KR102308764B1

KR102308764B1 - Power converting apparatus of fuel cell system robust for power disturbance

Info

Publication number: KR102308764B1
Application number: KR1020200074394A
Authority: KR
Inventors: 박가우
Original assignee: (주)지필로스; (주)코빅파워
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-10-05
Also published as: KR20210024959A

Abstract

연료전지 스택과 BOP(Balance of Plant) 사이에 연결된 연료전지 시스템의 전력변환장치가 제공된다. 연료전지 시스템의 전력변환장치는 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통에 연계하는 계통연계부와, 계통연계부와 연료전지 스택의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장하는 직류우회부와, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부의 전력을 선택적으로 BOP로 공급하는 BOP전원부와, 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택에서 발생되어 계통연계부를 거친 교류전력을 BOP에 공급하고, 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택에서 발생된 전력은 직류우회부로 전달되어 직류우회부가 BOP전원부에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어하는 제어부를 포함한다. A power conversion device of a fuel cell system connected between a fuel cell stack and a Balance of Plant (BOP) is provided. The power conversion device of the fuel cell system converts the DC power of the fuel cell stack into AC power and connects to the grid, and is commonly connected to the grid linkage and the DC output of the fuel cell stack to generate the output of the fuel cell stack. A DC bypass unit that converts and stores a voltage that can be directly supplied to the BOP, a BOP power unit that is directly connected to the AC power output from the grid connection unit and selectively supplies the power of the DC bypass unit to the BOP, and the grid voltage (V _G (t) )) and system frequency (F _G (t)) are monitored, and if the system is in a normal state, AC power generated from the fuel cell stack and passed through the grid connection unit is supplied to the BOP. The power generated from the battery stack is transferred to the DC bypass unit so that the DC bypass unit supplies power to the BOP power supply unit, and includes a control unit that controls to stably supply BOP power even if the grid connection is interrupted.

Description

Power converting apparatus of fuel cell system robust for power disturbance

본 발명은 연료전지 시스템용 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력계통에서 발생하는 외란에 의해 연료전지 시스템의 손상이 발생되는 상황을 방지할 수 있는 연료전지 시스템용 전력변환장치에 관한 것이다. The present invention relates to a power conversion device for a fuel cell system, and more particularly, to a power conversion device for a fuel cell system capable of preventing damage to the fuel cell system due to disturbances occurring in the power system. .

연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작할 수 있고 전력 수요지 또는 그 인근에 설치가 용이하여 송변전 설비를 포함한 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy possessed by fuel into electrical energy through an electrochemical reaction. Therefore, in principle, since it is not subject to the thermodynamic limitations of the heat engine, the power generation efficiency is higher than that of the conventional power generation device, and there are almost no environmental problems due to no pollution and no noise. In addition, the fuel cell can be manufactured in various capacities and can be easily installed in or near a power demand area, thereby reducing initial investment costs including transmission and substation facilities.

이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기, 스택의 운전상태를 모니터링하고 운전환경을 유지시켜주는 부품들(이하 BOP(Balance of Plant)라 한다)과 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 여러 장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. A fuel cell system using such a fuel cell includes a fuel cell stack that produces electricity, a power converter that converts generated DC power into AC power, and parts that monitor the operation status of the stack and maintain the operating environment (hereinafter, BOP (Balance) of Plant) and a controller. In this case, the fuel cell stack is composed of several stacked cells, and is designed so that water, fuel, air, etc. are supplied to each cell.

이러한 구성을 갖는 연료전지 시스템은 연료와 공기, 냉각을 위한 물 또는 냉각제의 지속적인 공급이 매우 중요하다. 특히 고온 연료전지의 스택은 설계수명을 정상적으로 유지하기 위해 스택 내부의 온도 안정성이 확보되어야 한다. In a fuel cell system having such a configuration, it is very important to continuously supply fuel, air, and water or coolant for cooling. In particular, in order to maintain a normal design life of a stack of a high-temperature fuel cell, temperature stability inside the stack must be secured.

한편, 연료전지 스택은 양극 반응의 기전력 합인 개방회로전압(OCV)으로부터 실제 전극반응에 의한 손실(활성화 손실), 전해질에서 이온이 전달되는 동안 발생하는 저항에 의한 손실(저항 손실), 설계된 용량보다 과량의 연료가 반응할 때 발생하는 물리적 손실(농도 손실)을 제외한 전압이 나타나며, 이는 회로에 흐르는 전류에 의해 나타난다. On the other hand, the fuel cell stack loses from the open circuit voltage (OCV), which is the sum of the electromotive force of the anode reactions, due to the actual electrode reaction (activation loss), the loss due to resistance (resistance loss) that occurs during the transfer of ions in the electrolyte, and the designed capacity. The voltage excluding the physical loss (concentration loss) that occurs when an excess of fuel reacts is displayed, and it is represented by the current flowing in the circuit.

도 1은 연료전지 셀에서 전류 밀도에 따라 나타나는 전압에 대한 예시를 나타낸 것이다.1 shows an example of a voltage appearing according to a current density in a fuel cell cell.

연료전지가 연료가 공급되는 상태에서 전력(출력)회로가 구성되지 못한 경우(전류=0) 스택 양 극의 전위차는 개방회로전압과 같은데, 개방회로전압이 장시간 유지되는 경우 전극 촉매는 높아진 전자밀도에 의해 역반응이 발생하며, 특히 산소극의 역반응은 촉매를 변질시켜 셀 손상을 일으키는 원인이 된다.When the power (output) circuit is not formed while the fuel cell is supplied with fuel (current = 0), the potential difference between the poles of the stack is the same as the open circuit voltage. a reverse reaction occurs, and in particular, the reverse reaction of the oxygen electrode deteriorates the catalyst and causes cell damage.

발전용 연료전지 시스템의 전력변환장치는 전력계통에 그 전압과 주파수를 동기화하여 동작하는데, 계통전압 또는 계통주파수가 급격히 변동하게 될 경우 전력변환장치는 일시적으로 동작을 정지하여 계통이 복구된 이후 재기동할 수 있도록 제어되고 있다. 이는 연료전지에 의해 다른 장치가 계통의 외란을 인식하지 못하는 상황을 방지하고, 계통의 복구를 용이하게 하기 위함이다. The power converter of the fuel cell system for power generation operates by synchronizing its voltage and frequency with the power system. controlled to do so. This is to prevent a situation in which other devices cannot recognize the disturbance of the system by the fuel cell and to facilitate system recovery.

이제까지 계통에 연결된 연료전지 시스템은 전력변환장치와 시스템 동작을 위한 BOP의 전원이 상호 연결되어 있어 전력변환장치가 정지되면 연료와 공기, 냉각수를 공급하는 시스템이 동시에 정지되는 문제가 발생한다. 이는 BOP의 내구성을 저하시켜 부품 교체비용을 상승시킬 뿐만 아니라 스택에서 발생한 전력이 소비되지 않게 되어 연료전지가 개방회로전압 이상의 환경에 자주 노출되고, 스택의 손상으로 이어져 시스템 전체의 성능과 수명을 저하시키는 요인이 된다.In the fuel cell system connected to the grid so far, the power converter and the power of the BOP for system operation are interconnected, so when the power converter is stopped, the system that supplies fuel, air, and cooling water is stopped at the same time. This lowers the durability of the BOP and increases the replacement cost of parts, and the power generated from the stack is not consumed, so the fuel cell is frequently exposed to an environment above the open circuit voltage, which leads to damage to the stack and lowers the overall performance and lifespan of the system. become a factor in

등록번호 10-1557876, 공고일자 2015년10월07일, 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법Registration number 10-1557876, announcement date October 07, 2015, fuel cell system with improved low-temperature startability and its operating method

본 발명의 목적은 계통 외란에 의해 연료전지 시스템의 전력변환장치가 정지될 때, 전력저장장치를 포함한 우회 회로로 스택의 직류전력을 BOP에 공급하여 BOP가 전력변환장치의 동작에 관계없이 동작하고, 이를 바탕으로 연료전지 스택 및 시스템이 운전을 지속함으로써 시스템의 성능을 유지하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to supply the DC power of the stack to the BOP through a bypass circuit including the power storage device when the power converter of the fuel cell system is stopped due to system disturbance so that the BOP operates regardless of the operation of the power converter and , to provide a method for maintaining system performance by continuously operating a fuel cell stack and system based on this.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 스택과 BOP(Balance of Plant) 사이에 연결된 연료전지 시스템의 전력변환장치는 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통에 연계하는 계통연계부와, 계통연계부와 연료전지 스택의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장하는 직류우회부와, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부의 전력을 선택적으로 BOP로 공급하는 BOP전원부와, 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택에서 발생되어 계통연계부를 거친 교류전력을 BOP에 공급하고, 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택에서 발생된 전력은 직류우회부로 전달되어 직류우회부가 BOP전원부에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어하는 제어부를 포함한다. A power conversion device of a fuel cell system connected between a fuel cell stack and a Balance of Plant (BOP) according to an aspect of the present invention includes a grid linkage unit that converts DC power of the fuel cell stack into AC power and connects to the grid; A DC bypass unit that is commonly connected to the DC output of the linkage and fuel cell stack to convert and store the output of the fuel cell stack into a voltage that can be directly supplied to the BOP, and is directly connected to the AC power output from the grid linkage and bypasses the DC The BOP power supply unit that selectively supplies negative power to the BOP, and the grid voltage (V _G (t)) and grid frequency (F _G (t)) are monitored, and when the grid is in a normal state, it is generated from the fuel cell stack and generated from the grid. The AC power that has passed through the linkage is supplied to the BOP, and when the grid is not in a normal state, the power generated from the fuel cell stack is transferred to the DC bypass unit so that the DC bypass unit supplies power to the BOP power supply unit, so even if the grid connection is interrupted, the BOP It includes a control unit for controlling so as to supply power stably.

제어부는 전력변환장치가 운전 환경에 따라서 연료전지 스택의 전력을 계통에 직접 전달하기 위한 계통연계운전모드(Status 1)로 동작하거나, 계통연계부가 계통전압 및 계통주파수의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여, BOP 전원을 계통과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하거나, 계통연계운전모드(Status 1)가 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전과 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 전의 과도상태모드(Status 3)로 동작하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어할 수 있다. The control unit operates in the grid-connected operation mode (Status 1) for the power converter to directly deliver the power of the fuel cell stack to the grid according to the operating environment, or the grid-connection unit restarts regardless of whether the grid voltage and grid frequency are normalized. , It operates in the independent operation mode (Status 2) that does not synchronize the BOP power with the grid, or before the grid-connected operation mode (Status 1) goes to the independent operation mode (Status 2) and is connected to the grid in the independent operation mode (Status 2) The grid linkage and DC bypass unit can be controlled to operate in the transient mode (Status 3) before proceeding to the operation mode (Status 1).

제어부는 계통연계부가 계통 사고에 의해 일시적으로 정지한 후 독립운전모드(Status 2)로 재기동한 상황에서 계통전압 및 계통주파수가 정상화될 때, 독립운전모드(Status 2)를 종료한 후 계통연계운전모드(Status 1)로 재가동하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어할 수 있다. When the grid voltage and grid frequency are normalized in the situation where the grid connection part is temporarily stopped due to a grid accident and then restarted in the independent operation mode (Status 2), the control unit ends the independent operation mode (Status 2) and then operates the grid connection operation It is possible to control the grid connection part and the DC bypass part to restart in mode (Status 1).

계통연계부는, 연료전지 스택 출력에 연결되거나 연결이 차단되는 직류측 릴레이와, 연료전지의 저전압 직류전력를 교류송전 규격에 부합하도록 승압하는 승압 컨버터와, 승압된 고전압 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터의 동작에 의해 발생하는 노이즈를 제거하는 필터와, 계통과 직접 연결되거나 연결이 차단되어 교류출력의 최종 인출여부를 제어하는 교류측 릴레이를 포함하고, 직류우회부는, 계통연계부와 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하는 변압기와, 과도상태모드동안 일시적으로 BOP전원부로 전력을 공급하여 BOP전원의 전압을 안정화하는 배터리와, 배터리와 BOP전원부 사이를 연결하거나 연결을 차단하는 우회부 릴레이를 포함한다. The grid connection unit includes a DC relay connected to or disconnected from the fuel cell stack output, a step-up converter that boosts the low voltage DC power of the fuel cell to meet the AC power transmission standard, and an inverter that converts the boosted high voltage DC power into AC power. and a filter for removing noise generated by the operation of the converter and inverter, and an AC-side relay that controls whether or not the AC output is finally drawn by being directly connected or disconnected from the grid. and a transformer that converts the output of the fuel cell stack into a voltage that can be directly supplied to the BOP, a battery that temporarily supplies power to the BOP power supply during transient mode to stabilize the voltage of the BOP power supply, and connects between the battery and the BOP power supply It includes a bypass relay that disconnects the connection.

