KR102317771B1 - 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치 - Google Patents

3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 출력을 3상 계통으로 전달하는 연료전지 전력변환장치를 제공한다. 전력변환장치는, 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 직류 주 변환부와, 교류전력을 승압하는 승압부와, 승압된 교류전력을 계통 교류전력으로 변환하는 교류 변환부와, 연료전지 스택의 출력이 옴 저항 영역에 이르기까지 고전압 저전류 영역에서 운전 가능한 직류 보조 변환부와, 직류 보조 변환부를 거친 교류전력을 교류 변환부가 요구하는 전압으로 승압하는 보조 승압기와, 보조 승압기의 승압을 거친 고압 직류전력을 교류 변환부의 임의의 상에 분배하기 위한 접속 릴레이와, 연료전지 스택의 출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 측정하는 전압전류 센서와, 출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 이용하여 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))을 계산하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))과 직류 보조 변환부의 용량(PSub)을 비교하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부의 용량(PSub)을 기준으로 결정되는 소정의 기준점을 넘는 경우 직류 주 변환부의 동작을 지시(SMain(t)=1)하고, 연료전지 스택의 출력이 상기 기준점 이내인 경우, 직류 보조 변환부의 동작을 지시하는(SSub(t)=1) 제어부를 포함한다.

Description

3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치{Grid-connected power conversion devices for fuel cell}
본 발명은 연료전지 전력변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 출력을 3상 계통으로 전달하는 연료전지 전력변환장치에 관한 것이다.
도 1은 PEM 연료전지의 전류밀도에 따른 셀 전압 강하를 나타내는 도면이다.
연료전지는 수소 기반 연료와 산소(또는 공기)를 사용하여 전기화학적 반응을 통해 열과 전력을 발생시키는 장치의 통칭이다. 연료전지의 출력은 전류에 따라 변동하는 특성을 보이는데, 이는 연료전지의 출력이 아래의 식으로 표현되기 때문이다. 전지의 전압은 자체 기전력에 내부 전압강하요소를 제한 값으로 나타난다. 이는 전극에서 발생하며 저전류 범위에서 증가한 후 변화가 적은 활성화 손실(ΔVactivation), 전하운반체가 전해질 내부를 통과하면서 발생하며 전류에 비례하는 저항 손실(ΔVohmic=IⅩRstack), 전하운반체의 양이 전해질 내 통과 가능한 공간보다 많아질 때 발생하는 병목현상에 의한 밀도 손실(ΔVconcenctration,농도 분극 손실)로 나눌 수 있다.
Figure 112020142439010-pat00001
연료전지에 연료가 일정량 이상 공급되나, 회로가 연결되어 있지 않을 경우 전류 값이 0인 상태로 전압만 존재하게 되는데, 이를 연료전지의 개방회로전압(OCV)이라고 한다. 연료전지에 있어 개방회로전압은 연료전지의 상태를 확인하는 간단한 방법 중 하나이다. 개방회로전압이 유지되는 경우 전극에 전하가 소량이나마 누적되며, 이에 의해 전극에 설계에서 의도하지 않은 역반응이 발생하여 전극이 손상되고, 전극의 손상은 연료전지의 수명을 저하시키는 원인이 된다. 특히 고분자전해질막(PEM)계열 연료전지 발전시스템의 개발 및 운영에 있어 OCV의 유지시간을 가급적 최소화하는 것은 중요하다.
기존의 해결 방법은 스택과 계통 사이, 또는 스택 내부에 소용량의 저항을 부가하는 방식이 쓰여왔으며, 저항 대신 다이오드와 2차전지를 사용하여 일시적으로 2차전지를 충전하여 전압을 강하시키는 방법도 가능하다.
도 2는 연료전지의 운전초기전압 강하를 위한 중간회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
이를 상기한 바와 전력변환장치 내부에서 해결하기 위해서는 전력변환장치의 직류전압부가 OCV상태에서도 운전이 가능하도록 직류전압부의 소자 내압이 그에 상응하게 증가하여야 한다. 그러나 OCV를 포함하여 활성화 저항이 주가 되는 출력범위는 스택 전체로 볼 때 좁고, 이를 위해 내전압이 높은 소자를 사용하는 것은 자체 효용성이 낮을 뿐만 아니라 실제 전력변환 효율도 낮다. 또한 연료전지의 출력전압이 계통 평균전압(RMS)대비 낮아 변압기를 통한 승압이 필수적이나 OCV를 포함한 고전압 저전류 범위를 포함하는 경우 변압비가 최적점에서 멀어지게 되는 문제도 있다.
도 3은 고전압범위를 담당하는 보조 직류변환부(제2 직류변환부)를 포함한 연료전지용 전력변환장치의 구성 예를 나타내는 도면이다.
단상 출력을 내는 전력변환장치의 경우, 개방회로전압(OCV)에 대응하기 위한 보조 직류전압부를 부가하고 연료전지 기동시 보조 직류전압부를 통해 계통에 송전하되, 출력이 일정 수준 이상으로 상승하면 주 직류전압부가 운전하여 연료전지의 출력가능범위 전체에서 전력변환장치를 활용할 수 있다. 그러나 출력이 3상 교류일 때 각 상 출력을 담당하는 직류전압부에 개방회로전압(OCV)에 효율적으로 대응하기 위한 방안이 마련되어 있지 않은 문제점이 있다. 예를 들어, 출력이 3상 교류일 때 각 상의 출력을 담당하는 직류 전압부에 동등하기 보조 직류 전압부를 부가할 경우, 직류 전압부의 수가 너무 많아지는 비효율성이 발생한다.
등록번호 제10-1300354호, 2013년 8월 28일 공고, 계통연계형 전력변환장치
본 발명은 연료전지 스택의 활성화 저항 출력범위는 상대적으로 좁다는 상기 특성에 착안하여, 1개의 보조 직류전압부를 사용하여 상기 보조 직류전압부가 임의의 단수 혹은 복수의 상에 전력을 출력하고, 더 나아가 스위칭 장치를 통해 출력할 상을 계통 상황에 따라 선택할 수 있도록 하여, 연료전지 스택의 고전압, 저전류, 저출력 영역에서도 기존 대비 높은 효율의 전력변환이 가능한 3상 계통 연계를 위한 연료전지 시스템의 전력변환장치를 제공한다.
