KR101061589B1 - 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 생성된 직류전원과 계통전원을 연결하는 전력변환기에서 출력되는 출력전원의 출력위상각을 결정하기 위한 장치에 있어서, 동기 d축 지령전압과 계통전원을 좌표변환한 동기 d축 계통전압의 차분을 보상하여 동기위상각을 생성하고, 정격주파수에 기초한 지령위상각을 생성하는 위상 검출부; 입력된 선택신호에 기초하여 독립 운전모드 및 연계 운전모드 중에서 하나의 운전모드를 결정하고 선택위상각을 출력하되, 연계 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 동기위상각을 선택위상각으로서 출력하고, 독립 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 지령위상각을 선택위상각으로서 출력하는 모드 선택부; 및 모드 선택부에서 출력된 선택위상각에 기초하여 출력위상각을 생성하는 위상 동기화부를 포함하고, 상기 출력위상각은 위상 동기화부로 피드백되며, 상기 동기 q축 지령전압은 영(零)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치는, 빠르고 진동없는 응답특성과, 계통전원에 불평형이나 고조파가 존재하는 경우에도 안정적이고 강인한 동작특성을 가지며, 안정적인 운전모드 전환을 수행한다.

Description

연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치{Apparratus of determining the phase angle of power output for EBOP of fuel cell generation system}

본 발명은 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과도 응답 특성을 개선하여 동특성이 우수하고, 계통전원에 포함된 고조파에도 강인하며, 안정적인 운전모드 전환을 수행하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에 관한 것이다.

연료전지 발전시스템(BOP:balance of plant)은 연료에 포함되어 있는 수소와 공기중 산소의 전기화학적 반응을 통해서 전기를 생산하는 시스템이다. 기존의 화력 발전에 비하여 30% 이상의 발전용 연료를 절감할 수 있으며 공해 물질의 배출이 거의 없어 점차 수요가 증대되고 있다.

도 1은 연료전지 발전시스템을 나타낸 도면이다.

연료전지 발전시스템(BOP)은 연료공급기(MBOP:mechanical balance of plant, 1A), 연료전지 스택(FC Stack:fuel cell stack, 1B), 및 전력변환기(EBOP:electrical balance of power, 1C)로 구성된다.

연료공급기(1A)는 공기와 연료를 공급받아 공기로부터 산소를 생성하고 연료로부터는 수소를 생성하여 연료전지 스택(1B)으로 공급하고, 연료전지 스택(1B)은 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해서 직류 전기(DC)를 생성하며, 전력변환기(1C)는 직류 전기(DC)를 변환하여 최종적으로 이용가능한 교류 전기(AC)를 공급한다.

전력변환기(1B)는 연료전지 스택(1B)에서 생산된 직류전원을 한전과 같은 계통전원에 연결하는 전력변환 시스템으로서, 연료전지 발전시스템의 성능을 판가름하는 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 전력변환기(1B)는 계통전원과 연계되어 운전하는 연계 운전모드, 계통전원과 분리되어 독립적으로 부하로 전력을 공급하는 독립 운전모드로 동작한다.

일반적으로 계통전원의 위상각을 검출하기 위해 알고리즘 구조가 간단하고 안정적인 동기좌표계에서 동작하는 PLL(Phase Locked Loop) 제어기가 주로 사용되고 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 PLL 제어기를 나타낸 도면이다.

종래 기술에 따른 PLL 제어기의 전달함수는 다음의 [수학식 1]과 같으며, 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 전달함수는 영점을 포함하고 있어 과도상태에서 진동이 발생한다.

여기서 ω_n은 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 대역폭이다.

계통전원에 사고가 발생하여 전원 불평형이 발생할 경우 정상분 전압을 검출하기 위해 전역 통과 필터(All Pass Filter:"APF")를 사용하며, 전원에 포함된 고조파를 제거하기 위해 저역 통과 필터(Low Pass Filter: "LPF")를 추가한다. LPF를 추가한 PLL 제어기의 전달함수는 다음의 [수학식 2]로 나타낼 수 있으며, LPF를 추가한 PLL 제어기는 과도상태에서 진동이 발생할 수 있다.

