KR101926008B1 - A control and operating method of power converter for power supply of hydrogen electrolytic device using solar energy - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a control and operation method of a power converter for power supply of a hydrogen electrolytic device using solar light, which converts input power of a solar power generation part by using a DC/DC converter so as to control power supply to at least two water electrolysis devices which are connected in parallel. The method comprises: a step (a1) of receiving a current voltage and current of the solar power generation part; a step (a2) of primarily, setting each case to a power point state according to a result of combination of whether a power increment is negative or positive and whether a voltage increment is negative or positive, and secondarily, setting the power point state according a result of combination of whether the power increment is negative or positive and whether the voltage increment is negative or positive and the previously-set power point state, and increasing or decreasing the reference voltage according to each power point state; a step (a3) of generating a PWM control signal of the DC/DC converter through proportional integral (PI) control according to the increased or decreased reference voltage; and a step (b) of controlling power supply by turning on/off a part of the least two water electrolysis devices according to the magnitude of power output to the water electrolysis device. With the above system, the steps of a conventional P&O method are subdivided to improve the response of the power converter even when generated power fluctuation is very large, and the water electrolysis devices connected in parallel to each other are selectively turned on/off according to the generated power so as to prevent deterioration due to overvoltage and maximize the use of surplus power.

Description

태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법 { A control and operating method of power converter for power supply of hydrogen electrolytic device using solar energy }TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a control method for a power converter for power supply of a hydrogen electrolytic device using solar light,

본 발명은 태양광을 이용하여 물을 전기분해하되, 태양광에서 생성된 전기 에너지를 일조량 및 온도에 따른 전력 변동에 대응하기 위해, 필요한 개선된 P&O 제어 기능을 DC/DC 컨버터에 내장하고, 부하 용량에 따른 태양광의 일정 발전량 이하가 되면 사용하지 못하는 잉여 전력을 최대로 활용하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 관한 것이다.In the present invention, water is electrolyzed by using sunlight, and the improved P & O control function required to cope with the fluctuation of electric power generated by the sunlight according to the amount of sunshine and temperature is incorporated in the DC / DC converter, And more particularly, to a control method and an operation method of a power converter for power supply of a hydrogen electrolysis apparatus using solar light, which maximizes surplus power that can not be used when the solar power is below a certain power generation amount depending on the capacity.

지구온난화로 인한 환경 문제로 지구 평균 온도를 2℃ 이상 상승하지 않도록 기후 협정을 통하여 온실가스 감축 목표를 세우고 이행하고 있다. 이를 위해서 화학 원료의 사용을 줄이고 신재생에너지를 확대하는 방안으로 온실가스 감축을 위해 노력을 하고 있다.We are establishing and implementing greenhouse gas reduction targets through climate agreements so that the global average temperature does not rise above 2 ℃ due to environmental problems caused by global warming. To this end, we are making efforts to reduce greenhouse gas emissions by reducing the use of chemical raw materials and expanding renewable energy sources.

대표적인 신재생 에너지로 태양광과 풍력이 있지만, 전력 생산량이 일정하지 않고, 필요로 하는 발전량에 따라 많은 설치 면적이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한, 생산되는 전력을 전력변환기인 DC/AC 인버터를 통하여 전력 계통과 연계하는 방식으로 사용하여 신재생 에너지의 활용 면에서 많은 비중을 차지하고 있다. 그런데 이 인버터의 동작 전압 범위 제한 및 불규칙한 전력 생산으로 인해 발전량은 제한적일 수밖에 없다.Solar power and wind power are representative renewable energy, but the power generation amount is not constant, and there is a disadvantage that a large installation area is required according to the required power generation amount. In addition, the generated power is used in a way that is linked with the power system through the DC / AC inverter, which is a power converter, and it takes up a great deal of use of renewable energy. However, due to the limitation of the operating voltage range of this inverter and irregular power generation, the amount of power generation is limited.

한편, 화석연료를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 수소를 생산하는 기술이 부각되고 있고, 많은 기술이 개발되고 있다. 현재 수소를 생산하는 방법은 크게 석탄, 천연가스 및 석유와 같은 화석 원료로 생산되는 방식과, 바이오, 태양광 및 풍력 등과 같은 신재생 에너지나 원자력 열원을 사용하여 생산하는 방식이 있다.On the other hand, as a clean energy source capable of replacing fossil fuels, a technology for producing hydrogen has been highlighted, and many technologies have been developed. Currently, hydrogen production is largely based on fossil raw materials such as coal, natural gas and petroleum, and renewable energy such as bio, solar and wind power, and nuclear power.

수소를 생산하는 기술에서 수전해 장치는 핵심적인 기술로서 매우 중요하다. 수전해 장치는 전기에너지를 사용하여 수소를 생산해야 하나, 경제적인 측면에서 전기 에너지의 비용이 높아 많이 활용되지 못하고 있다. 경제적인 측면에서 본다면, 화석 원료인 천연가스를 개질기를 통해서, 수소를 생산하는 것이 가장 적합하다고 할 수 있다. 그러나 천연가스는 직접적인 에너지원으로 사용할 수 있기 때문에, 보다 경제적인 다른 방법이 필요하다.In the technology of producing hydrogen, the electrolytic device is very important as a core technology. The water electrolytic unit is required to produce hydrogen by using electric energy, but the electric energy cost is high from the economic point of view. From an economic point of view, it is most appropriate to produce hydrogen through a reformer, a natural gas that is a fossil raw material. However, since natural gas can be used as a direct energy source, other, more economical methods are needed.

수소를 생산하는 기술은 크게 저온 수전해 기술인 알카라인(Alkaline Electrolysis: AE) 수전해와, 고체고분자전해질(Polymer Electrolyte Membrane: PEM) 수전해로 구분된다. 또한, 고체산화물을 이용한 고온수증기 전해(High Temperature Electrolysis: HTE) 기술로 구분된다. Hydrogen production technologies are largely divided into the electrolysis of alkaline (AE) electrolysis, which is a cold water electrolysis technique, and the electrolysis of a solid polymer electrolyte membrane (PEM). Also, it is classified into High Temperature Electrolysis (HTE) technology using a solid oxide.

상기 수전해 기술은 방식에 따라 장, 단점을 가지고 있다. 알카라인 방식은 고분자전해질 방식보다 전류 밀도가 낮아 많은 전기 에너지를 필요로 한다는 단점이 있고, 고분자전해질 방식은 백금 또는 이리듐과 같은 고가의 촉매를 사용해야 하는 단점이 있다. 그러나 향후 가격 및 성능 경쟁에서 고분자전해질 방식이 유리하게 될 전망으로 예측되고 있어, 고분자전해질 방식을 이용한 기술이 개발되고 있다.The power-receiving technique has advantages and disadvantages depending on the method. The alkaline method has a disadvantage in that it requires a lot of electric energy because the current density is lower than that of the polymer electrolyte method, and the polymer electrolyte method has a disadvantage in that an expensive catalyst such as platinum or iridium is used. However, it is predicted that the polymer electrolyte method will be advantageous in the price and performance competition in the future, and the technology using the polymer electrolyte method is being developed.

따라서 전기에너지를 적게 사용하면서 에너지원인 수소를 얻기 위한 기술이 필요하다. 특히, 단순 설치에 대한 비용만 고려할 것이 아니라 사회적인 비용을 고려한다면, 발전 출력이 일정하지 않은 신재생 에너지를 사용해야 할 것이다. 이를 위해, 수전해 장치의 수명 및 수소 생산에 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로, 직류 출력을 가지는 신재생 에너지의 발전 출력에 따라 부하인 수전해 장치에 전원을 공급하고 수소의 생산량을 최대화 할 수 있어야 한다.Therefore, there is a need for techniques for obtaining hydrogen as energy source while using less electrical energy. In particular, considering the cost of a simple installation, as well as the social cost, it is necessary to use renewable energy with a constant power output. To this end, it is necessary to supply power to the water electrolyzer, which is a load, in accordance with the generation output of renewable energy having a direct current output, and to maximize the production amount of hydrogen, since it can directly affect the lifetime of the electrolyzer and the hydrogen production .

특히, 태양광 에너지를 이용하여 수소를 얻기 위해서는 불규칙한 에너지량으로부터 최대 전력을 추출하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 이러한 태양광 에너지를 이용하여 수소를 생산하는 기술들이 제시되고 있다[특허문헌 2,3].In particular, in order to obtain hydrogen using solar energy, a technique of extracting maximum power from an irregular energy amount has been proposed [Patent Document 1]. Technologies for producing hydrogen using such solar energy have been proposed [Patent Literatures 2 and 3].

한국공개특허공보 제10-2012-0027782호(2012.03.22.공개)Korean Published Patent Application No. 10-2012-0027782 (published on March 22, 2012) 한국공개특허공보 제10-2006-0131580호(2006.12.20.공개)Korean Patent Publication No. 10-2006-0131580 (published on December 20, 2006) 한국등록특허공보 제10-0806168호(2008.02.21.공고)Korean Patent Registration No. 10-0806168 (issued Feb. 21, 2008)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양광에서 생성된 전기 에너지를 일조량 및 온도에 따른 전력 변동에 대응하기 위해, 필요한 개선된 P&O 제어 기능을 DC/DC 컨버터에 내장하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an improved P & O control function incorporated in a DC / DC converter in order to cope with fluctuation of electric power generated by sunlight, And a method of controlling and operating a power converter for supplying power to a hydrogen electrolysis apparatus using sunlight.

또한, 본 발명의 목적은 다수의 수전해 장치를 병렬로 연결하고 각각을 온/오프 하는 스위치부를 구비하여, 태양광 발전의 발전량에 따라 수전해 장치의 일부에 발전 전력을 공급하거나 차단하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a solar power generation system having a switch section for connecting a plurality of power receiving devices in parallel and turning on and off each of them, And to provide a method of controlling and operating a power converter for supplying power to a hydrogen electrolysis apparatus using light.

특히, 본 발명의 목적은 다수의 수전해 장치를 병렬 연결하되, 선택적으로 온/오프 하여, 각 수전해 장치가 필요로 하는 최소 전압과 과전압 이하의 최대 전압을 설정하고, 이러한 최소 및 최대 전압 범위 내에서 수전해 장치에 전력을 공급하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 제공하는 것이다.Particularly, an object of the present invention is to set a minimum voltage required by each of the water electrolytic apparatuses and a maximum voltage not exceeding an overvoltage by parallelly connecting a plurality of electrolytic water electrolysis apparatuses, And to provide a method of controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using solar light, which supplies electric power to a water electrolytic solution in the electrolytic cell.

또한, 본 발명의 목적은 각각의 수전해 장치의 동작 시간을 누적 카운팅하여, 수전해 장치를 교차 운전하도록 제어하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a method and apparatus for controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using sunlight, the operation time of each of the water electrolysis apparatuses being cumulatively counted to control crossing operation of the water electrolysis apparatus .

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양광 발전부의 입력 전력을 DC/DC 컨버터로 변환하여, 병렬로 연결된 적어도 2개의 수전해 장치들로 공급하는 것을 제어하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 관한 것으로서, (a1) 상기 태양광 발전부의 현재 전압 및 전류를 입력받는 단계; (a2) 최초에는 전력 증분이 음인지 양인지 여부와, 전압 증분이 음인지 양인지의 여부의 조합 결과에 따라 각각의 경우를 전력점 상태로 설정하고, 최초 이후에는 전력 증분이 음인지 양인지 여부와, 전압 증분이 음인지 양인지의 여부의 조합 결과와, 이전에 설정된 전력점 상태에 따라 전력점 상태를 설정하고, 각 전력점 상태에 따라 레퍼런스 전압을 증감하는 단계; (a3) 증감된 레퍼런스 전압에 따라 PI(비례적분) 제어를 통해 DC/DC 컨버터의 PWM 제어신호를 생성하는 단계; 및, (b) 수전해 장치로 출력되는 전력의 크기에 따라 적어도 2개의 수전해 장치들 중 일부를 온/오프 하여 전원 공급을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a solar-powered hydrogen-electrolysis apparatus power source for controlling the supply of solar power to at least two water electrolysis devices connected in parallel by converting the input power of the solar power generator into a DC / (A1) receiving a current voltage and a current of the solar power generation unit; (a2) First, each case is set to the power point state according to the result of whether or not the power increment is negative or positive and whether or not the voltage increment is negative or negative. After the initial power increment is negative or positive Setting a power point state according to a previously set power point state and increasing or decreasing a reference voltage according to each power point state; (a3) generating a PWM control signal of the DC / DC converter through PI (proportional integral) control according to the increased or decreased reference voltage; And (b) controlling power supply by turning on / off at least a part of at least two power receiving units according to the magnitude of power output to the power receiving unit.

