전력전자 연구그룹 주요기술

한국전기연구원 전력전자 연구그룹 김종수 그룹장 세미컨덕터 스위치를 이용한 고압펄스전원장치 (High Voltage Pulse Power Supply Using Semiconductor Switches) 기술의 개념과 활용분야는 반도체 스위치를 이용한 반영구적, 활용성이 높은 전원 장치 개발이며 고압 펄스 전원 장치에 사용할 수 있는 반도체 스위치 직렬 stacking 기술 및 구동기술이다. 연구내용은 10kV, 300A 급 반도체 스위치 개발이며 120kV, 300A 급 펄스 전원장치 개발이다. 활용 분야는 Plasma source ion implantation, Microwave generation, Electron-beam generation, Solving the ecological problems이다. CNT 디스플레이 구동에 필요한 펄스전원 장치 개발 (Development of Pulse Power Supply for CNT Display) 이 연구는 에너지관리공단과 에어텍시스템이 지원하고 참여했다. 연구내용은 신광원 CNT Display 구동에 필요한 Anode용 고압 DC 전원 장치 및 gate-cathode용 펄스 전원 장치이며 주요 사항은 다음과 같다. ·Anode H/V DC Power Supply : 2~16kV/10mA ·Gate-Cathode Pulse Power Supply - Duty Ratio : 1~30% - Pulse Repetition Rate : 0.1~30kHz - Prise : 200~500ns - Pfall : 100~200ns (Load Dependent) 활용 분야는 CNT display 구동 전원 장치다. 차세대 지능형 홈의 생활절전 상황인지 Home Network System 기술 기술의 개념과 활용분야 기술적 개요 국가 미래성장동력 정책사업과 관련하여 그 일환으로 시행되고 있는 경상남도의 지역특화사업인 지능형 홈 기술연구가 활발히 진행됨에 따라서, 특히 주거환경 중심으로 홈네트워크 기반의 정보가전기기들이 상당히 많이 개발되고 있다. 그러나, 이러한 정보가전기기들은 주거생활의 편의성 제공을 위한 네트워크 연결에 의해, 상시 전원인가상태 또는 전원대기상태를 유지하는 것이 불가피하며, 이로 인해 홈거주자의 정보가전기기 사용유무에 관계없이 지속적으로 전원공급상태가 되는데, 이 때의 소비 전기량(이하 대기전력)은, 주거시스템이 지능형 홈으로 발전함으로서, 급속히 증가하는 추세이다. 최근, 정보가전기기에 적용되고 있는 대기전력 저감기술은 제품내 전자장치의 전원장치내에 장치되는 방향으로 규제강화를 통해 추진중에 있으며 절전정도는 1W이하 수준을 지향하고 있다. 본 연구개발은 1W이하의 절전기능이 미확보된 정보가전기기의 절전수준을 Zero화로 유도하는 지능형 AUTO스위치를 개발하고 있다. 주요특징 · 전원플러그 꽂힘상태하의 Plug-In 대기(무부하 동작)상태시 스위치 OFF 및 유부하(부하동작시)상태시 ON 기능의 자동절전스위치 · 정격사양 : 220VAC/5A · Plug-In 대기시 PC(개인컴퓨터) 전력소비량 비교 : 적용전 4Watt/적 용후 0.35Watt 활용 분야 1) 정보가전기기의 대기절전 모듈 2) 지능형 홈의 생활절전 정보 기본단위 센스네트워크 MW급 집중배치형 PV용 고압연계 PCS기술개발 기술의 개념과 활용분야 최근 지구환경문제, 석유가 급등, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해·무진장의 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 최근, 국가산업으로 무한한 태양에너지를 이용한 대규모 발전을 추진할 필요성이 부각되고 있는 추세이다. 본 과제는 건물에 분산 배치되는 태양광 발전과 달리 태양전지를 한곳에 집중 배치하여 발전소 개념의 대용량 태양광 발전용 전력변환 장치(Power Conditioning System, PCS)를 개발하는 것이다. 과제는 2단계로 나눠져 있으며 각단계는 3년으로 구분되어져있다. 1단계에서는 태양광 발전용 전력변환 장치에 필요한 요소 기술 및 200kW급 대용량 전력변환 장치를 개발하여 병렬 운전하는 것을 목표로 하고 있으며 2단계에서는 1단계에서 개발된 대용량 전력변환장치를 병렬 운전하여 최대 1MW 발전용량을 가진 태양광 발전 시스템을 구축하고 이를 운용하는 것을 목표로 하고 있다. 활용 분야 ·집중 배치형 대용량 태양광 발전 시스템 100kW 태양전지 모의 시험장치 개발 기술의 개념과 활용분야 최근 지구환경문제와 원유가 급등으로 인해 국내에서도 신재생에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라 태양광 발전용 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS)에 대한 관심도 고조되고 있으며 많은 기업에서 개발에 집중하고 있다. 이에 따라 고성능의 전력변환 장치를 개발하기 위해 비선형적인 태양전지의 특성을 모의해 주는 전원장치에 대한 요구가 날로 증대되고 있다. 