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직류 도시철도 시스템 에너지 효율 향상 및 안정화를 위한 슈퍼커패시터 에너지 저장장치 활용 방안 연구
Supercapacitor Applications for System Stabilization and Efficiency Improvement on DC Railway System 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.13 no.1, 2009년, pp.49 - 56  

송지영 (고려대학교 전기전자전파공학부) ,  이계병 (고려대학교 전기전자전파공학부) ,  이한상 (고려대학교 전기전자전파공학부) ,  장길수 (고려대학교 전기전자전파공학부) ,  권세혁 (고려대학교 전기전자전파공학부) ,  이장무 (한국철도기술연구원) ,  이한민 (한국철도기술연구원) ,  김길동 (한국철도기술연구원)

초록
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본 논문에서는 철도 시스템에 에너지 저장장치를 도입하여 충 방전을 통한 가선전압의 안정화와 회생에너지의 효율적인 사용을 모의하였다. 이를 위해 간단한 철도 모델과 적절한 제어기법을 제시하였다. 가선전압의 영역을 제어가 필요한 두 영역과 정상운전 영역으로 구분하여 전압제어를 하고, 슈퍼커패시터의 전류제한을 충족시키기 위하여 전류제어를 병행하였다. 이를 바탕으로 에너지의 저장, 방출을 시뮬레이션을 통하여 확인하였고, 철도의 운전 상태에 따라 에너지 충 방전을 통한 에너지 효율을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a simulation for the stability of the catenary voltage through charging and discharging by introducing an energy storage system in the railway system and the efficient usage of restoration energy has been performed. In order for the simulation, a simple railway model with an appropria...

주제어

#Regeneration braking   #Regeneration energy   #Energy Storage   #Supercapacitor   #DC Railway  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 도시철도 시스템에 에너지 저장장치를 적용하여 회생에너지를 효율적으로 사용할 수 있음을 확인하고, 더불어 가선전압이 일정한 영역 안에서 유지될 수 있도록 제어기법을 소개할 것이다.
  • 본 논문에서는 에너지 저장 장치(슈퍼커패시터)를 직류 도시철도 시스템에 적용하기 위해 각 시뮬레이션 모델을 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 개발하였다.
  • 본 논문은 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 슈퍼커패시터를 적용한 직류 도시철도 시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 슈퍼커패시터의 적용 효과를 살펴보기 위하여 간략한 철도 모델을 제시하고, 에너지 충 · 방전을 모의하기 위하여 양방향 DC/DC 컨버터의 제어기를 구성하였다.
  • 본 논문의 목적은 에너지 저장 장치의 적용으로부터 직류 도시철도 시스템의 에너지 효율 향상 및 가선전압의 안정화이다. 따라서 이를 위한 직류 도시철도 시스템 모델은 에너지 저장 장치가 에너지를 저장하거나 방출함에 따라 가선전압에 영향을 미칠 수 있는 모델이면 충분하다.

가설 설정

  • PSCAD/EMTDC에서 제공하는 컴포넌트 중 시간에 따라 출력을 선형적으로 변화시킬 수 있는 컴포넌트를 사용하여 가선전압을 임의로 결정할 수 있다. 가선전압이 안정한 범위에서 크게 벗어나지 않는다는 가정 하에 최대 1,850V 최소 1,250V 안에서 임의로 변화하는 가선전압을 구성하였다. 에너지 저장장치의 충·방전 효과를 살펴 보기위해 그림 7에서 가정한 상한 10%(1,650V), 하한 5%(1,425V)로 동작영역을 설정하여 가선전압이 변하더라도 설정 영역 안에서 전압이 유지되도록 제어를 할 것이다.
  • 그림 11의 아래 파형은 슈퍼커패시터의 전압을 나타낸다. 슈퍼커패시터의 최대전압은 1,100V로 초기에 약 75%수준으로 충전(800V)되어 있고, 슈퍼커패시터의 최대전압까지 충전되지 않는다는 가정을 한 후 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 에너지 저장장치의 충·방전 효과를 살펴 보기위해 그림 7에서 가정한 상한 10%(1,650V), 하한 5%(1,425V)로 동작영역을 설정하여 가선전압이 변하더라도 설정 영역 안에서 전압이 유지되도록 제어를 할 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
플라이휠 에너지 저장 시스템의 장점은? 플라이휠 에너지 저장 시스템은 입력되는 잉여 전기 에너지를 플라이휠의 관성을 이용, 회전 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요시 전기에너지로 순시에 출력하는 장치로 배터리와 같은 화학적 에너지 저장장치에 대비되는 기계적 에너지 저장방식이다. 전기 화학 반응을 하는 2차 전지에 비하여 급속 충 · 방전을 반복해도 화학적 노화가 없으며 전기 이중층 커패시터(Supercapacitor)에 비교하여 에너지 밀도 및 전력밀도가 크고 긴 수명 및 야외의 온도환경에 따른 성능저하나 노화가 없는 장점이 있다. 반면 피로보수 부품이 많이 필요한 점, 고속 회전 시 공기저항이 크다는 점, 장시간 에너지 보존이 곤란한 점 등은 추후 개선이 필요한 부분이다.
플라이휠 에너지 저장 시스템이란? 플라이휠 에너지 저장 시스템은 입력되는 잉여 전기 에너지를 플라이휠의 관성을 이용, 회전 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요시 전기에너지로 순시에 출력하는 장치로 배터리와 같은 화학적 에너지 저장장치에 대비되는 기계적 에너지 저장방식이다. 전기 화학 반응을 하는 2차 전지에 비하여 급속 충 · 방전을 반복해도 화학적 노화가 없으며 전기 이중층 커패시터(Supercapacitor)에 비교하여 에너지 밀도 및 전력밀도가 크고 긴 수명 및 야외의 온도환경에 따른 성능저하나 노화가 없는 장점이 있다.
초전도 에너지 저장 시스템이란? 초전도 에너지 저장(Superconducting Magnetic Energy Storage : SMES)시스템은 그림 1과 같이 전기에너지를 코일에 자기에너지 형태로 저장하는 장치이다. 초전도 코일에 직류전류를 흘리게 되면 자기에너지 형태로 에너지를 저장할 수 있는데, 저장된 에너지는 초전도체의 전기저항이 0이기 때문에 영구전류가 흐르게 되고, 손실 없이 영구적으로 에너지를 저장할 수 있게 된다.
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참고문헌 (8)

  1. 김길동, 이한민, 오세찬, "도시철도 회생 에너지 저 장 시스템 설치 및 시험", 대한전기학회 전력기술부문 회 전력계통연구회 춘계학술대회 논문집, 2008 

  2. 김길동, 이한민 "전동차 회생에너지 활용을 위한 저장시스템 기술" 

  3. 철도기술연구원, "에너지 저장시스템 기술개발 최종 보고서", 2008 

  4. D. Grahame Holmes, Thomas A. Lipo, "Pulse Width Modulation For Power Converters", Wiley, 2003 

  5. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, "Power Electronics", Wiley, 2003 

  6. E Acha, V.G.Agelidis, O. Anaya-Lara, T.J.E.Miller, "Power Electronic Control in Electrical Systems", Newnes, 2002 

  7. 신휘범, 정세교역, "전력전자공학의 기초I", 인터비젼, 2006 

  8. K.C.Seong, "Superconducting Magnetic Energy Storage System", Superconductivity and Cryogenics, Vol. 8, No.2, 2006. 

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