KR20210024959A - 전력외란 대응기능이 강화된 연료전지 시스템의 전력변환장치 - Google Patents

전력외란 대응기능이 강화된 연료전지 시스템의 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택과 BOP(Balance of Plant) 사이에 연결된 연료전지 시스템의 전력변환장치가 제공된다. 연료전지 시스템의 전력변환장치는 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통에 연계하는 계통연계부와, 계통연계부와 연료전지 스택의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장하는 직류우회부와, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부의 전력을 선택적으로 BOP로 공급하는 BOP전원부와, 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택에서 발생되어 계통연계부를 거친 교류전력을 BOP에 공급하고, 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택에서 발생된 전력은 직류우회부로 전달되어 직류우회부가 BOP전원부에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전력외란 대응기능이 강화된 연료전지 시스템의 전력변환장치{Power converting apparatus of fuel cell system robust for power disturbance}
본 발명은 연료전지 시스템용 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력계통에서 발생하는 외란에 의해 연료전지 시스템의 손상이 발생되는 상황을 방지할 수 있는 연료전지 시스템용 전력변환장치에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작할 수 있고 전력 수요지 또는 그 인근에 설치가 용이하여 송변전 설비를 포함한 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기, 스택의 운전상태를 모니터링하고 운전환경을 유지시켜주는 부품들(이하 BOP(Balance of Plant)라 한다)과 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 여러 장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 시스템은 연료와 공기, 냉각을 위한 물 또는 냉각제의 지속적인 공급이 매우 중요하다. 특히 고온 연료전지의 스택은 설계수명을 정상적으로 유지하기 위해 스택 내부의 온도 안정성이 확보되어야 한다.
한편, 연료전지 스택은 양극 반응의 기전력 합인 개방회로전압(OCV)으로부터 실제 전극반응에 의한 손실(활성화 손실), 전해질에서 이온이 전달되는 동안 발생하는 저항에 의한 손실(저항 손실), 설계된 용량보다 과량의 연료가 반응할 때 발생하는 물리적 손실(농도 손실)을 제외한 전압이 나타나며, 이는 회로에 흐르는 전류에 의해 나타난다.
도 1은 연료전지 셀에서 전류 밀도에 따라 나타나는 전압에 대한 예시를 나타낸 것이다.
연료전지가 연료가 공급되는 상태에서 전력(출력)회로가 구성되지 못한 경우(전류=0) 스택 양 극의 전위차는 개방회로전압과 같은데, 개방회로전압이 장시간 유지되는 경우 전극 촉매는 높아진 전자밀도에 의해 역반응이 발생하며, 특히 산소극의 역반응은 촉매를 변질시켜 셀 손상을 일으키는 원인이 된다.
발전용 연료전지 시스템의 전력변환장치는 전력계통에 그 전압과 주파수를 동기화하여 동작하는데, 계통전압 또는 계통주파수가 급격히 변동하게 될 경우 전력변환장치는 일시적으로 동작을 정지하여 계통이 복구된 이후 재기동할 수 있도록 제어되고 있다. 이는 연료전지에 의해 다른 장치가 계통의 외란을 인식하지 못하는 상황을 방지하고, 계통의 복구를 용이하게 하기 위함이다.
이제까지 계통에 연결된 연료전지 시스템은 전력변환장치와 시스템 동작을 위한 BOP의 전원이 상호 연결되어 있어 전력변환장치가 정지되면 연료와 공기, 냉각수를 공급하는 시스템이 동시에 정지되는 문제가 발생한다. 이는 BOP의 내구성을 저하시켜 부품 교체비용을 상승시킬 뿐만 아니라 스택에서 발생한 전력이 소비되지 않게 되어 연료전지가 개방회로전압 이상의 환경에 자주 노출되고, 스택의 손상으로 이어져 시스템 전체의 성능과 수명을 저하시키는 요인이 된다.
등록번호 10-1557876, 공고일자 2015년10월07일, 저온 시동성이 개선된 연료전지 시스템 및 그 운전 방법
본 발명의 목적은 계통 외란에 의해 연료전지 시스템의 전력변환장치가 정지될 때, 전력저장장치를 포함한 우회 회로로 스택의 직류전력을 BOP에 공급하여 BOP가 전력변환장치의 동작에 관계없이 동작하고, 이를 바탕으로 연료전지 스택 및 시스템이 운전을 지속함으로써 시스템의 성능을 유지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 스택과 BOP(Balance of Plant) 사이에 연결된 연료전지 시스템의 전력변환장치는 연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통에 연계하는 계통연계부와, 계통연계부와 연료전지 스택의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장하는 직류우회부와, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부의 전력을 선택적으로 BOP로 공급하는 BOP전원부와, 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택에서 발생되어 계통연계부를 거친 교류전력을 BOP에 공급하고, 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택에서 발생된 전력은 직류우회부로 전달되어 직류우회부가 BOP전원부에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어하는 제어부를 포함한다.
제어부는 전력변환장치가 운전 환경에 따라서 연료전지 스택의 전력을 계통에 직접 전달하기 위한 계통연계운전모드(Status 1)로 동작하거나, 계통연계부가 계통전압 및 계통주파수의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여, BOP 전원을 계통과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하거나, 계통연계운전모드(Status 1)가 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전과 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 전의 과도상태모드(Status 3)로 동작하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어할 수 있다.
제어부는 계통연계부가 계통 사고에 의해 일시적으로 정지한 후 독립운전모드(Status 2)로 재기동한 상황에서 계통전압 및 계통주파수가 정상화될 때, 독립운전모드(Status 2)를 종료한 후 계통연계운전모드(Status 1)로 재가동하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어할 수 있다.
계통연계부는, 연료전지 스택 출력에 연결되거나 연결이 차단되는 직류측 릴레이와, 연료전지의 저전압 직류전력를 교류송전 규격에 부합하도록 승압하는 승압 컨버터와, 승압된 고전압 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 컨버터와 인버터의 동작에 의해 발생하는 노이즈를 제거하는 필터와, 계통과 직접 연결되거나 연결이 차단되어 교류출력의 최종 인출여부를 제어하는 교류측 릴레이를 포함하고, 직류우회부는, 계통연계부와 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하는 변압기와, 과도상태모드동안 일시적으로 BOP전원부로 전력을 공급하여 BOP전원의 전압을 안정화하는 배터리와, 배터리와 BOP전원부 사이를 연결하거나 연결을 차단하는 우회부 릴레이를 포함한다.
