[논문]병렬 연결된 계통연계형 연료전지 전력변환장치의 단독운전방지 평가 연구

최영주; 오건우; 김민우; 이승국; 박가우

doi:10.7842/kigas.2018.22.5.124

병렬 연결된 계통연계형 연료전지 전력변환장치의 단독운전방지 평가 연구
A Study on Anti-Islanding Evaluation of Grid-Connected Power Conditioning System for Fuel Cell System in Parallel Operation 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.22 no.5, 2018년, pp.124 - 132

최영주 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 오건우 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김민우 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이승국 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 박가우 ((주)지필로스)

초록
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파리협정의 체결로 신 재생에너지 보급이 활발해지고 있다. 국내의 경우 공공건물 중심으로 신 재재생에너지 보급 정책이 진행되고 있으며, 건물 내에 설치가 비교적 수월한 연료전지 시스템의 보급이 확대될 전망이여서 계통연계형 연료전지 전력변환장치의 단독운전방지 평가 연구가 중요하다. 본 연구에서는 연료전지 전력변환장치의 국내 인증기준 KGS AB934 PC53이 해외 규격과 부합하는지 검토해보고 계통연계 시 중요한 안전성능인 단독운전방지 평가에 대해 분석하였다. 또한, 병렬로 연결된 두 대의 전력변환장치의 단독운전방지 평가를 위한 시작품을 제작하고 실증 평가를 통해 여러 대의 연료전지 시스템이 설치되고 있는 상황에 맞는 안전성능 확보 방안을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The supply of renewable energy has become more vigorous due to Paris Agreement. In Korea, supply policies of renewable energy is being promoted with priority given to public buildings, so, the supply of fuel cell system that are relatively easy to install in buildings is expected to expand, so it is important that study on anti-islanding evaluation of grid-connected power conditioning system(PCS) for fuel cell. In this study, we consider that KGS AB934 PC53 in domestic certification standard of PCS for fuel cell correspond with abroad standard and analyze anti-islanding evaluation that important safety performance when connected grid. Additionally, we constructed a prototype for anti-islanding evaluation of PCS for fuel cell connected in parallel and carried out the demonstration evaluation, so, we have conducted ways that ensure safety performance in accordance with the circumstances where several fuel cell systems are installed.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. The status of PCS performance evaluation standards of the world.
표 Table 1. Compare between power generation por-tion of renewable energy by each countries
그림 Fig. 2. The status of PCS performance evaluation standards of the world.
그림 Fig. 3. Comparison of PCS safety performance evaluation items of internal and external standards.
그림 Fig. 4. Configuration of power flows between Fuel cell system and grid.
그림 Fig. 5. Domestic standards of anti-islanding evalua-tion (up-KEPCO, bottom-KGS).
그림 Fig. 6. The schematic diagram of prototype design of anti-islanding evaluation for power condi-tioning system connected in parallel.
그림 Fig. 7. The equipment of anti-islanding evalua-tion for power conditioning system con-nected in parallel.
그림 Fig. 8. The design of anti-islanding evaluation for power conditioning system software (S/W).
그림 Fig. 9. The power conditioning system connec-ted grid(before anti-islanding).
그림 Fig. 10. The power conditioning system connec-ted grid(after anti-islanding).
표 Table 2. Product specification of power condition-ing system for fuel cell system by G-Philos
그림 Fig. 11. The picture of software that evaluated power conditioning system when grid-off.
그림 Fig. 12. The picture of oscilloscope that evaluated power conditioning sys-tem when grid-off.
그림 Fig. 13. The comparison of anti-islanding time between software and oscilloscope when grid-off.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2 대의 병렬 연계된 전력변환장치의 단독운전방지 평가를 진행하여 계통에 이상 발생 시여러 대의 전력변환장치가 연계되어 있을 때 모두 기준 시간 내에 단독운전을 검출 하고 계통에 대한 가압을 중지하는지를 확인하려고 하였다.

