KR101363627B1 - 연료전지와 슈퍼 커패시터를 이용한 하이브리드 무정전 전원장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무정전 전원 시스템의 부피를 줄이고, 유지 보수 비용을 낮추며, 동작 신뢰성을 향상시키기 위하여, 연료전지 및 슈퍼커패시터를 이용한 무정전 전원 장치를 제공한다. 하이브리드 무정전 전원 장치는, 계통전원과 절연시키고 AC/DC 정류기에 계통전원의 전압을 조정하여 조정된 전압을 공급하는 절연변압기와, 절연 변압기를 통해 계통전원의 에너지를 직류로 변환하여 슈퍼커패시터로 전달하는 AC/DC 정류기와, 연료전지 스택의 출력단에 위치하여 연료전지 스택 방향으로의 에너지 흐름을 막는 제1 다이오드와, 슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 AC/DC 정류기로 흐르지 않도록 막는 제2 다이오드와, 연료전지 스택 및 슈퍼커패시터와 연결되며, 계통전원의 상태에 따라 트랜스퍼 스위치의 연결을 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하고, 계통전원에 이상이 발생하면, 연료전지 스택의 출력 전류가 불안정한 연료전지 스택의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터에 저장된 전력을 부하로 공급하고, 연료전지 스택의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택의 전력을 부하로 공급하는 연료전지용 전력변환장치와, 트랜스퍼 스위치 제어 신호에 따라 계통전원과 부하를 연결하는 트랜스퍼 스위치를 포함한다.

Description

연료전지와 슈퍼 커패시터를 이용한 하이브리드 무정전 전원장치 및 그 동작 방법{Hybrid uninterruptible power supply apparatus using fuel cell and super capacitor and method for operating hybrid uninterruptible power supply apparatus}
본 발명은 연료전지를 활용한 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply) 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 무정전 전원 장치의 부피를 줄이고, 유지 보수 비용을 낮추며, 동작 신뢰성을 향상시키는 무정전 전원장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무정전 전원장치는 UPS 장치라고도 하며 계통의 상용 전원 및 발전기 전원의 변동시 부하에 일정한 전압 및 주파수를 부하 기기에 연속적으로 공급하며, 정전시에도 축전지 전원을 이용하여 지정된 시간 동안 전력을 연속적으로 유지 공급하는 장치를 말한다.
무정전 전원장치는 산업이 발전하면서 데이터의 손실이나 정보의 손실 등의 피해를 줄이고자 만들어진 장치이며 컴퓨터를 많이 사용하면서부터 시장성이나 변천 발전상은 날로 변화하여 전력전자회로 분야에서 여러 가지 많은 발전을 가져오는 계기를 제공하고 있다.
가장 일반적인 에너지 저장장치인 배터리는 비교적 작은 부피와 중량으로 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있고, 여러 용도에서 적당한 출력을 내줄 수 있기 때문에 널리 이용되고 있다. 그러나, 배터리는 종류에 무관하게 저장 특성 및 사이클 수명이 낮은 공통적인 단점이 있다. 이는 배터리에 내포되어 있는 화학물질의 자연적인 또는 사용에 따른 열화현상 때문이다.
또한, 기존의 배터리는 대용량의 에너지를 짧은 시간에 충전할 수 없으며, 충전 알고리즘에 의하여 전류원 충전에서 전압원 충전으로 제어를 해주어야 하는 등 충전시간과 방법에 있어서 불리하며, 무정전 동작시 20%의 얕은 방전을 해야 수명이 오래가고 80%의 깊은 방전은 그 수명을 짧게 만드는 등 무정전 전원 장치의 활용적인 측면에서 불리하다는 것은 분명하다. 또한, 발생할 수 있는 수 회에 걸친 연속적인 계통전원의 정전과 복전이라는 상황에서 절대적으로 불리할 수 밖에 없다.
일반적으로 배터리로 무정전 전원 장치의 에너지 저장장치를 구성할 경우 부피가 커지는 단점이 있다. 또한, 배터리는 자체의 Cycle Life(number for a speccific DOD)가 존재하기 때문에 대부분 배터리의 수명이 약 4년이며, 이로 인한 유지보수 비용 및 충·방전에 따른 발열, 낮은 충전효율 등이 문제가 될 수 있다.
한편, 저공해성, 저소음 등의 장점을 가지는 연료전지 스택은 온도와, 펌프와 밸브 등으로 구성되는 연료전달 시스템으로 인해 결정되는 시정수가 존재하여 기동을 하는데 시간이 걸린다.
대한민국공개특허공보 제10-2011-133118호, 발명의 명칭: 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법.
