KR100707551B1

KR100707551B1 - 터빈 시동 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100707551B1
Application number: KR1020010058964A
Authority: KR
Inventors: 신하가우탐(엔엠엔)
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2007-04-13
Also published as: EP1191207A3; DE60140591D1; JP2002209400A; EP1191207B1; US6437535B1; EP1191207A2; KR20020024545A

Abstract

마이크로터빈 발전기(12, 14)용 전력 시스템이 개시된다. 본 발명에 의해, 마이크로터빈은 외부 DC 전원(18)을 이용하여 시동될 수 있다. DC 전압은 양방향 벅 부스트 초퍼 회로(30), DC 버스(24) 및 DC/AC 변환기(26)에 의해 가변 DC 전압(42)으로 변환된다. DC/AC 변환기는, 자신의 출력 단자에서, 마이크로터빈을 정지상태로부터 시동 속도로 가속하기 위해, DC 전압과 협조하여 주파수(44)가 점진적으로 증가되는 고정된 전압 패턴을 발생시킨다. 마이크로터빈을 시동하게 되면, 여기가 중단되며, DC 버스(24) 및 DC/AC 변환기(26)는 전기적 부하(16)와 일치하도록 하는 주파수 및 전압 레벨에서 출력 AC 전력을 발생시키는데 사용된다.

Description

터빈 시동 방법 및 시스템{A STARTING SYSTEM AND METHOD FOR A MICROTURBINE POWER GENERATION UNIT}

도 1은 시동 동안 마이크로터빈의 전력 회로 토폴로지를 도시하는 개략도,

도 2는 도 1 에 도시된 전력 회로에 대한 외부 공급 전압과, DC 버스 전압과, AC 시동 전압을 도시하는 시동 타이밍 도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 전력 회로 12 : 마이크로터빈

14 : 전기 기계 16 : 전기 부하

18 : 시동 배터리 20 : 출력 전력 샤프트

22 : AC/DC 변환기 30 : 벅 부스트 초퍼(buck-boost chopper)

34 : 출력 필터

본 발명은 마이크로터빈(micro-turbines) 분야에 관한 것으로서, 특히, 마이크로터빈의 시동 시스템에 관한 것이다.

마이크로터빈은 통상 현장에서의 바전에 사용되는 소형 터빈이다. 마이크로터빈은 일반적으로 사무실 빌딩, 소매점, 소규모 제조 공장, 가정 및 다른 많은 설비에서 백업 전원 또는 보조 전원으로서 적용된다. 이들 설비는 전통적으로 전력 배선의 송전망을 통하여 전기 설비에 의해서 전력을 공급받아 왔다. 마이크로터빈에 의해, 이들 설비는 그 현장에서 전력을 발생시킬 수 있고 이에 따라 종래의 전력 송전망 및 시설에만 의존하지 않아도 된다. 또한, 마이크로터빈은 전력 설비에 의하여 송전망을 통하여 제공되는 전력보다 저가 및/또는 높은 신뢰성으로 전력을 발생시킨다.

마이크로터빈은 시동기를 필요로 한다. 이 시동기는 일반적으로 강력한 전기 기계 및 배터리와 같은 전기 기계 전원을 포함한다. 이 전기 기계는 (1) 터빈을 시동하는 모터로서 동작하도록 구성될 수 있고, (2) 마이크로터빈이 일단 시동된 후 마이크로터빈에 의해 구동되는 부하(a load)용 발전기(a generator)로서 구성될 수 있다. 시동 동안, (모터 모드에서 동작하는) 전기 기계는, 마이크로터빈이 자력으로 동작하고 (발생기 모드에서 동작하는) 전기 기계를 구동시키기에 충분히 빠른 회전 속도로 가속될 때까지 마이크로터빈을 회전시킨다.

