[논문]새로운 고효율 계통연계 1kW 연료전지용 PCS

김태진

새로운 고효율 계통연계 1kW 연료전지용 PCS
A Noval High Efficiency Grid Connected 1kW PCS for Fuel Cell 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.19 no.5, 2008년, pp.417 - 422

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel DC/DC low-voltage high-current converter circuit is proposed to improve the efficiency of power converter used in the grid-connected fuel-cell generator system. We proposed a novel high efficiency grid-connected power conditioning system for RPG fuel cell. On the result of that, the loss of system was decreased rapidly by driving stack within the condition of maximum efficiency. The peak currents of the current-type inductor and the transformer's coil are reduced by synchronizing switching frequency of Buck-type converter is increased twice as the Push-Pull converter's switching frequency. The novel structure of DC/DC converter is able to realize ZVS-ZCS in fuel-cell system is proposed. The proposed switching component of Push-Pull converter has the ZVS and ZCS function by using the circuit of new passive clamp.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

11의 계통 연계 조건에서 Islanding 현상이 발생한 경우 500[ms]이내에 검지되어 계통으로부터 분리하여 보호하는 기능 시험이다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 계통에서의 417[ms]마다 이상외란을 발생시키고 전압, 주파수 등을 감지하여 이상 발생시 계통으로부터 차단하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 논문에서는 벅 컨버터와 푸시풀 컨버터가 2단 연결되고 중간 링크 커패시터가 없는 새로운 고효율 PCS회로를 제안하였다.
본 논문에서는 벅컨버터와 푸시풀컨버터가 2단 연결되고 중간 링크 커패시터가 없는 새로운 고효율 PCS회로를 제안하고 1kW급 PCS를 제작하여 계통 연계를 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다. 제안된 푸시풀 컨버터의 스위치 소자는 새로운 수동 클램프 회로의 동작모드를 분류하고 ZVS 또는 ZCS가 이루어짐을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 벅 컨버터와 푸시풀 컨버터가 2단 연결되고 중간 링크 커패시터가 없는 새로운 고효율 PCS회로를 제안하였다. 또 1kW급PCS를 제작하여 계통 연계를 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다.
제안된 방식은 비절연 DC/DC 컨버터의 인덕터와 전류원 인덕터를 공유하는 구조를 취함으로써 1단 방식과 같은 인덕터 수로 구성할 수 있으며, 중간 전압원 매개체인 콘덴서를 제거하였다. 또한 2단 DC/DC 컨버터를 연계하여 전력회로를 구성함으로써 DC/DC 컨버터의 ZVS, ZCS 스위칭이 가능토록 구성하였다.
전력변환기는 크게 ZVS용 벅 컨버터와 ZVS, ZCS용 푸시풀 컨버터로 구성된다. 여기서 ZVS용 벅 컨버터는 기존의 컨버터를 사용하였으며, ZVS, ZCS용 푸시풀 컨버터는 본 논문에서 제안하는 방식이다. 기존의 승압형 푸시풀 컨버터와 제안된 컨버터에서 변압기 설계는 변동하는 입력전압 최저치에서 정격출력이 되도록 설계되므로 변압기의 권수비는 동일하여 최저 입력 전압에서 스위치에 인가되는 전압의 크기는 동일하다.
제안된 방식은 비절연 DC/DC 컨버터의 인덕터와 전류원 인덕터를 공유하는 구조를 취함으로써 1단 방식과 같은 인덕터 수로 구성할 수 있으며, 중간 전압원 매개체인 콘덴서를 제거하였다.

