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A Study on Enhancing Regenerative Energy Efficiency for Urban Railway Vehicles by Applying Energy Storage System
A Study on Enhancing Regenerative Energy Efficiency for Urban Railway Vehicles by Applying Energy Storage System
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Sep, 63(9): 1306-1311
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : April 29, 2014
  • Accepted : August 13, 2014
  • Published : September 01, 2014
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About the Authors
종 혁 우
Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University, Korea.
정 호 한
Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University, Korea.
주 이
Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University, Korea. E-mail:julee@hanyang.ac.kr

Abstract
In this paper, effect of recharging power by using ESS(Energy Storage System) was investigated when ESS was applied to the train. The recharging power was analyzed and measured. Also, by applying ALVT algorithm, effective recharging and discharging were studied. By using this process, recharging and discharging of the super capacitor were improved which led to enhancing the use of recharging power from the urban Railway vehicles.
Keywords
1. 서 론
최근 들어서 국가 전력수급 안정을 위한 에너지 절약정책이 요구되고 있다. 정부에서는 언제 전력을 쓰느냐에 따라 요금 차등제를 시행하고 있다. 하루 중 경부하시간과 최대 부하시간으로 나뉘어서 최대 3.5배의 요금 가중을 주고 있다. 하지만 전기에너지의 지속적인 절감은 어려움이 있고 전동차 같은 경우는 운행 감축 없이 일반용 전력 감축만으로 한계가 있다. 그 중에서 시스템적 에너지절약을 하기 위한 목적으로 에너지저장장치(Energy Storage System)를 이용하여 요금이 싼 경부하시간에 축전지에 저장된 전력을 전기료가 비싼 최대부하시간에 사용함으로써 전력수요가 많은 피크 시간대에 사용하여 기본요금을 절감하거나 사용량 요금을 절감하는 방향을 모색하고 있다. 본 논문에서는 서초 변전소에 설치되어 있는 ESS가 동작하여 차량의 회생시 발생한 회생에너지의 충전량과 역행시 차량에 공급하는 방전량을 조사, 측정 및 검토함으로써 ESS의 설치에 따른 회생 전력량에 의한 효과를 분석한다.
2. 본 론
전동차에서 발생되는 회생에너지량은 전동차 급전전력의 약 45%에 달하며 이중에서 약 25%만이 인접 전동차에 이용되고 나머지 20% 정도는 낭비되고 있는 실정이다. [1] 시스템적 에너지절약을 위한 에너지저장시스템은 변전소 모선에 연결되어 차량이 회생할 때 차량에서 발생된 전력에 의해 전차선의 전압이 올라가면 이 에너지가 에너지저장장치 (Energy Storage System)에 저장되고 차량이 역행을 하면 전차선 전압이 내려가므로 에너지저장장치(Energy Storage System)는 이 에너지를 전차선을 통하여 차량에 공급하게 되는 방식이다. [2]
특히 전동차가 운행 중에 속도를 줄이기 위하여 제동을 하면 전동차의 전동기가 발전기로 전환되어 전력을 발생하게 되는데, 이때 발생된 회생전력을 저장하여 전동차 운행시 재공급하도록 에너지저장장치(Energy Storage System)를 설치하여 기존의 급전계통에서 열손실을 소모되던 회생전력을 급전계통에서 전동차의 역행전력으로 재활용함으로 써 변전소의 전압강하를 보상하고 공급 전류량을 낮추어 전력효율을 높이고 전원설비를 안정화 시키려는 목적을 두고 있다. [3] 그림 1 은 에너지 저장장치 개념도를 나타내고 있다. 차량의 가선전압은 DC 1500V 이고 운행구간은 지하철 2호선 서초역 기준 양쪽 구간이며, 운행시간은 오전 5시 30분부터 다음날 새벽 1시까지이며 차량 편성수는 10량 1편성 기준이다. 운행횟수는 평일 552회 공휴일 420회 기준이다. [4]
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에너지저장장치 개념도 Fig. 1 Concept of an Energy Storage System
ESS의 정격용량은 32MJ이고 동작전압은 충전개시전압일 때 1,725V, 방전개시전압은 1,595V이다. 시스템 구성은 그림 2 와 같이 구성되어 있다.
