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문제 정의
- 본 논문에서는 듀얼 컨버터와 단상 풀 브릿지를 결합한1.5kW급 연료전지 복합발전 시스템의 듀얼컨버터를 설계하였다. 연료전지의 경우 저전압/대전류의 특성에 따라 고전압으로 승압시키는 컨버터를 요구하게 되며 더불어 높은 효율과 안정된 시스템을 필요로 한다.
- 본 논문에서는 연료전지와 교류전력을 출력하기 위한 PCS(Power Conditioning System)로 구성되어 있다. 제안된 시스템의 경우 병렬 입력 / 직렬 출력 듀얼 컨버터와 풀 브릿지 인버터로 구성하였다.
제안 방법
- 권선수를 설계 후 코아의 자속밀도 범위와 자속밀도를 구한다. 설계과정에 있어서 정상상태 중에 발생할 수 있는 자속 밀도 범위(△B)를 고려한다.
- 따라서 본 논문에 사용된 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 성분은 1.5μH 설계하였다.
- 변압기의 2차측출력은 리플을 포함하고 있다. 따라서 필터를 적용하여 리플을 저감하였다. 2차측 LC필터는 다이오드로부터 정류된 전압 및 전류를 일정한 직류처럼 만들어준다.
- 이런 단점을 보완하기 위하여 연료전지 출력에 다상 부스트 컨버터를 적용하였고, 이를 통하여 연료전지의 출력전류 리플을 저감할 수 있다. 또한 배터리의 충방전 제어를 용이하도록 하였다.
- 모든 동작조건에 대한 동작 파형을 설명하고, 수학적 모델을 이용하여 설계를 하였다. 또한 제안된 회로의 동작을 확인하기 위하여 1.5kW급 입력 60V, 출력 220Vac 사양의 PCS를 통하여 검증하였다.
- 본 논문에서는 제안된 듀얼 컨버터를 추가 공진회로 없이 설계하였다. 모든 동작조건에 대한 동작 파형을 설명하고, 수학적 모델을 이용하여 설계를 하였다. 또한 제안된 회로의 동작을 확인하기 위하여 1.
- 발전 시스템은 연료전지의 저전압(28∼42V)를 60V로 승압하기 위한 입력 다상 승압 컨버터와 60V 배터리전압을 380V로 승압하기 위한 절연형 컨버터, 교류전압 220Vac, 60Hz으로 변환하기 위한 단상 풀브리지 인버터로 구성하였다.
- 본 논문에서는 시스템들의 장단점을 고려하여 그림 1 (c)의 저전압 배터리를 사용한 복합 발전 시스템을 구성하였다.
- 본 논문에서는 제안된 듀얼 컨버터를 추가 공진회로 없이 설계하였다. 모든 동작조건에 대한 동작 파형을 설명하고, 수학적 모델을 이용하여 설계를 하였다.
- 부하는 순수 저항을 이용하여 구성하였다. 부하 구성시가 변하는 부하에 대하여 제어기성능을 무부하, 경부하, 중부하, 최대부하까지 설계하여 가변하였다. 부하가 가변시에도 출력전압은 변동 없이 출력되는 것을 확인하였다.
- 연료전지의 경우 저전압/대전류의 특성에 따라 고전압으로 승압시키는 컨버터를 요구하게 되며 더불어 높은 효율과 안정된 시스템을 필요로 한다. 설계된 컨버터의 경우 별도의 공진소자를 사용하지 않으며, 변압기의 누설 인덕턴스와 스위치출력 캐패시턴스를 이용하여 영전압 스위칭 조건을 설계하였다.
- 저전압 배터리를 사용한 시스템의 경우 연료전지 이용률과 배터리의 충방전 제어가 용이하지 못하다. 이런 단점을 보완하기 위하여 연료전지 출력에 다상 부스트 컨버터를 적용하였고, 이를 통하여 연료전지의 출력전류 리플을 저감할 수 있다. 또한 배터리의 충방전 제어를 용이하도록 하였다.
- 그림 10은 인터버의 출력전압과 전류를 나타내고 있다. 인버터의 제어는 전압제어와 전류제어를 수행하였다. 전역 통과 필터를 이용하여 위상각을 검출하였으며, 전압과 전류의 위상을 동상으로 하여 제어하였다.
- 인버터의 제어는 전압제어와 전류제어를 수행하였다. 전역 통과 필터를 이용하여 위상각을 검출하였으며, 전압과 전류의 위상을 동상으로 하여 제어하였다.
