[논문]2단 구성 DC-DC 컨버터와 인버터에 의한 연료전지발전 계통연계시스템 연구

주영아; 오은태; 한병문; 이준영

문제 정의

본 논문에서는 고효율 DC-DC 컨버터와 인버터에 의한 연료전지발전용 계통연계시스템을 제안하고 그 동작을 분석한 내용을 기술하였다. 효과적인 분석을 위해 연료전지의 전기적인 특성은 이론적인 수식을 기반으로 모델링하였고, 계통연계시스템은 2단식 고효율 DC-DC 컨버터와 범용 인버터로 구성하고 전체 제어기를 포함하여 PSCAD/EMTDC 를 이용하여 모의하였다.
본 논문에서는 기존 컨버터의 단점을 보완하여 저전압을 승압시키는 부스트 컨버터와 전기적인 절연과 동시에 효율적인 에너지전달을 위한 LLC 하프브리지를 2단으로 구성된 연료전지용 DC-DC Converter를 제안한다. 제안하는 컨버터는 공진을 이용하여 소프트 스위칭 동작을 하므로 효율이 높으며 부스트 컨버터만을 제어하여 출력전압을 400V로 일정하게 유지시켜 제어가 간단한 장점이 있다.
따라서 연료전지용 DC-DC 컨버터는 입력전압이 급격히 변동함에도 불구하고 원만한 계통연계를위해 출력전압은 항상 400V 정도를 유지해야 한다. 본 연구에서는 이러한 기능을 갖는 2단 구성 DC-DC 컨버터를 제안한다.
본 연구에서는 하드웨어구현 타당성을 검증하고자 시뮬레이션에서 얻은 결과를 바탕으로 프로토타입을 제작하고 실험을 수행하였다. 그림 8은 하드웨어 구성도를 나타낸 것이다.

제안 방법

또한 효과적인 모의분석을 위해 부하는. 100W에서 IkW까지를 계단적으 로변경하여 유효전력의 추종특성을 분석하였고, 동시에 무효전력을 독립적으로 0~300Var까지 계단적으로 변화주어 그 추종특성을 분석하였다. 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 1.
이는 컨버터 출력전압을 검출하여 Boost 컨버터의 duty 를 제어함으로써 80V 로 일정하게 유지하도록 설계하였다. Half-bridge LLC 공진형컨버터는 입력전압 80V, 출력전압 400V의 고정 시비율로 동작하도록 설계하여 최적회로설계가 가능하도록하였다.[8, 9]
계통으로 공급되는 유효전력의 크기에 따라 연료전지의 출력전압과 전류의 변동을 확인하기 위해 표 1에 나타낸 것처럼 0~8초까지 유효전력을 100W, 300W, 500W, lkW와 같이 계단적으로 변화를 주고 동시에 무효전력을 독립적으로 0~ 300Var 의 계단적 변화를 주어 동작을 확인하였다.
본 연구에서 제안한 2단 구성 DC-DC 컨버터를 이용하여 연료전지 발전을 전력계통과 연계하여 효율적인 전력공급이 가능한 가를 확인하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
실제 연료전지스택의 경우 계통에 공급되는 유효전력의변동이 빠르게 이루어질 경우 화학반응 속도가 이를 추종하기 어려워 충분히 안정적인 동작을 고려하여 표 2에보인 것처럼 시뮬레이션과 달리 변동의 지속시간을 100초로 하여 실험을 실시하였다.
그림 10(a)는 연료전지의 동작전압 및 동작전류를 나타낸 것이다. 오실로스코프를 이용하여 10V(A)/div로 맞추어 연료전지 전압 및 전류를 측정하였다. 유효전력 변동 시 연료전지의 전압이 안정화되는 점을 확인하여야 하므로 시간은 유효전력의 변동구간은 100s로 하였다.
80V 정도로 승압된다. 이는 컨버터 출력전압을 검출하여 Boost 컨버터의 duty 를 제어함으로써 80V 로 일정하게 유지하도록 설계하였다. Half-bridge LLC 공진형컨버터는 입력전압 80V, 출력전압 400V의 고정 시비율로 동작하도록 설계하여 최적회로설계가 가능하도록하였다.
제안하는 컨버터는 공진을 이용하여 소프트 스위칭 동작을 하므로 효율이 높으며 부스트 컨버터만을 제어하여 출력전압을 400V로 일정하게 유지시켜 제어가 간단한 장점이 있다. 이를 범용 인버터와 결합하여 유효전력 IkW를 전력계통으로 전송하는 계통 연계시스템을 제안하였다. 제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDO 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다.
이를 범용 인버터와 결합하여 유효전력 IkW를 전력계통으로 전송하는 계통 연계시스템을 제안하였다. 제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDO 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다. 이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 실험을 실시하여 하드웨어구현의 타당성을 검증하였다.
나타낸 곡선이다. 컨버터의 입력전압의 범위에서 최소와 최대 전압에 대하여 부하별 효율을 측정하였다. 컨버터 입력 전압 24V이고 정격 IkW시의 효율은 약 93.
내용을 기술하였다. 효과적인 분석을 위해 연료전지의 전기적인 특성은 이론적인 수식을 기반으로 모델링하였고, 계통연계시스템은 2단식 고효율 DC-DC 컨버터와 범용 인버터로 구성하고 전체 제어기를 포함하여 PSCAD/EMTDC 를 이용하여 모의하였다. 또한 효과적인 모의분석을 위해 부하는.

