KR101927374B1 - 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지원을 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어기; 상기 엔진과 직결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류전력을 발생시키는 교류발전기; 상기 교류발전기에 연결되어 상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 발전제어부; 상기 발전제어부에 연결되어 상기 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하는 인버터부; 상기 엔진의 열 및 상기 엔진의 배출가스에 포함된 열 중 적어도 하나를 회수하는 열회수부; 및 상기 엔진에 직결되어 냉매의 압축 송출이 가능한 압축기부를 포함하는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기를 제공한다.

Description

복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기{MUTI-FUNCTIONAL INTERNAL COMBUSTION ENGINE SYSTEM GENERATOR FOR GENERATING ELECTRIC POWER}
본 발명은 전력생산 내연기관 시스템 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력생산이라는 본연의 기능 이외에도 생산된 전력의 저장, 엔진 및 배기가스의 열의 회수를 통한 열생산 및 압축기 구동을 수행할 수 있는, 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에 관한 것이다.
내연기관 시스템 발전기는 상용전력을 사용하는 수용가의 소요전력을 보충하거나 사용전력을 사용할 수 없는 장소 또는 비상용 전력공급 장치로서 주로 사용된다. 예컨대, 비상용 전력공급 장치로 사용되는 경우, 상용 전력을 사용할 수 없는 장소에서 내연기관 시스템의 엔진을 구동하여 전력을 생산하는 공급할 수 있다.
이러한 내연기관 시스템 발전기는, 발전 동체의 회전수를 60Hz의 정수배에 해당하는 1800rpm, 또는 50Hz의 정수배에 해당하는 1500rpm으로 고정하는 것과 같이, 발전 동체와 직결된 내연기관의 회전수를 일정 값으로 고정하여 사용하는 것이 일반적이다. 따라서 공지의 내연기관 시스템 발전기는, 주파수나 전압이 전략계통에서 공급하는 주파수나 전압의 편차보다 커서, 기존의 상용계통에서 공급되는 전기품질과 동등하거나 고품질의 전기를 수용가 등과 같은 사용처에 공급하는 것에 한계를 보이고 있다.
일예로, 순수 전기자동차의 경우 운행 중 탑재된 고전압 배터리가 방전될 경우 비상 충전할 방법이 없고 서비스 차량을 이용한 경우 충전에 시간에 많이 소요되어 실효성이 떨어지므로, 내연기관 시스템 발전기를 이용하여 배터리의 충전에 사용할 수 있는 데, 이 경우 배터리의 수명이 단축되거나 손상되는 문제점이 있다. 특히, 하이브리드 자동차의 고전압 배터리를 충전시킬 때, 부하 변동에도 불구하고 내연기관 시스템 발전기의 공급 전력이 적절히 가변되지 못하여, 배터리에 손상을 준 경우가 있었다.
더욱이, 내연기관의 최고 효율점은 해당 엔진회전수의 최고 부하지점에 있으며, 또한, 내연기관의 출력은 엔진의 회전수가 상승할수록 같이 상승하는 선형적인 관계를 지니고 내연기관의 최고 효율점은 일반적으로 내연기관 시스템 발전기의 고정 회전수로 설정되는 1500rpm 또는 1800rpm 보다는 오히려 2500rpm 이상의 지점 에서 보이고 있다는 점에서 내연기관을 고정 엔진회전수에서 운전하는 것은 엔진의 효율성 측면에 매우 불리하다. 그리고, 내연기관을 고정 엔진회전수에서 운전하는 경우 에너지 생산 밀도가 낮은 문제점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전력생산이라는 본연의 기능 이외에도 생산된 전력의 저장, 엔진 및 배기가스의 열회수를 이용한 열생산 및 압축기 구동을 수행할 수 있는, 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 엔진 회전수를 가변시키면서 요구되는 발전량에 대하여 엔진의 연료소비율이 최소가 되는 지점인 엔진 최적연비 운전점을 추종하면서 전력생산이 가능한, 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 에너지원을 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어기; 상기 엔진과 직결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류전력을 발생시키는 교류발전기; 상기 교류발전기에 연결되어 상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 발전제어부; 상기 발전제어부에 연결되어 상기 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하는 인버터부; 상기 엔진의 열 및 상기 엔진의 배출가스에 포함된 열 중 적어도 하나를 회수하는 열회수부; 및 상기 엔진에 직결되어 냉매의 압축 송출이 가능한 압축기부를 포함하는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 발전제어부에 연결되어 상기 발전제어부로부터 출력되는 직류전력을 저장하는 에너지저장부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 열회수부에 연결된 냉난방기구 또는 온수 탱크를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 냉난방 기구는 중온수 흡수식 냉방기가 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 열회수부는 흡기덕트를 통해 유입되는 공기를 가열하는 열원으로 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 압축기와 연결되고 냉매 순환에 의해 냉난방을 수행가능한 냉난방회로부를 포함하고, 상기 압축기는 상기 냉난방회로부에서 냉매를 압축 송출하는 압축부이다.
본 발명에 의하면, 상기 교류발전기 및 상기 발전제어부에 연결된 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 엔진 시동 명령이 입력되면, 엔진 시동 정지 상태에서 상기 교류발전기를 통해 상기 엔진을 구동하는 엔진 크래킹을 수행한다.
본 발명에 의하면, 상기 제어부는 상기 엔진 크래킹에 의해 엔진이 기동되면, 상기 엔진을 설정된 아이들 회전수로 회전시키고, 아이들 회전수에서 상기 엔진이 안정되며 발전 시작 엔진 회전수로 엔진 회전수를 상승시킨 후 발전 시작 엔진 회전수에서 상기 엔진이 안정되면, 전력생산을 위한 운전을 시작하도록 운전이 제어된다.
본 발명에 의하면, 상기 제어부는 상기 교류발전기가 엔진 크랭킹을 수행한 후에는 전력생산을 위한 운전을 시작하기 전 까지 영토크 제어를 수행한다.
본 발명에 의하면, 상기 제어부는, 전력생산을 위한 운전 시에, 요구되는 발전량에 대하여 엔진의 연료소비율이 최소가 되는 지점인 엔진 최적연비 운전점을 추종하면서 엔진 회전수를 가변시킨다.