반면에 현재 시판되고 있는 제품은 상당히 고가이고 다양한 용량의 제품이 제공되고 있지 못함으로 인해 태양광용 전력변환장치를 개발하는데 있어서 모의 시험장치를 구축하는데 어려움을 겪고 있는 것이 현실이다. 또한 PCS의 개발동향이 출력을 증대하는 추세에 있으므로 전원확보가 더욱 힘든 상황이다. 모의시험장치에 사용되는 topology는 크게 두 가지로 구현되고 있다. 하나는 먼저 태양전지의 최대 출력전압에 맞는 직류전압을 승압시켜 만든 다음 트랜지스터를 이용하여 리니어하게 출력을 제어하는 방식이다. 이방식의 장점은 정밀하게 출력을 제어할 수 있으며 응답속도를 매우 빠르게 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 트랜지스터를 active 영역에서 사용함으로 인해 손실이 커져 열적인 문제가 발생하기 때문에 용량을 증대하는데 한계를 가지고 있다. 두 번째 방식은 스위칭 방식으로 PWM 정류기 등으로 전압을 승압하여 높은 전압을 얻은 다음 쵸퍼 등을 이용하여 출력전압을 조절하는 형태이다. 이 방식은 앞의 방식과 달리 스위칭 방식을 이용하기 때문에 열적인 문제에서 유리한 점이 있으나 단점으로는 스위칭 방식이므로 후단에 필터가 추가되어야 하며 전압이 높으면 높을수록 원하는 전류정밀도를 위해서는 더욱더 큰 출력필터를 필요로 한다는 단점이 있다. 본 과제에서는 스위칭 방식을 이용하면서 다른 단점들을 극복할 수 있는 topology에 대한 연구를 진행하고 있으며 출력전압을 간단히 모듈을 늘림으로써 원하는 사양의 전압을 쉽게 달성할 수 있게 하며 출력전압에 상관없이 출력필터는 일정한 하나의 값으로 고정할 수 있으므로 필터를 재설계하고 교환할 필요가 없다는 장점을 지고 있으며 전압이 낮거나 높거나에 관계없이 항상 일정한 출력리플을 제어 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 1차년도에는 600Vdc, 10kW급을 개발하며 2차년도에서는 100kW급을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 향후에는 [그림6]에서 보는 바와 같은 태양전지 모의 전원 이외에 계통전원 모의장치 및 계통부하 모의 장치를 개발하여 통합적인 시험을 할 수 있는 태양광 발전용 전체 계통 모의 장치를 개발하고자 한다. 활용 분야 · 태양광 발전용 PCS개발용 · 가변 출력전압 범위가 넓은 직류전원장치분야 고속전철 추진시스템 제어기 및 추진제어 알고리즘 세계 3번째로 독자기술에 의한 시속 350KM/H 급 한국형 고속전철차량내의 전장품 시스템 전반에 대한 총괄책임을 지고 엔지니어링 기술을 개발하고 그 세부항목으로 추진시스템 제어 알고리즘 및 이를 구현하기 위한 TCU(Traction Control Unit)을 2002년 G7사업으로 자체기술 개발에 성공하였다. 개발된 추진시스템 제어장치는 현재 한국형 고속전철 시제차량에 탑재되어 2004년 최고 시속 350KM/H 속도 운전에 성공하였으며 관련 기술을 참여업체인 (주)현대중공업과 (주)로템에 기술 이전하였다. 현재 추진시스템 전반에 대한 기술 자문을 수행하고 있으며 상용화 편성차량에 탑재되기 위한 추진시스템 제어장치 및 제어알고리즘의 상용화 개발을 (주)로템으로부터 기업수탁과제로 수행하고 있다. 지능형/고효율 3kW 고분자전해질용 PCS 설계기술 연료전지는 기존의 DC전원과는 달리 강한 비선형성과 느린 동특성 및 낮은 출력전압의 특성을 갖기 때문에 기존의 전력변환장치 및 제어기를 바탕으로 한 Power Conditioning System (PCS)을 그대로 적용할 수가 없으며, 연료전지의 특성을 고려한 PCS의 개발이 반드시 이루어져야만 한다. 연료전지의 주요구성으로 연료전지의 낮은 출력전압에서 수백 V의 전압으로 증가시키고 초기기동 시와 부하변동에 따라 강인한 대응을 할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터와 수요자 측에서 요구하는 60[Hz]의 120/220[V-AC]을 출력하는 DC-AC 인버터 그리고 시스템 제어와 계통연계 및 보호를 위한 제어기와 시스템 안정성을 개선하기 위한 배터리 백업장치가 연료전지용 PCS의 주요한 요구사항이라 할 수 있다. 과제를 통해서는 최종적으로 1차년도와 2차년도에서는 1kW PEMFC를 대상으로 계통연계형 DC-DC-AC 컨버터 시스템을 개발할 것이다. 개발되는 사항은 전체 효율 85%이상, THD 3%이하, 주파수변동률 ±1% 이하, 전압변동률 10%이하로 정하며 계통연계를 위한 제어기 개발과 알고리즘을 개발한다. 이를 바탕으로 3차년도에서는 3kW용 계통연계형 PCS를 개발하며 효율을 90%이상으로 운용할 수 있도록 한다. 활용 분야 · 고분자전해질용 PCS 장치 · 각종 배터리 백업 전원 장치 · 신재생 에너지용 PCS 전원으로 응용 · 계통 연계형 전원장치에 활용 비접촉 변압기 설계 기술 비접촉 공진형 컨버터 핵심소자의 최적설계 기술을 연구내용으로 하며 주요 내용은 기존 비접촉 전원장치 특성 테스트,비접촉 커플러 등가회로 구현, 비접촉 전원장치의 공진 특성 해석, 효율 향상을 위한 다양한 회로 방식 적용, 비접촉 커플러의 직/병렬 결합에 대한 특성 해석이다.