제어부는 계통연계운전모드(Status 1)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(S_in)를 S_in=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(S_out)를 S_out=1로 제어하고, BOP전원부가 계통으로부터 전력을 공급받도록 제어하고, 과도상태모드(Status 3)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(S_in)를 S_in=0으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(S_out)를 S_out=0으로 제어하고, BOP전원부가 직류우회부로부터 전력을 공급받도록, 우회부 릴레이의 제어 신호(S_D)를 S_D=1로 제어하고, 독립운전모드(Status 2)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(S_in)를 S_in=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(S_out)를 S_out=1로 제어하고, BOP전원부가 계통연계부를 통해 연료전지 스택의 출력전력을 공급받도록 제어하고, 계통연계운전모드(Status 1)에서는 주출력 릴레이가 동작하고, 독립운전모드(Status 2) 및 과도상태모드(Status 3)에서는 주출력 릴레이가 동작하지 않는다. In the grid-connected operation mode (Status 1), the control unit controls the control signal (S _in ) of the DC-side relay to S _in =1, controls the control signal (S _out ) of the AC-side relay to S _out =1, and BOP Controls the power supply to receive power from the grid, and in the transient mode (Status 3), the control signal (S _in ) of the DC relay is controlled to S _in = 0, and the control signal (S _out ) of the AC relay is S _out _{= 0, and the control signal (S D} ) of the bypass relay is controlled to S _D = 1 so that the BOP power supply receives power from the DC bypass unit, and in the independent operation mode (Status 2), the DC relay The control signal (S _in ) is controlled to S _in = 1, the control signal (S _out ) of the AC side relay is controlled to S _out = 1, and the BOP power supply unit receives the output power of the fuel cell stack through the grid connection unit. In the grid-connected operation mode (Status 1), the main output relay operates, and in the independent operation mode (Status 2) and transient mode (Status 3), the main output relay does not operate.

전력변환장치가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우, 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 벗어나지 않고, 계통주파수((F_G(t))가 계통연계기준을 벗어나지 않는 경우, 그리고 주출력 릴레이가 닫힘 상태인 경우에는(S_G=1), 계통의 현재 상황을 반영하여 계통연계부의 인버터의 전압지령치(V_INV*)를 V_INV*=(1+a(t))V_G(t)로 조정하고, 주파수지령치(F_INV*=F_G(t))를 조정하고, 배터리의 전압(V₁)이 기준전압(V_1B) 이상이 되도록 충전되어 있으면(V₁≥V_1B), 우회부 릴레이 제어신호(S_D=0)를 이용하여 우회부 릴레이를 닫을 수 있다. When the power converter operates in grid connection operation mode (Status 1), grid voltage (V _G (t)) does not deviate from grid connection standard, and grid frequency ((F _G (t)) does not deviate from grid connection standard. If not, and when the main output relay is closed (S _G _{=1), the voltage command value (V INV} *) of the inverter in the grid connection part reflects the current state of the grid _{and V INV} *=(1+a(t) )) _{Adjust with V G} (t), adjust the frequency setpoint (F _INV *=F _G (t)), and if the battery is charged so that _{the voltage (V 1} ) is higher than the reference voltage (V _{1B ) (V} ₁ ≥V _1B ), the bypass relay can be closed by using the bypass _{relay control signal (S D =0).}

BOP전원부는, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결된 교류-직류 변환기와, 우회부 릴레이 및 교류-직류 변환기에 연결되어, 직류 전력을 교류 BOP에 필요한 전력으로 변환하는 직류-교류 변환기를 포함할 수 있다. The BOP power supply unit includes an AC-DC converter directly connected to the AC power output from the grid connection unit, and a DC-AC converter connected to the bypass relay and AC-DC converter to convert DC power into power required for AC BOP. can

직류우회부의 배터리의 충전기준전압은 BOP전원부의 교류-직류 변환기의 출력전압보다 낮게 지정되어, 계통연계운전모드 또는 독립운전모드에서 계통연계부가 정상 운전하는 상태에서 직류우회부와 내부의 배터리에서 전력이 인출되는 것이 방지될 수 있다.The charging reference voltage of the battery in the DC bypass part is specified to be lower than the output voltage of the AC-DC converter of the BOP power supply. This withdrawal can be prevented.

과도상태모드에서, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류 BOP로 직접 전달되고, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류-교류 변환기를 통해 교류 BOP로 전달될 수 있다. In the transient mode, the DC power of the bypass relay may be directly transferred to the DC BOP, and the DC power of the bypass relay may be transferred to the AC BOP through the DC-AC converter.

본 발명에 따르면, 교류계통의 외란이 발생하여 인버터의 동작이 일시적으로 정지될 경우, 교류계통의 외란에 의해 인버터가 일시적으로 정지할 때에도 인버터에 포함 또는 연결된 전력저장장치 및 연료전지 스택이 연료전지 시스템 운전에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 우회회로를 제공하여 외란 상황에도 연료전지 시스템을 안정적으로 운전하도록 할 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 출력을 직류우회부를 통해 연료전지 시스템의 BOP에 전달하여 동작시킴으로써 시스템의 갑작스런 운전 정지를 방지하는 한편, 급작스런 출력 변동에 의해 스택이 받는 전기적, 물리적 충격을 최소화할 수 있다. According to the present invention, when the operation of the inverter is temporarily stopped due to disturbance in the AC system, even when the inverter is temporarily stopped due to the disturbance in the AC system, the power storage device and the fuel cell stack included or connected to the inverter are fuel cells By providing a bypass circuit to supply power required for system operation, the fuel cell system can be operated stably even in a disturbance situation. That is, by transferring the output of the fuel cell stack to the BOP of the fuel cell system through the DC bypass unit and operating it, abrupt stop of the system can be prevented, and electrical and physical shocks to the stack caused by sudden output fluctuations can be minimized.

또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택이 운전하는 동안 항상 최소한의 전력을 인출할 수 있도록 하며, 스택이 개방회로전압(OCV)에 노출되는 상황을 방지할 수 있어 연료전지 스택을 포함한 시스템 전반의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to always withdraw a minimum amount of power while the fuel cell stack is operating, and it is possible to prevent a situation in which the stack is exposed to the open circuit voltage (OCV), so that the overall system including the fuel cell stack is provided. Lifespan can be improved.

도 1은 연료전지 셀에서 전류 밀도에 따라 나타나는 전압에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 계통 연계 상태를 도면이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 구성 및 연료전지 시스템의 계통 연계 상태를 상세하게 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 배터리가 리튬폴리머 배터리인 경우, 배터리의 충전기준전압과 교류-직류 변환기의 출력 기준전압 사이의 관계를 배터리의 특성곡선 위에서 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 연료전지 시스템의 계통연계운전모드에서 스택 출력이 BOP 전원에 연결되는 전력흐름도이다.
도 7은 도 3의 연료전지 시스템의 정전 등 계통 외란시 과도상태모드에서 스택 출력이 BOP 전원에 연결되는 전력흐름도이다.
도 8은 도 3의 연료전시 시스템에서 전력변환장치가 독립운전모드로 동작하는 경우의 전력흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태모드 전후의 전압(V₁, V₂), 배터리의 저장량(SOC, B(t))을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계운전모드, 과도상태모드 및 독립운전모드에서의 직류우회부의 우회부 릴레이의 출력전압(V₁) 및 출력전류(I₁)와 교류-직류 변환기의 출력전압(V₂) 및 출력전류(I₂)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 도 11에서 과도상태모드(Status 3)으로 진행되는 경우의 연료전지 시스템의 전력변환장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 계통전압 및 주파수에 따른 전력변환장치의 운전범위기준의 예시를 나타내는 도면이다.
도 14는 계통정전후 복전시 전력변환장치의 운전에 의한 BOP 전압 및 전력변환 전류 파형의 예시를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating an example of a voltage appearing according to a current density in a fuel cell cell.
2 is a diagram illustrating a grid connection state of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating in detail the configuration of the fuel cell system of FIG. 2 and the grid connection state of the fuel cell system.
FIG. 4 shows the relationship between the charging reference voltage of the battery and the output reference voltage of the AC-DC converter on the characteristic curve of the battery when the battery of FIG. 3 is a lithium polymer battery.
5 is a diagram illustrating an operation mode state of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
6 is a power flow diagram in which a stack output is connected to a BOP power source in a grid-connected operation mode of the fuel cell system of FIG. 3 .
FIG. 7 is a power flow diagram in which a stack output is connected to a BOP power source in a transient state mode during a system disturbance such as a power failure of the fuel cell system of FIG. 3 .
8 is a power flow diagram when the power converter operates in an independent operation mode in the fuel display system of FIG. 3 .
_{9 is a diagram illustrating voltages (V 1} , V ₂ ) and storage amount (SOC, B(t)) of a battery before and after a transient mode according to an embodiment of the present invention.
_{10 is an output voltage (V 1} ) and output current (I ₁ ) and an AC-DC converter of a bypass relay of a DC bypass unit in a grid-connected operation mode, a transient mode and an independent operation mode according to an embodiment of the present invention; of the output voltage (V ₂ ) and the output current (I ₂ ) are diagrams showing waveforms.
11 is a flowchart illustrating an operation of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
12 is a flowchart illustrating the operation of the power conversion device of the fuel cell system in the case of proceeding to the transient mode (Status 3) in FIG. 11 .
13 is a view showing an example of the operating range reference of the power conversion device according to the grid voltage and frequency.
14 is a view showing an example of the BOP voltage and power conversion current waveform by the operation of the power conversion device when the system is restored after a power outage.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치가 포함된 연료전지 시스템의 계통연계 상태를 나타낸 도면이다. 2 is a diagram illustrating a grid connection state of a fuel cell system including a power conversion device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(10), 전력변환장치(100), 주출력 릴레이(30) 및 전기적 BOP(40)를 포함하고, 전력변환장치(100)는 주출력 릴레이(30)에 의해 계통(20)에 연계된다. In an embodiment of the present invention, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10 , a power conversion device 100 , a main output relay 30 and an electrical BOP 40 , and the power conversion device 100 . is connected to the grid 20 by the main output relay 30 .

전력변환장치(100)는 계통연계부(110), BOP전원부(120), 제어부(130) 및 직류우회부(140)를 포함한다. The power conversion device 100 includes a grid connection unit 110 , a BOP power supply unit 120 , a control unit 130 , and a DC bypass unit 140 .

계통연계부(110)는 연료전지 스택(10)의 전력을 승압하여 계통(20)으로 전달한다. 또한, 계통연계부(110)는 연료전지 스택(10)으로부터 출력되는 직류 출력전력을 계통(20)에 전달하기 위하여 교류 전력으로 변환한다. The grid connection unit 110 boosts the power of the fuel cell stack 10 and transmits it to the grid 20 . In addition, the grid connection unit 110 converts the DC output power output from the fuel cell stack 10 into AC power in order to transmit it to the grid 20 .

BOP전원부(120)는 계통연계부(110)가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 계통(20)의 전력을 이용하여 BOP(40)에 전원을 공급한다. BOP전원부(120)는 직류우회부(140)의 전력을 선택적으로 BOP(40)로 공급한다. The BOP power supply unit 120 is directly connected to the AC power output from the grid connection unit 110 , and supplies power to the BOP 40 using the power of the grid 20 . The BOP power supply unit 120 selectively supplies the power of the DC bypass unit 140 to the BOP 40 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)의 제어에 따라 직류우회부(140)는 계통(20)에 이상이 발생하는 경우 동작한다. According to an embodiment of the present invention, the DC bypass unit 140 operates when an abnormality occurs in the system 20 under the control of the control unit 130 .

