2.1 전기철도계통 및 스마트 부하 밸런싱 시스템 개요

그림 1은 전기철도계통 및 스마트 부하 밸런싱 시스템 회로도를 나타내었다⁽⁵⁾. 전기철도계통은 한국전력에서 공급하는 3상 전원을 스코트 변압기를 통하여 M상과 T상인 2개의 55 [kV] 단상 계통으로 변압한다. 각 상에는 전압강하를 감소하기 위하여 보조급전구분소(SSP, Sub Sectioning Post), 급전구분소(SP, Sectioning Post)로 구성된다.

또한 단권변압기(AT, Auto Transformer)를 이용하여 중성점을 설정하여 레일을 연결하고, 나머지 두 선을 각각 전차선(Trolley), 급전선(Feeder)로 구분한다. 스코트변압기를 통한 변압방식의 특성상 한 쪽에 부하가 집중될 경우, 부하 불평형이 발생한다.

이 같은 부하 불평형 현상을 제거하기 위하여 스마트 부하 밸런싱 시스템을 일본에서는 적용하고 있으며, 국내에서도 이를 적용하기 위한 연구를 수행하고 있다.

그림. 1. 전기철도계통 및 스마트 부하 밸런싱 시스템 회로도

Fig. 1. Electric rail feeder system and smart load balancing system circuit diagram

전기철도계통의 불평형을 해소하기 위한 스마트 부하 밸런싱 시스템은 보통 2개의 인(컨)버터를 연결하고 DC-Link 단을 포함하는 Back to back 형태를 취한다. 그림 2는 스마트 부하 밸런싱 시스템의 회로도를 나타내었다⁽⁶⁾.

그림. 2. 스마트 부하 밸런싱 시스템 회로도

Fig. 2. Smart load balancing system circuit diagram

2.2 스마트 부하 밸런싱 시스템 동작특성 분석

스마트 부하 밸런싱 시스템은 일반적으로 M상과 T상의 전압을 비교하여 동작을 수행한다. 급격하게 철도차량의 부하가 증가하거나 갑자기 회생이 발생했을 때 각 상(Phase)에 흐르는 전류를 계산을 통하여 양분하여 불평형이 발생하지 않도록 동작한다. 수식의 부호는 전력을 소모할 때 (-), 회생할 때 (+)로 나타내었다.

2.2.1 패턴 1 (한 상에 부하 집중)

그림 3은 스마트 부하 밸런싱 시스템의 패턴 1 동작을 나타내었다.

그림 3에서는 T상에만 부하가 존재할 때의 상황을 나타내었으며 원 부하(-$P_{po}$)의 1/2(-$P_{po}$/2) 씩 각 상에 전류를 흘려 불평형이 발생하지 않도록 제어한다.

그림. 3. 스마트 부하 밸런싱 시스템 동작 (패턴 1)

Fig. 3. Smart load balancing system operation (pattern 1)

2.2.2 패턴 2 (T상 역행, M상 역행)

그림 4는 스마트 부하 밸런싱 시스템의 패턴 4 동작을 나타내었다. 그림에서는 T상과 M상 모두에서 역행이 발생할 때의 상황을 나타내었으며, 스마트 부하 밸런싱 시스템은 각 상의 전압 차를 이용하여 동작하게 된다. 각 상의 전력소모량은 T상에서 $-P_{po}-P_{d{if}f}$, M상에서 $-P_{po}+P_{d{if}f}$가 되며 총 소모되는 전력량은 수식 (1)을 따른다.

(1)

$$-P_{po}-P_{d{if}f}-P_{po}+P_{d{if}f} = -2P_{po}$$

수식 (2)에서 도출된 전력소모량이 M상과 T상으로 나누어지므로 각 상에는 -2$P_{po}$/2 = -$P_{po}$ 만큼의 전력이 소모되며 불평형이 발생되지 않는다.

