KR20020024545A - 마이크로터빈 시동 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
마이크로터빈 전력 발생기(12, 14)용 전력 시스템이 개시된다. 본 발명은 외부 DC 전원(18)을 이용하여 마이크로터빈이 시동될 수 있게 한다. DC 전압은 양방향 벅 부스트 초퍼 회로(30), DC 버스(24) 및 DC 대 AC 변환기(26)에 의해 가변 DC 전압(42)으로 변환된다. DC 대 AC 변환기는, 마이크로터빈이 정지상태로부터 시동 속도로 가속되도록, 자신의 출력에서 DC 전압과 일제히 주파수(44)가 점진적으로 증가되는 고정된 전압 패턴을 발생시킨다. 마이크로터빈을 시동하게 되면, 여기가 중단되며, DC 버스(24) 및 DC 대 AC 변환기(26)가 이용되어 전기적 로드(16)와 정합하도록 하는 주파수 및 전압 레벨에서 출력 AC 전력을 발생시킨다.
Description
본 발명은 마이크로터빈(micro-turbines) 분야에 관한 것으로서, 특히, 마이크로터빈을 위한 시동 시스템에 관한 것이다.
마이크로터빈은 현장에서 전력을 발생시키는데 흔히 사용되는 소형 터빈이다. 이것은 일반적으로 사무실 빌딩, 소매점, 소형 제조소, 가정 및 다른 많은 시설용 백업 또는 보조 전원으로서 적용된다. 이러한 시설들은 전통적으로 전력 분배 라인의 그리드를 통하여 전기 시설에 의해서 전력을 공급받아 왔다. 마이크로터빈으로 인하여 이러한 시설은 자신의 소내에서 전력을 발생시킬 수 있고 이에 따라 종래의 전력 그리드 및 시설에만 의존하지 않아도 된다. 또한, 마이크로터빈은 전력 시설에 의하여 그리드를 통하여 제공되는 전력보다 비용이 덜 들며 그리고/또는 보다 안정적인 전력을 발생시킨다.
마이크로터빈은 시동 장치를 필요로 한다. 이 시동 장치는 일반적으로 배터리와 같이, 전기 기계를 위하여 강력한 전기 기계 및 전원을 포함한다. 이 전기 기계는 (1) 터빈을 시동하는 모터로서 동작하도록 구성될 수 있고, (2) 마이크로터빈이 일단 시동된 후 마이크로터빈에 의해 구동되는 로드(a load)용 발생기(a generator)로서 구성될 수 있다. 시동 동안, (모터 모드에서 동작하는) 전기 기계는, 마이크로터빈이 스스로 동작하고 (발생기 모드에서 동작하는) 전기 기계를 구동시킬 수 있을 만큼 충분히 빠른 회전 속도로 가속될 때까지 마이크로터빈을 회전시킨다.
마이크로터빈을 시동하는 종래의 제어기가, 마이크로터빈을 시동하도록 조절가능한 속도 모터 드라이브(an adjustable speed motor drive)로서 동작하는 펄스폭 변조기(a pulse-width modulator : PWM) 인버터를 설명하는 미국 특허 제 6,020,713호 ('713 특허)에 기재되어 있다. PWM 인버터에 연결된 전기 기계는 시동동안 마이크로터빈을 구동하도록 모터로서 구성되고 이후 마이크로터빈에 의해 구동되는 발생기로서 구성된다. 이러한 '713 특허에서 설명된 PWM 인버터는, 마이크로터빈을 시동하도록 발생시키는 AC 전력의 주파수 및 진폭에 있어서 다양하다. 마이크로터빈의 시동 동안, PWM 인버터는 일정한 DC 전압으로 충전되는 DC 버스에 의해 전력을 공급받는다. 따라서, PWM 인버터는 일정한 전압의 DC 전력을 가변 전압 및 가변 주파수 AC 전력으로 변환하도록 요구된다.
