KR102331300B1 - 재생에너지 수소변환 시스템의 전력흐름을 제어하는 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 송전선으로 서로 연계되어 있는 재생에너지원과 계통의 중간 지점에 위치하여 송전선을 통해 재생에너지 전력을 수전하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치와, 수전해장치가 생산한 수소로부터 전력을 생산하여 계통에 송전하는 연료전지와, 수전해장치와 연료전지와 송전선 사이에 설치되는 전력변환장치를 포함하는 재생에너지 수소 변환 시스템의 전력변환장치을 제공한다. 전력변환장치는 수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 계통 연결을 수행하는 전력변환부 및 재생에너지 발전 출력전력(P(t)) 및 계통전압(Vg(t))에 기초하여, 수전해장치, 연료전지 및 전력변환부를 제어하는 제어기를 포함하고, 전력변환부는, 계통의 교류전력을 직류전력으로 변환하는 교류변환부와, 직류전력의 전압을 조정하는 직류변환부와, 수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 전류흐름을 제어하여, 연료전지 발전 전력이 수전해장치로 입력되지 않게 하는 전류제어부와, 교류변환부, 직류변환부 및 전류제어부의 동작에 의해 발생할 수 있는 전압 및 전류의 급격한 변동을 방지하는 전력버퍼를 포함한다.

Description

재생에너지 수소변환 시스템의 전력흐름을 제어하는 전력변환장치{Power converter for controlling power flow of hydrogen generating system based on renewable energy}
본 발명은 재생에너지 수소변환 시스템의 전력흐름을 제어하는 전력변환장치에 관한 것이다.
재생에너지, 그 중에서도 태양광과 풍력은 이론상 어디에서나 전력을 발생시켜 활용할 수 있고, 태양의 복사열에 기반하고 있어 설치 이후 별도의 연료를 사용하지 않으므로 온실가스를 발생하지 않는 에너지원으로서 주목받아 왔고, 다방면의 기술개발 및 시장 개척을 통해 전통 기력발전에 준하는 실용성과 경제성을 확보하였다. 그러나 설치 입지에 따른 효율의 편차가 크고 짧게는 초 단위의, 길게는 1년 단위의 출력 변동성을 가지고 있으며 이를 제어할 수 없어 변동형 재생에너지(Variable Renewable Energy, VRE)라고 부르고 있다.
변동성의 해결과 더불어, VRE의 설치용량이 증가하면서 VRE의 발전출력 변동에 따라 부하에 필요한 전력과의 수급 불균형 문제가 발생하고 있으며, VRE를 온전히 활용하기 위해서는 계절적 변동성을 완충하기 위한 장기적, 대용량 에너지 저장 시스템이 요구되고 있다.
도 1은 Power to Gas 및 그 활용개념도이다.
이러한 상황에서 도 1과 같이 물을 전기 분해하여 수소를 얻고 수소를 기반으로 하여 합성 연료를 생산하며, 이러한 에너지 저장체에서 연료전지를 통해 전력을 생산하는 수소기반 재생에너지 저장시스템과 전력 가스화(Power to Gas) 개념이 등장하였다. 현재 널리 쓰이고 있는 전기화학적 에너지 저장 방식과 비교하여 아래 도 2와 표 1에 나타낸다.
도 2의 (A)는 배터리 기반 재생에너지 저장 시스템, 도 2의 (B)는 수소 기반 재생에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
재생에너지 저장 방식 배터리 에너지 저장 수소 에너지 저장
적정 저장 용량 수 kWh ~ 수십 MWh 수백 MWh ~ 수 TWh
저장 기간 수 분~1일 1시간 ~ 수 개월
저장(Power to Power) 효율 80~95% 20~40% (P2G 50~75%)
전력 외 활용성 낮음 높음
용량 증설 비용 용량에 정비례 용량에 따라 점감
재생에너지 저장 방식의 주요 특징 비교
도 3은 수전해장치 및 연료전지의 방식(전해질)별 특징을 비교한 비교표이다.
수전해장치와 연료전지는 공통적으로 전기화학적 셀을 적층 한 스택을 주요 구성요소로 가지고 있다. 이론상으로는 하나의 스택이 수전해와 연료전지 발전을 동시에 수행할 수 있으나, 양극과 음극의 구성 촉매가 동일하고 전극의 활성화 저항이 낮은 고온 연료전지에서 적용이 가능하다고 알려져 있으며, 운전 온도가 상온~약 200℃ 내외인 저온 환경에서 사용하기 위해 한 쌍의 셀 전극에 두 종류의 촉매를 동시에, 안정적으로 도포하여 운전하는 것은 기술적으로 매우 어렵다. 도 3은 수전해와 연료전지의 운전원리(전해질)에 따른 비교를 나타낸 표이다.
또한, 수전해장치와 연료전지는 각각 직류전력의 부하와 전원으로서 동작하는데, 스택이나 셀의 효율과 수명을 유지하기 위해서는 전압, 전류의 흔들림(리플)이 적어야 한다. 하지만 널리 사용되는 상용교류계통은 전력의 수급, 발전소와의 거리에 의한 송전손실 등에 의해 전압 및 주파수가 변동될 수 있으므로, VRE에 인접하여 설치된 수전해장치 또는 연료전지와 계통을 연결하는 전력변환장치는 계통으로부터 오는 변동성을 억제하기 위해 내부에 절연 변압기가 포함되어야 한다.
도 4는 수전해장치의 급전장치 구조 연결도로서 비절연형 및 절연형 직류/교류 인버터의 구성도를 나타낸 것이다.
도 4의 (A)는 단순 정류방식을 나타내고, 도 4의 (B)는 PWM 컨버팅 방식을 나타내는 도면이다. 수전해장치가 전력저장수단으로서 활용되기 이전에는 다이오드에 기반한 정류방식을 사용해도 무방하였으나, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식에 기반한 교류/직류 컨버터를 적용하여 효율을 향상할 수 있다.
도 5는 수전해 컨버터에 사용할 수 있는 직류/교류 인버터의 회로도면 예시로이다. 도 5의 (A)는 비절연형을 나타내고, 도 5의 (B)는 절연형을 나타낸다.
도 4의 (B), 도 5의 (B)는 방향성이 반대일 뿐 그 구성상 유사성이 높으며, 배터리 방식 에너지 저장방식에서 사용되는 충방전 전력 변환장치의 기본 구성과도 유사하다. 하나의 시스템의 입출력을 제어하기 위해 복수의 전력변환장치가 포함되어야 하는 비효율이 발생할 수 있다.
