2.1 전기철도시스템 가상운영 환경 구축
그림 1은 가상운영의 개념과 절차를 보여준다. 가상운영은 핵심장치의 다양한 구성을 블록다이어그램 형태 모델을 이용하여 직관적으로 표현한 모델기반 설계((Model
Based Design, MBD)(4)와 실시간 시뮬레이션을 활용한 제어기 평가검증 간 결합을 통해 구현 가능하다.
가상운영 절차를 살펴보면, 사양설계를 통해 가상운영 대상 전기설비를 선정하고 대상 시스템의 구성 및 사양을 설계한다. 이후 MILS(Model In
the Loop Simulation) 과정에서 대상 시스템을 모델링한 후 SILS(Software In the Loop Simulation) 과정을
통해 소프트웨어 제어기 기반의 가상운영 모의를 수행하게 된다. 이 과정까지 문제가 없으면 소프트웨어 제어기 대신 하드웨어 제어기를 적용하면서 제어기
HILS(Hardware In the Loop Simulation)를 수행하여 랩실 규모에서 진행 가능한 가상운영 절차는 사실상 종료된다. 다만,
실제 제작품과 현장 테스트베드가 있는 경우에 한 해 성능 정합율 등에 대한 현장검증 시험을 진행할 수 있다. 본 논문에서 다루는 에너지저장장치와 동일한
실제 제작품이 없음에 따라 현장검증은 본 논문의 내용 구성에서 제외하였다.
이러한 가상운영 절차를 이용하면 제어기 제어동작을 지속적으로 확인 수정함으로써 빠른 시간 내 신뢰성 확보가 가능하다. 또한 실제 현장시험 없이 대상
전기설비의 설계 최적화 및 운영효율성을 고려한 사전 성능평가 등이 가능하다. V곡선 형태의 가상운영 절차는 다양한 철도전기설비 개발 곡선으로도 적용할
수 있다.
그림 1 가상운영 개념 및 절차
Fig. 1 Virtual operation concept and procedure
전기철도시스템 HILS 플랫폼은 가상운영 절차 내 MILS 과정부터 HILS 과정까지 필요한 가상운영 환경을 개발하기 위해 구축한 플랫폼이다. 그림 2와 같이 전기철도시스템 HILS 플랫폼은 모델을 설계하고 표현하는 모델기반 설계 파트, 실제 제어기 하드웨어가 실제 현장 환경에 있듯이 착각하도록
만드는 실시간 모의 파트, 그리고 실제 제어기 등으로 크게 구분할 수 있다.
그림 2 전기철도시스템 HILS 플랫폼 구성
Fig. 2 Electric Railway System HILS platform configuration
모델기반 설계는 전체 시스템을 모두 직관적 디자인의 모델로 표현하여 개발함으로써 전통적인 개발방식에 비해 빠르면서 시스템 에러를 줄일 수 있어 가상운영
절차 중 MILS 과정의 필수적 요소라 할 수 있다.
실시간 모의 파트는 실제 제어기 하드웨어에 대해 HILS 기반 성능평가가 가능하도록 실시간 모의 기능을 제공한다. 실시간 모의는 그림 3과 같이 고정된 실시간 계산 간격 내에서 입력을 읽고, 모델 방정식 해를 구하고, 동기화된 출력을 생성하도록 하여 시뮬레이션 1초 시간이 현실 1초와
동일한 상태가 되도록 모의한 것을 의미한다.
그림 3 실시간 모의 개념
Fig. 3 Real-time simulation concept
또한 아날로그 및 디지털 전기신호를 처리하기 위한 입출력과 실제 제어기에서 요구되는 다양한 통신 포트 및 프로토콜을 지원하며 전력전자 스위칭 소자의
고속 스위칭 동작을 실제와 가깝게 모의하기 위한 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함한다. 그림 4에 나타낸 FPGA 기반 모의는 50 µs 계산 간격의 CPU 기반 모의에 비해 훨씬 빠른 2 µs 이하 계산 간격 구현이 가능하여 고속 스위칭 소자를
포함한 가상모의에 적합하며 SILS 구현에 필요한 핵심요소가 된다.