본 발명에 의하면, 상기 엔진 최적연비 운전점은, 다음 가격 함수 (S, Cost Function)를 최소로 하는 제어량(u)에 의하여 결정된다.
[일반엔진모델식]
Figure 112017049619719-pat00001
[수식]
Figure 112017049619719-pat00002
여기서,
Figure 112017049619719-pat00003
; 엔진 상태 변수
u = 최적 엔진 토크 요구량 (
Figure 112017049619719-pat00004
)
v = 엔진 회전수 요구량
A = 엔진 특성 매트릭스
B = 엔진출력제어 입력 벡터
C = 엔진 출력 매트릭스 [엔진 토크, 엔진 회전수]
D = 엔진속도제어 입력 벡터
r 은 엔진 토크 요구량 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00005
)
q 는 연료효율 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00006
)
s 는 상호 교차 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00007
)
Figure 112017049619719-pat00008
는 엔진 특성 메트릭스를 소정의 응답성능을 만족시키기 위하여 엔진 특성 조정을 위한 특성 변수로서 엔진별 요구성능 별 상이하게 설정되는 상수.
본 발명에 의하면, 상기 발전제어부는 3상 펄스폭 변조 인버터를 구성하는 6개의 스위치 소자를 포함하되, 각각 서로 직렬된 연결된 2개의 스위치 소자로 구성된 제1 내지 제3 직렬회로를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 직렬회로는 병렬 연결되며, 상기 발전제어부의 출력단에 병렬 연결된, 서로 직렬 연결된 제1 캐패시터(C1)과 제2 캐패시터(C2)를 포함하는 DC 링크 캐패시터를 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 인버터부는, 3상 펄스폭변조 인버터를 구성하는 6개의 스위칭 소자들을 포함하되, 각각 서로 직렬된 연결된 2개의 스위치 소자로 구성된 제1 내지 제3 직렬회로를 포함하고, 상기 인버터부의 상기 제1 내지 제3 직렬회로는 병렬 연결되며, 상기 각 직렬회로의 두 스위치 소자 사이의 연결노드와 각 출력단자 사이에 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)가 직렬 연결되고, 제1 인덕터(L1)의 출력단에 연결된 커패시터(C)를 포함한다.
본 발명에 의하면, 공지의 내연기관 시스템 발전기에서 고정된 엔진 회전수, 예를 들어 1,800rpm 60Hz 또는 1,500rpm 50Hz, 같은 낮은 엔진 회전수에서만 전력을 생산했던 기존의 개념을 넘어, 예를 들어, 2,500rpm이나 3,000 rpm 같은 고속의 엔진 회전수에서 사용 주파수에 상관없이 필요한 전력을 생산하여 전력생산 밀도를 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 내연기관 시스템 발전기에서 전력생산을 유지하면서 열량 공급과 압축기를 사용한 냉난방 공급 시스템을 통합하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 내연기관 시스템 발전기에서 부하변동에 따라 적절하게 공급전력을 변경하지 못하여 부하를 손상시키는 문제점을 해소할 수 있다. 이로 인해, 내연기관 시스템 발전기에서 생성된 전력을 부하변동에 상관없는 고품질의 교류전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 또한, 교류전력으로부터 직류전력과 삼상교류전력을 효과적으로 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고전압배터리를 구비하여, 전력계통의 정전으로부터 수용가에 필요한 전력을 중단 없이 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진 열과 배출가스 열을 포집하여 난방 또는 급탕의 열원으로 사용하여 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 에너지를 효과적으로 활용할 수 있게 한다.
또한, 엔진과 직결된 교류발전기와 병행으로 압축기를 장착하여 heat pump의 용도로 사용하여 냉방 또는 난방의 용도로 활용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 회전수별 출력에 대하여 최적의 연료 효율에 대한 정보를 활용하여 최적의 연료효율에서 생산할 수 있는 적절한 회전수와 엔진 부하 지점을 선정하는 것이 가능하므로, 엔진을 최적연비 운전점을 추종하면서 운전하는 것이 가능하다. 기존의 고정된 엔진회전수에서 엔진의 출력을 사용한 방법 대비 엔진의 회전수를 가변시키면서 동시에 엔진의 출력을 사용하는 방법을 제시함으로, 엔진의 넓은 출력 범위를 사용하면서 동시에 효율적인 출력 지점에 해당하는 엔진회전수 운전지점을 찾아 운전할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템의 사시도.
도 2 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 3 은 본 발명의 제3 실시에에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 4 는 본 발명의 제4 실시에에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 5 는 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 6 은 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도.
도 7 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 발전 제어부, 인버터부와 그 연결 관계를 설명하기 위한 회로도.
도 8 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 운전 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9 은 엔진 기동 단계를 설명하기 위한 순서도.
도 10 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에서 전력제어 운전 단계에서의 T-N(Torque-rpm) 곡선 상의 운전 괘적을 도시한 도면.
도 11 은 도 10에 도시된 최적 운전 괘적을 따라 전력제어 운전이 수행되는 방법을 순차적으로 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에 대해 상세하게 설명한다.
도 1a 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템의 사시도이다.
본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기(1)는, 본체를 이루는 프레임(10) 내에 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 압축기(700)를 포함한다. 또한, 압축기(700)와 연결된 냉난방회로부(750) 및 발전제어부(400)와 연결된 에너지저장부(800)를 더 포함할 수 있다.
엔진(100)은 휘발유, 경유, LPG, 천연가스, 수소 등의 가스와 같은 소정의 에너지원을 연소시켜 기계적 동력 및 열을 생산한다. 이러한 엔진은 일반적으로 내연기관으로 지칭될 수 있다.
엔진제어부(200)는 엔진의 동작을 제어한다. 엔진제어부(200)는 전력생산 요구량에 따라 엔진(100)이 주어진 엔진 회전수에서 부하 운전하도록 제어하며, 해당 전기출력 생산을 위한 최적연비 운전점으로 엔진의 운전점을 이동시키는 기능을 한다. 또한, 압축기(700)에 내장된 클러치(미도시)를 단속할 수 있는 스위치(미도시)를 제어하여 압축기(700)로의 동력 전달을 단속할 수 있다.