수전해장치를 통해 VRE를 수소로 변환 및 저장하고, 연료전지 발전을 통해 전력을 생산하는 방식은 대용량 장기 저장 및 합성가스 제작 등 2차 활용성에서 장점이 있으나, 수전해장치와 연료전지를 결합한 시스템 전체의 시각에서 볼 때 배터리를 통한 저장방식 대비 효율이 낮다.
등록번호 제10-1816839호, 2018년 1월 9일 공고, 신재생에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법
본 발명은 수전해장치와 연료전지를 결합한 재생에너지 수소변환 시스템에서 연료전지의 출력을 수전해장치가 재사용하지 않도록 운전을 제어하는 전력변환장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 재생에너지 수소변환 시스템에서 수전을 위한 전력변환장치와 발전을 위한 전력변환장치를 구별하지 않고 통합하여 운영할 수 있도록 전력변환장치를 구성하는 기술과 계통 상황 및 필요에 따라 수전 및 발전을 제어하는 전력변환장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 송전선으로 서로 연계되어 있는 재생에너지원과 계통의 중간 지점에 위치하여 송전선을 통해 재생에너지 전력을 수전하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치와, 수전해장치가 생산한 수소로부터 전력을 생산하여 계통에 송전하는 연료전지와, 수전해장치와 연료전지와 송전선 사이에 설치되는 전력변환장치를 포함하는 재생에너지 수소 변환 시스템의 전력변환장치로서, 수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 계통 연결을 수행하는 전력변환부 및 재생에너지 발전 출력전력(P(t)) 및 계통전압(Vg(t))에 기초하여, 수전해장치, 연료전지 및 전력변환부를 제어하는 제어기를 포함하고, 전력변환부는, 계통의 교류전력을 직류전력으로 변환하는 교류변환부와, 직류전력의 전압을 조정하는 직류변환부와, 수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 전류흐름을 제어하여, 연료전지 발전 전력이 수전해장치로 입력되지 않게 하는 전류제어부와, 교류변환부, 직류변환부 및 전류제어부의 동작에 의해 발생할 수 있는 전압 및 전류의 급격한 변동을 방지하는 전력버퍼를 포함한다.
교류변환부는 제어기의 제어에 따라 스위칭 소자에 의한 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 수전 전력량 및 발전 전력량을 조정 가능하고 리플을 저감하고, 직류변환부는 절연 트랜스포머를 포함하여 수전 전력 및 발전 전력의 전류 리플을 최소화하도록 할 수 있다.
전류제어부는 제어기의 제1 제어신호(S1)에 따라 시스템 전체 입출력를 제어하는 입출력 제어부와, 제어기의 제2 제어신호(S2)에 따라 수전해장치의 수전 여부를 제어하는 수전해 입력 제어부와, 제어기의 제3 제어신호(S3)에 따라 연료전지의 발전 여부를 제어하는 연료전지 출력 제어부를 포함할 수 있다.
전류제어부는 제어기의 제4 제어신호(S4)에 따라 전력버퍼의 충방전 여부를 제어하는 전력버퍼 충방전 제어부를 더 포함할 수 있다.
직류변환부는 교류변환부의 출력으로 나타난 직류 전압을 수전해장치의 운전전압으로 승압 또는 강압하는 수전해 컨버터와, 연료전지의 운전전압을 교류변환부의 직류 전압으로 승압 또는 강압하는 연료전지 컨버터를 포함하여, 교류변환부의 직류전압과 수전해장치의 운전전압이 다르더라도 교류변환부로터 수전해장치로 수전이 가능하고, 교류변환부의 직류전압과 연료전지의 운전전압이 다르더라도 연료전지로부터 교류변환부로 송전이 가능할 수 있다.
직류변환부는 전력버퍼의 운전전압을 교류변환부의 직류 전압으로 변환하는 전력버퍼 충방전 컨버터를 더 포함하여, 교류변환부의 직류 전압과 전력버퍼의 운전전압이 다르더라도 수전 및 송전이 가능할 수 있다.
수전해 컨버터는 수전해장치의 용량에 기초하여 2개 이상의 수전해 컨버터 단위 모듈이 병렬 연결되어 구성되고, 연료전지 컨버터는 연료전지의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 연료전지 컨버터 단위 모듈이 병렬 연결되어 구성되고, 전력버퍼 충방전 컨버터는 전력버퍼의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 전력버퍼 충방전 컨버터 모듈이 병렬 연결되어 구성될 수 있다.
교류변환부를 통해 전류제어부로 유입되는 제1 전류측정치(I1(t))를 지령하는 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 클 때(I1(t)>0), 제어기가 수전해 입력 제어부에 닫힘 신호(S2=1)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부에 열림 신호(S3=0)를 전달하고, 반대로 연료전지를 통해 발전하도록 하기 위하여 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 작을 때(I*1(t)<0), 제어기가 수전해 입력 제어부에 열림 신호(S2=0)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부에 닫힘 신호(S3=1)를 전달할 수 있다.
재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나, 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승하여 미리 지정한 시간 이상 지속될 때, 제어기는 입출력 제어부, 수전해 입력 제어부, 전력버퍼 충방전 제어부를 구동하고, 연료전지 출력 제어부를 구동종료하도록 제어하며, 교류변환부의 수전 전력은 전압 안정을 위한 필요 전력량과 수전해장치가 수전할 수 있는 재생에너지 발전량 중 큰 값을 추종하고, 수전해장치의 운전 전력은 교류변환부의 수전 전력을 추종하며, 교류변환부의 수전 전력과 수전해장치의 운전전력의 차이를 전력버퍼의 충방전 전력으로 하여 재생에너지 출력(P(t))의 증가에 의한 계통전압(Vg(t))의 상승을 방지하고, 재생에너지 발전 전력을 안정적으로 수소로 변환할 수 있다.
연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하하여 미리 지정한 시간 이상 지속될 때, 제어기는 입출력 제어부, 연료전지 출력 제어부, 전력버퍼 충방전 제어부를 구동하고, 수전해 입력 제어부를 구동종료하도록 제어하며, 교류변환부의 송전 전력은 계통전압(Vg(t))의 안정을 위한 필요 전력량을 추종하고, 연료전지의 발전 전력은 교류변환부의 송전 전력을 추종하며, 교류변환부의 송전 전력과 연료전지의 발전 전력 차이를 전력버퍼의 충방전 전력으로 하여, 재생에너지와 부하의 불균형에 의한 계통전압(Vg(t))의 강하를 방지한다.
재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나 재생에너지 수소변환 시스템에 연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승할 때, 연료전지가 발전하고 있을 경우, 제어기는 연료전지의 발전량이 0이 되도록 제어하고, 연료전지의 발전량이 0이 된 이후 연료전지 출력 제어부가 구동종료상태가 되도록 제어한다.
