KR101926010B1 - 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생에너지 발전부의 신재생 에너지와, 상용전원의 전력을 공급받아, 직류 링크부를 공통으로 구성하고 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 수전해 장치들에 공급하여 수소를 생성하도록 제어하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 관한 것으로서, 상기 상용전원을 직류 전원으로 변환하되, 상기 직류 전원의 공급 전압을 제어하는 AC/DC PWM 정류기; 상기 신재생 에너지의 전원에 대하여 최대전력점 추종을 하고, 상기 AC/DC PWM 정류기에서 제어되는 공급 전압을 기준으로 공급 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터; 상기 적어도 2 이상의 수전해 장치들 각각에 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프에 의해 해당 수전해 장치로 전원 공급을 온/오프하는 스위치부; 및, 상기 AC/DC PWM 정류기, 상기 DC/DC 컨버터, 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 시스템에 의하여, 종래 P&O 방법의 단계를 세분화 함으로써 발전 전력 변동이 매우 큰 경우에도 전력변환기의 응답을 제고하고, 신재생에너지의 발전 전력에 따라 병렬 연결된 수전해 장치를 선택적으로 온/오프 함으로써 발전 전력을 최대로 활용하고 과전압에 의한 열화를 방지하고 잉여 전력을 최대로 활용할 수 있다.

Description

신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템 { A power converter system using new-renewable energy }
본 발명은 식수, 공업용수, 해수담수화 등을 원료(물)를 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해장치를 구비하고, 신재생에너지를 입력으로 하는 DC/DC 컨버터의 출력과 보조 전력으로 상용전원을 입력으로 하는 AC/DC PWM 정류기의 출력을 병렬로 연결하고, AC/DC PWM 정류기에 전압 제어를 하고 DC/DC 컨버터에 전류 제어를 함으로써, 신재생에너지의 발전 전력을 최대로 활용하여 수전해장치에 전원을 공급하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 관한 것이다.
지구온난화로 인한 환경 문제로 지구 평균 온도를 2℃ 이상 상승하지 않도록 기후 협정을 통하여 온실가스 감축 목표를 세우고 이행하고 있다. 이를 위해서 화학 원료의 사용을 줄이고 신재생에너지를 확대하는 방안으로 온실가스 감축을 위해 노력을 하고 있다.
대표적인 신재생 에너지로 태양광과 풍력이 있는데, 생산되는 전력을 전력변환기인 DC/AC 인버터를 통하여 전력 계통과 연계하는 방식으로 사용하여 신재생 에너지의 활용 면에서 많은 비중을 차지하고 있다. 그런데 전력변환기인 인버터의 동작 전압 범위 제한 및 불규칙한 전력 생산으로 인해 발전량은 제한적일 수밖에 없다. 또한, 전력 변환기인 인버터의 최소 동작 전압 범위가 존재하므로, 이 전압 이하가 되면 잉여전력이 존재하고, 필요로 하는 발전량에 따라 많은 설치 면적이 필요하다는 단점을 가지고 있다.
그래서 이 잉여 전력을 활용하기 위한 방법으로 다양한 복합 시스템들이 개발되고 있다. 특히, 가장 많이 에너지를 생산할 수 있는 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원으로서, 청정 에너지원인 수소를 생산하는 기술에 대한 중요성이 부각되고 있고, 이에 대한 개발이 많이 이루어지고 있다.
현재 수소를 생산하는 방법은 크게 석탄, 천연가스 및 석유와 같은 화석 원료로 생산되는 방식과, 바이오, 태양광 및 풍력 등과 같은 신재생 에너지나 원자력 열원을 사용하여 생산하는 방식이 있다. 경제적인 측면에서 본다면, 화석 원료인 천연가스를 개질기를 통해서, 수소를 생산하는 것이 가장 적합하다고 할 수 있다. 그러나 천연가스를 직접적인 에너지원으로 사용할 수 있기 때문에 신재생 에너지를 이용하려는 목적에 부합하지 않는다. 따라서 직류 출력을 가지는 신재생에너지원을 이용하는 방법이 필요하다.
수소를 생산하기 위해서는 필수적으로 전기 에너지를 사용하게 된다. 이를 이용하여 수소를 생산하는 기술은 크게 저온 수전해 기술인 알카라인(Alkaline Electrolysis: AE) 수전해와, 고체고분자전해질(Polymer Electrolyte Membrane: PEM) 수전해로 구분된다. 또한, 고체산화물을 이용한 고온수증기 전해(High Temperature Electrolysis: HTE) 기술로 구분된다.
상기 수전해 기술은 방식에 따라 장, 단점을 가지고 있다. 알카라인 방식은 고분자전해질 방식보다 전류 밀도가 낮아 많은 전기 에너지를 필요로 한다는 단점이 있고, 고분자전해질 방식은 백금 또는 이리듐과 같은 고가의 촉매를 사용해야 하는 단점이 있다. 그러나 향후 가격 및 성능 경쟁에서 고분자전해질 방식이 유리하게 될 전망으로 예측되고 있어, 고분자전해질 방식을 이용한 기술이 개발되고 있다.
따라서 상용 전기에너지를 적게 사용하면서 에너지원인 수소를 얻기 위한 기술이 필요하다. 특히, 단순 설치에 대한 비용만 고려할 것이 아니라 사회적인 비용을 고려한다면, 발전 출력이 일정하지 않은 신재생 에너지와 상용 전원인 AC/DC PWM 정류기를 보조 수단으로 사용하여, 신재생에너지의 발전 출력에 따라 DC/DC 컨버터를 제어하여 부하인 수전해 장치에 전원을 공급하고 수소의 생산량을 최대화 할 수 있는 기술이 필요하다.
즉, 2개의 컨버터를 사용해야 하며, 2개의 전력 변환기 출력을 연결하여 직류 링크부를 공통으로 구성하고, 2개의 전력 변환기가 서로의 출력 전압을 제어해야 한다. 그러나 각각의 전력 변환기가 서로 제어하기 때문에 직류 링크부가 상승 되게 된다. 따라서 발전 전력이 일정하지 않은 신재생에너지를 사용할 경우 이러한 증상은 더 크게 나타날 수 있다.
이를 방지하기 위해서는 서로의 출력 전압에 대한 추가 제어기가 필요하거나 별도의 제어 회로를 구성하여, 각각의 전력변환기의 직류 출력 전압을 제어해야 하는 구성이 별도로 필요하다. 이를 위해, 전력변환기의 오차값을 산출하고 이 오차값으로 컨버터의 제어값을 보상하는 방법이 많이 이용되고 있다[특허문헌 1].
또한, 각종 비연속적 에너지원으로 물을 전기분해하여 수소를 저장하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 2]. 그러나 태양광, 풍력 등과 같은 비연속적 에너지원을 사용하여 수소를 생산한다면, 발전 전력 변동에 따른 전력 변환기의 제어가 필수적으로 필요하기 때문에 과전압에 의한 열화 현상 등을 해결해야 한다.
또한, 태양광을 통해 전기에너지를 만들어 전력 공급을 하고, 잉여전력으로 수전해 장치에 전력을 공급하여 수소와 산소를 발생하고, 제어부를 통해 고압 압축 및 저장하여 기술이 제시되고 있다[특허문헌 3]. 상기 선행기술은 발전전력에 따라 전력 사용을 분배하는 시스템으로서, 태양광으로 상용 전력으로 전송한다. 그러나 상기 선행기술은 태양광의 잉여 전력을 사용하여 수전해 장치에 전원을 공급할 때 제어하는 세부 기술을 전혀 제시하지 못하고 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하여, 태양광의 잉여 전력을 효과적으로 사용하며, 수전해 장치의 열화 문제 등을 해결할 수 있는 기술이 필요하다.
