KR20030020883A - 디씨 버스를 이용하는 전력 시스템 - Google Patents

디씨 버스를 이용하는 전력 시스템 Download PDF

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KR20030020883A
KR20030020883A KR1020027016335A KR20027016335A KR20030020883A KR 20030020883 A KR20030020883 A KR 20030020883A KR 1020027016335 A KR1020027016335 A KR 1020027016335A KR 20027016335 A KR20027016335 A KR 20027016335A KR 20030020883 A KR20030020883 A KR 20030020883A
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크래티윌리암이
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슈어 파워 코포레이션
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Abstract

본 발명의 일실시예는 제1 전원(1402)과, 상기 제1 전원(1402)에 연결된 제1 DC 버스(1412)와, 상기 제1 전원(1402)에 연결된 제2 DC버스(1414)를 포함하는 전력시스템이다. 전력조절장치(1008)는 제1 DC버스(1402) 및 제2 DC버스(1414)에 연결되어 있다. 부하(OUTPUT)는 상기 전력조절장치(1008)로 부터 전력을 공급 받는다.

Description

디씨 버스를 이용하는 전력 시스템{POWER SYSTEM UTILIZING A DC BUS}
전자적자료처리(EDP; electronic data process)는 현대 비지니스활동의 중요한 부분으로서 그 역할이 증가하고 있다. 거래를 행하고, 생산을 제어하고, 데이터를 유지하는 것을 포함하여 현대 비지니스의 모든 영역에서 컴퓨터가 사용되고 있다. 만일 컴퓨터가 작동되지 않는다면, 특정 비지니스는 분당 수백만달러 수준의 비용 손실을 초래할 수도 있다.
컴퓨터 고장의 잘 알려진 원인중 하나는 컴퓨터 전원의 정전(interruption)이다. 전자적자료처리(EDP)에 사용되는 컴퓨터는 정전(power interruption)에 민감하며, 일시적인 단전 또는 정전도 컴퓨터에 오작동을 일으킬 수 있다. 도 1은, 미국전기전자기술자협회(IEEE)에서 표준 446-1987으로 채택한 씨비이엠에이(CBEMA; Computer Business Equipment Manufactures Association, 미국컴퓨터설비 제조연합) 곡선을 나타내는 그래프이고, 컴퓨터가 1/2싸이클 또는 8.3 ms 동안의 정전을 견딜수 있다는 것을 보여주고 있다. 현재 유틸리티 그리드(utility grid)로부터 가용되는 전력(산업용 전력)은 현대 컴퓨터 장치에 요구되는 고 신뢰성 전력에 부응할 수가 없다. 전자적자료처리장치를 작동시키고 그에 의존하는 비지니스는 수없이 긴 정전을 일으키는 산업용전력에 의존할 수 없다. 따라서, 고 품질의 전력시스템이 요구되고 있다.
본 발명은 일반적으로 전력 시스템에 관한 것으로, 특히 임계 부하에 고 신뢰성의 전력을 제공하기 위한 예비 또는 보조 전원을 포함하고 있는 전력시스템에 관한것이다.
도면들에 있어서, 동일한 구성 요소는 같은 도면부호로 표시되어 있다.
도 1은 최신 컴퓨터 장치의 전력신뢰성 수요를 나타내는 그래프이다.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 구성요소들을 포함하는 전력 시스템의 블록도이다.
도 3은 도2A 내지 도2C의 전력 시스템의 일 부분의 블록도이다.
도 4A 내지 도4B는 대체 전력 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 17A 내지 도 17D는 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 18 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
본 발명의 예시적인 실시례는 제1 전원과, 상기 제1 전원에 연결된 제1 직류 버스와, 상기 제1 전원에 연결된 제2 직류 버스를 포함하는 전력 시스템이다. 전력 조절 장치는 상기 제1 직류 버스와 상기 제2 직류 버스에 연결되어 있다. 전력 부하는 상기 전력 조절장치로부터 전력을 인가 받는다.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 일 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다. 본 발명의 구성요소들은 도 2A 내지 도 2C를 참조하여 설명하지만, 도 2A 내지 도 2C는 단지 예시적인 구성일 뿐이라는 것을 알 수 있다.
본 시스템은 전원들(102), (104), (106), (108)과 제2 전력 시스템 (110) 형태의 예비전원들을 이용한다. 상기 제2 전력 시스템 (110)은 유틸리티 라인, 발전기기, 배터리 등등과 같은 대체 전원들을 포함한다. 상기 2차 전력시스템(110)은또한 연료전지(fuel cell)를 포함할 수 있다. 상기 2차 전력시스템(110)은 스위치보드 (111) 또는 C버스에 전력을 공급하고 있다. 상기 전원들(102, 104, 106, 108)은 온시코포레이션(Onsi Corporation)사의 PC25와 같은 연료전지일 수 있다. 도 2A 내지 도 2C는 상기 전원(102, 104, 106, 108)들로서 연료전지를 도시하였지만, 다른 전원들이 사용될 수 있고, 본 발명에서 전원은 연료전지에 국한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 연료전지를 이용하는 이점중 하나는 연료전지가, 소비자가 다른 비용을 지출하여 얻을 수 있는 열을 부산물로써 생산한다는 것이다. 도 2A 내지 도 2C에 도시된 실시예는 350 kw의 임계부하에 사용되도록 설계되었다. 연료전지(102, 104)는 제 1 즉 A 버스를 통하여 전체 임계부하에 전력을 공급할 수 있다. 연료전지(106, 108)는 필요할 경우(즉, A버스가 작동하지 않을 경우) 전체임계부하에 전력을 공급할 수 있는 제 2 즉 B버스에 전력을 공급한다.
상기 C버스는 상기 A 및 B 버스와 인터페이스되어 있고, 따라서 상기 C버스는 상기 A 및 B 버스들을 지원하는 보충적인 역할을 한다. 상기 C버스는 소비자의 필요에 따라 여러가지 방법을 통하여 상기 A 및 B버스 부하를 보완할 수 있다. 이러한 방법에는 (1) A버스 또는 B버스 자동 전환스위치 또는 회전장치의 제 2 또는 제 3 소스폴(source pole)로의 직접연결과, (2) 부하에 근접한, 소비자가 제공하는 자동 전환스위치의 제 2 및 제 3 소스폴로의 직접연결과, (3) 바람직한 소스로서 B버스를 가지고 제 2소스로서 C버스를 가지는 자동전환스위치의 출력부를 거쳐 A버스 자동전환스위치 또는 회전장치를 통하는 것과, (4) 둘이상의 유틸리티 또는 다른 전원들을 입력부로 가지는 자동전환스위치의 출력부를 거쳐 A버스자동전환스위치 또는 회전장치의 제 2 또는 제 3 소스폴을 통하는 것과, (5) A버스 또는 B버스로 직접가는 자동 우회(automatic by pass)를 포함하며, 이에 국한되지 않는다.
상기 시스템은 무정전 전원 장치(UPS; Un-interruptible Power System, 116, 118, 120, 122) 형태의 네개의 회전장치를 더욱 포함하고 있다. 적합한 무정전전원장치(UPS)는 필러(Piller, Inc)사에서 판매하고 있는 상품명 유니블록-투(Uniblock-Ⅱ)이다. 상기 무정전전원장치(UPS) 각각은 임계부하(114)로 AC전력을 제공하는 전동발전기(motor generator)를 가지고 있으며, AC입력 1 및 AC입력 2의 두개의 입력부를 포함하고 있다. 전환스위치(128)는 전원(102)과, 유틸리티/발전기 시스템(110)과, 회전장치(116) 사이의 전력 흐름을 제어하기 위하여 사용된다. 다중모드 동작 동안의 전력흐름은 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
정전 검출시 단로(disconnect)되는 연료전지의 특성으로 인해, 회전장치는 변동성(fluctuation)을 안정화시키고, 고장을 처리하고, 연료전지의 단로를 방지하지는 데 사용된다. 무정전전원장치가 전압 안정성을 강화시키는데 사용될 수 있는 유일한 형태의 회전장치가 아니라는 것을 아는 것은 중요하다. 회전기계(rotating machines)와는 달리, 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈은 관성을 가지지 않으므로, 전류의 흐름은 제어동작이 시작된 직후에 바로 멈추고 출력마그네틱내의 유도기억에 의해서만 제한된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 상기 시스템은 회전장치를 포함하고 있다. 회전장치(rotary device)는 회전 무정전전원장치, 전동발전기, 동기 콘덴서, 플라이휠(flywheel), 또는 유효전력 또는 무효전력을 저장하고 방전시키기 위하여 관성을 제공할 수 있는 다른 장치를 포함하고 있다. 작동중, 시스템전압을 안정화시키기 위하여 전력수요 및 전력공급에 따라 상기 회전 장치에 의해 전력은 기울거나(ebb) 차게(flow) 된다.
