Feed System Modeling of Railroad using Fuel Cell Power Generation System

연료전지 발전시스템을 이용한 철도급전계통 모델링

Abstract

With the growing interest in fossil fuel depletion and environmental pollution, railroad cars operating in Korea are in progress as the conversion from diesel to electric vehicles expands. The photovoltaic system, which is applied as an example of the conversion of electric vehicles, is infinite and pollution-free, and can produce energy without generating hazards such as air pollution, noise, heat, and vibration, and maintain fuel transportation and power generation facilities. There is an advantage that is rarely needed. However, the amount of electricity produced depends on the amount of solar radiation by region, and the energy density is low due to the power generation of about 25㎡/ kWp, so a large installation area is required and the installation place has limited problems. In view of these problems, many studies have been applied to fuel cells in the railway field. In particular, the plan to link the fuel cell power generation system railroad power supply system must be linked to the power supply system that supplies power to the railroad, unlike solar and wind power. Therefore, it has a close relationship with railroad cars and the linkage method can vary greatly depending on the system topology. Therefore, in this paper, we study the validity through simulation modeling related to linkage analysis according to system topology.

화석연료 고갈과 환경오염에 관한 관심이 고조되면서 국내에서 운행되고 있는 철도차량이 디젤 차량에서 전기 차량으로 전환이 확대되면서 진행되고 있다. 전기 차량의 전환의 한 예로 적용되고 있는 태양광발전 시스템은 무한정하고 무공해 하며 대기오염, 소음, 발열, 진동 등과 같은 위해요소들을 발생시키지 않고 에너지 생산이 가능하며, 연료 수송, 발전설비에 대한 유지보수가 거의 필요하지 않은 장점이 있다. 그러나 전력생산량이 지역별 일사량에 의존하고, 약 25㎡/kWp 발전량으로 에너지밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하며, 설치장소가 제한적인 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 고려하여 철도 분야에서도 연료전지를 적용한 연구들이 많이 증가하고 있다. 특히 연료전지 발전시스템 철도 급전계통 연계방안은 태양광 및 풍력과는 다르게 철도차량에 전력을 공급해주는 급전계통에 연계해야 한다. 따라서 철도차량과 밀접한 관계를 가지는 시스템 토폴로지 (topology)에 따라 연계방식은 크게 달라질 수 있으므로 본 논문에서는 시스템 토폴로지에 따른 연계분석과 관련된 시뮬레이션 모델링을 통한 타당성을 연구하고자 한다.

Ⅰ. 서론

철도기술의 발전과 더불어 타 산업 분야에서 적용되고 있는 다양한 요소기술 및 신기술이 철도에 접목하려는 시도가 이루어지고 있다. 이와 같은 시도는 화석연료 고갈과 환경오염에 관한 관심이 고조되면서 국내에서 운행되고 있는 철도차량이 디젤 차량에서 전기 차량으로 전환되고, 전철화 구간도 확대되면서 진행되고 있다. 한편 신재생에너지를 활용한 기술이 타 산업 분야로 확대되는 가운데 철도산업에서 태양광 및 풍력 등 신재생에너지를 활용하여 전차선로의 전원과 연계하고자 하는 노력이 시도되고 있다.

태양광 에너지를 이용한 태양광발전 시스템은 무한정하고 무공해 하며 대기오염, 소음, 발열, 진동 등과 같은 위해요소들을 발생시키지 않고 에너지 생산이 가능하며, 연료 수송, 발전설비에 대한 유지보수가 거의 필요하지 않고, 20년 이상의 긴 수명을 가지며, 설비 규모의 선정과 설치가 비교적 용이한 장점이 있다. 그러나 전력생산량이 지역별 일사량에 의존하고, 약 25㎡/kWp 발전량으로 에너지밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하며, 설치장소가 제한적이며, 초기투자비가 800만 원～1,400만 원/kWp가 소요되는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 고려하여 철도 분야에서도 연료전지를 적용한 연구들이 많이 증가하고 있다. 특히 연료전지 발전시스템 철도 급전계통 연계방안은 태양광 및 풍력과는 다르게 철도차량에 전력을 공급해주는 급전계통에 연계해야 한다^[1-2]. 그러므로 철도차량과 밀접한 관계를 가지며 시스템 토폴로지 (topology)에 따라 연계방식은 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 시스템 토폴로지에 따른 연계분석과 관련된 시뮬레이션 모델링을 통한 타당성을 연구하고자 한다.

