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KR101070906B1 - 분산 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

분산 발전 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR101070906B1
KR101070906B1 KR1020040078261A KR20040078261A KR101070906B1 KR 101070906 B1 KR101070906 B1 KR 101070906B1 KR 1020040078261 A KR1020040078261 A KR 1020040078261A KR 20040078261 A KR20040078261 A KR 20040078261A KR 101070906 B1 KR101070906 B1 KR 101070906B1
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South Korea
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fuel cell
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speed
turbine
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KR1020040078261A
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양현섭
설승기
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설승기
삼성테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명은 운전점을 일정하게 유지할 수 있는 분산 발전 시스템 및 이를 제어하는 방법을 제공하고, 분산 발전 시스템의 운전점을 일정하게 유지하기 위하여 전동발전유닛의 회전 속도를 일정하게 유지할 수 있는 분산 발전 시스템 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 달성하기 위하여 본 발명에서는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전류와 물과 열을 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지에서 생산된 열을 이용하여 회전력을 얻는 터빈; 상기 터빈의 회전력을 이용하여 상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기; 배터리에서 공급되는 전류에 의해 전동기로써 작동하면서 시동되고, 일단 회전하기 시작한 이후에는 상기 터빈의 회전력에 의해 회전하면서 발전기로써 전류를 생성하는 전동발전유닛 및 상기 연료전지에서 발생한 DC전력과 상기 전동발전유닛에서 발생한 AC전력을 합하여 3상 계통으로 공급하는 인버터부를 구비하는 분산 발전 시스템을 제공하고, 또한, 이를 제어하는 방법으로서, 전동발전유닛의 회전 속도를 감지하고, 감지된 회전 속도와 미리 설정된 기준 회전 속도를 비교하여 필요에 따라 전동발전유닛에 전류를 공급하여 회전 방향 또는 그 반대방향으로 부하를 발생시켜 전동발전유닛의 회전 속도를 제어하는 분산 발전 시스템의 제어방법을 제공한다.

Description

분산 발전 시스템 및 그 제어 방법{Distributed power generation system and control method for the same}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 분산 발전 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 인버터부의 구성의 일례를 보여주는 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 터빈발전부 11: 전동발전유닛
12: 압축기 13: 터빈
20: 연료전지 30: 제어부
40: 인버터부 41: 정류회로
42: 평활회로 43: DC/DC 컨버터
44: 메인 인버터 50: 배터리
60: 재생기
본 발명은 분산 발전 시스템(distributed power generation system) 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전 동작과 관련된 회전축의 회전 속도를 기준 속도로 일정하게 유지할 수 있는 연료전지(fuel cell)를 이용한 분산 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적인 연료전지를 이용한 분산 발전 시스템은 연료전지에서 발생한 DC전력과 발전기(generator)의 3상 전력을 정류하여 DC전력을 얻는다. 이 DC전력을 인버터(inverter)를 이용하여 50Hz 내지 60Hz의 AC전력을 발생시키고, 이를 3상 계통으로 공급한다.
또한, 연료전지를 포함하는 분산 발전시스템은 연료전지 자체에서 화학반응을 이용하여 전류를 발생시키고 이를 상기 발전기에서 발생시킨 전력과 함께 3상 계통으로 공급한다.
상기 연료전지에서 화학반응 중에 부산물로써 고온의 가스를 얻게되는데, 이용하여 연료전지로 공급되는 공기의 공급을 위한 동력을 자체적으로 수급하고, 동시에 상기 발전기에 회전력을 제공한다. 즉, 연료전지에서 발생한 고온의 가스를 압축기(compressor) 및 상기 발전기의 회전축에 일체로 연결된 터빈에 공급하여 상기 압축기와 상기 발전기을 가동시킨다.