일 측면에 따른 연료전지 스택의 직류전력을 3상 교류의 계통에 전달하기 위해 변환하는 전력변환장치는, 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 직류 주 변환부와, 교류전력을 승압하는 승압부와, 승압된 교류전력을 계통 교류전력으로 변환하는 교류 변환부와, 연료전지 스택의 출력이 옴 저항 영역에 이르기까지 고전압 저전류 영역에서 운전 가능한 직류 보조 변환부와, 직류 보조 변환부를 거친 교류전력을 교류 변환부가 요구하는 전압으로 승압하는 보조 승압기와, 보조 승압기의 승압을 거친 고압 직류전력을 교류 변환부의 임의의 상에 분배하기 위한 접속 릴레이와, 연료전지 스택의 출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 측정하는 전압전류 센서와, 출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 이용하여 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))을 계산하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))과 직류 보조 변환부의 용량(PSub)을 비교하고, 연료전지 스택의 출력이 직류 보조 변환부의 용량을 기준으로 결정되는 소정의 기준점을 넘는 경우 직류 주 변환부의 동작을 지시(SMain(t)=1)하고, 연료전지 스택의 출력이 상기 기준점 이내인 경우, 직류 보조 변환부의 동작을 지시하는(SSub(t)=1) 제어부를 포함한다.
직류 보조 변환부의 전력용량은 연료전지 스택 정격출력전력의 2분의 1 이하일 수 있다.
상기 소정의 기준점은 직류 보조 변환부의 용량값이거나 직류 보조 변환부의 용량에 1 미만의 양수값을 가지는 소정의 비율을 곱한 값으로 결정될 수 있다.
제어부는 연료전지 스택의 출력전력이 소정의 기준점 이상으로 상승하는 경우 직류 보조 변환부의 동작을 정지하고 직류 주 변환부가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 소정의 기준점을 미만으로 감소하는 경우, 직류 주 변환부의 운전을 정지하고 직류 보조 변환부가 동작하도록 제어할 수 있다.
승압부는, 직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제1 승압기와, 직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제2 승압기와, 직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제3 승압기를 포함하고, 교류변환부는, 제1 승압기에 연결되어 제1 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 A상으로 전달하는 제1 교류변환모듈과, 제2 승압기에 연결되어 제2 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 B상으로 전달하는 제2 교류변환모듈과, 제3 승압기에 연결되어 제3 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 C상으로 전달하는 제3 교류변환모듈을 포함하고, 접속 릴레이는, 제어부의 제1 릴레이 제어 신호(RA)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제1 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제1 릴레이 스위치와, 제어부의 제2 릴레이 제어 신호(RB)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제2 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제2 릴레이 스위치와, 제어부의 제3 릴레이 제어 신호(RC)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제3 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제3 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.
제어부는 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이상이고 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2에 대응하는 제2 레벨 이하로 상승하는 경우, 접속 릴레이 내부의 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 상기 제2 레벨 이상이고 소정의 기준점 이하로 상승하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치가 모두 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 제1 레벨 이상 제2 레벨 이하로 감소하는 경우, 접속 릴레이 내부의 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이하로 감소하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 하나의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어할 수 있다.
연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER)이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3), 제1 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=1), 그런 다음 제어부는 연료전지 스택의 출력에 부합하도록 전류지령치(I*A(t)=PFC/VAC)를 계산하여 제1 교류변환모듈로 전달하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고(RPOWER>1/3) 3분의 2 미만의 경우(RPOWER<2/3), 제1 릴레이 스위치 및 제2 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=1), 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈의 동작을 지시한 뒤(SA(t)=1, SB(t)=1) 보조 변환부 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈에 분배하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 나머지 출력을 제2 교류변환모듈에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈에 지령하고, 연료전지 스택 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율이 3분의 2 이상인 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1), 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1을 A상과 B상에 각각 분배하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 C상이 담당하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC), B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/3VAC) 및 C상 전류지령치(I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))를 계산하고, 계산된 A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))에 따라 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈에 지령할 수 있다.
제어부는 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))이 이전보다 감소하는 상태에서 연료전지 스택의 출력이 직류 보조 변환부의 용량 이내이고(RPower(t)≤1), 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER)이 3분의 2를 초과하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작을 지시(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1)하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1이 제1 교류변환모듈과 제2 교류변환모듈에 각각 분배되도록 A상 전류지령치((I*A(t)=PFC/3VAC) 및 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 제3 교류변환모듈이 담당하도록 C상 전류지령치(I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))를 계산하고, A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))에 따라 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈에 지령하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고 3분의 2 미만의 경우(1/3<RPOWER<2/3)), 제3 릴레이 스위치를 열림 상태로 하고(RC=0), 제3 교류변환모듈의 동작은 정지하되(SC(t)=0), 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=1, SB(t)=1), 직류 보조 변환 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈에 분배하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 나머지 출력을 제2 교류변환모듈에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈에 지령하고, 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3), 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 열림 상태로 하고(RB=0, RC=0), 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작은 정지하되(SB(t)=0, SB(t)=0), 제1 릴레이 스위를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈의 동작을 지시하고 연료전지 스택의 출력에 부합하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/VAC)를 계산하여 제1 교류변환모듈로 지령할 수 있다.
제어부는 연료전지 스택의 초기 기동시 직류 보조 변환부가 우선 동작하고, 연료전지 스택의 운전 종료 과정에서 직류 보조 변환부를 동작시켜 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)상태가 길어지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 고전압, 저전류, 저출력 영역에서도 기존 대비 높은 효율의 전력변환이 가능한 3상 계통 연계를 위한 연료전지 시스템의 전력변환장치를 제공할 수 있다.
도 1은 PEM 연료전지의 전류밀도에 따른 셀 전압 강하를 나타내는 도면이다.
