[철도 전력공급설비의 기술 혁신 ④]
정지형 주파수 변환장치

쓰나시마(綱島) 주파수 변환 변전소의 정지형 주파수 변환장치(EFC)는 2004년 2월부터, 누마즈(沼津) 주파수 변환 변전소의 EFC는 2009년 2월부터 본격적으로 가동되어 일본 도카이도 신칸센의 전력안정공급에 기여하고 있다. EFC는 RFC(회전형 주파수 변환장치)에 비해 전력손실이 작고 에너지를 절약하며 유지보수 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 이 장에서는 상기의 각 주파수 변환 변전소의 EFC 구성 및 제어방법을 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

일본 전력회사의 전원 주파수는 시즈오카현(靜岡縣)의 후지카와(富士川)를 경계로 동쪽이 50Hz, 서쪽이 60Hz이다. 50Hz와 60Hz의 양 전원 구간을 교류전차가 주행하기 위해서는 50Hz에 대응한 철심이 큰 변압기 및 보조기기가 필요하기 때문에 차량 중량이 무거워지며 신호설비도 2개의 주파수에 대응할 필요가 있다. 이 때문에 도카이도 신칸센(東海道新幹線)에서는 모든 선로의 전원 주파수를 60Hz로 통일하고 있으며, 후지카와 동쪽 구간에서는 지상설비로 주파수 변환을 실시하고 있다. 도카이도 신칸센의 주파수 변환 설비에는 개업 당초부터 회전형 주파수 변환장치(Rotary Frequency Changer: RFC)를 채용해 왔다. RFC는 과부하 내량이 비교적 크다는 장점을 가진 반면, 전력손실이 크고 유지보수 비용이 많이 든다는 단점도 가지고 있다. 그리하여 도카이도 신칸센에서는 2004년 2월 쓰나시마(綱島) 주파수 변환 변전소(이하, 쓰나시마FC)에, 2009년 2월에는 누마즈(沼津) 주파수 변환 변전소(이하, 누마즈FC)에 정지형 주파수 변환장치(Electronic Frequency Converter: EFC, RFC에 비해 소형이며 에너지 절감 실현)를 도입했다. 이하에 장치의 구성 및 제어방법의 개요를 소개한다.

쓰나시마FC의 EFC
설치목적
쓰나시마FC에는 정격출력 60MVA의 RFC가 3대 설치되어 있었으나 열차주행개수가 증가하면서 주파수 변환설비의 용량부족이 예상되었다. 이 때문에 주파수 변환장치의 증설이 계획되었는데 최근의 파워일렉트로닉스의 진보를 배경으로 EFC를 채용하게 되었다. 이상과 같이 쓰나시마FC의 EFC는 주파수 변환설비의 출력 증가를 목적으로 도입되었다.

장치구성의 개요
(1) 쓰나시마FC의 장치구성
쓰나시마FC는 3상 50Hz의 전력을 3상 60Hz의 전력으로 변환하는 주파수 변환 변전소이며, 3개소의 궤전용 변전소에 송전하고 있다. 이 궤전용 변전소에서 스콧 결선 변압기를 통해 신칸센에서 사용되는 단상 전력으로의 변환이 실시되고 있다. 이와 같이 쓰나시마FC는 3상 전력으로 송전하는 구성이기 때문에 단상 전력으로의 변환이 이루어지지 않고, EFC는 3상 출력을 실시하고 있다. [그림 1]에 쓰나시마FC의 장치구성을 나타냈다. [그림 1]과 같이 쓰나시마FC의 EFC는 3대의 RFC와 병렬운전을 실시하는 구성으로 되어 있다. 쓰나시마FC의 EFC는 정격용량 30MVA의 EFC를 2계 구성으로 하고 있다.

(2) 변환기의 구성
변환기의 외관을 [그림 2]에 나타냈다. 변환기의 다중방식은 변압기 다중으로 하고 있으며, 컨버터 및 인버터 모두 지그재그 결선 변압기에 의한 6다중으로 하고 있다. 변환기의 적용소자는 6kV-4000A의 GTO이며, 단위 변환기는 2단계 구성으로 되어 있다. 전력손실 저감을 목적으로 소자의 스위칭 방식은 1펄스로 하고 있다. 또한, 컨버터 입력측 및 인버터 출력측에 고조파 필터를 설치했으며, 수전측 및 송전측의 고조파의 영향을 저감시켰다.


누마즈FC의 EFC
설치목적
도카이도 신칸센에서는 열차 다이어그램의 고밀도화 및 차량의 가속 성능 향상에 의해 유효전력(단시간으로 본 경우)이 증가하는 경향이 있으며, 이 유효전력에 기인하는 전압변동이 증대되는 경향이 있다. 지금까지 신칸센의 전압변동대책은 타려식(他勵式) 무효전력보상장치에 의한 교류전압제어에 의해 실시돼 왔지만, 주파수 변환이 필요한 구간(후지카와 동쪽)과의 경계에 전원 임피던스가 큰 구간에서는 무효전력보상만으로는 열차의 전력안정공급에 차질이 발생하는 경우도 생긴다. 이에 따라 열차부하의 유효전력 증가에 따른 궤전전압의 변동대책으로서 누마즈FC를 신설하여 EFC를 도입했다.

장치구성의 개요
(1) 누마즈FC의 장치구성
누마즈FC의 EFC 장치구성을 [그림 3]에 나타냈다. 전원 변전소의 154kV 3상 전력을 도카이도 신칸센 궤전회로의 60kV 단상 전력으로 직접 변환하는 구성이다. 누마즈FC의 출력은 누마즈 변전소(이하, 누마즈SS)의 궤전모선에 접속되어 있으며, 누마즈SS의 궤전회선을 통해 궤전회로에 전력공급이 이루어지고 있다. 누마즈FC의 EFC는 A계·B계의 2계 구성(정격용량 30MVA)으로 되어 있으며, 상시에는 A계의 EFC가 누마즈SS의 도쿄 방면 궤전회로에, B계의 EFC는 누마즈SS의 오사카 방면 궤전회로에 접속되어 각각 궤전전압의 제어를 실시하고 있다. 누마즈SS의 접속부는 A계의 EFC 및 B계의 EFC가 각각 누마즈SS의 도쿄 방면 또는 오사카 방면 중 어느 쪽에라도 연결될 수 있도록 운용 자유도가 높은 회로구성을 하고 있다.


(2) 변환기의 구성
변환기의 외관을 [그림 4]에 나타냈다. 변환기의 다중방식은 컨버터와 인버터에서 다르게 나타난다. 컨버터는 변압기 다중으로 되어 있고 3상 3단 구성이다. 인버터는 단상 구성이지만, 리액터를 통해 2병렬로 한 유닛을 변압기에서 4단 구성으로 하고 있다. 변환기의 적용소자는 4.5kV-2100A의 IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor: 전자 주입 촉진 효과형 트랜지스터)이며, 단위 변환기는 2레벨, 3직렬 1병렬의 구성으로 되어 있다. 소자의 스위칭 방식은 컨버터 및 인버터 모두 5펄스 제어로 되어 있다. 또 쓰나시마FC의 EFC와 마찬가지로 컨버터 입력측 및 인버터 출력측에 고조파 필터를 설치하였으며, 수전측 및 궤전측으로의 고조파 영향을 저감시키고 있다.