마이크로터빈을 시동하는데 필요한 가변 AC 전압과 가변 AC 주파수를 발생시키기 위해 PWM 인버터에 의존하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 유사하게, 단일 전력 회로 구성요소, 즉, PWM 인터버가, 마이크로터빈을 시동하기 위해 발생된 AC 전력의 주파수와 진폭을 가변하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압을 변경하도록 PWM 인버터에 의존하지 않는 마이크로터빈을 시동하기 위한 전력 회로가 필요하다.
게다가, 모터 모드에서 동작할 때 전기 기계에 인가되는 전압은 바람직한 플럭스(desired flux)를 유지하기 위해 인가된 전압의 주파수와 상관(correlated)되어야 한다. 이러한 상관은 보통 2개의 개별적인 전력 회로, 즉, 배터리 충전기 및 DC-AC 변환기(converter)(인버터(inverter))를 이용하여 2가지 단계로 달성된다. 마이크로터빈을 시동하고 동작시키기 위하여 별도의 회로 구성요소를 요구하지 않는 마이크로터빈에 연결된 전력 회로가 필요하다.
본 발명은 마이크로터빈을 시동하고 이후에 마이크로터빈을 전기적 로드(an electrical load)에 연결하는 전력 회로에 관한 것이다. 전력 회로는 이후에 다른 전력 회로에 의해 AC 로 변환되는 가변 DC 전압을 발생시킨다. 인버터(DC-AC 변환기)에 의해 발생되는 AC 전력의 주파수는, DC 전압이 마이크로터빈을 가속시키도록, DC 전압과 고정된 관계를 갖는 제어 방식으로 변화된다. 따라서, 마이크로터빈을 시동하도록 인가되는 AC 전력은 가변 주파수 및 가변 전압을 갖는다.
본 발명의 일실시예에서, 배터리는 마이크로터빈을 시동하기 위한 DC 전원을 제공한다. 배터리의 정전압(constant voltage)은 벅 부스트 초퍼 회로(a buck boost chopper circuit)에 의해 가변 전압 DC 전력으로 변환된다. 벅 부스트 초퍼는 DC-AC 변환기를 통해 시동 동안 마이크로터빈을 구동하도록 순차적으로 인가되는 일련의 전압 레벨을 통해 DC 전력의 전압을 증가시킨다(step up). 벅 부스트 초퍼는 가변 DC 전압을 다른 전력 회로 구성요소에 분배하는 용량성 DC 버스(a capacitive DC bus)로 가변 DC 전압을 인가한다. DC 버스상의 가변 DC 전력은 DC 대 AC 변환기를 이용하여 AC 전력으로 변환된다. 이 변환기는 가변 주파수를 갖는 AC 전력을 발생시킨다. AC 전력의 주파수는 순차적으로 증가되어 마이크로터빈의 바람직한 가속 시동 속도와 정합(또는 가속 시동 속도를 약간 능가)하게된다.
벅 부스트 초퍼 회로, 용량성 DC 버스 및 DC 대 AC 변환기의 조합은 마이크로터빈을 시동하기 위한 회로 배열을 제공한다. 이러한 전력 회로 배열은 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 발생 AC 전력의 주파수 및 전압을 변경하는데 PWM방안에만 배타적으로 의존하지 않는 전력 회로의 필요를 만족시킨다.
본 발명은 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압을 변경하기 위하여 단일 전력 제어 회로 구성요소에 의존하지 않는다는 점을 포함하여 종래의 시동 전력 회로에 비하여 많은 이점들을 제시한다. 인버터의 출력에서 발생되는 전압 파형이 6단계('six-step') 형일 경우, 스위칭 손실(switching losses)이 적어진다. 또한, 본 발명의 전력 제어 회로의 제어 기술은 PWM 인버터 제어 기술과 비교하여 단순화될수 있다.
본 발명의 이점 및 신규한 특징은 첨부된 도면과 함께 상세한 설명을 참조하여 명백해진다.