본 발명은 무정전 전원 장치의 부피를 줄이고, 유지 보수 비용을 낮추며, 동작 신뢰성을 향상시키기 위하여, 연료전지 스택의 무정전 전원 장치 적용시에 보조 에너지원으로서 슈퍼커패시터를 이용하는 무정전 전원 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치는, 계통전원과 절연시키고 AC/DC 정류기에 계통전원의 전압을 조정하여 조정된 전압을 공급하는 절연변압기와, 절연 변압기를 통해 계통전원의 에너지를 직류로 변환하여 슈퍼커패시터로 전달하는 AC/DC 정류기와, 연료전지 스택의 출력단에 위치하여 연료전지 스택 방향으로의 에너지 흐름을 막는 제1 다이오드와, 슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 AC/DC 정류기로 흐르지 않도록 막는 제2 다이오드와, 연료전지 스택 및 슈퍼커패시터와 연결되며, 계통전원의 상태에 따라 트랜스퍼 스위치의 연결을 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하고, 계통전원에 이상이 발생하면, 연료전지 스택의 출력 전류가 불안정한 연료전지 스택의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터에 저장된 전력을 부하로 공급하고, 연료전지 스택의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택의 전력을 부하로 공급하는 연료전지용 전력변환장치와, 트랜스퍼 스위치 제어 신호에 따라 계통전원과 부하를 연결하는 트랜스퍼 스위치를 포함한다.
슈퍼커패시터는, 연료전지 스택의 개방 전압 및 연료전지 스택의 출력전류에 따른 출력전압을 나타내는 그래프의 저항분극 영역의 하한 전압에 각각 대응하는 최대 만충 전압 및 최대 방전 전압을 가지고, 연료전지 스택의 초기 구동 시간을 고려하여 설계된다.
연료전지용 전력변환장치는 계통전원이 정상일 경우 트랜스퍼 스위치를 ‘온’상태로 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하며, 계통전원에 장애가 있을 경우 트랜스퍼 스위치를 '오프’상태로 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성한다.
연료전지용 전력변환장치는, 연료전지 스택의 출력 전압을 변환하여 컨버터 출력 전압을 출력하는 DC/DC 컨버터와, 컨버터 출력 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 전압 전달부와, DC/DC 컨버터의 동작을 제어하고, 계통전원의 계통 전압에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택으로 전달하여 연료전지 스택을 기동하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
연료전지용 전력변환장치는, 연료전지 스택의 출력 전류를 감지하는 전류 센서;를 더 포함하고, 제어부는 감지된 출력 전류 및 전류지령치 간의 차분 오차를 이용하여, 감지된 출력 전류를 조정하여 출력 전류에서 리플이 감소되도록 제어하는 제1 PWM 신호를 발생하고, 제1 PWM 신호를 DC/DC 컨버터에 입력한다.
연료전지용 전력변환장치는, 전압 전달부에 접속되어 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부와, 출력 전압 검출부에 연결되어 출력 전류를 감지하는 출력 전류 센서를 더 포함하고, 제어부는 검출된 출력 전압 및 출력 전류를 이용하여, 부하에 정전압과 정전류를 제공하도록 제2 PWM 신호를 발생하고, 제2 PWM 신호를 전압 전달부에 포함된 DC/AC 컨버터에 입력한다.
다른 측면에 따른 연료전지 스택 및 슈퍼 커패시터와 병렬로 연결된 연료전지용 전력변환장치를 포함하는 하이브리드 무정전 전원 장치의 동작 방법은, 연료전지용 전력변환장치가 정상 상태에서 부하로 전력을 공급하고 있는 계통전원의 계통 전압에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택으로 전달하여 연료전지 스택을 기동하는 단계와, 연료전지용 전력변환장치가 연료전지 스택의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터에 저장된 전력을 부하로 공급하는 단계와, 연료전지용 전력변환장치가 연료전지 스택의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택의 전력을 부하로 공급하는 단계를 포함한다.
하이브리드 무정전 전원 장치의 동작 방법은, 계통전압의 정상상태에서, 슈퍼커패시터는 계통전원의 전력을 전달받아 충전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료전지와 슈퍼커패시터를 하이브리드로 연결하고 감시 및 제어하므로 계통전원이 비정상적으로 공급되는 경우를 검출하여 정상레벨의 예비전원을 무순단으로 신속하게 출력할 수 있다.
계통의 정전상황이 발생했을 때 슈퍼커패시터의 전력을 이용하여 부하에 전력을 공급하므로, 정전에 따른 전력공급중단 상황을 짧은 시간내에 해소할 수 있고, 정전이 발생했을 때에도 연료전지가 콜드 스타트(cold start)로부터 정격출력까지 가는 시간을 슈퍼커패시터가 보장해주므로, 연료전지를 급속하게 운전하지 않고 정상적인 순서와 단계로 이루어지는 안전운전에 의하여 설정된 소정 레벨의 전압을 안전하게 발전할 수 있다. 이를 통해, 비교적 가격이 비싼 연료전지 스택을 보호하여 연료전지 스택의 운용의 안전성과 신뢰성이 확보되고 정상 수명을 유지할 수 있다.
또한, 연료전지를 효율적으로 운전하여 성능 또는 기능이 저하되지 않도록 하는 동시에 연료의 낭비를 줄이어 경제적으로 운용할 수 있다.
