본고에서는 ㈜히타치 제작소의 철도 변전 시스템의 해외 전개에 대한 개요와 자동차용 리튬 이온 전지를 적용한 철도용 지상 전력저장장치(B-CHOP)의 해외 진출 사례를 소개한다.
정리 편집부
최근 일본 및 해외 철도 사업에서 회생전력의 유효이용으로 지상 전력저장시스템(Stationary Energy Storage System: SESS)의 도입이 가속화되고 있다. 이러한 움직임과 관련해서는 온실가스 감축 일환으로 도입 촉진을 위한 보조금 등을 교부해 추진하고 있는 나라도 있는가 하면, 전력저장시스템의 특징을 살린 사용법을 목적으로 도입을 진행하고 있는 나라도 있다. 히타치 제작소는 회생전력의 이용 방안으로 1982년에 사이리스터 소자를 사용한 회생 인버터를 개발, 이듬해 나고야시 교통국 조신(淨心) 변전소에 납품한 이래 다수의 일본 국내 철도 사업자에게 회생 인버터를 공급해 왔다. 한편, 회생 인버터의 해외 전개로는 2001년에 미쓰비시 중공업을 통해 싱가포르/SENGKANG LRT 및 PUNGGOL LRT용으로 회생 인버터(이하, INV)를 수출하고, 이후 다른 외국에도 INV를 수출하여 공급하고 있다. 보다 적극적인 회생전력의 유효이용을 목표로 2003년부터 히타치 그룹 제품의 자동차용 리튬 이온 전지를 적용한 철도용 지상 전력저장장치(이하, B-CHOP)의 개발에 착수하여 2004년도에 개발 완료, 2005년에 고베 시영 지하철 세이신 야마테선(西神山手線)에서 필드 테스트를 실시, 2007년 2월에 실제 기기를 같은 노선의 이타야도(板宿) 변전소에 납품했다. 해외 진출 사례로는 2011년에 서울시 메트로 9호선에 납품하여 현재까지 순조롭게 가동되고 있다.
해외 변전 프로젝트 안건에 대해 해외 프로젝트 추진 개요 히타치 제작소의 해외 변전 프로젝트 활동은 오래전으로 거슬러 올라간다. 1970년 오스트레일리아 Victorian railway에 2000kW Rectifier를 납품한 즈음부터 시작해 브라질 국철, 미국 보스턴 지하철, 서울 메트로 1호선, 2호선에 변전기기를 납품해 왔다. 당시에는 EPC(Engineering Procurement and Construction) 프로젝트가 적었고 대부분 시공주가 위탁한 컨설턴트가 시스템 설계를 담당하고 제조업체는 컨설턴트가 지시한 사양의 제품을 공급하는 것이 주였다. 2007년에는 싱가포르 센토사 Express건설 project를 시작으로 EPC Project를 수행했다. EPC Project는 대부분이 Design&Build이며, 차량설비 및 신호설비 외 서브시스템 간의 인터페이스를 통해 변전 시스템을 구축한다. 히타치 제작소는 이와 같은 변전 시스템의 설계에 있어서 일본 철도 시스템의 장점과 해외 철도 시스템의 장점을 결합하여 최적의 시스템 설계에 주력하고 있다.
해외 프로젝트의 회생장치 적용 실적
[표 1]에 해외 프로젝트(2016년 11월 시점)에서의 회생장치의 적용 실적을 나타냈다(표 안의 (*)는 제작 중 또는 시험 중을 의미한다).
당초에는 회생실효 대책으로 INV를 추진해 왔지만, Project에 따라 회생 전력량이 적은 노선에 대해서는 비용 면을 고려해 저항식의 회생전력 흡수장치(이하, BRU)를 납품했다.
다음에 소개할 서울 메트로 9호선에 B-CHOP(2011년도)를 납품한 이후 2개의 Project에서 B-CHOP의 제작 및 현지 시험을 실시 중에 있다.
전력저장장치의 해외 진출 사례
서울 메트로 9호선 설치 사례
도입 배경
최근 한국 정부 및 지방 자치 단체는 철도 수송을 CO₂ 감소 등의 지구 온난화 방지에 유효한 운송 수단으로 삼아 에너지 절약을 적극 추진하고 있고, 전차 정지 시 및 감속 시에 만들어진 회생전력의 유효 활용에 관한 기술 도입을 활발하게 진행하고 있다.
