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[철도 전력공급설비의 기술 혁신 ②] 직류전기철도에서의 전기이중층 커패시터 응용
2015년 9월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 9월호 - 전체 보기 )

[철도 전력공급설비의 기술 혁신 ②]
직류전기철도에서의 전기이중층 커패시터 응용


직류전기철도는 차량의 대용량화, 편성의 장대화(長大化), 회생차량의 도입에 의해 △부하용량의 대폭적인 증가 △ 역행전류·회생전류의 대전류화(大電流化) △전압강하의 증가 △회생실효 대책의 필요성 등 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 이러한 해결책으로서 대전류 급속 충전기, 반복 충방전이 가능한 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor: EDLC), 그리고 고속 스위칭 가능 IGBT 소자를 이용한 직류전기철도용 전력저장장치가 실용화되기에 이르렀다. 본고에서는 이 EDLC를 이용한 직류전철용 전력저장장치의 실용례에 대해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

전력저장장치에 요구되는 충방전
전력저장장치를 직류전기철도에 사용하는 경우, 다음과 같은 충방전이 요구된다.

반복 충방전
차량은 열차 다이어그램에 따라 가속운전(역행), 타성운전(타행). 제동운전(회생)을 실시하며, 전력저장장치의 충방전 횟수는 수만~수10만회/년이다.

대전류 충방전
차량 전동기의 대용량화 및 1편성 차량수의 증가에 따라 1편성당 최대전류가 4000A 정도까지 증가하고 있다. 더욱이 운전간격의 단축에 의해 복수편성이 중첩되면서 전력저장장치가 충방전하는 전류는 보다 커지게 된다.

급속 충방전
△역행 개시 시 △재가속 시(재역행), △회생 개시 시에는 급속한 전류변화가 생긴다. 전력저장장치는 이 전류변화에 추종한 충방전을 실시할 필요가 있다.

전력저장장치의 기기구성
[그림 1]에 전력저장장치의 기본적인 회로구성을 나타냈다.

(1) 직류고속도차단기(HSCB)
HSCB는 전력저장장치의 운전정지를 실시함과 동시에 사고 시 전류차단을 실시하여 커패포스트를 계통에서 분리한다.

(2) 승압/강압 초퍼
승압/강압 초퍼는 IGBT 소자로 고속 스위칭을 실시하며 ①궤전전압을 강압하여 EDLC에 충전 ② EDLC 전압을 승압하여 궤전선에 방전 ③과전류가 되지 않도록 전류제한 등의 제어를 실시하고 있다.

(3) 필터 콘덴서, 필터 리액터
승강압 초퍼가 발생시키는 고조파가 궤전계통으로 유출되어 차량통신계통 및 신호계통에 손상을 줄 우려가 있다. 이 때문에 필터 콘덴서, 필터 리액터를 설치하여 궤전계통으로의 고조파 유출을 방지하고 있다.

(4) EDLC
EDLC는 장시간 중량당 충전용량이 축전지계 저장매체보다 적지만, 30초 이하의 단시간 영역에서는 동등한 성능을 가지고 있으며, 반복 충방전 수명, 대전류 충방전, 안전성, 환경성에서 축전지계 전력저장매체와 동등 이상의 성능을 가지고 있다는 점에서 역행시간, 회생시간이 30초 이하가 대부분인 직류전철용 전력저장장치의 저장매체로서는 EDLC가 최적으로 평가되고 있다.

ⅰ EDLC의 동작원리
EDLC의 주요 구성재료에는 활성탄 전극, 전극을 물리적으로 분리하는 세퍼레이터, 전극에 이온을 공급하는 전해액이 있다. 충전 시에는 전해액 중의 음양 이온을 음극·양극 표면에 흡착시켜서 전기를 모은다. [그림 2]에 EDLC의 동작원리도를 나타냈다.

ⅱ EDLC의 유닛 특성
직류전기철도는 1500V 등의 직류 고전압을 사용하고 있다. 따라서 EDLC도 고전압이 요구되기 때문에 유닛 개체 전압 160V, 정전용량 4.5F의 바이폴러 적층형 EDLC를 사용하고 있다. 원하는 전압에 맞게 유닛의 직렬 접속수를, 용량에 맞게 병렬 접속수를 결정한다.

EDLC를 이용한 전력저장장치의 실용례
EDLC를 이용한 전력저장장치는 세이부(西武) 철도 주식회사  세이부 지치부선(西武秩父線)에서 실제 가동되고 있다.

(1) 설치장소
세이부 지치부선(西武秩父線)은 표고차가 크고 억속제동을 많이 사용하고 있지만 단선구간에서 운전간격이 길기 때문에 회생전력을 소비하는 역행차량이 존재할 가능성이 낮아 회생차량의 도입을 보류하고 있었다. 본 노선에 EDLC를 이용한 전력저장장치를 2개소 설치하고 회생전력 흡수를 실시하여 회생차량의 도입을 촉진시켰다. [그림 3]에 설치장소와 표고를 나타냈다.

(2) 주행 측정결과
2편성의 시험차량이 D역에서 교차하고, D역에서 C역 및 D역에서 E역으로 주행했을 시의 β변전소에 설치한 전력저장장치의 전압 및 전류파형을 [그림 4]에 나타냈다. D역에서 C역으로 주행하는 차량의 수차례에 걸친 회생전력을 충전하고, D역에서 E역으로 향하는 차량에 방전을 실시하고 있다.

*
EDLC는 향후 단시간 고출력을 이용하는 순저대책, 건설기계, 직류전기철도 등의 분야에 적용되어 활성탄 전극의 개발, LIC(리튬이온 커패시터)의 개발 등에서 대용량화 및 고출력화가 보다 촉진될 것으로 기대되고 있다. 또한, EDLC를 이용한 전력저장장치를 도입하고 회생전력을 유효하게 활용하면 CO₂ 배출량의 저감에도 기여할 수 있다.

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태그 : 철도 전력공급설비 기술 혁신 직류전기철도 전기이중층 커패시터 응용
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