마이크로터빈을 시동하는 종래의 제어기가, 마이크로터빈을 시동하는 조절가능한 속도 모터 드라이브(an adjustable speed motor drive)로서 동작하는 펄스폭 변조기(a pulse-width modulator : PWM) 인버터를 설명하는 미국 특허 제 6,020,713호 ('713 특허)에 기재되어 있다. PWM 인버터에 연결된 전기 기계는 시동동안 마이크로터빈을 구동하도록 모터로서 구성되고 이후 마이크로터빈에 의해 구동되는 발생기로서 구성된다. 이러한 '713 특허에 기재된 PWM 인버터는, 마이크로터빈을 시동하도록 발생시키는 AC 전력의 주파수 및 진폭 둘 다를 변화시킨다. 마이크로터빈의 시동 단계 동안, PWM 인버터는 일정한 DC 전압으로 충전되는 DC 버스에 의해 급전된다. 따라서, PWM 인버터는 일정한 전압의 DC 전력을 가변 전압 및 가변 주파수의 AC 전력으로 변환하는데 필요하다.

마이크로터빈을 시동하는데 필요한 가변 AC 전압과 가변 AC 주파수를 발생시키기 위해 PWM 인버터에 의존하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 유사하게, 단일 전력 회로 구성 요소, 예를 들어, PWM 인터버가, 마이크로터빈을 시동하기 위해 발생된 AC 전력의 주파수와 진폭 둘 다를 가변하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압 둘다를 변경하도록 PWM 인버터에 의존하지 않는 마이크로터빈을 시동하기 위한 전력 회로가 필요하다.

또한, 전기 기계에 인가되는 전압은, 모터 모드에서 동작할 때, 원하는 자속을 유지하기 위해 인가 전압의 주파수와 상관(correlated)되어야 한다. 이러한 상관은 보통 2개의 개별적인 전력 회로, 즉, 배터리 충전기 및 DC/AC 변환기(converter)(인버터)를 이용하여 2가지 단계로 달성된다. 마이크로터빈을 시동하고 동작시키기 위하여 별도의 회로 구성 요소를 필요로 하지 않는 마이크로터빈에 연결된 전력 회로가 필요하다.

본 발명은 마이크로터빈을 시동하고 이후에 마이크로터빈을 전기적 부하(an electrical load)에 연결하는 전력 회로에 관한 것이다. 전력 회로는 이후에 다른 전력 회로에 의해 AC로 변환되는 가변 DC 전압을 발생시킨다. 인버터(DC/AC 변환기)에 의해 발생되는 AC 전력의 주파수는, 결과적으로 마이크로터빈을 가속시키도록, DC 전압과 고정된 관계를 갖는 제어 방식으로 변화된다. 따라서, 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력은 가변 주파수 및 가변 전압을 갖는다.

본 발명의 일실시예에서, 배터리는 마이크로터빈을 시동하기 위한 DC 전원을 제공한다. 배터리의 정전압(constant voltage)은 벅 부스트 초퍼 회로(a buck boost chopper circuit)에 의해 가변 전압 DC 전력으로 변환된다. 벅 부스트 초퍼는 DC/AC 변환기를 통해 시동 단계 동안 마이크로터빈을 구동하기 위해 순차적으로 인가되는 일련의 전압 레벨을 통해 DC 전력의 전압을 증가시킨다(step up). 벅 부스트 초퍼는 가변 DC 전압을 다른 전력 회로 구성 요소에 분배하는 용량성 DC 버스(a capacitive DC bus)에 가변 DC 전압을 인가한다. DC 버스상의 가변 DC 전력은 DC/AC 변환기를 이용하여 AC 전력으로 변환된다. 이 변환기는 가변 주파수를 갖는 AC 전력을 발생시킨다. AC 전력의 주파수는 순차적으로 증가되어 마이크로터빈의 바람직한 가속 시동 속도와 일치(또는 약간 능가)하게 된다.