교류발전기(300)는 엔진(100)과 직결되어 엔진(100)의 기계적 동력을 받아 회전하면서 교류전력을 발생시킨다. 교류발전기(300)는 엔진의 회전에 따라 소정의 주파수와 전압을 가진 교류전력을 생산할 수 있다. 교류발전기(300) 회전전기자형 또는 회전계자형 교류발전기가 사용될 수 있으며 그 종류가 제한되지 않는다.
본 발명에 의하면, 교류발전기(300)는 발전을 시작하도록 엔진을 구동하는 발전모터로서 사용될 수 있다. 교류발전기(300)는 엔진 출력에 따라 생산된 전력이 외부로 공급되는 반대 경로로 상용 전력으로부터 전원을 공급받거나 에너지저장부(800)로부터 전원을 공급받아 엔진 크래킹(engine cracking)을 수행할 수 있다. 이로 인해 별도의 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는 별도의 시동모터를 구비할 필요가 없다.
발전제어부(400)는 교류발전기(300)에 연결되어 교류전력을 직류전력으로 변환하는 기능을 한다. 발전제어부(400)는 직류전력으로 변성하는 기능과 소정의 엔진회전수 대역(일 예로 1,500rpm ~ 3,000rpm)에서 필요한 전력생산을 위한 최적의 엔진회전수 지점을 선정하는 기능을 수행한다. 발전제어부(400)는 소정의 엔진회전수 대역을 이동하면서 소정의 전기출력을 생산하도록 제어한다.
또한, 발전제어부(400)는, 에너지저장부(800)에 포함되어 있는 배터리제어장치로부터 배터리에 관한 정보를 제공받아, 전력 생산량을 결정하는 데 사용할 수 있다.
인버터부(500)는 외부 설비 또는 수용가에서 요구하는 부하에 대응하여 직류전력을 교류전력으로 변성하는 기능을 한다. 인버터부(500)는 외부 설비와 수용가에 적절한 품질의 전력을 공급하기 위하여 인덕터와 캐패시터로 구성된 LCL Filter(580)를 구비할 수 있다.
또한, 인버터부(500)는 외부설비와 수용가에 공급되는 전력의 품질을 적절히 유지하기 위하여 소정의 품질 감시 항목을 모니터링하는 기능을 할 수 있다.
에너지저장부(800)는 배터리를 포함하며, 발전제어부(400)에 연결되어 발전제어부(400)로부터 출력된 직류전력을 저장한다. 에너지저장부(800)는 충방전제어장치를 구비하여, 발전제어부(400)에 에너지저장부(800)의 관련 정보를 제공할 수 있다.
에너지저장부(800)는 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기가 상용전력계통의 기능 정지에 대비한 비상용 발전설비로 사용이 가능하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기가 전기자동차에 장착되는 경우, 에너지저장부(800)는 전기자동차의 배터리가 될 수 있으며, 이 경우 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기로부터 전원을 공급받아 저장하면서 차량의 운행이 이루어질 수 있다.
열회수부(600)는 엔진(100)의 냉각수와 배출가스에 포함된 열을 회수하기 위해 구비된다. 이를 위해 열회수부(600)는, 엔진(100)의 배기관(110)을 지나는 엔진배열 회수관로(610)와, 엔진(100)을 지나는 냉각수 관로(620)를 포함한다. 냉각수 관로(620)는 엔진(100)을 냉각시키는 냉각수의 유동경로로서, 엔진의 발열을 흡수한다. 엔진배열 회수관로(610)는 엔진 배기관(110)을 지나는 배출가스와 열교환을 위한 열교환기로서, 엔진 배열을 흡수한다. 열회수부(600)를 따라 물이 유동하면서 엔진(100) 및 엔진(100)의 배기관(110)의 열을 흡수한다.
열회수부(600)는 입구측 및 출구측이 엔진(100)에서 생산된 열을 필요로 하는 다른 장치들과 연결되어, 물이 순환하면서 복합기능 전력생산 내연기관 발전기에서 생산된 열을 제공한다. 예컨대, 엔진과 배출가스에 포함된 열을 회수하여 외부 설비의 냉난방기구 또는 외부의 온수 공급 기구에 열을 공급한다. 열회수부(600)는 냉각수 관로(620)와, 엔진배열 회수관로(610) 중 적어도 하나를 포함하며, 바람직하게는 모두를 포함할 수 있다.
압축기(700)는 엔진과 직결되어 엔진(100)의 동력으로 구동된다. 본 발명의 실시에에 의하면, 압축기(700)는 냉난방회로부(750)에 연결되며, 엔진(100)의 구동력으로 냉매를 압축 송출하는 기능을 한다.
압축기(700)는 클러치를 구비하여 엔진(100)으로부터의 동력 전달이 단속될 수 있도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에 의하면, 본체(10) 내에 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 압축기(700)가 통합되어 하나의 장치로 구성되며, 일부 구성부분은 선택적으로 사용될 수 있다. 예컨대, 압축기(700)는 선택적으로 제어된다. 즉, 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기은 전력생산이라는 본연의 기능 외에 선택적으로 다른 기능이 구현될 수 있으며, 시스템 자체에 이러한 구성 부분을 미리 포함하고 필요에 따라 사용가능하게 구성된다.
도 2 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이다. 도 2 에는 도시의 편의를 위해 도 1 에 도시된 구성과 중복되는 일부 구성이 생략되어 있다.
도 1b 와 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는, 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 압축기(700), 중온수 흡수식 냉방기(900), 팬 코일 유닛(910)을 포함한다. 중온수 흡수식 냉방기(900)는 냉수를 생산하며, 팬 코일 유닛(910)은 중온수 흡수식 냉방기(900)와 연결되어 냉기의 사용처에 냉기를 공급하는 기능을 한다. 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 압축기(700), 중온수 흡수식 냉방기(900)가 프레임(10) 내에 일체화되는 것이 가능하며, 중온수 흡수식 냉방기(900)를 제외하고, 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 압축기(700)가 프레임(10)에 일체화되는 것도 가능하다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 엔진제어부(200)의 스위칭 제어에 의해 클러치가 동작하여 압축기(700)로의 엔진(100)의 동력 전달이 차단되어 있으며, 압축기(700)는 사용되지 않고 있다.
