황계호
(Gye-Ho Hwang)
1
이봉섭
(Bong-Seob Lee)
2†
-
(Team manager, Renewable Energy System R & D Center, KyungDong Navien Co. Ltd.)
-
(Prof, Dept, of Control & Instrumentation Eng. Kangwon National University)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Solid Oxide Fuel Cell, Fuel Cell, Inverter System, Filter, SOFC
1. 서론
최근 고도의 산업성장과 인구증가에 따라 에너지 소비가 급증하고 이로 인해 배출되는 이산화탄소 등 온실가스의 증가는 인류의 미래를 위협하는 존재가 되어
가고 있다. 이에 미국, 일본 및 유럽 등의 선진각국은 정부 주도하에 대체 에너지에 대한 과감한 보급정책과 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이에
그린 에너지 전략 로드맵 2011(연료전지)을 살펴보면 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC) 시스템의 핵심
목표는 1kW SOFC 시스템 성능, 효율 실증 및 양산 프로세스 확립이며, 세부사항으로 고효율화(고성능화)는 효율 50% 이상이고, 내구성, 신뢰성
향상은 내구성 4만 시간이상, 시스템 운전, 안전 시험법 및 평가법 표준화를 선정하여 연구를 진행하고 있다[1]. SOFC 연료전지 스택의 연구 및 개발 방향은 연료전지의 스택 셀 수를 증가하여 셀당 전압을 높여 전류가 낮아지는 장점으로 인버터의 고효율화와
연료전지의 출력 전압을 30V～60Vdc으로 하여 인버터의 제작 비용을 낮추는 경향을 알 수 있다[2,3]. 이에 본 연구에서는 고효율화를 위한 전력변환시스템인 인버터에서도 효율을 증대시키는 방안을 고려하여 최적인 회로 토플로지를 선정하고, 실제 제작
및 그 성능을 검증, 새롭게 추가된 전자파 항목 시험에 대응하기 위한 필터도 검증하고자 한다.
2. 본론
2.1 SOFC 시스템에 적용한 인버터 설계
그림. 1은 SOFC 시스템의 인버터의 주요 블록도를 보여 주고 있다. 그림. 1에서 보듯이 크게 컨버터와 인버터로 구성되며, 승압을 위한 방식은 인버터 시스템의 입력/출력의 절연을 위해 저주파 변압기와 고주파 변압기를 주로 사용하며,
부피와 무게에 장점이 있는 고주파 변압기에 턴비를 이용하여 직류/직류 승압 방식을 사용하고, 이에 대한 인버터의 주요 회로는 그림. 2에 보여 주고 있다. 본 논문에서 적용한 인버터 시스템의 상세 블록도와 이에 대한 상세 회로도는 그림 3과 그림 4와 같이 상세히 보여 주고 있다.
Fig. 1. The block diagram of inverter
Fig. 2. The main circuit of inverter
Fig. 3. The block diagram of inverter(details)
Fig. 4. The circuit of inverter(details)
그림. 3과 그림. 4를 기초로 한 인버터 시스템의 사양은 표 1과 같이 동작되도록 설계하였으며, 이는 SOFC 연료전지에 적용 가능하도록 하기 위해서는 SOFC 연료전지의 스택에 맞게 인버터 시스템을 설계, 제작,
실험을 진행하였다. 표 2는 SOFC 연료전지 스택의 출력 사양을 나타내고 있다[4,5]. 이는 연료전지 셀 단위 사양에 의해 연료전지 스택을 직렬로 50장으로 구성하여 제작하였다. 이에 대응한 인버터 시스템을 살펴보면, 인버터 시스템의
회로 상세 블록도와 상세 회로는 그림. 3과 그림. 4로 구성하였고, 크게 풀브릿지 컨버터/인버터로 구성하였다. 연료 전지 스택 출력인 인버터 시스템의 입력과 계통과 연결된 인버터 시스템의 출력은 고주파
변압기를 사용하여 절연하였고, 고주파 변압기의 변압비는 1:5 정도로 선정하여 인버터 시스템의 입력 전압을 직류/직류 승압하고, 이에 대한 인버터의
시스템의 상세 회로도를 그림. 4에 보여 주고 있다. 컨버터와 인버터로 구성하여 파워 회로를 형성하고 이를 제어하기 위해 제어기 1개를 사용하여 제작하였다. 인버터 시스템의 제어를
위한 제어기는 A/D 변환기를 포함한 DSP(TMS320F28335)를 사용하였으며, 주변 회로로 EPLD, EEPROM 등으로 구성하였다.