대상 데이터

계통연계형 인버터를 동작시키기 위한 제어보드는 Texas Instrument사의 실수형 DSP(Digital Signal Processor)인 TMS320vc33T50 와 Altera 사에서 개발한 100, 000게이트 EPLD인 EP1K100QC208로 구성되어 있으며, 그밖에 ADC 24ch, DAC 4ch, Digital Input 4ch, Digital Output 4ch, Encoder pulse input 1 module, RS232 port 1개 RS485 port 2개로 구성되어 있다. 계통연계 인버터는 PT 및 CT의 계측기를 통해 계통 3상 전압 및 전류 그리고 DC 커패시터전압 및 전류를 측정하여 디지털제어를 수행하게 된다.
그림 3은 제안하는 2단 구성 DC-DC 컨버터의 구성도를 나타낸 것인데, Boost 컨버터와 Half-bridge LLC 공진형컨버터의 조합으로 구성되어 있으며, 출력전압 검출부, Boost 컨버터 제어부, 고정시비율 게이트펄스 발생회로로 구성되어 있다. 2단 구성 DC-DC 컨버터는 제어설계의 복잡성을 줄이고 회로소자가 갖는 전류/전압 스트레스를 분담하여 효율을 향상하도록 설계되어 있다.
그림 8은 하드웨어 구성도를 나타낸 것이다. 실험에 사용한 연료전지는 PEM 타입으로 모델명은 Ballard Nexa Power Module이고 L2kW의 .정격출력을 갖는다.

데이터처리

제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDO 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다. 이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 실험을 실시하여 하드웨어구현의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