벅 부스트 초퍼 회로, 용량성 DC 버스 및 DC/AC 변환기의 조합은 마이크로터빈을 시동하기 위한 회로 배열을 제공한다. 이러한 전력 회로 배열은 PWM 방안에만 절대적으로 의존하지 않고 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 발생 AC 전력의 주파수 및 전압을 변경하는 전력 회로의 필요를 만족시킨다.

본 발명은 단일 전력 제어 회로 구성 요소가, 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압을 변경하는 것에 의존하지 않는다는 점을 포함하여 종래의 시동 전력 회로에 비하여 많은 이점들을 제시한다. 인버터의 출력에서 발생되는 전압 파형이 6단계('six-step') 형일 경우, 스위칭 손실(switching losses)이 적어진다. 또한, 본 발명의 전력 제어 회로의 제어 기술은 PWM 인버터 제어 기술과 비교하여 단순화될수 있다.

본 발명의 이점 및 신규한 특징은 첨부된 도면과 함께 상세한 설명을 참조하여 명백해진다.

도 1은 마이크로터빈(12) 및 전기 기계(14)를 전기 부하(16)와 시동 배터리(18)에 연결하는 전력 회로(10)의 개략적 블록도를 도시하고 있다. 마이크로터빈과 전기 기계는 공통 회전 출력축(a common rotating output shaft)(20)을 공유할 수 있고 일체화 유닛(an integral unit)으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 마이크로터빈 및 전기 기계는 다른 회전축 출력/입력에 연결된 회전 샤프트 출력/입력을 각각 갖는 개별적인 유닛일 수 있다. 전기 기계(14)는 시동 단계 동안 마이크로터빈을 구동하는 모터로서 동작하도록 구성될 수 있고, 또한 마이크로터빈에 의해 구동되는 발전기로서 동작하도록 구성될 수 있다.

종래의 가스 마이크로터빈은, 예컨대, 일반적으로 (천연 가스 및 기타 연료용) 압축기(a compressor)와, 복열 장치(recuperator)와, 연소실(a cumbustion chamber)과, 터빈(도시되지 않음)을 포함한다. 마이크로터빈용 압축기는 디젤과 같은 다른 형태의 연료에 대하여는 필요하지 않을 수 있다. 공기는 연소실에서 연료와 혼합되어 터빈을 구동하는 고온 고압 가스를 발생시킨다. 이 터빈 배기 가스는 복열 장치를 통해 열을 컴프레서내의 공기에 전달하도록 유도되며, 이에 따라 연소실내의 공기-연료 혼합물의 에너지를 증가시킨다.

일단 시동되면, 마이크로터빈은 자력으로 동작하며 출력 전력 샤프트(20)에서 출력 전력을 발생시킨다. 이러한 샤프트는 전기 기계(14)의 회전자(a rotor)(도시되지 않음)를 구동한다. 전기 기계는 다상(polyphase), 예를 들어, 3 또는 6 상(phase) 고정자 권선을 포함하며, 권선 출력 단자는 AC/DC 변환기(22), 예를 들어, 다이오드 정류기(a diode rectifier)에 연결된다. 전기 기계의 회전자는 일반적으로 전기 기계의 축 주위에 대칭되게 배열된 복수의 교번 자극(magnetic pole)을 포함한다. 마이크로터빈의 전력 발생 동작 동안, 회전자로부터 방사되는 자계(magnetic field)는 회전자를 둘러싸는 전기 기계의 고정자(도시되지 않음)를 통해 이동한다. 고정자는 회전자를 수용하는 크기의 원통형 개구를 갖는다. 고정자는 일반적으로 복수의 권선과 교번 극성의 자극을 포함한다. 전기 기계가 발전기로서 기능할 때, 고정자를 통해 회전하는 자계는 고정자 권선에 전류를 발생시킨다. 이 전류는 전기 기계로부터 전력으로서 출력되어 전력 회로(10)에 의해 부하(16)로 인가된다.