Table 1. Specifications of inverter
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항 목
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사 양
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비 고
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정격 입력 전력
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1.1kW
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정격 입력 전압
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35~40V
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정격 입력 전류
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27~32A
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입력전압
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30～60V
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운전가능
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입력전류
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0~37A
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운전가능
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효율
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91%
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계통 연계 전압
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단상/220V/60Hz
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정격 출력
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1kVA
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단상 2선식
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정격 출력 전압
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220Vac
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정격 출력 전류
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4.5A
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운전계통전압범위
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220Vac±12%
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194～242V
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주파수 범위
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60Hz±0.2%
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9.8～60.2Hz
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출력 역률
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0.98이상
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Table 2. The Stack Specification of SOFC system
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항 목
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사 양
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비 고
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연료전지 셀 정격전압
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0.8V
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0.8V/cell
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연료전지 셀 OCV
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1.1V(1.095V)
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연료전지 전체 셀 수
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48~52ea
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연료전지 전체 셀 정격전압
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38.4~41.6V
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연료전지 전체 셀 OCV
|
57.2V
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위에서 제시하였듯이 본 논문에서는 효율 향상을 위해 기본으로 DC 승압을 위한 BOOST 회로와 절연을 위한 일반 변압기를 제거하고 고주파 공진 회로를
포함하는 고주파 공진 DC/DC 컨버터를 사용함과 동시에 고주파 공진 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터에 Phase shift 제어와 S-PWM
제어를 사용하여 최적인 토플로지와 제어를 구현하여 효율 개선을 수행하였다. 표 1은 인버터 시스템의 시제품 사양을 나타내고 있다. 인버터 시스템의 입력 사양은 표 2의 SOFC 연료전지 스택의 사양을 바탕으로 하여 출력인 계통 전압과 전류에 대한 안전 사항을 고려하여 선정하였다.
2.2 인버터의 제작 및 성능 시험
표 3은 인버터 시스템의 시제품 보호 기능 사양이며, 이는 인버터 시스템이 계통을 보호하기 위해 최소한의 안전기능을 포함하고 있으며, 본 본문에서 인버터
시스템에 적용하여 제작하였다. 그림. 5는 표 1과 표 3의 인버터 시스템의 사양과 보호 기능을 구현한 인버터 시스템의 시제품을 보여 주고 있으며, 입력과 출력을 분리하여 단자 처리하였고, 통신 포트를 삽입하여
인버터 시스템의 모니터링 기능을 구현하였다. 그림. 6은 인버터 시스템의 주요 파라미터를 분석하기 위해 모니터링 기능과 인버터 운전기능을 삽입하여 인버터 시스템의 단품 시험을 진행하였다. 그림. 7은 인버터 시스템의 스위칭 파형 및 데드 타임 파형이며, 스위칭 주파수는 10kHz이며, 데드 타임은 5usec로 선정하였다. 그림. 8과 그림. 9는 인버터 부하 변동 시험 파형 및 성능시험 파형을 보여 주고 있으며, 부하 변동에 따른 출력전압 시험으로 무부하시, 228Vac, 25%시 227Vac,
50%시, 221Vac, 75%시, 218Vac, 100%시 215Vac, 부하 변동에 따른 안정적인 출력전압을 확인하였으며, 성능으로 입력 전압/전류,
출력 전압/전류 파형과 인버터 효율이 91.5%가 됨을 알 수 있다. 인버터의 효율은 정격운전 1시간 동작 후 WT3000으로 측정하였으며, 절연저항
시험은 500V/1MΩ 이상이며, 내전압 시험은 AC1.5kV/1분간 인가 하는 동안 절연파괴가 없었다. 누설전류는 정젹 운전 30분 후 측정시 50mA
이하이며, 입력전류 리플율은 정격운전 30분 후 측정시 10% 이내인 6.847% 등의 여러 성능 시험을 통해 표 1의 인버터 사양을 만족함을 알
수 있다.
