최근 미국에서 에너지 절약에 대한 관심과 수요가 높아지고 있는 가운데 철도 분야에서의 다양한 움직임이 나타나고 있다. 그 일환으로 워싱턴 수도권 교통국 WMATA(Washington Metropolitan Area Transit Authority)에서도 2013년도에 관련 실증 시험 프로그램을 개시, 일본 기업에서는 최초로 가와사키 중공업 제작의 지상 축전 설비 BPS(Battery Power System)가 그 시험용으로 채용되었다.
정리 편집부
실증 시험의 배경 TIGGER 프로그램 「그린 뉴딜」 정책의 일환으로 환경 및 재생에너지에 관한 여러 정책을 내걸었던 오바마의 대통령 취임 이후, 미국 의회는 환경 관련 분야에 대한 투자에 중점을 둔 경기 부양책을 적극 펼쳐 왔다.
교통 운수 부문에서도 TIGGER(Transit Investments for Greenhouse Gas and Energy Reduction) 프로그램이 FTA(Federal Transit Administration: 연방 공공 교통국)에 의해 2009년에 개시되면서 당초 예산 100백만 달러(약 120억 엔)가 각종 사업소에 주로 보조금의 형태로 교부되었다.
WMATA에서의 실증 시험
1976년에 개업한 WMATA는 워싱턴 D.C. 수도권에서 총연장 190km의 6개 노선을 갖춘 대중교통 네트워크이며, 하루 평균 이용자 수가 72만명(2013년 기준)으로 NY지하철에 이어 미국 전역에서는 2번째 규모이다. WMATA는 구형 차량 개조 공사의 진행과 더불어 가와사키 중공업이 수주한 최신 차량 7000계의 납품이 개시되면서 일부를 제외한 거의 전 노선에서 전력 회생 브레이크 기능을 갖춘 차량이 사용되고 있다. 회생전력을 효율적으로 이용하고 미래의 새로운 시스템 도입에 대비하기 위해 WMATA는 상술한 TIGGER 프로그램 보조금을 이용하여 2012년 7월에 가와사키 중공업과 실증 시험 계약을 맺었다. 이후 대용량 니켈 수소 축전지 「기가셀®」을 탑재한 BPS를 오렌지 라인의 West Falls Church 변전소 내에 설치하고 2013년 8월에 운용 시험에 들어갔다.
지상 축전 설비 개요
전지 개요
이번 시험에 사용된 대용량 니켈 수소 전지(기가셀®) 1모듈의 개략적인 사양을 [표 1]에 나타냈다. 이번 BPS는 [표 1]에 나타낸 기가셀®을 19모듈 직렬×4병렬(총 76모듈)로 구성했다.
시스템 개요 BPS 시스템의 개요도를 [그림 2]에 나타냈다. 19모듈 직렬을 하나의 배터리 유닛(BU)으로 하고, 각각의 직렬 회로에는 퓨즈 및 단로기를 설치, 2직렬마다 양극 측과 음극 측에 고속도 차단기를 배치해 각종 사고 패턴(단락, 지락 등)을 확실하게 차단할 수 있는 시스템 구성으로 했다. 또 BPS는 궤전선에 대하여 [그림 2]에 나타낸 시스템을 제어 장치를 거치지 않고 직접 연결하는 것을 특징으로 하며, 시간 지연과 변환 시의 손실 및 노이즈의 발생이 없다는 장점을 가지고 있다. BPS를 설치한 WFC 변전소(West Falls Church 변전소) 부근의 궤전계통 개요도를 [그림 3]에 나타냈다.
시험 내용
시험 목적
시험에서는 BPS에 따른 이하 4가지 항목에 대한 효과를 확인하는 것을 목적으로 한다. (1 )의 에너지 절약 효과에 대해서는 BPS가 설치된 WFC 변전소와 그에 인접한 2개의 변전소를 합한 변전소 3개의 정류기 전압 및 전류를 계측한 후 전력량을 산출함으로써 실제로 사용한 전력량의 감소분을 평가했다.
(1 ) 에너지 절약 효과
(2 ) 피크 수요 절감 효과 (3 ) 전압 안정화 효과 (4 ) 비상시 주행 확인
시험 조건
BPS를 설치한 WFC 변전소에 있는 2대의 3MW 정류기의 가동대수를 바꿈으로써 각각의 효과를 확인했다. 시험 조건은 [표 2]에 나타냈다.
시험 기간 시험은 2013년 8월부터 2015년 1월까지 약 1년 반이라는 기간에 걸쳐 실시됐다. 또한, 평일과 휴일에는 열차 운행 계획(열차 운행표)이 크게 달라지기 때문에 각 시험 기간을 1주일 연속으로 했다. 또 기온 등의 큰 변동으로 인한 BPS 유무의 결과 비교에 최대한 영향이 없도록 각 시나리오는 2주간 연속으로 실시하여 각각의 대표값으로 평가를 진행했다.