중온수 흡수식 냉방기(900)는 재생기, 응축기, 증발기, 흡수기를 포함하며, 냉매로서는 물을 사용하며, 흡수액으로 브롬화리튬(LiBr) 수용액을 주로 사용하는 공지의 장치이다. 에컨대, 증발기는 대기압 보다 압력이 낮은 진공 상태를 유지하여 냉매가 증발하면서 열교환화여 공급되는 물의 온도를 냉각시켜 냉수를 생산한다. 흡수기는 증발기에서 냉수를 만드는 과정에서 기화된 냉매 수증기를 흡수액을 이용하여 흡수하며, 재생기는 냉매의 증기를 흡수하여 묽어진 흡수액을 가열하여 농용액을 만들어 흡수기로 공급하며, 응축기는 재생기에서 흡수액을 가열함에 따라 증발하는 냉매의 증기를 다시 응축하여 증발기로 공급한다. 중온수 흡수식 냉방기는, 재생기의 열원으로 일반적으로 90∼120℃의 중온수를 이용하며, 재생기 내부의 중온수공급관을 따라 중온수가 흐르면서 흡수액과 열교환을 행하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열회수부(600)의 출구측(604)이 중온수 흡수식 냉방기(900) 내부의 재생기의 중온수 공급관의 입구측에 연결되고, 중온수 공급관의 출구측에 열회수부(600)의 입구측(620)이 연결된다. 이로 인해 중온수 흡수식 냉방기(900)의 중온수 공급원으로써 열회수부(600)가 사용된다.
팬 코일 유닛(910)은 중온수 흡수식 냉방기(900)에서 생산된 냉수를 공급받아 냉방이 필요한 필요처에 냉기를 공급하는 기능을 한다.
도 3 은 본 발명의 제3 실시에에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이다. 도 3 은 도시의 편의를 위해 도 1과 중복되는 일부 구성은 생략되어 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템은, 본체(10)내에 엔진(100), 엔진제어부(200), 교류발전기(300), 발전제어부(400), 인버터부(500), 열회수부(600), 및 압축기(700)가 통합되어 하나의 장치로 구성된다. 또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템은, 보일러(922), 온수탱크(924)와, 중온수 흡수식 냉방기(910)와, 냉각탑(926)과, 팬코일 유닛(910)을 더 포함한다. 팬 코일 유닛(910)는 냉방이 필요한 사용처에 냉기를 제공하기 위한 것으로, 종류에 제한됨이 없이 AHU(Air Handling Unit)등의 다양한 형태로 구성될 수 있다.
보일러(922)는 가스 등과 같은 에너지원을 연소시켜 열을 생산한다. 도 3에서 보일러(922)는 온수탱크(924)과 일체화된 형태로 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않고 일반적인 보일러 형태로서 온수탱크(924)와 분리되어 형성될 수 있다.
보일러(922)의 가열에 의해 생산된 온수는 온수탱크(924)에 저장되고, 온수탱크(924)에 저장된 온수는 급탕용 온수로 사용될 수 있으며, 중온수 흡수식 냉방기(910)에 재생기의 열원으로 사용될 수 있다. 온수탱크(924)는 중온수 흡수식 냉방기(910)의 재생기에 중온수를 공급하는 열원으로만 사용될 수 있으며, 이 경우 온수탱크(924)에서의 온수 입출력은 중온수 흡수식 냉방기(910)와의 사이에서만 이루어지며, 온수탱크(924) 내부에 중온수 흡수식 냉방기(910)로 공급되는 온수와의 열교환을 위한 별도의 열교환기 없이 온수탱크(924) 내부의 온수가 직접 공급될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 열회수부(600)의 출구측(604)이 중온수 흡수식 냉방기(900) 내부의 재생기의 중온수 공급관의 입구측에 연결되고, 중온수 공급관의 출구측에 열회수부(600)의 입구측(620)이 연결되며, 열회수부(600)의 물 출구측(604)에는 온수탱크(924)로부터 제공된 온수와의 열교환을 위한 제1 열교환기가 구비되며, 열 회수부(600)의 물 입구측(602)에는 냉각탑을 순환하는 물과의 열교환을 위한 제2 열교환기가 설치된다. 이로 인해 열회수부(600)는 보일러(922)에서 공급되는 열량을 보조하는 기능을 한다. 보일러(922)의 가열에 의해 생산된 열과, 열회수부(600)에 의해 생산된 열이 함께 중온수 흡수식 냉방기(910)의 재생기에 중온수를 공급하는 열원으로 이용된다. 냉각탑(926)을 사용하여 남는 열을 순환할 수 있도록 하고 온수탱크(924)로부터 중온수 흡수식 냉방기(910)으로 유입되는 열량을 보조하는 것이 가능하므로, 보일러(922)러에서 중온수 생산을 위해 사용되는 열량을 절감하는 것이 가능하다. 이를 통해 시스템 효율이 개선된다.
이와 같이, 본 발명의 제3 실시에는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에서 전력을 생산함과 아울러, 열회수부에서 회수된 열을 중온수 흡수식 냉방기(910)의 재생기의 열원으로 이용함으로써, 시스템 효율을 개선하고 있다.
도 4 는 본 발명의 제4 실시에에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템은, 외기를 가열하여 열기를 소정의 제품 가공에 사용하는 공장(2)에 적용하는 응용예이다.
본 발명의 제4 실시예를 참조하면, 공장(2) 내부에 열기를 제공하기 위한 흡기덕트(930)와, 흡기덕트(930)를 따라 유동하는 공기에 열을 제공하기 위한 버너(932)를 포함한다. 버너(932)의 연소 가스는 흡기덕트(930) 내부에 배치된 연소 관로(933)를 따라 유동하면서 흡기덕트(930) 내부를 따라 유동하는 공기를 가열한다.
본 발명의 제4 실시예에 의하면, 흡기덕트(930) 내부에는 연소관로(933)의 전측 즉, 공기 유입 측 방향 쪽으로 열회수부(600)의 생산된 열원 즉, 온수와 흡기덕트(930) 내부로 유입된 공기와의 열교환을 위한 열교환기(935)가 더 구비된다. 열교환기(935)에서 공기가 1차 가열되고, 연소관로(933)에서 제공되는 열에 의해 공기는 2차 가열된다. 따라서 버너(932)에서 소정의 목표온도까지 공기를 가열하는 데 필요한 공급 열량을 줄여 설비의 운영 효율을 개선할 수 있다.
