[논문]전력변환장치 설계를 통한 연료전지 발전시스템 구성

윤용호

doi:10.7236/jiibc.2021.21.6.129

[국내논문] 전력변환장치 설계를 통한 연료전지 발전시스템 구성
Configuration of Fuel Cell Power Generation System through Power Conversion Device Design 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.21 no.6, 2021년, pp.129 - 134

초록
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최근 급속한 산업 발달과 생활수준의 향상으로 인하여 전력 수요가 점차 증대되고 있고 이러한 전력수요 급증에 의해 화석연료 의존도가 높은 우리나라의 경우 국제환경 규제에 의한 온실가스 배출량의 감축 및 동결은 바로 산업 활동의 위축을 가져오게 된다. 이에 따라 환경을 국가의 산업생산 활동과 연계시키고자 하는 선진국과의 경쟁에서 많은 어려움이 발생하고 있고 이에 대한 대책으로 대체 에너지의 개발이 세계적으로 큰 관심거리가 되고 있다. 이러한 새로운 발전방식 중 비교적 용량이 작은 소규모의 발전설비는 태양광발전 (Photovoltaic generation), 풍력발전 (Wind power generation), 연료전지발전 (Fuel cell generation) 등이 있다. 그중 실용화에 있어서 중요한 요소인 연속운전 및 높은 발전효율, 장기적인 내구성을 고려할 때 가장 주목을 받는 것이 연료전지이다. 연료전지 기술은 화석연료 사용에 따른 공해요인의 제거 및 전력산업 구조조정에 따른 분산형 전원으로서 개발 및 보급 가능성이 큰 새로운 형태의 발전방식으로 주목받고 있다. 따라서 본 논문에서는 연료전지에서 발생하는 직류전원을 입력으로 하여 최종적으로 우리 일상생활에서 사용하는 교류전원을 얻는 데 필요한 전력변환 회로를 설계하여 연료전지 발전시스템을 연구 및 구성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the demand for electricity is gradually increasing due to the rapid industrial development and the improvement of living standards. In the case of Korea, which is highly dependent on fossil fuels due to such a surge in electricity demand, reduction and freezing of greenhouse gas emissions due to international environmental regulations will immediately lead to a contraction in industrial activities. Accordingly, there are many difficulties in competition with advanced countries that want to link the environment with the country's industrial production activities, and the development of alternative energy as a countermeasure is of great interest around the world. Among these new power generation methods, small-scale power generation facilities with relatively small capacity include photovoltaic generation, wind power generation, and fuel cell generation. Among them, the fuel cell attracts the most attention in consideration of continuous operation, high power generation efficiency, and long-term durability, which are important factors for practical use. Therefore, in this paper, the fuel cell power generation system was researched and constructed by designing the power conversion circuit necessary to finally obtain the AC power used in our daily life by using the DC power generated from the fuel cell as an input.

주제어

표/그림 (22)

그림 그림 1. 연료전지 원리 Fig. 1. Fuel cell principle
그림 그림 3. 연료전지의 발전원리 Fig. 3. Power generation principle of fuel cell
그림 그림 2. 연료전지 특징 Fig. 2. Fuel cell features
그림 그림 4. 전력변환 회로를 이용한 연료전지 발전시스템 구성 Fig. 4. Composition of fuel cell power generation system using power conversion circuit
그림 그림 5. 연료전지 발전시스템 전체 구성도 Fig. 5. Overall configuration diagram of fuel cell power generation system
그림 그림 6. 풀 브리지 컨버터 Fig. 6. Full bridge converter
그림 그림 7. DC-AC 인버터 Fig. 7. DC-AC inverter
그림 그림 8. 벅 컨버터 게이트 신호 (5V, 20㎲/div) Fig. 8. Buck converter gate signal
그림 그림 9. 인덕터에 흐르는 전류 (20A, 20㎲/div) Fig. 9. Current flowing through the inductor
그림 그림 10. 환류 다이오드 양단 전압 (100V, 20㎲/div) Fig. 10. Voltage across the freewheeling diode
그림 그림 11. 벅 컨버터 출력전압 (20V, 20㎲/div) Fig. 11. Buck converter output voltage
그림 그림 12. 벅 컨버터 출력 전류 (10A, 20㎲/div) Fig. 12. Buck converter output current
그림 그림 13. 풀 브리지 컨버터 게이트 신호 (10V, 20㎲/div) Fig. 13. Full bridge converter gate signal
그림 그림 14. 고주파 변압기 1차측 전류 (50A, 20㎲/div) Fig. 14. High frequency transformer primary current
그림 그림 15. 풀 브리지 컨버터 변압기 1차측 전압 (100V, 20㎲/div) Fig. 15. Primary voltage of full bridge converter transformer
그림 그림 16. 2차측 정류 다이오드 전압 (400V, 20㎲/div) Fig. 16. The voltage across the secondary rectifier diode
그림 그림 17. 2차측 출력단 인덕터에 흐르는 전류 (5A, 20㎲/div) Fig. 17. Current flowing through the secondary output stage inductor
그림 그림 18. 리액터 필터 전단의 출력 전압 (200V, 5ms/div) Fig. 18. Output voltage before reactor filter
그림 그림 19. 풀 브리지 인버터 출력 전압 (200V/div, 5ms/div) Fig. 19. Full bridge inverter output voltage
그림 그림 20. 풀 브리지 인버터 출력 전류 (20A, 5ms/div) Fig. 20. Full bridge inverter output current
그림 그림 21. 정류 부하 시 고조파 분석 Fig. 21. Harmonic analysis under rectified load
그림 그림 22. 연료전지발전시스템 효율 Fig. 22. Fuel cell power generation system efficiency