도 2는 연료전지의 운전초기전압 강하를 위한 중간회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 고전압범위를 담당하는 보조 직류변환부(제2 직류변환부)를 포함한 연료전지용 전력변환장치의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 계통에 연계되는 전력변환장치의 구성과 연료전지 스택과 3상계통과의 연결을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 직류 주 변환부 및 제1 교류변환모듈의 구성 및 연결 상태를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력에 따른 직류 주 변환부 및 직류 보조 변환부 운전 영역과 직류 보조 변환부의 출력용량 범위를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 접속 릴레이의 내부 구조를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압, 저전력 운전시 전력변환장치(110) 내부의 전류 및 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 연료전지 출력에 따른 접속 릴레이 내부 각 상 릴레이의 동작과 각 상의 출력변동 예시를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전력변환장치에서 연료전지 스택의 출력이 직류 보조 변환부의 운전범위를 벗어난 이후의 전력 및 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
도 11은 연료전지 스택의 출력이 증가하는 상황에서 각 상 출력 및 접속 릴레이 내부 동작 예시로서, 연료전지 스택의 출력이 0에서부터 증가하는 경우를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 제어 흐름을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12의 제어부의 제어 흐름에 추가하여 동작되는 제어부의 동작을 상세하게 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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 계통에 연계되는 전력변환장치의 구성과 연료전지 스택과 3상계통과의 연결을 나타내는 도면이다.
도 4의 전력변환장치(100)는 연료전지 스택(200)으로부터 출력되는 직류 전력을 입력 받아 3상 교류를 3상계통(300)으로 출력한다. 도 4에서, 각 상의 표기(A,B,C)는 임의적인 것이며, 국내 규정 또는 실시예에 따라 변경할 수 있다.
전력변환장치(100)는 직류센서(105), 직류 주 변환부(110), 직류 보조 변환부(114), 복수의 승압기(121, 122, 123), 보조 승압기(124), 교류 변환부(130), 제어부(140) 및 접속 릴레이(150)를 포함한다. 전력변환장치(100)는 개방회로전압을 포함한 고전압 저전류 영역에서 동작하는 보조 변환부(114)를 이용하여 연료전지 스택(200)의 전 출력 범위에서 높은 효율을 가지도록 동작할 수 있다.
전압전류센서(105)는 연료전지 스택(200)에서 발생하는 직류 전력을 계산하기 위한 스택출력전압(VFC(t)) 및 스택출력전력(IFC(t))을 측정한다.
직류 변환부(110)는 연료전지 스택(200)의 저전압 직류전력을 구형파로 변환한다. 복수의 승압기(121, 122, 123)는 저전압 구형파 교류전력을 고전압 교류전력으로 변환하는 한편, 계통(300)과 연료전지 스택(200) 사이를 절연시킨다. 교류 변환부(130)는 복수의 승압기(121, 122, 123)로부터 복수의 정류다이오드(D1, D2, D2)를 거쳐 각각 전달되는 교류전력을 각 상의 교류전력으로 변환하는 복수의 교류 변환 모듈(131, 132, 133)을 포함한다.
직류 보조 변환부(114)는 제어부(140)의 제어에 따라 직류 주 변환부(110)와 병렬로 연결되어, 연료전지 스택(200)의 초기운전 출력을 교류 변환부(130)에 전달할 수 있다.
제어부(140)는 전력변환을 제어하는 전력변환 제어기(140)로도 부를 수 있으며, 전력변환장치(100)의 각 구성부품(110, 114, 130, 150)을 제어한다. 제어부(140)의 주기적인 ON-OFF 신호에 따라서, 직류 주 변환부(110) 및 직류 보조 변환부(114)가 선택적으로 동작한다. 직류 주 변환부(110)가 동작할 때에는 접속 릴레이(150)는 동작하지 않는다.
제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력전력이 직류 보조 변환부(114)의 용량에 따라 결정되는 소정의 기준점 이상으로 상승하는 경우 직류 보조 변환부(114)의 동작을 정지하고 직류 주 변환부(110)가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 용량에 따라 결정되는 소정의 기준점을 미만으로 감소하는 경우, 직류 주 변환부(110)의 운전을 정지하고 직류 보조 변환부(114)가 동작하도록 제어할 수 있다. 소정의 기준점은 직류 보조 변환부의 용량값이거나 직류 보조 변환부의 용량에 1 미만의 양수값을 가지는 소정의 비율을 곱한 값으로 결정될 수 있다.
이에 따라, 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력 변동에 따라 효율이 더 높은 직류 주 변환부(110) 또는 직류 보조 변환부(114)를 선택하고, 직류 주 변환부(110)에 연결된 승압기(121, 122, 123) 또는 직류 보조 변환부(114)에 연결된 보조 승압기(124)를 선택하여 운전하도록 할 수 있다.
제어부(140)는 제1 스위치 신호(SMain(t))를 이용하여 직류 주 변환부(110)의 동작 패턴을 지시하고, 제2 스위치 신호(SSub(t))를 이용하여 직류 보조 변환부(114)의 동작 패턴을 지시한다. 이는 순차적이고 주기적인 게이트 전압의 집합으로 나타나지만, 여기에서는 설명의 편의를 위해 단순하게 On(1), Off(0)으로만 나타낸다.
이는 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020142439010-pat00002
제1 승압기(121)는 직류 주 변환부(110)에 연결되어 직류 주 변환부(110)의 전력(PMain)을 승압하여 제1 교류전력모듈(131)로 전달한다. 제2 승압기(122)는 직류 주 변환부(110)에 연결되어 직류 주 변환부(110)의 전력(PMain)을 승압하여 제2 교류전력모듈(132)로 전달한다. 제3 승압기(123)는 직류 주 변환부(110)에 연결되어 직류 주 변환부(110)의 전력(PMain)을 승압하여 제3 교류전력모듈(13)로 전달한다.
보조 승압기(124)는 직류 보조 변환부(114)에 연결되어, 직류 보조 변환부(114)를 거친 교류전력을 교류 변환부(130)가 요구하는 전압으로 승압한다. 보조 승압기(124)에는 제4 정류다이오드(D4)가 연결된다.
접속 릴레이(150)는 제1 승압기(121), 제2 승압기(122), 제3 승압기(124) 및 보조 승압기(124)에 병렬연결되며, 제어부(140)의 제어에 따라서 보조 승압기(124)에서 승압된 전력을 교류변환부(130)의 임의의 상에 분배하도록 구성된다. 이를 위해 접속 릴레이(150)는 승압된 전력이 교류변환부(130)에서 교류 변환될 상을 지정하도록 구성된다.
직류 보조 변환부(114)는 직류 변환부(110)의 구성과 동일 혹은 유사할 수 있으나, 사용하는 스위칭 소자에 있어 내전압이 더 높고, 직류 보조 변환부(114)의 용량은 연료전지 스택(200)의 활성화 손실 영역보다 크고 연료전지 스택(200) 정격 출력의 1/2 이하일 수 있다.
