KR101431429B1 - 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템 - Google Patents

연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 연료전지와, 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원이 병렬로 연결되는 복합 전기동력원; 상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량이 전체 부하량 대비 연료전지에서 출력할 수 있는 일정 부하량에 도달할 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템; 상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템; 일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 것으로 상기 지능형 에너지 관리 시스템에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 부하모듈을 포함하는 부하장치; 상기 복합 전기동력원의 연료전지에 설치되는 제 1 전력변환장치 및 상기 에너지 저장 시스템에 설치되는 제 2 전력변환장치;를 포함하며, 상기 지능형 에너지 관리 시스템은, 상기 연료전지와 에너지 저장 시스템을 순차적으로 가동하되, 상기 연료전지에 상기 에너지 저장 시스템을 계통연결 할 때, 상기 제 1 전력변환장치를 통해 상기 연료전지를 전압제어에서 전류제어로 전환하고, 상기 에너지 저장 시스템은 전압 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템{Electric Power Control system for Integration of various ship electric power Source having fuel cell system}
본 발명은 선박 또는 해상 부유체에 적용 가능한 전기동력원으로서, 연료전지를 포함한 다수의 전기동력원의 출력 배치 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 지능형 에너지 관리 시스템이 각각의 전기 동력원의 출력을 부하의 변동에 맞도록 최적 제어하여, 전체 통합 시스템의 효율을 증가시키고, 전기 발생에 따른 이산화탄소의 양을 줄이는 전기 동력원의 최적 배치 및 제어가 가능한 선박 전기동력원의 제어 시스템에 관한 것이다.
해상을 운행하는 선박 및 플랜트 설비와 같은 해상 부유체는, 화석연료를 사용하는 터빈 엔진을 주된 동력원으로 사용하며, 터빈 운전을 통해 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 선박 추진동력으로 사용하고, 이 과정에서 발생되는 전기 에너지를 선박 운행에 필요한 다양한 전기장비에 사용한다. 이와 같은 엔진의 주된 원료로는 HFO(Heavy Fuel Oil), 전기, 천연가스(Natural Gas)가 많이 사용된다.
그런데, HFO가 선박 등의 연료로 사용되는 경우에는 HFO의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소, NOx, 및 SOx 등으로 인하여 해양환경을 오염시키는 문제가 있다. 또한, HFO를 선박 등의 연료로 사용하는 경우에는 HFO를 일정온도로 가열하여 사용하게 되는 바, 연료의 가열에 에너지의 낭비가 발생될 수 있으며, 천연가스 또한 화석연료이기 때문에, 이산화탄소의 배출 문제에서는 자유로울 수 없다.
최근에는 이와 같은 이산화탄소 배출 문제를 해결하기 위하여, 선박의 전기공급을 위한 동력원으로 서로 다른 형태의 동력원, 예컨대 연료전지(燃料電池, Fuel Cell)와 천연가스 터빈 등을 함께 구성하여, 선박 및 해상 부유체의 동력원으로 사용하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히, 연료전지는 이산화탄소의 배출이 없는 청정 에너지원으로 최근 들어 주목을 받고 있다. 연료전지는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.
연료전지는 '전지'라는 말이 붙어있기는 하지만 일반적인 전지와는 다르다. 전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기 에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다.
연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.
연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화석에너지를 이용한 동력원에 비해 매우 적다는 장점이 있다.
하지만, 여전히 장치 소형화의 문제와 함께 연료전지의 특성상 디젤터빈 등과 같은 화석연료를 사용하는 전기 동력원에 비해 응답특성이 떨어지는 문제점이 있어, 선박에 단독으로 사용하기 어렵다.
이에 본 출원인은 한국 등록특허 제10-1192086호를 통해 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템을 제안한 바 있다. 상기 등록특허에서는 전기 에너지 저장 시스템이 구비되어, 연료전지의 무부하 잉여 에너지를 충전하여 보관할 수 있기 때문에, 연료전지의 부하량을 넘어서는 전력이 필요할 경우나, 연료전지의 느린 응답 특성으로 인한, 즉각적인 필요 에너지 소요가 발생될 경우에도 안정적으로 선박에 전력동력원을 제공하는 것이 가능했다.