도 1은 시동 동안 마이크로터빈의 전력 회로 토폴로지를 도시하는 개략도,
도 2는 도 1 에 도시된 전력 회로를 위한 외부 공급 전압과, DC 버스 전압과, AC 시동 전압을 도시하는 시동 타이밍 도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 전력 회로 12 : 마이크로터빈
14 : 전기 기계 16 : 전기 로드
18 : 시동 배터리 20 : 출력 전력 샤프트
22 : AC-DC 변환기 30 : 벅 부스트 초퍼(buck-boost chopper)
34 : 출력 필터
도 1 은 마이크로터빈(12) 및 전기 기계(14)를 전기 로드(16)와 시동 배터리(18)에 연결하는 전력 회로(10)의 개략적 블록도를 도시하고 있다. 마이크로터빈과 전기 기계는 공통 회전 출력 샤프트(a common rotating output shaft)(20)를 공유할 수 있고 집적 유닛(an integral unit)으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 마이크로터빈 및 전기 기계는 서로 연결된 회전 샤프트 출력/입력을 각각 갖는 개별적인 유닛일 수 있다. 전기 기계(14)는 시동 동안 마이크로터빈을 구동하기 위한 모터로서 동작하도록 구성될 수 있고, 이후 마이크로터빈에 의해 구동되는 발생기로서 동작하도록 구성될 수 있다.
통상적 가스 마이크로터빈은, 예컨대, 일반적으로 (천연 가스 및 기타 연료용) 컴프레서(a compressor)와, 환열기(recuperator)와, 연소실(a cumbustion chamber)과, 터빈(도시되지 않음)을 포함한다. 마이크로터빈용 컴프레서는 디젤과 같은 다른 형태의 연료에 대하여는 필요하지 않을 수 있다. 공기는 연료와 함께 연소실에서 혼합되어 터빈을 구동하는 고온 고압 가스를 발생시킨다. 이 터빈 배기 가스는 환열기를 통해 열을 컴프레서내의 공기에 전달하도록 유도되며 이에 따라 연소실에서 공기-연료 혼합물의 에너지를 증가시킨다.
일단 시동 걸리면, 마이크로터빈은 스스로 동작하며 출력 전력 샤프트(20)에서 출력 전력을 발생시킨다. 이러한 샤프트는 전기 기계(14)의 로터(a rotor)(도시되지 않음)를 구동한다. 전기 기계는 다상(polyphase), 즉, 3 또는 6 상(phase), AC-DC 변환기(22), 즉,다이오드 정류기(a diode rectifier)에 연결된 권선 출력 단자(winding output terminal)를 갖는 고정자 권선(stator winding)을 포함할 수 있다. 전기 기계의 로터는 일반적으로 전기 기계의 축 주위에 대칭되게 배열된 복수의 교류 자극(magnetic pole)을 포함한다. 마이크로터빈의 전력 발생 동작동안, 로터로부터 방사되는 자계(magnetic field)는 로터를 둘러싸는 전기 기계의 고정자(도시되지 않음)를 통해 이동한다. 고정자는 로터를 수용하도록 크기조절된 원통형 개구를 갖는다. 고정자는 일반적으로 복수의 교류 극성의 자극 및 권선을 포함한다. 전기 기계가 발생기로서 기능할 때, 고정자를 통해 회전하는 자계는 고정자 권선으로 전류를 발생시킨다. 이 전류는 전기 기계로부터 전력으로서 출력되어 전력 회로(10)에 의해 로드(16)로 인가된다.