보조 승압기(124)는 제1 승압기(121), 제2 승압기(122) 및 제3 승압기(123)에 비해 1차측 전압이 높고 2차측 전압은 같아야 하므로, 승압 비율이 낮도록 설계된다.
연료의 공급 등으로 연료전지 스택(200)에서 개방회로전압(OCV)이 발생하는 경우, 제어부(140)는 개방회로전압(OCV)의 발생을 인지하여 직류 보조 변환부(114)의 동작을 지시할 수 있다.
교류 변환부(130)는 각 상의 전력을 담당하는 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)을 포함한다. 제1 교류변환모듈(131)은 제1 승압기(121)에 연결되어 제1 승압기(121)에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 A상으로 전달한다. 제2 교류변환모듈(132)은 제2 승압기(122)에 연결되어 제2 승압기(122)에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 B상으로 전달한다. 제3 교류변환모듈(133)은 제3 승압기(123)에 연결되어 제3 승압기(123)에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 C상으로 전달한다.
제어부(140)는 A상 스위칭 제어 신호(SA(t)) 및 A상 전류지령치(I*A(t))를 이용하여 A상의 교류전력을 출력하는 제1 교류변환모듈(131)을 제어하고, B상 스위칭 제어 신호(SB(t))와 B상 전류지령치(I*B(t))를 이용하여 B상의 교류전력을 출력하는 제2 교류변환모듈(132)을 제어하고, C상 스위칭 제어 신호(SC(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))를 이용하여 C상의 교류전력을 출력하는 제3 교류변환모듈(133)을 제어할 수 있다.
도 5는 도 4의 직류 주 변환부(110) 및 제1 교류변환모듈(131)의 구성 및 연결 상태를 나타내는 회로도이다.
직류 주 변환부(110)는 복수의 스위칭 소자(511, 512, 513, 514)를 포함할 수 있다. 제어부(140)의 제어에 따라 스위칭 소자(511) 및 스위칭 소자(514)가 동작하는 경우, 제1 승압기(121), 제2 승압기(122) 및 제3 승압기(123)에서 아래에서 위 방향으로 전류가 흐른다. 또한, 스위칭 소자(512) 및 스위칭 소자(513)가 동작하는 경우, 제1 승압기(121), 제2 승압기(122) 및 제3 승압기(123)에서 위에서 아래 방향으로 전류가 흐른다. 구형파 교류전력을 출력하기 위한 신호는 스위칭 소자(511) 및 스위칭 소자(514)와 스위칭 소자(512) 및 스위칭 소자(513)에 번갈아가며 ON 신호를 부가함으로써 출력될 수 있으며, 이는 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
직류 보조 변환부(114)의 구성은 직류 주 변환부(110)의 구성과 동일하며, 내부의 스위칭 소자의 용량이 다르다.
제1 교류 변환 모듈(131)은 직류를 정현파 교류로 변환하기 위하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PMW)를 수행하기 위한 스위칭 소자군(550)과 변환 과정에서 나타난 입출력 전력차를 보정하기 위한 커패시터(520)를 포함한다. 스위칭 소자군(550)은 복수의 스위칭 소자(551, 552, 553, 554)를 포함하며, 제어부(140)의 제어에 따라 동작한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(200)의 출력에 따른 직류 주 변환부(110) 및 직류 보조 변환부(114)의 운전 영역과 직류 보조 변환부(114)의 출력용량 범위를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(200)의 전류-전압/전력 관계에 있어, 직류 보조 변환부(114)의 운전영역은 연료전지 스택(200)의 활성화 영역을 포함한다.
직류 주 변환부(110)의 운전 영역은 연료전지 스택(200)의 옴 영역을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 직류 보조 변환부(114)의 출력범위(630)는 연료전지 스택(200) 정격 출력의 1/2 이하로 설계된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 접속 릴레이(150)의 내부 구조를 상세하게 나타내는 도면이다.
접속 릴레이(150)는 직류 보조 변환부(114)를 통해 승압된 직류전력이 A, B, C상 중 어느 상에 분배되는지를 제어하는 정상 열림(Normally Open) 릴레이 장치로 구성된다. 제어부(140)은 각 상에 연계된 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 닫고 여는 방식으로 출력될 교류의 상을 지정하여, 접속 릴레이(150)가 지정된 교류의 상으로 전력을 출력하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)가 A상과 B상에 출력을 분배하도록 결정한 경우, A상에 연결된 제1 릴레이 스위치(710) 및 B상에 연결된 제2 릴레이 스위치(720)를 동작 시켜 회로를 연결하고, C상에 연결된 제3 릴레이 스위치(730)은 열림 상태를 유지한다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 제어부(140)는 접속 릴레이(150) 내의 릴레이 스위치들(710, 720, 730)의 상태를 각각 제어하는 릴레이 제어 신호(RA, RB, RC)를 이용하여 접속 릴레이(150)를 제어한다. 릴레이 스위치들(710, 720, 730)의 상태를 각각 나타내는 릴레이 제어 신호(RA, RB, RC)는 열림(0) 및 닫힘(1)으로 표현 가능한 이산적 값이다.
릴레이 스위치들(710, 720, 730)의 상태를 각각 제어하는 릴레이 제어 신호(RA, RB, RC)는, 제1 릴레이 스위치(710)의 상태를 나타내는 A상 릴레이 제어 신호(RA), 제2 릴레이 스위치(720)의 상태를 나타내는 B상 릴레이 제어 신호(RB) 및 제3 릴레이 스위치(730)의 상태를 제어하는 C상 릴레이 제어 신호(RC)를 포함한다.
제1 릴레이 스위치(710)는 제어부(140)의 제1 릴레이 제어 신호(RA)에 따라 직류 보조 변환부(114)로부터 출력되는 전력을 제1 교류변환모듈(131)로 전달하도록 구성된다. 제2 릴레이 스위치(720)는 제어부(140)의 제2 릴레이 제어 신호(RB)에 따라 직류 보조 변환부(114)로부터 출력되는 전력을 제2 교류변환모듈(132)로 전달하도록 구성된다. 제3 릴레이 스위치(730)는 제어부(140)의 제3 릴레이 제어 신호(RC)에 따라 직류 보조 변환부(114)로부터 출력되는 전력을 제3 교류변환모듈(133)로 전달하도록 구성된다.