또한, 본 발명은 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 있어서, 상기 (a2)단계에서, 상기 전력 증분이 음이고 상기 전압 증분이 음인 경우 전력점 상태(state)를 제4 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 음이고 상기 전압 증분이 양인 경우 전력점 상태(state)를 제3 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 음인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 제2 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 양인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 제1 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 음인 경우 최초 이후에는 상기 전력점 상태가 제1, 제4, 제6 상태이면 상기 전력점 상태를 제6 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 상기 전력점 상태(state)를 제2 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 양인 경우 최초 이후에는 상기 전력점 상태가 제2, 제3, 제5 상태이면 상기 전력점 상태를 제5 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 상기 전력점 상태(state)를 제1 상태로 설정하고, 상기 전력점 상태가 제1, 제4, 제6 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전압을 감소시키고, 상기 전력점 상태가 제2, 제3, 제5 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전압을 증가시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method of controlling and operating a power converter for supplying power to a hydrogen electrolysis apparatus using solar light, the method comprising the steps of: (a2) when the power increment is negative and the voltage increment is negative, Sets the power point state to a third state when the power increment is negative and the voltage increment is positive and sets the power point state to a third state when the power increment is positive and the power increment Sets the point state to a second state and sets the power point state to a first state at first when the power increment is positive and the voltage increment is positive and if the power increment is positive and the voltage increment If it is negative, the power point state is set to the sixth state if the power point state is the first, fourth, and sixth states after the first time, otherwise, the power point state is set to the second state , If the power increment is positive and the voltage increment is positive, the power point state is set to the fifth state if the power point state is the second, third, and fifth states after the beginning; otherwise, the power point state state is set to a first state, and when the power point state is set to the first, fourth, and sixth states, the reference voltage is decreased, and the power point state is set to the second, third, The reference voltage is increased.

또한, 본 발명은 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 상기 수전해 장치로 공급되는 전력(이하 공급 전력)이 현재 연결된 수전해 장치의 개수로 나눈 후, 나눈 전력이 사전에 설정된 최대 전력 보다 크면, 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 추가하여 온(on)시키고, 나눈 전력이 사전에 설정된 최소 전력 보다 작으면, 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 오프(off)시키는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling and operating a power converter for supplying power to a hydrogen electrolytic apparatus using solar light, wherein the power supplied to the water electrolytic apparatus (hereinafter, If the divided electric power is greater than a preset maximum electric power after dividing the electric power by the number of the devices, the controller selects one of the powered off devices to be turned on, and turns on the divided electric power. , One of the turned on water electrolytic devices is selected and turned off.

또한, 본 발명은 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 온(on)시키기 위하여 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택할 때, 누적된 사용시간이 최소인 수전해 장치를 선택하고, 오프(off)시키기 위하여 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택할 때, 누적된 사용시간이 최대인 수전해 장치를 선택하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention provides a method of controlling and operating a power converter for supplying power to a hydrogen electrolysis apparatus using solar light, wherein, in step (b), one of the power electrolytic devices turned off to turn on When selecting one, select the faucet with a minimum cumulative usage time, and when selecting one of the faucet devices turned on to turn off, And a device is selected.

또한, 본 발명은 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 초기 기동을 위해 발전된 전압이 높아지는지 확인하여, 전압이 높아지는 경우에 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 온(on)시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method of controlling and operating an electric power converter for supplying power to a hydrogen electrolysis apparatus using solar light, wherein in step (b), it is checked whether a voltage developed for initial startup is increased, And one of the water electrolytic water electrolysis apparatuses is selected and turned on.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 의하면, 종래 P&O 방법의 단계를 세분화 함으로써, 발전 전력 변동의 증감이 매우 큰 경우에도 전력변환기의 응답이 좋아지도록 하여, 출력 전압에서 헌팅 현상이 생기거나 심하게 출력 전압이 낮아지는 것을 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the control and operation method of the power converter for supplying power to the hydrogen electrolysis apparatus using sunlight according to the present invention, by dividing the steps of the conventional P & O method, The response of the converter is improved, so that the hunting phenomenon occurs in the output voltage or the output voltage is prevented from being seriously lowered.

또한, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 의하면, 다수의 수전해 장치를 병렬 연결하되, 선택적으로 온/오프 하여, 최소 전압과 최대 전압 사이에서 각 수전해 장치에 전원을 공급함으로써, 과전압에 의한 열화를 방지하고 일정 발전량 이하가 되면 사용하지 못하는 잉여 전력을 최대로 활용할 수 있는 효과가 얻어진다.According to the method for controlling and operating the power converter for supplying power to the hydrogen electrolysis apparatus using solar light according to the present invention, a plurality of water electrolysis apparatuses are connected in parallel, selectively turned on / off, The deterioration due to the overvoltage can be prevented, and the surplus power which can not be used when the power generation amount is less than the constant power generation amount can be utilized the most.

또한, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 의하면, 태양광의 발전량에 따라 설치되어 있는 다수의 수전해 장치의 누적 동작 시간을 비슷하게 유지시킴으로써, 수전해 장치들의 내구성을 균일하게 갖게 할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the control and operation method of the power converter for supplying power to the hydrogen electrolysis apparatus using solar light according to the present invention, by keeping the cumulative operation time of a plurality of water electrolysis apparatuses installed in accordance with the amount of sunlight power generation, The durability of the apparatuses can be uniformly maintained.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 DC/DC 벅 컨버터의 등가회로.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 설명하는 흐름도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 제어단계를 설명하는 구성도.
도 5는 본 발명에서 대응하고자 하는 태양광 발전의 V-P 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 최대전력점을 추종하여 레퍼런스 전압을 산출하는 단계를 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 P&O 알고리즘의 적용을 위한 전력 변동에 따른 구간별 그래프.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 변동에 따른 최대 전력점을 판단하는 기준을 나타낸 예시도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 PI제어를 통해 컨버터의 PWM 제어신호를 생성하는 회로 구성도.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치의 운전시간을 유지하기 위한 전원 공급용 스위치부의 동작을 나타내는 흐름도.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 온/오프 제어하는 단계를 설명하는 흐름도.
1 is a block diagram of a configuration of a hydrogen electrolysis apparatus using sunlight according to a first embodiment of the present invention.
2 is an equivalent circuit of a DC / DC buck converter of a DC / DC converter according to the first embodiment of the present invention.
3 is a flow chart illustrating a method of controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using sunlight according to a first embodiment of the present invention.
4 is a configuration diagram illustrating control steps of a DC / DC converter according to the first embodiment of the present invention;
5 is a graph showing a VP characteristic curve of a photovoltaic power generation to cope with the present invention.
6 is a flowchart illustrating a step of calculating a reference voltage following a maximum power point according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph of a section according to power fluctuation for applying the improved P & O algorithm according to the first embodiment of the present invention; FIG.
8 is a diagram illustrating a criterion for determining a maximum power point according to a voltage variation according to the first embodiment of the present invention;
9 is a circuit configuration diagram for generating a PWM control signal of the converter through PI control according to the first embodiment of the present invention.
10 is a flowchart showing the operation of a power supply switch section for maintaining the operation time of the water electrolytic apparatus according to the first embodiment of the present invention.
11 is a flowchart for explaining on / off control of the water electrolytic apparatus according to the second embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof will be omitted.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치(100)를 도 1을 참조하여 설명한다.First, a solar-light-based hydrogen electrolysis apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치(100)는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키는 태양광 발전부(10), 태양광 발전된 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터(20), 전력 공급을 온/오프 하는 스위치부(30), 전력 변환을 제어하는 제어부(40), 물을 분해하여 수소를 생산하는 수전해 장치(50), 및, 생산된 수소를 저장하는 저장장치(60)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the solar-light-based hydrogen electrolysis apparatus 100 according to the present invention includes a solar power generation unit 10 for collecting sunlight to generate electricity, a DC / DC A switch 20 for turning on and off the power supply, a control unit 40 for controlling power conversion, a water electrolysis device 50 for producing hydrogen by decomposing water, And a storage device 60 for storing data.

먼저, 태양광 발전부(10)는 다수의 태양전지 어레이로 구성되어, 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다.First, the solar power generating unit 10 is composed of a plurality of solar cell arrays, and is used for collecting sunlight incident from the outside to generate electricity, and silicon and a composite material are usually used.

다음으로, DC/DC 컨버터(20)는 전력변환기로서, 태양광 발전부(10)에서 입력되는 전원을 변환하여 수전해 장치(50)로 공급한다.Next, the DC / DC converter 20, as a power converter, converts the power input from the solar power generator 10 and supplies it to the water electrolytic solution 50.

특히, 도 1과 같이, DC/DC 컨버터(20)는 직류로 발전하는 신재생 에너지를 입력으로 하고, 전압을 필요로 하는 수전해 장치(50)의 특성을 고려하여, 벅(Buck) 타입 DC/DC 컨버터로 전력변환기를 구성한다.In particular, as shown in FIG. 1, the DC / DC converter 20 receives input of renewable energy that is generated by DC, receives a buck type DC / DC converter to configure the power converter.

또한, DC/DC 컨버터(20)는 제어부(40)에 의해 제어되어, 개선된 P&O 제어 알고리즘으로 부하인 수전해 장치(50)에 필요로 하는 전력을 공급한다.Also, the DC / DC converter 20 is controlled by the control unit 40, and supplies power required for the power receiving apparatus 50, which is a load, with an improved P &

다음으로, 수전해 장치(50)는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 장치이다. 수소를 생산하기 위해 자연으로부터 얻을 수 있는 물을 정제하여 이를 전기 분해하는 방법이 가장 경제적이고 신뢰성이 높고 대량 생산이 용이하다.Next, the water electrolytic solution 50 is a device for producing hydrogen by electrolyzing water. It is the most economical, reliable and easy to mass-produce the method of purifying water obtained from nature to produce hydrogen and electrolyzing it.

바람직하게는, 수전해 장치(50)는 적어도 2 이상의 다수의 수전해 장치(또는 단위 장치)들로 구성되고, 다수의 수전해 장치들은 서로 병렬로 연결하여 구성된다. Preferably, the water electrolytic dissolution apparatus 50 is composed of at least two or more water electrolytic dissolution apparatuses (or unit devices), and the plurality of water electrolytic dissolution apparatuses are connected in parallel to each other.

그리고 제어부(40)의 제어에 의하여, 부하에서 필요로 하는 전력보다 부족한 전력이 발전되면, 일부 수전해 장치(50)의 입력 전원 스위치(30)가 차단되고, 나머지 수전해 장치(50)에 계속적으로 전원이 공급된다.When the power required for the load is reduced by the control of the control unit 40, the input power switch 30 of some of the power receiving devices 50 is shut off and the remaining power receiving devices 50 are continuously .

다음으로, 스위치부(30)는 다수의 부하 스위치로 구성되고, 각 스위치는 다수의 수전해 장치(50) 각각에 연결된다. 스위치부(30)의 각 스위치의 온(on)/오프(off)에 따라, DC/DC 컨버터(20)의 출력이 해당되는 각 수전해 장치(50)로 공급되거나 차단된다.Next, the switch section 30 is constituted by a plurality of load switches, and each switch is connected to each of the plurality of the water electrolytic apparatuses 50. [ The output of the DC / DC converter 20 is supplied to or blocked from each of the power receiving units 50 in accordance with the on / off of each switch of the switch unit 30. [

스위치부(30)는 제어부(40)의 제어에 따라 온/오프 된다.The switch unit 30 is turned on / off under the control of the control unit 40.

다음으로, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20), 스위치부(30) 등을 제어하는 장치이다. 즉, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20) 등 전력변환기를 제어함으로써, 태양광 발전부(10)의 최대전력점(MPP)을 추적하는 알고리즘을 통해 수전해 장치(50)로 최대 발전전력을 공급하도록 제어한다. 또한, 제어부(40)는 스위치부(30)의 부하 스위치를 제어함으로써, 수전해 장치(50)의 다수 중 일부로만 전력을 제한 공급하여 수전해 장치(50)에 공급되는 전력이 부족하지 않도록 제어한다.Next, the control unit 40 is a device for controlling the DC / DC converter 20, the switch unit 30, and the like. In other words, the control unit 40 controls the power converter such as the DC / DC converter 20 to control the maximum power point (MPP) of the photovoltaic generation unit 10, So as to supply electric power. The control unit 40 controls the load switch of the switch unit 30 so as to limit the power supply to only a part of the plurality of the power receiving units 50 so as to control the power supplied to the power receiving units 50 do.