또한, 슈퍼커패시터를 이용함으로써 배터리 사용시 발생되는 성능 유지 및 보수를 위한 관리가 불필요해지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치(100)의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 3은 연료전지 스택의 출력 전류에 따른 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 연료전지용 전력변환장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
하이브리드 무정전 전원 장치(100)는 연료전지 스택(10) 및 슈퍼커패시터(20)를 이용하여, 계통전원(30)의 전압과 주파수를 구동전원으로 사용하는 부하(40)에 대해서 계통의 정전과 같은 장애에 관계없이 연속적으로 전원을 공급받을 수 있도록 동작하는 Standby UPS(Uninterruptible Power Supply) 장치이다. 무정전 전원 장치(100)는 계통의 정전 발생시 연료전지 스택(10)을 이용한 발전시스템으로 부하(40)에 전원을 공급하며, 슈퍼커패시터(20)를 보조 에너지 저장장치로 사용한다.
연료전지 스택(10)은 연료 탱크(도시되지 않음)으로부터 수소를 전달받아 산호와 화학반응시켜서 직류 전원으로 동작하여 직류 전압 및 직류 전류를 출력한다. 연료전지 스택(10)은 고체 고분자형 연류전지로 구성될 수 있고, 전해질막, 애노드, 캐소드, 세퍼레이터 등으로 구성되는 단셀(도시하지 않음)을 복층 적층한 스택 구조를 이룰 수 있다.
슈퍼커패시터(20)는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor) 또는 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)라고도 한다. 슈퍼커패시터(20)는 일반 커패시터보다 정전용량이 300배 이상 크며, 높은 충방전 효율을 가진 에너지 저장장치이다.
하이브리드 무정전 전원 장치(100)는 제1 다이오드(102), 제2 다이오드(104), AC/DC 정류기(110), 절연변압기(120), 계통 전압 검출부(130), 연료전지용 전력변환장치(140), 트랜스퍼 스위치(150)를 포함한다.
계통전원(30)이 정상상태이면 슈퍼커패시터(20)는 절연변압기(120)와 AC/DC 정류기(110), 제2 다이오드(104)를 통해 에너지를 저장하게 된다.
절연변압기(120)는 계통전원(30)과 슈퍼커패시터(20)를 전기적으로 절연시키기고 계통전원(30)의 전압 레벨을 조정하여 AC/DC 정류기(110)로 전달한다.
AC/DC 정류기(110)는 절연 변압기(120)에서 조정된 전압 레벨을 가지는 계통전원의 에너지를 직류로 변환하여 제2 다이오드(104)로 전달하는 충전기로서 동작한다. AC/DC 정류기(110)는 계통전원(30)이 정상상태이고, 슈퍼커패시터(20)가 만충상태가 아닌 조건을 둘 다 만족할 때 동작한다. AC/DC 정류기(110)는 AC인 계통 전압을 직류로 바꾸기 위한 정류부(도시되지 않음)와 필터(도시되지 않음)를 입력단에 포함하고 있으며, 정류된 DC 전력을 일정 범위만큼 강압하는 강압부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. AC/DC 정류기(110)에서 강압된 전압은 제2 다이오드(104)를 거쳐 슈퍼커패시터(20)에 저장된다.
제2 다이오드(104)는 AC/DC 정류기(110)에서 전달된 전압을 슈퍼커패시터(20)로 전달한다. 제2 다이오드(104)는 역전류를 방지하기 위한 것으로 슈퍼커패시터(20) 및 연료전지 스택(10)의 전류가 AC/DC 정류기(110) 방향으로 흐르지 못하게 한다.
계통전압 검출부(130)는 계통전원(30)의 계통전압을 측정한다. 연료전지용 전력변환장치(140)는 측정된 계통전압을 이용하여 계통전압의 동작을 판단한다. 계통전압 검출부(130)에서 센싱된 전압(Vs)은 연료전지용 전력변환장치(140)(또는 후술할 제어부(210))로 입력되어 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 통해 트랜스퍼 스위치(150)를 제어하게 된다.
연료전지 스택(10) 및 슈퍼 커패시터(20)는 연료전지용 전력변환장치(140)에 대하여 병렬로 연결된다. 연료전지용 전력변환장치(140)는 계통전원(30)에 이상이 발생하면, 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터(20)에 저장된 전원을 부하(40)로 공급하도록 동작한다. 또한, 연료전지용 전력변환장치(140)는 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터(20)에 저장된 전력을 부하(40)로 공급하고, 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택(10)의 전력을 부하(40)로 공급한다. 제1 다이오드(102)는 연료전지 스택(10)의 출력단에 위치하여 연료전지 스택(10) 방향으로의 에너지 흐름을 막는다.
