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[철도 전력설비의 이노베이션 ①] 전철용 단상전력보상장치

2016-12-01

[철도 전력설비의 이노베이션 ①] 전철용 단상전력보상장치 전력융통방식의 전압변동보상장치인 RPC(Railway Static Power Conditioner)는 SVG와 거의 동등한 기능을 갖는 한편, 궤전용 변압기와 자려식 전력변환기의 사용효율 향상, 그리고 SVC와 마찬가지로 연장 궤전 시의 전압보상이 가능하다는 점 등 여러 가지 장점을 가지고 있다. RPC라는 개념은 1970년대 이전부터 등장하기 시작하여 부하·장치 모두 용량수 10MVA 규모의 전기철도에서는 파워 일렉트로닉스 기술의 진보에 따라 실용화되기에 이르렀다. RPC는 전원 불평형과 궤전 전압강하 문제를 동시에 그리고 효율적으로 해결할 수 있는 장치로 향후 적극적인 도입이 예상되고 있다. 정리 편집부 교류전기철도와 3상 불평형 신칸센으로 대표되는 교류전기철도는 단상회로이다. 3상 송전선에서 수전하는 궤전용 변전소에서는 스코트 결선 변압기 등을 이용하여 3상 전력을 2개의 단상전력으로 변환하고 상행 방면과 하행 방면의 부하로 각각 공급하고 있다. 스코트 결선 변압기에서는 2개의 단상회로 전력이 균형을 이루고 있으면, 3상측도 평형을 유지한다. 그러나 열차는 역행(力行) 및 회생 브레이크 시마다 부하전력이 변동되기 때문에 단상회로 측이 늘 평형을 유지하는 것은 아니다. 송전선에는 공장 및 가정 등 타 수용가도 접속되어 있기 때문에 전기설비기술기준 및 그 해석에서 3상 전압 불평형률을 2시간 평균 3% 이내로 하도록 되어 있다. 무효전력에 의한 전압변동 1980년대까지의 교류전기차량에서는 변압기 탭 제어 및 사이리스터 점호 위상각 제어에 의해 직류전동기의 단자전압을 제어하고 속도제어를 실시하였다. 이러한 차량의 주행 시에는 무효전력이 발생하고, 회로 단말의 전압강하에 의해 차량주행이 곤란해지거나 3상 교류측의 전압변동이 커지게 되는 문제가 있었다. 1990년대 이후에 들어서면서 교류전기차량에 PWM 컨버터 및 인버터의 사용으로 무효전력 발생이 저감되었고, 이에 따라 전압강하 등의 문제도 감소했다. 신칸센에서는 「노조미」용 300계 전동차 이후의 차량이 이에 해당한다. 3상 불평형 대책 교류전기철도에 기인하는 3상 불평형 문제에 대해서는 다음과 같은 대책이 실시돼 오고 있다. 강력한 전원으로부터의 수전 3상 불평형은 철도측의 부하전력량과 3상측의 전원단락용량(전력회사의 발전소 용량과 송전선에 의존)과의 비율로 정해진다. 즉, 전원단락용량이 충분히 크면 단상측이 균형을 잃게 되어도 그 영향이 작아진다. 그래서 1970년대 이후에 건설된 신칸센에서는 전원단락용량이 큰 초고압 송전선에서의 수전을 기본으로 하고 있다. 무효전력보상 차량에서의 무효전력으로 인한 문제에 대해서는 변전소 또는 회로 말단에 콘덴서·리액터·사이리스터 위상제어의 조합에 의한 정지형 무효전력 보상장치(Static Var Compensator: SVC)를 설치하는 것이 효과적이다. 1980년대 후반부터 도카이 여객철도 주식회사(JR 도카이)의 도카이도 신칸센을 중심으로 실용화되고 있다. 단, 전술한 바와 같이 1990년대 이후의 차량은 무효전력이 감소하여 SVC의 보상효과는 궤전계통의 리액턴스분으로 한정된다. 3상측에서의 부하 밸런스 조정 부하측에서 흐트러진 밸런스를 3상측에 자려식 SVC를 설치하여 조정하는 방식이다. 