여기서 ω_c는 저역 통과 필터의 대역폭이다

도 3과 도 4는 각각 종래 기술에 따른 전력변환기의 출력위상각을 결정하기 위한 장치에서의 안정도 및 단위 응답 특성을 나타낸 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 저역 통과 필터의 대역폭이 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 대역폭에 가까워지면 상호 간섭이 발생되어 진동이 심해지고, 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 전달함수의 극점이 우반면으로 이동하게 되어 불안정해진다. (여기서 ωn=300[rad/sec]으로 설정)

결론적으로 종래 기술에 따른 PLL 제어기는 과도상태에서 진동이 발생하여 응답이 느린 문제점이 있으며, 또한 계통전원에 포함된 고조파 성분을 제거하기 위해 저역 통과 필터(Low Pass Filter: LPF)를 사용할 경우 PLL 제어기의 대역폭에 따라 저역 통과 필터의 대역폭이 제한되어 고조파 저감성능이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 과도 응답 특성을 개선하여 동특성이 우수하고 계통전원에 포함된 고조파에도 강인한 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 연료전지 스택에서 생성된 직류전원과 계통전원을 연결하는 전력변환기에서 출력되는 출력전원의 출력위상각을 결정하기 위한 장치에 있어서, 동기 d축 지령전압과 계통전원을 좌표변환한 동기 d축 계통전압의 차분을 보상하여 동기위상각을 생성하고, 정격주파수에 기초한 지령위상각을 생성하는 위상 검출부; 입력된 선택신호에 기초하여 독립 운전모드 및 연계 운전모드 중에서 하나의 운전모드를 결정하고 선택위상각을 출력하되, 연계 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 동기위상각을 선택위상각으로서 출력하고, 독립 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 지령위상각을 선택위상각으로서 출력하는 모드 선택부; 및 모드 선택부에서 출력된 선택위상각에 기초하여 출력위상각을 생성하는 위상 동기화부를 포함하고, 상기 출력위상각은 위상 동기화부로 피드백되며, 상기 동기 q축 지령전압은 영(零)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 위상 검출부는, 동기 d축 지령전압과 동기 d축 계통전압의 차분을 비례적분 연산하는 제1 비례적분기; 제1 비례적분기의 출력값과 정격주 파수의 합산분을 적분 연산하여 동기위상각을 생성하는 제1 적분기; 동기위상각에 기초하여 계통전원을 좌표변환함으로써 동기 d축 계통전압을 생성하는 좌표변환부; 및 정격주파수를 적분 연산하여 지령위상각을 생성하는 제2 적분기를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 위상 동기화부는, 선택위상각과 피드백된 출력위상각의 차분을 비례적분 연산하는 제2 비례적분기; 제2 비례적분기의 출력값을 적분 연산하는 제3 적분기; 제3 적분기의 출력값에 대해 비례 연산한 값을 제3 적분기에 차분값으로 피드백하는 비례기; 및 지령위상각과 제3 적분기의 출력값을 합산하여 출력위상각을 생성하는 가산기를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 빠르고 진동이 없는 응답특성을 가지며, 전원에 불평형이나 고조파가 존재하는 경우에도 안정적이고 강인한 동작특성을 가진다.

또한, 본 발명에 의하면 계통전원과 연계되어 운전되는 경우 돌입전류를 제한할 수 있어 부드럽고 안정적인 운전을 수행할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치를 나타낸 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치는 위상 검출부(100), 모드 선택부(200), 위상 동기화부(300)를 포함한다.

위상 검출부(100)는 모드 선택부(200)에 선택위상각을 제공한다. 선택위상각은 동기위상각(θ_e ^PLL) 및 지령위상각(θ_e ^*)을 포함한다.

