원수연
(Su-Yeon Won)
1iD
이교범
(Kyo-Beum Lee)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Fuel cell, Grid-Connected system, IEEE1547-2018 Category3, LVRT (Low Voltage Ride Through), inverter
1. 서 론
유엔 기후 변환 회의에서 파리 협약으로 전세계는 지구 평균 온도 상승폭을 완화하기 위해서 국제적으로 약속을 하였다. 산업화 이전 대비 2℃ 이하로
유지하고, 추가로 1.5℃ 이하로 목표를 정하였다(1). 목표를 실현하기 위해서 세계 각국은 이산화탄소 발생량을 제한하는 등 온실가스를 저감하기 위해서 힘을 기울이고 있다. 이산화탄소 발생을 줄이기 위해서
화석연료를 대체할만한 에너지원의 개발은 필수적이다(2). 태양광발전, 연료전지발전, 풍력발전 등의 신재생에너지원에 대해서 개발을 하고 있으며, 일부는 실용화중이다. 신재생에너지원은 독립운전으로 사용이
가능하지만, 기존의 상용 전력계통과 연계하여, 계통 연계형 발전용으로 사용하는 것이 경제성 확보 등에 유리하다고 판단된다(3).
신재생에너지를 기반으로 하는 분산전원의 계통 연계가 증가함에 따라 국내외 계통망 사업자(TSO: Transmission System Operator)의
계통 연계 요구 조건이 더욱 구체화되고 있는 추세다. 국내외 계통 연계 규정에서 필수적으로 요구하는 기능 중 하나인 FRT(Fault Ride-Through)는
계통에서 사고가 발생한 경우 재생 에너지원을 계통으로부터 제거하는 것이 아니라 발생하는 사고 전압 크기 및 주파수 변화 등에 따라 일정 시간 계통
연계를 유지하는 기능을 말한다. FRT는 계통의 저전압 상태에 대한 연계 유지 기능인 LVRT(Low Voltage Ride- Through)와 계통의
고전압 상황에도 이에 대한 연계 유지 기능인 HVRT(High Voltage Ride-Through)로 나뉜다(4,5). 글로벌 계통 연계기준 IEEE1547-2018은 전압 및 주파수의 이상 조건에서 분산 자원을 3개의 Category로 분류하여 요구사항을 정의하였다.
Category1은 유럽에서 사용되는 분산자원에게 일반적으로 요구되는 사항이다. Category2는 모든 대용량 전력 시스템의 신뢰성 요구사항을 포괄하며,
배전 시스템의 지연된 전압 회복을 다루기 위해서 추가적인 VRT(Voltage Ride Through) 기능이 포함된다. Category3는 가장
높은 수준의 Ride-Through 기능을 요구한다. 해외 일부 지역은 이미 신재생에너지 발전 시스템에 대해서 Category3 만족을 요구한다.
캘리포니아(CA Rule 21), 하와이(HA 14H) 지역이 이미 이 규정을 따르는 대표적인 지역이다. 이 지역은 분산자원 수용률이 매우 높은 시스템에서
분산 자원 탈락으로 인해 발생하는 전력 품질 및 시스템 과부하와 같은 문제 등을 해결하기 위해서 가장 높은 수준의 Ride-Through 기능을 포함한다(6). 이러한 지역의 시장 진출을 위해서는 연료전지 발전시스템이 IEEE1547-2018 Category3 규정을 만족하는 시스템을 구축할 필요가 있다.
국내의 분산형 전원장치의 계통 연계 관련 기준으로는 산업통상자원부의 전기설비기준의 판단기준에 따라 나뉜다. 분산형전원 계통 연계설비의 시설, 한국전력공사의
분산형전원 배전계통 기술기준, 스마트 그리드 표준화 포럼의 분산형전원 운용기술이 있다. 국내 기준 및 표준들은 국외 IEEE1547과 일본 전기설비기술을
참고하여 작성된다. 국외의 기준의 동향에 따라, 향후 우리나라 설정에 맞게 수정 및 보완이 이뤄질 수 있다(7).
