직류철도의 회생제동 시 발생되는 회생에너지는 급전선로의 직류가선전압의 상승에 의해 시스템의 오동작이나 차량 정류기의 파손, 또는 급전 시스템의 전력변환 장치의 고장을 일으키는 원인이 될 수 있다. 슈퍼 커패시터를 이용한 회생에너지 저장장치는 직류가선전압을 안정화 하게하는 방법이다. 본 논문에서는 슈퍼 커패시터뱅크를 이용하여 직류철도 시스템의 에너지 저장장치를 구현하였고, 지하철 2호선 N역과 S역의 실측값을 이용하여 가선전압이 전동차에 의한 회생에너지 발생에 따른 동작 특성과 슈퍼 커패시터의 충 방전 특성을 확인하였다. 본 논문을 통하여 직류철도 시스템에 설치된 회생에너지 저장시스템용 슈퍼 커패시터 뱅크의 동작 특성을 알 수 있고, 향 후 직류철도 모든 변전소의 직류 가선전압 실측 데이터를 이용한다면, 특정 직류철도 운행 구간에 대한 회생에너지 저장장치의 운전특성과 슈퍼커패시터의 용량 및 수명 예측으로 가격을 절감 할 수 있고 전체 시스템의 안정도 와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
직류철도의 회생제동 시 발생되는 회생에너지는 급전선로의 직류가선전압의 상승에 의해 시스템의 오동작이나 차량 정류기의 파손, 또는 급전 시스템의 전력변환 장치의 고장을 일으키는 원인이 될 수 있다. 슈퍼 커패시터를 이용한 회생에너지 저장장치는 직류가선전압을 안정화 하게하는 방법이다. 본 논문에서는 슈퍼 커패시터 뱅크를 이용하여 직류철도 시스템의 에너지 저장장치를 구현하였고, 지하철 2호선 N역과 S역의 실측값을 이용하여 가선전압이 전동차에 의한 회생에너지 발생에 따른 동작 특성과 슈퍼 커패시터의 충 방전 특성을 확인하였다. 본 논문을 통하여 직류철도 시스템에 설치된 회생에너지 저장시스템용 슈퍼 커패시터 뱅크의 동작 특성을 알 수 있고, 향 후 직류철도 모든 변전소의 직류 가선전압 실측 데이터를 이용한다면, 특정 직류철도 운행 구간에 대한 회생에너지 저장장치의 운전특성과 슈퍼커패시터의 용량 및 수명 예측으로 가격을 절감 할 수 있고 전체 시스템의 안정도 와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Regenerative energy generated by regenerative braking of DC traction can cause the system malfunction or damage to the rectifier, or malfunction of the power conversion device in power supply system by DC Line voltage rise in feeder line. Regenerative energy storage system using super capacitor is o...
Regenerative energy generated by regenerative braking of DC traction can cause the system malfunction or damage to the rectifier, or malfunction of the power conversion device in power supply system by DC Line voltage rise in feeder line. Regenerative energy storage system using super capacitor is one of the ways to stabilize DC line voltage. In this paper, energy storage system of DC traction system using super-capacitor bank is implemented and using the field measurement data of the station N and the station S on the Line 2, the operation characteristics of line voltage caused by regenerative energy of electric trains are verified. Also, charge/discharge characteristics of super capacitor are verified as well. Thus, we can verify the operation characteristics of super-capacitor bank for regenerative energy storage system installed in DC Traction. And if we can use field measurement data of DC line voltage, we have obtained cost reduction. The stabilization of the system will be improved by measuring the operation characteristics of regenerative energy storage system in certain section operated by DC traction and predicting the capacity and lifetime of super-capacitor.
Regenerative energy generated by regenerative braking of DC traction can cause the system malfunction or damage to the rectifier, or malfunction of the power conversion device in power supply system by DC Line voltage rise in feeder line. Regenerative energy storage system using super capacitor is one of the ways to stabilize DC line voltage. In this paper, energy storage system of DC traction system using super-capacitor bank is implemented and using the field measurement data of the station N and the station S on the Line 2, the operation characteristics of line voltage caused by regenerative energy of electric trains are verified. Also, charge/discharge characteristics of super capacitor are verified as well. Thus, we can verify the operation characteristics of super-capacitor bank for regenerative energy storage system installed in DC Traction. And if we can use field measurement data of DC line voltage, we have obtained cost reduction. The stabilization of the system will be improved by measuring the operation characteristics of regenerative energy storage system in certain section operated by DC traction and predicting the capacity and lifetime of super-capacitor.
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문제 정의
본 논문에서는 슈퍼 커패시터를 이용한 직류철도 회생 에너지 저장장치를 제안하여 각 설치개소마다 다르게 나타나는 직류가선전압에 따라 변화하는 동작 특성 및 슈퍼 커패시터 충 . 방전 특성을 모의하고 에너지 저장장치의 충 .
본 논문은 직류철도 구간에 따라 다르게 나타나는 직류가 선전압을 모의하기 위하여 실제 직류철도 변전소의 가선전압 데이터를 이용하여 직류가선전압 모의장치를 제안 하였다. 또한 이를 슈퍼 커패시터 뱅크를 활용한 직류철도 회생에너지 저장장치 구현을 통해 실제 직류철도 변전소의 데이터를 사용하여 슈퍼 커패시터의 충 .