그러나 서로 다른 종류의 계통전원을 연결함에 있어, 각각의 발전원들에 대하여 전압 제어만을 수행할 경우, 다른 계통전원이 연결되는 순간 출력이 균일하게 유지되지 못해 부하장치 또는 선박 동력원이나 전기설비 등에 무리를 줄 수 있어 개선이 요구되고 있다.
한국 등록특허 제10-1192086호(2012.10.10.)
본 발명은 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있으며, 안정적인 전력공급을 통해 부하장치 또는 동력원이 안정적으로 구동될 수 있는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템은 연료전지와, 적어도 하나 이상의 디젤 발전기, 디젤 터빈, 가스 터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등과 같은 다양한 하부 사이클을 포함하면서 화석연료를 사용하는 동력원 및 배터리 시스템, 태양력, 풍력, 조력 등 비화석 연료를 사용하는 기타 동력원이 병렬로 연결되되, 상기 연료전지는 기저부하로 구성하여, 상기 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원의 출력 비중과 상기 연료전지의 출력 비중을 부하 설비의 용량을 고려하여 가변하는 복합 전기동력원; 상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량이 전체 부하량 대비 연료전지에서 출력할 수 있는 일정 부하량에 도달할 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System); 상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템(IEMS, Intelligent Energy Maintenance System); 일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 것으로 상기 지능형 에너지 관리 시스템에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 부하모듈을 포함하는 부하장치; 상기 복합 전기동력원의 연료전지에 설치되는 제 1 전력변환장치(PCS, power conditioning system); 및 상기 에너지 저장 시스템에 설치되는 제 2 전력변환장치;를 포함하며, 상기 지능형 에너지 관리 시스템은, 상기 연료전지와 에너지 저장 시스템을 순차적으로 가동하되, 상기 연료전지에 상기 에너지 저장 시스템을 계통연결 할 때, 상기 제 1 전력변환장치를 통해 상기 연료전지를 전압제어에서 전류제어로 전환하고, 상기 에너지 저장 시스템은 전압 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 지능형 에너지 관리 시스템은 상기 연료전지와 에너지 저장 시스템 및 화석연료를 사용하는 동력원을 순차적으로 가동하되, 상기 연료전지에 상기 에너지 저장 시스템을 계통연결 한 후, 상기 에너지 저장 시스템에 화석연료를 사용하는 동력원을 연결할 때, 상기 제 2 전력변환장치를 통해 상기 에너지 저장 시스템을 전압제어에서 전류제어로 전환하고, 상기 화석연료를 사용하는 동력원은 전압 제어할 수 있다.
상기 연료전지, 에너지 저장 시스템 및 화석연료를 사용하는 동력원은 동일한 용량의 전원을 출력할 수 있으며, 상호 대응되는 출력을 가질 수 있다.
상기 지능형 에너지 관리 시스템은 상기 연료전지에서 출력되는 전기 에너지가 부하량에 미치지 못할 경우, 상기 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원을 순차적으로 작동 시켜 전력 계통연계를 수행하며, 상기 화석연료를 사용하는 동력원은 제 1 및 제 2 엔진을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 엔진에는 제 3 및 제 4 전력변환장치가 설치될 수 있다.
상기 복합 전기동력원과 에너지 저장 시스템과 부하장치 사이에 개재되며, 상기 복합 전기동력원과 에너지 저장 시스템에 각각 설치되는 스위칭 유닛을 포함하는 버스바 유닛을 포함하는 전력동기화장치(EPSS, Electric Power Synchronization System)를 더 포함하며, 상기 전력동기화장치는 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어 상기 스위칭 유닛들의 온/오프 제어를 수행하는 연료전지를 포함할 수 있다.
상기 지능형 에너지 관리 시스템은 상기 부하장치와 연결되어, 상기 부하장치의 속도를 제어할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 서로 다른 형태의 전원을 생산하는 전기 동력원의 계통연결을 보다 부드럽게 수행할 수 있어, 부하장치에서 요구되는 전력량을 일정한 크기로 제공하는 것이 가능하다.