부가적인 회전장치가 특정 상황에서 전력을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 회전장치(152)는 스위치(156)를 통하여 UPS(116, 118)에 연결된다. 회전장치(154)는 스위치(158)를 통하여 UPS(120, 122)에 연결된다. 일시시예에 있어서, 상기 회전장치(152, 154)는 필러(Piller)사에서 판매하는 파워브리지 플라이휠(Powerbridge flywheel)과 같은 플라이휠이다. 상기 플라이휠(152, 154)은 AC입력 1에 연결된것으로 보이지만, AC입력 2에도 연결될 수 있다. 다양한 회전장치들이 사용될 수 있다. 플라이휠 즉 회전장치의 수는 모든 무정전전원장치에 하나의 회전장치가 사용될 수 있는 것에서 부터 하나의 무정전전원장치에 하나의 회전장치가 사용되는 것까지 다양할 수 있다. 상기 시스템의 구성요소에 있어서 리던던시(redundancy)를 가질 수 있도록 적어도 두개의 플라이휠을 가지는 것이 바람직하다. 부하의 요구 및 바람직한 리던던시의 정도에 따라 부가적인 플라이휠들이 필요할 수 있다. 무정전전원장치에 예비 전력을 제공하기 위하여 플라이휠이 아닌 장치들이 사용될 수 있다(예를 들면, 발전기, 배터리 등).
도 3에 도시된 바와 같이, 플라이휠(152, 154)은 특정 상황에서 각각의 무정전전원장치에 배설된 인버터에 DC전력을 제공한다. 상기 연료전지(102, 104, 106, 108)는 상기 C버스상에서 정전검출시 C버스로부터 단로되도록 작동된다. 상기 연료전지가 단로되어 아이들 모드(idle mode)로 들어 가게 될 경우, 상기 플라이휠은 전력을 제공하여 무정전전원장치로 가는 전력이 중단되지 않도록 한다. 상기 연료전지에 전력이 백업될때, 상기 플라이휠은 부하를 상기 연료전지로 매끄럽게 전환시키도록 하기 위해 사용된다. 상기 무정전전원장치는 부하를 상기 플라이휠로부터 상기 연료전지로 점진적으로 전환시키도록 프로그램되어, 상기 연료전지가 스텝부하(step load)를 경험하거나 상기 무정전전원장치로부터 단로되지 않도록 한다. 또한, 압축기(compressor)와 같은 주기적인 부하가 턴온 된다면 연료전지상에 스텝부하가 일어나 상기 연료전지가 단로될 수 있다. 이 경우, 상기 플라이휠은 잉여 전력을 상기 무정전전원장치로 제공하고, 따라서 상기 연료전지가 단로되는 것을 방지한다. 간단히 말하자면, 상기 플라이휠은 상기 시스템을 매끄럽게 작동시키는 단기 예비전력을 제공하기 위해 사용된다.
각 무정전전원장치의 출력은, 무정전전원장치(116, 118)로부터의 전력이 A버스상에서 병렬로 합류되고 무정전전원장치(120, 122)로부터의 전력이 B버스상에서 병렬로 합류되는 병렬스위치보드(130)에 인가된다. 상기 시스템은, 버스들 사이의 부하를 공유하도록 하기 위해 또는 전원들 중 하나가 고장날 경우에, 개개의 전원들에 의하여 전력이 정상적으로 공급되는 둘 이상의 버스들에 전력을 공급하기 위하여, 개개의 두 버스들을 서로 연결하는 전자기계식(electromechanical) 브레이커장치인 타이브레이커(tie breaker)를 포함할 수 있다. 상기 타이브레이커는, 개개의 두 전원중 하나가 상기 회전장치로 전력을 공급하는 옵션을 제공하도록 상기 회전장치의 입력측에 포함될 수 있다. 상기 타이브레이커는 회전장치 및 자동전환스위치의 출력측에 포함되어, 전원들 중 하나가 고장날 경우에, 개개의 전원들에 의하여 단일 소스로부터 정상적으로 전력이 공급되는 부하들에 하나의 전원이 전력을공급할 수 있도록 하고 있다. 도 2A 내지 도 2C에 도시된 바와 같이, 상기 타이브레이커(132)는 상기 A버스를 상기 B버스에 연결한다. 전력은 상기 병렬스위치보드(130)으로부터 임계부하로 흐른다.
본 시스템에 사용되는 전환스위치는 전자기계식 또는 정지형(static) 전환스가 될 수 있다. 정지형 전환스위치는 실리콘제어정류기(SCR; silicon controlled rectifiers)를 통상적으로 포함하고 있다. 상기 시스템은 상기 정지형 자동전환스위치(SCR)가 전류의 흐름에 의해 훼손되지 않도록하기 위해 측정수단(measures)을 포함할 수 있다. 상업적으로 이용할 수 있는 정지형 자동전환스위치의 스위칭메카니즘에 포함된 SCR은 상기 전자 기계식 전환스위치의 스위칭메카니즘과 비교할 때 연약하다. 정지형 자동전환스위치를 통하여 흐르는 고장전류(fault current)는 상기 SCR를 "태우거나(burn-up)" 그렇치 않으면 파괴할 수 있는 크기가 될 수 있다. 훼손된 SCR을 가진 정지형 자동전환스위치는 시스템설계에서 의도한 소스들사이에서 부하를 전환하는 기능을 할 수 없게 된다. 상기 시스템은, 정지형자동전환스위치를 통하여 흐르는 고장전류가 상기 SCR을 훼손시킬 수 있는 레벨에 도달하지 못하도록 적절한 위치에 리액터와 퓨즈와 같은 전류제한장치를 포함할 수 있다. 회전장치는, 상기 시스템에 적합할 경우, 고장전류가 상기 스위치를 통하여 흐르지 못하도록 정지형자동전환스위치의 하부에 위치할 수 있다.
상기 시스템은, 국부적으로 그리고 원격적으로, 상황 및 성능을 모니터하고, 시스템기능을 명령하고, 작동파라미터들을 변경하고, 결과를 얻고, 시스템검사를 수행하고, 알람을 설정 및 제공하는 모니터/매니저를 포함할 수 있다. 상기모니터/매니저는, 연료전지파워모듈과, 정지형자동전환스위치와, 회전장치를 위하여 시스템작동자와 콘트롤러사이에서 쌍방향통신을 제공하고 있다. 시스템작동자는 상기 모니터/매니저를 통하여 국부적으로 또는 원격적으로 상기 연료전지 파워모듈의 작동파라미터의 변경을 명령할 수 있다. 상기 모니터/매니저는 프로그래밍 로직을 통하여 이러한 변경을 자동적으로 명령할 수 있다. 상기 모니터/매니저의 고장시 상기 임계부하로 전력이 흐름지 못하도록 시스템콘트롤이 설계되어 있다. 상기 모니터/매니저는 상기 시스템의 작동을 모니터하기 위하여 소비자에게 "뷰잉윈도우(viewing window)"를 제공하고 있다.
도 3은 도 2A 내지 도 2C의 전력시스템의 일부를 나타내는 블록도이다. 다중모드에 있어서, 상기 전력시스템의 동작은 도 3을 참조하여 설명된다. 도 3은 하나의 전원(102)과, 하나의 전환스위치(128), 하나의 UPS(116) 및 하나의 플라이휠(152)을 도시하고 있다. 상기 시스템에 있어서, 다른 구성요소들이 도 3에 나타난 시스템의 일부를 참조하여 설명되는 바와 같이 동작함은 이해할 수 있을 것이다.
경제성을 위하여, 상기 전원(102)은 유틸리티그리드가 작동할 때 그리드연결모드에서 작동하도록 구성되어 있다. 상기 그리드연결모드에 있어서, 브레이커들(B1, B2)은 폐쇄되고, 상기 전원(102)은 상기 스위치보드(111)의 연결부를 통하여 상기 유틸리티그리드와 동기화된 AC전력을 발생한다. 상기 UPS 전동 발전기(170)에 의해 발생된 전력은 상기 전원(102)로부터 AC 입력 2를 거쳐 싸이리스터 스위치(172)를 통과하여 흐른다. 상기 전원(102)에 의하여 발생되고 상기 무정전전원장치(116)가 필요로 하는것 이상의 전기는 상기 스위치보드(111)의 연결부를 통하여 다른 시설부하(building load)에 동력을 제공한다. 이것은 상기 무정전전원장치(116)의 전력 요구량에 관계없이 상기 전원(102)이 최대 전력(full power)에서 작동할 수 있도록 한다. 최대 전력에서 상기 전원(102)이 작동하는 것은 비임계 시설부하에 의하여 소비될 수 있는 고비용 유틸리티 전력을 저비용 전원전력으로 대체함으로서 사용자의 경제상태를 강화시킬 수 있다.
