2.1 회생인버터 시스템 및 계통연계

회생인버터 시스템은 전동차에 전력을 공급하는 직류 급전 계통 직류에서 회생인버터를 연결하여 철도 배전계통으로 회생에너지를 공급해 주는 방식이다. 직류 급전 계통의 경우 노선에 운행하는 전동차의 규모에 따라 중전철(직류 1,500V 정격)과 경전철(직류 750V 정격)로 운행되고 있다. 철도 배전계통의 경우에는 교류 6,600V, 22,900V의 철도 배전계통을 독립적으로 운영하고 있으나 경전철 도입에 따라 교류 22,900V로 직류 급전 계통 및 배전계통에 통합한 전력 계통이 운영되고 있다. 그림 1은 일반적인 회생인버터 시스템의 계통연계 구성도를 나타낸 것이다.

그림 1에서 회생인버터의 입력부인 직류 급전계통 연계 부분은 직류 급전계통 가선 전압 정격에 따라 결정 난다. 일반적으로 중전철의 경우 직류 1,500V 정격으로 운영되고 있으며, 경전철의 경우 직류 750V로 운영되고 있다. 회생인버터의 경우 직류 정격전압에 따라 인버터 입력부를 구성하는 전력변환소자의 구성 및 수량의 차이가 발생할 수 있다⁽⁶⁾.

회생인버터의 출력부인 철도 배전계통 연계의 경우 고압 연계 방식과 저압 연계 방식으로 구성할 수 있다. 일반적으로 발생하는 회생에너지의 특성상 짧은 시간에 매우 큰 에너지를 발생하고 있어 일반적으로 철도 배전계통 연계 시 인버터 2차측에 승압변압기를 두고 철도 고압 배전계통 모선(교류 6,600V 또는 22,900V)에 연계하여 방식을 적용 중이다. 다만 이러한 고압 배전계통 연계의 경우 회생에너지의 안정적인 활용 측면에서는 우수하나 고압용 승압변압기 및 보호 설비(고압용 차단기, 보호계전기 등)가 추가되어야 한다⁽⁷⁾. 이에 반해 소용량의 회생인버터 도입을 확대하기 위해 승압변압기를 생략하고 직접 철도 저압배전계통(AC 380V 또는 AC 220V)에 연계하는 방식이 제안되고 있다. 이와 같이 철도 저압 배전계통으로 연계하는 경우 직류 급전 계통의 모선에서 직류 고속도차단기를 통해 회생인버터를 연결하고 저압 배전계통과는 기존의 철도 고압 배전계통 연계 시 필요한 승압변압기 및 고압 교류차단기를 대신하여 저압용 MCCB를 설치하여 설비를 간략하게 구성할 수 있다. 다만, 철도 고압 배전계통에 연계하는 것에 비해 회생에너지를 소비하기 위한 부하용량, 전기적 영향이 커질 것으로 예상된다.

2.2 철도 배전계통 연계 시 전기적 고려사항

차량에서 발생되는 회생에너지는 차량의 운동방정식에 의한 제동력에 의해 계산될 수 있으며, 식 (1)은 관성질량과 감속도에 따른 필요 제동력을 나타낸다.

여기서, $m_{dy}$는 관성질량, $a_{decel.}$은 감속도, 그리고 $R_{tot}$는 차량의 전체 주행저항을 나타낸다. 실제 변전소에 전달되는 전력량은 필요 제동력에서 인버터, 모터, 기어 등의 효율인 $B_{eff}$를 곱하여 나타낼 수 있고 이는 식 (2)와 같다.

이처럼 회생인버터 시스템을 철도 배전계통과 연계 시 중요한 고려사항은 철도 배전계통에 연결된 부하 설비에서 발생한 회생에너지를 모두 소비할 수 있는지와 일시적으로 대용량으로 발생한 회생에너지가 공급되는 경우 연계점에서의 전압변동을 검토해야 한다. 또한 일시적으로 발생한 회생에너지로 인해 계통 연계점의 전력품질 악화로 인해 부하 설비에 영향을 주는지를 고려해야 한다.

전력품질의 경우 회생인버터와 관련된 규정이 없어 표 1과 2와 같이 분산전원이 계통에 연계되는 경우에 적용하고 있는 IEEE-519 기준에 따라 전력품질의 만족 여부를 검토해야 한다⁽⁸⁾. 또한 계통연계로 인한 계통 투입 및 분리 기준, 단독운전 방지 및 전력 공급사업자로 역조류 발생 여부, 누설전류로 인한 보호 설비의 오동작 등을 고려해야 한다.