동기위상각(θ_e ^PLL)은 전력변환기(1C)가 한국전력에서 공급하는 계통전원(V_suvw)과 연계되어 운전되는 연계 운전모드(GC mode) 시 이용되는 위상각으로서 계통전원과 동기화된 위상각이며, 지령위상각(θ_e ^*)은 전력변환기(1C)가 계통전원과 분리되어 독립적으로 전력을 공급하는 독립 운전모드(GI mode) 시 이용되는 위상각이다.

위상검출부(100)는 동기 d축 지령전압(V_sd ^*)과 계통전원(V_suvw)의 동기 d축 계통전압(V_sd)의 차분을 보상하여 동기위상각(θ_e ^PLL)을 생성하고, 정격주파수(ω_e ^ff)에 기초하여 지령위상각(θ_e ^*)을 생성한다. 여기서 동기 d축 계통전압(V_sd)은 계통전원을 좌표변환함으로써 생성된다. 한편, 입력되는 정격주파수는 계통전원과의 연계를 고려하여 60(Hz) 또는 각속도의 경우 120π(rad/sec)인 것이 바람직하다.

모드 선택부(200)는 입력된 선택신호(S)에 기초하여 독립 운전모드 및 연계 운전모드 중에서 하나의 운전모드를 결정하고 선택위상각을 출력한다. 선택신호는 외부로부터 입력되는 신호이며, 선택신호(S)가 0 값인 경우 운전모드는 독립 운전모드(GI)로 결정되고, 선택신호(S)가 1 값인 경우 운전모드는 연계 운전모드(GC)로 결정된다.

결정된 운전모드가 독립 운전모드인 경우 모드 선택부(200)는 지령위상각(θ_e ^*)을 선택위상각으로서 출력하고, 결정된 운전모드가 연계 운전모드인 경우 모드 선택부(200)는 동기위상각(θ_e ^PLL)을 선택위상각으로서 출력한다.

위상 동기화부(300)는 모드 선택부에서 출력된 선택위상각에 기초하여 출력위상각(θ_e)을 생성하는데, 생성된 출력위상각은 위상동기화부(300)로 다시 피드백(feedback)된다.

도 6은 도 5를 상세히 나타낸 블록도이다.

도 6을 참조하면, 위상 검출부(100)는 제1 가산기(110), 제1 비례적분기(120), 제2 가산기(130), 제1 적분기(150), 제2 적분기(140), 및 좌표변환부(160)를 포함하며, 추가로 전역 통과 필터(all pass filter:"APF", 170)를 더 포함할 수 있다.

가산기(110)는 동기 d축 지령전압(V_sd ^*)과 동기 d축 계통전압(V_sd)을 입력받아 그 차분값을 연산하여 출력한다. 여기서 동기 d축 계통전압(V_sd)은 계통전원의 전압을 좌표변환한 것이다.

제1 비례적분기(120)는 제1 가산기(110)로부터 출력된 값을 비례적분 연산하여 제2 가산기(130)로 출력한다.

제2 가산기(130)는 입력된 정격주파수(ω_e ^ff)와 제1 비례적분기(120)에서 출력된 값을 합산하여 제1 적분기(150)로 출력한다.

제1 적분기(150)는 정격주파수(ω_e ^ff)와 제1 비례적분기(120)에서 출력된 값의 합산분을 적분 연산하여 동기위상각(θ_e ^PLL)을 생성하고, 생성된 동기위상각(θ_e ^PLL)을 모드 선택부(200)로 전달한다.

정격주파수(ω_e ^ff)는 제2 적분기(140)로도 입력되며, 제2 적분기는 정격주파수(ω_e ^ff)를 적분 연산하여 지령위상각(θ_e ^*)을 생성하고, 생성된 지령위상각(θ_e ^*)을 모드 선택부로 전달한다.