전기 기계에 의해 발생된 전류 및 전압은 주파수에 있어서 회전자와 터빈의 회전 속도에 비례한다. 부하(16)는 다른 주거용이나 상업용 단상(single phase) 또는 3상 부하 뿐만 아니라 다상 AC 전원을 포함할 수 있다. 전력 회로(10)는 전기 기계로부터의 AC 전력을 전기 부하(16)(통상 송전망 주파수 및 전압)에 일치하는 AC 전력으로 변환한다. 이러한 변환을 위해, 전력 회로(10)는 전기 기계(14)로부터의 AC 전력을 AC/DC 변환기(22)를 이용하여 DC 전력으로 변환한다. 변환기(22)는, 제어되지 않은 DC 출력 전압을 부스트 회로없이 발생된 조정되지 않은 DC 전압보다 높은 조정된 전압값으로 변환하는 부스트 회로를 포함하는 출력단을 구비할 수 있다. DC 출력 전압은 DC 버스(24)를 충전하도록 인가된다. 전력 회로 구성 요소 정격에 의하여 주어지는 제약을 받는 DC/AC 변환기(26)에 의해 조정된 DC 전압값이 전기 부하(16)에 의해서 요구되는 AC 전압과 일치된다. 예컨대, 480 VAC(볼트 교류) 출력이 요구된 경우에 800 또는 900 V DC 조정값을 필요로 한다. 부하(16)는 주택, 소매점, 다른 상업용 시설 또는 전력을 요구하는 다른 현장용의 전기 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 부하는 공공 기업의 전력 송전망을 포함할 수 있다.

전력을 생성하기 위해, 마이크로터빈은, 우선 마이크로터빈을 시동 속도로 가속하는 모터로서 전기 기계(14)를 구동함으로써 시동되어야 한다. 일단 터빈이 시동 속도에 도달하면, 마이크로터빈의 회전은 외부 전력없이 유지될 수 있다. 터빈이 시동 속도로 가속될 때까지, 터빈을 회전시키기 위해 외부 전력이 필요하다. 시동 동안, 전력은 전기 기계(14)를 모터로서 구동하도록 화살표(28) 방향으로 흐른다. 마이크로터빈이 시동되어 전기 기계가 전력을 발생시킨 후에 전력은 반대 방향으로 흐를 수도 있다.

마이크로터빈을 시동하기 위해, 배터리(18)는 거의 일정한 전압의 직류(DC) 전원을 전력 회로(10)에 제공한다. 배터리는 장시간의 반복적인 시동을 유지하기 위해 높은 방전 능력(deep discharge capability)을 갖는 종래의 저장 셀 배터리를 포함할 수 있다. 배터리로부터의 정전압 DC 전력은 배터리에 연결된 벅 부스트 초퍼(30)에 의해 가변 전압 DC 전력으로 변환된다. 벅 부스트 초퍼는 마이크로터빈을 시동하기 위한 가변 전압 요구에 일치하도록 배터리 전압 레벨을 승강, 즉, 증가 또는 감소시키는 전력단 회로로서 동작하며 전력 흐름이 배터리 내외부로 흐를 수 있도록 한다. 벅 부스트 초퍼(30)는 일반적으로 초퍼 회로로부터 출력되는 전압 레벨을 제어하는 마이크로컨트롤러(a microcontroller)를 구비한 통상적 벅 부스트 초퍼 회로 구성 요소를 포함할 수 있다. 벅 부스트 초퍼는 일련의 선택된 전압 레벨에서 DC 전력을 순차적으로 생성하도록 제어될 수 있다. 벅 부스트 초퍼 회로에 대한 제어는 마이크로터빈과 함께 포함된 시동 제어 프로그램내에 포함될 수 있다.

