KR101352199B1 - Apparatus for stabilizing the output of mcfc - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 연료전지스택, MBOP 및 EBOP를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 계통전원과 분리되어 독립적으로 동작하는 독립운전모드에서, 부하의 변동에 따른 상기 연료전지스택의 출력전류의 변동을 제어하고, 상기 연료전지스택의 정격출력전력 중 상기 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력을 소비하는 출력 안정화부, 및 상기 부하에 입력되는 전압 및 전류, 상기 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 상기 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 출력 안정화부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.In the fuel cell output stabilization device according to the present invention, in the independent operation mode in which a fuel cell power generation system including a fuel cell stack, MBOP, and EBOP operates independently from a system power source, the output of the fuel cell stack according to a change in load An output stabilization unit that controls a change in current and consumes surplus power remaining in the rated output power of the fuel cell stack other than the power required for the load, and a voltage and a current input to the load, and an output of the fuel cell stack. And a control unit for monitoring the voltage and current, the output voltage and current of the EBOP, and controlling the operation of the output stabilization unit.

Description

연료전지 출력 안정화 장치{APPARATUS FOR STABILIZING THE OUTPUT OF MCFC}Fuel cell output stabilization device {APPARATUS FOR STABILIZING THE OUTPUT OF MCFC}

본 발명은 연료전지 출력 안정화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지가 비상전원으로써 안정적으로 전원을 공급할 수 있도록 하는 연료전지 출력 안정화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell output stabilization device, and more particularly, to a fuel cell output stabilization device that enables the fuel cell to stably supply power as an emergency power source.

지구 온난화가 현실적인 문제로 대두되면서 지속적이고 친환경적인 에너지공급원에 대한 필요성이 높아지고 있다. 지금까지 개발되고 있는 대표적인 신재생 에너지원으로는, 태양 에너지를 이용한 태양광 발전, 바람을 동력으로 이용하는 풍력 발전, 및 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 연료전지 등이 있다. 연료전지를 이용한 발전은 환경에 친화적이면서 태양광 발전이나 풍력 발전과 비교해 환경적인 조건에 영향을 받지 않고, 지속적으로 전력생산이 가능한 장점이 있다. 연료전지가 가지고 있는 이러한 장점은 전력계통(Electric Power System)에 문제가 발생하거나 상용전원을 통해 전력 공급이 어려운 경우 중요한 부하에 전력을 공급하는 비상 전원 공급장치에도 활용될 수 있다.As global warming becomes a real problem, the need for sustainable and environmentally friendly energy sources is increasing. Representative renewable energy sources that have been developed so far include solar power generation using solar energy, wind power generation using wind power, and fuel cells that produce electricity and heat by chemical reaction between hydrogen and oxygen. Power generation using fuel cells has the advantage of being environmentally friendly and capable of continuously producing electricity without being affected by environmental conditions as compared with solar power generation or wind power generation. This advantage of fuel cells can also be applied to emergency power supplies that power critical loads if the electrical power system fails or if it is difficult to supply power through commercial power.

현재 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)를 이용한 대용량 발전시스템이 상용발전에 사용되고 있으며, 대부분이 계통전원에 연계되어 운전되고 있다. 하지만, 연료전지는 기계적 공정과 화학적 공정으로 전력을 생산하기 때문에 응답이 빠르지 않아 비상전원 공급장치로 활용되기에는 부하 추종성능이 낮은 문제를 가지고 있다. 또한, 부하 특성에 기인한 왜곡된 출력전류는 연료전지 자체에 나쁜 영향을 미칠 수 있어, 이를 개선하지 않고 사용할 경우 전력공급의 안정도 저하 및 연료전지 수명 단축 등과 같은 문제를 야기시킬 수 있다.Currently, large-capacity power generation systems using molten carbonate fuel cells (MCFCs) are used for commercial power generation, and most of them operate in conjunction with grid power. However, since fuel cells produce power in mechanical and chemical processes, the response is not fast, and thus the load tracking performance is low to be used as an emergency power supply. In addition, the distorted output current due to the load characteristics may adversely affect the fuel cell itself, and may cause problems such as deterioration of the stability of power supply and shortening of fuel cell life when used without improvement.

본 발명의 목적은 부하가 급변하는 경우, 연료전지스택의 충격을 완화하는 연료전지 출력 안정화 장치를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell output stabilization device that mitigates the impact of a fuel cell stack when a load changes suddenly.

본 발명의 다른 목적은 계통전원과 분리되어 독립전원으로 사용되는 경우, 연료전지가 일정한 전력 또는 전류를 공급하는 연료전지 출력 안정화 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell output stabilization device in which a fuel cell supplies a constant power or current when the power source is separated from a system power source and used as an independent power source.

본 발명의 또 다른 목적은 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현하는 연료전지 출력 안정화 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention to provide a fuel cell output stabilization device for implementing a reliable emergency power supply.

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 연료전지스택, MBOP 및 EBOP를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 계통전원과 분리되어 독립적으로 동작하는 독립운전모드에서, 부하의 변동에 따른 상기 연료전지스택의 출력전류의 변동을 제어하고, 상기 연료전지스택의 정격출력전력 중 상기 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력을 소비하는 출력 안정화부, 및 상기 부하에 입력되는 전압 및 전류, 상기 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 상기 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 출력 안정화부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.The fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention is a fuel cell power generation system including a fuel cell stack, MBOP and EBOP in an independent operation mode in which the fuel cell stack is separated from a system power source and operates independently, the fuel according to a load change. An output stabilization unit for controlling fluctuations in the output current of the battery stack and consuming surplus power other than the power required for the load among the rated output powers of the fuel cell stack, and a voltage and current input to the load, and the fuel And a control unit for monitoring the output voltage and current of the battery stack and the output voltage and current of the EBOP and controlling the operation of the output stabilization unit.

실시 예에 있어서, 상기 출력 안정화부는 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에는 선형제어를 통해서 상기 연료전지스택의 출력전류를 제어하고, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에는 비선형 제어를 통해서 상기 연료전지스택의 출력전류를 제어하고, 상기 잉여전력 중 일부를 저장하는 출력전류 제어부, 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 출력전류 제어부에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 전력보상부를 포함한다.The output stabilization unit may control the output current of the fuel cell stack through linear control when the load fluctuation is less than or equal to a preset reference under the control of the controller. In case of abrupt exceeding a predetermined standard, an output current controller for controlling the output current of the fuel cell stack through nonlinear control and storing a part of the surplus power, and the output of the surplus power under the control of the controller. It includes a power compensator for consuming the remaining power other than the power stored in the current control unit.