전기 기계에 의해 발생된 전류 및 전압은 로터와 터빈의 회전 속도에 대하여주파수 비례한다. 로드(16)는 다른 주거용이나 상업용 단상(single phase) 또는 3상 로드 뿐만 아니라 다상 AC 전원을 포함할 수 있다. 전력 회로(10)는 전기 기계로부터의 AC 전력을 전기 로드(16)(통상 그리드 주파수 및 전압)에 정합하는 AC 전력으로 변환한다. 이러한 변환을 위해, 전력 회로(10)는 전기 기계(14)로부터의 AC 전력을 AC 대 DC 변환기(22)를 이용하여 DC 전력으로 변환한다. 변환기(22)는, 제어되지 않은 DC 출력 전압을 부스트 회로없이 발생되었을 때의 조정되지 않은 DC 전압보다 높은 조정된 전압값으로 변환하는 부스트 회로를 포함하는 출력 스테이지를 구비할 수 있다. DC 출력 전압은 DC 버스(24)를 충전하도록 인가된다. 전력 회로 구성요소 정격에 의하여 주어지는 제약을 받는 DC 대 AC 변환기(26)에 의해 조정된 DC 전압값이 전기 로드(16)에 의해서 요구되는 AC 전압과 정합된다. 예컨대, 480 VAC(볼트 교류) 출력 요구사항은 800 또는 900 V DC 조정값을 필요로 한다. 로드(16)는 주택, 소매점, 다른 상업용 시설 또는 전력을 요구하는 다른 사이트용 전기 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 로드는 공공 전력 그리드를 포함할 수 있다.
전력을 생성하기 위해, 마이크로터빈은 우선 마이크로터빈을 시동 속도로 가속하는 모터로서 전기 기계(14)를 구동함으로써 시동되어야 한다. 일단 터빈이 시동 속도에 도달하면, 마이크로터빈의 회전은 외부 전력없이 유지될 수 있다. 터빈이 시동 속도로 가속될 때까지, 터빈을 회전시키기 위해 외부 전력이 필요하다. 시동 동안, 전력은 전기 기계(14)를 모터로서 구동하도록 화살표(28) 방향으로 흐른다. 마이크로터빈이 시동된 후 전기 기계가 전력을 발생시키기고 있을 경우 전력은 반대 방향으로 흐를 수도 있다.
마이크로터빈을 시동하기 위해, 배터리(18)는 거의 일정한 전압으로 직류(DC) 전원을 전력 회로(10)에 제공한다. 배터리는 연장된 반복적인 시동을 유지하도록 높은 방전 능력(deep discharge capability)을 갖는 종래의 저장 셀 배터리를 포함할 수 있다. 배터리로부터의 정전압 DC 전력은 배터리에 연결된 벅 부스트 초퍼(30)에 의해 가변 전압 DC 전력으로 변환된다. 벅 부스트 초퍼는 마이크로터빈을 시동하기 위한 가변 전압 요구사항에 정합하도록 배터리 전압 레벨을 스텝 업(step-up) 또는 스텝 다운(step-down), 즉, 증가 또는 감소시키는 전력 스테이지 회로로서 동작하며 전력 흐름이 배터리내외부로 흐를 수 있도록 한다. 벅 부스트 초퍼(30)는 일반적으로 초퍼 회로로부터 출력되는 전압 레벨을 제어하는 마이크로컨트롤러(a microcontroller)를 구비한 통상적 벅 부스트 초퍼 회로 구성요소를 포함할 수 있다. 벅 부스트 초퍼는 일련의 선택된 전압 레벨에서 DC 전력을 순차적으로 생성하도록 제어될 수 있다. 벅 부스트 초퍼 회로에 대한 제어는 마이크로터빈과 함께 포함된 시동 제어 프로그램내에 포함될 수 있다.
벅 부스트 초퍼(30)에 의해 발생된 전압 레벨의 시퀀스(sequence)는 터빈 시동 시퀀스에 정합하도록 선택된다. 특히, 벅 부스트 초퍼(30)는 터빈의 시동 주기동안 일련의 단계적(step-wise) 전압 레벨을 통해 DC 전압을 점진적으로 증가시킬 수 있다. 전압 레벨의 증가는 마이크로터빈을 시동 속도로 가속시켜 전기 기계를 구동하는데 이용된다. 터빈이 일단 시동되어 전력을 발생시키면, 벅 부스트 초퍼(30)는 DC 버스(24)로부터의 DC 전력을 배터리(18) 충전에 적절한 DC 전압 레벨로 변환한다.