한국공개특허공보 제10-2012-0073989호(2012.07.01.공개) 한국등록특허공보 제10-1321839호(2013.10.23.공고) 한국등록특허공보 제10-1679003호(2016.11.24.공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상용 전기에너지를 적게 사용하면서 에너지원인 수소를 얻기 위하여, 단순 설치에 대한 비용만 고려할 것이 아니라 사회적인 비용을 고려하여, 상용전원 및 이를 제어하는 AC/DC PWM 정류기를 보조 수단으로 사용하고, 신재생에너지의 발전 출력에 따라 DC/DC 컨버터를 제어하여, 부하인 수전해장치에 전원을 공급하고 수소의 생산량을 최대화 하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 태양광, 풍력 등과 같은 비연속적 에너지원을 사용하여 수소를 생산하기 위하여, 전극이 반응할 수 있는 일정 전압 이상의 전기에너지를 공급하면 수분 후 수소를 생산할 수 있는 고분자전해질(PEM) 방식의 수전해장치를 도입하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 다수의 수전해 장치를 병렬 연결하되, 선택적으로 온/오프 하여, 각 수전해 장치가 필요로 하는 최소 전압과 과전압 이하의 최대 전압을 설정하고, 이러한 최소 및 최대 전압 범위 내에서 수전해 장치에 전력을 공급하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 각각의 수전해 장치의 동작 시간을 누적 카운팅하여, 수전해 장치를 교차 운전하도록 제어하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템을 제공하는 것이다
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 신재생에너지 발전부의 신재생 에너지와, 상용전원의 전력을 공급받아, 직류 링크부를 공통으로 구성하고 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 수전해 장치들에 공급하여 수소를 생성하도록 제어하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 관한 것으로서, 상기 상용전원을 직류 전원으로 변환하되, 상기 직류 전원의 공급 전압을 제어하는 AC/DC PWM 정류기; 상기 신재생 에너지의 전원에 대하여 최대전력점 추종을 하고, 상기 AC/DC PWM 정류기에서 제어되는 공급 전압을 기준으로 공급 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터; 상기 적어도 2 이상의 수전해 장치들 각각에 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프에 의해 해당 수전해 장치로 전원 공급을 온/오프하는 스위치부; 및, 상기 AC/DC PWM 정류기, 상기 DC/DC 컨버터, 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 DC/DC 컨버터에 대하여 제어하되, 상기 전력 증분이 음이고 상기 전압 증분이 음인 경우 전력점 상태(state)를 제4 상태로 설정하고, 상기 전압 증분이 음이고 상기 전압 증분이 양인 경우 전력점 상태(state)를 제3 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 음인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 제2 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 양인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 제1 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 음인 경우 최초 이후에는 상기 전력점 상태가 제1, 제4, 제6 상태이면 상기 전력점 상태를 제6 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 상기 전력점 상태(state)를 제2 상태로 설정하고, 상기 전력 증분이 양이고 상기 전압 증분이 양인 경우 최초 이후에는 상기 전력점 상태가 제2, 제3, 제5 상태이면 상기 전력점 상태를 제5 상태로 설정하고, 그렇지 않은 경우 상기 전력점 상태(state)를 제1 상태로 설정하고, 상기 전력점 상태가 제1, 제4, 제6 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전류를 증가시키고, 상기 전력점 상태가 제2, 제3, 제5 상태로 설정되면 상기 레퍼런스 전류를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 AC/DC PWM 정류기에 대하여 사전에 정해진 전류 값 이하로만 출력되도록 출력 전류 제한을 설정하고, 신재생 에너지 발전량의 증가 또는 감소에 따라 상기 다수의 수전해 장치 중 일부를 선택하여 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 스위치부에 대하여 제어하되, 상기 수전해 장치로 공급되는 전력(이하 공급 전력)이 현재 연결된 수전해 장치의 개수로 나눈 후, 나눈 전력이 사전에 설정된 최대 전력 보다 크면, 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 추가하여 온(on)시키고, 나눈 전력이 사전에 설정된 최소 전력 보다 작으면, 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 오프(off)시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 있어서, 상기 시스템은, 상기 수전해 장치에 의해 생산된 수소를 이용하여 전력을 충전하는 연료전지 및, 상기 연료전지의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 DC/AC 컨버터를 더 포함하고, 상기 DC/AC 컨버터의 출력은 상기 상용전원 대신 공급되거나 상기 상용전원과 같이 공급되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 의하면, 상용전원을 입력으로 하는 전력변환기로 전압제어를 하면서 동시에 신재생에너지를 입력으로 하는 전력변환기로 전류 제어를 함으로써, 잉여전력을 최소화 하고, 제어기의 부담을 줄이고, 안정적으로 시스템을 운영할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 의하면, 종래 최대전력점 추종 방법의 단계를 세분화 함으로써, 발전 전력 변동이 매우 큰 경우에도 전력변환기의 응답이 좋아지도록 하여, 출력 전압에서 헌팅 현상이 생기거나 심하게 출력 전압이 낮아지는 것을 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 의하면, 다수의 수전해 장치를 병렬 연결하되, 선택적으로 온/오프 하여, 최소 전압과 최대 전압 사이에서 각 수전해 장치에 전원을 공급함으로써, 과전압에 의한 전극의 열화나 전해질 막의 전기화학적 열화를 방지하고, 일정 발전량 이하가 되면 사용하지 못하는 잉여 전력을 최대로 활용할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 AC/DC PWM 정류기의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 DC/DC 벅 컨버터의 등가회로.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템의 제어 방법을 설명하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 AC/DC PWM 정류기와 DC/DC 컨버터에 의한 출력 전압 및 출력 전류의 제어단계를 설명하는 구성도.
도 6은 본 발명에서 대응하고자 하는 태양광 발전의 V-P 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 최대전력점을 추종하여 레퍼런스 전류을 산출하는 단계를 설명하는 흐름도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 P&O 알고리즘의 적용을 위한 전력 변동에 따른 구간별 그래프.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 최대전력점을 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치의 운전시간을 유지하기 위한 전원 공급용 스위치부의 동작을 나타내는 흐름도.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 온/오프 제어하는 단계를 설명하는 흐름도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템의 구성에 대한 블록도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템(100)을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템(100)은 신재생에너지로 전기를 발생시키는 신재생에너지 발전부(10), 신재생에너지로 발전된 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터(20), 상용전원에 대한 전압 제어를 수행하는 AC/DC PWM 정류기(90), 전력 공급을 온/오프 하는 스위치부(30), 전력 변환을 제어하는 제어부(40), 물을 분해하여 수소를 생산하는 수전해 장치(50), 및, 생산된 수소를 저장하는 저장장치(60)로 구성된다.
먼저, 신재생에너지 발전부(10)는 태양광, 풍력, 또는 직류 출력 발전장치 등 신재생에너지로 발전을 하여 전력을 생산하는 장치이다. 바람직하게는, 신재생에너지 발전부(10)는 태양광 발전장치일 수 있다. 이 경우, 신재생에너지 발전부(10)는 다수의 태양전지 어레이로 구성되어, 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다.
다음으로, 수전해 장치(50)는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 장치이다. 수소를 생산하기 위해 자연으로부터 얻을 수 있는 물을 정제하여 이를 전기 분해하는 방법이 가장 경제적이고 신뢰성이 높고 대량 생산이 용이하다.
바람직하게는, 수전해 장치(50)는 적어도 2 이상의 다수의 수전해 장치(또는 단위 장치)들로 구성되고, 다수의 수전해 장치들은 서로 병렬로 연결하여 구성된다.
각 수전해 장치는 에너지원인 수소를 생산하기 위해서는, 최소 전압 이상의 전원을 공급받아야 한다. 그런데 신재생 에너지만으로 에너지원인 수소를 생산하는데 한정적일 수밖에 없다.
따라서 수전해 장치(50)는 신재생 에너지 출력과 상용전원의 출력을 모두 공급받아 수소를 생산하도록 구성된다. 즉, 신재생에너지 출력은 전류제어에 의하여, 상용전원의 출력은 전압제어에 의하여, 병렬로 연결된 다수의 수전해 장치(50)에 공급된다.
또한, 다수의 수전해 장치(50)가 병렬로 연결되고 각각이 스위치부(30)에 의해 온/오프 됨으로써, 부하에서 필요로 하는 전력보다 부족한 전력이 공급되면, 일부 수전해 장치(50)의 입력 전원 스위치(30)가 차단되고, 나머지 수전해 장치(50)에 계속적으로 전원이 공급된다. 상용전원의 출력을 제한하고 신재생 에너지의 출력이 적으면, 부하에서 필요로 하는 전력보다 부족한 전력이 공급될 수 있다.
즉, 신재생 에너지의 출력과 상용전원의 출력을 조합하여 공급되는 전력을 조절할 수 있고, 스위치부(30)에 의해 수전해 장치(50)의 전체 부하를 조절할 수 있다. 따라서 신재생에너지의 잉여 전력도 최소화 할 수 있으면서 수소를 대량으로 생산하기 위한 시스템 구성에 적합하다.
다음으로, AC/DC PWM 정류기(90)는 AC/DC 컨버터로서, 상용전원을 입력으로 받아 직류 출력 전압을 공급하는 전력 변환기이다. AC/DC PWM 정류기(90)는 입력되는 상용전원의 교류 전원을 직류전원으로 변환하고, PWM 제어신호에 의하여 전압을 주 제어로 수행한다.
다음으로, DC/DC 컨버터(20)는 신재생에너지 발전부(10)에서 입력되는 전원을 변환하여 수전해 장치(50)로 공급하는 전력 변환기이다. 또한, DC/DC 컨버터(20)는 직류로 발전하는 신재생 에너지를 입력으로 하고, 전압을 필요로 하는 수전해 장치(50)의 특성을 고려하여, 벅(Buck) 타입 DC/DC 컨버터로 전력변환기를 구성한다.
