연료전지 발전시스템에서는 DC-DC 승압용 컨버터와 DC-AC 인버터가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 연료전지의 전압을 380[VDC]로 승압하기 위한 절연형 DC-DC 컨버터와 단상 220[VAC]로 변환하기 위한 LC필터를 가진 PWM 인버터로 구성된 전력변환장치를 제안하였다. 특히 제안한 연료전지 시스템용 고효율 DC-DC 컨버터는 위상천이 PWM 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다. 그리고, 정류회로에 2개의 인덕터를 첨가하여 리플성분이 저감된 직류전압과 전류를 부하측에 안정하게 공급할 수 있었다. 또한, 넓은 출력 전압 조정에도 효율을 92[%]정도 얻을 수 있다. 이상과 같이 결과는 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 타당성을 확인하였다.
연료전지 발전시스템에서는 DC-DC 승압용 컨버터와 DC-AC 인버터가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 연료전지의 전압을 380[VDC]로 승압하기 위한 절연형 DC-DC 컨버터와 단상 220[VAC]로 변환하기 위한 LC필터를 가진 PWM 인버터로 구성된 전력변환장치를 제안하였다. 특히 제안한 연료전지 시스템용 고효율 DC-DC 컨버터는 위상천이 PWM 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다. 그리고, 정류회로에 2개의 인덕터를 첨가하여 리플성분이 저감된 직류전압과 전류를 부하측에 안정하게 공급할 수 있었다. 또한, 넓은 출력 전압 조정에도 효율을 92[%]정도 얻을 수 있다. 이상과 같이 결과는 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 타당성을 확인하였다.
Recently, a fuel cell with low voltage and high current output characteristics is remarkable for new generation system. It needs both a DC-DC step-up converter and DC-AC inverter to be used in fuel cell generation system. Therefor, this paper, consists of an isolated DC-DC converter to boost the fue...
Recently, a fuel cell with low voltage and high current output characteristics is remarkable for new generation system. It needs both a DC-DC step-up converter and DC-AC inverter to be used in fuel cell generation system. Therefor, this paper, consists of an isolated DC-DC converter to boost the fuel cell voltage 380[VDC] and a PWM inverter with LC filter to convent the DC voltage to single-phase 220[VAC]. Expressly, The fuel cell system which it proposes DC-DC the efficient converter used PWM the phase transient control law and it depended to portion resonance ZVS switching, loss peek voltage and electric current of realization under make schedule, switching frequency anger and the switch reduction. And mind benevolence it sprouted 2 in stop circuit and it added and a direct current voltage and the electric current where the ingredient is reduced in load side ripple stable under make whom it will be able to supply. Besides the efficiency of 92[%]is obtained over the wide output voltage regulation ranges and load variations. Also, under make over together the result leads simulation and test, the propriety confirmation.
Recently, a fuel cell with low voltage and high current output characteristics is remarkable for new generation system. It needs both a DC-DC step-up converter and DC-AC inverter to be used in fuel cell generation system. Therefor, this paper, consists of an isolated DC-DC converter to boost the fuel cell voltage 380[VDC] and a PWM inverter with LC filter to convent the DC voltage to single-phase 220[VAC]. Expressly, The fuel cell system which it proposes DC-DC the efficient converter used PWM the phase transient control law and it depended to portion resonance ZVS switching, loss peek voltage and electric current of realization under make schedule, switching frequency anger and the switch reduction. And mind benevolence it sprouted 2 in stop circuit and it added and a direct current voltage and the electric current where the ingredient is reduced in load side ripple stable under make whom it will be able to supply. Besides the efficiency of 92[%]is obtained over the wide output voltage regulation ranges and load variations. Also, under make over together the result leads simulation and test, the propriety confirmation.
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문제 정의
그러므로 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 배전류 정류 방식을 이용한 새로운 연료전지 시스템용 고주파 절연형 ZVZCS PWM DC-DC 컨버터를 제안하였으며, 인버터 및 연료전지 발전시스템을 안정적이고, 효율적으로 제어하여 새로운 연료전지용 전력변환장치의 특성을 서술하였다.
