KR102599724B1 - 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 ems 시스템 - Google Patents

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KR102599724B1 KR1020230001164A KR20230001164A KR102599724B1 KR 102599724 B1 KR102599724 B1 KR 102599724B1 KR 1020230001164 A KR1020230001164 A KR 1020230001164A KR 20230001164 A KR20230001164 A KR 20230001164A KR 102599724 B1 KR102599724 B1 KR 102599724B1
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Abstract

본 발명은 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 내 부하 변동발생 시, 연료전지의 과도응답시간 동안 발생되는 부하 변동량은 배터리 충방전, LCS 제어 또는 비상발전기 가동을 통해서 부하 요구량을 안정적으로 충족시킬 수 있는 EMS 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 선박 내 주 전력으로 사용되는 연료전지; 선박 내 부하를 제어 관리하는 LCS(Load Control System); 선박 내 보조 전력으로 사용하는 배터리; 상기 연료전지, 배터리 및 LCS를 제어하는 EMS(Energy Management System);를 포함하여 구성되며, 선박 내 부하 변동이 발생시, 상기 EMS가 상기 연료전지의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리, LCS 제어 또는 비상발전기로 상쇄시키는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템{EMS SYSTEM BASED ON FUEL CELL TRANSIENT RESPONSE INTERLOCK CONTROL}
본 발명은 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 내 부하 변동발생 시, 연료전지의 과도응답시간 동안 발생되는 부하 변동량은 배터리 충방전, LCS 제어 또는 비상발전기 가동을 통해서 부하 요구량을 안정적으로 충족시킬 수 있는 EMS 시스템에 관한 것이다.
IMO(국제해사기구)의 탄소 배출 규제가 엄격히 시행되면서 해운사들의 탄소 감축이 시급해지고 있다. 모든 해운사는 2050년까지 2008년 대비 탄소 배출을 70% 줄여야하며, 신조선에만 적용되던 탄소 배출 규제가 현존선까지 전면 확대되면서 규제 대상은 대폭 증가할 전망이다.
즉, IMO 환경규제 강화로 인하여, 화석연료 기반의 내연기관에서 발생되는 배출가스의 제한에 대응하기 위해서는 신재생에너지 등을 이용한 하이브리드 발전체계의 적용을 통해 친환경적인 선박의 운항을 충족하여야 한다.
친환경적인 선박 중에서, 전기추진선박은 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용하여 선박에 안정적인 전력공급을 확보할 수 있다.
그러나 연료전지 BOP(Balance of Plant : 가스공급시스템)의 물리적 지연으로, 연료전지는 선박 부하가 증가할 때 전압이 정상상태에서 바로 수렴하지 않고, 일정시간이 경과한 후에 정상상태로 회복되는 특성을 가지고 있다. 부하가 증가하면 더 많은 전류가 필요한 상황에서 더 높은 농도의 기체밀도가 필요하게 되는데, 기체공급속도가 부하 요구량을 충족하면 과도현상을 발생하지 않게 되지만, 일반적으로 연료전지에 공급되는 기체의 공급속도가 느려서, 연료전지에서 생성되는 전류가 부하에서 요구하는 전류량을 충족하지 못하기 때문에 연료전지 출력전압이 급격히 감소하는 과도특성이 발생하게 된다.
연료전지의 과도특성에 따라 추진 및 전력부하의 안정적인 제어를 수행하기 위해서, 한국공개특허 제10-2022-0125765호 '연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박'은 선내 전력 부하의 피크 변동에 대응하여 연료전지와 배터리를 함께 사용하여 필요 전력을 공급한다.
종래기술은 도 1의 (A)구역과 같이, 일정한 연료전지 출력에 따라 발생되는 순간적인 부하 변동량에 따른 보충전력을 배터리로 공급하게 되는 것으로, 도 1의 (B)구역과 같이, 연료전지 과도상태가 발생되면 연료전지와 배터리만으로 부하 변동량을 감당하기에 역부족이다.
즉, 극심한 부하 변동이 발생하면, 연료전지의 출력도 일정 범위 이내에서 가변되면서 연료전지의 과도상태가 발생된다. 이때 발생되는 극심한 부하 변동량은 연료전지와 배터리만으로 감당할 수 없기에 대비할 수 있는 방안이 필요하다.