도 5 는 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이다.
도 5 에 도시된 본 발명의 제5 실시예에는 도 2 에 도시된 본 발명의 제2 실시예와 대비하여, 압축기(700)와 연결된 냉난방회로부(750)를 더 포함하고, 냉난방회로부(750)는 생산된 냉열을 냉열 열교환기(912)를 통해 팬 코일 유닛(910)으로 제공하는 기능을 한다. 팬 코일 유닛(910)과 중온수 흡수식 냉방기(900)의 냉매 순환 경로 상에 냉열 열교환기(912)가 구비되고, 냉난방회로부(750)가 상기 냉열 열교환기(912)를 경유하여 지나면서 냉매의 냉열이 제공된다.
이를 통해, 중온수 흡수식 냉방기(900)에서 냉매 냉각을 위해 필요한 에너지를 줄이고, 냉기를 팬 코일 유닛(910)에 추가로 공급함으로써 시스템의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
도 6 은 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 구성도이다.
본 발명의 제6 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는 상용 전원으로 사용가능한 교류 전력을 생산하는 것은 동일하다.
본 발명의 제6 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는 온수를 공급하는 온수탱크(940)를 더 포함하고, 온수탱크(940)와 열회수부(600) 간의 열교환을 위한 열교환기(942)를 더 포함한다. 열회수부(600) 관로의 냉매(물)은 열교환기(942)를 통해 열회수부(600)를 통해 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에서 회수된 열을 온수탱크(940)에 공급한다.
또한, 압축기(700)를 포함하는 냉난방회로부(750)를 경유한 냉매는 실내 공조기(945)를 통해 실내에 냉기를 공급한다.
본 발명의 제6 실시에에 의하면, 온수탱크(940)에 저장되는 온수를 생산하기 위한 보일러(미도시)의 보조 열원으로 열회수부(600)가 사용됨에 따라 보일러에서의 에너지 소비가 절감될 수 있다.
본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는 도 1a 내지도 6 에 도시된 실시예에 제한되지 않고 다양한 응용예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기가 대형 전력 기반 전기자동차에 탑재될 수 있다.
본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기가 탑재되는 대형 전력 기반 전기자동차, 예컨대 전기버스에 의하면, 발전제어부를 통해 고품질의 고전압 직류전력을 생산하여 배터리에 충전할 수 있다. 또한, 엔진의 회전축을 전기버스의 구동축에 연결하여 바퀴에 동력이 전달되도록 구현할 수 있다. 또한 발전제어부의 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하는 인버터부에 의해 전기버스 내의 전장부품이나 일반 전자부품에 전원을 공급할 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 발전 제어부, 인버터부와 그 연결 관계를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7 을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는 6개의 스위치 소자들로 3상 펄스폭변조 인버터를 구현하도록 구성된 발전제어부(400)와, 2개의 캐패시터 (C1, C2)로 구성된 DC 링크 캐패시터(DC Link Capacitor)(420)와, 6개의 스위칭 소자들로 구성된 인버터부(500)와, 2개의 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C)로 구성된 LCL 필터(LCL Filter)(580)를 포함할 수 있다. 여기서 LCL 필터(580)는 통상적인 Transformer로 대체될 수 있다.
발전제어부(400)는, 교류발전기(300)의 교류전력을 직류전력으로 변환하기 위한 것으로, U+의 고전압측 전원에 연결되는 제1 스위치와 U-의 저전압측 전위에 연결되는 제2 스위치를 구비한 제1 직렬회로와, V+의 고전압측 전원에 연결되는 제3스위치와 V-의 저전압측 전위에 연결되는 제4 스위치를 구비한 제2 직렬회로와, W+의 고전압측 전원에 연결되는 제5 스위치와 W-의 저전압측 전위에 연결되는 제6스위치를 구비한 제3 직렬회로를 포함한다.
제1 내지 제3 직렬회로들은 서로 병렬로 연결되고 병렬로 연결된 회로의 양단 또는 출력단은 고전압측과 저전압측이 된다. 교류발전기(300)의 3상 출력이 각 직렬회로의 두 스위치 사이에 연결된다.
DC 링크 캐패시터(420)를 구성하는 제1 캐패시터(C1)과 제2 캐패시터(C2)는 병렬회로의 출력단에 병렬로 연결된다.
발전제어부(400)는 이와 같은 3상 펄스폭변조 인버팅 방법을 이용하여 교류발전기(300)의 교류전력을 효과적으로 직류전력으로 변환하고, 변환된 직류전력을 부하에 직접 공급하거나 인버터부(500)에 공급할 수 있다.
부하에 직접 공급되는 직류 전력은 직류 고전압 전력으로서, ESS 또는 고전압 배터리(800)에 충전하는데 사용할 수 있다.
인버터부(500)는, 발전제어부(400)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 것으로, 3상 펄스폭변조 인버터를 구성하는 6개의 스위칭 소자들을 포함한다. 인버터부(500)는, R+의 고전압측 전원에 연결되는 제1 스위치와 R-의 저전압측 전위에 연결되는 제2 스위치를 구비한 제1 직렬회로와, S+의 고전압측 전원에 연결되는 제3 스위치와 S-의 저전압측 전위에 연결되는 제4 스위치를 구비한 제2 직렬회로와, T+의 고전압측 전원에 연결되는 제5 스위치와 T-의 저전압측 전위에 연결되는 제6 스위치를 구비한 제3 직렬회로를 포함한다. 제1 내지 제3 직렬회로는 병렬 연결된다.
인버터부(500)의 입력단에 발전제어부(400)의 출력단이 직접 연결되고, 또한 인버터부의 입력단에는 DC 링크 캐패시터(420)를 구성하는 제1 캐패시터(C1)과 제2 캐패시터(C2)가 병렬로 연결된다.
인버터부(500)는 제1 출력단자(R)와 제2 출력단자(S)와 제3 출력단자(T)을 출력단자로 구비할 수 있다. 제4 출력단자(N)는 LCL 필터(580)를 사용하여 상용 전력 계통상 N상과 연결하는 부분을 표시한다. LCL 필터(580)가 Transformer로 대체할 경우 제4 출력단자는 없을 수 있다.
