태양전지 및 연료전지용 소용량 하이브리드 인버터 설계 및 구현 = Design and implementation of hybrid small-sized power inverter for PV and fuel cell

국문 초록 (Abstract)

4차 산업혁명 시대의 총아로 떠오르는 로봇, 드론 등의 전력 공급원으로서 장시간 고출력을 낼 수 있는 배터리로 태양전지, 연료전지 및 리튬-이온 전지 등이 각광받고 있다. 특히 태양전지, 연료전지는 신재생에너지 전원으로서 세계적으로 시장이 확대되고 있는 추세이다. 전지의 효율적 전력 운용을 위해 인버터가 필수적이며 태양광 등 계통연계형 인버터 기술에 대한 연구가 매우 활발한 반면에, 로봇, 드론 등의 이동형 장치 등의 동력원으로 태양전지, 연료전지에 동시에 적용이 가능하고, 이차전지 등의 에너지저장장치 등과 결합하여 높은 효율, 높은 에너지 밀도, 장시간 사용 수명 등을 보장하는 새로운 하이브리드형 전력원에 대한 요구가 높아지고 있어, 하이브리드 인버터 기술의 개발이 시급한 상황이다. 일례로 배터리 전원에 태양광과 연료전지를 보충하는 하이브리드 기술이 일본을 비롯한 미국에서 상용화됨에 따라 2차전지에 그린전원을 더한 하이브리드 제어 방식의 새로운 전력변환장치 및 제어 기술의 연구가 절실히 필요한 실정이다.
본 논문은 태양전지, 연료전지, 리튬-이온 전지를 병합하여 로봇 및 제어기의 구동, 통신 및 각종 임무장비의 운전 등을 효율적으로 하는 태양전지·연료전지용 소용량 하이브리드 인버터 시스템을 설계하고 구현하는 데 그 목적이 있으며, 이를 위해 먼저 태양전지, 연료전지 및 리튬-이온 전지에 대한 전기적 모델을 정립하고, 이 모델들을 기반으로 하이브리드 인버터 시스템의 구조를 제안하고, 각 구성 요소들을 설계 및 검증한 후, 전체 시스템을 검증하며, 최종적으로 제안한 소용량 하이브리드 인버터 시스템을 실제 로봇의 전력 시스템으로 장착하여 실증하고 있다.
에너지 발생 원리가 서로 다른 태양전지, 연료전지 그리고 리튬-이온 전지에 대한 전원 특성을 이해하여 전기적 등가 선형 모델을 정립하여 하이브리드 인버터 시스템의 구조 및 기능을 제안하고, 각 모듈들로 태양전지·연료전지용 벅 컨버터의 설계와 태양전지 활용에 필수적인 새로운 방식의 임피던스 매칭 최대전력점추종제어 기법을 제안하며, 리튬-이온 전지의 최적의 충방전을 위한 고승압비를 갖는 인터리빙 양방향 DC-DC 컨버터의 설계와 승압 모드에서의 효율 분석 방법을 제안하여 효율과 안정성을 동시에 고려한 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하고 있다.
제안한 하이브리드 인버터 시스템을 모듈 및 시스템 수준에서 모의 실험 및 실제 실험을 통해 검증하고, 실제 이동형 로봇에 적용함으로써 효용성을 실증함으로써 태양전지·연료전지용 소용량 하이브리드 인터버 시스템을 구현하고 있다.
결론적으로 본 연구가 제안하고 있는 태양전지·연료전지용 소용량 하이브드리 인버터 시스템은 로봇, 드론, 웨어러블디바이스, 모바일 전자기기 등에 적합한 전력 변환 솔루션을 제공할 뿐만 아니라, 리튬-이온 전지 이외의 다른 에너지저장장치(ESS)에도 결합되어 중대용량급 ESS용 전력변환장치로도 확대 적용이 가능해, 미래 신재생에너지 분야의 전력변환장치 기술에 저가형, 장시간, 고출력 인버터의 모듈 및 시스템 기술로서 독자적인 제품화 가능성을 제시하고 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 연구 목표 1
• 1.2. 연구 내용 및 논문의 구성 3
• 제 2 장. 전원 모델링 6
• 2.1. 태양 전지 모델링 6
• 2.2. 연료 전지 모델링 11
• 2.3. 리튬-이온 전지 모델링 19
• 제 3 장. 하이브리드 인버터 시스템 설계 32
• 3.1. 하이브리드 인버터 시스템의 구조 32
• 3.2. 벅 컨버터 제어기 설계 34
• 3.2.1. 벅 컨버터 모델링 34
• 3.2.2. 벅 컨버터의 전류·전압 제어기 설계 41
• 3.2.3. 벅 컨버터의 임피던스 매칭 MPPT 알고리즘 46
• 3.3. 양방향 DC-DC 컨버터 제어기 설계 55
• 3.3.1. 양방향 DC-DC 컨버터 모델링 55
• 3.3.2. 배터리 등가임피던스를 고려한 컨버터 모델 65
• 3.3.3. 인터리빙 전압·전류 제어기 설계 69
• 3.3.4. 부스트 컨버터의 효율 분석 80
• 3.4. 제안 하이브리드 인버터 시스템의 검증 93
• 3.4.1. 하이브리드 인버터 시스템의 모의 실험 94
• 3.4.2. 하이브리드 인버터 시스템 검증 실험100
• 제 4 장. 하이브리드 인버터 시스템의 실제 적용 103
• 4.1. 로봇용 하이브리드 인버터 시스템 설계 103
• 4.2. 하이브리드 인버터의 로봇 적용 실험109
• 제 5 장. 결 론 113
• 참고문헌116

참고문헌 (Reference)

1. “신재생에너지-지능형로봇 융합기술개발”, 대구경북과학기술원, 미래창 조과학부, Dec, , 2015

2. “태양광 발전시 스템의 MPPT 알고리즘 분석”, 안진웅, 최주엽, 최익, 정승환, 이동하, 심재휘, 양승대, 한국태양에너지학회, 한국태양에너지학 회 논문집, 제31권 제2호, pp. 16-21, April, , 2011

3. “Drone Technologies for Detecting Fault of Photovoltaic Plant”, J. Choi, Y. Lee, G. Yu, I. Choy, S. Cho, D. Kim, 한국태양에너지학회, 한국태 양에너지학회 학술대회논문집 , p. 82, , 2017

4. “전기적 모델링을 통한 리 튬이온 전지의 충전 상태 추정”, 구본하, 조영민, 조상윤, 이영권, 최익, 최주엽, 전력전자학회 년도 정기총회 및 추 계학술대회 , pp. 113-114 Nov. 2015, , 2015

5. “PV 시스템의 부 분 음영을 대비한 새로운 하이브리드 MPPT 기법”, 김수빈, 조영민, 최주엽, 김동균, 최익, 조상윤, 이영권, 전력전자학회 년 추계학술대회 논문집, pp. 21-22, 2015, , 2015

6. “4차 산업혁명 핵심기술로 주목받는 이차전지, 연료전지 및 태 양전지 시장실태와 기술개발동향”, 임팩트, 임팩트, 서울. pp. 1-679, , 2018