제어부(130)는 계통연계부(110) 및 직류우회부(140)의 동작을 제어한다. The control unit 130 controls the operation of the grid linkage unit 110 and the DC bypass unit 140 .

직류우회부(140)는 계통연계부(110)와 연료전지 스택(20)의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택(20)의 출력을 BOP(40)에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장한다. The DC bypass unit 140 is commonly connected to the DC output of the grid connection unit 110 and the fuel cell stack 20 to convert the output of the fuel cell stack 20 into a voltage that can be directly supplied to the BOP 40 and store it. do.

제어부(130)는 계통전압(V_G(t)), 계통주파수(F_G(t)), 연료전지 스택(10)의 출력전압(V_F), 연료전지 스택(10)의 출력전류(I_F) 및 계통연계부(110)에 포함된 배터리(354)의 충전전압(V_B)을 모니터링한다. 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t))를 확인하기 위하여 제어부(130)와 연계된 제어전력 공급기(150)가 계통 전력을 수전하는 연계점은 계통(20)과 주출력 차단기(30)의 사이에 위치하나, 필요한 경우 측정기(도시되지 않음)을 별도로 구비하고 계통연계부(110)와 주출력 차단기(30)사이에 수전 연계점을 둘 수 있다.The control unit 130 includes a grid voltage (V _G (t)), a grid frequency (F _G (t)), an output voltage (V _F ) of the fuel cell stack 10 , and an output current (I) of the fuel cell stack 10 . _F _{) and the charging voltage (V B} ) of the battery 354 included in the grid connection unit 110 is monitored. In order to check the grid voltage (V _G (t)) and the grid frequency (F _G (t)), the connection point at which the control power supply 150 connected with the control unit 130 receives grid power is the grid 20 and It is located between the main output circuit breaker 30, but if necessary, a measuring device (not shown) may be separately provided, and a power receiving connection point may be placed between the grid connection unit 110 and the main output circuit breaker 30 .

제어부(130)는 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택(10)에서 발생되어 계통연계부(110)를 거친 교류전력을 BOP전원부(120)를 거쳐 BOP(40)에 공급할 수 있다. The control unit 130 _{monitors the grid voltage (V G} (t)) and the grid frequency (F _G (t)), and when the grid is in a normal state, it is generated in the fuel cell stack 10 and the grid connection unit 110 . AC power passing through can be supplied to the BOP (40) via the BOP power supply (120).

제어부(130)는 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택(10)에서 발생된 전력은 직류우회부(140)로 전달되어 직류우회부(140)가 BOP전원부(120)에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP(40)에 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어할 수 있다. 상세하게는, 제어부(130)는 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t)) 둘 다가 소정의 정상 범위를 벗어나는 경우 계통연계부(110)의 동작을 중단시킨다. 계통전압(V_G)에 대한 소정의 정상 범위(또는 계통연계기준)는 예를 들어, 기준전압(220V)에서 ±10% 이내의 범위로 정해질 수 있다. 계통주파수(F_G)에 대한 소정의 정상 범위는 예를 들어, 기준주파수(60㎐)에서 ±1.5㎐이내로 정해질 수 있다. When the system is not in a normal state, the power generated from the fuel cell stack 10 is transferred to the DC bypass unit 140 so that the DC bypass unit 140 supplies power to the BOP power supply unit 120 . Thus, even if the grid connection is interrupted, it is possible to control the power to be stably supplied to the BOP (40). In detail, the control unit 130 stops the operation of the grid connection unit 110 when both the _{grid voltage V G} (t) and the grid frequency F _{G (t) are out of a predetermined normal range.} A predetermined normal range (or grid connection reference) for the grid voltage (V _G ) may be determined, for example, within ±10% of the reference voltage (220V). A predetermined normal range for the system frequency (F _G ) may be, for example, determined within ±1.5 Hz from the reference frequency (60 Hz).

제어부(130)는 배터리(354)의 배터리 전압(V_B)이 소정의 수준(V_BL) 이하이거나(V_B≤V_BL), 계통연계부(110)의 동작이 중단된 경우, 연료전지 스택(10)에서 직류우회부(140)를 통해 BOP전원부(120)를 거쳐 BOP(40)에 전력을 공급하도록 제어한다. When the battery voltage (V _B ) of the battery 354 is less than or equal to a predetermined level (V _BL _{) (V B} ≤ _{V BL} ), or when the operation of the grid connection unit 110 is stopped, the fuel cell stack In step (10), power is supplied to the BOP 40 via the BOP power supply unit 120 through the DC bypass unit 140 .

또한, 제어부(130)는 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t)) 각각의 소정의 정상 범위로 복귀할 때(|V_G(t)-220|/220≤0.1 and |F_G(t)-60|≤1.5) 계통연계부(110)가 다시 동작하도록 제어한다. In addition, when the control unit 130 returns to a predetermined normal range of each of the _{grid voltage (V G} (t)) and the grid frequency (F _G _{(t)) (|V G} (t)-220|/220≤0.1 and |F _G (t)-60|≤1.5) Controls the system connection unit 110 to operate again.

주출력 릴레이(30)는 연료전지 시스템(1)의 별도의 제어 수단(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. The main output relay 30 may be controlled by a separate control means (not shown) of the fuel cell system 1 .

BOP(40)는 직류전력을 공급받아 동작하는 부품들로 구성된 직류 BOP(42) 및 교류전력을 공급받아 동작하는 부품들로 구성된 교류 BOP(44)를 포함할 수 있다. The BOP 40 may include a DC BOP 42 composed of components operating by receiving DC power and an AC BOP 44 composed of components operating by receiving AC power.

제어부(130)는 전력변환장치(100)가 운전 환경에 따라서 연료전지 스택(10)의 전력을 계통에 직접 전달하기 위한 계통연계운전모드(Status 1)로 동작하거나, 계통연계부(110)가 계통전압 및 계통주파수의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여, BOP전원을 계통과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하거나, 계통연계운전모드(Status 1)가 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전과 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 전의 과도상태모드(Status 3)로 동작하도록 계통연계부(110)와 직류우회부(140)를 제어하라 수 있다. The control unit 130 operates in the grid-connected operation mode (Status 1) for the power conversion device 100 to directly transmit the power of the fuel cell stack 10 to the grid according to the operating environment, or the grid-connection unit 110 Restarts regardless of the normalization of grid voltage and grid frequency and operates in independent operation mode (Status 2) that does not synchronize BOP power with the grid, or changes grid-connected operation mode (Status 1) to independent operation mode (Status 2) Control the grid linkage unit 110 and the DC bypass unit 140 to operate in the transient state mode (Status 3) before proceeding from the independent operation mode (Status 2) to the grid-connected operation mode (Status 1). have.

제어부(130)는 계통연계부(110)가 계통 사고에 의해 일시적으로 정지한 후 독립운전모드(Status 2)로 재기동한 상황에서 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수(F_G(t))가 정상화될 때, 독립운전모드(Status 2)를 종료한 후 계통연계운전모드(Status 1)로 재가동하도록 계통연계부(110)와 직류우회부(140)를 제어할 수 있다. _{The control unit 130 controls the grid voltage (V G} (t)) and the grid frequency (F _G (t) in a situation where the grid connection unit 110 temporarily stops due to a grid accident and then restarts in the independent operation mode (Status 2). )) is normalized, it is possible to control the grid linkage unit 110 and the DC bypass unit 140 to restart the independent operation mode (Status 2) after terminating the grid-connected operation mode (Status 1).

도 3은 도 2의 연료전지 시스템(1)의 구성 및 연료전지 시스템(1)의 계통 연계 상태를 상세하게 나타내는 블록도이다. FIG. 3 is a block diagram showing in detail the configuration of the fuel cell system 1 of FIG. 2 and the grid connection state of the fuel cell system 1 of FIG. 2 .

계통연계부(110)는 직류측 릴레이(310), 승압 컨버터(322), 인버터(324), 필터(326) 및 교류측 릴레이(330)를 포함한다. 승압 컨버터(322), 인버터(324), 필터(326)는 연료전지 스택(10)의 전력을 계통(20)에 전달하기 위한 전력변환을 수행하는 주출력변환부로 부를 수 있다. The grid connection unit 110 includes a DC-side relay 310 , a step-up converter 322 , an inverter 324 , a filter 326 , and an AC-side relay 330 . The step-up converter 322 , the inverter 324 , and the filter 326 may be referred to as a main output conversion unit that performs power conversion for transferring the power of the fuel cell stack 10 to the system 20 .

직류측 릴레이(310)는 연료전지 스택(10)의 출력에 연결되거나 연결이 차단된다. 직류측 릴레이(310)는 연료전지 스택(10)의 출력 여부를 제어하고 계통(20)으로부터의 역전력 유입을 방지한다. The DC-side relay 310 is connected to or disconnected from the output of the fuel cell stack 10 . The DC-side relay 310 controls whether the fuel cell stack 10 is output and prevents reverse power from being introduced from the system 20 .

승압 컨버터(322)는 연료전지 스택(10)으로부터 출력된 저전압 직류전력을 교류송전 규격에 부합하도록 고전압의 계통교류로 고전압으로 승압한다.The step-up converter 322 boosts the low-voltage DC power output from the fuel cell stack 10 to a high voltage with a high-voltage grid AC to meet the AC power transmission standard.

인버터(324)는 승압된 직류전력을 교류전력으로 변환한다.The inverter 324 converts the boosted DC power into AC power.

필터(326)는 승압 컨버터(322)와 인버터(324)로부터 발생하는 고주파 성분을 억제 또는 제거한다. The filter 326 suppresses or removes high-frequency components generated from the step-up converter 322 and the inverter 324 .

교류측 릴레이(330)는 교류계통(20)과 직접 연결되거나 연결이 차단되어 교류출력의 최종 인출여부를 제어하고 외부 역전력으로부터 내부 회로를 보호한다. The AC-side relay 330 is directly connected to or disconnected from the AC system 20 to control whether the AC output is finally drawn out and protect the internal circuit from external reverse power.

제어부(130)는 직류측 릴레이(310)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(S_in)를 이용하여 직류측 릴레이(310)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다. 교류측 릴레이(330)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(S_out)을 이용하여 교류측 릴레이(330)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다. The control unit 130 controls ON (operation) and OFF (stop) of the DC side relay 310 by using the _{control signal S in for controlling the operation of the DC side relay 310 .} ON (operation) and OFF (stop) of the AC-side relay 330 _{are controlled by using the control signal S out} for controlling the operation of the AC-side relay 330 .

제어부(130)는 승압 컨버터(320)와 인버터(330)의 동작을 제어한다. 제어부(130)는 계통(20)로부터 전력을 제공받는 경우, 제어부(130)의 운전을 위해 공급되는 전력이 다른 방향으로 전이되지 못하도록 막는 다이오드(도시되지 않음)을 포함하는 제어 전력 공급기(150)를 이용하여 전력을 공급받을 수 있다. The controller 130 controls the operation of the step-up converter 320 and the inverter 330 . When the control unit 130 receives power from the system 20, the control power supply 150 including a diode (not shown) that prevents the power supplied for the operation of the control unit 130 from being transferred to another direction. can be used to receive power.

제어부(130)는 승압 컨버터(320)와 인버터(330)의 동작을 정의하는 출력전압 지령치(V_inv*)를 계통전압(V_G(t))보다 일정 비율 높은 소정의 값으로 지정할 수 있는데, 이는 계통(20)에 연료전지 출력 전력이 주입되게 하기 위함으로 계통연계형 소형 발전장치에 있어 일반적이다. 여기에서, V_inv*=(1+a(t))V_G(t))되고, 이 때 소정의 변수 a(t)는 0.1미만의 양수값으로 연계되는 계통의 조건에 따라 임의 설정될 수 있다. 제어부(130)는 주파수 지령치(F_inv*)를 현재 측정되는 계통 주파수(F_G(t))와 동일하게 지정한다. 따라서, F_inv* = F_G(t)이 된다. _{The control unit 130 may designate the output voltage command value (V inv} *) defining the operation of the step-up converter 320 and the inverter 330 as a predetermined value higher than the grid voltage V _G (t) by a certain ratio, This is to allow the fuel cell output power to be injected into the system 20 and is common in grid-connected small power generation devices. Here, V _inv *=(1+a(t))V _G (t)), where the predetermined variable a(t) is a positive value less than 0.1 and can be arbitrarily set according to the conditions of the related system. have. The control unit 130 designates the frequency command value F _inv * to be the same as the currently measured system frequency F _G (t). Therefore, F _inv * = F _G (t).

