KR20130038330A

KR20130038330A - 효율 및 동적 성능이 향상된 하이브리드 발전소

Info

Publication number: KR20130038330A
Application number: KR1020137000009A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 피터 케니쓰 보르게우
Original assignee: 트랜스오션 세드코 포렉스 벤쳐스 리미티드
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2013-04-17
Also published as: CN102939697B; CA2800128C; MX2012014737A; US10389113B2; SG185686A1; US8373949B2; JP2013529057A; CA2800128A1; MY179761A; US20110309677A1; JP2018133995A; AU2011267943B2; EP2583368B1; EP2583368A4; EA201291257A1; ZA201209656B; JP2017023000A; AU2011267943A1; CN102939697A; NZ622064A

Abstract

하이브리드 발전소는 전력 부하에서의 순간적인 변동에 관계없이 발전기들의 실질적으로 일정한 부하를 특징으로 한다. 전력 부하에서의 짧은 변화들은 캐패시터, 배터리, 저항기 또는 이들의 조합과 같은 DC 컴포넌트들에 의해 수용된다. 저항기들은 발전소에서의 부하가 과다 전력을 발생할 때 전력을 소비하는데 사용된다. 캐패시터들은 전력을 저장하여 발전소에서의 부하가 추가 전력을 요구할 때 전력을 공급하는데 사용된다. 발전기들에서 보인 바와 같이 전력 부하에서의 급격한 변화들을 감소시키는 것은 발전기들이 더 높은 효율 및 감소된 배출물로 작동할 수 있게 허용한다. 추가로, 발전기들, 부하들 및 에너지 저장장치들의 조합을 이용하는 발전소들은 동적 성능을 증가시킨다.

Description

효율 및 동적 성능이 향상된 하이브리드 발전소{HYBRID POWER PLANT FOR IMPROVED EFFICIENCY AND DYNAMIC PERFORMANCE}

본 개시내용은 일반적으로 전력 전송 네크웍에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 하나 이상의 AC 또는 DC 전력 발전기로부터 DC 전력 시스템을 작동시키는 것에 관한 것이다. 또한 더 상세히, 본 개시내용은 발전기들에 거의 일정한 부하를 제공함으로써 DC 버스에 연결되었을 때 AC 발전기들의 효율을 개선하는 것에 관한 것이다.

전력 전송 네트웍들은 AC 시스템들, DC 시스템들, 또는 이들 둘의 조합으로 제조될 수 있다. AC 전력 네트웍들은 종래에는 전세계적으로 사용되고 있었다. 그러나, DC 전력 네트웍들은 일정한 장점들을 갖는다. DC 전력 네트웍들은 전력 시스템 내로 리액턴스(reactance)를 도입하지 않기 때문에 디자인 및 실행하기가 더 쉽다. 단지 실제 전력이 전송되기 때문에 DC 시스템들에서 발전기들로부터 더 높은 효율이 달성될 수 있다. 추가로, 추가의 공급원들 또는 부하들이 네트웍에 옮겨질 때 동기화를 필요로 하지 않기 때문에 전력 공급원들의 병행화(parallelization)가 단순하다.

따라서, 발전소들의 부하에서 큰 변동(swings)을 경험하며 신뢰성 있는 작동을 요구하는 전력 네트웍들에서는, DC 시스템들 및 AC 시스템들의 조합이 유리하다. 그러한 전력 네트웍의 한가지 실례는 선상 추진기들(onboard thrusters)을 작동시키기 위해 굴착 플랫폼 또는 선박에서 찾게 된다. 굴착 선박들은 해양에 정박되지 않고 해양에서 필요한 위치를 유지하기 위해 동력학적으로 제어된다. 추진기들은 블레이드들의 가변 회전속도 및 방위각을 가질 수 있는 프로펠러 장치들이다. 추진기들은 굴착 장치의 규정된 허용오차들 내에서 일정한 위치를 유지하는데 사용된다. 이러한 추진기들은 굴착 선박의 선상에 있는 전력 공급원에 의해 작동된다. 전력 공급원의 어떠한 고장은 굴착 장치의 허용오차들을 벗어나는 선박의 변위를 초래할 수 있다. 그러한 경우에, 굴착 장치는 전력 공급원이 회복되고 굴착 선박의 위치가 정정된 후에 기계적으로 분리 및 재결합될 필요가 있었다.