벅 부스트 초퍼(30)에 의해 발생된 전압 레벨의 시퀀스(sequence)는 터빈 시동 시퀀스에 일치하도록 선택된다. 특히, 벅 부스트 초퍼(30)는 터빈의 시동 주기동안 일련의 단계적(step-wise) 전압 레벨을 통해 DC 전압을 점진적으로 증가시킬 수 있다. 전압 레벨의 증가는 마이크로터빈을 시동 속도로 가속시킬 때 전기 기계를 구동하는데 이용된다. 터빈이 일단 시동되어 전력을 발생시키면, 벅 부스트 초퍼(30)는 DC 버스(24)로부터의 DC 전력을 배터리(18)를 충전하기에 적합한 DC 전압 레벨로 변환한다.

시동 단계 동안, 용량성(capacitive) DC 버스(24)는 벅 부스트 초퍼(30)로부터 발생된 가변 전압 DC 전력을 DC/AC (교류) 변환기(26)로 분배한다. DC 버스는 전력 회로내의 DC 전력을 분배하는데 통상적으로 사용되는 종래의 용량성 장치를 포함할 수 있다. 또한, DC 버스(24)는 전기 기계(14)가 전력을 발생시킬 때, AC/DC 변환기(22)로부터의 DC 전력을 분배한다. 그러나, 시동 동안, AC/DC 변환기(22)는 (스위치 컨택터(C₃; 32)로 인해) 분리되어 어떠한 기능도 수행하지 않는다.

시동 동안, DC/AC 변환기(26)는 버스(24)로부터의 가변 전압(DC) 전력을 AC 전력으로 변환한다. 일실시예에서, DC/AC 변환기(26)는 PWM 인버터로서가 아닌 가변 주파수 변환기로서 동작하도록 구성된 변형된 펄스폭 변조(PWM) 인버터를 포함한다. 터빈 시동 단계 동안, DC/AC 변환기(26)는 그 출력 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시킨다. 변환기(26)는 시동 단계 동안 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시키는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. AC 주파수의 증가율은 전기 기계(14)와 마이크로터빈(12)을 시동 속도로 가속하도록 선택된다. 전형적으로, 마이크로터빈(12)은 시동 제어 프로그램이 내부에 로딩된 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. DC/AC 변환기(26)에 의해 발생된 주파수 증가율은 마이크로터빈과 함께 포함된 시동 제어 프로그램에 의해 제어될 수 있다.

DC/AC 변환기(26)에 의해 발생한 AC 전력은 선택적으로 출력 필터(34)를 통과하여 AC 전력에서의 다른 불필요한 요동(fluctuation) 또는 과도한 잡음을 제거할 수 있다. DC/AC 변환기(26)로부터의 AC 전력은 모터로서 구동되는 전기 기계(14)로 라우팅된다. AC 전력을 전기 기계에 인가하기 위해, 여기 컨택터(36; C₁)가 시동 단계 동안에는 폐쇄되지만, 마이크로터빈이 전력을 생성하는 동안에는 개방된다. 시동 동안, 출력 컨택터 스위치(38; C₂)는 전력 회로(10)와 마이크로터빈을 전기 부하(16)로부터 분리하도록 개방 상태를 유지되지만, 전기 기계(14)에 의해 발생된 AC 전력이 전기 부하(16)로 인가될 수 있도록 마이크로터빈(12)이 전력을 발생시키는 동안에는 폐쇄된다. 컨택터(C₃; 32)는 시동동안 개방되고 정상 동작동안 폐쇄된다.

도 2는, 마이크로터빈 시동 단계 동안, 전기 기계를 모터 모드로 구동하는 배터리 전력 변환의 타이밍 도를 도시하고 있다. 타이밍 도는, 배터리(18)(DC 전압(40))와, 벅 부스트 초퍼(30)의 출력(DC 전압(42))과, DC/AC 변환기(32)의 출력(AC 전압(44)의 전압 레벨(V) 대 시간 함수(t)를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 타이밍 도는 마이크로터빈의 시동 단계에 관련되고, 따라서, 주로 시동 단계에 대응하는 전압 레벨을 도시하고 있다. 마이크로터빈의 전력 발생 단계동안 마이크로터빈에 의해 발생된 전압 레벨은 일반적으로 도 2에 도시되지 않는다.