상기 전환스위치(128)는 상기 전원(102)에 의하여 발생된 전력이 상기 AC입력 1로 흘러 상기 전동발전기(170)로 전력을 공급할 수 있도록 폐쇄된 스위치(KMFC)와 개방된 스위치(KMMG)로 구성된다. 상기 전원이 그리드연결모드에서 작동될 동안, 상기 AC입력1 정류기(174)와 인버터(176)는 대기상태에 있게 된다. 전력은 싸이리스터(172)가 턴 오프될 때까지 AC입력 1을 통하여 상기 전동발전기(170)로 흐르지 않을 것이다. 상기 전동발전기(170)는 플라이휠(152)로 에너지를 공급한다. 그리드연결모드에서는 어떤 대기 발전기도 작동하지 않는다.
유틸리티 그리드가 정전될 경우, 싸이리스터(172)는 턴오프되고, 스위치(B2)는 개방되어 그리드 연결모드의 동작을 중단하고, AC입력 2로의 전원(102)의 전력 흐름을 중단한다. 상기 스위치(B2)가 개방될 때, 상기 전원(102)은 그리드독립모드에서 작동하도록 형태를 바꾸게 된다. 이러한 모드전환을 위하여 상기 전원(102)은 전력발생을 중단해야 하며, 최대 5초 동안 스위치(KMFC) 및 AC입력 1로 가는 전압의 손실이 발생한다. 이렇게 전환할 동안, 상기 AC입력 1 인버터(176)는 상기 플라이휠(152)이 상기 전동발전기(170)로 전력을 공급하도록 가동된다. 상기 전원(102)이 다시 전기를 생산하기 시작할 때, 전압은 AC입력 1로 되돌아가게 되고, 상기 정류기(174)는 가동된다. 상기 전동발전기(170)로 공급되는 전력은, 소정의 램프속도(ramp rate)로 상기 플라이휠(152)에서 상기 전동발전기(170)으로 이동한다. 만일 불안정한 전원이 스위치보드(111)상의 전압을 재설정할 경우, 상기 전원(102)은 그리드연결모드로 전환하지 않을 것이나, 상기 정류기(174)/인버터(176) 경로를 통하여 상기 전동발전기로 전력을 공급하는 그리드독립모드에서 계속하여 동작할 것이며, 상기 싸이리스터(172)는 오프상태를 유지할 것이다. 그리드독립모드에서, 상기 전원(102)은 단지 전동발전기(170)의 전력 수요를 만족시키기 위하여 전력을 낮추어서 공급할 것이며, 전원(102)에서 발생된 전기는 다른 구성부하로 공급되지 않게 된다. 그리드독립모드에서, 상기 UPS 유니트(116, 118, 120, 122)는 정류기(174)와 인버터(176) 구성요소를 통하여 동기화 된다. 이러한 방식으로, 상기 UPS 유니트들(116, 118, 120, 122)의 출력은 대응(parallel)하게 된다.
그리드독립모드에서 작동할 동안, 만일 전동발전기(170)가 소정의 크기 이상의 스탭부하를 경험할 경우, 상기 플라이휠(152)은 상기 전동발전기의 에너지원(energy source)이 된다. 상기 전동발전기(170) 전력의 소스는 소정의 램프속도로 상기 플라이휠(152)로부터 상기 전원(120)으로 이동한다. 따라서, 상기 전원(102)은 갑작스런 스탭부하에 노출되지 않게 된다.
상기 전원(102)이 그리드연결모드로 되돌아 가기전 세가지 사건이 일어난다. 첫째, 유틸리티 그리드 전압이 상기 스위치보드상에서 재설정된다. 둘째, 어떠한대기 발전기의 발전도 중단된다. 마지막으로, 상기 플라이휠(152)이 재충전된다. 이때, 상기 전원(102)은 안정성을 위하여 유틸리티 공급(utility feed)을 모니터한다. 상기 전원(102)은, 설정된 시간동안에 그리드 전압이 안정하다는 것이 결정된 후에, 그리드연결모드의 동작으로 다시 전환하게 된다. 이러한 전환을 위하여, 상기 전원(102)은 최대 5초까지 전력발생을 중단해야 한다. 상기 정류기(174)에서 전압 손실이 검출될 때, 상기 정류기(174)는 대기상태가 된다. 만일 그순간에 전동발전기(170)의 출력이 유틸리티그리드와 동기화되지 않으면, 상기 인버터(176)는 액티브상태에 있게 되어, 상기 플라이휠(152)은 동기화가 발생할 때까지 상기 전동발전기(170)에 전력을 공급하게 된다. 동기화될 때, 싸이리스터(172)는 턴온되고, 상기 AC입력 1 인버터(176)는 대기상태로 되며, 상기 유틸리티그리드는 이러한 전환동안 상기 전동발전기(170)에 전력을 공급하게 된다. 상기 전동발전기(170)는 상기 플라이휠(152)을 재충전하기 시작한다. 상기 전원(102)이 그리드연결동작을 준비할 때, 스위치(B2)는 폐쇄되고, 상기 전원(102)은 최대출력까지 올라가게 되어 상기 전동발전기(170) 전원이 된다.
상기 그리드연결모드의 동작으로의 전환할 동안 상기 유틸리티 그리드 전압이 중단될 경우, 상기 전원(102)은 그리드독립동작으로 재구성된다. 상기 AC입력 2상의 전력손실로 인해, 상기 싸이리스터(172)는 턴 오프되고, 상기 AC입력 1 인버터(176)는 가동되며, 상기 플라이휠(152)은 상기 전동발전기(170)로 전력을 공급하게 된다. 상기 전원(102)에 의하여 공급된 전압이 AC입력 1 정류기로 되돌아 갈 경우, 상기 정류기(174)는 가동되고 상기 전동발전기(170)로 공급되는 전력은 상기플라이휠(152)로부터 상기 전원(102)으로 램프된다. 상기 전동발전기(170)는 상기 플라이휠(152)을 재충전시킨다.
상기 전원(102)의 운전이 중지되거나 브레이커(B2)가 개방될 때마다, 상기 전원(102)으로 부터의 전력의 흐름은 중단된다. 상기 전원(102)으로 부터 상기 AC입력 2까지의 손실은 스위치보드(111)상의 백업유틸리티그리드전압에 의하여 순간적으로 대체된다. 스위치(B1, B2)가 개방되면, 스위치(KMFC)상의 전압은 중단되고, 타이머는 카운트다운하게 된다. 만일 전원(102)이 미리 설정된 수십초 내에 스위치(KMFC)를 스위치하는 전압을 회복시키지 않는 다면, 스위치(KMFC)는 개방되고, 스위치(KMMG)는 폐쇄되어, AC입력 1을 백업전력피드로 연결시킨다. 이것은 또한, 전원(102)을 분리시킨다. 상기 AC입력 1 정류기(174) 및 인버터(176)는 대기상태로 되고, 상기 전동발전기(170)는 계속해서 싸이리스터(172)를 통하여 전력을 공급받게된다.
상기 전원(102)이 오프라인(off-line)에 있을 동안, 상기 유틸리티 그리드가 정전될 경우, 상기 싸이리스터(172)는 턴오프되고, 상기 AC 입력 1 인버터(176)는 가동되어 상기 플라이휠(152)이 상기 전동발전기(170)에 동력을 공급하도록 한다. 만일 상기 플라이휠(152)에 의하여 저장된 에너지가 유틸리티가 되돌아 오기 전에 소모된다면, 다른 전원이 상기 스위치보드(111)에서 온라인(on-line)에 있지 않는한, 상기 전동발전기(111)는 동작을 중단할 것이다. 불안정한 전압원이 AC입력 2에서 검출될 경우, 상기 정류기(174)는 가동되어 상기 정류기(174)/인버터(176) 경로를 통하여 상기 전동발전기(170)으로 전력을 공급한다. 상기 전동발전기(170)는 상기 플라이휠(152)을 재충전하기 시작하고, 그렇지 않으면, 상기 전동발전기(170)는 AC입력 2를 통하여 전력을 공급받게 된다. 상기 전원(102), 전환스위치(128), 무정전전원장치(11) 및 플라이휠(152)의 조합은 파워모듈로 불릴 수 있다. 예비 파워모듈(도 2에 도시된 바와 같이)을 이용하면, 오프라인 전원을 수리할 동안 유틸리티 그리드가 정전될 경우, 비 유틸리티 전원은 필요없게 된다.