한편, DC/DC 컨버터(20) 및 AC/DC PWM 정류기(90)는 제어부(40)에 의해 제어된다.
다음으로, 스위치부(30)는 다수의 부하 스위치로 구성되고, 각 스위치는 다수의 수전해 장치(50) 각각에 연결된다. 스위치부(30)의 각 스위치의 온(on)/오프(off)에 따라, DC/DC 컨버터(20)의 출력이 해당되는 각 수전해 장치(50)로 공급되거나 차단된다.
스위치부(30)는 제어부(40)의 제어에 따라 온/오프 된다.
다음으로, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20), AC/DC PWM 정류기(90), 스위치부(30) 등을 제어하는 장치이다.
즉, 제어부(40)는 상용전원을 입력으로 하는 AC/DC PWM 정류기(90)에 대하여 직류 출력 전압을 제어하면서, 신재생에너지를 입력으로 하는 DC/DC 컨버터(20)에 대하여 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압을 기준으로 전류 제어를 주 제어로 수행한다. 이를 통해, 각각의 전력 변환기가 가지게 되는 제어 오차에 대한 보상 회로를 구비하지 않고, 안정적으로 전력 변환기를 운용할 수 있다.
먼저, 제어부(40)는 AC/DC PWM 정류기(90)를 제어하되, 입력되는 상용전원에 대하여 직류출력 전압을 제어한다. 이때, 바람직하게는, 사용자에 의해, 전류 제한 설정값이 조정된다. 즉, 사용자가 전류 제한 설정값(전류 제한값)을 설정하면, 제어부(40)는 AC/DC PWM 정류기(90)에서 상용전원의 출력 전류를 제어하되, 출력전류가 상기 전류 제한 설정값을 넘지 않도록 제어한다. 이를 통해, 상용전원을 최소로 사용하고 신재생 에너지를 최대로 활용할 수 있다.
또한, 신재생 에너지를 태양광으로 사용할 때 일조량이 없으면 발전량이 매우 적어진다. 그런데 이러한 시간에도 수전해 장치(50)를 동작시켜야 하는 경우, 제어부(40)는 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전류를 증가시킴으로써, 수전해 장치(50)에서 지속적으로 수소를 생산하도록 제어할 수 있다. 바람직하게는, AC/DC PWM 정류기(90)의 용량도 부하에서 필요로 하는 동일한 용량으로 구성한다.
또한, 제어부(50)는 DC/DC 컨버터(20)에 대하여 전류 제어를 하되, AC/DC PWM 정류기(90)에서 제어하는 출력전압을 기준전압으로 최대전력추정에 따라 전류제어를 주 제어로 수행한다.
즉, 종래의 최대전력추종 방식에서는, 신재생 에너지의 발전량으로 출력 전압을 제어한다. 그러나 본 발명에 따른 시스템에서, 제어부(50)는 AC/DC PWM 정류기(90)에 대해 출력 전압을 제어하므로, DC/DC 컨버터(20)에서 신재생 에너지의 발전량을 제어하되, 변형된 P&O 알고리즘에서 AC/DC PWM 정류기(90)에서 제어하는 출력전압을 기준전압으로 이용하여, 최대전력추정에 따라 전류제어를 주 제어로 수행한다.
그리고 제어부(50)는 전력변동이 상승되는 구간에서는, 부하인 수전해 장치(50)에서 필요한 최대 전류에 따라, DC/DC 컨버터(20)의 벅 컨버터에서 전압 듀티비를 제어한다. 이를 통해, DC/DC 컨버터(20)는 발전량 변동에 따라 최대 전류로 제어되어 부하에 전류를 공급한다.
다음으로, 저장장치(60)는 생성되는 수소를 저장하는 장치이다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 AC/DC PWM 정류기(90)의 구성에 대하여 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
교류를 직류로 변환해주는 AC/DC PWM 정류기(90)는 입력 고조파, 역률 등을 제어하기 위해서 전압원 PWM 방식으로 사용한다. AC/DC PWM 정류기(90)의 PWM 정류기는 양방향 전력변환 특성을 가지고 고조파 제거 및 역률 등을 제어할 수 있는 기능을 가진다. 이러한 이유로 PWM 정류기는 산업 현장에서 많이 사용되고 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, PWM 정류기의 동작 블록은, 정류기의 입출력 전압 및 전류와, 제어변수인 스위치의 존재 함수의 관련성을 나타낸다. 입력 전원전압(Vsa, Vsb, Vsc)과 컨버터 출력 전압(Voa, Vob, Voc)이 저항과 인덕터 양단에 인가하면 입력 전류가 결정된다. 정류기의 입력 전류가 생기면, 스위칭 소자를 제어하기 위한 함수에 따라 직류 전류가 결정된다. 그리고 직류회로에서 직류 전류가 주어지면 직류 전압이 결정되고 스위칭 소자의 제어에 의한 정류기 출력 전압(Voa, Vob, Voc)이 정해진다. 즉, 3상 PWM 정류기에서, 관련된 회로의 전압과 전류는 서로 커플링이 되어 있으므로, 이에 의해 제어가 이루어진다.
입력 역률을 제어하고 3상 PWM 정류기의 경우, 다음 식과 같이 시스템의 스위칭 함수를 정의한다. 즉, 다음 수학식은 3상 PWM 정류기에 대한 교류 입력 측과 직류 출력 측에 대한 평균화 스위칭 함수를 정의한 것이다.
[수학식 1]
Figure 112018020478228-pat00001
여기서, Sa, Sb, Sc 는 3상 전원의 소스를 나타내고, d는 입력 전압에 대한 직류 전압 크기 비율을 나타낸다. 또한, w, t는 입력 전원의 각 주파수와 시간을 나타내고, α는 위상각을 나타낸다.
도 2와 같이, AC/DC 전력 변환기 또는 AC/DC PWM 정류기(90)의 동작 블록에서, 스위칭 소자 입력단에 있는 리액터에 인가된 전압과, PWM 정류기에서 발생하는 전압으로 구분된다. 이들은 다음 식과 같이 정의된다.
[수학식 2]
Figure 112018020478228-pat00002
여기에 계통전원의 전압 및 주파수의 왜란에 대해서 제어를 해야 한다. 즉, 고조파 제거, 역률 제어 등 위상 동기화를 위한 d-q 변환이 필요하다.
입력에 대한 회로 변수를 d-q 변환해서 정의하면 아래 식과 같다.
[수학식 3]
Figure 112018020478228-pat00003
여기에 추가적으로 AC/DC PWM 정류기(90)의 전류 제한치를 설정할 수 있도록 구성한다. 이와 같이 부하인 수전해 장치(50)의 특성을 고려하면 상용전원의 사용을 최소화 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(20)의 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 전력변환기로서 DC/DC 컨버터(20)를 구성한다. DC/DC 컨버터(20)는 신재생에너지의 전력 구성 및 수전해 장치의 부하 특성을 고려하여, 바람직하게는, 출력을 감압시키는 벅(Buck) 컨버터 형태로 구성할 수 있다.
즉, 신재생 에너지를 최대로 활용하기 위해 전압에 대한 듀티비의 변동 폭이 넓어진다. 그러나 벅 컨버터의 효율은 듀티비에 영향을 받지 않고, 전압을 승압시키는 부스트 컨버터의 효율은 전압에 따른 듀티비에 영향을 받는다. 따라서 벅 컨버터가 효율적인 측면에서 유리하고 태양광과 같은 신재생에너지의 잉여전력을 활용하는 면에서 유리하다.
도 3에서와 같이 벅 컨버터의 DC 등가회로를 보면, 2차 전압 VPV, 출력 전압 Vout 은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018020478228-pat00004
Figure 112018020478228-pat00005
여기서, D는 듀티비이고 R0는 부하저항이다. 또한, RL은 DC/DC 컨버터 내부의 인덕터 저항이다. 이로 인해 인덕터의 전도손실이 발생한다.
그리고 여기에 따른 전압이득 GV 은 다음과 같다.
[수학식 5]
Figure 112018020478228-pat00006
그리고 효율 η은 수학식 3과 같다.
[수학식 6]
Figure 112018020478228-pat00007
여기서,
Figure 112018020478228-pat00008
을 적용한다.
벅 컨버터의 효율은 상기 수학식 6에서 듀티비(D)와 무관하고, 부하저항 R0이 클수록 효율이 좋아지는 것을 확인할 수 있다.
신재생에너지의 발전 전력의 변동이 심하므로, 발전 전력이 낮아지면 부하 전력도 같이 감소하게 된다. 따라서 효율은 나빠질 수 밖에 없다. 또한, 전압 변동에 따라 듀티비 변동이 심해지므로, 듀티비와 무관한 벅 컨버터 방식이 효율적인 측면에서 유리하다.