BOP전원부(120)는 계통연계부(110)가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부(140)의 전력을 선택적으로 BOP로 공급한다. BOP전원부(120)는 교류-직류 변환기(362) 및 직류-교류 변환기(364)를 포함할 수 있다. The BOP power supply unit 120 is directly connected to the AC power output from the grid connection unit 110 , and selectively supplies the power of the DC bypass unit 140 to the BOP. The BOP power supply unit 120 may include an AC-DC converter 362 and a DC-AC converter 364 .

교류-직류 변환기(362)는 전력변환장치(100)의 출력 또는 계통(20)으로부터 수전하는 교류전력을 직류로 변환하여 직류 BOP(42)로 전달한다. The AC-DC converter 362 converts the AC power received from the output or the system 20 of the power conversion device 100 into DC and transmits it to the DC BOP 42 .

직류-교류 변환기(364)는 교류-직류 변환기(362)나 직류우회부(140)에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류 BOP(44)에 전달한다. The DC-AC converter 364 converts the DC power output from the AC-DC converter 362 or the DC bypass unit 140 into AC power and transmits it to the AC BOP 44 .

이 외에도, BOP전원부(120)는 역전류 발생을 억제하기 위한 다이오드(도시되지 않음)을 더 포함하여 구성될 수 있다. In addition to this, the BOP power supply unit 120 may further include a diode (not shown) for suppressing the generation of reverse current.

직류우회부(140)는 변압기(352), 배터리(354) 및 우회부 릴레이(356)를 포함한다. The DC bypass unit 140 includes a transformer 352 , a battery 354 , and a bypass unit relay 356 .

변압기(352)는 연료전지 스택(10)의 직류전압을 직류전력 BOP(40)에 직접 공급 가능한 전압으로 변압한다.The transformer 352 transforms the DC voltage of the fuel cell stack 10 into a voltage that can be directly supplied to the DC power BOP 40 .

배터리(354)는 연료전지 스택(10)로부터 출력되는 직류전력을 일시적으로 저장한다. 배터리(354)는 과도상태모드(Status 3)동안 일시적으로 BOP전원부로 전력을 공급하여 BOP전원의 전압을 안정화한다. The battery 354 temporarily stores DC power output from the fuel cell stack 10 . The battery 354 temporarily supplies power to the BOP power supply unit during the transient state mode (Status 3) to stabilize the voltage of the BOP power supply.

우회부 릴레이(356)는 직류우회부(140)의 사용 여부를 결정하고 연료전지 스택(10)으로 역전류가 흐르는 상황을 방지한다. 우회부 릴레이(356)는 배터리(354)와 BOP전원부(120) 사이를 연결하거나 연결을 차단한다. 제어부(130)는 직류우회부(140)의 동작을 제어하기 위하여 우회부 릴레이(356)에 대한 제어신호(S_D)를 생성하여 우회부 릴레이(356)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다. The bypass relay 356 determines whether to use the DC bypass unit 140 and prevents a reverse current from flowing to the fuel cell stack 10 . The bypass relay 356 connects or blocks the connection between the battery 354 and the BOP power supply unit 120 . _{The control unit 130 generates a control signal S D} for the bypass relay 356 in order to control the operation of the DC bypass unit 140 to ON (operation) and OFF (stop) the bypass unit relay 356 . control

직류우회부(140)에서 BOP전원부(120)로 전달되는 전압(V₁)은 배터리(354)에 의해 제공되며, 그 기준전압(V_1B)은 제어전력 공급기(150)의 출력전압(V_C)과 같거나 높게 설정된다(V_1B>V_C). 직류우회부(140)의 출력전압(V₁)과 BOP 전원부(120)의 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂) 중 전압이 높은 측에서 BOP전원부(120)가 BOP(40)에 출력할 전력이 공급된다. 전압차에 의해 배터리(354)가 이상 충전 혹은 방전되는 상황을 방지하기 위해, 제어부(130)의 양측에는 역전류 흐름을 방지하기 위한 다이오드(도시되지 않음)를 배치할 수 있다.From the DC bypass unit 140 to the BOP power unit 120 The transferred voltage V ₁ is provided by the battery 354 , and its reference voltage V _1B is set equal to or higher than _{the output voltage V C} of the control power supply 150 _{(V 1B} >V _{C ).} ). _{The output voltage (V 1} ) of the DC bypass unit 140 and the AC-DC converter 362 of the BOP power supply unit 120 (V ₂ ) of the output voltage (V 2 ) of the BOP power supply unit 120 on the higher side of the BOP (40) to output to Power is supplied. In order to prevent a situation in which the battery 354 is abnormally charged or discharged due to a voltage difference, diodes (not shown) for preventing reverse current flow may be disposed on both sides of the controller 130 .

BOP전원부(120)에서 교류-직류 변환기(362)가 출력하는 직류전압(V₂)의 기준점(V_2B)은 직류 BOP(42)가 안정적으로 동작하기 위한 전압범위 내에서 선정하되, 배터리(354)의 충전 기준전압(V_1B)보다 1~4% 정도 높은 값으로 정의한다. The reference point (V _2B _{) of the DC voltage (V 2} ) output by the AC-DC converter 362 from the BOP power supply unit 120 is selected within the voltage range for the DC BOP 42 to stably operate, but the battery 354 ) is defined as a value that is 1-4% higher than the charging reference voltage (V _{1B ).}

직류우회부(140)의 배터리(354)는 2차전지 또는 그에 준하는 전력 저장 장치 일 수 있다. 배터리(354)는 계통사고 발생 후 BOP 전류 공급이 직류우회부(140)를 거치도록 전환될 때까지 나타나는 배터리(354)의 최소 전압(V_1B)이 제어부(130) 및 직류 BOP(42)의 운전범위보다 높도록 충분한 저장용량을 보유하여야 한다. The battery 354 of the DC bypass unit 140 may be a secondary battery or a power storage device equivalent thereto. _{In the battery 354, the minimum voltage (V 1B} ) of the battery 354 that appears until the BOP current supply is switched to pass through the DC bypass unit 140 after the occurrence of a system accident is the control unit 130 and the DC BOP 42 . Sufficient storage capacity should be maintained to exceed the operating range.

제어전력 공급기(150)는 제어부(130)에서 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)를 모니터링할 수 있도록 전원이 연료전지 시스템(1) 외부와 연결되도록 도시되어 있으나, 전력 공급이 무리 없이 수행되도록 기술적, 기계적 조치가 취해질 경우에는 다른 연결점이 확보될 수 있다.The control power supply 150 is shown such that the power supply is connected to the outside of the fuel cell system 1 so _{that the control unit 130 can monitor the grid voltage (V G} ) and the grid frequency (F _{G ), but the power supply is unreasonable.} Other points of connection can be secured if technical and mechanical measures are taken to ensure that they are carried out without

도 4는 도 3의 배터리(354)가 리튬폴리머 배터리인 경우, 배터리(354)의 충전기준전압과 교류-직류 변환기(362)의 출력 기준전압 사이의 관계를 배터리(354)의 특성곡선 위에서 나타낸 것이다.FIG. 4 shows the relationship between the charging reference voltage of the battery 354 and the output reference voltage of the AC-DC converter 362 when the battery 354 of FIG. 3 is a lithium polymer battery on the characteristic curve of the battery 354. will be.

충전 기준전압(V_1B)은 저장장치의 공칭전압과 만충전압의 사이에서 제어부(130) 및 직류 BOP(42)가 안정적으로 동작하는 전압값으로 지정하되, 전술한 바와 같이 BOP전원부(120) 내 교류-직류 변환기(362)의 출력 기준전압(V_2B)보다 낮은 값이어야 한다. The charging reference voltage (V _1B ) is designated as a voltage value at which the control unit 130 and the DC BOP 42 stably operate between the nominal voltage and the full charge voltage of the storage device, but as described above, within the BOP power supply unit 120 It should be lower than _{the output reference voltage (V 2B} ) of the AC-DC converter 362 .

직류우회부(140)의 배터리(354)의 충전기준전압은 BOP전원부(120)의 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂)보다 낮게 지정되어, 계통연계운전모드 또는 독립운전모드에서 계통연계부(110)가 정상 운전하는 상태에서 직류우회부(140) 내부의 배터리(354)에서 전력이 인출되는 것이 방지된다. The charging reference voltage of the battery 354 of the DC bypass unit 140 is _{specified to be lower than the output voltage (V 2} ) of the AC-DC converter 362 of the BOP power supply unit 120, and in the grid-connected operation mode or the independent operation mode Power is prevented from being drawn from the battery 354 inside the DC bypass unit 140 in a state in which the grid connection unit 110 operates normally.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 운전 모드 상태를 나타내는 도면이다. 5 is a diagram illustrating an operation mode state of the fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.

연료전지 시스템(1)의 전력변환장치(100)는 계통(20)의 상태가 안정적인 일반적인 계통연계운전모드(Status 1)와, 계통(20)의 상태가 외란 등에 의해 불안정한 경우의 독립운전모드(Status 2)에서 동작한다. 전력변환장치(100)는 계통연계운전모드(Status 1)이 중단되고 독립운전모드(Status 2)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)에서 동작하고, 독립운전모드(Status 2)가 중단되고 계통연계운전모드(Status 1)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)에서 동작한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 계통연계운전모드(Status 1)이 중단되고 독립운전모드(Status 2)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)를 제1 과도상태모드라 하고, 독립운전모드(Status 2)가 중단되고 계통연계운전모드(Status 1)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)를 제2 과도상태모드라 한다. The power conversion device 100 of the fuel cell system 1 has a general grid-connected operation mode (Status 1) in which the state of the grid 20 is stable, and an independent operation mode when the state of the grid 20 is unstable due to disturbance, etc. It operates in Status 2). The power converter 100 operates in the transient state mode (Status 3) before the grid-connected operation mode (Status 1) is stopped and the independent operation mode (Status 2) starts, and the independent operation mode (Status 2) is stopped and Before the grid-connected operation mode (Status 1) starts, it operates in the transient mode (Status 3). Hereinafter, for convenience of explanation, the transient state mode (Status 3) is referred to as the first transient mode before the grid-connected operation mode (Status 1) is stopped and the independent operation mode (Status 2) is started, and the independent operation mode (Status) Before 2) is stopped and the grid-connected operation mode (Status 1) starts, the transient mode (Status 3) is called the second transient mode.

계통연계운전모드(Status 1)에서는 연료전지 스택(10)의 출력전압이 계통(20)으로 전달되도록 계통연계부(110)가 동작한다. 계통연계운전모드(Status 1)에서 제어부(130)는 계통연계부(110)에 포함된 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 동작시키기 위하여 직류측 릴레이(310)의 제어 신호(S_in)를 S_in=1으로 제어하고, 교류측 릴레이(330)의 제어 신호(S_out)를 S_out=1로 제어할 수 있다. 따라서, BOP전원부(120)는 계통(20)으로부터 전력을 공급받게 된다. In the grid connection operation mode (Status 1), the grid connection unit 110 operates so that the output voltage of the fuel cell stack 10 is transmitted to the grid 20 . In the grid-connected operation mode (Status 1), the control unit 130 controls the DC-side relay 310 to operate the DC-side relay 310 and the AC-side relay 330 included in the grid-connected unit 110. S _in ) may _{be controlled to S in} =1, and the control signal S _out of the AC-side relay 330 may be controlled to S _{out =1.} Accordingly, the BOP power supply unit 120 receives power from the system 20 .

