| 최종목표 |
본 과제의 목표는 직류 1500V 전철 시스템에서 발생된 회생전력을 흡수하여 재활용할 수 있도록 하고, 회생전력이 없을 때에는 전력계통의 고조파 저감 및 고역률을 구현하는 능동전력필터 기능을 갖는 차세대 IGBT 회생용인버터 개발하는 것이다. 연차별 연구목표는 다음과 같다. 1차년도 : 차세대 에너지회생장치 개발을 위한 회생전력 흡수 기술 조사 및 전력변환기 기본모델, 2차년도 : 축소형 회생인버터 시스템 개발, 3차년도 : 회생인버터 시작품제작 및 주변장치 설계, 4차년도 : 시작품의 성능시험 평가, 5차년도 : 실계통 적용 및 신뢰성 평가.
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| 연구내용 및 범위 |
전동차가 운행중인 구간이 하구배 구간(경사 구간)이나 감속 운행시에는 전동차에서 발전 제동이 되어 많은 양의 전력이 발생하게 된다. 이 에너지는 전동차를 가속하기 위해 투입된 에너지의 45-47%정도이며 약 20%정도는 전동차에서 소모되나 나머지 20-25%의 에너지가 잉여 전력으로 남아 이 전력은 직류 가선 전압을 상승시킨다. 현재 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 전력변환기로는 다이오드 컨버터 혹은 사이리스터 컨버터를 사용하고 있다. 그러나 이들 전력 변환기는 전력변환 방법상 많은 전류의 고조파를 포함하고 있으며, 역률이 낮은 상태이다. 다이오드 컨버터로 전력 변환을 6상 정류로 할 경우 전체 고조파 함유율은 최저 14%정도로서 역률은 0.92 정도이다. 따라서 입력 변압기의 용량이 크게 설계되어야 하며, 고조파에 의한 효율저하도 크다. 이런 측면을 해결하기 위해서는 수동 필터 및 역률 개선용 리액터등의 설비가 추가적으로 설치되어야 하며, 현재 적용되는 최우선의 방법은 Active Power Filter(이하 APF)로서 APF를 사용할 겨우 역률은 1로 유지할 수 있고, 또한 고조파 함유율을 3% 미만으로 억제할 수 있다. PWM DC/AC전력 변환기를 사용하면 회생되는 에너지를 전력을 계통으로 회생시키면서 고역률 상태로 운전하여 고조파 함유율을 효과적으로 억제 할 수 있다. 그리고 에너지를 전철로 공급하는 모드에서는 APF동작을 하면서 전력 변환 품질을 고 역률, 저 고저파 상태로 운전한다. 앞으로 전기차의 고속화나 전력공급설비의 전력변환 및 PWM DC/AC 전력 변환장치의 경우 위상제어 사이리스터 전력 변환장치에 비해 전압 제어 응답성이 빨라 순시 전압 제어가 가능하며, 회생 전력의 단위 역률 제어가 가능하므로 고조파 전류를 싸이리스터를 이용한 전력변환기에 비하여 크게 개선할 수 있다. 최근 IGBT의 적용으로 인해 고효율 고응답성의 전력 변환기 제작 및 고속 제어 방법이 가능하게 되었다. 따라서 선진국의 에너지 기술 변화에 대응하기 위하여 전철시스템에서 직류전력 회생뿐만 아니라, 역률개선, 무효전력보상, 전류 및 전압고조파 제거, 유효전력변환기능을 갖는 PWM 컨버터 등의 다양한 기능들을 갖는 전력 변환장치 기술 개발이 이루어져야 한다. 또한 전기철도에서의 전력품질 향상, 전기회로의 개폐장치에 대해서도 급속한 발전과 응용의 확대가 예상되며, 특히 국내 전철화사업이 급속히 확장 진행되고 있어 에너지 낭비를 억제하고 에너지 재이용에 대한 기술의 개발 및 확대적용이 필요하다.본 연구 과제의 연구내용은 다음과 같다. *국내외 회생전력 활용기술 조사 *회생전력 제어기술 분석 및 회생용 전력변환 시험장치 제작 *전력시뮬레이션으로 실제노선의 회생전력발생량 예측 *도시철도 운행노선의 가선전압, 소비 및 회생전류량 실측 *회생전력 흡수 및 고품질 3상 교류전력 발생 제어기법 개발 *22.9kV 급전계통의 능동전력필터 제어기법 개발(용량 설계 및 직류단 전압변동에 대한 제어안정성) *회생인버터와 능동전력필터 통합제어기법 개발 *축소형 회생인버터(3.7kVA) 제작 및 제어알고리즘 성능검증(3상 DC/AC PWM 컨버터 및 3상 다이오드 정류기 구성, 출력단 필터 및 계통연계 변압기 설계, DSP제어기 설계) *회생인버터 급전계통연계 및 보호 설계(급전계통단 설비사양 분석 및 동작시퀀스 분석) , *회생인버터통합제어알고리즘 구현, *회생인버터 시작품(1.5MVA) 및 시험장치 제작, 시작품 부하성능시험, 성능인증시험 실시, *회생인버터 주변장치(계통연계 변압기, 단로기, 고속도차단기) 설계 및 제작, *회생인버터 경제성 개선방안 제시 및 회생전력 품질 평가, *회생인버터 통합제어기능평가, *회생인버터 통합제어기능평가, *실계통 설치 후 전력품질 성능 및 신뢰성시험, *회생인버터 표준사양 및 운영방안제시
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