Table 3. The safety spec. of inverter
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항 목
|
사 양
|
비 고
|
|
주파수 상승 OFR
|
60.2/60.4/60.6/60.8Hz
|
0.5sec 이내
|
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주파수 저하 UFR
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59.8/59.6/59.4/59.2Hz
|
0.5sec 이내
|
|
계통전압 상승 OVR
|
110% 이상(242V 이상)
|
0.5sec 이내
|
|
계통전압저하 UVR
|
88% 이하(193V 이하)
|
0.5sec 이내
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Fig. 5. The prototype inverter
Fig. 6. Experimental equipment of inverter
Fig. 7. Switching waveforms of inverter
Fig. 8. Load experimental waveforms of inverter
Fig. 9. Performance experimental waveforms
2.3 필터를 적용한 인버터의 안전 시험
SOFC 시스템의 평가 항목 중 인버터 시스템의 전자파 적합성 항목에 관한 사항으로 전기자기 방사내성 시험항목(IEC 61000-4-3)에 대해 대응하기
위해 필터 회로를 적용하여야 한다. 건물용 연료전지 전기분야 안전성능 평가 기준은 크게 3부분으로 정상특성 및 보호기능 성능, 과도응답 및 외부사고
성능, 전자파 적합성 및 내전기 환경 성능으로 구분된다. 이에 전자파 적합성 및 내전기 환경 성능을 세세하게 살펴보면, 세부적으로 정전기방전 내력시험,
전기적 빠른 과도 현상 내성시험, 서지내성시험, 순시정전/전압강하 및 전압변동 내성시험, 전자파전도 내성시험, 전도방출시험(연속성 잡음, 불연속성
잡음)으로 6가지 항목시험으로 구성 되어 있다. 이는 기준 주파수 대역(150kMz∼80MHz, 148.5kHz∼30MHz)에서 기준치인 빨간색보다
높게 나오면 이를 보완하여 기준치 내에서 동작되게 하여야 한다. 이에 전자파 적합성 부분을 만족하기 위해 그림. 10처럼 인버터 시스템 내에 필터 회로를 적용하였다. 초기 반영하기 전에는 그림. 12(좌)에서 보듯이 IEC 61000-4-3을 기반으로 한 전자파 시험(방사 노이즈 시험) 한 결과, 전체 주파수 대역에서 기준치 보다 높게 나타났으며,
그림. 10에서 입력측 Cx :22nF, 출력측 Cx : 3.3uF, 출력측, Cy : 330nF으로 반영하여 필터 회로를 그림. 11과 같이 필터 회로를 제작하여 시험한 결과, 전자파 시험 기준인 CISPR 14-1 Class B 기준을 통과하여 전자파 시험 기준을 포함한 KGS
기준을 만족함을 알 수 있다.
Fig. 10. The proposed filter circuit of inverter
Fig. 11. The main circuit design and prototype of inverter(included filter circuit)
Fig. 12. EMC test of inverter
그림. 13은 인버터 시스템을 SOFC 시스템의 시제품에 적용한 사진을 보여 주고 있다. 그림. 13처럼 인버터 시스템을 적용하여 표 3의 안전사양이 만족하는지 관한 시험을 그림. 14에 보여 주고 있다.