태양광의 I-V 특성을 보면, 전압이 감소되어야 전류가 같이 증가하게 된다. 따라서 발전전력과 비슷하게 수전해 장치(50)는 전압이 증가하면 전극 촉매의 활성화로 수소의 생산이 증가하면서 전류의 양도 같이 증가하게 된다. 그러나, 신재생에너지의 발전량이 최대 일때는, 전압이 상승될수록 전극과 전해질 막의 열화가 진행된다. 이를 보호하기 위해, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20) 등 전력변환기의 전압 제한을 통하여 전압 제어를 한다. 또한, 신재생에너지의 발전량이 변동이 생기거나 개선된 P&O 제어 방법을 통하여, 부하인 수전해 장치(50)에 전력을 공급한다.Looking at the I-V characteristics of the sunlight, the current will increase as the voltage decreases. Therefore, when the voltage of the electrolytic solution 50 is increased, the amount of current increases as the production of hydrogen increases due to the activation of the electrode catalyst. However, when the amount of renewable energy generated is the maximum, deterioration of the electrode and the electrolyte membrane progresses as the voltage increases. In order to protect this, the control unit 40 controls the voltage through the voltage limit of the power converter such as the DC / DC converter 20. Also, power is supplied to the water electrolytic solution 50, which is a load, through an improved P & O control method in which the amount of renewable energy generated varies or is improved.

또한, 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 최소 전압이 되면 신재생에너지의 발전량이 존재하더라도 수소를 생산할 수 없게 된다. 따라서 제어부(40)는 부하인 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 최소 전력이면, 스위치부(30)의 부하 스위치를 일부(또는 적어도 1개)를 차단한다. 이를 통해, 나머지 수전해 장치(50)에 전원을 공급하여 수소를 계속적으로 생산하게 제어한다.In addition, when the minimum voltage required by the water electrolytic solution 50 is reached, hydrogen can not be produced even if there is an amount of generation of renewable energy. Therefore, the control unit 40 cuts off a part (or at least one) of the load switches of the switch unit 30 when the power is the minimum power required by the water electrolytic apparatus 50 as a load. Thus, power is supplied to the remaining water electrolytic solution 50 to control the continuous production of hydrogen.

한편, 도 1과 같이, 제어부(40)는 제어전원으로부터 전원을 공급받는다. 이때, 제어전원은 태양광 발전부(10)로부터 공급받거나, 상용전원 또는 배터리 등으로부터 공급받을 수 있다.On the other hand, as shown in Fig. 1, the control unit 40 receives power from the control power source. At this time, the control power source may be supplied from the solar power generating unit 10, or may be supplied from a commercial power source or a battery.

다음으로, 저장장치(60)는 생성되는 수소를 저장하는 장치이다.Next, the storage device 60 is a device for storing generated hydrogen.

다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(20)의 구성을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.Next, the configuration of the DC / DC converter 20 according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 전력변환기로서 DC/DC 컨버터(20)를 구성한다. DC/DC 컨버터(20)는 신재생에너지의 전력 구성 및 수전해 장치의 부하 특성을 고려하여, 바람직하게는, 출력을 감압시키는 벅(Buck) 컨버터 또는 출력을 승압 시키는 부스트(Boost) 컨버터 형태로 구성할 수 있다.As described above, the DC / DC converter 20 is configured as a power converter in the present invention. The DC / DC converter 20 is preferably a buck converter for reducing the output of the DC / DC converter 20 or a boost converter for boosting the output in consideration of the power configuration of the renewable energy and the load characteristics of the power receiver. Can be configured.

도 2에서와 같이 벅 컨버터의 DC 등가회로를 보면, 2차 전압 VPV, 출력 전압 Vout 은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.Referring to the DC equivalent circuit of the buck converter as shown in FIG. 2, the secondary voltage V PV and the output voltage V out can be expressed by the following equations.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112018020477845-pat00001
Figure 112018020477845-pat00001

Figure 112018020477845-pat00002
Figure 112018020477845-pat00002

여기서, D는 듀티비이고 R0는 부하저항이다. 또한, RL은 DC/DC 컨버터 내부의 인덕터 저항이다. 이로 인해 인덕터의 전도손실이 발생한다.Where D is the duty ratio and R 0 is the load resistance. Also, R L is the inductor resistance inside the DC / DC converter. This results in conduction losses in the inductor.

그리고 여기에 따른 전압이득 GV 은 다음과 같다.The voltage gain G V according to this equation is as follows.

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure 112018020477845-pat00003
Figure 112018020477845-pat00003

그리고 효율 η은 수학식 3과 같다.The efficiency? Is expressed by Equation (3).

[수학식 3] &Quot; (3) "

Figure 112018020477845-pat00004
Figure 112018020477845-pat00004

여기서,

Figure 112018020477845-pat00005
을 적용한다.here,
Figure 112018020477845-pat00005
Is applied.

벅 컨버터의 효율은 상기 수학식 3에서 듀티비(D)와 무관하고, 부하저항 R0이 클수록 효율이 좋아지는 것을 확인할 수 있다.The efficiency of the buck converter is independent of the duty ratio D in Equation (3), and it can be confirmed that the larger the load resistance R 0 is, the better the efficiency is.

신재생에너지의 발전 전력의 변동이 심하므로, 발전 전력이 낮아지면 부하 전력도 같이 감소하게 된다. 따라서 효율은 나빠질 수 밖에 없다. 또한, 전압 변동에 따라 듀티비 변동이 심해지므로, 듀티비와 무관한 벅 컨버터 방식이 효율적인 측면에서 유리하다.Since the generated power of the renewable energy fluctuates greatly, when the generated power is lowered, the load power also decreases. Therefore, the efficiency is inevitably deteriorated. In addition, since the duty ratio fluctuates depending on the voltage fluctuation, the buck converter system independent of the duty ratio is advantageous in terms of efficiency.

따라서 DC/DC 컨버터(20)는 벅 컨버터 방식으로 구성한다.Therefore, the DC / DC converter 20 is configured by a buck converter method.

다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치(50)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.Next, the construction of the water electrolytic solution 50 according to the first embodiment of the present invention will be described more specifically.

앞서 설명한 바와 같이, 수전해 장치(50)는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 장치이다.As described above, the water electrolytic solution 50 is a device for producing hydrogen by electrolyzing water.

바람직하게는, 전기분해 효율이 좋은 고분자전해질(PEM, Polymer Electrolyte Membrane) 방식을 적용한다. 그 외에도 알칼리 수전해 (AE, Alkaline Electrolysis) 방식을 적용할 수 있다. 고체고분자 전해질(PEM) 방식은 전력 변동에 대해서 화학적 응답이 빠르고 전류 밀도가 높다. 반면에 알칼리 수전해(AE) 방식은 전력 변동에 대해서 화학적 응답이 늦고 전류 밀도 낮다.Preferably, a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) method with good electrolysis efficiency is applied. In addition, an alkaline electrolysis (AE) method can be applied. The solid polymer electrolyte (PEM) method has fast chemical response and high current density with respect to power fluctuation. On the other hand, the alkali water electrolysis (AE) method has a slow chemical response and low current density with respect to power fluctuation.

PEM 방식의 PEM 전해에서 각각의 전극이 다음 화학식과 같이 반응한다.In PEM type PEM electrolysis, each electrode reacts as follows.

[화학식(수학식) 4][Chemical formula 4]

Figure 112018020477845-pat00006
Figure 112018020477845-pat00006

수전해 반응을 위한 전극에는 기본적으로 일정 전압이 인가되어야 전극이 반응을 일으켜 수소가 발생하게 된다. 상기 반응식에 반응 에너지를 나타내면, 다음과 같다.Basically, a certain voltage is applied to the electrode for the electrolysis reaction, so that the electrode reacts to generate hydrogen. The reaction energy in the above reaction formula is as follows.

[화학식(수학식) 5][Chemical formula (5)

Figure 112018020477845-pat00007
Figure 112018020477845-pat00007

화학식 5와 같이, 이론적으로 수전해 반응은 1.228V 이상에서 진행된다. 실제 조건에서는 수전해 장치에 따라 다르나, 1.7V 이상에서 수소를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 전압이 증가할수록 수소 발생 반응에 이용된 파라데이 전류(Paradaic Current)가 높아져서 수소 생산 속도가 증가하는 것으로 알려져 있다.As shown in Formula (5), theoretically, the hydrothermal reaction proceeds at 1.228 V or higher. It is known that, under actual conditions, hydrogen is generated at 1.7 V or more, depending on the electrolytic solution. In addition, it is known that as the voltage increases, the paradigm current used for the hydrogen generation reaction increases and the hydrogen production rate increases.

수소를 생산할 수 있는 전압 1.7V인 수전해 전극을 직렬로 20개 연결하면, 수소를 생산하기 위한 최소 전압은 34V가 되어야 한다. 태양광 등 신재생 에너지에서 발전량이 존재하더라도 최소 전압 34V 보다 작으면, 에너지원인 수소를 생산할 수 없게 된다.If 20 water-electrolytic electrodes with a voltage of 1.7 V capable of producing hydrogen are connected in series, the minimum voltage for producing hydrogen should be 34V. Even if power generation amount is present in renewable energy such as solar power, if the minimum voltage is less than 34V, it will be impossible to produce hydrogen for energy.

따라서, 바람직하게는, 수전해 장치(50)는 적어도 2 이상의 다수의 수전해 장치(또는 단위 장치)들로 구성되고, 다수의 수전해 장치들은 서로 병렬로 연결하여 구성된다. 부하에서 필요로 하는 전력보다 부족한 전력이 발전되면, 일부 수전해 장치 입력 전원 스위치(30)를 차단하고, 나머지 수전해 장치(50)에 계속적으로 전원을 공급한다.Therefore, preferably, the water electrolytic dissolution apparatus 50 is composed of at least two or more water electrolytic dissolution apparatuses (or unit devices), and the plurality of water electrolytic dissolution apparatuses are connected in parallel to each other. When the power required for the load is lower than the power required for the load, some of the power receiving apparatus input power switch 30 is turned off and the remaining power receiving apparatus 50 is continuously supplied with power.

즉, 신재생에너지의 발전 전압이 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 최소 전압이 되면, 신재생에너지의 발전량이 있음에도 불구하고 3개의 수전해 장치(50) 모두에서 수소를 생산하지 못한다. 이 때 1개의 수전해 장치(50)에 전원 공급을 중단하게 되면, 나머지 2개의 수전해 장치(50)는 수소를 생산할 수 있는 전압 범위 내에 있으므로 계속적으로 수소를 생산할 수 있다.That is, if the generated voltage of the renewable energy becomes the minimum voltage required by the water electrolytic solution 50, the hydrogen can not be produced in all of the three electrolytic electrolytic devices 50 despite the amount of renewable energy generated. At this time, when the power supply to one of the water electrolysis apparatuses 50 is stopped, the remaining two water electrolysis apparatuses 50 can continuously produce hydrogen because they are within the voltage range capable of producing hydrogen.

이때, 신재생에너지의 발전량이 적어지면, 부하량을 계산하여 또 하나의 수전해장치를 정지시킨다. 그리고 나머지 하나로 신재생에너지의 발전량이 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 전압 범위 내에서 까지 수소를 생산할 수 있다.At this time, when the amount of new renewable energy is reduced, the load is calculated and another water receiving apparatus is stopped. And the amount of the renewable energy generated by the remainder of the unit can be reduced to within the voltage range required by the water electrolytic unit 50.

반대로, 태양광의 발전량이 증가하는 시점에서, 수전해 장치(50) 3개를 모두 동작 시키면, 발전량 부족으로 수전해 장치(50)의 전극에 전압이 부족하게 된다. 따라서 태양광의 발전량을 확인하면서 1개씩 추가하며 수전해 장치(50)에 전원 공급을 함으로 해서 태양광의 발전량을 활용할 수 있다.On the other hand, when all three of the water electrolytic water treatment apparatuses 50 are operated at the time when the solar water power generation amount increases, the voltage of the electrodes of the water electrolytic water treatment apparatus 50 becomes insufficient due to a shortage of power generation amount. Therefore, it is possible to utilize the power generation amount of sunlight by adding one by one while confirming the generation amount of solar light and supplying power to the water electrolytic solution 50.