제안 방법

Fig. 3과 같이 전력변환장치 성능평가항목은 크게 제품, 작동, 절연 성능과 같은 일반성능과, 보호기능 성능, 정상특성성능, 과도응답특성 성능, 외부사고 성능, 적자파적합성 등이 있으며 이 평가항목들을 바탕으로 해외 기준의 전력변환장치 안전성능 평가 항목과 부합화되어 있는지 비교분석을 실시하였다. 북미, 일본, 국제규격의 평가 항목 분석 결과 대부분 한국가스안전공사의 성능인증기준 평가항목에 포함되어 있으며 부합화되어 있으나 차이점으로는 전자파적합성의 경우 공사 인증기준에 포함되어 있는 반면, 기타 해외규격들은 별도로 관리를 하고 인증을 받고 있다.
Fig. 9과 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 전력변환장치 2대를 모의 계통 전원에 연결시켜 모의 계통을 임의로 차단시켜 전력변환장치의 단독운전 상황을 설정하여 단독운전을 검출하였다. 그 결과, Fig.
공인시험검사기관인 한국가스안전공사의 단독운전방지 평가 설비는 전력변환장치 1 대만 측정이 가능 하고 단독운전이 발생할 때 전력변환장치의 가동이 멈추는 시간을 수동으로 오실로스코프 그래프를 이용하여 계산하였지만 2개의 전력변환장치를 복수연계 시켜서 단독운전방지 평가를 진행하기 위해 추가로 S/W를 구축하였다. 또한 기존 오실로스코프와 연계하여 계통 끊음과 동시에 데이터가 저장될 수 있도록 하였다.
단독운전방지 평가 시스템 시작품 제작은 완료한 후에 실증평가를 통해 본 연구목적인 모의계통에 연계된 2 대의 전력변환장치가 동 시간에 단독운전을 검출하여 동작을 중지하는 지를 살펴보고 2 대 모두 한국전력 및 한국가스안전공사의 단독운전 기준인 0.5초 이내에 단독운전을 중지하는지 확인하였다.
공인시험검사기관인 한국가스안전공사의 단독운전방지 평가 설비는 전력변환장치 1 대만 측정이 가능 하고 단독운전이 발생할 때 전력변환장치의 가동이 멈추는 시간을 수동으로 오실로스코프 그래프를 이용하여 계산하였지만 2개의 전력변환장치를 복수연계 시켜서 단독운전방지 평가를 진행하기 위해 추가로 S/W를 구축하였다. 또한 기존 오실로스코프와 연계하여 계통 끊음과 동시에 데이터가 저장될 수 있도록 하였다.
76 ㎲로 전력변환장치가 중단되어 모의 계통에 가압을 중지한 것으로 확인되었다. 또한 설치된 소프트웨어와 Fig. 12의 기존 단독운전방지 평가시스템의 오실로스코프를 연계하여 동시에 데이터가 생성될 수 있도록 제작되었기 때문에 기존 오실로스코프와 설치된 소프트웨어의 데이터가 일치한지 여부를 확인하여 검증을 실시하였다.
본 연구에서는 계통연계형 연료전지 시스템 구성요소인 전력변환장치의 안전성능 관련 국내외 규격을 분석하고 연료전지용 전력변환장치 성능인증의 국내 규격 중 한국가스안전공사의 “KGS AB934 PC53 - 연료전지 전력변환장치 성능인증기준”과 해외규격과의 부합화를 판단하였다. 또한 안전성능 평가 항목중 단독운전방지의 기법과 필요성에 대해 분석하고 병렬로 연결된 연료전지 전력변환장치의 단독운전방지 평가 방법을 설계하여 건물용으로 확대되어가는 연료전지 시스템의 안전성능 확보를 위한 실증평가를 실시하였다.
마지막으로 안전성능 평가 항목 중 계통연계시 생길 수 있는 문제인 단독운전의 필요성과 단독운전 감지방법에 대해 분석하여 국내 연료전지 설치 현황과 실정에 맞는 단독운전 평가 장치를 설계 및 실증평가를 실시하였다.
본 연구에서는 계통연계형 연료전지 시스템 구성요소인 전력변환장치의 안전성능 관련 국내외 규격을 분석하고 연료전지용 전력변환장치 성능인증의 국내 규격 중 한국가스안전공사의 “KGS AB934 PC53 - 연료전지 전력변환장치 성능인증기준”과 해외규격과의 부합화를 판단하였다.
설계 방향은 DC Power Supply와 AC Load를 추가 설치하여 기존 분산전원 계통연계 평가장비와 연계시켜 Control Program을 통해 계통 차단을 자동으로 적용시켜 단독운전방지 평가 시작품을 설계하였다.
설계를 토대로 Fig. 7과 같이 기존 한국가스안전공사에서 보유 중인 모의계통전원시스템에 DC Supply와 Load를 추가 설치하여 전력변환장치 2 대가 연결될 수 있게 설치하였다.
설계와 동시에 기 보유중인 장치는 오실로스코프를 이용하여 수동으로 단독 운전 방지 시간을 계산했던 사항을 Fig. 8 나타낸 것과 같이 소프트웨어 프로그램 제작을 통하여 단독운전시간을 자동으로 계산하도록 설계하였다.
국내 대부분의 전력변환장치 인증은 전력변환장치 한 대만 측정하고 있으나 연료전지 시스템이 여러 개가 연결되었을 때의 단독운전이 제대로 시행되는지 평가가 되지 않는다. 이에 따라 병렬로 연계된 전력변환장치의 단독운전방지 기능을 평가하는 시작품을 설계하고 제작하였다. 제작한 시작품을 통해 2 대의 전력변환 장치를 병렬로 모의 계통에 연계하였고 평가 결과 계통 차단 시 2대 모두 339.
이와 같은 목적으로 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 병렬 연결된 전력변환장치가 모두 단독운전을 감지하고 작동을 중지하는지를 확인할 수 있는 단독운전방지 평가 시작품을 설계하였다.