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서초변전소에 설치된 ESS 블록도 Fig. 2 Block Diagram of ESS that Installed in Seocho Substation
- 2.1. Advanced Line Voltage Tracker [ALVT]
기존의 가선전압 추적방식(Line Voltage Tracking)은 가선전압에 변동분을 슈퍼 캐패시터의 과충전, 과방전시에 확인하여 적용토록 하는 알고리즘이었다. 이러한 이유에서 ESS장치의 운용 시 가선 전압 추적은 원활히 동작하는데 다소 제한이 있었다. 또한 슈퍼 캐패시터의 전압에 따른 정격 전류가 일정함에 따라 슈퍼 캐패시터가 낮은 전압을 가지는 경우에는 운용전력이 상대적으로 낮아져서 운용되게 되므로 가선에서 발생되는 회생전력을 저장하는 경우에는 다소 제한되어 회생전력을 수급하는 단점을 가지고 있었다. 이러한 기존 슈퍼 캐패시터의 수동적인 운용방식을 능동적으로 제어하여 슈퍼 캐패시터의 가용범위에서는 높은 전압에서 운용될 수 있도록 한다면 가선에서 발생되는 회생전력의 수용성을 높여 ESS장치의 효율을 향상 시키는데 기여할 수 있을 것이다. ALVT는 기존의 가선전압 추적 방식을 개선한 방법으로 가선전압을 추적하는 시점과 변동가변 설정값을 기존 방식보다 미세하게 조정하는 방식으로 제안하였다. 가선전압 추적 시점은 일정주기마다 가선을 모니터링하여 이를 가선전압으로 반영하는 방법으로 일정주기마다 가선 전압 모니터링 시에 회생이나 역행에 의한 전압과 ESS장치의 기동 시에 가선전압을 제외한 나머지 전압에 대하여 평균값을 취하는 방식으로 적용하였다. 이러한 방식은 기존의 LVT의 제한된 운용시점(과충전/과방전)을 일정주기 마다 마다 운용될 수 있도록 함으로서 가선전압 추적 성능을 향상 시키는 방안이다. 일정시간의 범위와 역행/회생을 판단할 수 있는 설정 값은 아래의 조건을 바탕으로 선정하였다.
여기서, T mon 는 모니터링 주기, t pwr 역행 시 지속시간, t reg 회생 시 지속시간, Vdcpwr 역행 인지 전압, Vdc reg 회생 인지 전압, Vdc pre 모니터링 된 가선전압의 이전 값이다.
단, 부하용량에 따른 변전소의 수용성에 따라 역행 인지 전압의 범위는 선정되어야한다. 왜냐하면 변전소의 용량이 부하에 비해 매우 큰 경우에는 역행 시 전압 가변 폭이 매우 작게 나타나고, 변전소 용량이 부하에 비해 약간 큰 경우 에는 전압 가변 폭은 상당히 큰 폭으로 나타날 수 있기 때문이다.
- 2.2 슈퍼 커패시터의 회생전력에 대한 수용성 향상 알고리즘
일반적으로 슈퍼 캐패시터와 같은 저장 매체의 운용은 가선의 상태에 의해 수동적으로 충전/방전이 결정되며, 이러한 충전/방전 동작에 의해 슈퍼 캐패시터의 전압을 자연적으로 임의에 전위를 형성하게 된다. 하지만 슈퍼 캐패시터와 같이 전력 밀도가 큰 저장매체의 경우에는 충전/방전에 따른 전압의 변동폭이 상당히 크며, 이는 슈퍼 캐패시터의 제한된 정격전류와의 관계에 의해 공급할 수 있는 최대 전력 또한 제한하는 요인으로 나타나게 된다. 본 개선 알고리즘은 이러한 저장매체의 특성을 능동적으로 제어하여 적절히 활용함으로서 효과적으로 회생전력을 수용하기 위한 방안이라 하겠다.