제어부(130)는 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)가 각각의 소정의 정상 범위를 벗어나는 경우 계통연계운전모드(Status 1)에서 제1 과도상태모드(Status 3)로 진행하도록 계통연계부(110)에 포함된 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 차단한다. 이를 위해, 제어부(130)의 직류측 릴레이(310)의 제어 신호(S_in)를 S_in=0으로 제어하고, 교류측 릴레이(330)의 제어 신호(S_out)를 S_out=0으로 제어할 수 있다. 또한, 제1 과도상태모드(Status 3)에서는 BOP전원부(120)는 직류우회부(140)로부터 전력을 공급받으므로, 제어부(130)는 우회부 릴레이(356)의 제어 신호(S_D)를 S_D=1로 제어한다. When the grid voltage (V _G ) and the grid frequency (F _G ) are out of the respective predetermined normal ranges, the control unit 130 proceeds from the grid-connected operation mode (Status 1) to the first transient mode (Status 3). The DC-side relay 310 and the AC-side relay 330 included in the connection unit 110 are cut off. _{To this end, the control signal S in} of the DC side relay 310 of the controller 130 is controlled to S _in =0, and the control signal S _out of the AC side relay 330 is controlled to S _out =0. can do. In addition, in the first transient mode (Status 3), since the BOP power supply unit 120 receives power from the DC bypass unit 140 , the control unit 130 receives the control signal S _D of the bypass unit relay 356 . Control by S _D =1.

제1 과도 상태모드(Status 3)가 소정 시간 유지된 후에는, 제어부(130)는 계통연계부(110)가 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여 BOP(40) 전원을 계통(20)과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하도록 계통연계부(110) 및 직류우회부(140)를 제어한다. After the first transient state mode (Status 3) is maintained for a predetermined time, the control unit 130 restarts the grid connection unit 110 irrespective of whether the _{grid voltage (V G} ) and the grid frequency (F _{G ) are normalized.} Controls the grid linkage unit 110 and the DC bypass unit 140 to operate in an independent operation mode (Status 2) in which the power of the BOP 40 is not synchronized with the grid 20 .

또한, 제어부(130)는 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)가 각각 상기의 소정의 정상 범위로 복귀할 때(|V_G-220|/220≤0.1 and |F_G-60|≤1.5), 계통연계부(110)가 다시 동작하도록 제어한다. 이를 위해, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(S_in=1)로 직류측 릴레이(310)를 동작시키고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(S_out=1)로 교류측 릴레이(330)를 동작시켜서, 연료전지 스택(10)의 직류출력을 계통(20)으로 전달한다. In addition, the control unit 130 when the grid voltage (V _G ) and the grid frequency (F _G ) return to the predetermined normal range, respectively (|V _G -220|/220≤0.1 and |F _G -60| ≤1.5), the system linkage unit 110 is controlled to operate again. To this end, the controller 130 operates the DC-side relay 310 with the DC-side relay 310 control signal (S _in =1), and operates the AC-side relay 330 with the AC-side relay 330 control signal (S _out =1). By operating the relay 330 , the DC output of the fuel cell stack 10 is transmitted to the system 20 .

제어부(130)는 연료전지 스택(10) 또는 연료전지 시스템(1)이 정상 운전하는 시점부터 연료전지 시스템(1)의 종료가 확인될 때까지 우회부 릴레이(356)가 연결 상태(S_D=1)를 유지하도록 제어한다. 제어부(130)는 이외의 경우 우회부 릴레이(356)가 차단되도록 제어한다(S_D=0). 단, 연료전지 시스템(1)이 처음 운전하거나 장기간 정지 후 재기동할 경우, 배터리(354)가 자연 방전할 가능성이 있으므로, 배터리(354)의 전압을 복구하기 위하여 우회부 릴레이(356)가 연결되어 초기 충전이 진행될 수 있다. The control unit 130 determines that the bypass relay 356 is connected from the time when the fuel cell stack 10 or the fuel cell system 1 is normally operated until the end of the fuel cell system 1 is confirmed (S _D = 1) to maintain control. In other cases, the control unit 130 controls the bypass relay 356 to be blocked (S _D = 0). However, when the fuel cell system 1 is operated for the first time or is restarted after a long-term stop, the battery 354 may naturally discharge, so the bypass relay 356 is connected to restore the voltage of the battery 354. Initial charging may proceed.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)의 계통연계운전모드 동작을 나타내는 도면이다. 6 is a view showing the grid-connected operation mode operation of the power conversion device 100 according to an embodiment of the present invention.

계통연계운전모드(Status 1)에서는 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(S_in)를 S_in=1로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(S_out)를 S_out=1로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 배터리(354) 충전 이후에는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(S_D)를 S_D=0으로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 계통연계운전모드(Status 1)에서는 주출력 릴레이(30)는 별도의 제어 신호(S_G=1)에 의해 동작한다.Grid-connected operation mode (Status 1) The control unit 130 is a DC-side relay 310, the control signal (S _in) to S _in = to generate a first transmission to the DC side relay 310, and the ac side relay 330 A control signal (S _out ) is generated as S _out = 1 and transmitted to the AC-side relay 330 . After the battery 354 is charged, the control unit 130 _{generates the control signal S D} of the bypass relay 356 as S _D =0 and transmits it to the bypass relay 356 . In the grid-connected operation mode (Status 1), the main output relay 30 operates by a separate control signal (S _G =1).

제어부(130)는 계통(20)으로부터 제어전력 공급기(150)를 통하여 전력을 공급받을 수 있다. The control unit 130 may receive power from the system 20 through the control power supply 150 .

복수의 전원이 있는 직류 폐회로에서 두 전원 사이의 전류는 전압이 높은 지점에서 낮은 지점으로 흐르며, 전류량은 지점 사이의 전위차에 회로의 저항을 나눈 값이다(I=ΔV/R). 전기 에너지의 이동은 전압과 전류의 곱의 시간에 대한 적분량으로 갈음(ΔP=∫V*I*dt=∫(ΔV²/R)*dt) 할 수 있다. 교류출력으로부터 변환한 전압(V2)이 직류우회부(140)를 거치는 전압(V1)보다 높으므로(V2>V1) BOP(40)의 운전전류(전력)은 교류-직류 변환기(362)로부터 전달된다. In a closed DC circuit with multiple power sources, the current between the two power sources flows from the point where the voltage is high to the point where the voltage is low, and the amount of current is the potential difference between the points divided by the resistance of the circuit (I=ΔV/R). The movement of electrical energy can be replaced by the time integral of the product of voltage and current (ΔP=∫V*I*dt=∫(ΔV ² /R)*dt). Since the voltage V2 converted from the AC output is higher than the voltage V1 passing through the DC bypass unit 140 (V2>V1), the operating current (power) of the BOP 40 is transferred from the AC-DC converter 362 . do.

연료전지 스택(10)의 출력은 닫힘 상태인 직류측 릴레이(310)(S_in=1)를 거쳐 입력되며, 닫힘 상태인 교류측 릴레이(330)(S_out=1)를 통과하여 출력되는 교류출력을 교류-직류 변환기(210)에서 변환한 전압(V₂)이 직류우회부(140)를 거치는 전압보다 높으므로(V₂

V_2B> V_1B

V₁) BOP(40)의 운전전류(I₂)(또는 운전전력)은 교류-직류 변환기(362)로부터 전달된다(I₂>0, I₁≤0). 전술한 바와 같이, 전압(V_1B)은 배터리(354)의 충전기준전압을 나타내고, 전압(V_2B)은 BOP(40)의 급전직류전압을 나타낸다. 즉, 계통연계운전모드(Status 1)에서는 BOP(40)는 계통(20)으로부터 교류-직류 변환기(362)로부터 전력을 공급받는다. The output of the fuel cell stack 10 is _{inputted through the DC-side relay 310 (S in} =1) in the closed state, and the AC _{outputted through the AC-side relay 330 (S out} =1) in the closed state. _{Since the voltage (V 2} ) converted by the output AC-DC converter 210 is higher than the voltage passing through the DC bypass unit 140 (V _{2 )}

V _2B > V _1B

V ₁ ) The operating current I ₂ (or operating power) of the BOP 40 is transferred from the AC-DC converter 362 (I ₂ >0, I ₁ ≤ 0). As described above, the voltage V _1B represents the charging reference voltage of the battery 354 , and the voltage V _2B represents the direct current supply voltage of the BOP 40 . That is, in the grid-connected operation mode (Status 1), the BOP 40 receives power from the AC-DC converter 362 from the grid 20 .

제어부(130)는 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)의 모니터링 결과 계통(20)이 불안정해지는 것으로 결정하면, 계통연계운전모드(Status 1)를 종료하고 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 위한 제1 과도상태모드(Status 3)로 넘어간다. When the control unit 130 determines that the grid _{20 becomes unstable as a result of monitoring the grid voltage (V G} ) and the grid frequency (F _G ), the grid-connected operation mode (Status 1) is terminated and the independent operation mode (Status 2) It goes to the first transient state mode (Status 3) for proceeding to .

계통연계운전모드(Status 1)에서 독립운전모드(Status 2)로 변환하거나 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 변환하기 위해서는 전력변환장치(100)가 정지해야 되므로, 그에 따라 BOP(40)도 정지되는 문제점을 방지하기 위하여, 전력변환장치(100)는 과도상태모드(Status 3)로 동작한다. In order to convert from the grid-connected operation mode (Status 1) to the independent operation mode (Status 2) or from the independent operation mode (Status 2) to the grid-connected operation mode (Status 1), the power conversion device 100 must be stopped, Accordingly, in order to prevent the problem that the BOP 40 is also stopped, the power conversion device 100 operates in a transient state mode (Status 3).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지한 경우 전력변환장치(100)의 과도상태모드(Status 3)를 나타내는 도면이다. 7 is a diagram illustrating a transient state mode (Status 3) of the power conversion device 100 when the grid connection unit 110 is stopped due to a grid disturbance according to an embodiment of the present invention.

계통 외란이 발생하는 경우는 제어부(130)가 측정하는 계통전압(V_G)와 계통주파수(F_G)가 계통연계기준에 의한 범위를 벗어날 때로 정의하되, 연료전지 시스템(1) 또는 외부 관리자에 의해 제어되는 주출력 릴레이(30)와의 통신이 가능하다면, 실시예에 따라서는 주출력 릴레이(30)가 열림 상태(S_G=0)일 때로 정의할 수 있다. 여기에서, S_G는 주출력 릴레이(30)를 제어하는 제어 신호를 나타낸다. 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)는 전력변환장치(100) 및 연료전지 스택(10)의 안전을 위하여 열림 상태가 되어야 한다(S_in=0, S_out=0).The occurrence of grid disturbance is defined as when the grid voltage (V _G ) and grid frequency (F _G ) measured by the control unit 130 are out of the range according to the grid connection standard, but to the fuel cell system 1 or an external manager. If it is possible to communicate with the main output relay 30 controlled by the , depending on the embodiment, it may be defined as when the _{main output relay 30 is in an open state (S G = 0).} Here, S _G represents a control signal for controlling the main output relay (30). The DC-side relay 310 and the AC-side relay 330 must be in an open state for the safety of the power converter 100 and the fuel cell stack 10 (S _in = 0, S _out = 0).

이를 위하여 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(S_in)를 S_in=0으로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(S_out)를 S_out=0로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(S_D)를 S_D=1로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 우회부 릴레이(356)는 제어 신호(S_D)의 수신에 따라 ON 상태로 된다. To this end, the control unit 130 generates the DC-side relay 310 control signal S _in as S _in = 0, transmits it to the DC-side relay 310, and transmits the AC-side relay 330 control signal S _out . It _{is generated as S out} = 0 and transmitted to the AC-side relay 330 . _{The controller 130 generates the control signal S D} of the bypass relay 356 as S _D =1 and transmits it to the bypass relay 356 . The bypass relay 356 is turned on according to the reception of the _{control signal S D .}

이 경우, 전력의 입출력이 불가능한 승압 컨버터(322) 및 인버터(324)는 재설정을 위하여 일시적으로 종료되어야 한다. 전술한 과정에 의해 전력변환장치(100)가 정지하는 경우 계통연계부(110)로부터 수전이 불가능한 교류-직류 변환기(362)의 출력전압이 0이 되며 전압이 높은 직류우회부(140)에서 운전전류(전력)이 전달(V₁>V₂=0, I₁>0, I₂=0)되는 과도상태모드(Status 3)로 전환하며, 직류우회부(140)의 변압기(310)로부터 제어부(130) 및 BOP(40)를 운전하기 위한 전력이 공급(S_D=1)된다. In this case, the step-up converter 322 and the inverter 324 in which the input/output of power is impossible must be temporarily shut down for resetting. When the power conversion device 100 is stopped by the above-described process, the output voltage of the AC-DC converter 362, which cannot be received from the grid connection unit 110, becomes 0, and the operation is performed in the DC bypass unit 140 with a high voltage. The current (power) is transferred (V ₁ >V ₂ =0, I ₁ >0, I ₂ =0) to the transient state mode (Status 3), and the control unit from the transformer 310 of the DC bypass unit 140 Power for driving 130 and BOP 40 is supplied (S _D =1).