실시 예에 있어서, 상기 제어부는 계기용 변압기(PT) 및 계기용 변류기(CT)를 이용하여, 상기 부하에 입력되는 전압 및 전류, 상기 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 상기 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하는 모니터링부, 및 중앙처리장치를 포함하고, 상기 모니터링부의 출력을 수신하여 상기 중앙처리장치를 통하여, 상기 출력전류 제어부 및 상기 전력보상부의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다.In an embodiment, the control unit may use a voltage transformer (PT) and a current transformer (CT), the voltage and current input to the load, the output voltage and current of the fuel cell stack, and the output voltage of the EBOP. And a monitoring unit for monitoring current, and a central processing unit, the controller receiving the output of the monitoring unit and controlling the operation of the output current control unit and the power compensating unit through the central processing unit.

실시 예에 있어서, 상기 출력전력 제어부는 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 일부를 저장하는 배터리, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지스택의 출력전류를 선형으로 제어하는 선형제어루프, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지스택의 출력전류를 비선형으로 제어하는 비선형제어루프, 및 상기 연료전지스택의 출력단과 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 선형제어루프 및 상기 비선형제어루프에 선택적으로 연결되고, 상기 잉여전력 중 일부를 상기 배터리에 전달하는 양방향 DC-DC 컨버터를 포함한다.According to an embodiment, the output power controller may control the fuel according to the control of the controller when the battery storing some of the surplus power and the variation of the load are less than a preset reference under the control of the controller. A linear control loop for linearly controlling the output current of the battery stack, and a nonlinear control loop for controlling the output current of the fuel cell stack nonlinearly under the control of the controller when the load variation suddenly exceeds a preset reference. And a bidirectional DC-DC converter connected to an output terminal of the fuel cell stack and selectively connected to the linear control loop and the nonlinear control loop under the control of the controller, and transferring some of the surplus power to the battery. It includes.

실시 예에 있어서, 상기 전력보상부는 상기 EBOP의 출력단과 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 배터리에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 전력소비부, 및 상기 EBOP의 출력단 및 상기 전력소비부와 연결되고, 상기 독립운전모드에서 발생하는 고조파 및 불평형 전류를 보상하는 APF를 포함한다.In an embodiment, the power compensator is connected to an output terminal of the EBOP, and under the control of the controller, a power consumption unit consuming remaining power other than the power stored in the battery among the surplus power, and the output terminal of the EBOP. And an APF connected to the power consumption unit to compensate for harmonics and unbalanced currents generated in the independent operation mode.

실시 예에 있어서, 상기 배터리에 저장된 상기 잉여전력 중 일부의 전력은, DC 전원공급을 필요로 하는 다른 장치에 사용되거나, 또는 AC 전력으로 변환되어 상용전원으로 이용된다.In some embodiments, some of the surplus power stored in the battery may be used in other devices requiring DC power supply, or may be converted into AC power and used as commercial power.

실시 예에 있어서, 상기 선형제어루프 및 상기 비선형제어루프는 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 듀티 싸이클(Duty Cycle)을 변화시켜 상기 연료전지스택의 출력 전류를 제어한다.In example embodiments, the linear control loop and the nonlinear control loop may control an output current of the fuel cell stack by changing a duty cycle of the bidirectional DC-DC converter.

실시 예에 있어서, 상기 부하가 감소하는 경우에, 상기 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 제어한다.In an embodiment, when the load decreases, the output current of the fuel cell stack is controlled using the power stored in the battery.

실시 예에 있어서, 상기 전력소비부는 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 배터리에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 수동소자 또는 능동소자를 포함한다.The power consumption unit may include a passive device or an active device that consumes remaining power other than the power stored in the battery among the surplus power under the control of the controller.

본 발명에 따른 연료전지 안정화 장치는 부하가 급변하는 경우, 연료전지스택의 충격을 완화할 수 있다.The fuel cell stabilization apparatus according to the present invention can mitigate the impact of the fuel cell stack when the load is suddenly changed.

또한, 계통전원과 분리되어 독립전원으로 사용되는 경우, 연료전지가 일정한 전력 또는 전류를 공급할 수 있다.In addition, when used as an independent power source separate from the system power supply, the fuel cell may supply a constant power or current.

또한, 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a reliable emergency power supply.

도 1은 일반적인 연료전지 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 운전 상황에 따른 연료전지 발전 시스템의 연료전지 출력전력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 독립운전모드에서 부하의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 일반적인 연료전지 발전 시스템의 연료전지스택의 출력전류를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치에 포함되는 비선형 제어루프의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치에 의해 안정화된 연료전지스택의 출력전류를 나타내는 그래프이다.1 is a view showing a general fuel cell power generation system.
2 is a view showing a fuel cell power generation system including a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to another embodiment of the present invention.
5 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to another embodiment of the present invention.
6 is a graph showing fuel cell output power of a fuel cell power generation system according to a driving situation.
7 is a graph showing the variation of the load in the independent operation mode.
FIG. 8 is a diagram illustrating an output current of a fuel cell stack of a general fuel cell power generation system when a load varies as shown in FIG. 7.
FIG. 9 is a graph illustrating the output of the nonlinear control loop included in the fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention when the load is changed as shown in FIG. 7.
FIG. 10 is a graph illustrating an output current of a fuel cell stack stabilized by a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention when a load varies as shown in FIG. 7.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish it, will be described with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. The embodiments are provided so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention to those skilled in the art.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.In the drawings, embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown and are exaggerated for clarity. Although specific terms are used herein, It is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation of the scope of the appended claims.

본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, '연결되는/결합되는' 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 '포함한다' 또는 '포함하는'으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.The expression 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after. In addition, the expression 'connected / combined' is used in the sense including including being directly connected to or indirectly connected to other components. The singular forms herein include plural forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, as used herein, "comprising" or "comprising" means to refer to the presence or addition of one or more other components, steps, operations and elements.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일반적인 연료전지 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 연료전지 발전 시스템(10)은 MBOP(Mechanical Balance Of Plant, 11), 연료전지스택(Fuel Cell Stack, 12) 및 EBOP(Electrical Balance Of Plant, 13)를 포함한다.1 is a view showing a general fuel cell power generation system. Referring to FIG. 1, a general fuel cell power generation system 10 includes a mechanical balance of plant (MBOP) 11, a fuel cell stack 12, and an electrical balance of plant 13.

MBOP(11)는 연료전지스택(12)과 연결되고, 전력을 생성하는데 필요한 산소 및 수소를 연료전지스택(12)에 공급한다.The MBOP 11 is connected to the fuel cell stack 12 and supplies the fuel cell stack 12 with oxygen and hydrogen necessary to generate electric power.