본 논문에서는 IEEE1547-2018 Category3 대응을 위한 인버터의 제어 전략을 제시한다. 기존의 연료전지 발전시스템은 Category3에
해당하는 계통 저전압 사고를 대응하는데 한계가 있다. 이는 연료전지 발전시스템은 계통 전압을 사용하는 VSD들이 저전압 사고에 대응이 불가하기 때문이다.
이를 대응하기 위해서 VSD의 DC 전압을 유지하는 몇 가지 제어 전략이 있다. 제어 전략중에 인버터를 추가하는 방식은 제어가 안정적이며, 효율이
높은 장점이 있다. 이러한 장점을 가진 인버터 제어 방식을 활용하면, 계통이 불안한 상황에서도 VSD들은 정상적인 전압을 유지한다. 인버터 제어 전략에
대해서 시뮬레이션으로 검증한다(8).
2. 본 론
신재생에너지는 대표적으로 태양광발전, 풍력발전, 연료전지발전 등이 있다. 태양광발전의 경우 태양광에너지를 전기에너지로 전환하여 전력을 얻는 시스템이다.
자연환경에서 쉽게 얻을 수 있는 풍부한 에너지원이다. 하지만 태양광발전은 일사량 및 온도에 따라 성능이 크게 좌우되므로 자연조건에 상당히 의존적이다.
풍력발전은 바람에너지를 이용하여 전력을 얻어내는 시스템이다. 풍력발전은 풍속과 풍향에 따라 출력변동이 심한 특성을 가지고 있다(9). 연료전지 발전은 수소와 산소의 전기화학반응을 통하여 전기와 열 에너지를 생산한다. 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 과정의 역반응을 의미한다(10). 연료인 수소가 애노드(Anode) 전극 촉매층에 백금촉매와 만나 수소 이온과 전자로 산화반응이 일어나고 수소이온이 프로톤(H+) 전도체인 고분자막을
통과하여 캐소드(Cathode) 전극 촉매층의 백금 촉매에서 산소와 전자가 만나 물이 되는 환원반응에 의해 물을 생성하면서 전기에너지를 얻는 에너지의
변환 반응이다(11).
2.1 연료전지 발전시스템의 장점
연료전지는 에너지손실이 적고, 효율이 좋은 장점이 있다. 전기발전만으로도 30~60%의 효율을 나타내며, 열병합발전과 결합시 80% 이상의 효율을
보인다. 출력의 크기와 상관없이 일정한 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 지속적인 연료의 공급이 이뤄지는 경우 24시간 무인운전을 통해 높은 가동률을
유지한다. 연료전지는 친환경적이며, 질소탄화물 및 이산화탄소 배출량이 극히 적다. 또한 소음 및 진동이 적다. 필요설치면적이 적어서, 설치에 용이하다(12). 이러한 장점으로 연료전지 발전시스템의 생산량은 증가될 것으로 기대한다.
2.2 연료전지 발전시스템의 구성
그림 1은 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다. 연료전지 시스템의 핵심 구성 요소는 스택(Stack), 개질기(Reformer), BOP (Balance
of Plant), PCS(Power Conditioning System)이다(13). 개질기는 화석연료인 천연가스, LPG, 메탄올, 석유 등으로부터 수소를 제조하는 장치이다. 수소를 얻는 방법으로는 천연가스를 이용하여 수증기개질을
하는 방법이 가장 경제적이다. 스택은 원하는 전압을 얻기 위하여 수백장의 연료전지 Cell을 적층으로 조립하여 쌓아 올린 본체로 수소와 공기로부터
전압 및 열을 생성하여, 물을 배출한다. 전력변환장치인 PCS는 연료전지의 출력전압인 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 기능을 가지고 있다. PCS는
계통과 연계하여 발전하는 역할을 한다. BOP는 스택이 정상적으로 동작할 수 있도록 수소와 공기를 공급해주고 스택의 운전 조건을 유지한다. BOP는
기계적인 장치인 MBOP(Mechanical BOP)와 전기적인 장치는 EBOP (Electrical BOP)로 나뉜다. 팬, 블로워, 펌프류, 밸브류
등이 이에 해당된다(14).