LCL 필터(580)는 2개의 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C)로 구성된다. 인버터부(500)의 어느 하나의 직렬회로의 두 스위치 사이의 연결노드와 제1 출력단자(R)와의 사이에는 인덕터(L1, L2)가 직렬로 연결될 수 있다. 캐패시터(C)가 인덕터(L1)의 출력단자 또는 제1 출력단자(R)과 제4 출력단자(N)와의 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 제2출력단자(S)와 제3 출력단자(T)에서 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C)의 연결 방법은 제1출력단자(R)에서와 동일하다. 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C)는 LCL 필터(580)를 형성하여 역률보상부로서의 기능과 저역통과필터로서의 기능을 구현한다.
본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에 의하면, 교류발전기, 발전제어부, 인버터부를 제어하는 소정의 제어신호에 의해 제어되는데, 이러한 제어신호를 제공하기 위한 제어부(450)를 더 포함할 수 있다. 제어부(450)는 중앙처리장치와 주변장치가 함께 배치된 컨트롤 보드(Control board)일 수 있으며, SOC(System On Chip)으로 구현될 수 있다.
제어부(450)는, 하나 이상의 데이터 프로세서, 주변장치 인터페이스와, 메모리 인터페이스를 구비할 수 있고, 주변장치 인터페이스는 제어부(450)와 입출력 시스템 및 여러 다른 주변장치를 연결하고, 메모리 인터페이스는 제어부(450)와 비활성 메모리를 연결할 수 있다.
제어부(450)는 여러 가지 소프트웨어 프로그램을 실행하여 발전제어부(400), 인버터(500) 또는 복합형 전력변환 장치를 제어하기 위한 데이터 입력, 데이터 처리 및 데이터 출력을 수행할 수 있다.
또한, 고전압 배터리와 같은 에너지 저장부(800)를 포함하고 있는 경우 배터리전압, 배터리 SOC(State of Charge), 배터리 SOH(State of Health), 배터리 충방전 상태, 배터리 충전 출력, 배터리 방전 출력에 대한 정보를 참조하여 생산에 필요한 전력생산량을 결정하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 전력생산 품질 관리를 수행하며, 이와 관련하여 정격주파수 변동량, 순간최대 주파수 변동량, 정상상태 주파수 변동량, 허용 주파수 회복시간, 정상상태 전압변동량, 순간 최대 전압변동량, 전압 회복시간, 전압 불평형 등을 감시하는 기능을 수행할 수 있다.
도 7 은, 제어부(450)가 연산부(452)와, 교류발전기(300)의 상태 검출을 위한 감지부(454)와, 전원 입력부(456), 다른 장치와의 통신를 위한 통신부(458)로 구성된 예를 제시하고 있다. 제어부(450)는 발전제어부(400) 및 인버터(500)를 모니터링하고 제어신호를 출력하도록 연결되어 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기의 운전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 을 참조하면, 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는, 엔진 시동 명령 단계(S0), 엔진 기동 단계(S100), 발전 준비 단계(S200), 전력제어 운전 단계(S300), 발전차단 및 기동정지 단계(S400)를 포함한다.
엔진 시동 명령 단계(S0)는, 외부로 엔진 시동 명령이 인가되는 단계이다.
엔진 기동 단계(S100)는, 엔진 기동 준비 단계(S110)와, 엔진 크래킹 단계(S150)를 포함한다. 도 9 은 엔진 기동 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 9를 참조하면, 엔진 기동 준비 단계(S110)는, 엔진 시동 명령 인지 단계(S112)와, 엔진 정지 상태 확인 단계(S114)를 포함한다.
엔진 시동 명령 인지 단계(S112)는, 외부로부터 엔진 시동 명령이 인가되었는지 여부를 확인하고, 엔진 시동 명령이 인가된 것으로 확인되면, 엔진 정지 상태 확인 단계(S114)에서 엔진이 정지된 상태 인지 여부를 확인한다.
만약, 엔진 구동 상태에서 오류 등으로 엔진 시동 명령이 인가되었다면 엔진 기동 준비 단계(S110)는 중지하며, 엔진의 구동 상태를 유지한다.
엔진 정지 상태 확인 단계(S114)에서 엔진 정지 상태로 확인되면, 통상의 엔진 시동 절차로서, 엔진 크랭킹 단계(S150)가 수행된다.
엔진 크래킹 단계(S150)는, 엔진 시동 가능 여부 확인 단계(S152)와, 교류발전기의 발전모터 토크 인가 단계(S154), 엔진 아이들 회전수 도달 확인 단계(S156), 엔진 기동 완료 판단 단계(S158)을 포함한다.
엔진 시동 가능 여부 확인 단계(S152)는 엔진이 시동 가능한 상태인지 여부를 확인하여 제어부로 통지하며, 엔진이 시동 가능한 상태가 아닌 경우에 엔진 시동이 가능한 상태로 이루어질 때까지 대기하는 절차가 수행된다.
교류발전기의 발전모터 토크 인가 단계(S154)는, 교류발전기에 전원을 공급하여 교류발전기를 발전모터로 구동하여 엔진을 기동시키는 단계이다. 교류발전기는 발전모터 모드로 운전하면서 엔진이 설정된 크랭킹 회전수(RPM)(예를 들면, 450rpm)로 회전되도록 토크를 인가한다. 이 과정에서 엔진 제어부에 의해 엔진이 구동되면서 설정된 아이들 회전수(RPM)가 될 때까지 엔진 회전수가 상승한다. 여기서 설정된 아이들 회전수는 소정의 범위로 설정된다.
엔진 아이들 회전수 도달 확인 단계(S156)는 엔진 크랭킹에 의해 엔진이 구동되면서 엔진이 시동되어 설정된 아이들 회전수에 엔진 회전수가 도달하였는지 확인하는 단계이다.
엔진 회전수가 설정된 아이들 회전수에 도달하는 경우 엔진 기동 완료로 판단(S158)한다. 교류발전기의 발전모터 운전이 정지된다.
발전준비 단계(S200)는 엔진 아이들 운전 확립 단계(S210)와, 발전 전압 확립 단계(S250)를 포함한다.
