[논문]교류전기철도 병렬급전 운영을 위한 위상조정장치 제어기법

이병복; 최규형

doi:10.5762/kais.2020.21.5.672

교류전기철도 병렬급전 운영을 위한 위상조정장치 제어기법
A Control Method of Phase Angle Regulator for Parallel-Feeding Operation of AC Traction Power Supply System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.672 - 678

이병복 (서울과학기술대학교 철도전기.신호공학과) , 최규형 (서울과학기술대학교 철도전기.신호공학과)

초록
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교류전기철도 급전시스템에 병렬급전방식을 적용할 경우, 전동차 부하로 인한 전압강하 및 최대순시부하를 감소시켜 급전구간을 연장하고 급전용량을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 변전소 간에 위상차가 있을 경우 순환전력이 발생하기 때문에 적용이 제한되며, 전동차 운행에 따른 부하 분포에 따라 변전소 부하 불균형이 커져서 급전용량이 저하되는 문제점이 있다. 본 논문에서는 변전소 위상차 및 전동차 부하분포에 따라 변동하는 순환전력을 실시간 제어하고 변전소 부하 불균형을 해소하기 위하여 사이리스터 제어 위상조정장치 (TCPAR: Thyristor Controlled Phase Angle Regulator, 이하 TCPAR)를 적용하는 방식을 제안하고, 이를 구현하기 위한 검토를 수행하였다. 전기철도 급전 시스템에 TCPAR을 적용하기 위한 제어 기법으로서, 변전소 공급전력을 입력으로 이용하여 변전소 위상차 및 전동차 부하 분포에 따라 변동하는 순환전력과 변전소 부하 불균형을 효과적으로 억제하는 제어모델을 제시하였다. PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션 결과, 전기철도 병렬급전에 제안한 TCPAR을 적용함으로써 변전소 위상차 및 전동차 부하분포에 따라 변동하는 순환전력 및 변전소 부하 불균형을 효과적으로 억제시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 제안 기법을 전기철도 병렬급전에 적용할 경우, 병렬급전 적용 범위를 확대하고 급전용량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The parallel-feeding operation of an AC traction power supply system has the advantages of extending the power supply section and increasing the power supply capacity by reducing the voltage drop and peak demand caused by a train operation load. On the other hand, the parallel-feeding operation is restricted because of the circulating power flow induced from the phase difference between substations. Moreover, the power supply capacity is limited because of the unbalanced substation load depending on the trainload distribution, which can be changed by the train operation along the railway track. This paper suggests a Thyristor-controlled Phase Angle Regulator (TCPAR) to reduce the circulating power flow and the unbalanced substation load, which depends on the phase difference and the trainload distribution and provides a feasibility study. A dedicated control model of TCPAR is also provided, which uses substation power supplies as the input to control the circulating power flow and an unbalanced substation load depending on the phase difference and the trainload distribution. Simulation studies using PSCAD/EMTDC shows that the proposed TCPAR control model can reduce the circulating power flow and the unbalanced substation load depending on the phase difference and the trainload distribution. The proposed TCPAR can extend the parallel-feeding operation of an AC traction power system and increase the power supply capacity.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Equivalent circuit of parallel-feeding power system
그림 Fig. 2. Configuration of TCPAR
그림 Fig. 4. PSCAD/EMTDC simulation model of traction power system with a TCPAR
그림 Fig. 3. TCPAR control logic
그림 Fig. 5. PSCAD/EMTDC simulation model of TCPAR
그림 Fig. 6. Simulation results(phase difference=0°)
표 Table 1. Specifications of traction power supply system
그림 Fig. 7. Simulation results(phase difference=5°)
그림 Fig. 8. Simulation results(phase difference=10°)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기철도 병렬급전에서 변전소 위상차및 전동차 위치에 따라 변동하는 순환전력 및 변전소 부하 불균형을 실시간으로 제어하기 위하여, 사이리스터 제어위상조정장치(TCPAR: Thyristor-controlled Phase Angle Regulator, 이하 TCPAR)를 적용하는 방식을 제안한다[12]. 또한 TCPAR의 제어방식으로서, 변전소 위상차를 최소화하도록 제어하는 대신에, 변전소 공급전력을 입력으로 이용하여 변전소 부하 불균형을 최소화하도록 제어하는 방식을 제안한다.