연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하된 상태에서 수전해장치가 운전하고 있을 때, 제어기는 수전해장치의 운전 전력을 0이 될 때까지 수전해장치의 자체 용량의 일정 배수로 정의되는 소정의 속도로 저하시키며, 수전해장치의 운전 전력이 0이 된 이후 수전해 입력 제어부가 구동종료 상태가 되도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 재생에너지 출력전력의 변동을 흡수하고 연계 계통의 과전압 및 저전압을 해결하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력흐름을 제어하는 전력변환장치를 제공할 수 있다.
도 1은 Power to Gas 및 그 활용개념도이다.
도 2의 (A)는 배터리 기반 재생에너지 저장 시스템, 도 2의 (B)는 수소 기반 재생에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 수전해장치 및 연료전지의 방식(전해질)별 특징을 비교한 비교표이다.
도 4는 수전해장치의 급전장치 구조 연결도로서 (A)단순 정류방식, (B)PWM 컨버팅 방식을 나타내는 도면이다.
도 5는 직류/교류 인버터의 회로도면 예시로서, (A)비절연형, (B)절연형을 나타내는 도면이다.
도 6은 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 포함하는 재생에너지 수소변환 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 물의 PH에 따른 수전해의 전극반응식과 전극반응전압을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 직류변환부 및 전류제어부의 상세 구성을 나타내는 전력변환장치 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 컨버터 및 연료전지 컨버터가 각각 복수 컨버터 모듈로 구성되는 경우의 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 6의 재생에너지 수소변환 시스템 내부의 제어기의 제어 연결을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 도 6의 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
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 6은 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 포함하는 재생에너지 수소변환 시스템을 나타내는 도면이다.
재생에너지 수소변환 시스템(1000)은 재생에너지원(10) 및 계통(20)과 연계한다. 재생에너지 수소변환 시스템(1000)은 전력변환장치(100), 수전해장치(200), 수소저장장치(300), 연료전지(400)와 상기의 장치들을 보조하는 보조장치(도시되지 않음)를 포함한다.
전력변환장치(100)는 수전해장치(200)의 수전과 연료전지(400) 발전시 계통(20) 연결을 동시에 담당한다. 전력변환장치(100)는 계통(20)의 교류 전력을 직류전력으로 변환하여 수전해장치(200)에 공급하고, 연료전지(400)의 직류 발전출력을 교류전력으로 변환하여 계통(20)에 송전한다.
수전해장치(200)는 송전선으로 서로 연계되어 있는 재생에너지 발전원(10)과 계통(20)의 중간 지점에 위치하여 송전선을 통해 재생에너지 전력을 수전하여 수소와 산소를 생산한다.
연료전지(400)는 수전해장치(200)가 생산한 수소로부터 전력을 생산하여 계통(20)에 송전한다.
수전해장치(200)와 수전해스택(도시되지 않음)에 적층된 셀의 수에 따라 운전전압이 정해지고, 연료전지(400)는 연료전지스택(도시되지 않음)에 적층 된 셀의 수에 따라 그 운전전압이 정해진다.
전력변환장치(100)는 전력변환부(110) 및 제어기(120)를 포함한다.
전력변환부(110)는 제어기(120)의 제어에 따라 재생에너지 발전원(10)의 출력 변동을 흡수하고 연계된 계통(20)의 과전압 및 저전압을 해결하는 재생에너지 수소변환 시스템(1000)의 전력흐름을 제어한다.
제어기(120)는 전력변환장치(100), 수전해장치(200), 수소저장장치(300) 및 연료전지(400)와 상호 통신하며 에너지 흐름을 제어한다. 제어기(120)는 재생에너지 발전출력(P(t)) 및 계통전압(Vg(t))에 기초하여, 수전해장치(200), 연료전지(400) 및 전력변환부(100)를 제어할 수 있다.
전력변환부(110)는 교류변환부(112), 전류제어부(114), 직류변환부(116) 및 전력버퍼(118)를 포함할 수 있다.
교류 변환부(112)는 교류인 계통(20)과 직류 환경인 시스템(1000) 내부를 연계한다. 교류 변환부(112)는 계통(20)의 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 교류변환부(112)는 스위칭 소자에 의한 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 수전 전력량 및 발전 전력량을 조정 가능하고 리플을 저감할 수 있다.
전류제어부(114)는 직류변환부(116) 인근에 위치하여 충방전 상황에 따라 시스템(1000) 내부의 전력흐름을 조정한다. 전류제어부(114)는 수전해장치(200)의 수전과 연료전지(400) 발전시 전류흐름을 제어하여, 연료전지(400)의 발전 전력이 수전해장치(200)로 입력되지 않게 제어한다.
전류제어부(114)는 그 내부에 필요에 따라 회로를 연결 또는 차단할 수 있는 릴레이들과 릴레이의 온/오프(On/Off)에 의한 이상 고전압/저전압을 억제하기 위한 커패시터, 회로의 이상을 확인하여 차단하는 퓨즈 등 보호부품의 조합을 포함할 수 있다.
직류변환부(116)는 시스템(1000) 내의 수전해장치(200)와 연료전지(400)와, 전력변환장치(100) 사이의 전압을 조정한다. 직류변환부(116)는 직류전력의 전압을 승압한다. 직류변환부(116)는 절연 트랜스포머(도시되지 않음)를 포함하여 수전 전력 및 발전 전력의 전류 리플을 최소화하도록 할 수 있다. 또한, 직류변환부(116)는 전력버퍼(118)의 전압과 전력변환부(110)의 전압을 조정할 수 있다.
전력버퍼(118)는 교류변환부(112), 직류변환부(116) 및 전류제어부(120)의 동작에 의해 발생할 수 있는 전압 및 전류의 급격한 변동을 방지하도록 충방전 전환시의 충격을 완충한다.
도 7은 물의 PH에 따른 수전해의 전극반응식과 전극반응전압을 나타내는 도면이다.
물의 전기화학적 반응식 및 양극 반응 포텐셜은 도 7에 도시된 것과 같이 V0=1.229V이나, 실제 수전해의 셀 전압은 수학식 1의 (a)과 같이 저항성분에 의한 과전압으로, 연료전지(400)의 셀 전압은 수학식 1의 (b)와 같이 내부 저항에 의한 전압강하로 나타난다. 따라서, 같은 적층 수를 가지더라도 수전해장치(200)의 스택의 운전전압(VElectolyzer)과 연료전지(400)의 스택은 운전전압(VFuelCell)의 차이가 발생한다. 전력버퍼(118)도 사양에 따라서는 수전해장치(200) 및 연료전지(400)와 운전전압 차이가 발생할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021021100720-pat00001
이를 보정하기 위해서는 도 8과 같이 직류변환부(116)를 3종의 컨버터를 포함하여 구성될 수 있다.
