전력 에너지 소비의 급격한 증가와 환경오염, 화석연료의 고갈, 그리고 고유가에 대한 에너지 자원의 대처방안으로 신재생 에너지원에 대한 연구가 진행되고 있다. 다양한 대체 에너지들 중에서 연료전지 발전은 지속적인 원료공급시 연속적으로 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로서 연료비 부담이 없으며, 에너지 변환효율이 높고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없다. 또한 소규모 구성과 복합 구성이 가능하고, 전형적인 발전시스템과 달리 기계적인 진동과 소음이 낮다. 이처럼 연료전지를 이용한 발전시스템 분야의 연구와 실용화가 진행되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 PSCAB/EMTDC를 사용하여 삼상 380[V], 50[kW]급 연료전지 발전시스템의 모델링 및 구성된 연료전지 발전시스템의 전력신호를 웨이블릿 기법으로 분석하고, 분석된 결과를 전력품질의 관점으로 평가하여 해당 시스템의 모의 성능을 평가하고자 한다. 이를 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델과 운전에 따른 문제점을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력품질 및 신호 특성을 선행하여 연구할 수 있다.
전력 에너지 소비의 급격한 증가와 환경오염, 화석연료의 고갈, 그리고 고유가에 대한 에너지 자원의 대처방안으로 신재생 에너지원에 대한 연구가 진행되고 있다. 다양한 대체 에너지들 중에서 연료전지 발전은 지속적인 원료공급시 연속적으로 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로서 연료비 부담이 없으며, 에너지 변환효율이 높고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없다. 또한 소규모 구성과 복합 구성이 가능하고, 전형적인 발전시스템과 달리 기계적인 진동과 소음이 낮다. 이처럼 연료전지를 이용한 발전시스템 분야의 연구와 실용화가 진행되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 PSCAB/EMTDC를 사용하여 삼상 380[V], 50[kW]급 연료전지 발전시스템의 모델링 및 구성된 연료전지 발전시스템의 전력신호를 웨이블릿 기법으로 분석하고, 분석된 결과를 전력품질의 관점으로 평가하여 해당 시스템의 모의 성능을 평가하고자 한다. 이를 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델과 운전에 따른 문제점을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력품질 및 신호 특성을 선행하여 연구할 수 있다.
The fuel cell generation convert fuel source, and gas directly to electricity in an electro-chemical process. Unlike traditional and conventional turbine engines, the process of fuel cell generation do not burn the fuel and run pistons or shafts, and it has not revolutionary machine, so have fewer e...
The fuel cell generation convert fuel source, and gas directly to electricity in an electro-chemical process. Unlike traditional and conventional turbine engines, the process of fuel cell generation do not burn the fuel and run pistons or shafts, and it has not revolutionary machine, so have fewer efficiency losses, low emissions and no noisy moving parts. A high power density allows fuel cells to be relatively compact source of electric power, beneficial in application with space constraints. In this system, the fuel cell itself is nearly small-sized by other components of the system such as the fuel reformer and power inverter. So, the fuel cell energy's stationary fuel cells produce reliable electrical power for commercial and industrial companies as well as utilities. In this paper, a fuel cell system has been modeled using PSCAD/EMTDC to analyze its electric signals and characteristics. Also the power quality of the fuel cell system has been evaluated and the problems which can be occurred during its operation have been studied by modeling it more detailed. Particularly, we have placed great importance on its power quality and signal characteristics when it is connected with a power grid.
The fuel cell generation convert fuel source, and gas directly to electricity in an electro-chemical process. Unlike traditional and conventional turbine engines, the process of fuel cell generation do not burn the fuel and run pistons or shafts, and it has not revolutionary machine, so have fewer efficiency losses, low emissions and no noisy moving parts. A high power density allows fuel cells to be relatively compact source of electric power, beneficial in application with space constraints. In this system, the fuel cell itself is nearly small-sized by other components of the system such as the fuel reformer and power inverter. So, the fuel cell energy's stationary fuel cells produce reliable electrical power for commercial and industrial companies as well as utilities. In this paper, a fuel cell system has been modeled using PSCAD/EMTDC to analyze its electric signals and characteristics. Also the power quality of the fuel cell system has been evaluated and the problems which can be occurred during its operation have been studied by modeling it more detailed. Particularly, we have placed great importance on its power quality and signal characteristics when it is connected with a power grid.