Ⅱ. 연료전지 발전시스템의 철도급전계통 연계 Topology 분석^[3]

연료전지 발전시스템 철도 급전계통 연계방안은 기존 3상 인버터를 이용한 계통연계 topology, 단상 인버터를 추가 구성한 계통연계 topology, 단상 인버터를 추가 구성한 계통연계 topology, DC 750[V] 계통연계 topology로 구분 지을 수 있다.

1. 기본 topology

그림 1은 연료전지 발전시스템을 이용한 철도차량의 기본 구성이다.

그림 1. 연료전지 차량의 기본 topology

Fig. 1. Basic topology of fuel cell vehicle

연료전지가 발전하여 나온 출력전압은 특성곡선에 따라 일정하지 않기 때문에 3상 인버터 입력에 맞는 출력전압을 내기에는 기술적, 가격적으로 어려움이 있다. 따라서 승압형 컨버터를 이용하여 3상 인버터 입력단에 승압된 전압을 공급하여 인버터 출력단에 연결된 견인전동기는 공급된 전압을 받아 기동되는 구조로 되어있다. 또한, 병렬로 연결된 배터리는 부족한 연료전지 출력을 보조하거나 제동 시 견인전동를 통하여 회생되는 에너지를 저장하는 역할을 한다.

2. 기존 3상 인버터를 이용한 계통연계 시스템 topology

그림 2는 기존 3상 인버터를 이용한 계통연계 시스템 토폴로지 구성으로 기존의 연료전지발전 시스템을 이용한 철도차량의 구성과 같다. 계통연계를 위하여 3상 인버터의 출력 상전압을 이용하며 견인전동기로 가는 3선 중 2선을 전차선에 연결하며 3상 인버터의 한 폴(2개의 스위치)은 사용하지 않는 구조로 되어있다. 또한, 전차선 AC 25,000[V]에 계통연계를 해야 하므로 변압기의 턴비(turn ratio)를 이용하여 승압한다.

그림 2. 기존 3상 인버터를 이용한 계통연계 topology

Fig. 2. Grid connection topology using existing 3-phase inverter

이 topology의 장점은 구성된 전력변환장치를 이용하여 계통연계를 하기때문에 추가로 단상 인버터를 구성하지 않아도 되는 장점이 있다. 이로 인해 시스템 제어가 간단하며 재료비 절감 및 철도차량의 무게를 감소시킬 수 있다. 하지만 계통연계시 사용 가능한 전력은 3상 인버터의 1/3 수준이므로 전력이 매우 적은 것이 단점이며 단상 인버터로 설계 시 전체 시스템이 커지는 문제점을 가지고 있다.

3. 단상 인버터를 추가 구성한 계통연계 시스템 topology

그림 3은 단상 인버터를 추가 구성한 계통연계 시스템 topology로 기존의 연료전지발전 시스템을 이용한 철도차량에 단상 인버터를 추가로 구성하였다. 계통연계를 위하여 단상 인버터를 DC Link에 추가로 구성하였으며 단상 인버터의 출력을 변압기를 통하여 전차선 AC 25,000[V] 계통연계를 수행한다.

그림 3. 단상 인버터를 추가 구성한 계통연계 시스템 topology

Fig. 3. Grid-connected system topology with additional single-phase inverter

이 topology의 장점은 단상 인버터를 병렬로 추가 구성함으로 3상 인버터와 단상 인버터를 각각 설계하여 효율적인 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 제어기를 각각의 전력변환장치에 따로 구성하여 차량 구동과 계통연계를 동시에 수행하는 것이 가능하다. 하지만 구성된 전력변환 장치를 추가로 단상 인버터를 구성하기 때문에 철도차량의 무게가 증가하며 시스템의 단가도 늘어나게 된다. 또한, 추가로 단상 인버터를 설치하여 DC-Link에 전압을 이용하여야 하므로 3상 인버터와의 관계도 고려를 해야 한다.

4. 기존 차량과 연계한 계통연계시스템 topology

그림 4는 기존 차량과 연계한 계통연계시스템 topology로 기존의 차량과 연계하 계통연계를 수행하는 구조이다. 차량 운행과는 별개로 계통연계가 가능하므로 량구동을 위한 견인전동기 시스템 구성과는 관계없이 계통연계 적용이 가능하며 계통연계만을 고려하여 설계를 수행할 수 있다.