- 2.2.1 회생 에너지와 슈퍼 캐패시터의 수용성 관계
본 알고리즘 구현에는 회생 에너지 발생 시 회생전력과 소요시간에 대한 슈퍼 캐패시터의 수용성에 대한 부분이 관계 된다. 이러한 관계에 의해 4가지 조건으로 구성되며, 구성 조건은 다음과 같다. ( P sc 는 슈퍼 캐패시터의 전력, P reg 는 회생전력, t sc 는 슈퍼 캐패시터의 충전/방전 시간, t reg 는 회생전력 유지시간이다.)
Case 1 : Psc> Preg and tsc > treg
Case 1의 경우는 슈퍼 캐패시터의 회생전력과 회생전력량에 대한 수용성이 충분한 경우로서 이 경우에는 발생되는 회생 전력을 100[%] 수용하는 경우이다.
Case 2 : Psc > Preg and tsc < treg
Case 2의 경우는 슈퍼 캐패시터의 회생전력에 대한 수용성은 충분하지만 회생전력량에 대한 수용성이 부족한 경우로서 이러한 상황에서는 회생전력량에 대한 수용성을 향상시켜 줄 필요가 있다.
이러한 경우 슈퍼 캐패시터의 운용전압의 하한치를 낮게 설정하여 t sc 가 길어지도록 함으로서 전력량에 대한 수용성을 향상시킬 수 있다.
Case 3 : Psc < Preg and tsc > treg
Case 3의 경우는 슈퍼 캐패시터의 회생전력에 대한 수용성은 충분하지 못하지만, 발생되는 회생 전력에 대한 시간보다 슈퍼 캐패시터의 운용시간이 충분히 확보된 경우로서 이러한 상황에서는 슈퍼 캐패시터의 전력(P sc ) 수용성을 증가시켜 회생 전력량에 대한 수용성을 향상 시켜 줄 필요가 있다.
슈퍼 캐패시터의 전력 수용성 증가는 슈퍼 캐패시터의 운용전압의 하한치를 높게 설정하여 줌으로서 향상 시킬 수 있다.
Case 4 : Psc < Preg and tsc < treg
Case 4의 경우는 슈퍼 캐패시터의 회생전력과 전력량이 모두 부족한 경우로서 제어를 통한 회생전력의 수용성 향상은 불가한 경우라 하겠다.
결론은 슈퍼 캐패시터의 전압운용에 대한 능동적인 제어를 통한 회생전력의 수용성 향상은 case2와 case3의 경우에 대하여 적용 할 수 있다는 것이다.
- 2.2.2 슈퍼 캐패시터의 가용 운용 전압 제어 알고리즘
2.1.1절의 회생에너지와 슈퍼 캐패시터의 수용성 관계로 부터 슈퍼 캐패시터의 가용 운용 전압 제어 알고리즘을 구현하기 위해서는 “어떻게 수용성에 대한 부분을 정의 할 것인가?” 그리고 “얼마나 슈퍼 캐패시터의 운용 하한 값을 정의 할 것인가?”이다. 위 두 가지에 대한 부분을 정의 할 수 있다 면 우리는 좀 더 효율적으로 발생되는 회생 에너지를 수용할 수 있게 될 것이다.
현재 적용된 알고리즘은 슈퍼 캐패시터의 과충전/과방전 레벨에 의하여 능동적으로 슈퍼 캐패시터의 운용전압이 가변되도록 구현하였다. 즉, 일정 운행시간 동안 슈퍼 캐패시터가 과충전이 많이 발생 되는 경우에는 case 2의 경우가 발생되었다고 가정 할 수 있게 되고, 이와 반대로 과방전이 많이 발생 되는 경우에는 case 3의 경우가 발생되었다고 가정 할 수 있다. 이러한 가정을 바탕으로 과충전/과방전을 카운팅하는 주기와 발생된 과충전/과방전에 대한 슈퍼 캐패시터의 하한치 운용전압을 적정한 값으로 결정하게 된다. 그림 3 은 슈퍼커패시터, 쵸퍼장치들을 포함한 ESS 주회로도를 나타내고 있으며, 그림 4 는 서초변전소에 설치된 ESS를 나타내고 있는 것이다.