즉, 직류 보조 변환부(114)가 제2 스위치 신호(SSub(t)=1)인 경우, 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730) 중 적어도 하나가 동작하므로, 이는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020142439010-pat00003
제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이상이고 연료전지 스택(200)의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2에 대응하는 제2 레벨 이하로 상승하는 경우, 접속 릴레이(150) 내부의 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730) 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택(200)의 출력전력이 상기 제2 레벨 이상이고 소정의 기준점 이하로 상승하는 경우, 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)가 모두 동작하도록 제어한다.
제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력전력이 제1 레벨 이상 제2 레벨 이하로 감소하는 경우, 접속 릴레이(150) 내부의 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730) 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택(200)의 출력전력이 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이하로 감소하는 경우, 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730) 중 하나의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어할 수 있다.
제어부(140)는 A상 스위칭 제어 신호(SA(t)), B상 스위칭 제어 신호(SB(t)) 및 C상 스위칭 제어 신호(SC(t))를 이용하여 교류 변환부(130) 내의 각 상의 전력을 담당하는 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작을 제어한다. A상 스위칭 제어 신호(SA(t)), B상 스위칭 제어 신호(SB(t)) 및 C상 스위칭 제어 신호(SC(t))는 각각의 스위칭 소자군(551, 552, 553, 554)의 동작 패턴을 나타낸다. A상 스위칭 제어 신호(SA(t)), B상 스위칭 제어 신호(SB(t)), C상 스위칭 제어 신호(SC(t))는 직류 변환부(110, 114)와 유사하게 게이트 전압의 집합으로 나타낼 수 있으나 이에 제한되지 않고 단순화하여 나타낼 수 있다.
이는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020142439010-pat00004
A상 전류 지령치(I*A(t))는 제1 교류변환모듈(131)의 운전 결과로 나타날 교류 전류의 지령치이고, B상 전류 지령치(I*B(t))는 제2 교류변환모듈(132)의 운전 결과로 나타날 교류 전류의 지령치이고, C상 전류 지령치(I*C(t))는 제3 교류변환모듈(133)의 운전 결과로 나타날 교류 전류의 지령치이다. A상 전류 지령치(I*A(t)), B상 전류 지령치(I*B(t)) 및 C상 전류 지령치(I*C(t))와 교류 계통전압(VAC, 국내의 경우 220V)을 곱한 값은 각각 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 출력전력이 되며, 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 출력전력의 합은 연료전지 스택(200)의 직류전력과 동일하다. 이는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020142439010-pat00005
일 실시예에서는 용량 배분에 필요한 전류에 관한 지령치만 부과하는 것으로 서술하나, 실시예에 따라서는 전압과 주파수에 대한 목표값을 추가로 지령할 수도 있다.
제어부(140)는 다음의 동작을 수행한다.
(1) 제어부(140)는 측정된 연료전지 스택(200)의 출력전압(VFC(t))과 전류(IFC(t))를 이용하여 스택 출력전력(PFC(t))을 계산한다
(2) 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력과 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)을 비교한다.
(3) 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 용량을 초과(PFC(t)>PSub)하는 경우 제1 스위치 신호(SMain(t)=1)를 이용하여 직류 주 변환부(110)의 동작을 지시하고, 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 용량 이내인 경우(PFC(t)<PSub), 연료전지 스택(200)의 출력과 직류 보조 변환부(114)의 용량의 비율(RPower(t) = PFC(t)/PSub) 로부터 접속 릴레이(150)의 스위치의 상태를 조정하여, 릴레이 제어 신호(RA, RB 및 RC)를 결정한다.
(4) 제어부(140)는 직류 주 변환부(110) 또는 직류 보조 변환부(114)로부터 전력을 받는 교류 변환부(130)의 스위칭 패턴(SA(t), SB(t), SC(t))과 전류 지령치(I*A(t), I*B(t), I*C(t))를 계산하여 갱신한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압, 저전력 운전시 전력변환장치(110) 내부의 전류 및 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
전력변환장치(100)의 제어부(140)는 직류 보조 변환부(114)의 동작을 지시함과 동시에 직류 보조 변환부(114)의 동작에 의해 발생한 출력을 교류로 변환하기 위하여 접속 릴레이(150) 내부의 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 동작시킨다. 이때, 제어부(140)는 각 상에 연결된 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 연료전지 스택(200)의 출력증가 또는 소정의 순서에 따라 순차적으로 동작하도록 제어한다.
이와 같은 방식으로 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력이 낮은 상태에서 3개의 교류변환모듈(131, 132, 133)이 모두 동작하는 상황을 방지한다.
도 9는 연료전지 출력에 따른 접속 릴레이 내부 각 상 릴레이의 동작과 각 상의 출력변동 예시를 나타내는 도면이다.
도 9는 A상 -> B상 -> C상의 순서대로 직류출력 증가에 따라 각 상을 담당하는 릴레이 스위치의 동작과 교류변환모듈(131, 132, 133)이 수전하는 전력량을 나타낸다.
좀 더 상세하게 기술하면, 직류 보조 변환부(114)의 동작과 동시에 A상에 연결된 제1 릴레이 스위치(710)이 동작하여 연료전지 스택(200)의 출력을 A상에만 전달한다.
이후 제어부(140)의 제어에 따라 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114) 용량의 1/3 혹은 소정의 값 이상으로 증가할 때 B상에 연결된 제2 릴레이 스위치(720)가 동작하고, 교류측 A상에 연결된 제1 교류 변환 모듈(131)의 운전전력은 유지되며 이후 증가한 연료전지 스택(200) 출력을 B상에 연결된 제2 교류 변환 모듈(132)에 인가한다.
연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114) 용량의 2/3 혹은 상기 소정의 값의 2배 이상으로 증가하면 C상에 연결된 제3 릴레이 스위치(730)이 동작하고, 교류측의 A상에 연결된 제1 교류변환모듈(131), B상에 연결된 제2 교류변환모듈(132)의 출력이 유지된 상태로 C상에 연결된 제3 교류변환모듈(133)은 증가되는 전력을 수전한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전력변환장치(100)에서 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 운전범위를 벗어난 이후의 전력 및 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 운전범위를 벗어난 이후에는, 제어부(140)의 제어에 따라 직류 보조 변환부(114)는 동작이 중지되며, 직류 주 변환부(110)가 동작된다. 연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 용량범위에 도달하거나 각 상의 출력이 상기 소정의 값으로 일정 시간 이상 동등하게 유지되면, 제어부(140)는 제1 스위치 신호(SMain=1)를 주변환기(110)에 전송하고, 직류 보조 변환부(114)에 제2 스위치 신호의 전달을 중지한다(SSub=0). 각 상에 연계된 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)은 직류 보조 변환부(114)로부터 받던 출력전력을 직류 주 변환부(110)로부터 수전하고, 연료전지 스택(200)의 출력은 그대로 유지하게 된다.
