[논문]정전압 DC 급전시스템에서의 회생전력

정상기; 이병송; 정락교; 박성혁; 김국진

정전압 DC 급전시스템에서의 회생전력
Regenerated Power in Fixed voltage DC Electric Power Supply System 원문보기

정상기 (한국철도기술연구원 경량전철연구팀) , 이병송 (한국철도기술연구원 경량전철연구) , 정락교 (한국철도기술연구원 경량전철연구) , 박성혁 (한국철도기술연구원 경량전철연구) , 김국진 (현대중공업 기전연구소)

In this study we examined the method to estimate numerically the amount of the regenerated power and the excess regenerated power produced in the DC electric power supply system for the urban light rail transit system. And their economic feasibilities are also studied. For this study DC electric power supply system is simulated and the numerical analysis of the regenerated power and the excess regenerated power are conducted. The study result on the sample system shows that the facility to consume the excess regenerated power or the inverting equipment to reuse the excess regenerated power in the electric substation is feasible economically.

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문제 정의

시스템을 비교 선정할 때는 기술적 타당성, 경제적 타당성이 비교 검토되며, 또한 시스템의 신뢰성 및 안정성이 보다 우선하여 고려될 것이다. 본문에서는 위의 4가지 방법의 경제성의 비교 검토에 필요한 자료를 제시한다. 즉 열차가 얼마만큼의 회생전력을 내고 잉여회생전력은 얼마나 되나? 에 관한 열차운행 시뮬레이션 결과를 제시한다.

제안 방법

이 2가지 경우 모두 다 차량의 DC단 전압이 일정수준 이상이 되면 회생제동이 더 이상 가능하지 않게 된다. 본 시뮬레이션에서는 전자의 차량을 모의하였다. 즉 차량의 DC 전압이 일정수준 이상이 되면 더 이상은 오르지 못하도록 제어하도록 하였다.
그러나 단방향 다이오드 정류기를 채택하고 있는 급전변전소에서는 다이오드가 역 바이어스 되어 사실상 급전변전소의 전원은 시스템으로부터 분리된다. 시뮬레이션에서도 조류계산 후에 각 변전소의 전압을 검토하여 시스템전 압(무부하 전압)보다 높으면 변전소전원을 시스템에서 분리시키고 다시 조류계산을 하였다. (그림1 참조)
본 시뮬레이션에서는 전자의 차량을 모의하였다. 즉 차량의 DC 전압이 일정수준 이상이 되면 더 이상은 오르지 못하도록 제어하도록 하였다.

대상 데이터

시뮬레이션에서 차량의 최대허용전압은 시스템 전압의 110%로 하였고, 110%시스템전압에서 완전회생 제동이 안 되는 경우(회생제동과 기계식제동의 혼합)는 회생에너지가 전부 이용 안 되는 것으로 간주하였다. 시뮬레이션에서 이용되는 차량운전곡선은 차량이 목표노선을 30km/h의 표정속도로 주행할 경우의 운전곡선을 이용하였다. TPS 결과 및 운전곡선은 도표_1 및 그림_2 와 그림-3과 같다.
시뮬레이션에서 적용한 노선, 전력 공급시스템 및 차량은 한국철도기술연구원에서 개발하고 있는 차량과 목표노선, 전력공급시스템을 이용하였다(이 후 참조시스템이라 함)[1]. 시뮬레이션에서 차량의 최대허용전압은 시스템 전압의 110%로 하였고, 110%시스템전압에서 완전회생 제동이 안 되는 경우(회생제동과 기계식제동의 혼합)는 회생에너지가 전부 이용 안 되는 것으로 간주하였다.
즉 열차가 얼마만큼의 회생전력을 내고 잉여회생전력은 얼마나 되나? 에 관한 열차운행 시뮬레이션 결과를 제시한다. 시뮬레이션은 한국철도기술 연구원에서 수행중인 경량전철 기술개발사업의 목표노선과 개발차량의 특성을 이용하였다.

성능/효과

(2) 차량에 장착된 저항기로 소모시킨다. (3) 변전소에 설치되어 있는 저항기에서 소모된다 (4) 회생제동이 기계식제동으로 전환된다. 위의 4가지 방법 중에서 (1)의 방법은 가장 바람직하나 설비투자비용이 제일 크고, 전환된 AC 전압에 고조파가 포함되어 사용에 제한이 있으며 (2) 및 (3)의 방법은 설치비는 (1)의 방법에 비해 저렴하나 잉여회생에너지가 활용되지 않고 버려지므로 그만큼 비경제적이다.
위의 4가지 방법 중에서 (1)의 방법은 가장 바람직하나 설비투자비용이 제일 크고, 전환된 AC 전압에 고조파가 포함되어 사용에 제한이 있으며 (2) 및 (3)의 방법은 설치비는 (1)의 방법에 비해 저렴하나 잉여회생에너지가 활용되지 않고 버려지므로 그만큼 비경제적이다. (4)의 방법은 설치비는 없으나 잉여회생에너지가 활용되지 않고 버려지고 기계식제동장치가 더 자주 동작함으로서 기계식 제동장치의 유지보수비용이 더 커진다. 시스템을 비교 선정할 때는 기술적 타당성, 경제적 타당성이 비교 검토되며, 또한 시스템의 신뢰성 및 안정성이 보다 우선하여 고려될 것이다.
위와 같은 분석 방법을 통하여 DC 전기철도의 급전변전소에서의 잉여회생전력을 위한 인버터 설비 흑은 저항기의 설치 여부에 대한 경제성 검토가 수행될 수 있다. 본문의 분석에 의하면 경량전철 급전시스템에는 잉여회생전력의 소모를 저항기를 설치하芝 것이 타당하다고 판단되며 나아가서 잉여희생전력을 활용할 수 있는 인버터 설치도 경제성 있다고 판단된다. 다만 인버터 설치에는 경제성 외에 유해전자파 및 고조파 문제가 있으므로 기술적 검토 혹은 개발이 병행되어야 한다.
시뮬레이션에서 적용한 노선, 전력 공급시스템 및 차량은 한국철도기술연구원에서 개발하고 있는 차량과 목표노선, 전력공급시스템을 이용하였다(이 후 참조시스템이라 함)[1]. 시뮬레이션에서 차량의 최대허용전압은 시스템 전압의 110%로 하였고, 110%시스템전압에서 완전회생 제동이 안 되는 경우(회생제동과 기계식제동의 혼합)는 회생에너지가 전부 이용 안 되는 것으로 간주하였다. 시뮬레이션에서 이용되는 차량운전곡선은 차량이 목표노선을 30km/h의 표정속도로 주행할 경우의 운전곡선을 이용하였다.

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