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문제 정의
- 개발해 시연에 성공했다. 1MW 급 시스템 개발에 있어서는 고속철 시스템을 목표로 해 용량, 전압, 급전 거리 증대 및 비용 절감을 위한 연구에 집중했다. 개발된 1MW 급 시스템에 대한 자세한 내용은 참고문헌〔8〕에 잘 나타나 있다.
- 집전 픽업에는 자기장의 차폐에 필요한 최소한의 코어만을 설치했다. 또한, 코일의 폭과 턴 수 등은 목표한 전력 용량 및 전자기장 인체 안전성을 확보할 수 있도록 정했다. 이처럼 이 연구에서는 코어를 사용하지 않아도 높은 효율을 가지는 동시에 인체 안전성도 가질 수 있도록 설계하는 방법〔9〕에 제시했다.
- 본 특집에서는 한국 철도 기술 연구원에서 개발한 무선 급전 시스템들에 대해 간략하게 기술했다. 무선급전 시스템은 여러 지자체들이 교통 시스템의 선정에 있어서 철도 시스템을 선택하는데 가장 큰 걸림돌이 되는 공사비 및 운영비를 절감할 수 있게 해 미래 철도 기술로 주목 받았다.
가설 설정
- 8) 마지막으로 무선 전력 전송 시스템은 고압선의 노출이 전혀 없어 인명사고의 위험도 없다.
제안 방법
- 픽업의 공진 튜닝에도 필름 캐패시터를 사용했다. 또한, 한 픽업을 총 4개의 병렬 "채널”로 구성해 각 채널에 걸리는 전압, 전류를 줄여 고주파 회로의 기생성분에 의해 발생하는 문제들을 해결했다. 아래의 60 kW 픽업을 총 3대 제작해 차량 바닥면에 부착했고, 병렬 연결해 총 180 kW의 출력이 나올 수 있도록 했다.
- 설치한 급전 선로의 총 길이는 128m였으며 1턴에 48cm의 폭을 갖고, 정격 전류는 60kHz에서 300A1TOS 가 되도록 설계 했다. 180kW 급 시스템의 급전 선로는 자기장 쇄교 및 효율 개선을 목적으로 E 모양의 페라이트 코어를 권선 바로 밑에 연속해서 설치했었다. 하지만 이러한 복잡한 형상의 코어는 제작 및 설치 단가 뿐만 아니라 급전 선로의 기계적 강도를 약하게하는 주요한 원인이었다.
- 1MW급 시스템의 출력 제어는 픽업의 출력 전압을 센싱해 무선으로 급전 인버터에 피드백 해줘 지상의 급전 인버터가 차상 전압을 제어하도록 구성했다. 아래 그림 21에는 실제 구성한 무선 피드백 시스템을 나타냈다.
- 3) 급집전 코일의 폭을 적절히 선정해 EMF 인체 안전 규정을 만족하도록 했다.,
- 이 역시 PAM 인버터이며 부하에 따른 DC 링크 전압 제어를 위해 입력 단에 Thyristor를 이용했다. DC 링크전압은 0V - 620V까지 변동가능하며 DC 링크 전류는 최대 2000A까지 흐를수 있도록 설계 했다. 인버터 출력 단에는 전압을 5000Vrms 까지 키우고 전류를 30(込脉를 공급할 수 있도록 1:1.
- 이를 위해 입력 측에는 10 kHz로 스위칭하는 4-leg interleaved DC/DC step-down 컨버터를 부착했다. 공진 인버터는 1200V, 800A짜리 IGBT를 사용했으며 60 kHz 에서 최대 정격으로 300Ams 까지 출력할 수 있도록 했다. 손실을 최소화하기 위해 전압, 전류의 위상을 검출하여 Zero voltage switching 모드에서 동작할 수 있도록 했고, 위상이 전류보다 앞서 zero cuiTent switching 모드가 되면 노이즈 및 손실이 커지기 때문에, 동작 제한을 걸었다.
- 기반으로 설계되었다. 급전 코일은 직렬 공진으로 구성했고, 길이 15m, 폭 48cm 로 4 턴이며 정격 전류가 60Arms @ 60 kHz 로 정했다. 기존 OLEV 시스템과는 다르게 급전 코일의 손실을 줄이기 위해 정격 전류를 낮추는 대신 턴 수 및 전압을 키웠다.