위와 같이 태양광의 발전량을 최대로 활용하기 위해서, 수전해 장치(50)를 여러 개 설치하여 신재생에너지의 발전량을 최대로 활용한다.In order to maximize the power generation of solar power as described above, a plurality of water electrolysis apparatuses 50 are installed to maximize the amount of renewable energy generated.

한편, 수전해 장치(50)가 2V 셀(CELL)을 18개 직렬 연결한 것이라고 가정한다. 이때, PEM 수전해장치 동작 특성은 전원장치에서 38VDC를 공급하면 수전해장치의 전극의 전압이 서서히 증가하고, 30VDC가 되면 1A의 전류를 소비하면서 수소 생산을 시작한다. 그리고 서서히 전압이 증가하면서 전류의 양도 같이 증가한다. 수소의 생산량은 전류와 비례한다.On the other hand, it is assumed that the water electrolytic solution 50 has 18 2V cells connected in series. At this time, the operation characteristics of the PEM water electrolytic device are as follows. When 38 VDC is supplied from the power source device, the voltage of the electrode of the water electrolytic device gradually increases. And as the voltage gradually increases, the amount of current increases as well. The production of hydrogen is proportional to the current.

즉, 30VDC 1A가 되어야 물을 전기분해하여 수소 생산을 시작한다. 그리고 38V일 때 20A의 전류를 소비한다. 이때 최대 소비 전류이다. 이 이상의 전압과 전류가 인가 되면 수전해장치의 전해질막이 열화로 내구성이 감소한다.That is, when 30VDC 1A is required, electrolysis of water starts to produce hydrogen. And consumes a current of 20A at 38V. This is the maximum current consumption. When the voltage and current are applied, the electrolyte membrane of the water electrolytic apparatus is deteriorated and the durability is reduced.

또한, 시작 전압과 2시간 후의 전압이 38VDC에서 35VDC로 감소된다. 이것은 수전해장치가 내부 열화에 의해 자체적으로 전압이 떨어지는 것이다. 따라서 수전해장치에 전극(CELL)을 18개 직렬로 사용할 경우 전압 범위는 30~38V, 1~20A이다. 또한, 수전해장치는 전류에 따라 수소 생산량이 달라진다.In addition, the starting voltage and the voltage after 2 hours are reduced from 38VDC to 35VDC. This is because the water electrolytic device itself drops in voltage due to internal deterioration. Therefore, when 18 electrodes (CELL) are used in series, the voltage range is 30 ~ 38V, 1 ~ 20A. In the water electrolytic apparatus, the amount of hydrogen production varies depending on the electric current.

다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따라 태양광 발전부(10)의 설치 용량을 산출하는 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of calculating the installed capacity of the solar power generation unit 10 according to the first embodiment of the present invention will be described.

앞서 설명한 바와 같이, 수소를 생산할 수 있는 수전해 전극의 전압 범위가 1.7V~2.0VDC라 할 때, 하나의 수전해 장치(50)가 20개의 전극을 사용하면 34~40VDC의 범위에서 수소를 생산할 수 있다. 이때 최대 40V에서 20A의 전류가 필요하다 라고 하면 800W의 전력을 필요로 한다.As described above, when the voltage range of the electrolytic electrolysis electrode capable of producing hydrogen is 1.7 to 2.0 VDC, when one electrolytic electrolysis unit 50 uses 20 electrodes, it produces hydrogen in the range of 34 to 40 VDC . If a current of 20A is required at a maximum of 40V, 800W of electric power is required.

도 1의 예와 같이 3개의 수전해 장치를 사용하게 되면, 2400W의 전력이 필요하다. 여기에 전력 변환기 구동용 제어전원용 전력의 용량 및 전력 변환기 효율을 더 추가하여 계산해야 한다. 또한, 태양전지 I-V 특성을 보게 되면 일조량이 최대일 때는 오히려 태양전지의 전압이 감소하게 되므로 발전전력이 감소하게 된다. 그래서 최대 전력의 기준은 태양광 용량의 80%정도로 계산하여 신재생에너지의 용량을 설치하게 된다. 신재생 에너지의 설치용량을 산출하는 식은 다음과 같다.When three power receiving devices are used as in the example of Fig. 1, a power of 2400 W is required. Here, the power capacity for the control power source for driving the power converter and the efficiency of the power converter must be further calculated. In addition, when the solar cell I-V characteristic is observed, the voltage of the solar cell decreases rather than the solar power when the amount of sunshine is the maximum. Therefore, the maximum power standard is calculated as about 80% of the solar photovoltaic capacity, and the capacity of the renewable energy is installed. The formula for calculating the installed capacity of new and renewable energy is as follows.

[수학식 6]&Quot; (6) "

신재생에너지 설치 용량 = 부하용량 + 제어전원 + 전력변환기 효율 + 태양광용량 감소Renewable energy installation capacity = load capacity + control power + power converter efficiency + solar capacity reduction

다음으로 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법을 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명한다.Next, a method of controlling and operating the power converter for supplying power to the hydrogen electrolysis apparatus using solar light according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3 to FIG.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법은 크게 태양광의 최대 전력점을 추종하여 DC/DC 컨버터(20)를 제어하는 단계(S10)와, 수전해 장치(50)를 선택하여 전력을 공급하는 단계(S20)로 구성된다.As shown in FIG. 3, the control and operation method of the power converter for supplying power to the hydrogen electrolysis apparatus using solar light according to the present invention largely comprises the step of controlling the DC / DC converter 20 following the maximum power point of the sunlight (S10) for selecting the water electrolytic solution 50 and supplying power (S20).

먼저, DC/DC 컨버터(20)를 제어하는 단계(S10)를 설명한다.First, step S10 of controlling the DC / DC converter 20 will be described.

DC/DC 컨버터(20)는 제어부(40)에 의해 제어되는데, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20) 내에 구성될 수 있다.The DC / DC converter 20 is controlled by the control unit 40, and the control unit 40 may be configured in the DC / DC converter 20.

도 3과 같이, 제어부(40)는 태양광의 전압 및 전류(Vpv,IPV)를 검출한다(S11). 또한, 이로부터 전력(PPV)을 계산한다. 그리고 개선된 P&O 알고리즘을 이용하여 레퍼런스 전압(Vref)을 산출한다(S12). 그리고 레퍼런스 전압(Vref)에 따라 PI(비례적분) 제어를 통해 DC/DC 컨버터(20)의 PWM 제어신호를 생성한다(S13).As shown in Fig. 3, the control unit 40 detects the voltage and current of the sunlight (V pv , I PV ) (S11). From this, the power P PV is calculated. Then, the reference voltage V ref is calculated using the improved P & O algorithm (S12). The PWM control signal of the DC / DC converter 20 is generated through PI (proportional integral) control according to the reference voltage V ref (S13).

도 4는 DC/DC 컨버터(20)의 제어를 위한 구성을 개략적으로 나타내고 있다.FIG. 4 schematically shows a configuration for controlling the DC / DC converter 20. As shown in FIG.

도 4에서 보는 바와 같이, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20)의 전압을 제어하기 위하여, 제어 목표인 레퍼런스 전압(Vref)을 계산하여 생성하는 P&O 알고리즘부와, 생성된 레퍼런스 전압(Vref)에 따라 실제 PV 직류전압(Vpv)을 목표치로 제어하는 PI제어기로 구성된다. 특히, 제어부(40)는 태양광 발전부(10)의 최대전력점(MPP)를 추적하기 위하여, 태양광 발전부(10)의 PV 패널의 출력 전압(VPV)와 출력 전류(IPV)을 입력받고, 부하(수전해 장치 등)에 공급되는 공급 전압(Vout)과 공급 전류(Iout)을 피드백 받아 제어한다.4, the control unit 40 includes a P & O algorithm unit for calculating and generating a control target reference voltage V ref to control the voltage of the DC / DC converter 20, And a PI controller that controls the actual PV direct-current voltage (V pv ) to a target value in accordance with the output voltage V ref . In particular, the control unit 40 controls the output voltage V PV and the output current I PV of the PV panel of the solar power generation unit 10 to track the maximum power point MPP of the solar power generation unit 10, And feeds back the supply voltage V out and the supply current I out supplied to the load (the water electrolytic device, etc.).

즉, DC/DC 컨버터(20)는 PV 패널로 구성된 태양광 발전부(10)로부터 전력을 공급받는다. 이때, 제어부(40)에 의하여 태양광 발전부(10)의 최대전력점(MPP)를 추적하는 알고리즘을 통해, 태양광 발전부(10)의 PV 패널의 출력 전압(VPV)와 출력 전류(IPV)가 제어된다. 특히, 개선된 P&O 알고리즘을 통해 레퍼런스 전압(Vref)을 계산하여 생성한다. 또한, 레퍼런스 전압(Vref)에 의해 실제 PV 직류전압(Vpv)와의 차이가 계산되고, 계산된 차이는 비례적분이득(PI)로 공급된다. 그리고 그 출력이 실제 PV 직류전류(Ipv)와의 차이가 전류원의 레퍼런스 제어 값이 되어 DC/DC 컨버터(20)의 PWM 제어신호를 생성한다.That is, the DC / DC converter 20 receives electric power from the solar power generation unit 10 constituted by the PV panel. At this time, the output voltage (V PV ) of the PV panel of the solar power generation unit (10) and the output current (V PV ) of the PV power generation unit I PV ) is controlled. Specifically, a reference voltage (V ref ) is calculated and generated through an improved P & O algorithm. Further, the difference from the actual PV direct-current voltage (V pv ) is calculated by the reference voltage (V ref ), and the calculated difference is supplied to the proportional integral gain (PI). The difference between the output and the actual PV direct current (I pv ) becomes a reference control value of the current source to generate the PWM control signal of the DC / DC converter 20.

구체적으로, PV 패널은 발생된 전력이 최대가 되는 유일한 점을 가진 비선형 전압-전류 특성이 있기 때문에 MPPT 알고리즘이 필요하다. 최대전력점(MPP)은 패널의 온도와 일사량 조건에 달려 있다. 두 조건 다 낮에는 변화하고 계절에 따라서 다르다. 게다가 일사량은 구름과 같은 대기의 상태에 따라 변화하기 때문에 급속하게 바뀔 수도 있다. 최대 전력점을 항상 얻기 위해서는 모든 가능한 조건 하에서 MPP를 정확하게 추적하는 것이 매우 중요하다.Specifically, the MPPT algorithm is required because the PV panel has a nonlinear voltage-current characteristic with a unique point at which the generated power is maximized. The maximum power point (MPP) depends on the temperature and solar radiation conditions of the panel. Both conditions change day by day and depend on the season. In addition, solar radiation can change rapidly because it changes with the state of the atmosphere, such as clouds. It is very important to accurately track the MPP under all possible conditions to always get the maximum power point.

즉, 신재생에너지인 태양광의 I-V 특성을 보면 전압이 최대일 때는 전류가 최소가 되므로, 이때 전압을 감소하면서 발전 전력을 최대화하기 위한 최대전력추종(MPPT)을 해야한다. 제어부(40)는 최대전력점(MPP)을 추종하는 기술로서 기본적으로 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법을 사용한다. P&O 제어 방법은 PV 패널의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고, 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는다. 즉, 종래의 P&O 알고리즘은 선형적인 변화에 대해 전력 비교를 하여 제어한다.In other words, the I-V characteristics of solar energy, which is a renewable energy, can be minimized when the voltage is maximum. Therefore, the maximum power follow-up (MPPT) is required to maximize the generated power while reducing the voltage. The control unit 40 basically uses a P & O (Perturbation and Observation) control method as a technique for following the maximum power point MPP. The P & O control method periodically increases or decreases the output voltage of the PV panel and compares the previous output power with the current output power to find the maximum power operating point. That is, the conventional P & O algorithm controls power comparison for linear changes.

특히, 본 발명은 맑은날과 흐린날인 경우의 태양광의 발전만을 대상으로 하지 않고, 구름 낀 맑은 날 등 발전량의 변동이 매우 큰 날의 태양광 발전도 대응하고자 한 것이다.Particularly, the present invention is intended not only to deal with solar power generation on a clear day and a cloudy day, but also to cope with solar power generation on a day when the generation amount fluctuates very much, such as a cloudy sunny day.

