[논문]3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 전기철도 급전 시스템의 전압제어 향상을 위한 BESS 적용

유형준; 신승권; 정호성; 김학만

doi:10.5370/kiee.2014.63.11.1588

3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 전기철도 급전 시스템의 전압제어 향상을 위한 BESS 적용
BESS Application to Voltage Compensation of AC Railway System based on 3ϕ/1ϕ BTB Voltage Source Converter 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.11, 2014년, pp.1588 - 1593

유형준 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National Univ.) , 신승권 (Korea Railroad Research Institute) , 정호성 (Korea Railroad Research Institute) , 김학만 (Research Institute for Northeast Asian Super Grid, Incheon National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

The scott transformer changes three-phase power to two single-phase power. However, this method causes unbalance and fluctuation of voltage by the change of electric railload. Recently, the AC railway system based on $3{\Phi}/1{\Phi}$ back-to-back (BTB) voltage source converter (VSC) has been proposed to solve these problems. Meanwhile, battery energy storage system (BESS) is used to compensate voltage instantaneously in power system. In this paper, BESS application to the AC railway system based on $3{\Phi}/1{\Phi}$ BTB VSC is suggested to compensate voltage instantaneously. The application effect is shown through simulation using MATLAB/SIMULINK.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 DC 링크단에 BESS를 적용하여 DC 링크 전압 및 철도 급전 계통측의 전력품질을 향상시키는 방법을 제안하고자 한다. BESS 적용 효과를 검토하기 위하여 MATLAB/SIMULINK를 이용하여 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 철도급전시스템과 BESS를 모델링하고 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 전기 철도 급전시스템의 전압제어 효과를 향상시키기 위하여 DC 링크단에 BESS를 적용하는 방법을 제안하였다. 시뮬레이션을 통하여 BTB 컨버터 용량의 2% 정도의 비교적 소용량 BESS의 적용으로도 과도상태의 전압품질이 많이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

본 논문에서는 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 DC 링크단에 BESS를 적용하여 DC 링크 전압 및 철도 급전 계통측의 전력품질을 향상시키는 방법을 제안하고자 한다. BESS 적용 효과를 검토하기 위하여 MATLAB/SIMULINK를 이용하여 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 철도급전시스템과 BESS를 모델링하고 시뮬레이션을 수행하였다.
9kV로 강압되고, 이는 3상 전압형 컨버터를 통하여 DC 100kV로 정류되며, 최종적으로 단상 전압형 컨버터를 통하여 단상 55kV로 출력된다. 또한, BESS 적용 효과를 검토하기 위하여 DC 링크단에 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 용량의 약 2%급에 해당되는 1MW급 BESS를 적용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 모델링한 3상/단상 BTB 전압형 컨버터는 50MW급으로 3상 154kV를 수전 받아 변압기를 통하여 22.9kV로 강압되고, 이는 3상 전압형 컨버터를 통하여 DC 100kV로 정류되며, 최종적으로 단상 전압형 컨버터를 통하여 단상 55kV로 출력된다. 또한, BESS 적용 효과를 검토하기 위하여 DC 링크단에 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 용량의 약 2%급에 해당되는 1MW급 BESS를 적용하였다.
본 논문에서는 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 전기철도 급전시스템을 모델링하였다. 이는 3상 154 kV를 수전하여 변압기를 이용하여 22.

이론/모형

본 논문에서는 그림 5와 같이 가변전원과 고정 저항을 이용한 비선형 배터리 모델을 이용하였다[10].