신뢰성 있는 전력 공급원을 촉진하기 위한 한가지 방법은 추진기들 및 다른 구성부품들에 전력을 공급하기 위해 DC 버스를 이용하는 것이다. 그러한 전력 전송 시스템은 도 1에 예시되어 있다. 그러한 시스템에서, 전력 공급원은 일반적으로 AC-DC 변환기(112)와 같은 AC-DC 변환기에 연결된 AC 발전기들로 제조되어 있다. AC-DC 변환기는 AC 발전기들로부터 나오는 전력을 중간 DC 버스에 보낸다. 중간 DC 버스를 이용하는 다른 장치들 뿐만 아니라 굴착 선박의 선상에 있는, 각각의 모터 또는 추진기는 DC-AC 변환기를 통해 중간 DC 버스에 연결되어 있다.

도 1은 다중 AC 전압 발생 시스템들을 다양한 부하들에 연결하는 종래 DC 전압 버스를 예시하는 블록선도이다. 전력 시스템(100)은 발전기(102)들을 포함한다. 발전기(102)들은 아이솔레이터(isolator)(106)들을 통해 AC 버스(104)에 연결된다. 아이솔레이터(106)들은 발전기들이 사용되지 않거나 고장이 났을 때 발전기(102)들을 AC 버스(104)로부터 제거할 수 있게 허용한다. AC 버스(104)는 라인(110)으로 전송하기 위한 전력을 조절하기 위해 변압기(108)에 연결되어 있다. AC-DC 변환기(112)는 라인(110)에 연결되어 있고, 중간 DC 버스(120)상에 출력하기 위해 라인(110)상의 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. DC 버스(120)에는 DC-AC 변환기(130)들이 연결되어 있다. DC-AC 변환기(130)들은 DC 버스(120)상의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하며, 이 AC 전력을 대부분의 장치들이 사용하도록 설계되어 있다. DC-AC 변환기(130)들에 연결되어 있는 라인(132)에 부하들이 접속될 수 있다. 전력 소산장치(134)는 라인(132)에 연결되어 있고, 전력 소산장치(134)는 예를 들어 추진기가 될 수 있다. 추가로, 변압기(135)는 부하(136)를 위한 전력을 조절하기 위해 라인(132)에 연결되어 있다. 부하(136)는 예로서 전구가 될 수 있다.

모터(134)의 다른 실례는 굴착 플랫폼 선상에 있는 유정굴착장치(draw works)가 될 수 있다. 유정굴착장치는 굴착 라인을 풀고 당기는 기계이며, 종래 방식에서는 대직경 강철 스풀(spool), 브레이크들 및 전원을 포함한다. 굴착 라인을 당기는 유정굴착장치의 작동은 선상 발전기들의 완전한 용량을 필요로 할 수 있다. 그러나, 유정굴착장치가 제로 전력을 소비할 수 있는 작동 상태가 있다. 역전 작동시에, 유정굴착장치는 중력이 굴착 라인을 푸는 것을 도와주는 동안 라인(132)상에 뒤로 물러가게 하는 전력을 발생할 수 있다. 전력 부하 변화들은 거의 동시에 발생할 수 있다.

발전기상에서의 부하의 급격한 변화들은 부하에 의해 요구된 전력을 발생하기 위해 발전기가 전력 출력을 증가시키는 것을 요구한다. 디젤 발전기들은 가용한 전력 출력의 작은 범위에서 최적 비율로 연료를 소비하도록 설계되어 있다. 그 수명에 걸쳐 디젤 발전기를 작동시킴으로써 부여되는 디젤 연료 비용은 최고 경비이다. 따라서 조작자는 발전기가 연료 소비에 최적인 전력 출력 범위에서 계속 작동하기를 원한다.

이제 도 2로 돌아가서, 디젤 발전기를 위한 전력 출력 커브를 시험하고 있다. 도 2는 디젤 발전기의 작동을 예시하는 그래프이다. 커브(220)는 다양한 엔진 부하(전력 출력)를 받는 디젤 발전기에서의 연료 소비를 kg/(kw/h)로 표시하고 있다. 정격 출력의 0 내지 100% 의 범위는 kg/(kw/h) 비율의 변동, 또는 연료 소비의 효율을 예시하고 있다. 효율적으로 작동시키기 위해 디젤 발전기상에서 전력 부하의 범위(230)가 유지되어야 한다. 부하가 증가하거나 감소하면, 엔진 연료 소비 및 효율이 변한다.

연료 소비 문제들에 덧붙여, 유해한 배출물을 감소시키는 디젤 발전기들의 스크러버들(scrubbers)은 배출 용량에 민감하다. 급속히 변하는 엔진 전력은 배출물의 유동 속도 및 배출물의 화학적 성분들을 변화시킨다. 스크러버가 배출물의 연속적이고 안정적인 유동을 최적으로 작동시키도록 설계되어 있기 때문에, 전력 부하가 급속하게 변화되면 이미션(emissions) 출력이 최소로 되지 않을 수 있다.