연료전지스택(12)은 MBOP(11) 및 EBOP(13)와 연결된다. 연료전지스택(12)은 MBOP(11)로부터 산소 및 수소를 공급받아 전력을 생성하고, 생성된 전력을 EBOP(13)에 전달한다. EBOP(13)로 전달되는 전력은 직류형태(DC)이다.The fuel cell stack 12 is connected to the MBOP 11 and the EBOP 13. The fuel cell stack 12 receives oxygen and hydrogen from the MBOP 11 to generate power, and transfers the generated power to the EBOP 13. The power delivered to the EBOP 13 is a direct current form (DC).

EBOP(13)는 연료전지스택(13) 및 차단기(20)와 연결된다. EBOP(13)는 연료전지스택(12)으로부터 직류형태의 전력을 전달받고, 전달받은 직류형태의 전력을 계통전원(30)과 같은 주파수를 갖는 교류형태(AC)의 전력으로 변환하여 차단기(20)에 전달한다.The EBOP 13 is connected to the fuel cell stack 13 and the breaker 20. The EBOP 13 receives the DC power from the fuel cell stack 12, converts the received DC power into the AC power having the same frequency as the system power supply 30, and breaker 20. To pass).

차단기(20)는 연료전지 발전 시스템(10) 및 계통전원(30)과 연결되고, 부하(40)에 공급되는 전원을 연료전지 발전 시스템(10) 또는 계통전원(30)으로 선택적으로 전환한다. 계통전원(30)에 문제가 발생한 비상시 또는 필요에 따라, 차단기(20)가 작동되어 연료전지 발전 시스템(10)에 의해서만 부하(40)에 전력을 공급한다. 이러한 경우를 독립운전모드라고 한다.The breaker 20 is connected to the fuel cell power generation system 10 and the system power supply 30, and selectively converts the power supplied to the load 40 into the fuel cell power generation system 10 or the system power supply 30. In the event of an emergency or a problem with the system power supply 30, the breaker 20 is operated to supply power to the load 40 only by the fuel cell power generation system 10. This case is called an independent operation mode.

특히, 연료전지 발전 시스템(10)은 계통전원(30)에 문제가 발생한 비상시에, 독립운전모드로 동작하여 부하(40) 중 중요부하에 전력을 공급하는 정전대응용으로 사용될 수 있다. 그러나 연료전지는 기계적 공정 및 화학적 공정으로 전력을 생산하기 때문에, 부하 추종성능이 낮은 특징이 있다. 즉, 비상시에 부하의 변화에 대하여 즉각적으로 반응하여 전력을 공급할 수 없기 때문에, 급격한 부하의 변동에도 비상전원으로써 안정적으로 전력을 공급할 수 없다. In particular, the fuel cell power generation system 10 may operate in an independent operation mode in case of an emergency in which a problem occurs in the system power supply 30, and may be used for an electrostatic response to supply power to an important load of the load 40. However, since fuel cells produce power in mechanical and chemical processes, load tracking performance is low. That is, since the power cannot be supplied in response to the load change in an emergency, the power cannot be stably supplied as the emergency power even in the case of sudden load fluctuations.

순간적이더라도 비선형적인 부하의 변동이 발생하는 경우, 연료전지스택(12)의 출력전류는 제어범위를 벗어날 수 있다. 이러한 경우 연료전지스택(12)에 심각한 손상이 발생할 수 있고, 연료전지 발전 시스템(10)뿐만 아니라 비상시에 전력공급이 요구되는 중요부하에도 심각한 손상이 발생할 수 있다.Even if instantaneous non-linear load fluctuations occur, the output current of the fuel cell stack 12 may be out of the control range. In this case, serious damage may occur in the fuel cell stack 12, and serious damage may occur not only in the fuel cell power generation system 10 but also in a critical load requiring power supply in an emergency.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 연료전지 발전 시스템(50)은 MBOP(11), 연료전지스택(12), EBOP(13) 및 연료전지 출력 안정화 장치(100)를 포함한다.2 is a view showing a fuel cell power generation system including a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the fuel cell power generation system 50 includes an MBOP 11, a fuel cell stack 12, an EBOP 13, and a fuel cell output stabilization device 100.

도 2의 MBOP(11), 연료전지스택(12) 및 EBOP(13)는 앞서 도 1에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략한다.Since the MBOP 11, the fuel cell stack 12, and the EBOP 13 of FIG. 2 are the same as described above with reference to FIG. 1, detailed description thereof will be omitted.

연료전지 출력 안정화 장치(100)는 연료전지스택(12), EBOP(3) 및 차단기(20)의 출력단(부하(40)의 입력단)과 연결된다. 연료전지 출력 안정화 장치(100)는 부하(40)에 입력되는 전압 및 전류(AC2), 연료전지스택(12)의 출력 전압 및 전류(DC), 및 EBOP(13)의 출력 전압 및 전류(AC1)를 모니터링하고, 부하(40)의 변동에 따른 연료전지스택(12)의 출력전류의 변동을 제어하고, 연료전지스택(12)의 정격출력전력 중 부하(40)에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력을 소비한다.The fuel cell output stabilization apparatus 100 is connected to an output terminal (an input terminal of the load 40) of the fuel cell stack 12, the EBOP 3, and the breaker 20. The fuel cell output stabilization apparatus 100 includes a voltage and current AC2 input to the load 40, an output voltage and current DC of the fuel cell stack 12, and an output voltage and current AC1 of the EBOP 13. ), And control the fluctuation of the output current of the fuel cell stack 12 according to the fluctuation of the load 40, and remaining of the rated output power of the fuel cell stack 12 other than the power required for the load 40. Consumes surplus power.

연료전지 출력 안정화 장치(100)는 연료전지 발전 시스템(50)이 계통전원(30)과 분리되어 독립적으로 동작하는 독립운전모드에서, 도 1을 통해서 설명한 일반적인 연료전지 발전 시스템(10)의 단점들을 보완한다. 연료전지 출력 안정화 장치(100)는 독립운전모드에서 부하(40)의 변동이 급격한 경우에도 연료전지 발전 시스템(50)이 비상용 전원으로서 역할을 수행할 수 있도록, 연료전지스택(12)의 정격출력전력을 일정하게 유지시키고, 연료전지스택(12)의 출력전류의 변동을 제어하여 연료전지스택(12)의 출력전류 및 온도를 일정하게 유지시켜준다. 결국 연료전지 출력 안정화 장치(100)는 독립운전모드에서 부하(40)가 급변하는 경우에도 연료전지스택(12)에 가해지는 충격을 완화시키고, 결과적으로 보다 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현할 수 있게 한다.The fuel cell output stabilization apparatus 100 is a stand-alone operation mode in which the fuel cell power generation system 50 operates independently from the system power supply 30, and has disadvantages of the general fuel cell power generation system 10 described with reference to FIG. 1. Complement. The fuel cell output stabilization apparatus 100 may output the rated output of the fuel cell stack 12 so that the fuel cell power generation system 50 may serve as an emergency power source even when the load 40 is suddenly changed in the independent operation mode. The power is kept constant, and the output current and temperature of the fuel cell stack 12 are kept constant by controlling the variation of the output current of the fuel cell stack 12. As a result, the fuel cell output stabilization device 100 mitigates the shock applied to the fuel cell stack 12 even when the load 40 is suddenly changed in the independent operation mode, thereby realizing a more reliable emergency power source. .