제어부는 계통연계운전모드(Status 1)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 제어하고, BOP전원부가 계통으로부터 전력을 공급받도록 제어하고, 과도상태모드(Status 3)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=0으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=0으로 제어하고, BOP전원부가 직류우회부로부터 전력을 공급받도록, 우회부 릴레이의 제어 신호(SD)를 SD=1로 제어하고, 독립운전모드(Status 2)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 제어하고, BOP전원부가 계통연계부를 통해 연료전지 스택의 출력전력을 공급받도록 제어하고, 계통연계운전모드(Status 1)에서는 주출력 릴레이가 동작하고, 독립운전모드(Status 2) 및 과도상태모드(Status 3)에서는 주출력 릴레이가 동작하지 않는다.
전력변환장치가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우, 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 벗어나지 않고, 계통주파수((FG(t))가 계통연계기준을 벗어나지 않는 경우, 그리고 주출력 릴레이가 닫힘 상태인 경우에는(SG=1), 계통의 현재 상황을 반영하여 계통연계부의 인버터의 전압지령치(VINV*)를 VINV*=(1+a(t))VG(t)로 조정하고, 주파수지령치(FINV*=FG(t))를 조정하고, 배터리의 전압(V1)이 기준전압(V1B) 이상이 되도록 충전되어 있으면(V1≥V1B), 우회부 릴레이 제어신호(SD=0)를 이용하여 우회부 릴레이를 닫을 수 있다.
BOP전원부는, 계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결된 교류-직류 변환기와, 우회부 릴레이 및 교류-직류 변환기에 연결되어, 직류 전력을 교류 BOP에 필요한 전력으로 변환하는 직류-교류 변환기를 포함할 수 있다.
직류우회부의 배터리의 충전기준전압은 BOP전원부의 교류-직류 변환기의 출력전압보다 낮게 지정되어, 계통연계운전모드 또는 독립운전모드에서 계통연계부가 정상 운전하는 상태에서 직류우회부와 내부의 배터리에서 전력이 인출되는 것이 방지될 수 있다.
과도상태모드에서, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류 BOP로 직접 전달되고, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류-교류 변환기를 통해 교류 BOP로 전달될 수 있다.
본 발명에 따르면, 교류계통의 외란이 발생하여 인버터의 동작이 일시적으로 정지될 경우, 교류계통의 외란에 의해 인버터가 일시적으로 정지할 때에도 인버터에 포함 또는 연결된 전력저장장치 및 연료전지 스택이 연료전지 시스템 운전에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 우회회로를 제공하여 외란 상황에도 연료전지 시스템을 안정적으로 운전하도록 할 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 출력을 직류우회부를 통해 연료전지 시스템의 BOP에 전달하여 동작시킴으로써 시스템의 갑작스런 운전 정지를 방지하는 한편, 급작스런 출력 변동에 의해 스택이 받는 전기적, 물리적 충격을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택이 운전하는 동안 항상 최소한의 전력을 인출할 수 있도록 하며, 스택이 개방회로전압(OCV)에 노출되는 상황을 방지할 수 있어 연료전지 스택을 포함한 시스템 전반의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 셀에서 전류 밀도에 따라 나타나는 전압에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 계통 연계 상태를 도면이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 구성 및 연료전지 시스템의 계통 연계 상태를 상세하게 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 배터리가 리튬폴리머 배터리인 경우, 배터리의 충전기준전압과 교류-직류 변환기의 출력 기준전압 사이의 관계를 배터리의 특성곡선 위에서 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 모드 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 연료전지 시스템의 계통연계운전모드에서 스택 출력이 BOP 전원에 연결되는 전력흐름도이다.
도 7은 도 3의 연료전지 시스템의 정전 등 계통 외란시 과도상태모드에서 스택 출력이 BOP 전원에 연결되는 전력흐름도이다.
도 8은 도 3의 연료전시 시스템에서 전력변환장치가 독립운전모드로 동작하는 경우의 전력흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태모드 전후의 전압(V1, V2), 배터리의 저장량(SOC, B(t))을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계운전모드, 과도상태모드 및 독립운전모드에서의 직류우회부의 우회부 릴레이의 출력전압(V1) 및 출력전류(I1)와 교류-직류 변환기의 출력전압(V2) 및 출력전류(I2)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 도 11에서 과도상태모드(Status 3)으로 진행되는 경우의 연료전지 시스템의 전력변환장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 계통전압 및 주파수에 따른 전력변환장치의 운전범위기준의 예시를 나타내는 도면이다.
도 14는 계통정전후 복전시 전력변환장치의 운전에 의한 BOP 전압 및 전력변환 전류 파형의 예시를 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.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치가 포함된 연료전지 시스템의 계통연계 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(10), 전력변환장치(100), 주출력 릴레이(30) 및 전기적 BOP(40)를 포함하고, 전력변환장치(100)는 주출력 릴레이(30)에 의해 계통(20)에 연계된다.
전력변환장치(100)는 계통연계부(110), BOP전원부(120), 제어부(130) 및 직류우회부(140)를 포함한다.
계통연계부(110)는 연료전지 스택(10)의 전력을 승압하여 계통(20)으로 전달한다. 또한, 계통연계부(110)는 연료전지 스택(10)으로부터 출력되는 직류 출력전력을 계통(20)에 전달하기 위하여 교류 전력으로 변환한다.
BOP전원부(120)는 계통연계부(110)가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 계통(20)의 전력을 이용하여 BOP(40)에 전원을 공급한다. BOP전원부(120)는 직류우회부(140)의 전력을 선택적으로 BOP(40)로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)의 제어에 따라 직류우회부(140)는 계통(20)에 이상이 발생하는 경우 동작한다.
제어부(130)는 계통연계부(110) 및 직류우회부(140)의 동작을 제어한다.
직류우회부(140)는 계통연계부(110)와 연료전지 스택(20)의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택(20)의 출력을 BOP(40)에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장한다.
제어부(130)는 계통전압(VG(t)), 계통주파수(FG(t)), 연료전지 스택(10)의 출력전압(VF), 연료전지 스택(10)의 출력전류(IF) 및 계통연계부(110)에 포함된 배터리(354)의 충전전압(VB)을 모니터링한다. 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 확인하기 위하여 제어부(130)와 연계된 제어전력 공급기(150)가 계통 전력을 수전하는 연계점은 계통(20)과 주출력 차단기(30)의 사이에 위치하나, 필요한 경우 측정기(도시되지 않음)을 별도로 구비하고 계통연계부(110)와 주출력 차단기(30)사이에 수전 연계점을 둘 수 있다.
