† 교신저자, 한국철도기술연구원, 무가선트램연구단 E-mail : [email protected]
* 한양대학교, 전기공학과
에너지 저장장치를 탑재한 철도차량의 소비에너지
시뮬레이션 프로그램 개발
The Development of the Train Performance Simulation Program for
Railway Vehicles equipped with Energy Storage System
오용국† 이지호* 곽재호** 황현철**
Yong-kuk Oh Jee-Ho Lee Jae-Ho Kwak Hyeon-Cheol Hwang
ABSTRACT
The studies on railway vehicles equipped with various energy storage system is proceeded actively. These have a lot of advantages like the maximizing reuse of the regeneration energy, the decrease of peak power in catenary and the reduction of infrastructure costs through catenary-free travelling. This paper is focused on the development of the TPS (Train Performance Simulation) program for railway vehicles equipped with energy storage system. The battery and ultra-capacitor system are modeled using Matlab/Simulink among several energy storage systems. And the feasibility of simulation model is evaluated with the basic power distribution algorithm
1. 서론 최근 철도시스템의 에너지 효율 향상을 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다. 급전분야에서는 신 재생 에너지의 확대에 따른 철도전력망 지능화 기술 개발, 에너지 통합관리 기술 개발, 그리고 교류-직류 변 환 손실 저감을 위한 직류 급전망 확대 연구가 진행 중이며, 차량분야에서는 에너지 저장장치를 지상 또는 차상에 설치하여 철도차량의 소비에너지를 감소시키는 연구가 진행되고 있다. 특히 철도차량 내 에너지 저장장치의 탑재는 회생에너지 흡수 극대화, 가선 peak 전력 저감, 무가선 주행을 통한 철도시스 템 인프라 비용 절감 등 여러 효과를 기대할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 에너지저장장치를 탑재한 철도차량의 소비에너지 분석을 위한 프로그램 (TPS, Train Performance Program) 개발에 대하여 다룬다. 에너지 저장장치(배터리, 울트라 캐패시터)를 모델링 하고, 이를 철도차량 모델과 연계시킨다. 그리고 철도차량의 소비에너지 분석, 에너지 저장장치의 입출 력 파워 및 SOC (State of Charge) 분석이 가능하도록 하며, 장치 간 기본적인 파워분배 알고리즘 적용을 통하여 시뮬레이션 모델의 적합성을 평가한다. 2. 본론 2.1 차량모델 에너지 저장장치를 탑재한 철도차량의 소비에너지 분석 프로그램 개발을 위하여 본 연구에서 사용한 철도차량 방정식은 아래와 같다. (1)
차량중량 주행저항 차량 속도 곡선저항 관성 계수 구배저항 추진모터 견인력회생제동력 출발저항 유압제동력 구분 설명 수식 비고 차량과 레일의 마찰, 공기저항 등 차량주행에 의한 저항 Davis eq. : 차량 속도 :주행저항 계수 곡선주행 시, 발생하는 저항 ×× : 곡선 반경 [m] : 중력가속도 구배구간의 주행 시 중력에 의 한 저항 × × : 노면 구배 차량 출발 시 발생하는 저항 × : 출발저항 계수 표 1. 시뮬레이션 차량모델 수식 2.2 추진 시스템 구성 본 연구에서 사용되는 추진시스템 구성은 다음과 같다. 그림 1. 추진시스템 구성 배터리와 캐패시터는 병렬로 연결되고, 각 출력단에 DC/DC 컨버터가 위치하여 배터리와 캐패시터의 입출력 파워를 제어, 각 장치의 SOC(State of Charge) 관리가 가능토록 한다. 차량 역행 시에는 가선전력 과 배터리, 캐패시터 전력의 사용이 가능하며, 제동 시에는 회생에너지를 배터리와 캐패시터에 저장하여 에너지 효율을 향상시킨다. 인버터의 입력 파워, 는 다음과 같다. (2) , , 는 각각 배터리 출력 파워, 캐패시터 출력 파워, 가선으로부터 입력 파워이고, DC/DC 컨 버터는 효율계수( )로 반영된다. 2.3 에너지 저장장치 모델 2.3.1 배터리 모델 본 연구에서 사용한 배터리 모델은 내부저항 모델이며 등가회로는 아래와 같다.
