KR101022011B1 - Fuel Cell Stream Supply and Power Generation System and Method Controlling Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 누진요금체계가 적용되는 계통전원의 상용전력을 저가영역에서 우선 사용하면서, 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력 사이에서 전력 불균형차이를 해소하여 경제성을 가지는 연료전지 열병합발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열병합발전 시스템은, 수소를 포함하는 연료가스와 산소를 포함하는 공기를 이용하여 직류전력을 생산하는 연료전지, 상기 연료전지에서 생산하는 직류전력을 교류전류로 변환하는 전력변환기, 계통전원의 상용전력과 상기 연료전지의 생산전력을 선택하여 부하의 부하전력으로 분배하는 전력분배기, 상기 연료전지에서 발생되는 열을 회수하는 폐열회수기, 및 상기 연료전지, 상기 전력변환기, 상기 전력분배기 및 상기 폐열회수기를 제어하며, 상용전력가격과 생산전력가격이 설정치에서 일치하도록 상용전력량을 제어하는 연료전지제어기를 포함한다.
연료전지, 계통전원, 생산전력, 상용전력, 부하전력, 생산전력가격
One embodiment of the present invention, while using the commercial power of the system power source to which the progressive charge system is applied in the low-cost area, the fuel cell cogeneration with economical efficiency by eliminating the power imbalance between the production power of the fuel cell and the load power of the user It relates to a power generation system.
In a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention, a fuel cell for producing direct current power using a fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen, the direct current power produced by the fuel cell as an alternating current A power converter for converting, a power divider for selecting commercial power of a system power source and production power of the fuel cell and distributing it to load power of a load, a waste heat recovery unit for recovering heat generated from the fuel cell, and the fuel cell and the power And a fuel cell controller for controlling the converter, the power distributor, and the waste heat recovery device, and controlling the amount of commercial power so that the commercial power price and the production power price coincide at the set values.
Fuel Cell, Grid Power, Production Power, Commercial Power, Load Power, Production Power Price
Description
본 발명은 연료전지 열병합발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력 사이에서 전력 불균형차이를 해소하여 경제성을 가지는 연료전지 열병합발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system, and more particularly, to a fuel cell cogeneration system having an economical efficiency by resolving a power imbalance difference between a production power of a fuel cell and a load power of a user, and a control method thereof.
예를 들면, 연료전지는 탄화수소계열의 발전원료(LNG, LPG 등)를 사용하여 연료처리장치에서 수소가 풍부한 개질가스로 치환하고, 공기 중의 산소와 함께 개질가스를 연료전지스택에 공급하여 전기화학반응으로 직류전력을 생산하며, 전력변환기를 이용하여 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 전력생산 과정에 발생하는 열을 회수하여 축열조의 물에 저장하도록 구성된다.For example, a fuel cell uses a hydrocarbon-based power source (LNG, LPG, etc.) to replace a reformer gas rich in hydrogen in a fuel processing device, and supplies the reformed gas together with oxygen in the air to the fuel cell stack, thereby providing electrochemistry. Reaction produces DC power, converts DC power into AC power using a power converter, and recovers heat generated in the power production process and stores the water in the heat storage tank.
대한민국특허 제0661920호는 부하에 대응하여 운전 가능한 연료전지 시스템을 개시한다. 이 연료전지 시스템은, 발전원료의 공급량을 조절하는 연료공급부, 공기의 공급량을 조절하는 공기공급부, 연료전지스택에서 생산되는 전력을 부하에 공급하도록 변환하는 전기출력부, 전기출력부에서 부하에 공급되고 남은 잔여전력량과 상용전원을 통해 공급되는 보충전력량을 함께 검출하는 전력계량부, 및 전력 계량부에서 검출되는 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 계산하여 연료전지스택의 전력생산량을 조절하는 제어부를 포함한다.Korean Patent No. 0661920 discloses a fuel cell system that can operate in response to a load. The fuel cell system includes a fuel supply unit for controlling the supply amount of power generation materials, an air supply unit for controlling the supply amount of air, an electrical output unit for converting power from the fuel cell stack to supply the load, and an electrical output unit for supplying the load. And a power meter for detecting the remaining amount of power remaining and the supplementary power supplied through the commercial power source, and a control unit for calculating the difference between the amount of remaining power and the amount of supplementary power detected by the power meter and controlling the amount of power produced by the fuel cell stack. do.