제어부(130)는 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택(10)에서 발생되어 계통연계부(110)를 거친 교류전력을 BOP전원부(120)를 거쳐 BOP(40)에 공급할 수 있다.
제어부(130)는 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택(10)에서 발생된 전력은 직류우회부(140)로 전달되어 직류우회부(140)가 BOP전원부(120)에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP(40)에 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어할 수 있다. 상세하게는, 제어부(130)는 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t)) 둘 다가 소정의 정상 범위를 벗어나는 경우 계통연계부(110)의 동작을 중단시킨다. 계통전압(VG)에 대한 소정의 정상 범위(또는 계통연계기준)는 예를 들어, 기준전압(220V)에서 ±10% 이내의 범위로 정해질 수 있다. 계통주파수(FG)에 대한 소정의 정상 범위는 예를 들어, 기준주파수(60㎐)에서 ±1.5㎐이내로 정해질 수 있다.
제어부(130)는 배터리(354)의 배터리 전압(VB)이 소정의 수준(VBL) 이하이거나(VB≤VBL), 계통연계부(110)의 동작이 중단된 경우, 연료전지 스택(10)에서 직류우회부(140)를 통해 BOP전원부(120)를 거쳐 BOP(40)에 전력을 공급하도록 제어한다.
또한, 제어부(130)는 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t)) 각각의 소정의 정상 범위로 복귀할 때(|VG(t)-220|/220≤0.1 and |FG(t)-60|≤1.5) 계통연계부(110)가 다시 동작하도록 제어한다.
주출력 릴레이(30)는 연료전지 시스템(1)의 별도의 제어 수단(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다.
BOP(40)는 직류전력을 공급받아 동작하는 부품들로 구성된 직류 BOP(42) 및 교류전력을 공급받아 동작하는 부품들로 구성된 교류 BOP(44)를 포함할 수 있다.
제어부(130)는 전력변환장치(100)가 운전 환경에 따라서 연료전지 스택(10)의 전력을 계통에 직접 전달하기 위한 계통연계운전모드(Status 1)로 동작하거나, 계통연계부(110)가 계통전압 및 계통주파수의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여, BOP전원을 계통과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하거나, 계통연계운전모드(Status 1)가 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전과 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 전의 과도상태모드(Status 3)로 동작하도록 계통연계부(110)와 직류우회부(140)를 제어하라 수 있다.
제어부(130)는 계통연계부(110)가 계통 사고에 의해 일시적으로 정지한 후 독립운전모드(Status 2)로 재기동한 상황에서 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))가 정상화될 때, 독립운전모드(Status 2)를 종료한 후 계통연계운전모드(Status 1)로 재가동하도록 계통연계부(110)와 직류우회부(140)를 제어할 수 있다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템(1)의 구성 및 연료전지 시스템(1)의 계통 연계 상태를 상세하게 나타내는 블록도이다.
계통연계부(110)는 직류측 릴레이(310), 승압 컨버터(322), 인버터(324), 필터(326) 및 교류측 릴레이(330)를 포함한다. 승압 컨버터(322), 인버터(324), 필터(326)는 연료전지 스택(10)의 전력을 계통(20)에 전달하기 위한 전력변환을 수행하는 주출력변환부로 부를 수 있다.
직류측 릴레이(310)는 연료전지 스택(10)의 출력에 연결되거나 연결이 차단된다. 직류측 릴레이(310)는 연료전지 스택(10)의 출력 여부를 제어하고 계통(20)으로부터의 역전력 유입을 방지한다.
승압 컨버터(322)는 연료전지 스택(10)으로부터 출력된 저전압 직류전력을 교류송전 규격에 부합하도록 고전압의 계통교류로 고전압으로 승압한다.
인버터(324)는 승압된 직류전력을 교류전력으로 변환한다.
필터(326)는 승압 컨버터(322)와 인버터(324)로부터 발생하는 고주파 성분을 억제 또는 제거한다.
교류측 릴레이(330)는 교류계통(20)과 직접 연결되거나 연결이 차단되어 교류출력의 최종 인출여부를 제어하고 외부 역전력으로부터 내부 회로를 보호한다.
제어부(130)는 직류측 릴레이(310)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(Sin)를 이용하여 직류측 릴레이(310)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다. 교류측 릴레이(330)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(Sout)을 이용하여 교류측 릴레이(330)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다.
제어부(130)는 승압 컨버터(320)와 인버터(330)의 동작을 제어한다. 제어부(130)는 계통(20)로부터 전력을 제공받는 경우, 제어부(130)의 운전을 위해 공급되는 전력이 다른 방향으로 전이되지 못하도록 막는 다이오드(도시되지 않음)을 포함하는 제어 전력 공급기(150)를 이용하여 전력을 공급받을 수 있다.
제어부(130)는 승압 컨버터(320)와 인버터(330)의 동작을 정의하는 출력전압 지령치(Vinv*)를 계통전압(VG(t))보다 일정 비율 높은 소정의 값으로 지정할 수 있는데, 이는 계통(20)에 연료전지 출력 전력이 주입되게 하기 위함으로 계통연계형 소형 발전장치에 있어 일반적이다. 여기에서, Vinv*=(1+a(t))VG(t))되고, 이 때 소정의 변수 a(t)는 0.1미만의 양수값으로 연계되는 계통의 조건에 따라 임의 설정될 수 있다. 제어부(130)는 주파수 지령치(Finv*)를 현재 측정되는 계통 주파수(FG(t))와 동일하게 지정한다. 따라서, Finv* = FG(t)이 된다.
BOP전원부(120)는 계통연계부(110)가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부(140)의 전력을 선택적으로 BOP로 공급한다. BOP전원부(120)는 교류-직류 변환기(362) 및 직류-교류 변환기(364)를 포함할 수 있다.
교류-직류 변환기(362)는 전력변환장치(100)의 출력 또는 계통(20)으로부터 수전하는 교류전력을 직류로 변환하여 직류 BOP(42)로 전달한다.
직류-교류 변환기(364)는 교류-직류 변환기(362)나 직류우회부(140)에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류 BOP(44)에 전달한다.
이 외에도, BOP전원부(120)는 역전류 발생을 억제하기 위한 다이오드(도시되지 않음)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
직류우회부(140)는 변압기(352), 배터리(354) 및 우회부 릴레이(356)를 포함한다.
변압기(352)는 연료전지 스택(10)의 직류전압을 직류전력 BOP(40)에 직접 공급 가능한 전압으로 변압한다.