그림 2. 배터리 등가회로 _는 배터리의 개방전압, 는 배터리 내부저항, 그리고 는 배터리의 출력전류이며, 배터리의 출력 파워, 는 아래의 식과 같다. × _ × × _ (3) _는 배터리 SOC의 맵으로 결정되며, 배터리의 출력파워, 가 결정되면 는 다음과 같다. _
_ (4) 이렇게 결정된 배터리 출력전류는 다시 배터리 SOC를 업데이트하기 위하여 피드백 된다. 2.3.2 캐패시터 모델 캐패시터는 RC(저항-캐패시턴스) 모델을 적용하며 등가회로는 아래와 같다. 그림 3. 캐패시터 등가회로 _는 캐패시터의 개방전압, 는 캐패시터 내부저항, 그리고 는 캐패시터의 출력전류이며, 캐패 시터의 출력 파워, 는 아래의 식과 같다. × (5) 는 배터리모델의 출련전류, 식(4)와 마찬가지로 아래와 같이결정된다. _
_ (6) 이 연산 가능하다. _ _ (7) 2.4 추진모터 견인력 결정 철도차량은 일반적으로 역행, 정속주행, 제동의 일정한 속도 profile을 갖는다. 차량의 역행, 제동 시에 는 차량의 최대 감가속도로 운행되며, 정속주행 시에는 노선구간 내 제한 최고속도를 유지한다고 가정 했을 경우, 추진모터의 견인력/회생제동력은 다음과 같이 같다. - 역행 시 차량의 최대 가속도를 라고 할 경우, 식 (1)로부터 는 아래와 같이 계산되며, 차량의 유압 제동력, 는 0이다. (8) - 정속 주행 시 차량이 제한 최고속도, 에 다다르면 차량의 가속도는 0이 되며, 추진모터는 차량속도를 유지하기 위한 견인력만 출력한다. 이때 차량의 는 역행 시와 마찬가지로 0이다. (9) - 제동 시 차량의 최대 감속도를 라고 할 경우, 식(1)로부터 는 아래와 같이 계산된다. (10) 2.5 에너지저장장치 간 추진파워 분배 일반적으로 캐패시터는 배터리에 비하여 수명이 길고 순시 입출력 파워가 크지만 에너지 밀도는 배터 리의 약 1/10 이하 수준이다. 따라서 차량에는 회생에너지를 저장할 만큼의 캐패시터를 장착하고, 순간 적으로 큰 전력이 요구되는 역행 또는 제동 초기에는 캐패시터를 우선적으로 사용하는 것이 효과적이 다. 가선구간에서 배터리 또는 캐패시터의 전력을 이용하여 추진모터를 구동할 경우 DC/DC 컨버터의 동작이 필요하다. 하지만 DC/DC 컨버터의 동작으로 인한 에너지 손실이 발생하기 때문에 가선 구간에 서는 추진모터의 구동을 위하여 가선전력을 이용한다. 그리고 제동 시에는 차량의 회생에너지를 우선적 으로 캐패시터에 저장하고 나머지의 에너지를 배터리에 저장하여 배터리에 순간적으로 큰 전류가 유입 되는 것을 방지한다. 무가선 구간에서는 가선전력의 사용이 불가하기 때문에 추진모터를 구동 시, 배터리 수명관리를 위하 여 캐패시터에 저장된 에너지를 우선적으로 사용한다. 제동 시에도 차량의 회생에너지를 캐패시터에 우 선적으로 저장하고 나머지 에너지를 배터리에 저장하여 배터리의 입출력 전력을 최소화 한다. 3. 시뮬레이션 결과 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 모델의 검증을 위하여 사용된 차량의 제원 및 에너지 저장장치의 사양 은 다음과 같다.