상술한 바와 같이, 예시적인 전력시스템은 상기 유틸리티 그리드와 관계없이, 무한적으로 동작할 수 있다. 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈은 장시간의 그리드독립동작을 위하여 설계되었다. 로컬 천연가스 분배회사 로부터의 독립적인 예비 공급 형태의 또는 대체연료원의 부지저장상(site storage)의 대체 천연가스원(예를 들면, 액화천연개스(LNG), 프로판, 메탄올)은 천연가스의 정상적인 공급이 중단되는 것을 위하여 제공된다. 상기 시스템의 구성요소들은 20년 이상의 경제적인 수명을 위하여 설계된 유틸리티 등급으로 되어 있다. 상기 시스템의 모듈 방식은 임계부하로의 전력흐름을 방해하지 않고 보수, 분해검사, 업그레이드, 및 확장을 수행하도록 하고 있다.
상기 예시적인 전력시스템은 또한 단일 포인트의 고장을 가지지 않는다. 상기 시스템은 연료전지 파워모듈, 자동변환스위치 또는 회전장치의 고장이 임계부하로의 전력흐름을 방해하지 못하도록 구성되어 있다. 예비 연료전지파워모듈은 상기 B버스를 포함하고 있다. B버스를 포함하지 않는 구성에 있어서, 예비 연료전지 파워모듈은 A버스에 포함되어 있다. 특정 구성에 있어서는 A버스 상의 연료전지 파워모듈을 B버스와 함께 포함하고 있다. 상기 자동전환스위치 및 회전장치는 예비 전력 경로를 가지고 있다. 시스템콘트롤러는 예비 프로세서와 파워서플라이를 통상적으로 가지고 있다. 타이브레이커는, 자동전환스위치 또는 회전장치가 고장날 경우에 버스들 사이에서 전력을 공유하기 위하여 제공된다. 또한, 자동전환스위치 및 회전장치는, 이러한 스위치 및 회전장치가 오프라인에 있을 경우, 부하에 직접 연료전지의 전력을 제공하기 위하여 우회 회로(bypass circuit)를 포함할 수 있다.
상기 예시적인 전력시스템은 시스템내의 모든 전원의 주파수를 공통 기준 소스(common reference source)로 동기화시킨다. 모든 시스템 전원의 전기적인 출력은, 부하를 중단시키지 않고 전원들 사이의 빠른 스위칭동작이 이루어지도록 같은 주파수, 크기 및 상을 가져야 한다. 상기 연료전지 파워모듈, 회전장치 및 자동전환스위치는 상기 시스템을 단일 기준으로 동기화시키는 동기화 회로(synchronization circuit)를 포함하고 있다. 유틸리티 그리드가 상기 시스템과 인터페이스될 때, 상기 시스템은 상기 유틸리티와 동기화된다. 상기 유틸리티가 고장날 경우, 2차 기준신호로 대체된다. 상기 유틸리티서비스가 회복될 때, 이러한 2차 기준신호와 동기화되지 않을 것이다. 이 경우, 상기 파워모듈은 새로운 유틸리티 소스와 일치되도록 그 출력의 상과 크기를 점차적으로 조정한다. 유틸리티 그리드가 상기 시스템과 인터페이스 되지 않을 경우, 기준신호를 전송하는 분리되는 수단이 상기 시스템에 통합된다.
상기 유틸리티 그리드와 연결되는 전원을 가지는 것은, 임계부하에 의해 소비되지 않는 상기 전원(즉, 연료전지)에 의하여 발생된 전력은 상기 유틸리티 그리드에 연결되는 비 임계부하로 향한다는 이점이 있다. 따라서, 사용자는 임계부하의요구사항 이상으로 전원을 작동할 수 있고, 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 대신할 수 있는 잉여 전력(excess power)을 생산할 수 있다.
상기 예시적인 전력시스템은 또한 자율적으로 작동한다. 정상적인 동작을 위하여 사람이 개입할 필요가 없다. 각각의 연료전지 파워모듈, 자동전환스위치 및 회전장치는 그 자신의 자율 콘트롤러의 프로그래밍, 기능 및 시퀀싱에 따라 자동적으로 작동한다.
상기 예시적인 전력시스템은 단일 연료전지 파워모듈의 정격용량을 초과하는 부하에 전력을 공급할 수 있다. 만일 수요전력이 단일 연료전지 파워모듈의 정격용량을 초과할 경우, 부하는, 다음 두가지 방법 중 하나 또는 그 조합에 의해서 만족될 수 있다. 즉, 1) 유니트들 사이에서 부하를 공유하기 위하여 단일 버스상의 다중 연료전지 파워모듈의 출력을 병렬시킨다. 2) 연료전지파워모듈에 의하여 개별적으로 전력이 공급되는 다중 회전장치의 출력을 병렬시킨다.
상기 예시적인 전력시스템은 상기 연료전지 파워모듈이 아이들 모드로 들어 가게 되는 고장을 방지하고, 따라서 전력발생을 효과적으로 중지시킨다. 상기 연료전지 파워모듈의 제어시스템은 하부고장으로부터 기인하는 과부하전류로 인해 상기 연료전지 인버터가 훼손되는 것을 방지하도록 설계되어 있다. 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈은 브레이커를 제거하는 적절한 고장전류를 제공할 수 없다. 만약 콘트롤러가, 인버터 파리미터를 초과하는 고장으로부터 기인하는 전류증가를 검출할 경우, 부하로부터 상기 유니트를 단로시키고, 상기 아이들모드로의 전환을 초기화시킨다. 회전장치는 고장전류를 제공하는 상기 연료전지 파워모듈 하부의 시스템 전체의 적절한 위치에 구비되고, 따라서 상기 연료전지 파워모듈이 고장조건을 알지 못하도록 한다.
상기 예시적인 전력시스템은 상기 연료전지파워모듈이 아이들모드가 되게 하는 스텝부하 및 과부하를 방지하고, 따라서 전력발생을 효과적으로 중지시킨다. 상기 연료전지 파워모듈의 제어시스템은 전지 스택(cell stack)을 훼손할 수 있는 사고를 방지하여 전지 스택을 보호하도록 설계되어 있다. 상기 콘트롤러는 스텝부하 또는 과부하로 부터 발생하는 전압붕괴(voltage collapse)를 검출하면 부하로부터 유니트를 단로시키고, 아이들모드로의 전환을 초기화시킨다. 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈상의 연료 및 공기 공급밸브는 스텝부하를 예측할 수 없다. 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈은 정격용량의 110% 이상의 과부하를 견딜 수 없고 또한 5초 이상 과부하를 견딜 수도 없다. 스텝부하와 과부하는 전지 스택에 압력을 가하여 전압이 붕괴되도록 할 수 있다. 플라이휠은 라인상에 스텝부하를 단계적으로 도입하는 전력을 제공하기 위하여 시스템내의 적절한 위치에서 통합되고, 따라서 상기 연료 및 공기 밸브가 운전중지(shutdown)없이 부하에 적절하게 세팅되도록 조정된다. 플라이휠은 2분동안 정격용량의 150%까지의 과부하에 견디는 회전 UPS유니트와 일체화되고, 따라서 과부하가 대체전원으로 일정하게 전환되도록 한다.
상기 예시적인 전력시스템은 연료전지 파워모듈이 아이들모드에 들어가게 하는 일시적인 과부하(transient overload)를 방지하고, 따라서 전력발생을 효과적으로 중지시킨다. 상기 연료전지파워모듈의 제어시스템은 인버터를 웨손할 수 있는일시적인 과부하로부터 상기 연료전지를 보호하도록 설계되어 있다. 콘트롤러는 정격용량의 110% 이상의 일시적인 과부하를 검출하면 부하로부터 유니트를 단로시키고, 아이들모드로의 전환을 초기화시킨다. 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈은 정격용량의 110% 이상의 과도 과부하를 견딜 수 없고, 또한 5초 이상 과부하를 견딜 수도 없다. 일시적인 과부하는 전압을 붕괴시킬 수 있다. 플라이휠은 2분동안 정격용량의 150%까지의 일시적인 과부하를 견디는 회전UPS유니트와 일체화되어 있다.