실제 제어기 하드웨어는 대상 시스템의 제어기와 동일하게 제작된 실물로서 제어기 HILS의 핵심이 된다. 그림 5는 실제 구축된 전기철도시스템 HILS 플랫폼을 보여주고 있다. 특히 실제 제어기 하드웨어와 전기철도시스템 HILS 플랫폼 간 연계를 위해 별도의
컨버젼 인터페이스 보드를 개발하였다.
그림 4 FPGA 및 CPU 기반 모의 비교
Fig. 4 FPGA and CPU based simulation comparison
일반적으로 진동, 고온, 전자파 등 열악한 전기설비의 실제 운영환경에 따라 GDU(Gate Drive Unit)와 제어기 간 신호연계를 광케이블로
하는 경우가 있으므로 컨버젼 인터페이스 보드를 활용하면 광신호 운영환경을 구현하고 광/전기 신호간 변환을 통해 실시간 시뮬레이터와 쉽게 연계할 수
있다.
그림 5 전기철도시스템 HILS 플랫폼
Fig. 5 Electric Railway System HILS platform
또한 70 ~ 150 V 사이에서 넓은 제어기 전원 범위를 제공하고 동일 전압 수준의 디지털 입출력 신호를 활용할 수 있게 개발하였다. 개발된 컨버젼
인터페이스 보드는 실시간성 유지 여부 등에 대해 별도 시험을 통해 검증하였다.
2.2 철도용 에너지저장장치 구성품 설계 및 평가 방법
일반적으로 에너지저장장치는 에너지를 직접 저장할 수 있는 에너지저장매체와 전력변환 스위칭 동작을 통해 에너지를 저장매체에 충전 및 방전시키는 컨버터로
구성된다.
우선 철도 에너지저장장치를 구성할 저장매체를 선정하기 위해 현재 관련 산업시장에서 많이 사용하는 리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터의 차이점을 표 1에 나타내었다(3).
일반적으로 철도차량 부하는 철도차량이 이동하면서 급가속과 감속을 반복하여 급변하는 이동부하이다. 이에 따라 지상에 설치되는 철도 에너지저장장치의 경우,
배터리보다 파워밀도가 높아 부하의 급격한 변화에 빨리 응동이 가능한 물리반응 기반의 슈퍼커패시터가 유리하다(3). 실제로 국내 철도변전소에 설치된 철도용 에너지저장장치의 대부분은 슈퍼커패시터를 에너지저장매체로 활용하고 있음에 따라 슈퍼커패시터를 철도 에너지저장장치의
에너지저장매체로 선정하였다.
표 1 배터리와 슈퍼커패시터 저장매체 특성 비교
Table 1 Comparison of battery and super-capacitor storage media
|
Item
|
Energy Media
|
|
Battery
(Li-Ion)
|
Super-capacitor
(EDLC)
|
|
Nominal Cell Voltage (V)
|
3.6
|
2.5 ~ 2.7
|
|
Energy Density (Wh/kg)
|
80 ~ 170
|
2 ~ 30
|
|
Power Density (kW/kg)
|
0.8 ~ 2
|
4 ~ 10
|
|
Cycle Life (Cycles)
|
1000 ~ 10,000
|
> 100,000
|
|
Daily self-discharge (%)
|
0.1 ~ 0.3
|
10 ~ 20
|
슈퍼커패시터는 특정 유전체를 사용하여 정전용량을 극대화함으로써 양극판에 직류 전기 형태로 에너지를 저장한다. 이에 따라 식 (1)과 식 (2)에서 볼 수 있듯이, 극판의 면적, 극판 사이의 거리, 양극판에 걸리는 전압이 같다고 할 때, 비유전율이 높은 매질을 사용하면 저장할 수 있는 에너지의
양을 높일 수 있는 특성을 가진다.
여기서, ε0 : 진공 유전율 [F/m], εx : 비유전율, A : 극판의 넓이 [m$^{2}$], d : 양극판 사이의 간격 [m], V : 양극판에
걸리는 전압 [V]
식 (2)에 기반하여 유효 슈퍼커패시터 에너지 용량을 계산하기 위한 식을 도출하면 식(3)과 같다(5).