그림. 4. 스마트 부하 밸런싱 시스템 동작 (패턴 2)

Fig. 4. Smart load balancing system operation (pattern 2)

2.2.3 패턴 3 (T상 회생, M상 역행)

그림 5는 스마트 부하 밸런싱 시스템의 패턴 3 동작을 나타내었다. 그림에서는 T상에서 역행, M상에서는 회생이 발생할 때의 상황을 나타내었으며 일반적으로 역행의 전력량이 회생의 전력량보다 크므로 이를 계산하여 스마트 부하 밸런싱 시스템은 동작하게 된다.

M상과 T상에는 (-$P_{po}+P_{re}$)/2 만큼씩 전력이 소모되고 T상의 철도차량에서 소모되는 전력은 수식 (2)를 따르며 패턴 1의 전력소모와 동일함을 확인할 수 있다.

그림. 5. 스마트 부하 밸런싱 시스템 동작 (패턴 3)

Fig. 5. Smart load balancing system operation (pattern 3)

(2)

$$(\dfrac{-P_{po}+P_{re}}{2})\times 2 - P_{re} = -P_{po}$$

3.1 스마트 밸런싱 시스템 동작 시뮬레이션

그림 6은 스마트 밸런싱 시스템이 미적용한 상황에서 전기철도계통 T상에 부하가 집중되었을 때의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 표 1과 같다⁽⁵⁾.

T상에만 부하를 연결하였기 때문에, 전류는 T상에만 흐르는 것을 확인할 수 있다. 부하는 시스템의 추이를 확인하기 위하여 저항부하를 이용하였으며, 총 유효전력은 약 7.56 MVA이다.

그림. 6. 스마트 밸런싱 시스템 미적용 전기철도계통 T상 편부하 시뮬레이션 결과 (X축 : 시간(s), Y축 : 전압(V))

Fig. 6. Electric railway feeder system T-phase single load simulation result without smart balancing system

그림 7은 스마트 밸런싱 시스템을 적용한 상황에서 전기철도계통 T상에 부하가 집중되었을 때의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시스템의 응답성을 확인하기 위하여 0.5s 시점에 전철변전소(SS, Substaion), 3.5s에 보조급전구분소(SSP, Sub Sectioning Post)에 각각 7.56MVA에 해당하는 저항부하가 적용되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 7(a)는 변전소의 M,T상의 전류를 나타내었으며, 전류의 크기가 미세한 차이를 보이지만 정상상태에서 거의 동일한 것을 확인할 수 있다. 그림 7(b)는 스마트 밸런싱 시스템의 M, T상의 입력전류를 나타내었으며, 전류의 크기는 그림 7(a)와 같이 정상상태에서 크기가 거의 같은 것을 확인 할 수 있다. 하지만 약 20:1의 변압기를 사용하므로 전류가 20배 가량 상승한 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 7(a), (b)에서 2s, 4.5s 부하가 탈락 할 때, M상의 전류가 갑자기 크게 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 제어 중에 부하가 갑자기 탈락하게 되어 DC-Link가 갑자기 상승하여 원래 흐르던 방향과는 반대방향으로 전류가 흐르기 때문이다. 이 같은 현상은 철도차량이 제어될 때는 발생하지 않을 것으로 예상되지만, 철도급전시스템 특성상 사고 등의 변수가 있어 충분히 고려되어야 하는 상황이라고 판단된다.

그림 7(c)는 스마트 밸런싱 시스템의 DC-Link 전압을 나타내었으며, 부하가 갑자기 제거되는 2s, 4.5s에서 전압 상승이 발생하나, 이후에 다시 4,400V로 제어되는 것을 확인할 수 있다.

그림. 7. 스마트 밸런싱 시스템 적용 전기철도계통 T상 편부하 시뮬레이션 결과 (X축 : 시간(s), Y축 : 전류(A))

Fig. 7. Electric railway feeder system T-phase single load simulation result with smart balancing system

3.2 전기철도계통 M상과 T상의 전압 오차 시뮬레이션

그림 8은 약 7.56 MVA의 부하조건에서 스마트 밸런싱 시스템 적용과 미적용에 따른 전기철도계통 M상과 T상 전압 오차를 나타내었다. 전기철도계통의 시뮬레이션 회로도는 그림 2를 참조하였으며, 파라미터는 다음 표 2와 같다.