여기서, 상기 발전기의 회전 속도는 터빈으로 유입되는 가스의 유량에 따라 속도가 변하게 되어, 발전기의 발전 효율이 고온의 가스의 터빈으로의 유입량에 따라 변동하게 된다. 이에 따라, 고속으로 회전하는 발전기와 연료전지를 활용한 분산형 발전 시스템에서 운전점(operating point)이 변동한다. 즉, 터빈을 회전시키는 고온의 가스의 유량이 변동하기 때문에 연료전지의 발전 효율이 가장 좋은 지점 에서 그 상태를 유지하면서 지속적으로 운전할 수 없게 된다. 또한, 고속으로 회전하는 전동발전유닛(motor/generator unit)의 출력 또한 최적효율 지점에서 일정하게 유지되지 않으므로 전체 시스템 효율이 최적인 상태로 유지되기 어렵다.
한편, 초고속으로 회전되는 임펠러(impeller)를 포함하는 압축기는, 시동으로부터 운전점까지 올라가거나, 일정 속도를 유지하는 운전점에서 다른 속도의 운전점으로 모드가 변환될 때에는 여러 가지 진동 모드(vibration mode)를 거치게 된다. 따라서, 고속으로 회전되는 발전기를 포함하는 분산 발전 시스템에서 운전점을 이동시키면서 가변운전을 하는 것은 진동을 피할 수 없어 어려움이 있다. 따라서, 운전점을 일정하게 유지할 수 있도록 분산 발전 시스템을 구성하고 운영할 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 운전점을 일정하게 유지할 수 있는 분산 발전 시스템 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 분산 발전 시스템의 운전점을 일정하게 유지하기 위하여 발전기의 회전 속도를 일정하게 유지할 수 있는 분산 발전 시스템 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 연료전지, 발전부 및 인버터부를 포함하고, 상기 발전부는 배터리에서 공급되는 전류에 의해 전동기로써 작동하면서 시동되고, 일단 회전하기 시작한 이후에는 상기 터빈의 회전력에 의해 회전하면서 발전기로써 전류를 생성하는 전동발전유닛을 포함하며, 상기 인버터부는 정류회로와 메인 인버터를 포함하는 분산 발전 시스템을 제어하는 방법으로서, (a) 상기 전동발전유닛 회전축의 회전 속도를 감지하는 단계; (b) 감지된 회전 속도와 미리 설정된 기준 회전 속도를 비교하여 기준 회전 속도보다 감지된 속도가 큰 경우, 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 회전 방향과 반대방향으로 부하를 발생시키고, 감지된 회전 속도와 미리 설정된 기준 회전 속도를 비교하여 기준 회전 속도보다 감지된 속도가 더 작은 경우, 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 회전 방향과 같은 방향으로 회전력을 부가하여 속도를 기준 속도에 맞춰 조절하는 단계; (c) 상기 전동발전유닛에서 발생되는 AC전력을 정류회로를 거쳐 DC전력으로 변환하고 상기 연료전지에서 발생되는 DC전력과 함께 메인 인버터로 제공하는 단계; (d) 상기 메인 인버터에서 입력되는 DC전력이 기준 전력과 차이가 나는 경우 상기 연료전지에서 공급되는 DC전력을 증감하여 기준 전력에 맞춰 조절하는 단계; 및 (e) 상기 메인 인버터에서 3상 계통으로 전력을 공급하는 단계를 포함하는 분산 발전 시스템의 제어 방법을 제공함으로써 달성된다.
