정선호
(Sun-Ho Jeung)
1iD
서기범
(Ki-Bum Seo)
†iD
-
(Dept. of Railway Electrical Systems at Korea National Railwway, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Ring Reactor, Energy Sharing, Load balance, parallel operation of transformers
1. 서 론
철도의 수송량 증가에 따른 철도전력 계통의 부하증가는 전력공급 시스템의 부하 관리가 요구되어 왔고, 철도 급전 시스템에서 구조적 단점을 보완하여 부하를
분산 및 유효전력의 공유가 필요한 실정이 되었다. 변전소에서 증가되는 부하로 인해 철도 급전계통 측에 발생하는 전압강하는 철도계통의 신뢰성에 큰 악영향을
주고 있다. 또한, 철도 부하 특성상 평상시에도 막대한 전력 손실이 발생하고 있다. 부하증가에 따른 peak 전력이 증가함에 따라 전기요금의 급상승
원인이 되고 있으며, 열차 부하 제동시 발생하는 회생전력의 활용이 미비하여 전기요금 절감의 기회를 놓치고 있는 실정이다.(1,2,4,5,7).
해외에서는 고 신뢰성이 필수적인 전산센터 등의 현장을 중심으로 ‘Isolated parallel UPS system’이 널리 사용되고 있으며, 링
부스 및 초크 리액터를 사용하여 UPS 병렬운전에 활용하고 있다.(8)(9). 또한, 국내에서는 링 리액터 시스템을 활용한 변압기 병렬운전 방안이 제시되었다. 본 연구에서는 현존하는 UPS 및 변압기 병렬운전 방식을 철도
급전계통에 응용하여 전압강하 개선, peak 전력 경감, 회생전력 활용 극대화와 같은 문제를 해결하며, 연장급전 없이도 구분소에 설치하여 변전소간
부하를 공유할 수 있는 장치에 대한 연구를 진행하였다(3,6,8-10).
2. 본 론
2.1 개요
2.1.1 연구 개요
철도 구분소에 설치되어 변전소 급전계통간 부하를 공유할 수 있는 에너지 공유 및 관리 장치 (ESM, Enregy Share & Management
system)의 개념도는 그림 1과 같다.
그림 구성도와 같이, ESM은 제어가능한 가변 임피던스(리액터) 및 차단장치로 구성하였으며, 양단의 전압, 전류, 전력을 실시간 모니터링한다. ESM
장치를 통해 양 변전소의 급전계통이 연결되며, 이로 인해 양 급전 구간이 구분소의 ESM 장치로 연결되어, 부하를 공유할 수 있게 된다. 이로 인해
회생전력의 활용이 최대화되고, 부하 변전소의 피크 전력이 경감되며 전압변동이 감소한다.
2.1.2 이론적 고찰
임피던스를 조절하면 손실이 감소되는데, 식 (1)은 임의의 계통이 있을 경우, 그 임피던스를 Z로 정의하고 전류를 i로 정의하면, A 계통을 단독운전할 시 유효전력 손실은 수식과 같다.
만일 두 계통을 병렬운전한다면, 임피던스의 총합은 절반이 되므로 손실이 절반으로 감소하게 된다.
두 계통을 병렬운전 하면 위와 같이 손실이 크게 감소하는 장점이 있으나, 사고시 사고전류가 두배로 증가하는 문제가 있어 이와 같은 병렬운전은 실제로
사용되지는 않는다. 그러나, 부하공유장치 추가시 리액턴스를 제어하여 임피던스 값을 높이므로 고장전류가 증가하지 않는다. 부하공유장치는 사고전류를 증가시키지
않으면서 병렬운전의 효과를 볼 수 있다.
그림. 1. ESM 계통적용 구성도
Fig. 1. System application diagram of ESM
2.2 기능 설명
철도 전력공급 구성은 A 변전소와 B 변전소 중간에 보조구분소(Section Point)가 있어 구분된다. 기존에는 회생전력을 구분소 때문에 활용할
수 없었으나, ESM이 적용될 경우 A 변전소 구간에 열차1, B 변전소 구간에 열차 2가 있을 경우. 열차 1에서 발생하는 회생전력을, 열차2에서
활용하게 되어 부하전력을 회생전력만큼 덜 소비하게 된다.
2.2.1 철도 급전계통 적용시 기능
ESM 장치 적용시 열차 1에서 발생된 회생전력 1MW는 ESM을 통해 B 변전소 계통으로 유입되어 열차 2에 유효전력을 공급하게 되어, B 변전소에서는
열차 2를 위해 9MW의 유효전력만을 공급하면 되므로 회생전력의 활용이 극대화되게 된다. 이에 대한 개념도는 그림 2와 같다.