또한, 디젤 발전기의 동적 성능이 제한되어 있다. 즉, 디젤 발전기들은 디젤 발전기상의 증가하는 전력 부하를 충분히 만족시킬 정도로 전력 출력을 신속히 증가시키지 못할 수 있다. 종래 방식에서는, 전력 부하의 증가 비율이 디젤 발전기 전력 출력의 증가 비율을 초과하면 추가의 디젤 발전기들이 온라인상에 장착될 것이다. 디젤 발전기가 효율적으로 작동하지 않으며, 그 결과 연료 소비를 증가시키고 전력 부하가 피크에 도달할 때의 용량을 나타내게 된다.

이제 도 3을 참조하면, 발전기들 및 전력 부하들이 종래 발전소에서 시험될 것이다. 도 3은 종래 발전소(300)에서의 배전(power distribution)을 예시하는 블록선도이다. 발전소(300)는 AC 라인(306)을 통해 배전반(308)에 연결된 AC 발전기(302)를 포함한다. 배전반(308)은 복수의 부하들에 연결되어 있다. 예를 들어, 통상적인 선상 및 굴착 부하들은 AC 라인(310)에 의하여 배전반(308)에 연결된 전력 소산장치(312)로 나타나 있다. 추가로, 배전반(308)은 AC-DC 변환기(318)에 연결되어 있다. AC-DC 변환기(318)는 AC 라인(316) 및 DC 라인(320)에 연결되어 있다. 추가의 부하들이 DC 라인(320)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 라이트(light)(322)가 DC 라인(320) 또는 DC-AC 변환기(324)에 연결될 수 있다. DC-AC 변환기(324)는 전력 소산장치(326)와 같은 추가 AC 부하들에 연결된다. 전력 소산장치(326)는 전술한 바와 같은 유정굴착장치 또는 모터가 될 수 있다. 부하들(312, 322, 326) 각각은 AC 발전기(302)상에서 다른 전력 부하들을 생성한다. AC 발전기(302)의 효과는 이제 시험될 것이다.

도 4a 내지 도 4e는 도 3과 같은 종래 발전소에서 전력 소비를 예시하는 그래프들이다. 도 4a에서 라인(402)은 전력 소산장치(312)에서 전력 소비를 가리킨다. 전력 소산장치(312)와 같은 선상 부하들은 AC 발전기(302)에서 몇 시간(hours)과 같은 장기간 동안 일정한 부하로서 작동한다. 라인(402)은 전력 소비를 가리키는 양(positive)이다. 도 4b에서 라인(404)은 전력 소산장치(326)에서 전력 소비를 가리킨다. 전력 소산장치(326)와 같은 유정굴착장치는 가변 부하로서 작동하고, 이 가변 부하는 AC 발전기(302)에서 몇 밀리초 내에서 신속하게 변할 수 있다. 라인(404)은, 부하가 어떤 시간에 전력을 소비하는 양의 값과 다른 시간에 전력을 생산하는 음의 값 사이에서 변한다. 도 4c에서 라인(406)은 라이트(322)에서 전력 소비를 가리킨다. 라이트(322)는 AC 발전기(302)에서 몇 시간과 같은 장기간 동안 일정한 부하로서 작동한다.

AC-DC 변환기(318)를 통해 전송된 전체 전력은 라인(404)을 라인(406)에 첨가하는 것으로 나타나 있고 그리고 도 4d에서 라인(408)으로 도시되어 있다. 라인(408)은 DC 라인(320)의 시간에 관한 전체 소비 전력이다. AC 발전기(302)에 의해 전송된 전체 전력은 도 4e에서 라인(410)으로 도시되고, 라인들(408, 402)의 총계이다. 종래 발전소(300)에서 AC 발전기(302)에 의해 전송된 전력은 시간에 따라 변한다. 이것은 비효율적인 연료 소비 및 열악한 배출물 스크러빙을 위시하여 상술한 바와 같이 AC 발전기(302)에 의해 전개되는 불필요한 양을 초래한다.

따라서 AC 발전기들에서 실질적으로 일정한 부하를 생산하며 동적 성능을 증가시키는 발전소 디자인이 필요하다.

발전소는, AC 발전기, 상기 AC 발전기 및 DC 버스에 접속된 AC-DC 변환기, 그리고 상기 DC 버스에 접속된 스위치를 포함한다. 발전소는 또한 상기 스위치에 연결된 활성 전력 보상시스템을 포함한다. 상기 활성 전력 보상시스템은 발전소에서 전력 부하 변동을 감소시킨다. 스위치는 DC-DC 변환기를 포함한다. 활성 전력 보상시스템은 전력 소비장치들을 포함할 수 있다. 전력 소비장치들은 저항기들일 수 있다. 또한 발전소는 전력 저장장치들을 포함할 수 있다. 전력 저장장치들은 울트라캐패시터들(ultracapacitors)을 포함한다. 울트라캐패시터들은 하나 이상의 마이크로컨트롤러들에 연결될 수 있다. 하나 이상의 마이크로컨트롤러는 울트라캐패시터들을 조절할 수 있다. 전력 저장장치들은 배터리들 또는 회전기계들을 포함할 수 있다.