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 연료전지 출력 안정화 장치(100)는 제어부(110) 및 출력 안정화부(120)를 포함한다.3 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the fuel cell output stabilization apparatus 100 includes a control unit 110 and an output stabilization unit 120.

제어부(110)는 연료전지스택의 출력단(DC), EBOP의 출력단(AC1) 및 부하의 입력단(AC2)과 연결된다. 제어부(110)는 연료전지스택의 출력단(DC)을 통해서 연료전지스택의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, EBOP의 출력단(AC1)을 통해서 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, 부하의 입력단(AC2)을 통해서 부하에 입력되는 전압 및 전류를 모니터링한다. 제어부(110)는 모니터링된 부하에 입력되는 전압 및 전류, 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 EBOP의 출력 전압 및 전류를 통해서 연료전지 발전 시스템의 전력흐름의 상태를 파악하고, 연료전지스택의 정격출력전력을 일정하게 유지하기 위하여, 출력 안정화부(120)의 동작을 제어신호(111)를 통해서 제어한다.The controller 110 is connected to the output terminal DC of the fuel cell stack, the output terminal AC1 of the EBOP, and the input terminal AC2 of the load. The controller 110 monitors the output voltage and current of the fuel cell stack through the output terminal DC of the fuel cell stack, monitors the output voltage and current of the EBOP through the output terminal AC1 of the EBOP, and inputs the load terminal AC2 of the load. ) To monitor the voltage and current input to the load. The controller 110 determines the state of the power flow of the fuel cell power generation system through the voltage and current input to the monitored load, the output voltage and current of the fuel cell stack, and the output voltage and current of the EBOP. In order to maintain the constant rated output power, the operation of the output stabilization unit 120 is controlled through the control signal 111.

출력 안정화부(120)는 제어부(110), 연료전지스택의 출력단(DC) 및 EBOP의 출력단(AC1)과 연결된다. 출력 안정화부(120)는 제어부(110)로부터 제어신호(111)을 수신하고, 수신된 제어신호(111)에 따라, 연료전지스택의 출력단(DC)을 통해서 연료전지스택의 출력전류의 변동을 제어한다. 또한, 출력 안정화부(120)는 수신된 제어신호(111)에 따라, 연료전지스택의 출력단(DC) 및 EBOP의 출력단(AC1)을 통해서 연료전지스택의 정격출력전력 중 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력을 소비한다. 즉, 제어부(110)의 제어에 따라 출력 안정화부(120)는 독립운전모드에서 부하가 급변하는 경우에도 연료전지스택에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있고, 연료전지스택의 정격출력전력을 일정하게 유지시킬 수 있다. 결국 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치(100)는 연료전지 발전 시스템을 이용한 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현할 수 있다.The output stabilizer 120 is connected to the controller 110, the output terminal DC of the fuel cell stack, and the output terminal AC1 of the EBOP. The output stabilization unit 120 receives the control signal 111 from the control unit 110, and changes the output current of the fuel cell stack through the output terminal DC of the fuel cell stack according to the received control signal 111. To control. In addition, the output stabilization unit 120 may, in accordance with the received control signal 111, through the output terminal (DC) of the fuel cell stack and the output terminal (AC1) of the EBOP other than the power required for the load of the rated output power of the fuel cell stack. Consumes surplus power. That is, under the control of the control unit 110, the output stabilization unit 120 can mitigate the shock applied to the fuel cell stack even when the load is suddenly changed in the independent operation mode, and the rated output power of the fuel cell stack is kept constant. It can be maintained. As a result, the fuel cell output stabilization apparatus 100 according to an embodiment of the present invention may implement a highly reliable emergency power source using a fuel cell power generation system.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 연료전지 출력 안정화 장치(200)의 출력 안정화부(220)는 출력전류 제어부(230) 및 전력보상부(240)를 포함한다.4 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the output stabilization unit 220 of the fuel cell output stabilization apparatus 200 includes an output current controller 230 and a power compensator 240.

제어부(210)는 연료전지스택의 출력단(DC), EBOP의 출력단(AC1) 및 부하의 입력단(AC2)과 연결된다. 제어부(110)는 부하에 입력되는 전압 및 전류, 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, 출력 안정화부(220)에 포함되는 출력전류 제어부(230) 및 전력보상부(240)의 동작을 제어신호(211a, 211b)를 통해서 제어한다. 제어부(210)의 보다 구체적인 동작은 도 3에서 설명한 바와 같다.The controller 210 is connected to the output terminal DC of the fuel cell stack, the output terminal AC1 of the EBOP, and the input terminal AC2 of the load. The controller 110 monitors the voltage and current input to the load, the output voltage and current of the fuel cell stack, and the output voltage and current of the EBOP, and includes the output current controller 230 and power included in the output stabilization unit 220. The operation of the compensator 240 is controlled through the control signals 211a and 211b. More detailed operation of the controller 210 is as described with reference to FIG. 3.

제어부(210)는 계기용 변압기(Potential Transformer, PT) 및 계기용 변류기(Current Transforer, CT)를 이용하여, 부하에 입력되는 전압 및 전류, 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하는 모니터링부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 모니터링부의 출력을 수신하여 중앙처리장치를 통하여, 출력전류 제어부(230) 및 전력보상부(240)의 동작을 제어하는 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.The control unit 210 uses a potential transformer (PT) and a current transformer (CT) to output a voltage and current input to a load, an output voltage and current of a fuel cell stack, and an output voltage of an EBOP. And it may include a monitoring unit (not shown) for monitoring the current. In addition, the controller may include a controller (not shown) that receives the output of the monitoring unit and controls the operation of the output current controller 230 and the power compensator 240 through the central processing unit.