시동 동안, 용량성(capacitive) DC 버스(24)는 벅 부스트 초퍼(30)로부터 발생된 가변 전압 DC 전력을 DC 대 AC (교류) 변환기(26)로 분배한다. DC 버스는 전력 회로내의 DC 전력을 분배하는데 흔히 사용되는 통상적 용량성 장치를 포함할 수 있다. 또한, DC 버스(24)는 전기 기계(14)가 전력을 발생시킬 때, AC 대 DC 변환기(22)로부터의 DC 전력을 분배한다. 그러나, 시동 동안, AC 대 DC 변환기(22)는 (스위치 컨택터(C3; 32)로 인해) 분리되어 어떠한 기능도 수행하지 않는다.
시동 동안, DC 대 AC 변환기(26)는 버스(24)로부터의 가변 전압(DC) 전력을 AC 전력으로 변환한다. 일실시예에서, DC 대 AC 변환기(26)는 PWM 인버터로서가 아닌 가변 주파수 변환기로서 동작하도록 구성된 변형된 펄스폭 변조(PWM) 인버터를 포함한다. 터빈 시동 동안, DC 대 AC 변환기(26)는 그 출력 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시킨다. 변환기(26)는 시동 동안 AC 전력의 주파수를 점진적으로 증가시키는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. AC 주파수의 증가율은 전기 기계(14)와 마이크로터빈(12)을 시동 속도로 가속하도록 선택된다. 전형적으로 마이크로터빈(12)은 시동 제어 프로그램이 내부에 로딩된 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. DC 대 AC 변환기(26)에 의해 발생된 주파수 증가율은 마이크로터빈과 함 께 포함된 시동 제어 프로그램에 의해 제어될 수 있다.
DC 대 AC 변환기(26)에 의해 발생한 AC 전력은 선택적으로 출력 필터(34)를 통해 통과되어 AC 전력에서의 다른 불필요한 요동(fluctuation) 또는 과도한 잡음을 제거할 수 있다. DC 대 AC 변환기(26)로부터의 AC 전력은 모터로서 구동되는 전기 기계(14)로 경로설정된다. AC 전력을 전기 기계에 인가하기 위해, 시동 동안 여기 컨택터(36; C1)가 폐쇄되지만, 마이크로터빈이 전력을 생성하는 동안에는 개방된다. 시동 동안, 출력 컨택터 스위치(38; C2)는 전력 회로(10)와 마이크로터빈을 전기 로드(16)로부터 분리하도록 개방 상태를 유지되지만, 전기 기계(14)에 의해 발생된 AC 전력이 전기 로드(16)로 인가될 수 있도록 마이크로터빈(12)이 전력을 발생시키는 동안에는 폐쇄된다. 컨택터(C3; 32)는 시동동안 개방되고 정상 동작동안 폐쇄된다.
도 2 는, 마이크로터빈 시동 동안, 전기 기계를 모터 모드로 구동하는 배터리 전력 변환의 타이밍 도를 도시하고 있다. 타이밍 도는, 배터리(18)(DC 전압(40))와, 벅 부스트 초퍼의 출력(30)(DC 전압(42))과, DC 대 AC 변환기(32)(AC 전압(44))의 출력에 대한 시간 함수(t)로서 전압 레벨(V)을 도시하고 있다. 도 2 에 도시된 타이밍 도는 마이크로터빈의 시동 상태에 관련되고, 따라서, 주로 시동 상태에 대응하는 전압 레벨을 도시하고 있다. 마이크로터빈의 전력 발생 상태동안 마이크로터빈에 의해 발생된 전압 레벨은 일반적으로 도 2 에 도시되지 않는다.