트랜스퍼 스위치(150)는 연료전지용 전력변환장치(140)에 의해 온(on)/오프(off)가 제어되며, 트랜스퍼 스위치 제어 신호에 따라 계통전원(30)과 부하(40)를 연결하거나 연결을 끊는다. 연료전지용 전력변환장치(140)는 계통전원(30)이 정상일 경우 트랜스퍼 스위치(150)를 ‘온’상태로 제어하며, 그에 따라 부하(40)에는 계통전원(30)이 공급된다. 연료전지용 전력변환장치(140)는 계통전원(30)이 정전이나 과전압 등 장애가 있을 경우 트랜스퍼 스위치(150)를 '오프’상태로 제어한다.
계통전원(30)의 장애로 트랜스퍼 스위치(150)가 ‘오프’상태가 되는 경우에도, 부하(40)에 공급되는 전원은 연속적이어야 된다. 트랜스퍼 스위치(150)가 ‘오프’상태가 되는 경우, 연료전지 스택(10)이 기동하여 연료전지용 전력변환장치(140)를 통해 전원을 부하(40)로 공급한다.
연료전지 스택(10)은 직류 전원으로 동작하여 직류 전압 및 직류 전류를 출력한다. 연료전지용 전력변환장치(140)는 연료전지 스택(10)으로부터 입력되는 직류 전력을 입력받아 발전시스템의 운전상 최종 생성물의 하나인 AC 전력을 안정적으로 생산한다.
연료전지 스택(10)의 경우 약 5~10초 가량의 기동시간이 필요한데 그 동안 부하(40)에 공급되어야 하는 전원은 슈퍼커패시터(20)에 저장되어 있는 에너지를 이용한다. 이때, 제1 다이오드(102) 및 제2 다이오드(104)는 슈퍼커패시터(20)의 방전 전류가 연료전지 스택(10)이나 계통전원(30)으로 흐르는 것을 방지한다.
일반적으로 배터리로 UPS의 에너지 저장장치를 구성할 경우 장시간 정전을 극복하기 위해서는 부피가 커지는 단점이 있다. 또한 배터리는 자체의 Cycle Life(number for a specific DOD)가 존재하기 때문에 대부분 배터리의 수명이 약 4년이며, 이로 인한 유지보수 비용 및 충·방전에 따른 발열, 낮은 충전효율 등이 문제가 될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따라, 배터리 대신에 연료전지 스택(10)을 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 또한, 정상상태에서 정전과 같은 장애상태로 변할 때 연료전지 스택(10)이 기동하는 초기 구동시간(예를 들어, 5초~10초)동안의 전원극복을 위한 보조 에너지 저장장치로서 슈퍼커패시터(20)를 사용함으로써 기존의 배터리보다 높은 충방전율 및 보조 에너지 저장장치로서의 수명이 증대되는 장점이 있으므로, 안정적으로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원시스템을 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치(100)의 동작을 나타내는 그래프이다.
Vac는 계통전원(30)의 계통전압이고, Vload는 부하(40)에 인가되는 전압이다.
[t0~t1]은 계통전원(30)의 정상상태 구간이며 t1의 시간에서 계통의 정전이 발생한다. 계통전압 검출부(130)는 정전을 검출하며 연료전지용 전력변환장치(140)(즉, 후술할 연료전지용 전력변환장치(140) 제어부(210))로 검출된 계통전압(Vac)를 전달하고, 연료전지용 전력변환장치(140)는 트랜스퍼 스위치(150)가 열리도록 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 트랜스퍼 스위치(150)로 전달한다.
따라서, t1의 시간에서 계통전원(30)과 부하(40)를 연결해주는 트랜스퍼 스위치(150)는 열리며, 연료전지용 전력변환장치(140)가 연료전지 스택(10)의 기동을 명령하는 연료전지 기동명령을 발생하고, 슈퍼커패시터(20)의 전력을 부하(40)로 전달한다. 한편, 연료전지 스택(10)의 경우 기동을 명령하더라도 실제 기동을 하여 정격출력까지 낼 수 있기 위한 시간이 걸리기 때문에 [t1~t2]구간에서 슈퍼커패시터(20)에서의 전력만 부하(40)로 전달된다.
[t2~t3]구간은 연료전지 스택(10)이 기동하는 과도상태로 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)이 점차 상승하고 있다. 그러나, 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)과 비교했을 때 그 크기가 작기 때문에 부하(40)로 전류가 흐르지 않는다. 이것은 연료전지 스택(10)이 부하 없이 기동하는 것과 같다.
[t3~t4]구간은 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)이 방전하고 있는 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)과 비슷해지는 구간이다. 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)이 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)보다 커지면 연료전지 스택(10)은 전류를 출력할 것이다. 그러나, 연료전지 스택(10)의 출력전력이 작기 때문에 금방 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)은 떨어질 것이며, 다시 슈퍼커패시터(20)에서 전류(Isc)가 부하(40)로 흐르게 된다. 이를 반복하며, 연료전지 스택(10)과 슈퍼커패시터(20)에서 분담하여 부하(40)로 전력을 전달하게 된다. t3에서 t4로 갈수록 연료전지 스택(10)의 출력전력은 점점 상승하게 되고, 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)이 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)보다 커졌을 때 좀 더 많은 전류를 부하(40)로 흘려보낼 수 있게 된다. 또한, 이때의 슈퍼커패시터(20) 전압(Vsc)의 하강기울기는 [t2~t3] 구간보다 약간 낮아진다.