그림. 1 연료전지 시스템 구성도
Fig. 1 Fuel cell system configuration
2.3 연료전지 발전시스템의 구성
그림. 2 기존의 연료전지 시스템 PCS 구성도
Fig. 2 Conventional fuel cell system PCS configuration
그림. 3. IEEE1547-2018 Voltage Ride Through 요구조건(8)
Fig. 3 IEEE1547-2018 Voltage Ride Through Requirememts (8)
그림 2는 기존의 연료전지 시스템의 PCS 구성도이다. 기존의 연료전지 발전시스템의 PCS는 계통 전압과 동기화하여 정전류모드로 동작한다. 이때 BOP는
계통 전압으로 동작한다. 이는 계통 저전압 발생시 BOP도 저전압을 공급받음을 의미한다. 이러한 경우 스택에 공기를 공급하는 공기공급용 팬과 냉각을
위해 동작하는 냉각용 펌프가 정상 동작할 수 없다. 스택의 동작조건은 애노드 측에 수소가 끊김없이 공급되어야 하며, 캐소드에 공기가 정상적으로 공급되어야
하며, 스택의 온도를 일정하게 유지해야 한다. 이러한 조건을 만족해야만 스택의 전압이 정상적으로 유지된다. 계통의 저전압으로 인하여 공기공급용 팬과
냉각용 펌프가 정상 동작하지 않으면 스택의 전압 유지가 불가능하다. 계통 전압이 차단됨에도 관성에 의해 공기공급용 팬과 냉각용 펌프가 동작하지만 이는
장시간 유지될 순 없다. 결국 스택의 전압이 하락하게 된다. 스택의 전압이 하락하면 PCS도 정상적인 동작을 할 수 없다. 이로 인해 연료전지 시스템은
셧다운이 발생할 수 있다. 연료전지 시스템의 특성상 셧다운 발생시 막대한 손실로 이어진다. 셧다운이 되면 스택의 수명이 단축된다. 연료전지는 고온
동작을 하므로 재기동하여 고온까지 도달하는데 많은 시간이 소요된다. 이 시간동안 연료전지는 발전을 할 수 없으므로 이는 막대한 경제적인 손실을 가져온다.
2.4 기존의 연료전지 발전시스템의 LVRT 한계
그림 3은 IEEE1547-2018 Category3에 대한 분류이다. Manda- tory Operation Capability로 표시된 영역이 중요하다.
이 영역에서는 계통 전압이 불안한 상태임에도 즉시 계통 연계를 차단하지 않고, 그림 3의 아래 부분의 시간만큼 계통을 유지해야한다. Category1 ~ Category3은 각각의 전압 범위와 유지 시간의 차이가 있으며, Category3의
기준은 낮은 전압에서 오랜시간을 유지하도록 기준이 강화된 것을 알 수 있다. 현재 국내의 계통 연계 기준은 한국전력공사에서 제시하는 분산형전원 배전계통
연계 기술기준을 따른다. 이에 대한 내용은 표 1과 같다. 현재의 국내 계통 연계 기술기준은 IEEE1547-2018의 Category1과 유사한 수준이다. 표 1을 참고하면 정격전압의 50% ~ 90% 구간은 2초간 유지해야 한다. 순간정전 등 계통 사고시에 신재생에너지원에서 불필요한 계통분리가 발생하면 전력수급에
불균형이 발생한다. 계통 안전 운영을 위한 주파수 안정성, 동기안정성, 전압안정성 등에 지장을 초래할 수 있다. 이를 방지하고자 분산형전원은 LVRT
상황에서도 계통을 차단하지 않고 유지해야 한다(15).
표 1 비정상 전압에 대한 분산형전원 분리시간
Table 1 Distributed Power Disconnection time for abnormal voltage
|
전압범위[%]
|
분리시간[sec]
|
|
V < 50
|
0.5
|
|
50 ≤ V < 70
|
2.0
|
|
70 ≤ V < 90
|
2.0
|
|
110 ≤ V < 120
|
1.0
|
|
V ≥ 120
|
0.16
|
표 2는 IEEE1547-2018 Category3가 적용된 Electrical Rule 21의 HVRT/LVRT 규정을 참고하여 작성되었다.