대상 데이터

단독운전방지 실증 평가에 사용된 연료전지용 전력 변환장치는 ㈜지필로스 제품을 사용하였으며 600W 급으로 설계되었다. Table 2.

성능/효과

국내 연료전지용 전력변환장치의 안전성능을 평가하는 한국가스안전공사의 성능인증기준인 KGS AB934 PC53과 해외 규격들과의 비교분석을 하여 그 결과 국내 기준과 해외 규격이 상당히 부합화되어 있는 것을 검토하였다. 특히, 일본의 PEMFC 시스템과 관련된 JIS C8825 및 8826과 시험 항목이 가장 유사하다.
10에 나타낸 것과 같이 전력변환장치 2대를 모의 계통 전원에 연결시켜 모의 계통을 임의로 차단시켜 전력변환장치의 단독운전 상황을 설정하여 단독운전을 검출하였다. 그 결과, Fig. 10과 같이 소프트웨어에 계산된 시간은 339.76 ㎲로 전력변환장치가 중단되어 모의 계통에 가압을 중지한 것으로 확인되었다. 또한 설치된 소프트웨어와 Fig.
그 결과, Fig. 13과 같이 단독운전 시간을 살펴보면 339.76 ㎲로 일치하며, 0.5 초 이내에 단독운전이 검출되고 전력변환장치의 작동이 정지되어 기준을 만족하고 복수 연계된 전력변환장치의 단독운전방지 평가를 통하여 계통에 병렬로 연계되는 복수의 전력변환장치들이 단독운전 현상 발생 시 정상적으로 작동이 중단되는 것을 확인하였다.
단독운전방지 실증 평가 결과에 따라 평가 대상 전력변환장치는 적합으로 판단하였으며 복수 연계를 위한 단독운전방지 평가 시스템 시작품의 경우 2 대의 전력변환장치의 단독운전방지 평가가 가능하였으며 2 대 이상의 전력변환장치 평가도 가능할 것으로 판단된다.
일본의 소형 PEMFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell) 시스템과 관련된 JIS C 8825 및 JIS C 8826이 국내 성능인증기준인 KGS AB934 PC53과 시험항목이 가장 유사한 것으로 확인되었다. 차이점으로 국내는 단독운전방지 평가항목과 관련하여 단독운전을 허용하지 않는 반면에 일본은 자립운전 평가시험 항목을 통하여 계통이 끊어졌을 때도 연료전지가 자립운전을 할 수 있도록 평가항목이 마련되어 있었다.
이에 따라 병렬로 연계된 전력변환장치의 단독운전방지 기능을 평가하는 시작품을 설계하고 제작하였다. 제작한 시작품을 통해 2 대의 전력변환 장치를 병렬로 모의 계통에 연계하였고 평가 결과 계통 차단 시 2대 모두 339.76 ㎲에 전력변환장치가 중단되어 국내 기준인 0.5 초 이내에 차단되는 것을 확인하였다.

