KR100568182B1 - 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 산소공급부와, 연료가스공급부와, 연료전지와, 전력변환부와, 제어부와, 제어전원공급부를 갖는 연료전지전력공급부와; 계통전력공급부를 갖는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력제어방법은, 상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 개재되어 상기 연료전지에서 생성된 직류전류가 충전 또는 방전되는 2차전력공급부를 마련하는 단계와; 상기 2차전력공급부에 충전된 직류전류가 상기 제어전원공급부에 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 연료전지에서 계통전력 측으로 손실되는 전력을 보전하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 제어블럭도,
도 2는 종래 기술에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어예를 그래프로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 제어블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템에 있어서 전력을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어예를 그래프로 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
50 : 연료전지전력공급부 51 : 산소공급부
52 : 연료가스공급부 53 : 연료전지
54 : 전력변환부 55 : 부하전력검출부
56 : 연료전지전력검출부 57 : 제어부
58 : 2차전력공급부 59 : 제어전원공급부
60 : 계통전력공급부 70 : 부하
본 발명은 연료전지전력공급부와 계통전력공급부를 갖는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지에서 계통전력 측으로 손실되는 전력을 보전할 수 있게 되는 한편, 효율적인 전력공급을 달성할 수 있게 되는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 제어블럭도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 계통연계형 연료전지 발전 시스템은, 산소공급부(1)와, 연료가스공급부(2)와, 산소공급부(1)로부터 공급된 산소와 연료가스공급부(2)로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시키는 연료전지(3)와, 연료전지(3)에서 생성된 직류전류를 교류전류로 변환시켜 부하(30)에 공급하는 전력변환부(4)와, 산소공급부(1)와 연료가스공급부(2)에 전원을 공급하는 제어전원공급부(8)를 갖는 연료전지전력공급부(10)와, 부하(30)에 상용전력을 공급하는 계통전력공급부(20)를 포함한다.
상기 발전 시스템에 의해, 연료전지(3)는 산소공급부(1)로부터 공급된 산소와 연료가스공급부(2)로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시킨 후 전력변환부(4)로 전달하고, 전력변환부(4)는 직류전류를 승압하여 교류 전압으로 변환한 후 부하(30) 측으로 출력하게 된다.
여기서, 제어부(7)는 부하전력검출부(5)에서 검출된 부하전압과 부하전류 및 연료전지전력검출부(6)에서 검출된 연료전지출력전압과 연료전지출력전류를 전달받아 각각 부하전력 및 연료전지전력을 산출한다. 산출 후에 부하전력과 연료전지전력을 비교하여 그 비교 결과에 따라 연료전지전력을 조절한다. 즉, 산소공급부(1) 및 연료가스공급부(2) 중 어느 하나를 제어하여 부하전력에 대한 연료전지전력의 과/부족상태를 제거한다.
한편, 산소공급부(1) 및 연료가스공급부(2)의 작동에 필요한 전원은, 계통전력공급부(20)로부터 공급받게 된다.
상기와 같은 연료전지전력의 과/부족상태의 제거시 연료전지전력은 도 2에 도시된 바와 같이, 부하전력에 비해 서서히 증가 또는 감소하게 되므로, 부족상태일 때는 부족분을 계통전력공급부(20)에서 보충받고, 잉여상태일 때는 잉여분을 계통전력공급부(20)에 공급하게 된다.
