이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.정치형 연료전지용 파워 컨디셔너 개발고효율 DC-DC 컨버터의 적용최근 지구온난화가 문제시 되고 있는 가운데, 연료전지 시스템은 차세대 친환경 에너지 절약 기기로서 유해가스(CO2 등) 발생량의 삭감이 가능한 점, 발전효율의 크기와 열 이용이 모두 고효율 시스템이라는 점, 연료를 화석연료에만 의존하지 않는다는 점에서 차세대를 담당할 에너지원으로 주목받고 있다.그 중에서도 정치형 연료전지 시스템은 열 이용을 포함한 고효율 코제너레이션(cogeneration) 시스템으로서 소규모 분산전원 용도로 보급이 기대되고 있고 높은 종합 에너지 이용 효율을 얻을 수 있다는 게 특징이다. 2005년도부터는 가스 에너지 관련회사에 따라 일반 가정을 대상으로 랜탈·리스에 대한 상용화의 경합도 개시되어 2010년부터의 본격적인 보급을 목표로 개발이 진행되고 있다.당사에서는 독자적 회로 방식을 이용해 저전압 대전류 출력의 연료전지에 적합한 고효율 계통연계용 파워컨디셔너를 개발해 보고한다.기능연료전지 시스템의 예를 <그림1>에 나타낸다. 파워 컨디셔너란 태양광 발전용과 마찬가지로 연료전지에 의해 발전된 직류전력을 가정이나 공장 등에서 사용가능한 교류전력으로 변환해 안전하게 상용전력계통으로 연계운전(병렬운전)하는 장치이다.연료전지용 파워 컨디셔너로서 요구되는 기능은 이하와 같다.
(1) 직류(전지) 전류제어기능연료전지 전체를 제어하는 시스템 컨트롤러로부터 전류지령 값에 따라 연료전지의 출력전류를 고정도로 정전류 제어한다.전류지령 값에서의 일탈은 연료전지 셀의 손상으로 이어지기 때문에 연계중인 상용전력계통의 요란(과도 변동) 등 외란의 영향을 받지 않고 연료전지 출력 전류값을 항상 지령 값으로 추종·유지해야만 한다.(2) 계통연계기능연료전지 시스템을 상용전력계통으로 연계운전하기 위해서는 계통연계 가이드라인을 준거할 것을 요구하고 있다. 또한 현시점에서는 태양광 발전 시스템과는 달리 연료전지 시스템으로 발전된 전력을 전력회사에 매전하는 것은 법률로 인정하지 않는다는 점에서 역전력 조류억제 기능을 장비하는 경우가 있다.(3) 높은 변환효율(고효율화)연료전지의 발전원리는 태양광 발전 등 자연 에너지를 이용한 분산전원과는 달리 도시가스나 등유에서 개질기로 수소를 생성해 그 수소와 산소의 화학반응으로 발전하고 있다. 연료비용을 절감하기 위해서는 연료전지 시스템으로서 발전효율이 높은 것이 중요하며 파워 컨디셔너에도 높은 변환효율이 요구된다.사양닛신전기에서는 일반가정용 연료전지 시스템을 타겟으로 한 1kW기, 음식점, 다세대 주택 등의 소규모 코제너레이션 시스템을 타깃으로 한 6kW기의 개발을 진행하고 있다. 각각 파워 컨디셔너의 외관을 <그림2>, 사양의 개요를 <표1>에 나타낸다.
구성<그림3>에 연료전지용 파워 컨디셔너의 시스템 회로 구성을 나타낸다. 주회로는 연료전지로부터의 직류전력(전압)을 DC-DC 컨버터로 승압하고 그 다음 DC-AC 인버터에서 교류로 변환한다.