출력전류 제어부(230)는 제어부(210) 및 연료전지스택의 출력단(DC)과 연결된다. 출력전류 제어부(230)는 제어부(210)로부터 제어신호(211a)를 수신하여 연료전지스택의 출력단(DC)을 통해서 연료전지스택의 출력전류의 변동을 제어한다. 구체적으로 설명하면, 제어부(210)의 제어신호(211a)에 따라, 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에는 선형제어를 통해서 연료전지스택의 출력전류를 제어하고, 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에는 비선형 제어를 통해서 연료전지스택의 출력전류를 제어한다. 또한 출력전류 제어부(230)는 연료전지스택의 정격출력전력 중 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력 중 일부를 저장한다. 즉, 출력 안정화부(220)에 포함되는 출력전류 제어부(230)는 연료전지스택의 출력전류를 제어하여 독립운전모드에서 부하가 급변하는 경우에도 연료전지스택에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있다. The output current controller 230 is connected to the controller 210 and the output terminal DC of the fuel cell stack. The output current controller 230 receives the control signal 211a from the controller 210 and controls the variation of the output current of the fuel cell stack through the output terminal DC of the fuel cell stack. Specifically, according to the control signal 211a of the control unit 210, when the load fluctuation is gentle below the preset reference, the output current of the fuel cell stack is controlled through the linear control, and the load fluctuation is preset in advance. In the case of abrupt exceeding the set standard, the output current of the fuel cell stack is controlled by nonlinear control. In addition, the output current controller 230 stores some of the surplus power remaining in addition to the power required for the load among the rated output power of the fuel cell stack. That is, the output current controller 230 included in the output stabilization unit 220 may control the output current of the fuel cell stack to mitigate the shock applied to the fuel cell stack even when the load suddenly changes in the independent operation mode.

전력보상부(240)는 제어부(210) 및 EBOP의 출력단(AC1)과 연결된다. 전력보상부(240)는 제어부(210)로부터 수신되는 제어신호(211b)에 따라 잉여전력 중 출력전류 제어부(230)에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비한다. 즉, 출력 안정화부(220)에 포함되는 전력보상부(240)는 독립운전모드에서 부하가 급변하는 경우에도 연료전지스택의 정격출력전력을 일정하게 유지시킬 수 있다.The power compensator 240 is connected to the controller 210 and the output terminal AC1 of the EBOP. The power compensator 240 consumes the remaining power other than the power stored in the output current controller 230 among the surplus power according to the control signal 211b received from the controller 210. That is, the power compensator 240 included in the output stabilization unit 220 may maintain the constant output power of the fuel cell stack even when the load suddenly changes in the independent operation mode.

본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치(200)는 연료전지 발전 시스템을 이용한 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현할 수 있다.The fuel cell output stabilization apparatus 200 according to another embodiment of the present invention may implement a highly reliable emergency power source using a fuel cell power generation system.

도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 연료전지 출력 안정화 장치(300)의 출력전류 제어부(330)는 양방향 DC-DC 컨버터(331), 배터리(332), 선형제어루프(333) 및 비선형제어루프(334)를 포함하고, 전력보상부(340)는 APF(Active Power Filter, 341) 및 전력소비부(342)를 포함한다.5 is a view showing a fuel cell output stabilization device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the output current controller 330 of the fuel cell output stabilization apparatus 300 includes a bidirectional DC-DC converter 331, a battery 332, a linear control loop 333, and a nonlinear control loop 334. The power compensator 340 includes an active power filter 341 and a power consumption unit 342.

제어부(310)는 연료전지스택의 출력단(DC), EBOP의 출력단(AC1) 및 부하의 입력단(AC2)과 연결된다. 제어부(310)는 부하에 입력되는 전압 및 전류, 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링한다. 제어부(310)는 모니터링된 데이터를 기반으로 출력전류 제어부(330) 및 전력보상부(340)에 포함되는 양방향 DC-DC 컨버터(331), 배터리(332), 선형제어루프(333), 비선형제어루프(334), APF(341) 및 전력소비부(342)의 동작을 제어신호(311a, 311b)를 통해서 제어한다. 제어부(310)의 보다 구체적인 동작은 도 3에서 설명한 바와 같다.The controller 310 is connected to the output terminal DC of the fuel cell stack, the output terminal AC1 of the EBOP, and the input terminal AC2 of the load. The controller 310 monitors the voltage and current input to the load, the output voltage and current of the fuel cell stack, and the output voltage and current of the EBOP. The controller 310 may include a bidirectional DC-DC converter 331, a battery 332, a linear control loop 333, and nonlinear control included in the output current controller 330 and the power compensator 340 based on the monitored data. The operation of the loop 334, the APF 341, and the power consumption unit 342 are controlled through the control signals 311a and 311b. More detailed operation of the controller 310 is as described with reference to FIG. 3.

양방향 DC-DC 컨버터(331)는 제어부(310), 연료전지스택의 출력단(DC), 배터리(332), 선형제어루프(333) 및 비선형제어루프(334)와 연결된다. 양방향 DC-DC 컨버터(331)는 제어부(310)로부터 수신되는 제어신호(311a)에 따라, 선형제어루프(333) 및 비선형제어루프(334)에 선택적으로 연결된다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터(331)는 제어신호(311a)에 따라, 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력 중 일부의 전력를 배터리(332)에 전달한다.The bidirectional DC-DC converter 331 is connected to the controller 310, the output terminal DC of the fuel cell stack, the battery 332, the linear control loop 333, and the nonlinear control loop 334. The bidirectional DC-DC converter 331 is selectively connected to the linear control loop 333 and the nonlinear control loop 334 according to the control signal 311a received from the controller 310. In addition, the bidirectional DC-DC converter 331 transmits a part of surplus power remaining in addition to the power required for the load to the battery 332 according to the control signal 311a.

배터리(332)는 제어부(310) 및 양방향 DC-DC 컨버터(331)과 연결된다. 배터리(332)는 제어부(310)로부터 수신되는 제어신호(311a)에 따라, 양방향 DC-DC 컨버터(331)로부터 전달되는 잉여전력 중 일부의 전력을 저장한다. 배터리(332)에 저장되는 전력의 양은 배터리의 허용 용량에 따라 변동 가능하다. 또한, 배터리(332)에 저장된 잉여전력 중 일부의 전력은 전력안정화 제어를 위한 전력보상에 우선 이용되고, DC 전원공급을 필요로 하는 다른 장치에 사용되거나, 또는 AC 전력으로 변환되어 상용전원으로 이용될 수 있다.The battery 332 is connected to the controller 310 and the bidirectional DC-DC converter 331. The battery 332 stores some of the surplus power delivered from the bidirectional DC-DC converter 331 according to the control signal 311a received from the controller 310. The amount of power stored in the battery 332 can vary depending on the allowable capacity of the battery. In addition, some of the surplus power stored in the battery 332 is first used for power compensation for power stabilization control, used for other devices requiring DC power supply, or converted to AC power to be used as commercial power. Can be.