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문제 정의
본 논문에서는 에너지 자원의 대처 방안으로 신재생 에너지와 대체에너지자원들 중에서 연료전지 발전 시스템을 전력계통과도현상을 모의하는 대표적 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 사용하여 정격 50[kW] 급 삼상 연료전지 발전시스템을 모델링 하였다.
본 논문에서는 전력계통 모의와 정상 및 과도현상해석 분야에 널리 사용되는 PSCAD(power system conputer aided design) / EMTDC(dectro-magnetic transient including DC)를 사용하여 연료전지 발전시스템을 모델링하며, 연료전지 발전시스템의 전력 신호(전압/전류)를 DFT(discrete fourier transform), DWT(discrete wavdet transform) 등과 같은 신호처리 알고리즘을 이용하여 해당 전력신호의 주파수 특성과 잡음 특성들을 분석하고, 분석된 결과들을 전력품질의 관점으로 평가하여 해당 시스템의 모의 성능을 모의하고자 한다. 또한, 이를 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델과 운전에 따른 문제점을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력 품질 및 신호 특성을 선행하여 연구할 수 있다
본 논문에서는 표본화 주파수의 i 주파수 해상도로 구분하여 각 신호 성분들이 포함하는 전력 신호의 잡음 특성을 분석하였다. 분석에 사용한 모 웨이블릿(mother wavelet)의 필터 뱅크㈤ter bank)는 도 비쉬(Daubechies)를 사용하였다[11].
연료전지를 비롯한 일반적인 분산 전원 시스템은 연계된 계통과의 상호작용을 고려하여, 계통(Grid) 의 전력신호를 실시간으로 감시하고 분석함으로서, 연계 시 발생하는 전력 동요와 전력 품질의 저하를 최소한으로 제한하고자 한다.
제안 방법
계통 연계로 인한 전력변화를 최소화하기 위하여 계통의 위상(phase)과 전압(voltage level)을 고려한 동기투입(in phase) 시점을 설정하여 계통과 연계한다.
따라서 보다 상세한 분석을 위하여 앞서 수행한 웨이블릿 신호처리로 분석된 고주파 대역의 detal 성분을 계통연계 전. 후로 구분하여 해당신호의 주파수 분석이 필요하다.
또한 구성된 연료전지 발전시스템을 외부 계통과 연계할 경우 나타나는 전력신호의 변화를 관찰하기 위하여 동기와 비동기의 두 가지 유형으로 구분하여 전체 계통과의 연계를 구성하였으며, 전력 파형을 분석하기 위하여 시 구간에서 전압 전류변동을 관찰 하였다. 상대적으로 용량이 작은 연료전지 발전시스템의 계통연계시 시구간 상에서 계통연계에 따른 변화특성을 명확히 확인할 수 없으므로, 표본화된 전력신호의 계통 연계 시점의 정확한 구분과 고주파 잡음 특성을 상세히 분석하기 위하여 웨이블릿변환 후의 신호성분을 계통 연계 투입 전.
본 장에서는 상기 관측한 시구 간 상에서의 전압, 전류 신호의 변화를 관측하는 것 이외의 보다 정확한 신호의 변화와 고주파 성분을 포함한 전력 신호의 분석을 위하여 DWT를 이용한 전력 신호의 잡음 성분들을 추출하고, DFT를 이용한 전력신호의 주파수특성을 분석하였다.
본 장에서는 상기 언급한 구조의 연료전지 발전시스템과 3상 배전계통을 갖는 수용가로 시설구성이 가능한 삼상, 정격용량 50[kW], 정격전압 380[V] 의 60[Hz] 전력을 발전하는 인산염 형 발전방식의 연료전지 발전시스템을 PSCAD/EMTDC로 모델링하였다.
가변적인 발전특성에 대비하기 위하여 최대출력제어기법(MPPT) 제어 장치의 도입으로 발전가동시 안정적인 출력을 유지할 수 있다. 상기 조건을 고려하여 구성된 연료전지의 출력부는 일정한 줄력 전압을 유지하는 것을 전제로 모델링하였다.