- 기존 OLEV 시스템〔1이과 유사하게 픽업의 각 채널마다 DC/DC 컨버터를 연결해 총 12개의 leg을 가지는 Interleaving DC/DC 컨버터로 만들어 출력 ripple을 최소화할 수 있도록 했다.
- 그러면 차상의 픽업 출력에 별도의 컨버터가 필요치 않아 차상 설비가 간단해지고, 비용 절감이 가능하다. 대신 차상의 DC 링크 전압은 배터리가 제어하도록 하고, UC는 가속 시 필요한 대 전력을 무선 급전과 함께 공급하고 회생 시 들어오는 대 전력을 이용해 충전할 수 있도록 설계했다.
- 이에 1MW 급시스템 개발에서는4개 픽업의 모든 정류된 출력을 병렬로 묶고 레귤레이터를 사용하지 않았다. 대신 픽업의 출력 전압 제어를 위해 픽업 출력전압을 무선으로 지상 인버터에 피드백 해줘 픽업 전압변동에 따라 지상 인버터 출력 전류 크기를 제어하도록 했다. 이렇게 되면 시스템이 간단해지고, 채널 간 유기전압의 불균일 문제도 해결할 수 있으며, regulator# 제거함으로써 전체 시스템의 효율도 개선할 수 있었다.
- 픽업 당 총 4개의 채널을 가지며 각 채널당 2&%„項 의 정격 출력을 가지도록 설계했다. 동일한 픽업 총 4대를 병렬로 연결해 총 16개 채널을 통해 1MW 출력을 낼 수 있도록 했다. 180kW 시스템과는 다르게 픽업 코어의 중앙 부분에만 8턴짜리 코일을 총 8층으로 쌓았다.
- 하지만 이러한 복잡한 형상의 코어는 제작 및 설치 단가 뿐만 아니라 급전 선로의 기계적 강도를 약하게하는 주요한 원인이었다. 따라서 1MW 급 시스템에서는 코어의 사용을 최소화 하기 위한 설계를 했고, 그림 18에 보이는 것처럼 소형의 U 자형 코어를 loop의 중앙이 아닌 전선 밑 부분에만 설치하도록 했다. 페라이트 코어의 형상 역시 그림 18 에 나타나 있다.
- 페라이트 코어의 형상 역시 그림 18 에 나타나 있다. 또한, 급전 코일의 길이가 128m 로 길기 때문에 코일에 걸리는 전압 스트레스를 줄여주기 위해 그림처럼 공진 캐패시터를 20m에 하나씩 분산시켜 연결했다.
- 본 특집의 첫 번째 파트에서는 철도연에서 개발한 180kW급 공진형 무선 전력 전송 시스템을 소개하고, 두 번째 파트에서는 2014년 개발한 1MW급 시스템四 을 소개하며, 세 번째 파트에서는 2015년 개발한 실용화를 위해 코어의 사용을 최소화하는 동시에 전력전송 효율이 90% 이상인 시스템怜 에 대해서 소개한다. 마지막 섹션에서는 현재 진행 중인 경전철용 무선 전력 전송 시스템 적용 기술 개발 연구에 대해서 소개한다.
- 개발된 시스템의 전력 밀도는 기존 시스템에 비해 2배 이상으로 높으며 측정된 전체 시스템 효율도 90% 이상이었다. 뿐만 아니라 새로운 시스템에서는 급전 선로 및 픽업에서 발생하는 자기장의 크기가 ICNIRP와 IEC62110등의 인체안전 규정을 만족할 수 있도록 설계 및 제작 했다. 개발된 Coreless type 무선 전력 전송 시스템에 대한 구체적인 내용은 ⑼에 정리되어 있다.
- 또한, 한 픽업을 총 4개의 병렬 "채널”로 구성해 각 채널에 걸리는 전압, 전류를 줄여 고주파 회로의 기생성분에 의해 발생하는 문제들을 해결했다. 아래의 60 kW 픽업을 총 3대 제작해 차량 바닥면에 부착했고, 병렬 연결해 총 180 kW의 출력이 나올 수 있도록 했다.
- 4개 채널이 있어 총 12개의 출력들이 있었다. 이 출력들을 각각 따로 정류기에 연결하고 개별적으로 boost converter를 이용해 출력 전압을 일정하게 해주도록 했다. 하지만 이러한 시스템은 시스템 복잡도를 증가시키고, regulator 효율이 나빠 전체 시스템 손실을 키우며, 또한, 차량의 진동이나 픽업 위치에 따른 자기장의 불균일 분포로 인해 채널 간 유기전압의 unbalance에 의해 채널 간 전력 불균형 및 시스템 신뢰도가 저하되는 단점이 있었다.
