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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 무정전전원장치용 배터리 보조전원시스템에서 생기는 문제점을 극복하기 위하여 연료전지를 이용한 보조전원시스템을 제안하였다. 제안된 방법은 부하의 크기가 급격히 변동하더라도 안정적으로 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다.
제안 방법
- AC/DC Boost 컨버터의 스위칭 주파수는 10[kHz], 전류 제어 주기는 100[us]로 하였으며, 6채널의 12bit A/D 컨버터와 4채널의 D/A 컨버터를 사용하여 실험 결과파형을 출력하였다.
- 시뮬레이션을 통하여 제안된 시스템 구성의 안정성과 성능을 확인하였다. S/W는 PSIM을 이용하였으며, DLL을 사용하여 전체 제어시스템을 구현하였다.
- 그리고 연료전지의 저전압·대전류의 특성을 고려하여 낮은 출력전압을 승압하고, 대전류를 분배하여 시스템을 안정화하는 영전압 스위칭 위상천이 풀브리지 DC/DC 컨버터를 사용하였다.
- 시뮬레이션 회로는 크게 SVPWM 방법을 적용한 AC/DC 컨버터와 연료전지용 영전압 위상천이 풀브리지 컨버터, 그리고 각각의 컨버터를 제어하기 위한 제어부로 구성하였다. 그리고 연료전지의 특성에 적합한 연료전지용 전력변환기를 구성하기 위하여 실제 연구에 사용 되는 Ballad사의 1.2[kW] 고분자 전해질 연료전지인 Nexa Power Module의 등가회로를 이용하여 표 2의 값으로 그림 3과 같이 모델링 하여 시뮬레이션 하였다.
- 따라서 본 논문에서는 고분자전해질형 연료전지를 적용하였으며, 장점을 요약하면 다음과 같다.
- 또한 본 논문에서는 무정전전원장치의 에너지 저장 및 공급 장치로 사용되는 배터리 대신에 친환경 대체에너지원인 연료전지를 적용하였다[6]. 그리고 연료전지의 저전압·대전류의 특성을 고려하여 낮은 출력전압을 승압하고, 대전류를 분배하여 시스템을 안정화하는 영전압 스위칭 위상천이 풀브리지 DC/DC 컨버터를 사용하였다.
- 또한 연료전지의 낮은 출력 전압을 승압시켜 주기 위한 DC/DC 컨버터에 위상천이 풀브리지 컨버터 토폴로지를 적용하여 손실을 줄이고, 영전압 스위칭을 할 수 있도록 하였다. 또한 위상천이 풀브리지 DC/DC 컨버터는 두 대의 컨버터를 병렬 제어하기 위하여 동일한 조건으로 설계 및 제작되었다.
- 먼저 AC/DC 컨버터의 IGBT와 게이트 드라이브 부분은 (주)세미크론에서 제공하는 SEMISTACK을 사용하여 구성하였고, 입력측의 리액터와 노이즈필터는 전류의 리플을 제거하기위해 정격에 비해 크게 설계하였다. 그리고 연료전지는 Ballard사의 1.
- 본 논문에서는 전용 IC를 사용하여 하나의 소자 내에서 전압 조정과 부하 분배 기능을 결합하여 두 대의 컨버터를 균등하게 동작시킬 수 있도록 구성하였다.
- 시뮬레이션 회로는 크게 SVPWM 방법을 적용한 AC/DC 컨버터와 연료전지용 영전압 위상천이 풀브리지 컨버터, 그리고 각각의 컨버터를 제어하기 위한 제어부로 구성하였다. 그리고 연료전지의 특성에 적합한 연료전지용 전력변환기를 구성하기 위하여 실제 연구에 사용 되는 Ballad사의 1.
- 역률 개선 및 고조파 저감을 위하여 SVPWM 방식을 적용한 AC/DC 컨버터와 기존 배터리의 단점을 극복하기 위하여 연료전지와 영전압 스위칭 위상천이 풀브리지 DC/DC 컨버터를 이용한 보조전원 시스템으로 구성하였으며, 각각의 파라미터는 시뮬레이션과 동일하다.
- 연료전지용 발전시스템과 같은 저전압·대전류 시스템에서 한 대의 컨버터로 모든 부하에 전원이 공급되면 동손으로 인한 전력손실이 커지기 때문에 두 개의 풀브리지 컨버터를 병렬로 연결한 위상천이 풀브리지 컨버터를 사용하였다.
- 이러한 구성을 통하여 계통 전원의 리플, 글리치, 정전 등으로 인한 부하의 악영향을 차단하며, 순간적인 부하변동에도 DC-Link 전압을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
- 본 논문에서는 기존의 무정전전원장치용 배터리 보조전원시스템에서 생기는 문제점을 극복하기 위하여 연료전지를 이용한 보조전원시스템을 제안하였다. 제안된 방법은 부하의 크기가 급격히 변동하더라도 안정적으로 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 그리고 연료전지가 무정전전원장치의 보조전원으로서 기존의 배터리를 대체할 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
- 출력측의 DC-Link 전압은 저항분배를 이용하여 전압을 검출하며, 입력전류는 전류센서(CT)를 사용하여 검출하였다. 입력된 상전류는 d-q변환을 통해 2상 정지좌표계로 변환되고, 위상검출기의 출력으로 나온 위상정보를 가지고 2상 동기좌표계로 변환된다.