상기 예시적인 전력시스템은 연료전지 파워모듈이 아이들모드에 들어가게 하는 부하불균형(overload unbalance)을 방지하고, 따라서 전력발생을 효과적으로 중단한다. 뉴트럴(neutral)에 대하여 정격부하에서 10% 단상 전류 불균형 및 및 정격전류라인의 190% 불균형은 상업적으로 이용가능한 연료전지 파워모듈상의 불균형 과부하를 일으킨다. 이러한 조건은 부하로부터 연료전지가 단로되도록 하며, 아이들모드로의 전환을 초기화시킨다. 선택된 전동발전기 및 회전 UPS유니트는 부하불균형에 대한 100%의 성능을 가지고 있다. 이러한 회전장치는 파워모듈이 부하불균형조건에 노출되는 것을 방지하기 위하여 연료전지파워모듈의 하부에 위치된다.
도 4A 내지 도 4B는 세개의 독립된 1차버스(A1, A2, A3)를 포함하는 대체 전력 시스템의 도면이다. 각 A버스는 5개의 연료전지(A1-1~A1-5, A2-1~A2-5, A3-1~A3-5)들의 뱅크에 의하여 공급된다. 5개의 연료전지로 구성된 뱅크는 부하를 공유하는 형태로 서로 병렬로 연결되어 있다. 각각의 1차 버스와 연결된 상기 회전장치는 동기콘덴서(200; synchronous condensor)이다. 부하공유콘트롤러(201)는 각버스들(A1, A2, A3)과 연결되어 있고, 적절한 부하공유를 확보하기 위하여 연료전지로 제어신호를 제공한다. 2차 즉 B버스는 부하를 공유하는 구성으로 서로 병렬로 연결된 7개의 연료전지(B-1~B-7)에 의하여 공급된다. 부하공유콘트롤러(204)는 B버스에 연결되어 연료전지에 제어신호를 제공하여 적절한 부하공유를 확보한다. 복수의 전동발전기유니트(202)는 B버스에 의하여 전력을 공급받아, 임계부하로 부터 연료전지(B-1~B-7)를 분리할 동안, 비임계부하로 전력을 공급한다. 시스템모니터/매니저(150)가 제공되어 도 2A 내지 도 2C를 참조하여 설명한 바와 같은 목적을 행한다. 전력의 유틸리티 소스는 C 버스를 제공한다. 플라이 휠(212)는 전압 새그(sag)를 위한 라이드 쓰루(ride through) 전력을 제공하기 위해 C버스에 연결되어 있다. 일련의 정지형 전환스위치(D1,D2,D3)는 적절한 소스를 선택하여 임계부하가 무정전전력을 받도록 한다.
도 4A 내지 도 4B에 도시된 바와 같이, 상기 2차 즉 B버스는 A버스에 대한 백업으로서 역할을 한다. 임계부하에 전기를 공급하지 않을 때, 상기 B버스는 하나이상의 커스터머 피더(customer feeder)를 통하여 다른 시설부하(비임계부하)로 전력을 공급할 수 있다. 통상적으로, B버스 피더는 자동전환스위치를 경유하여 B버스에 연결되어 있다. 그러나, 상기 B버스는 시스템의 구성 파라미터 및 소비자의 필요에 따라 하나 이상의 회전장치를 채용할 수 있다. 상기 B버스는 소비자의 필요와 소망에 따라 이용되거나 또는 분절(segment)될 수 있다. 상기 B버스는 자동전환스위치(D1~D3)상의 제 2 소스폴(source pole)을 통하여 또는 회전UPS와 같은 회전장치를 통하여 임계부하와 인터페스이스된다. 또한, 동기콘덴서가 자동전환스위치의출력부상에 위치할 수 있다.
부가적인 리던던시를 추가하기 위하여, 두개의 천연가스원이 연료전지에 제공된다. 유틸리티천연가스원(208) 및 제 2 로컬천연가스저장장치(210)가 연료전지에 대한 예비천연가스공급을 제공하기 위하여 사용된다.
상기 예시적인 전력시스템은 연료전지파워모듈의 캐스캐이드 고장(cascade failure)을 방지한다. A버스의 분할과, 격리된 B버스와 C버스의 통합은 캐스케이드고장에 대한 장벽을 제공한다. 특정 구성에 있어서, 자동전환스위치는 고장을 전달하지 않도록 프로그램된다. 자동전환스위치, 전동발전기 및 회전UPS유니트는 각각을 부하들을 서로 분리하기 위하여 사용될 수 있다. 전동발전기유니트와 회전UPS유니트는 또한 부하들로부터 그리고 그 각각으로부터 연료전지파워모듈을 분리한다. 파워모듈이 고장을 일으키거나 또는 아이들모드로 전환되는 사고로부터 상기 연료전지파워모듈을 분리시키는 것은 캐스캐이드고장을 방지한다.
도 5는 본 발명의 구성요소들을 포함하는 다른 전력 시스템의 블록도이다. 도5에 도시된 바와 같이, 1차 즉 A버스는 8개의 개별 전원(예를 들면, 연료전지)들로 구성된다. 각각의 전원(301~308)은 필러(Piller)사에서 판매하는 무정전전원장치와 같은 회전장치(311~318)에 연결되어 있다. 2차 즉 B버스는 병렬로 연결된 3개의 전원(321~323)으로 구성되며 부하공유콘트롤러(324)에 의하여 제어된다. C버스는 유틸리티라인(330)에 의하여 제공된다. 플라이휠(340)은 C버스에 연결된다.
상기 B버스 및 C버스는 자동전환스위치(A1~A8)의 각각의 폴(pole)에 연결된다. 자동전환스위치(A1~A8)는 회전장치(311~318)에 전력을 공급하기 우해 상기 B및C버스중 보다 나은 전원을 선택한다. 각각의 회전장치(311~318)의 출력은 8개의 임계부하(CB1~CB8)중 하나에 연결된다. 회전장치는 A버스전력을(301~308)을 우선하도록 프로그램되어 있다. 상기 B버스 및 C버스는 전력을 다른 부하들로 유도하는 자동전환스위치(B1,B2)의 각각의 폴에 연결된다. 부하들(342)과 연결된 회전장치는 동기콘덴서(344)이다. 도 5의 시스템은 예비전원, 회전장치 및 자동전환스위치를 이용하여 임계부하에 신뢰성있는 전력을 공급하는 전력시스템의 다른 예이다.
도 2A 내지 도 2C, 도 4A 내지 도 4C 및 도 5는 고신뢰성 전력시스템을 제공하기 위한 예비전원, 회전장치 및 자동전환장치의 다양한 구성을 나타내고 있다. 1차 및 2차 버스구성과 형태, 전원과 회전장치와 자동전환스위치의 크기 및 수는, 부하의 크기, 필요한 피더의 수 및 사용자가 원하는 시스템 가용성(availablity)(즉 소비자가 요구하는 전력의 신뢰성이 어느 정도인지)에 의하여 결정된다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시례를 도시한다. 도6에 도시한 것은 현존하는 전력 조절 유니트(800)이다. 전력 조절 유니트(800)는 필러사에 의해 트리플블록(Triblock)이라는 상표명으로 판매되고 있는 유니트가 될 수 있다. 상기 전력 조절 유니트는 출력 전압을 정류하는 전동발전기(802)를 포함함으로써 고조파(harmonics)를 흡수한다. 플라위 휠(804)은 유틸리티그리드 주 공급부 (900)가 고장을 일으키는 경우 전력을 공급한다. 상기 플라이 휠(804)은 정류기(806)와 인버터(808)를 통하여 전동발전기(802)에 전력을 공급한다. 도6에 도시된 것은 DC 출력 섹션(702)을 갖는 연료 전지(700)이다. 상기 DC 출력섹션(702)은 도6에 도시된 것과 같은 DC-DC 컨버터를 사용하여 구현된다. 상기 연료전지(700)는인버터(808)의 입력부와 연결되어 있다. 따라서 상기 연료전지(700)는 상기 주공급부(900)가 동작가능할때이든 아니든 관계없이 상기 부하와 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급한다.
도7은 본 발명의 또다른 실시례를 도시한다. 도7에 도시된 것은 전력조절유니트(910)이다. 상기 전력조절유니트(910)는 필러사에서 트리플블록이라는 브랜드로 판매하고 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 전력조절유니트는 출력전압을 정류하는 전동발전기(902)를 포함하며, 고조파등을 흡수한다. 플라이 휠(904)은 상기 유틸리티그리드유니트(906)가 고장일 때 전력을 공급한다. 플라이 휠(904)은 쌍방향 컨버터(908)을 통해 전동발전기(902)에 전력을 공급한다. 도7에 도시된 것은 또한 DC 출력을 갖는 연료전기스택(920)이다. 상기 연료전기스택(920)의 DC출력은 DC-AC 컨버터(922)의 입력부에 연결되어 있다. 따라서 상기 연료전지스택(920)은 상기 컨버터(908)을 통해 플라이 휠(904)을 재충전하거나 혹은 전동발전기(902)를 통해 상기 부하와 상기 유틸리티그리드에 전력을 공급할 수 있다.