- 진행했다. 이를 위해 급전 선로에는 코어를 전혀 사용하지 않았고 (Coreless 타입) 픽업에도 차체와의 전자지장 차폐를 위한 최소한의 코어를 사용해 선로와 픽업의 원가 절감 및 경량화를 이루는 동시에 효율을 최대화 할 수 있도록 설계했다. 개발된 시스템의 전력 밀도는 기존 시스템에 비해 2배 이상으로 높으며 측정된 전체 시스템 효율도 90% 이상이었다.
- 지상 인버터의 출력 전류 제어는 인버터 측에서 보이는 임피던스가 집전 측 부하 변동에 반비례하는 특징을 이용해 제어했다. 인버터 전압 지령 및 출력 전류의 크기를 측정하여 무선급전 시스템의 임피던스를 구하고, 출력 전류의 지령은 임피던스에 반비례 하도록 했다.
- 파형을 나타냈다. 지상 인버터를 이용해 차상에 2800V DC를 공급하고, APS 기동, 역전기 기동, 차량 가속, 차량 정지의 순서로 진행했다. 노란색 선이 픽업 출력 전압이며 200V/div 으로 나타냈다.
- 집전 픽업은 한 대당 출력 전압이 DC 2800V, 110A, 정격출력이 300kW 가 되도록 설계 했다. 픽업 당 총 4개의 채널을 가지며 각 채널당 2&%„項 의 정격 출력을 가지도록 설계했다.
- 시스템이 시작이었다. 철도연의 초기 공진형 무선 급전 시스템은 이러한 OLEV 시스템의 연구결과를 기반으로 시작했으며 공급 전력 및 효율을 키우는 동시에 경량화를 달성하기 위해 주파수를 OLEV시스템 보다 3배 높은 60kHz로 선정하고, 그에 맞도록 급집전 시스템을 설계 제작 했다.
- 300kW 가 되도록 설계 했다. 픽업 당 총 4개의 채널을 가지며 각 채널당 2&%„項 의 정격 출력을 가지도록 설계했다. 동일한 픽업 총 4대를 병렬로 연결해 총 16개 채널을 통해 1MW 출력을 낼 수 있도록 했다.
- 급전 선로는 10m를 설치했고, 픽업은 대당 150kW급으로 설계 및 제작했다. 픽업의 출력에는 Li-ion 배터리와 Ultracapacibor를 병렬로 연결해 무선 급전 시스템과 배터리, UC의 병렬 운전 시나리오를 시험했다. 무선 급전과 배터리 , UC의 병렬 운전은 무선급전을 대전력이 필요한 가속 구간에만 설치하고 정속 운전 구간과 감속 운전 구간에는 배터 리 와 UC를 이용하는 시스템을 위한 것이다.
- 180kW 시스템과는 다르게 픽업 코어의 중앙 부분에만 8턴짜리 코일을 총 8층으로 쌓았다. 필름 캐패시터들을 이용해 튜닝했으며, 급전 선로와 마찬가지로 권선 간의 전압 파괴를 방지하기 위해 캐패시터들을 분산 배치했다. 집전 픽업의 권선 방법 및 사진은 그림 19에 나타냈다.
- 효율은 인버터의 입력 단에서 측정한 입력전력과 픽업의 정류된 출력 단에서 측정한 출력전력의 비율로 계산했다. 효율측정 시스템의 구성은 아래 그림 29에 나타냈으며 그 측정 결과는 그림 30에 나타냈다.
대상 데이터
- 동일한 픽업 총 4대를 병렬로 연결해 총 16개 채널을 통해 1MW 출력을 낼 수 있도록 했다. 180kW 시스템과는 다르게 픽업 코어의 중앙 부분에만 8턴짜리 코일을 총 8층으로 쌓았다. 필름 캐패시터들을 이용해 튜닝했으며, 급전 선로와 마찬가지로 권선 간의 전압 파괴를 방지하기 위해 캐패시터들을 분산 배치했다.
- 개발한 1MW급 시스템의 부하에 따른 효율 변화를 측정하기 위해 아래 그림 22와 같이 600kW 급 저항 부하와 600kW급 능동부하를 이용했다.