대상 데이터
- AC/DC Boost 컨버터의 제어보드는 TI사의 DSP인 TMS320F2811을 사용하여 구성하였다. 3상 계통 입력전압은 변압기를 사용하여 검출하고, 출력측 DC-Link 전압은 전압분배를 이용하여 A/D 컨버터로 입력된다.
- 먼저 AC/DC 컨버터의 IGBT와 게이트 드라이브 부분은 (주)세미크론에서 제공하는 SEMISTACK을 사용하여 구성하였고, 입력측의 리액터와 노이즈필터는 전류의 리플을 제거하기위해 정격에 비해 크게 설계하였다. 그리고 연료전지는 Ballard사의 1.2[kW] Nexa 파워 시스템을 사용하였고, 영전압 스위칭 위상천이 풀브리지 컨버터는 별도의 소자 추가 없이 게이트 신호의 위상 이동만으로 ZVS가 가능하도록 Phase Shift PWM IC인 UC3875를 사용하였으며, 두 대의 컨버터를 병렬 제어하기 위하여 Unitrod사의 병렬운전 전용 IC인 UC3907을 사용하였다.
데이터처리
- 이러한 구성을 통하여 계통 전원의 리플, 글리치, 정전 등으로 인한 부하의 악영향을 차단하며, 순간적인 부하변동에도 DC-Link 전압을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
이론/모형
- 따라서 무정전전원장치의 역률을 개선시키고, 선간전류의 고조파를 저감하기 위하여 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 방식을 적용한 3상 AC/DC Boost 컨버터를 적용하였다. SVPWM 기법을 이용하여 동기회전 좌표계의 d축 무효성분전류를 0이 되도록 제어함으로써 역률을 거의 1로 하고, q축 유효성분전류를 제어하여 전압형 컨버터의 출력측 직류 전압을 원하는 값으로 유지시킬 수 있다[3-5].
- 그러나 실제로 병렬 운전 중인 모든 컨버터 모듈은 동일한 특성을 갖지 못하기 때문에 병렬운전 시 부하 전류의 불평형 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 최대전류법에 의한 균등 전류분배법(Current Balance Methode)을 적용하여 영전압 스위칭 위상천이 풀브리지 컨버터의 병렬운전 시스템을 구성하여 사용하였다.
- 3상 AC/DC Boost 컨버터의 제어각을 연산하기 위해 계통 입력전압을 변압기를 사용하여 제어보드로 입력받게 된다. 입력받은 선간전압을 상전압으로 계산한 후, 위상검출기에서 동기좌표계 PLL기법을 사용하여 위상을 검출하게 된다.
성능/효과
- 또한 DC-Link 전압이 기준 전압 이하로 낮아질 때에는 연료전지가 함께 동작하여 에너지를 보상하여 준다. 과도상태에서 계통전류와 연료전지가 서로 분담하여 DC-Link 전원에 에너지를 공급하며, 부하의 변동 시에도 연료전지의 에너지 보상을 통하여 DC-Link 전압은 1.4s 지점에서의 부하변동에도 이상없이 안정적으로 공급되는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 방법은 부하의 크기가 급격히 변동하더라도 안정적으로 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 그리고 연료전지가 무정전전원장치의 보조전원으로서 기존의 배터리를 대체할 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
- 부하의 순간적인 변동 시 DC-Link 전압은 초기 약간의 변동을 갖으며 기준 전압 이하로 낮아지지만 연료전지가 동작하여 에너지를 DC-Link에 보상함으로써 안정적으로 기준전압을 추종하게 된다. 그림 15와 비교하면 무정전전원장치에 연료전지를 적용한 보조전원시스템을 추가함으로써 급변하는 부하 변동 시 보다 안전하게 무정전전원장치가 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 초기에 무정전전원장치가 동작하며 AC/DC 컨버터의 DC-Link 전압은 약 1s 동안의 과도상태를 갖는다. 또한 1.4s에서 부하의 변동을 주었을 때 기준전압을 신속하게 추종하지 못하며, 계통전류에 영향이 미치는 것을 확인할 수 있다.
- 시뮬레이션을 통하여 제안된 시스템 구성의 안정성과 성능을 확인하였다. S/W는 PSIM을 이용하였으며, DLL을 사용하여 전체 제어시스템을 구현하였다.
- 최대전류법에 의한 균등전류분배법을 적용한 위상천이 풀브리지 컨버터의 병렬운전 시 컨버터 1과 컨버터 2의 전류분배가 동일하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 논문의 연구 결과는 무정전전원장치의 고효율, 고역률화에 기여함은 물론, 에너지파동과 환경문제 등 화석연료의 고갈로 인해 발생할 수 있는 에너지 위기에 대한 현실적인 대응방안의 일환으로 차세대 에너지로 주목받고 있는 연료전지 산업분야로의 적용을 확대하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
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