KR100902508B1

KR100902508B1 - 전력 조절장치 및 그 운영방법

Info

Publication number: KR100902508B1
Application number: KR1020070039440A
Authority: KR
Inventors: 왕용; 오덕진; 최시영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2009-06-15
Also published as: US20080259660A1; US7656057B2; KR20080095087A

Abstract

연료전지나 태양전지 등으로부터 생성된 전력을 사용처에 적절히 공급하기 위한 전력 조절장치가 개시된다. 개시된 전력 조절장치는, 전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 메인컨버터의 출력 전압을 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터 및, 전력원의 출력 전압을 메인컨버터를 거치지 않고 보조컨버터에 직접 연결하는 직결라인을 구비한다. 이러한 구성에 의하면, BOP요소로 공급되는 전압이 한 번의 변압 과정만 거치게 되므로, 기존에 비해 전력 손실을 대폭 줄일 수 있다.

Description

전력 조절장치 및 그 운영방법{Power conditioner and managing method thereof}

도 1은 종래의 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면,

도 3a는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 초기 스타트 모드시의 스위치 선택 상황을 등가회로로 도시한 도면,

도 3b는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 정상 가동 모드시의 스위치 선택 상황을 등가회로로 도시한 도면,

도 4는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 운영방법을 도시한 순서도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100...연료전지 200...메인컨버터

300...인버터 400...사용처

500...축전지 600...보조컨버터

700...BOP요소(balance of plant element) 800...직결라인

본 발명은 연료전지나 태양전지 등으로부터 생성된 전력을 사용처에 적절히 공급하기 위한 전력 조절장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.

예컨대, 연료전지(10)에서 생성된 전력은 도 1에 도시된 바와 같은 전력 조절장치(power conditioner)를 통해 사용처(40)로 공급된다. 이것은 미국 공개특허 US2004/0219399에 개시된 전력 조절장치의 구조를 나타낸 것인데, 일단 전력원(power source)인 연료전지(10)에서 생성된 약 40~50V의 DC전압은 메인컨버터(20)에서 약 360~400V의 DC전압으로 승압된다. 여기서의 연료전지(10)는 대개 여러 개의 단위 셀이 적층된 스택(stack)의 형태로 구성되어 있어서, 각 단위 셀에서 생성된 전력이 합해져서 상기와 같은 40~50V의 DC전압으로 출력된다. 그리고, 메인컨버터(20)에서 승압된 DC전압은 인버터(30)에서 AC전압으로 변환된 후, 사용처(40)에 공급된다.

이때, 상기 연료전지(10)의 스택에 구비된 각종 가동기(블로워, 모터, 냉각팬, 컨트롤러) 및 상기 메인컨버터(20)와 인버터(30) 등의 컨트롤러 작동에 필요한 전력은 보조컨버터(60)를 통해 약 20~30V 정도로 감압된 DC전압이 사용된다. 즉, 메인컨버터(20)에서 일정 전압으로 승압된 전력의 일부를 상기 보조컨버터(60) 쪽으로 돌려서 적정한 전압으로 감압시킨 후 각종 가동기에 공급하는 것이다. 물론, 보조컨버터(60)의 출력 전압은 보조컨버터(60) 자체의 컨트롤러에도 공급된다. 여기서, 상기한 메인컨버터(20)와 인버터(30) 및 보조컨버터(60) 등을 제어하는 컨트롤러, 그리고 연료전지(10)의 스택에 구비된 각종 가동기들과 같이 연료전지(10)에 서 생성된 전력의 일부를 사용하는 시스템 자체 내의 요소들은 통상 BOP요소(balance of plant element)라고 칭하며, 본 명세서에서도 이들읕 통칭하여 BOP요소(70)라 부르기로 한다. 참조부호 50은 연료전지(10)의 초기 스타트 모드와 같이 보조컨버터(60)로의 전력 공급이 제대로 이루어지지 않을 때 동력원으로 사용되는 축전지를 나타내며, 연료전지(10)의 정상 작동 시에 메인컨버터(20)의 출력 전압에 의해 충전되어 있다가, 초기 스타트 모드 시에 보조컨버터(60)의 동력원으로 사용된다.