표 2 Electrical Rule 21이 적용된 LVRT/HVRT
Table 2 LVRT/HVRT setting that correspond to electric rule 21
|
영역
|
전압범위[%]
|
분리시간[sec]
|
|
High Voltage2(HV2)
|
V ≥ 120
|
No Ride Through
|
|
High Voltage1(HV1)
|
110 ≤ V < 120
|
12 sec
|
|
Near Nominal(NN)
|
88 ≤ V < 110
|
유지
|
|
Low Voltage1(LV1)
|
70 ≤ V < 88
|
20 sec
|
|
Low Voltage2(LV2)
|
50 ≤ V < 70
|
10 sec
|
|
Low Voltage3(LV3)
|
V < 50
|
1 sec
|
기존의 연료전지 시스템의 구성으로는 Category1의 대응이 가능하다. Category1은 1초 ~ 2초의 짧은 시간이므로 계통 저전압이 발생하더라도
VSD들의 내부 DC 캐패시터에 의해 동작이 가능하다. Category3 대응을 위해서는 정격 전압의 50%에서 10초의 시간, 70%에서 20초의
시간을 유지해야 한다. VSD 내부의 캐패시터는 이러한 장시간까지의 대응은 불가능하다. VSD 내부의 DC 전압은 방전되어 VSD가 정상적으로 동작이
불가능하기 때문에, 공기공급용 팬과 냉각용 펌프는 정상적으로 동작할 수 없다. 이는 기존의 연료전지 시스템으로는 Category3의 대응은 기술적인
한계가 있고, Category3 대응을 위해서는 새로운 제어 전략이 필요함을 의미한다. 국내의 계통 연계 기준은 IEEE1547-2018을 참고하여
따르며, 점차 강화되고 있으므로, 이를 대응하기 위한 기술을 확보할 필요가 있다.
2.5 연료전지 발전시스템의 구성
국외의 계통 연계 기준은 IEEE1547-2018 규정을 따른다. Category3의 경우 정격 전압의 70% ~ 88% 구간은 20초를 유지해야
하며, 50% ~ 70% 구간에서는 10초를 유지해야 한다. 2018년도에 조사된 신재생에너지 산업통계에 따르면 한국의 경우 2017년 기준 국내
신재생에너지 산업은 기업체수 438개, 고용인원 13,927명, 매출액 9조 5,463억, 투자액 8,097억이다. 매출액 중 내수는 4조 608억,
수출 4조 3,161억이다. 해외공장 매출 1조 1,694억 원이었다. 국내 신재생에너지 업체는 최근 해외진출에도 관심을 갖고 있으며, 수출액도 빠른
성장세를 보이고 있다. 한화그룹이 큐셀을 인수한 후 최근 9조원의 투자계획을 밝히는 등 해외 투자도 활발하게 진행될 것으로 예상한다(16). 이러한 기대 효과로 국외 사업이 진행되다면, 국외에서 요구하는 계통 연계 규정을 만족하기 위한 제어 전략이 필요하다.
2.6 연료전지 발전시스템의 인버터가 추가된 PCS 구성
그림 4는 기존의 연료전지 시스템에서 인버터가 추가된 구성도이다. Category3 대응을 위해서는 BOP측에 정상적인 전압이 끊임없이 공급되어야 한다.
이는 현재의 구성으로는 한계가 있으므로, 이를 대응하기 위한 제어 전략이 필요하다. 몇 가지 제어 전략중에 인버터를 추가하는 방식으로 대응이 가능하다.
인버터는 제어가 안정적이며, 효율이 컨버터에 비해 높기 때문에 사용함에 장점이 있다. 인버터는 연료전지 스택의 DC 전압을 공급받아 계통 저전압을
감지하는 시점에 AC 전압을 생성한다. 이때 BOP의 전압원이 계통 전압과 인버터 전압이 중복되는 것을 막아야한다. 인버터 동작시 계통 전압원과 중복되면
인버터 전압 제어가 정상적으로 되지 않는다. BOP의 전압원이 중복됨을 막기 위해서 계통 저전압을 검출하여 인버터가 동작할 시에는 Grid_MC(Magnetic
Contactor)를 차단한다. 이러한 제어 전략으로 BOP의 VSD들은 인버터 전압만을 정상적으로 공급받는다. 공기공급용 팬과 냉각용 펌프는 정상적으로
동작하므로 PCS는 Category3 상황에서도 정상적으로 발전을 유지하는 것이 가능하다.