계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지하는 경우, 계통연계부(110)로부터 수전이 불가능한 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂) 및 출력전류(I₂)가 0이 된다(V₂=0, I₂=0). 이 경우, BOP전원부(120)의 운전전류(전력)은 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂)보다 높은 직류우회부(140)의 출력전압(V₁)에서 전달되는 과도상태모드(Status 3)(V₁>V₂=0, I₁>0, I₂=0)로 전환하며, 직류우회부(140)의 변압기(352)가 동작한다(S_D=1). When the grid connection unit 110 is stopped due to a grid disturbance, the output voltage (V ₂ ) and the output current (I ₂ ) of the AC-DC converter 362 that cannot be received from the grid connection unit 110 become 0 ( V ₂ =0, I ₂ =0). In this case, the operating current (power) of the BOP power supply unit 120 is a transient state mode transmitted from _{the output voltage (V 1} ) of the DC bypass unit 140 higher than _{the output voltage (V 2 ) of the AC-DC converter 362 .} (Status 3) (V ₁ >V ₂ =0, I ₁ >0, I ₂ =0) is switched, and the transformer 352 of the DC bypass unit 140 operates (S _D =1).

우회부 릴레이(356)의 직류 전력은 직류 BOP(42)로 직접 전달되고, 우회부 릴레이(356)의 직류 전력은 직류-교류 변환기(364)를 통해 교류 BOP(44)로 전달된다. The DC power of the bypass relay 356 is directly transmitted to the DC BOP 42 , and the DC power of the bypass relay 356 is transmitted to the AC BOP 44 through the DC-AC converter 364 .

계통(20)이 소정의 시간 내에 안정화되거나, 주출력 릴레이(30)가 별도의 제어 신호에 의하여 ON 상태가 되면, 연료전지 시스템(1)은 다시 계통연계운전모드(Status 1)로 돌아갈 수 있다. 계통이(20)이 소정의 시간이 지나도 안정화되지 않으면 후술할 독립운전모드(Status 2)로 진행한다. When the system 20 is stabilized within a predetermined time or the main output relay 30 is turned on by a separate control signal, the fuel cell system 1 may return to the grid-connected operation mode (Status 1). . If the system 20 is not stabilized even after a predetermined time elapses, it proceeds to an independent operation mode (Status 2), which will be described later.

과도상태모드(Status 3)의 지속시간은 계통연계부(110)의 재기동시간과 동일하나, 그 최대치는 배터리(354)의 방전가능시간을 초과할 수 없다. 예를 들어 저장량 10Wh의 배터리(354)가 구비될 때 100W를 사용하는 제어부(130) 및 BOP(40)에 대하여 과도상태모드(Status 3)의 지속시간은 6분 미만이 된다. The duration of the transient state mode (Status 3) is the same as the restart time of the grid linkage unit 110 , but the maximum value cannot exceed the dischargeable time of the battery 354 . For example, when the battery 354 with a storage amount of 10Wh is provided, the duration of the transient state mode (Status 3) for the controller 130 and the BOP 40 using 100W is less than 6 minutes.

계통이 복전되기까지 BOP(40)의 전력을 유지하기 위해서는 변압기(352)와 배터리(354)의 용량이 충분히 커야 하는데, 이는 전력변환장치(100)의 본래 역할을 수행하는 계통연계부(110)에 비해 직류우회부(140)의 비중 또는 용량이 증가하게 되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서 본 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 계통외란에 의해 정지하는 경우 제어부(130)가 후술할 도 8에 도시된 바와 같이 독립운전모드(Status 2)로 재기동하여 BOP 전력을 계통연계부(110)에서 공급하는 한편, 제어부(130)의 전원과 배터리(354) 방전분을 보상하는 만큼을 직류우회부(140)가 인출하는 방식을 적용할 수 있다. In order to maintain the power of the BOP 40 until the system is restored, the capacity of the transformer 352 and the battery 354 must be sufficiently large, which is the grid linkage unit 110 that performs the original role of the power conversion device 100 . , there is a problem in that the specific gravity or capacity of the DC bypass unit 140 is increased. In order to solve this problem, when the power conversion device 100 according to this embodiment is stopped due to system disturbance, the control unit 130 restarts to the independent operation mode (Status 2) as shown in FIG. 8 to be described later to increase the BOP power. A method in which the DC bypass unit 140 draws out the amount of power supplied from the grid connection unit 110 and compensated for the power of the control unit 130 and the discharge of the battery 354 may be applied.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지한 경우 전력변환장치(100)의 독립운전모드(Status 2)를 나타내는 도면이다. 8 is a diagram illustrating an independent operation mode (Status 2) of the power conversion device 100 when the grid linkage unit 110 is stopped due to a grid disturbance according to an embodiment of the present invention.

제어부(130)는 계통연계부(110) 기동 시점에서 계통전압(V_G)와 계통주파수(F_G)가 계통연계 불가능 조건임을 확인하거나, 주출력 릴레이(30)가 열림 상태(S_G=0)여서 동작하지 않는 경우를 독립운전모드(Status 2) 조건으로 인식한다. 독립운전모드(Status 2)로 전환할 때에는 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin)를 S_in=1로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout)를 S_out=1로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. _{The control unit 130 confirms that the grid voltage (V G} ) and the grid frequency (F _G ) are the grid connection impossible condition at the time the grid connection unit 110 starts, or the main output relay 30 is open (S _G =0) ) and does not operate as an independent operation mode (Status 2) condition. When switching to the independent operation mode (Status 2), the control unit 130 generates the DC relay 310 control signal Sin as S _in = 1 and transmits it to the DC relay 310, and the AC relay 330 ) to generate the control signal Sout as S _out = 1 and transmit it to the AC-side relay 330 .

제어부(130)는 직류우회부(140)의 전력을 사용한다. 제어부(130)는 제어부(130) 구동에 필요한 전력과 배터리(354) 방전분을 보상하는 만큼을 직류우회부(140)가 인출하도록 우회부 릴레이(356)의 제어 신호(S_D)를 S_D=1로 유지할 수 있다. 그런 다음, 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(S_D)를 S_D=0으로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송하여 우회부 릴레이(356)의 연결을 차단할 수 있다. 연료전지 시스템(1)에서 생성된 주출력 릴레이(30) 제어 신호(S_G)는 0이 되어, 주출력 릴레이(30)는 OFF 상태가 된다. The control unit 130 uses the power of the DC bypass unit 140 . _{The control unit 130 transmits the control signal S D} of the bypass relay 356 so that the DC bypass unit 140 withdraws the amount of power required to drive the control unit 130 and the amount of compensating for the discharge of the battery 354 S _D =1 can be kept. Then, the controller 130 may generate the bypass relay 356 control signal S _D as S _D =0 and transmit it to the bypass relay 356 to block the connection of the bypass relay 356 . _{The control signal S G} of the main output relay 30 generated in the fuel cell system 1 becomes 0, and the main output relay 30 is in an OFF state.

직류측릴레이(310) 및 교류측릴레이(330)가 연결되면 연료전지 스택(10)으로부터 출력된 전류가 계통연계부(110)로 흐르게 된다. When the DC-side relay 310 and the AC-side relay 330 are connected, the current output from the fuel cell stack 10 flows to the grid connection unit 110 .

승압 컨버터(322)와 인버터(324)의 동작을 정의하는 출력전압 지령치(V_inv*)와 주파수 지령치(F_inv*)는 계통 기준과 일치시킨다(V_inv*=V_G, F_inv* = F_G, 국내 기준 220V, 60Hz). _{The output voltage command value (V inv} *) and the frequency command value (F _inv *) that define the operation of the step-up converter 322 and the inverter 324 are matched with the grid standard (V _inv *=V _G , F _inv * = F _G , domestic standard 220V, 60Hz).

BOP(40)는 교류-직류 변환기(362)의 출력 전압(V₂)으로부터 전력을 공급받는다. 전술한 동작은 부하에 서로 다른 두 전원이 병렬로 연결되어 있을 때, 전원의 상대적 용량 및 전압에 맞추어 동기화되는 성질에 의한 것으로, 특별한 제어장치가 없어도 구현 가능하나, 실시예에 따라 필요한 경우 전류흐름을 제어하기 위한 다이오드나 스위치(도시되지 않음)가 BOP전원부(120)와 직류우회부(140) 사이에 추가될 수 있다.The BOP 40 is powered from _{the output voltage V 2} of the AC-DC converter 362 . The above-described operation is due to the property of synchronizing according to the relative capacity and voltage of the power source when two different power sources are connected in parallel to the load, and can be implemented without a special control device, but according to the embodiment, if necessary, current flow A diode or a switch (not shown) for controlling may be added between the BOP power supply unit 120 and the DC bypass unit 140 .

제어부(130)는 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)를 모니터링하는 결과, 계통이 안정되면, 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 위한 제2 과도상태모드(Status 3)로 넘어간다. 이 경우, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(S_in)를 S_in=0으로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(S_out)를 S_out=0로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(S_D)를 S_D=1로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 우회부 릴레이(356)는 제어 신호(S_D)의 수신에 따라 ON 상태로 된다. As a result of monitoring the grid voltage (V _G ) and the grid frequency (F _G ), the control unit 130 goes to the second transient state mode (Status 3) for proceeding to the grid-connected operation mode (Status 1) when the grid is stable. goes over In this case, the control unit 130 generates the DC-side relay 310 control signal (S _in ) as S _in = 0 and transmits it to the DC-side relay 310, and the AC-side relay 330 control signal (S _out ) is generated as S _out = 0 and transmitted to the AC-side relay 330 . _{The controller 130 generates the control signal S D} of the bypass relay 356 as S _D =1 and transmits it to the bypass relay 356 . The bypass relay 356 is turned on according to the reception of the _{control signal S D .}

연료전지 시스템(1)은 계통전압(V_G) 및 계통주파수(F_G)가 계통 규정을 만족하고, 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태로 제어되는 경우, 제2 과도상태모드(Status 3)를 종료하고, 다시 계통연계운전모드(Status 1)로 되돌아갈 수 있다. In the fuel cell system 1, when the system voltage (V _G ) and the system frequency (F _G ) satisfy the system regulation and the main output relay 30 is controlled to the closed state, the second transient state mode (Status 3) and can return to the grid-connected operation mode (Status 1) again.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태모드(Status 3) 전후의 전압(V₁, V₂), 배터리(354)의 저장량(SOC, B(t))을 나타내는 도면이다. _{9 is a diagram illustrating voltages V 1} , V ₂ before and after the transient mode (Status 3) and the storage amount (SOC, B(t)) of the battery 354 according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계운전모드(Status 1), 과도상태모드(Status 3) 및 독립운전모드(Status 3)에서의 BOP(40)에 흐르는 직류우회부(140)의 우회부 릴레이(356)의 출력전압(V₁) 및 출력전류(I₁)와 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂) 및 출력전류(I₂)의 파형을 나타내는 도면이다. 10 is a DC bypass unit 140 flowing through the BOP 40 in the grid-connected operation mode (Status 1), the transient mode (Status 3) and the independent operation mode (Status 3) according to an embodiment of the present invention. The output voltage (V ₁ ) and the output current (I ₁ ) of the bypass relay 356 and the AC-DC converter 362 (V ₂ ) and the output current (I ₂ ) are diagrams showing waveforms of the output voltage (V 2 ) and the output current (I 2 ).

