[논문]직류급전시스템의 회생 전력 활용을 위한 인버터 시험설비 개발 및 성능시험

김주락; 한문섭; 김용기; 김정훈

[국내논문] 직류급전시스템의 회생 전력 활용을 위한 인버터 시험설비 개발 및 성능시험
Development and Test of Inverter for Regenerative Power of DC Traction Power Supply System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.12 no.2 = no.51, 2009년, pp.254 - 259

김주락 (한국철도기술연구원, 집전전력연구실) , 한문섭 (한국철도기술연구원) , 김용기 (한국철도기술연구원) , 김정훈 (홍익대학교)

초록
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국내 도시철도시스템에서 채용한 직류급전시스템에서 다이오드 정류시스템을 사용하여 역방향 조류가 불가능하다. 이에 따라 전동차의 감속 또는 제동시에 발생하는 회생 전력을 재활용하지 못하고 열에너지로 소비하게 된다. 잉여 회생 전력의 재활용은 에너지 이용의 극대화, 전동차의 제동 성능 향상 및 분진 감소 등의 환경 친화적인 효과를 얻을 수 있으며, 정류기와 역병렬로 인버터를 설치하여 타 계통으로 전달하거나 저장하는 형태로 가능하다. 본 논문에서는 발생한 잉여 회생 전력을 교류 전력으로 변환하여 고압배전계통이나 한전 계통으로 역송전이 기능한 회생용 인버터의 시험 설비 개발 및 성능시험에 대하여 제안하였다. 회생용 인버터 개발 후 개발품의 성능 시험을 위하여 직류급전시스템을 모의할 수 있는 교/직류 전원 설비 및 부하설비를 이용하여 회생용 인버터의 고유 성능을 시험 및 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

DC transit system has been adopted in the metropolitan area, Korea since 1974. Electric multiple (EMU) in this system always reiterates that acceleration and retardation. When EMU decelerates using electric breaking, regenerative power occurs. Regenerative power can be consumed in vicinity EMU on the same line or in resistor. If DC transit system has inverter for reusing regenerative power, Energy efficiency in DC transit system and the replacement cycle of brake shoe in EMU will be increased and dust due to mechanical braking decreased. This paper present the developed inverter for regenerative power and its test equipment. Test for developed inverter is performed at test equipment and is divided into three items, which are regeneration mode, active filter mode, and system link test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 개발한 시작품을 이용하여 다양한 성능시험이 필연적인 것이다. 본 논문에서는 개발한 회생용 인버터 시작품의 성능 검증을 위한 시험 방법을 고안하고 그에 따른 시험설비를 설계 및 건설한 주요 내용에 대하여 설명 한다. 또한, 개발한 시험소 및 시험 방법에 따라 시작품을 시험하고 그 결과를 제시한다.
본 논문은 직류급전시스템의 에너지 이용효율을 높이기 위하여 개발한 회생용 인버터의 동작 특성을 확인하기 위한 시험설비의 개발과 시험 결과를 제시하였다. 개발한 인버터는 회생 운전 모드와 능동전력필터 모드로 운전되며, 750[kVA]의 용량으로 개발하였다.
본 연구에서는 개발한 회생용 인버터의 성능 검증을 위하여 성능 시험 설비를 고안하여 구축하였다. Fig.