필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 그림 7과 같이 고주파 절연형 ZVZCS PS-PWM DC-DC 컨버터를 제안하여 나타내었다. 제안한 고주파 절연형 ZVZCS PS- PWM DC-DC 컨버터는 전력용 반도체 스위치 각각에 ZVS용 무손실 커패시터를 병렬접속한 풀-브리지형으로 구성하였으며, 모든 스위치는 지연시간을 포함한 반주기동안 교차적으로 (S2-S3, S1-S4) 턴-온 한다.
본 논문에서는 실제 연료전지의 VT 출력 특성을 갖는 연료전지를 시뮬레이터화 하여 실제 연료전지와 특성을 비교하였으며, 380[VDC]로 승압하기 위해 배 전류 정류방식을 이용한 새로운 연료전지 시스템용 DC-DC 컨버터를 제안하고자 한다. 제안한 연료전지 시스템용 DC- DC 컨버터는 기존의 절연형 풀-브리지 컨버터에 인덕터 2개를 첨가하여 변압기 2차측의 전류가 부하측에 발생되는 전류의 반으로 줄려 출력전류의 리플을 줄일 수 있는 특성을 가지며, 위상 천이 PWM 제어법으로 일정한 주파수 제어를 함으로서 영전압 스위칭을 달성하여 스위칭 손실을 감소시키고자 한다.
가설 설정
그림 9는 제안한 연료전지 시스템용 DC-DC 컨버터의 모드 등가 회로를 나타낸 것이며, 동작 원리를 설명하기 위해 먼저 스위치 S2와 스위치 S3가 모두 온 상태로서 부하에 전력을 공급하는 모드 10 이후에서부터 다시 동작이 시작되는 것으로 가정한다. 그리고 컨버터의 제어기는 TMS320C31 을이 용하여 출력전압을 검출하여 제어하고자 하는 기준전압과 비교하고, PI제어기를 거쳐 컨버터를 구성하고 있는 스위치의 게이트 신호를 만들게 된다.
제안 방법
(2) 제한한 승압시스템은 기존의 컨버터보다 부품 수가 적고 제어가 쉬우며, 대용량에 적합한 새로운 고주파 절연형 ZVZCS PWM DC-DC 컨버터를 설계하고 제작하였다.
(3) 새로운 고주파 절연형 ZVZCS PWM DC-DC 컨버터의 배정류 방식과 위상천이 PWM 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다. 그리고 스위치 및 변압기의 턴-온, 턴-오프시에 오버슈트를 방지하였다.
(4) 단상 풀-브리지 인버터를 설계, 제작하여 TMS320 C31 보드와 EPLD를 이용한 SPWM 스위칭 기법에 의하여 가정용 교류전압을 구현하였다.
그림 4는 연료전지 단위셀의 V-I 특성 곡선을 나타낸 것이다. 실제 연료전지 발전시스템에서의 동작영역은。hmic 모드로써 본 연구에서 Activation 모드와 Ohmic 모드로 동작하도록 연료전지 시뮬레이터를 제어하였다. 검출된 전류가 연료전지의 출력특성 중 Activation 영역에서 Ohmic 영역으로 변환되는 지점의 기준전류 이하일 경우에는 Activation 모드로 동작하여 일정전압이 출력되도록 제어되며, 설정된 기준전류 이상의 경우에는 Ohmic 모드로 동작하도록 제어하게 된다.
그리고 변압기는 누설 인덕턴스 U , 여자 인덕턴스 Lm 및 권수비 n(=NSZNP)> 고려한 고주파 변압기로 역 L자형 등가 회로로 구성하였다. 고주파 변압기에 의해 전달된 전압과 전류는 출력 인덕터를 2개 사용한 배전류 정류방식을 통해 평활된 직류 전압과 전류를 부하측에 공급하는 시스템으로 구성하였다.