배터리(354)는 연료전지 스택(10)로부터 출력되는 직류전력을 일시적으로 저장한다. 배터리(354)는 과도상태모드(Status 3)동안 일시적으로 BOP전원부로 전력을 공급하여 BOP전원의 전압을 안정화한다.
우회부 릴레이(356)는 직류우회부(140)의 사용 여부를 결정하고 연료전지 스택(10)으로 역전류가 흐르는 상황을 방지한다. 우회부 릴레이(356)는 배터리(354)와 BOP전원부(120) 사이를 연결하거나 연결을 차단한다. 제어부(130)는 직류우회부(140)의 동작을 제어하기 위하여 우회부 릴레이(356)에 대한 제어신호(SD)를 생성하여 우회부 릴레이(356)의 ON(동작) 및 OFF(정지)를 제어한다.
직류우회부(140)에서 BOP전원부(120)로 전달되는 전압(V1)은 배터리(354)에 의해 제공되며, 그 기준전압(V1B)은 제어전력 공급기(150)의 출력전압(VC)과 같거나 높게 설정된다(V1B>VC). 직류우회부(140)의 출력전압(V1)과 BOP 전원부(120)의 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2) 중 전압이 높은 측에서 BOP전원부(120)가 BOP(40)에 출력할 전력이 공급된다. 전압차에 의해 배터리(354)가 이상 충전 혹은 방전되는 상황을 방지하기 위해, 제어부(130)의 양측에는 역전류 흐름을 방지하기 위한 다이오드(도시되지 않음)를 배치할 수 있다.
BOP전원부(120)에서 교류-직류 변환기(362)가 출력하는 직류전압(V2)의 기준점(V2B)은 직류 BOP(42)가 안정적으로 동작하기 위한 전압범위 내에서 선정하되, 배터리(354)의 충전 기준전압(V1B)보다 1~4% 정도 높은 값으로 정의한다.
직류우회부(140)의 배터리(354)는 2차전지 또는 그에 준하는 전력 저장 장치 일 수 있다. 배터리(354)는 계통사고 발생 후 BOP 전류 공급이 직류우회부(140)를 거치도록 전환될 때까지 나타나는 배터리(354)의 최소 전압(V1B)이 제어부(130) 및 직류 BOP(42)의 운전범위보다 높도록 충분한 저장용량을 보유하여야 한다.
제어전력 공급기(150)는 제어부(130)에서 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)를 모니터링할 수 있도록 전원이 연료전지 시스템(1) 외부와 연결되도록 도시되어 있으나, 전력 공급이 무리 없이 수행되도록 기술적, 기계적 조치가 취해질 경우에는 다른 연결점이 확보될 수 있다.
도 4는 도 3의 배터리(354)가 리튬폴리머 배터리인 경우, 배터리(354)의 충전기준전압과 교류-직류 변환기(362)의 출력 기준전압 사이의 관계를 배터리(354)의 특성곡선 위에서 나타낸 것이다.
충전 기준전압(V1B)은 저장장치의 공칭전압과 만충전압의 사이에서 제어부(130) 및 직류 BOP(42)가 안정적으로 동작하는 전압값으로 지정하되, 전술한 바와 같이 BOP전원부(120) 내 교류-직류 변환기(362)의 출력 기준전압(V2B)보다 낮은 값이어야 한다.
직류우회부(140)의 배터리(354)의 충전기준전압은 BOP전원부(120)의 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2)보다 낮게 지정되어, 계통연계운전모드 또는 독립운전모드에서 계통연계부(110)가 정상 운전하는 상태에서 직류우회부(140) 내부의 배터리(354)에서 전력이 인출되는 것이 방지된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 운전 모드 상태를 나타내는 도면이다.
연료전지 시스템(1)의 전력변환장치(100)는 계통(20)의 상태가 안정적인 일반적인 계통연계운전모드(Status 1)와, 계통(20)의 상태가 외란 등에 의해 불안정한 경우의 독립운전모드(Status 2)에서 동작한다. 전력변환장치(100)는 계통연계운전모드(Status 1)이 중단되고 독립운전모드(Status 2)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)에서 동작하고, 독립운전모드(Status 2)가 중단되고 계통연계운전모드(Status 1)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)에서 동작한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 계통연계운전모드(Status 1)이 중단되고 독립운전모드(Status 2)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)를 제1 과도상태모드라 하고, 독립운전모드(Status 2)가 중단되고 계통연계운전모드(Status 1)가 시작되기 전에는 과도상태모드(Status 3)를 제2 과도상태모드라 한다.
계통연계운전모드(Status 1)에서는 연료전지 스택(10)의 출력전압이 계통(20)으로 전달되도록 계통연계부(110)가 동작한다. 계통연계운전모드(Status 1)에서 제어부(130)는 계통연계부(110)에 포함된 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 동작시키기 위하여 직류측 릴레이(310)의 제어 신호(Sin)를 Sin=1으로 제어하고, 교류측 릴레이(330)의 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 제어할 수 있다. 따라서, BOP전원부(120)는 계통(20)으로부터 전력을 공급받게 된다.
제어부(130)는 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)가 각각의 소정의 정상 범위를 벗어나는 경우 계통연계운전모드(Status 1)에서 제1 과도상태모드(Status 3)로 진행하도록 계통연계부(110)에 포함된 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 차단한다. 이를 위해, 제어부(130)의 직류측 릴레이(310)의 제어 신호(Sin)를 Sin=0으로 제어하고, 교류측 릴레이(330)의 제어 신호(Sout)를 Sout=0으로 제어할 수 있다. 또한, 제1 과도상태모드(Status 3)에서는 BOP전원부(120)는 직류우회부(140)로부터 전력을 공급받으므로, 제어부(130)는 우회부 릴레이(356)의 제어 신호(SD)를 SD=1로 제어한다.
제1 과도 상태모드(Status 3)가 소정 시간 유지된 후에는, 제어부(130)는 계통연계부(110)가 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여 BOP(40) 전원을 계통(20)과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하도록 계통연계부(110) 및 직류우회부(140)를 제어한다.
또한, 제어부(130)는 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)가 각각 상기의 소정의 정상 범위로 복귀할 때(|VG-220|/220≤0.1 and |FG-60|≤1.5), 계통연계부(110)가 다시 동작하도록 제어한다. 이를 위해, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin=1)로 직류측 릴레이(310)를 동작시키고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout=1)로 교류측 릴레이(330)를 동작시켜서, 연료전지 스택(10)의 직류출력을 계통(20)으로 전달한다.