성능/효과

시뮬레이션을 통하여 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반 철도 급전시스템의 DC 링크단에 3상/단상 BTB 전압형 컨버터의 약 2% 용량에 해당하는 1MW급 BESS를 적용함으로써 부하변동에 따른 DC 링크 전압과 단상 출력 전압의 제어가 향상되는 것을 확인할 수 있었고 출력 전압 및 전류의 FFT 해석 결과도 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 3상/단상 BTB 전압형 컨버터 기반의 전기 철도 급전시스템의 전압제어 효과를 향상시키기 위하여 DC 링크단에 BESS를 적용하는 방법을 제안하였다. 시뮬레이션을 통하여 BTB 컨버터 용량의 2% 정도의 비교적 소용량 BESS의 적용으로도 과도상태의 전압품질이 많이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도 부하의 특징은 무엇인가?	전압형 컨버터는 신속하고 독립적으로 유/무효 전력제어가 가능하여 철도급전계통 내에 발생하는 부하변동에 탄력적인 운전이 가능한 장점을 가지고 있다[5]. 특히, 철도 부하는 대용량 부하로써, 순간적으로 변동하는 부하량에 따라 DC 링크 전압 및 철도급전계통 내에 전압 변동이 발생하게 된다. 전압형 컨버터 기반의 급전시스템을 적용할 경우 순간적인 전압변동에 대한 순시 전압보상이 가능하지만, 좀 더 정밀한 순시 전압보상에 대해서는 추가적인 기술 검토의 필요성이 있다.
	스코트 변압기를 이용한 3상 전력계통에서 전압 불평형은 왜 일어나는가?	국내의 교류전기철도 급전시스템은 3상 154kV를 수전하여 스코트 변압기를 통하여 2개의 단상 50kV로 변환하고, AT 변압기를 이용하여 25kV를 전기철도에 공급하고 있다[1]. 그러나 스코트 변압기를 통하여 얻은 2개의 단상 부하는 항상 동일하게 운전할 수 없기 때문에 3상 전력계통에 전압 불평형이 발생하게 되며, 전기철도의 운행에 따른 부하 변동으로 전압변동이 발생한다[1].
	배터리 에너지 저장장치 시스템 적용에 대한 기대효과는 무엇인가?	한편, 세계적으로 다양한 분야에 배터리 에너지 저장장치 시스템 (BESS, battery energy storage system)을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다[3,4]. 특히, BESS는 순간적으로 전력의 충/방전이 가능하기 때문에 과도현상 완화 및 전력품질을 향상하고자 하는 분야에 많이 이용되고 있으며, 기술발전과 시장 확대로 리튬이온 BESS의 가격이 점차 낮아질 것이 예상된다[5].

참고문헌 (12)

Korea Railroad Research Institute, Technical Development for Improvement of Electrical Railway System, 2008.
H. J. Yoo, H. M. Kim, and H. S. Jung, "Basic Modeling and Analysis for AC Railway System based on BTB Voltage Source Converter," Trans. KIEE, Vol. 61, No. 11, pp. 1737-1742, 2012.

원문보기 상세보기
S. T. Cha, H. Zhao, Q. Wu, A. Saleem, and J. Qstergaard, "Coordinated Control Scheme of Battery Energy Storage System (BESS) and Distributed Generations (DGs) for Electric Distribution Grid Operation," Proc. of 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp. 4758-4764, 2012.
H. Zhou, T. Bhattacharya, D. Tran, T. S. T. Siew, and A. M. Khambadkone, "Composite Energy Storage System Involving Battery and Ultracapacitor with Dynamic Energy Management in Microgrid Application," Trans. on IEEE Power Electronics, Vol. 26, No. 3, pp. 923-930, 2011.

상세보기
A. Qudalov, M. Koller, 1MW BESS in the Swiss Distribution Grid Experience and Visions, 2014.
A. Yazdani, and R. Iravani, VOLTAGE-SOURCED CONVERTERS IN POWER SYSTEM, A john wiley and Sons, 2010.
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O. Ttrmblay, L. A. Dessaint, and A. I. Dekkiche, " A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles," Proc. of IEEE VPPC, pp. 284-289, 2007.
L. Jan, B. Pavol, B. Petr, and R. Vladimir, "Bi-directional DC-DC Converters for Super- capacitor based Energy Buffer for Electrical Gene-Sets," Proc. of Power Electronics and Applications, pp.1-10, 2007.
Y. Du, X. Zhou, S. Bai, S. Lukic, and Huang, "A Review of Non-iolated Bi-directional DC-DC Converters for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Charge Station Application at Municipal Parking Decks," Proc. of Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 1145-1151, 2010.

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