변전소 A와 B는 ESM을 통해 부하를 나누어 공급할 수 있다. A 변전소 구간에 열차가 과밀 되어 30MW의 유효전력이 필요한 상황이고, B 변전소
구간에는 10MW의 유효전력이 필요한 상황이 되면, ESM이 없을 시 A 변전소에서는 30MW 전부를 공급하여야 하므로 피크(peak) 전력이 증가하게
되고, B 변전소에서는 10MW를 공급한다. 반면, ESM 적용 시 B 변전소에서는 ESM을 통해 추가적인 부하 10MW를 공급할 수 있게 된다.
결과적으로, A 변전소와 B 변전소는 과밀 부하를 나누어 부담하여 각각 20MW의 부하를 계통에 공급하게 되므로, 그림 3과 같이 부하 분산 효과로 인해 피크(Peak)전력이 감소하게 된다.
그림. 2. ESM의 회생전력 활용 방안
Fig. 2. How to use regenerative power of ESM
그림. 3. ESM의 부하 분산 효과
Fig. 3. Load balancing effect of ESM
추가적으로, 그림 4와 같이 변전소 A와 B 사이에 구분소의 절연구간이 ESM을 통해 해소됨으로, 양 변전소의 부하 말단 구간인 구분소를 통과하여 발생하는 순간 돌입전류(Inrush
Surrent) 및 서지(Surge)가 제거되고, 전압강하를 개선할 수 있으며 차량 및 변전설비의 손상(Damage)을 감소시킬 수 있다.
그림. 4. ESM의 전압강하 개선
Fig. 4. Voltage drop improvement of ESM
변전소 A(변전소 B) 구간에 사고 발생시에도, ESM의 해당 구간 차단기가 자동으로 개방되므로 타 계통에 영향을 주지 않는다. 또한, ESM은 전체
계통에 리액턴스를 추가하여 전체 임피던스의 크기는 동일하도록 구성되므로 계통이 연결되어도 고장 전류가 최소화된다. 이에 대한 개념도는 그림 5와 같다.
그림. 5. 사고시 ESM 보호기능
Fig. 5. ESM protection function in case of accident
2.2.2 변전소(수․배전반) 적용시 기능
ESM을 응용하여 변압기의 병렬운전에 적용 가능하다. 기본적으로는 아래와 같이 부하별로 독립적인 전원계통이 구성되며, ESM 장치를 통해 두 계통이
서로 연결된다. 이에 대한 개념도는 그림 6과 같다.
그림. 6. 부하별 독립전원 공급
Fig. 6. Independent power supply for each load
그림. 7. 전원측 장애시 기능
Fig. 7. Function in case of power failure
전원측 장애가 발생하여 일부 변압기 고장시에도 ESM을 통해 부하는 전원을 공급받을 수 있어 무정전 back up을 유지할 수 있다. 또한, 보호용
차단기를 구성하여 부하측 장애시 사고가 파급되지 않고 장애 부하측만 정전되도록 한다. 이에 대한 개념도가 그림 7과 같다.
이와 같이 ESM을 통해 두 계통이 연결되면, 불균등 부하시 변압기별로 부하율을 거의 동일하게 유지하게 하여 변압기 손실이 감소된다.
2.3 ESM 시뮬레이션
ESM의 효과를 검증하기 위하여, 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션에 사용된 프로그램은 SKM Power Tools (Version 6.5.1.0)[미국
SKM사의 전력계통해석 및 설계 프로그램]이다. A 변전소는 부하 25MVA (역률 80%), B 변전소는 부하 5MVA (역률 80%)인 조건으로,
ESM이 없는 일반적인 상태의 급전계통 시뮬레이션을 하였다. 결과는 A 변전소에서는 22,547kW의 유효전력 발생, B 변전소에서는 4,032kW의
유효전력이 발생하였다. 유효전력 합계는 26,579kW이며 최대 전압강하는 23.3%로 그림 8및 그림 9와 같이 시뮬레이션 되었다.