엔진 아이들 운전 확립 단계(S210)는, 엔진의 설정된 아이들 회전수 범위 내에서 엔진의 아이들 운전 상태가 유지되는지 여부를 확인하는 단계이다. 엔진 아이들 운전 확립 단계(S210)에서 예컨대, 엔진 정지되거나 엔진 고장으로 판단되는 경우, 또는 경고등의 점등이나 외부로부터 엔진 정지 명령을 받는 경우 엔진은 즉시 정지되거나 기동 정지된다.
또한, 엔진 회전수가 회전수 설정된 안정치를 벗어나 엔진 제어부가 엔진의 부조라고 판단한 경우 엔진은 즉시 정지된다. 또한, 엔진 회전수가 설정된 안정치를 벗어난 상태에서 엔진 제어부가 엔진 부조는 아니지만 소정의 엔진 회전수 안정 확보시간을 경과하였다고 판단하는 경우 엔진은 기동 정지된다.
엔진 아이들 운전 확립 단계(S210)에서 엔진이 설정된 아이들 회전수 범위에서 유지되면서 안정된 상태로 판단되는 경우 발전 전압 확립 단계(S220)가 수행된다.
발전 전압 확립 단계(S250)는 엔진 회전수를 발전 시작을 위한 회전수 목표치(ENGINE BASE PRM)까지 상승시키는 단계이다.
발전 전압 확립 단계(S250)에서 엔진 회전수가 목표치까지 상승한 이후 엔진 회전수가 소정의 회전수 안정치를 벗어난 엔진 제어부에서 엔진의 부조라고 판단된 경우 엔진은 즉시 정지된다.
또한, 엔진 제어부가 엔진의 부조는 아니지만 엔진 제어부가 소정의 발전전압 확립시간을 경과했다고 판단하는 경우 엔진 기동 정지가 수행된다.
발전 전압 확립 단계(S250)에서 엔진 회전수가 목표치로 설정된 소정의 회전수 안정치 범위에서 운전될 경우 전력제어 운전 단계(S300)가 수행된다.
본 발명에 의하면, 엔진은 발전 시작을 위한 회전수 목표치에 도달할 때까지 영토크 제어가 실시되며, 발전 전압 확립 단계(S250)를 거치면서 발전 전압이 확립되고 나면 전력제어 운전이 수행되면서 부하가 인가된다.
도 8 을 참조하여 교류발전기에 의해 인가되는 발전모터 토크를 살펴보면, 교류발전기는 엔진 크래킹 단계(S150)에서 발전모터로 구동하여 엔진에 토크를 인가하고, 엔진이 시동되고 나면 발전 준비 단계(S200)에서는 영토크 제어를 실시한다. 전력제어 운전 단계(S300)에서는 교류발전기는 엔진 토크를 인가받아 회전하면서 교류발전을 수행하며, 발전차단 및 기동정지 단계(S400)에서는 영토크 제어를 실시한다.
발전 전압 확립 단계(S250)에서 발전 전압이 확립되면, 전력제어 운전 단계(S300)가 수행된다. 도 10 은 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기에서 전력제어 운전 단계에서의 T-N(Torque-rpm) 곡선 상의 운전 괘적을 도시한 도면이다. 도 10에서 점선이 운전 괘적을 나타낸다.
도 10 에 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기는, 엔진 회전수에서 요구되는 발전량에 대하여 엔진의 연료 소비율이 최소가 되는 지점을 추적하면서 운전이 수행됨을 알 수 있다. 즉, 엔진 회전수가 가변되면서 최적 제어 궤도를 추종한다. 즉, 엔진 시동후 소정의 회전수 즉, 발전 전압 확립을 위한 엔진 회전수 목표치(도 10 에서 2,000rpm)에 도달할 때 까지 영(zero) 토크 제어가 실시되고, 엔진 회전수 목표치에 도달하면 발전 부하가 인가된다. 이후 부하 변동에 따라 연료 소비율이 최소가 되는 지점을 추적하면서 엔진 출력 및 회전수 가변 제어를 수행한다.
본 발명에 의하면, 엔진 출력 및 회전수 가변 제어를 위한, 제어입력 엔진 토크 요구량(u)는 다음 가격함수(S)를 최소로 하는 값으로 결정된다.
[일반엔진모델식]
Figure 112017049619719-pat00009
[수식]
Figure 112017049619719-pat00010
여기서,
Figure 112017049619719-pat00011
; 엔진 상태 변수
u = 최적 엔진 토크 요구량 (
Figure 112017049619719-pat00012
)
v = 엔진 회전수 요구량
A = 엔진 특성 매트릭스
B = 엔진출력제어 입력 벡터
C = 엔진 출력 매트릭스 [엔진 토크, 엔진 회전수]
D = 엔진속도제어 입력 벡터
r 은 엔진 토크 요구량 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00013
)
q 는 연료효율 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00014
)
s 는 상호 교차 가중치 상수 (
Figure 112017049619719-pat00015
)
Figure 112017049619719-pat00016
는 엔진 특성 메트릭스를 소정의 응답성능을 만족시키기 위하여 엔진 특성 조정을 위한 특성 변수로서 엔진별 요구성능 별 상이하게 설정되는 상수이다.
상기 수식에서 엔진 회전수와 연료소비율을 구속조건으로 하고, 이 구속조건이 최소로 하는 엔진 토크 요구량을 제어입력으로 한다.
도 11 은 도 10에 도시된 최적 운전 괘적을 따라 전력제어 운전이 수행되는 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
전력제어 운전 단계(S300)는, 전력 제어 운전 개시 단계(S310), 운전점 변경 요구 단계(S320), 엔진 회전수의 고정 해제 단계(S330), 엔진 회전수 추종 단계(S340), 엔진 회전수 고정 단계(S350) 및 발전 파워 모니터링 단계(S360)를 포함한다.
전력 제어 운전 개시 단계(S310)는 엔진회전수가 가변되는 엔진회전수 크루즈 컨트롤이 시작되는 단계이다. 이를 위해 엔진회전수 크루즈 컨트를 시작을 위한 제어명령이 제어부에 입력된다.
운전점 변경 요구 단계(S320)는, 엔진 회전수 크루즈 컨트롤이 개시된 후, 최적 효율 운전을 위한 운전점 변경 요구가 입력되는 단계이다. 최적 효율 운전을 위한 운전점 변경 요구는 예컨대, 도 10 에 도시된 운전 괘적을 따라 운전점이 변경될 때 입력된다.