또한, 배터리 SOC 상태를 반영하지 않고 무분별한 배터리 충방전이 이루어지게 되면, 배터리 수명은 저하되고, 선박 요구전력 변화에 적합하게 충족시키지 못하게 된다.
더불어, 배터리 SOC 상태를 반영하더라도, 극심한 부하 변동이 발생하고 배터리 SOC 상태에 의해서 배터리를 사용 못할 시, 선박 요구전력 변화에 충족시킬 수 있는 방안이 필요하다.
한국공개특허 제10-2022-0125765호 '연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박'
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 구비한 선박을 운용하기 위해서, 연료전지의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 배터리 충방전, LCS 제어 또는 비상발전기 가동하여 상쇄시킬 수 있도록 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 선박 내 주 전력으로 사용되는 연료전지; 선박 내 부하를 제어 관리하는 LCS(Load Control System); 선박 내 보조 전력으로 사용하는 배터리; 상기 연료전지, 배터리 및 LCS를 제어하는 EMS(Energy Management System);를 포함하여 구성되며, 선박 운항 중 부하 변동의 발생으로 연료전지 정상상태 출력레벨 변동 발생시, 상기 EMS가 상기 연료전지의 출력레벨변동 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리와 LCS 제어로 상쇄시키되, 상기 EMS의 배터리 제어는 상기 연료전지의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량이 주 전력보다 큰 경우 배터리 방전시키고, 부하 변동량이 주 전력보다 작은 경우 배터리 충전시켜 부하 변동에 따른 에너지 차이를 상쇄시키고, 배터리 또는 LCS만으로 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상쇄하지 못할 경우, 비상발전기를 가동시켜, 부하 변동에 따른 에너지 차이를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 EMS는 상기 배터리 SOC(State of Charge) 50 ~ 80% 구간에서 연료전지 과도응답에 사용 제어하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 있어서, 상기 EMS는 부하 변동량이 상기 연료전지의 최대 출력값을 초과하는 경우, 상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리 SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리 방전으로 부하를 부담시킨 후, LCS를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 EMS는 부하 변동량이 상기 연료전지의 최소 출력값 보다 작은 경우, 상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리 SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리 충전으로 부하를 부담시킨 후, LCS를 제어하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 과제의 해결 수단에 의한 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템에 따르면, 연료전지의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 배터리 충방전, LCS 제어 또는 비상발전기 가동하여 상쇄시킴으로서, 부하 변동량에 대해 안정적이고 유연한 전력공급이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 배터리 SOC상태를 반영하여 배터리 충ㆍ방전을 수행함으로서, 배터리 수명을 보존할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 선박 부하에 따른 연료전지 출력량을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명인 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템의 구성도.
도 3은 연료전지 과도상태에 따른 배터리 출력 그래프.
도 4는 선박 부하에 따른, 연료전지 출력 및 배터리 충ㆍ방전 예시 그래프.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명인 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템은 선박 내 주 전력으로 사용되는 연료전지(10), 선박 내 부하를 제어 관리하는 LCS(Load Control System)(20), 선박 내 보조 전력으로 사용하는 배터리(30), 상기 연료전지(10), 배터리(30) 및 LCS(20)를 제어하는 EMS(Energy Management System)(40)를 포함하여 구성된다.
연료전지(10)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 발전기의 일종으로서, 수소 연료전지, 암모니아 연료전지 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료전지(10)는 연료전지(10)를 제어하는 FCCS(Fuel cell control system)(11), 연료전지의 주파수를 변환시키는 FC 컨버터(12) 및 버스라인에 배치되는 주 전력 변압기(TR)(13)를 포함하여 이루어진다.
연료전지(10)는 FC 컨버터(12)에서 주파수 변환된 후, 주 전력 변압기(13)에서 전압 변환이 되어 버스라인에 전력이 공급된다.
이와 같은 연료전지(10)에서 생성되는 전류는 부하 변동시 부하에서 요구하는 전류량을 충족시키기 위한 과도특성이 발생하게 되는데, 이러한 과도특성 시간에도 연료전지(10)는 일정한 전류량을 충족시키는 주 전력으로 사용되는 연속성을 가진다.
본 발명은 이와 같이 과도특성 시간에 의한 부하 변동량과 주 전력의 차이를 배터리(30) 충방전, LCS(20) 제어 및 비상발전기(50)를 가동하여 상쇄시키는 특징을 가진다.