또한, 부하 출력 전압(Vout)은 AC/DC PWM 정류기(VAC)에서 제어되고, DC/DC 컨버터(20)에서는 그 출력 전압을 부하 출력 전압(Vout)으로 맞추도록 제어해야 한다. 따라서 DC/DC 컨버터(20)는 벅 컨버터 방식으로 구성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치(50)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 수전해 장치(50)는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 장치이다.
바람직하게는, 전기분해 효율이 좋은 고분자전해질(PEM, Polymer Electrolyte Membrane) 방식을 적용한다. 그 외에도 알칼리 수전해 (AE, Alkaline Electrolysis) 방식을 적용할 수 있다. 고체고분자 전해질(PEM) 방식은 전력 변동에 대해서 화학적 응답이 빠르고 전류 밀도가 높다. 반면에 알칼리 수전해(AE) 방식은 전력 변동에 대해서 화학적 응답이 늦고 전류 밀도 낮다.
PEM 방식의 PEM 전해에서 각각의 전극이 다음 화학식과 같이 반응한다.
[화학식(수학식) 7]
Figure 112018020478228-pat00009
수전해 반응을 위한 전극에는 기본적으로 일정 전압이 인가되어야 전극이 반응을 일으켜 수소가 발생하게 된다. 상기 반응식에 반응 에너지를 나타내면, 다음과 같다.
[화학식(수학식) 8]
Figure 112018020478228-pat00010
화학식 5와 같이, 이론적으로 수전해 반응은 1.228V 이상에서 진행된다. 실제 조건에서는 수전해 장치에 따라 다르나, 내부저항으로 인해 1.7V 이상에서 수소를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 전압이 증가할수록 수소 발생 반응에 이용된 파라데이 전류(Paradaic Current)가높아져서수소 생산 속도가 증가하는 것으로 알려져 있다.
수소를 생산할 수 있는 전압 1.7V인 수전해 전극을 직렬로 20개 연결하면, 수소를 생산하기 위한 최소 전압은 34V가 되어야 한다. 전력변환부에서 공급되는 전력량이 존재하더라도 최소 전압 34V 보다 작으면, 에너지원인 수소를 생산할 수 없게 된다. 예를 들어, 상용전원의 전류 제한이 설정되고 신재생에너지 발전부에서 발전량이 적으면, 부하인 수전해 장치(50)로 공급되는 전력량이 적을 수 있다.
또한, 수전해 장치(50)가 2V 셀(CELL)을 18개 직렬 연결한 것이라고 가정한다. 이때, PEM 수전해장치 동작 특성은 전원장치에서 38VDC를 공급하면 수전해장치의 전극의 전압이 서서히 증가하고, 30VDC가 되면 1A의 전류를 소비하면서 수소 생산을 시작한다. 그리고 서서히 전압이 증가하면서 전류의 양도 같이 증가한다. 수소의 생산량은 전류와 비례한다.
즉, 30VDC 1A가 되어야 물을 전기분해하여 수소 생산을 시작한다. 그리고 38V일 때 20A의 전류를 소비한다. 이때 최대 소비 전류이다. 이 이상의 전압과 전류가 인가 되면 수전해장치의 전해질막이 열화로 내구성이 감소한다.
또한, 시작 전압과 2시간 후의 전압이 38VDC에서 35VDC로 감소된다. 이것은 수전해장치가 내부 열화에 의해 자체적으로 전압이 떨어지는 것이다. 따라서 수전해장치에 전극(CELL)을 18개 직렬로 사용할 경우 전압 범위는 30~38V, 1~20A이다. 또한, 수전해장치는 전류에 따라 수소 생산량이 달라진다.
따라서, 바람직하게는, 수전해 장치(50)는 적어도 2 이상의 다수의 수전해 장치(또는 단위 장치)들로 구성되고, 다수의 수전해 장치들은 서로 병렬로 연결하여 구성된다. 부하에서 필요로 하는 전력보다 부족한 전력이 공급되면, 일부 수전해 장치 입력 전원 스위치(30)를 차단하고, 나머지 수전해 장치(50)에 계속적으로 전원을 공급한다.
즉, 공급되는 전압이 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 최소 전압이 되면, 신재생에너지의 발전량 등 공급량이 있음에도 불구하고 3개의 수전해 장치(50) 모두에서 수소를 생산하지 못한다. 이 때 1개의 수전해 장치(50)에 전원 공급을 중단하게 되면, 나머지 2개의 수전해 장치(50)는 수소를 생산할 수 있는 전압 범위 내에 있으므로 계속적으로 수소를 생산할 수 있다.
이때, 공급되는 전력량이 적어지면, 부하량을 계산하여 또 하나의 수전해장치를 정지시킨다. 그리고 나머지 하나로 공급 전력량이 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 전압 범위 내에서 까지 수소를 생산할 수 있다.
반대로, 태양광 등 신재생에너지의 발전량이 증가하는 시점에서, 수전해 장치(50)를 모두 동작 시키면 발전량 부족에 의해 상용전원인 PWM 정류기에서 전력을 부담하게 된다. 이런 경우, 태양광 등 신재생에너지의 발전을 이용하는 효과가 반감된다. 따라서, 수전해 장치(50)를 1개만을 동작시키고, 발전량을 확인하면서 1개씩 추가하여 수전해 장치(50)에 전원을 공급하다. 이와 같이 함으로써, 태양광 등 신재생에너지의 발전량을 최대로 활용할 수 있다.
위와 같이 태양광 등 신재생에너지의 발전량을 최대로 활용하기 위해서, 수전해 장치(50)를 여러 개 설치하여 병렬로 연결한다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따라 신재생에너지 발전부(10)의 설치 용량을 산출하는 방법에 대하여 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 수소를 생산할 수 있는 수전해 전극의 전압 범위가 1.7V~2.0VDC라 할 때, 하나의 수전해 장치(50)가 20개의 전극을 사용하면 34~40VDC의 범위에서 수소를 생산할 수 있다. 이때 최대 40V에서 20A의 전류가 필요하다 라고 하면 800W의 전력을 필요로 한다.
도 1의 예와 같이 3개의 수전해 장치를 사용하게 되면, 2400W의 전력이 필요하다. 여기에 전력 변환기 구동용 제어전원용 전력의 용량 및 전력 변환기 효율을 더 추가하여 계산해야 한다. 또한, 태양전지 I-V 특성을 보게 되면 일조량이 최대일 때는 오히려 태양전지의 전압이 감소하게 되므로 발전전력이 감소하게 된다. 그래서 최대 전력의 기준은 태양광 용량의 80%정도로 계산하여 신재생에너지의 용량을 설치하게 된다.
또한, 신재생 에너지의 설치용량을 산출하고, 신재생 에너지 발전량이 부족할 경우에 상용전원으로 수소를 생산하기 위한 부하 용량에 맞게 PWM 정류기의 용량도 별도로 고려되어야 한다. 또한, 상용 전원을 최소로 사용하기 위한 PWM 정류기의 출력 전류 제한을 설정할 수 있는 기능을 가진다.
다음으로 본 발명의 제1 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템의 제어 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템의 제어 방법은 크게 AC/DC PWM 정류기(90)에 의하여 상용전원을 직류전원으로 변환하되 출력전압을 제어하는 단계(S10), DC/DC 컨버터(20)에 의하여 최대전력점을 추종하고 출력전압을 기준으로 출력전류를 제어하는 단계(S20), 및, 공급되는 전력에 따라 수전해 장치(50)를 선택하여 전력을 공급하는 단계(S30)로 구성된다.
먼저, 신재생에너지의 DC/DC 컨버터(20) 및 상용전원의 AC/DC PWM 정류기(90)에 대하여 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 단계(S10, S20)을 설명한다.
만약 2개의 전력 변환기에서 서로 직류 전압을 제어하면, 서로 전압 제어를 하기 위해 직류 전압 변동이 발생한다. 이는 각각의 전력 변환기 제어에서는 오차로 발생된다. 이 출력 전압 오차에 대해 각각의 전력 변환기는 실시간으로 전압 오차에 대한 보상 제어 기능을 수행하면서 출력 전압을 제어해야 한다. 따라서 제어기 부담도 증가하게 되면서 장시간 사용에 대한 신뢰성 확보에 어려움을 가질 수 밖에 없다.
그래서 신뢰성 확보를 위해, 제어기에서 동일한 기준 출력 전압을 제공하여 사용할 수 있다. 그러나 이 방법은 입력 전원이 동일한 전원일 경우에만 가능하다. 본 발명에 따른 전력변환 시스템은 상용전원과 전력 변동이 심한 신재생 에너지를 사용하므로 이러한 제어 방법으로는 구현이 복잡하고 어려울 수밖에 없다.
