KR20100076572A - 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템 및 보상방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템 및 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 발전출력을 이용하여 정전시에도 연속적으로 비상용 부하에 전력을 공급하는 동시에 부하의 불평형 보상과 고조파 보상도 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 연료전지 시스템의 발전 출력량과 3상 부하의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절한 후, 상기 부하에 걸리는 직류전압이 상기 기준직류전압을 추종하도록, 상기 부하에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절하는 로드 레벨러; 상기 부하에 걸리는 전압의 위상을 고정한 후, 상기 부하에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구하는 불평형 보상기; 및 상기 부하에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, 상기 정상분 d축 기준전류와 상기 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어한 후, 상기 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 상기 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 고조파 보상기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020080134671
연료전지, 로드 레벨러, 불평형 보상기, 고조파 보상기

Description

연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템 및 보상방법{System and method of multi-purpose compensation for backup of solar cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템 및 보상방법에 관한 것으로, 특히 연료전지 시스템의 발전출력을 이용하여 정전시에도 연속적으로 비상용 부하에 전력을 공급하는 동시에 부하의 불평형 보상과 고조파 보상도 가능하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에 지구 온난화와 석유 에너지 자원의 고갈문제로 인해 대체에너지 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 그 중 효율이 높고 시간과 주변환경조건에 영향을 받지 않는 연료전지 시스템이 각광받고 있다.
현재, 대용량의 발전용 연료전지 시스템으로는 MCFC가 상용화 되어 사용되고 있다. 대용량의 발전용 연료전지 시스템은 일반적으로 계통 연계형이고, 정전시에는 계통과 분리되어야 하며 독립적으로 운전할 수 있는 기능이 없다.
비상용 부하에 대해 전력을 연속적으로 공급하기 위해서는 별도의 UPS 설비가 필요한데, 제철소와 같은 장치산업에서는 정전시 비상용 부하에 전력을 공급할 수 있는 설비가 반드시 필요하다.
MCFC 발전출력은 전기화학적 반응의 결과이기 때문에 부하추종능력이 상당히 떨어지는 단점이 있다. 높은 연료이용률로 운전할때는 발전출력이 10초간 2.5% 증가속도를 나타내고, 낮은 연료이용률로 운전할때는 4% 증가속도를 나타낸다. 즉, 초당 1% 미만의 출력전력 추종능력을 가진다. 따라서, 정전시 계통의 버퍼가 없어지게 되면 발전용 연료전지 시스템만으로는 독립운전을 시키기 어렵다.
이에 따라, 정전시에도 연료전지 시스템의 발전출력을 일정하게 유지하면서 부하변동에 따른 변동분의 전력을 부하에 연속적으로 공급할 수 있는 동시에, 불평형 보상과 고조파 보상을 가능하게 하는 시스템 및 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 정전시에도 연료전지 시스템의 발전출력을 일정하게 유지하면서 부하변동에 따른 변동분의 전력을 부하에 연속적으로 공급할 수 있는 동시에, 불평형 보상과 고조파 보상을 가능하게 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 연료전지 시스템의 발전 출력량과 3상 부하의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절한 후, 상기 부하에 걸리는 직류전압이 상기 기준직류전압을 추종하도록, 상기 부하에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절하는 로드 레벨러; 상기 부하에 걸리는 전압의 위상을 고정한 후, 상기 부하에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구하는 불평형 보상기; 및 상기 부하에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, 상기 정상분 d축 기준전류와 상기 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어한 후, 상기 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 상기 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 고조파 보상기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 불평형 보상기는 상기 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류에서 리플을 제거하는 저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 연료전지 시스템의 