도 8은 도 6의 전류제어부(114) 및 직류변환부(116)의 상세를 나타내는 전력변환장치(100)를 나타내는 도면이다.
전류제어부(114)는 입출력 제어부(810), 수전해 입력 제어부(820), 전력버퍼 충방전 제어부(830), 연료전지 출력 제어부(840)를 포함할 수 있다.
입출력 제어부(810)는 제어기(120)의 제1 제어신호(S1)에 따라 재생에너지 수소변환 시스템(1000) 전체 입출력를 제어한다.
수전해 입력 제어부(820)는 제어기(120)의 제2 제어신호(S2)에 따라 수전해장치(200)의 수전 여부를 제어할 수 있다.
연료전지 출력 제어부(840)는 제어기(120)의 제3 제어신호(S3)에 따라 연료전지의 발전 여부를 제어할 수 있다.
전력버퍼 충방전 제어부(830)는 제어기(120)의 제4 제어신호(S4)에 따라 전력버퍼(140)의 충방전 여부를 제어할 수 있다.
직류변환부(116)는 수전해 컨버터(850), 전력버퍼충방전 컨버터(860) 및 연료전지 컨버터(870)를 포함할 수 있다. 직류변환부(116)는 교류변환부(112)의 직류측 전압과 수전해장치(200) 또는 연료전지(400), 전력버퍼(118)의 운전전압이 다를 때, 장치들(110, 200, 400) 간의 직류전압이 다르더라도 전력변환장치(100)의 수전 및 송전이 가능하도록 구성될 수 있다.
수전해 컨버터(850)의 입력전압은 교류변환부(112)의 출력으로 나타난 직류측전압(이하에서 직류전압)과 같게 유지되고 수전해 컨버터(850)의 출력전압은 수전해장치(200)의 운전전압이다. 수전해 컨버터(850)는 교류변환부(112)의 출력으로 나타난 직류전압을 수전해장치(200)의 운전전압으로 승압 또는 강압할 수 있다.
연료전지 컨버터(870)의 입력전압은 연료전지(400)의 운전전압(즉, 연료전지(400)의 출력전압)과 같으며, 연료전지(400)의 운전전압은 교류변환부(112)의 입력전압이 된다. 이를 위해, 연료전지 컨버터(870)는 연료전지(400)의 운전전압을 교류변환부(112)의 직류전압으로 승압 또는 강압할 수 있다. 따라서, 교류변환부(112)의 직류전압과 수전해장치(200)의 운전전압이 다르더라도 교류변환부(112)로터 수전해장치(200)로 수전이 가능하고, 교류변환부(112)의 직류전압과 연료전지(400)의 운전전압이 다르더라도 연료전지(400)로부터 교류변환부(112)로 송전이 가능할 수 있다.
전력버퍼 충방전 컨버터(860)의 입력전압은 전력버퍼(118)의 운전전압과 같으며, 전력버퍼(118)의 출력전압은 운전전압을 교류변환부(112)로 입력되는 전압이다. 이를 위해 전력버퍼 충방전 컨버터(860)는 전력버퍼(118)의 전압(VB)을 교류변환부(112)의 직류전압으로 변환할 수 있다. 따라서, 교류변환부(112)의 직류전압과 전력버퍼(118)의 운전전압이 다르더라도 수전 및 송전이 가능하다.
전력버퍼(118)의 크기는 재생에너지원(10)의 출력변동성이 크거나 연계 계통(20)이 불안정한 경우에 대비하도록 상기의 요소들에 대응할 수 있도록 충분히 커야 한다. 이런 경우 전력변환장치(100)의 내부 직류전압을 전력버퍼(118)의 전압(VB)과 동기화할 수 있으며, 실시예에 따라서는 전력버퍼 충방전 컨버터(860)와 전력버퍼 충방전 제어부(830)를 제외할 수 있다.
재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나, 재생에너지 수소변환 시스템(1000)에 연계된 계통(20)의 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승하여 미리 지정한 시간(τ) 이상 지속될 때, 전류제어부(120)는 입출력 제어부(810), 수전해 입력 제어부(820), 전력버퍼 충방전 제어부(830)를 구동하고, 연료전지 출력 제어부(840)를 구동종료한다. 이를 위하여, 제어기(120)는 제1 제어신호(S1)를 닫힘신호(S1=1)로 생성하여 입출력 제어부(810)로 전송하고, 제2 제어신호(S2)를 닫힘신호(S2=1)로 생성하여 수전해 입력 제어부(820)로 전송하고, 제4 제어신호(S4)를 닫힘신호(S4=1)로 생성하여 전력버퍼 충방전 제어부(830)로 전송하고, 제3 제어신호(S3)를 열림신호(S3=0)로 생성하여 연료전지 출력 제어부(840)로 전송할 수 있다.
교류변환부(112)의 수전 전력은 전압 안정을 위한 필요 전력량과 수전해장치(200)가 수전할 수 있는 재생에너지 발전량 중 큰 값을 추종하고, 수전해장치(200)의 운전 전력은 교류변환부(112)의 수전 전력을 추종한다. 교류변환부(112)의 수전 전력과 수전해장치(200)의 운전전력의 차이를 전력버퍼(150)의 충방전 전력으로 하여 재생에너지 출력전력(P(t))의 증가에 의한 계통전압(Vg(t))의 상승을 방지하고, 재생에너지 발전 전력을 안정적으로 수소로 변환할 수 있다.
재생에너지 수소변환 시스템(1000)에 연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하하여 미리 지정한 시간(τ) 이상 지속될 때, 전류제어부(120)는 입출력 제어부(810), 연료전지 출력 제어부(840), 전력버퍼 충방전 제어부(830)를 구동하고, 수전해 입력 제어부(820)를 구동종료한다. 이를 위하여, 제어기(120)는 제1 제어신호(S1)를 닫힘신호(S1=1)로 생성하여 입출력 제어부(810)로 전송하고, 제3 제어신호(S3)를 닫힘신호(S3=1)로 생성하여 연료전지 출력 제어부(830)로 전송하고, 제4 제어신호(S4)를 닫힘신호(S4=1)로 생성하여 전력버퍼 충방전 제어부(830)로 전송하고, 제2 제어신호(S2)를 열림신호(S2=0)로 생성하여 수전해 입력 제어부(810)로 전송할 수 있다.