따라서, 도 5에서 보는 바와 같이, 부하인 수전해 장치의 용량에 맞춰 신재생에너지 발전부(10)를 설치하고 이 용량에 맞는 DC/DC 컨버터(20)로 구성한다. 이때, DC/DC 컨버터(20)의 효율 측면에서, 신재생에너지의 최대 발전전력을 사용하지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, AC/DC PWM 정류기(90)에서의 출력 전압을 제어함으로써, 신재생에너지의 발전 전력을 최대로 활용하면서 상용전원을 최소로 사용할 수 있도록 구성한다.
구체적으로, 다음 수학식과 같이, 부하 전력(Pout)은 태양광 등 신재생에너지의 발전전력(PPV)과 AC/DC PWM 정류기(90)의 전력(PAC)를 합한 것이다. 부하 출력 전압(Vout)은 AC/DC PWM 정류기(VAC)에서 제어된다. 여기에서 부하 전류(Iout)는 DC/DC 컨버터(20)에서 제어하는 태양광 등 신재생에너지의 발전전류(IPV)와 AC/DC PWM 정류기(90)의 전류(IAC) 합이다. 이때, DC/DC 컨버터(20)의 신재생에너지 발전 전류(IPV)는 최대전력추종에 의한 전류(IMPP)이다.
따라서 부하 전류(Iout)는 DC/DC 컨버터(20)의 전류 제어를 통하여, 신재생에너지의 발전량이 증가하면 보조 전원인 상용전원이 감소하는 결과를 가져온다.
[수학식 10]
Figure 112018020478228-pat00011
벅 컨버터의 신재생에너지 입력 VPV에 대한 평균 출력 전압은 다음과 같다.
[수학식 11]
Figure 112018020478228-pat00012
여기서, ton은 DC/DC 컨버터(20)의 스위칭이 온(on)되어 전력을 공급하는 시간을 나타내고, D는 듀티비이다.
그리고 전압전달비 GV는 다음 식과 같다.
[수학식 12]
Figure 112018020478228-pat00013
여기에서 듀티비 D를 변화하여 출력 전압을 조절한다.
즉, 제어부(40)는 듀티비 D를 제어함으로써, DC/DC 컨버터(20)의 벅 컨버터에서 출력되는 전압을 부하 출력 전압(Vout) 보다 높게 맞추도록 제어한다.
다시 말하면, AC/DC PWM 정류기(90)에서 출력 전압을 제어하므로, DC/DC 컨버터(20)에서 전류를 부하에 계속 공급하기 위해 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압 보다 미세하게(0.01V) 높게 하면서 전류 제어를 통하여 부하에 전류를 공급한다. 또한, 신재생에너지의 발전 전력이 부족하게 되면 AC/DC PWM 정류기(90)에서 부하에서 필요로 하는 전력을 공급한다.
다음으로, 상용전원의 출력 전류를 제한하는 경우에 전압을 조절하는 예를 설명한다.
구체적으로, AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전류를 15A로 제한하여 설정하는 것으로 가정한다. 또한, 부하, 즉, 수전해 장치(50)에 공급되어야 하는 전력은 1200W(40V, 30A)이라고 가정한다.
그런데 태양광 발전 초기에 태양광의 발전량이 감소하여 발전 전력이 400W라고 하면, 부하에 공급되는 전력은 부하에서 필요로 하는 전력보다 적다. 즉, 부하에서 필요로 하는 전력이 부족하다. 따라서 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압은 부하에서 필요로 하는 전력에 맞게 감소된다.
즉, 추가적인 전력 공급원이 없으면, 부하에 필요로 하는 전력이 부족하기 때문에, AC/DC PWM 정류기(90)에서 전류가 15A이지만 출력 전압이 계속 감소하게 된다. 출력 전압이 40V로 유지되지 않고 떨어진다. 따라서 전류가 15A로 유지되기 때문에 AC/DC PWM 정류기(90)에서 실 부하로 공급되는 전력도 같이 감소한다.
그런데 DC/DC 컨버터(20)는 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압을 레퍼런스 하여 출력 전압을 조절한다. 이때, DC/DC 컨버터(20)에서 전류를 계속 부하에 공급하기 위해, AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압 보다 미세하게 높게(예를 들어, 0.01V 높게) 제어를 하면서 최대 전류를 부하에 공급한다. 따라서, DC/DC 컨버터(20)의 출력 전압도 같이 감소한다.
이와 같이, 태양광 전력이 변동이 되면 여기에 맞게 DC/DC 컨버터(20)의 출력도 변경되고, DC/DC 컨버터(20)의 출력 전력에 따라 PWM 정류기(90)의 출력 전압 도 변동된다.
그런데 일정 전압(예를 들어 30V) 이하로 떨어지면, 수전해 장치(50)는 수소를 생산할 수 없다. 또한 과도한 전압이나 과도한 전력이 공급되면, 수전해 장치(50)의 전극 또는 절연막이 열화되는 문제점이 있다.
따라서 태양광 발전 전력 및 PWM 정류기의 전력의 합에 맞춰서, 출력 스위치를 온(on)/오프(off)하여 부하인 수전해 장치(50)를 선택적으로 연결하고, 이를 통해, 전력이 공급되는 수전해 장치(50)의 개수를 조절한다.
이와 같이 AC/DC PWM 정류기(90)의 전류를 제한하여 상용전원을 최소로 사용할 수 있다. 또한, 신재생에너지 발전 전력이 없더라도 수소 생산이 필요하면, AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전류 제한을 조정하여 사용자가 수소를 지속적으로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력변환 시스템에 의하면, 연속적인 전원 공급이 이루어지므로, 수전해 장치(50)에서 수소를 연속적으로 생산할 수 있다. 또한, 신재생에너지 전력 변동에 따라 우선적으로 AC/DC PWM 정류기(90)에서 전압을 제어하여 부하에 안정적인 전원을 공급한다. 따라서 부하인 수전해 장치(50)에 보다 안정적으로 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템이 기존 설치된 태양광의 전력을 DC/DC 컨버터(20)의 입력으로 사용하는 경우, 부하에서 필요한 전력보다 많은 전력을 생산하는 태양광 패널을 사용할 수 있다. 이때, DC/DC 컨버터(20)에서 전류 제어를 수행하게 되면, 부하인 수전해 장치(50)에서 필요한 전류량 보다 더 많은 전류를 공급한다. 이 경우, 직류 출력에 전기에너지가 누적되어 직류 출력 전압이 상승된다. 교류를 직류로 직접적으로 변환하는 스위칭 반도체 소자를 사용하는 AC/DC PWM 정류기(90)의 경우, 양방향 기능을 가지면 출력에 축적된 에너지, 즉, 출력 전압을 낮추기 위해 교류로 변환하여 상용전원으로 전력을 공급하면서 직류 출력 전압을 제어하는 양방향 컨버터 기능도 가지고 있다.
또한, 본 발명은 상용전원과 신재생 에너지를 이용하여 수소 에너지를 생산하기 위한 수전해 장치(50)에 전원을 공급하기 위해 필요한 것이다. 그러나 상용전원과 신재생 에너지가 융합되어, 다른 용도의 부하에도 해당 제어 방법이 유용하게 적용될 수 있다.
다음으로, DC/DC 컨버터(20)에서 최대전력점을 추종하여 출력 전류를 제어하는 단계(S20)를 구체적으로 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 신재생 에너지를 제어하는 DC/DC 컨버터(20)를 전압을 강압시키는 벅 컨버터로 구성한다. 그리고 제어부(40)는 종래의 최대전력추종 방식에 따라 발전되는 전력에서 최대 전류값을 계산하여 제어한다. 특히, 도 7과 같이 발전량에 따라 일부 구간에서 전류제어를 주 기능으로 하여 제어한다. 그래서 정상 상태일 때 도 8와 같이 전류 영역을 얻을 수 있도록 DC/DC 컨버터(20)를 제어한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 제어부(40)는 태양광 등 신재생에너지의 전압 및 전류(Vpv,IPV)를 검출한다(S21). 또한, 이로부터 전력(PPV)을 계산한다. 그리고 개선된 P&O 알고리즘을 이용하여 레퍼런스 전류(Iref)을 산출한다(S22). 그리고 PWM 정류기 출력 전압 레퍼런스 및 레퍼런스 전류(Iref)에 따라 PI(비례적분) 제어를 통해 DC/DC 컨버터(20)의 PWM 제어신호를 생성한다(S23).