그런데, 상기와 같은 구조에서는 BOP요소(70)에 공급되는 전압은 메인컨버터(20)와 보조컨버터(60)의 두 컨버터를 항상 거쳐야 하기 때문에, 변압과정에서 불가피한 전력 손실이 두 차례나 생기게 된다. 즉, 메인컨버터(20)나 보조컨버터(60)에서 변압과정이 진행되는 동안에 전력의 일부가 열로 변하면서 손실이 생기게 된다. 따라서, 이 둘의 컨버터(20)(60)를 모두 거친 후 BOP요소(70)에 전달되는 전력은 연료전지(10)에서 출력된 상태에서 꽤 많은 양이 손실된 후의 전력이 된다. 물론, 손실을 줄이기 위해 연료전지(10)에서 나온 전력의 일부를 상기 두 컨버터(20)(60)를 거치기 전에 바로 BOP요소(70)로 공급하는 방법도 생각할 수 있지만, 연료전지(10)의 출력전압은 사용처(40)의 부하 상황에 따라 그 전류값이 수시로 변하기 때문에 매우 불안정한 상태가 된다. 따라서, 이를 바로 BOP요소(70)에 공급하게 되면 전체 시스템의 작동 상태가 불안정해지게 되므로 사용이 불가능하다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 변압 횟수를 줄여서 전력 손실을 줄이면서도 안정적인 전력을 BOP요소에 공급할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, BOP요소에 공급되는 전력의 중간 손실을 줄이면서도 안정적인 전력 공급이 가능하도록 개선된 전력 조절장치 및 그것의 운영방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 조절장치는, 전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압을 상기 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터 및, 상기 전력원의 출력 전압을 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터에 직접 연결하는 직결라인이 구비된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 직결라인을 경유하여 상기 보조컨버터에 전압이 공급되는 라인 및 상기 메인컨버터를 경유하여 상기 보조컨버터에 전압이 공급되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치와, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하여 두 라인이 선택적으로 교대하며 사용되게 하는 컨트롤러를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메인컨버터와 상기 보조컨버터 사이에는 축전지가 설치되어서, 상기 메인컨버터의 출력 전압이 상기 축전지를 경유하면서 감압된 상태로 상기 보조컨버터에 공급되도록 구성할 수 있다.

상기 메인컨버터와 상기 사용처 사이에는 DC전압을 AC전압으로 변환시키는 인버터가 설치될 수 있으며, 상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나가 될 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 조절장치 운영방법은, 전력원의 출력 전압을 사용처에 공급하기 적합한 전압으로 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압으로 충전되는 축전지의 전압과 상기 전력원의 출력 전압 중 어느 하나를 받아서 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터와, 상기 축전지로부터 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 전력원에서 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치 및, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하는 컨트롤러를 준비하는 단계; 상기 전력원을 스타트하는 단계; 상기 전력원의 출력 전압이 정상이 아닌 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 메인컨버터의 출력전압으로 충전되는 상기 축전지의 전력이 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계; 및, 상기 전력원의 출력 전압이 정상이 된 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 출력 전압이 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전력이 공급되게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력원을 포함한 시스템을 셧다운하는 단계와, 셧다운 시에도 상기 BOP요소를 가동할 필요가 있는 경우, 상기 컨트롤러가 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 잔류전력이 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나가 될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절장치를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 전력 조절장치도, 연료전지(100)의 스택과 같은 전력원의 DC 출력 전압을 메인컨버터(200)에서 승압시킨 후, 인버터(300)에서 AC전압으로 변환하여 사용처(400)에 공급하는 기본적인 구조를 가지고 있다. 참조부호 710은 메인컨버터(200)와 보조컨버터(600)와 인버터(300) 및 이하에 설명될 온/오프 스위치(K1)(K2) 등을 제어하는 컨트롤러를 나타낸다.