도8은 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템의 블록도이다. 도8에 도시된 바와 같이, 상기 전력시스템은 다수의 전원들(1002)을 포함한다. 상기 전원들은 온시코퍼레이션으로부터 구입할 수 있는 PC25와 같은 연료전지를 포함하여 잘 알려진 것들이다. 각 전원(1002)은 한쌍의 DC-DC 컨버터(1004)에 연결되는 DC 출력을 발생시킨다. 각 DC-DC컨버터쌍(1004)에 있어서, 하나의 컨버터는 A 버스에 연결되고, 다른 하나는 B 버스에 연결된다. 그리하여, 각 전원(1002)은 상기 A 버스와 B 버스를 모두 구동한다. 상기 A 버스와 B버스는 각각 인버터들(1005)을 통해 C버스(예를들면 보조 부하)에 연결되어 이다. 회전장치들(1008, 1010, 1012, 1014)은 스위치들(1006)을 통해 A 버스와 B 버스에 연결되어 있다. 상기 회전장치들(1008, 1010, 1012, 1014)은 무정전 전력시스템 (UPS)으로 구현될 수 있다. 적절한 UPS는 필러사에서 상표명 유니블록-투(Uniblock-II)로 판매하고 있는 제품이다. 상기 UPS들(1008, 1010, 1012, 1014)은 파워브리지라는 상표명의 플라이 휠과 같은 회전장치(1016)에 의해 강화된다. 상기 회전장치(1016)의 출력은 AC-DC컨버터(1018)로 제공된다. AC-DC컨버터(1018)은 UPS(1008)내에 있는 인버터(1020)에 DC 전력을 공급하여 전동발전기(1022)를 구동한다. 상기 UPS(1008)는 유틸리티그리드(1026)가 전동발전기(1022)를 구동하도록 정지형스위치(1024)를 포함한다. 정류기(1028)는 상기 유틸리티그리드(1026)가 전동발전기(1022)에 전력을 공급할 수 있도록 한다.
상기 UPS(1008, 1010)의 출력들은 조합되어 제1 임계 부하 버스(1030)에 제공된다. 상기 임계부하의 일부분은 제1 임계부하버스(1030)에 연결되어 있다. UPS(1012, 1014)의 출력들은 조합되어 제2 임계부하버스(1032)에 인가된다. 상기 임계부하의 일부분은 제2 임계부하버스(1032)에 연결된다. 이러한 구성은 도2A 내지 도2C에 도시한 구성에 대해 잇점을 갖는다. 도2A 내지 도2C에 도시한 실시례에서, 상기 임계 부하는 A버스 또는 B버스중의 어느 하나에 의해 구동된다. 그리하여, 만약 B버스가 정전되면, 상기 임계부하의 일부분에 전력이 공급되지 않는다. 도8에 도시한 실시례에서, 임계부하버스(1030)과 임계부하버스(1032)는 각각 A버스와 B버스 둘다에 연결됨으로써 더 나은 리던던시와 더 낮은 고장빈도를 제공한다.
도8에 도시한 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다. 정상 모드에서, 상기A버스와 B버스는 소정의 DC 전압 (예를들면 580볼트)를 갖도록 가정하여 설계된다. 만약 A 버스와 B버스에서 각각 미리 설정된 전압이 검출되면, 상기 연료전지들(1002)은 상기 임계부하들에 전력을 공급하고 만약 C버스가 연결되어 있다면 보조부하들에도 전력을 공급한다. 만약 A버스와 B버스중 어느 한쪽의 전압이 일정 전압(예를들면 560볼트)으로 떨어지면, 플라이휠들(1016)이 연료전지들(1002)로부터 나오는 전력을 증가시키기 위해 이용된다. 상기 스위치들(1006)은 상기 UPS컨트롤러에 의해 또는 상기 시스템을 모니터하기 위해 프로그램된 다른 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 만약 상기 전압이 더욱 떨어지면(예를들어 550볼트로), 상기 유틸리티그리드(1026)가 연료전지들(1002)과 정류기(1028)을 통하여 상기 플라이휠(1016)로부터 나오는 전력을 증가시키기 위해 사용된다.
도9는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력 시스템을 도시한다. 이 실시례에서, 상기 시스템은 버스(1101)상에서 병렬로 조합될 DC 전력을 발생시키기 위한 다수의 전원들(1100)(예를들면 연료전지)을 포함하고 있다. 많은 인버터들(1102)은 DC 전력을 AC전력으로 변환하고, 상기 AC전격은 필러사로부터 구입할 수 있는 트리플블록 UPS유니트들과 같은 회전장치들(1106)로 공급된다. 상기 회전장치들(1106)의 출력은 단일 임계부하버스(1108)로 인가된다.
도10은 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 도10에 도시한 시스템은 두개의 임계부하버스들(1108, 1110)을 포함하여 구성된다는 점을 제외하고는 도9의 전력시스템과 유사하다. 각 임계부하버스는 다른 회전 장치(1106)들로부터 전력을 공급받는다.
도11은 본 발명의 또 다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 이 실시례는 두개의 전원 뱅크들(1100)을 포함한다. 각 전원 뱅크(1100)는 두개의 회전 장치들(1106)에 전력을 공급한다. 상기 회전 장치들(1106)은 두개의 임계부하버스들(1108, 1110)에 전력을 공급한다. 이와 같은 방법으로, 각 임계부하버스는 각 전원전지(1100)들의 뱅크에 연결된다. 따라서 만약 한개의 전원 뱅크가 고장나거나 문제가 생기면, 상기 임계부하의 전력은 다른 전원 뱅크로부터 얻을 수 있다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 도12의 시스템은 도11의 시스템과 유사하다. 그러나 도12의 시스템에서는, 각 회전장치(1106)가 클러치(clutch)를 통하여 전동발전기(1114)와 결합된 디젤엔진(1112)에 연결되어 있다. 상기 디젤엔진은 전원들(1100)의 고장시에 전력을 발생시키기 위해 이용된다.
도 13은 본 발명의 또다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 도13의 시스템은 도10의 시스템과 유사하다. 도 13에서, 상기 유틸리티그리드(1026)는 상기 임계부하에 전력을 공급하도록 상기 회전 장치(1106)을 통하여 연결되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 유틸리티그리드(1026)는 스위치들을 통하여 상기 전동발전기들(1114)에 연결되어 있다.
도 14는 본 발명의 또다른 실시례를 도시한다. 전력 시스템(1100)(예를들면 연료전지)는 AC 전력을 발생시키고 필러사의 트리플블록 UPS 유니트와 같은 회전 장치(1106)의 전동발전기(1114)에 연결되어 있다. 상기 유틸리티그리드(1026)는 커플링 쵸크(coupling choke)(1107)를 통해 상기 회전장치(1106)에 연결되어 있다. 상기 임계부하버스(1108)는 상기 전원(1100)으로부터 또는 상기 유틸리티그리드(1026)로부터 (전동발전기(1114)를 통해) 전력을 인가받는다.
도 15는 본 발명의 또다른 실시례를 도시한다. 도 15의 전력시스템은 보트, 자동차, 버스등과 같은 운송장치의 구동 기구에 전력을 공급하는데 적당하다. 도15에 도시된 바와 같이, 상기 전력시스템은 온시사로부터 구입할 수 있는 연료전지 PC25와 같은 연료전지들인 전원(1200)들의 다수를 포함하여 구성된다. 상기 전원들(1200)은 DC-DC컨버터들(1202)(예를들면 초퍼(chopper))을 통해 A버스와 B버스에 전력을 공급한다. 단일 DC 버스가 이중 DC 버스 대신에 사용될 수 있는 것은 물론이다. 단일 DC 버스는 비용과 함께 시스템의 유용성도 감소시킨다. 제1 구동 기구(1204)는 A버스와 연결되고 제2 구동기구(1206)는 B버스와 연결되어 있다. 도15에 도시된 상기 구동 기구들은 DC 전동기이지만, 본 발명은 DC 전동기에 한정되지 않는다. 이 DC 전동기들(1204, 1206)은 보트나 자동차 등과 같은 상기 운송장치에 그 움직임을 알려준다. 회전 장치들(1208, 1210)은 AC-DC컨버터들을 통해 A버스와 B버스에 각각 연결되어 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 회전 장치들은 플라이휠이다. 만약 A버스 또는 B버스의 어느 한쪽으로부터 전력을 가용할 수 있다면, 보조부하들은 DC-AC컨버터들(1214)을 통하여 전력을 공급 받을 수 있다. 각 전원(1200)은 A버스와 B버스 양쪽 모두에 전력을 공급함으로써, 전력 공급 사고시에 신뢰성을 높이게 된다.