[t4~] 구간에서는 연료전지 스택(10)의 출력전력이 부하(40)를 감당할 수 있을 정도로 커지고 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc)이 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)보다 커서, 연료전지 스택(10)에서만 부하(40)로 전력을 공급하게 된다.
이와 같이, 연료전지용 전력변환장치(140)는 계통전원(30)에 이상이 발생하면, 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간(t1 내지 t4) 동안 슈퍼커패시터(20)에 저장된 전원을 부하(40)로 공급하도록 동작할 수 있으므로, 기존의 인버터 및 컨버터와 배터리로 구성된 무정전 전원 시스템에서 가지고 있는 단점인 배터리의 짧은 수명으로 인한 높은 유지보수 비용을 해결하고, 무정전 전원 시스템의 부피를 감소시킬 수 있다. 더불어 배터리보다 높은 최대 연속 방전 전류(Maximum Continuous Discharge Current) 및 최대 30초 방전 펄스 전류(Maximum 30-sec Discharge Pulse Current)를 출력할 수 있는 장치로 대체함으로써 연료전지 스택의 수명을 보장할 수 있다.
도 3은 연료전지 스택(10)의 출력 전류에 따른 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3의 연료전지 스택(10)의 출력전류(Ifc)에 따른 출력전압(Vfc)의 변화를 나타내는 그래프를 고려하여, 도 1의 슈퍼커패시터(20)의 용량을 설계할 수 있다.
도 3의 그래프는 전체적으로 연료전지 스택(10)의 출력전류가 증가할수록 출력전압은 감소함을 나타낸다. 그래프는, 연료전지 스택(10)의 출력 전류(Ifc)에 따른 출력 전압(Vfc)에 따라 활성분극 영역(Activation region), 저항분극(Ohomic region), 농도분극 영역(Mass transport region) 영역으로 나눌 수 있다. 저항분극 영역에서는 다른 영역에 비하여 출력전류(Ifc)에 따른 출력전압(Vfc)의 기울기가 완만하고 1차 함수로 나타난다.
슈퍼커패시터(20)는, 연료전지 스택(10)의 최대 출력 전압인 개방 전압(Voc) 및 저항분극 영역의 하한 전압에 각각 대응하는 최대 만충 전압 및 최대 방전 전압을 가지고, 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간을 고려하여 설계될 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택(10)의 최대 출력 전압인 개방 전압(Voc)이 36[V]이고, 저항분극 영역의 하한 전압이 20[V]인 경우, 슈퍼커패시터(20)의 만충시의 전압은 36 [V]이며 최대 방전시의 전압은 20 [V]가 된다.
예를 들어, 슈퍼커패시터(20)의 방전시간을 10초라 하고 그 시간만큼 부하(40)가 유효전력 1[kW]로 전력을 소비하는 경우, 부하(40)가 사용하는 에너지 량은 수학식 1과 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012076751340-pat00001
[수학식 2]
Figure 112012076751340-pat00002
따라서, 부하(40)가 10초동안 운전을 하는데 필요한 에너지의 양은 10,000 [J]이 된다. 슈퍼커패시터(20)가 최대 방전했을 때의 전압과 부하(40)가 필요한 에너지 량을 바탕으로 슈퍼커패시터(20)의 용량을 구할 수 있으며 수학식 3과 같이 구한다.
[수학식 3]
Figure 112012076751340-pat00003
?
여기서, V1은 슈퍼커패시터(20)의 만충시의 전압이고 V2는 슈퍼커패시터(20)의 최대 방전시의 전압이다. 전술한 바와 같이, 만충시 전압이 36V이면, 만충시의 슈퍼커패시터(20)의 에너지는 약 14464 [J]이고, 최대 방전시 전압이 20V이면, 최대 방전시의 슈퍼커패시터(20)의 에너지는 약 4464 [J]이 나온다. 부하(40)가 10초동안 운전을 하는데 필요한 에너지의 양인 10,000 [J]를 슈퍼커패시터(20)의 에너지(Ebess)에 적용하면, 슈퍼커패시터(20)의 용량은 22.32[F]이 된다. 따라서, 최대 10초 동안 1 [kW]의 부하(40)를 동작시키기 위한 슈퍼커패시터(20)의 사양은 36 [V]이상이고 용량은 22.32[F]이상이 되도록 설계를 해야한다.
연료전지 스택(10)이 기동하여 정격출력까지 내는 시간 이후부터는 연료전지 스택(10)의 완전히 기동을 한 상태이므로 연료전지 스택(10)으로부터 연료전지용 전력변환장치(140)를 거쳐 부하(40)에 전력을 공급한다.