상기 단계(a)에서, 상기 전동발전유닛은 배터리에서 입력되는 전류에 따라 회전축의 회전 방향에 대해 반대방향으로 부하를 작용하는 상태에서 운전되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 인버터부는 소정 개수의 커패시터를 포함하는 평활회로를 포함하고, 상기 커패시터 양단에 걸리는 전압이 기준 전압 이상이 되면 상기 커패시터에 충전된 전하를 3상 계통으로 내보내 상기 커패시터의 용량 초과를 방지하는 단 계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전류와 물과 열을 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지에서 생산된 열을 이용하여 회전력을 얻는 터빈; 상기 터빈의 회전력을 이용하여 상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기; 별도로 공급되는 전류에 의해 전동기로써 작동하면서 시동되며, 일단 회전하기 시작한 이후에는 상기 터빈의 회전력에 의해 회전하면서 발전기로써 전류를 생성하는 전동발전유닛; 및 상기 연료전지에서 발생한 DC전력과 상기 전동발전유닛에서 발생한 AC전력을 합하여 3상 계통으로 공급하는 인버터부를 구비하고, 상기 인버터부는 정류회로, DC/DC 컨버터 및 메인 인버터를 포함하며, 상기 DC/DC 컨버터에는, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전류를 공급받아 충전되고, 상기 전동발전유닛의 시동을 위한 전류를 공급하는 충전 가능한 배터리가 연결된 분산 발전 시스템을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 압축기에 의해 상기 연료전지로 수소 및 산소가 공급되고, 상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스에 의해 상기 터빈이 회전되며, 상기 터빈을 회전시키고 터빈으로부터 배출되는 고온의 가스에 의해 상기 압축기로부터 상기 연료전지에 공급되는 공기를 예열할 수 있는 재생기가 더 설치된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 전동발전유닛의 회전축의 회전 속도를 감지할 수 있는 센서를 구비하고, 상기 센서에서 측정된 회전 속도를 미리 설정된 기준 속도와 비교하여, 상기 배터리로부터 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 기준 속도에 맞추도록 부하를 가하거나 회전력을 더하도록 하여 상기 전동발전유닛의 회전축의 속도를 일정 하게 유지하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 분산 발전시스템의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 분산 발전시스템은, 연료전지(20), 터빈발전부(10), 제어부(30) 및 인버터부(40)를 포함한다.
상기 연료전지(20)는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전류와 고온의 가스를 발생시킨다. 상기 연료전지(20)에서 생산된 고온의 가스는 상기 터빈발전부(10)로 공급된다.
상기 터빈발전부(10)는 전동발전유닛(11), 압축기(12) 및 터빈(13)을 구비한다. 상기 전동발전유닛(11)은 고정자(stator) 및 회전자(rotor)를 포함하고, 상기 터빈발전부(10)가 초기에 작동하기 시작하는 시동 모드(starting mode)에서는 모터로서 작용하고, 일단 작동되기 시작한 후의 발전 모드(generating mode)에서는 발전기로서 작용한다.
상기 압축기(12), 터빈(13) 및 전동발전유닛(11)의 회전축은 일체로 형성되어 있고, 상기 전동발전유닛(11)이 시동 초기에 회전하면서 상기 압축기(12)의 임펠러를 회전시킨다. 상기 압축기(12)는 외부의 공기를 흡입하여 상기 연료전지(20)로 압축공기를 보낸다. 상기 연료전지(20)에서는 앞서 언급한 것과 같이, 전류와 고온의 가스를 발생하는데, 고온의 가스는 상기 터빈(13)으로 유입되어 터빈 (13)을 회전시켜 상기 전동발전유닛(11)이 발전기로서 기능할 수 있게 한다.
상기 연료전지(20)에서 발생된 전류는 상기 인버터부(40)로 이송된다. 한편, 상기 전동발전유닛(11)에서 발생한 전류 또한 상기 인버터부(40)로 이송된다. 상기 연료전지(20)에서 발생된 전류는 DC전류이고, 상기 전동발전유닛(11)에서 발생한 전류는 AC전류이기 때문에, 상기 인버터부(40)에서는 상기 전동유닛에서 발생한 전류를 DC전류로 변환하고, 다시 상기 연료전지(20)에서 발생한 DC전류와 합하여 다시 AC전력으로 변환한 후 3상 계통으로 내보낸다.
상기 제어부(30)는 상기 전동발전유닛(11)의 회전축의 회전 속도를 감지하는 센서(미도시)를 내장하고 있다. 물론 별도의 엔코더 등의 회전 속도 측정 수단을 사용할 수도 있다. 상기 제어부(30)는 상기 전동발전유닛(11)의 회전축 회전 속도를 측정하고, 미리 설정된 기준 속도와 비교하여 상기 전동발전유닛(11)으로 공급되는 전류를 조절한다.