도 5는 태양광 발전의 전압(V) 대비 전력(P) 특성에 대한 곡선을 나타내고 있다. 도 5에서 곡선 A는 맑은날 최적의 태양광 발전의 V-P 특성곡선을 나타내고, 곡선 B는 흐린날의 V-P 특성곡선을 나타낸다. 또한, 곡선 C는 구름이 낀 맑은 날에서의 태양광 발전의 V-P 특성곡선이다.FIG. 5 shows a curve for the power (P) characteristic versus the voltage (V) of the solar power generation. In FIG. 5, curve A represents the V-P characteristic curve of the sunlight optimal for a clear day, and curve B represents the V-P characteristic curve of the cloudy day. Curve C is the V-P characteristic curve of solar power generation on a clear cloudy day.

기존 P&O 알고리즘은 주로 도 5의 곡선 A와 B의 경우에 대응한 방법이다. 이러한 경우, 종래의 MPPT 알고리즘을 사용하여도 부하인 수전해장치 전원 공급에는 별다른 문제가 없다. 그러나 곡선 C와 같이, 구름 낀 맑은 날에는 전력 변동이 심하다. 따라서 이에 대응하는 제어 동작이 늦어지면, 출력 전압이 헌팅 현상이 생기거나 심하게 출력 전압이 낮아질 수 있다. 이로인해, 수전해장치에 전원 공급이 안되는 현상을 보인다. 이것은 부하인 수전해장치 특성 때문이다. 즉, 갑작스러운 일조량이 증가 또는 감소하는 시점에서는 대응하는데 한계를 보이고 있다.The existing P & O algorithm is mainly a method corresponding to the case of the curves A and B of FIG. In this case, there is no problem in supplying power to the water electrolytic apparatus as a load even by using the conventional MPPT algorithm. However, as shown by the curve C, the power fluctuation is severe on a clear cloudy day. Therefore, if the corresponding control operation is delayed, the output voltage may cause a hunting phenomenon, or the output voltage may be severely lowered. As a result, the power supply to the water electrolytic apparatus becomes ineffective. This is due to the characteristics of the water electrolyzer, which is a load. In other words, when the sudden increase or decrease of the amount of sunshine is shown, it is limited to respond.

특히, 종래의 P&O 알고리즘의 장점은 제어기가 간단하여 널리 사용되지만 최대전력점에 도달했을 때 미소 변동이 생기고 일사량의 급격한 변화에 추종을 벗어나는 최대 단점을 가지고 있다. 계통에 연계 시키는 방식에서는 최대전력 추종을 벗어나더라도 계통이라는 튼튼한 전압원을 가지고 있어 발전 전력을 송전하는데는 시간이 지나면 회복되므로, 문제가 크게 나타나지 않는다. 하지만 수전해 장치와 같이 독립 부하를 사용하게 된다면 부하가 오프(off)되는 문제로 인해 적합하지 않다. In particular, the advantages of the conventional P & O algorithm are that the controller is simple and widely used, but it has the greatest disadvantage that microvariation occurs when reaching the maximum power point and deviates from follow-up to abrupt change of the irradiation dose. In the method of linking with the system, even if it deviates from the maximum power follower, it has a strong voltage source of system, so that generation power is transmitted and recovered after a lapse of time. However, if an independent load such as a water electrolytic unit is used, it is not suitable due to the problem that the load is turned off.

일조량 변동이 되었을 때 MPPT 제어가 제대로 대응을 못하여 출력전압이 떨어진 경우가 많다.구름으로 인해 생기는 일조량 변동에 의한 회복 시간을 측정하면. 회복하는데 4분 정도 소요된다. 일조량 변동에 따라 수전해 장치를 연결하였을 때 출력 전압이 헌팅하는 현상도 확인되고 있다.When the sunshine fluctuation occurs, the MPPT control does not respond properly and the output voltage often drops. When measuring the recovery time due to the fluctuation of the sunshine caused by the cloud, It takes about 4 minutes to recover. It is also confirmed that the output voltage hunts when the water electrolytic unit is connected according to the fluctuation of the sunshine quantity.

따라서 갑작스러운 일조량이 증가 또는 감소하는 시점에서는 대응하는데 한계를 보이고 있다. 따라서 본 발명에서는 일조량 변동과 수전해 부하 변동에 대하여 최대전력추종(MPPT)을 위하여 종래 P&O 알고리즘을 개선한다. 즉, 일조량 변동에 따른 전력 변동에 대한 응답을 좋게 하기 위해 새로운 전력추종 방식을 개선한다.Therefore, there is a limit to cope with sudden increase or decrease of the amount of sunshine. Therefore, the present invention improves the conventional P & O algorithm for maximum power follow-up (MPPT) against fluctuation of sunshine and power supply load. That is, the new power follow-up method is improved to improve the response to the power fluctuation due to the fluctuation of the sunshine amount.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 P&O 제어 방법이다.FIG. 6 illustrates an improved P & O control method in accordance with an embodiment of the present invention.

도 6에서 보는 바와 같이, 먼저, 현재 전압 V(n)과 현재 전류 I(n)를 측정하고, 이때의 출력 전력 P(n)을 전압과 전류의 곱으로 계산한다. 전력 증분(현재 전력과 이전 전력의 차이, △P = P(n)-P(n-1)))이 양인지 음인지를 판단한다. 전력 증분 △P이 0인 경우에는 레퍼런스 전압(Vref)을 조정하지 않는다.As shown in FIG. 6, first, the current voltage V (n) and the current I (n) are measured, and the output power P (n) at this time is calculated as a product of the voltage and the current. (Difference between current power and previous power,? P = P (n) -P (n-1)) is positive or negative. When the power increment ΔP is 0, the reference voltage V ref is not adjusted.

전력 증분 △P가 음인 경우, 전압 증분 △V = V(n)-V(n-1)을 0과 비교한다. △V가 음인 경우 전력점 상태(state)를 ④(또는 4)로 설정한다. 이때, 레퍼런스 전압(Vref)을 감소시킨다. 또한, △V가 양인 경우 전력점 상태(state)를 ③(또는 3)으로 설정한다. 이때, 레퍼런스 전압(Vref)을 증가시킨다.If the power increment ΔP is negative, the voltage increment ΔV = V (n) -V (n-1) is compared with zero. If △ V is negative, set the power point state to ④ (or 4). At this time, the reference voltage V ref is decreased. When? V is positive, the power point state is set to? (Or 3). At this time, the reference voltage V ref is increased.

다음으로, 전력 증분 △P가 양인 경우, 전압 증분 △V = V(n)-V(n-1)을 0과 비교한다. △V가 음인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 ②(또는 2)로 설정하고 레퍼런스 전압을 증가시킨다. 이후에는, 이전 전력점 상태(state)에 따라 다르게 설정한다. 즉, 전력점 상태(state)가 ①,④,⑥이면 전력점 상태를 ⑥(또는 6)으로 설정하고 레퍼런스 전압을 감소시킨다. 그렇지 않은 경우 전력점 상태(state)를 ②(또는 2)로 설정하고, 레퍼런스 전압을 증가시킨다.Next, when the power increment ΔP is positive, the voltage increment ΔV = V (n) -V (n-1) is compared with zero. If ΔV is negative, first set the power point state to ② (or 2) and increase the reference voltage. Thereafter, it is set differently according to the previous power point state. That is, if the power point state is ①, ④, ⑥, set the power point state to ⑥ (or 6) and reduce the reference voltage. Otherwise, set the power point state to 2 (or 2) and increase the reference voltage.

도 7과 같이, 전력점 상태(state)가 ①,④,⑥인 상태는 최대전력점에서 좌측에 있는 상태이고, 전력점 상태(state)가 ②,③,⑤인 상태는 최대전력점에서 우측에 있는 상태이다.7, the state where the power point state is ①, ④ and ⑥ is the left side at the maximum power point and the state where the power point state is ②, ③ and ⑤ is the right side at the maximum power point .

또한, △V가 양인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 ①(또는 1)로 설정하고 레퍼런스 전압을 감소시킨다. 이후에는, 이전 전력점 상태(state)에 따라 다르게 설정한다. 즉, 전력점 상태(state)가 ②,③,⑤이면 전력점 상태를 ⑤(또는 5)로 설정하고 레퍼런스 전압을 증가시킨다. 그렇지 않은 경우 전력점 상태(state)를 ①(또는 1)로 설정하고, 레퍼런스 전압을 감소시킨다.When? V is positive, the power point state is first set to 1 (or 1) and the reference voltage is decreased. Thereafter, it is set differently according to the previous power point state. That is, if the power point state is ②, ③, ⑤, the power point state is set to ⑤ (or 5) and the reference voltage is increased. Otherwise, set the power point state to 1 (or 1) and reduce the reference voltage.

즉, 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 P&O 제어 알고리즘은 종래 알고리즘에 대한 단계를 세분화 하여, 발전 전력 변동에 따른 전력변환기의 응답이 좋아지도록 구성하였다. 즉, 발전전력 변동이 심한 도 5의 C와 경우를 대비하여 ⑤, ⑥ 구간을 추가하여 P&O 제어 알고리즘을 개선하여 적용한다. 이를 통해, 전력 변동에 최적으로 대응할 수 있도록 구성한다.That is, as shown in FIG. 7, the P & O control algorithm according to the present invention is configured to refine the steps of the conventional algorithm to improve the response of the power converter according to the generated power variation. That is, the P & O control algorithm is improved by applying the ⑤ and ⑥ sections in contrast to the C in Fig. 5 where the generated power fluctuation is severe. This makes it possible to optimally respond to power fluctuations.

⑤, ⑥ 구간에 대하여 도 8를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.5, and 6 will be described in more detail with reference to FIG.

도 8에서, 최대전력추종 시점은 전압 변동에 대한 판단으로 적색을 기준으로 좌측과 우측으로 구분된다. 전력(P) 상승시, 과거값과 비교하여, 전압(V)이 상승되는 구간이면 좌측, 전압(V)이 감소되는 구간이면 우측이다.In FIG. 8, the maximum power follow-up time is divided into left and right based on red as a judgment of voltage fluctuation. When the voltage P rises, it is compared with the past value. If the voltage V rises, it is on the left side, and when the voltage V decreases, on the right side.

즉, 전압이 상승되면 도 8(a)에서 ①과 같이 전력을 추종하고, 전압이 감소되면 도 8(b)에서 ②와 같은 판단으로 전력을 추종한다. 도 8(c)에서, ④는 최대전력점에서 발전 전력 변동에 의한 전압 감소 구간이고, ③의 조건은 최대전력점에서 발전 전력 변동에 의해 전압 상승 구간이다.That is, when the voltage rises, the power is followed as shown in (1) in FIG. 8 (a), and when the voltage is decreased, the power is followed as shown in (2) in FIG. 8 (b). In Fig. 8 (c), ④ is a voltage reduction period due to fluctuation of generated power at the maximum power point, and ③ is a voltage rising period due to fluctuation of generated power at the maximum power point.

상기 ①~④까지는 기존 P&O알고리즘에서 최대전력점에서 좌측 또는 우측을 구분하는 것과 일조량 변동에 대응하기 위해 전압 판단에 따른 전압 증가, 감소 조건이 같다. The above ① ~ ④ are the same in the existing P & O algorithm to distinguish the left or right at the maximum power point and the voltage increase and decrease conditions according to the voltage judgment in order to cope with the fluctuation of the sunshine amount.

[기존 P&O 알고리즘] 조건 P(n)-P(n-1)>0에서 하위 조건 V(n)-V(n-1)>0에서 [Existing P & O Algorithm] From the condition P (n) -P (n-1)> 0 to the lower condition V (n) -V (n-1)> 0

yes이면 전압을 증가시키고, no 이면 전압을 감소시킨다.If yes, increase the voltage; if no, decrease the voltage.

[개선 P&O 알고리즘] 조건 P(n)-P(n-1)>0에서 하위 조건 V(n)-V(n-1)<0에서 [Improvement P & O Algorithm] The condition P (n) -P (n-1) >

yes이면 전압을 증가시키고, no 이면 전압을 감소시킨다.If yes, increase the voltage; if no, decrease the voltage.