교류변환부(112)의 송전 전력은 계통전압(Vg(t))의 안정을 위한 필요 전력량을 추종하고, 연료전지(400)의 발전 전력은 교류변환부(112)의 송전 전력을 추종하며, 교류변환부(112)의 송전 전력과 연료전지(400)의 발전 전력 차이를 전력버퍼(118)의 충방전 전력으로 하여, 재생에너지와 부하의 불균형에 의한 계통전압(Vg(t))의 강하를 방지한다.
재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나 재생에너지 수소변환 시스템(1000)에 연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승할 때, 연료전지(400)가 발전하고 있을 경우, 제어기(120)는 연료전지(400)의 발전량이 0이 되도록 제어하고, 연료전지(400)의 발전량이 0이 된 이후 연료전지 출력 제어부(840)가 구동종료상태가 되도록 제어한다.
재생에너지 수소변환 시스템(1000)에 연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하된 상태에서 수전해장치(200)가 운전하고 있을 때, 제어기(120)는 수전해장치(200)의 운전 전력을 0이 될 때까지 수전해장치(200)의 자체 용량의 일정 배수로 정의되는 소정의 속도로 저하시킨다. 제어기(120)는 수전해장치(200)의 운전 전력이 0이 된 이후 수전해 입력 제어부(820)가 구동종료 상태가 되도록 제어한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 컨버터(850) 및 연료전지 컨버터(870)가 각각 복수 컨버터 모듈로 구성되는 경우의 전력변환장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 수전해 컨버터(850)는 복수의 모듈(850-1 내지 850-m)으로 구성될 수 있으며, 연료전지 컨버터(870)는 복수의 모듈(870-1 내지 870-n)로 구성될 수 있다.
직류 변환부(130)에서 수전해 컨버터(850)는 수전해장치(300)의 용량에 기초하여 2개 이상의 수전해 컨버터 단위 모듈(850-1 내지 850-m)이 병렬 연결되어 구성될 수 있다.
연료전지 컨버터(870)는 연료전지(400)의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 연료전지 컨버터 단위 모듈(870-1 내지 870-n)이 병렬 연결되어 구성될 수 있다.
도시되지 않았으나, 전력버퍼 충방전 컨버터(860)도 전력버퍼(118)의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 전력버퍼 충방전 컨버터 모듈이 병렬 연결되어 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 수전해 컨버터(850), 연료전지 컨버터(870) 또는 전력버퍼 충방전 컨버터(860)가 각각 다수의 모듈로 컨버터를 구성하는 경우, 제어기(120)는 각 컨버터를 구성하는 모듈의 운전전력을 분배하여야 한다. 예를 들어, 제어기(120)는 수전해 컨버터(850)의 각 수전해 컨버터 단위 모듈(850-1 내지 850-m) 또는 연료전지 컨버터(870)의 각 연료전지 컨버터 단위 모듈(870-1 내지 870-n)에 대한 출력 지령치를 지정하고, 이를 수전해 컨버터(850) 또는 연료전지 컨버터(870)에 전달하는 분배 과정을 수행할 수 있다. 이 때 컨버터에 전달하는 지령치는 컨버터가 담당하는 전류를 모듈의 수로 나눠 동등하게 분배하거나, 운전하는 모듈이 정격운전에 가깝게 동작하도록 모듈의 정격용량을 순차적으로 배분할 수 있다.
도 10은 도 6의 재생에너지 수소변환 시스템(1000) 내부의 제어기(120)의 제어 연결을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 구성으로부터 재생에너지 수소변환 시스템(100) 내의 제어기(120)가 전력변환장치(100)의 세부 요소와 어떻게 통신하는지를 나타내는 것으로, 도면의 한계상 각 컨버터 모듈에 대한 표시는 생략하였다. 이하에서는 제어기(120)의 동작 중 본 발명에 연관된 전력변환장치(100)의 제어 구성과 제어 흐름을 중심으로 설명한다.
제어기(120)는 교류변환부(112), 전류제어부(114) 및 직류변환부(116)에 대해 통신하는 것으로 정의될 수 있다. 제어기(120)는 교류변환부(112), 전류제어부(114) 및 직류변환부(116)외에도 수전해 입력 제어부(820)와 수전해 컨버터(850), 연료전지 출력 제어부(840)와 연료전지 컨버터(870), 교류변환부(112)와 입출력 제어부(810)를 직접 제어하도록 입출력 회로별로 통신하는 방법으로도 구성할 수 있다.
또한 전압사양의 차이로 전력버퍼(118)에 대한 전력버퍼 충방전 컨버터(860)가 필수적인 경우, 제어기(120)는 전력버퍼 충방전 컨버터(860)와 전력버퍼 충방전 제어부(830)에 대한 제어 신호를 갖는다. 입출력 제어부(810), 수전해 입력 제어부(820), 전력버퍼 충방전 제어부(830) 및 연료전지 출력 제어부(840)는 각각 동작 여부와 더불어 회로의 열림과 닫힘 상태를 정의할 수 있으며, 동작에 관한 파라미터를 단순화하면 제어기(120)에서 신호를 통해 동작 가능한 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
이를 위해 제어기(120)는 제1 제어신호(S1)를 이용하여 입출력 제어부(810)로 열림/닫힘 신호를 전송하고 상태를 확인할 수 있으며, 제2 제어신호(S2)를 이용하여 수전해 입력 제어부(820)로 열림/닫힘 신호를 전송하고 상태를 확인할 수 있으며, 제4 제어신호(S4)를 이용하여 전력버퍼 충방전 제어부(830)로 열림/닫힘 신호를 전송하고 상태를 확인할 수 있으며, 제3 제어신호(S3)를 이용하여 연료전지 출력 제어부(840)로 열림/닫힘 신호를 전송하고 상태를 확인할 수 있다.
제어기(120)는 수전해 컨버터(850), 연료전지 컨버터(870), 그리고 구성에 포함되는 경우 전력버퍼 충방전 컨버터(860)에서 전류제어부(120)로 연결되는 회로에 흐르는 전류의 값을 측정할 수 있다. 또한, 제어기(120)는 수전해 컨버터(850)에 대한 제2 전류지령치(I*2(t))와 연료전지 컨버터(870)에 대한 제3 전류지령치(I*3(t))을 지정할 수 있다. 제어기(120)는 필요한 경우 계통(20)의 상황과 전류 지령값으로 유도되는 교류변환부(1110)의 제1 전류지령치(I*1(t))와 전력버퍼 충방전 컨버터(860)의 제4 전류지령치(I*4(t))을 지정할 수 있다. 여기에서, 제1 전류지령치(I*1(t))는 교류변환부(112)에서 전류제어부(114)로 유입되는 직류전류인 제1 전류측정치(I1(t))를 지령하는 값을 나타낸다.