그림. 4 인버터가 추가된 연료전지 시스템 PCS 구성도
Fig. 4 Fuel cell system PCS configuration with added inverter
2.7 연료전지 발전시스템의 추가된 인버터의 제어동작
그림 5는 인버터의 제어 블록도를 나타낸다. 계통전압이 정상인 경우는 인버터는 동작하지 않으며, Grid_MC는 ON을 유지한다. 계통이 비정상적인 경우는
Grid_MC를 OFF하며, 일정한 지연 시간 이후에 인버터를 동작시킨다. 일정 시간을 지연하는 이유는 Grid_MC를 차단한 이후에 인버터 동작시
Grid_MC의 전압과 인버터 전압이 중복됨을 막기 위해서다. 인버터 동작중에는 계통 전압이 불안하더라도 BOP측에 정상적인 전압을 공급할 수 있다.
인버터에 의한 동작은 계통 저전압뿐만 아니라 계통의 고전압 상태에서도 BOP측에 정상적인 전압 공급이 가능하다. 표 2의 High Voltage의 1 ~ 2의 영역과 Low Voltage 1 ~ 3의 영역에 대해서 분리시간 이후에 차단을 하는 것이 가능하다. 인버터
추가로 IEEE1547-2018의 Category3에 대한 대응이 가능하다는 의미이다. 계통 전압이 정상적으로 돌아온다면, 인버터와 Grid_MC의
상태를 원래의 상태를 유지하도록 변경해야 한다. 인버터는 동작을 정지하며, 일정 시간 이후 Grid_MC는 ON을 유지하도록 변경한다. 이러한 제어로
BOP는 정상적인 전압을 공급받는 것이 가능하다.
그림. 5 인버터가 추가된 연료전지 시스템 제어 동작
Fig. 5 Fuel cell system PCS control sequence with added inverter
그림 6은 기존의 인버터의 제어 방식이다. 기존의 인버터의 제어 방식은 출력 전류와 전압을 센싱하여, 제어기에 전달한다. 제어기는 센싱되는 값과 제어하려는
값의 오차를 계산하여 PWM 신호로 인버터에 공급한다. 이때 인버터 동작에 대한 명령은 상위제어기 등으로부터 디지털신호 혹은 통신으로 전달받는다.
그림. 6 기존의 인버터 제어 방식
Fig. 6 Control method of the conventional inverter
그림 7은 제안하는 인버터의 제어 방식이다. 기존의 인버터와는 점선영역 부분이 차이점이 있다. 인버터는 추가적으로 계통 전압을 센싱한다. 제안하는 제어 방식의
인버터를 추가하면 인버터가 자체적으로 계통 전압 상태를 판단하여 동작하므로 상위제어기 등 연동이 불필요하다. 제어기는 계통 전압이 불안한 상태를 검출하여
MC를 OFF하며, 인버터를 동작하는 신호를 전달한다. 이러한 동작으로 자체적으로 계통 전압을 검출하여 계통 전압이 불안한 경우 인버터 전압으로 변환이
가능하다. 이는 계통의 저전압과 계통의 고전압에 대해서 모두 대응할 수 있다. 계통이 정상적이라면 인버터는 이를 검출하여 인버터 동작을 정지하고 MC를
ON한다. 인버터가 정지하고 MC가 ON되면 BOP는 계통 전압을 사용하는 것으로 변환된다. BOP는 계통의 저전압 및 고전압 상태에는 인버터 전압을
공급받고, 계통이 정상적인 경우 계통 전압을 공급받는다. 인버터의 추가로 IEEE1547-2018 Category3를 만족할 수 있다. 이러한 인버터를
모듈화하여 옵션으로 구성할 필요가 있다. 사용자가 Category3 대응이 필요하다고 요청하는 경우는 모듈화된 인버터를 사용하여 대응이 가능하다.
사용자가 Category3 대응이 불필요하다고 요청하면 인버터를 사용하지 않으면 된다. 사용자의 요구 사항에 맞게 인버터 사용에 대해서 전략적으로
대응이 가능하다.