발전소에서 발전기의 전력 부하의 변동을 감소시키는 방법은, 발전기의 전력 부하가 제1레벨보다 낮을 때 일정한 시간 동안 상기 발전기와 전력 소비장치 사이에 전력의 경로를 만드는(routing) 단계를 포함한다. 전력 소비장치는 저항소자를 포함할 수 있다. 제1레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초할 수 있다.

발전기를 갖는 발전소에서 전력 부하의 변동을 감소시키는 방법은, 발전소의 전력 부하가 제1레벨보다 낮을 때 일정한 시간 동안 에너지 저장장치와 상기 발전기 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 포함한다. 상기 에너지 저장장치는 발전소에 의해 공급된 에너지를 저장한다. 에너지 저장장치는 적어도 하나의 울트라캐패시터를 포함할 수 있다. 에너지 저장장치는 적어도 하나의 배터리를 포함할 수 있다. 제1레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초할 수 있다. 또한 이 방법은 발전소의 전력 부하가 제2레벨보다 높을 때 일정한 시간 동안 발전기와 에너지 저장장치 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 추가로 포함한다. 상기 제2레벨은 상기 제1레벨보다 높을 수 있다. 에너지 저장장치는 발전소에 전력을 전송할 수 있다. 제2레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초하여 선택될 수 있다. 또한 이 방법은 발전소상의 전력 부하가 제3레벨보다 낮을 때 일정한 시간 동안 발전기와 전력 소비장치 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 포함한다. 제3레벨은 제1레벨보다 낮을 수 있다. 제3레벨은 부분적으로 에너지 저장장치의 용량에 기초하여 선택될 수 있다.

발전소는 상기 발전소의 전력 부하를 만족시키기 위해 전력을 발생하는 수단을 포함한다. 또한 발전소는 상기 발전소의 전력 부하의 변동을 감소시키는 수단을 포함한다. 변동을 감소시키는 수단은 에너지를 소비하는 수단을 포함할 수 있다. 변동을 감소시키는 수단은 에너지를 저장하는 수단을 포함할 수 있다.

상기 설명은 아래의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록 본 개시내용의 특징들 및 기술적 이점들을 보다 넓게 대략적으로 보여주고 있다. 추가의 특징들 및 이점들은 본 개시의 청구항들의 주제를 형성하며 이하에 설명될 것이다. 기술에 숙련된 자들은 개시된 개념 및 특정 실시예들이 본 개시의 동일한 목적들을 실시하기 위해 다른 구조물들을 변경 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 활용될 수 있음을 인식해야 한다. 또한 기술에 숙련된 자들은 그러한 동등한 구조들은 첨부된 청구범위에서 설명한 바와 같이 개시내용의 기술로부터 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다. 그 구조화(organization) 및 작동 방법에 대하여, 개시내용의 특성이라고 믿어지는 신규한 특징들은 추가의 목적들 및 이점들과 함께, 첨부 도면들을 참고하여 생각할 때 아래 설명으로부터 용이하게 이해될 것이다. 그러나 각각의 특징은 예시 및 설명의 목적만으로 제공되어 있으며 본 개시내용을 제한하는 정의로서 의도되어서는 안 된다는 것을 분명하게 이해해야 한다.

본 발명을 더욱 완전하게 이해하기 위해 이제 첨부 도면과 연결하여 아래 설명을 참고하기로 한다.
도 1은 다중 AC 전압 발생 시스템들을 다양한 부하들에 연결하는 종래 DC 전압 버스를 예시하는 블록선도이다.
도 2는 디젤 전력 발전기의 작동을 예시하는 그래프이다.
도 3은 종래 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3과 같은 종래 발전소에서 전력 소비를 예시하는 그래프들이다.
도 5는 하나의 실시예에 따라 재생된 에너지를 소비하기 위해 전력 소산장치들을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다.
도 6a 내지 도 6f는 하나의 실시예에 따라 재생된 에너지를 소비하기 위해 저항기들을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다.
도 7은 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다.
도 8a 내지 도 8g는 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상을 갖는 예시적 발전소에서의 전력 소비를 예시하는 그래프들이다.
도 9a 내지 도 9g는 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상 및 용량 제한형 에너지 저장장치를 갖는 예시적 발전소에서의 전력 소비를 예시하는 그래프들이다.
도 10은 하나의 실시예에 따라 예시적 활성 전력 보상시스템을 예시하는 블록선도이다.

