화석연료의 고갈과 환경오염의 심각성 및 기존 전력 설비의 노후 등의 지속적인 문제들로 인해 신재생에너지 원의 개발 및 기존 전력설비와의 연계에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 신재생에너지원에는 태양광, 풍력, 연료전지, 바이오매스 등이 있는데, 이중에서도 연료전지는 높은 ...
화석연료의 고갈과 환경오염의 심각성 및 기존 전력 설비의 노후 등의 지속적인 문제들로 인해 신재생에너지 원의 개발 및 기존 전력설비와의 연계에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 신재생에너지원에는 태양광, 풍력, 연료전지, 바이오매스 등이 있는데, 이중에서도 연료전지는 높은 에너지 효율, 친환경적, 저소음, 시스템구축의 용이성 등으로 설치장소의 제약이 적어 많은 연구가 수행되고 있다.
연료전지는 그 동안 여러 종류가 개발되어 왔는데, 이중 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는 고체 고분자막을 이용하여 수소와 산소 연료의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성하고 부산물로 열에너지와 물을 생산하는 형태로 시스템의 단순성과 높은 전력밀도를 갖는다. 그러나 연료전지는 기존의 DC 전원과는 달리 전기화학반응에 의한 분극 현상에 따른 손실로 비선형적인 특성을 가지며 수십 볼트의 저전압 출력특성을 갖기 때문에 220V, 60Hz의 전력계통에 연계하여 발전하기 위해서는 반드시 고효율 전력변환기가 요구된다.
본 논문에서는 기존 컨버터의 단점을 보완하여 아날로그 방식의 2단 구성의 연료전지용 DC-DC 컨버터와 디지털 방식의 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안한다. 이를 범용 3상 인버터와 결합하여 유·무효전력을 전력계통으로 안정적으로 전송하는 연료전지발전용 계통연계시스템을 개발하였다. 제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다.
이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 하드웨어 설계 및 제작을 통한 실험을 실시하여 하드웨어구현의 타당성을 검증하였다. 본 논문의 연구결과는 연료전지발전용 계통연계시스템의 개발과 효율적인 운용에 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한 최근 관심이 증가하고 있는 DC급전과 스마트그리드에 연료전지발전을 적용하는데 활용 가능할 것으로 보인다.
화석연료의 고갈과 환경오염의 심각성 및 기존 전력 설비의 노후 등의 지속적인 문제들로 인해 신재생에너지 원의 개발 및 기존 전력설비와의 연계에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 신재생에너지원에는 태양광, 풍력, 연료전지, 바이오매스 등이 있는데, 이중에서도 연료전지는 높은 에너지 효율, 친환경적, 저소음, 시스템구축의 용이성 등으로 설치장소의 제약이 적어 많은 연구가 수행되고 있다.
연료전지는 그 동안 여러 종류가 개발되어 왔는데, 이중 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는 고체 고분자막을 이용하여 수소와 산소 연료의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성하고 부산물로 열에너지와 물을 생산하는 형태로 시스템의 단순성과 높은 전력밀도를 갖는다. 그러나 연료전지는 기존의 DC 전원과는 달리 전기화학반응에 의한 분극 현상에 따른 손실로 비선형적인 특성을 가지며 수십 볼트의 저전압 출력특성을 갖기 때문에 220V, 60Hz의 전력계통에 연계하여 발전하기 위해서는 반드시 고효율 전력변환기가 요구된다.
본 논문에서는 기존 컨버터의 단점을 보완하여 아날로그 방식의 2단 구성의 연료전지용 DC-DC 컨버터와 디지털 방식의 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안한다. 이를 범용 3상 인버터와 결합하여 유·무효전력을 전력계통으로 안정적으로 전송하는 연료전지발전용 계통연계시스템을 개발하였다. 제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다.
이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 하드웨어 설계 및 제작을 통한 실험을 실시하여 하드웨어구현의 타당성을 검증하였다. 본 논문의 연구결과는 연료전지발전용 계통연계시스템의 개발과 효율적인 운용에 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한 최근 관심이 증가하고 있는 DC급전과 스마트그리드에 연료전지발전을 적용하는데 활용 가능할 것으로 보인다.
This paper proposes high-efficiency power conditioning system for the fuel cell power generation, which consists of a 2-stage LLC resonant DC-DC converter of analog control type and 3-phase inverter. Also, this paper proposes that 3-phase current-fed active clamp DC-DC converter of digital control t...
This paper proposes high-efficiency power conditioning system for the fuel cell power generation, which consists of a 2-stage LLC resonant DC-DC converter of analog control type and 3-phase inverter. Also, this paper proposes that 3-phase current-fed active clamp DC-DC converter of digital control type and 3-phase inverter. Fuel cell has non-linear characteristic in electrical operation due to the polarization phenomena of electro-chemical reaction. The terminal voltage at the rated load drops to the half value of the terminal voltage at no load. So, a DC-DC converter with high efficiency and high amplification is definitely required to boost the low terminal voltage up to the high DC link voltage. The DC-DC converter of analog control type and digital control type for Fuel cell boosts the fuel cell voltage of 26-48V up to 400V, and the grid-tie inverter controls the active·reactive power delivered to the grid.
The operation of proposed power conditioning system was verified through simulations with PSCAD/EMTDC software. The feasibility of hardware implementation was verified through experimental works with a laboratory prototype, which was built with 1.2kW PEM fuel-cell stack, 1kW LLC resonant converter, and 2kW PWM inverter. The proposed system can be utilized to commercialize a real interconnection system for the fuel-cell power generation. It can be also applied for the distrbuted generation and the Micro-Grid.
This paper proposes high-efficiency power conditioning system for the fuel cell power generation, which consists of a 2-stage LLC resonant DC-DC converter of analog control type and 3-phase inverter. Also, this paper proposes that 3-phase current-fed active clamp DC-DC converter of digital control type and 3-phase inverter. Fuel cell has non-linear characteristic in electrical operation due to the polarization phenomena of electro-chemical reaction. The terminal voltage at the rated load drops to the half value of the terminal voltage at no load. So, a DC-DC converter with high efficiency and high amplification is definitely required to boost the low terminal voltage up to the high DC link voltage. The DC-DC converter of analog control type and digital control type for Fuel cell boosts the fuel cell voltage of 26-48V up to 400V, and the grid-tie inverter controls the active·reactive power delivered to the grid.
The operation of proposed power conditioning system was verified through simulations with PSCAD/EMTDC software. The feasibility of hardware implementation was verified through experimental works with a laboratory prototype, which was built with 1.2kW PEM fuel-cell stack, 1kW LLC resonant converter, and 2kW PWM inverter. The proposed system can be utilized to commercialize a real interconnection system for the fuel-cell power generation. It can be also applied for the distrbuted generation and the Micro-Grid.
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