그런데, 본원발명에서는 상기 BOP요소(700)에 전압을 공급하는 구조로서 상기 메인컨버터(200)와 축전지(500)를 경유하는 것 뿐 아니라, 상기 연료전지(100)의 출력 전압이 보조컨버터(600)에 직결되는 구조도 구비하고 있다. 즉, 상기 메인컨버터(200)에서는 연료전지(100)의 스택에서 출력되는 40~50V의 전압을 360~400V로 승압하며, 상기 축전지(500)는 이 출력 전압에 의해 충전된다. 이렇게 충전된 축전지(500) 전압은 초기 스타트 모드와 같이 필요한 경우에만 보조컨버터(600)를 경유하며 감압되어 BOP요소(700)에 공급된다. 그리고, 초기 스타트 모드를 제외한 정상적인 가동 상황 등에서는 상기 연료전지(100)의 출력 전압이 직결라인(800)을 통해 보조컨버터(600)에 직접 공급된다. 이렇게 되면, BOP요소(700)에 공급되는 전압이 보조컨버터(600)의 변압 과정 한 번만을 거치기 때문에, 변압 과정에서의 손실이 그만큼 줄어들게 되어 결과적으로 전력 손실을 억제할 수 있다. 그러나, 초기 스타트 모드와 같이 전력원인 연료전지(100)의 스택이 아직 정상적으로 전력을 생성해내지 못하는 때에는 직결라인(800)을 통한 BOP요소(700)로의 전력 공급이 제대로 이루어지지 못한다. 따라서, 이때에는 상기와 같이 축전지(500)에 충전되어 있던 전력을 상기 보조컨버터(600)를 경유하여 BOP요소(700)로 공급한다. 참조부호 K1, K2는 상기 컨트롤러(710)에 의해 제어되는 온/오프 스위치로서, 보조컨버터(600)로 공급되는 전력의 경로를 상기 직렬라인(800)을 통하는 경우와, 상기 축전지(500)를 통하는 경우 중 어느 하나로 선택할 때 사용된다. 한편, 여기서는 축전지(500)에 충전된 전체 전압 보다 감압된 전압이 보조컨버터(600)에 공급되도록 도면과 같이 전압 인출부를 축전지(500)의 중간에 설치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 연료전지(100)에서 직결라인(800)을 통해 보조컨버터(600)에 들어오는 전압은 40~50V 정도인데 비해, 메인컨버터(200)의 출력 전압으로 충전되는 전압은 수 백V가 되므로, 그 전압의 차이를 줄여야 보조컨버터(600)의 용량을 설정하기 용이하기 때문이다.

이와 같은 구성의 전력 조절장치는 도 4에 도시된 순서도와 같이 운영될 수 있다.

먼저, 전력원인 연료전지(100)의 스택이 가동을 시작한다(S1). 그러나, 이러한 초기 스타트 모드에서는, 아직 연료전지(100)에서 정상적인 출력 전압이 나오지 못하게 된다. 따라서, 직결라인(800)을 통해 보조컨버터(600)로 전압을 공급하려고 해도 아직 연료전지(100)의 출력이 제대로 나오지 않는다. 이때 연료전지(100)의 출력전압은 메인컨버터(200)에 내장된 전압센서(미도시)로 측정한다. 따라서, 연료전지(100)의 출력전압이 정상인지를 확인해서(S2), 아직 정상이 아닌 동안에는 컨트롤러(710)가 K1 스위치를 오프(off)시키고 K2 스위치를 온(on)시켜서(S3), 축전지(500)에 충전된 전력이 보조컨버터(600)를 경유하여 BOP요소(700)로 공급되게 한다(S4). 도 3a는 이와 같은 스위치 선택 상태를 등가회로로 간략화하여 도시한 것이다. 즉, 연료전지(100)가 정상화될 때까지는 축전지(500)에 충전된 전력을 사용하여 전력 조절장치의 시스템을 가동시키는 것이다.

이후, 연료전지(100)의 스택에서 정상적으로 전력이 생성되어 안정된 전압이 출력되면, K1 스위치를 온(on)시키고 K2 스위치를 오프(off)시켜서(S5) 도 3b의 등가회로에 도시된 바와 같이 연료전지(100)의 출력 전압이 직결라인(800)을 따라 보조컨버터(600)로 바로 공급되게 한다(S6). 즉, 이때부터는 연료전지(100)의 출력이 정상화되므로, 직결라인(800)을 통해 보조컨버터(600)로 공급되는 전압도 안정화된다. 따라서, 보조컨버터(600) 하나만 거친 전압이 BOP요소(700)로 공급되므로, 메인컨버터(200)까지 두 번의 변압과정을 거치던 기존에 비해 전력 손실을 크 게 줄일 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같은 정상 가동을 진행하다가 상기 연료전지(100)를 포함한 전체 시스템의 가동을 중단하는 셧다운(shutdown)모드로 돌입하는 경우가 있는데(S7), 이때 BOP요소(700) 중 일부는 소정 시간동안 계속 가동해야 하는 경우가 있다(S8). 그런데 이때에는 연료전지(100)의 스택의 잔류 전력이 남아있기 때문에, 정상 가동 시와 마찬가지로 연료전지(100)의 스택의 잔류 전력을 이용하여 직결라인(800)과 보조컨버터(600)를 통해 BOP요소(700)로 전압을 공급하면 된다. 물론, 이때에도 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 제어하여 K1 온, K2 오프 상태가 유지되게 한다.