운송장치와 같은 응용분야에서, 전원(1200)의 연료전지는 내장형(on-board)엔진이 대체할 수 있다. 예를들면, 선박에 있어서, 상기 DC 버스들은 디젤 발생기에 의해 전력을 공급받는다. 보트가 정박되어 있고, 매연 방출을 줄이고자 할 때, 매연을 많이 방출하는 연료를 사용하는 엔진은 운전하지 않고 보조 부하에 전력을 공급하는 것이 바람직하다. DC 버스 전력 시스템을 사용함으로써, 부두 전력 공급부(1201)는 보트가 정박되어 있을 때 상기 DC 버스에 전력을 공급할 수 있다. 상기 부두전력공급부는 AD/DC컨버터(연료전지)를 통하여 전력이 공급되는 유틸리티일 수 있다. 배가 정박되어 있는 동안, 보트 엔진은 정지되고 상기 보조부하(예를들면 냉동을 위한 콘덴서들)는 상기 DC 버스를 통해 부두 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
도 16은 본 발명의 또다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 도 16의 시스템은 도 15의 시스템과 유사하다. 그러나 도 16에서는 회전 장치(1216)(예를들면 동기콘덴서)가, 다른 기능들을 수행하고 전력을 정류하도록 하기 위해 당업계에 잘 알려진 바와 같이 보조 부하들로의 전송경로에 포함된다. 이중 DC 버스 대신에 단일 DC 버스를 이용할 수 있다. 단일 DC 버스는 비용과 함께 시스템이 유용성을 감소시킨다.
도 17A 내지 도 17D는 본 발명의 또다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 상기 전력 시스템은 A버스와 B버스로 도시된 두개의 DC 버스들을 포함한다. 상기와 같이 두개의 DC 버스들 대신에 단일 DC 버스를 사용할 수 있음은 물론이다. 단일 DC 버스는 비용과 함께 시스템의 유용성을 감소시킨다. 도 17A 내지 도 17D에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 다수의 전원들(1200)을 포함한다. 상기전원(1200)으로서는 온시사로부터 구입할 수 있는 PC25라는 브랜드의 연료전지와 같은 연료전지들을 이용할 수 있다. 상기 전원들(1200)은 상기 DC 버스들에 연결된 AC/DC 컨버터들(1302)을 통하여 AC 전력을 발생시키며 이 AC전력은 DC전력으로 변환된다. 개스 터빈(1304)과 같은 형태의 부가적인 전원들은 트랜스포머(transformer)(1302)를 통하여 DC 버스들과 연결되어 있다. 트랜스포머(1306)의 출력은 AC/DC컨버터(1302)를 통해 DC로 변환된다. 마이크로터빈, 터빈, 왕복기관(reciprocating engine)등과 같은 다른 형태의 전원들도 이용될 수 있으며 DC 버스들에 연결된다.
상기 DC 버스들은 회전 장치들(1308)에 연결된다. 실시례에서, 상기 회전장치(1308)는 필러사로부터 구입할 수 있는 유니블록(Uniblock) UPS이다. 상기 DC 버스는 정류기(1310)와 인버터(1312)의 DC측에 연결되어 있다. 이와 같은 방법으로, 상기 DC 버스는 상기 회전장치에서 전동발전기(1314)를 구동한다. 유틸리티그리드(1316)는 또한 트랜스포머(1318), 상기 정류기(1310)/인버터(1312)들을 통해 상기 전동발전기(1314)에 연결되어 있다. 스위치(1320)는 상기 유틸리티(1316)가 상기 정류기(1310)/인버터(1312)를 통하지 않고 직접 전동발전기(1314)를 구동할 수 있도록 한다. 또다른 회전 전원(1322)(예를들면 플라이휠)은 AC/DC컨버터(1324)를 통해 인버터(1312)의 상기 DC입력부에 연결될 수 있다. 그와 같은 구성은 상기 플라이휠(1322)이 위에 기술한 스텝 부하, 소스 스위칭등과 같은 것들을 보상할 수 있도록 해준다. 상기 시스템은 또한 이중 폴 스위치(1326)을 통해 A버스 및 B버스의 양쪽에 연결되어 있는 정류기(1310)와 인버터(1312)의 DC측을 갖는 회전 장치(1309)를 포함한다. 상기 회전 장치는 스위치들(1320, 1326)을 기동시키도록 프로그램될 수 있고, 또는 이러한 동작은 별도의 컨트롤러에 의해 제공될 수도 있다. 상기 전동발전기(1314)의 출력은 위의 다른 실시례에서 기술한 바와 같이 서로 대응(parallel)한다. 이들 전원들은 다른 실시례에서 기술한 바와 같이 임계 부하들에 전력를 공급하기 위해 스위치보드에 전력을 인가한다. 도 17A 내지 도 17D의 시스템은 예비전력시스템을 제공하므로 전체 시스템에 대한 단일 포인트 고장을 제거할 수 있다.
도 18 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시례를 도시한다. 도 18은 연료전지(1402), 천연가스 발생기(1404), 개스 터빈(1406), 증기 터빈(1408) 및 유틸리티(1410)를 포함하는 다양한 전원들을 구비하고 있는 전력 시스템을 도시한다. 도18에 도시된 것 이외에, 다른 전원들도(전력량에 관계없이) 이용될 수 있다. 상기 전원들은 모두 AC/DC 컨버터들(1416)을 통해 제1 DC 버스(1412)와 제2 DC 버스(1414)에 전력을 공급한다. DC 전력을 발생시키는 전원은 상기 DC 버스들과 직접 연결될 수 있고, 또는 DC/DC 컨버터를 통해 상기 DC 버스들과 연결될 수 있음은 물론이다. 상기 DC 버스들의 전압 범위는 그 응용분야에 따라 달라진다. 예를들면 전압의 범위는 상업용 빌딩에서 이용되는 520V 에서 산업용 설비에서 이용되는 20,000V까지이다.
다양한 부하들이 상기 DC버스들(1412, 1414)로부터 전력을 인가 받는다. 480VAC를 필요로 하는 부하는 제1 DC버스(1412)와 제2 DC버스(1414)의 양쪽에 연결된 입력부를 갖는 DC/DC 컨버터(1418)을 통해 연결되어 있다. 13.8KVAC를 필요로하는 부하는 제1 DC버스(1412)와 제2 DC 버스(1414)의 양쪽에 연결된 입력부를 갖는 DC/DC 컨버터(1420)을 통해 전력을 공급 받는다. 48VDC를 필요로 하는 부하(통신장비들과 같은) 들은 제1 DC버스(1412)와 제2 DC버스(1414)의 양쪽에 연결된 입력부를 갖는 DC/DC 컨버터(1422)을 통해 전력을 공급 받는다. 만약 상기 회전장치 또는 컨트롤러에 의해 검출된 DC 버스들(1412, 1414)상의 전압이 설정된 문턱전압 이하로 떨어지면, 회전 플라이휠(1424)와 같은 보조전력공급부는 AC/DC컨버터(1426)을 통해 DC/DC컨버터(1422)의 입력부에 전력을 공급한다. 회전 장치들(1008, 1010)은 도8을 참조하여 기술된 바와 유사한 방법으로 상기 DC 버스들(1412, 1414)에 연결되어 있다. 회전 플라이휠(1016)들과 같은 보조 전원들(1016)은 도8을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 DC 버스 전압이 떨어지는 경우, 회전장치들(1008, 1010)에 전력을 공급한다. 회로 요소들(예를들면 다이오드들)은 플라이휠들(1424, 1016)에 의해 전력이 상기 DC버스들(1412, 1414)에 유입되는 것을 방지한다. 회전장치들(1008, 1010)은 도8을 참조하여 위에 설명한 시스템과 유사하게 스위치보드(1428)을 통해 임계부하에 전력을 공급한다.
도 19는 도18과 유사한 시스템을 도시한다. 그러나 이중 DC 버스들 대신에 단일 DC 버스(1412)를 채택한 것이 특징이다. 단일 DC 버스는 시스템의 비용과 유용성을 모두 떨어뜨린다.
