연료전지에 의한 철도차량용 인버터, 유도전동기구동 특성

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연료전지에 의한 철도차량용 인버터, 유도전동기구동 특성

2006년 6월 1일 (목) 22:31:00 | 지면 발행 ( 2006년 5월호 - 전체 보기 )

서론현재, 철도 비전화구간에는 주로 디젤엔진을 동력원으로 하는 전동차 또는 디젤기관차가 이용되고 있다. 디젤엔진은 에너지 교환효율이 높고 경제성이 뛰어나다. 그러나 디젤엔진은 배출가스 중에 유해물질을 포함한 한편 진동과 소음이 발생한다는 단점도 갖고 있다. 최근 환경에 대한 의식이 높아져서, 경제성 뿐만 아니라, 환경문제에 대한 더 많은 관심이 필요해지고 있다. 이와 같이 디젤기관에 관련된 문제해결책의 하나로, 연료전지를 동력원으로 이용하는 것이 검토되고 있다. 연료전지를 대표적인 2차 전지인 배터리와 캐패시터 등의 축전매체와 하이브리드를 구성함으로써, 현행 디젤엔진 구동차량에 비해 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.·배출가스 중에 포함된 이산화탄소(CO2)와 질소산화물(NOx), 유황산화물(SOx) 및 입자상물질(PM)등의 유해물질 발생 해소·엔진에서 발생하는 진동·소음해소에 의한 차내·외의 거주성·쾌적성 향상 및 연선에서의 소음저감·연료전지의 에너지 변환효율과 인버터장치의 높은 효율, 별도 탑재한 축전매체에 저장된 회생전력 재이용에 의한 운전에너지 삭감·인버터제어에 의한 응답성 향상에 따른 구동제어성 향상연료전지를 철도차량의 동력원에 적용하기 위해서는, 전압강하가 크고, 내부에서 늦은 반응 등에 의한 부하추종성 저하가 우려되는 연료전지 시스템과 철도차량구동용주회로 시스템의 적합성을 파악하는 것이 과제다.이와 같은 과제에 대처하기 위해서 저자들은 연료전지 시스템과 인버터 구동과의 적합성 확인을 목적으로, 30kW 클래스 고체고분자형 연료전지를 이용한 구동실험을 실시했다. 구체적으로는 관성부하를 가지는 정치시험대 위에 실제 통근·근교형 전차용 전동대차를 설치하고, 이것에 장하된 유도전동기 2대를 VVVF인버터장치로 구동하는 시험을 실시했다.그 결과 역행 시 특성과 공전재점착제어를 모의한 토크 급변 시 특성, 부하급변 시의 특성 등 연료전지를 전원으로 하는 주회로 시스템 설계에 유용한 정보를 얻을 수 있다. 이 글에서는 실험결과를 보여주고, 연료전지를 이용한 철도차량구동 시스템에 구비해야 할 조건 등에 대해 나열함으로써 앞으로 연료전지를 동력화하는 철도차량구동용 주회로 시스템 구성의 설계자료로 이용되기를 기대한다.실험시스템(1) 실험시스템 구성이번 실험은 <그림 1>과 같이, 연료전지 시스템, 인버터장치와 전동기를 장하한 톱니바퀴 비 7.07대차, 및 계측·제어장치로 구성된 시스템을 이용해 실험을 했다. 부하장치는 차량시험대로 불리는 궤도를 모의하는 궤조륜과, 그것에 접속된 관성부하를 이용했다. 관성부하는 하중 2~16t상당의 범위로 2t상당 단위로 설정가능하고, 이 궤조륜상에 대차를 설치하는 것으로 정치상태 그대로, 설정치부중상당의 부하를 구동하는 시험을 실시할 수 있다. 실험에 이용한 인버터 및 주전동기 제원을 <표 1> 및 <표 2>에 각각 나타난다.

전동기는 통근·근교형 전차용 전동대차에 편입돼, 정격 95kW 3상 유도교류전동기 2대를 사용했다.이번 실험의 목적은, 실차용 시스템 실장검증 등이 아니고, 연료전지를 전원으로 했을 경우 구동특성과 제어성능 등 기능검증이 주가 된다. 그래서 인버터장치는 비용과 제어계변경을 고려해서, 정격 90kVA 범용인버터에, 마이웨이 기연사제 파워일렉트로닉 개발지원 시스템 PE-ExpertⅡ를 제어 시스템으로 조합해 사용했다.(2) 연료전지