따라서, BOP요소(700)에 전력을 공급할 때 변압 과정을 1회로 줄임으로써 전력 손실을 억제할 수 있는 전력 조절장치가 구현되는 것이다.

한편, 상기한 실시예에서는 전력원으로서 연료전지를 예시하였는데, 예컨대 태양전지를 전력원으로 사용하는 경우에도 상술한 구성과 동일하게 전력 조절장치를 구현할 수 있음은 물론이다. 도 5는 태양전지(100')를 전력원으로 사용하는 경우의 전력 조절장치의 구성을 보인 것이다. 태양전지(100')도 전술한 실시예의 연료전지(100)와 마찬가지로 초기 스타트 모드에서는 출력 전압이 제대로 나오지 않으므로, 정상화될 때까지는 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 조작하여(K1 오프, K2 온) 축전지(500)의 전력이 BOP요소(700)에 공급되게 하고, 정상 출력 전압이 나오게 되면 역시 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 반대로 조작하여(K1 온, K2 오프) 태양전지(100')의 출력전압이 바로 직결라인(800)를 통해 보조컨버터(600)를 경유하여 BOP요소(700)로 공급되게 한다. 그 외의 전력 조절장치의 구성과 작용은 상기 전력원이 태양전지(100')인 점만 제외하고 전술한 실시예와 같다고 보면 된다. 따라서, 전력원이 꼭 연료전지에만 한정되는 것이 아니라 태양전지와 같은 전력원을 사용하는 경우에도 본 전력 조절장치를 채용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전력 조절장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, BOP요소로 공급되는 전압이 한 번의 변압 과정만 거치게 되므로, 기존에 비해 전력 손실을 대폭 줄일 수 있다.

둘째, 전력원의 출력 전압을 바로 BOP요소에 공급하는 것이 아니라, 보조컨버터를 경유하게 하는 것이므로, 사용처의 부하량에 의해 심하게 변동되지 않는 안정적인 전압을 공급할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압을 상기 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터와, 상기 전력원의 출력 전압을 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터에 직접 연결하는 직결라인 및, 상기 메인컨버터와 상기 보조컨버터 사이에 설치되어 상기 메인컨버터의 출력전압으로 충전되는 축전지를 구비하여,

상기 전력원의 전력 생성이 정상일 때에는 상기 직결라인을 통해 상기 보조컨버터로 전력을 공급하고, 상기 전력원의 전력 생성이 정상이 아닐 경우에는 상기 축전지에 충전된 전력을 상기 보조컨버터로 공급하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 직결라인을 경유하여 상기 보조컨버터에 전압이 공급되는 라인 및 상기 메인컨버터를 경유하여 상기 보조컨버터에 전압이 공급되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치와, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하여 두 라인이 선택적으로 교대하며 사용되게 하는 컨트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 메인컨버터의 출력 전압은 상기 축전지를 경유하면서 감압된 상태로 상기 보조컨버터에 공급되도록 된 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 메인컨버터에서 출력된 DC전압을 AC전압으로 변환시키는 인버터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
전력원의 출력 전압을 사용처에 공급하기 적합한 전압으로 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압으로 충전되는 축전지의 전압과 상기 전력원의 출력 전압 중 어느 하나를 받아서 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터와, 상기 축전지로부터 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 전력원에서 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치 및, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하는 컨트롤러를 준비하는 단계;

상기 전력원을 스타트하는 단계;

상기 전력원의 출력 전압이 정상이 아닌 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 메인컨버터의 출력전압으로 충전된 상기 축전지의 전력이 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계;

상기 전력원의 출력 전압이 정상이 된 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 출력 전압이 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전력이 공급되게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.
제7항에 있어서,

상기 전력원을 포함한 시스템을 셧다운하는 단계와,

셧다운 시에도 상기 BOP요소를 가동할 필요가 있는 경우, 상기 컨트롤러가 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 잔류전력이 상기 메인컨버터를 거치지 않고 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.
제7항에 있어서,

상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.