도 5에서 보는 바와 같이, 제어부(40)는 DC/DC 컨버터(20)의 전류를 제어하기 위하여, 제어 목표인 레퍼런스 전류(Iref)를 계산하여 생성하는 MPPT(최대전력점 추종) 알고리즘부와, 생성된 레퍼런스 전류(Iref)에 따라 실제 PV 직류전류(Ipv)를 목표치로 제어하는 PI제어기로 구성된다. 특히, 제어부(40)는 신재생에너지 발전부(10)의 최대전력점(MPP)를 추적하기 위하여, 신재생에너지 발전부(10)의 PV 패널의 출력 전압(VPV)와 출력 전류(IPV)을 입력받고, 부하(수전해 장치 등)에 공급되는 공급 전압(Vout)과 공급 전류(Iout)을 피드백 받아 제어한다. 즉, 제어부(40)에 의하여 신재생에너지 발전부(10)의 최대전력점(MPP)를 추적하는 알고리즘을 통해, 신재생에너지 발전부(10)의 PV 패널의 출력 전압(VPV)와 출력 전류(IPV)가 제어된다. 특히, 개선된 P&O 알고리즘을 통해 레퍼런스 전류(Iref)를 계산하여 생성하고, 이를 이용하여 실제 PV 직류전류(Ipv)와의 차이가 전류원의 레퍼런스 제어 값이 되고, PWM 정류기(90)의 출력 전압 레퍼런스를 통하여 DC/DC 컨버터(20)의 PWM 제어신호를 생성한다.
구체적으로, PV 패널은 발생된 전력이 최대가 되는 유일한 점을 가진 비선형 전압-전류 특성이 있기 때문에 MPPT 알고리즘이 필요하다. 최대전력점(MPP)은 패널의 온도와 일사량 조건에 달려 있다. 두 조건 다 낮에는 변화하고 계절에 따라서 다르다. 게다가 일사량은 구름과 같은 대기의 상태에 따라 변화하기 때문에 급속하게 바뀔 수도 있다. 최대 전력점을 항상 얻기 위해서는 모든 가능한 조건 하에서 MPP를 정확하게 추적하는 것이 매우 중요하다.
특히, 본 발명은 맑은날과 흐린날인 경우의 태양광의 발전만을 대상으로 하지 않고, 구름 낀 맑은 날 등 발전량의 변동이 매우 큰 날의 태양광 발전도 대응하고자 한 것이다.
도 6는 태양광 발전의 전압(V) 대비 전력(P) 특성에 대한 곡선을 나타내고 있다. 도 6에서 곡선 A는 맑은날 최적의 태양광 발전의 V-P 특성곡선을 나타내고, 곡선 B는 흐린날의 V-P 특성곡선을 나타낸다. 또한, 곡선 C는 구름이 낀 맑은 날에서의 태양광 발전의 V-P 특성곡선이다.
기존 P&O 알고리즘은 주로 도 6의 곡선 A와 B의 경우에 대응한 방법이다. 이러한 경우, 종래의 MPPT 알고리즘을 사용하여도 부하인 수전해장치 전원 공급에는 별다른 문제가 없다. 그러나 곡선 C와 같이, 구름 낀 맑은 날에는 전력 변동이 심하다. 따라서 이에 대응하는 제어 동작이 늦어질 수 있다. 이것은 PWM 정류기(90)에서 출력 전류를 제한하는 경우 문제가 발생될 수 있다. 즉, 출력전류를 제한하면, 태양광 발전 전력에 따라 출력 전압이 변동되는데, 수전해 장치에서 수소를 생산할 수 있는 전압 이하로 떨어질 수 있다. 따라서 발전량 변동에 따른 응답을 빠르게 하고, PWM 정류기(90)의 전압원이 있으므로 이 전압 레퍼런스에 따라 전류에 대한 최대전력추종 방식으로 개선되어야 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 P&O 제어 방법이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 먼저, 현재 전압 V(n)과 현재 전류 I(n)를 측정하고, 이때의 출력 전력 P(n)을 전압과 전류의 곱으로 계산한다. 전력 증분(현재 전력과 이전 전력의 차이, △P = P(n)-P(n-1)))이 양인지 음인지를 판단한다. 전력 증분 △P이 0인 경우에는 레퍼런스 전류(Iref)을 조정하지 않는다.
전력 증분 △P가 음인 경우, 전압 증분 △V = V(n)-V(n-1)을 0과 비교한다. △V가 음인 경우 전력점 상태(state)를 ④(또는 4)로 설정한다. 이때, 레퍼런스 전류(Iref)를 감소시킨다. 또한, △V가 양인 경우 전력점 상태(state)를 ③(또는 3)으로 설정한다. 이때, 레퍼런스 전류(Iref)를 증가시킨다.
다음으로, 전력 증분 △P가 양인 경우, 전압 증분 △V = V(n)-V(n-1)을 0과 비교한다. △V가 음인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 ②(또는 2)로 설정하고 레퍼런스 전류를 증가시킨다. 이후에는, 이전 전력점 상태(state)에 따라 다르게 설정한다. 즉, 전력점 상태(state)가 ①,④,⑥이면 전력점 상태를 ⑥(또는 6)으로 설정하고 레퍼런스 전류를 감소시킨다. 그렇지 않은 경우 전력점 상태(state)를 ②(또는 2)로 설정하고, 레퍼런스 전류를 증가시킨다.
도 8과 같이, 전력점 상태(state)가 ①,④,⑥인 상태는 최대전력점에서 좌측에 있는 상태이고, 전력점 상태(state)가 ②,③,⑤인 상태는 최대전력점에서 우측에 있는 상태이다.
또한, △V가 양인 경우 최초에는 전력점 상태(state)를 ①(또는 1)로 설정하고 레퍼런스 전류를 감소시킨다. 이후에는, 이전 전력점 상태(state)에 따라 다르게 설정한다. 즉, 전력점 상태(state)가 ②,③,⑤이면 전력점 상태를 ⑤(또는 5)로 설정하고 레퍼런스 전류를 증가시킨다. 그렇지 않은 경우 전력점 상태(state)를 ①(또는 1)로 설정하고, 레퍼런스 전류를 감소시킨다.
DC/DC 컨버터(20) 등 전력변환기가 1개 존재하면 종래와 같이 레퍼런스 전압으로 최대전력을 추종할 수 있다. 그러나 본 발명은 DC/DC 컨버터(20)와 PWM 정류기(90) 등 2개의 전력변환기로 구성되므로, PWM 정류기(90)에서 기본 전압을 제어하고 DC/DC 컨버터(20)에서 해당 기본 전압에 맞추어 제어해야 한다. 따라서 DC/DC 컨버터(20)는 추종된 최대전력점에서 PWM 정류기(90)의 출력 전압에서 0.01V 높은 전압 레퍼런스로 전류만을 제어한다. 그리고 DC/DC 컨버터(20)의 전압이 PWM 정류기(90)의 전압 보다 높아야 DC/DC 컨버터(20)에서 제어한 전류를 부하측으로 공급할 수 있다. 낮으면 전류가 공급되지 않는다.
즉, 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 P&O 제어 알고리즘은 종래 알고리즘에 대한 단계를 세분화 및 전류원으로 하여, 발전 전력 변동에 따른 전력변환기의 응답이 좋아지도록 구성하였다. 즉, 발전전력 변동이 심한 도 6의 C와 경우를 대비하여 ⑤, ⑥ 구간을 추가하여 P&O 제어 알고리즘을 개선하여 적용한다. 이를 통해, 전력 변동에 최적으로 대응할 수 있도록 구성한다.
⑤, ⑥ 구간에 대하여 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 9에서, 최대전력추종 시점은 전압 변동에 대한 판단으로 적색을 기준으로 좌측과 우측으로 구분된다. 전력(P) 상승시, 과거값과 비교하여, 전압(V)이 상승되는 구간이면 좌측, 전압(V)이 감소되는 구간이면 우측이다.
즉, 전압이 상승되면 도 9(a)에서 ①과 같이 전력을 추종하고, 전압이 감소되면 도 9(b)에서 ②와 같은 판단으로 전력을 추종한다. 도 9(c)에서, ④는 최대전력점에서 발전 전력 변동에 의한 전압 감소 구간이고, ③의 조건은 최대전력점에서 발전 전력 변동에 의해 전압 상승 구간이다.
상기 ①~④까지는 기존 P&O알고리즘에서 최대전력점에서 좌측 또는 우측을 구분하는 것과 일조량 변동에 대응하기 위해 전압 판단에 따른 전압 증가, 감소 조건이 같다.
본 발명에서 기존 P&O 알고리즘에서 일조량 변동에 대응하기 위해 제어 알고리즘을 추가한 구간이 도 9의 (d)와 (e)이다. 도 9의 (d)와 (e)와 같이, 전압 상승 판단에 따라 최대전력점을 기준으로 좌측과 우측으로 구분한다.
도 9의 (d)에서 전압 감소 구간 판단에서, 일조량 변동이 되면 전압 상승으로 ⑤로 판단한다. 이 경우 전압이 상승되었다고 바로 전류를 감소하여 최대전력점을 추종하지 않는다. 위에서 설명한 것과 동일하게 일조량 변동의 상태 확인을 위해 계속 전류를 증가시킨다. 그리고 일조량 변동을 전압으로 판단하여 감소 구간이면 ②와 같이 전류를 감소하여 최대전력점을 추종한다. 여기에서 일조량이 감소되면 ④로 판단하여 동작한다.