그러나 이 연료전지 시스템은 연료전지스택이 전력을 생산할 때, 사용하는 발전원료가격 대비 생산전력가격을 비교하는 경제성을 판단하지 않는다. 따라서 이 연료전지 시스템은, 연료전지 열병합 시스템으로 전력을 생산할 때, 전력생산가격이 저렴한 계통전원의 상용전력 및 신재생에너지(예를 들면, 풍력, 태양광 등)로 생산되는 생산전력을 사용하면서 운전하는 것을 어렵게 한다. 따라서 연료전지 시스템의 운전시, 경제성이 제한될 수 있다.However, this fuel cell system does not judge the economic feasibility of comparing the price of electricity produced by the fuel cell stack to the price of power raw materials used. Therefore, the fuel cell system uses the power generated from the commercial power and renewable energy (e.g., wind, solar, etc.) of a system power source having a low power generation price when generating power using a fuel cell cogeneration system. Makes driving difficult. Therefore, in operation of the fuel cell system, economic efficiency may be limited.
본 발명의 일 실시예는 누진요금체계가 적용되는 계통전원의 상용전력을 저가영역에서 우선 사용하면서, 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력 사이에서 전력 불균형차이를 해소하여 경제성을 가지는 연료전지 열병합발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.One embodiment of the present invention, while using the commercial power of the system power source to which the progressive charge system is applied in the low-cost area, the fuel cell cogeneration with economical efficiency by eliminating the power imbalance between the production power of the fuel cell and the load power of the user It relates to a power generation system and a control method thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열병합발전 시스템은, 수소를 포함하는 연료가스와 산소를 포함하는 공기를 이용하여 직류전력을 생산하는 연료전지, 상기 연료전지에서 생산하는 직류전력을 교류전류로 변환하는 전력변환기, 계통전원의 상용전력과 상기 연료전지의 생산전력을 선택하여 부하의 부하전력으로 분배하는 전력분배기, 상기 연료전지에서 발생되는 열을 회수하는 폐열회수기, 및 상기 연료전지, 상기 전력변환기, 상기 전력분배기 및 상기 폐열회수기를 제어하며, 상용전력가격과 생산전력가격이 설정치에서 일치하도록 상용전력량을 제어하는 연료전지제어기를 포함한다.In a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention, a fuel cell for producing direct current power using a fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen, the direct current power produced by the fuel cell as an alternating current A power converter for converting, a power divider for selecting commercial power of a system power source and production power of the fuel cell and distributing it to load power of a load, a waste heat recovery unit for recovering heat generated from the fuel cell, and the fuel cell and the power And a fuel cell controller for controlling the converter, the power distributor, and the waste heat recovery device, and controlling the amount of commercial power so that the commercial power price and the production power price coincide at the set values.
상기 연료전지제어기는, 상기 상용전력가격과 상기 생산전력가격을 비교하여 경제성을 인식하는 경제성인식기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell controller may further include an economic recognizer that recognizes economic efficiency by comparing the commercial power price and the production power price.
상기 연료전지제어기는, 상기 생산전력과 상기 부하전력과의 불균형차이에 따라 전력생산 방향을 증가 또는 감소로 판단하는 부하추종기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell controller may further include a load follower that determines an increase or decrease in the direction of power generation according to an imbalance difference between the production power and the load power.