배터리 전압 레벨(40)(Vbatt), 즉, 24V 는 마이크로터빈이 시동 상태인 동안 거의 일정하게 유지된다. 배터리 전압 레벨과 배터리 전류는 마이크로터빈을 시동하기 위하여 전기 기계(14)를 모터로서 구동하기에 충분한다. 바람직하게, 배터리는 마이크로터빈이 시동되어 전력을 발생시킨 이후 전기 기계(14)에 의해 재충전된다.
벅 부스트 초퍼 회로(30)는 DC 버스(24)를 충전하기 위해 인가되는 점진적으로 증가하는 전압 레벨(42)을 출력하도록 일정한 배터리 전압을 스텝다운 (또는 스텝업)한다. 벅 부스트 초퍼 회로(30)에 의해 DC 버스로 인가되는 전압 레벨은 초퍼 회로의 출력 전압 레벨을 제어하도록 인가되는 램프 함수(a ramp function)에 따라 점진적으로 증가한다. 램프 함수는 수학식1 로서 표현될 수 있다.
여기서 VDC는 DC 버스(24)의 전압 레벨이고, k 는 램프 함수의 기울기를 설정하는 상수이며, t 는 시간이고, tstart는 마이크로터빈 시동 위상(46)의 시작 시간이며, tramp(48) 는 시동 상태에서 DC 전압이 증가되는 동안의 종료 주기(end period)이다.
마이크로터빈 시동 상태의 제 1 주기에서, 전기 기계(14)를 모터로서 구동하기 위한 전압이 인가된다. 시동 상태의 제1 주기동안, 벅 부스트 초퍼 회로(30)는 DC 버스(24)의 전압을 0V (또는 소정의 기타 비교적 낮은 시동 전압 레벨)로부터 램프(50)의 DC 정격 전압으로 점진적으로 증가시킨다. 이러한 전압 레벨의 점진적인 증가는 전기 기계(14)의 구동 전압 요구사항에 정합하도록 수행되고, 이 전기 기계는 시동 상태인 동안 모터로서 동작하게 된다. 시동 상태의 제 1 주기동안 시동 시간(t)이 tramp를 초과할 경우, DC 버스 및 벅 부스트 초퍼의 전압 출력은 버스(24)의 정격 전압에 대응하는 안정 레벨(steady level; 50)에서 유지된다. DC버스상의 전압 레벨은 마이크로터빈이 시동되고 이에 따라 시동 상태의 제 1 주기가 종료될 때까지 이 정격 레벨(50)에서 유지된다.
또한, 시동 상태의 제 1 주기동안, (교류기(an alternator)로서 기능하는) DC 대 AC 변환기(26)는 DC 버스로부터의 DC 전력을 점진적으로 증가하는 주파수를 갖는 AC 전력(44)으로 변환한다. DC 대 AC 변환기는 DC 버스의 전압 레벨을 교대로 반전시켜 일련의 전압 펄스를 발생시키며, 이로써 인접하는 펄스가 반전된다. 이러한 일련의 교대로 반전된 펄스의 효과가 AC 전력이다. 또한, 변환기는 다상이며, 예컨대, 전압 레벨과 주파수에 있어서 각각 동일하며 위상에 있어서 오프셋된 AC 전력의 3상을 발생시킬 것이다.
AC 전력(44)의 주파수는 DC 버스의 전압 레벨 증가에 비례한다. 따라서, 버스상의 전압 레벨이 증가함에 따라 AC 주파수가 비례하여 증가하도록, DC 대 AC 변환기에 의해 출력되는 주파수는 DC 버스상의 전압 레벨에 의해 제어될 수 있다. 따라서, DC 전압이 증가함에 따라, AC 전압 사이클의 주기(T1, T2, T3... Tk)는 DC 대 AC 변환기에 의해 순차적으로 감소된다. tramp에서, AC 주파수는 안정 상태(steady state TSS; 52)에 도달한다.