P&O의 최대 단점인 전력 변동의 대응에 늦은 것을 극복하기 위하여, 일조량 변동에 의한 전력 변동을 확인하기 위해 기존 알고리즘에서 반대로 판단하고 제어 한다. 즉, 일조량 변동에 의한 판단을 하지 않고 단순하게 전압만 변동시키면 전압 헌팅 현상이 발생한다.In order to overcome the delay of the response of power fluctuation which is the biggest disadvantage of P & O, the conventional algorithm judges and controls in order to check the power fluctuation due to the fluctuation of the sunshine amount. That is, if the voltage is simply changed without judging by the fluctuation of the amount of sunshine, a voltage hunting phenomenon occurs.

본 발명에서 기존 P&O 알고리즘에서 일조량 변동에 대응하기 위해 제어 알고리즘을 추가한 구간이 도 8의 (d)와 (e)이다. 도 8의 (d)와 (e)와 같이, 전압 상승 판단에 따라 최대전력점을 기준으로 좌측과 우측으로 구분한다.In the present invention, the control algorithm is added to the existing P & O algorithm in order to cope with the fluctuation in the amount of sunshine, as shown in (d) and (e) of FIG. As shown in (d) and (e) of FIG. 8, according to the voltage rise judgment, the left side and the right side are divided based on the maximum power point.

도 8의 (d)에서 전압 감소 구간 판단에서, 일조량 변동이 되면 전압 상승으로 ⑤로 판단한다. 이 경우 전압이 상승되었다고 바로 전압을 감소하여 최대전력점을 추종하지 않는다. 위에서 설명한 것과 동일하게 일조량 변동의 상태 확인을 위해 계속 전압을 증가시킨다. 그리고 일조량 변동을 전압으로 판단하여 감소 구간이면 ②와 같이 전압을 감소하여 최대전력점을 추종한다. 여기에서 일조량이 감소되면 ④로 판단하여 동작한다.In (d) of FIG. 8, in the determination of the voltage reduction period, when the amount of sunshine fluctuates, the voltage rise is determined to be?. In this case, the voltage is immediately raised and the voltage is not decreased to follow the maximum power point. Continue to increase the voltage to check the state of the sunshine variation as described above. Then, it is judged that the fluctuation of the sunshine is the voltage, and if it is the decrease period, the voltage is decreased as shown in ②, and the maximum power point is followed. If the amount of sunshine is reduced here, it is judged as ④ and it operates.

도 8의 (e)에서 전압 상승 구간 판단에서, 일조량 변동으로 전압 감소가 되면 ⑥으로 판단한다. 이 경우 전압이 감소되었다고 바로 전압을 증가시키지 않는다. 대신, 일조량 변동을 확인하기 위해 같이 전압 감소시키고, 일조량 변동을 전압으로 판단하여 증가 구간이면 ①와 같이 전압을 증가하여 최대전력점을 추종한다. 여기에서 일조량이 증가되면 ③로 판단하여 동작한다.In (e) of FIG. 8, in the determination of the voltage rising period, if the voltage decreases due to the variation in the amount of sunshine, it is determined to be?. In this case, the voltage is not reduced but the voltage is not immediately increased. Instead, the voltage is decreased in order to confirm the fluctuation of the sunshine quantity, and when the sunshine variation is judged as the voltage, the maximum power point is followed by increasing the voltage as shown in (1). If the amount of sunshine increases here, it is judged as ③ and it operates.

최대전력점을 기준으로 좌, 우의 판단 기준은 전원을 공급하고 전압의 변동에 따라 최대전력추종을 하면서 결정된다.The left and right judgment criteria based on the maximum power point are determined by supplying power and following the maximum power according to the variation of the voltage.

한편, 수전해 장치는 수소를 생산할 수 있는 최소 전압이 있다. 또한, 최대 전압은 전극 또는 절연막의 열화 방지를 위해 설정된다.On the other hand, the water electrolyzer has the minimum voltage that can produce hydrogen. Further, the maximum voltage is set for preventing deterioration of the electrode or the insulating film.

상기와 같은 최소 전압과 최대 전압 사이에서 PWM 스위칭이 스텝(step)으로 움직인다. 예를 들어 P(n-1) = 1000W, V(n-1) = 39V, P(n) = 800W, V(n) = 37V로 가정한다. 이때, 과거 값에서 현재값의 전압이 2V 감소되었고 스텝(step)이 100므로 설정되었다고 하면, 2/100 = 0.02V로 감소하여 PWM 스위칭한다. 또한, 전압이 증가되면 0.02V 증가하게 PWM 스위칭한다.Between the minimum voltage and the maximum voltage as described above, PWM switching moves to step. For example, assume that P (n-1) = 1000W, V (n-1) = 39V, P (n) = 800W, and V (n) = 37V. At this time, if the voltage of the current value is decreased by 2V and the step is set to 100 because of the past value, the PWM switching is performed by reducing to 2/100 = 0.02V. In addition, when the voltage increases, PWM switching is performed to increase by 0.02V.

이 스텝(step)의 크기는 전력 변동과 정상상태에서 부하인 수전해 장치의 과도 전압을 확인하면서 조정할 수 있다. 과도가 나쁘면 스텝(step) 값을 200으로 하여 0.01V로 전압을 증가 또는 감소시킨다. 스텝(step)의 변동 값은 최대 전압과 수소를 생산할 수 있는 최소 전압 설정치 사이에서 움직인다.The size of this step can be adjusted while checking the power fluctuation and the transient voltage of the water electrolytic device which is a load in a steady state. If the transient is bad, the step value is set to 200 and the voltage is increased or decreased to 0.01V. The step value fluctuates between the maximum voltage and the minimum voltage setting that can produce hydrogen.

발전량이 감소하여 최소 전압에 도달하게 되면 이 때부터는 전류가 계속 감소한다.When the power generation amount decreases and reaches the minimum voltage, the current continuously decreases from this point.

한편, 도 9은 PI 제어기의 동작에 대한 설명도이다. PI 제어기는 앞서 개선된 P&O 알고리즘에 의하여 생성된 레퍼런스 전압(Vref)에 따라 실제 PV 직류전압(Vpv)을 목표치로 제어한다. 즉, 앞서 1차적으로 MPPT의 의해 전력 계산을 하고, 2차적으로 리플 등을 제거한다. 또한, 안정된 전압과 전류를 부하에 공급하기 위해 전압 및 전류 제한 기능을 가진다. 또한, PI제어기를 통하여 PWM 스위칭으로 반도체 소자를 동작하여 수전해 장치에 전원 공급을 위한 제어 회로로 구성된다.9 is an explanatory diagram of the operation of the PI controller. The PI controller controls the actual PV direct voltage (V pv ) to the target value according to the reference voltage (V ref ) generated by the improved P & O algorithm. That is, power calculation is first performed by MPPT first, and secondarily ripple is removed. It also has voltage and current limit functions to supply stable voltage and current to the load. In addition, it consists of a control circuit for supplying power to the power receiving device by operating a semiconductor device by PWM switching through a PI controller.

다음으로, 수전해 장치(50)를 선택하여 전력을 공급하는 단계(S20)를 도 10을 참조하여 설명한다.Next, a step S20 of selecting the water electrolytic solution 50 and supplying electric power will be described with reference to Fig.

먼저, 발전 전력이 증가하는 경우로서, 도 10a와 같이, 수전해 장치를 추가적으로 전원을 공급한다. First, as shown in FIG. 10A, when the generated power increases, the power receiving apparatus is further supplied with power.

태양광은 일출과 동시에 부하(수전해 장치 등)에서 필요하는 총 발전 전력을 만들 수가 없다. 따라서 병렬로 연결된 수전해 장치(50) 중 1개에 전력 변환기의 출력 스위치를 온(on)하여 수전해 장치에 전원 공급을 한다. 그리고 이때 앞서 설명한 바와 같이 최대전력추종(MPPT)을 한 전력이 공급된다. 또한, 수전해 장치(50)는 앞서 화학식 5와 같이 수소를 생산할 수 있는 최소 전압을 필요하므로, 제어부(40)는 태양광의 발전 전력에 따라 두 번째 또는 그 이상의 수전해 장치(50)에 전원 공급 여부를 판단할 수 있다.The solar power can not make the total power generation required at the same time of the sunrise (the power receiver). Therefore, the output switch of the power converter is turned on to one of the power receiving devices 50 connected in parallel to supply power to the power receiving device. At this time, as described above, the power with maximum power follow-up (MPPT) is supplied. In addition, since the water electrolytic solution 50 needs a minimum voltage capable of producing hydrogen as shown in Formula 5, the control unit 40 may supply power to the second or more water electrolysis devices 50 according to the generated electric power of the sunlight. Can be determined.

즉, 발전 전력을 비교하여 더 많은 전력이 생산되면, 출력 스위치를 추가적으로 온(on)하여 더 많은 수전해 장치(50)를 동작시킨다. 이러한 과정을 반복하여 수전해 장치(50)에 전원 공급을 한다. 다시 말하면, 일조량이 증가하는 시점에서 신재생에너지 발전량의 최대전력추정을 통하여 스위치 온(on) 상태를 순차적으로 설정할 수 있다.That is, when more electric power is produced by comparing the generated electric power, the output switch is further turned on to operate more of the water electrolytic apparatus 50. This process is repeated to supply power to the water electrolytic solution 50. In other words, the switch-on state can be sequentially set through the maximum power estimation of the renewable energy generation amount at the time when the amount of sunshine increases.

구체적인 단계는 다음과 같다.The concrete steps are as follows.

1) 초기 기동을 위해 발전된 전압이 높아지는지 확인한다.1) Verify that the developed voltage is increased for initial start-up.

2) 수전해 장치의 누적 동작 시간을 비교하여, 누적 동작 시간이 적은 스위치 n(첫 번째)를 온(on)시킨다.2) The cumulative operation time of the water electrolytic solution is compared, and the switch n (the first) having a small accumulated operation time is turned on.

3) DC/DC 컨버터는 MPPT를 하면서 부하에 전원 공급한다.3) The DC / DC converter powers the load while performing MPPT.

4) 연결된 부하기준으로 부하 공급 전력이 90%가 되면 두 번째 동작 시간이 적은 스위치 n을 온(on)시킨다. 예를 들어, 발전전력이 부하 1개 기준으로 90%로 일정하다면 45%씩 부하에 전원을 공급한다.4) If the load supply power is 90% based on the connected load, turn on the switch n with the second operation time less. For example, if the generated power is constant at 90% on a single load basis, the load is powered by 45%.

5) 발전량 변동에 따라 MPPT 하면서 부하에 전원을 공급한다. 이 때 2개의 부하 기준으로 발전량이 90%가 되면 세 번째 출력 스위치 n을 온(on) 시킨다. 즉, 현재의 발전량은 90% × 2대 = 180% 이다. 이를 3개의 부하(수전해 장치)로 분담하면, 180% / 3대 = 60%이다. 즉, 각각의 수전해 장치에 의한 부하량은 60% 수준에서 전원을 공급한다.5) Supply power to the load while MPPT according to power generation variation. At this time, when the power generation amount is 90% based on two loads, the third output switch n is turned on. That is, the current generation amount is 90% × 2 = 180%. When three loads (power dissipation devices) are shared, 180% / 3 units = 60%. That is, the load by each water electrolytic device supplies power at the level of 60%.

6) 증가된 발전량에 따라 부하에 전원을 공급한다. 여기에 추가적으로 발전 전력이 최대가 될 경우는 효율 상승에 의해 부하 용량 이상이 될 수 있다. 이러한 경우에 대비하여, 부하 최대 출력 전압을 제어를 통하여 수전해 장치 과전압에 의한 열화로 인한 내구성 감소를 방지한다.6) Supply power to the load according to the increased power generation. In addition, when the generated power becomes the maximum, the load capacity can be increased due to the increase in efficiency. In this case, by controlling the maximum output voltage of the load, the durability due to deterioration due to the overvoltage of the power receiver is prevented.

다음으로, 발전 전력이 감소하는 경우로서, 도 10b와 같이, 전원이 공급되는 수전해 장치들 중에서 일부를 선택하여 단계적으로 전원을 차단한다.Next, as shown in FIG. 10B, when the generated power decreases, some of the power-receiving units to which power is supplied are selected and the power is cut off stepwise.