제안 방법

TCPAR은 계통전압과 90° 위상차의 전압원을 발생시키고 이를 직렬변압기를 통하여 선로에 공급하도록 하였으며, 전압원의 크기를 제어하여 위상조정각도를 조정하였다.
교류전기철도 급전시스템을 병렬급전방식으로 운영하기 위하여 TCPAR 적용을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
기법 전기철도 병렬급전시스템에서 순환전력을 감소시키기 위한 TCPAR 제어기법으로서 다음 두 가지 방식을 검토한다.
본 논문에서는 전기철도 병렬급전에서 변전소 위상차및 전동차 위치에 따라 변동하는 순환전력 및 변전소 부하 불균형을 실시간으로 제어하기 위하여, 사이리스터 제어위상조정장치(TCPAR: Thyristor-controlled Phase Angle Regulator, 이하 TCPAR)를 적용하는 방식을 제안한다[12]. 또한 TCPAR의 제어방식으로서, 변전소 위상차를 최소화하도록 제어하는 대신에, 변전소 공급전력을 입력으로 이용하여 변전소 부하 불균형을 최소화하도록 제어하는 방식을 제안한다. 제안 방식에서는 전기철도 병렬급전시스템에서 순간적으로 변동하는 순환전력을 실시간으로 억제함과 동시에, 변전소 부하 불균형을 해소시켜 변전소 설비 이용률을 향상시키고 급전용량을 증대시킬 수 있다.
TCPAR에 대한 제어방식으로서, 변전소 위상차를 최소화하도록 제어하는 방식은 전동차 부하 분포에 따른 순환전력 변동을 효과적으로 제어하기 곤란하다. 이에 따라 변전소 공급전력을 입력으로 하여 순환전력을 제어하는 방식을 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 유용성을 확인 하였다. 제안 방식에서는 변전소 위상차 및 전동차 부하 분포에 따른 순환전력의 제어와 더불어 변전소 부하 불균형을 최소화시킬 수 있다.
전동차는 12[MW]의 고정부하모델을 이용하여, 위상이 앞선 변전소#1 근처에서 위상이 늦는 변전소#2 근처로 전동차 위치를 이동시키면서, 순환전력 발생 및 TCPAR을 통한 순환전력 제어효과를 분석하였다. 변전소 위상차에 따른 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.
TCPAR은 계통전압과 90° 위상차의 전압원을 발생시키고 이를 직렬변압기를 통하여 선로에 공급하도록 하였으며, 전압원의 크기를 제어하여 위상조정각도를 조정하였다. 전압원의 제어는 Fig.3에 보이는 것처럼 양단의 변전소 공급전력(P₁,P₂ )를 입력으로 하여, 그 차이를 최소화하도록 PI제어방식으로 제어하였다.
제안 방식에서는 전기철도 병렬급전시스템에서 순간적으로 변동하는 순환전력을 실시간으로 억제함과 동시에, 변전소 부하 불균형을 해소시켜 변전소 설비 이용률을 향상시키고 급전용량을 증대시킬 수 있다. 제안한 TCPAR 제어기법을 국내 대표적인 교류전기철도 급전시스템에 적용하고, PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 유용성을 확인한다[13].

대상 데이터

제안한 전기철도 병렬급전에서의 TCPAR 제어기법을 검증하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용하여 시뮬레이 션을 수행하였다. 여기서 시뮬레이션 대상 전기철도시스 템의 변전소 및 전차선로의 선로정수는 국내에서 운영 중인 전기철도시스템에서 측정된 선로파라메터를 Table 1과 같이 적용하였다[14].

데이터처리

제안한 전기철도 병렬급전에서의 TCPAR 제어기법을 검증하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용하여 시뮬레이 션을 수행하였다. 여기서 시뮬레이션 대상 전기철도시스 템의 변전소 및 전차선로의 선로정수는 국내에서 운영 중인 전기철도시스템에서 측정된 선로파라메터를 Table 1과 같이 적용하였다[14].