상기 연료전지제어기는, 상기 부하추종기에서 실시간으로 계산한 상기 상용전력량과 상기 상용전력가격(WP)을 저장하는 데이터저장램과, 전력생산단계를 상기 부하전력의 변동을 감안하여 정격발전에 대응하여 다단으로 제어하는 운전제어기를 포함할 수 있다.The fuel cell controller includes a data storage RAM for storing the commercial power amount and the commercial power price WP calculated in real time by the load follower, and a power generation step corresponding to the rated power generation in consideration of the variation of the load power. It may include an operation controller for controlling in multiple stages.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열병합발전 시스템 제어방법은, 연료전지에서 생산하는 생산전력의 생산전력가격(MWP)을 계산하는 제1 계산단계, 계통전원의 상용전력을 사용한 상용전력가격(WP)을 계산하는 제2 계산단계, 상기 생산전력가격(MWP)과 상용전력가격(WP)을 비교하여, 생산전력의 경제성을 인식하는 경제성지수(EW)가 양 또는 음인지를 판단하는 경제성판단단계, 및 상기 경제성지수가 양이면 상용전력을 공급하고, 상기 경제성지수가 음이면 생산전력을 공급하는 전력공급단계를 포함한다.In the fuel cell cogeneration system control method according to an embodiment of the present invention, the first calculation step of calculating the production power price (MWP) of the production power produced by the fuel cell, commercial power price using the commercial power of the system power ( A second calculation step of calculating WP, and comparing the MWP and the commercial power price (WP) to determine whether the economic index (EW) that recognizes the economics of the production power is positive or negative And supplying commercial power if the economic index is positive, and supplying production power if the economic index is negative.
상기 제1 계산단계는, 발전원료(F)의 사용량, 원료가격(FP, 가격/Nm3) 및 생산전력량으로부터 생산전력가격(MWP)을 계산할 수 있다.In the first calculation step, it is possible to calculate the production power price (MWP) from the consumption of the power raw material (F), the raw material price (FP, price / Nm 3 ) and the amount of power produced.
상기 제2 계산단계는, 상기 생산전력(P1)과 상기 부하전력(P2)의 불균형차이(△P=P2-P1)를 계산하는 불균형차이 계산단계, 상기 불균형차이(△P=P2-P1)가 기설정치 범위를 벗어나는가를 판단하는 범위판단단계, 상기 불균형차이가 기설정치 범위에 속하면 상기 생산전력(P1)을 감소하고, 기설정치 범위를 벗어나면 상기 생산전력(P1)을 증가하는 전력생산단계, 상기 불균형차이만큼 공급된 상용전력의 상용전력량을 적산(∫△P)하는 적산단계, 및 적산된 상기 상용전력량과 누진요금체계를 비교하여 상기 상용전력가격을 계산하는 계산단계를 포함할 수 있다.The second calculating step includes an imbalance difference calculation step of calculating an imbalance difference (ΔP = P2-P1) between the production power P1 and the load power P2, and the imbalance difference (ΔP = P2-P1). A range determination step of determining whether the deviation is out of the preset range, the production power (P1) is reduced if the imbalance difference falls within the preset value range, and increases the production power (P1) if out of the preset range And an integration step of integrating (∫ΔP) the commercial power amount of the commercial power supplied by the unbalanced difference, and calculating the commercial power price by comparing the accumulated commercial power amount with the progressive charge system. have.
상기 전력생산단계는, 상기 상용전력가격과 상기 생산전력가격이 설정치에서 일치하는 상용전력량을 일치 상용전력량(Pe)이라 하고, 사용한 상용전력량이 Pe/3 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이가 정격발전의 3/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력을 생산하는 제1 전력생산단계, 사용한 상용전력량이 Pe/3 이상 2Pe/3 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이가 정격발전의 2/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력을 생산하는 제2 전력생산단계, 사용한 상용전력량이 2Pe/3 이상 Pe 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이가 정격발전의 1/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력을 생산하는 제3 전력생산단계, 및 사용한 상용전력량이 Pe 이상의 범위에 있으면, 전력 불균형차이가 해소되는 생산전력을 생산하는 제4 전력생산단계를 포함할 수 있다.In the power