2.1 전기철도 배전망

도시철도의 철도전력은 일반적으로 한전에서 22.9kV의 교류를 수전받아 6,600(229,00)/380V 또는 6,600(22,900)/220V 교류를 철도역사에 제공하고 있고, 철도 차량에는 직류 1,500V를 제공하고 있다. 철도 차량은 순간적으로 최대치의 전력을 활용하고 또한 순간적으로 부하가 0이 되는 부하의 특성을 가지고 있다. 철도차량의 피크전력을 사용하는 시간대를 피하여 철도의 직류 전력을 사용할 경우 변전설비의 효율적인 이용이 가능하고, 철도 전체 부하의 피크전력을 증가시키지 않으면서 대용량의 전기자동차 충전이 가능한 설비의 구성이 가능하다. 1,500V 철도 직류 전력을 활용한 DC to DC 충전기의 경우 교류에서와 달리 대용량의 전력변환장치에서 AC/DC 컨버터를 제거할 수 있어 충전기의 가격 및 유지보수 등을 간소화 시킬 수 있는 장점이 있다. 전기철도는 전력공급자로부터 22.9[kV] 또는 154[kV]의 전기를 공급받아 철도 정거장내에 변전소를 건설하고 변압기를 통해 6.6[kV] 또는 22.9[kV]로 강압하고 각 정거장 전기실에 전기를 공급하여 일반전기설비에 사용하는 계통과 교류를 직류 1,500[V]로 변환하여 전동차에 공급하는 계통으로 구성된다. 그림 1은 전기철도의 전력시스템을 나타낸 그림이다.

그림 1 전기철도 배전망

Fig. 1 Electrical Railway Power System

2.2 전차선 급전용 전력공급 계통

전차선 급전용 전력공급계통은 전력공급자로부터 교류전력 22.9[kV]를 공급받아 변압기에서 1,200[V]로 변압하고, 정류기로 직류 1,500[V]로 변환하여 전차선에 전력을 공급한다. 전력공급자로부터 수전된 교류 전기를 직류로 바꾸어 전차선에 공급하는 직류 변성설비는 다이오드방식과 사이리스터 방식이 있으며, 본 연구의 시뮬레이션 모델에서는 서울을 비롯한 도시철도 방식에 주로 사용되는 다이오드 방식의 12펄스 정류 방식으로 모델링하였다.

2.3 고압배전용 전력공급 계통

고압배전용 전력은 교류 6.6[kV]를 공급하여 각 전기실에서 저압으로 강압하여 공급하며 부하별로 1, 2, 3호계로 구분한다. 1, 2호계는 정거장과 터널내 조명, 동력, 신호, 통신 등에 전력을 공급하고, 3호계는 냉동기 및 터널 환기부하에 전력을 공급한다. 본 연구에서는 1, 2호계 전력을 사용하며 변압기는 3Φ4W, △-Y 결선으로 모델링 하였으며 6.6[kV]를 380/220[V]로 변환하였다.

2.4 충전설비

충전설비에 사용되는 DC-DC 컨버터는 일반적으로 고압을 사용하기 때문에 절연형 컨버터를 사용한다. 하지만 컨버터는 스위칭 주파수가 증가함에 따라 스위칭 손실이 증가하여 시스템 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다. 또한 이러한 스위칭 손실의 절감을 위해 사용되는 스너버 또는 보호회로로 인해 추가적인 제작비용의 손실이 초래된다. 풀 브리지 컨버터는 그림 2와 같은 구조를 가지며, 두 쌍의 스위치가 동시에 ON/OFF 동작을 하며, 스위치가 모두 OFF 되었을 때 부하의 전류는 다이오드 정류기를 통해 순환되며 이때 변압기의 누설인덕턴스와 스위칭 소자의 기생출력 커패시턴스와의 기생공진현상이 발생한다. 이러한 기생공진에 의한 영향을 줄이기 위한 위상천이 풀 브리지 컨버터는 안정한 영전압 스위칭 동장영역을 확보하기 위해 위상을 지연시킴으로서 변압기 이차 측 전압이 0인 시간동안 일차 측 스위치중 하나가 항상 ON상태가 되도록 제어한다. 이는 변압기의 누설인덕턴스와 스위칭 소자의 출력 커패시턴스의 기생공진문제를 해결할 수 있도록 누설인덕턴스에 따른 전류를 순환시키기 위한 경로를 제공해 준다. 따라서 별도의 스너버 회로가 필요치 않게 된다.