도카이도 신칸센에서는 1995년에 자려식 전력변환기를 이용하여 3상간의 순시전력을 조정하는 SVG(Static Var Generator) 운전이 개시되었다. 궤전측에서의 부하 밸런스 조정 자려식의 단상전력보상장치를 설치하여 궤전회로(饋電回路, feeding circuit)에서 흐트러진 밸런스를 직접 조정함으로써 3상측에 영향을 주지 않는 방식이다. 이 1개의 장치에는 전력융통방식의 전압변동보상장치(Railway Static Power Conditioner: RPC)가 있다([그림 1] 참조). RPC는 SVG와 거의 동등한 기능을 갖는 한편, 궤전용 변압기와 자려식 전력변환기의 사용효율의 향상, 그리고 SVC와 마찬가지로 연장 궤전 시의 전압보상이 가능하다는 점 등 다양한 장점을 가지고 있다. RPC의 기능과 실용화 기능 궤전용 변전소의 2개의 단상회로와 각각에 접속된 자려식 전력변환기는 유효전력 및 무효전력을 주고받을 수 있다. 그리하여 RPC에서는 2개의 단상회로의 유효전력을 융통하여 균등화가 이루어지도록 제어하는 한편, 궤전회로에 무효전력이 필요한 경우에는 변환기에서 공급한다. 이를 통해 단상측 평형을 확보하고 3상측의 불평형 보상과 전압변동 보상을 실현한다. 또한, RPC는 액티브 필터로서 전기차가 발생하는 고조파 전류의 보상이 가능하다. 한편, RPC가 설치된 궤전용 변전소가 수전을 정지해 인접 변전소로부터 전원을 공급 받는 회로 말단이 된 경우(이를 연장 궤전이라고 함), 회로의 무효전력을 제어하여 회로 말단의 전압강하를 보상할 수 있다. 실용화 2002년에 일본철도건설공단(현재 일본철도건설·운수시설정비지원기구)에 의해 도호쿠 신칸센의 모리오카(盛岡)-하치노헤(八戶) 구간이 개통되면서 동일본여객철도주식회사(JR동일본)에 의해 운영이 이루어지고 있다. 이 구간에서는 궤전용 변전소와 초고압 송전선 간의 거리가 멀어 연락송전선의 건설에 시간과 비용이 든다는 것을 확인하였는데 이러한 상황을 검토한 결과 변전소에 RPC를 설치하면 특별고압 송전망에서도 3상 평형을 유지하면서 수전이 가능하다는 것을 밝혀냈다. 이에 따라 신설된 신누마쿠나이·신하치노헤의 변전소 2개소에 각각 총 용량 20MVA의 RPC가 설치되었다. 대형의 단상 자려식 전력변환기는 타 분야에서는 전례를 찾아보기 어려운 것으로 주회로에는 GCT(Gate Commutated Turn-off thyristor) 소자 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자가 각각 사용되고 있다. [그림 2]는 신누마쿠나이 변전소의 전경과 RPC의 외장이다. 개업 전의 필드시험 결과, 동일부하 조건에서 2.5%였던 3상 상간 전압변동률이 RPC 운전에 의해 1.1%로 억제되는 것을 확인했다. 또 액티브 필터 기능 및 궤전 말단 전압보상 기능도 확인했다. 한편, 2008년 이후에는 도카이도 신칸센에도 복수의 RPC 가동이 개시되었다. 여기서는 기설 변전소에 도입함으로써 기존의 설비용량을 늘리지 않고 경량화 실현과 가속성능을 향상시킨 신형(N700계) 차량으로 교체, 증편에 따른 피크부하 증가에 대응할 수 있도록 하고, 수송 인원당 소비전력 절감 및 증편에 따른 서비스 향상을 도모했다. < Energy News >