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ESS 장치의 주회로도 Fig. 3 Main Circuit Diagram of ESS Device
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서초변전소에 설치된 ESS 장치 Fig. 4 ESS device installed in Seocho substation
- 2.3 시험 결과 분석
- 2.3.1 가선전압 안정화 효과 분석
ESS장치 기동에 따른 가선전압 안정화 효과를 확인하기 위하여 ESS장치 기동 전/후의 가선전압을 오실로스코프를 사용하여 계측하였다. 측정은 가선전압의 변동 추이를 확인하기 위해 1[ms/div], 100[ms/div]으로 측정하였다. ESS장치 미기동 시에 가선전압은 아래 그림 5 에서 보는 것과 같이 12상 정류기의 변전소 전원과 차량의 전장품의 맥동 전류에 의해 아래의 측정결과와 같이 약 1380∼1840[V]까지 큰 변동 범위를 가짐을 알 수 있다.
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ESS 장치 미기동시 가선전압의 측정결과 Fig. 5 Line Voltage Value in ESS Non-Driving Time
ESS장치 기동 시에 가선전압은 그림 6 과 같은 측정 결과가 나타났다. 측정 결과에서 그림 6 의 충전 시에는 차량이 회생 시 ESS충전에 따른 가선전압 측정결과 이고, 방전시에는 차량이 역행 시 가선전압 측정결과 이다.
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ESS 장치 기동시 가선전압의 측정결과 Fig. 6 Line Voltage Value in ESS Driving Time
측정 결과에서 보듯이 차량이 회생 시에는 ESS장치에서 회생에너지의 충전 동작을 통하여 1680∼1720[V]로 전압이 안정화 되고 있음을 확인 할 수 있다. 또한 역행 시에는 변전소의 전원과 ESS가 같이 가선 측으로 전원을 공급함으로서 가선전압이 1510∼1745로 ESS 미기동시보다 전원이 안정화되고 있음을 확인 할 수 있다.
표 2 는 시험 시 가선전압 측정결과로부터 정규화 시킨 결과로서 다음과 같은 추세를 나타냄을 확인하였다. (12상 정류기에 의한 맥동전압 성분은 필터를 통하여 평균값 연산처리)
ESS 상태에 따른 가선전압 변동 범위 [단위: V]Table 2 Range of Line Voltage by ESS's State
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ESS 상태에 따른 가선전압 변동 범위 [단위: V] Table 2 Range of Line Voltage by ESS's State
표 2 의 정규화 시킨 가선전압을 바탕으로 ESS 미기동 시에는 평균적으로 약 425[V]의 변동 폭을 가지고, ESS 기동시에는 평균적으로 약 230[V]의 변동 폭을 가짐을 알 수 있다. 이를 통하여 ESS장치 기동 시에는 가선전압이 약 200[V]정도 안정화됨을 확인하였다.
- 2.3.2 에너지 절감 효과
기존의 LVT 알고리즘 적용 시 시험결과는 아래의 표 3 에서 보는 것과 같이 날짜 및 시간에 따른 ESS 전력 공급량이 분포하고 있음을 확인 할 수 있다. 1일 평균 약 1295[kWh]에 에너지 절감 효과를 보이고 있음을 알 수 있다.
LVT 적용 시 일별 ESS 전력공급량 [단위: kWh]Table 3 ESS Power Supply Amount when Applying LVT
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LVT 적용 시 일별 ESS 전력공급량 [단위: kWh] Table 3 ESS Power Supply Amount when Applying LVT
ALVT 알고리즘 적용 시 시험결과는 가선전압의 변동분을 기존의 LVT 알고리즘과 달리 슈퍼 캐패시터의 과충전/과방전 레벨에 의존하지 않고 찾아감에 따라 효과적으로 충전/방전 기능을 수행함을 확인 할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 슈퍼 캐패시터의 충전/방전 기능은 더욱 활발하게 이루어지고 이는 차량의 회생에너지의 활용도를 높이는 결과로 나타난다. 현재 서초역의 경우 에이징 시험 기간(5일) 동안의 평균 ESS 일일 공급전력량이 2159[kWh]로 나타났다.