영전압 스위칭 방식은 스위칭 시 Turn-On 손실을 최소화하는 방식이며, 영전류 스위칭 방식은 Turn-Off 손실을 최소화하는 방식이다. 영전압 스위칭은 OFF시 영전류 스위칭은 ON시에 하드 스위칭과 똑같은 스위칭 손실을 가지므로 손실 면에서 큰 차이는 없다. 그러나 시스템의 용량이 커질수록 반도체 스위치에 인가되는 전압, 전류의 양과 비례하여 스위칭 손실도 증가하므로, Turn-On 손실과 Turn-Off 손실 중 어떠한 손실을 최소화하느냐에 따라 효율 개선에 차이가 난다. 스위칭 전원장치의 스위치로 주로 사용되는 MOSFET, IGBT는 일반적으로 Turn-Off 손실보다 Turn-On 손실이 크므로 영전압 스위칭 방식이 유리하다. 따라서 본 논문에서 사용되는 DC-DC 컨버터는 위상천이 풀브리지 토폴로지를 선정하였다.

그림 2 위상천이 풀브리지 컨버터

Fig. 2 Phase Shifted Full-Bridge Converter

충전설비는 기존의 AC 방식과 철도 DC 방식이 있다. AC 방식은 교류 전력을 입력받아 정류회로와 DC/DC 컨버터를 거쳐 전기자동차 배터리 충전에 사용된다. EMI Filter는 여러 원인에 의해 발생하는 교류 Sine 파형의 노이즈를 제거한다. DC 방식은 AC 방식에서 교류를 직류로 바꾸어주는 정류 부분이 삭제된 형태이다.

3.1 도시철도 전력망 구성

그림 3은 Matlab/Simulink을 이용하여 도시철도 DC전력망을 모델링한 그림이다. 열차 부하는 0.375[Ω]으로 고정하여 시뮬레이션 하였으며, 전차선 저항은 0.0203[Ω/km]이고, 정류기에서 전차선까지의 저항은 2.31[Ω]+j0.01415[mH], 레일시스템에서 부극단까지의 저항은 0.615[mΩ]+j0.00423[mH]로 하였다. 레일시스템의 경우 Fig 4와 같으며, 레일 저항, 누설전류 포집망 저항, 지하 파이프(수도관 및 가스관 등) 저항 등을 이용하여 모델링하였다.

그림 3 도시철도 전력망 Simulink Model

Fig. 3 Urban Railway Power System Simulink Model

그림 4 레일시스템 Simulink Model

Fig. 4 Railway System Simulink Model

고압배전용 전력은 교류 6.6[kV]를 공급하여 각 전기실에서 저압으로 강압하여 공급하며 부하별로 1, 2, 3호계로 구분한다. 1, 2호계는 정거장과 터널내 조명, 동력, 신호, 통신 등에 전력을 공급하고, 3호계는 냉동기 및 터널 환기부하에 전력을 공급한다. 본 연구에서는 1, 2호계 전력을 사용하며 변압기는 3Φ4W, △-Y 결선으로 모델링 하였으며 6.6[kV]를 380/220[V]로 변환하였다.

3.2 팬터그래프 방식 충전설비

팬터그래프 방식의 충전설비는 기존의 AC 방식과 철도 DC 방식이 있다. AC 방식은 교류 전력을 입력받아 정류회로와 DC/DC 컨버터를 거쳐 전기버스 팬터그래프에 전원을 공급하여 배터리 충전에 사용된다. DC 방식은 AC 방식에서 교류를 직류로 바꾸어주는 정류 부분이 삭제된 형태이며 AC 방식과 유사한 구조로 되어 있다. 두 방식 모두 출력 용량은 480[kW]로 최대 출력전압과 전류는 450[V]/1100[A]로 설계하였으며, 위상천이 풀 브리지 DC/DC 컨버터 토폴로지를 팬터그래프에 전원을 공급하는 충전기 모델로 사용하였다.

철도전력망을 이용한 교류, 직류 전기자동차 충전인프라 구성시 충전설비는 PSIM을 활용하여 모델링하였으며, 충전기 내부의 DC-DC 컨버터의 토폴로지는 위상천이 Full-Bridge 컨버터로 가정하고 시뮬레이션을 하였다. DC-DC 컨버터의 경우 250KW급 컨버터 2개를 1개의 모듈로 구성하였으며, 480KW급의 용량을 설정하였다.

PSIM 입력 소스원의 경우 노이즈 없이 입력되는 모형이므로 EMI Filter는 제외하였으며, 배터리 모델의 경우 저항-커패시터 직렬회로로 리튬이온 폴리머 배터리를 등가화 하였다. 그림 4는 각 방식별 충전설비 구성을 PSIM을 이용하여 모델링한 그림이다. 표 1은 DC 충전시스템의 설계사양을 나타낸다.

그림 5는 PSIM을 이용한 DC 급속충전 시스템 설계를 한 그림이다. DC 급속충전설비의 경우 용량만 다르게 하여 시뮬레이션 하였다.