제어부(130)는 연료전지 스택(10) 또는 연료전지 시스템(1)이 정상 운전하는 시점부터 연료전지 시스템(1)의 종료가 확인될 때까지 우회부 릴레이(356)가 연결 상태(SD=1)를 유지하도록 제어한다. 제어부(130)는 이외의 경우 우회부 릴레이(356)가 차단되도록 제어한다(SD=0). 단, 연료전지 시스템(1)이 처음 운전하거나 장기간 정지 후 재기동할 경우, 배터리(354)가 자연 방전할 가능성이 있으므로, 배터리(354)의 전압을 복구하기 위하여 우회부 릴레이(356)가 연결되어 초기 충전이 진행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)의 계통연계운전모드 동작을 나타내는 도면이다.
계통연계운전모드(Status 1)에서는 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin)를 Sin=1로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 배터리(354) 충전 이후에는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(SD)를 SD=0으로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 계통연계운전모드(Status 1)에서는 주출력 릴레이(30)는 별도의 제어 신호(SG=1)에 의해 동작한다.
제어부(130)는 계통(20)으로부터 제어전력 공급기(150)를 통하여 전력을 공급받을 수 있다.
복수의 전원이 있는 직류 폐회로에서 두 전원 사이의 전류는 전압이 높은 지점에서 낮은 지점으로 흐르며, 전류량은 지점 사이의 전위차에 회로의 저항을 나눈 값이다(I=ΔV/R). 전기 에너지의 이동은 전압과 전류의 곱의 시간에 대한 적분량으로 갈음(ΔP=∫V*I*dt=∫(ΔV2/R)*dt) 할 수 있다. 교류출력으로부터 변환한 전압(V2)이 직류우회부(140)를 거치는 전압(V1)보다 높으므로(V2>V1) BOP(40)의 운전전류(전력)은 교류-직류 변환기(362)로부터 전달된다.
연료전지 스택(10)의 출력은 닫힘 상태인 직류측 릴레이(310)(Sin=1)를 거쳐 입력되며, 닫힘 상태인 교류측 릴레이(330)(Sout=1)를 통과하여 출력되는 교류출력을 교류-직류 변환기(210)에서 변환한 전압(V2)이 직류우회부(140)를 거치는 전압보다 높으므로(V2
Figure pat00001
V2B > V1B
Figure pat00002
V1) BOP(40)의 운전전류(I2)(또는 운전전력)은 교류-직류 변환기(362)로부터 전달된다(I2>0, I1≤0). 전술한 바와 같이, 전압(V1B)은 배터리(354)의 충전기준전압을 나타내고, 전압(V2B)은 BOP(40)의 급전직류전압을 나타낸다. 즉, 계통연계운전모드(Status 1)에서는 BOP(40)는 계통(20)으로부터 교류-직류 변환기(362)로부터 전력을 공급받는다.
제어부(130)는 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)의 모니터링 결과 계통(20)이 불안정해지는 것으로 결정하면, 계통연계운전모드(Status 1)를 종료하고 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 위한 제1 과도상태모드(Status 3)로 넘어간다.
계통연계운전모드(Status 1)에서 독립운전모드(Status 2)로 변환하거나 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 변환하기 위해서는 전력변환장치(100)가 정지해야 되므로, 그에 따라 BOP(40)도 정지되는 문제점을 방지하기 위하여, 전력변환장치(100)는 과도상태모드(Status 3)로 동작한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지한 경우 전력변환장치(100)의 과도상태모드(Status 3)를 나타내는 도면이다.
계통 외란이 발생하는 경우는 제어부(130)가 측정하는 계통전압(VG)와 계통주파수(FG)가 계통연계기준에 의한 범위를 벗어날 때로 정의하되, 연료전지 시스템(1) 또는 외부 관리자에 의해 제어되는 주출력 릴레이(30)와의 통신이 가능하다면, 실시예에 따라서는 주출력 릴레이(30)가 열림 상태(SG=0)일 때로 정의할 수 있다. 여기에서, SG는 주출력 릴레이(30)를 제어하는 제어 신호를 나타낸다. 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)는 전력변환장치(100) 및 연료전지 스택(10)의 안전을 위하여 열림 상태가 되어야 한다(Sin=0, Sout=0).
이를 위하여 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin)를 Sin=0으로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout)를 Sout=0로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(SD)를 SD=1로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 우회부 릴레이(356)는 제어 신호(SD)의 수신에 따라 ON 상태로 된다.
이 경우, 전력의 입출력이 불가능한 승압 컨버터(322) 및 인버터(324)는 재설정을 위하여 일시적으로 종료되어야 한다. 전술한 과정에 의해 전력변환장치(100)가 정지하는 경우 계통연계부(110)로부터 수전이 불가능한 교류-직류 변환기(362)의 출력전압이 0이 되며 전압이 높은 직류우회부(140)에서 운전전류(전력)이 전달(V1>V2=0, I1>0, I2=0)되는 과도상태모드(Status 3)로 전환하며, 직류우회부(140)의 변압기(310)로부터 제어부(130) 및 BOP(40)를 운전하기 위한 전력이 공급(SD=1)된다.
계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지하는 경우, 계통연계부(110)로부터 수전이 불가능한 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2) 및 출력전류(I2)가 0이 된다(V2=0, I2=0). 이 경우, BOP전원부(120)의 운전전류(전력)은 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2)보다 높은 직류우회부(140)의 출력전압(V1)에서 전달되는 과도상태모드(Status 3)(V1>V2=0, I1>0, I2=0)로 전환하며, 직류우회부(140)의 변압기(352)가 동작한다(SD=1).
우회부 릴레이(356)의 직류 전력은 직류 BOP(42)로 직접 전달되고, 우회부 릴레이(356)의 직류 전력은 직류-교류 변환기(364)를 통해 교류 BOP(44)로 전달된다.
계통(20)이 소정의 시간 내에 안정화되거나, 주출력 릴레이(30)가 별도의 제어 신호에 의하여 ON 상태가 되면, 연료전지 시스템(1)은 다시 계통연계운전모드(Status 1)로 돌아갈 수 있다. 계통이(20)이 소정의 시간이 지나도 안정화되지 않으면 후술할 독립운전모드(Status 2)로 진행한다.
