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가정용 연료전지 발전시스템을 위한 단상 계통 연계형 인버터
2006년 9월 1일 (금) 23:57:00 |   지면 발행 ( 2006년 8월호 - 전체 보기 )

이 글에서는 연료전지를 이용한 가정용 발전 시스템의 계통 연계를 위한 새로운 단상 인버터 시스템을 제안한다. 제안한 인버터는 계통연계 운전과 독립 운전이 모두 가능하고 두 운전사이의 모드전환이 자동으로 이루어지며 전환 시 최소의 과도상태를 갖는다. 제안한 제어방식은 정상상태 오차가 거의 없고 양호한 과도상태 응답특성을 가진다. 또한 연산량과 센서수가 적고 구조가 간단하여 저가격의 고정소수점 DSP로도 구현이 가능한 특징이 있다. 제안한 계통연계형 인버터의 제어기에 관하여 기술하고 모의실험 및 실험에 의하여 그 타당성을 입증한다.서 론최근 들어 선진국을 중심으로 화석연료를 대체할 에너지원으로 풍력, 태양광 및 연료전지 등의 신·재생에너지원의 개발이 활발히 진행되고 있어 이에 따른 각 산업분야에서의 응용이 기대된다. 이러한 응용분야 중 신·재생에너지를 이용한 분산발전시스템에 대한 기술개발의 필요성이 제기되고 있는데 특히 연료전지의 경우 250kW급 이상의 중·대규모 분산발전 시스템 뿐 아니라 소규모로 계통과 연계가 가능한 가정용 분산발전시스템으로서도 유망하다고 판단되어지고 있다. 이러한 소형 분산발전 시스템의 핵심장치로서 계통연계 인버터의 역할이 매우 중요하다고 할 수 있으며, 이러한 분산발전용 계통연계 인버터의 주요한 요구사양은 다음과 같다.·신·재생 에너지원의 폭넓은 전압변동을 허용할 것·낮은 고조파 왜율과 주파수 변동을 갖는 고품질의 출력전력을 가질 것 ·계통연계 운전 및 독립 운전이 모두 가능할 것·고효율, 저가격 및 고 신뢰성을 가질 것특히 분산발전시스템의 빠른 보급 확산을 위하여 인버터의 저가격화가 필수적이며, 이에 따라 저개발국가의 생활수준의 향상도 기대 할 수 있다. 그 일환으로 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)와 IEEE가 공동으로 ‘소형 분산발전을 위한 계통연계 인버터’라는 주제로 ‘2005 Future Energy Challenge Competition’ 를 주최하였는데 이 대회에서 제시한 계통연계 인버터의 설계 목표사양은 <표 1>과 같다. 제시된 인버터의 설계 목표사양에 따르면 효율 90%이상, $200/KW의 양산가를 갖는 인버터를 목표로 하고 있고 계통연계 운전과 독립 운전을 겸하도록 되어 있으며 특히 IEEE 1547의 계통연계 규정을 준수하도록 되어있다.이 글에서는 가정용 연료전지 발전시스템의 계통연계를 위한 새로운 단상 인버터를 제안한다. 방식의 특징은 다음과 같다.·독립 운전 및 계통연계 운전이 가능하고 모드전환이 자동으로 이루어지며 최소의 과도상태를 갖는다.·제안한 인버터 제어기는 연산량과 센서수가 적어 구조가 간단하여 저가격의 고정소수점 DSP로 구현이 가능하다.·LCL필터를 사용하여 부피를 절감하고 리플제거 성능을 향상한다.·계통연계 시 단위역률의 전류제어가 가능하고 독립운전 시 출력전압의 정상상태 오차가 거의 없으며 양호한 과도응답을 갖는다.제안하는 계통연계 인버터 시스템1. 계통연계 인버터 시스템의 구성<그림 1>은 가정용 연료전지 발전 시스템을 위해 제안하는 계통연계형 인버터 시스템의 구성도를 나타내고 있다. 이는 출력전압이 30∼60Vdc로 가변이 되는 연료전지, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, LCL 출력필터, 계통 연계 스위치(Static Transfer Switch) 및 부하로 구성된다.