첫번째 디스플레이는 출력 유효전력을 나타낸 . 것으로 시뮬레이션과 유사하게 표 2의 시나리오에 따라 실측유효전력이 잘 추종하고 있음을 알 수 있었다. 두 번째는 DC 커패시터의 전압과 전류를 나타낸 것인데, DC 커패시터의 전압은 유효전력의 변동에도 불구하고 400V를 잘 유지하여 시뮬레이션결과와 유사하게 DC-DC 컨버터는 DC 커패시터의 전압을 잘 제어함을 알 수 있었다.
두 번째는 DC 커패시터의 전압과 전류를 나타낸 것인데, DC 커패시터의 전압은 유효전력의 변동에도 불구하고 400V를 잘 유지하여 시뮬레이션결과와 유사하게 DC-DC 컨버터는 DC 커패시터의 전압을 잘 제어함을 알 수 있었다. 결과적으로 DC 커패시터의 전압이 일정하여 유효전력의 변동은 DC 커패시터의 전류에 비례함을 알 수 있다. 그림 10(c)는 출력 무효전력을 나타낸 것이다.
것으로 시뮬레이션과 유사하게 표 2의 시나리오에 따라 실측유효전력이 잘 추종하고 있음을 알 수 있었다. 두 번째는 DC 커패시터의 전압과 전류를 나타낸 것인데, DC 커패시터의 전압은 유효전력의 변동에도 불구하고 400V를 잘 유지하여 시뮬레이션결과와 유사하게 DC-DC 컨버터는 DC 커패시터의 전압을 잘 제어함을 알 수 있었다. 결과적으로 DC 커패시터의 전압이 일정하여 유효전력의 변동은 DC 커패시터의 전류에 비례함을 알 수 있다.
오실로스코프를 이용하여 lOOVar/divS. 맞추어 시뮬레이션과 유사하게 표 2의 무효전력 Q의 시나리오에 따라 실측 무효전력이 잘추종하고 있음을 알 수 있었다.
그림 7(d)는 전력계통으로 출력되는 무효전력의 추종특성을 나타낸 파형이다. 실측 무효전력 또한 추종제어가 잘 수행됨을 알수 있다. 이때 무효전력량은 연료전지발전 정격을 고려하여 표 1과 같이 0~ 300Var 정도로 범위를 주었다.
그림 7(c)는 전력계통으로 출력되는 유효전력의 추종특성을 나타낸 파형이다. 실측 유효전력은 안정화되는데 까지 1초미만의 과도현상을 보이지만 곧 기준 값을 추종함을 나타내 유효전력의 제어가 잘 수행됨을 알 수 있다. 그림 7(d)는 전력계통으로 출력되는 무효전력의 추종특성을 나타낸 파형이다.
연료전지 스택온도는 무부하 및 경부하일 시에는 표준온도인 25℃를 갖지만 중부하 및 최대부하일 시에는 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 연료전지 스택의 제어보드에서는 연료전지의 전류 및 전압, 온도, 압력 등을 가동 중에 상시로 측정하여 RS232/485 통신을 통하여 PC에 보내져 그래프와 수치로 나타낸다.
이 화면의 좌측은 연료전지 상태를 나타내는 파라미터들을 표시하고 우측은 파라미터 값에 따른 곡선을 나타낸다. 연료전지의 스택전압은 유효전력의 요구량에 따라 동작점이 급격히 변동하는 것을 확인할 수 있다.
100W에서 IkW까지를 계단적으 로변경하여 유효전력의 추종특성을 분석하였고, 동시에 무효전력을 독립적으로 0~300Var까지 계단적으로 변화주어 그 추종특성을 분석하였다. 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 1.2kW PEM 연료전지에 연구실에서 제작한 DC-DC 컨버터와 인버터를 결합한 후 실험을 실시하여 하드웨어구현 타당성을 검증하였다.
DC-DC Converter를 제안한다. 제안하는 컨버터는 공진을 이용하여 소프트 스위칭 동작을 하므로 효율이 높으며 부스트 컨버터만을 제어하여 출력전압을 400V로 일정하게 유지시켜 제어가 간단한 장점이 있다. 이를 범용 인버터와 결합하여 유효전력 IkW를 전력계통으로 전송하는 계통 연계시스템을 제안하였다.

후속연구

판단된다. 또한 최근 관심이 증가하고 있는 DC급전과 스마트그리드에 연료전지발전을 적용하는데 활용 가능할 것으로 보인다.
본 논문의 연구결과는 연료전지발전용 계통연계시스템의 개발과 효율적인 운용에 활용 가능할 겄으로 판단된다. 또한 최근 관심이 증가하고 있는 DC급전과 스마트그리드에 연료전지발전을 적용하는데 활용 가능할 것으로 보인다.

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