LCS(20)는 PM controller(21), Heavy Load controller(22), Energy saving system(23)으로 구성되어 이루어져 선박 내 일반부하 및 고부하를 제어 관리한다.
PM controller(21)은 선박 내 일반부하를 제어 관리하는 것으로, 추진용 전동기와 같이 부하 변동량이 적은 장치와 연결되어 제어 관리하고, Heavy Load controller(22)은 선박 내 고부하를 제어 관리하는 것으로, 부하 변동량이 큰 냉각펌프, 기관실팬, HAVC, 기타 보조 기기 등과 같은 장치와 연결되어 제어 관리한다.
본 발명에서의 LCS(20)는 선박 내 부하 변동 발생시, 상기 EMS(40)가 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 LCS(20) 제어로 상쇄시킬 수 있으며, 각 선박 내 장치들의 우선순위 및 중요도에 따라 전력부하를 차단함에 따라 부하 요구량에 맞추어 유기적으로 운용될 수 있도록 한다.
일례로서, 냉각펌프는 추진용 전동기, 발전기 및 발전기관, 기타 보조기기를 냉각하는 목적으로 운용되며, 이때 해수 및 청수온도에 따라 각각의 펌프를 제어함으로서 에너지 효율을 개선하고 불필요한 전력을 절감하여 여유전력을 확보할 수 있다.
또한, 기관실팬은 발전기관과 같이 기관실에서 공기를 필요로 하는 각 장비에 외부 공기를 공급하고, 작업자들에게는 분진과 유증기가 섞인 공기를 배기하는 역할을 한다. 기계설비와 작업자에게 신선한 외부 공기를 공급하는 목적으로 운용된다.
기관실에서 모니터링 되는 온도 및 압력은 기관실 급기 및 배기팬 시스템의 주된 파라미터이며, 이에 따라 기관실의 각 급기 및 배기팬의 운전 대수와 회전속도를 제어함으로서 에너지 절감을 한다.
또한, HAVC는 작업자들이 거주하는 거주구역에 신선한 공기를 공급하고, 온도와 습도 제어 등을 통해 거주구역을 쾌적한 상태로 유지한다. 팬을 구동하기 위한 모터, 냉방기, 난방기 등의 전력부하를 포함하며, 난방을 위하여 보일러의 증기를 이용하는 경우 난방기는 전력부하에서 제외될 수 있다.
거주구역 각 방의 온도, 습도 등의 조건을 더욱 최적화하기 위해 변풍량 제어 방식을 적용하여 에너지를 절감한다.
또한, 기타 보조 기기는 중부하, 간헐성 부하, 기타 보조기기 등 전력부하 운용 상황과 에너지 효율 등을 LCS(20)를 통해 EMS(40)에 피드백함으로써 다른 제어장치들과 연동된다.
EMS(40)에서 비중요 부하 선택적 차단이 수행되면 각 전력부하들의 우선순위 및 중요도에 따라 이들 전력부하를 차단하고, 각 에너지 절감을 위한 최저 운용 모드로 전환할 수 있다.
배터리(30)는 배터리(30)를 제어하는 BMS(Battery Management System)(31), 배터리의 주파수를 변환시키는 양방향 컨버터(32) 및 버스라인에 배치되는 보조 전력 변압기(TR)(33)를 포함하여 이루어진다.
배터리(30)는 양방향 컨버터(32)에서 주파수 변환된 후, 보조 전력 변압기(33)에서 전압 변환이 되어 버스라인에 전력이 공급된다.
이때, 양방향 컨버터(32)는 부하상태에 따라 충ㆍ방전을 수행할 수 있도록 제어할 수 있다.
배터리(30)는 연료전지(10)보다 우수한 속응성을 가지는 발전원으로서, SOC 상태를 고려하는 배터리 용량 최적화 설계를 통해 선박 내 보조 전력으로 사용하도록 한다.
선박 운항 중 부하 변동의 발생으로 연료전지 정상상태 출력레벨 변동 발생시, 상기 EMS(40)가 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리(30)로 상쇄시킨다.
이에 관하여 도 4를 참고하여 살펴보면, 구간 a, h는 부하가 급상승하여 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간이 발생되는 구간으로서, 연료전지의 정상상태 b, i 구간 도달까지 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리(30)의 방전으로 상쇄시킨다.