이하에서는 제어기(120)가 연계된 재생에너지원(10)의 출력전력(P(t))과 계통전압(Vg(t))에 대응하여 시스템(1000) 내에서 전력변환장치(100) 구성요소가 어떻게 제어되어야 하는지 설명한다.
재생에너지원(10)에서 계통(20)으로 송전 가능한 전력을 (P(t))라고 정의하며, 이는 재생에너지원(10)이 연계된 계통(20)의 용량, 재생에너지 발전사업자와 송전업자의 계약용량 등에 의해 정의되는 소정의 값으로, 재생에너지의 평균 발전출력(Pmean(t))과 같거나 더 큰 값으로 설정할 수 있다.
계통전압(Vg(t))의 기준점은 VG로 두고, 이는 시스템의 계통연계 시점에 따라 상이하나 본 서술에서는 국내의 상-중성점 전압 표준인 220[V]로 간주한다. 또한 재생에너지 수소변환 시스템(1000)의 수전 기준전압(VH)과 발전 기준전압(VF)는 교류계통(20)의 전압표준 내에서 소정의 값으로 정의하되. 수전 기준전압은 기준점보다 높고, 발전 기준전압은 기준점보다 낮다.
전력변환장치(100) 내부회로전압(VPCS)은 전력버퍼(118)의 전압(VB)과 같으며, 도 7과 같은 구성의 경우 전력변환장치(100) 내부회로전압(VPCS)은 수전해장치(200)의 직류전압 및 연료전지(400)의 직류전압을 양 극단으로 하는 범위 내의 임의의 값으로 할 수 있다.
임의의 시점 t에서 계통(20)으로부터 교류변환부(112)를 통해 시스템(1000) 내부에 유입되는 전류량을 I1(t), 수전해 컨버터(850)의 입력 전류량을 I2(t), 연료전지 컨버터(870)의 출력 전류량을 I3(t), 전력버퍼(118)의 충전 전류량을 I4(t)로 정의하고, 정의한 전류량에 대해 다음과 같은 수학식 2가 성립한다. 단, 시스템(1000)의 목적이 재생에너지의 저장 및 계통(20)의 전압 유지이므로 연료전지(400)와 수전해장치(200)가 동시에 동작하는 일이 없기 때문에, I2(t)와 I3(t) 중 하나는 0의 값을 가진다.
[수학식 2]
Figure 112021021100720-pat00002
전류제어부(114)는 수전해장치(200)를 동작하여 계통(20)으로부터 전력을 수전하여 교류변환부(112)를 통해 변환되어 시스템(1000) 내부에 유입되는 제1 전류측정치(I1(t))를 지령하는 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 클 때(I*1(t)>0), 제어기(120)가 수전해 입력 제어부(820)에 닫힘 신호(S2=1)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부(840)에 열림 신호(S3=0)를 전달한다.
반대로 연료전지(400)를 통해 발전하도록 하기 위하여 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 작을 때(I*1(t)<0), 제어기(120)가 수전해 입력 제어부(820)에 열림 신호(S2=0)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부(840)에 닫힘 신호(S3=1)를 전달한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음 수학식 3과 같다.
<수학식 3>
Figure 112021021100720-pat00003
Figure 112021021100720-pat00004
도 11 및 도 12는 도 6의 재생에너지 수소변환 시스템(1000)의 전력변환장치(100)의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
제어기(120)는 재생에너지 출력전력(P(t)) 및 계통전압(Vg(t)) 값을 수신한다(1110).
재생에너지 출력전력(P(t))이 소정의 전압값(Pg) 이상으로 증가(P(t)>Pg)하거나(1112), 계통(20)의 계통전압(Vg(t))이 수전 기준전압(VH) 이상으로 상승하는 경우(Vg(t)>VH)(1114), 제어기(120)는 교류변환부(112)에 수전할 제1 전류지령치(I1*(t))를 전송하고, 제어기(120)는 입출력 제어부(810)에 닫힘 신호(S1=1)를 전달한다(1116).
제어기(120)는 I3(t)가 0인지 확인하고, 제3 전류(I3)가 0이면(1118), 연료전지 출력 제어부(840)에 열림 신호(S3=0)를 전달하며, 수전해 입력 제어부(820)에 닫힘 신호(S2=1)를 전달하여 수전해장치(200) 동작을 준비한다(1120).
[수학식 4]
Figure 112021021100720-pat00005
이때, 연료전지(400)가 운전하고 있어서 제3 전류(I3)가 0보다 큰 경우(I3(t)>0)(1118), 제어기(120)는 제3 전류지령치(I*3(t))를 0으로 전달하여 연료전지(400)의 출력을 0으로 낮춘 후(1122), 연료전지(400)의 실제 발전출력이 0이 되었을 때 연료전지 출력 제어부(840)에 열림 신호(S3=0)를 전달하며, 수전해 입력 제어부(820)에 닫힘 신호(S2=1)를 전달하여 수전해장치(200) 동작을 준비한다(1120). 이는 수학식 5로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021021100720-pat00006
재생에너지 출력전력(P(t))과 계통전압(Vg(t))의 변화가 추세적이라고 판단할 만한 시간(τ)이 충분히 지난 후에도, 수학식 4 및 수학식 5와 같은 조건이 유지될 때, 즉, 계통전압(Vg(t))이 계통전압(Vg(t))이 수전 기준전압(VH) 이상이고(Vg(t-τ)>VH)(1124), 재생에너지 출력전력(P(t))이 소정의 전압값(Pg) 이상인 경우(P(t-τ)>Pg)(1124), 수전해장치(200)가 수전할 전력에 대한 제2 전류지령치(I2*(t))를 부가한다(1210).
제어기(120)는 교류변환부(112)의 제1 전류지령치(I1*(t)) 및 수전해 컨버터(850)의 제2 전류지령치(I2*(t))를 계산하여 교류변환부(112) 및 수전해 컨버터(860)에 전달한다(1210). 교류변환부(112)의 제1 전류지령치(I1*(t))와 수전해 컨버터(850)의 제2 전류지령치(I2*(t))는 시간에 따라 변동하는 값으로 아래 수학식 6과 같은 혹은 유사한 과정을 통해 정의되며, 실제 전류값과 지령치의 차이는 PWM 방식의 온/오프 듀티비(On/Off Duty Ratio) 제어에 의해 변경된다.
또한, 교류변환부(112)의 제1 전류지령치(I1*(t)) 및 수전해 컨버터(850)의 제2 전류지령치(I2*(t))에 따라 교류변환부(112)의 제1 전류측정치(I1(t)) 및 제2 전류측정치(I2(t))가 정해지면, 전류버퍼(140)의 입력전류(I4(t))는 전류측정치(I1(t))와 전류측정치(I2(t))의 차로 정해진다(1210).