연료전지는 상온에서 운전이 가능하고, 다른 연료전지에 비해 소형·경량인 고체고분자형 연료전지(PEMFC)를 선정했다. PEMFC는 전기자동차를 시작으로 하는 다른 애플리케이션 적용이 많이 이용되고, 조기 실용화와 양산효과를 기대할 수 있다.<그림 2>에 PEMFC의 일반적인 원리도를 보여준다. PEMFC는 전해질에 고체고분자막을 이용하고 있다. 실험에는 정격 7.5kW 연료전지 스택을 4대 이용, 합계 30kW를 사용했다. 연료극에는 가압한 순수소를, 산소극에는 가압시킨 공기를 들여보낸다. 연료극 쪽의 수소분자는, 촉매작용에 의해 이온화해 수소 이온 H+와 전자 e-가 된다. 이때 방출된 전자를 전극에 모아 외부회로에 공급한다. H+는 고체고분자막을 투과해서 산소극에 도달한다. 산소극에는 공급된 공기에 포함된 산소분자가 촉매 작용에 의해 이온화되지만, 그때 외부회로에서 e-가 공급된다. 산소이온은 공기극쪽의 H+와 반응해 물을 생성한다. 이것들 일련의 반응 결과, 외부회로에 전류가 흘러 물이 발생한다. 이상이 연료전지에 의해 전력과 물이 발생하는 메커니즘이다.실험에 이용된 PEMFC 냉각은, 순환냉각수를 이용해 수냉방식을 채용하고, 막의 습윤은 반응에 의해 생성된 물을 순환해서 실행한다. 또한 수냉하는 것으로 높은 냉각성능을 기대할 수 있고, 소형경량화 면에서 유리하다. 연료전지 운전은 수소는 봉해 자른 정압으로, 공기는 부하전류에 맞춰 공급했다.

<그림 3>은 전자부하장치를 이용해 연료전지정특성을 측정할 때의 기기구성이다. <그림 4>는 부하전류를 10A단위로 일정하게 유지, 부하정지직전 비교적 전압이 안정했다고 판단한 데이터부터, 전압·전류를 평가한 4스택 일괄의 정적인 전기적 특성이다. 고체고분자형 연료전지로 전형적인 출력특성이다. 무부하(0전류) 상태에서 전류가 조금 흐르면, 출력전압이 급격히 내려간다. 이것은 전류가 흐르는 것에 의해, 연료극·산소극 양방으로 분극작용이 발생하기 때문에, 전자가 가지는 포텐셜이 쓰여지기 때문이다. 전류가 어느 정도 커지고, 전자 순환양이 증가하면, 이 분극작용의 영향은 증가하지 않고, 출력전압은 등가적인 내부저항과 전류에 의해서만 거의 결정된다. 그 때문에 어느 전류치를 넘으면 전류·전압특성은 거의 직선적인 수하특성을 나타낸다. 전력은 전류(부하)증가와 함께 증가하지만, 전압의 수하특성에 의해 어느 점에서 피크를 맞는다. 보통 고체고분자막은 전력의 피크보다도 십분 작은 전력 범위에 이용되는 것이 일반적이고, 이번에도 이 같은 범위에서 운전하고 있다. 정격출력 30kW에 있어서, 보기전력을 포함하지 않는 연료전지 전압효효율실측치는 약 65%이다. 이 때 분극작용과 내부저항에 의한 연료전지 내부손실은 16kW가 된다. 연료전지 전압효율은 개방 시의 단자전압과 어떤 전류를 빼낼 경우 연료전지출력전압에서 구할 수 있다.(3) 제어계 구성실험에서는 제어가능한 부하량인 토크를 정확하게 제어하기 위해, 시험시 조해요인배제 시점에서 표준적인 제어방법과 제어조정방법도 확립된, 펄스제너레이터(PG)로 검출한 로터 주파수를 이용, 미끄럼 주파수형 벡터 제어방식을 채용했다.제어계 구성을 <그림 5>에 나타낸다. Cpt(s)는 PI보상기를, HDC(S)는 비간섭화보상정을 각각 나타낸다. 이것의 보상요소 게인 등을 조정하는 것으로, d축 전류, q축 전류 모두 지령치로부터 실제치까지의 스텝 응답이 시정수 약 20ms 1차 늦어지도록 제어조정을 했다.