구간 a, h에서 배터리 SOC는 상기 배터리(30)의 방전으로 낮아진다.
또한, 구간 e는 부하가 급하강하여 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간이 발생되는 구간으로서, 연료전지의 정상상태 도달까지 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리(30)의 충전으로 상쇄시키고 있다.
구간 e에서 배터리 SOC는 상기 배터리(30)의 충전으로 높아지고 있다.
EMS(40)는 FCCS(11), LCS(20) 및 BMS(31)와 연동되어 전력 사용 및 공급을 모니터링하고 제어하는 시스템으로서, 상기 연료전지(10), 배터리(30) 및 LCS(20)를 제어한다.
도 4의 구간 a, h 또는 구간 e의 실시예에서 보여지는 바와 같이, 상기 EMS(40)는 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량이 주 전력보다 큰 경우 배터리(30) 방전시키고, 부하 변동량이 주 전력보다 작은 경우 배터리(30) 충전시켜 차이를 상쇄시킨다.
한편, 본 발명에서 상기 EMS(40)는 상기 배터리 SOC(State of Charge) 50 ~ 80% 구간에서 배터리의 사용이 제한되도록 제어한다.
도 4의 d 구간은 상기 배터리(30)의 방전이 지속되어 상기 배터리 SOC(State of Charge)가 50% 보다 낮아진 구간으로서, 상기 EMS(40)에 의해 배터리의 사용이 제한되는 구간이다.
이 구간에서 상기 EMS(40)는 보조 발전기의 구동 또는 LCS(20)의 제어를 통해 부하 변동량과 주 전력의 차이가 상쇄되도록 제어시킨다.
도 4의 g 구간은 상기 배터리(30)의 충전이 지속되어 상기 배터리 SOC(State of Charge)가 80% 보다 높아진 구간으로서, 상기 EMS(40)에 의해 배터리의 사용이 제한되는 구간이다.
이 구간에서 상기 EMS(40)는 LCS(20)의 제어를 통해 부하 변동량과 주 전력의 차이가 상쇄되도록 제어시킨다.
본 발명의 상기 EMS(40)는 이와 같이 배터리의 SOC(State of Charge; 충전 상태)상태를 고려하여 배터리의 무분별한 충방전을 방지하여 배터리 수명을 확보할 수 있으며, 배터리 과충전과 과방전에 의한 안전 사고를 미연에 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상쇄하기 위해서, EMS(40)에 따라 배터리(30)를 우선적으로 충ㆍ방전을 수행한 뒤, LCS(20) 제어를 통해서 전력부하를 제어시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 EMS(40)는 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최대 출력값을 초과하는 경우, 상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리(30) SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리(30) 방전으로 부하를 부담시킨 후, LCS(20)를 제어한다.
도 4의 c 구간은 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최대 출력값 PF2을 초과하는 구간으로서, 상기 EMS(40)는 c 구간에서 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간이 경과된 이후에도 상기 배터리(30)의 방전을 지속시켜 상기 배터리(30)가 상기 연료전지(10)의 최대 출력값 PF2을 초과하는 구간에서 주 전력으로 사용되게 하고 있다.
상기 c 구간의 실시예는 배터리의 사용에 대한 예시를 설명하기 위한 것으로서, 이 구간에서 상기 EMS(40)는 보조 발전기의 구동 또는 LCS(20)의 제어를 통해 부하 변동량과 주 전력의 차이가 상쇄되도록 병행 제어할 수 있음은 물론이다.
상기 c 구간에서 배터리(30)의 방전은 상기 배터리(30) SOC 50 ~ 80% 구간 내에서만 실행됨을 알 수 있으며, 이를 초과한 d 구간에서는 상기한 바와 같이 배터리의 방전이 제한된다.
또한, 상기 EMS(40)는 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최소 출력값 PF1보다 작은 경우, 상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리(30) SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리(30) 충전으로 부하를 부담시킨 후, LCS(20)를 제어한다.
도 4의 f 구간은 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최소 출력값 PF1 보다 낮은 구간으로서, 상기 EMS(40)는 f 구간에서 상기 연료전지(10)의 출력 과도응답시간이 경과된 이후에도 상기 배터리(30)의 충전을 지속시켜 상기 배터리(30)가 상기 연료전지(10)의 최소 출력값 PF1을 초과하는 구간에서 주 부하로 사용되게 하고 있다.