또한, 연료전지를 중심으로 선박운용에 필요한 전기 동력원을 제공할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 배출을 최소화할 수 있다.
또한, 전기 에너지 저장 시스템이 구비되어, 연료전지의 무부하 잉여 에너지를 충전하여 보관할 수 있기 때문에, 연료전지의 부하량을 넘어서는 전력이 필요할 경우나, 연료전지의 느린 응답 특성으로 인한, 즉각적인 필요 에너지 소요가 발생될 경우에도 안정적으로 선박에 전력동력원을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 연료전지 이외에도 화석연료를 사용하는 디젤엔진이나 태양광, 풍력발전기 등과 같은 복수 개의 보조 동력원을 구비하여, 전체 전기동력의 일부분을 보충해서 사용할 수 있다.
특히, 지능화 에너지 관리 시스템을 이용하여, 안정적인 선박용 전기동력원을 공급할 수 있도록 연료전지와 복수 개의 보조 동력원들의 가동을 제어하면서, 이산화탄소의 배출은 최소화하는 것도 가능하다.
또한, 부하유닛을 이용하여, 선박이나 해양 부유체에 설치되기 전에 전기동력시스템의 안정성을 테스트하여, 최적화된 에너지 관리가 가능하도록 각종 부하에 따른 출력 패턴을 미리 설정하는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치를 도시한 개략도,
도 2는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 적용하였을 경우를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 에너지 관리 시스템의 개략적인 블록도, 그리고,
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 에너지 관리 시스템을 이용한 전력 계통제어 흐름도 이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치를 도시한 개략도, 도 2는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 적용하였을 경우를 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 에너지 관리 시스템의 개략적인 블록도, 그리고, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 에너지 관리 시스템을 이용한 전력 계통제어 흐름도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치는, 복합 전기동력원(100), 에너지 저장 시스템(200), 지능형 에너지 관리 시스템(IEMS, Intelligent Energy Management System)(300) 및 부하장치(400)를 포함할 수 있다.
복합 전기동력원(100)은 전압의 형태로 에너지를 출력하는 장치로, 복수 개의 에너지원을 병렬로 연결하여, 선택적으로 작동할 수 있도록 구성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 복합 전기동력원(100)은, 연료전지(110), 제 1 엔진(120), 제 2 엔진(130) 및 기타 동력원(140)을 포함할 수 있다.
연료전지(110)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 다양한 종류가 사용될 수 있다. 예컨대, 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은, 제 2 세대 연료전지를 사용할 수 있는데, 이 경우, 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 또한, 용융탄산염 연료전지는 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점이 있다. 반면, 용융탄산염 연료전지는 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지에 비해 부하에 따른 응답속도가 다소 느린 특징이 있다. 따라서 분산발전용으로 사용될 경우, 정출력으로 발전하는데, 선박 등의 운송수단 동력원으로 사용하기 위해서는 운항의 상황에서 발생하는 부하의 출력 특성에 추종하여 설계가 이루어질 필요가 있다.
그 외에, 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 같이 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지를 사용할 수도 있다. 상기 고분자전해질 연료전지의 경우에는, 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단한 장점과, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며, 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 많이 연구되고 있으며, 선박 등에도 충분히 적용 가능한 시스템이다.
또는, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 같은 제 3 세대 연료전지를 사용하는 것도 가능하다. 상기 고체산화물 연료전지 (SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다는 장점이 있고, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다.
이와 같이, 다양한 형태의 연료전지(110)를 이용하여 선박에 사용될 수 있는 전기 에너지를 생산하게 되면, 해양 환경오염을 줄일 수 있으며, 최근 문제가 되고 있는 이산화탄소배출량을 매우 큰 폭으로 줄일 수 있다.