배터리 전압 레벨(40)(V_batt), 예를 들어, 24V는 마이크로터빈의 시동 단계 동안 거의 일정하게 유지된다. 배터리 전압 레벨과 배터리 전류는 마이크로터빈을 시동하기 위하여 전기 기계(14)를 모터로서 구동하기에 충분한다. 바람직하게, 배터리는 마이크로터빈이 시동되어 전력을 발생시킨 이후 전기 기계(14)에 의해 재충전된다.

벅 부스트 초퍼 회로(30)는 DC 버스(24)를 충전하기 위해 인가되는 점진적으로 증가하는 전압 레벨(42)을 출력하도록 일정한 배터리 전압을 상승(또는 하강)시킨다. 벅 부스트 초퍼 회로(30)에 의해 DC 버스로 인가되는 전압 레벨은 초퍼 회로의 출력 전압 레벨을 제어하도록 인가되는 램프 함수(a ramp function)에 따라 점진적으로 증가한다. 램프 함수는 수학식 1로서 표현될 수 있다.

여기서 V_DC 는 DC 버스(24)의 전압 레벨이고, "k"는 램프 함수의 기울기를 설정하는 상수이며, "t"는 시간이고, "t_start"는 마이크로터빈 시동 단계(46)의 시작 시간이며, "t_ramp"(48)는 시동 단계 동안 DC 전압이 증가되는 종료 주기(end period)이다.

마이크로터빈 시동 단계의 제 1 주기에서, 전기 기계(14)를 모터로서 구동하기 위해 전압이 인가된다. 시동 단계의 제 1 주기동안, 벅 부스트 초퍼 회로(30)는 DC 버스(24)의 전압을 0V (또는 소정의 기타 비교적 낮은 시동 전압 레벨)로부터 램프(50)의 DC 정격 전압으로 점진적으로 증가시킨다. 이러한 전압 레벨의 점진적인 증가는 전기 기계(14)의 구동 전압 요구에 일치하도록 수행되고, 이 전기 기계는 시동 단계 동안 모터로서 동작하게 된다. 시동 상태의 제 1 주기동안과 시동 시간(t)이 t_ramp 를 초과할 경우, DC 버스 및 벅 부스트 초퍼의 전압 출력은 버스(24)의 정격 전압에 대응하는 안정 레벨(steady level; 50)에서 유지된다. DC 버스상의 전압 레벨은 마이크로터빈이 시동되고 이에 따라 시동 단계의 제 1 주기가 종료될 때까지 이 정격 레벨(50)에서 유지된다.

또한, 시동 단계의 제 1 주기동안, (교류기(an alternator)로서 기능하는) DC/AC 변환기(26)는 DC 버스로부터의 DC 전력을 점진적으로 증가하는 주파수를 갖는 AC 전력(44)으로 변환한다. DC/AC 변환기는 DC 버스의 전압 레벨을 교대로 반전시켜 일련의 전압 펄스를 발생시키며, 이로써 인접하는 펄스가 반전된다. 이러한 일련의 교대로 반전된 펄스의 효과가 AC 전력이다. 또한, 변환기는 다상이며, 예컨대, 전압 레벨과 주파수에 있어서 각각 동일하며 위상에 있어서 오프셋된 AC 전력의 3개의 위상을 발생시킬 것이다.

AC 전력(44)의 주파수는 DC 버스의 전압 레벨 증가에 비례한다. 따라서, 버스상의 전압 레벨이 증가함에 따라 AC 주파수가 비례하여 증가하도록, DC/AC 변환기에 의해 출력되는 주파수는 DC 버스상의 전압 레벨에 의해 제어될 수 있다. 따라서, DC 전압이 증가함에 따라, AC 전압 사이클의 주기(T₁, T₂, T₃... T_k)는 DC/AC 변환기에 의해 순차적으로 단축된다. t_ramp 에서, AC 주파수는 안정 상태(steady state T_SS; 52)에 도달한다.