전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 분극 곡선 특성은 전류의 함수에 의한 전압이므로 요구하는 전기적인 전력을 획득하기 위해 각각의 연료전지를 연료전지 스택의 형태로 결합하였다.
제안한 연료전지 시스템용 DC- DC 컨버터는 기존의 절연형 풀-브리지 컨버터에 인덕터 2개를 첨가하여 변압기 2차측의 전류가 부하측에 발생되는 전류의 반으로 줄려 출력전류의 리플을 줄일 수 있는 특성을 가지며, 위상 천이 PWM 제어법으로 일정한 주파수 제어를 함으로서 영전압 스위칭을 달성하여 스위칭 손실을 감소시키고자 한다. 그리고 승압되어진 전압을 상용부하에 공급하기 위한 1.2[kW] 급 단상 풀-브리지 DC-AC 인버터를 설계, 제작하여 연료전지용 전력변환 장치로써 타당함을 실험과 시뮬레이션을 통하여 증명하고자 한다.
제안한 고주파 절연형 ZVZCS PS- PWM DC-DC 컨버터는 전력용 반도체 스위치 각각에 ZVS용 무손실 커패시터를 병렬접속한 풀-브리지형으로 구성하였으며, 모든 스위치는 지연시간을 포함한 반주기동안 교차적으로 (S2-S3, S1-S4) 턴-온 한다. 그리고 제어 신호는 스위치 S1 을 턴-온한 후 임의의 위상차 이후에 S4를 턴-온하는 방식으로 출력전력을 얻는 위상천이 PWM 제어법을 사용하였다. 이 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다.
그리고 컨버터의 제어기는 TMS320C31 을이 용하여 출력전압을 검출하여 제어하고자 하는 기준전압과 비교하고, PI제어기를 거쳐 컨버터를 구성하고 있는 스위치의 게이트 신호를 만들게 된다. 또한 시스템 보호를 위하여 입력전압, 출력전압 및 전류에 대한 과전압, 과전류, 저전압 보호 기능을 가진다.
그림 5는 연료전지용 시뮬레이터의 구성도를 나타낸 것이다. 마이크로프로세서 (TMS320C31DSP)에 의한 제어 블록도에서 출력전압 및 전류를 검출하여 A/D 컨버터를 통해 DSP 로 입력되면 연료전지의 V-I 특성 곡선에 해당하는 기준값을 생성하여 D/A 컨버터로 출력한다. D/A 컨버터를 통해 출력되는 아날로그 신호는 스위치를 제어하기 위해 PWM 제너레이터 회로의 입력으로 사용된다.
본 논문에서는 연료전지의 발전특성과 동일한 출력 특성을 가지는 연료전지 시뮬레이터, 연료전지의 낮은 출력전압을 승압하는 절연형 DC-DC 컨버터, 가정용에 적합한 교류전원으로 변환하는 인버터를 설계하고 제작하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
그리고 제어 신호는 스위치 S1 을 턴-온한 후 임의의 위상차 이후에 S4를 턴-온하는 방식으로 출력전력을 얻는 위상천이 PWM 제어법을 사용하였다. 이 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다. 그리고 변압기는 누설 인덕턴스 U , 여자 인덕턴스 Lm 및 권수비 n(=NSZNP)> 고려한 고주파 변압기로 역 L자형 등가 회로로 구성하였다.
전체 제어루프에서 우선적으로 소자 및 시스템을 보호하기 위하여 출력전압 및 출력전류를 검출함과 동시에 과전압, 과전류, 저전압에 대한 소프트웨어 보호기능을 삽입하여 보다 안정적인 동작을 하도록 구현하였다.
따라서 본 연구에서는 그림 7과 같이 고주파 절연형 ZVZCS PS-PWM DC-DC 컨버터를 제안하여 나타내었다. 제안한 고주파 절연형 ZVZCS PS- PWM DC-DC 컨버터는 전력용 반도체 스위치 각각에 ZVS용 무손실 커패시터를 병렬접속한 풀-브리지형으로 구성하였으며, 모든 스위치는 지연시간을 포함한 반주기동안 교차적으로 (S2-S3, S1-S4) 턴-온 한다. 그리고 제어 신호는 스위치 S1 을 턴-온한 후 임의의 위상차 이후에 S4를 턴-온하는 방식으로 출력전력을 얻는 위상천이 PWM 제어법을 사용하였다.