하였다. 상대적으로 용량이 작은 연료전지 발전시스템의 계통연계시 시구간 상에서 계통연계에 따른 변화특성을 명확히 확인할 수 없으므로, 표본화된 전력신호의 계통 연계 시점의 정확한 구분과 고주파 잡음 특성을 상세히 분석하기 위하여 웨이블릿변환 후의 신호성분을 계통 연계 투입 전. 후로 구분하여 주파수 분석을 수행하였다.
009[MVAR]의 용량을 갖는다. 연료전지 발전부와 연계된 전체계통은 3상 4선식으로 계통연계를 위한 차단기 시설부를 기준으로 각 연료전지 발전부와 계통 부로 구분할 수 있으며, 연료전지 발전 계통 부는 정격 0.22[kV], 0.0005EMW], 0.0001[MVAR]의 용량의 부하가 설계되었으며, 연 계부에 차단기를 시설하여 연료전지 발전 시스템과 계통 간의 연계를 제어할 수 있도록 하였다. 상기 나열한 바와 같이 본 논문에서 구현한 전체 모델은 다음의 그림 4에 나타내었다.
전력변환을 위하여 설계된 인버터 모델은 PWM(pulse width modulation) 구동 클럭으로 기동하며, 제어 변수와 기준 입력(인버터 출력단 전압) 사이의 오차에 근거하여 연료전지 발전의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백(feed-back)방식으로 전압 제어형 PWM 인버터로 구성하였으며, 평형 삼상 정현파의 기준 파 신호와 각상에 공통인 반송파 신호를 사용한다. 연료전지 발전시스템은 삼상으로 구성하여 각 상을 담당하는 제어기마다 상호 간에 120[이씩 위상차를 갖는 방식으로 기동할 수 있도록 설계하였다. 전력변환을 위하여 구동흐}는 스위칭 소자는 IGBTCInsulated Gate Bipolar Transistor) 를사용하여 연료전지 발전 출력 인버터를 구성하였다.
후로 구분하여 주파수 분석을 수행하였다. 이를 통하여, 구성된 연료전지 발전시스템의 전력신호 분석된 결과를 평가하여 해당 시스템의 모의 성능과 전력신호의 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 소규모 용량의 연료전지 발전시스템 모델과 계통연계 유형을 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델 및 다양한 운전방식, 제어방법에 따른 운전 특성과 계통연계 시 발생하는 문제점들을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력품질 특성을 선행적으로 연구할 수 있을 것으로 기대된다.
연료전지 발전시스템은 삼상으로 구성하여 각 상을 담당하는 제어기마다 상호 간에 120[이씩 위상차를 갖는 방식으로 기동할 수 있도록 설계하였다. 전력변환을 위하여 구동흐}는 스위칭 소자는 IGBTCInsulated Gate Bipolar Transistor) 를사용하여 연료전지 발전 출력 인버터를 구성하였다.
전력변환을 위하여 설계된 인버터 모델은 PWM(pulse width modulation) 구동 클럭으로 기동하며, 제어 변수와 기준 입력(인버터 출력단 전압) 사이의 오차에 근거하여 연료전지 발전의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백(feed-back)방식으로 전압 제어형 PWM 인버터로 구성하였으며, 평형 삼상 정현파의 기준 파 신호와 각상에 공통인 반송파 신호를 사용한다. 연료전지 발전시스템은 삼상으로 구성하여 각 상을 담당하는 제어기마다 상호 간에 120[이씩 위상차를 갖는 방식으로 기동할 수 있도록 설계하였다.
상대적으로 용량이 작은 연료전지 발전시스템의 계통연계시 시구간 상에서 계통연계에 따른 변화특성을 명확히 확인할 수 없으므로, 표본화된 전력신호의 계통 연계 시점의 정확한 구분과 고주파 잡음 특성을 상세히 분석하기 위하여 웨이블릿변환 후의 신호성분을 계통 연계 투입 전. 후로 구분하여 주파수 분석을 수행하였다. 이를 통하여, 구성된 연료전지 발전시스템의 전력신호 분석된 결과를 평가하여 해당 시스템의 모의 성능과 전력신호의 변화를 분석하였다.
