주메뉴 바로가기 본문바로가기
전체메뉴닫기
과제현황 목록

과제기본정보

CO2 320ton/년 저감 가능한 컨버터 모듈화 구조의 1MW급 전동차 회생에너지시스템 상용화 기술개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 22TBIP-C161240-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 통신 | None | None 과제유형 개발
과제명 CO2 320ton/년 저감 가능한 컨버터 모듈화 구조의 1MW급 전동차 회생에너지시스템 상용화 기술개발
주관연구기관 (주)지필로스
총괄연구 책임자 성명 조경식
소속 (주)지필로스 직위 차장
기관 대표번호 031-720-5337 FAX 031-720-5339
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 440,000,000 26,580,000 224,220,000 250,800,000 690,800,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ■ 2020년 12월 환경부 발표에 따르면, 2017년 온실가스 총배출량 대비 24.4%를 감축하는 목표치를 유엔기후변화협약 사무국에 제출하였음. 또한 대한민국 정부는 2020년 7월 2050년까지 탄소중립(net-zero) 목표달성을 선언하고 ‘한국판 그린 뉴딜’을 비롯한 다양한 정책적 지원을 기획하고 있음
■ 2020년 환경부가 발표한 ‘2019 국가 온실가스 인벤토리 보고서’에 따르면, 대한민국의 2017년 온실가스 총배출량은 709.1백만톤(이산화탄소환산량, CO2eq.)이며, 이는 전년대비 2.4%증가한 값임. 2017년 총 배출량 중 에너지(615.8백만톤, 86.8%)분야의 비중이 가장 크며, 에너지분야 중에서는 전기, 난방 등 에너지산업의 비중이 가장 높았음
■ 이러한 시각에서, 도시철도에서 발생하는 전동차 회생전력을 유효하게 활용하게 되면, 전력을 발생시키기 위한 1차 에너지의 소비를 절감할 수 있으며, 특히 고부하시간대의 발전 필요량 감소는 화력발전에서 발생하는 이산화탄소의 발생을 줄일 수 있음
■ 1MW용량의 회생에너지 시스템이 설치될 때 회생에너지시스템이 하루에 회수하는 전력은 1~1.2MWh 수준이며, 상기 시스템의 운전을 통해 연간 319~388톤의 온실가스를 감축할 수 있으며, 2020년 현재 구축된 도시철도 변전소(260개소)에서 최대 11만톤의 온실가스를 절감할 수 있음
■ 본 신청과제에서의 사업화 대상기술은 통상 지하철 변전소에 설치되어 전동차가 정차할 때 발생하는 회생에너지(회생전력)를 회생컨버터를 통해 회수하여 이를 다시 지하철 역사의 전력계통에 공급하는 시스템으로, 전차선 가선전압의 상승을 억제시킴으로써 전력설비의 고장발생을 줄일 뿐 아니라 기존에 버려지던 에너지를 회수하여 활용함으로써 전력소비를 절감하는 효과를 얻을 수 있음.
■ 회생에너지시스템은 전차선 가선으로부터 전력을 회수하기 위한 회생컨버터와 회수된 직류전력을 전력계통에 연계하기 위한 회생인버터, 전동차의 속도 및 진입 신호 등을 수신하여 회생에너지 발생여부 및 발생량을 판단하고 회생컨버터와 회생인버터를 제어하기 위한 PMS 등으로 구성됨
■ 회생에너지시스템은 가선전압을 입력받는 Capacitor Bank부와 DC/DC 전력변환을 담당하는 회생컨버터부, 그리고 DC/AC 변환하여 전력계통에 연계하는 회생인버터부, 그리고 이들 전체를 제어하는 상위제어시스템(PMS)부 등으로 구성됨
최종목표 ○ 하루 1MWh 이상의 회생전력 회수를 통하여 연간 CO2 발생량 320 ton 이상을 저감시킬 수 있는 1MW급 전동차 회생에너지시스템을 개발하여 상용화하는 것을 목표로 함.
- 직렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 도시철도 및 경전철, 중전철 등에 모두 적용 가능한 제품의 개발
- 병렬 구성방식의 모듈화 제품개발을 통한 용량 변동성을 가지는 회생에너지시스템 제품의 개발
- 차세대 반도체 소자를 적용한 회생전력 변환장치의 사이즈 축소 및 효율향상을 실현한 제품의 개발
- 국산화 비중 60% 이상의 회생에너지시스템 개발
- 재생에너지 및 ESS 시스템 연계가 가능한 분산전원 연계형 시스템 개발
- IoT 기술의 융합을 통하여 실시간 원격운영 및 모니터링이 가능한 시스템 개발
- 실증운영을 위한 테스트 베드 구축 및 장기간 실증운영
- 장기간의 실증데이터를 통한 성능 및 운영효과 검증
연구내용 및 범위 ○ 실증 사이트 분석
- 실증 사이트 후보지 분석
○ 공간, 송배전 계통도 분석
○ 실증 사이트 도면 설계, 환경 조성공사
- 가선 및 계통 접속점 전기 도면 설계
- 실증 사이트 - 시스템 배치 도면 설계
- 회생에너지 시스템 > 내부 설비 및 안전 설비 설계
> 전기, AUX, 통신, 화재, 화기 시스템 설계
- 실증 사이트 ? 전기 및 기초 토목 공사 실시
○ 회생에너지 시스템 설계
- 회생에너지 시스템 > 전체 시스템 상세 도면 설계
- 회생에너지 시스템 > 사양 및 구조 설계
- 각 시스템별 장비 기구 도면 설계
○ 회생 전력 변환장치 설계 제작, 모듈 샘플 제작 및 시험
- 회생에너지 시스템 > 각 Part별 시뮬레이션 진행
- 회생에너지 시스템 > 각 Part별 사양 및 상세 설계
- 회생에너지 시스템 > 각 Part별 샘플 제작
- 회생에너지 시스템 > 각 Part별 샘플 Test
○ 원격 모니터링 설계
- 원격 모니터링 시스템 구성도 설계
- 각 Part별 통신 프로토콜 및 통신 사양 설계
○ 회생에너지 시스템 제작
- 1MW급 회생에너지 시스템 Converter Part 제작 및 시험
- 1MW급 회생에너지 시스템 Inverter Part 제작 및 시험
- Converter & Inverter Part 연계 운전 FAT 시험
○ 회생에너지 실증사이트 구축
- 회생에너지 시스템 현장 구축 공사
- 회생에너지 시스템 가선전압(수전) 및 변전소(송전) 연결
○ 가선 전압 연계 실증 시험
- 실증 사이트 가선전압 변동성 분석
- 회생에너지 시스템 > 운전 Level 설정
- 가선 전압 연동 100kW 단위 유닛 발전 시험
- 가전 전압 연동 1MW 시스템 발전 시험
○ 장기 운전 시험
- 시간,요일,월별 회생에너지 발생량 패턴 분석
- 회생에너지 발전량 ? 경제성 분석
○ 원격 모니터링 및 진단 시험
- 실증 운전 원격 모니터링 및 원격 운전 시험
○ 안전 및 유지보수 매뉴얼 작성안 도출
○ 장기 운전 시험 시스템 최적화
- 장기 운전 실증 시험
- 시스템 운영 알고리즘 및 하드웨어 최적화
○ 원격 모니터링 시스템 최적화
- 상위제어기 운영 알고리즘 최적화
- 원격 모니터링 시스템 최적화
○ 안전 및 유지보수 매뉴얼 개발
- 시스템 설치, 운전, 안전, 유지보수 매뉴얼 개발
○ 성능인증 기준 도출 및 평가
- 계통 연계 기술 기준 접합성 인증서 획득
- 전기 안전용품 인증서 획득 > KC 인증
○ 경제성 분석
- 시간,요일,월별 회생에너지 발생량 패턴 분석
- 에너지 발전량에 따른 경제성 및 탄소 저감량 분석
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ○ 주관연구기관(지필로스)
■ 실증 사이트 분석(구조, 계통도, 환경 등)
■ 실증 사이트 구축 도면 설계 및 환경조성 공사
■ 회생에너지 시스템 설계(전체 구조 설계)
■ 회생에너지 전력변환장치 상세설계