발전소에서 발전기상의 부하의 변동을 감소하는 것은 전력 부하들이 변동성(volatile)이 있을 때 단기간 동안 전력을 소산하는 장치들을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 배열구조에서, 발전기는 더 높은 출력에서 계속 작동할 수 있는 반면, 전력 소산장치들은 약간의 부하들에 의해 발생된 전력을 제거한다. 부하들에 의해 발생된 에너지를 제거하기 위한 전력 소산장치들이 없으면, 발전기들은 전력 출력을 감소할 것이며 다른 부하들이 재생된 전력을 흡수하도록 허용할 것이다.

도 5는 하나의 실시예에 따라 재생된 에너지를 소비하기 위해 전력 소산장치들을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다. 하이브리드 발전소(500)는 AC 라인(506)을 통해 배전반(508)에 연결된 AC 발전기(502)를 포함한다. 배전반(508)은 AC 라인(506) 및 AC 라인(510)에 연결되어 있다. 전력 소산장치(512)는 AC 라인(510)에 연결되어 있다. 전력 소산장치(512)는 예를 들어 선상 부하들을 대표할 수 있다. 또한 배전반(508)은 AC 라인(516)을 통해 AC-DC 변환기(518)에 연결되어 있다. AC-DC 변환기(518)는 전력을 DC 라인(520)에 공급한다. 라이트(522)는 DC 라인(520)에 연결된다. 추가로, DC-AC 변환기(524)는 전력 소산장치(526) 및 DC 라인(520)에 연결된다. 전력 소산장치(526)는 상술한 유정굴착장치가 될 수 있다. 덧붙여, DC-DC 변환기(532)는 전력 소산장치(534)를 DC 라인(520)에 연결시킨다. 전력 소산장치(534)는 에너지를 소산할 수 있는 어떠한 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 전력 소산장치(534)는 저항기, 가변 저항기, 워터브레이크(waterbrake), 또는 상술한 장치들의 조합이 될 수 있다. 부하들(512, 522, 526, 534)로부터 AC 발전기(502)상에서의 전력 수요를 이제 검사할 것이다.

도 6을 참조하여, 하이브리드 발전소(500)상의 다양한 위치들에서 부하들을 검사한다. 도 6a 내지 도 6f는 하나의 실시예에 따라 재생된 에너지를 소비하기 위해 저항기들을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다. 도 6a에서의 라인(602)은 전력 소산장치(512)에서 전력 소비를 가리킨다. 전력 소산장치(512)와 같은 선상 부하들은 발전소에서 장기간 동안 일정한 부하로서 작동한다. 도 6c에서의 라인(606)은 라이트(522)에서 전력 소비를 가리킨다. 라이트(522)는 하이브리드 발전소(500)에서 장기간 동안 일정한 부하로서 작동한다. 도 6b에서의 라인(604)은 전력 소산장치(526)에서 전력 소비를 가리킨다. 전력 소산장치(526)와 같은 유정굴착장치는 밀리초 간격만큼 작은 시간에 따라 신속하게 변하는 전력 부하를 갖는다. 전력 소산장치(526)의 경우, 전력 부하는 어떤 시간에서는 양의 값이고 다른 시간에서는 음의 값이다. 라인(604)의 양의 부분 동안, 전력 소산장치(526)는 전력을 소비하고; 라인(604)의 음의 부분 동안 전력 소산장치(526)는 전력을 발전소로 전송한다.

전력 소산장치(526)가 하이브리드 발전소(500)로 전력을 전송할 때 일정한 시간 동안 AC 발전기(502)는 재생된 전력을 수용하기 위해 전력 출력을 감소시킬 것이다. 전술한 바와 같이, AC 발전기(502)는 그 전력 출력이 급속히 감소되거나 변화할 때 효율을 상실한다. 따라서 전력 소산장치(534)는 DC 라인(520)상의 과다 전력을 소비하기 위해 DC-DC 변환기(532)에 의해 켜질 수 있다. 이것은 AC 발전기(502)가 거의 일정한 전력 출력에서 계속 작동하도록 허용한다. 도 6d의 라인(608)은 전력 소산장치(534)에 의한 전력 소비를 가리킨다. 라인(608)은 전력 소산장치(534)가 다만 전력을 소비할 수만 있기 때문에 양의 값이다. DC-DC 변환기(532)는 하이브리드 발전소(500)에 추가의 전력 소비를 추가하는 것이 유익하였을 시간에 켜진다. 하나의 실시예에 따라서, 라인(608)은 라인(604)이 음의 값인 시간 동안에 라인(604)과 실질적으로 동일한 크기의 전력 소비를 대표한다. 따라서 전력 소산장치(534)는 전력 소산장치(526)에 의해 발생된 전력을 소비한다. DC-DC 변환기(532)는 하이브리드 발전소(500)상의 다른 부하들의 조건에 따라 더 긴 시간 또는 더 짧은 시간 동안 켜질 수 있다.