운전점 변경 요구가 입력되면, 엔진 회전수의 고정 해제 단계(S330), 엔진 회전수 추종 단계(S340), 엔진 회전수 고정 단계(S350)가 순차적으로 진행된다.
엔진 회전수 고정 해제 단계(S330)는 엔진회전수 크루즈 컨트롤을 위해 현재의 엔진 회전수에서의 회전수 고정이 해제되는 단계이다. 본 명세서에 회전수 고정은 엔진이 특정한 엔진 회전수로 정속 운전하는 것을 의미한다.
엔진 회전수 추종 단계(S340)는, 운전점 변경 요구에 추종하여 엔진 회전수가 가감속되면서 변경되는 단계이다.
엔진 회전수 고정 단계(S350)는, 엔진 회전수의 추종이 완료된 후 변경된 현재의 엔진 회전수로 엔진 회전수를 확정하고 고정하는 단계이다.
발전 파워 모니터링 단계(S360)는, 변경된 운전점에서의 엔진의 기계 출력과 회전수 상태가 전력생산 수행에 적절한지 감시하는 단계이다.
발전 파워 모니터링 단계에서 운전점 변경 요구가 적절히 반영되지 않은 것으로 판단되면, 엔진 회전수의 고정 해제 단계(S330), 엔진 회전수 추종 단계(S340), 엔진 회전수 고정 단계(S350)가 다시 수행된다.
전력제어 운전 단계(S300)에서는 운전점 변경 요구를 수시로 입력받으면서 상술된 절차에 따른 전력제어 운전를 수행한다. 전력제어 운전 단계에서 엔진의 강제 정지나, 엔진의 고장, 엔진 경고 등이 발생하는 경우 기동정지 또는 즉각 정지 절차가 수행된다.
본 발명에서 엔진의 즉각 정지는 엔진이 바로 정지(엔진 회전수=0)되는 것을 의미하고, 엔진의 기동정지는 발전차단 및 기동정지 단계(S400)를 거쳐 엔진이 정지되는 것을 의미한다.
발전차단 및 기동정지 단계(S400)는 엔진이 가동 정지되는 단계로서, 발전전압 확립을 위한 설정된 엔진 회전수로 엔진 회전수를 복귀하는 단계(S410)와, 엔진의 회전수를 엔진 아이들 회전수로 내리는 단계(S430), 엔진 회전수가 아이들 회전수에서 안정시키는 단계(S450) 및 엔진 정지 단계(S470)를 포함한다.
각 단계에서 엔진의 부조, 중고장 등이 있는 것으로 판단되는 경우 즉각 정지 절차가 수행되어 엔진이 정지된다.
본 발명에 의하면, 엔진 크랭킹 회전수(cranking rpm), 엔진 아이들 회전수(idle rpm), 발전 시작 엔진 회전수(목표치) 및 상기 회전수와 관계된 안정치 등은 조정 가능한 파라메터 값들로 시스템 발전기의 용량 등에 따라 변경될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 에너지원을 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어기;
    상기 엔진과 직결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류전력을 발생시키는 교류발전기;
    상기 교류발전기에 연결되어 상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 발전제어부;
    상기 발전제어부에 연결되어 상기 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하는 인버터부;
    상기 엔진의 열 및 상기 엔진의 배출가스에 포함된 열 중 적어도 하나를 회수하는 열회수부; 및
    상기 엔진에 직결되어 냉매의 압축 송출이 가능한 압축기부를 포함하되,
    상기 열회수부에 연결된 냉난방기구 또는 온수 탱크를 더 포함하고,상기 냉난방 기구는 중온수 흡수식 냉방기이며,
    상기 교류발전기 및 상기 발전제어부에 연결된 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 엔진 시동 명령이 입력되면, 엔진 시동 정지 상태에서 상기 교류발전기를 통해 상기 엔진을 구동하는 엔진 크래킹을 수행하며,
    상기 제어부는 상기 엔진 크래킹에 의해 엔진이 기동되면, 상기 엔진을 설정된 아이들 회전수로 회전시키고, 아이들 회전수에서 상기 엔진이 안정되며 발전 시작 엔진 회전수로 엔진 회전수를 상승시킨 후 발전 시작 엔진 회전수에서 상기 엔진이 안정되면, 전력생산을 위한 운전을 시작하며,
    상기 제어부는 상기 교류발전기가 엔진 크랭킹을 수행한 후에는 전력생산을 위한 운전을 시작하기 전 까지 영토크 제어를 수행하고,
    상기 제어부는, 전력생산을 위한 운전 시에, 요구되는 발전량에 대하여 엔진의 연료소비율이 최소가 되는 지점인 엔진 최적연비 운전점을 추종하면서 엔진 회전수를 가변시키는 것을 특징으로 하는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전제어부에 연결되어 상기 발전제어부로부터 출력되는 직류전력을 저장하는 에너지저장부를 포함하는, 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축기와 연결되고 냉매 순환에 의해 냉난방을 수행가능한 냉난방회로부를 포함하고, 상기 압축기는 상기 냉난방회로부에서 냉매를 압축 송출하는 압축부인 것을 특징으로 하는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 발전제어부는 3상 펄스폭 변조 인버터를 구성하는 6개의 스위치 소자를 포함하되, 각각 서로 직렬된 연결된 2개의 스위치 소자로 구성된 제1 내지 제3 직렬회로를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 직렬회로는 병렬 연결되며,
    상기 발전제어부의 출력단에 병렬 연결된, 서로 직렬 연결된 제1 캐패시터(C1)과 제2 캐패시터(C2)를 포함하는 DC 링크 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는, 3상 펄스폭변조 인버터를 구성하는 6개의 스위칭 소자들을 포함하되,
    각각 서로 직렬된 연결된 2개의 스위치 소자로 구성된 제1 내지 제3 직렬회로를 포함하고, 상기 인버터부의 상기 제1 내지 제3 직렬회로는 병렬 연결되며,
    상기 각 직렬회로의 두 스위치 소자 사이의 연결노드와 각 출력단자 사이에 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)가 직렬 연결되고, 제1 인덕터(L1)의 출력단에 연결된 커패시터(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합기능 전력생산 내연기관 시스템 발전기.
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