초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
○ 하루 1MWh 이상의 회생전력 회수를 통하여 연간 CO₂ 발생량 320ton 이상을 저감시킬 수 있는 1MW급 전동차 회생에너지시스템을 개발하여 상용화하는 것을 목표로 함.

□ 전체 내용
○ 직렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 도시철도 및 경전철, 중전철 등에 모두 적용 가능한 제품의 개발
○ 병렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 용량 변동성을 가지는 회생에너지시스템 제품의 개발
○ 차세대 반도체 소자를 적용한 회생전력 변환

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
○ 하루 1MWh 이상의 회생전력 회수를 통하여 연간 CO₂ 발생량 320ton 이상을 저감시킬 수 있는 1MW급 전동차 회생에너지시스템을 개발하여 상용화하는 것을 목표로 함.

□ 전체 내용
○ 직렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 도시철도 및 경전철, 중전철 등에 모두 적용 가능한 제품의 개발
○ 병렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 용량 변동성을 가지는 회생에너지시스템 제품의 개발
○ 차세대 반도체 소자를 적용한 회생전력 변환장치의 사이즈 축소 및 효율향상을 실현한 제품의 개발
○ 국산화 비중 60% 이상의 회생에너지시스템 개발
○ 재생에너지 및 ESS 시스템 연계가 가능한 분산전원 연계형 시스템 개발
○ IoT 기술의 융합을 통하여 실시간 원격운영 및 모니터링이 가능한 시스템 개발
○ 실증운영을 위한 테스트베드 구축 및 장기간 실증운영
○ 장기간의 실증데이터를 통한 성능 및 운영효과 검증

□ 1단계(1,2 차년도)(‘21.04~’22.12)
◎ 목표
○ 주관연구기관(지필로스)
■ 실증 사이트 분석(구조, 계통도, 환경 등)
■ 실증 사이트 구축 도면 설계 및 환경조성 공사
■ 회생에너지 시스템 설계(전체 구조 설계)
■ 회생에너지 전력변환장치 상세설계
■ 회생에너지 시스템 제작
■ 실증 사이트 구축
■ 가선 전압 연계 실증 Test
■ 원격 모니터링 및 진단 기술 적용 Test
○ 공동연구기관(서울교통공사)
■ 실증대상 사이트 선정 및 제공
■ 실증사이트 배전망구성 분석 및 회생시스템 연계방안 도출
■ 회생에너지 데이터 수집 및 분석
■ 회생에너지시스템 목표사양 기준 도출
■ 회생에너지시스템 디자인(안전성 및 운영 편의성 강화)
■ 시스템 현장구축 지원