AC-DC 변환기(518)을 통해 전송된 전체 전력은 도 6e에서 라인(610)으로 나타나 있다. 라인(610)은 라인들(604, 606, 608)의 총계이다. AC 발전기(502)에 의해 전송된 전체 전력은 도 6f에서 라인(612)으로 나타나 있다. 라인(612)은 라인들(610, 602)의 총계이다. 라인(612)은 하이브리드 발전소(500)상의 부하가 전력 소산장치를 실행하지 않는 도 4e의 라인(410)의 부하보다 더 좁은 범위로 제한되어 있음을 가리킨다. 예를 들어, 라인(612)은 1MW의 최소값을 갖는 반면, 라인(410)은 0 MW의 최소값을 갖는다. 전력 소산장치(534) 및 DC-DC 변환기(532)의 첨가는 하이브리드 발전소(500)에서 부하들 중 하나가 전력을 발생시킬 때 AC 발전기(502)의 전력 출력 감소를 제한한다. AC 발전기(502)의 가장 비효율적인 작동 범위는 낮은 전력 출력에서 일어나고, 따라서 하이브리드 발전소(500)에서 AC 발전기(502)의 효율은 낮은 전력 부하들에서 AC 발전기(502)를 작동시키지 않음으로써 개선된다.

발전소는 부하들에 의한 에너지가 소산되는 대신에 저장되어 차후에 전력 수요가 증가할 때 사용될 수 있다면 효율을 증가시키도록 추가로 응용될 수 있다. 그 결과, 발전소에서의 부하의 증가는 저장된 에너지의 방전을 초래하여 AC 발전기가 거의 일정한 엔진 전력 부하에서 계속 작동하도록 허용한다. 발전소에서의 조건들에 의존하여 에너지를 저장하고 전송하기 위한 시스템은 활성 전력 보상 시스템이라고 칭한다.

도 7은 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상을 갖는 예시적 발전소에서의 배전을 예시하는 블록선도이다. 하이브리드 발전소(700)는 DC-DC 변환기(742)를 통해 DC 라인(520)에 연결된 에너지 저장장치(744)를 포함한다. 에너지 저장장치(744)는 추가의 전력이 DC 라인(520)으로 전송되어야 할 때 DC-DC 변환기(742)에 의해 켜질 수 있다. 에너지 저장장치(744)는 또한 에너지가 에너지 저장장치(744)에 의해 저장될 수 있도록 과다 전력이 DC 라인(520)으로 전송될 때 때때로 켜질 수 있다. 에너지 저장장치(744)는 스프링 텐션(spring tension), 연료전지. 플라이휠, 캐패시터, 가변 캐패시터, 울트라캐패시터, 배터리, 또는 상술한 장치들의 조합을 위시하여 어떠한 에너지 저장장치가 될 수 있으며, 이들로 제한하지 않는다. 에너지 저장장치(744)에 추가하여, 하이브리드 발전소(700)는 하나의 실시예에서 또한 DC-DC 변환기(532)에 연결된 전력 소산장치(534)를 포함할 수 있다.

이제 도 8로 돌아가서, 다양한 위치들에서 하이브리드 발전소(700)상의 부하를 검사할 것이다. 도 8a 내지 도 8g는 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상을 갖는 예시적 발전소에서의 전력 소비를 예시하는 그래프들이다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c의 각각의 라인(602, 604, 606)은 도 6의 라인들과 동일하다. 도 8e의 라인(809)은 에너지 저장장치(744)의 전력 부하를 가리킨다. 라인(809)은 라인(604)과 실질적으로 동일한 크기이지만 극성은 반대이다. 라인(809)은 라인(604)의 거울상이다. 에너지 저장장치(744)는 과다 전력 발생의 기간 동안 에너지를 저장하고, 전력 발생 부족의 기간 동안 에너지를 전송한다. 그 결과, AC 발전기(502)상의 전력 부하의 변동이 감소된다. 이러한 감소는 전력 소산장치(526)가 전력을 소비하는 동안 에너지 저장장치(744)가 그 전력을 다시 하이브리드 발전소(700)로 전송한 결과이다. 도 8d의 라인(808)은 전력 소산장치(534)상의 전력 부하를 가리킨다. 하이브리드 발전소(700)에서 AC-DC 변환기(518)에서의 전력 부하는 도 8f에서 라인(810)으로 나타나 있다. 라인(810)은 라인들(808, 809, 606, 604)의 총계이며 실질적으로 일정한 값이다. 도 8g의 라인(812)은 AC 발전기(502)상의 전체 전력 부하를 가리키며, 라인들(810, 602)의 총계이고, 또한 거의 일정한 값이다.