- 1의 트램용 시스템과 동일한 PAM 인버터를 사용했다. 급전 선로는 10m를 설치했고, 픽업은 대당 150kW급으로 설계 및 제작했다. 픽업의 출력에는 Li-ion 배터리와 Ultracapacibor를 병렬로 연결해 무선 급전 시스템과 배터리, UC의 병렬 운전 시나리오를 시험했다.
- 설치한 급전 선로의 총 길이는 128m였으며 1턴에 48cm의 폭을 갖고, 정격 전류는 60kHz에서 300A1TOS 가 되도록 설계 했다. 180kW 급 시스템의 급전 선로는 자기장 쇄교 및 효율 개선을 목적으로 E 모양의 페라이트 코어를 권선 바로 밑에 연속해서 설치했었다.
이론/모형
- 급집전 코일의 형상은 KAIST OLEV 1101의 Dual type 시스템을 기반으로 설계되었다. 급전 코일은 직렬 공진으로 구성했고, 길이 15m, 폭 48cm 로 4 턴이며 정격 전류가 60Arms @ 60 kHz 로 정했다.
성능/효과
- 파트별 효율을 살펴보면 Thyiistor 정류기의 효율이 약 93%, 공진 인버터 효율이 98%, 변압기 효율 99%, 급전 코일에서 픽업 출력까지의 효율이 91% 였다., 급전 선로가 길어 선로에서 발생하는 손실로 인해 코일 간 효율이 91% 정도로 낮았다. 또한 DC링크 전압 제어를 위한 Thyristor 정류기의 효율이 93%로 낮아 전체 효율이 낮게 나오는 원인이 되었다.
- 1) 180kW 급 시스템은 무선 급전 선로를 일부 설치하고 차상 배터리를 충전해 급전 선로가 없는 구간에서 차량을 구동하는 시스템인데 반해 1MW 급 시스템은 차상에 에너지 저장 장치가 없고, 차량의 모든 전력은 무선 급전 시 스템으로부터 실시 간으로 공급받는다.
- 1) 경전철이나 중전철의 경우 150m 정도의 가속 구간에서만 큰 전력을 필요로 하고 이후 타행 구간에서는 상대적으로 작은 전력만을 필요로 한다. 따라서 역사 주변의 짧은 구간에만 전력 설비를 설치하고 정속 운전 구간에서는 배터리 전력을 이용하면 건설비를 획기적으로 줄일 수 있고,
- 2) 접촉이나 마모가 없어 유지보수비용을 절감할 수 있다.
- 3) 180kW 급 시스템에서는 3개 픽업이 있었고 각 픽업에는 4개 채널이 있어 총 12개의 출력들이 있었다. 이 출력들을 각각 따로 정류기에 연결하고 개별적으로 boost converter를 이용해 출력 전압을 일정하게 해주도록 했다.
- 3) 또한 차량 감속 시에 발생하는 회생 전력을 바로 배터리로 회수, 재사용해 20 - 30% 정도 에너지 절약이 가능하다.
- 철도연에서는 이러한 무선 급전 시스템의 개발을 위해 기존 OLEV 모델을 바탕으로 1세대 모델을 제작 및 시 험했으며 , 2세대 모델을 통해, 코어 사용 절감 및 대용량화 등을 이룩했다. 3세대 모델은 코어 사용을 최소화 해 경 량화 하는 동시에 비용 절감을 이룰 수 있었고, 또한 효율 개선 및 전자기장 안전 규정을 만족할 수 있었다. 2015년 까지 진행된 이러한 기초 연구를 바탕으로 현재는 경전철에 적용하기 위한 적용 기술 연구를 진행 중에 있다.
- 4) 건설비 저감 위해 배터리만으로 운행하는 차량의 경우에도 배터리의 과도한 무게 때문에 배터리를 많이 장착할 수 없어 장거리 운전이 불가능하고, 배터리를 DoD (Depth of Dischai'ge) 70 - 80% 정도까지 사용한 후 충전하기 때문에 배터리 수명이 3 - 4000 사이클 정도로 (1.5 - 2 년) 짧다. 또한, 배터리 만충 시 까지 약40분 정도 필요하기 때문에 , 충전 중인 차량은 이 시간 동안 운전할 수 없고 다수의 여유 차량을 보유해야 운전시격을 맞출 수 있다.