3.1 철도 배전계통 연계모델

회생인버터의 계통연계 시의 전기적 특성 분석을 위해 그림 2와 같은 고압 계통 연계모델과 그림 3과 같은 저압 계통연계 모델을 전력해석 프로그램은 PSCAD/EMTDC로 모델링하였다.

그림 2는 철도 고압계통 연계모델로 직류 1,500V 급전 계통에서 회생인버터를 연결하고 철도 고압 계통 연계를 위해 인버터 출력단에 회생인버터용 고압 승압변압기와 차단기를 통해 교류 6,600V 고압 배전계통에 연결하였다. 회생인버터는 사양은 표 3과 같이 정격용량 1MW로 설계하였다.

그림 3은 철도 저압 계통연계 모델로 직류 750V 급전 계통에서 회생인버터를 연결하고 철도 저압 계통연계를 위해 인버터 출력단에서 저압용 차단기(MCCB)를 통해 380V 저압 배전계통에 연결하였다. 회생인버터는 사양은 표 4와 같이 정격용량 500kW로 설계하였다.

3.2 회생인버터 동작 시뮬레이션 및 분석

회생인버터의 계통연계 시의 전기적 특성 분석을 위해 그림 2와 그림 3의 시뮬레이션 모델에 적용 가능한 차량 운행에 따라 발생하는 회생에너지를 입력으로 하여 분석하였다. 차량 부하 데이터는 실제 운영노선에서 운행되는 차량의 TCMS 데이터를 활용하였고, 각각의 운행 노선에서 발생되는 가장 높은 회생 에너지 발생 데이터를 사용하였다. 그림 4는 시뮬레이션에서 사용된 고압 차량 회생에너지 발생량(PHV)와 저압 회생에너지 발생량(PLV)을 나타낸다.

도출된 회생 에너지 입력 파형을 토대로 특성 분석을 수행하고, 계통에서의 요구 조건 만족 여부를 판단하였다. 기술된 시뮬레이션 방식은 그림 5와 같이 도식화하였다.

그림 6은 회생에너지 투입($P_{"\in verter"}$) 전후의 배전계통 연계점에서의 부하 설비의 소비전력($P_{load}$) 및 수전 계통에서의 전력 공급량($P_{source}$)을 나타낸 것이다. 회생에너지가 발생하지 않은 시점 1.2초까지 모든 저압 설비의 전력공급을 수전 계통으로부터 공급받다가 회생에너지가 발생하는 경우 회생에너지 발생량에 따라 수전 계통으로부터 공급받는 전력량이 감소하게 되고 회생에너지가 저압 설비의 소비전력량을 초과하는 2초 이후에는 발생한 회생에너지가 수전 계통으로 공급되는 전력 흐름을 확인할 수 있다.

그림 7은 회생에너지 공급에 따른 배전계통 연계점에서의 전압변동을 나타낸 것으로 회생에너지가 일시적으로 공급하는 시점에서 최대 1V 이내로 변동이 발생하여 전체적으로는 기준을 만족함을 확인할 수 있다.

그림 8과 9는 회생에너지 공급에 따른 배전계통 연계점에서의 전압 고조파 및 전류 고조파 발생량을 나타낸 것으로 회생에너지가 일시적으로 공급하는 시점에서 고조파 발생량이 증가하지만, 고압 연계모델의 PCC(Point of Common Coupling) 지점에서는 전류는 최대 4.669%, 저압 연계모델의 경우 4.81%로 IEEE-519에서 제시한 전류 고조파 5% 이내임을 확인하였다. 전압 고조파의 경우에도 고압의 경우 0.707%로 기준에서 제시한 5% 이내 조건을 만족하였고, 저압의 경우 0.423%로 저압 연계도 8% 이내 조건을 만족하였다.

표 5와 6은 회생에너지 발생에 따른 배전계통 연계모델에 대한 전기적 특성을 비교한 것이다. 표와 같이 IEEE 519의 전류 TDD와 전압 THD 기준을 PCC에서 모두 충족하는 것을 확인할 수 있다. 평균적인 Harmonic 값의 경우 고압 계통에 연계된 모델이 더 낮은 고조파 영향을 보였으며, 전압의 경우 두 경우 회생에너지 발생으로 인한 고조파 영향이 거의 발생되지 않음을 확인할 수 있다.