도 4는 도 1의 연료전지용 전력변환장치(140)의 구성의 일 예를 나타내는 블록도이다.
연료전지용 전력변환장치(140)의 입력단(50)에는 도 1의 연료전지 스택(10)의 출력단과 슈퍼커패시터(20)가 연결된다. 연료전지용 전력변환장치(140)의 입력단(50)의 전압(Vin)은 연료전지 스택(10)의 출력전압(Vfc) 또는 슈퍼커패시터(20)의 전압(Vsc)가 될 수 있다. 연료전지용 전력변환장치(140)의 입력단(50)의 전류(Iin)는 연료전지 스택(10)의 출력전류(Ifc) 또는 슈퍼커패시터(20)의 전류(Isc)가 될 수 있다. 연료전지용 전력변환장치(140)의 출력단(56)은 도 1의 부하(40) 및 트랜스퍼 스위치(150)가 연결된다.
연료전지용 전력변환장치(140)는 전류센서(205), 연료전지용 전력변환장치 제어부(210, 이하에서 '제어부'라 함), DC/DC 컨버터(220), DC 링크(230), DC/AC 인버터(240), 고조파 필터(250) 및 출력전압 검출부(260)를 포함한다.
전류센서(205)는 연료전지 스택(10)과 DC/DC 컨버터(220)의 사이에 (+)측에 직렬로 연결된다. 전류센서(205)는 연료전지 스택(10)의 출력 전류(Ifc)를 감지하여, 출력 전류(Ifc)의 직류 전류의 크기를 측정할 수 있다. 전류센서(205)에서 측정된 출력 전류(Ifc)의 크기는 제어부(210)로 입력된다.
제어부(210)는 연료전지용 전력변환장치(140) 전체 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(210)는 도 1의 계통 전압 검출부(130)에 의해 검출되는 계통전원(30)의 계통 전압(Vs)에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택(10)에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택(10)으로 전달하여 연료전지 스택(10)을 기동하도록 제어할 수 있다. 제어부(210)는 외부의 상위 시스템(도시되지 않음)으로부터 연료전지용 전력변환장치(140)의 기동과 정지에 대한 신호를 수신하여 연료전지용 전력 변환 장치(140)를 동작을 제어할 수도 있다.
또한, 제어부(210)는 상위 시스템으로부터 연료전지 스택(10)의 출력 전류(Ifc)의 지령값으로서 전류 지령치(Ifc*)를 수신할 수 있다. 전류 지령치(Ifc*)는 연료전지 스택(10)의 출력 전류(Ifc)의 기준 전류값으로서, 출력 전류(Ifc)에 발생되는 리플이 없는 상태의 전류이며, 출력 전류(Ifc)의 크기(또는 스케일)가 다른 값이 클 수 있다.
제어부(210)는 DC/DC 컨버터(220) 및 DC/AC 인버터(240)를 PWM 제어를 통해 제어할 수 있다. 제어부(210)는 계통전원(30)이 정전 등 장애발생시 DC/DC 컨버터(220) 및 DC/AC 인버터(240)가 동작하도록 제어한다. 또한, 제어부(210)는 계통전압 검출부(130)에서 센싱된 전압(Vs)을 입력받아 트랜스퍼 스위치 제어 신호(202)를 생성하여, 트랜스퍼 스위치(150)를 제어하게 된다.
DC/DC 컨버터(220)는 임의의 직류 전원을 부하(40)가 요구하는 형태의 직류 전원으로 변환시키는 전력변환기이다. 도 4를 참조하면, DC/DC 컨버터(220)는 저전압의 직류전원을 고전압의 직류전원으로 변환하여, 저전압인 연료 전지 스택(10)의 출력이 고전압의 연료전지용 전력변환장치(140)의 출력전압이 되도록 처리한다. 이하에서, DC/DC 컨버터(220)의 출력 전압(Vdc)을 컨버터 출력 전압(Vdc)이라고 한다.
DC 링크(230)는 DC/DC 컨버터(220)의 출력된 에너지를 저장한다. DC 링크(230)는 DC/DC 컨버터(220)의 컨버터 출력 전압(Vdc)의 리플을 줄이도록 구성될 수 있다.
DC/AC 인버터(240)는 직류전압(또는 직류 전류)을 교류 전압(또는 교류 전류)로 변환하며, 평균 전력을 직류 전력으로부터 교류 전력으로 변환하여 전달하는 전력변환기이다. DC/AC 인버터(240)가 계통연계형 인버터일 경우에는 DC 링크(230)에 저장된 고전압의 에너지를 계통 전압에 맞도록 변환하여 출력하고, 독립운전형 인버터일 경우에는 DC 링크(230)에 저장된 고전압의 에너지를 부하(40)의 전압 사양에 맞게 변환하여 출력할 수 있다.