- 5) 이때 무선 급전 전력의 제어는 차상의 컨버터가 아닌 지상의 급전 인버터가 하도록 해 픽업 출력에 별도의 컨버터가 붙지 않아 차상 설비를 경량화 할 수 있도록 했다.
- 6) 고압 변압기의 절연유 및 절연지에 의한 환경오염 문제를 해결할 수 있으며 절연 파괴 문제 등이 발생하지 않아 차량 안정성 향상에도 기여할 수 있다.
- 이를 위해 급전 선로에는 코어를 전혀 사용하지 않았고 (Coreless 타입) 픽업에도 차체와의 전자지장 차폐를 위한 최소한의 코어를 사용해 선로와 픽업의 원가 절감 및 경량화를 이루는 동시에 효율을 최대화 할 수 있도록 설계했다. 개발된 시스템의 전력 밀도는 기존 시스템에 비해 2배 이상으로 높으며 측정된 전체 시스템 효율도 90% 이상이었다. 뿐만 아니라 새로운 시스템에서는 급전 선로 및 픽업에서 발생하는 자기장의 크기가 ICNIRP와 IEC62110등의 인체안전 규정을 만족할 수 있도록 설계 및 제작 했다.
- 최대 부하가 150kW 까지이고, 무선급전이 100kW 까지만 공급 할 수 있으며 나머지 50kW는 UC 가 주로 공급하고 배터리는 DC 링크 전압을 제어하는데 필요한 에너지를 공급하도록 했다. 그래프에서 보면 DC 링크 전압은 부하 변동에 대해서 잘 유지되고 있으며 동시에 무선 급전과 UC가 전력 지령에 따라 잘 동작하는 것을 확인할 수 있다.
- 2 이다. 급전 코일, 코어, 및 캐패시터에서 발생하는 총 손실은 입력 전력의 약 2%에 해당하는 것을 실험을 통해 확인했다.
- 3MW 정도 사용하고 정속 운전 중에는 100 ~ 200 kW 정도 소비 한다. 따라서 150m 정도 되는 짧은 가속 구간에 무선 급전이 전력을 공급해주고, 정속 운전 및 회생 시에는 배터리나 UC를 사용하면, 공사비를 획기적으로 줄일 수 있고, 배터리나 UC 수명도 크게 늘릴 수 있을 것으로 보인다.
- 효율측정 시스템의 구성은 아래 그림 29에 나타냈으며 그 측정 결과는 그림 30에 나타냈다. 부하가 커질수록 효율은 증가했으며 90% 부하일 때 시스템 효율은 약 90% 였다.
- 실험을 통해 급집전 코일의 코일간 효율은 총 95%가 나오는 것을 확인했다.
- 공진 주파수가 60kHz 로 높기 때문에 , 스위치는 1200V소자를 사용하고 대신 출력 단에 고주파 변압기를 부착한 것이다. 입력단의 4-leg DC/DC 컨버터는 약 96%, ZVS 인버터는 99%, 변압기는 98%의 효율을 가지고 인버터 전체 효율은 약 94%임을 실험으로 확인했다.
- 그림 24에는 부하 변동에 따른 효율을 측정해 표시했다. 정격 부하에서 약 83% 효율을 가지는 것을 확인했다. 파트별 효율을 살펴보면 Thyiistor 정류기의 효율이 약 93%, 공진 인버터 효율이 98%, 변압기 효율 99%, 급전 코일에서 픽업 출력까지의 효율이 91% 였다.
- 손실 원인 분석을 위해 그림 16에 측정된 각 파트별 효율을 나타냈다. 집전 측 출력단의 전압 제어용 레귤레이터의 효율이 95% 정도로 가장 낮았고, 그 다음으로 급집전 코일에서 발생하는 손실이 컸다. 그리고 인버터에서는 입력단의 4-leg DC/DC 컨버터가 큰 손실 원인 중의 하나였다.
- 정격 부하에서 약 83% 효율을 가지는 것을 확인했다. 파트별 효율을 살펴보면 Thyiistor 정류기의 효율이 약 93%, 공진 인버터 효율이 98%, 변압기 효율 99%, 급전 코일에서 픽업 출력까지의 효율이 91% 였다., 급전 선로가 길어 선로에서 발생하는 손실로 인해 코일 간 효율이 91% 정도로 낮았다.
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