상기 전동발전유닛(11)은, 시동 모드에서 모터로서 작동하고, 통상의 발전 모드에서도 약간의 전류를 공급받는 상태로 유지된다. 이때 약간의 전류를 공급받으면서 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 약간의 부하를 발생시키는 상태로 구동된다. 즉, 상기 터빈(13)에 공급되는 고온의 가스에 의해 회전축이 회전력을 받는 방향과 반대 방향으로 약간의 부하를 발생시키는 상태로 유지된다. 이렇게 유지되는 상태에서, 회전 속도를 감소시킬 필요가 있는 경우에는, 상기 제어부(30)의 작용에 의해 공급되는 전류의 양을 늘려 회전 방향과 반대 방향인 부하를 더 크게 하여 회전 속도를 감소시킨다. 반대로, 회전 속도를 증가시킬 필요가 있는 경우에 는, 상기 제어부(30)의 작용에 의해 공급되는 전류의 감소시켜 회전 방향과 반대 방향인 부하를 감소시켜 회전 속도를 증가시킨다.
한편, 상기 연료전지(20)에 공급되는 공기는 상기 터빈(13)을 거치고 방출되는 고온의 액체에 의해 예열(preheating)되도록 하는 것이 시스템의 전체 효율 향상을 위해 바람직하다. 이를 위해서는 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 연료전지(20)에 공급되는 공기로 상기 터빈(13)을 거치고 방출되는 고온의 액체가 열을 전달해 줄 수 있는 재생기(recuperator)(60)를 설치하는 것이 바람직하다.
도 2에는 본 발명에 따른 분산 발전기 시스템에 사용되는 인버터부(40)의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 상기 인버터부(40)는 정류회로(41), 평활회로(42), DC/DC 컨버터(43) 및 메인 인버터(44)를 포함한다.
상기 정류회로(41)는 상기 전동발전유닛(11)으로부터 입력되는 AC전력을 DC전력으로 변환한다. 이때, 상기 정류회로(41)에서 만들어진 맥류를 고르게 하기 위해 상기 정류회로(41)와 함께 상기 평활회로(42)가 사용된다. 상기 평활회로(42)를 거친 DC전류는 상기 연료전지(20)로부터 발생된 DC전류와 함께 상기 DC/DC 컨버터(43)로 입력되고 상기 DC/DC 컨버터(43)에서 필요한 전압으로 변환된 후 메인 인버터(44)에서 AC전류로 변환되어 3상 계통으로 공급된다.
상기 인버터부(40)에서 상기 DC/DC 컨버터(43)에는 충전이 가능한 배터리(50)가 연결된다. 상기 배터리(50)는 상기 DC/DC 컨버터(43)에 유입되는 전류 중 일부를 이용하여 충전되고, 상기 제어부(30)의 작용에 의해 상기 전동발전유닛(11) 에 전류를 공급한다.
한편, 상기 평활회로(42)는 커패시터(capacitor)를 하나 이상 구비하고, 상기 커패시터의 충전과 방전 작용에 의하여 직류 파형을 고르게 만드는 작용을 하게 된다. 그런데, 본 발명에 따른 시스템의 운전 중에는 상기 평활회로(42)에 구비된 커패시터에 충전이 과다하게 지속되어 커패시터가 파손되는 경우가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 평활회로(42)에 설치된 커패시터의 양단의 전압을 측정하고, 상기 커패시터가 견딜 수 있는 용량과의 관계에서 미리 결정된 기준 전압과 비교하여 상기 커패시터가 견딜 수 있는 용량을 초과하게 하는 전압에 가까워지면, 전류를 3상 계통으로 내보내서 상기 커패시터의 파손을 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 작용은 상기 메인 인버터(44)에서 수행하게 된다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지에서의 고온 가스 발생량의 변동이나 기타 다른 어떠한 원인에 의해 전동발전유닛의 회전속도가 변동하는 경우에는 빠른 시간 내에 전동발전유닛의 회전 속도를 기준 속도로 회복할 수 있도록 제어하는 것이 가능하다.
