철도연이 운행 시 발생하는 하루 평균 800kMh 회생에너지를 재사용하기 위해 활용시스템을 활용했다.

한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 한석윤)은 인천교통공사(사장 김성완), ㈜지필로스(대표이사 박가우)와 기술협력으로 개발한 ‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’을 인천 2호선 주안국가산단역 변전소에서 정식 운전을 시작했다고 2일 밝혔다.

개발 시스템은 인천 2호선 주안국가산단역 변전소에 시범 구축하여 지난 2월부터 4개월간 시운전을 실시하여 성능검증을 완료했고, 정식 운전에 들어갔다.

정식 운전 개시는 철도 운영기관의 에너지 절감 및 시스템 안정화에 중요한 전환점이 될 것이며, 인천 2호선을 시작으로 국내 다른 철도 운영기관에서도 적극적인 도입을 할 것으로 기대된다.

‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’은 직류 도시철도 시스템에서 발생하는 회생에너지를 재사용하는 기술이다. 도시철도 역사 내 전력계통과 연계하여 회생 시 발생하는 회생에너지를 회생인버터를 이용하여 도시철도 역사에서 활용할 수 있도록 전력을 변환하고 제어하는 시스템이다.

도시철도에서는 일반적으로 철도차량의 제동 및 내리막길 운행 시 발생하는 회생에너지를 재사용하기 위해 철도차량 및 운행 노선의 인프라 특성을 고려하여 회생에너지 저장장치, 회생인버터 및 회생저항기 등 회생에너지 활용시스템을 운영하고 있다.

인천 2호선에서는 철도차량을 경량화하고, 회생에너지를 최대한 재사용하기 위해 차량 내 설치되는 회생 저항 장치를 없애 발생되는 모든 회생에너지를 인프라에서 처리하도록 시스템을 운영 중이다.

하지만, 인프라에 설치된 회생에너지 활용장치는 처리장치의 용량 및 상호 간의 최적 제어 등 효율적인 운영에 한계가 있어 회생에너지 재사용이 저조하고, 가선 전압의 상승 등 시스템 안정성에도 문제가 발생하고 있다.

철도연은 인천 2호선을 대상으로 ‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’의 계통연계기술, 최적 용량 선정 및 운영 알고리즘을 개발하여 ㈜지필로스에 기술을 이전했다. 특히, 차량 제동 위치에 기반하여 동작하는 회생인버터 최적 알고리즘을 적용한 시뮬레이션 결과 기존 대비 최대 62.6%의 에너지 활용을 높일 수 있음을 확인했다.

㈜지필로스는 이전받은 기술을 이용하여 회생인버터의 모듈화(100kW 단위), 저압배전계통 연계 기술 적용, 저압 전력변환소자 사용 및 95% 이상 효율 향상을 통해 실제 운영노선에 적용할 수 있는 세계 최고 수준의 경제성을 가진 회생인버터를 제작 및 설치했다. 인천교통공사는 시스템의 최적 운영 지원 및 운영에 따른 에너지 절감 및 시스템 안정성 효과를 분석했다.

현재, 인천 2호선 주안국가산단변전소 내에 설치된 ‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’은 시운전을 통해 하루 평균 800kWh(주중 기준) 이상의 회생에너지를 재사용할 수 있는 성능을 검증했다.

연구책임자인 정호성 철도연 수석연구원은 “국내의 다양한 직류 도시철도 시스템에 적용할 수 있으며, 운영기관의 에너지 절감 및 시스템 안정화에 크게 기여할 수 있는 기술이다”며, “정식 운전으로 축적되는 운영 데이터를 활용하여 시스템 최적화 및 경제성 확보를 위한 연구를 진행하고, 향후 운영노선 확대 등 상용화 가능한 최적의 시스템을 제시할 계획”이라고 말했다.

인천교통공사 김성완 사장은 “이번에 도입한 ‘직류 도시철도 역사연계 회생인버터 시스템’ 기술은 기존의 회생에너지 활용장치와의 최적 연계를 통해 시스템 안정화에 크게 기여할 것으로 예측되며, 철도 운영기관의 탄소중립을 위한 효과적인 에너지 절감 수단으로 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한석윤 철도연 원장은 “철도 운영기관이 필요로 하는 기술개발과 개발기술을 중소기업으로 이전하여 상용화한 성공 사례”라며, “앞으로도 철도운영기관과의 공동연구 확대 등 철도현장의 애로기술을 해결하고 실질적인 도움이 되는 명품 K-철도 기술개발을 위해 더욱 노력하겠다”고 전했다.