상기 f 구간의 실시예는 배터리의 사용에 대한 예시를 설명하기 위한 것으로서, 이 구간에서 상기 EMS(40)는 LCS(20)의 제어를 통해 부하 변동량과 주 전력의 차이가 상쇄되도록 병행 제어할 수 있음은 물론이다.
상기 f 구간에서 배터리(30)의 충전은 상기 배터리(30) SOC 50 ~ 80% 구간 내에서만 실행됨을 알 수 있으며, 이를 초과한 g 구간에서는 상기한 바와 같이 배터리의 충전이 제한된다.
상기 EMS(40)는 도 4의 구간 d와 같이 배터리(30) 방전 또는 LCS(20) 제어만으로 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상쇄하지 못할 경우, 비상발전기(50)를 가동시킬 수 있다.
또한, 상기 비상발전기(50)는 상기 연료전지(10), LCS(20) 및 배터리(30)와 연동되어, 상기 d 구간과 같이 배터리(30) 충전이 이루어지지 못할 때 배터리(30)를 충전시키거나, 연료전지(10) 및 배터리(30)만으로 부하전력을 감당하기 어려울 때 LCS(20) 제어와 병행시킬 수 있다.
이와 같은 비상발전기(50)를 가동은 운용자의 설정에 따라 정할 수 있다.
상기한 바와 같이 도 4는 선박 부하에 따른, 연료전지 출력 및 배터리 충ㆍ방전 예시 그래프로서, 연료전지 과도응답시간에서 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최대 출력값을 초과하는 경우 배터리(30) 방전이 수행되는 것을 확인할 수 있고, 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최소 출력값 보다 작은 경우 배터리(30) 충전이 수행되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 구간 c에서 보여지는 바와 같이 상기 연료전지(10)의 최대 출력값을 초과하는 경우 배터리(30) 방전이 수행되는 것을 확인할 수 있고, 구간 f에서 보여지는 바와 같이 부하 변동량이 상기 연료전지(10)의 최소 출력값 보다 작은 경우 배터리(30) 충전이 수행되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 연료전지(10) 과도상태에서도 배터리(30) SOC 50 ~ 80% 구간 내에서만 우선적으로 배터리(30)의 충ㆍ방전을 수행하며, SOC 50 ~ 80% 구간에 만족하지 않는다면 LCS(20) 제어 또는 비상발전기(50) 가동으로 대체할 수 있음을 알 수 있다.
연료전지(10)와 배터리(30)의 안정적인 운용특성을 위한 산정식은, 다음과 같다.
수학식 1 내지 수학식 2는 연료전지(10)와 배터리(30)의 하이브리드 발전원과 부하 관계식을 나타내며, 도 3을 참조할 수 있다.
[수학식 1]
PL(t) = PFm(t)±PB(t)
(m=1 FC min(연료전지 최저 출력), m=2 FC max(연료전지 최대 출력))
[수학식 2]
PFm(t) = PFi + Kt
(상기 수학식 1 내지 수학식 2에서, PL(t) : 부하, PFm(t) : 연료전지 출력, PB(t) : 배터리 충방전 전력, PFi : 연료전지 초기출력, Kt : 연료전지 정격출력을 의미한다.)
이때, 배터리(30)는 양방향 컨버터(32)를 연동하여 부하상태에 따라 발전원 및 부하로써의 역할을 수행할 수 있도록 제어 및 관리한다.
배터리(30)가 부하 및 발전원으로 안정적인 특성을 갖도록 하기 위하여 배터리(30) 전력은 수학식 3으로 정의할 수 있다.
[수학식 3]
PB(t) = Ib(t)ㆍVb(t)
(수학식 3에서, Ib(t) : 배터리 모듈 전류, Vb(t) : 배터리 단자 전압을 의미하고, -PB(t)는 충전, +PB(t)는 방전을 의미한다.)
그리고 배터리(30)의 안정적인 운용특성을 위해 배터리(30) 용량은 수학식 4로 정의하였으며, 이를 기반으로 배터리(30)를 발전원과 부하로서의 기능을 효율적으로 할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112023001324188-pat00001
(수학식 4에서, K : 시간단위 및 배터리 용량을 반영한 계수, t1 : 전압이 감소하는 전력 불균형 시작 시간, t2 : 전압이 정상상태가 되어 전력이 균형을 이루는 시간을 의미한다.)