시동 단계의 제 1 주기가 종료하고 마이크로터빈이 시동되어 자체 유지(self sustain)될 때, 여기 컨택터(extation contactor)(36)는 개방되어 전기 기계를 모터로서 동작시키는 것을 중지시킨다. 시동 단계의 위상 2(54)동안, 마이크로터빈(12)은 동작하지만 부하(16)에 연결되지는 않는다. 위상 2에서, 컨택터(32)는 개방 상태를 유지하고 DC 버스(24)는 여전히 배터리(18)에 의해 전력을 공급받는다.

여기 컨택터(36)가 개방된 직후에(위상 Ⅱ(54) 동안), 전기 기계(14)로부터의 AC 전력이 변환기(22)에 인가되도록 컨택터(32)가 폐쇄되고, 변환기(22)는 AC 전력을 DC 버스에 인가되는 DC 전력으로 변환한다. 또한, 전기 기계로부터 발생되어 변환기(22)에 의해 변환되는 전력은, DC 버스를 DC/AC 변환기(26)의 바람직한 비부하(no-load) 동작 전압에 대응하는 전압 레벨(56)에서 추가로 충전한다. 시동 단계의 제 2 주기(54)는, 비부하 동작 전압 레벨에서 DC 버스가 충전되고 부하(16)를 전기 기계(14)에 연결하도록 출력 컨택터(38)가 폐쇄될 때 종료된다.

시동을 중단하기 위해, 일실시예에서는, DC/AC 변환기(26)가 디스에이블되고 컨택터(36)(C₁)가 개방된다. 이후에 벅 부스트 초퍼(30)는 DC 버스(24)로부터 배터리(18)로 전력을 전송한다.

본 발명은 상세히 도시 및 설명되었지만, 이는 단순히 예로써 설명한 것일 뿐이며 본 발명은 이로써 제한하고자 하는 것은 아님을 분명히 이해해야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 뿐이다.

본 발명은 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압을 변경하도록 단일 전력 제어 회로 구성 요소에 의존하지 않는다는 점에서 종래의 시동 전력 회로에 비하여 여러 이점들을 제시한다.

Claims

DC 버스(a DC bus)(24)를 통해 부하(a load)(16)로 전력을 공급하는 전기 기계(an electric machine)(14)에 연결된 터빈(a turbine)(12)을 시동하는 방법에 있어,

시동 단계 동안에,

a. 상기 DC 버스의 전압 레벨(a voltage level)을 점진적으로 증가시키는 단계와,

b. 상기 DC 버스의 점진적으로 증가하는 전압 레벨에 비례하여 상기 AC 전력의 주파수가 증가하도록 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계와,

c. 상기 터빈을 시동 속도(a starting speed)로 구동하는 상기 전기 기계(14)를 구동하기 위해 상기 AC 전력을 인가하는 단계를 포함하는

터빈 시동 방법.
제 1 항에 있어서,

시동 단계 후에,

d. 상기 터빈으로 상기 전기 기계(14)를 구동하여 AC 전력을 생성하는 단계와,

e. 상기 전기 기계로부터의 상기 생성된 AC 전력을 상기 DC 버스(24)에 인가되는 DC 전력으로 변환하는 단계와,

f. 상기 DC 버스로부터의 상기 DC 전력을 부하 구동(load-driving) AC 전력으로 변환하는 단계와,

g. 상기 부하 구동 AC 전력을 상기 부하(16)에 공급하는 단계를 더 포함하는

터빈 시동 방법.
벅 부스트 초퍼 회로(a buck-boost chopper circuit)(30)와, DC 버스(24)와, DC/AC 변환기(a DC-to-AC converter)(26)를 포함하는 전력 회로(10)에 의해 구동되는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 방법에 있어서,

a. 상기 벅 부스트 초퍼의 전압 레벨 출력을 점진적으로 증가시킴으로써 상기 DC 버스를 점진적으로 충전하는 단계와,

b. 상기 단계 (a) 동안에, 상기 DC/AC 변환기를 이용하여 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력―상기 AC 전력의 주파수는 상기 벅 부스트 초퍼로부터의 점진적으로 증가하는 전압 레벨에 비례하여 증가함―으로 변환하는 단계와,

c. 시동 단계 동안 상기 터빈을 구동하는 상기 전기 기계(14)를 구동하기 위해, 상기 DC/AC 변환기로부터의 AC 전력을 인가하는 단계를 포함하는