production step, a commercial power amount coinciding with the commercial power price and the production power price is referred to as coincidence commercial power amount Pe, and when the used commercial power amount is within a range of Pe / 3, the power imbalance difference is rated. The first power generation stage, which produces less than the actual load power to produce 3/10 of the power generation, if the commercial power used is in the range of Pe / 3 or more and less than 2Pe / 3, the power imbalance difference is 2/10 of the rated power generation. In the second power production stage, which produces less than the actual load power, if the commercial power used is in the range of 2Pe / 3 or more and less than Pe, the power unbalance difference is less than the actual load power so that it becomes 1/10 of the rated power generation. The third electric power producing step of producing the electric power, and the fourth electric power producing the electric power, in which the power imbalance difference is eliminated when the amount of commercial power used is in the range of Pe or more. It may include the production phase.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지제어기를 구비하여 상용전력가격과 생산전력가격이 설정치에서 일치하도록 사용하는 상용전력량을 제어하므로 누진요금체계가 적용되는 상용전력을 저가영역에서 우선 사용하여 경제성을 향상시키는 효과가 있다. 또한 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력의 전력 불균형차이의 범위에 따라 연료전지의 생산전력을 증감시키므로 불균형차이를 해소하는 과정에서도 경제성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, since the fuel cell controller is used to control the amount of commercial power used so that the commercial power price and the production power price coincide at the set values, the commercial power to which the progressive rate system is applied is preferentially used in the low cost area. This has the effect of improving economics. In addition, since the production power of the fuel cell is increased or decreased according to the range of the power imbalance between the production power of the fuel cell and the load power of the user, there is an effect of improving the economic efficiency even in the process of resolving the unbalance difference.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열병합발전 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도1을 참조하면 일 실시예의 연료전지 열병합발전 시스템(100)(이하에서, 간단히 "시스템"이라 한다)은 연료전지(10), 전력변환기(20), 전력분배기(30), 폐열회수기(40) 및 연료전지제어기(50)를 포함한다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a fuel cell cogeneration system 100 (hereinafter, simply referred to as a “system”) of an embodiment includes a
연료전지(10)는 예를 들면, 탄화수소계 원료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하는 연료처리장치(11), 수소와 공기중의 산소를 이용하여 직류전력을 생산하는 연료전지스택(12), 전력을 생산하는데 필요한 각종 주변기기(BOP; Balance Of Plant)(13), 및 연료처리장치(11)와 연료처리스택(12)에서 생성되는 열을 회수하는 열교환기(14)를 포함한다.The
전력변환기(20)는 연료전지(10)에서 생산한 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 예를 들면, 전력변환기(20)는 직류전력을 직류전력으로 변환하는 DC-DC컨버터(21), 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터(22), 및 변환된 교류전력을 측정하는 제1 전력미터(23)를 포함한다. 예를 들면, 제1 전력미터(23)는 전류센서와 전압센서를 포함하여 형성된다.The
제2 전력미터(24)는 제1 전력미터(23)와 같은 구조로 형성될 수 있고, 계통전원 및 전력변환기(20)에서 사용자의 부하(25)로 상용전력 및 생산전력(P1)을 공급하는 부하라인(241)에 설치되어, 사용자가 사용하는 부하전력(P2)을 측정한다. 따라서 연료전지제어기(50)는 제1 전력미터(23)가 측정하는 연료전지(10)의 생산전력(P1) 및 제2 전력미터(24)가 측정하는 사용자의 부하전력(P2) 사이에서 기설정된 시간 이상 동안 전력 불균형차이(△P=P2-P1)를 비교할 수 있다.The
일 실시예의 시스템(100)은 연료전지(10) 및 계통전원(예를 들면, 상용전원)에 연계되어, 생산전력(P1)과 상용전력에 의하여 선택적으로 운전된다. 즉 시스템(100)은, 연료전지(10)의 시동시에, 계통전원의 상용전력으로 운전되고, 연료전지(10)가 전력을 생산하는 운전 중에, 연료전지(10)의 생산전력(P1)으로 운전된다.The