발전 출력량과 3상 부하의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절하는 단계; 상기 부하에 걸리는 직류전압이 상기 기준직류전압을 추종하도록, 상기 부하에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절하는 단계; 상기 부하에 걸리는 전압의 위상을 고정한 후, 상기 부하에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구하는 단계; 상기 부하에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, 상기 정상분 d축 기준전류와 상기 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어하는 단계; 및 상기 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 상기 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류에서 리플을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 발전출력을 일정하게 유지하면서 부하 변동에 따른 변동분의 전력을 보상할 수 있는 장치 및 방법을 제공함으로써, 계통과 분리되어 독립적으로 운전하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 발전출력을 일정하게 유지하면서 부하변동에 따른 변동분의 전력을 보상할 수 있는 장치 및 방법을 제공함으로써, 비상용 부하에 대해서 전력을 공급하기 위해 UPS(Uninterruptible Power Supply, 무정전전원장치)와 같은 설비를 설치할 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따르면, 정전시에도 연료전지 시스템의 발전출력을 일정하게 유지하면서 부하변동에 따른 변동분의 전력을 부하에 연속적으로 공급할 수 있는 동시에, 불평형 보상과 고조파 보상을 가능하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템이 설치된 계통도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평상시에는 제1 차단기(20) 및 제3 차단기(40)는 온되고 제2 차단기(30) 및 제4 차단기(45)는 오프되어 전원(10)으로부터 일반 부하(70)에 전력이 공급된다. 연료전지 시스템(60)은 수소가스를 이용하여 발 전출력하고, EBOP(50)는 연료전지 시스템(60)에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환시켜 일반 부하(70)에 전력을 공급한다.
그리고, 비상시에는 제1 차단기(20) 및 제3 차단기(40)는 오프되고, 제2 차단기(30) 및 제4 차단기(45)는 온되어 전원(10)으로부터 일반 부하(70)에 전력공급이 차단된다. 이때, 제2 차단기(30)가 온되어 보상장치(100)가 연료전지 시스템 (60)의 백업을 위해 비상용 부하(80)에 전력을 공급하는 동시에, 불평형 보상과 고조파 보상을 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템의 발전출력량을 일정하게 유지할 때 부하전력에 따른 보상전력의 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정상운전시에는 연료전지 시스템의 출력이 일정하지만, 비상전원 운전시에는 시간이 경과함에 따라 부하전력이 빠르게 변동한다. 이때, 보상장치가 전력을 보상함으로써, 연료전지 시스템의 출력이 일정하게 할 수 있다.
정전시에 연료전지 시스템이 계통으로부터 분리되면 전기화학적 반응으로 인해 부하변동에 대하여 발전량을 빠르게 추종할 수 없는데, 보상장치를 설치하면 정전이 되더라도 부하변동에 빠르게 대응할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상장치의 회로도이다. 도 3을 도 1과 함께 살펴보면, a상, b상, c상을 갖는 다목적 보상장치의 3상 회로도는 리액터(reactor, 111, 112, 113)와 PWM(Pulse Width Modulation) 발생 기(120)로 구성된다.
PWM 발생기(120)에서 펄스 폭 변조된 직류전압은 비상용 부하(80)에 공급된다. 본 발명에서 PWM 발생기(120)는 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 121, 122, 123, 124, 125, 126)로 구성되고, 비상용 부하(80)는 3개의 저항(81, 82, 83)이 병렬 연결되며, 비상용 부하(80)에는 Vdc의 전압이 걸린 것으로 예시되었다. PWM 발생기(120)에서 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 과정은 도 4에서 살펴볼 수 있다.
도 4는 도 3의 보상장치를 구동하기 위한 보상시스템의 블록도이다. 도 4를 도 1 및 도 3과 함께 살펴보면, 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상장치를 구동하는 시스템은 로드 레벨러(load leveler, 210), 불평형 보상기(unbalance compensator, 220), 고조파 보상기(harmonic compensator, 230)를 포함한다.
로드 레벨러(210)는 유효전력 제어기(211)와 전압 제어기(212)를 포함한다. 유효전력 제어기(211)는 연료전지 시스템(60)의 발전 출력량과 3상 부하(80)의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절한다. 그리고, 전압 제어기(212)는 부하(80)에 걸리는 직류전압이 기준직류전압을 추종하도록, 부하(80)에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절한다.