후속연구

일본규격과의 부합화 검토 후 국내 평가 항목 중 포함되어 있지 않아 추가로 검토 가능한 항목은 독립운전기능 시험, 소음과 온습도 사이클 시험 등의 환경 적합성 및 환경 내력시험이 있을 수 있다. 또한, 북미 인증규격인 UL 1741과 부합화 했을 때, 기계적인 성능평가 항목이 대부분 포함되어 있지 않아 정하중이나 압축시험, 살수시험 등이 추가되어야 할 것이다. 국제규격인 IEC 62477-1과 부합화 검토 시에도 마찬가지로 기계적 성능 평가 항목이 포함되어 있지 않았다.
병렬 연결된 연료전지용 전력변환장치의 단독운전 방지 평가가 가능함을 확인하며 국내에서 병렬로 연결되는 건물용 연료전지 시스템의 보급 확산에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
국제규격인 IEC 62477-1과 부합화 검토 시에도 마찬가지로 기계적 성능 평가 항목이 포함되어 있지 않았다. 충격시험, 지지력 시험 등의 기계적 안전성 항목과 진동시험, 건열 및 습열 시험과 같은 환경 시험평가도 추가 검토해야 될 것으로 판단된다.
해외 부합화 분석 후 국내인증기준인 KGS AB934 PC53의 평가 항목 중 추가 검토 가능한 항목으로는 일본 규격 JIS C 8826의 독립운전기능시험, 환경 적합성, 외부 환경 내력 시험 등이 검토 가능하며, 미국 규격 UL 1741의 경우 대부분 기계적 성능인 정하중, 압축 시험, 살수시험 등의 성능 추가 검토가 필요할 것으로 보인다. 또한 다른 규격들과 마찬가지로 국제 규격인 IEC 62477-1과 비교 시 충격시험, 지지력 시험 등과 같은 기계적 성능평가, 진동 및 건/습열 시험 등과 같은 환경 적합성 관련 시험 평가가 추가 검토 가능한 평가 항목이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주택 및 건물용 연료전지 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	Fig. 1과 같이 도시가스 및 LPG를 이용하는 주택 및 건물용 연료전지 시스템은 연료를 수소로 개질하는 연료처리장치인 개질기(Reformer), 개질된 수소혹은 직접수소와 산소가 반응하여 직류전류를 생산하는 연료전지 스택(Stack), 직류를 교류 전력으로 변환시키는 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS), 연료전지에서 발생되는 열을 이용하기 위한 온수저장탱크 등으로 구성되어 전기 및 열 에너지를 생산한다.
	계통연계형 연료전지 시스템의 장점은 무엇인가?	계통연계형 연료전지 시스템은 태양광과 풍력의 계통연계형 시스템들과 달리 안정적인 전력을 생산 하며, 연료전지 스택에서 생산되는 직류 전기를 교류로 변환시켜 계통에 연계되는 전력변환장치의 안전 성능 평가가 중요하다.
	단독운전방지 기능이 없는 전력변환장치에서 나타날 수 있는 문제점은 무엇인가?	이러한 단독운전 현상은 다음과 같은 문제점을 야기시킨다. ① 단독운전이 발생될 경우 계통 자체가 제어를 할 수 없는 상황에서 전력변환장치의 전압과 주파수를 제어할 수 없고, 이는 불규칙한 전압 및 주파수 변동으로 이어져 장비에 영향을 미쳐 손상이 일어날 수 있으며, ② 단독운전은 계통과 연계가 끊어진 상태에서 라인에 에너지가 남아있게 됨으로 보수점검자및 작업자들 또는 일반 사용자들에게 위험을 초래한다. 또한 ③ 단독운전 후, 재투입 시 전력변환장치 출력 측 전압과 실제 계통 전압 위상이 일치하지 않는다. 위상이 맞지 않기 때문에 상용 계통과 연계된다면 분산 전원 장비 또는 다른 연계된 장비의 손상을 야기시킨다.[13]

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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