도 11은 연료전지 스택(200)의 출력이 증가하는 상황에서 각 상 출력 및 접속 릴레이 내부 동작 예시로서, 연료전지 스택(200)의 출력이 0에서부터 증가하는 경우를 나타낸다.
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC)이 증가함에 따라 제어부(140)는 제1 릴레이 제어 신호(RA), 제2 릴레이 제어 신호(RB), 제3 릴레이 제어 신호(RC)를 순차적으로 ON으로 하여 교류 변환부(130)로 전달한다. 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC)이 소정의 기준점 이상이 되는 시점 T1에서 제1 릴레이 제어 신호(RA), 제2 릴레이 제어 신호(RB), 제3 릴레이 제어 신호(RC)를 모두 OFF로 제어하여, 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC)이 직류 주 변환부(110)를 거쳐 교류 변환부(130)로 전달되도록 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 연료전지 발전시스템의 종료 또는 출력을 감소시키는 경우에는 상기 서술의 역순으로 동작할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(140)의 제어 흐름을 상세하게 나타내는 도면이다.
제어부(140)는 전력변환장치(100) 내의 입력 전압전류센서(105)부터 측정된 연료전지 스택(200)에서 출력되는 전압(VFC(t)) 및 전류(IFC(t))를 수신하고, 직류 주 변환부(110)에 대한 제1 스위치 신호(SMain(t)) 및 직류 보조 변환부(114)에 대한 제2 스위치 신호(SSub(t)), 교류변환모듈(131, 132, 133)의 현재 동작 상태를 나타내는 A상 스위칭 제어 신호(SA(t)), B상 스위칭 제어 신호(SB(t)), C상 스위칭 제어 신호(SC(t))와 접속 릴레이(150)의 릴레이 제어 신호(RA, RB, RC)를 이용하여 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)의 닫힘 여부를 확인한다(1210).
제어부(140)는 연료전지 스택(200)에서 출력되는 전압(VFC(t)) 및 전류(IFC(t))를 이용하여 변환해야 하는 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))을 계산한 뒤, 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))을 직류 보조 변환부(114)의 출력 용량(PSub)으로 나눈 용량비율(RPower(t))을 계산하여 저장한다(1212).
제어부(140)는 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 이전에 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t-1)) 대비 증가했는지 확인한다(PFC(t)>(PFC(t-1))(1214).
제어부(140)는 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 이전에 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t-1)) 대비 증가한 경우(1214), 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부(114)의 용량을 초과하는지 즉, 전력비율(RPower(t))이 1보다 큰지 확인한다(1216).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부(114)의 용량을 초과하는 경우(RPower(t)>1)(1216), 제어부(140)는 직류 주 변환부(110)의 동작을 지시하고(SMain(t)=1), 교류 변환부(130)에 포함된 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작 상태를 ON으로 갱신한다(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1)(1218).
이때 직류 보조 변환부(114)가 동작중인지 즉, SSub(t)=1인지 확인하고(1220), 직류 보조 변환부(114)가 동작중인 경우, 제어부(140)는 접속 릴레이(150)의 스위치를 전부 열림 상태로 전환하고(RA=RB=RC=0), 직류 보조 변환부(114)의 동작을 종료한다(SSub(t)=1). 그리고 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 직류출력을 3으로 나누어 각 상의 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)에 분할하고, 전류지령치(I*A(t)=I*B(t)=I*C(t))를 계산하여 각 상의 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)에 전달한다(1224).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부(114)의 용량 이내인 경우(RPower(t)≤1)(1216), 직류 보조 변환부(114)가 동작 상태인지 확인하고(SSub(t)=1), 직류 주 변환부(114)가 동작하지 않은 상태를 유지한다(SMain(t)=0)(1230).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)의 비율(이하 용량비율)이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3)(1232), A상의 제1 릴레이 스위치(710)를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈(131)의 동작을 지시한다(SA(t)=1). 그런 다음 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력에 부합하도록 전류지령치를 계산하여 제1 교류변환모듈(131)로 전달한다(I*A(t)=PFC/VAC). 여기에서, 교류전압(VAC)은 3상계통(300)의 교류전압이다.
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고(RPOWER>1/3)(1232) 3분의 2 미만의 경우(RPOWER<2/3)(1240), 제1 릴레이 스위치(710) 및 제2 릴레이 스위치(720)를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=1), 제1 교류변환모듈(131) 및 제2 교류변환모듈(132)의 동작을 지시한 뒤(SA(t)=1, SB(t)=1)(1242), 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈(131)에 분배하도록 A상 전류지령치((I*A(t))를 계산하고, 나머지 출력을 제2 교류변환모듈(132)에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈(131) 및 제2 교류변환모듈(132)에 각각 지령한다(I*A(t)=PFC/3VAC, I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))(1244).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 2 이상인 경우(1240), 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작을 지시하고(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1), 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈(710) 및 제2 교류변환모듈(720)에 각각 분배하고, 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 제3 교류변환모듈(730)이 담당하도록 A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))를 계산하고, 계산된 A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))에 따라 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)에 지령한다(I*A(t)=I*B(t)=PFC/3VAC, I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))(1252).
도 13은 도 12의 제어부(140)의 제어 흐름에 추가하여 동작되는 제어부(140)의 동작을 상세하게 나타내는 도면이다.
제어부(140)는 동작 1214에 이어서 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 이전에 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t-1)) 대비 감소했는지 확인한다(PFC(t)<(PFC(t-1))(1310).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 이전보다 감소한 경우에도(1310), 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부(114) 용량(PSub)보다 높은지 즉, 용량비율(RPOWER(t))이 1보다 큰지 확인한다(RPOWER(t)>1)(1312).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부(114) 용량(PSub)을 초과한 경우(1312), 직류 주 변환부(110)의 동작 상태를 유지하고(SMain(t)=1), 교류 변환부(130)에 포함된 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작 상태를 갱신한다(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1)(1320).