이를 위하여, 전력분배기(30)는 상용전력을 연료전지(10)에 공급할 수 있도록 연료전지(10)와 계통전원 사이에 배치된다. 즉 전력분배기(30)는 연료전지(10) 의 시동 또는 운전에 따라 상용전력과 생산전력(P1)을 선택적으로 시스템(100)의 다른 구성요소들에 공급한다.To this end, the
폐열회수기(40)는 예를 들면, 축열조(41), 물펌프(42), 공랭식 열교환기(43)와 삼방향밸브(44), 보조버너(45) 및 온도센서(46)를 포함한다. 축열조(41)는 연료전지(10)의 연료전지스택(12) 및 연료처리장치(11)에 연결된 열교환기(14)를 통하여 연료전지(10)에서 회수되는 폐열을 물에 저장한다. 축열조(41)가 열로 가득 채워진 경우, 물펌프(42)와 공랭식 열교환기(43)는 축열조(41)의 물을 순환시켜서 축열조(41)의 물에 포함되어 있는 열을 제거한다. 보조버너(45)는 축열조(41)에 열을 보충한다. 온도센서(46)는 축열조(41)의 온도를 측정한다. 축열조(41)는 직수를 공급하는 직수입구(411), 온수를 배출하는 온수배출구(412), 난방수를 배출 공급하는 난방수배출구(413) 및 난방수를 회수하는 난방수회수구(414)를 구비한다.The
연료전지제어기(50)는 연료전지(10), 전력변환기(20), 제2 전력미터(24), 전력분배기(30), 폐열회수기(40) 및 이들에 구비된 각종 구성요소에 전기적으로 연결되어, 시스템(100)의 각종 상황에 최적화 상태로 시스템(100)을 운전 및 제어한다.The
연료전지제어기(50)는 연료전지(10)의 생산전력(P1)과 사용자의 부하전력(P2) 사이에서 전력 불균형차이(△P=P2-P1)를 해소함으로써 시스템(100)의 경제성을 높인다. 또한 연료전지제어기(50)는 계통전원의 상용전력에 누진요금체계가 적용되는 것을 감안하여, 저가영역에서 상용전력을 우선 사용하게 한다.The
이를 위하여, 연료전지제어기(50)는 부하추종기(51), 경제성인식기(52), 운전제어기(53) 및 데이터저장램(54)을 포함한다. 부하추종기(51)는 생산전력(P1)과 부하전력(P2)의 전력 불균형차이(△P=P2-P1)에 따라 전력생산의 방향을 판단한다. 경제성인식기(52)는 연료전지(10)의 생산전력가격(MWP)과 계통전원의 상용전력가격(WP)을 비교하여 경제성을 인식한다. 운전제어기(53)는 연료전지(10)의 전력생산단계를 부하전력(P2)의 변동을 감안하여, 정격발전에 대응하여 다단으로 제어하며, 연료전지(10)의 생산전력량에 따라 발전원료, 공기 및 냉각수의 유량을 선형적으로 제어한다. 연료전지제어기(50)의 보다 구체적인 작용 효과는 제어방법과 함께 설명한다.To this end, the
도2는 도1의 연료전지 열병합발전 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다. 도2를 참조하면, 일 실시예의 연료전지 열병합발전 시스템의 제어방법(이하 "제어방법"이라 한다)은 제1, 제2 계산단계(ST10, ST20), 경제성판단단계(ST30) 및 전력공급단계(ST40)를 포함한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method of the fuel cell cogeneration system of FIG. 1. Referring to FIG. 2, a control method (hereinafter referred to as a “control method”) of a fuel cell cogeneration system according to an embodiment includes first and second calculation steps ST10 and ST20, an economic determination step ST30, and a power supply step. (ST40).
제1 계산단계(ST10)는 연료전지(10)에서 생산하는 생산전력(P1)의 가격, 즉 생산전력가격(MWP)을 계산한다. 즉 제1 계산단계(ST10)는 발전원료(F)의 사용량, 단위당 원료가격(FP, 가격/Nm3) 및 생산전력량을 감지하여(ST11), 이 데이터로부터 생산전력가격(MWP)을 계산한다(ST12).The first calculation step ST10 calculates the price of the production power P1 produced by the
예를 들면, 연료전지(10)가 1시간 동안 P kWh의 전기를 생산하는데 발전원료를 F(Nm3)를 사용하고, 단위당 발전원료가격이 FP(원/Nm3)이면, 연료전지(10)의 생산전력가격(MWP)은 F×FP/P(원/kWh)이다.For example, if the
제2 계산단계(ST20)는 사용된 계통전원의 상용전력의 가격, 즉 상용전력가 격(WP)을 계산한다. 즉 제2 계산단계(ST20)는 연료전지(10)의 생산전력(P1)과 부하전력(P2)의 전력 불균형차이(△P=P2-P1)를 계산하는 불균형차이 계산단계(ST21), 전력 불균형차이(△P)가 기설정치 범위를 벗어나는가를 판단하는 범위판단단계(ST22), 전력 불균형차이(△P)가 기설정치 범위에 속하면 생산전력(P1)을 감소하고, 기설정치 범위를 벗어나면 생산전력(P1)을 증가하는 전력생산단계(ST23), 전력 불균형차이(△P)만큼 공급된 상용전력의 상용전력량을 적산(∫△P)하는 적산단계(ST24), 및 적산된 상용전력량과 누진요금체계를 비교하여 상용전력가격(WP)을 계산하는 계산단계(ST25)를 포함한다.The second calculation step ST20 calculates the price of the commercial power of the used system power source, that is, the commercial power price WP. That is, in the second calculation step ST20, an unbalance difference calculation step ST21 for calculating the power unbalance difference (ΔP = P2-P1) between the production power P1 and the load power P2 of the
경제성판단단계(ST30)은 생산전력가격(MWP)과 상용전력가격(WP)을 비교하여(ST31), 생산전력의 경제성을 인식하는 경제성지수(EW=MWP-WP)가 양 또는 음인지를 판단한다(ST32).The economic judgment stage (ST30) compares the production power price (MWP) and the commercial power price (WP) (ST31) to determine whether the economic index (EW = MWP-WP) that recognizes the economics of the production power is positive or negative. (ST32).