제안 방법
가선전압 모의 장치를 회생에너지저장 장치에 연계하여 충 ■ 방전 제어를 수행하였다
그림6의 양방향 DC/DC 컨버터는 비절연형 하프브릿지 형이며, 가선전압이 상승하면 벅 (Buck)동작으로 되며, 슈퍼 커패시터에 에너지를 저장한다. 가선전압 하강 시에는 부스트(Rost)동작을 통해 가선전압을 안정화 시켜주도록 설계하였다.
하강하는 경우를 나타낸다. 가선전압의 하강 구간을 모의하기 위하여 3상 PWM 컨버터는 스위칭 동작을 통하여 DC link에 축적된 에너지를 실제 가선 전압의 하강 값에 따라 전원 측으로 돌려보내면 실제와 같은 하강 구간의 가선전압을 모의한다.
제안 하였다. 또한 이를 슈퍼 커패시터 뱅크를 활용한 직류철도 회생에너지 저장장치 구현을 통해 실제 직류철도 변전소의 데이터를 사용하여 슈퍼 커패시터의 충 . 방전 특성을 분석하였다.
제어하였다. 또한 직류가선전압 모의장치 구동 시 단위 역률을 유지하기 위한 d축 전류와 가변 직류 가선 전압을 제어하기 위한 q축 전류제어를 위해 PI 전류제어기를 사용하였다.(2) 그림 5는 본 논문에서 제안한 직류 가선전압 모의 장치의 제어 블록도이다.
세 번째는 에너지 저장장치로 사용되는 슈퍼커패시터 뱅크이다. 마지막으로 국내지하철 급전시스템은 12펄스 다이오드 정류기로 되어 있으므로 본 논문에서는 3 상 다이오드 정류기로 표현하였다. 이 정류기는 직류전동차를 대신하는 가선전압 모의 장치에 전력을 공급한다.
직류 가선전압은 2(X)[V]를 기준으로 회생 에너지의 충 . 방전 범위를 5%로 선정하여 210[V]를 충전전압, 190[V] 를 방전전압으로 설정하였다. 가선전압이 210EV] 이상일 때는 여분의 회생에너지를 슈퍼 커패시터 뱅크로 충전을 하여 직류 가선전압을 내려서 기준 직류 가선 전압으로 운전되도록 한다.
방전 특성을 모의하고 에너지 저장장치의 충 . 방전 제어를 수행하여 각 역마다 다르게 나타나는 가선전압의 동작 특성을 분석하였다.
. 방전 특성을 검증하였다.
또한 이를 슈퍼 커패시터 뱅크를 활용한 직류철도 회생에너지 저장장치 구현을 통해 실제 직류철도 변전소의 데이터를 사용하여 슈퍼 커패시터의 충 . 방전 특성을 분석하였다.
방전전류의 저주파 맥동성분에 의한 내부 전력손실량을 측정하였다. 또한 동일 시간동안 직류가선전압의 변화에 따라 서로 다르게 나타나는 전력손실을 통하여 슈퍼 커패시터의 내부 발생 온도 또한 서로 다르게 나타난다는 것을 확인하였다.
보여준다. 소프트웨어는 PSIM을 사용하여 제안한 직류 가선 전압 모의 장치를 포함한 회생에너지 저장시스템을 구현하였고, N역과 S역의 가선전압 실측값을 이용하였다.
직류가선전압 모의 장치의 제어기는 3상 전압형 PWM 컨버터에 공간벡터 PWM 기법과 무효성분 전류(d 축 전류)와 유효성분 전류(q축전류)를 각각 독립적으로 제어하였다. 또한 직류가선전압 모의장치 구동 시 단위 역률을 유지하기 위한 d축 전류와 가변 직류 가선 전압을 제어하기 위한 q축 전류제어를 위해 PI 전류제어기를 사용하였다.
성능/효과
방전전류의 저주파 맥동성분에 의한 내부 전력손실량을 측정하였다. 또한 동일 시간동안 직류가선전압의 변화에 따라 서로 다르게 나타나는 전력손실을 통하여 슈퍼 커패시터의 내부 발생 온도 또한 서로 다르게 나타난다는 것을 확인하였다.
따라 직류가선전압이 구현된다. 또한 시뮬레이션과 동일하게 직류가선전압 모의 장치의 출력값이 실측값에 추종함을 확인할 수 있다.
둘째, 흡수한 회생에너지를 저장할 수 있으므로 다양한 용도로 활용이 가능하다. 셋째, 회생인버터나 플라이휠 방식 등의 다른 에너지 활용 방식들에 비해서 상대적으로 적은 공간을 차지하여 기존 전철변전소에 건설비 부담을 줄여 준다."
특히 슈퍼 커패시터에 의해 회생에너지 저장시스템을 구성할 경우에는 다음과 같은 장점을 갖는다. 첫째, 슈퍼 커패시터의 모듈을 조합함으로써 부하변동(회생 에너지의 변화량)에 따라 가변용량을 만들어줄 수 있어 능동적인 대처가 가능하다. 둘째, 흡수한 회생에너지를 저장할 수 있으므로 다양한 용도로 활용이 가능하다.
참고문헌 (9)
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Gasperi, M. L, "A Method for Predicting the Expected Life of Bus Capacitors", IEEE IAS, pp. 1042-1047, 1997, Oct.
Gasperi, M. L, Gollhardt. N, "Heat Transfer Model for Capacitor Banks", IEEE IAS, Vol. 2, pp. 1199-1204, 1998
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