그림 4. 기존 차량과 연계한 계통연계시스템 topology

Fig. 4. System interconnection system topology in connection with existing vehicles

계통연계를 위해 연료전지발전시스템, 승압형 컨버터, 단상 인버터를 추가로 구성해야 하며 단상 인버터의 출력을 변압기를 통하여 전차선 AC 25,000[V] 계통연계를 수행한다. 이 topology의 장점은 연료전지발전 시스템을 추가 구성함으로 기존 시스템을 고려하지 않고 계통연계를 위한 효율적인 시스템을 구성할 수 있으며 DC Link에 하나의 전력변환 장치를 구성하기 때문에 계통연계만을 위한 제어기를 구성할 수 있다. 또한, 견인시스템을 고려하지 않기 때문에 비교적 간단한 topology로 구성할 수 있으며 기존 차량을 이용하기 때문에 시스템 비용이 다른 topology에 비해 저렴하다. 하지만 기존 차량에 연료전지발전시스템을 추가로 구성하기 때문에 차량의 무게가 증가하는 점과 기존의 차량에 연료전지시스템을 구성 및 적용을 해야 하므로 계통연계시 전차선과 레일에 연결방안을 고려해야 한다.

5. DC 750[V] 계통연계 topology

그림 5는 DC 750[V] 계통연계 topology로 기존의 차량과 연계하여 계통연계를 수행한다. 차량 운행과는 별개로 계통연계가 가능하므로 차량 구동을 위한 견인전동기 시스템 구성과는 관계없이 계통연계적용이 가능하며 기존 시스템에 전력변환장치를 추가로 구성하지 않고도 계통연계가 가능한 topology이다. DC 계통연계를 위하여 연료전지 및 승압형 컨버터 3상 인버터를 구성하고 DC-Link와 DC 계통을 연계를 수행한다.

그림 5. 기존 차량과 연계한 계통연계시스템 topology

Fig. 5. System interconnection system topology linked to existing vehicles

이 topology는 연료전지용 전력변환장치를 추가 구성하지 않고 계통연계가 가능하여 시스템 구성 비용을 줄일 수 있으며. 전력변환 장치의 감소로 효율적인 면에서도 유리한 topology이다. 또한, 계통연계를 위한 제어기를 따로 구성하지 않기 때문에 간소화가 가능하지만, 연료전지 발전시스템을 구성 및 적용을 할 때 전차선과 레일에 연결방안을 고려해야 한다.

Ⅲ. 연료전지 발전시스템 차량 계통연계시뮬레이션^[4-6]

Ⅱ 절에서 언급한 연료전지 발전시스템의 철도급전계통 연계 Topology 중 본 논문에서 DC 750[V] 계통연계 topology를 이용하여 철도차량의 계통연계 시뮬레이션을 수행하였다.

강압형 컨버터의 전력제어를 통하여 부하 전류가 증가하면 전압이 감소하도록 하여 연료전지의 특성을 반영하고 승압형 컨버터를 이용하여 인버터 입력전압을 공급하도록 설계하였다. 연료전지를 모델링한 강압형 컨버터는 전력제어를 수행하며 부하에서 소모되는 전류량에 따라 250~400[V]까지 전압이 변동된다.

또한, 견인전동기의 부하량은 22[kW], 3상 380[V]로 인버터의 입력전압은 750[V]으로 DC 계통에 맞게 선정하였으며 이에 따라 승압형 컨버터의 전압제어의 기준전압을 750[V]로 설정했다. 표 1은 구성에 적용된 시스템 파라미터이다.

표 1. 연료전지 발전시스템 파라미터

Table 1. Fuel cell power system parameters

1. 연료전지 발전시스템 모델링

연료전지 발전시스템의 모델링은 buck 컨버터를 이용하여 그림 6과 같이 설계를 하였다. 연료전지의 특성은 가역반응 시 이론적 한계전압이 한 개의 셀당 1.229 [V]로 직병렬로 연결하여 원하는 전압을 생성할 수 있지만, 실제의 경우 비표준상태, 비가역 반응에 기인하여 손실이 발생하여 고유한 비선형적 특성이 나타난다. 이에 따라 활성화 분극과 농도 분극은 비선형영역으로 모델링이 어려우므로 비교적 선형의 특성을 보이는 저항분극을 이용하여 모델링을 수행하였다.

그림 6. 연료전지 발전시스템 모델링

Fig. 6. Fuel cell power generation system modeling

그림 7은 연료전지 발전시스템 모델링의 시뮬레이션 결과로 0.4[s]와 0.8[s]에 각각 부하를 증가시킬 경우 전류증가에 따른 전압 감소의 결과를 보여주고 있다. 또한, 출력전력의 결과에서 돌입전류로 인한 피크가 발생하지만 설정된 출력값을 유지하면서 연료전지의 출력 특성을 확인할 수 있다.