그림 5 DC 급속충전기 전력변환장치 Simulation

Fig. 5 DC Fast Charging System Power Conversion Device Simulation

컨버터의 출력 전압과 인덕터 전류를 제어하기 위해 이중 제어 루프를 이용한 제어 알고리즘을 이용하였다. 출력전압을 센싱하여 기준전압과 비교하여 오차신호를 만들며, 오차신호는 전압제어기에서 전류제어기의 기준 전류를 만든다. 또한 배터리는 정전류 모드로 충전되어야 하기때문에 컨버터의 기준전류는 배터리의 충전전류 값으로 제한되어야 한다. 기준 전류는 인덕터 전류와 비교하여 오차를 생성하여 내부 제어기로 전송하고, 비교기는 제어기의 출력과 삼각파를 비교하여 스위치들의 위상을 제어하기 위한 펄스 파형을 출력한다. 그림 6은 PSIM을 이용하여 설계한 DC-DC 컨버터 제어회로이다.

그림 6 Converter 제어회로

Fig. 6 Converter Controller Circuit

전기자동차 급속 충전기의 단품을 놓고 보았을 때, 기존 급속 충전기는 AC 입력을 사용하여 AC-DC 변환 및 DC-DC 변환을 하는데 비해 DC 입력 급속충전기는 DC-DC 변환만 수행하므로 구조가 단순해지고, 기존의 AC 입력의 일반 급속충전기에 비해 전력변환 단계가 간략하여 효율이 증가하는 장점이 있다. 또한 내부 부품의 감소로 충전기의 크기 또한 감소시키고 제조비용도 저렴하다.

3.3 대용량 전원공급장치

철도 DC 급전시스템은 1500±500[V]의 전압레벨을 가지고 있으며, 철도부하에 따라 변위가 심하여 정전압 유지에 어려움이 있다. 따라서 DC 충전설비를 철도 급전시스템에 직접 입력하기 보다는 1단계로 400[V]로 전압을 강하하여 안정화시킨 다음, 강하된 전압을 입력으로 활용하는 대용량 전원공급장치가 필요하다. 대용량 전원공급장치의 경우 아래 그림과 같이 1[MW]급 이상으로 설계하여 2대 이상의 DC 충전설비를 수용하도록 하여 경제성을 도모할 수 있도록 하였다. 그림 7은 대용량 전원공급장치를 이용한 팬터그래프 방식의 전기버스 충전설비 개념도를 나타낸다.

그림 7 철도 DC 배전망을 이용한 DC/DC 충전시스템

Fig. 7 DC/DC Charger using Railway DC Power System

3.4 배터리 모델

전기버스의 배터리의 충전용량에 따른 충전설비의 효율변화를 알아보기 위해 리튬이온 폴리머 전지를 모델링하여 시뮬레이션 하였다. 배터리를 모델링하기 위한 여러 가지의 리튬이온 폴리머 배터리의 등가 임피던스 모델이 존재하지만 복잡한 배터리 모델링 방법 대신에 그림 8과 같이 저항-커패시터 직렬회로로 리튬이온 폴리머전지를 등가화한다. 등가모델에서의 Cb의 초기전압은 0이며, Vb는 이론상으로는 커패시터의 초기전압이고 충;방전 시스템에서는 리튬전지의 초기값이 된다. 리튬이온 폴리머 배터리의 등가모델에서 커패시터 Cb는 Q=CV 공식으로부터 추출 가능하다.

또한, 리튬이온 폴리머전지 모델에서의 Rb값을 결정하기 위해서는 실제 리튬이온 폴리머 전지의 충전시험을 수행하여 시정수 값을 구하여야 하지만 본 연구에서는 간단한 추세를 알아보기 위한 연구이므로 리튬이온 폴리머 전지의 일반적인 저항값인 50mΩ을 기준으로 시뮬레이션 하였다. 그림 9는 PSIM을 이용한 배터리 등가모델의 충전 시뮬레이션 파형의 일부로 충전설비를 통한 배터리의 충전여부 확인을 위해 실시하였다.

그림 8 배터리 등가모델

Fig. 8 Battery Equivalent Model

그림 9 리튬이온 폴리머 전지 충전 시뮬레이션 파형

Fig. 9 Charging Simulation Wave Form

3.5 통합 시뮬레이션 모델

전차선 급전용 전력공급계통과 고압배전용 전력공급계통을 함께 모델링하였으며 AC 충전설비와 대용량 전원공급장치, DC 충전설비 등의 전력변환 설비는 PSIM을 사용하여 모델링된 충전설비를 SimCoupler를 이용하여 Matlab/Simulink와 연동하여 통합 시뮬레이션을 하였다. 그림 10은 도시철도 시스템을 간략화한 MATLAB/Simulink 시뮬레이션 모델을 나타낸 그림이다.

그림 10 Matlab/Simulink 시뮬레이션 모델

Fig. 10 Matlab/Simulink Simulation Model of Urban Railway Substation