또한, 제어부(40)는 신재생에너지 발전전력과 부하 전력을 실시간으로 비교하여, 수소를 생산하기 위해 필요한 수전해장치(50)의 부하 소비 전력량 대비 신재생에너지 발전 전력이 부족하면, 1개의 전력 변환기 출력 스위치(30)를 오프(off) 하고 나머지 수전해장치 부하에 전원을 공급한다. 또한, 계속해서 발전전력이 부족하게 되면, 출력 스위치(30)를 추가적으로 오프(off)하는 방법으로 신재생에너지의 잉여 전력을 최소화 하여 수소를 생산한다. In addition, the control unit 40 compares the renewable energy generation power and the load power in real time, and if the renewable energy generation power is insufficient relative to the load power consumption amount of the water electrolytic apparatus 50 necessary for producing hydrogen, The converter output switch 30 is turned off and power is supplied to the remaining water receiver load. Further, when the generated power is insufficient, the output switch 30 is further turned off to minimize the surplus power of the renewable energy to produce hydrogen.

즉, 발전전력이 증가하는 시간대와 반대로 발전 전력이 감소하는 시간대에서는 제어부(40)는 태양광 발전 전력과 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 전력을 비교하여, 전력 변환기 출력 스위치를 오프(off)하여 나머지 수전해 장치(50)에 전력 공급한다. 이러한 과정을 반복하여, 발전 전력에 따라 출력 스위치를 추가적으로 오프(off)하여 태양광의 잉여 전력을 최소화 하여 수소를 생산한다.That is, the control unit 40 compares the photovoltaic generation power with the power required by the power receiving unit 50 at a time when the generated power decreases, as opposed to the time when the generated power increases, and turns off the power converter output switch And supplies power to the remaining water electrolytic solution 50. By repeating this process, the output switch is further turned off according to the generated power to minimize the surplus power of the sunlight to produce hydrogen.

구체적인 단계는 다음과 같다.The concrete steps are as follows.

7) 발전량이 감소되어 총 부하량의 50%가 되면 많이 사용한 수전해 장치 스위치 n을 오프(off)시킨다. 예를 들어, 3대가 가동되고 있으므로, 50% × 3대 = 150%이다. 이중 1개를 중단하여 나머지 2대로 분담되므로, 150% / 2대 = 75%이다. 즉, 2대에 각각 부하 소비 전력의 75%에서 전원을 공급한다.7) If the power generation is reduced to 50% of the total load, turn off the most used water electrolyzer switch n. For example, since three units are operating, 50% x 3 units = 150%. One of them is stopped and the rest is divided into two, so 150% / 2 = 75%. That is, power is supplied to two units at 75% of the load power consumption.

8) 발전량 감소로 나머지 2대의 부하량이 50%가 되면, 많이 사용한 수전해 장치 n을 오프(off)한다.8) If the remaining two loads become 50% due to the decrease in power generation, turn off the most used water electrolyzer n.

9) 나머지 1대에서 100% 부하량으로 운전하다가, 발전전력 감소에 따라 부하 소비전력도 감소한다.9) The remaining one unit is operated at a 100% load, and the power consumption of the load decreases as the generation power decreases.

10) 마지막 1대의 수전해 장치의 최소 전압이 되면, DC/DC 컨버터를 오프(off) 한다.10) Turn the DC / DC converter off when it is the minimum voltage of the last one power take-off.

한편, 제어부(40)는 각각의 수전해 장치(50)의 동작 시간을 카운터 하여, 수전해 장치(50)를 교차 운전하도록 제어한다. 이를 통해, 신재생에너지의 발전량에 따라 설치되어 있는 여러 개의 수전해 장치(50)의 동작 시간을 비슷하게 유지시킨다. 상기와 같은 교차 운전 방식을 통하여 수전해 장치(50)들의 내구성을 균일하게 갖게 할 수 있다.On the other hand, the control unit 40 counts the operation time of each of the power receiving units 50, and controls the power receiving units 50 to operate in an intersecting manner. Accordingly, the operation time of the plurality of power receiving units 50 installed according to the amount of renewable energy generation is maintained in a similar manner. The durability of the water electrolysis apparatuses 50 can be uniformly provided through the above-described cross operation method.

구체적으로, 고체고분자전해질(PEM) 방식의 수전해 장치(50)는 양극, 음극, 및, 이온 교환막으로 구성된다. 이온 교환막은 수소와 산소를 분리하여 양극에서 음극으로 이동하게 하는 전해질 기능을 가진다. 이온교환막은 강산 전해질이므로, 내산성의 귀금속 촉매인 백금 계열이 많이 사용된다. 상기 촉매가 백금 또는 이리듐 등 고가의 귀금속 재료를 사용하므로, 내구성이 중요하다.Specifically, the water electrolytic apparatus 50 of the solid polymer electrolyte (PEM) type is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an ion exchange membrane. The ion exchange membrane has an electrolyte function that separates hydrogen and oxygen and moves them from the anode to the cathode. Since the ion exchange membrane is a strong acid electrolyte, a platinum series which is an acid-resistant noble metal catalyst is widely used. Since the catalyst uses a precious metal material such as platinum or iridium, durability is important.

또한, 이러한 수전해 장치(50)는 과전압, 과전압에 의한 전극과 절연막의 열화가 수소 수율을 크게 좌우하고, 내구성에서는 산소 발생 양극 촉매 기술이 직접적으로 성능을 좌우한다. 그래서 DC/DC 컨버터(20)에 대한 제어를 통하여 과전압을 제한함으로써, 과전압에 의한 열화는 방지될 수 있다.In addition, deterioration of the electrode and insulating film due to overvoltage and overvoltage greatly influences the hydrogen yield, and in the durability, the oxygen generating anode catalyst technology directly influences performance. Thus, by restricting the overvoltage through control over the DC / DC converter 20, deterioration due to the overvoltage can be prevented.

그러나 수전해 장치의 사용에 의한 이온교환막과 귀금속 촉매의 내구성은 전력변환기에서 보호할 수가 없다. 따라서 내구성 의한 화학적 안전성을 보호하고 수율을 유지하기 위하여, 수전해 장치(50)에 연결된 출력 스위치(30)를 통하여, 수전해 장치(50)의 총 운전 시간(또는 누적 운전시간)에 따라 수전해 장치(50)의 선택을 제어한다.However, the durability of ion exchange membranes and precious metal catalysts due to the use of water electrolytic devices can not be protected by the power converter. Therefore, in order to protect the chemical safety due to durability and to maintain the yield, the power is supplied according to the total operation time (or cumulative operation time) of the water electrolysis apparatus 50 through the output switch 30 connected to the water electrolysis apparatus 50 And controls the selection of the device 50.

즉, 일조량 증가에 따른 발전 전력이 증가하는 시간대에는 누적 운전시간이 적은 수전해 장치(50)를 우선적으로 선택하여 전원을 공급한다. 반대로 발전 전력이 감소하는 시간대에는 누적 운전시간이 많은 수전해 장치(50)를 우선적으로 선택하여, 전원 공급을 중단한다. 즉, 발전 전력량에 따라 수전해 장치(50)의 누적 운전시간을 확인하여, 내구성을 유지시킬 수 있도록 제어한다.That is, in the time zone where the generated power increases due to the increase in the amount of sunshine, the power-receiving device 50 having a small cumulative operation time is preferentially selected and the power is supplied. On the contrary, in the time period during which the generated power decreases, the power receiving device 50 having a large cumulative operation time is preferentially selected and the power supply is stopped. That is, the cumulative operation time of the water electrolytic solution 50 is checked according to the generated power amount, and the durability is controlled to be maintained.

요약하면, 부하인 수전해 장치(50)에 전원공급을 위한 각각의 스위치 온(on) 시간을 누적하여 카운터한다. 그래서, 각 수전해장치(50)의 총 누적 운전 시간을 모니터링하고, 전력을 공급하거나 차단할 수전해 장치(50)를 선택할 때 상기와 같이 누적 운전시간을 이용하여 선택한다.In summary, each switch on time for power supply to the water electrolytic apparatus 50 as a load is cumulatively counted. Therefore, the total cumulative operation time of each water electrolytic apparatus 50 is monitored, and the cumulative operation time is selected as described above when selecting the electrolytic apparatus 50 to supply or block the electric power.

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치에 대하여 도 11를 참조하여 설명한다.Next, a solar-light-based hydrogen electrolysis apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 발명의 제2 실시예는 앞서 제1 실시예와 동일하다. 다만, 제2 실시예는 수전해 장치(50)를 온/오프 하는 단계(S20)에서 차이가 난다. 아래에서 상이한 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.The second embodiment of the present invention is the same as the first embodiment. However, the second embodiment differs in the step S20 of turning on / off the water electrolytic solution 50. Only the different parts are described below. Unless explained, the description of the first embodiment described above is referred to.

도 11에서 보는 바와 같이, 제어부(40)는 수전해 장치(50)로 공급되는 전력 Pout을 현재 연결된 수전해 장치의 개수 n로 나눈 후, 나눈 전력(즉, 병렬로 분담되는 전력)이 최대 전력 P1 보다 큰지를 판단한다(S21). 즉, 다음 수학식 7을 만족하는지를 판단한다.11, the control unit 40 divides the power P out supplied to the power receiving unit 50 by the number n of the power receiving units currently connected, and then divides the divided power (that is, power shared in parallel) Is greater than the power P 1 (S21). That is, it is determined whether the following expression (7) is satisfied.

[수학식 7]&Quot; (7) &quot;

Figure 112018020477845-pat00008
Figure 112018020477845-pat00008

만약, 수학식 7을 만족하면, 수전해 장치(50)를 1개를 선택하여(S22), 선택된 수전해 장치(50)를 추가한다(S23). 이때, 누적된 운전시간이 최소인 수전해 장치(50)를 선택한다.If Equation (7) is satisfied, one of the water electrolytic solution apparatus 50 is selected (S22), and the selected water electrolytic apparatus 50 is added (S23). At this time, the water electrolytic water treatment apparatus 50 having the smallest cumulative operation time is selected.

여기서, P1은 하나의 수전해 장치(50)에 가하는 최대 전력을 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이 수전해 장치(50)에 너무 큰 전압과 전류를 공급하면 열화로 내구성이 감소한다. 따라서 열화가 최소화되는 적절한 전력을 최대 전력으로 설정한다.Here, P 1 represents the maximum power applied to one of the water electrolytic devices 50. As described above, when too large voltage and current are supplied to the water electrolytic solution 50, durability due to deterioration is reduced. Therefore, the appropriate power at which deterioration is minimized is set to the maximum power.

n은 병렬로 연결되는 수전해 장치(50)의 개수이다. 따라서 공급 전력 Pout 을 n으로 나누면, 병렬로 연결된 하나의 수전해 장치에 공급되는 전력이다. 이 전력이 최대 전력 P1 이상이면, 열화가 진행될 여지가 있으므로 추가로 1개의 수전해 장치를 추가함으로써 공급 전력을 낮춘다.n is the number of the water electrolysis devices 50 connected in parallel. Therefore, dividing the supply power P out by n is the power supplied to one of the power receiving units connected in parallel. If this power is greater than the maximum power P 1 , there is room for degradation to proceed, thus adding one more power receiver to lower the power supply.

또한, 제어부(40)는 앞서 수학식 7을 만족하지 않는 경우, 전력 Pout을 현재 연결된 수전해 장치의 개수 n로 나눈 후, 나눈 분담 전력이 최소 전력 P0보다 작은지를 판단한다(S24). 즉, 다음 수학식 8을 만족하는지를 판단한다.If the equation (7) is not satisfied, the control unit 40 divides the power P out by the number n of the power receiving apparatuses currently connected and determines whether the divided power sharing is less than the minimum power P 0 (S24). That is, it is determined whether the following expression (8) is satisfied.

[수학식 8]&Quot; (8) &quot;

Figure 112018020477845-pat00009
Figure 112018020477845-pat00009

만약, 수학식 8을 만족하면, 수전해 장치(50)를 1개를 선택하여(S25), 선택된 수전해 장치(50)를 차단시킨다(S26). 이때, 누적된 운전시간이 최대인 수전해 장치(50)를 선택한다.If Equation (8) is satisfied, one of the water electrolytic dissolution apparatus 50 is selected (S25), and the selected water electrolytic dissolution apparatus 50 is shut off (S26). At this time, the water electrolytic water treatment apparatus 50 in which the accumulated operation time is the maximum is selected.