불평형 보상기(220)는 PLL(Phase Locked Loop, 위상고정루프, 221)부, 역방 향 동기좌표 변환부(222), 저역통과필터(223, 224)를 포함한다. PLL부(221)는 부하(80)에 걸리는 전압의 위상을 고정하고, 역방향 동기좌표 변환부(222)는 부하(80)에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구한다. 그리고, 저역통과필터(223, 224)는 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류에서 리플(ripple)을 제거한다.
고조파 보상기(230)는 전류제어기(231, 232)와 공간벡터 변조기(233)를 포함한다. 전류제어기(231, 232)는 부하(80)에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, d축 정상분 기준전류와 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어하고, 공간벡터 변조기(233)는 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환한다. 구체적으로, 공간벡터 변조기(233)는 도 3의 6개의 IGBT(121, 122, 123, 124, 125, 126)의 온/오프를 제어하도록 하여 펄스 폭 변조가 가능하게 한다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템이 설치된 계통도이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템의 발전출력량을 일정하게 유지할 때 부하전력에 따른 보상전력의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상장치의 회로도이다.
도 4는 도 3의 보상장치를 구동하기 위한 보상시스템의 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전원 20 : 제1 차단기
30 : 제2 차단기 40 : 제3 차단기
45 : 제4 차단기 50 : EBOP 60 : 연료전지 시스템 70 : 일반 부하
80 : 비상용 부하 81, 82, 83 : 저항
100 : 보상장치 111, 112, 113 : 리액터
120 : PWM 발생기 121, 122, 123, 124, 125, 126 : IGBT
210 : 로드 레벨러 211 : 유효전력 제어기
212 : 전압 제어기 220 : 불평형 보상기
221 : PLL부 222 : 역방향 동기좌표 변환부
223, 224 : 저역통과필터 230 : 고조파 보상기
231, 232 : 전류제어기 233 : 공간벡터 변조기

Claims (4)

  1. 연료전지 시스템의 발전 출력량과 3상 부하의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절한 후, 상기 부하에 걸리는 직류전압이 상기 기준직류전압을 추종하도록, 상기 부하에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절하는 로드 레벨러;
    상기 부하에 걸리는 전압의 위상을 고정한 후, 상기 부하에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구하는 불평형 보상기; 및
    상기 부하에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, 상기 정상분 d축 기준전류와 상기 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어한 후, 상기 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 상기 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 고조파 보상기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불평형 보상기는 상기 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류에서 리플을 제거하는 저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시 스템의 백업을 위한 다목적 보상시스템.
  3. 연료전지 시스템의 발전 출력량과 3상 부하의 전력량의 차이값에 해당하는 보상 전력량에 필요한 기준직류전압을 조절하는 단계;
    상기 부하에 걸리는 직류전압이 상기 기준직류전압을 추종하도록, 상기 부하에 흐르는 전류를 동기좌표변환할 때의 정상분 d축 기준전류를 조절하는 단계;
    상기 부하에 걸리는 전압의 위상을 고정한 후, 상기 부하에 흐르는 전류를 역방향으로 동기좌표변환하여 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류를 구하는 단계;
    상기 부하에 흐르는 d축 전류와 q축 전류가, 상기 정상분 d축 기준전류와 상기 역상분 d축 기준전류가 합하여진 최종 d축 기준전류와, 역상분 q축 기준전류를 각각 추종하도록 제어하는 단계; 및
    상기 최종 d축 기준전류에 의한 d축 전압과 상기 q축 기준전류에 의한 q축 전압을 각각 펄스 폭 변조하여 직류전압으로 변환하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 역상분 d축 기준전류 및 역상분 q축 기준전류에서 리플을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 백업을 위한 다목적 보상 방법.
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