과도상태모드(Status 3)의 지속시간은 계통연계부(110)의 재기동시간과 동일하나, 그 최대치는 배터리(354)의 방전가능시간을 초과할 수 없다. 예를 들어 저장량 10Wh의 배터리(354)가 구비될 때 100W를 사용하는 제어부(130) 및 BOP(40)에 대하여 과도상태모드(Status 3)의 지속시간은 6분 미만이 된다.
계통이 복전되기까지 BOP(40)의 전력을 유지하기 위해서는 변압기(352)와 배터리(354)의 용량이 충분히 커야 하는데, 이는 전력변환장치(100)의 본래 역할을 수행하는 계통연계부(110)에 비해 직류우회부(140)의 비중 또는 용량이 증가하게 되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서 본 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 계통외란에 의해 정지하는 경우 제어부(130)가 후술할 도 8에 도시된 바와 같이 독립운전모드(Status 2)로 재기동하여 BOP 전력을 계통연계부(110)에서 공급하는 한편, 제어부(130)의 전원과 배터리(354) 방전분을 보상하는 만큼을 직류우회부(140)가 인출하는 방식을 적용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 외란으로 계통연계부(110)가 정지한 경우 전력변환장치(100)의 독립운전모드(Status 2)를 나타내는 도면이다.
제어부(130)는 계통연계부(110) 기동 시점에서 계통전압(VG)와 계통주파수(FG)가 계통연계 불가능 조건임을 확인하거나, 주출력 릴레이(30)가 열림 상태(SG=0)여서 동작하지 않는 경우를 독립운전모드(Status 2) 조건으로 인식한다. 독립운전모드(Status 2)로 전환할 때에는 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin)를 Sin=1로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다.
제어부(130)는 직류우회부(140)의 전력을 사용한다. 제어부(130)는 제어부(130) 구동에 필요한 전력과 배터리(354) 방전분을 보상하는 만큼을 직류우회부(140)가 인출하도록 우회부 릴레이(356)의 제어 신호(SD)를 SD=1로 유지할 수 있다. 그런 다음, 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(SD)를 SD=0으로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송하여 우회부 릴레이(356)의 연결을 차단할 수 있다. 연료전지 시스템(1)에서 생성된 주출력 릴레이(30) 제어 신호(SG)는 0이 되어, 주출력 릴레이(30)는 OFF 상태가 된다.
직류측릴레이(310) 및 교류측릴레이(330)가 연결되면 연료전지 스택(10)으로부터 출력된 전류가 계통연계부(110)로 흐르게 된다.
승압 컨버터(322)와 인버터(324)의 동작을 정의하는 출력전압 지령치(Vinv*)와 주파수 지령치(Finv*)는 계통 기준과 일치시킨다(Vinv*=VG, Finv* = FG, 국내 기준 220V, 60Hz).
BOP(40)는 교류-직류 변환기(362)의 출력 전압(V2)으로부터 전력을 공급받는다. 전술한 동작은 부하에 서로 다른 두 전원이 병렬로 연결되어 있을 때, 전원의 상대적 용량 및 전압에 맞추어 동기화되는 성질에 의한 것으로, 특별한 제어장치가 없어도 구현 가능하나, 실시예에 따라 필요한 경우 전류흐름을 제어하기 위한 다이오드나 스위치(도시되지 않음)가 BOP전원부(120)와 직류우회부(140) 사이에 추가될 수 있다.
제어부(130)는 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)를 모니터링하는 결과, 계통이 안정되면, 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 위한 제2 과도상태모드(Status 3)로 넘어간다. 이 경우, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어 신호(Sin)를 Sin=0으로 생성하여 직류측 릴레이(310)로 전송하고, 교류측 릴레이(330) 제어 신호(Sout)를 Sout=0로 생성하여 교류측 릴레이(330)로 전송한다. 제어부(130)는 우회부 릴레이(356) 제어 신호(SD)를 SD=1로 생성하여 우회부 릴레이(356)로 전송한다. 우회부 릴레이(356)는 제어 신호(SD)의 수신에 따라 ON 상태로 된다.
연료전지 시스템(1)은 계통전압(VG) 및 계통주파수(FG)가 계통 규정을 만족하고, 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태로 제어되는 경우, 제2 과도상태모드(Status 3)를 종료하고, 다시 계통연계운전모드(Status 1)로 되돌아갈 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도상태모드(Status 3) 전후의 전압(V1, V2), 배터리(354)의 저장량(SOC, B(t))을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계운전모드(Status 1), 과도상태모드(Status 3) 및 독립운전모드(Status 3)에서의 BOP(40)에 흐르는 직류우회부(140)의 우회부 릴레이(356)의 출력전압(V1) 및 출력전류(I1)와 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2) 및 출력전류(I2)의 파형을 나타내는 도면이다.
전압(V1S)는 배터리(354)의 초기전압(또는 초기충전전압)이고. 전압(V2S)는 교류-직류 변환기(362)의 초기 전압을 나타낸다.
연료전지 시스템(1)이 운전하면, (i) 배터리(354)의 전압이 교류-직류 변환기(362)의 공급전압과 동기화된다. 이후 계통 외란이 발생했을 때, (ii) 배터리(354)는 에너지를 공급하면서 전압이 감소하며, 교류-직류 변환기(362)는 저장기능을 갖고 있지 못하므로 그 전압이 배터리(354)와 동기화된다. 이후 외란이 복구되거나 독립전원모드로 동작하는 경우 (iii) 발전원에 연결된 교류-직류 변환기에 의해 전압이 조정된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 운전 방법을 나타내는 순서도이다.
연료전지 시스템(1)의 초기운전 과정은 연료전지 스택(10)의 제어와 연관되어 있는 기존의 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 연료전지 시스템(1)의 초기운전 과정을 거치면, 배터리(354)의 전압(V1)이 기준전압(V1B) 이상이 되도록 충전되어 있어야 한다(V1≥V1B). 실시예에 의한 BOP(40) 급전에서, BOP(40)의 급전주체는 교류-직류 변환기(362)의 출력전압(V2)과 배터리(354)의 출력전압(V1)으로부터 자연스럽게 결정되는 것이나, 도 11에서는 전환시점을 표기하기 위해 나타낸다.
전력변환장치(100)는 계통전압(VG(t))과 계통주파수(FG(t)), 주출력 릴레이(30)의 상태(SG)에 따라 계통연계운전모드(Status 1)와 독립운전모드(Status 2)로 운전되는 정상운전 상태와, 모드 변경 과정에서 직류우회부(140)가 BOP(40)의 전력 공급을 담당하는 과도상태모드(Status 3)로 구성된다. 독립운전모드(Status 2)를 활용할 수 없거나 직류우회부(140)의 저장/출력용량이 충분히 큰 경우 계통의 복구시까지 과도상태모드(Status 3)를 지속할 수 있다.