또한, 메인 인버터의 작용에 의해 평활회로에 포함된 커패시터에 충전된 전하가 과다해지는 경우 이를 3상 계통으로 흘려보내 상기 평활회로의 커패시터의 파손을 방지하는 것이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 연료전지, 발전부 및 인버터부를 포함하고,
    상기 발전부는 배터리에서 공급되는 전류에 의해 전동기로써 작동하면서 시동되고, 일단 회전하기 시작한 이후에는 상기 연료전지의 배출 가스로 작동되는 터빈의 회전력에 의해 회전하면서 발전기로써 AC전력을 생성하는 전동발전유닛을 구비하며,
    상기 인버터부는 정류회로와 메인 인버터를 구비하는 분산 발전 시스템을 제어하는 방법으로서,
    (a) 상기 전동발전유닛의 회전축의 회전 속도를 감지하는 단계;
    (b) 감지된 회전 속도와 미리 설정된 기준 회전 속도를 비교하여 기준 회전 속도보다 감지된 속도가 큰 경우, 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 회전 방향과 반대방향으로 부하를 발생시키고, 감지된 회전 속도와 미리 설정된 기준 회전 속도를 비교하여 기준 회전 속도보다 감지된 속도가 더 작은 경우, 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 회전 방향과 같은 방향으로 회전력을 부가하여 속도를 기준 속도에 맞춰 조절하는 단계;
    (c) 상기 전동발전유닛에서 발생되는 AC전력을 정류회로를 거쳐 DC전력으로 변환하고, 상기 연료전지에서 발생되는 DC전력과 함께 메인 인버터로 제공하는 단계;
    (d) 상기 메인 인버터에서 입력되는 DC전력이 기준 전력과 차이가 나는 경우 상기 연료전지에서 공급되는 DC전력을 증감하여 기준 전력에 맞춰 조절하는 단계; 및
    (e) 상기 메인 인버터에서 3상 계통으로 전력을 공급하는 단계를 포함하는 분산 발전 시스템의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(a)에서, 상기 전동발전유닛은 배터리에서 입력되는 전류에 따라 회전축의 회전 방향에 대해 반대방향으로 부하를 작용하는 상태에서 운전되는 것을 특징으로 하는 분산 발전 시스템의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는,
    소정 개수의 커패시터를 포함하는 평활회로를 더 포함하며,
    상기 (c) 단계에서는,
    상기 평활회로를 이용하여 상기 정류회로에서 만들어진 맥류를 고르게 해주며,
    상기 분산 발전 시스템의 운전 중에, 상기 평활회로의 상기 커패시터 양단에 걸리는 전압이 기준 전압 이상이 되면 상기 커패시터에 충전된 전하를 3상 계통으로 내보내 상기 커패시터의 용량 초과를 방지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 발전 시스템의 제어 방법.
  4. 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전류와 물과 열을 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지에서 생산된 열을 이용하여 회전력을 얻는 터빈;
    상기 터빈의 회전력을 이용하여 상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기;
    별도로 공급되는 전류에 의해 전동기로써 작동하면서 시동되며, 일단 회전하기 시작한 이후에는 상기 터빈의 회전력에 의해 회전하면서 발전기로써 전류를 생성하는 전동발전유닛; 및
    상기 연료전지에서 발생한 DC전력과 상기 전동발전유닛에서 발생한 AC전력을 합하여 3상 계통으로 공급하는 인버터부를 구비하고,
    상기 인버터부는 정류회로, DC/DC 컨버터 및 메인 인버터를 포함하며,
    상기 DC/DC 컨버터에는, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전류를 공급받아 충전되고, 상기 전동발전유닛의 시동을 위한 전류를 공급하는 충전 가능한 배터리가 연결된 것을 특징으로 하는 분산 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압축기에 의해 상기 연료전지로 수소 및 산소가 공급되고,
    상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스에 의해 상기 터빈이 회전되며,
    상기 터빈을 회전시키고 터빈으로부터 배출되는 고온의 가스에 의해 상기 압축기로부터 상기 연료전지에 공급되는 공기를 예열할 수 있는 재생기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 분산 발전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전동발전유닛의 회전축의 회전 속도를 감지할 수 있는 센서를 구비하고, 상기 센서에서 측정된 회전 속도를 미리 설정된 기준 속도와 비교하여, 상기 배터리로부터 상기 전동발전유닛에 전류를 공급하여 기준 속도에 맞추도록 부하를 가하거나 회전력을 더하도록 하여 상기 전동발전유닛의 회전축의 속도를 일정하게 유지하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 발전 시스템.
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