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 연료전지에서 발생하는 직류전원을 입력으로 하여 최종적으로 우리 일상생활에서 사용하는 교류전원을 얻는 데 필요한 전력변환 회로를 설계하여 연료전지 발전시스템을 연구 및 구성하였다.

제안 방법

본 논문에서 구성된 연료전지 발전시스템은 그림 5와 같이 연료전지 특성이 있는 벅 컨버터를 적용하여 출력된 전압을 승압하기 위해 풀 브리지 컨버터와 교류전원으로 변환하기 위해 단상 풀 브리지 인버터를 설계 및 적용하였다.
본 논문에서는 전력변환장치 설계를 통한 연료전지 발전시스템을 구성하기 위해 연료전지용 시뮬레이터, 낮은 전압을 승압하는 DC-DC 컨버터, 가정용에 적합한 교류전원으로 변환하는 인버터를 설계하고 제작하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

성능/효과

1) 연료전지와 유사한 특성을 얻기 위해 마이크로프로세서와 벅 컨버터를 사용하여 연료전지 시뮬레이터를 구현하므로 써 가정용 연료전지 시스템의 동작 특성을 확인할 수 있다.
전력변환 회로를 통한 연료전지발전시스템의 전력변환기 (풀 브리지 컨버터와 인버터) 효율에 관한 결과를 그림 22에서 보여주고 있다. RCD 스너버, 스위치, 다이오드 및 고주파 변압기의 손실 등으로 인해 최대 효율 85.3[%]의 결과를 어 이들 중 효율에 가장 큰 영향을 주는 요인은 변압기의 누설인덕턴스 성분에 의해 감소하는 전력변환 효율이고, 본 연구에서 사용하고 있는 고주파변압기의 변환 효율은 91[%]이다.

후속연구

2) 인버터에 직류 380V 전압을 공급하기 위해 승압할 수 있는 고주파 변압기 및 DC-DC 풀 브리지 컨버터 설계기술을 적용하므로 써 가정용 연료전지 시스템에 적용되는 전력변환장치에 응용할 수 있을 것으로 보인다.

참고문헌 (6)

Y. H. Yoon, "Feed System Modeling of Railroad using Fuel Cell Power Generation System," The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (JIIBC), vol. 20, No. 4, pp. 195- 200, 2020. https://doi.org/10.7236/JIIBC.2020.20.4.195

원문보기 상세보기
Dachuan Yu, S. Yuvarajan, "Electronic Circuit Model for Proton Exchange Membrane Fuel Cells", Journal of Power Sources 142, pp. 238~242, 2005.

상세보기
T. W. Lee, S. J. Jang, J. T. Kim, J. S. Gu, C. Y. Won, C. H. Kim, " A Study on PWM Converter/ Inverter Drive System by Fuel Cell Simulator," Trans. KIPE, Vol. 9, No. 3, pp. 222~230, 2004.
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원문보기 상세보기
S.M.N. Hasan, S.K. Kim, I. Husain, "Power electronic interface and motor control for a fuel cell electric vehicle," IEEE Applied Power Electronics Conf. pp. 1171-1177, 2004.

저자의 다른 논문 :

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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