계통연계부(110)가 계동연계운전모드(Status 1) 또는 독립운전모드(Status 2)에서와 같이 동작중인 상태에서, 제어부(130)는 계통전압(VG(t))과 계통주파수(FG(t)), 연료전지의 전압(VF(t)) 및 전류(IF(t)), 직류우회부의 전압(V1(t))을 지속적으로 수집 및 저장한다(1102). 제어부(130)는 이후의 단계가 수행되더라도 1102 단계의 동작을 소정의 주기로 지속적으로 수행할 수 있다.
전력변환장치(100)가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우(1104), 제어부(130)는 |VG(t)-VG|/VG≤0.1를 이용하여 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1106), 계통주파수(FG(t))가 |FG(t)-FG|≤1.5를 이용하여 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1108). 또한 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태(SG=1)인지 확인한다(1110). 여기서, VG는 기준 전압값(220V)이다.FG는 기준 주파수값(60㎐)이다.
전력변환장치(100)가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우(1104), 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 벗어나지 않고(1106), 계통주파수((FG(t))가 계통연계기준을 벗어나지 않는 경우, 그리고 주출력 릴레이(30)가 닫힘 상태인 경우에는(SG=1)(1108), 계통(20)의 현재 상황을 반영하여 계통연계부(110)의 인버터(324)의 전압지령치(VINV*)를 VINV*=(1+a(t))VG(t)로 조정하고(1112), 주파수지령치(FINV*=FG(t))를 조정한다(1112). 배터리(354)의 전압(V1)이 기준전압(V1B) 이상이 되도록 충전되어 있으면(V1≥V1B), 우회부 릴레이(356) 제어신호(SD=0)를 이용하여 우회부 릴레이(356)를 닫고(1124), 처음 단계(1102)로 돌아간다.
계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 벗어나거나(1106), 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 벗어나는 경우(1108), 주출력 릴레이(30)가 열림 상태인 경우(SG=0)(1110), 제어부(130)는 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전의 제1 과도상태모드(Status 3)로 전환하기 위한 동작을 수행한다(1120).
전력변환장치(100)가 독립운전모드(Status 2)에서 동작하는 경우(1104), 제어부(130)는 |VG(t)-VG|/VG≤0.1를 이용하여 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1130), |FG(t)-FG|/FG≤1.5를 이용하여 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1132). 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하고(1130), 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 만족하고(1132), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있는지(SG=1)(1134) 검사하여, 주출력 릴레이(30)가 외부 제어 신호에 의해 닫혀지는 경우(SG=1)(1134), 계통연계운전모드(Status 1)로 변경을 위해 제2 과도상태모드(Status 3)로 전환한다(1136).
계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하지 않거나(1130), 계통주파수((FG(t))가 계통연계기준을 만족하지 않는 경우에는(1132), 계통(20)의 현재 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수((FG(t))가 계통연계부(110) 동작의 기준점이 될 수 없으므로 계통 기준치(VG, FG)를 참고하여 계통연계부(110)의 인버터(324)의 전압지령치(VINV*)를 VINV*=VG로 조정하고(1140), 주파수지령치(FINV*)를 FINV*=FG로 조정하고(1142), 처음 단계(1102)로 돌아간다.
도 12는 도 11에서 과도상태모드(Status 3)으로 진행되는 경우의 전력변환장치(100)의 동작을 나타내는 흐름도이다.
과도상태모드(Status 3)로 진행하기 위해 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(Sin=0)와 교류측 릴레이 제어신호(Sout=0)를 이용하여 계통연계부(110)의 직류측 릴레이(310)와 교류측 릴레이(330)를 열고(1202), 직류우회부(140)의 우회부릴레이(356) 제어신호(SD=1)를 이용하여 우회부릴레이(356)를 닫는다(1204).
제어부(130)는 |VG(t)-VG|/VG≤0.1를 이용하여 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하는지 확인하고(1206), |FG(t)-FG|≤1.5를 이용하여 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 만족하는지 확인한다(1208). 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하고(1206), 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 만족하고(1208), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있는지(SG=1)(1210) 검사하여, 주출력 릴레이(30)가 외부 제어 신호에 의해 닫히는 경우(SG=1)(1210), 모드 전환을 결정하여 계통연계운전모드(Status 1) 진행을 결정한다(1212). 따라서, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(Sin=1)와 교류측 릴레이(310) 제어신호(Sout=1)를 이용하여 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 닫고(1222), 도 11의 단계 1102로 되돌아간다.
계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 만족하지 않거나(1206), 계통주파수(FG(t))가 계통연계기준을 만족하지 않거나(1208), 주출력 릴레이(30)가 닫혀있지 않은 경우(SG=0)(1210), 독립운전모드(Status 2) 진행을 결정한다(1220). 따라서, 제어부(130)는 직류측 릴레이(310) 제어신호(Sin=1)와 교류측 릴레이(310) 제어신호(Sout=1)를 이용하여 직류측 릴레이(310) 및 교류측 릴레이(330)를 닫고(1222), 도 11의 단계 1102로 되돌아간다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT를 포함한 전력변환장치(100)의 계통연계 동작기준의 예시 나타낸 도면이다.
계통 외란 상황을 정의하는 계통전압(VG(t))과 계통주파수(FG(t)) 기준은 송전하는 국가의 송전망 규격에 따르는 것이 일반적이나, 재생에너지 등 변동성이 큰 분산전원이 많은 경우, 전압 등의 순간적인 변동에 의하여 연료전지 시스템(1)이 재설정되어야 하는 불편함이 존재한다. 그러므로 최근에는 수십 밀리초 수준의 초단기변동을 무시하도록 전력변환장치의 운전메커니즘이 변화하고 있으며 LVRT(Low Voltage Ride Through)등 새로운 기술이 적용될 수 있다.
도 14는 모의 전원을 통해 본 발명의 일 실시예에서 적용된 전력변환장치가 계통 외란 상황을 가정한 모의전원에서 동작하는 상황을 전력파형으로 나타낸 것이다. 도 14에서 계통정전후 복전시 전력변환장치의 운전에 의한 BOP 전압 및 전력변환 전류 파형의 예시를 나타낸다.