여기서, $V_{nom}$ : 슈퍼커패시터 공칭전압 [V], $V_{\min}$ : 슈퍼커패시터 방전전압 [V]
식 (3)에서 슈퍼커패시터와 연계된 양방향 컨버터의 동작범위를 고려하여 슈퍼커패시터 공칭전압의 1/2 수준까지 방전하는 경우 식 (3)에 $V_{\min}=(1/2)V_{nom}$을 대입하여 상수 3/4을 도출할 수 있다. 따라서 유효값을 고려한 실제 슈퍼커패시터 전체 용량을 도출하기
위해서는 역수인 4/3을 스케일링 팩터로 곱하여 도출할 수 있다(2). 다만 추가 마진을 고려할 경우에는 이보다 큰 스케일링 팩터를 곱해야 한다.
슈퍼커패시터를 충전 및 방전시키기 위해 연계되는 컨버터를 설계하기 위해 고려해야 할 요구사항들은 다음과 같다.
1) 간단한 구조 및 간편한 제어
2) 전류를 모듈마다 분배할 수 있어 고출력이 가능한 인터리브드 구조 적용
3) 인터리브드 구조를 적용함에 따라 전류리플을 줄여 에너지저장매체 충전전류 품질 향상
4) 모듈 타입 구성으로 개별 변전소에서 요구하는 에너지저장매체의 용량에 맞춰 컨버터 용량 확대
5) 고장난 모듈만 교체 및 수리 가능(유지보수 측면 유리)
상기 요구사항들을 고려하여 그림 6에 나타낸 비절연형 양방향 인터리브드 방식을 컨버터 토폴로지로 선정하였다.
그림 6 양방향 인터리브드 컨버터
Fig. 6 Bidirectional interleaved converter
앞서 선정한 에너지저장매체와 컨버터로 구성된 철도 에너지저장장치는 그림 7과 같이 변전소에 설치되는 지상용 에너지저장장치이므로 변전소를 통한 공급전력을 고려하여 적절한 차량공급 전압 운영기준 내에서 운영해야 한다.
표 2는 IEC 60850(Railway applications: Supply voltages of traction systems)에서 제시한 차량 공급전압
운영범위를 나타내고 있으며 이 범위를 가선전압 운영기준으로 적용하였다.
표 2 직류 철도 공급전압 운영기준(IEC 60850)
Table 2 Permissible voltage limits in DC railway system(IEC 60850)
|
Electrification system
|
Lowest permanent voltage (V)
|
Nominal voltage (V)
|
Lowest permanent voltage (V)
|
|
DC
(Mean values)
|
500
|
750
|
900
|
|
1000
|
1500
|
1800
|
|
2000
|
3000
|
3600
|
가선전압 운영기준 내에서 운영시 가선전압 안정화에 대한 성능평가를 위해 식 (4)의 전압변동률을 적용하였다.
여기서, Vfluc : 전압변동률 [%], Vregmax : 회생시 최대전압 [V], Vpowmax : 역행시 최저전압 [V], Vnoload :
무부하 전압 [V]
다수 차량의 소비전력 및 위치 변화에 따라 한 개 변전소 측의 변전소 공급전력은 변화하므로, 단일 변전소 측에서 바라본 다수차량을 고정된 단일 부하로
등가화할 필요가 있으며 계통 형태는 그림 7과 같다. 이를 위해 실제 노선 구배, 곡률, 속도제한 등에 기반한 열차주행시뮬레이션를 수행하여 1대 차량의 시간별 소비전력을 도출한 후 스케줄링
된 시격에 따라 동일 차량을 투입하면서 전력해석을 수행해야 한다.
그림 7 단일 철도변전소와 슈퍼커패시터 에너지저장장치
Fig. 7 Single substation and Super-capacitor ESS(SCES)
일반적으로 열차가 낼 수 있는 가속도는 전동기의 견인력과 열차저항에 관계한다. 즉 열차의 가속도는 유효견인력을 동적질량으로 나눈 값으로 식 (5)와 같이 표현되며 이 가속도를 이용하여 시간에 따른 차량 위치를 연산할 수 있다.