상기와 같은 경우에 있어서, 부하전력에 대한 연료전지전력의 잉여상태일 때 이를 연료전지 측에서 볼 때는 손실전력에 해당되므로 전체 시스템의 발전효율을 저하시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연료전지에서 전력계통 측으로 손실되는 전력을 보전하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 측면이나 장점들은 부분적으로, 이어지는 상세한 설명에 의해 명백해질 것이며, 부분적으로 본 발명의 실제 적용에 의해 알 수도 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 산소공급부와, 연료가스공급부와, 상기 산소공급부로부터 공급된 산소와 상기 연료가스공급부로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시키는 연료전지와, 상기 연료전지에서 생성된 직류전류를 교류전류로 변환시켜 부하에 공급하는 전력변환부와, 상기 산소공급부와 상기 연료가스공급부에 전원을 공급하는 제어전원공급부를 갖는 연료전지전력공급부와; 부하에 상용전력을 공급하는 계통전력공급부를 갖는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법에 있어서, 상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 개재되어 상기 연료전지에서 생성된 직류전류가 충전 또는 방전되는 2차전력공급부를 마련하는 단계와; 상기 2차전력공급부에 충전된 직류전류가 상기 제어전원공급부에 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
여기서, 상기 2차전력공급부의 충전전압을 검출하는 단계와; 상기 충전전압을 소정 기준전압과 비교하여 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계와; 비교 결과 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 상기 계통전력공급부로부터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계를 더 포함함으로써, 2차전력공급부로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우 보충적으로 계통전력으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
나아가, 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 상기 계통전력공급부로부 터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계는, 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 최대출력전력값을 갖는 상기 연료전지의 출력전압 및 출력전류를 검출하는 단계와; 상기 검출된 연료전지의 출력전압 및 출력전류에 기초하여 연료전지전력을 산출하는 단계와; 상기 연료전지전력을 상기 연료전지의 최대출력전력값과 비교하여 비교 결과 상기 연료전지전력이 상기 연료전지의 최대출력전력값보다 크면 상기 계통전력공급부로부터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계로 구체화될 수 있다.
게다가, 상기 연료전지전력을 상기 연료전지의 최대출력전력값과 비교하여 비교 결과 상기 연료전지전력이 상기 연료전지의 최대출력전력값보다 크지 않으면 산소 또는 연료의 공급량이 증가되도록 상기 연료가스공급부 및 상기 산소공급부 중 적어도 하나를 제어하고, 상기 2차전력공급부가 충전되도록 상기 2차전력공급부를 제어하는 단계를 더 포함함으로써, 2차전력공급부가 충전가능할 경우에 있어서는 충전하여 제어전원공급부에 공급되게 할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 제어블럭도이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템은, 산소공급부(51)와, 연료가스공급부(52)와, 산소공급부(51)로부터 공급된 산소와 연료가스공급부(52)로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시키는 연료전지(53)와, 연료전지(53)에서 생성된 직류전류를 교류전류로 변환시켜 부하(70)에 공급하는 전력변환부(54)와, 부하의 부하전압과 부하전류를 검출하는 부하전력검출 부(55)와, 최대출력전력값을 갖는 연료전지(53)의 출력전압과 출력전류를 검출하는 연료전지전력검출부(56)와, 연료전지(53)에서 생성된 직류전류가 충전 또는 방전되는 2차전력공급부(58)와, 산소공급부(51), 연료가스공급부(52) 및 2차전력공급부(58)를 제어하여 전력공급을 제어하는 후술할 제어부(57)와, 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52)에 전원을 공급하는 제어전원공급부(59)를 갖는 연료전지전력공급부(50)와, 부하(70)에 상용전력을 공급하는 계통전력공급부(60)를 포함한다.
산소공급부(51), 연료가스공급부(52), 연료전지(53), 전력변환부(54), 부하전력검출부(55), 연료전지전력검출부(56), 및 제어전원공급부(59)는, 종래의 계통연계형 연료전지 발전 시스템에서 사용되는 것을 그대로 채용하여 사용할 수 있다.
종래 기술과 유사하게 연료전지전력공급부(50)의 상기와 같은 구성에 의해, 연료전지(53)는 산소공급부(51)로부터 공급된 산소와 연료가스공급부(52)로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시킨 후 전력변환부(54)로 전달하고, 전력변환부(54)는 직류전류를 승압하여 교류 전압으로 변환한 후 부하(70) 측으로 출력하게 된다.
여기서, 본 발전 시스템의 전체적인 제어를 담당하는 제어부(57)는 부하전력검출부(55)에서 검출된 부하전압과 부하전류 및 연료전지전력검출부(56)에서 검출된 연료전지출력전압과 연료전지출력전류를 전달받아 각각 부하전력 및 연료전지전력을 산출한다.