○ 공동연구기관(서울교통공사)
■ 실증대상 사이트 선정 및 제공
■ 실증사이트 배전망구성 분석 및 회생시스템 연계방안 도출
■ 회생에너지 데이터 수집 및 분석
○ 주관연구기관(지필로스)
■ 실증 사이트 분석(구조, 계통도, 환경 등)
> 실증후보: 광나루(5호선), 남성(7호선) 수락산(7호선) 변전소
> 실증후보 사이트 구조 및 계통도 분석
> 실증 사이트 선정

■ 실증 사이트 구축 도면설계 및 환경조성 공사
> 실증사이트 부지 및 설치환경 조사
> 실증사이트 수전 및 송전 환경 분석
> 실증사이트 전력망 구성 검토 및 계통연계 접속점 위치 선정
> 실증사이트 환경 조성공사
> 회생시스템 설비 배치도 설계 및 기초공사
> 전력 배선도 설계 및 전기공사

■ 회생에너지 시스템 설계(전체 구조 설계)
> 회생시스템 용량 및 구성방식 설계
> 회생시스템 전체구조 및 전원라인 설계
> 회생컨버터 모듈 Optic Interface 설계
> Aux 전원공급 및 상시전원 & UPS 전원라인 설계
> 통합제어기 및 상위 통신 제어기 설계
> 회생컨버터 모듈화 구조설계 및 Rack Panel 설계
> DC Incoming Panel 설계
> 회생인버터 설계 및 AC Incoming Panel 설계
> 회생시스템 모듈화 운전 알고리즘 설계

■ 회생에너지 전력변환장치 상세설계
> Simulation을 통한 컨버터, 인버터 H/W 및 S/W 설계 및 검증
> 차세대 반도체(WBG) 적용 컨버터, 인버터 회로설계
> WBG 반도체 구동용 고속 스위칭 Gate Driver 설계
> WBG 반도체 적용 전력회로 및 Stack 설계
> 열 시뮬레이션 해석을 통한 방열구조 설계 및 검증