그림 7. 연료전지 발전시스템의 출력전류, 전압, 전력

Fig. 7. Output current, voltage, power of fuel cell power generation system

2. 승압형 컨버터 모델링

그림 8은 설계된 승압형 컨버터로 계통연계를 할 때 연료전지 출력전압을 승압해 주는 역할로 연료전지의 출력전압 400[V]를 승압형 컨버터는 계통전압 및 인버터 입력 사양인 750[V]로 승압을 할 수 있도록 설계하였다. 또한, PI 제어기를 통해 컨버터의 실제 출력전압은 계통전압 DC 750[V]를 기준 전압과 비교하여 오차량에 따라 제어를 할 수 있는 구조로 그림 9는 이에 따른 전압, 전류의 파형을 과를 보여주고 있다. 초기 기동시 과도상태영역에서 0.3[s] 이후 정상상태에 돌입하면서 안정적인 전압, 전류 파형을 확인할 수 있다.

그림 8. 승압형 컨버터 회로

Fig. 8. Boost converter circuit

그림 9. 승압형 컨버터의 출력전압, 출력전류

Fig. 9. Output voltage, current of boost converter

3. DC 750[V] 계통전압 모델링

계통연계를 위해 DC 750[V] 계통을 모델링한 결과를 그림 10에서 보여주고 있으며 한전에서 수전 받은 3상 22.9[kV]를 3상 변압기 및 다이오드 정류기를 이용하여 DC 750[V] 계통을 모델링 하였다. 그림 11은 DC 750[V] 계통전압에 대한 모델링 결과로 리플이 존재하는 780[V]~805[V]의 파형을 확인할 수 있다.

그림 10. DC 750[V] 계통전압 모델링

Fig. 10. DC 750 [V] grid voltage modeling

그림 11. DC 750[V] 계통전압 모델링 결과

Fig. 11. DC 750 [V] grid voltage modeling result

4. 연료전지 발전시스템을 이용한 철도차량 운전

모델링된 연료전지 발전시스템을 통하여 승압형 컨버터의 출력값 DC 750[V]는 철도차량 견인전동기 구동용인버터의 입력단에 공급되며 이러한 구조로 하여 철도차량 운전에 관한 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 12는 연료전지 발전시스템 철도차량 외에 다른 부하가 없을 때를 모델링한 결과로. 연료전지발전 시스템을 적용한 철도차량의 DC-Link에 병렬로 계통이 연결된 구조이다. 계통연계 전과 비교하여 0→500→1500[rpm]의 주행 시 DC-Link 전압에 리플이 발생하지만, 전압강하는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 1500→0[rpm]으로 제동하여 회생모드가 되었을 시점에는 계통전압이 상승한다. 이는 순간적으로 들어오는 회생전력을 소모시킬 다른 부하가 없는 것에 기인한다. 속도제어에 의한 기준 속도 추종은 잘 이루어짐을 확인할 수 있다.

그림 12. 연료전지발전시스템을 이용한 철도차량 외 무부하 인가

Fig. 12. No-load approval other than railroad cars using fuel cell power generation system

연료전지발전용 차량 외에 다른 부하가 존재할 시를 모델링하여 시뮬레이션 결과를 림 13에서 보여주고 있다. 연료전지발전 시스템을 적용한 차량의 DC-Link에 병렬로 계통이 연결된 구성으로 그림 12 철도차량 외 무부하시 결과와 비교하여 DC-Link 전압에 리플이 나타나지 않으며, 회생모드시 계통전압 상승 없이 일정한 DC 전압을 유지하는 결과를 확인할 수 있다.

그림 13. 연료전지발전시스템을 이용한 철도차량 외 부하인가

Fig. 13. Applying loads other than railroad vehicles using fuel cell power generation systems

Ⅳ. 결론

연료전지 발전시스템을 적용한 철도 급전계통 연계방안은 태양광 및 풍력과는 다르게 철도차량에 전력을 공급해주는 급전계통에 연계해야 한다. 따라서 철도차량과 밀접한 관계를 가지는 시스템 topology에 따라 연계방식은 크게 달라질 수 있다.

본 논문에서는 DC 750[V] 계통연계 topology를 이용하여 각각의 연료전지 발전시스템, 승압형 컨버터, DC 750[V] 계통전압, 연료전지 발전시스템을 이용한 철도차량 운전 시뮬레이션 모델링을 통해 철도급전계통의 타당성을 확인할 수 있었다.

※ 이 연구는 2020년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.