데이터저장램(54)은 실시간으로 사용한 계통전원의 적산 상용전력량(∫△P)과 누진요금체계의 예와 같은 계통전력의 누진구간별 상용전력가격(WP)을 저장하고 있다. 따라서 경제성인식기(52)는 적산한 상용전력량(∫△P)으로부터 상용전력가격(WP)을 실시간으로 계산하여, 연료전지(10)의 생산전력가격(MWP)과 비교함으로써, 판단한 경제성지수(EW)를 운전제어기(53)에 전달한다.The
전력공급단계(ST40)는 경제성지수(EW)가 양(+)이면 상용전력을 부하(25)에 공급하고(ST41), 경제성지수(EW)가 음(-)이면 생산전력(P1)을 부하(25)에 공급한다(ST42). 즉 경제성지수(EW) 양은 연료전지(10)의 생산전력가격(MWP)이 계통전원의 상용전력가격(WP)보다 더 비싸다는 것을 의미하므로 상대적으로 저렴한 상용전 력을 부하(25)에 공급한다. 또한 경제성지수(EW) 음은 연료전지(10)의 생산전력가격(MWP)이 계통전원의 상용전력가격(WP)보다 더 싸다는 것을 의미하므로 상대적으로 저렴한 생산전력(P1)을 부하(25)에 공급한다. 이로써 시스템(100)은 경제성을 가진다.In the power supply stage (ST40), if the economic index (EW) is positive (+), commercial power is supplied to the load 25 (ST41). If the economic index (EW) is negative, the production power (P1) is loaded. It supplies to 25 (ST42). That is, the amount of economic index (EW) means that the production power price (MWP) of the
도3은 계통전원의 상용전력과 연료전지의 생산전력 각각의 전력량과 전력가격을 비교하는 그래프이다. 도3을 참조하여 일례로서 설명하면, 제2 계산단계(ST20)에서, 전력생산단계(ST23)는 제1 내지 제4 전력생산단계들(ST231, ST232, ST233, ST234)을 포함한다.3 is a graph comparing the amount of electricity and the price of power of the commercial power of the system power and the production power of the fuel cell. Referring to FIG. 3 as an example, in the second calculation step ST20, the power generation step ST23 includes first to fourth power generation steps ST231, ST232, ST233, and ST234.
설명의 편의를 위하여, 상용전력가격(WP)과 생산전력가격(MWP)이 설정치에서 일치하는 상용전력량을 일치 상용전력량(Pe)이라 한다. 예를 들면, 전력 불균형차이(△P)의 발생 판단을 위한 기설정된 시간을 5 내지 10분으로 한다.For convenience of description, the commercial power amount in which the commercial power price (WP) and the production power price (MWP) coincide at the set value is referred to as the coincidence commercial power amount (Pe). For example, a predetermined time for determining occurrence of the power unbalance difference ΔP is set to 5 to 10 minutes.
제1 전력생산단계(ST231)은 사용한 상용전력량이 Pe/3 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이(△P)가 정격발전의 3/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력(P1)을 생산한다.In the first power production step ST231, when the amount of commercial power used is in the range of less than Pe / 3, the power unevenness difference ΔP is 3/10 of the rated power generation. do.
