 두어 M상과 T상의 선로를 모델링하였다.
제안된 시스템의 직 렬인버터 구성은 IGBT 스위칭 소자와 스위칭 IQ필터, 3 : 1 권수비의 주입 변압기로 구성되어 있으며, 직렬인버터 구동을 위한 PWM 발생부가 포함되어 있다. 직렬인버터의 스위칭 주파수는 3, 060[Hz]로 하였다.
보고자 한다. 제안하는 설비의 구조와 제어 방법을 제시하고, 제어방법의 효과를 검증하기 위하여 전기철도 급전시스템과 보상설비를 모델링하여 모의계산을 수행하였다.
총 전철부하용량은 일반적으로 고려되고 있는 15[MVA]로 산정하였으며, 전기차의 기동순간 기동전류가 과도하게 흐름에 따라 선로의 전압강하 발생을 고려하기 위해 기동순간의 전철부하 저항값을 변화시킬 수 있도록 가변저항을 두어 모델링 하였다. 그림 10은 이러한 상태를 반영한 전철의 부하 모델을 보여 준다.

성능/효과

제거하는 파형을 보여준다. 0.2초인 순간에 병렬인버터는 스위칭 동작을 시작함과 동시에 14[kV]의 기준직류전압을 추종하고 있음을 볼 수 있으며, 제어블록을 통해 연산된 주입전류를 선로에 주입함으로 해서 전원 측의 전류가 거의 정현파에 가깝게 보상되고 있음을 확인할 수 있다. 이때 그림 13 (a)와 (b)는 각각 보상전과 후의 전류 파형을 보여주며, 그림 13 (c)와 (d)는 그에 따른 FFT 결과를 보여준다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 급전선로의 전기차로 인해 발생하는 고조파전류를 병렬인버터를 통해 제거하여 154[kV] 3상 모선으로의 유입을 차단하게 된다. 또한 모선의 선간단락, 일선지락 등의 사고로 발생되는 급전선로의 순간전압강하 혹은 순간 전압상승 등을 보상하여 지속적인 전압공급을 가능하게 됨을 확인하였다. 더불어 철도의 기동 등으로 인한 순간적인 전압의 강하에 있어서도 직렬인버터를 통한 보상으로 인해 전압의 지속적인 유지를 확보할 수 있다.
이때 그림 13 (a)와 (b)는 각각 보상전과 후의 전류 파형을 보여주며, 그림 13 (c)와 (d)는 그에 따른 FFT 결과를 보여준다. 보상동작 후 전원전류의 저차 기수 고조파가 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 그림 13 (e)는 보상관계를 명확하게 알아보기 위해 전원 전류와 부하전류, 인버터 주입전류를 같이 나타내었다.
그림 15 (a)와 (b)는 각각 T상과 M 상측의 전원·부하·직렬인버터 주입전압을 보여주고 있으며, 그림 15 (c)는 급전선로의 전원과 부하전압의 실효치를 보여준다. 실효치 결과를 통해 직렬인버터에서 부하 측으로 전압이 주입되고 있음을 확인할 수 있다. 그림 16 (a)와 (3는 T상의 전원 전류와 부하전류의 전철기동구간과 모선의 선간 단락 사고 시의 FFT변화율을 보여준다.
전기차의 기동시에 급전선로에서는 전기차측으로 상당한 양의 기동전류를 흐르게 한다. 이로 인해 전기차가 위치해 있는 급전선로는 순간 전압이 강하하는 것을 볼 수 있으며, 본 논문에서 제안한 시스템을 적용할 경우에 이러한 전압강하 현상을 보상하는 것을 알 수 있다. 전기차의 기동 순간을 모의하기 위해 다이오드 정류기로 모델링한 전기차의 부하용량을 30[%]정도 크게 설정하는 것으로 모의를 하였으며, T상과 M상의 부하변동은 동일하게 설정하였다.

후속연구

본 논문에서는 이러한 다양한 보상동작을 수행할 수 있는 제안된 시스템의 동작을 PSCAD/ EMTDC 를 통해 검증하였으며, 향후 시스템 제작에 따른 특성 분석에 용이하게 적용될 것으로 보인다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Fang Zheng Peng, Jih-Sheng Lai, 'Dynamic Performance and Control of a Static Var Generator Using Cascade Multi-level Inverters', IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 33, No. 3,May/June 1997, pp. 748-755

상세보기
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K. K. Sen, 'STATCOM-STATic synchronous compensator: Theory, modeling, and applications,' in Proc. IEEE-PES Winter Meeting, vol.2, 1998, pp. 1177-1183
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상세보기
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T.A.Kneschke, 'Control of Utility System Unbalance Caused by Single-Phase Electric Traction,' IEEE Transactions, vol. IA-21, no.6, 1985, pp. 1559-1570
R. E. Morrison, M. J. Barlow, 'Continuos over voltages on AC traction systems', IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No.5, May 1983, pp.1211-1217

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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