한국 내에서는 한국 제조업체가 저장 매체로서 전기 이중층 커패시터(EDLC)를 사용한 회생전력저장장치를 개발하고 있다. 그 국산화 장치는 다수의 철도 사업자에게 도입되어 효과를 검증하고 있다.
[그림 1]에 한국 내 SESS의 도입맵을 나타냈다. 서울 메트로 9호선은 한국으로서는 첫 민간 자본을 활용한 사회 자본 정비 사업에 의한 도시 철도로, 서울시 메트로 9호선㈜이 차량·전기·기계설비 등을 서울시에서 위탁 받아 운영하면서 서울시 9호선 운영 회사에 운영 관리를 아웃소싱하고 있다. 히타치 제작소는 서울 메트로 9호선에 개업 당초부터 회생 인버터를 납품하고 있다.회생전력의 유효활용에 의한 에너지 절약 효과와 지구 온난화 가스 절감을 목적으로 제휴사인 한국 엔지니어링 대기업 POSCO ICT가 ESCO 사업차 서울 메트로와 계약을 체결했다. 이 사업은 B-CHOP의 설치에 의한 에너지 절약 효과를 시뮬레이션 검토를 통해 얻은 에너지 절감량으로 기본요금을 설정하여 수익을 회수하는 사업 모델을 이용했다. ESCO 사업 때문에 B-CHOP의 소유권은 POSCO ICT가 가지고 있다. 도입 시 시뮬레이션을 실시하여 비교적 에너지 절약 효과가 높은 909변전소와 921변전소에 B-CHOP를 설치했다. 시뮬레이션상 그 외에도 에너지 절약 효과가 높은 변전소가 있었으나 변전소에 B-CHOP를 설치할 잉여 공간이 없어 종합적으로 판단한 결과 2개소에 설치하기로 결정했다.
도입 목적
서울 메트로 9호선에 설치한 B-CHOP의 단선 접속도 및 사양을 각각 [그림 2]와 [표 2]에 나타냈다. 납품한 B-CHOP는 해외 전개 대응으로 국제 규격인 IEC60146 (Semiconductor converters)에 준하는 제품으로 했다.장치는 「변환 장치부」와 「전력 저장부」의 블록으로 구성되어 있다. 변환 장치부에는 3300V 1200A의 IGBT소자를 사용하고 쌍방향 초퍼를 4다중 구성으로 했다. 초퍼를 다중으로 구성함으로써 궤전선 측과 축전지 측에서의 리플전류 억제를 도모하고 있다.
축전지는 하이브리드 자동차 등에 적용하는 리튬 이온 전지([그림 3] 참조)를 탑재하고 있다. 리튬 이온 전지의 특징으로는 전기 이중층 커패시터 및 니켈 수소 전지 대비 에너지 밀도가 높고 소형·경량이며 다른 축전 매체와 비교해 우위를 점하고 있어 급속 충방전을 반복하는 용도로 제작되고 있다. 이러한 점에서 전철 부하의 사용에는 최적이라고 할 수 있다. 또한, 사용재료의 개량이나 최적 충방전 제어를 통해 장수명화 기술을 확립시켜 왔다. 이번에 적용한 리튬 이온 전지에 대해서는 안전성도 충분히 고려했다. 재료와 관련해서는 출력 향상을 도모하기 위해 망간계 양극의 리튬과 금속의 비율을 최적화하여 결정성 제어에 의해 활물질 표면의 반응 저항을 저하시키고 있다.
망간계 양극재는 코발트계 양극재에 비해 발열 개시 온도가 높고, 발열량도 적기 때문에 과충전 등의 고온 상태에 노출되어도 열폭주(熱暴走, thermal runaway)의 정도가 낮아 안전성은 높다. 또한, 축전지 모듈 내에는 컨트롤러에서의 과충전 제어가 불능 상태에 빠져도 과대 전류의 보호차 퓨즈를 모듈 단위로 구비하여 안전성을 높이고 있다.
가동 상황
2011년 12월부터 운영을 개시하여 순조롭게 가동 중에 있다. 2013년 5월에 서울시로부터 의뢰를 받아 높은 정밀도의 에너지 절약 효과를 검증하기 위해 1주일 단위로 B-CHOP의 운전 및 정지 시의 전력량을 계측하여 비교를 실시했다.