DC-DC 컨버터는 부하에 따라 변동되는 연료전지의 30V∼60V의 낮은 전압을 인버터에서 요구되는 DC-link 전압인 400Vdc로 승압시켜 준다. 1차측에는 Full-bridge 토폴로지를 사용하고 Phase-shift 방식에 의해 영 전압 스위칭을 구현하여 스위칭 손실을 줄였다. 제어기로는 출력전압 제어를 외부루프로 하고 과도응답을 향상시키기 위하여 내부루프로 전류제어를 수행하였다.DC-AC 인버터는 승압된 400Vdc를 실효값 110V/240V, 주파수 50/60Hz인 단상 AC전압으로 변환한다. 그리고 인버터의 출력필터로서 LC 필터에 비해 부피를 작게 할 수 있는 장점이 있는 LCL 방식의 필터를 사용하였다. 이 LCL 필터는 단독운전 시 인버터의 PWM에 의한 스위칭 리플전압과 부하에서 발생하는 고조파 전류를 제거하고 계통연계운전 시 낮은 고조파 왜율을 갖는 전류를 공급해 준다. 또한 DC-AC 인버터 및 전체시스템의 제어를 위해 저가격의 고정소수점 DSP인 TMS320F2812를 사용하여 구현하였다.계통 연계 스위치 S1은 계통에 인버터 출력을 연결하거나 분리하기 위해 사용된다. 스위치 S1을 ON하면 인버터는 계통과 연결되어 전류제어 모드로 동작하며 이를 계통연계(Utility-interactive) 모드라 한다. 또한 OFF하면 계통과 분리되어 인버터는 전압제어 모드로 동작하며 이를 독립운전(Stand-alone) 모드라 한다. 부하로는 외부부하와 250W급의 비상부하가 있는데 계통연계 시는 연료전지 및 계통으로부터 두 부하에 모두 전력이 공급되나 계통 이상 시에는 독립운전으로 전환이 되면서 연료전지로부터 비상부하에만 전력이 공급되도록 한다.2. 인버터 제어 알고리즘<그림 2>는 제안하는 계통연계형 인버터 시스템을 위한 제어블럭도를 나타낸다. 이는 계통연계 운전을 위한 전류제어부와 독립운전을 위한 전압제어부로 나눌 수 있다.

(1) 계통연계를 위한 전류제어계통연계 운전 모드시 <그림 2>의 제어 스위치 Q1은 ‘1’의 위치에 연결되고 전류 지령치 ILf*는 전력 지령치 P*와 Q*로부터 다음과 같이 구한다.여기서 Vo=Vmsinθ와 Vβ=Vmcosθ이고 Vm과 θ는 각각 계통전압으로부터 계산한 크기와 동기좌표계를 이용한 PLL로부터 발생된 위상이다. <그림 2>에서 출력전압의 Feedforward는 과도상태 응답을 개선하고 정상상태의 오차를 제거하기 위하여 사용된다.<그림 3>에 본 계통연계인버터 시스템에서 구현한 단상 PLL 구성도를 나타낸다. 동기 좌표계의 원리를 이용한 PLL 방식으로 크게 좌표계 변환기와 위상 검출기로 구성되어 있으며 노이즈에 취약한 영전압 검출 방식에 비해 신뢰성이 높다.<그림 4>에 제안한 전류제어기를 포함하는 시스템 블록도를 나타낸다. <그림 4>로부터 인버터 전류의 지령값에 대한 실제값을 나타내는 전달함수를 구하면 다음과 같다.