여기서, EF : 유효견인력 [kN], m : 동적질량 [tons]
동적질량은 실제질량에 관성질량을 포함한 것으로 열차의 바퀴가 직선운동뿐만 아니라 회전운동을 함으로써 필요한 힘을 고려한 것이다. 유효견인력은 일반적으로
차량 견인력 곡선 등에서 알 수 있는 전동기 견인력에서 열차저항성분을 뺀 값으로 식 (6)과 같이 표현된다.
여기서, MF : 전동기 견인력 [kN], TR : 열차저항성분 [kN]
이 때, TR은 커브저항, 주행저항, 구배저항을 합한 것으로서 식 (7)과 같이 표현되며, 각 저항성분은 식 (8) ~ 식 (10)을 이용하여 계산할 수 있다.
여기서, CR : 커브저항 [kN], RR : 주행저항 [kN], GR : 구배저항 [kN]
여기서, R : 커브반지름 [m]
여기서, $g$ : 구배 [‰]
특히, 식 (9)의 $(a + b\times v)$항은 주로 바퀴와 레일 혹은 주행면 상태에 따라 다르며, 차량 무게에 비례하는 항이다. $(c\times v^{2})$항은
차량의 공기저항으로 속도의 제곱을 곱함으로 인해 속도가 높을수록 공기저항이 가장 큰 영향을 미친다. a, b, c 계수의 값은 차량, 노면 혹은 레일
등의 특성에 따라 변하며 실험으로 구해지는 실험값이다.
열차주행시뮬레이션은 식 (5) ~ 식 (10) 외에도 제동력 식과 최대가속/감속 등 운행방법을 포함한 다양한 수식을 활용하여 시간에 따른 차량의 위치와 소비전력을 도출한다(6).
2.2 철도 에너지저장장치 가상운영 사례연구
가상운영을 위해서는 그림 7의 계통에 포함된 단일 철도변전소 및 철도 에너지저장장치 등에 대한 가상화 모듈을 MILS, SILS 및 HILS 과정을 거쳐 구현해야 한다. 우선
단일 철도변전소 측에서 바라본 다수차량을 고정된 단일 부하로 등가화하기 위해 서울지하철 8호선 노선에서 피크 시간대 차량운행 시격인 4분을 고려하여
열차주행시뮬레이션을 수행하였다.
그림 8 서울지하철 8호선 철도변전소(5개) 공급전력
Fig. 8 Seoul subway line 8 substation(5 units) power supply
그림 8은 열차주행시뮬레이션 결과를 기반으로 5개 철도변전소에 대해 전력해석한 결과를 보여주고 있다.
그림 9 철도변전소(1) 공급전력 및 단일 등가화 부하
Fig. 9 Substation(1) power supply and single equivalent load
그림 9는 5개의 철도변전소 중 철도변전소(1) 측에서 보여지는 단일 등가화 부하 변동과 해당 변전소 공급전력을 같이 나타낸 그래프이다. 단일 등가화된 부하에
가선 손실이 더해진 만큼 변전소에서 전력 공급하는 것을 확인할 수 있다.
그림 7에 나타낸 가상계통의 철도변전소(1)과 슈퍼커패시터 에너지저장장치(SCES)에 표 3과 같은 전체 시스템 사양을 적용하여 가상운영하였다. 그림 10은 가상운영을 하기 위한 통합 인터페이스 모듈을 보여준다.
표 3 가상운영 철도 시스템 사양(사례 연구)
Table 3 Virtual operation system specifications for case study
|
Parameter
|
Specification
|
|
Converter (SC input) voltage [V]
|
900
|
|
Converter unit module
|
1MW/module x 4 module
(4-Phase interleaved)
|
|
Converter control method
(Control frequency)
|
Power and Current control
(2 kHz)
|
|
Converter mode change criteria
|
Discharging mode :
TPSS* voltage < 1600 V
Holding mode :
1600 V ≦ TPSS* voltage ≦ 1650 V
Charging mode :
1650 V < TPSS* voltage
*TPSS: Traction Power Supply System
|
|
Limitation of substation minimum power supply [MW]
|
2.7
|
|
No load voltage of TPSS [V]
|
1650
|
그림 11은 슈퍼커패시터 에너지저장장치(SCES)의 가상화 모듈을 보여주며 4상 인터리브드 컨버터를 포함하고 있다. FPGA를 활용하여 구현된 인터리브드 컨버터의
실제 동작파형을 오실로스코프로 측정하여 그림 12에 나타내었다. 슈퍼커패시터 충전전류를 구성하는 90도 위상차의 4상 인터리브드 동작 파형과 1개 레그에서 동작되는 상보 스위칭 및 PWM 동작 파형들을
보여주고 있다.