그림. 8. 스마트 밸런싱 시스템 적용/미적용에 따른 전기철도계통 M상과 T상 전압 오차 (7.56 MVA) (X축 : 시간(s), Y축 : 전압(V))

Fig. 8. Simulation result according to application of smart balancing system (7.56 MVA)

시뮬레이션의 조건은 M상과 T상의 선로파라미터를 동일하게 적용하였으므로, 각 상의 전압차가 0에 가까울수록 안정적인 시스템이다. 그림 8의 0~0.5s의 범위에서는 스마트 밸런싱 시스템이 초기 동작하면서 DC-Link를 충전할 때 발생하는 전압차이므로 전압차에 대한 분석의 의미는 없고, 단지 시스템 동작의 일부분으로 스마트 밸런싱 시스템이 기동됨을 확인할 수 있는 부분이다. 그림 8(a), (b), (c) 조건 모두 0.5s 시점에 전철변전소(SS, Substaion), 3.5s에 보조급전구분소(SSP, Sub Sectioning Post)에 각각 7.56 MVA에 해당하는 저항부하가 적용되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 약 7.56 MVA 부하조건에서는 전철변전소, 보조급전구분소, 급전구분소 모두에서 스마트 밸런싱 시스템이 적용되지 않았을 때보다 적용되었을 때 전압차가 적은 것을 확인할 수 있었다.

하지만 전철변전소에서 급전구분소로 갈수록 스마트 밸런싱 시스템 적용시와 미적용시의 전압차의 최소 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 전철변전소에서 약 100 V, 보조급전구분소에서 약 50V, 급전구분소에서 약 20 V의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 적용시와 미적용시의 전압차가 적을수록 밸런싱 시스템의 역할의 필요성이 감소하는 것으로 판단할 수 있으며, 이 같은 현상은 전차선, 레일, 급전선의 임피던스로 인한 전압 강하가 AT시스템의 말단으로 갈수록 영향을 많이 받기 때문이다.

그림 9는 약 11.60 MVA의 부하조건에서 스마트 밸런싱 시스템 적용과 미적용에 따른 전기철도계통 M상과 T상 전압 오차를 나타내었다. 시뮬레이션의 조건은 그림 5와 마찬가지로 M상과 T상의 선로파라미터를 동일하게 적용하였으므로, 각 상의 전압차가 0에 가까울수록 안정적인 시스템이다.

그림. 9. 스마트 밸런싱 시스템 적용/미적용에 따른 전기철도계통 M상과 T상 전압 오차 (11.60 MVA) (X축 : 시간(s), Y축 : 전압(V))

Fig. 9. Simulation result according to application of smart balancing system (11.60 MVA)

그림 8와 마찬가지로 그림 9(a), (b), (c) 조건 모두 0.5s 시점에 전철변전소(SS, Substaion), 3.5s에 보조급전구분소(SSP, Sub Sectioning Post)에 각각 약 11.60 MVA에 해당하는 저항부하가 적용되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 하지만 약 11.60 MVA 부하조건에서는 그림 5의 결과와는 다르게 전철변전소, 보조급전구분소, 급전구분소 모두에서 스마트 밸런싱 시스템이 적용되지 않았을 때보다 적용되었을 때 전압차가 큰 부분이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 전철변전소에 부하를 연결한 경우 모든 상황에서 미적용시보다 더 큰 전압차를 보인 곳이 있었으며, 보조급전구분소에 부하를 연결하였을 경우, 전철변전소의 전압차는 미적용시를 초과하지 않았으나 보조급전구분소와 급전구분소에서는 미적용시보다 더 큰 전압차를 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

전철변전소(그림 9(a))에서 약 1.6s ~ 2.4s, 보조급전구분소(그림 9(b))와 급전구분소(그림 9(c))에서 약 1.5s ~ 2.7s와 4.1초부터 5초까지가 미적용시보다 전압 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이 같은 현상은 스마트 밸런싱 시스템의 용량을 부하 발생량 보다 적게 설계하면서 발생하는 제어의 불안정성의 영향으로 판단된다.