도 9의 (e)에서 전압 상승 구간 판단에서, 일조량 변동으로 전압 감소가 되면 ⑥으로 판단한다. 이 경우 전압이 감소되었다고 바로 전류를 증가시키지 않는다. 대신, 일조량 변동을 확인하기 위해 같이 전류를 감소시키고, 일조량 변동을 전압으로 판단하여 증가 구간이면 ①와 같이 전류를 증가하여 최대전력점을 추종한다. 여기에서 일조량이 증가되면 ③로 판단하여 동작한다.
최대전력점을 기준으로 좌, 우의 판단 기준은 전원을 공급하고 전압의 변동에 따라 최대전력추종을 하면서 결정된다.
한편, 수전해 장치는 수소를 생산할 수 있는 최소 전압이 있다. 또한, 최대 전압은 전극 또는 절연막의 열화 방지를 위해 설정된다.
상기와 같은 최소 전압과 최대 전압 사이에서 PWM 스위칭이 스텝(step)으로 움직인다. 예를 들어 P(n-1) = 1000W, V(n-1) = 39V, P(n) = 800W, V(n) = 37V로 가정한다. 이때, 과거 값에서 현재값의 전압이 2V 감소되었고 스텝(step)이 100므로 설정되었다고 하면, 2/100 = 0.02A로 감소하여 PWM 스위칭한다. 또한, 전압이 증가되면 0.02A 증가하게 PWM 스위칭한다.
이 스텝(step)의 크기는 전력 변동과 정상상태에서 부하인 수전해 장치의 과도 전압을 확인하면서 조정할 수 있다. 과도가 나쁘면 스텝(step) 값을 200으로 하여 0.01A로 전류를 증가 또는 감소시킨다. 스텝(step)의 변동 값은 최대 전압과 수소를 생산할 수 있는 최소 전압 설정치 사이에서 움직인다.
발전량이 감소하여 최소 전압에 도달하게 되면 이 때부터는 전류가 계속 감소한다.
다음으로, 수전해 장치(50)를 선택하여 전력을 공급하는 단계(S30)를 도 10을 참조하여 설명한다.
먼저, 발전 전력이 증가하는 경우로서, 도 10a와 같이, 수전해 장치를 추가적으로 전원을 공급한다. 즉, 신재생에너지의 발전전력이 증가하는 구간에서는, 도 10a와 같이 다수의 부하 출력 스위치에서 스위치 n을 온(on)하면서, 신재생에너지의 최대전력추종을 하여 발전 전력에 맞게 부하출력 스위치 n을 순차적으로 온(on) 한다.
태양광은 일출과 동시에 부하(수전해 장치 등)에서 필요하는 총 발전 전력을 만들 수가 없다. 따라서 병렬로 연결된 수전해 장치(50) 중 1개에 전력 변환기의 출력 스위치를 온(on)하여 수전해 장치에 전원 공급을 한다. 그리고 이때 앞서 설명한 바와 같이 최대전력추종(MPPT)을 한 전력이 공급된다. 또한, 수전해 장치(50)는 앞서 화학식 5와 같이 수소를 생산할 수 있는 최소 전압을 필요하므로, 제어부(40)는 태양광의 발전 전력에 따라 두 번째 또는 그 이상의 수전해 장치(50)에 전원 공급 여부를 판단할 수 있다.
즉, 발전 전력을 비교하여 더 많은 전력이 생산되면, 출력 스위치를 추가적으로 온(on)하여 더 많은 수전해 장치(50)를 동작시킨다. 이러한 과정을 반복하여 수전해 장치(50)에 전원 공급을 한다. 다시 말하면, 일조량이 증가하는 시점에서 신재생에너지 발전량의 최대전력추정을 통하여 스위치 온(on) 상태를 순차적으로 설정할 수 있다.
구체적인 단계는 다음과 같다.
1) 상용전원으로 동작되는 PWM 정류기를 동작 시킨다.
2) 초기 기동을 위해 발전된 전압이 높아지는지 확인한다.
3) 수전해 장치의 누적 동작 시간을 비교하여, 누적 동작 시간이 적은 스위치 n(첫 번째)를 온(on)시킨다.
4) DC/DC 컨버터는 MPPT를 하면서 부하에 전원 공급한다.
5) 연결된 부하기준으로 부하 공급 전력이 90%가 되면 두 번째 동작 시간이 적은 스위치 n을 온(on)시킨다. 예를 들어, 발전전력이 부하 1개 기준으로 90%로 일정하다면 45%씩 부하에 전원을 공급한다.
6) 발전량 변동에 따라 MPPT 하면서 부하에 전원을 공급한다. 이 때 2개의 부하 기준으로 발전량이 90%가 되면 세 번째 출력 스위치 n을 온(on) 시킨다. 즉, 현재의 발전량은 90% × 2대 = 180% 이다. 이를 3개의 부하(수전해 장치)로 분담하면, 180% / 3대 = 60%이다. 즉, 각각의 수전해 장치에 의한 부하량은 60% 수준에서 전원을 공급한다.
7) 증가된 발전량에 따라 부하에 전원을 공급한다. 여기에 추가적으로 발전 전력이 최대가 될 경우는 효율 상승에 의해 부하 용량 이상이 될 수 있다. 이러한 경우에 대비하여, 양방향 기능을 가진 PWM 정류기에서 부하 최대 출력 전압을 제어함으로써 상용전원으로 전력을 내보내 수전해 장치 과전압에 의한 열화로 인한 내구성 감소를 방지한다.
다음으로, 발전 전력이 감소하는 경우로서, 도 10b와 같이, 전원이 공급되는 수전해 장치들 중에서 일부를 선택하여 단계적으로 전원을 차단한다.
즉, 신재생 에너지의 발전전력이 없고 AC/DC PWM 정류기(90)의 출력 전압이 부하인 수전해장치(50)의 동작 전압 이하가 되면, 모든 부하 출력 스위치를 오프(off)하여 전원 공급을 차단한다.
또한, 제어부(40)는 신재생에너지 발전전력 및 PWM 정류기의 출력 전력의 합과 부하 전력을 실시간으로 비교하여, 수소를 생산하기 위해 필요한 수전해장치(50)의 부하 소비 전력량 대비 신재생에너지 발전 전력 및 PWM 정류기의 출력 전력의 합이 부족하면, 1개의 전력 변환기 출력 스위치(30)를 오프(off) 하고 나머지 수전해장치 부하에 전원을 공급한다. 또한, 계속해서 발전전력이 부족하게 되면, 출력 스위치(30)를 추가적으로 오프(off)하는 방법으로 신재생에너지의 잉여 전력을 최소화 하여 수소를 생산한다.
즉, 발전전력이 증가하는 시간대와 반대로 발전 전력이 감소하는 시간대에서는 제어부(40)는 태양광 발전 전력 PWM 정류기의 출력 전력의 합과 수전해 장치(50)에서 필요로 하는 전력을 비교하여, 전력 변환기 출력 스위치를 오프(off)하여 나머지 수전해 장치(50)에 전력 공급한다. 이러한 과정을 반복하여, 발전 전력에 따라 출력 스위치를 추가적으로 오프(off)하여 태양광의 잉여 전력을 최소화 하여 수소를 생산한다.
구체적인 단계는 다음과 같다.
8) 발전량이 감소되어 총 부하량의 50%가 되면 많이 사용한 수전해 장치 스위치 n을 오프(off)시킨다. 예를 들어, 3대가 가동되고 있으므로, 50% × 3대 = 150%이다. 이중 1개를 중단하여 나머지 2대로 분담되므로, 150% / 2대 = 75%이다. 즉, 2대에 각각 부하 소비 전력의 75%에서 전원을 공급한다.
9) 발전량 감소로 나머지 2대의 부하량이 50%가 되면, 많이 사용한 수전해 장치 n을 오프(off)한다.
10) 나머지 1대에서 100% 부하량으로 운전하다가, 발전전력 감소에 따라 부하 소비전력도 감소한다.
11) 마지막 1대의 수전해 장치의 최소 전압이 되면, DC/DC 컨버터 및 PWM 정류기를 오프(off) 한다.
한편, 제어부(40)는 각각의 수전해 장치(50)의 동작 시간을 카운터 하여, 수전해 장치(50)를 교차 운전하도록 제어한다. 이를 통해, 신재생에너지의 발전량에 따라 설치되어 있는 여러 개의 수전해 장치(50)의 동작 시간을 비슷하게 유지시킨다. 상기와 같은 교차 운전 방식을 통하여 수전해 장치(50)들의 내구성을 균일하게 갖게 할 수 있다.
