도시철도 에너지저장시스템의 전력조류계산에 의한 회생에너지 이용 효율에 관한 연구

초록

에너지 산업 전반에 걸쳐 유가 급등에 따른 에너지 절약의 필요성이 증대되고 있으며, 화석에너지를 이용한 발전에 따른 환경 문제를 지적하고 이를 억제하기 위한 다양한 방안 연구에 집중하고 있는 실정이다. 이에 발맞추어 전력 산업 분야에서는 친환경 에너지원의 발전비중 증가와 에너지 저장시스템의 활용을 대안으로 수립하여 활발한 연구를 진행 중에 있다. 이러한 국제적 추세를 따라, 보다 친환경적이고 효율적인 도시철도시스템의 구현을 위하여 에너지 저장시스템 활용에 대한 연구가 필요하다고 할 수 있다. 도시철도시스템은 전력시스템의 다른 부하와 달리, 부하의 시공간적 변화가 있으며, 특히 시간적 부하량 변화 특성이 에너지 저장시스템의 활용 필요성을 강조하는 요인이다. 철도부하는 기동을 위하여 많은 순시전력을 필요로 하지만 부하의 기계적 관성으로 인하여 고속 운전 시에는 오히려 전력을 거의 소모하지 않고, 특히 제동 시에 발생하는 회생전력이 상당히 크다는 특성을 가지고 있다. 기존 국내의 도시철도차량의 경우는, 제동 시 발생하는 회생에너지로 인하여 가선의 전압을 크게 상승시키거나, 저항회로를 통하여 강제적으로 소비하고 있는 실정이다. 회생에너지의 이러한 소비는 에너지의 경제적 소비에 반하는 형태로 볼 수 있으며, 에너지 저장시스템을 활용할 경우 경제성을 상당히 높일 수 있음을 암시하는 것이라 볼 수 있다. 이러한 저장기술은 에너지 변환을 위한 전력전자 회로를 거쳐, 철도부하의 감속 시에 순간적으로 발생하는 회생에너지를 저장하고, 기동 시에 방출하여 기동에 필요한 에너지를 줄이거나 후속 차량에 에너지를 공급하는 기본 활용방안에 가지고 있다. 또한 기동, 제동에 따른 가선 전압의 변동을 안정한 범위 이내로 제한함으로서 도시철도시스템의 안정적 운전을 꾀할 수 있다. 본 논문은 위에서 기술된 에너지 저장기술과 도시철도 시스템의 연계에 관한 기본 연구를 수행하고, 시공간적 변화를 가지는 철도부하에 대한 전력조류 계산을 수행한다. 이를 바탕으로 다양한 운행 조건에 대한 에너지 저장시스템의 에너지 이용 효율을 계산한다.