[논문]전기철도차량 회생전력 활용 및 개선방안 - 서울도시철도 회생에너지 발생 및 활용을 중심으로 -

이준상; 박종헌; 김진영; 김기춘

[국내논문] 전기철도차량 회생전력 활용 및 개선방안 - 서울도시철도 회생에너지 발생 및 활용을 중심으로 -
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이준상 (서울도시철도공사 기술연구팀) , 박종헌 (서울도시철도공사 R&D본부) , 김진영 (서울도시철도공사 R&D본부) , 김기춘 (서울도시철도공사)

도시철도의 전동차는 변전설비로부터 전력을 공급받아 지상, 지하부의 다양한 선로조건(구배)를 지닌 선로를 운행하며, 열차 제동 시 많은 회생전력이 발생하고 있다. 회생제동은 에너지를 재활용 할 뿐만 아니라 기계식 브레이크의 사용을 줄이는 매우 이상적인 시스템이라고 할 수 있다. 또한 중요한 점은 회생제동이 가능한 시스템은 발생된 에너지가 어떤 정해진 흐름을 가지고 소모되고 재활용 가능하다는 것이다. 본 연구에서는 서울도시철도 선로구배도 검토 및 전동차 운행기록 분석, 전력공급소(변전소)의 전동차용 전력 공급반 전력분석 등으로 진행 되었다. 현재 운용중인 시스템 데이터의 분석을 통해 최적의 회생에너지 저장 시스템의 구축을 목표로 재활용 가능 에너지의 예측 및 분석을 시행 하였다.

An Electric railway system has the characteristics. The train powered by substations generates regenerative power when it runs on railway of various slope. A regenerative braking is an ideal system on account of reducing mechanical braking as well as recycling the energy. This study dealt with the line gradient review, train running records and power data out of substations in a bid to establish the efficient regenerative energy storage system.

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문제 정의

도시철도 운영기관의 기반시설 분석 및 전동차 운행 데이터 분석, 전력공급소 에너지 분석을 통하여 도시철도분야 전동차 운행의 핵심인 역행, 타행, 제동의 메커니즘의 해석과 이에 따르는 전력흐름 및 회생에너지 발생의 연관성을 분석하고자 한다.
전기철도의 발전은 곧 녹색에너지의 활용과 에너지 이용의 합리화를 동시에 이룰 수 있는 특징을 가지고 있으며, 도시철도분야 즉 전기철도 에너지 효율성의 확대는 친환경 도시와 녹색에너지 활용의 두 가지 목적을 이룰 수 있다는 목표로 본 연구를 진행 하였다.

제안 방법

위 표와 같이 해당구간 전력공급소의 열차운행선로 구간 최대구배 현황을 근거로 1개 구간을 선정하여 전동차 운행기록을 분석 하였다, 정거장(1)을 출발한 전동차는 다음 정차할 역까지 최대 30‰의 하 구배 선로를 운행하게 되며, 총 1626m의 거리 중 400m ∼ 450m 구간을 지나며 제동을 취급하게 된다.
2.3 전동차용 전력공급반 전력분석

전력공급소의 전동차 전력분석 데이터는 전동차용 급전차단기 공통 모선에서 전차선 전압을 계측 하였으며, 해당 급전차단기반에서 각각 4대의 전류 데이터를 추출하여 분석하였다. 이와 같은 측정은 변전소 기준으로 상·하선 좌·우측 방향 선로의 부하에 따른 전류흐름을 파악할 수 있다.

성능/효과

Feeder14의 부하전류 증가보다 Feeder11,12,13에서 발생된 회생전력이 전차선 전압의 상승요인으로 작용하였으며, 전차선 전압은 1,747〔V〕로 상승되었음을 보여준다.
도표 3은 5호선과 7호선의 최대 표고차와 구배(상, 하) 연속구간을 비교한 자료로써, 비교 결과는 5호선 화곡, 영등포시장, 을지로4가 변전소, 7호선 수락산, 건대, 상도 변전소 구간이 표고차 및 구배조건상 유리한 조건을 가지고 있음을 알 수 있다. 상기조건의 비교와 실제 회생전력의 경제성 및 기반조건과의 상관관계는 설치환경조사 및 정밀전력분석 작업을 통해 판단 가능할 것으로 검토 되었다.
그림 4. 분석구간의 전동차 운행 자료를 보면 기관사의 전동차 제동 취급과 동시에 전압이 상승하는 것을 볼 수 있으며, 정거장(1)과 정거장(2)의 열차속도와 가선전압의 변동을 보면 역행 시 열차부하 증가에 따른 전압강하와 제동 시 전압상승 또한 정거장 정차 시에도 전압의 상승 및 하강이 발생하고 있음을 볼 수 있다. 이는 선로 내 다양한 전압원이 존재하고 있음을 보여 주는 것이며 가선의 수용성 내에서 자연스러운 전력의 흐름을 가지고 재사용 및 소모 되고 있음을 보여주고 있다.
도표 3은 5호선과 7호선의 최대 표고차와 구배(상, 하) 연속구간을 비교한 자료로써, 비교 결과는 5호선 화곡, 영등포시장, 을지로4가 변전소, 7호선 수락산, 건대, 상도 변전소 구간이 표고차 및 구배조건상 유리한 조건을 가지고 있음을 알 수 있다. 상기조건의 비교와 실제 회생전력의 경제성 및 기반조건과의 상관관계는 설치환경조사 및 정밀전력분석 작업을 통해 판단 가능할 것으로 검토 되었다.

후속연구

또한 가선의 수용성의 확보는 전동차 기계식 브레이크의 동작을 줄여 관련 소모품의 절감 및 전력계통의 안정화를 가져 올 수 있고, 열차 정시운행과 정위치 정차에 기여할 것으로 판단된다.

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