이론/모형

4에 보인다. 여기서, 스코트변압기로 구성된 변전소는 별도의 모듈로 구성하였으며, 전차선과 레일, 급전선으로 구성된 전차선로는 mutually coupled 3 wires 모델을 이용하여 Table 1의 선로파라메터를 적용하였다[15,16].

성능/효과

이상과 같은 제어방식을 적용할 경우, 변전소 위상차를 포함하여 전동차 부하위치 변동에 따라 순환전력발생이 변동하는 것을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 전동차 부하를 양쪽 변전소에 균등하게 분담시켜 부하 불균형을 감소시킴으로서 변전소 피크 부하를 감소시키고 설비 이용률을 향상시켜 병렬급전 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 변전소 위상차는 정확하게 검지하기가 곤란한 반면에, 변전소 공급전력은 검지하기가 비교적 용이하여 제어기를 상대적으로 구현하기 용이하다는 장점도 있다.
이상과 같은 제어방식을 적용할 경우, 변전소 위상차를 포함하여 전동차 부하위치 변동에 따라 순환전력발생이 변동하는 것을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 전동차 부하를 양쪽 변전소에 균등하게 분담시켜 부하 불균형을 감소시킴으로서 변전소 피크 부하를 감소시키고 설비 이용률을 향상시켜 병렬급전 효과를 극대화할 수 있다.
이에 따라 변전소 공급전력을 입력으로 하여 순환전력을 제어하는 방식을 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 유용성을 확인 하였다. 제안 방식에서는 변전소 위상차 및 전동차 부하 분포에 따른 순환전력의 제어와 더불어 변전소 부하 불균형을 최소화시킬 수 있다.
또한 TCPAR의 제어방식으로서, 변전소 위상차를 최소화하도록 제어하는 대신에, 변전소 공급전력을 입력으로 이용하여 변전소 부하 불균형을 최소화하도록 제어하는 방식을 제안한다. 제안 방식에서는 전기철도 병렬급전시스템에서 순간적으로 변동하는 순환전력을 실시간으로 억제함과 동시에, 변전소 부하 불균형을 해소시켜 변전소 설비 이용률을 향상시키고 급전용량을 증대시킬 수 있다. 제안한 TCPAR 제어기법을 국내 대표적인 교류전기철도 급전시스템에 적용하고, PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 유용성을 확인한다[13].

후속연구

향후 고속철도 등 대용량 교류전기철도 급전시스템에 제안한 TCPAR을 적용하여 병렬급전방식을 도입하기 위한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교류급전방식이 도시철도를 제외한 일반 철도와 고속 철도에 널리 적용되는 이유는 무엇인가?	전기철도에서 교류급전방식은 직류급전방식에 비해전압이 높고 급전용량이 크기 때문에 도시철도를 제외한 일반철도와 고속철도에 널리 적용되고 있다. 그러나 교류 급전방식에서는 변전소 사이에 위상차가 존재할 수 있기 때문에, 복수의 변전소로부터 병렬로 전력을 공급하기 곤란하다.
	일반 철도와 고속 철도에서 단독급전방식을 채택하는 이유는 무엇인가?	전기철도에서 교류급전방식은 직류급전방식에 비해전압이 높고 급전용량이 크기 때문에 도시철도를 제외한 일반철도와 고속철도에 널리 적용되고 있다. 그러나 교류 급전방식에서는 변전소 사이에 위상차가 존재할 수 있기 때문에, 복수의 변전소로부터 병렬로 전력을 공급하기 곤란하다. 이에 따라 급전선로를 구간별로 구분하고 하나의 변전소에서 하나의 급전구간에 급전하는 단독급전방식을 채택하고 있다[1,2].
	병렬급전방식 전기철도 급전시스템에 TCPAR을 적용하면 TCPAR은 어떤 역할을 하는가?	2에 보이는 TCPAR을 적용한다. TCPAR은 사이리스터 제어방식을 이용하여 선로전압과 90° 위상차를 갖는 전압원을 회로에 직렬로 공급함으로서 계통전압의 위상을 실시간으로 제어할 수 있다.

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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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