표 4 는 ALVT 적용 시 일별 ESS 전력공급량을 나타내고 있다. 물론 이러한 결과는 부하인 차량의 부하와 운전패턴에 의해 다른 양상을 보일 수 있지만, 기존 LVT 알고리즘 보다는 ESS의 회생에너지의 회수율을 향상시키는데 큰 차이를 보일 것으로 사료된다.
ALVT 적용 시 일별 ESS 전력공급량 [단위: kWh]Table 4 ESS Power Supply Amount when Applying ALVT
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ALVT 적용 시 일별 ESS 전력공급량 [단위: kWh] Table 4 ESS Power Supply Amount when Applying ALVT
3. 결 론
본 논문에서는 지하철 2호선 서초 변전소에 설치되어 있는 ESS를 통한 에너지 절감 효과를 분석하였다. 그 결과 ESS 미가동 시에는 평균적으로 약 425[V]의 변동 폭을 가지고, ESS 기동 시에는 평균적으로 약 230[V]의 변동 폭을 가짐을 알 수 있었다. 또한 기존의 가선전압과 개선된 가선전압을 비교하였을 때, 기존의 가선전압을 사용하였을 경우 ESS에 저장되는 일일 공급전력량이 1295[kWh]에 비해 개선된 가선전압을 사용하였을 때는 ESS에 저장되는 일일 공급전력량이 2159[kWh]로써 기존 가선전압 적용 시보다 약 71.5[%] 향상된 수치를 보이고 있다. 가선전압이 안정화됨에 따라 얻을 수 있는 기대효과는 다음과 같다. ESS 설치시에는 전차선의 전압을 안정적으로 공급할 수 있게 되어 차량의 전장품 등 전기장치의 고장 요인을 줄여 유지보수 비용절감 및 수명연장에 기여한다. 또한 ESS로부터 공급되는 전력량 만큼 회생이 더 일어나므로 전기제동이 많아지고 공기제동이 감소하게 되므로 차륜 및 브레이크슈와 라이닝의 수명연장이 기대되며, 그에 따른 유지보수비가 줄어들고 철분발생을 감소시켜 역사의 공기 질 개선 및 차량의 정위치 정차로 인하여 승객 서비스 개선 효과가 나타난다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.2013R1A2A1A01015171).
BIO
우 종 혁 (禹 鍾 赫)
1967년 3월 23일생. 2012년 한양대학교 공학대학원 철도시스템공학과 졸업(석사). 1992년∼현재 서울메트로 감사실 근무. 2013년∼현재 한양대학교 대학원 전기공학과 박사과정.
한 정 호 (韓 政 澔)
1980년 11월 2일생. 2006년 2월 순천향대학교 정보물리학과 졸업(학사). 2005년∼2008년 한백디스템(주) 연구소 근무. 2010년∼현재 한양대학교 대학원 전기공학과 석박사통합과정.
이 주 (李 柱)
1963년 8월 30일생. 1986년 한양대 전기공학과 졸업. 1988년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사). 1989∼1993년 국방과학연구소 연구원. 1997년 일본 큐슈대학교 System 정보과학연구과 졸업(박사). 1997년 한국철도 기술연구원 선임연구원. 1997년∼현재 한양대 전기생체공학부 교수.
References
Jung Dong-hun 2010 “A study on charge and discharge control algorism of Energy Storage System for the effective use,” Master’s Degree paper Incheon National University 8 - 9
Lee Young-Bin 2013 “Estimating Effects of Energy Storage System Application to Urban DC Railway System on the basis of Train Diagram ,” Master’s Degree paper Seoul National University of Science and Technology 7 - 8
Kim Min-Cheol 2006 “A study of utilizing regenerative energy in DC traction system by using stroage equipment,” Sungkyunkwan University 31 - 32
2013 Seoul Metro station website operating status information