제안 방법

구축되었다. 1,500V 직류 급전시스템은 발전기와 정류기를 통하여 구성하였고, 고압배전 계통은 발전기와 저항기를 통하여 시설하였다. 모든 구성 요소는 실제 시스템과 동일한 전압 레벨로 구축하였다.
개발한 인버터 시험 설비는 1,500V 직류 급전시스템, 750x2[kVA]의 회생용 인버터, 고압배전 계통을 모의한 형태로 구축되었다. 1,500V 직류 급전시스템은 발전기와 정류기를 통하여 구성하였고, 고압배전 계통은 발전기와 저항기를 통하여 시설하였다.
개발한 회생용 인버터의 현장적용 시험을 위한 신뢰성 검증을 위하여 상기한 바와 같이 시험설비를 구축하였으며, 인버터의 운전 모드에 따른 시험과 계통 연계 시험을 구축한 시험 설비에서 수행하였으며, 그 방법과 결과는 다음과 같다.
고조파 감쇠 성능 시험은 시험설비에서 발생한 고조파 성분을 개발한 회생용 인버터를 능동전력필터 모드로 운영하여 감쇠시키는 방법을 사용하였고, 시험설비 계통에서 발생한 고조파 전류는 Fig. 9와 같다. 인버터 동작 전에는 3차 및 5차 고조파가 5~7[A] 정도 함유하고 있었지만 인버터의 눙동전력필터 모드가 동작된 후에는 고조파가 감소한 것을 Fig.
모든 구성 요소는 실제 시스템과 동일한 전압 레벨로 구축하였다. 구축된 설비는 개발한 인버터의 정상 동작시험을 위한 것으로서, 본 논문에서는 회생 모드 및 능동전력필터 모드에서의 정상 동작 여부를 판단하기 위한 시험과 함께 실계통 적용을 위하여 계통 연계 시험을 수행하였으며, 세 가지 시험 모두 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
이 인버터의 입력인 직류 전압을 가변하기 위하여 교류 발전기의 출력 전압을 전압 조정기를 이용하였다. 또, 회생용 인버터에서 변환된 교류 출력은 시험 회로도에서와 같이 375[kW] 乂2 용량의 저항기로 부하 변화를 상정하며 인버터의 출력을 소모시키는 형태로 시험하였다. 시험 순서는 먼저, 발전기 및 회생용 인버터를 기동한 후 375[kW]의 저항기를 투입한다.
본 논문에서는 개발한 회생용 인버터 시작품의 성능 검증을 위한 시험 방법을 고안하고 그에 따른 시험설비를 설계 및 건설한 주요 내용에 대하여 설명 한다. 또한, 개발한 시험소 및 시험 방법에 따라 시작품을 시험하고 그 결과를 제시한다.
본 연구에서 개발, 제작한 인버터는 국내 도시철도 구간의 실측 및 시뮬레이션을 통하여 적정한 용량을 찾아 제작하였으며, 동작 성능은 잉여 회생전력의 발생에 따라 2가지의 운전 상태를 갖도록 개발하였다.
또, 회생용 인버터에서 변환된 교류 출력은 시험 회로도에서와 같이 375[kW] 乂2 용량의 저항기로 부하 변화를 상정하며 인버터의 출력을 소모시키는 형태로 시험하였다. 시험 순서는 먼저, 발전기 및 회생용 인버터를 기동한 후 375[kW]의 저항기를 투입한다. 이때, 회생용 인버터의 출력상태를 확인하고 안정되면 375[kW]의 저항기를 더 투입하여 총 750[kW]의 인버터 출력을 확인하는 절차로 하였다.
시험은 설정한 동작 제어 전압에 따라 회생용 인버터의 운전이 정상적으로 되는 지를 검토하기 위하여 Fig 5와 같은 시험 회로를 구성하였다. 이 인버터의 입력인 직류 전압을 가변하기 위하여 교류 발전기의 출력 전압을 전압 조정기를 이용하였다. 또, 회생용 인버터에서 변환된 교류 출력은 시험 회로도에서와 같이 375[kW] 乂2 용량의 저항기로 부하 변화를 상정하며 인버터의 출력을 소모시키는 형태로 시험하였다.
시험 순서는 먼저, 발전기 및 회생용 인버터를 기동한 후 375[kW]의 저항기를 투입한다. 이때, 회생용 인버터의 출력상태를 확인하고 안정되면 375[kW]의 저항기를 더 투입하여 총 750[kW]의 인버터 출력을 확인하는 절차로 하였다.
회생용 인버터의 성능시험은 직류 l, 500[V]가 가압된 모선에 인버터를 연결하고 인버터에서 출력되는 회생 전력을 소비시키는 방법으로 진행하였다. Fig.

성능/효과

개발한 회생용 인버터가 가지고 있는 두가지의 운전 모드에 대한 특성시험을 수행하여 단순 입/출력 회로에서 정상적으로 동작한다는 것을 확인하였다. 직류 급전 시스템에 회생용 인버터를 적용할 때에는 입력부인 직류 모선과 출력부인 고압배전 또는 수전측에 연결되기 때문에 직류 선로에서 발생한 회생 전력을 출력부 계통에 적정한 전력을 전달하는 것이 무엇보다 중요하다.
개발한 회생용 인버터는 직류 급전시스템의 정류기 출력 측인 직류 정급전부와 부급전부에 설치하여 시스템에서 발생하는 잉여 회생전력의 재활용을 위하여 흡수하는 것이 주요 기능이다. 급전시스템에서 발생하는 잉여 회생 전력은 계통의 상태에 따라 그 양과 발생 시점이 달라진다.
이러한 회생전력의 사용은 열로 발산하여 버려지는 에너지의 이용으로 이용 효율을 높일 수 있고, 전차선의 회생 전력흡수율을 높임으로서 전동차의 제동 및 ATO 성능을 향상 시킬 뿐만 아니라 브레이크슈의 사용회수를 줄여 교체주기를연장시킬 수 있다. 더불어, 브레이크슈를 이용한 기계 제동의 사용 감소는 마모에 의한 미세먼지 감소 및 온도상승을 억제하는 효과가 있다.
이 시험으로서 개발한 회생용 인버터는 설정한 제어 전압값에 따라 정상적으로 동작한다는 것을 알 수 있었으며, 회생용 인버터의 부하 변동에도 정상적인 출력을 낼 수 있어 실계통 적용에 무리가 없을 것으로 판단된다.

후속연구

시험설비 구축 및 시험으로 얻어진 결과는 회생용 인버터의 알고리즘 보완 및 상업운전중인 실제 선로에서의 적용 시험에 적극 활용될 것이다.

참고문헌 (9)

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최창렬 외. (2005). "능동전력필터 기능이 추가된 지하철 회생 전력 제어용 인버터에 관한 연구," 전력전자학회 학술대회 논문집, 한국철도학회, pp.463-465
배창한 외. (2007). "직류 1500V 전철변전소의 회생전력량 측정 및 분석," 한국철도학회 논문집 제 10권, 제 6호, 한국철도학회, pp.1-6
한국철도기술연구원. (2006) "차세대 전철시스템 에너지회생장치 개발," 건설교통부 한국건설교통기술평가원
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김주락 외.(2007). "직류급전시스템 회생용 인버터의 시험설비 구축 및 특성시험", 한국철도학회 춘계학술대회 논문집, 한국철도학회
김경원 외.(2002). "회생전력 제어용 인버터 시스템의 구현에 관한 연구", 전력전자학회 논문지, 제 7권, 제 2호, 전력전자학회

상세보기
Tzeng, T.S., Wu, R.N. and Chen, N. (1998). "Electric network solutions of DC transit systems with inverting substations," IEEE Trans. Vehicular Technology, Vol.47, No.4, Nov., pp.1405-1412

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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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