제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 기존의 화석연료 등을 이용하는 동력원으로, 디젤 엔진을 이용하는 발전기나 가스터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등 다양한 하부 사이클을 포함하는 동력원으로 구성될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 상기 연료전지(110)의 출력 전압이 부족하거나, 상기 연료전지(110)의 늦은 반응 특성으로 인해 정지 상태에서 완전한 가동상태가 되기 전까지 부족한 부하에 대한 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 한 쌍이 디젤유나 가솔린 유와 같은 동일한 연료(F)를 사용하도록 구성할 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 병렬로 3개 이상의 엔진 및/또는 터빈들을 개별적으로 제어 가능하게 배치하는 것도 가능하다.
기타 동력원(140)은, 상기한 화석연료 이외의 것을 사용하는 동력원으로서, 충전식 배터리 전원으로 마련될 수도 있고, 태양열이나 풍력, 파력과 같은 해상에서 획득할 수 있는 청정 에너지원을 변환하여 사용할 수 있는 구조라면 어떠한 것이든 사용 가능하다.
한편, 상기 연료전지(110), 제 1 및 제 2 엔진(120)(130), 기타 동력원(140)은 하나의 출력단을 통해 일정 수준의 전압, 예컨대, 선박이나 해상 부유물의 전기동력원의 출력으로 많이 사용되는 440V 가량의 전압을 유지하도록 구성되는 것이 바람직하다.
에너지 저장 시스템(Electricity Storage System, ESS)(200)은 상기 복합 전기동력원(100)에서 생산되는 에너지들 중, 특히 연료전지(110)에서 생산되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하여, 상기 출력단으로 일정한 수준의 전기 에너지가 출력될 수 있도록 마련되는 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 에너지 저장 시스템(200)에 저장되는 에너지는 전기 에너지로 마련되며, 도 1의 화살표 A로 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(110)에서 출력되는 에너지 중, 부하에 비해 남게 되는 잉여 전기 에너지가 발생하였을 경우, 이를 내부에 저장하도록 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 연료전지(110)를 포함한 복합 전기동력원(100)의 출력이 부하 이상일 경우에는, 초과되는 전기 에너지를 수용하고, 상기 출력이 부하에 미치지 못할 경우에는 부족한 양 만큼의 전기 에너지를 출력단 측에 공급하여, 상기 출력단을 통해 출력되는 에너지가 항상 일정 수준 이상을 유지하도록 구성된다.
한편, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 상기 연료전지(110)의 상태에 대응되도록 제어되는 것이 바람직한데, 후술한 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 부하에 따른 상기 복합 전기동력원(100)의 출력을 일정하게 유지할 수 있도록, 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)과, 기타 동력원(140)을 순차적 및/또는 동시에 추가 가동하여 부족한 전원의 출력을 보상한다. 따라서, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 즉각적인 응답특성이 떨어지는 연료전지(110)의 상태에 따라 충전 및 방전을 반복하여 시행하도록 구성될 수 있다.
지능형 에너지 관리 시스템(Intelligence Energy Maintenance System, IEMS)(300)은 도시된 바와 같이, 상기 복합 전기동력원(100)을 구성하는 각각의 동력원들(110)(120)(130)(140)과, 후술할 버스바 유닛(610) 및 전력동기장치(600)를 개별적으로 제어하여, 이들의 상태와 부하 대비 전기 에너지 출력을 비교하여, 이들을 각각 온/오프 제어할 수 있다. 또한, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 상기 연료전지(110)의 출력 및 작동 상태를 감지하여, 상기 연료전지(110)의 상태에 따라, 상기 에너지 저장 시스템(200)의 작동을 제어할 수도 있으며, 후술할 부하유닛(400)과 연결되어, 상기 복합 전기동력원(100)에서 출력 가능한 최대치 이상의 부하가 발생할 경우, 상기 부하유닛(400)의 부하량을 줄이고, 반대로, 복합 전기동력원(100)에서 생산되는 전기 에너지가 지나치게 남을 경우에는, 상기 복합 전기동력원(100)의 작동 비율을 줄이거나, 상기 부하유닛(400)의 부하가 커질 수 있도록 제어할 수도 있다. 이때, 부하량의 증감은 부하유닛(400)의 속도 등을 증감하는 것을 통해 제어할 수 있다.