고조파 필터(250)는 DC/AC 인버터(240)에서 발생하는 고조파가 연료전지용 전력변환 장치(140)의 출력으로 나가는 것을 감소시켜준다. 고조파 필터(250)는 인덕터(도시되지 않음) 및 커패시터(도시되지 않음)로 구성될 수 있다. DC/AC 인버터(240)에서 출력측 역률제어를 할 수 있다.
DC 링크(230), DC/AC 인버터(240) 및 고조파 필터(250)는 컨버터 출력 전압(Vdc)을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 전압 전달부라고 부를 수 있다.
한편, 출력 전류(Ifc)에 소정의 리플이 발생되면, 연료전지 스택(10)의 최대 출력전력이 원래 스택의 정격출력보다 낮게 만들고, 연료전지 스택(10)의 단자전압을 왜곡시킬 수 있다. 연료전지 스택(10)의 출력 전류(Ifc)에 발생되는 리플은 연료전지 스택(10)의 출력전력을 감소시키므로 연료전지 스택(10)의 성능과 수명에 악영향을 미치게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 제어부(210)는 전류 센서(205)에서 연료 전지의 출력 전류(Ifc)의 리플을 최소화하도록 동작할 수 있다. 제어부(210)는 전류 센서(205)에서 감지된 출력 전류(Ifc)의 크기를 전류 지령치(Ifc*)를 바탕으로 처리할 수 있다.
제어부(210)는 감지된 출력 전류(Ifc) 및 전류지령치(Ifc*) 간의 차분 오차를 이용하여, 감지된 출력 전류(Ifc)를 조정하여 출력 전류(Ifc)에서 리플을 감소시키도록 제1 PWM 신호를 발생하고, 제1 PWM 신호를 DC/DC 컨버터(220)에 입력할 수 있다. 그러면, DC/DC 컨버터(220)는 제1 PWM 신호에 따라 컨버터 출력 전압(Vdc)을 출력할 수 있고, 출력 전류(Ifc)에서 리플 신호가 감소 또는 제거되도록 할 수 있다. 즉, 이와 같은, 제어부(210)의 동작에 의하여, 리플이 발생할 수 있는 출력 전류(Ifc)는 리플이 저감 또는 제거되도록 제어될 수 있다.
감지된 출력 전류(Ifc) 및 전류지령치(Ifc*) 간의 차분 오차를 구할 때, 제어부(210)는 직류 전류 센서(205)로부터 감지된 출력 전류 값(Ifc)을 직접 이용하는 대신에, 직류 전류 센서(205)로부터 감지된 출력 전류 값(Ifc)을 수신할 때마다 저역 통과 필터링을 수행하여 처리된 전류 값을 이용할 수 있다. 실제 감지되는 전류 값에는 외란 등에 의한 고주파의 리플이 섞일 수 있어서, 제어부(210)의 샘플링 주파수보다 높은 주파수의 리플을 가지고 있는 감지 값을 직접 사용하게 되면, 에일리어싱 효과로 인해 정확한 값을 얻을 수 없기 때문이다. 설명의 편의를 위하여, 감지된 출력 전류(Ifc)는 저역 통과 필터링된 출력 전류도 포함하여 나타내는 것으로 설명한다.
이와 같이, 연료전지용 전력변환장치(140)는 전류센서(205)를 통해 출력 전류(Ifc)를 감지한 후, 전류지령치(Ifc*)와의 오차를 계산하고, 이 오차에 기초하여 제어부(210)에 포함되는 비례 적분 제어기를 통해 입력전류의 리플을 최소화한다. 이를 통해 연료전지 스택(10)의 성능의 향상 및 보다 긴 수명을 확보할 수 있으며, 결과적으로 연료전지 스택(10)의 가격 절감을 기대할 수 있다.
또한, 제어부(210)는 출력전압 검출부(260)에서 검출된 출력전압(Vout)과 출력측 전류센서(270)에서 감지된 출력전류(Iout)을 입력받아, DC/AC 인버터(240)에 대한 제2 PWM 신호를 생성하고, DC/AC 인버터(240)로 발생된 제2 PWM 신호를 전달하여, 부하(40)에 정전압과 정주파수를 공급하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무정전 전원 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 계통 전원(30)이 정상 상태이면(510), 계통 전원(30)은 부하(40)로 전력을 공급하고, 슈퍼 커패시터(20)를 충전한다(505). 연료전지용 전력변환장치(140)는, 계통전원(30)의 계통 전압에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택(10)에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택(10)으로 전달하여 연료전지 스택(10)을 기동한다(520).
연료전지용 전력변환장치(140)는, 연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터(20)에 저장된 전력을 부하로 공급한다(530).
연료전지 스택(10)의 초기 구동 시간이 경과하면(540), 연료전지용 전력변환장치는(140), 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택(10)의 전력을 부하(40)로 공급한다(550). 이후, 단계 510으로 되돌아가는 것으로 도시되어 있으나, 연료전지용 전력변환장치(140)는 주기적으로 계통전원의 비정상 여부를 확인할 수 있다.
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, 광 디스크 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.