즉, 연료전지(10)를 효과적으로 운용하기 위하여 연료전지 출력을 기반으로 배터리(30) 용량을 산정하여 최적의 발전원이 되도록 구현할 수 있다.
또한, 배터리(30)는 SOC 상태를 고려하여 충전 및 방전 등의 전력운용 특성을 결정한다.
일례로서, SOC 레벨이 85%초과를 High, 85~50% Normal, 50%미만을 Low로 정의할 수 있으며, 배터리의 상태에 따라 SOC 레벨을 조정할 수 있다.
SOC 변화는 수학식 5를 통해 정의될 수 있으며, 배터리(30)의 SOC 상태에 따라 발전원이 부하를 최적으로 관리할 수 있도록 한다.
단, 배터리 출력이 (-)이면 충전, 배터리 출력이 (+)이면 방전을 의미한다.
[수학식 5]
Figure 112023001324188-pat00002
(수학식 5에서, SOC(t) : 배터리 SOC, SOC(i) : 초기 배터리 SOC, iB는 배터리 전류를 의미한다.)
상기에 상술된 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지(10)의 출력 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 배터리(30) 충방전, LCS(20) 제어 또는 비상발전기(50) 가동하여 상쇄시킴으로서, 선박의 운항 및 해상 환경에 대해 안정적이고 유연한 전력공급이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 환경규제에 대응하기 위한 탄소배출 저감을 제공할 수 있다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 연료전지
11 : FCCS
12: FC 컨버터
13 : 주 전력 변압기
20 : LCS
21 : PM controller
22 : Heavy Load controller
23 : Energy saving system
30 : 배터리
31 : BMS
32 : 양방향 컨버터
33 : 보조 전력 변압기
40 : EMS
50 : 비상발전기

Claims (6)

  1. 선박 내 주 전력으로 사용되는 연료전지;
    선박 내 부하를 제어 관리하는 LCS(Load Control System);
    선박 내 보조 전력으로 사용하는 배터리;
    비상발전기;
    상기 연료전지, 배터리, 비상발전기 및 LCS를 제어하는 EMS(Energy Management System);를 포함하여 구성되며,
    선박 운항 중 부하 변동의 발생으로 연료전지 정상상태 출력레벨 변동 발생시, 상기 EMS가 상기 연료전지의 출력레벨변동 과도응답시간 동안 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상기 배터리와 LCS 제어로 상쇄시키되,
    상기 EMS의 배터리 제어는
    상기 연료전지의 출력 과도응답시간 동안
    부하 변동량이 주 전력보다 큰 경우 배터리 방전시키고,
    부하 변동량이 주 전력보다 작은 경우 배터리 충전시켜
    부하 변동에 따른 에너지 차이를 상쇄시키고,
    배터리 또는 LCS만으로 부하 변동량과 주 전력의 차이를 상쇄하지 못할 경우, 비상발전기를 가동시켜, 부하 변동에 따른 에너지 차이를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템.
  2. 제1항에 있어서 상기 EMS는
    상기 배터리 SOC(State of Charge) 50 ~ 80% 구간에서 연료전지 과도응답에 사용 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서 상기 EMS는
    부하 변동량이 상기 연료전지의 최대 출력값을 초과하는 경우,
    상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리 SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리 방전으로 부하를 부담시킨 후, LCS를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템.
  5. 제1항에 있어서 상기 EMS는
    부하 변동량이 상기 연료전지의 최소 출력값 보다 작은 경우,
    상기 과도응답시간 경과 후에도 상기 배터리 SOC 50 ~ 80% 구간 내에서 우선적으로 배터리 충전으로 부하를 부담시킨 후, LCS를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 과도응답 연동제어 기반의 EMS 시스템.

  6. 삭제
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001266917A (ja) * 2000-03-15 2001-09-28 Toyota Motor Corp 動力装置およびその制御方法
JP2019033665A (ja) * 2018-10-17 2019-02-28 日本電信電話株式会社 電力制御システム、供給元電力システム、制御装置及び電力制御方法
KR20220125765A (ko) 2021-03-05 2022-09-14 대우조선해양 주식회사 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박

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