부하유닛(400)은 선박 또는 해상 부유물에 상기한 동력 시스템을 설치하기 전에 정상 작동 유무를 확인하게 위한 실험 장비로서, 적어도 하나 이상의 에너지 소비가 가능한 부하모듈(Load bank)들을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 부하유닛(400)에 마련된 부하모듈들은, 실제 선박이나 해상 부유물에서 소비되는 전기 에너지 소비 패턴이 입력되는 것이 좋은데, 적어도 전기 에너지 만으로 프로펠러 추진 가능한 모터 부하특성이나, 그 외 설치된 시설물들에서 사용하는 전기 에너지 부하 패턴 등을 모사하도록 마련되는 것이 바람직하다.
한편, 도 2는 본 발명에 의한 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 설치하였을 경우를 개략적으로 나타낸 도면으로, 앞서 설명한 부하시험 장치를 구성하는 부하장치(400)를 제거하고, 대신 선박추진기 및 전기장치(500)를 설치한 상태를 도시한 것으로, 동작은 앞서 설명한 바와 동일하다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 연료전지(110)를 기반으로, 선박 등에서 사용되는 전기 에너지의 대부분을 충당하면서, 연료전지(110)의 응답특성 미비 또는, 급격한 부하의 증가 시에만, 선택적으로 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)이나, 기타 동력원(140)을 사용하도록 전기 에너지 공급 시스템을 구성할 수 있기 때문에, 기존의 전기 에너지 생산 시스템에 비해 친환경 적이고, 이산화탄소 배출량을 큰 폭으로 줄일 수 있다.
물론, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 달리, 선박이나 해상 부유물은 부하변동은 상대적으로 적은 반면, 많은 전력을 요구하기 때문에 보다 큰 시스템 용량을 가지는 연료전지를 필요로 한다. 하지만, 연료전지(110) 단독으로 모든 전기부하를 감당하기는 힘들기 때문에, 상기한 바와 같이 복수 개의 서로 다른 형태의 동력원들(120)(130)(140)을 구비하면, 상기 연료전지(110)의 느린 응답특성을, 배터리 전원과 같은 기타 동력원(140)이나, 디젤 터빈과 같은 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)등을 이용하여 보완할 수 있다.
또한, 에너지 저장 시스템(200)은 부하변동에 따라 발생하는 연료전지(110)의 잉여 전기 에너지를 저장하여, 상기 연료전지(110)가 미처 응답하지 못하는 부하 영역에서 저장된 에너지를 출력하여, 복합 전기동력원(100)의 안정적인 출력을 제공하는 것이 가능하다.
도 3은 상기한 바와 같이 구성된 시스템에서, 지능형 에너지 관리 시스템(300)을 이용하여 전력 계통제어를 수행하기 위한 제어 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예의 경우, 서로 다른 전기적인 특성을 가지는 복합 전기동력원들을 계통전원으로 연결할 때, 각각의 단위 발전모듈의 후단에 전력변환장치(power conditioning system, PCS)를 설치하여, 연결되는 발전원을 전압 제어에서 전류 제어로 변경 제어하는 것에 발명의 특징이 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지(110)의 후단에는 제 1 전력변환장치(111)를 설치하여, 이를 통해 버스바 유닛(610)과 연결될 수 있다. 제 1 전력변환장치(111)는 연료전지(110)만을 작동하여 에너지를 공급하는 동안에는 상기 연료전지(110)를 전압 제어하여, 일정한 크기의 전압이 출력될 수 있도록 한다.
예컨대, 연료전지(110)의 출력 전력의 최대 출력량이 100kW로 설정되고, 부하장치(400) 또는 선박추진기 및 전기장치(500)의 부하량이 0~100kW로 설정될 경우에는 상기 제 1 전력변환장치(111)는 연료전지(110)를 전압 제어하여, 요구되는 전압을 일정하게 출력할 수 있다. 그런데, 부하장치(400)나 선박추진기 및 전기장치(500)에서 요구되는 부하량이 100kW 이상으로 설정될 경우에는 부족한 전력을 보충하기 위해 에너지 저장 시스템(200)의 전력을 사용할 수 있다. 이와 같이 서로 성질이 다른 다른 동력원과의 연결이 필요하면, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 상기 제 1 전력변환장치(111)를 제어하여, 상기 연료전지(110)를 전압제어에서 전류제어로 전환하고, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 전압제어를 수행할 수 있다.