좌표변환부(160)는 3상좌표계를 동기좌표계로 변환하는 역할을 하며, 제1 적분기(150)에서 생성된 동기위상각(θ_e ^PLL)에 기초하여 계통전원의 계통전압을 동기좌표계로 변환한 d축 동기 계통전압을 생성한다.

생성된 d축 동기 계통전압은 제1 가산기(110)로 입력된다. 한편, 생성된 동기 d축 계통전압(V_sd)은 정상분을 검출하기 위해 전역 통과 필터(APF, 170)를 거쳐 제1 가산기(110)로 입력될 수도 있다.

모드 선택부(200)는 선택신호(S)에 기초하여 운전모드를 결정하며, 운전모드에 따른 선택위상각을 위상 동기화부(300)로 출력한다. 운전모드에는 계통전원과 연계되어 동작되는 연계 운전모드(GC mode)와 계통전원과 분리되어 독립적으로 동작되는 독립 운전모드(GI mode)가 있으며, 모드 선택부(200)는 입력된 선택신호(S)에 따라 운전모드를 결정한다.

운전모드가 독립 운전모드로 결정된 경우 모드 선택부(200)는 지령위상각(θ_e ^*)을 선택위상각으로서 출력하며, 운전모드가 연계 운전모드로 결정된 경우 모드 선택부(200)는 동기위상각(θ_e ^PLL)을 선택위상각으로서 출력한다.

위상 동기화부(300)는 제3 가산기(310), 제2 비례적분기(320), 제4 가산기(330), 제3 적분기(340), 비례기(360), 및 제5 가산기(350)를 포함한다.

제3 가산기(310)는 모드 선택부(200)에서 출력된 선택위상각과 후술할 제5 가산기(350)에서 출력되는 출력위상각의 차분을 연산하고, 그 차분을 제2 비례적분기(320)로 전달한다.

제2 비례적분기(320)는 제3 가산기(310)의 출력값을 비례적분 연산하고, 그 비례적분한 연산값을 제4 가산기(330)로 전달한다.

제4 가산기(330)는 제2 비례적분기(320)의 출력값과 후술할 제3 적분기(340)의 출력값의 차분을 연산하고, 그 차분을 제3 적분기(340)로 출력한다.

제3 적분기(340)는 제4 가산기(330)의 출력값에 대하여 적분 연산을 하고, 그 적분 연산값을 제5 가산기(350)로 전달한다.

제5 가산기(350)는 제3 적분기(340)의 출력값과 제2 적분기(140)의 출력값을 합산하여 출력위상각을 생성한다.

생성된 출력위상각은 전력변환기(1C)에 제공되어 전력변환기에서 출력되는 출력전원의 위상각을 제어하는데 이용된다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치는 계통전원의 위상각 검출을 위한 위상 검출부(100)와 위상 동기화부(300)가 직렬로 연결되어 있다. 위상 검출부(100)의 영점과 위상 동기화부(300)의 극점이 서로 상쇄되도록 제1 비례적분기(120) 및 제2 비례적분기(320)의 이득이 각각 설정되어야 하며, 도 6의 전체 전달함수는 다음의 [수학식 3]처럼 나타낼 수 있다.

여기서, 위상 검출부(100) 및 위상 동기화부(300)의 전달함수는 각각 다음의 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같으며, 전체 전달함수는 [수학식 6]처럼 구해질 수 있다.

[수학식 4]는 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 전달함수와 같으며 영점이 존재한다. [수학식 5]는 위상 동기화부(300)의 전달함수이며 LPF와 같다. [수학식 6]은 본 발명에 따른 출력위상각 결정 장치의 전체 전달함수이며 [수학식 4]와 [수학식 5]의 곱으로 표현된다.