여기서, P0 은 하나의 수전해 장치(50)에 가하는 최소 전력으로서 사전에 설정된다. 앞서 설명한 바와 같이 수전해 장치(50)에 너무 작은 전력(또는 전압)을 가하면, 화학 반응이 나타나지 않아 수소가 생산되지 않는다. 따라서 수소 생산을 위해서는 필요한 전력을 최소전력 P0 로 사전에 설정해둔다.Here, P 0 is set in advance as the minimum power to be applied to one of the water electrolysis apparatuses 50. As described above, when too little power (or voltage) is applied to the water electrolytic solution 50, no chemical reaction occurs and hydrogen is not produced. Therefore, the power required for hydrogen production is preset to the minimum power P 0 .

n은 병렬로 연결되는 수전해 장치(50)의 개수이다. 따라서 공급 전력 Pout 을 n으로 나누면, 병렬로 연결된 하나의 수전해 장치에 공급되는 전력이다. 이 전력이 최소전력 P0 보다 작으면, 수소 생산이 중단될 수 있으므로, 가동 중인 수전해 장치들 중 적어도 1개를 오프(off)함으로써 나머지 수전해 장치들의 공급 전력을 높여준다.n is the number of the water electrolysis devices 50 connected in parallel. Therefore, dividing the supply power P out by n is the power supplied to one of the power receiving units connected in parallel. If this power is less than the minimum power P 0 , the hydrogen production may be interrupted, thereby turning off at least one of the power receiving devices in operation to increase the power supply of the remaining power receiving devices.

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양광을 이용한 수소 전기분해장치를 설명한다.Next, a solar-light-based hydrogen electrolysis apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 제3 실시예는 앞서 설명한 제1 실시예와 동일하며, 추가적으로 보조전원을 사용하는 점에서 상이하다. 아래에서 상이한 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.The third embodiment of the present invention is the same as the first embodiment described above, and differs in that an auxiliary power source is additionally used. Only the different parts are described below. Unless explained, the description of the first embodiment described above is referred to.

신재생에너지만으로 전력 변환기를 구동하게 되면, 신재생에너지의 발전 전력이 급변할 때 전력 변환기 구동에 필요한 제어 전원의 부족으로 전력변환기가 자동으로 정지할 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 신재생에너지의 발전 용량을 제어전원의 과도 범위를 벗어나지 않는 용량으로 설치해야 된다. 그런데 이로 인해 부하 용량 대비해서 잉여 전력으로 남게 되는 것이다.When the power converter is driven only by the renewable energy, the power converter can be automatically stopped due to a lack of control power required for driving the power converter when the generated power of the renewable energy is changed rapidly. In order to prevent this, it is necessary to install the renewable energy generating capacity at a capacity that does not exceed the transient range of the control power source. However, this causes surplus power as compared with the load capacity.

따라서 전력변환기 구동에 필요한 제어전원은 도 1과 같이 신재생에너지 발전 전력과 별도 외부 전원을 병렬로 구성한다. 그래서 우선적으로 신재생에너지의 전력을 제어전원으로 사용하고, 실시간으로 신재생에너지 발전 전력을 비교하는 과정에서 제어전원용 전력이 부족하게 되면 자동으로 보조 전원으로 공급될 수 있도록 회로를 구성한다.Therefore, as shown in FIG. 1, the control power source necessary for driving the power converter constitutes a new renewable energy generation power and a separate external power source in parallel. Therefore, when the power of the renewable energy is used as the control power source and the power of the renewable energy generation is compared in real time, when the power of the control power source is insufficient, the circuit is automatically configured to be supplied to the auxiliary power source.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하α였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been specifically described according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and it goes without saying that the present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention.

10 : 태양광 발전부 20 : DC/DC 컨버터
30 : 스위칭부 40 : 제어부
50 : 수전해 장치 60 : 저장장치
10: Solar power generating part 20: DC / DC converter
30: Switching unit 40:
50: water electrolytic device 60: storage device

Claims (5)

태양광 발전부의 입력 전력을 DC/DC 컨버터로 변환하여, 병렬로 연결된 적어도 2개의 수전해 장치들로 공급하는 것을 제어하는, 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법에 있어서,
(a1) 상기 태양광 발전부의 현재 전압 및 전류를 입력받는 단계;
(a2) 전력 증분이 음인지 양인지 여부와, 전압 증분이 음인지 양인지의 여부의 조합 결과와, 이전에 설정된 전력점 상태에 따라 현재의 전력점 상태를 설정하고, 현재의 전력점 상태에 따라 레퍼런스 전압을 증감하는 단계;
(a3) 증감된 레퍼런스 전압에 따라 PI(비례적분) 제어를 통해 DC/DC 컨버터의 PWM 제어신호를 생성하는 단계; 및,
(b) 수전해 장치로 출력되는 전력의 크기에 따라 적어도 2개의 수전해 장치들 중 일부를 온/오프 하여 전원 공급을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 (a2)단계에서,
이전의 전력점 상태가 최대전력점을 추종하기 위해서는 전압이 상승되는 상태(이하 전압상승 상태)이면, 상기 전력증분이 양이고 전압증분이 음이더라도 현재의 전력점 상태를 전압상승 상태로 설정하고,
이전의 전력점 상태가 최대전력점을 추종하기 위해서는 전압이 감소되는 상태(이하 전압감소 상태)이면, 상기 전력증분이 양이고 전압증분이 양이더라도 현재의 전력점 상태를 전압감소 상태로 설정하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법.
A method of controlling and operating a power converter for power supply of a hydrogen-electrolytic device using sunlight, the method comprising: converting input power of a solar power generator into a DC / DC converter and controlling supply of the power to at least two power- In this case,
(a1) receiving the current voltage and current of the solar power generation unit;
(a2) whether the power increment is negative or positive, whether the voltage increment is negative or positive, and a result of the combination of the current power point state and the current power point state according to the previously set power point state, Increasing or decreasing the reference voltage;
(a3) generating a PWM control signal of the DC / DC converter through PI (proportional integral) control according to the increased or decreased reference voltage; And
(b) controlling power supply by turning on / off at least some of the at least two power receiving devices according to the magnitude of the power output to the power receiving device,
In the step (a2)
In order to follow the maximum power point, the previous power point state is set to the voltage rising state when the voltage is in the raised state (hereinafter referred to as the voltage rising state), even if the power increment is positive and the voltage increment is negative,
If the previous power point state is a state where the voltage is decreasing (hereinafter referred to as a voltage decreasing state) in order to follow the maximum power point, setting the current power point state to the voltage decreasing state even if the power increment is positive and the voltage increment is positive A method of controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using solar light.
제1항에 있어서,
상기 (a2)단계에서, 상기 전력 증분이 음이고 상기 전압 증분이 음인 경우 현재의 전력점 상태를 제4 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 음이고 상기 전압 증분이 양인 경우 현재의 전력점 상태를 제3 상태로 설정하고,
상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 음인 경우 이전의 전력점 상태가 전압상승 상태이면 현재의 전력점 상태를 제6 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 현재의 전력점 상태를 제2 상태로 설정하고,
상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 양인 경우 이전의 전력점 상태가 전압감소 상태이면 현재의 전력점 상태를 제5 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 현재의 전력점 상태를 제1 상태로 설정하고,
전력점 상태가 제1, 제4, 또는 제6 상태이면 전압상승 상태이고, 전력점 상태가 제2, 제3, 또는 제5 상태이면 전압감소 상태로 판단하고,
현재의 전력점 상태가 제1, 제4, 제6 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전압을 감소시키고, 현재의 전력점 상태가 제2, 제3, 제5 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법.
The method according to claim 1,
Setting the current power point state to a fourth state if the power increment is negative and the voltage increment is negative in step (a2); and if the power increment is negative and the voltage increment is positive, The third state is set,
If the power increment is positive and the voltage increment is negative, the current power point state is set to a sixth state if the previous power point state is in a voltage up state, otherwise the current power point state is set to a second state ,
If the power increment is positive and the voltage increment is positive, sets the current power point state to the fifth state if the previous power point state is in the voltage decrease state, otherwise sets the current power point state to the first state ,
If the power point state is the first, fourth, or sixth state, and if the power point state is the second, third, or fifth state,
The reference voltage is decreased when the current power point state is set to the first, fourth, and sixth states, and the reference voltage is increased when the current power point state is set to the second, third, and fifth states A method of controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using solar light.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 상기 수전해 장치로 공급되는 전력(이하 공급 전력)이 현재 연결된 수전해 장치의 개수로 나눈 후, 나눈 전력이 사전에 설정된 최대 전력 보다 크면, 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 추가하여 온(on)시키고, 나눈 전력이 사전에 설정된 최소 전력 보다 작으면, 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 오프(off)시키는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법.
The method according to claim 1,
In the step (b), if the electric power supplied to the water electrolytic apparatus (hereinafter referred to as supplied electric power) is divided by the number of the water electrolytic apparatuses currently connected and the divided electric power is greater than the predetermined maximum electric power, One of the devices is selected and added, and when the divided electric power is smaller than the preset minimum electric power, one of the on-powered devices is selected and turned off A method of controlling and operating a power converter for powering a hydrogen electrolysis apparatus using solar light.
제3항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 온(on)시키기 위하여 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택할 때, 누적된 사용시간이 최소인 수전해 장치를 선택하고, 오프(off)시키기 위하여 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택할 때, 누적된 사용시간이 최대인 수전해 장치를 선택하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법.
The method of claim 3,
In the step (b), when selecting one of the power-receiving devices turned off to turn on, the power-receiving device having the smallest accumulated use time is selected and turned on to turn off and selecting a water electrolysis apparatus having a maximum cumulative use time when selecting one of the water electrolysis apparatuses that are turned on when the water electrolysis apparatus is turned on. .
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 초기 기동을 위해 발전된 전압이 높아지는지 확인하여, 전압이 높아지는 경우에 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 온(on)시키는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소 전기분해장치 전원 공급용 전력변환기의 제어 및 운전 방법.
The method according to claim 1,
Wherein in the step (b), it is determined whether the voltage developed for the initial startup is high, and when the voltage is increased, one of the electrolytic electrolysis devices is selected and turned on. Control and operation of a power converter for powering a device.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112290581A (en) * 2019-07-12 2021-01-29 合肥阳光新能源科技有限公司 New energy off-grid hydrogen production system
JP2021063280A (en) * 2019-10-16 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Water electrolysis system
CN113659632A (en) * 2021-08-10 2021-11-16 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Electrolytic hydrogen production system capable of realizing large-scale fluctuation energy source absorption and operation method
EP4050125A1 (en) * 2021-02-24 2022-08-31 Hitachi, Ltd. Energy management apparatus and energy management method
KR20230053994A (en) 2021-10-15 2023-04-24 주식회사 현태 The solar energy and water electrolysis hydrogen generator integrated control system using iot
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement
WO2024041711A1 (en) * 2022-08-24 2024-02-29 Vestas Wind Systems A/S Improved power-to-x network architecture
CN118336795A (en) * 2024-06-17 2024-07-12 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 Hysteresis-based electric-hydrogen energy storage micro-grid power distribution method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101036098B1 (en) * 2009-12-04 2011-05-19 삼성에스디아이 주식회사 Maximum power point tracking converter and method thereof
KR101816839B1 (en) * 2016-09-09 2018-01-09 권오정 Complex power circuit for renewable energy directly connected hydrogen generating device and control method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101036098B1 (en) * 2009-12-04 2011-05-19 삼성에스디아이 주식회사 Maximum power point tracking converter and method thereof
KR101816839B1 (en) * 2016-09-09 2018-01-09 권오정 Complex power circuit for renewable energy directly connected hydrogen generating device and control method thereof

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112290581A (en) * 2019-07-12 2021-01-29 合肥阳光新能源科技有限公司 New energy off-grid hydrogen production system
JP2021063280A (en) * 2019-10-16 2021-04-22 株式会社豊田中央研究所 Water electrolysis system
EP4050125A1 (en) * 2021-02-24 2022-08-31 Hitachi, Ltd. Energy management apparatus and energy management method
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement
CN113659632A (en) * 2021-08-10 2021-11-16 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Electrolytic hydrogen production system capable of realizing large-scale fluctuation energy source absorption and operation method
CN113659632B (en) * 2021-08-10 2024-01-23 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Electrolytic hydrogen production system capable of realizing large-scale fluctuation energy consumption and operation method
KR20230053994A (en) 2021-10-15 2023-04-24 주식회사 현태 The solar energy and water electrolysis hydrogen generator integrated control system using iot
WO2024041711A1 (en) * 2022-08-24 2024-02-29 Vestas Wind Systems A/S Improved power-to-x network architecture
CN118336795A (en) * 2024-06-17 2024-07-12 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 Hysteresis-based electric-hydrogen energy storage micro-grid power distribution method

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