제2 전력생산단계(ST232)는 사용한 상용전력량이 Pe/3 이상 2Pe/3 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이(△P)가 정격발전의 2/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력(P1)을 생산한다.In the second power generation step ST232, when the amount of commercial power used is in the range of Pe / 3 or more and less than 2Pe / 3, the production power less than the actual load power so that the power unbalance difference ΔP is 2/10 of the rated power generation ( To produce P1).
제3 전력생산단계(ST 233)는 사용한 상용전력량이 2Pe/3 이상 Pe 미만의 범위에 있으면, 전력 불균형차이(△P)가 정격발전의 1/10만큼 나도록 실제 부하전력량보다 적은 생산전력(P1)을 생산한다.In the third power production step (ST 233), if the commercial power used is in the range of 2Pe / 3 or more and less than Pe, the production power (P1) less than the actual load power so that the power unbalance difference (ΔP) is 1/10 of the rated power generation. To produce).
제4 전력생산단계(ST234)는 사용한 상용전력량이 Pe 이상의 범위에 있으면, 전력 불균형차이(△P)가 해소되는 생산전력(P1)을 생산한다.In the fourth power production step ST234, when the amount of commercial power used is in the range of Pe or more, the production power P1 to which the power imbalance difference ΔP is eliminated is produced.
즉, 전력생산단계(ST23)는 상용전력의 사용량을 제어함에 있어서, 상용전력가격(WP)과 연료전지 생산전력가격(MWP)이 일치되는 일치 상용전력량(Pe)이 되도록 최적의 단계로 이동 제어한다. 연료전지(10)가 생산하는 열생산가격(HP)을 고려하면, 생산전력가격(MWP)이 상향 조정될 수 있으며, 이에 따라 계통전원의 일치 상용전력량(Pe)은 새로운 일치 상용전력량(Phe)으로 이동하게 된다(도3 참조). 이로써, 일 실시예의 시스템(100)은 연료전지(10)의 생산전력(P1)과 사용자의 부하전력(P2) 사이에서 전력 불균형차이를 해소하면서 경제성을 가질 수 있다.That is, in the power generation step ST23, in controlling the usage of the commercial power, the control is moved to the optimal stage such that the commercial power price WP and the fuel cell production power price MWP are matched to each other. do. Considering the heat production price (HP) produced by the fuel cell (10), the production power price (MWP) can be raised, so that the matched commercial power (Pe) of the grid power supply to the new matched commercial power (Phe) It is moved (see Fig. 3). As a result, the
다른 예를 들면, 전력생산단계(ST23)는 사용자의 부하전력 변동을 감안하여 정격발전의 9단계(예를 들면, 정격발전이 1,000W인 경우, 200W, 300W, 400W, 500W, 600W, 700W, 800W, 900W 및 1,000W)로 나누어 연료전지(10)에서 생산전력(P1)을 생산할 수 있다. 전력생산단계(ST23)는 기설정된 시간 이상 동안 기설정된 생산전력량과 부하전력량의 전력 불균형차이(△P)가 정격발전의 1/10이상 발생하면 다음 단계로 이동하여 생산전력(P1)을 생산한다. 이때, 연료전지(10)가 생산하는 생산전력량에 따라 발전원료와 연료전지스택(12)에 공급되는 공기와 냉각수 유량은 선형적으로 변화된다.In another example, the power production stage ST23 may include nine stages of rated power generation (for example, 200W, 300W, 400W, 500W, 600W, 700W, in consideration of the load power variation of the user). Divided into 800W, 900W and 1,000W) it is possible to produce the production power (P1) in the fuel cell (10). In the power generation step ST23, when the power unbalance difference ΔP between the predetermined amount of production power and the load power amount is greater than 1/10 of the rated power generation for more than a predetermined time, the power generation step ST23 moves to the next step to produce the production power P1. . At this time, the flow rate of air and cooling water supplied to the power generating material and the
이하에서 누진요금체제(예, 한국전력공사)가 적용되는 계통전원으로부터 사용한 상용전력량과 누진구간별 상용전력가격을 예로 들어 설명한다.In the following description, the amount of commercial power used from a grid power source to which a progressive tariff system (eg, Korea Electric Power Corporation) is applied and the commercial power price by progressive section are described as an example.