◎ 내용
○ 주관연구기관(지필로스)
■ 실증 사이트 분석(구조, 계통도, 환경 등)
- 실증후보: 광나루(5호선), 남성(7호선) 수락산(7호선) 변전소
- 실증후보 사이트 구조 및 계통도 분석
- 실증 사이트 선정
■ 실증 사이트 구축 도면설계 및 환경조성 공사
- 실증사이트 부지 및 설치환경 조사
- 실증사이트 수전 및 송전 환경 분석
- 실증사이트 전력망 구성 검토 및 계통연계 접속점 위치 선정
- 실증사이트 환경 조성공사
- 회생시스템 설비 배치도 설계 및 기초공사
- 전력 배선도 설계 및 전기공사
■ 회생에너지 시스템 설계(전체 구조 설계)
- 회생시스템 용량 및 구성방식 설계
- 회생시스템 전체구조 및 전원라인 설계
- 회생컨버터 모듈 Optic Interface 설계
- Aux 전원공급 및 상시전원 & UPS 전원라인 설계
- 통합제어기 및 상위 통신 제어기 설계
- 회생컨버터 모듈화 구조설계 및 Rack Panel 설계
- DC Incoming Panel 설계
- 회생인버터 설계 및 AC Incoming Panel 설계
- 회생시스템 모듈화 운전 알고리즘 설계
■ 회생에너지 전력변환장치 상세설계
- Simulation을 통한 컨버터, 인버터 H/W 및 S/W 설계 및 검증
- 차세대 반도체(WBG) 적용 컨버터, 인버터 회로설계
- WBG 반도체 구동용 고속 스위칭 Gate Driver 설계
- WBG 반도체 적용 전력회로 및 Stack 설계
- 열 시뮬레이션 해석을 통한 방열구조 설계 및 검증
■ 회생에너지 시스템 제작
- Capacitor Bank 모듈 설계 및 제작
- 20kW급 회생 컨버터 모듈 제작
- 회생 컨버터 Rack Panel 제작
- DC Incoming Panel 제작
- 100kW급 회생 인버터 및 AC Incoming Panel 제작
- 1MW급 회생 시스템 제작
■ 실증 사이트 구축
- 회생에너지 시스템 Room 구축 및 시스템 현장 구축 공사
- 회생에너지 시스템 가선전압(수전) 및 변전소(송전) 연결 공사
- 회생에너지 시스템 - 내부 전력 배선 공사
- 회생에너지 시스템 - AUX 및 통신 배선 공사
- 회생에너지 시스템 - 환기 및 공조 설비 공사
- 회생에너지 시스템 - 화재 및 안전 관련 설비 설치 공사
■ 가선 전압 연계 실증 Test
- 가선 전압 변동성 분석
- 전동차 회생에너지 발전 시 가선전압 운전 Level 설정
- 100kW Unit 단위 제품 운전 - 시스템 안전성 검토
- 1MW 정격 운전 시험을 통한 - 가선 전압 변동성 및 안전성 시험
■ 원격 모니터링 및 진단 기술 적용 Test
- 회생에너지 시스템 원격 운전 모니터링 시스템 설계
- 회생에너지 시스템 원격 운전 통신프로토콜 설계
- 원격 모니터링 및 진단 기술 적용 시험
○ 공동연구기관(서울교통공사)
■ 실증대상 사이트 선정 및 제공
- 실증대상 후보사이트 입지분석
- 시스템 설치공간 확보 가능여부 검토
- 전차선 가선 및 전력계통 연계 난이도 검토
- 회생에너지 데이터 확보 가능여부 검토
- 비상 시 안전 확보 및 조치 용이성 검토
■ 실증사이트 배전망 구성 분석 및 회생시스템 연계방안 도출
- 실증 사이트 가선 배전망 구성 분석
- 실증 사이트 전력계통 배전망 구성 분석
- 회생시스템 직류/교류 연계 접속점 검토 및 선정
- 회생시스템 배전망 연계 구성도 설계
■ 회생에너지 데이터 수집 및 분석
- 회생에너지 발생 데이터 수집
- 회생에너지 발생량 분석(시간별, 일별, 주별, 월별, 발생주기)
■ 회생에너지시스템 목표사양 기준 도출
- 회생에너지 분석결과에 따른 시스템 개발사양 도출
(평균 발생량, 최대발생량, 발생주기, 시간별/일별 발생량 등)
- 회생시스템 성능기준 및 안전기준 도출
■ 회생에너지시스템 디자인(안전성 및 운영 편의성 강화)
- 시스템 안전성 및 운영 편의성을 고려한 외관 및 구조 디자인
- 디자인 데이터 주관기관 제공 및 시스템 설계반영 지원
■ 시스템 현장구축 지원
- 시스템 설치사이트 현장구축 지원 및 공사 진행

□ 2단계(3 차년도)(‘23.01~’23.12)
◎ 목표
○ 주관연구기관(지필로스): 3차년도
■ 장기운전 시험 및 시스템 최적화
■ 원격 모니터링 시스템 최적화
■ 안전, 운영, 유지보수 매뉴얼 작성
■ 회생에너지 시스템 실증 운전 - 경제성 분석
■ 성능평가 기준 도출 및 평가
○ 공동연구기관(서울교통공사): 3차년도
■ 회생시스템 현장 실증운영
■ 회생시스템 실증운영 데이터 수집 및 분석
■ 회생시스템 실증운영 데이터 분석을 통한 평가
■ 성능 및 안전성 평가기준 도출
■ 시스템 운영 절차서, 안전 매뉴얼 도출
■ 회생시스템 사업화 지원