도 20은 본 발명의 다른 실시례를 도시한다. 도 20에서, 회전 플라이휠들(144)과 같은 보조전원들은 AC/DC 컨버터들(1442)를 통해 각 DC버스들(1412, 1414)에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 그리하여, 상기 플라이휠들을 상기 회전장치들(1008, 1010) 또는 고상소자(solid-state device)들(1418, 1420, 1422)의 입력부에 연결시키는 대신에, 상기 DC 버스들에 직접 연결시킨다. 만약 어느 하나의 DC 버스상의 전압이 문턱전압 이하로 떨어지면, 추가적인 전력을 공급하기 위해 상기 플라이휠들을 구동시킨다.
DC버스상의 전압의 검출은 상기 회전 장치들 또는 별도의 컨트롤러에 의해 수행된다.
도 20는 또한 상기 DC 버스들이 DC/AC 컨버터들(1442)을 통해 상기 유틸리티그리드에 전력을 공급할 때의 전력공급경로를 도시한다. 상기 DC 버스들 상의 여분의 전력은 유틸리티그리드와 그 전력을 제공함으로써 보상을 받는 상기 DC 버스의 소유자에게 역으로 인가된다. 뉴잉글랜드 전력 풀(New England Power Pool; NEEPOOL)과 같은 그룹들이 그와 같은 구조를 현재 사용하고 있다.
도 21은 도20과 유사하지만 이중 DC 버스들 대신에 단일 DC 버스를 이용하는 것을 특징으로 하는 또다른 시스템을 도시한다. 단일 DC 버스를 채택함으로써 비용과 함께 시스템의 유용성이 줄어든다.
도 22는 본 발명의 다른 실시례에 따른 전력시스템을 도시한다. 이 시스템은 플라이휠(1504), 발전기들(1506), 유틸리티그리드(1508)등과 같은 다양한 전원들에 의해 전력을 공급 받는 DC 버스(1502)를 포함한다. 다른 전원들 역시 상기 DC 버스(1502)에 연결될 수 있음은 물론이다. 다른 부하들은 DC/AC 컨버터(1510)를 통해 DC 버스(1502)로부터 전력을 공급받는다. 또한 상기 상기 DC버스(1510)에 연결된 것은 전압을 감소시키기 위해 스텝 다운 트랜스포머(1514)에도 연결된 DC/AC컨버터(1510)이다. 도 22에 도시한 실시례에서, 상기 전압은 12,740VAC에서 480VAC, 60Hz로 줄어든다. 트랜스포머(1514)의 출력은 회전 장치(1516)에 인가된다. 상기 회전 장치들(1516)은 두개의 전력 경로중의 하나에 의해 구동되는 전동발전기(1518)를 포함한다. 제2 전력 경로는 정류기(1520)와 인버터(1522)를 포함한다. 다른 전력 경로는 AC/AC컨버터(1524)를 포함한다. 트랜스포머 스위치(1526)는 어떤 전력 경로가 상기 전동발전기(1518)를 구동하도록 할 것인가를 제어한다. 상기 선택된 전력 경로에 따라, 상기 회전 장치(1516)의 출력은 만약 제1 전력 경로가 이용되는 경우에는 400VAC, 50Hz가 되고, 제2 전력 경로가 이용될 경우에는 480VAC, 60Hz가 된다. 이 실시례는 다른 전력 사양을 요구하는 장비를 갖는 설비에 유용하다.
위에 기술한 바와 같이, 다양한 전력조절장치들이 전력을 DC버스로부터 부하로 전송하기 위해 이용될 수 있다. 전동발전기와 같은 회전장치들이 임계 부하에 신뢰성이 높은 전력을 제공하기 위해 DC 버스에 연결될 수 있다. 또 DC/AC 컨버터들 또는 DC/DC 컨버터들과 같은 고상 소자들이 신뢰성이 비교적 낮은 전력을 필요로 하는 부하들에 전력을 제공하기 위해 DC 버스들에 연결될 수 있다. DC 소스들을 병렬로 연결하는 것이 쉽고 단순하기 때문에, 부가적인 전원들은 쉽게 상기 DC 버스에 부가될 수 있다. 부가적인 전원들을 상기 DC 버스에 부가할 수 있고 상기 DC 버스를 다양한 형태의 부하에 연결할 수 있기 때문에, 전력 수요량 변화에 대응할 수 있는 유연한 전력 시스템을 제공할 수 있다.
위에 기술한 바와 같이. 이 명세서에 기재한 전원들은 연료전지에 국한되지않고 마이크로터빈, 터빈, 왕복기관 및 기타 다른 형태의 전원들을 포함하며, 또한 서로 다른 형태의 전원력들이 조합된 것도 포함된다.
바람직한 실시예를 나타내고 설명하였으나, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 이에 대한 다양한 변형 및 대체가 만들어 질수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 예시이며, 이에 한정되지 않는다는 것은 이해될 것이다.

Claims (34)

  1. 제1 전원과;
    상기 제1 전원에 연결된 제1 DC 버스와;
    상기 제1 전원에 연결된 제2 DC 버스와;
    상기 제1 DC 버스 및 상기 제2 DC 버스에 연결된 전력조절장치와;
    상기 전력조절장치로부터 전력을 공급 받는 부하
    를 포함하는 전력시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력조절장치는 회전장치인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전장치는 전동발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전장치는 상기 전동발전기를 구동ㅎ기 위한 제1 전력경로를 포함하고, 상기 제1 DC 버스와 상기 제2 DC 버스는 제1 전력경로에 연결되어 있는 전력시스템
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 전력경로는 정류기 및 인버터를 포함하고, 상기 제1 DC 버스와 상기 제2 DC버스는 상기 정류기와 상기 인버터 사이의 정션(junction)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전장치는 상기 전동발전기를 구동하기 위한 제2 전력경로를 포함하고, 제2 전원은 상기 제2 전력경로에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 전원은 유틸리티인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력조절장치는 고상소자(solid state device)인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력조절장치는 DC/DC컨버터인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 고상소자는 DC/AC컨버터인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 DC 버스 및 상기 제2 DC버스와 벙렬로 연결된 보조전원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조전원은 상기 전력조절장치의 입력부에 직접 연결되어 있고, 회로요소가 전력이 상기 보조전원으로부터 상기 제1 DC버스 및 상기 제2 DC버스로 흐르는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회료 요소는 다이오드인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 DC버스 및 상기 제2 DC버스에 연결된 입력부와, 유틸리티에 연결된 출력부를 갖는 DC/AC 컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전원과 상기 제1 DC버스를 연결하는 AC/DC컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전원과 상기 제1 DC버스를 연결하는 DC/DC컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  17. 제1 전원과;
    상기 제1 전원과 연결된 제1 DC 버스와;
    상기 제1 DC버스와 연결된 전력조절장치와;
    상기 전력조절장치로부터 전력을 공급 받는 부하를 포함하여 구성된 전력시스템
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전력조절장치는 회전장치인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 회전장치는 전동발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 회전장치는 상기 전동발전기를 구동하기 위한 제1 전력경로를 포함하고, 상기 제1 DC버스는 상기 제1 전력경로에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 전력경로는 정류기와 인버터를 포함하고, 상기 제1 DC버스는 상기 정류기와 상기 인버터 사이의 정션에 연결된 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 회전장치는 상기 전동발전기를 구동하기 위한 제2 전력경로를 포함하고, 제2 전원은 상기 제2 전력경로에 연결된 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 전원은 유틸리티인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 전력조절장치는 고상소자인 것을 특징으로 하는 전력시스템
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 고상소자는 DC/DC컨버터인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 고상소자는 DC/AC컨버터인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 DC버스와 병렬로 연결된 보조전원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 보조전원은 상기 전력조절장치의 입력부에 직접연결되어 있고, 회로요소가 전력이 상기 보조전원으로부터 상기 DC버스로 흐르는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 회로요소는 다이오드인 것을 특징으로 하는 전력시스템.
  30. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 DC버스에 연결된 입력부와 유틸리티에 연결된 출력부를 갖는 DC/AC컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  31. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 DC버스와 상기 제1 전원을 연결하는 AC/DC컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  32. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 전원과 상기 제1 DC버스를 연결하는 DC/DC컨버터를 추가로 포함하는 전력시스템.
  33. 전력시스템을 갖는 해상운송수단에 있어서,
    제1 전원과;
    상기 제1 전원에 연결된 제1 DC버스와;
    상기 해상운송수단의 움직임을 알려주는 상기 DC버스에 연결되어 있는 DC구동전동기
    를 포함하여 구성되고,
    상기 DC버스는 상기 제1 전원을 동작시킬 필요가 없도록 하는 부두전원에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 해상운송수단.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제2 전원은 디질 엔진인 것을 특징으로 하는 해상운송수단.
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