시동 상태의 제 1 주기가 종료하고 마이크로터빈이 시동되어 자체 유지(self sustain)될 때, 여기 컨택터(extation contactor)(36)는 개방되어 전기 기계를 모터로서 동작시키는 것을 중지시킨다. 시동 상태의 위상 2(54)동안, 마이크로터빈(12)은 동작하지만 로드(16)에 연결되지는 않는다. 위상 2 에서, 컨택터(32)는 개방 상태를 유지하고 DC 버스(24)는 여전히 배터리(18)에 의해 전력을 공급받는다.
여기 컨택터(36)가 개방된 직후에(위상 Ⅱ(54) 동안), 전기 기계(14)로부터의 AC 전력이 변환기(22)에 인가되도록 컨택터(32)가 폐쇄되고, 변환기(22)는 AC 전력을 DC 버스에 인가되는 DC 전력으로 변환한다. 또한 전기 기계로부터의 전력은, 변환기(22)에 의해 변환되어 DC 버스를 DC 대 AC 변환기(26)의 바람직한 비부하(no-load) 동작 전압에 대응하는 전압 레벨(56)로 충전한다. 시동 상태의 제 2 주기(54)는, 비부하 동작 전압 레벨로 DC 버스가 충전되고 로드(16)를 전기 기계(14)에 연결하도록 출력 컨택터(38)가 폐쇄될 때 종료된다.
시동을 중단하기 위해, 일실시예에서는, DC-AC 변환기(26)가 디스에이블되고 컨택터(36)(C1)가 개방된다. 이후에 벅 부스트 초퍼(30)는 DC 버스(24)로부터 배터리(18)로 전력을 전송한다.
본 발명은 상세히 도시 및 설명되었지만, 이는 단순히 예로써 설명한 것일 뿐이며 본 발명은 이로써 제한하고자 하는 것은 아님을 분명히 이해해야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 뿐이다.
본 발명은 마이크로터빈을 시동하기 위해 인가되는 AC 전력의 주파수와 전압을 변경하도록 단일 전력 제어 회로 구성요소에 의존하지 않는다는 점에서 종래의시동 전력 회로에 비하여 여러 이점들을 제시한다.
Claims (17)
- DC 버스(a DC bus)(24)를 통해 로드(a load)(16)로 전력을 공급하는 전기 기계(an electric machine)(14)에 연결된 터빈(a turbine)(12)을 시동하는 방법으로서,상기 DC 버스의 전압 레벨(a voltage level)을 점진적으로 증가시키는 단계와,상기 DC 버스의 점진적으로 증가하는 전압 레벨에 비례하여 상기 AC 전력의 주파수가 증가하도록 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계와,상기 전기 기계(14)- 상기 전기 기계는 상기 터빈을 시동 속도(a starting speed)로 구동함 -를 구동하도록 상기 AC 전력을 인가하는 단계를 포함하는터빈 시동 방법.
- 제 1 항에 있어서,시동(startup phase) 이후에,AC 전력을 생성하도록 상기 터빈으로 상기 전기 기계(14)를 구동하는 단계와,상기 전기 기계로부터 생성된 상기 AC 전력을 DC 버스(24)에 인가될 DC 전력으로 변환하는 단계와,상기 DC 버스로부터의 상기 DC 전력을 로드-구동(load-driving) AC 전력으로 변환하는 단계와,상기 로드-구동 AC 전력을 상기 로드(16)로 공급하는 단계를 더 포함하는터빈 시동 방법.