선형제어루프(333)는 제어부(310)와 연결되고, 제어부(310)로부터 수신되는 제어신호(311a)에 따라, 양방향 DC-DC 컨버터(331)에 연결될 수 있다. 선형제어루프(333)는 독립운전모드에서, 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에 제어부(310)의 제어신호(311a)에 따라, 연료전지스택의 출력전류를 선형으로 제어한다.The linear control loop 333 may be connected to the controller 310 and may be connected to the bidirectional DC-DC converter 331 according to the control signal 311a received from the controller 310. The linear control loop 333 linearly controls the output current of the fuel cell stack in response to the control signal 311a of the controller 310 when the load fluctuation is less than or equal to a preset reference in the independent operation mode.

비선형제어루프(334)는 제어부(310)와 연결되고, 제어부(310)로부터 수신되는 제어신호(311a)에 따라, 양방향 DC-DC 컨버터(331)에 연결될 수 있다. 비선형제어루프(334)는 독립운전모드에서, 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에 제어부(310)의 제어신호(311a)에 따라, 연료전지스택의 출력전류를 비선형으로 제어한다.The nonlinear control loop 334 may be connected to the control unit 310 and may be connected to the bidirectional DC-DC converter 331 according to the control signal 311a received from the control unit 310. The nonlinear control loop 334 non-linearly controls the output current of the fuel cell stack in accordance with the control signal 311a of the controller 310 when the load change suddenly exceeds a predetermined reference in the independent operation mode.

선형제어루프(333) 및 비선형제어루프(334)는 양방향 DC-DC 컨버터(331)의 듀티 싸이클(Duty Cycle)을 변화시켜 연료전지스택의 출력 전류를 제어할 수 있다. 또한, 부하가 감소하는 경우에, 배터리(332)에 저장된 전력을 이용하여 연료전지스택의 출력전류를 제어할 수 있다.The linear control loop 333 and the nonlinear control loop 334 may control the output current of the fuel cell stack by changing a duty cycle of the bidirectional DC-DC converter 331. In addition, when the load decreases, the output current of the fuel cell stack may be controlled using the power stored in the battery 332.

전력소비부(342)는 제어부(310), APF(341) 및 EBOP의 출력단(AC1)과 연결된다. 전력소비부(342)는 제어부(310)로부터 수신되는 제어신호(311b)에 따라 잉여전력 중 배터리(332)에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비한다. 전력소비부(342)는 상기 잉여전력 중 상기 배터리에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 수동소자 또는 능동소자를 포함할 수 있다.The power consumption unit 342 is connected to the control unit 310, the APF 341, and the output terminal AC1 of the EBOP. The power consumption unit 342 consumes remaining power other than the power stored in the battery 332 among the surplus power according to the control signal 311b received from the control unit 310. The power consumption unit 342 may include a passive device or an active device that consumes remaining power other than the power stored in the battery among the surplus power.

APF(341)는 제어부(310), 전력소비부(342) 및 EBOP의 출력단(AC1)과 연결된다. APF(341)는 독립운전모드에서 부하의 특성에 의해 발생하는 고조파 및 불평형 전류를 보상한다. APF(341)는 고조파 및 불평형 전류의 보상을 통하여, EBOP 및 연료전지스택을 보호하고, 연료전지 발전 시스템의 전원품질을 높일 수 있다. 또한, 무효전력을 발생시키는 전류성분을 보상하여 전원 역률을 개선할 수 있다.The APF 341 is connected to the controller 310, the power consumption unit 342, and the output terminal AC1 of the EBOP. The APF 341 compensates for harmonics and unbalanced currents caused by the characteristics of the load in independent operation mode. The APF 341 can protect the EBOP and the fuel cell stack by compensating harmonics and unbalanced currents, and improve the power quality of the fuel cell power generation system. In addition, the power factor may be improved by compensating for a current component that generates reactive power.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치(300)는 독립운전모드에서 부하의 변동이 급격한 경우에도 연료전지 발전 시스템이 비상용 전원으로서 역할을 수행할 수 있도록, 연료전지스택의 정격출력전력을 일정하게 유지시키고, 연료전지스택의 출력전류의 변동을 제어하여 연료전지스택의 출력전류 및 온도를 일정하게 유지시켜준다. 결국 연료전지 출력 안정화 장치(300)는 독립운전모드에서 부하가 급변하는 경우에도 연료전지스택에 가해지는 충격을 완화시키고, 결과적으로 보다 신뢰성이 높은 비상용 전원을 구현할 수 있게 한다.The fuel cell output stabilization apparatus 300 according to another embodiment of the present invention is rated in the fuel cell stack so that the fuel cell power generation system may serve as an emergency power source even when the load fluctuates rapidly in the independent operation mode. The output power is kept constant and the output current and temperature of the fuel cell stack are kept constant by controlling the variation of the output current of the fuel cell stack. As a result, the fuel cell output stabilization device 300 mitigates the shock applied to the fuel cell stack even when the load is suddenly changed in the independent operation mode, and as a result, it is possible to implement a more reliable emergency power source.

도 6은 운전 상황에 따른 연료전지 발전 시스템의 연료전지 출력전력을 나타내는 그래프이다. 실선은 부하의 변동을 나타내고, 점선은 연료전지의 정격출력전력을 나타내고, 빗금으로 표시된 영역은 부하에 요구되는 전력과 연료전지 정격출력전력간의 전력차이를 나타낸다.6 is a graph showing fuel cell output power of a fuel cell power generation system according to a driving situation. The solid line indicates the load variation, the dotted line indicates the rated output power of the fuel cell, and the area indicated by the hatched line indicates the power difference between the power required for the load and the fuel cell rated output power.

연료전지 발전 시스템이 계통전원과 연계하여 구동되는 경우 (계통연계모드)에는 출력전력이 정격출력전력과 동일하고 일정하다. 그러나 계통전원과 분리되어 독립적으로 구동되는(독립운전모드) 경우에는 연료전지 발전 시스템의 출력전력은 부하에 요구되는 전력에 따라 변동하기 때문에, 부하의 변동에 따라 연료전지 출력전력도 변동하게 된다. 본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 독립운전모드에서, 부하에 요구되는 전력과 연료전지 정격출력전력간의 전력 차이를 나타내는 빗금으로 표시된 보상전력을 보상하여 연료전지 발전 시스템이 일정한 출력전력을 유지하도록 한다.When the fuel cell power generation system is driven in conjunction with the grid power supply (grid connected mode), the output power is the same as the rated output power and is constant. However, in the case of being driven independently from the system power source (independent operation mode), since the output power of the fuel cell power generation system varies according to the power required for the load, the fuel cell output power also changes according to the load variation. The fuel cell output stabilization device according to the present invention compensates the compensation power indicated by the hatch indicating the power difference between the power required for the load and the fuel cell rated output power in the independent operation mode so that the fuel cell power generation system maintains a constant output power. do.