여기서 A=Lf Cf Lg, B=KP Cf Lg, C=KI Cf Lg,D=C+Lf+Lg-KLg 임.만약 feedforward 게인 K가 1이라면 식(2)는 다음과 같이 간략화 될 수 있으며전원주파수 ω0에서의 전달함수의 이득은 ILf(jω0) / ILf쪹(jω0)쩁1로 되므로 전원주파수에 대한 정상상태의 오차가 거의 없음을 알 수 있다. <그림 5>는 계통연계모드에서 제안한 Feedforward제어의 유무에 따른 전류제어의 정상상태와 과도상태 응답을 보여준다. 인버터의 출력전류는 지령한 정격전류만큼 점차 상승하며 Feedforward제어가 있을 때 정상상태 및 과도상태의 에러가 거의 제거되는 것을 볼 수 있다.(2) 독립운전을 위한 전압제어독립운전 모드시 제어스위치 Q1은 ‘2’의 위치에 연결되어 외부루프 전압제어와 내부루프 전류제어로 구성되는 이중루프제어를 실시한다. 또한 독립운전시 Q2는 ‘2’의 위치에 연결되어 독립적인 크기와 위상을 갖는 전압 지령치를 준다. 한편, 독립운전모드에서 계통연계모드로 전환시에는 먼저 제어 스위치 Q2 를 ‘1’의 위치에 연결시켜 인버터의 출력전압의 크기와 위상을 계통 전압에 일치시킨 후, 제어 스위치 Q1 를 ‘1’의 위치로 하여 계통연계 운전을 시작한다. 독립운전 모드에서 인버터는 교류전압제어를 수행해야 하는데 기존의 PI제어기를 사용하는 경우 상용 주파수에서의 유한한 게인으로 인하여 정상상태에서의 오차를 제거할 수가 없다. 또한 단상시스템에서도 동기 좌표계를 이용하여 직류값으로 변환한 후 PI제어기로 정상상태의 오차를 제거할 수도 있지만 이 방식은 Cross-coupling 항들이 존재하고 좌표변환에 따른 연산량의 증가로 인하여 저가격의 고정소수점 DSP로는 구현이 용이하지 않다.따라서 이 글에서는 교류인 기본파의 주파수 성분에 대하여 매우 큰 게인을 가지기 때문에 정상 상태의 오차를 제거할 수 있고 프로세서로 구현 시 연산량이 적어서 단상의 제어에 장점이 있는 P+Resonant 제어기를 적용한다. P+Resonant 제어기는 다음과 같은 보상특성을 가지며 <그림 6>에 보이는 것처럼 공진주파수 ωo에서 매우 큰 게인을 갖는다.<그림 7>의 P+Resonant 제어기를 사용하는 제안한 전압 제어기의 정상상태와 과도상태 응답에서 보듯이 부하가 급변하는 동안에 약간의 오차가 발생할 뿐 정상상태의 오차는 거의 없는 것을 볼 수 있다. 본 인버터에서는 Direct Form 이용한 IIR 필터 구현 방법을 통해 P+Resonant 제어기를 구현하였다.3. LCL 필터 설계본 인버터에서는 LC 필터에 비해 부피를 절감할 수 있고 계통연계시 돌입전류를 방지할 수 있는 LCL 필터를 적용하였다. 인버터측 필터인덕터는 다음과 같이 구한다. 여기에서, 차단주파수 fc는 대개 스위칭주파수의 0.1배로 한다. 본 인버터에서는 스위칭 주파수를 15kHz로 하였으며 계통측에 흐르는 전류 ILg를 인버터측 인덕터에 흐르는 전류 ILf에 비해 리플 성분이 20% 감소되도록 설계하면 다음과 같다.여기서 Cb 는 커패시턴스의 Base 값이며, 인버터에서 발생한 전력 중 커패시터에서 흡수하는 무효전력의 비중(x)으로 필터커패시턴스는 다음과 같이 구한다. 4. 모드 전환 알고리즘인버터는 계통연계를 위한 전류제어 모드와 독립운전을 위한 전압제어 모드의 상호전환이 필요하며 모드전환시 최소한의 과도상태를 가지도록 다음과 같은 모드전환 알고리즘을 제안한다.(1) 계통연계모드에서 독립운전모드 전환1) 계통의 고장을 검출한다.2) 스위치 S1에 Turn off 신호를 인가한다.3) S1 Turn off시의 인버터 출력전압을 전압 지령치로 하여 다음 영전위에서 전압제어 모드로 전환한다.4) 전압 지령치를 원하는 값까지 점차 증가시킨다. (2) 독립운전 모드에서 계통연계 모드 전환1) 계통전압이 정상적인 동작 범위 이내로 회복됐는지 검출한다.2) 인버터 출력전압의 크기와 위상을 계통전압과 일치하게 동기 시킨다.3) 인버터 출력전압이 계통전압과 동기 되었다면 다음 영전위에서 스위치 S1을 Turn on 한다.4) S1 Turn on시의 인버터 출력 전류 ILf 를 전류 지령치로 하여 전류제어 모드로 전환한다.5) 전류 지령치를 원하는 값까지 점차적으로 증가시킨다.5. 