전압(V_1S)는 배터리(354)의 초기전압(또는 초기충전전압)이고. 전압(V_2S)는 교류-직류 변환기(362)의 초기 전압을 나타낸다. The voltage V _1S is an initial voltage (or initial charging voltage) of the battery 354 . The voltage V _2S represents the initial voltage of the AC-DC converter 362 .

연료전지 시스템(1)이 운전하면, (i) 배터리(354)의 전압이 교류-직류 변환기(362)의 공급전압과 동기화된다. 이후 계통 외란이 발생했을 때, (ii) 배터리(354)는 에너지를 공급하면서 전압이 감소하며, 교류-직류 변환기(362)는 저장기능을 갖고 있지 못하므로 그 전압이 배터리(354)와 동기화된다. 이후 외란이 복구되거나 독립전원모드로 동작하는 경우 (iii) 발전원에 연결된 교류-직류 변환기에 의해 전압이 조정된다. When the fuel cell system 1 operates, (i) the voltage of the battery 354 is synchronized with the supply voltage of the AC-DC converter 362 . Thereafter, when a system disturbance occurs, (ii) the voltage of the battery 354 is reduced while supplying energy, and the AC-DC converter 362 does not have a storage function, so the voltage is synchronized with the battery 354 . Then, when the disturbance is restored or it operates in the independent power mode, (iii) the voltage is adjusted by the AC-DC converter connected to the power source.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 운전 방법을 나타내는 순서도이다. 11 is a flowchart illustrating a method of operating the fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.

연료전지 시스템(1)의 초기운전 과정은 연료전지 스택(10)의 제어와 연관되어 있는 기존의 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 연료전지 시스템(1)의 초기운전 과정을 거치면, 배터리(354)의 전압(V₁)이 기준전압(V_1B) 이상이 되도록 충전되어 있어야 한다(V₁≥V_1B). 실시예에 의한 BOP(40) 급전에서, BOP(40)의 급전주체는 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V₂)과 배터리(354)의 출력전압(V₁)으로부터 자연스럽게 결정되는 것이나, 도 11에서는 전환시점을 표기하기 위해 나타낸다. Since the initial operation process of the fuel cell system 1 is a conventional technology related to the control of the fuel cell stack 10 , a detailed description thereof will be omitted. After the initial operation process of the fuel cell system 1 is performed, the voltage V ₁ of the battery 354 must be charged so that the voltage V 1 is equal to or greater than the reference voltage V _1B _{(V 1} ≥ _{V 1B} ). In the feeding of the BOP 40 according to the embodiment, the power supply subject of the BOP 40 is an AC-DC converter 362 output voltage (V ₂ ) and an output voltage (V ₁ ) of the battery 354 It is naturally determined from , is shown to indicate a transition time in FIG. 11 .

전력변환장치(100)는 계통전압(V_G(t))과 계통주파수(F_G(t)), 주출력 릴레이(30)의 상태(S_G)에 따라 계통연계운전모드(Status 1)와 독립운전모드(Status 2)로 운전되는 정상운전 상태와, 모드 변경 과정에서 직류우회부(140)가 BOP(40)의 전력 공급을 담당하는 과도상태모드(Status 3)로 구성된다. 독립운전모드(Status 2)를 활용할 수 없거나 직류우회부(140)의 저장/출력용량이 충분히 큰 경우 계통의 복구시까지 과도상태모드(Status 3)를 지속할 수 있다.The power conversion device 100 includes a grid voltage (V _G (t)) and the grid frequency (F _G (t)), the primary output state grid-connected operation mode (Status 1) according to the (S _G) of the relay 30 and It consists of a normal operation state operated in an independent operation mode (Status 2) and a transient state mode (Status 3) in which the DC bypass unit 140 is responsible for supplying power to the BOP 40 in the mode change process. When the independent operation mode (Status 2) cannot be utilized or the storage/output capacity of the DC bypass unit 140 is sufficiently large, the transient state mode (Status 3) can be maintained until the system is restored.

계통연계부(110)가 계동연계운전모드(Status 1) 또는 독립운전모드(Status 2)에서와 같이 동작중인 상태에서, 제어부(130)는 계통전압(V_G(t))과 계통주파수(F_G(t)), 연료전지의 전압(V_F(t)) 및 전류(I_F(t)), 직류우회부의 전압(V₁(t))을 지속적으로 수집 및 저장한다(1102). 제어부(130)는 이후의 단계가 수행되더라도 1102 단계의 동작을 소정의 주기로 지속적으로 수행할 수 있다. In a state in which the grid linkage unit 110 is operating as in the grid link operation mode (Status 1) or the independent operation mode (Status 2), the control unit 130 controls the grid voltage (V _G (t)) and the grid frequency (F). _G (t)), and continue to collect and store the voltage (V _F (t)) and current (I _F (t)), the voltage direct current bypass portion (V ₁ (t)) of a fuel cell (1102). The controller 130 may continuously perform the operation of step 1102 at a predetermined cycle even if the subsequent steps are performed.

전력변환장치(100)가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우(1104), 제어부(130)는 |V_G(t)-V_G|/V_G≤0.1를 이용하여 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1106), 계통주파수(F_G(t))가 |F_G(t)-F_G|≤1.5를 이용하여 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1108). 또한 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태(S_G=1)인지 확인한다(1110). 여기서, V_G는 기준 전압값(220V)이다.F_G는 기준 주파수값(60㎐)이다. When the power conversion device 100 operates in the grid-connected operation mode (Status 1) (1104), the control unit 130 uses |V _G (t)-V _G |/V _G ≤0.1 to the grid voltage (V) _{Check whether G} (t)) satisfies the grid connection standard (1106), and check whether the grid frequency (F _G (t)) satisfies the grid connection standard using _{|F G} (t)-F _{G |≤1.5} do (1108). In addition, it is checked whether the main output relay 30 is closed (S _G =1) (1110). Here, V _G is a reference voltage value (220V). F _G is a reference frequency value (60 Hz).

전력변환장치(100)가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우(1104), 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 벗어나지 않고(1106), 계통주파수((F_G(t))가 계통연계기준을 벗어나지 않는 경우, 그리고 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태인 경우에는(S_G=1)(1108), 계통(20)의 현재 상황을 반영하여 계통연계부(110)의 인버터(324)의 전압지령치(V_INV*)를 V_INV*=(1+a(t))V_G(t)로 조정하고(1112), 주파수지령치(F_INV*=F_G(t))를 조정한다(1112). 배터리(354)의 전압(V₁)이 기준전압(V_1B) 이상이 되도록 충전되어 있으면(V₁≥V_1B), 우회부 릴레이(356) 제어신호(S_D=0)를 이용하여 우회부 릴레이(356)를 닫고(1124), 처음 단계(1102)로 돌아간다. When the power conversion device 100 operates in the grid connection operation mode (Status 1) (1104), the grid voltage (V _G (t)) does not deviate from the grid connection standard (1106), and the grid frequency ((F _G ( t)) does not deviate from the grid connection standard, and when the main output relay 30 is in the closed state (S _G =1) (1108), the grid connection unit 110 by reflecting the current situation of the grid 20 ), adjust the voltage command value (V _INV *) of the inverter 324 to V _INV *=(1+a(t))V _G (t) (1112), and the frequency command value (F _INV *=F _G (t) )) is adjusted 1112. If the voltage (V ₁ ) of the battery 354 is charged to be higher than the reference voltage (V _1B _{) (V 1} ≥ _{V 1B} ), the bypass relay 356 control signal (S _D = 0) to close the bypass relay 356 (1124), and return to the first step (1102).

계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 벗어나거나(1106), 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 벗어나는 경우(1108), 주출력 릴레이(30)가 열림 상태인 경우(S_G=0)(1110), 제어부(130)는 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전의 제1 과도상태모드(Status 3)로 전환하기 위한 동작을 수행한다(1120). When the grid voltage (V _G (t)) deviates from the grid connection standard (1106) or the grid frequency (F _G (t)) deviates from the grid connection standard (1108), the main output relay 30 is in the open state. In the case (S _G =0) 1110, the controller 130 performs an operation for switching to the first transient state mode (Status 3) before proceeding to the independent operation mode (Status 2) (1120).

전력변환장치(100)가 독립운전모드(Status 2)에서 동작하는 경우(1104), 제어부(130)는 |V_G(t)-V_G|/V_G≤0.1를 이용하여 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1130), |F_G(t)-F_G|/F_G≤1.5를 이용하여 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1132). 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하고(1130), 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 만족하고(1132), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있는지(S_G=1)(1134) 검사하여, 주출력 릴레이(30)가 외부 제어 신호에 의해 닫혀지는 경우(S_G=1)(1134), 계통연계운전모드(Status 1)로 변경을 위해 제2 과도상태모드(Status 3)로 전환한다(1136). When the power conversion device 100 operates in the independent operation mode (Status 2) (1104), the control unit 130 uses the |V _G (t)-V _G |/V _G ≤ 0.1 to the grid voltage (V _G) (t)) satisfies the grid connection standard (1130), and the grid frequency (F _G (t)) satisfies the grid connection standard by _{using |F G} (t)-F _G |/F _{G ≤1.5} Check if it is (1132). Check whether the grid voltage (V _G (t)) satisfies the grid connection standard (1130), the grid frequency (F _G (t)) meets the grid connection standard (1132), and the main output relay 30 is closed ( S _G = 1) (1134) inspection, when the main output relay 30 is closed by an external control signal (S _G = 1) (1134), the second to change to the grid-connected operation mode (Status 1) Transition to the transient state mode (Status 3) (1136).

계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하지 않거나(1130), 계통주파수((F_G(t))가 계통연계기준을 만족하지 않는 경우에는(1132), 계통(20)의 현재 계통전압(V_G(t)) 및 계통주파수((F_G(t))가 계통연계부(110) 동작의 기준점이 될 수 없으므로 계통 기준치(V_G, F_G)를 참고하여 계통연계부(110)의 인버터(324)의 전압지령치(V_INV*)를 V_INV*=V_G로 조정하고(1140), 주파수지령치(F_INV*)를 F_INV*=F_G로 조정하고(1142), 처음 단계(1102)로 돌아간다. When the grid voltage (V _G (t)) does not satisfy the grid connection standard (1130) or the grid frequency ((F _G (t)) does not satisfy the grid connection standard (1132), the grid (20) Since the current grid voltage (V _G (t)) and grid frequency ((F _G (t)) cannot be the reference point of the operation of the grid connection unit 110 _{, refer to the grid reference values (V G} , F _G ) to the grid connection unit (110), adjust the voltage command value (V _INV *) of the inverter 324 to V _INV *=V _G (1140), adjust the frequency command value (F _INV *) to F _INV *= F _G (1142) , return to the first step 1102 .

도 12는 도 11에서 과도상태모드(Status 3)으로 진행되는 경우의 전력변환장치(100)의 동작을 나타내는 흐름도이다. 12 is a flowchart illustrating the operation of the power conversion device 100 in the case of proceeding to the transient mode (Status 3) in FIG. 11 .

과도상태모드(Status 3)로 진행하기 위해 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(S_in=0)와 교류측 릴레이 제어신호(S_out=0)를 이용하여 계통연계부(110)의 직류측 릴레이(310)와 교류측 릴레이(330)를 열고(1202), 직류우회부(140)의 우회부릴레이(356) 제어신호(S_D=1)를 이용하여 우회부릴레이(356)를 닫는다(1204). In order to proceed to the transient state mode (Status 3), the control unit 130 uses the DC side relay 310 control signal (S _in = 0) and the AC side relay control signal (S _out = 0) to the grid linkage unit 110 ), open the DC relay 310 and the AC relay 330 (1202), and use the bypass relay 356 _{control signal (S D =1) of the DC bypass unit 140 to the bypass relay 356} ) close (1204).