구체적으로, 고체고분자전해질(PEM) 방식의 수전해 장치(50)는 양극, 음극, 및, 이온 교환막으로 구성된다. 이온 교환막은 수소와 산소를 분리하여 양극에서 음극으로 이동하게 하는 전해질 기능을 가진다. 이온교환막은 강산 전해질이므로, 내산성의 귀금속 촉매인 백금 계열이 많이 사용된다. 상기 촉매가 백금 또는 이리듐 등 고가의 귀금속 재료를 사용하므로, 내구성이 중요하다.
또한, 이러한 수전해 장치(50)는 과전압, 과전압에 의한 전극과 절연막의 열화가 수소 수율을 크게 좌우하고, 내구성에서는 산소 발생 양극 촉매 기술이 직접적으로 성능을 좌우한다. 그래서 DC/DC 컨버터(20)에 대한 제어를 통하여 과전압을 제한함으로써, 과전압에 의한 열화는 방지될 수 있다.
그러나 수전해 장치의 사용에 의한 이온교환막과 귀금속 촉매의 내구성은 전력변환기에서 보호할 수가 없다. 따라서 내구성 의한 화학적 안전성을 보호하고 수율을 유지하기 위하여, 수전해 장치(50)에 연결된 출력 스위치(30)를 통하여, 수전해 장치(50)의 총 운전 시간(또는 누적 운전시간)에 따라 수전해 장치(50)의 선택을 제어한다.
즉, 일조량 증가에 따른 발전 전력이 증가하는 시간대에는 누적 운전시간이 적은 수전해 장치(50)를 우선적으로 선택하여 전원을 공급한다. 반대로 발전 전력이 감소하는 시간대에는 누적 운전시간이 많은 수전해 장치(50)를 우선적으로 선택하여, 전원 공급을 중단한다. 즉, 발전 전력량에 따라 수전해 장치(50)의 누적 운전시간을 확인하여, 내구성을 유지시킬 수 있도록 제어한다.
요약하면, 부하인 수전해 장치(50)에 전원공급을 위한 각각의 스위치 온(on) 시간을 누적하여 카운터한다. 그래서, 각 수전해장치(50)의 총 누적 운전 시간을 모니터링하고, 전력을 공급하거나 차단할 수전해 장치(50)를 선택할 때 상기와 같이 누적 운전시간을 이용하여 선택한다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 대하여 도 11를 참조하여 설명한다.
본 발명의 제2 실시예는 앞서 제1 실시예와 동일하다. 다만, 제2 실시예는 수전해 장치(50)를 온/오프 하는 단계(S20)에서 차이가 난다. 아래에서 상이한 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.
도 11에서 보는 바와 같이, 제어부(40)는 수전해 장치(50)로 공급되는 전력 Pout을 현재 연결된 수전해 장치의 개수 n로 나눈 후, 나눈 전력(즉, 병렬로 분담되는 전력)이 최대 전력 P1 보다 큰지를 판단한다(S21). 즉, 다음 수학식 7을 만족하는지를 판단한다.
[수학식 7]
Figure 112018020478228-pat00014
만약, 수학식 7을 만족하면, 수전해 장치(50)를 1개를 선택하여(S22), 선택된 수전해 장치(50)를 추가한다(S23). 이때, 누적된 운전시간이 최소인 수전해 장치(50)를 선택한다.
여기서, P1은 하나의 수전해 장치(50)에 가하는 최대 전력을 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이 수전해 장치(50)에 너무 큰 전압과 전류를 공급하면 열화로 내구성이 감소한다. 따라서 열화가 최소화되는 적절한 전력을 최대 전력으로 설정한다.
n은 병렬로 연결되는 수전해 장치(50)의 개수이다. 따라서 공급 전력 Pout 을 n으로 나누면, 병렬로 연결된 하나의 수전해 장치에 공급되는 전력이다. 이 전력이 최대 전력 P1 이상이면, 열화가 진행될 여지가 있으므로 추가로 1개의 수전해 장치를 추가함으로써 공급 전력을 낮춘다.
또한, 제어부(40)는 앞서 수학식 7을 만족하지 않는 경우, 전력 Pout을 현재 연결된 수전해 장치의 개수 n로 나눈 후, 나눈 분담 전력이 최소 전력 P0보다 작은지를 판단한다(S24). 즉, 다음 수학식 8을 만족하는지를 판단한다.
[수학식 8]
Figure 112018020478228-pat00015
만약, 수학식 8을 만족하면, 수전해 장치(50)를 1개를 선택하여(S25), 선택된 수전해 장치(50)를 차단시킨다(S26). 이때, 누적된 운전시간이 최대인 수전해 장치(50)를 선택한다.
여기서, P0 은 하나의 수전해 장치(50)에 가하는 최소 전력으로서 사전에 설정된다. 앞서 설명한 바와 같이 수전해 장치(50)에 너무 작은 전력(또는 전압)을 가하면, 화학 반응이 나타나지 않아 수소가 생산되지 않는다. 따라서 수소 생산을 위해서는 필요한 전력을 최소전력 P0 로 사전에 설정해둔다.
n은 병렬로 연결되는 수전해 장치(50)의 개수이다. 따라서 공급 전력 Pout 을 n으로 나누면, 병렬로 연결된 하나의 수전해 장치에 공급되는 전력이다. 이 전력이 최소전력 P0 보다 작으면, 수소 생산이 중단될 수 있으므로, 가동 중인 수전해 장치들 중 적어도 1개를 오프(off)함으로써 나머지 수전해 장치들의 공급 전력을 높여준다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템을 도 12를 참조하여 설명한다.
도 12에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예는 앞서 설명한 제1 실시예와 동일하며, 추가적으로 연료전지(70) 및, DC/AC 인버터(80)를 더 포함하여 구성하는 점에서 상이하다. 아래에서 상이한 부분만 설명한다. 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 제1 실시예의 설명을 참조한다.
본 발명은 수소를 대량 생산하기 위한 시스템이다. 보조전원으로 사용되는 상용전원은 생산된 수소에서 일정량을 연료전지(70)로 공급하여 직류 전력을 만든다. 직류 전원은 DC/AC 인버터(80)를 통해서 상용전원으로 전력을 전송하도록 구성하여, 에너지 순환 구조 형태로 회로를 구성할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하α였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 신재생에너지 발전부 20 : DC/DC 컨버터
30 : 스위칭부 40 : 제어부
50 : 수전해 장치 60 : 저장장치

Claims (5)

  1. 신재생에너지 발전부의 신재생 에너지와, 상용전원의 전력을 공급받아, 직류 링크부를 공통으로 구성하고 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 수전해 장치들에 전력을 공급하여 수소를 생성하도록 제어하는, 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템에 있어서,
    상기 상용전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 수전해 장치들에 출력시키되, 출력되는 전압(이하 부하 출력 전압)을 제어하는 AC/DC PWM 정류기;
    상기 신재생 에너지의 전원에 대하여 최대전력점 추종을 하고, 상기 신재생 에너지의 전원을 상기 수전해 장치들에 출력시키되, 최대전력점 추종에 의한 전압을 상기 AC/DC PWM 정류기에서 제어되는 부하 출력 전압으로 맞추도록 제어하는 DC/DC 컨버터;
    상기 적어도 2 이상의 수전해 장치들 각각에 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프에 의해 해당 수전해 장치로 전원 공급을 온/오프하는 스위치부; 및,
    상기 AC/DC PWM 정류기, 상기 DC/DC 컨버터, 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 DC/DC 컨버터의 출력되는 전압을 상기 부하 출력 전압 보다는 높게 하면서 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 벅 컨버터를 구비하여, 최대전력점 추종이 된 신재생에너지의 발전 전력을 상기 부하 출력 전압으로 맞추도록 전압 변환을 하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 AC/DC PWM 정류기에 대하여 사전에 정해진 전류 값 이하로만 출력되도록 출력 전류 제한을 설정하고, 신재생 에너지 발전량의 증가 또는 감소에 따라 상기 다수의 수전해 장치 중 일부를 선택하여 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스위치부에 대하여 제어하되, 상기 수전해 장치로 공급되는 전력(이하 공급 전력)이 현재 연결된 수전해 장치의 개수로 나눈 후, 나눈 전력이 사전에 설정된 최대 전력 보다 크면, 오프(off)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 추가하여 온(on)시키고, 나눈 전력이 사전에 설정된 최소 전력 보다 작으면, 온(on)된 수전해 장치들 중 1개를 선택하여 오프(off)시키는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 수전해 장치에 의해 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 및, 상기 연료전지의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 DC/AC 인버터를 더 포함하고,
    상기 DC/AC 인버터의 출력은 상기 상용전원을 대신하여 상기 AC/DC PWM 정류기로 공급되거나 상기 상용전원과 함께 상기 AC/DC PWM 정류기로 공급되는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 전력변환 시스템.
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