한편, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 상기 연료전지(110)의 전력량과 동일한 출력을 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 예시한 바와 같이 연료전지(110)의 전력량이 100kW로 설정되면, 에너지 저장 시스템(200)도 동일하게 100kW로 설정될 수 있다. 그러나 이를 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 에너지 저장 시스템(200)의 용량은 증감될 수도 있다.
한편, 에너지 저장 시스템(200)이 추가된 상태에서도 부하장치(400)의 용량이 증가할 경우, 다른 동력원을 계통연결 할 필요가 있다. 예컨대, 상기한 바와 같이 연료전지(110)와 에너지 저장 시스템(200)이 각각 100kW의 용량을 가질 경우, 최대 200kW까지의 부하 용량을 감당할 수 있다. 그러나, 부하장치(400)에서 요구되는 부하가 200kW를 초과할 경우, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 추가 동력원을 계통연결 할 수 있다. 예컨대 제 1 엔진(120)과 같은 화석연료를 사용하는 동력원을 연결할 수 있는데, 이 경우, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 상기 에너지 저장 시스템(200)의 제 2 전력변환장치(211)를 작동하여, 상기 에너지 저장 시스템(200)을 전압 제어에서 전류 제어로 제어 변경한다. 그리고, 제 1 엔진(120)을 가동하되, 상기 제 1 엔진(120)은 전압제어를 통해 부족한 전력을 보강한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 엔진(120) 만으로도 부족할 경우, 순차적으로 제 2 엔진(130), 기타 동력원(140)들을 가동하여 최말단의 동력원만을 전압제어하고, 계통 연결이 되는 상기 연료전지(110)와 제 1 엔진(120) 등의 동력원들은 전류제어를 수행할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 복수의 동력원들은 전력동기장치(600)에 의해 제어되는 버스바 유닛(610)으로 계통전원이 연결될 수 있다.
버스바 유닛(610)은 각각의 동력원들과 연결되는 제 1 내지 제 5 스위치(601~605)를 포함할 수 있으며, 이들은 버스바(611)와 통전 가능하게 연결될 수 있다. 즉, 제 1 스위치(601)는 연료전지(110)와 연결되고, 제 2 스위치(602)는 에너지 저장 시스템(200), 제 3 스위치(603)는 제 1 엔진(120), 제 4 스위치(604)는 제 2 엔진(130), 제 5 스위치(605)는 기타 동력원(140)과 연결될 수 있다. 이들 스위치들은 전력동기장치(600)에 의해 개폐 제어되어, 상기 부하장치(400)의 용량에 따라, 선택적으로 온/오프 제어될 수 있다. 한편, 이러한 전력동기장치(600)의 제어 또한 지능형 에너지 관리 시스템(300)에서 수행할 수 있다. 그리고, 제 6 스위치(606)는 부하장치(400) 측에 전원을 선택적으로 인가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 에너지 관리 시스템을 이용한 전력 계통제어 흐름도로서, 지능형 에너지 관리 시스템(300)에서 수행되는 제어 흐름을 나타낸 것이다.
장치가 작동을 시작하면, 제 1 전력변환장치(111)를 온(ON)하고(S1), 연료전지(110)에 대하여 전압제어를 수행할 수 있다(S2). 그러면, 부하장치(400)의 0 내지 100kW 범위내의 부하에 대해서는 상기 연료전지(110)가 전압제어를 통해 제어되면서 동작할 수 있다(S3).
한편, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 부하장치(400)에서의 부하가 100kW를 넘어서는지 판단하여, 100kW 미만일 경우에는 S2단계로 돌아가 연료전지(110)를 계속해서 전압제어하고, 100kW를 넘어설 경우에는 다음 단계로 진행한다(S4).