따라서, 에너지 저장장치(744)의 사용은 AC 발전기(502)상의 가변 전력 부하의 효과들을 감소시킨다. 에너지 저장장치(744)는 전력 소산장치(526)의 전력 부하 및 하이브리드 발전소(700)의 다른 부하들의 변화에 적응할 수 있다. AC 발전기(502)상의 거의 일정한 전력 부하는 AC 발전기(502)의 가장 효율적인 작동 영역에서 계속적으로 작동하도록 허용한다. 추가로, 에너지 저장장치(744)는 하이브리드 발전소(700)의 동적 성능을 증가시킨다. 증가하는 전력 부하에 반응하는 AC 발전기(502)는 증가하는 전력 부하에 일치하도록 충분히 신속하게 출력을 증가시키지 못할 수 있다. 에너지 저장장치(744)는 증가하는 전력 부하에 대해 더 짧은 반응 시간을 가지며 추가의 전력을 전송할 수 있는 반면, AC 발전기는 하이브리드 발전소(700)상의 전력 부하에 일치하도록 출력을 증가시킨다. 하나의 실시예에 따라, 에너지 저장장치(744)를 갖는 하이브리드 발전소(700)의 개선된 동적 성능은 AC 발전기가 실질적으로 일정한 전력 출력을 유지하도록 허용한다.

전력 소산장치(534)는 하나의 실시예에서, 전력 소산장치(526)에 의한 전력 발생이 에너지 저장장치(744)의 용량을 초과할 때 전력을 소비하는데 사용된다. 도 9a 내지 도 9g는 하나의 실시예에 따라 활성 전력 보상 및 용량 제한형 에너지 저장장치를 갖는 예시적 발전소에서의 전력 소비를 예시하는 그래프들이다. 도 9e의 라인(909)은 에너지 저장장치(744)에서의 전력을 대표한다. 하나의 실시예에 따라, 에너지 저장장치(744)는 1 megaJoule의 에너지 용량을 갖는다. 라인(604)의 전력 소비 동안, 라인(909)은 에너지 저장장치(744)가 전력을 공급하고 있음을 가리키는 음의 값이다. 라인(604)의 전력 발생 동안, 라인(909)은 에너지 저장장치(744)가 전력을 저장하고 있음을 가리키는 양의 값이다. 에너지 저장장치(744)가 시간 t2에서 최대 에너지 용량에 도달할 때, 전력 소산장치(534)는 AC 발전기(502)상에 실질적으로 일정한 부하를 유지하기 위해 부하(526)로부터 재생된 전력을 흡수하도록 결합할 것이다. 에너지 저장장치(744)의 실제 에너지 용량은 예시된 실시예로부터 변할 수 있다. 도 9d의 라인(908)은 에너지 저장장치(744)가 용량 근처에 있는 시간의 일부 동안 전력 소산장치(534)가 전력을 소비하는 것을 가리킨다. 그 결과 배전반(508)의 총계(summation)는 도 8과 동일한 전력 부하를 산출한다.

도 10은 하나의 실시예에 따라 예시적 활성 전력 보상시스템을 예시하는 블록선도이다. 활성 전력 보상 시스템(1000)은 에너지를 저장하여 하이브리드 발전소(700)로 에너지를 전송하는데 사용될 수 있다. 입력 라인(1012)은 활성 전력 보상 시스템을 발전소에 연결시키는데 사용된다. 활성 전력 보상 시스템(1000)은 전력 저장장치들의 다수의 칼럼들(columns)(1034)을 포함한다. 각각의 칼럼(1034)은 에너지 저장장치(1042)들을 포함한다. 에너지 저장장치(1042)들은 예를 들어, 울트라캐패시터, 캐패시터, 배터리, 또는 플라이휠이 될 수 있다. 에너지 저장장치(1042)들은 필요한 전압을 얻기 위해 직렬로 적층되고, 필요한 현재 또는 최적 에너지 밀도를 얻기 위해 칼럼들(1034)로 적층된다. 에너지 저장장치(1042)들은 충전 및 방전 활동을 조절하기 위해 마이크로컨트롤러(1044)들에 의해 제어된다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러(1044)은 결함이 있거나 손상된 전력 저장장치(1042)들을 칼럼들(1034)로부터 분리할 수 있다.

선상 부하들을 위시하여 굴착 선박을 위한 하이브리드 발전소의 실례는 상기 실시예에서 보여주었다. 그러나, 개시한 바와 같은 발전소들은 다수의 다른 응용예에서 사용하도록 응용될 수 있다. 추가로, 발전소들은 AC 또는 DC 발전기들 및 부하들을 포함할 수 있다. 도면들에 도시된 바와 같은 AC-DC, DC-AC, 및 DC-DC 변환기들은 일방향 또는 양방향으로 될 수 있다. 기술에 숙련된 자는 특별한 발전소의 부하 형태 및 특성들(즉, DC 부하 또는 AC 부하)에 의존하여 예로서 AC-DC 변환기 대신에 DC-AC 변환기로 대체할 수 있다.