◎ 내용
○ 주관연구기관(지필로스)
■ 장기운전 시험 및 시스템 최적화
- 회생에너지 운영에 데이터 분석 - 시스템 H/W 최적화
- 회생에너지 운영에 데이터 분석 - 시스템 운영 알고리즘 최적화
■ 원격 모니터링 시스템 최적화
- 장기 운전 실증 시험 -> 모니터링 구성 화면 최적화
- 장기 운전 실증 시험 -> 원격 모니터링 기능 최적화
- 원격 운전 시스템 최적 및 안정화 검증
■ 안전, 운영, 유지보수 매뉴얼 작성
- 시스템 설치 안전 매뉴얼 작성
- 시스템 운영 안전 매뉴얼 작성
- 시스템 유지 보수 계획서 및 매뉴얼 작성
○ 공동연구기관(서울교통공사)
■ 회생에너지 시스템 실증운전
- 경제성분석 및 탄소 저감량 분석
- 시간, 요일, 월별 회생에너지 발생량 패턴 분석
- 지하철 운행 및 승객 이용률에 따른 회생에너지 발생량 데이터 분석
- 회생에너지 발생량에 따른 탄소 저감량 분석

※ 연구개발성과

※ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 연구개발 성과 활용계획
■ 전동차량에서의 회생에너지원으로부터 전력을 공급받아 도시철도 역사의 부하에 직접 공급함으로써 역사 내의 전력사용량을 줄이는 시스템을 개발함으로써 국가차원의 전력공급의 불안정성을 개선할 수 있는 보다 능동적인 방안으로 활용할 수 있음
■ 도시철도 역사의 전동차 회생시스템은 도시철도 운영기관에서 능동적인 에너지 절감대책으로 활용할 수 있으며, 전력요금 절감을 통한 운영비 개선에 기여할 수 있음
■ 전동차 회생시스템의 통합 검증을 위한 국제화된 성능평가 기준 마련으로 국가인증제도 확보를 통한 국내인증 기반을 마련할 수 있으며 성능평가 관련 선진기술의 습득과 평가 기준 검토를 통한 독자적 평가기준을 마련하여 핵심부품 개발업체의 신뢰성을 확보시킬 수 있음
■ 도시철도 역사 에너지 절감기술의 검증을 통해 향후 도시철도 운영 효율화를 위해 도시철도 관련 법규/기준 등 제도 수립에 기초 자료로 활용할 수 있음
■ 에너지 성능 기반의 도시철도 역사 테스트베드 구축 및 운영을 통한 도시철도 종사자 및 이용객의 도시철도 에너지 절감 방안에 대한 홍보 및 도시철도 운영기관의 이미지 개선 수단으로 활용

○ 연구개발 성과 기대효과
■ 서울 지하철 변전소 1개소 기준 연간 약 360MWh 정도의 회생전력 활용을 통해 연간 약 320ton의 CO₂ 저감 효과를 기대할 수 있음. 이를 전국의 지하철 변전소에 260여 개소에 모두 적용할 경우 약 83,000 ton의 CO₂ 저감 효과를 기대할 수 있음
■ 지하철, 경전철 등 도시철도 운영기관에서의 에너지 절감대책 및 능동적인 에너지 절감 및 활용 대책으로 활용
■ 도시철도 에너지 절감 관련 제도개선 및 신규시장 확보방안으로 활용
■ 회생에너지와 신재생에너지원 및 전력저장장치를 연계한 에너지절감 시스템 활용기술 확보
■ 지하철 변전소 기준 1개소당 연간 6000만원 ~ 1억원 내외의 전력요금 절감효과 기대
■ 국가차원의 에너지 절감대책 및 기후변화 대응기술 확보

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 9
• 2) 연구개발과제의 단계별 목표 ... 12
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 85
• 1) 연구수행 결과 ... 85
• 2) 목표 달성 수준 ... 104
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 105
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 106
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 107
• 1) 연구성과 총괄 ... 107
• 2) 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 109
• 끝페이지 ... 111