[수학식 6]
Figure 112021021100720-pat00007
수학식 6 및 의 α, β, γ는 소정의 상수 값으로 γ는 1 이하의 양수 값을 갖는다.
수학식 4 및 수학식 5의 조건이 해제되었을 경우 즉, 계통(20)의 계통전압(Vg(t))이 수전 기준전압(VH) 이하이거나(Vg(t)≤VH)(1212), 재생에너지 출력전력(P(t))이 소정의 전압값(Pg) 이하이면(P(t)≤Pg)(1214), 제어기(120)는 수전해장치(200)의 운전전력을 0 또는 0보다 큰 소정의 최소값까지 점차 감소시키도록 수학식
Figure 112021021100720-pat00008
을 이용하여 제2 전류지령치(I2*(t))를 결정하도록 제어할 수 있다(1216, 1218).
이러한 과정의 감소폭은 수전해장치(200)의 정격전류값(I2Max)에 대해 소정의 상수 δ를 곱한 것으로 할 수 있다.
이는 수학식 7로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021021100720-pat00009
수학식 7의 δ는 소정의 상수 값으로 δ는 1 이하의 양수 값을 갖는다.
여기에서는 제2 전류측정치(I2)가 0이 되는 경우, 수전해장치(200)를 종료한다고 정의한다. 제2 전류측정치(I2)가 0이 되어(1218), 수전해장치(200)의 운전이 종료되면, 제어기(120)는 수전해 입력 제어부(820)에 열림 신호(S2=0)를 부가하여 수전해 입력 제어부(820)의 동작을 중지시키고, 입출력 제어부(810)에 열림신호(S1=0)를 부가하여 입출력 제어부(810)의 동작을 중지하도록 제어한다(1220).
다시 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 재생에너지 출력전력(P(t))의 변동, 부하 급증 등의 이유로 계통전압(Vg(t))이 일정 전압값(VL) 이하로 감소할 경우(1150), 연료전지 운전을 통해 계통전압(Vg(t))의 복구를 수행한다. 이를 위하여 제어기(120)는 입출력 제어부(810)에 닫힘신호(S1=1)를 부가하고, 이 경우 제1 전류지령치(I*1(t))는 0보다 작다(1152).
제2 전류측정치(I2)가 0이어서 수전해장치(200)가 운전중이 아닌 경우는(1154), 제어기(120)는 수전해 입력 제어부(820)에 열림신호(S2=0)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부(840)에 닫힘신호(S3=1)을 전달한다(1156).
계통전압(Vg(t))이 일정 전압값(VL) 이하로 감소하는 추세가 일정 시간 후에도 지속되는 경우(Vg(t-τ)<VL)(1160), 연료전지(400)가 운전 가능 상태가 되기까지 전력버퍼(118)에 저장된 에너지를 일시적으로 사용하되, 제어기(120) 내 메모리(도시되지 않음)에 상황이 발생한 시점인 이때의 전력버퍼(118)의 전압측정값을 전력버퍼 기준전압(Vs)으로 저장할 수 있다(VS=VB(t))(1230). 이러한 절차는 수학식 8으로 표시될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021021100720-pat00010
즉, 계통전압(Vg(t))가 기준저전압(VL)보다 작고, 일정시간이 지난뒤에도 이 상태가 유지되면(Vg(t-τ)<VL), 교류변환부(112)에 대한 제1 전류지령치(I*1(t))는 제2 전류측정치(I2(t)) 및 계통전압(Vg(t))에서 계통전압의 기준점(VG)을 뺀 값에 β를 곱한 소정의 값 및 0 중 작은 값으로 조정된다.
수전해장치(200)가 운전중인 경우는(1154), 제어기(120)는 수전해 컨버터(850)에 대한 제2 전류지령치(I*2(t))가 점차 감소되도록 하여 수전해장치(200)의 운전전력이 점차 감소하도록 제어하여(1158), 도 12에 도시된 바와 같이 수전해장치(200)의 운전 종료를 완료한 후 상기의 절차를 이행한다(1230).
수전해장치(200)가 운전 중이 아닌 상태에서(I2(t)=0)(1154), 제어기(120)는 수전해 입력 제어부(820)에 열림 신호(S2=0)를 부가하고, 연료전지 출력 제어부(840)에 닫힘 신호(S3=1)를 부가한다(1156).
[수학식 9]
Figure 112021021100720-pat00011
이후 계통전압(Vg(t))이 소정의 범위 내로 복구되면(Vg(t)>VL)(1232), 연료전지(400)의 발전 출력 중 전력버퍼(118)의 충전에 사용할 일부를 제외한 나머지를 계통(20)에 송전한다(1234, 1236).
전력버퍼(118)의 전압(VB(t))이 전력버퍼(118)의 기준전압(Vs)에 도달하면(1234), 제어기(120)는 재생에너지 수소변환 시스템(100)이 계통 안정화라는 목적을 완수하였다고 판단하여 연료전지(400)가 더 이상의 출력을 발생시키기 않도록 제어한다. 상세하게는 교류변환부(112)가 연료전지(400)의 출력 전체를 계통(20)에 송전하되, 발전출력(P(t))을 점차 감소하여 0이 되도록 한다(1238, 1240). 이러한 과정에서 연료전지(400)의 출력의 감소폭은 연료전지(400)의 정격 출력 전류(I3Max)에 대해 소정의 상수 δ를 곱한 것으로 정해질 수 있다. 이 과정을 수학식 10 및 수학식 11로 나타낸다.
이 과정이 끝나면, 제어기(120)는 입출력 제어부(810)에 열림신호(S1=0)를 부가하여 동작을 중지시키고, 연료전지 출력 제어부(840)에 열림신호(S3=0)를 가하여 동작을 중지시킨다(1242).