○ 공동연구기관(서울교통공사)
■ 실증대상 사이트 선정 및 제공
> 실증대상 후보사이트 입지분석
> 시스템 설치공간 확보 가능여부 검토
> 전차선 가선 및 전력계통 연계 난이도 검토
> 회생에너지 데이터 확보 가능여부 검토
> 비상 시 안전 확보 및 조치 용이성 검토

■ 실증사이트 배전망구성 분석 및 회생시스템 연계방안 도출
> 실증 사이트 가선 배전망 구성 분석
> 실증 사이트 전력계통 배전망 구성 분석
> 회생시스템 직류/교류 연계 접속점 검토 및 선정
> 회생시스템 배전망 연계 구성도 설계

■ 회생에너지 데이터 수집 및 분석
> 회생에너지 발생 데이터 수집
> 회생에너지 발생량 분석(시간별, 일별, 주별, 월별, 발생주기)
연구성과 기술적 기대성과 ■ 서울 지하철 변전소 1개소 기준 연간 약 360MWh 정도의 회생전력 활용을 통해 연간 약 320 ton의 CO2 저감 효과를 기대할 수 있음. 이를 전국의 지하철
변전소에 260여 개소에 모두 적용할 경우 약 83,000 ton의 CO2 저감 효과를 기대할 수 있음.

■ 지하철, 경전철 등 도시철도 운영기관에서의 에너지 절감대책 및 능동적인 에너지 절감 및 활용 대책으로 활용

■ 도시철도 에너지 절감 관련 제도개선 및 신규시장 확보방안으로 활용

■ 회생에너지와 신재생에너지원 및 전력저장장치를 연계한 에너지절감 시스템 활용기술 확보

■ 지하철 변전소 기준 1개소당 연간 6000만원 ~ 1억원 내외의 전력요금 절감효과 기대

■ 국가차원의 에너지 절감대책 및 기후변화 대응기술 확보
사회 경제적 파급효과 ■ 도시철도 역사에 회생에너지 적용 기술은 도시철도 역사의 전력사용량 저감을 통한 도시철도 운영기관의 운영비 개선과 도시철도 역사 건설시 제로에너지 기반의 도시철도 건설비 및 운영비 절감.

■ 도시철도 역사의 에너지 절감기술 관련 시험평가기술에 대한 시험평가 표준화 및 시험평가 기법 개발은 장래 국제표준을 선점함에 있어서 우선권을 가질 수 있으며 국가경쟁력 측면에서도 유리한 기회를 갖게 됨.

■ 도시철도 역사 에너지 저감기술의 검증을 통해 향후 도시철도 운영 효율화를 위해 도시철도 관련 법규/기준 등 제도 수립에 기초 자료로 활용할 수 있음.

■ 경제적 파급효과
● 전력사용량 절감효과 : 200MWh/년, 변전소 1개소 기준
● 전기요금 절감효과 : 60백만원/년, 변전소 1개소 기준
● CO2 절감효과 :62,908ton/년
● 수입대체효과 : 1,800억원
● 수출기대효과 : 5,000억원
활용방안 ■ 전동차량에서의 회생에너지원으로부터 전력을 공급받아 도시철도 역사의 부하에 직접 공급함으로써 역사 내의 전력사용량을 줄이는 시스템을 개발함으로써 국가차원의 전력공급의 불안정성을 개선할 수 있는 보다 능동적인 방안으로 활용할 수 있음.

■ 도시철도 역사의 전동차 회생시스템은 도시철도 운영기관에서 능동적인 에너지 절감대책으로 활용할 수 있으며, 전력요금 절감을 통한 운영비 개선에 기여할 수 있음.

■ 전동차 회생시스템의 통합 검증을 위한 국제화된 성능평가 기준 마련으로 국가인증제도 확보를 통한 국내인증 기반을 마련할 수 있으며 성능평가 관련 선진기술의 습득과 평가 기준 검토를 통한 독자적 평가기준을 마련하여 핵심부품 개발업체의 신뢰성을 확보시킬 수 있음

■ 도시철도 역사 에너지 절감기술의 검증을 통해 향후 도시철도 운영 효율화를 위해 도시철도 관련 법규/기준 등 제도 수립에 기초 자료로 활용할 수 있음.

■ 에너지 성능 기반의 도시철도 역사 테스트베드 구축 및 운영을 통한 도시철도 종사자 및 이용객의 도시철도 에너지 절감 방안에 대한 홍보 및 도시철도 운영기관의 이미지 개선 수단으로 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 탄소저감 회생에너지 모듈컨버터 재생에너지 인버터 전동차
영문 Carbon reduction Regeneration Energy Modular Converter Renewable energy inverter Metro traction system
최종보고서
최종보고서 파일 다운로드 제공
최종보고서
  • 담당부서해당 사업실
  • 담당자과제 담당자
  • 연락처 사업별 담당부서 보기