즉, 부족한 전력을 보충하기 위하여, 다른 계통의 발전원인 에너지 저장 시스템(200)에 마련된 제 2 전력 변환장치(211)를 온(ON) 하고(S5), 에너지 저장 시스템(200)의 상태를 온(ON)할 것인지의 여부를 판단한다(S6). 상기 S6단계에서 에너지 저장 시스템(200)을 사용할 것을 결정하면, 연료전지(110)는 전류제어로 전환하는데, 이때, 이러한 전류제어 변환은 상기 제 1 전력변환장치(111)에서 수행할 수 있다(S7). 그리고, 나중에 연결된 에너지 저장 시스템(200)은 전압제어 할 수 있다. 이때, 상기한 바와 같이 에너지 저장 시스템(200)의 용량은 상기한 연료전지(110)의 용량과 대응되도록 마련될 수 있다(S8).
그러면, 상기 부하장치(400)의 용량이 100 내지 200kW 범위 내에서 가동될 수 있으며(S9), 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 상기 부하장치(400)의 용량이 200kW를 넘어서는지의 여부를 확인한다(S10).
상기 S10단계에서 부하장치(400)의 용량이 200kW를 넘어서면, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 제 1 엔진(120)을 온(ON)하고(S11), 제 1 엔진(120)의 상태를 온(ON)할 것인지의 여부를 판단한다(S12). 상기 S12단계에서 제 1 엔진(120)을 사용할 것을 결정하면, 연료전지(110)와 함께, 상기 에너지 저장 시스템(200)도 전류제어로 전환하는데, 이때, 이러한 전류제어 변환은 상기 제 2 전력변환장치(211)에서 수행할 수 있다(S13). 그리고, 나중에 연결된 제 1 엔진(120)은 전압제어 할 수 있다. 이때, 상기한 바와 같이 제 1 엔진(120)의 용량은 상기한 연료전지(110) 및 에너지 저장 시스템(200)의 용량과 대응되도록 마련될 수 있다(S14). 그러면, 상기 부하장치(400)의 용량이 200 내지 300kW 범위 내에서 가동될 수 있다(S15).
만일, 부하장치(400)의 용량이 상기한 도 4와 같이 300kW 이상으로 설정될 경우, 상기한 바와 같은 흐름으로 연결되는 추가 동력원에 각각 전력변환장치를 더 부가하여, 앞단에 연결된 발전원들은 전압제어에서 전류제어로 전환하고, 가장 마지막에 연결되는 발전원들은 전압제어를 수행하도록 구성하면 된다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 서로 다른 특성의 복합 동력원들을 계통 연결함에 있어, 전압 및 주파수 조건의 피크 없이 최대한 균일하게 동력을 제공하는 것이 가능하다. 특히, 상기한 부하장치(400)는 육상 시험에 사용되는 경우이고, 상기 부하장치(400)를 제거하고, 선박 추진기 및 전기장치(500)와 연결하더라도 동일한 흐름으로 제어할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 실시예는 예시적인 것으로, 연료전지(110)의 출력 전력의 최대 출력량이 100kW 인 것에 한정되는 것은 아니며, 복합 전기동력원(100)의 출력은 필요에 따라 얼마든지 증가 또는 감소될 수 있다. 즉, 최대 출력량이 1kW 이내로 구성되어 소형 전기장치의 부하시험 등에 사용될 수도 있고, 최대 출력량이 500kW 이상의 대용량으로 구성되는 것도 가능하다. 다만, 상기한 바와 같이, 장치 제어 편이상 복합 전기동력원(100)을 구성하는 각 요소들의 최대 출력량은 가급적 동일하게 구성하는 것이 제어 편이성이 높다.