연료전지 스택(200)의 출력전력을 3으로 분할하고, 제1 전류지령치(I*A(t)), 제2 전지류령치(I*B(t)) 및 제3 전류지령치(I*C(t))를 계산하여(I*A(t)=I*B(t)=I*C(t)) 각 상의 각 상의 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)모듈에 전달한다(1316).
연료전지 스택(200)의 출력이 직류 보조 변환부(114)의 용량 이내인 경우(RPower(t)≤1)(1312), 제어부(140)는 직류 보조 변환부(114)가 동작 상태인지 확인하고(SSub(t)=1), 직류 주 변환부(114)가 동작하는 경우 동작을 정지시킨다.(SMain(t)=0)(1320).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER)이 3분의 2를 초과하는 경우(1322), 제어부(140)는 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작을 지시한다(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1)(1324). 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력에 부합하도록 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1이 제1 교류변환모듈(131)과 제2 교류변환모듈(132)에 각각 분배되도록 A상 전류지령치(I*A(t)) 및 B상 전류지령치(I*B(t))를 계산하고, 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 제3 교류변환모듈(133)이 담당하도록 C상 전류지령치(I*C(t))를 계산하고, 전류지령치에 따라 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)에 지령한다(I*A(t)=I*B(t)=PFC/3VAC, I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))(1326).
용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고 3분의 2 미만의 경우(1330), 제3 릴레이 스위치(730)를 열림 상태로 하고(RC=0), 제3 교류변환모듈(133)의 동작은 정지하되(SC(t)=0), 제1 교류변환모듈(131) 및 제2 교류변환모듈(132)의 동작을 지시한다(SA(t)=1, SB(t)=1)(1332). 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈(131)에 분배하도록 A상 전류지령치((I*A(t))를 계산하고, 나머지 출력을 B상의 제2 교류변환모듈(132)에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈(131) 및 제2 교류변환모듈(132)에 지령한다(I*A(t)=PFC/3VAC, I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))(1334).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부(114)의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3)(1330), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)를 열림 상태로 하고(RB=0, RC=0), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)의 동작은 정지하되(SB(t)=0, SC(t)=0) 제1 릴레이 스위치(710)를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈(131)의 동작을 지시한다(SA(t)=1). 그런 다음 제어부(140)는 연료전지 스택(200)의 출력에 부합하도록 A상 전류지령치((I*A(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈(131)로 전달한다(I*A(t)=PFC/VAC, I*B(t)=I*C(t)=0).
연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t))이 이전에 계산된 연료전지 스택(200)의 출력전력(PFC(t-1)) 대비 증가하거나(1214), 감소하지 않고 이전과 같이 유지되는 경우(1310), 제어부(140)는 직류 주 변환부(110) 및 직류 보조 변환부(114)의 상태를 유지한다(SMain(t)=SMain(t-1), SSub(t)=SSub(t-1))(1350). 또한, 제어부(140)는 제1 교류변환모듈(131)의 스위칭 제어 신호(SA(t)), 제2 교류변환모듈(132)의 스위칭 제어 신호(SB(t))와 제3 교류변환모듈(133)의 스위칭 제어 신호(SC(t))를 이전 상태와 같이 유지하고(SA(t))=(SA(t-1), SB(t)=SA(t-1), SC(t)=SC(t-1))(1352) A상 전류지령치((I*A(t)), B상 전류 지령치((I*B(t))와 C상 전류 지령치((I*C(t))도 이전상태와 같이 유지하여(I*A(t)=I*A(t-1), I*B(t)=I*B(t-1), I*C(t)=I*C(t-1))(1354), 교류 변환부(130)의 상태도 유지한다.
이상에서는 직류 보조 변환부(114) 용량의 3분의 1, 3분의 2를 기준으로 상의 추가 및 배제가 이루어지며, 직류 보조 변환부(114)의 용량을 기준으로 직류 주변환부(110)와 직류 보조 변환부(114) 사이의 전환이 이루어지는 것으로 묘사했으나, 전력변환장치(100) 자체의 설계, 각 구성품의 사양에 따라 전환 조건은 임의로 지정할 수 있다.
제어부(140)가 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)의 순서에 따라서 동작을 제어하는 것으로 설명되어 있으나, 그 순서에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제어부(140)가 외부의 서버(도시되지 않음) 특정 상에 대한 부하 편중으로 인해 해당 상에 대한 전력이 불균형함을 나타내는 상위 제어 신호를 수신하는 경우, 상위 제어 신호에 따라 제1 릴레이 스위치(710), 제2 릴레이 스위치(720) 및 제3 릴레이 스위치(730)의 동작 순서를 변경할 수 있으며, 그에 따라 A상 전류지령치((I*A(t)), B상 전류 지령치((I*B(t))와 C상 전류 지령치((I*C(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈(131), 제2 교류변환모듈(132) 및 제3 교류변환모듈(133)에 계산된 A상 전류지령치((I*A(t)), B상 전류 지령치((I*B(t))와 C상 전류 지령치((I*C(t))를 각각 지령하여 제어할 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, 광디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.
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.