대상 데이터
PSCAD/EMTDC로 모의 된 연료전지 발전시스템은 소규모 발전 모델로서 정격 50[kW], 220Z380[V], 60[Hz], 3상 4선식으로 배전계통과 연계된 모델로 구성하였다. 연계계통은 두 개의 전원부로 구성되어 전력을 공급받으며, 각 전원부들은 정격 22.
특성을 분석하였다. 분석에 사용한 모 웨이블릿(mother wavelet)의 필터 뱅크㈤ter bank)는 도 비쉬(Daubechies)를 사용하였다[11]. 도 비쉬 필터 뱅크는 이산 웨이블릿 분석을 실용화 할 수 있도록 만든 직교형 웨이블릿으로 일반적인 잡음 신호 분석에 많이 사용된다.
이론/모형
표본화된 전력 신호의 실효 값과 구성된 신호의 주파수 성분들(직류성분 및 고조파성분)을 계산하기 위하여 신호분석 알고리즘인 DFT를 이용하여 모의 된 계통의 전력 신호를 분석하였다[12].
성능/효과
스펙트럼을 나타낸 것이다. 그림 11에 나타난 바와 계통에 시설된 부하의 기동으로 발생되는 잡음으로 20[kHz] 대역까지 잡음이 증가되며, 20[kHz] 이상의 대역에서 일정한 크기의 잡음이 존재함을 확인할 수 있으며, 계통 연계 전에 발생하는 전체 잡음은 낮은 전력의 고주파 잡음으로 존재함을 확인할 수 있다.
본 논문에서 모의한 결과 계통연계 후 연계된 계통의 전류성분에서 발생하는 고주파 잡음의 대역은 각각 1.4[kHz], 8.6[kHz], 11.6[kHz], 18.2[kHz], 20.0[kHz], 21.5[kHz], 28.4[kHz] 그리고 30.0[kHz] 대역에서 증가함을 확인할 수 있다.
후속연구
성능을 모의하고자 한다. 또한, 이를 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델과 운전에 따른 문제점을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력 품질 및 신호 특성을 선행하여 연구할 수 있다
이를 통하여, 구성된 연료전지 발전시스템의 전력신호 분석된 결과를 평가하여 해당 시스템의 모의 성능과 전력신호의 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 소규모 용량의 연료전지 발전시스템 모델과 계통연계 유형을 통하여 보다 상세한 연료전지 발전 모델 및 다양한 운전방식, 제어방법에 따른 운전 특성과 계통연계 시 발생하는 문제점들을 도출할 수 있으며, 특히 계통연계 시 발생하는 다양한 전력품질 특성을 선행적으로 연구할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (12)
한국전력공사, 전력연구원, '계통연계운전형 신에너지전원의 표준화 및 보급체제정비(최종보고서)', 한국전력공사(전력연구원), 2000. 12
Puttgen, H.B.; MacGregor, P.R.; Lambert, F.C.;, 'Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era', Power and Energy Magazine, IEEE, Volume 1, Issue 1, Jan-Feb 2003 Page(s):22 - 29
Chris Rayment, Scott Sherwin, 'Introduction to Fuel Cell Technology', Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, May 2003
조만, '직접메탄올 연료전지' ,한국과학기술정보연구원 기술동향분석보고서, 2003. 9
박지웅, 김종형, 신명철, '분산전원의 전력계통연계에 따른 영향 및 시뮬레이션' 대한전기학회 전력기술부문회 추계학술대회 논문집 pp. 280-282, 2002. 11
김일동, 정호성, 신명철 외 5인 '신에너지 분산전원의 계통연계 보호 및 협조에 관한 연구' 전력계통 보호기술 연구회 논문집, Vol. 3, No. 1, November 1999 pp. 133-143
박지웅, '분산전원의 모델링 및 계통 연계에 따른 전력품질의 분석', 성균관대학교 대학원 석사학위논문, 2003
노의철 외 2인 '전력전자 공학', 문운당, 1997
Michel Misiti, Yves Misiti, Georges Openheim, Jean-Michel Poggi, 'Wavelet tool box for use with MATLAB', The Mathworks Inc. 1996
이종주, '인터넷을 이용한 디지털 계전기 원격제어', 성균관대학교 대학원 석사학위논문, 2001
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