성능/효과

10에서 보는 바와 같이 부하가 적을수록 3고조파, 5고조파 및 총고조파 왜형율은 커지며, 출력이 증가함에 따라 그 값들이 작아짐을 알 수 있다. 기저부하인 200[W]에서 3고조파 성분은 약 3.8[%], 5고조파 성분은 약 12.3[%] 및 총고조파 왜형율은 약 18[%]로 나타났다. 정격부하인 1,000[W]에서 3고조파 성분은 약 0.
제안된 푸시풀 컨버터의 스위치 소자는 새로운 수동 클램프 회로의 동작모드를 분류하고 ZVS 또는 ZCS가 이루어짐을 확인하였다. 또, ZVS, ZCS기술로 최고 91[%]이고, 총 고조파 왜형율 THD도 정격 1[kW]에서 5[%]이하이고, Islanding 시험에서도 500[ms]이내에 계통에서 분리되어 계통 연계 시험 조건을 만족하는 것을 확인하였다.
5배 정도가 되는 일반적인 연료전지시스템에서 스위치 소자에 인가되는 전압은 최대 입력 전압의 2배가 된다. 벅 컨버터와 결합한 제안된 푸시풀 컨버터에서는 최소 입력 전압의 2배가 되어 스위치에 인가되는 전압을 약 2.5배로 경감할 수 있다.
실험 을 통해 얻은 결과 정격의 절반인 500[W]에서 연료전지용 전력변환 시스템은 최대 효율이 나타났으며, 이때 인버터의 효율은 약 97[%] 이며, 컨버터의 총 효율은 약 94[%]가 되어 시스템의 총 효율은 약 91[%] 로 나타났다.
2[%]로 나타났으며, 500[W] 출력시 약 91[%]로 우수하게 나타났다. 전압별로는 입력전압 55[V]에서 우수하게 나타났으며, 평균 효율은 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 4.05[%]정도 높게 나타났다. 실험 을 통해 얻은 결과 정격의 절반인 500[W]에서 연료전지용 전력변환 시스템은 최대 효율이 나타났으며, 이때 인버터의 효율은 약 97[%] 이며, 컨버터의 총 효율은 약 94[%]가 되어 시스템의 총 효율은 약 91[%] 로 나타났다.
3[%] 및 총고조파 왜형율은 약 18[%]로 나타났다. 정격부하인 1,000[W]에서 3고조파 성분은 약 0.4[%], 5고조파 성분은 약 2.4[%]로 나타났으며, 총고조파 왜형율은 약 3.65[%]로 양호하게 나타났다. 계통연계형 인버터에서 연계조건은 정격에서 3고조파 성분및 5고조파성분은 3[%]이하이고, 총 고조파 왜형율은 5[%]이하로 규정하고 있다.
5[%]로 나타났다. 제안된 방식은 1,000[W] 출력시 약 88.2[%]로 나타났으며, 500[W] 출력시 약 91[%]로 우수하게 나타났다. 전압별로는 입력전압 55[V]에서 우수하게 나타났으며, 평균 효율은 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 4.
본 논문에서는 벅컨버터와 푸시풀컨버터가 2단 연결되고 중간 링크 커패시터가 없는 새로운 고효율 PCS회로를 제안하고 1kW급 PCS를 제작하여 계통 연계를 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다. 제안된 푸시풀 컨버터의 스위치 소자는 새로운 수동 클램프 회로의 동작모드를 분류하고 ZVS 또는 ZCS가 이루어짐을 확인하였다. 또, ZVS, ZCS기술로 최고 91[%]이고, 총 고조파 왜형율 THD도 정격 1[kW]에서 5[%]이하이고, Islanding 시험에서도 500[ms]이내에 계통에서 분리되어 계통 연계 시험 조건을 만족하는 것을 확인하였다.
12에서 보는 바와 같이 계통전압의 이상이 발생했고 이를 다음 500[ms]이내에 검지하여 연료전지용 PCS의 출력은 차단하였다. 즉 계통연계형 PCS로써의 성능을 충분히 만족함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계통연계를 위한 연료전지용 전력변환장치는 계통연계시 계통전압에 대해 어떤 조건을 가져야 하는가?	계통연계를 위한 연료전지용 전력변환장치는 계통연계시 계통전압에 대해 고역률과 낮은 THD를 가져야 한다. 또, 연료전지 특성1)상 낮은 입력전압과 높은 전압 변동율에 대해 높은 출력전압으로 승압되므로 높은 승압비와 전압 변동률에 대해서 높은 변환 효율을 요구한다2,3).
	전력변환기는 무엇으로 구성되는가?	4는 제안된 연료전지용 DC/DC 컨버터 회로도를 나타내고 있다. 전력변환기는 크게 ZVS용 벅 컨버터와 ZVS, ZCS용 푸시풀 컨버터로 구성된다. 여기서 ZVS용 벅 컨버터는 기존의 컨버터를 사용하였으며, ZVS, ZCS용 푸시풀 컨버터는 본 논문에서 제안하는 방식이다.
	2단 방식의 절연형 DC/DC 컨버터를 사용한 방식의 장단점은?	1(b)는 2단 방식의 절연형 DC/DC 컨버터를 사용한 방식이다. 이 방식은 단방식으로 스위칭 소자수의 증가와 전력 손실이 증가한다는 단점이 있으나, 출력전압 제어 변수가 두개로 구성되어 있어 넓은 범위의 입출력 전압 구성이 용이하다는 장점이 있다.

참고문헌 (5)

안국영, 홍동진, 유상석, 이영덕, "가정용 연료전지 운전 모드 해석을 위한 동특성 모델 개발", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 19, No. 4, 2008, pp. 313-321

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R. Gopinath, S.S. Kim, P. Enjeti, et al, "Development of a low cost fuel cell inverter with DSP control," IEEE PESC Conference record, June 2002, pp. 101-107
P. Enjeti, P. Krein, J. Lai, "Power conditioning approaches to fuel cells and gas turbine hybrids," NTU short course (Sponsored by DOE), March 2002, pp. 231-240
Sukumara, G.V.; Parthasarathy, A.; Shankar, V.R, "Fuel cell based uninterrupted power sources," Power Electronics and Drive Systems, Proceedings Vol. 2, 1997, pp. 728 -733
P. Enjeti and J. Howze, "A 2kW fuel cell based UPS system," Texas state energy conservation office and DOE sponsored project, Texas A&M University, 2002, pp. 45-55

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