그림. 7 제안하는 인버터 제어 방식
Fig. 7 Control method of the proposed inverter
3. 인버터 제어 전략
시뮬레이션을 이용하여 계통 저전압과 고전압 상황을 모사하였다. 시뮬레이션은 Powersim사의 PSIM(Power Electronics Simulator)을
사용하였다. PSIM은 인버터, 컨버터 등을 다루는 전력전자공학 분야에서 주로 사용되는 시뮬레이션이다. 이를 통해서, 실제 계통전압이 정상적인 100%를
유지하다가 70%이하로 동작하는 상황과 110% 이상으로 동작하는 상황을 모의하였다. 계통 저전압 상황과 계통 고전압 상황에서 인버터가 BOP측으로
전압을 정상적으로 공급하는지 확인하였다. 시뮬레이션을 통해서 BOP 전압이 정상적임을 확인한다면 실제 연료전지 발전시스템도 Category3 대응이
가능할 것으로 예상한다.
3.1 인버터 동작 시뮬레이션 구성
그림 8은 계통 저전압 발생시 이를 검출하여 인버터로 동작함을 나타낸 구성도이다. 계통은 100% 전압을 유지하다가 70%의 전압으로 변경되도록 구성하였다.
그림. 8 계통 저전압의 인버터 동작 시뮬레이션 구성도
Fig. 8 The configuration of the inverter running at low voltage
그림 9는 계통 고전압 발생시 이를 검출하여 인버터로 동작함을 나타낸 구성도이다. 계통은 100% 전압을 유지하다가 110%의 전압으로 변경되도록 구성하였다.
그림. 9 계통 고전압의 인버터 동작 시뮬레이션 구성도
Fig. 9 The configuration of the inverter running at high voltage
3.2 인버터 동작 시뮬레이션 구성
그림 10은 계통 전압이 70%의 저전압 발생시 이를 검출하여 인버터로 동작함을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 위측 파형의 계통 전압은 70%를 유지한다. 아래측의
BOP 전압은 0.5초 이후에 변환지연시간 0.1초를 지난후에 인버터로부터 전압을 공급받는다. 0.1초는 MC의 지연 시간을 고려하였다. 결과적으로
BOP는 계통 전압이 저전압으로 발생하더라도 정상적인 전압을 공급받는 것이 가능하다.
그림. 10 계통 전압이 70%일 때 인버터의 전압을 공급받는 BOP의 시뮬레이션 결과
Fig. 10 Simulation result of BOP is supplied voltage from the inverter at 70% grid
voltage
그림 11은 계통 전압이 110%의 고전압 발생시 이를 검출하여 인버터로 동작함을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 위측 파형의 계통 전압은 110%를 유지한다.
아래측의 BOP 전압은 0.5초 이후에 변환지연시간 0.1초를 지난후에 인버터로부터 전압을 공급받는다. 0.1초는 MC의 지연 시간을 고려하였다.
결과적으로 BOP는 계통 전압이 고전압으로 발생하더라도 정상적인 전압을 공급받는 것이 가능하다.
그림. 11 계통 전압이 110%일 때 인버터의 전압을 공급받는 BOP의 시뮬레이션 결과
Fig. 11 Simulation result of BOP is supplied voltage from the inverter at 110% grid
voltage
그림 12는 계통 전압이 정상일 때, BOP는 계통 전압을 공급받음을 표현한 시뮬레이션 결과이다. 위측 파형의 인버터 전압은 정상적으로 출력되다가 계통 전압이
정상임을 검출한 이후에는 동작을 정지한다. 아래측의 BOP는 인버터 전압을 공급받다가 계통 전압이 정상이므로 0.5초 이후에 변환지연시간 0.1초를
지난후에 계통으로부터 전압을 공급받는다. 0.1초는 MC의 지연 시간을 고려하였다. MC를 구동하는 코일의 동작 지연 시간을 의미한다. 결과적으로
BOP는 계통 전압이 정상이라면 계통 전압을 공급받는다.