도 7은 독립운전모드에서 부하의 변동을 나타내는 그래프이다. 제1 영역(710) 및 제2 영역(720)에서 부하의 급격한 변동이 있고, 나머지 영역에서는 부하의 변동은 완만하다. 이러한 급격한 변동 및 완만한 변동을 구분하는 기준은 필요에 따라 미리 설정될 수 있고, 변동 가능하다.7 is a graph showing the variation of the load in the independent operation mode. In the first region 710 and the second region 720, there is a sudden change in the load, and in the remaining areas, the change in the load is gentle. Criteria for distinguishing such rapid fluctuations and gentle fluctuations may be set in advance and may vary as necessary.

도 8은 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 일반적인 연료전지 발전 시스템의 연료전지스택의 출력전류를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 부하의 급격한 변동은 도 8의 제1 영역(810) 및 제2 영역(820)과 같은 연료전지스택의 출력전류의 급격한 변동을 발생시킨다. 이러한 연료전지스택의 출력전류의 급격한 변화는 연료전지스택의 성능저하를 발생시킬 수 있고, 연료전지스택의 수명에도 치명적인 영향을 끼치게 된다.FIG. 8 is a diagram illustrating an output current of a fuel cell stack of a general fuel cell power generation system when a load varies as shown in FIG. 7. A sudden change in the load shown in FIG. 7 causes a sudden change in the output current of the fuel cell stack, such as the first region 810 and the second region 820 of FIG. 8. Such a sudden change in the output current of the fuel cell stack may cause a decrease in the performance of the fuel cell stack, and have a fatal effect on the life of the fuel cell stack.

도 9는 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치에 포함되는 비선형 제어루프의 출력을 나타내는 그래프이다. 도 9의 제1 영역(910) 및 제2 영역(920)은 도 8의 제1 영역(810) 및 제2 영역(820)과 각각 대응된다. 비선형제어루프는 제어부의 제어신호에 따라, 도 9의 제1 영역(910) 및 제2 영역(920)과 같은 비선형 제어출력을 출력한다. 본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 도 9의 제1 영역(910) 및 제2 영역(920)과 같은 비성형 제어를 통해서 도 8의 제1 영역(810) 및 제2 영역(820)의 연료전지스택의 출력전류의 급격한 변동을 안정화시킨다. 결국 도 9의 비선형 제어출력을 통해서 도 8에 도시된 연료전지스택의 급격한 변동은 아래에 도시될 도 10과 같이 완만하게 안정화된다.FIG. 9 is a graph showing the output of the nonlinear control loop included in the fuel cell output stabilization apparatus according to the present invention when the load varies as shown in FIG. 7. The first region 910 and the second region 920 of FIG. 9 correspond to the first region 810 and the second region 820 of FIG. 8, respectively. The nonlinear control loop outputs nonlinear control outputs such as the first region 910 and the second region 920 of FIG. 9 according to a control signal of the controller. The fuel cell output stabilization apparatus according to the present invention is configured to control the first region 810 and the second region 820 of FIG. 8 through non-molding control such as the first region 910 and the second region 920 of FIG. Stabilizes abrupt fluctuations in the output current of the fuel cell stack. As a result, the rapid fluctuation of the fuel cell stack shown in FIG. 8 through the nonlinear control output of FIG. 9 is stabilized gently as shown in FIG.

도 10은 도 7과 같이 부하가 변동하는 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치에 의해 안정화된 연료전지스택의 출력전류를 나타내는 그래프이다. 도 10의 실선은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 출력 안정화 장치에 의해 비선형 제어가 적용된 연료전지스택의 출력전류를 나타낸다. . 도 10의 제1 영역(1010) 및 제2 영역(1020)은 도 8의 제1 영역(810) 및 제2 영역(820)과 각각 대응된다. 도 10의 제1 영역(1010) 및 제2 영역(1020)에 도시된 연료전지스택의 출력은 도 7의 부하의 변동과 무관하게 안정화되어 있다 본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 부하가 급변하는 경우에도 연료전지스택의 출력을 일정하게(완만하게) 유지시킬 수 있다. 결국 본 발명에 따른 연료전지 출력 안정화 장치는 연료전지 발전 시스템의 독립운전모드에서, 부하의 급격한 변동에도 불구하고 안정적인 전력을 부하에 공급할 수 있는 비상용 전원을 구현할 수 있다.FIG. 10 is a graph illustrating an output current of a fuel cell stack stabilized by a fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention when a load varies as shown in FIG. 7. 10 shows the output current of the fuel cell stack to which the non-linear control is applied by the fuel cell output stabilization device according to an embodiment of the present invention. . The first area 1010 and the second area 1020 of FIG. 10 correspond to the first area 810 and the second area 820 of FIG. 8, respectively. The output of the fuel cell stack shown in the first region 1010 and the second region 1020 of FIG. 10 is stabilized regardless of the load variation of FIG. 7. Even in this case, the output of the fuel cell stack can be kept constant (smooth). As a result, the fuel cell output stabilization apparatus according to the present invention may implement an emergency power source capable of supplying stable power to a load despite a sudden change in load in an independent operation mode of a fuel cell power generation system.

이상에서, 본 발명은 구체적인 실시 예를 통해 설명되고 있으나, 본 발명은 그 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있음은 잘 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be defined by the following claims and their equivalents. In view of the foregoing, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they fall within the scope of the following claims and equivalents.