에너지 절약 효과에는 열차 운전 대수나 열차 승차 인원도 크게 영향을 준다. 이 때문에 검증 시에 열차 승차 인원의 확인과 아울러 운전 대수의 비교도 실시했다.그 결과, 평일에 B-CHOP를 운전함으로써 평균 1500kWh/일, 절감 효과 16.7%를 얻었다. 또 휴일에서 평균 667kWh/일, 절감 효과 10%의 결과를 얻을 수 있었다.
이번 측정에서는 B-CHOP의 운전 시와 정지 시 열차 승차 인원을 기록하여 비교를 실시했는데 B-CHOP의 정지 시 열차 승차 인원이 8% 적은 결과를 나타냈다. 그러나 열차 승차 인원이 많은 B-CHOP의 운전 시에는 B-CHOP의 정지 시와 비교해 소비 전력량이 적다는 결과를 얻었다. 피크 수요 절감 효과는 [그림 4]에 나타난 바와 같이 최대 25.2%의 절감 효과를 보이고 있다.
마카오 LRT 도입 사례 도입 목적 새롭게 건설하는 마카오의 궤도계 교통 시스템(Light Rail Transit, 이하 LRT)의 역사(驛舍)와 토목 공사를 제외한 부분을 담당하는 미쓰비시 중공업㈜에서 SESS의 수주를 받았다. 마카오 LRT는 고무 타이어식 차량으로, 중국 광둥성 주하이시와 접하는 마카오 북부(출입국 검사장)에서 마카오 페리 부두가 있는 연안부, 카지노 시설이 많은 도시 중심부, 더 나아가 사이방 대교(西灣大橋), 마카오 국제공항을 경유하여 베이안(北安) 페리 부두에 이르는 총 길이 약 20km의 마카오 최초의 신교통 시스템이다. 궤도계 교통 시스템의 모든 선로에 SESS가 도입된 것은 세계 최초의 사례다. 이번 B-CHOP가 도입된 목적은 회생실효 방지가 주목적이며 그에 따른 잉여 회생전력을 역행 부하로 재이용하는 것이다.
RAMS(Reliability Availability Maintainability & Safety) 규격에 대응하기 위해 1변전소의 B-CHOP가 정지해도 인접 변전소에 설치되어 있는 B-CHOP에서 흡수 가능하도록 추가 보완 대책을 마련하고 있다. 이에 따라 전체 선로 약 20km의 노선 중 15변전소에 B-CHOP를 설치하여 회생실효 방지를 도모하고 있다.
장치 개요 및 예상 효과
이번에 납품될 예정의 B-CHOP의 사양을 [표 3]에 나타냈다.
본 노선은 DC 750V이며 정류기 무부하 전압과 차량의 회생 개시 전압차가 적어 민첩한 제어가 필요하다. 초퍼 장치의 제어 응답과 축전 매체의 출력 밀도가 떨어지면 차량의 회생 특성과 협조가 이루어지지 않아 회생 실효에 이르게 된다.
본 프로젝트에서는 마카오 현지에 B-CHOP를 설치하기 전에 미리 LRT 시험 라인에 B-CHOP를 설치하고, 차량과의 조합 시험을 실시하여 신뢰성을 높이고 있다. 이번의 B-CHOP의 경우는 2000kW와 1000kW의 병렬 운전에 따라 3000kW로 하고 있다.
일반적으로 초퍼 장치의 병렬 운전은 마스터 슬레이브 방식에 의해 실시되는 경우가 많지만, 이번 마카오용 B-CHOP의 경우는 마스터 슬레이브 방식을 채용하지 않고 축전지 전압을 이용한 밸런스 제어 방식을 채용했다.
기존의 마스터 슬레이브 방식과는 달리 밸런스 제어를 실시함으로써 장치의 동작지연 없이 회생전력을 십분 충전할 수 있게 되었다. [그림 5]에 차량과의 조합 시험 시 B-CHOP의 측정 파형을 나타냈다. 이번 시험의 에너지 절약 효과에 대해서는 설계 시의 시뮬레이션을 기반으로 설치 전과 설치 후 모든 선로에서 약 10%의 에너지 절감 효과가 예상되고 있다. 향후 B-CHOP 설치 후의 에너지 절약 효과에 대해서는 검증을 계속 해 나갈 예정이다.
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