구동특성으로는 기동 후 어느 속도까지는 일정 전류로 구동하는 정토크 제어를, 변조율이 최대치에 달한 후에는, d축 전류지령치를 인버터 주파수의 -1승으로 저감하는 약한 자속제어를 각각 행한다. 또한, 정토크 제어영역에서 약한 자속제어 영역으로 이행하는 속도, 즉, 변조율이 최대에 달하는 속도는 d축 전류 크기로, 각각 조절할 수 있다.3. 구동실험결과(1) 역행특성실험<그림 6>은, 연료전지정격출력상당의 약 26kW까지 일정가속 후, 약한 자속 운전을 한 경우 역생특성실험결과다. 로터 주파수를 보면 4sec에 10Hz까지 가속하고 있다. 이것은 실차에는, 1.7km/h/s로 종래형식인 근교형 디젤동차와 동등한 가속성능이다. 연료전지 정격출력의 약 26kW까지, 연료전지 출력전압·전류 모두 부하에 늦어짐 없이 추종하고 있는 것을 확인할 수 있다. 약한 자속영역에는 정출력 특성을 얻도록, 속도와 함께 미끄럼 주파수를 증가시킨다. 그러나, <그림 6>에는 연료전지출력이 저하하고 있고, 정출력이 유지되지 않는다.이 영역에 있어, 엄밀히 정출력특성이 얻어지지 않는 것은, 여자(勵磁)전류가 토크전류의 1/3로, 통상 차량구동용전동기에 1/2정도와 비교해 상대적으로 작은 것에 의한다. 즉, 약한 자속영역에서 속도 증가와 함께 1차 전류 벡터가 q축에 가까워지는 비율에 비해, 일차전압 벡터가 d축에 가까워지는 비율이 크기 때문에, 속도의 증가와 함께 역률이 저하하고, 그 결과 약한 자속영역에는 속도의 증가와 함께 출력이 감소하는 것이지, 연료전지에 기인하는 것은 아니다.(2) 구동특성<그림 7>은 <그림 6>실험에 있어 연료전지의 전류-전압특성이다. 여기서, ◆은 정토크 영역, 즉, 연료전지전류가 증가하는 구간에서 읽은 값을, ■은 약한 자속영역, 즉, 연료전지전류가 감소하는 구간에서 읽은 값을 각각 나타낸 것이다.