[수학식 3]에서 알 수 있듯이, 전체 전달함수는 영점이 없는 2차 함수여서 ξ=1 로 두면 과도상태에서 진동이 없는 특성을 가진다. 즉 [수학식 3] 내지 [수학식 6]에서 볼 수 있듯이, 위상 검출부(100)의 영점을 위상 동기화부(300)의 극점이 제거하므로 과도상태에 진동이 없는 특성을 가진다. 그리고 위상 검출부(100)의 출력을 저역 통과 필터링 함으로써 출력전원에 포함될 수 있는 고조파가 제거될 수 있고, 제1 비례적분기(120)의 대역폭과 저역 통과 필터(170)의 대역폭 간에 간섭 영향이 발생하지 않는다.

도 7은 종래 기술에 따른 PLL 제어기와 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치의 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에서 운전모드에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7에서 비례적분기의 대역폭은 300[rad/sec]이며, 저역 통과 필터의 대역폭은 600[rad/sec]으로 설정되었으며, 역상분 검출을 위해 전역 통과 필터(all pass filter, APF)가 이용되었다.

도 7을 참조하면, 종래 기술과 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치가 계통전원의 위상 변동, 불평형, 및 고조파 발생 시 진동이 더 작은 응답 특성을 보임을 알 수 있다.

또한 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기는 독립 운전모드에서 연계 운전모드 간에 전환되어 운전되는 경우 돌입전류가 거의 없이 안정적인 운전모드의 전환을 수행할 수 있다.

이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 연료전지 발전시스템을 나타낸 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 PLL 제어기를 나타낸 도면.

도 3은 종래 기술에 따른 PLL 제어기의 안정도를 나타낸 그래프.

도 4는 PLL 제어기의 단위 응답 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치를 나타낸 블록도.

도 6은 도 5를 상세히 나타낸 블록도.

도 7은 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에 대한 시뮬레이션 결과 그래프.

도 7은 종래 기술에 따른 PLL 제어기와 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치의 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치에서 운전모드에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.

Claims (4)

1. 연료전지 스택에서 생성된 직류전원과 계통전원을 연결하는 전력변환기에서 출력되는 출력전원의 출력위상각을 결정하기 위한 장치에 있어서,

   동기 d축 지령전압(V_sd ^*)과 동기 d축 계통전압(V_sd)의 차분을 비례적분 연산하는 제1 비례적분기와, 상기 제1 비례적분기의 출력값과 정격주파수의 합산분을 적분 연산하여 동기위상각을 생성하는 제1 적분기와, 상기 동기위상각에 기초하여 상기 계통전원을 좌표변환한 상기 동기 d축 계통전압을 생성하여 상기 제1 비례적분기로 제공하는 좌표변환부와, 상기 정격주파수를 적분 연산하여 지령위상각을 생성하는 제2 적분기를 포함하는 위상 검출부;

   입력된 선택신호에 기초하여 독립 운전모드 및 연계 운전모드 중에서 하나의 운전모드를 결정하고 선택위상각을 출력하되, 상기 연계 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 상기 동기위상각을 상기 선택위상각으로서 출력하고, 상기 독립 운전모드로 운전모드가 결정된 경우 상기 지령위상각을 상기 선택위상각으로서 출력하는 모드 선택부; 및

   상기 모드 선택부에서 출력된 선택위상각에 기초하여 상기 출력위상각을 생성하는 위상 동기화부를 포함하고,

   상기 출력위상각은 상기 위상 동기화부로 피드백되며,

   상기 동기 q축 지령전압은 영(零)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 위상검출부는,

   상기 좌표변환부에서 생성된 동기 d축 계통전압을 저역 필터링하여 상기 제1 비례적분기로 전덜하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력전원 위상각 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 위상 동기화부는,

   상기 선택위상각과 상기 피드백된 출력위상각의 차분을 비례적분 연산하는 제2 비례적분기;

   상기 제2 비례적분기의 출력값을 적분 연산하는 제3 적분기;

   상기 제3 적분기의 출력값에 대해 비례 연산한 값을 상기 제3 적분기에 차분 값으로 피드백하는 비례기; 및

   상기 지령위상각과 상기 제3 적분기의 출력값을 합산하여 상기 출력위상각을 생성하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 전력변환기의 출력위상각 결정 장치.

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