[수학식 10]
Figure 112021021100720-pat00012
[수학식 11]
Figure 112021021100720-pat00013
수학식 2부터 수학식 11까지 수학식으로 표현된 제어방법은 재생에너지 출력전력(t)) 변동을 흡수하고 연계 계통(20)의 과전압 및 저전압을 해결하는 방식의 일례로 다양하게 변형될 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: 전력변환부
120: 제어기 112: 교류변환부
114: 전류제어부 116: 직류변환부
118: 전력버퍼 200; 수전해장치
300: 수소저장장치 400: 연료전지
810: 입출력 제어부 820: 수전해 입력 제어부
830: 전력버퍼 충방전 제어부 840: 연료전지 출력 제어부
850: 수전해 컨버터 860: 전력버퍼 충방전 컨버터
870: 연료전지 컨버터

Claims (12)

  1. 송전선으로 서로 연계되어 있는 재생에너지원과 계통의 중간 지점에 위치하여 송전선을 통해 재생에너지 전력을 수전하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치와, 수전해장치가 생산한 수소로부터 전력을 생산하여 계통에 송전하는 연료전지와, 수전해장치와 연료전지와 송전선 사이에 설치되는 전력변환장치를 포함하는 재생에너지 수소 변환 시스템의 전력변환장치로서,
    수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 계통 연결을 수행하는 전력변환부; 및
    재생에너지 발전 출력전력(P(t)) 및 계통전압(Vg(t))에 기초하여, 수전해장치, 연료전지 및 전력변환부를 제어하는 제어기; 를 포함하고,
    전력변환부는,
    계통의 교류전력을 직류전력으로 변환하는 교류변환부;
    직류전력의 전압을 조정하는 직류변환부;
    수전해장치의 수전과 연료전지 발전시 전류흐름을 제어하여, 연료전지 발전 전력이 수전해장치로 입력되지 않게 하는 전류제어부; 및
    교류변환부, 직류변환부 및 전류제어부의 동작에 의해 발생할 수 있는 전압 및 전류의 급격한 변동을 방지하는 전력버퍼; 를 포함하고,
    전류제어부는
    제어기의 제1 제어신호(S1)에 따라 시스템 전체 입출력를 제어하는 입출력 제어부;
    제어기의 제2 제어신호(S2)에 따라 수전해장치의 수전 여부를 제어하는 수전해 입력 제어부; 및
    제어기의 제3 제어신호(S3)에 따라 연료전지의 발전 여부를 제어하는 연료전지 출력 제어부; 를 포함하고,
    교류변환부를 통해 유입되는 제1 전류측정치(I1(t))를 지령하는 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 클 때(I*1(t)>0), 제어기가 수전해 입력 제어부에 닫힘 신호(S2=1)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부에 열림 신호(S3=0)를 전달하고,
    반대로 연료전지를 통해 발전하도록 하기 위하여 제1 전류지령치(I*1(t))가 0보다 작을 때(I*1(t)<0), 제어기가 수전해 입력 제어부에 열림 신호(S2=0)를 전달하고, 연료전지 출력 제어부에 닫힘 신호(S3=1)를 전달하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    교류변환부는 제어기의 제어에 따라 스위칭 소자에 의한 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 수전 전력량 및 발전 전력량을 조정 가능하고 리플을 저감하고,
    직류변환부는 절연 트랜스포머를 포함하여 수전 전력 및 발전 전력의 전류 리플을 최소화하도록 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    전류제어부는 제어기의 제4 제어신호(S4)에 따라 전력버퍼의 충방전 여부를 제어하는 전력버퍼 충방전 제어부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    직류변환부는
    교류변환부의 출력으로 나타난 직류전압을 수전해장치의 운전전압으로 승압 또는 강압하는 수전해 컨버터; 및
    연료전지의 운전전압을 교류변환부의 직류전압으로 승압 또는 강압하는 연료전지 컨버터; 를 포함하여,
    교류변환부의 직류전압과 수전해장치의 운전전압이 다르더라도 교류변환부로터 수전해장치로 수전이 가능하고, 교류변환부의 직류전압과 연료전지의 운전전압이 다르더라도 연료전지로부터 교류변환부로 송전이 가능한 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    직류변환부는 전력버퍼의 운전전압을 교류변환부의 직류전압으로 변환하는 전력버퍼 충방전 컨버터; 를 더 포함하여,
    교류변환부의 직류전압과 전력버퍼의 운전전압이 다르더라도 수전 및 송전이 가능한 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    수전해 컨버터는 수전해장치의 용량에 기초하여 2개 이상의 수전해 컨버터 단위 모듈이 병렬 연결되어 구성되고,
    연료전지 컨버터는 연료전지의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 연료전지 컨버터 단위 모듈이 병렬 연결되어 구성되고,
    전력버퍼 충방전 컨버터는 전력버퍼의 수 또는 용량에 기초하여 2개 이상의 전력버퍼 충방전 컨버터 모듈이 병렬 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서,
    재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나, 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승하여 미리 지정한 시간 이상 지속될 때,
    제어기는 입출력 제어부, 수전해 입력 제어부, 전력버퍼 충방전 제어부를 구동하고, 연료전지 출력 제어부를 구동종료하도록 제어하며,
    교류변환부의 수전 전력은 전압 안정을 위한 필요 전력량과 수전해장치가 수전할 수 있는 재생에너지 발전량 중 큰 값을 추종하고, 수전해장치의 운전 전력은 교류변환부의 수전 전력을 추종하며,
    교류변환부의 수전 전력과 수전해장치의 운전전력의 차이를 전력버퍼의 충방전 전력으로 하여 재생에너지 출력(P(t))의 증가에 의한 계통전압(Vg(t))의 상승을 방지하고, 재생에너지 발전 전력을 안정적으로 수소로 변환하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  10. 제4항에 있어서,
    연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하하여 미리 지정한 시간 이상 지속될 때,
    제어기는 입출력 제어부, 연료전지 출력 제어부, 전력버퍼 충방전 제어부를 구동하고, 수전해 입력 제어부를 구동종료하도록 제어하며,
    교류변환부의 송전 전력은 계통전압(Vg(t))의 안정을 위한 필요 전력량을 추종하고, 연료전지의 발전 전력은 교류변환부의 송전 전력을 추종하며, 교류변환부의 송전 전력과 연료전지의 발전 전력 차이를 전력버퍼의 충방전 전력으로 하여, 재생에너지와 부하의 불균형에 의한 계통전압(Vg(t))의 강하를 방지하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  11. 제4항에 있어서,
    재생에너지 발전출력(P(t))이 소정의 값(Pg) 이상이거나 재생에너지 수소변환 시스템에 연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 고전압값(VH) 이상으로 상승할 때, 연료전지가 발전하고 있을 경우,
    제어기는 연료전지의 발전량이 0이 되도록 제어하고, 연료전지의 발전량이 0이 된 이후 연료전지 출력 제어부가 구동종료상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
  12. 제4항에 있어서,
    연계된 계통전압(Vg(t))이 소정의 저전압값(VL) 이하로 저하된 상태에서 수전해장치가 운전하고 있을 때,
    제어기는 수전해장치의 운전 전력을 0이 될 때까지 수전해장치의 자체 용량의 일정 배수로 정의되는 소정의 속도로 저하시키며,
    수전해장치의 운전 전력이 0이 된 이후 수전해 입력 제어부가 구동종료 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 수소변환 시스템의 전력변환장치.
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