표1에서 보는 바와 같이, 발전원료(예를 들면, 도시가스) 1Nm3를 사용하여 4kWh의 생산전력(P1)를 생산하는 경우, 0kWh에서부터 200kWh까지는 도시가스 가격을 670원/Nm3로 가정하면(생산전력가격(MWP)=670×200/4=33500원), 계통전원의 상용전력가격(WP=55.1×100+113.8×100=16890원)이 훨씬 저렴함을 알 수 있다. 즉 도3에서 전력량(kWh)이 0 내지 Pe 범위에 속한다.As shown in Table 1, in the case of producing 4 kWh of production power (P1) using 1Nm 3 of generating raw materials (eg city gas), assuming the city gas price of 670 won / Nm 3 from 0kWh to 200kWh (MWP = 670 × 200/4 = 33500Won), the commercial power price of the grid power supply (WP = 55.1 × 100 + 113.8 × 100 = 16890Won) is much cheaper. That is, in FIG. 3, the power amount kWh is in the range of 0 to Pe.
이와 같이 일 실시예의 제어방법은 매월 상용전력가격(WP)과 연료전지 생산전력가격(MWP)이 일치할 때까지 우선적으로 계통전원의 상용전력을 사용함으로써 에너지 비용을 최소화시킬 수 있으며, 예를 들면, 매월 계통전원의 상용전력의 사용량을 0.5×Pe 내지 0.9Pe 범위 내에서 상용전력을 사용 가능케 한다.As such, the control method of the embodiment can minimize energy costs by using the commercial power of the grid power supply until the monthly commercial power price (WP) and the fuel cell production power price (MWP) coincide with each other. In addition, it allows the use of commercial power within the range of 0.5 × Pe to 0.9Pe in the monthly usage of the grid power.
또한, 일 실시예의 시스템(100) 및 제어방법은 발전원료가격으로부터 계산된 생산전력가격(MWP)을 계통전원의 상용전력가격(WP) 및 신재생에너지(예를 들면, 풍력, 태양광 등)의 생산전력가격과 비교하여, 신재생에너지를 사용할 수 있게 하며, 신재생에너지를 적용하는 경우 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, the
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열병합발전 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention.
도2는 도1의 연료전지 열병합발전 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method of the fuel cell cogeneration system of FIG. 1.
도3은 계통전원의 상용전력과 연료전지의 생산전력 각각의 전력량과 전력가격을 비교하는 그래프이다.3 is a graph comparing the amount of electricity and the price of power of the commercial power of the system power and the production power of the fuel cell.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 연료전지 열병합발전 시스템(시스템) 10 : 연료전지100: fuel cell cogeneration system (system) 10: fuel cell
20 : 전력변환기 30 : 전력분배기20: power converter 30: power divider
40 : 폐열회수기 50 : 연료전지제어기40: waste heat recovery unit 50: fuel cell controller
11 : 연료처리장치 12 : 연료전지스택11
13 : 주변기기 14 : 열교환기13: peripheral device 14: heat exchanger
21 : DC-DC컨버터 22 : 인버터21: DC-DC converter 22: inverter
23, 24 : 제1, 제2 전력미터 25 : 부하23, 24: first and second power meter 25: load
41 : 축열조 42 : 물펌프41: heat storage tank 42: water pump
43 : 공랭식 열교환기 44 : 삼방향밸브43: air-cooled heat exchanger 44: three-way valve
45 : 보조버너 46 : 온도센서45: auxiliary burner 46: temperature sensor
411 : 직수입구 412 : 온수배출구411: direct import 412: hot water outlet
413 : 난방수배출구 414 : 난방수회수구413: heating water outlet 414: heating water recovery port
P1 : 생산전력 P2 : 부하전력P1: Production Power P2: Load Power
△P=P2-P1 : 불균형차이 MWP : 생산전력가격△ P = P2-P1: Unbalance Difference MWP: Production Power Price
WP : 상용전력가격 Pe, Phe : 일치 상용전력량WP: Commercial Power Price Pe, Phe: Consistent Commercial Power
FP : 원료가격 EW : 경제성지수FP: Raw material price EW: Economic Index
F : 발전원료 F: Power Raw Material
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