또한, 제어부(57)는 산출 후에 부하전력과 연료전지전력을 비교하여 그 비교 결과에 따라 연료전지전력을 조절하기 위해 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52) 중 어느 하나를 제어하는 한편, 필요에 따라 계통전력공급부(60)로부터도 전력을 공급받아 부하에 제공하기도 하고, 계통 측으로 손실될 수 있는 여분의 전력을 2차전력공급부(58)에 충전되도록 제어하기도 한다.
이와 별도로, 제어전원공급부(59)의 전원공급과 관련하여 제어부(57)는, 2차전력공급부(58)가 충전될 필요가 있다고 판단한 경우, 산소 또는 연료가스의 공급량이 증가되도록 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52) 중 어느 하나를 제어하는 한편, 증가된 연료전지전력을 2차전력공급부(58)에 충전되도록 2차전력공급부(58)를 제어하여 이를 제어전원공급부(59)에 공급되도록 제어하고, 산소 또는 연료가스의 공급량을 증가시킬 수 없을 경우에 있어서는 계통전력공급부(60)로부터 전력을 공급받도록 제어한다. 이러한 제어부(57)의 상세한 제어과정은 도 4 및 도 5를 참조하여 하기에서 설명하기로 한다.
2차전력공급부(58)는 연료전지(53)와 전력변환부(54) 사이에 개재되어 연료전지에서 생성된 직류전류가 충전 또는 방전되는 배터리수단을 포함한다.
여기서, 2차전력공급부(58)는 연료전지의 최대출력전력값에 비해 비교적 작은 충전용량을 갖더라도 전력계통 측으로 손실되는 전력을 보전하고자 하는 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다.
제어전원공급부(59)는 특히, 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52)에 전원을 공급한다. 여기서, 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52)는 일반적으로 팬모터를 채용하여 산소 또는 연료가스의 공급량을 조절하는데, 이러한 팬모터 구동용 무 정류자 전동기의 전원으로 공급되는 것을 포함한다.
일반적으로 이러한 팬모터는 직류전압을 사용하므로 계통전력공급부(60)로부터의 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 직류전압변환기(59a)와 2차전력공급부(58)의 충전전압을 제어전원공급부(59)에서 필요로 하는 전압에 맞게 조정하는 직류전압조정기(59b)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 부하전력이 연료전지의 최대출력전력을 초과하는 경우 또는 2차전력공급부(58)의 충전전압이 소정의 기준 전압 이하이고 산소 또는 연료가스의 공급량을 증가시킬 수 없는 경우에 있어서, 계통전력공급부(60)로부터 상용전력을 공급받을 수 있도록 단방향 도통 특성을 갖는 다이오드를 직류전압변환기와 직류전압조정기 사이에 마련하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템에 있어서 전력을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어예를 그래프로 도시한 도면이다.
먼저 도 4를 참조하면, 연료전지(53)와 전력변환부(54) 사이에 2차전력공급부(58)를 마련하고(S100), 본 발전 시스템을 기동시킨 후 일정 주기로 2차전력공급부(58)의 충전전압을 검출한다(S150).
상기 검출된 충전전압과 미리 설정된 소정의 기준전압을 비교하여(S200), 상기 충전전압이 소정 기준전압보다 크면 2차전력공급부(58)에 충전된 직류전류가 제어전원공급부(58)에 공급되도록 2차전력공급부(58)를 제어한다(S500).
이로써, 부하전력에 대한 연료전지전력의 여유분을 2차전력공급부(58)에 충 점함으로써 계통 측으로 손실되던 전력을 보전하는 한편, 충전전력을 시스템에 필요한 전원으로 사용함으로써 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 검출된 충전전압이 소정 기준전압보다 크지 않은 경우에 있어서는, 연료전지의 출력전압과 출력전류를 검출하여(S250) 이에 기초하여 연료전지전력을 산출한 후(S300), 미리 설정된 연료전지의 최대출력전력값과 비교한다(S350).