나타낸 것이다. 제안한 연료전지 발전용 전력변환시스템는 Ballard사의 1.2[kW]급 연료전지와 연료전지의 저전압(39~60[VDC])을 승압(380IVDC]) 시키기 위한 DC-DC 컨버터, 그리고 승압된 DC link 전압을 교류 전압(220[VAC], 60[Hz])으로 변환하기 위한 단상 풀-브리지 인버터로 구성되어 가정용 기기에 적용이 가능하게 된다. 그림 4는 연료전지 단위셀의 V-I 특성 곡선을 나타낸 것이다.
DC-DC 컨버터를 제안하고자 한다. 제안한 연료전지 시스템용 DC- DC 컨버터는 기존의 절연형 풀-브리지 컨버터에 인덕터 2개를 첨가하여 변압기 2차측의 전류가 부하측에 발생되는 전류의 반으로 줄려 출력전류의 리플을 줄일 수 있는 특성을 가지며, 위상 천이 PWM 제어법으로 일정한 주파수 제어를 함으로서 영전압 스위칭을 달성하여 스위칭 손실을 감소시키고자 한다. 그리고 승압되어진 전압을 상용부하에 공급하기 위한 1.
대상 데이터
그리고 공기는 대기에서 공급받고 용량47[, ], 순도 99.99 [%]의 탱크에서 청정하고 건조한 수소를 공급받았다. 그림 11과 그림 12는 실험으로 측정된 연료전지 VT 특성곡선과 정격전력에서 무부하시 순수 출력전력의 특성곡선을 나타낸 것이다.
이 제어법을 이용하여 부분 공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정 스위칭 주파수화 및 스위치의 스위칭 손실, 피크 전압과 전류를 저감시켰다. 그리고 변압기는 누설 인덕턴스 U , 여자 인덕턴스 Lm 및 권수비 n(=NSZNP)> 고려한 고주파 변압기로 역 L자형 등가 회로로 구성하였다. 고주파 변압기에 의해 전달된 전압과 전류는 출력 인덕터를 2개 사용한 배전류 정류방식을 통해 평활된 직류 전압과 전류를 부하측에 공급하는 시스템으로 구성하였다.
본 연구에서는 스위치의 실제적인 요소인 서지 전압과 전류를 고려하여 설계한 값 보다 높은 정격의 소자를 선정 하였으므로 Fairchild semiconductor 사의 MOSFET FQP65N06(65[A], 60[V], Ron=16[m ]) 을 사용하였다. 그림 8은 연료전지 시스템용 DC-DC 컨버터의 각부 전압과 전류 동작 파형을 나타낸 것으로 게이트 신호를 포함한 한 주기의 동작 파형을 나타내었다.
연료전지 발전시스템을 구현하는데 사용한 튤은 전력전자 분야 전용으로 개발된 PSINRO으로 회로를 구성하여 Matlab의 subcircuit으로 연동하여 사용하였으며, 실험에 사용된 Ballard사의 1.2[kW]급 연료전지 스택의 사양은 다음과 같다
성능/효과
(1) TMS320C31 DSP와 승압형 컨버터를 사용하여 l[kW]급, 직류 29~46[VDC]의 출력을 갖는 연료전지 시뮬레이터를 구현하였으며, 연료전지와 동일한 출력 특성을 얻을 수 있었다.
후속연구
본 연구에서 제안한 TMS320C31DSP칩에 의해 제어되는 연료전지용 전력변환장치의 결과를 바탕으로 향후 가정내 도시 가스를 입력으로 사용하는 가정용 연료전지 전력변환장치설계에 응용할 수 있을 것으로 판단되어진다.
참고문헌 (15)
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