- 벅 부스트 초퍼 회로(a buck-boost chopper circuit)(30)와, DC 버스(24)와, DC 대 AC 변환기(a DC-to-AC converter)(26)를 포함하는 전력 회로(10)에 의해 차례로 구동되는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 방법으로서,상기 벅 부스트 초퍼의 전압 레벨 출력을 점진적으로 증가시킴으로써 상기 DC 버스를 점진적으로 충전하는 단계와,상기 충전하는 단계동안, 상기 DC 대 AC 변환기를 이용하여 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력- 상기 AC 전력의 주파수는 상기 벅 부스트 초퍼로부터의 점진적으로 증가하는 전압 레벨에 비례하여 증가함 -으로 변환하는 단계와,시동 동안 상기 터빈을 구동하는 상기 전기 기계(14)를 구동하도록 상기 DC 대 AC 변환기로부터의 AC 전력을 인가하는 단계를 포함하는터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 전기 기계(14)는 상기 시동 이후 상기 터빈에 의해 구동되는터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 벅 부스트 초퍼(30)의 상기 DC 전압 레벨 출력의 점진적 증가는 선형 증가인터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 벅 부스트 초퍼(30)의 상기 DC 전압 레벨 출력의 점진적 증가가 제어기에 의해 제어되는터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 AC 전력의 주파수 증가가 상기 DC 버스의 전압 레벨에 의해 제어되는터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 터빈이 마이크로터빈(12)인터빈 시동 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 터빈이 가스 터빈인터빈 시동 방법.
- 전력 회로(10)에 의해 차례로 구동되는 전기 기계(14)로 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템으로서,상기 전력 회로는DC 전력 출력- DC 전력이 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨에서 출력됨 -을 갖는 벅 부스트 초퍼(30)와,상기 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨에 의해 충전되는 DC 버스(24)와,상기 DC 버스에 의해 전력을 공급받고 상기 점진적으로 증가하는 DC 전압 레벨을 AC 전력- 상기 AC 전력은 시동 동안 상기 터빈을 구동하는 전기 기계(14)를 구동하도록 인가됨 -으로 변환하는 DC 대 AC 변환기(26)를 포함하는터빈 시동 시스템.
- 제 10 항에 있어서,모터가 상기 전기 기계(14)인터빈 시동 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 DC 대 AC 변환기(26)가 상기 AC 전력의 상기 주파수를 점진적으로 증가시키는터빈 시동 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 DC 대 AC 변환기(26)는 상기 증가하는 DC 전압 레벨에 비례하여 상기 AC 전력의 상기 주파수를 점진적으로 증가시키는터빈 시동 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 터빈은 가스 터빈인터빈 시동 시스템.
- DC 버스(24)를 통해 전력을 로드(16)로 공급하는 전기 기계(14)에 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템으로서,시동 동안 상기 DC 버스의 전압 레벨을 점진적으로 증가시키는 벅 부스트 초퍼(30)와,상기 전기 기계로부터 발생된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고 시동 이후 상기 DC 전력을 DC 버스(24)로 인가하는 AC 대 DC 변환기(22)와,상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 DC 대 AC 변환기(26)와,상기 시동 동안, 전기 기계(14)- 상기 전기 기계는 차례로 상기 터빈을 시동 속도로 구동함 -를 구동하도록 상기 DC 대 AC 변환기로부터의 AC 전력을 인가하고, 시동 이후에는, 상기 DC 대 AC 변환기로부터의 AC 전력을 상기 로드(16)로 인가하는터빈 시동 시스템.
- DC 버스(24)를 통하여 전력을 로드(16)로 공급하는 전기 기계(14)로 연결된 터빈(12)을 시동하는 시스템으로서,시동 동안,상기 DC 버스의 전압 레벨을 점진적으로 증가시키는 수단과,상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 수단과,전기 기계(14)- 상기 전기 기계는 차례로 상기 터빈을 시동 속도로 구동함 -를 구동하도록 상기 AC 전력을 인가하는 수단을 포함하는터빈 시동 시스템.
- 제 16 항에 있어서,시동 이후에,AC 전력을 생성하도록 상기 터빈으로 상기 전기 기계(14)를 구동하는 수단과,상기 전기 기계로부터 생성된 AC 전력을 상기 DC 버스(24)로 인가될 DC 전력으로 변환하는 수단과,상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 로드 구동 AC 전력으로 변환하는 수단과,상기 로드 구동 AC 전력을 상기 로드(16)로 공급하는 수단을 더 포함하는터빈 시동 시스템.
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