제어부(130)는 |V_G(t)-V_G|/V_G≤0.1를 이용하여 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1206), |F_G(t)-F_G|≤1.5를 이용하여 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1208). 계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하고(1206), 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 만족하고(1208), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있는지(S_G=1)(1210) 검사하여, 주출력 릴레이(30)가 외부 제어 신호에 의해 닫히는 경우(S_G=1)(1210), 모드 전환을 결정하여 계통연계운전모드(Status 1) 진행을 결정한다(1212). 따라서, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(S_in=1)와 교류측 릴레이(310) 제어신호(S_out=1)를 이용하여 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 닫고(1222), 도 11의 단계 1102로 되돌아간다. The control unit 130 checks whether the grid voltage (V _G (t)) satisfies the grid connection standard _{using |V G} (t)-V _G |/V _G _{≤ 0.1 (1206), and |F G} (t) Check whether the grid frequency (F _G (t)) satisfies the grid connection standard using )-F _{G |≤1.5 (1208).} Check whether the grid voltage (V _G (t)) satisfies the grid connection standard (1206), the grid frequency (F _G (t)) meets the grid connection standard (1208), and the main output relay 30 is closed ( S _G = 1) (1210) is checked, and when the main output relay 30 is closed by an external control signal (S _G = 1) (1210), the mode change is decided to proceed with the grid-connected operation mode (Status 1). decide (1212). Therefore, the control unit 130 uses the DC relay 310 control signal (S _in = 1) and the AC relay 310 control signal (S _out = 1) to the DC relay 310 and the AC relay ( 330) close 1222, and return to step 1102 of FIG.

계통전압(V_G(t))이 계통연계기준을 만족하지 않거나(1206), 계통주파수(F_G(t))가 계통연계기준을 만족하지 않거나(1208), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있지 않은 경우(S_G=0)(1210), 독립운전모드(Status 2) 진행을 결정한다(1220). 따라서, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(S_in=1)와 교류측 릴레이(310) 제어신호(_Sout=1)를 이용하여 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 닫고(1222), 도 11의 단계 1102로 되돌아간다. The grid voltage (V _G (t)) does not satisfy the grid connection standard (1206), or the grid frequency (F _G (t)) does not satisfy the grid connection standard (1208), or the main output relay 30 is closed. If not (S _G = 0) (1210), it is determined to proceed with the independent operation mode (Status 2) (1220). Accordingly, the control unit 130 uses the DC relay 310 control signal (S _in = 1) and the AC relay 310 control signal ( _Sout = 1) to control the DC relay 310 and the AC relay 330 by using the control signal (Sout = 1). ) close ( 1222 ), and return to step 1102 of FIG. 11 .

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT를 포함한 전력변환장치(100)의 계통연계 동작기준의 예시 나타낸 도면이다. 13 is a diagram illustrating an example of a grid-connected operation standard of the power conversion device 100 including an LVRT according to an embodiment of the present invention.

계통 외란 상황을 정의하는 계통전압(V_G(t))과 계통주파수(F_G(t)) 기준은 송전하는 국가의 송전망 규격에 따르는 것이 일반적이나, 재생에너지 등 변동성이 큰 분산전원이 많은 경우, 전압 등의 순간적인 변동에 의하여 연료전지 시스템(1)이 재설정되어야 하는 불편함이 존재한다. 그러므로 최근에는 수십 밀리초 수준의 초단기변동을 무시하도록 전력변환장치의 운전메커니즘이 변화하고 있으며 LVRT(Low Voltage Ride Through)등 새로운 기술이 적용될 수 있다. _{The grid voltage (V G} (t)) and grid frequency (F _G (t)) standards that define the grid disturbance situation generally follow the grid standards of the country that transmits them, but when there are many distributed power sources with high volatility such as renewable energy , there is an inconvenience that the fuel cell system 1 has to be reset due to instantaneous fluctuations in voltage, and the like. Therefore, recently, the operation mechanism of the power conversion device has been changed to ignore the ultra-short-term fluctuations of tens of milliseconds, and new technologies such as LVRT (Low Voltage Ride Through) can be applied.

도 14는 모의 전원을 통해 본 발명의 일 실시예에서 적용된 전력변환장치가 계통 외란 상황을 가정한 모의전원에서 동작하는 상황을 전력파형으로 나타낸 것이다. 도 14에서 계통정전후 복전시 전력변환장치의 운전에 의한 BOP 전압 및 전력변환 전류 파형의 예시를 나타낸다. 14 is a power waveform showing a situation in which the power conversion device applied in an embodiment of the present invention is operated in a simulated power source assuming a system disturbance situation through a simulated power supply. 14 shows an example of the BOP voltage and power conversion current waveform by the operation of the power conversion device when the system is restored after a power outage.

T1 시점에서 계통이 정전되어 계통전압이 0이 될 때, 제어부(130)가 계통이상을 확인하여 계통연계부(110)의 직류측 릴레이(310)를 차단하여, 계통연계부(110)의 입력전류가 0이 된 것을 볼 수 있다. When the system is out of power at the time T1 and the system voltage becomes 0, the control unit 130 checks the system abnormality and blocks the DC side relay 310 of the grid connection unit 110, and the input of the grid connection unit 110 You can see that the current is zero.

이후 T2 시점에서 BOP(40) 및 직접 연결된 독립부하에 전원을 공급하기 위한 독립운전모드(Status 2)로 전환된 것을 확인할 수 있다. 제어부(130)는 과도상태모드(Status 3)로 직류우회부(140)를 이용하여 전력변환장치(100)를 동작시킬 수 있으므로, 계통이상으로 계통연계부(110)의 동작이 중단된 동안에도 직류우회부(140)를 통해 전력을 공급받는 BOP(40)의 전원의 전압이 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다.Thereafter, it can be confirmed that the independent operation mode (Status 2) for supplying power to the BOP 40 and the directly connected independent load at the time T2 is switched. Since the control unit 130 can operate the power conversion device 100 by using the DC bypass unit 140 in the transient state mode (Status 3), even while the operation of the grid connection unit 110 is stopped due to a system abnormality It can be seen that the voltage of the power source of the BOP 40 supplied with power through the DC bypass unit 140 is maintained as it is.

T3 시점에서 계통이 복구된 것으로 가정하고 T4 시점부터 T5 시점까지 계통연계운전모드(Status 1)로 전환하기 위한 복전 동작을 수행하여 T5 시점 이후에는 계통연계부(110)에 T1 시점 이전과 같은 전류가 인가되었으며, BOP(40) 전원의 전압은 거의 동일한 값으로 유지되는 것으로 나타난다. Assuming that the system has been restored at time T3, a restoration operation is performed to switch to the grid-connected operation mode (Status 1) from time T4 to time T5, and after time point T5, the same current as before time T1 is applied, and the voltage of the BOP 40 power supply appears to be maintained at approximately the same value.

본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.An aspect of the present invention may be implemented as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. Codes and code segments implementing the above program can be easily inferred by a computer programmer in the art. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data readable by a computer system is stored. Examples of the computer-readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, and the like. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed in network-connected computer systems, and may be stored and executed as computer-readable codes in a distributed manner.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다. The above description is only one embodiment of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to implement it in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be construed to include various embodiments within the scope equivalent to the content described in the claims.

100: 전력변환장치
110: 계통연계부
120: BOP전원부
130: 제어부
140: 직류우회부 100: power converter
110: system linkage part
120: BOP power supply
130: control unit
140: DC bypass unit

Claims

As a power conversion device of a fuel cell system connected between a fuel cell stack and a BOP (Balance of Plant),
a grid linkage unit that converts DC power of the fuel cell stack into AC power and connects to a grid;
a DC bypass unit commonly connected to the DC output of the grid connection unit and the fuel cell stack to convert the output of the fuel cell stack into a voltage that can be directly supplied to the BOP and store the converted voltage;
a BOP power supply unit directly connected to the AC power output from the grid connection unit and selectively supplying the power of the DC bypass unit to the BOP; and
By monitoring the grid voltage (V _G (t)) and grid frequency (F _G (t)), when the grid is in a normal state, AC power generated from the fuel cell stack and passed through the grid connection unit is supplied to the BOP, and the grid When the fuel cell stack is not in a normal state, the power generated from the fuel cell stack is transferred to the DC bypass unit so that the DC bypass unit supplies power to the BOP power supply unit, and the control unit controls the BOP power to be stably supplied even if the grid connection is interrupted; including,
The control unit operates in the grid-connected operation mode (Status 1) for the power converter to directly deliver the power of the fuel cell stack to the grid according to the operating environment, or the grid-connection unit restarts regardless of whether the grid voltage and grid frequency are normalized. , It operates in the independent operation mode (Status 2) that does not synchronize the BOP power with the grid, or before the grid-connected operation mode (Status 1) goes to the independent operation mode (Status 2) and is connected to the grid in the independent operation mode (Status 2) Controls the grid linkage and DC bypass to operate in the transient mode (Status 3) before proceeding to the operation mode (Status 1),
system linkage,
a DC relay connected to or disconnected from the fuel cell stack output;
a step-up converter that boosts the low-voltage DC power of the fuel cell to meet the AC power transmission standard;
an inverter converting the boosted high voltage DC power into AC power;
a filter for removing noise generated by the operation of the converter and the inverter; and
an AC-side relay that is directly connected to the grid or is disconnected to control whether the AC output is finally drawn out; including,
DC bypass unit,
a transformer that converts the output of the fuel cell stack into a voltage that can be directly supplied to the BOP;
a battery for stabilizing the voltage of the BOP power supply by temporarily supplying power to the BOP power supply unit during the transient mode; and
Bypass relay that connects or blocks the connection between the battery and the BOP power supply; Power conversion device of a fuel cell system, characterized in that it comprises a.

delete

in paragraph 1
When the grid voltage (V _G (t)) and the grid frequency (F _G (t)) are normalized, A power conversion device for a fuel cell system, characterized in that it controls the grid connection unit and the DC bypass unit to restart in the grid connection operation mode (Status 1) after terminating the independent operation mode (Status 2).

delete

According to claim 1,
the control unit
In the grid-connected operation mode (Status 1), the control signal (S _in ) of the DC side relay is controlled as S _in =1, the control signal (S _out ) of the AC side relay is controlled as S _out =1, and the BOP power supply is control to receive power from the grid,
In the transient state mode (Status 3), the control signal (S _in ) of the DC relay is controlled to S _in = 0, the control signal (S _out ) of the AC relay is controlled as S _out = 0, and the BOP power supply is DC To receive power from the bypass unit, the control signal (S _D ) of the bypass unit relay is controlled to S _D =1,
In the independent operation mode (Status 2), the control signal (S _in ) of the DC side relay is controlled as S _in =1, the control signal (S _out ) of the AC side relay is controlled as S _out =1, and the BOP power supply unit controls the grid. Control to receive the output power of the fuel cell stack through the linkage,
Power conversion device for fuel cell system, characterized in that the main output relay operates in the grid-connected operation mode (Status 1), and the main output relay does not operate in the independent operation mode (Status 2) and transient mode (Status 3) .

6. The method of claim 5,
When the power converter operates in grid connection operation mode (Status 1), grid voltage (V _G (t)) does not deviate from grid connection standard, and grid frequency ((F _G (t)) does not deviate from grid connection standard. If not, and when the main output relay is closed (S _G _{=1), the voltage command value (V INV} *) of the inverter in the grid connection part reflects the current state of the grid _{and V INV} *=(1+a(t) )) _{Adjust with V G} (t), adjust the frequency setpoint (F _INV *=F _G (t)), and if the battery is charged so that _{the voltage (V 1} ) is higher than the reference voltage (V _{1B ) (V} ₁ ≥V _1B ), a power conversion device for a fuel cell system, characterized in that it closes the bypass relay using the bypass relay control signal (S _{D =0).}

6. The method of claim 5,
BOP power supply,
an AC-DC converter directly connected to the AC power output from the grid connection unit;
A power conversion device for a fuel cell system, comprising: a bypass relay and an AC-DC converter connected to the DC converter to convert DC power into power required for AC BOP.

8. The method of claim 7,
The charging reference voltage of the battery of the DC bypass part is set lower than the output voltage of the AC-DC converter of the BOP power supply part, so that the power from the battery inside the DC bypass part is not Power conversion device of a fuel cell system, characterized in that the withdrawal is prevented.

8. The method of claim 7,
In the transient mode, the DC power of the bypass relay is directly transferred to the DC BOP, and the DC power of the bypass relay is transferred to the AC BOP through the DC-AC converter.