터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전기 기계(14)는 상기 시동 단계 후에 상기 터빈에 의해 구동되는 터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 벅 부스트 초퍼(30)의 상기 DC 전압 레벨 출력의 점진적 증가는 선형 증가인 터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 벅 부스트 초퍼(30)의 상기 DC 전압 레벨 출력의 점진적 증가는 제어기에 의해 제어되는 터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 AC 전력의 주파수 증가는 상기 DC 버스의 전압 레벨에 의해 제어되는 터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 터빈은 마이크로터빈(12)인 터빈 시동 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 터빈은 가스 터빈인 터빈 시동 방법.
전력 회로(10)에 의해 구동되는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템에 있어서,

상기 전력 회로는,

DC 전력 출력―DC 전력이 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨에서 출력됨―을 갖는 벅 부스트 초퍼(30)와,

상기 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨에 의해 충전되는 DC 버스(24)와,

상기 DC 버스에 의해 전력을 공급받고, 상기 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨을 AC 전력―상기 AC 전력은 시동 단계 동안 상기 터빈을 구동하는 전기 기계(14)를 구동하도록 인가됨―으로 변환하는 DC/AC 변환기(26)를 포함하는

터빈 시동 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 전기 기계(14)는 모터를 포함하는 터빈 시동 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 DC/AC 변환기(26)는 상기 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시키는 터빈 시동 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 DC/AC 변환기(26)는 상기 증가하는 DC 전압 레벨에 비례하여 상기 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시키는 터빈 시동 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 터빈은 가스 터빈인 터빈 시동 시스템.
DC 버스(24)를 통해 전력을 부하(16)에 공급하는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템에 있어서,

시동 단계 동안 상기 DC 버스의 전압 레벨을 점진적으로 증가시키는 벅 부스트 초퍼(30)와,

상기 전기 기계로부터 발생된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 시동 단계 후에 상기 DC 전력을 DC 버스(24)에 인가하는 AC/DC 변환기(22)와,

상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 DC/AC 변환기(26)와,

상기 시동 단계 동안에는 상기 터빈을 시동 속도로 구동하는 전기 기계(14)를 구동하도록 상기 DC/AC 변환기로부터의 AC 전력을 인가하고, 시동 단계 후에는, 상기 DC/AC 변환기로부터의 AC 전력을 상기 부하(16)에 인가하는 적어도 하나의 스위치를 포함하는

터빈 시동 시스템.
DC 버스(24)를 통하여 전력을 부하(16)에 공급하는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템에 있어서,

시동 단계 동안,

상기 DC 버스의 전압 레벨을 점진적으로 증가시키는 수단과,

상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 수단과,

상기 터빈을 시동 속도로 구동하는 전기 기계(14)를 구동하도록 상기 AC 전력을 인가하는 수단을 포함하는

터빈 시동 시스템.
제 16 항에 있어서,

시동 단계 후에,

상기 터빈으로 상기 전기 기계(14)를 구동하여, AC 전력을 생성하는 수단과,

상기 전기 기계로부터의 상기 생성된 AC 전력을 상기 DC 버스(24)에 인가되는 DC 전력으로 변환하는 수단과,

상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 부하 구동 AC 전력으로 변환하는 수단과,

상기 부하 구동 AC 전력을 상기 부하(16)에 공급하는 수단을 더 포함하는

터빈 시동 시스템.