또한, 상기한 바와 같이 구성된 복합 동력원(100)의 계통연결 순서는 예시적인 것으로, 상기한 바와 같이 연료전지(100), 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)의 순서가 아닌, 제 1 엔진(120), 연료저지(100), 제 2 엔진(130)의 순서 등 다양하게 변경 가능하다. 즉, 에너지 저장 시스템(200, ESS)을 포함한 복합 동력원(100)의 계통연결 순서는 설치환경과 여건에 따라 변경될 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100; 복합 전기동력원 110; 연료전지
120; 제 1 엔진 130; 제 2 엔진
140; 기타 동력원 200; 에너지 저장 시스템
300; 지능형 에너지 관리 시스템 400; 부하장치
500; 선박추진기 및 전기장치 600; 전력동기화장치

Claims (7)

  1. 연료전지와, 적어도 하나 이상의 디젤 발전기, 디젤 터빈, 가스 터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등과 같은 다양한 하부 사이클을 포함하면서 화석연료를 사용하는 동력원 및 배터리 시스템, 태양력, 풍력, 조력 등 비화석 연료를 사용하는 기타 동력원이 병렬로 연결되되, 상기 연료전지는 기저부하로 구성하여, 상기 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원의 출력 비중과 상기 연료전지의 출력 비중을 부하 설비의 용량을 고려하여 가변하는 복합 전기동력원;
    상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량이 전체 부하량 대비 연료전지에서 출력할 수 있는 일정 부하량에 도달할 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System);
    상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템(IEMS, Intelligent Energy Maintenance System);
    일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 것으로 상기 지능형 에너지 관리 시스템에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 부하모듈을 포함하는 부하장치;
    상기 복합 전기동력원의 연료전지에 설치되는 제 1 전력변환장치(PCS, power conditioning system); 및
    상기 에너지 저장 시스템에 설치되는 제 2 전력변환장치;를 포함하며,
    상기 지능형 에너지 관리 시스템은,
    상기 연료전지와 에너지 저장 시스템을 순차적으로 가동하되, 상기 연료전지에 상기 에너지 저장 시스템을 계통연결 할 때,
    상기 제 1 전력변환장치를 통해 상기 연료전지를 일정한 크기의 전압을 유지하도록 제어하는 전압제어에서 일정한 크기의 전류로 제어하는 전류제어로 전환하고, 상기 에너지 저장 시스템은 전압 제어하여, 계통 연계시 계통의 전압, 주파수 조건을 일치시켜 발전하고,
    상기 연료전지와 에너지 저장 시스템 및 화석연료를 사용하는 동력원을 순차적으로 가동하되, 상기 연료전지에 상기 에너지 저장 시스템을 계통연결 한 후, 상기 에너지 저장 시스템에 화석연료를 사용하는 동력원을 연결할 때,
    상기 제 2 전력변환장치를 통해 상기 에너지 저장 시스템을 일정한 크기의 전압을 유지하도록 제어하는 전압제어에서 일정한 크기의 전류로 제어하는 전류제어로 전환하고, 상기 화석연료를 사용하는 동력원은 전압 제어하여 계통 연계시 계통의 전압, 주파수 조건을 일치시켜 발전하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지, 에너지 저장 시스템 및 화석연료를 사용하는 동력원은 동일한 용량의 전원을 출력하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지와 에너지 저장 시스템 및 화석연료를 사용하는 각각의 동력원의 최대 출력은 서로 대응되는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 지능형 에너지 관리 시스템은,
    상기 연료전지에서 출력되는 전기 에너지가 부하량에 미치지 못할 경우, 상기 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원을 순차적으로 작동 시켜 전력 계통연계를 수행하며,
    상기 화석연료를 사용하는 동력원은 제 1 및 제 2 엔진을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 엔진에는 제 3 및 제 4 전력변환장치가 설치되는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 전기동력원과 에너지 저장 시스템과 부하장치 사이에 개재되며, 상기 복합 전기동력원과 에너지 저장 시스템에 각각 설치되는 스위칭 유닛을 포함하는 버스바 유닛을 포함하는 전력동기화장치(EPSS, Electric Power Synchronization System)를 더 포함하며,
    상기 전력동기화장치는 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어 상기 스위칭 유닛들의 온/오프 제어를 수행하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 지능형 에너지 관리 시스템은,
    상기 부하장치와 연결되어, 상기 부하장치의 속도를 제어하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템.

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