상기 S250 및 S300 단계는 본 발명의 과정과는 별도로 진행되는 부하(70)에의 전력 공급 과정에 있어서 검출 또는 산출된 값을 사용하더라도 무방하다.
비교 결과 산출된 연료전지전력이 연료전지의 최대출력전력보다 크면 산소 또는 연료가스의 공급량이 증가되도록 산소공급부(51) 및 연료가스공급부(52) 중 적어도 어느 하나를 제어하고(S400), 상기 생성된 전력을 2차전력공급부(58)에 충전되도록 2차전력공급부(58)를 제어한다(S450).
상기 2차전력공급부(58)에 충전된 충전전력이 제어전원공급부(59)에 공급되도록 제어한다(S500).
이로써, 2차전력공급부(58)에 충전할 필요가 있다고 판단된 경우 산소 또는 연료가스의 공급량을 증가시켜 연료전지전력을 증가시키고, 이에 의해 생성된 여분의 연료전지전력을 제어전원공급부(59)에 공급되도록 할 수 있게 된다.
한편, 비교 결과 산출된 연료전지전력이 연료전지의 최대출력전력보다 크면 산소 또는 연료가스의 공급량을 증가시켜 연료전지전력을 증가시킬 수 없는 상태에 이른 것이므로, 보충적으로 계통전력공급부(60)로부터 전력을 공급받아 제어전원공급부(59)에 공급되도록 제어한다(S550).
이로써, 종래에 계통전력공급부(60)로 손실되던 전력을 보전하는 한편, 보전된 손실 전력을 시스템에서 필요한 전원으로 사용할 수 있게 되어 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 구성에 의하여, 연료전지에서 계통전력 측으로 손실되는 전력을 보전하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람들이라면 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지에서 계통전력 측으로 손실되는 전력을 보전하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
Claims (4)
- 산소공급부와, 연료가스공급부와, 상기 산소공급부로부터 공급된 산소와 상기 연료가스공급부로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전류를 발생시키는 연료전지와, 상기 연료전지에서 생성된 직류전류를 교류전류로 변환시켜 부하에 공급하는 전력변환부와, 상기 산소공급부와 상기 연료가스공급부에 전원을 제공하는 제어전원공급부를 갖는 연료전지전력공급부와; 부하에 상용전력을 공급하는 계통전력공급부를 갖는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법에 있어서,상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 개재되어 상기 연료전지에서 생성된 직류전류가 충전 또는 방전되는 2차전력공급부를 마련하는 단계와;상기 2차전력공급부에 충전된 직류전류가 상기 제어전원공급부에 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력공급방법.
- 제1항에 있어서,상기 2차전력공급부의 충전전압을 검출하는 단계와;상기 충전전압을 소정 기준전압과 비교하여 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계와;비교 결과 상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 상기 계통전력공급부로부터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법.
- 제2항에 있어서,상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 상기 계통전력공급부로부터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계는,상기 기준전압이 상기 충전전압보다 크면 최대출력전력값을 갖는 상기 연료전지의 출력전압 및 출력전류를 검출하는 단계와;상기 검출된 연료전지의 출력전압 및 출력전류에 기초하여 연료전지전력을 산출하는 단계와;상기 연료전지전력을 상기 연료전지의 최대출력전력값과 비교하여 비교 결과 상기 연료전지전력이 상기 연료전지의 최대출력전력값보다 크면 상기 계통전력공급부로부터 상기 제어전원공급부로 전력이 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법.
- 제3항에 있어서,상기 연료전지전력을 상기 연료전지의 최대출력전력값과 비교하여 비교 결과 상기 연료전지전력이 상기 연료전지의 최대출력전력값보다 크지 않으면 산소 또는 연료의 공급량이 증가되도록 상기 연료가스공급부 및 상기 산소공급부 중 적어도 하나를 제어하고, 상기 2차전력공급부가 충전되도록 상기 2차전력공급부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전 력제어방법.
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