단상 3선 상용전력계통에 대한 연계운전을 고려한 경우, 파워 컨디셔너로부터 교류 200V를 출력하기 위해서는 DC-AC 인버터의 입력전압으로서 직류 400V 정도가 필요해 진다. 태양광발전용 파워 컨디셔너에서는 정격 입력전압이 직류 200V 정도, 입력전압 범위가 직류 100~300V 정도인데 반해 고체고분자형 연료전지(PEFC)에서는 수 kW의 용량이라도 출력정격이 저전압 대전류 출력사양(수십V, 수십~수백A)이라는 게 일반적이다. 따라서 연료전지용 파워 컨디셔너의 DC-DC 컨버터는 저전압 대전류의 입력을 직류 400V 정도까지 승압함과 동시에 저손실 즉 고효율이라는 점의 쌍방을 실현하는 일이 요구된다.(1) DC-DC 컨버터저전압 대전류를 위해 전압 승압비율을 크게 할 필요가 있으며 당사의 연료전지용 파워 컨디셔너에서는 고주파 변압기에 따라 절연과 승압 기능을 갖춘 풀 브릿지형 구성을 이용했다.더욱이 DC-DC 컨버터에 독자적 기술을 이용한 고효율 변환회로를 이용함으로써 파워 컨디셔너 전체의 전력변환효율을 향상시키고 있다.DC-DC 컨버터 등에 사용되고 있는 반도체 스위칭 소자는 기계적인 스위치와 비교해 고속 ON·OFF가 가능한 반면, 소자가 ON 상태인 경우 ON 전압 또는 ON 저항이 존재하며, 그 소자를 전류가 흐름으로써 발생하는 도통손실과 스위칭 소자가 OFF에서 ON, ON에서 OFF로 변화하는 단시간의 과도상태인 경우, 스위칭 소자에 전압이 걸린 상태에서 전류가 흐름으로 인해 스위칭마다 발생하는 스위칭 손실이 있다<그림4>.DC-DC 컨버터에서 고효율전력 변환을 실현하기 위한 회로기술로는 스위칭 소자의 전압이나 전류에 LC공진회로를 이용해 영점(零点)을 만들어 스위칭 손실을 저감 또는 무한히 영에 근접한 소프트 스위칭이라 불리는 회로방식을 많이 제안하고 있다. 그러나 이들의 회로에서는 스위칭 손실은 저감되지만 공진회로에 따라 회로전압과 전류가 증가해 오히려 소자전압 스트레스나 도통손실의 증가를 부를 수도 있다는 점과 공진회로를 포함하기 때문에 회로의 기동정지가 어려운 결점이 있다.
본고에서 소개하는 파워 컨디셔너에 이용된 DC-DC 컨버터에서는 2군의 풀 브릿지 인버터(<그림5> : INV1, INV2) 사이에 상호 전류를 전류(轉流)시키는 독자적 제어방식으로 공진회로의 원리를 이용하지 않고 소자의 턴온·턴오프 시 전류를 거의 영으로 할 수 있는 영전류 스위칭을 달성하고, 스위칭 손실을 거의 영으로 하고 있다.게다가 직렬 콘덴서(<그림5> : C1, C2)는 이러한 전류동작을 보조하는 역할을 갖는 것과 동시에 풀 브릿지 인버터에서 생기기 쉬운 변압기의 직류편 여자를 일어나지 않게 하는 효과를 함께 갖고 있다.또한 고주파 절연변압기에 따라 파워 컨디셔너의 연료전지 측(직류 측)과 상용계통 측(교류측)이 절연됨으로써 연료전지가 지락한 경우에도 문제를 발생시키지 않고 계통에 악영향을 미치지 않는 안전한 시스템이다.(2) DC-AC 인버터인버터 부는 스위칭 소자 구동회로나 과전류검출기능을 내장한 IPM(인텔리젠트·파워·모듈)을 채용하고 있다.특성1. 출력-효율특성<그림6>에 1kW 파워 컨디셔너의 출력-효율의 대표특성을 나타낸다. 정격출력의 75~100% 영역에서 효율 92%이상, 출력 40%라도 90%이상의 높은 부분 부하 효율을 얻고 있다,
2. 단독 운전 검출단독 운전 검출은 계통연계 가이드라인에 따라 수동방식과 능동방식을 각 한 방식 이상 조합시켜서 설치하는 일을 권장하고 있다.(1) 수동방식수동방식에서는 단독 운전 시 발생하는 부하전압의 상위변화를 검출하는 위상도약검출 방식을 채용하고 있다.(2) 능동방식능동방식은 수동방식의 검출불감대를 막기 위해 만들어졌으며 파워 컨디셔너로부터 적극적이고 주기적으로 무효전력변동을 발생시킴으로써 단독 운전 시 나타나는 부하전압의 미소변화를 검출하는 방식을 채용하고 있다. 닛신전기에서 개발한 연료전지용 파워 컨디셔너의 개요에 관하여 보고했다. 현재, 연료전지 시스템개발 업체에 샘플 납입한 파워 컨디셔너는 시스템과 함께 전국의 필드 시험에 제공되어 순조롭게 운전실적을 겸하고 있다.연료전지 시스템인 경우 파워 컨디셔너에는 고효율화, 소형 저비용화, 정음화 등이 한층 더 요구되고 있으며 이들 문제를 하나씩 해결해 감으로써 연료전지 시스템의 보급이 가속화 될 것을 기대한다.
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