시험 결과
에너지 절약 효과
BPS를 설치함으로써 잉여 회생전력(역행차(力行車, powering car)가 완전히 다 소비해내지 못하는 전력)을 축전지에 충전하고, 역행(力行) 시에는 회생으로 얻어진 전력을 축전지에서 방전하여 에너지 절약 효과를 도모할 수 있다.
시나리오A(정류기 2대 가동) 및 시나리오C(정류기 전체 정지)에 있어서 인접 변전소를 포함한 3개 변전소의 1일당 사용 전력량과 BPS 가동에 의한 에너지 절감량을 [표 3]에 나타냈다. [표 3]에 보이는 바와 같이 BPS 설치에 의해 변전소의 사용 전력량이 절감됨에 따라 통상의 운용을 나타내는 시나리오A(정류기 2대 가동)에서 7.2%의 에너지 절감 효과를 볼 수 있었다. 또한, 정류기의 정지(시나리오C)에 의해 에너지 절감률이 15.4%로 나타나 더 큰 에너지 절감 효과를 확인할 수 있었다.
피크 수요 절감 효과
시나리오C(정류기 전체 정지)에 있어서 WFC 변전소의 30분당 일일 피크 수요치를 [표 4]에 나타냈다. [표 4]로부터 BPS가 없는 경우의 최대 피크 수요치는 3494kW, BPS가 있는 경우의 수요치는 3058kW로 나타나 436kW가 절감되는 효과가 확인됐다.
이와 마찬가지로 다른 시나리오에 대한 시험결과를 [표 5]에 나타냈다. 통상의 운용(정류기 2대 가동)에서는 277kW, 정류기 정지의 경우에서는 436kW의 수요 절감 효과가 나타나고 있다.
전압 안정화 효과
BPS의 설치에 의해 회생전력 발생 시에는 BPS가 그 전력을 흡수하여 궤전선의 전압 상승을 억제한다. 한편, 역행전력이 필요한 경우에는 BPS에서 전력을 방전함으로써 정류기를 보조하고 궤전선의 전압 강하를 억제한다. 이로써 궤전선 전압의 안정화를 도모할 수 있다. 그 실례로 BPS가 있는 경우와 없는 경우에서 궤전선 전압의 1일 발생 빈도를 비교한 그래프를 [그림 4]에 나타냈다. 또한, [그림 4]는 시나리오A의 시험 시 A-1, A-2의 각 테스트의 1주간 평균을 1일로 환산한 것이다. [그림 4]에서 보이는 바와 같이 BPS를 설치함으로써 궤전선의 전압 상승 및 전압 강하를 억제하는 효과가 분명하게 드러나고 있다.
또한, [그림 5]에는 시나리오 A에서의 각 요일별 궤전선의 최대 전압치와 최소 전압치의 비교를 나타냈다. [그림 5]에 보이는 바와 같이 BPS의 설치에 의해 최대 전압치와 최소 전압치의 차가 작아지고 있어 전압 안정화 효과가 확인되고 있다. 또 각 시나리오에서의 BPS 설치에 의한 전압 변동폭(최대전압-최소전압)의 축소량을 [표 6]에 나타냈다. [표 6]에 보이는 바와 같이 BPS의 설치에 의해 전압 변동폭(42V~139V)을 축소할 수 있는 것으로 나타나 전압 안정화 효과를 확인할 수 있다.
정전 시의 비상 주행 확인 정류기에서 궤전선에 대한 전력공급을 차단하고, BPS만 궤전선에 전력을 공급하는 상태(정전 시를 모의한 비상주행 상태)로 설정한 후 주행시험을 실시했다. 그 시험 조건 및 결과를 [표 7]에 나타냈다. [표 7]에서 정류기의 전력공급이 없더라도 BPS를 설치함으로써 실제 주행(보조기기 가동)이 가능하다는 것이 확인됐다. 또한, [표 7]의 조건에서 표준 승차율(175명/1대)의 경우 1편성의 비상 주행 시 필요한 배터리 용량은 5.2%로, 조건에 따라 달라지지만 총수+편성 이상의 열차가 가장 가까운 역까지 비상 주행을 할 수 있다.
시험결과 요약
이상으로부터 WMATA의 실증 시험에 있어서 이하의 점들이 명확해졌다.
(1 ) 에너지 절약 효과
변전소의 사용 전력량을 7.2~15.4% 절감할 수 있었다. (2 ) 피크 수요 절감 효과
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