그림 10 가상운영 통합 인터페이스 모듈
Fig. 10 Integrated interface module for virtual operation
그림 11 슈퍼커패시터 에너지저장장치(SCES) 가상화 모듈
Fig. 11 SCES virtualization module for virtual operation
그림 12 4상 인터리브드 및 1레그 PWM 동작 파형
Fig. 12 4-Phase interleaved and 1-Leg PWM waveforms
그림 13과 같이 소프트웨어로 구현된 제어기는 제어용 하드웨어 내 DSP 제어 모듈로 교체해야만 제어기 HILS를 수행할 수 있다.
그림 13 HILS 제어용 하드웨어 제어모듈 구현
Fig. 13 Implementation of hardware control module for HILS
그림 10의 통합 인터페이스 모듈을 이용하여 슈퍼커패시터 에너지저장장치의 적용 유무에 따라 그림 7의 가상계통을 4분 동안 가상운영한 결과 그래프를 그림 14에 나타내었다.
그림 14 가상계통에 대한 SCES 가상운영 결과(전력)
Fig. 14 Virtual operation result with or without SCES(Power)
슈퍼커패시터 에너지저장장치의 전력출력(PSCES)은 높은 파워밀도 특성에 기인하여 급변 부하(PTRAIN)를 빠르게 추종하면서 유사하게 변화한다.
또한 변전소 공급전력(PSUB)은 슈퍼커패시터 에너지저장장치의 고속 응동동작과 변전소 최소출력 제한에 의해 평탄화된 첨두 부분들을 포함한다. 회생에너지(y축
음수)는 직류 변전소의 정류기를 넘어갈 수 없음에 따라 최대 회생전력을 포함한 모든 회생 에너지가 슈퍼커패시터 에너지저장장치에 저장되는 것을 확인할
수 있다.
그림 15 SCES 적용에 따른 가선전압 변동범위 비교
Fig. 15 Virtual operation result with or without SCES(Voltage)
그림 15에 슈퍼커패시터 에너지저장장치의 적용에 따른 가상계통 가선전압의 변동을 나타내었다. SCES가 적용되면 가선전압 변동범위가 줄어들므로 슈퍼커패시터가
가선전압 안정화에 큰 효과를 미치고 있음을 확인할 수 있다.
그림 16 SCES 유효 에너지 용량
Fig. 16 Effective energy for SCES
그림 16은 슈퍼커패시터 에너저장장치의 유효 에너지량을 보여준다. 슈퍼커패시터의 유효 에너지량에 대해 4/3 혹은 그 이상의 스케일링 팩터를 곱하여 실제 슈퍼커패시터
용량을 설계하는데 활용할 수 있다.
표 4 SCES 적용에 따른 계통특성 및 성능평가 결과 요약
Table 4 Summary of virtual operation result with or without SCES
|
Parameter
|
Values
|
|
Without SCES
|
With SCES
|
|
Substation max power supply [MW]
|
5.9
|
2.7
|
|
SCES max power supply [MW]
|
-
|
3.7
|
|
TPSS voltage fluctuations [V]
|
1544 ~ 1718
|
1599 ~ 1657
|
|
TPSS voltage fluctuations ratio [%]
(from Eq. 4)
|
10.5
|
3.5
|
|
Effective energy
for SCES [kWh]
|
-
|
16.9
(-7.2 ~ 9.7)
|
슈퍼커패시터 에너지저장장치 적용에 따른 가상계통 특성과 사전 성능평가 결과를 표 4에 요약하여 제시하였다.