그림. 12 계통 전압이 정상일 때 계통 전압을 공급받는 BOP의 시뮬레이션 결과
Fig. 12 Simulation result of BOP is supplied voltage from normal grid
시뮬레이션의 결과는 세 가지 유형에 대해서 기술되었다. 첫 번째 유형은 계통 전압이 70%이하의 저전압 상황이다. 계통의 저전압 발생시 인버터는
계통 저전압을 검출하여 동작한다. 이때, BOP는 계통의 저전압이 아닌 인버터의 전압을 공급받으므로 정상적인 전압을 끊김없이 공급받는다. 두 번째
유형은 계통 전압이 110%이상의 고전압 상황이다. 계통의 고전압 발생시 인버터는 계통 고전압을 검출하여 동작한다. 이때, BOP는 계통의 고전압이
아닌 인버터 전압을 공급받기 때문에 계통 고전압 상황에서도 정상적인 전압을 유지할 수 있다. 세 번째 유형은 정상적인 계통 전압이다. 계통이 Category3의
범위를 벗어나지 않고 정상적이라면, 인버터는 동작을 정지하고 BOP는 계통 전압을 공급받는다. 결과적으로 계통의 저전압 상황, 고전압 상황, 정상적인
상황에서도 BOP는 정상적인 전압을 공급받는다. 시뮬레이션을 토대로 인버터를 추가하면 BOP의 VSD들은 전압 공급은 문제가 없음을 알 수 있다.
BOP의 대표적인 공기공급용 팬과 냉각용 펌프가 문제가 없다면, 연료전지 발전시스템은 IEEE1547-2018 Category3 대응이 가능할 것으로
예상한다.
5. 결 론
본 논문에서는 IEEE1547-2018 Category3 계통 연계규정에 대한 연료전지 발전시스템의 인버터 제어 전략을 제시한다. 신재생에너지의 발전량의
증가에 따라 계통연계형 분산형 전원 장치의 계통 규정은 강화되는 중이다. 국내의 경우 IEEE1547-2018을 참고하여 계통 연계 규정이 정의된다.
또한, 연료전지 발전시스템도 국외 산업에 진출을 위해서는 글로벌 계통 연계 규정인 IEEE1547-2018 Category3을 대응할 필요가 있다.
현재의 연료전지 발전시스템의 구성으로는 계통 저전압 및 계통 고전압 상황에서는 BOP의 펌프, 블로워 등이 정상 동작되지 않는다. 이를 극복하기 위해
계통 저전압 및 고전압 발생시에도 펌프, 블로워 등의 BOP측에 정상적인 전압을 공급하기 위한 인버터가 추가로 필요하다. 계통 전압이 비정상적이라면
인버터가 BOP에 전압을 공급한다. 이때 전압의 중복을 방지하고자 계통 전압을 차단하는 제어가 필요하다. 이에 대한 인버터 제어 전략에 대해서 PSIM
시뮬레이션을 통해 정상적으로 동작함을 검증하였다. 본 논문에서 제안하는 인버터 제어 전략을 응용하면 추후에는 Category3 대응이 가능할 것으로
기대한다.
Acknowledgements
이 논문은 2019년 산업통상자원부의 재원으로 에너지인력양성사업과 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단-미래선도기술개발사업의
지원을 받아 수행된 연구임(No. 20194030202370, NRF-2018M3C1B9088457).
References
S. B. Jeon, S. J. Cho, K. B. Lee, June, 2021, Circulating current suppression method
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저자소개
He received the B.S. in department of elec- tronics engineering from the Namseoul
Uni- versity, Cheonan, Korea, in 2008.
He has been working as a development engineer in Doosan Fuelcell R&D division since
2017.
He is cur- rently working toward the M.S. degree in Elec- trical and Computer Engineering
from Ajou University, Suwon, Korea.
His research interests include grid-connected inverter for fuel cell, and power
converter for renewable energy system.
E-mail : lowguys6@naver.com, lowguys6@ajou.ac.kr
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical and electronic engineering from
the Ajou University, Suwon, Korea, in 1997 and 1999, respectively.
He received the Ph.D. degree in electrical engineering from the Korea University,
Seoul, Korea, in 2003.
From 2003 to 2006, he was with the Institute of Energy Technology, Aalborg University,
Aalborg, Denmark.
From 2006 to 2007, he was with the Division of Electronics and Information Engineering,
Jeonbuk National University, Jeonju, Korea.
In 2007, he joined the Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University,
Suwon, Korea.
He is an associated editor of the IEEE Transactions on Industrial Electronics, the
IEEE Transactions on Power Electronics, and the Journal of Power Elec- tronics.
His research interests include electric machine drives, renewable power generations,
and electric vehicle applications.
E-mail : kyl@ajou.ac.kr