Claims (9)

연료전지스택(Fuel Cell Stack), MBOP(Mechanical Balance Of Plant) 및 EBOP(Electrical Balance Of Plant)를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 계통전원과 분리되어 독립적으로 동작하는 독립운전모드에서,
부하의 변동과 무관하게 상기 연료전지스택의 출력전류를 일정하게 안정화시키고, 상기 연료전지스택의 정격출력전력 중 상기 부하에 요구되는 전력 이외의 남는 잉여전력을 저장 및 소비하는 출력 안정화부; 및
상기 부하에 입력되는 전압 및 전류, 상기 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 상기 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 출력 안정화부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 출력 안정화부는,
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에는 선형제어를 통해서 상기 연료전지스택의 출력전류를 일정하게 안정화시키고, 상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에는 비선형 제어를 통해서 상기 연료전지스택의 출력전류를 일정하게 안정화시키고, 상기 잉여전력 중 일부인 제1 전력을 저장하는 출력전류 제어부; 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 출력전류 제어부에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 전력보상부를 포함하고,
상기 출력전류 제어부는,
상기 부하가 감소하는 경우에, 상기 연료전지스택의 출력전류가 감소하지 않도록 저장된 상기 제1 전력을 이용하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 양(+)의 값으로 보상하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 일정하게 안정화시키고,
상기 부하가 증가하는 경우에, 상기 연료전지스택의 출력전류가 증가하지 않도록 저장된 상기 제1 전력을 이용하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 음(-)의 값으로 보상하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 일정하게 안정화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 출력 안정화 장치.In an independent operation mode in which a fuel cell power generation system including a fuel cell stack, a mechanical balance of plant (MBOP), and an electrical balance of plant (EBOP) is operated independently from a system power source,
An output stabilization unit which stabilizes the output current of the fuel cell stack constantly, regardless of load variation, and stores and consumes surplus power remaining in the fuel cell stack other than the power required for the load; And
And a control unit for monitoring the voltage and current input to the load, the output voltage and current of the fuel cell stack, the output voltage and current of the EBOP, and controlling the operation of the output stabilization unit.
The output stabilization unit,
Under the control of the controller, when the load fluctuation is less than or equal to a preset criterion, the output current of the fuel cell stack is constantly stabilized through linear control, and the load fluctuates rapidly beyond the preset criterion. In this case, an output current control unit which constantly stabilizes the output current of the fuel cell stack through nonlinear control and stores the first power which is a part of the surplus power; And
According to the control of the control unit, a power compensation unit for consuming the remaining power other than the power stored in the output current control unit of the surplus power,
The output current control unit,
When the load decreases, the output current of the fuel cell stack is compensated by a positive value using the stored first power so that the output current of the fuel cell stack does not decrease. Stabilize the current constantly,
When the load is increased, the output current of the fuel cell stack is compensated by a negative value using the stored first power so that the output current of the fuel cell stack does not increase. A fuel cell output stabilization device, characterized in that to stabilize the current constantly. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
계기용 변압기(Potential Transformer, PT) 및 계기용 변류기(Current Transforer, CT)를 이용하여, 상기 부하에 입력되는 전압 및 전류, 상기 연료전지스택의 출력 전압 및 전류, 및 상기 EBOP의 출력 전압 및 전류를 모니터링하는 모니터링부; 및
중앙처리장치를 포함하고, 상기 모니터링부의 출력을 수신하여 상기 중앙처리장치를 통하여, 상기 출력전류 제어부 및 상기 전력보상부의 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 출력 안정화 장치.The method of claim 1,
The control unit,
The voltage and current input to the load, the output voltage and current of the fuel cell stack, and the output voltage and current of the EBOP, using an instrumental transformer (PT) and an instrument current transformer (CT). Monitoring unit for monitoring the; And
And a controller configured to receive an output of the monitoring unit and to control an operation of the output current control unit and the power compensator through the central processing unit. 제 1 항에 있어서,
상기 출력전력 제어부는,
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 일부인 상기 제1 전력을 저장하는 배터리;
상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준 이하로 완만한 경우에 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지스택의 출력전류를 선형으로 제어하는 선형제어루프;
상기 부하의 변동이 미리 설정된 기준을 초과하여 급격한 경우에 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지스택의 출력전류를 비선형으로 제어하는 비선형제어루프; 및
상기 연료전지스택의 출력단과 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 선형제어루프 및 상기 비선형제어루프에 선택적으로 연결되고, 상기 잉여전력 중 일부를 상기 배터리에 전달하는 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 출력 안정화 장치.The method of claim 1,
The output power control unit,
A battery storing the first power which is a part of the surplus power according to the control of the controller;
A linear control loop for linearly controlling the output current of the fuel cell stack under control of the controller when the load fluctuation is less than or equal to a preset reference;
A non-linear control loop for controlling the output current of the fuel cell stack non-linearly under the control of the controller when the load change is abruptly exceeding a preset reference; And
A bidirectional DC-DC converter connected to an output terminal of the fuel cell stack and selectively connected to the linear control loop and the nonlinear control loop under the control of the controller, and transferring some of the surplus power to the battery. Fuel cell output stabilization device. 제 4 항에 있어서,
상기 전력보상부는,
상기 EBOP의 출력단과 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 배터리에 저장되는 상기 제1 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 전력소비부; 및
상기 EBOP의 출력단 및 상기 전력소비부와 연결되고, 상기 독립운전모드에서 발생하는 고조파 및 불평형 전류를 보상하는 APF(Active Power Filter)를 포함하는 연료전지 출력 안정화 장치.5. The method of claim 4,
The power compensation unit,
A power consumption unit connected to an output terminal of the EBOP and consuming remaining power other than the first power stored in the battery among the surplus powers under the control of the controller; And
And an active power filter (APP) connected to the output terminal of the EBOP and the power consumption unit to compensate for harmonics and unbalanced currents generated in the independent operation mode. 제 4 항에 있어서,
상기 배터리에 저장된 상기 잉여전력 중 일부의 전력은, DC 전원공급을 필요로 하는 다른 장치에 사용되거나, 또는 AC 전력으로 변환되어 상용전원으로 이용되는 연료전지 출력 안정화 장치.5. The method of claim 4,
The power of the part of the surplus power stored in the battery is used in other devices that require a DC power supply, or converted into AC power to be used as a commercial power supply. 제 4 항에 있어서,
상기 선형제어루프 및 상기 비선형제어루프는, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 듀티 싸이클(Duty Cycle)을 변화시켜 상기 연료전지스택의 출력 전류를 제어하는 연료전지 출력 안정화 장치.5. The method of claim 4,
And the linear control loop and the non-linear control loop control the output current of the fuel cell stack by changing a duty cycle of the bidirectional DC-DC converter. 제 4 항에 있어서,
상기 부하가 감소하는 경우에, 상기 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 연료전지스택의 출력전류를 제어하는 연료전지 출력 안정화 장치.5. The method of claim 4,
A fuel cell output stabilization device for controlling the output current of the fuel cell stack by using the power stored in the battery when the load decreases. 제 5 항에 있어서,
상기 전력소비부는 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 잉여전력 중 상기 배터리에 저장되는 전력 이외의 남는 전력을 소비하는 수동소자 또는 능동소자를 포함하는 연료전지 출력 안정화 장치.The method of claim 5, wherein
The power consumption unit includes a fuel cell output stabilization device including a passive element or an active element that consumes the remaining power other than the power stored in the battery of the surplus power under the control of the controller.
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