구분 항목 단위 사양 차량 중량 ton 43 바퀴 반경 mm 300 최대 출력 kW 360 보조부하 kW 72 최대 감가속도 0.97 배터리 용량 kWh 162 전압 V 675 C-rate Ah 240 캐패시터 용량 kWh 1.5 전압 V 672 캐패시턴스 F 25 표 2. 차량제원 및 에너지 저장장치 사양 차량은 한국철도기술연구원에서 개발 중인 무가선저상트램의 사양을 적용하였다. 노선은 약 1.5 km 무 가선 구간으로 가정하였으며, 차량의 제동 시 유압 제동은 사용하지 않고 100% 회생제동을 사용한다고 가정( )하였다. 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 60 time (sec) s peed (k m /h ) & d is tan c e (k m ) 0 50 100 150 200 250 -400 -200 0 200 400 600 800 time (sec) Po w e r( k W ) 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 time (sec) E ner gy (k Wh) 0 50 100 150 200 250 0 0.5 1 1.5 2 2.5 time (sec) E ner gy (k Wh) 0 50 100 150 200 250 20 40 60 80 100 time (sec) SO C ( % ) 0 50 100 150 200 250 200 300 400 500 600 700 800 900 time (sec) V ol tage (V ) vehicle speed distace*10
Total Demand Power Battery Power Ultra-Capacitor Power
Motoring Energy Regen Energy Total Consumption Energy
Battery Energy Ultra-Capacitor Energy BatterySOC Ultra-Capacitor SOC Battery Voltage Ultra-Capacitor Voltage 그림 4. 시뮬레이션 결과 위의 시뮬레이션 결과에서 보듯이 차량추진에 요구되는 파워는 배터리와 캐패시터의 출력파워와 동일 하며 추진모터에 공급되는 에너지와 제동 시의 회생에너지도 각 에너지 저장장치에서 공급된 에너지와
사용하여 배터리 수명관리에 유리함을 알 수 있다. 캐패시터는 SOC와 출력전압이 선형관계에 있으므로 SOC가 변함에 따라 배터리와 다르게 출력전압 변동 폭이 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 캐패시터에 서 동일한 파워를 출력할 경우 SOC에 따라 출력 전류의 차이가 큰 것을 예측할 수 있다. 4. 결론 본 연구에서는 에너지 저장장치를 장착한 철도차량의 소비에너지 분석 프로그램을 개발하였다. 배터 리와 캐패시터의 등가회로를 이용하여 에너지 저장장치를 모델링하였으며, 이를 철도차량 모델과 연계 시켰다. 개발된 시뮬레이션 모델은 기본적인 파워분배 알고리즘을 이용하여 검증되었으며, 철도차량의 소비에너지 분석뿐만이 아니라 각 장치별 입출력 파워 및 SOC 분석이 가능하도록 하였다. 추후 본 프 로그램을 이용하여 실제 철도차량 제작이전에 사전 연구단계에서 에너지 저장장치 간 최적 파워분배 알 고리즘, 에너지 저장장치의 수명시험을 위한 사전 데이터 확보 및 운행노선에 최적화 된 에너지 저장장 치 용량 설정 등에 활용 가능할 것으로 판단된다. 참고문헌
1. Daeki Hong, Hyeongcheol Lee, Jaeho Kwak, "Development of a mathematical model of a train in the energy point of view", International Conference on Control, Automation and Systems, 2007
2. Li, R., Pottharst, A., Frohleke, N., Bocker, J.,Witting, K., Bellnitz, M., Znamenshchykov, O., Feldmann, R., "Design and implementation of a hybrid energy supply system for railway vehicles", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005. APEC 2005.
3. Sameshima, H., Ogasa, M., Yamamoto, T., "On board Characteristics of Rechargeable Lithium Ion Batteries for Improving Energy Regenerative Efficiency”", Quarterly report of rtri, v.45 no.2, pp.45-52, 2004
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5. 양병남, “(최신)전기철도 공학”, 성안당, 2008
6. 이지호, 이형철, 곽재호 “배터리 탑재 전동차의 분배 방안 기초 연구”. 2011년 한국자동차공학회 부문