T1 시점에서 계통이 정전되어 계통전압이 0이 될 때, 제어부(130)가 계통이상을 확인하여 계통연계부(110)의 직류측 릴레이(310)를 차단하여, 계통연계부(110)의 입력전류가 0이 된 것을 볼 수 있다.
이후 T2 시점에서 BOP(40) 및 직접 연결된 독립부하에 전원을 공급하기 위한 독립운전모드(Status 2)로 전환된 것을 확인할 수 있다. 제어부(130)는 과도상태모드(Status 3)로 직류우회부(140)를 이용하여 전력변환장치(100)를 동작시킬 수 있으므로, 계통이상으로 계통연계부(110)의 동작이 중단된 동안에도 직류우회부(140)를 통해 전력을 공급받는 BOP(40)의 전원의 전압이 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
T3 시점에서 계통이 복구된 것으로 가정하고 T4 시점부터 T5 시점까지 계통연계운전모드(Status 1)로 전환하기 위한 복전 동작을 수행하여 T5 시점 이후에는 계통연계부(110)에 T1 시점 이전과 같은 전류가 인가되었으며, BOP(40) 전원의 전압은 거의 동일한 값으로 유지되는 것으로 나타난다.
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: 계통연계부
120: BOP전원부
130: 제어부
140: 직류우회부

Claims (9)

  1. 연료전지 스택과 BOP(Balance of Plant) 사이에 연결된 연료전지 시스템의 전력변환장치로서,
    연료전지 스택의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통에 연계하는 계통연계부;
    계통연계부와 연료전지 스택의 직류출력에 공통으로 연결되어 연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하여 저장하는 직류우회부;
    계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결되고, 직류우회부의 전력을 선택적으로 BOP로 공급하는 BOP전원부; 및
    계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 모니터링하여, 계통이 정상 상태인 경우에는 연료전지 스택에서 발생되어 계통연계부를 거친 교류전력을 BOP에 공급하고, 계통이 정상 상태가 아닌 경우에는 연료전지 스택에서 발생된 전력은 직류우회부로 전달되어 직류우회부가 BOP전원부에 전력을 공급하게 하여, 계통 연계가 중단되더라도 BOP 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  2. 제1항에서,
    제어부는 전력변환장치가 운전 환경에 따라서 연료전지 스택의 전력을 계통에 직접 전달하기 위한 계통연계운전모드(Status 1)로 동작하거나, 계통연계부가 계통전압 및 계통주파수의 정상화 여부와 관계없이 재기동하여, BOP전원을 계통과 동기화하지 않는 독립운전모드(Status 2)로 동작하거나, 계통연계운전모드(Status 1)가 독립운전모드(Status 2)로 진행하기 전과 독립운전모드(Status 2)에서 계통연계운전모드(Status 1)로 진행하기 전의 과도상태모드(Status 3)로 동작하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  3. 제2항에서
    제어부는 계통연계부가 계통 사고에 의해 일시적으로 정지한 후 독립운전모드(Status 2)로 재기동한 상황에서 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))가 정상화될 때, 독립운전모드(Status 2)를 종료한 후 계통연계운전모드(Status 1)로 재가동하도록 계통연계부와 직류우회부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    계통연계부는,
    연료전지 스택 출력에 연결되거나 연결이 차단되는 직류측 릴레이;
    연료전지의 저전압 직류전력를 교류송전 규격에 부합하도록 승압하는 승압 컨버터;
    승압된 고전압 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터;
    컨버터와 인버터의 동작에 의해 발생하는 노이즈를 제거하는 필터; 및
    계통과 직접 연결되거나 연결이 차단되어 교류출력의 최종 인출여부를 제어하는 교류측 릴레이; 를 포함하고,
    직류우회부는,
    연료전지 스택의 출력을 BOP에 직접 공급 가능한 전압으로 변환하는 변압기;
    과도상태모드동안 일시적으로 BOP전원부로 전력을 공급하여 BOP전원의 전압을 안정화하는 배터리;
    배터리와 BOP전원부 사이를 연결하거나 연결을 차단하는 우회부 릴레이; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제어부는
    계통연계운전모드(Status 1)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 제어하고, BOP전원부가 계통으로부터 전력을 공급받도록 제어하고,
    과도상태모드(Status 3)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=0으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=0으로 제어하고, BOP전원부가 직류우회부로부터 전력을 공급받도록, 우회부 릴레이의 제어 신호(SD)를 SD=1로 제어하고,
    독립운전모드(Status 2)에서는 직류측 릴레이의 제어 신호(Sin)를 Sin=1으로 제어하고, 교류측 릴레이의 제어 신호(Sout)를 Sout=1로 제어하고, BOP전원부가 계통연계부를 통해 연료전지 스택의 출력전력을 공급받도록 제어하고,
    계통연계운전모드(Status 1)에서는 주출력 릴레이가 동작하고, 독립운전모드(Status 2) 및 과도상태모드(Status 3)에서는 주출력 릴레이가 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    전력변환장치가 계통연계운전모드(Status 1)에서 동작하는 경우, 계통전압(VG(t))이 계통연계기준을 벗어나지 않고, 계통주파수((FG(t))가 계통연계기준을 벗어나지 않는 경우, 그리고 주출력 릴레이가 닫힘 상태인 경우에는(SG=1), 계통의 현재 상황을 반영하여 계통연계부의 인버터의 전압지령치(VINV*)를 VINV*=(1+a(t))VG(t)로 조정하고, 주파수지령치(FINV*=FG(t))를 조정하고, 배터리의 전압(V1)이 기준전압(V1B) 이상이 되도록 충전되어 있으면(V1≥V1B), 우회부 릴레이 제어신호(SD=0)를 이용하여 우회부 릴레이를 닫는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  7. 제5항에 있어서,
    BOP전원부는,
    계통연계부가 출력하는 교류전력에 직접 연결된 교류-직류 변환기;
    우회부 릴레이 및 교류-직류 변환기에 연결되어, 직류 전력을 교류 BOP에 필요한 전력으로 변환하는 직류/교류 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    직류우회부의 배터리의 충전기준전압은 BOP전원부의 교류-직류 변환기의 출력전압보다 낮게 지정되어, 계통연계운전모드 또는 독립운전모드에서 계통연계부가 정상 운전하는 상태에서 직류우회부 내부의 배터리에서 전력이 인출되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
  9. 제7항에 있어서,
    과도상태모드에서, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류 BOP로 직접 전달되고, 우회부 릴레이의 직류 전력은 직류-교류 변환기를 통해 교류 BOP로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력변환장치.
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