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캘리포니아에는 두개의 주립대학교 시스템이 존재합니다. 연구 중심인UC(University of California) 시스템과 교육 중심인 CSU(California State University) 시스템이 존재합니다.  제가 2013년부터 가을 학기부터 근무하고 있는 ‘California State University, Fresno’는 ‘Fresno State University’이라고 부르는 캘리포니아에 있는 교육 중심의 주립대학 중에 하나 입니다. 

제 연구실을 소개하기 전에 간단히 프레스노(Fresno) 도시와 프레스노 주립대(Fresno State)를 먼저 소개하도록 하겠습니다. Fresno는 중가주(Central California, Central Valle: 그림1)에 위치하고 있고, 미국 국립공원 중 하나인 Yosemite 국립공원(그림2 과 3)입구까지는 차로 1시간 30분 거리에 있습니다. 주된 산업은 농업으로 많은 견과류와 과일들을 생산하고 수출하고 있습니다. “An article appeared in California Policy Center on April 5, 2023. Boasting of his state's robust economic growth, California Gov. Gavin Newsom recently declared that “California's values and entrepreneurial spirit have powered this ascent to becoming the 4th biggest economy in the world.” 위 알려진 바와 같이 캘리포니아 주자체 경제순위가세계 4번에 위치한다고 최근 캘리포니아 주지사 게빈 뉴셤에 의해 다시 한번 정의되었고, 중가주의 농업 규모도 세계 농업 경제의 상당한 위치를 차지하고 있습니다.   

그림 1. 캘리포니아 지도 (출처 : https://oag.ca.gov/gambling/game/central_valley)

그림 2. 요세미티 전경 (출처 : https://www.nps.gov/yose/index.htm)

그림 3. 필자의 요세미티 방문 : 2023년 6월 15일

프레스노 주립대는 CSU 23 campus 중 하나입니다. 제 전공이 전기 및 컴퓨터(Electrical and Computer Engineering)공학 전공으로 제 전력변환 연구실을 대해서 간략히 소개하도록 하겠습니다. 저는 2013년 8월부터 프레스노 주립대 전기및 컴퓨터 공학과의 정교수로 재직하고 있습니다. 이 학교서 가르치고 있는 과목은 전기 기계, 전력전자 및 전기, 전자관련 과목들을 가르치고 있습니다. 저에 대한 자세한 정보는 웹사이트(https://engineering.fresnostate.edu/faculty-research/wkna/index.html)를 보시면 잘 아실수 있습니다. 

그림 4. 필자의 전력계통 실험실 강의 모습 

위의 그림4는 필자의 전력 계통 실험실에서 학생들에서 전력 계통 연결을 설명하고 있는 사진으로써 저희 학과 사이트(https://engineering.fresnostate.edu/ece/index.html)를 통해서 볼 수 있습니다. 아래 사진5는 이쪽 Control System Lab 실험 장비로 전공 제어 시스템 전공 선택 과목으로, 전기 모터 제어기 설계를 배우게 됩니다.

그림 5. 제어공학 실험실

그림 6. 전기기기 및 전력변환 실험실

위의 사진6은 전기기계 실험 장비로서3,4학년 학부과정에서 직류기기와 교류기기 및 전력변환기에 대해서 실험실습을 하게 됩니다.

아래 장비 그림7는 실시간 제어기기 시뮬레이터로서, 수전해 기반 수소 생성 전력변환기 제어에 이용되었습니다.  본 과제는 2022년에 실리콘 밸리에 위치한 EH2.com라는 회사와 산학협력을 통해서 이루어 졌습니다.

그림8의 사진은 Digital Signal Processor 기반 태양광 에너지 전력변환기 설계에 이용되었던 500W 실험 장치입니다. 본기기를 통해 최대한 유효 태양광 에너지를 얻기 위해 여러가지 인공지능 제어 알고리즘이 적용되었습니다. 

그림 7. 실시간 제어기기 시뮬레이터

그림 8. 최적 에너지 실험 구성 

그림8의 실험 장비는 2018부터 2021년까지 미국 국가 과학 재단, NSF(National Science Foundation)지원 받아 에너지 하베스팅 관련 과제를 수행할 때 이용되었습니다. 위 과제의 자세한 정보는 웹사이트(https://www.nsf.gov/awardsearch/showAward?AWD_ID=1816197)를 참조하시기 바랍니다. 상기 과제의 주요 개념도는 아래 그림9 와 같고 태양광과 풍력 및 진동에너지를 전력변환기를 통해 배터리에 저장하고, 저장된 에너지는 무선 감지 센서에 에너지를 공급하게 됩니다. 최적의 에너지 저장과 제어를 위해서, 주 제어기가 모든 전류 및 전압 정보를 입력을 받아 제어하게 됩니다.

그림 9. 에너지 하베스팅 과제 개념도

그림10에 따르면 배터리의 충전상태: SOC(State of Charge)을 감시하여 SOC가 85%미만인 경우에는 충전모드도 진입하게 됩니다. 그렇지 않은 경우에는 충전을 허용하지 않습니다. 각 에너지원의 전력을 계산하여, 전체 생성된 전력이 미리 지정된 전력보다 부족하다면, 최대 전력 생성 알고리즘을 적용하여 충분한 전력이 생성 될 때까지 충전을 하지 않는, 전력 관리 플로우 차트를 그림10에서 볼 수 있습니다.  이와 같이 저희 캘리포니아 프레스노 주립대 전력변환 연구실에서는 전력 변환기 및 전기기기 제어 등등 전기, 전자에서 필수적 전력과목 교육과 관련분야 연구를 동시 진행하고 있습니다. 언제든지 저희 연구실에 대해서 궁금한 사항은 필자(wkna@csufreno.edu)에게 바로 문의해 주시기 바랍니다. 

그림 10. 에너지 제어 개념도 

그 외에 전기자동차 및 에너지 시스템용 전력 변환기에 관심이 있는 분들은 2022년 코센 브릿지 포럼에서 발표한 자료(https://kosen.kr/info/vod/90)가 있으니 참고해주시기 바랍니다.