ESM 적용시 A 변전소와 B 변전소의 부하를 나누어 공급하므로 A 변전소의 부하 25MVA에 필요한 전력을 A 변전소에서 모두 공급하지 않고 B
변전소의 부하가 5MVA로 B 변전소의 부하대비 여유 전력을 A 변전소에 나누어 공급하는 조건으로 A, B변전소 두 계통을 연결하는 고정된 리액턴스
및 캐패시턴스 값을 삽입하여 시뮬레이션을 실시하였으며 그 결과 A 변전소에서는 15,559kW의 유효전력이 발생하였고 B 변전소는 9,781kW의
유효전력이 발생하였다. 즉, A변전소의 유효전력이 ESM 적용 결과 22,547kW에서 15,559kW로 감소하였으므로 A 변전소의 피크(peak)
전력이 6,988kW만큼 감소한 결과를 나타내었다. B 변전소의 경우 A 변전소에 추가적으로 5,749kW의 유효전력을 공급하였다. ESM 적용시
A 변전소와 B 변전소의 유효전력 합은 25,339kW로 시뮬레이션 되었다. 즉, ESM 미적용시의 유효전력 총합 26,579kW에 비해 1,239kW가
절감되어 변전소의 손실을 감소시키는 효과가 있음을 나타낸다. 최대 전압강하의 경우 13.0%로 시뮬레이션 되었으며, 이는 ESM 미적용시의 전압강하
23.3%에 비해 10.3%가 개선된 수치이며, 변화량으로는 44%에 달하여 큰 전압강하 개선효과가 있음을 확인하였다. 시뮬레이션 데이터는 그림 10및 그림 11과 같다.
그림. 8. A 변전소, ESM 미적용시
Fig. 8. A Substation, ESM not Applied
그림. 9. B 변전소, ESM 미적용시
Fig. 9. B Substation, ESM not Applied
그림. 10. A 변전소, ESM 적용시
Fig. 10. A Substation, ESM Applied
그림. 11. B 변전소, ESM 적용시
Fig. 11. B Substation, ESM Applied
표 1에서 시뮬레이션 결과를 요약하였다.
표 1. ESM 시뮬레이션 결과 요약표
Table 1. Summary of ESM simulation results
|
구 분
|
현재
|
ESM설치
|
절감
|
|
A 변전소
|
22,547kW
|
15,559kW
|
1,239kW
(4.7%감소)
|
|
B 변전소
|
4,032kW
|
9,781kW
|
|
합계
|
26,579kW
|
25,339kW
|
|
전압강하max
|
23.3%
|
13.0%
|
44%감소
|
3. 결 론
본 논문에서는 철도 변전소에서 발생하는 선로손실, 피크전력 경감, 회생전력 활용 최대화 및 전압강하를 개선하며, 부하 공유를 할 수 있는 ESM 장비에
대한 연구를 진행하였다. 복합 임피던스로 구성된 ESM 장비를 철도 급전계통의 구분소 측에 설치하여 양 변전소의 부하가 분담되며, ESM을 통해 타
변전소 측 계통의 부하에 전력을 공급 가능하다. 시뮬레이션을 통해 실제 peak 전력 감소, 선로손실 감소로 인한 총 유효전력 감소, 전압강하 감소
등의 효과를 확인하였다.
철도분야 외 대용량의 수배전 또는 무중단 전원공급이 필요한 사업장에 적용하여 부하 변동이나 장애시 실시간 무정전 전원공급이 가능하고, 전력 스마트그리드등
한전의 전력공급망에 능동적으로 적용이 가능하다. 또한 본 논문에서는 철도 급전구분소에 사용되는 AC 단상 전력계통에 대한 연구를 진행하였으나, 대용량
3상 변전소, 스코트변압기가 적용된 철도변전소 및 LVDC 분야 적용에도 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다.
References
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Taekyung, 2015.08.27, Electrical Industries Co., Ltd Patent, No. 10-1549583
저자소개
2003년 서울과학기술대학교 대학원 철도전기신호공학과졸업(석사). 2019년 ~ 현재 동 우송대학원 철도전기시스템학과 박사과정. 2004년 1월~현재
국가철도공단 부장.
2003. Graduate School of Seoul National Uni- versity of Science and Technology Graduated
from the Department of Railway Electrical and Signal Engineering(master degree)
2019.~ Ph.D. in the Dept. of Railway Electrical Systems at Woosong Graduate School.
2004.~ KOREA NATIONAL RAIRWAY , General Manager.
1991년 한양대학교 일반대학원 전자공학과 졸업(공학석사). 2000년 동 대학원 전자공학과 졸업(공학박사). 2002년 ~ 현재 우송대학교 철도전기시스템학과
교수.
1991. Graduated from Hanyang University, De- partment of Electronic Engineering (master
degree) 2000. Graduated from the Department of Electronic Engineering, Graduate School
of Hanyang University
(Ph.D). 2002 ~ Professor of Railway Electrical Systems at Woosong University.