시뮬레이션<그림 8>은 계통연계 운전 및 독립 운전을 위해 제안한 제어알고리즘에 대한 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 사용한 시뮬레이션을 보인다.시뮬레이션은 독립운전 → 상호모드전환 → 계통연계 운전 → 독립운전의 순서로 진행되는 것을 보여준다. 초기에는 주전원계통에 이상이 발생하였다고 가정하여 독립운전모드로 비상부하에만 전력을 공급하고 있는 상황으로 인버터 출력전압은 인버터에 의하여 제어되고 계통의 이상유무를 계속 체크한다.계통이상을 체크하여 주전원계통이 정상으로 회복되면 상호전환모드로 변환하여 인버터 출력전압을 PLL을 이용하여 계통전압의 위상과 크기로 동기 시킨다. 인버터전압과 계통전압의 크기와 위상이 동기 되면 인버터의 제어기 구조를 독립운전모드에서 계통연계모드로 전환하여 계통으로 전류를 주입시키게 된다. 또한, 계통연계시에 계통전압에 고장이 발생하면 계통 연계 스위치를 off하고 계통연계운전모드에서 독립운전모드로 전환하여 비상부하에만 전류를 공급한다.<그림 8>의 (a)~(c)에 각 부의 전압, 전류파형을 나타내었다. <그림 8(a)>에서 보듯이 인버터 출력전압은 독립운전 시와 계통연계 시에도 항상 안정적인 전압을 유지하고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 상호전환 시에 인버터전압과 계통전압이 PLL을 사용하여 동기 되는 것을 볼 수 있다. <그림 8(b)>에서는 계통연계 시에 계통에 주입하는 전류 ILg는 정격 전류까지 서서히 증가되어 계통에 단위역률로 전력이 공급됨을 알 수 있다. <그림 8(c)>는 계통전압의 고장유무에 상관없이 비상부하에 안정된 전압이 공급되는 것을 볼 수 있다.실험결과제안한 방식의 타당성을 입증하기 위하여 1kW 계통연계 인버터의 시작품을 제작하였으며 본 실험에서 사용한 정수는 다음과 같다. 제작된 계통연계 인버터의 외관 사진을 <그림 9>에 나타낸다.·전원(Vu): 110V, 60Hz ·계통전류(ILg): 2.73A (300W) ·Lf= 8.7mH, Cf=2.4uF, Lg =500uH·외부부하: 24.2Ω(500W)·비상부하: 48.3Ω(250W)<그림 10>은 계통연계 모드에서 독립운전 모드로 전환할 때의 실험파형이다. 계통연계 모드를 위한 전류제어와 독립운전 모드를 위한 전압제어의 상호전환 시 최소한의 과도상태를 가지도록 제어한다. <그림 10(a)>에서 보듯이 인버터는 초기에 단위역률로 전력을 계통에 보내고 있으며 계통전압이 정상 동작전압 범위에서 벗어나면 즉시 스위치 S1에 Turn-off 신호가 인가되고 계통주입전류가 0이 되는 시점에서 스위치 S1은 실제로 Turn-off 된다. <그림 10(b)>는 S1이 Turn-off 될 때 전류제어에서 전압제어로 전환되어 약간의 과도상태 후 인버터의 출력전압은 정격전압까지 서서히 증가되어 비상부하에 안정된 전력이 공급됨을 알 수 있다.<그림 11>은 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 전환할 때의 실험 파형이다. 비상부하에 전압을 공급하고 있던 인버터는 계통전압이 정상 동작전압으로 복귀되면 <그림 11(a)>에서와 같이 출력전압의 크기와 위상을 조정하여 계통전압과 동기 하도록 동작한다. 일정주기를 지나 인버터 출력전압이 계통전압과 동기된 후 <그림 10(b)>에서 보듯이 스위치 S1을 영 전위에서 Turn-on 시키고 계통전류 ILg는 정격 전류까지 서서히 증가되어 계통에 단위역률로 전력이 공급되도록 한다. 이때, 독립운전 모드에서의 인버터 출력전압과 연계운전 모드에서의 계통전류의 THD는 각각 3.8%와 3.3%로 측정되었다.결 론이 글에서는 가정용 연료전지 발전 시스템을 위한 계통연계형 단상 인버터를 제안하였다. 제안한 제어기는 연산량과 센서수가 적고 구조가 간단하여 저가격의 DSP로도 구현이 가능하였고, 정상상태 및 과도상태의 응답 특성이 우수함을 알 수 있었다. 제안한 방식의 제어기의 타당성을 입증하기 위하여 시뮬레이션 및 1kW 축소모형으로부터의 실험결과를 제시하였다.

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