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.
10: 연료전지 스택 20: 슈퍼커패시터
30: 계통전원 40: 부하
102: 제1 다이오드 104: 제2 다이오드
110: AC/DC 정류기 120: 절연 변압기
130: 계통전압 검출부 140: 연료전지용 전력변환장치

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 계통전원과 절연시키고 AC/DC 정류기에 계통전원의 전압을 조정하여 조정된 전압을 공급하는 절연 변압기;
    상기 절연 변압기를 통해 상기 계통전원의 에너지를 직류로 변환하여 슈퍼커패시터로 전달하는 AC/DC 정류기;
    연료전지 스택의 출력단에 위치하여 연료전지 스택 방향으로의 에너지 흐름을 막는 제1 다이오드;
    슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 AC/DC 정류기로 흐르지 않도록 막는 제2 다이오드;
    연료전지 스택 및 슈퍼커패시터와 연결되며, 계통전원의 상태에 따라 트랜스퍼 스위치의 연결을 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하고, 계통전원에 이상이 발생하면, 연료전지 스택의 출력 전류가 불안정한 연료전지 스택의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터에 저장된 전력을 부하로 공급하고, 연료전지 스택의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택의 전력을 부하로 공급하는 연료전지용 전력변환장치; 및
    상기 트랜스퍼 스위치 제어 신호에 따라 계통전원과 부하를 연결하는 트랜스퍼 스위치; 를 포함하며,
    상기 연료전지용 전력변환장치는,
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 변환하여 컨버터 출력 전압을 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 컨버터 출력 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 전압 전달부;
    상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하고, 계통전원의 계통 전압에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택으로 전달하여 연료전지 스택을 기동하도록 제어하는 제어부; 및
    연료전지 스택의 출력 전류를 감지하는 전류 센서;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 감지된 출력 전류 및 전류지령치 간의 차분 오차를 이용하여, 상기 감지된 출력 전류를 조정하여 상기 출력 전류에서 리플이 감소되도록 제어하는 제1 PWM 신호를 발생하고, 상기 제1 PWM 신호를 상기 DC/DC 컨버터에 입력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무정전 전원 장치.
  6. 계통전원과 절연시키고 AC/DC 정류기에 계통전원의 전압을 조정하여 조정된 전압을 공급하는 절연 변압기;
    상기 절연 변압기를 통해 상기 계통전원의 에너지를 직류로 변환하여 슈퍼커패시터로 전달하는 AC/DC 정류기;
    연료전지 스택의 출력단에 위치하여 연료전지 스택 방향으로의 에너지 흐름을 막는 제1 다이오드;
    슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 AC/DC 정류기로 흐르지 않도록 막는 제2 다이오드;
    연료전지 스택 및 슈퍼커패시터와 연결되며, 계통전원의 상태에 따라 트랜스퍼 스위치의 연결을 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하고, 계통전원에 이상이 발생하면, 연료전지 스택의 출력 전류가 불안정한 연료전지 스택의 초기 구동 시간 동안 슈퍼커패시터에 저장된 전력을 부하로 공급하고, 연료전지 스택의 초기 구동 시간 이후에 연료전지 스택의 전력을 부하로 공급하는 연료전지용 전력변환장치; 및
    상기 트랜스퍼 스위치 제어 신호에 따라 계통전원과 부하를 연결하는 트랜스퍼 스위치; 를 포함하며,
    상기 연료전지용 전력변환장치는,
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 변환하여 컨버터 출력 전압을 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 컨버터 출력 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 전압 전달부;
    상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하고, 계통전원의 계통 전압에 이상이 발생된 것으로 결정되는 경우, 연료전지 스택에 대한 동작을 명령하는 기동 명령을 연료전지 스택으로 전달하여 연료전지 스택을 기동하도록 제어하는 제어부;
    상기 전압 전달부에 접속되어 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부; 및
    상기 출력 전압 검출부에 연결되어 출력 전류를 감지하는 출력 전류 센서;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 검출된 출력 전압 및 출력 전류를 이용하여, 상기 부하에 정전압과 정전류를 제공하도록 제2 PWM 신호를 발생하고, 제2 PWM 신호를 상기 상기 전압 전달부에 포함된 DC/AC 컨버터에 입력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무정전 전원 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터는, 연료전지 스택의 개방 전압 및 연료전지 스택의 출력전류에 따른 출력전압을 나타내는 그래프의 저항분극 영역의 하한 전압에 각각 대응하는 최대 만충 전압 및 최대 방전 전압을 가지고, 상기 연료전지 스택의 초기 구동 시간을 고려하여 설계된 것을 특징으로 하는 하이브리드 무정전 전원 장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 연료전지용 전력변환장치는, 계통전원이 정상일 경우 트랜스퍼 스위치를 온상태로 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하며, 계통전원에 장애가 있을 경우 트랜스퍼 스위치를 '오프상태로 제어하는 트랜스퍼 스위치 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 무정전 전원 장치.

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