<그림 7>에서 역행 중, 연속적으로 연료전지출력이 증가·감소하는 경우도, 거의 동일한 Ⅴ_Ⅰ특성을 나타내는 것을 알았다. 또, 직선은 정적인 연료전지 출력특성, 즉, 연료전지단체에서 특성측정결과이다. 역생중 측정 데이터와 단체로의 특성은 거의 일치하는 것을 알았다.<그림 8>은 <그림 6>실험에 있어 역행개시에서 연료전지출력이 최대가 되는 시간까지 9가지 샘플 점에 있는 이론값과 읽은 값을 플롯으로 한 것이다. 여기에, ●는 연료전지 출력전압, ▲는 출력전류, ×는 d축 전류, ■는 q축 전류 읽은 값을 각각 나타낸 것으로, 각각 점에 있는 이론값을 잇는 직선으로 나타낸다. 이론값 산출은, d축, q축 전압 이론값 Vd,Vq를 (1), (2)식으로 구해,Vd=R1Id-σL1ω1Iq …………………………(1)Vq=R1Id+σL1ω1Id …………………………(2)여기에, ω1 : 로터전기각주파수, Id,Iq : d축, q축 전류 읽은 값, σ, R1, L1 : MM정수이것과 연료전지출력전압을 읽은 값 VFC를 기초로, 소비전력과 연료전지출력전류 이론치 P, IFC를 P=(υdId+υqIq)/0.95 ………………… (3)IFC=P/VFC …………………………… (4)(3),(4)식에서 구한, 연료전지출력전압 이론치 VFC는 연료전지출력전류 읽은 값 IFC와 정특성시험에서 얻었던 V_Ⅰ특성식VFC=-1.3402×IFC+403.82 ………………… (5)로 구했다.인버터 효율을 정격치 0.95로 한 것으로, 연료전지출력전류 이론값보다도 약간 작아졌지만, 연료전지출력전압 이론값과 읽은 값은 연료전지출력전류가 작은 영역을 제외하면 대체로 일치하고 있다. 게다가, d축 전류지령치와 q축 전류지령치를 각각 읽은 값도 대체로 일치하고 있다. 이것들로, 연료전지로부터 전동기에 대해, 지령치에 응한 전력공급이 막힘없이 행해지는 것을 알았다. 따라서, <3-(1)>에 흘렀던 약한 자속영역에서 연료전지출력저하는, 연료전지 특성에 기인하는 것은 아니다.이상의 결과로부터, 실차 주회로 시스템을 설계할 때는, 단체시험에서 얻은 V_Ⅰ커브를 베이스로 할 수 있는 것을 알았다.(3)부하변동시 구동실험<그림 9>는 연료전지정격출력에 상당하는, 30kW 출력상태에서 1sec걸린 역행을 오프(노치오프), 즉 부하 차단한 경우 실험결과다. d축 전류와 q축 전류 등 모터 전류에 비해, 연료전지 출력전압·전류도 늦어짐 없이 추종하고 있고, 통상 차량에 있는 노치오프 시 동특성에 대해, 주회로 설계 시에 연료전지로 특히 고려해야할 점은 없는 것을 확인할 수 있었다. 노치오프 시에 d축 전류지령치와 실제치가 크게 벗어나 있지만, 지령치 아나로그 신호출력은 소프트웨어 상황으로, 실제로 제어에 이용되지는 지령치와 다르고 있다. 실제는 q축 전류지령치와 같이 램프 상으로 감소하고 있다. d축·q축 전류지령치는 함께 시정치 0.1s의 일차 로파스페탈을 통한 값이고, 시간축을 확대하고 있기 때문에 역행 개시 시에 늦은 반응이 크게 보이지만, 연료전지에서 기인한 것은 아니다. 또, 노치오프 시 q축 전류지령치와 실제치에 차이가 생긴다. 이것은, 제어계구성시에는 고려하지 않았던 자속변화에 기인하는 전압이, d축 전류 변화에 따라 생겼기 때문이다. 연료전지출력은 실전류에 대해 추종하고 있기 때문에, 연료전지에 기인하는 것은 아니다.<그림 10>은, 수레바퀴 공전을 검출해 q축 전류(토크)를 조이고, 수레바퀴가 가라앉은 후에 서서히 q축 전류를 복귀시킨다는, 공전재점착제어 전류(토크)특성을 모의한 실험결과이다. 이 경우에 대해서도 연료전지 각 출력은 모터전류(부하전력) 변화에 추종하고 있다.이상의 시험결과로, 연료전지에 대해서 급격한 부하변동으로 작용하는 차량구동 시 제어에, 연료전지 특성이 제약을 전해주지 않는 다는 것을 알았다.고찰지금까지의 실험결과로, 전압강하가 크고, 늦은 반응 등에 의해 부하추종성이 우려되는 연료전지를 전원으로 철도차량구동용주회로 시스템을 구성하는 경우, 다음과 같은 점에 유의해야 한다.·역행특성을 시작하는 동적인 특성은, 출력전류 증가에 따른 정적 Ⅴ_Ⅰ커브에서 출력전압이 약간 낮아지는 것을 고려한다.·연료전지단체 정적 Ⅴ_Ⅰ커브를 설계해도 지장이 없지만, 정적인 연료전력출력전압 변화가 큰 것은 고려한다.·노치오프와 공전재점착제어 등, 차량구동에서 생각할 수 있는 연료전지에서 본 부하급변에 대해, 특히문제 없이 추종가능하기 때문에, 입력전압이 크게 변동하는 것을 고려하는 예외는 통상 가선급전방식 전차와 같아도 좋다.이런 점에 대해 고려하는 것으로, 연료전지에 맞는 주회로 시스템을 구성할 수 있다.결론30kW클래스 연료전지를 전원으로 관성부하를 갖는 정치시험대상에 실제 통근·근교형전차용전동대차를 설정하고, 이것에 장하된 유도전동기 2대를 VVVF인버터 장치에 구동했다.그 결과, 역행 시 여러 특성으로, 연료전지 특성은 정적인 것과 역행과 같은 부하연속변화 시에, 큰 상위가 없는 것을 알았다. 또, 노치오프 시, 공전재점착 시 제어성능에 대표할 부하변동시라도, 고체고분자형 연료전지에 고압수소를 정압으로 공급하고, 높은 온도의 공기를 충분히 공급한 경우에는, 현상 전기차제어와 같은 정도의 요구응답속도면, 연료전지출력은 늦어짐 없이 추종하는 것을 확인했다.이 실험결과에서, 연료전지를 차량구동에 적용할 때 유익한 설계재료를 얻을 수 있다.앞으로는 더욱 구체적인 데이터 분석을 함과 동시에, 출력이 큰 연료전지와, 실차규모의 출력을 갖는 전지와 실차용주회로장치와 맞춰 시험, 이차전지와 하이브리드 구성에 의한 회생전력 활용시험 등으로 전개해나갈 예정이다.