본 발명 및 그 이점들이 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 규정한 바와 같은 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한, 변화, 대체 및 변경이 여기에 만들어질 수 있음을 이해할 것이다. 더구나, 본원의 범위는 명세서에 설명된, 프로세스, 기계, 제작법, 물질의 구성, 수단, 방법들 및 단계들의 특별한 실시예들로 제한할 의도는 없다. 기술에 숙련된 자가 본 발명, 개시내용, 기계, 제작법, 물질의 구성, 수단, 방법, 또는 단계들을 용이하게 이해함에 따라, 여기에 설명된 대응 실시예들과 동일한 기능을 실행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 또는 차후에 개발될 것이 본 개시내용에 따라 활용될 수 있다. 이에 따라, 첨부된 청구범위는 그 범위 내에서 그러한 프로세스, 기계, 제작법, 물질의 구성, 수단, 방법들 및 단계들을 포함하도록 의도되어 있다.

Claims

발전소로서,
AC 발전기;
상기 AC 발전기 및 DC 버스에 연결된 AC-DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결된 스위치; 및
상기 스위치에 연결된 활성 전력 보상시스템을 포함하고; 상기 활성 전력 보상시스템은 상기 발전소에서 전력 부하 변동들을 감소시키는, 발전소.
제1항에 있어서,
상기 스위치는 DC-DC 변환기를 포함하는 발전소.
제1항에 있어서,
상기 활성 전력 보상시스템은 상기 발전소에서의 부하가 감소될 때 전력을 소비하도록 전력 소비장치들을 포함하는 발전소.
제3항에 있어서,
상기 전력 소비장치들은 저항기들인, 발전소.
제3항에 있어서,
상기 활성 전력 보상시스템은 상기 발전소에서의 부하가 증가될 때 에너지를 공급하도록 적어도 하나의 에너지 저장장치를 포함하는 발전소.
제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 에너지 저장장치는 울트라캐패시터(ultracapacitor), 캐패시터, 배터리, 및 플라이휠(fly wheel) 중 적어도 하나를 포함하는 발전소.
제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 에너지 저장장치는 하나 이상의 마이크로컨트롤러들에 연결되고, 상기 하나 이상의 마이크로컨트롤러들은 상기 적어도 하나의 에너지 저장장치를 조절하는, 발전소.
발전소에서 발전기의 전력 부하의 변동들을 감소시키는 방법으로서,
상기 발전기의 실질적으로 일정한 전력 출력을 유지하기 위해 상기 발전기의 전력 부하가 제1레벨보다 낮을 때 일정한 시간 동안 상기 발전기와 적어도 하나의 전력 소비장치 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전력 소비장치는 저항소자, 가변성 저항소자 및 워터브레이크(water break) 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초하는, 방법.
발전소에서 발전기의 전력 부하의 변동들을 감소시키는 방법으로서,
상기 발전기의 전력 부하가 제1레벨보다 높을 때 일정한 시간 동안 에너지 저장장치와 상기 발전기 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 포함하고, 상기 에너지 저장장치는 상기 발전기의 실질적으로 일정한 전력 출력을 유지하기 위해 상기 발전소에 에너지를 공급하는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 울트라캐패시터, 캐패시터, 배터리 및 플라이휠 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초하는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 발전소의 전력 부하가 제2레벨보다 낮을 때 일정한 시간 동안 상기 발전기와 상기 에너지 저장장치 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제2레벨은 상기 제1레벨보다 작고, 상기 에너지 저장장치는 상기 발전기의 실질적으로 일정한 전력 출력을 유지하기 위해 상기 발전소로부터 나오는 에너지를 저장하는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 제2레벨은 부분적으로 상기 발전기의 연료 효율에 기초하여 선택되는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 에너지 저장장치의 에너지 용량이 실질적으로 충만할 때 일정한 시간 동안 상기 발전기와 전력 소비장치 사이에 전력의 경로를 만드는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
발전소로서,
상기 발전소의 전력 부하를 만족시키기 위해 전력을 발생하는 수단; 및
상기 발전소의 전력 부하의 변동을 감소시키는 수단을 포함하는, 발전소.
제17항에 있어서,
상기 변동을 감소시키는 수단은 전력을 소비하는 수단을 포함하는 발전소.
제18항에 있어서,
상기 변동을 감소시키는 수단은 에너지를 저장하는 수단을 추가로 포함하는 발전소.