- 그림 4는고주파 변압기 설계 절차 순서도를 나타낸다. 절차 순서에 따라 변압기를 설계하였다. 변압기 설계 사양은 표 1과 같다.
- 본 논문에서는 연료전지와 교류전력을 출력하기 위한 PCS(Power Conditioning System)로 구성되어 있다. 제안된 시스템의 경우 병렬 입력 / 직렬 출력 듀얼 컨버터와 풀 브릿지 인버터로 구성하였다. 컨버터의 경우 변압기 1차측 하프 브릿지를 병렬 연결하여 전력을 증대시키고, 변압기 2차측의 출력을 직렬로 연결하여 출력전압을 증가시키는 시스템 방식이다.
- 그러나△B가 너무 크게 되면 코아 손실이 증가하기 때문에 △B는 코아의 최대 자속밀도에 의해 제한된다. 코아의 사용율과 포화를 고려하여 자속 밀도 범위(△B)를 0.2T로 결정하였다.
- 풀 브릿지 컨버터는 고주파변압기의 누설 인덕턴스 성분과 스위칭 소자의 기생 캐패시턴스 사이의 공진을 이용하여 소프트 스위칭을 구현하였다. 그러므로 소프트 스위칭을 하기 위해서는 시스템의 설계가 중요하다.
대상 데이터
- 로 결정할 수 있다. 듀얼 컨버터에 사용된 코아는 EE 6565으로 선정하였다.
- 이론적분석을 증명하기 위해 그림 5와 같이 전체시스템을 구현하여 실험을 진행하였다. 실험을 위하여 12V 배터리를 직렬로 연결하여 60V 배터리와 연료전지 시뮬레이터 1.5kW, 연료전지용 전력변환장치 및 제어보드를 구성하였다. 부하는 저항을 연결하여 이용하였다.
- k, ku, kt는 코아 상수이고, △t는 컨버터 동작으로 코아의 온도변화를 나타낸다. 이를 바탕으로 코아의 형상은 EE코아로 선정하였다. 코아의 선정 후 변압기의 전압 전달비는 다음과 같은 관계식을 구할 수 있다.
- 최대 자속밀도, 스위칭 주파수, 코아의 온도변화를 고려하여 코아의 재질은 페라이트 재질을 사용하였다. 설계에 앞서 고주파 변압기의 전력과 컨버터의 피상 전력을 다음과 같이 구할 수 있다.
이론/모형
- 발전 시스템은 연료전지의 저전압(28∼42V)를 60V로 승압하기 위한 입력 다상 승압 컨버터와 60V 배터리전압을 380V로 승압하기 위한 절연형 컨버터, 교류전압 220Vac, 60Hz으로 변환하기 위한 단상 풀브리지 인버터로 구성하였다. PCS를 구성한 듀얼 컨버터의 제어기법은 위상천이제어기법을 적용하여 영전압 스위칭 하였다. 또한 두 대의 컨버터를 동기 제어하였다.
- 듀얼 컨버터의 장점을 고려하여 제어기법은 위상천이 제어기법을 적용하였다. 위상천이 제어 방식은 풀 브릿지 컨버터 두 개의 레그에서 위상 지연을 이용하여 제어한다.
- 또한 두 대의 컨버터를 동기 제어하였다. 인버터의 경우 전역통과 필터인 APF(ALL Pass Filter)를 이용하여 단상 PLL(Phase Locked Loop) 알고리즘을 구현하였다.
성능/효과
- 2%로 측정하였다. 따라서 본 시스템의 경우 전구간에서의 영역에서 90% 이상의 효율을 보여준다.
- 그림 12는 듀얼 컨버터의 효율곡선을 나타내고 있다. 제안된 컨버터의 최대효율은 93.2%로 측정하였다. 따라서 본 시스템의 경우 전구간에서의 영역에서 90% 이상의 효율을 보여준다.
- 위상천이 제어 방식은 풀 브릿지 컨버터 두 개의 레그에서 위상 지연을 이용하여 제어한다. 제어시 변압기의 누설리액턴스와 스위칭 소자의 내부 캐패시터를 사용하고 영전압 스위칭 조건을 확보하여 효율이 증가하였다. 또한 위상천이 제어는 일반 PWM 제어방식보단 실효치 전류가 높지만 손실과 스트레스가 적으므로, 전력밀도와 효율을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다.
후속연구
- 따라서 본 논문을 통하여 향후 태양광 발전 시스템과 같은 타 신재생 에너지 발전 시스템용 전력변환장치를 개발하는 분야에 도움이 될 것으로 기대된다.
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