100: 전력변환장치 110: 직류 주 변환부
114: 직류 보조 변환부 121: 제1 승압기
122: 제2 승압기 123: 제3 승압기
130: 교류 변환부 140: 제어부
200: 연료전지 스택 300: 3상계통

Claims (9)

  1. 연료전지 스택의 직류전력을 3상 교류의 계통에 전달하기 위해 변환하는 전력변환장치에 있어서,
    연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 직류 주 변환부;
    교류전력을 승압하는 승압부;
    승압된 교류전력을 계통 교류전력으로 변환하는 교류 변환부;
    연료전지 스택의 출력이 고전압 저전류인 영역에서 운전 가능한 직류 보조 변환부;
    직류 보조 변환부를 거친 교류전력을 교류 변환부가 요구하는 전압으로 승압하는 보조 승압기;
    보조 승압기의 승압을 거친 고압 직류전력을 교류 변환부의 임의의 상에 분배하기 위한 접속 릴레이;
    연료전지 스택의 출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 측정하는 전압전류 센서; 및
    출력전압(VFC(t))과 출력전류(IFC(t))를 이용하여 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))을 계산하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))과 직류 보조 변환부의 용량(PSub)을 비교하고, 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))이 직류 보조 변환부의 용량(PSub)을 기준으로 결정되는 소정의 기준점을 넘는 경우 직류 주 변환부의 동작을 지시(SMain(t)=1)하고, 연료전지 스택의 출력이 상기 기준점 이내인 경우, 직류 보조 변환부의 동작을 지시하는(SSub(t)=1) 제어부; 를 포함하고,
    제어부는 연료전지 스택의 초기 기동시 직류 보조 변환부가 우선 동작하고, 연료전지 스택의 운전 종료 과정에서 직류 보조 변환부를 동작시켜 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)상태가 길어지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 직류 보조 변환부의 전력용량은 연료전지 스택 정격출력전력의 2분의 1 이하인 것으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서
    상기 소정의 기준점은 직류 보조 변환부의 용량값이거나 직류 보조 변환부의 용량에 1 미만의 양수값을 가지는 소정의 비율을 곱한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제어부는 연료전지 스택의 출력전력이 소정의 기준점 이상으로 상승하는 경우 직류 보조 변환부의 동작을 정지하고 직류 주 변환부가 동작하도록 제어하고,
    연료전지 스택의 출력전력이 소정의 기준점을 미만으로 감소하는 경우, 직류 주 변환부의 운전을 정지하고 직류 보조 변환부가 동작하도록 제어하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서
    승압부는,
    직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제1 승압기;
    직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제2 승압기; 및
    직류 주 변환부에 연결되어 전력을 승압하는 제3 승압기;를 포함하고,
    교류변환부는,
    제1 승압기에 연결되어 제1 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 A상으로 전달하는 제1 교류변환모듈;
    제2 승압기에 연결되어 제2 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 B상으로 전달하는 제2 교류변환모듈; 및
    제3 승압기에 연결되어 제3 승압기에서 승압된 전력을 교류변환하여 3상 계통의 C상으로 전달하는 제3 교류변환모듈;을 포함하고,
    접속 릴레이는,
    제어부의 제1 릴레이 제어 신호(RA)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제1 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제1 릴레이 스위치;
    제어부의 제2 릴레이 제어 신호(RB)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제2 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제2 릴레이 스위치; 및
    제어부의 제3 릴레이 제어 신호(RC)에 따라 직류 보조 변환부로부터 출력되는 전력을 제3 교류변환모듈로 전달하도록 구성된 제3 릴레이 스위치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서
    제어부는 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이상이고 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2에 대응하는 제2 레벨 이하로 상승하는 경우, 접속 릴레이 내부의 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 상기 제2 레벨 이상이고 소정의 기준점 이하로 상승하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치가 모두 동작하도록 제어하고,
    연료전지 스택의 출력전력이 제1 레벨 이상 제2 레벨 이하로 감소하는 경우, 접속 릴레이 내부의 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 2개의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하고, 연료전지 스택의 출력전력이 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1에 대응하는 제1 레벨 이하로 감소하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치 중 하나의 릴레이 스위치가 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  7. 제5항에 있어서,
    연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER)이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3), 제1 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=1), 그런 다음 제어부는 연료전지 스택의 출력에 부합하도록 전류지령치(I*A(t)=PFC/VAC)를 계산하여 제1 교류변환모듈로 전달하고,
    연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고(RPOWER>1/3) 3분의 2 미만의 경우(RPOWER<2/3), 제1 릴레이 스위치 및 제2 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=1), 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈의 동작을 지시한 뒤(SA(t)=1, SB(t)=1) 보조 변환부 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈에 분배하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 나머지 출력을 제2 교류변환모듈에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈에 지령하고,
    연료전지 스택 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율이 3분의 2 이상인 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1), 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1을 A상과 B상에 각각 분배하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 C상이 담당하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC), B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/3VAC) 및 C상 전류지령치(I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))를 계산하고, 계산된 A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))에 따라 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈에 지령하는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  8. 제5항에 있어서,
    제어부는 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t))이 이전보다 감소하는 상태에서 연료전지 스택의 출력이 직류 보조 변환부의 용량 이내이고(RPower(t)≤1), 연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER)이 3분의 2를 초과하는 경우, 제1 릴레이 스위치, 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 닫힘 상태로 하고(RA=RB=RC=1), 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작을 지시(SA(t)=SB(t)=SC(t)=1)하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 1이 제1 교류변환모듈과 제2 교류변환모듈에 각각 분배되도록 A상 전류지령치((I*A(t)=PFC/3VAC) 및 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 직류 보조 변환부 용량의 3분의 2를 초과하는 전력을 제3 교류변환모듈이 담당하도록 C상 전류지령치(I*C(t)=PFC/VAC-I*A(t)-I*B(t))를 계산하고, A상 전류지령치(I*A(t)), B상 전류지령치(I*B(t)) 및 C상 전류지령치(I*C(t))에 따라 제1 교류변환모듈, 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈에 지령하고,
    연료전지 스택의 출력전력(PFC(t)) 대비 직류 보조 변환부의 용량(PSub)의 용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 이상이고 3분의 2 미만의 경우(1/3<RPOWER<2/3)), 제3 릴레이 스위치를 열림 상태로 하고(RC=0), 제3 교류변환모듈의 동작은 정지하되(SC(t)=0), 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈의 동작을 지시하고(SA(t)=1, SB(t)=1), 직류 보조 변환 용량의 3분의 1을 제1 교류변환모듈에 분배하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/3VAC)를 계산하고, 나머지 출력을 제2 교류변환모듈에 분배하도록 B상 전류지령치(I*B(t)=PFC/VAC-I*A(t))를 계산하여 제1 교류변환모듈 및 제2 교류변환모듈에 지령하고,
    용량비율(RPOWER(t))이 3분의 1 미만인 경우(RPOWER<1/3), 제2 릴레이 스위치 및 제3 릴레이 스위치를 열림 상태로 하고(RB=0, RC=0), 제2 교류변환모듈 및 제3 교류변환모듈의 동작은 정지하되(SB(t)=0, SB(t)=0), 제1 릴레이 스위를 닫힘 상태로 하고(RA=1), 제1 교류변환모듈의 동작을 지시하고 연료전지 스택의 출력에 부합하도록 A상 전류지령치(I*A(t)=PFC/VAC)를 계산하여 제1 교류변환모듈로 지령하는 것을 특징으로 하는 3상 계통 연계를 위한 연료전지 전력변환장치.
  9. 삭제
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