Fig. 13. The SOFC system using proposed inverter
Fig. 14. The safety experimental waveforms of inverter
그림. 14는 인버터 시스템의 안전시험 파형을 보여주고 있다. 그림. 14에서 보듯이 이상전압 및 이상주파수가 인가시 기준 시간 내에 인버터가 차단되고, 순간 정전 및 순간 전압 강하가 발생하는 경우, 기준 시간 내에 인버터가
차단, 대응됨을 알 수 있어, 한국가스안전공사 시험 기준인 KGS 1410(연료전지 전력변환장치 성능시험기준)의 인버터 기준를 만족함을 알 수 있다.
3. 결 론
SOFC 연료전지 스택의 연구는 연료전지의 스택 셀수를 증가하여 셀당 전압을 높여 저전류 인버터의 제작 비용을 낮게 하는 방향으로 연구되어지고 있다.
이에 본 논문에서는 인버터의 입력이 고전압, 저전류화되는 고효율 인버터에 적합한 회로 분석을 통해 최적 회로 토플로지를 선정, 실제 인버터의 성능
및 안전 사양을 적용한 인버터 시제품을 제작하였다. 또한, 인버터 시제품의 안전 기능 포함 성능시험을 검증한 결과 적합하였고, 또한, 전자파 항목
시험을 고려한 필터 회로 설계, 제작, 전자파 시험 결과 만족한 결과를 얻었다. 향후 다양한 연료전지 시스템의 인버터에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
이 논문은 한국조명․전기설비학회 2019년도 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천논문으로 선정된 논문임.이 논문은 산업통상자원부 지원(과제번호 201630300
31820)으로 수행된 결과임.
References
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Hwang Gye-Ho, Lee Bong-Seob, 2013. 5, A study on inverter system Solid Oxide Fuel
Cell, KIIEE Annual Spring Conf., pp. 229-300
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optimization of reformer for kW class SOFC System, Trans. of Korean Hydrogen and New
Energy Society, Vol. 29, No. 4, pp. 317-232
Chol Young-Jae, Ahn Jin-Soo, Lee In-Sung, Bae Hong-Youl, Moon Ji-Woong, Lee Jong-Gyu,
2017, A study on Internal Reforming Characteristic of 1kW Solid Oxide Fuel Cell Stack,
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fuel cell system, KR Patent, No. 101448991.B1
Hwang Gye-Ho, 2018. 06, METHOD FOR CONTROLLING OUTPUT OF INVERTERS IN FUEL CELL SYSTEM
AND FUEL CELL, EP Patent, No. EP.3001529.B1
Hwang Gye-Ho, 2017. 07, 燃料電池システムのインバーターと燃料電池の出力制御方法, JP Patent, No. JP.6162889.B2
Biography
He received M.S. and Ph. D. degrees in electrical engineering from Yeungnam university,
Gyeongsan, Korea in 1999 and 2007.
Respectively, From 2003 to 2008, he had been with the team of electric system design,
Institute of Technology, R & D Center, Shinsung solar Energy Co, Ltd, as senior research
engineer.
From 2008 to 2012, he had been with system power development team, Institute of Technology,
R & D Center, ShinsungFA Co. Ltd., as a principal research engineer.
From 2012 to 2013, he had been with hardware development team, institute of technology,
R & D Center, KyungDong One Co. Ltd,. as a principal research engineer(project leader).
Since 2013, he also has been with system control & electric machine team, Renewable
energy system Institute, R & D Center, KyungDong navien Co. Ltd,, as a principal research
engineer(team leader).
His research interests include the areas of AC-DC, DC-DC, and DC-AC power conversion
system(topology), power topology of Inverter and Converter, CPS(Contactless Power
system), and wireless power transfer.
He received B.S, M.S. and Ph. D. degrees in electrical engineering from Yeungnam university,
Gyeongsan, Korea in 1991, 1993 and 1996. he is currently a general member and board
member of KIIEE.
Since 1996, he has been professor with the Dept. of control & instrumentation engineering,
kangwon national university, samcheck, Korea.
His research interests include the areas of AC-DC, DC-DC and DC-AC power conversion
topology, power conversion of Photovoltaic, CPS, wireless power transfer and New
& Renewable Energy.