KR20150011301A - 선박용 전력관리장치 - Google Patents

선박용 전력관리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박용 전력관리장치에 관한 것으로서, 연료전지의 느린 응답특성을 개선하기 위한 전력계통을 구성함에 있어, 부하의 변동에 따른 출력전압의 신뢰성을 확보하고 설비 용적을 최소화할 수 있도록 하는 본 발명의 실시예에 따르면, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지와; 상기 연료전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압시키는 단방향 DC-DC 컨버터와; 상기 단방향 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되어 직류를 교류로 변환하여 전동기에 전원을 제공하는 인버터와; 상기 단방향 DC-DC 컨버터와 상기 인버터 사이에 병렬 연결되어 상기 연료전지의 공급전력과 상기 전동기의 수요전력 차이만큼의 전력을 보전하는 축전지와; 상기 축전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압 또는 감압시켜 상기 축전지를 방전 또는 충전시키는 양방향 DC-DC 컨버터; 및 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 작동을 제어하기 위한 일정 규칙의 알고리즘이 내장된 제어부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 따른 본 발명은, 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 연료전지의 느린 응답특성을 용이하게 보완할 수 있게 되므로 부하의 변동에 따른 출력전압의 신뢰성을 확보하여 연료전지의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터를 적용하여 최소 규모의 축전지로 설비 용적을 최소화할 수 있으므로 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

선박용 전력관리장치{POWER CONTROL DEVICE FOR SHIP}
본 발명은 선박용 전력관리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지, 축전지, 재생에너지의 출력 특성을 운전환경에 적합하게 운영하여 충전 및 방전(출력) 상태를 최적으로 관리할 수 있도록 하는 선박용 전력관리장치에 관한 것이다.
선박용 전력관리시스템은 재생에너지, 연료전지, 축전지를 부하의 변동에 따라 능동적으로 대응한다. 이러한 전력관리시스템의 재생에너지는 발전되는 전력을 축전지로 공급하고, 축전지는 연료전지의 느린 응답특성을 보완하기 위해 이용되며, 연료전지는 선박의 주전력공급원으로 이용된다.
한편, 연료전지는 전기화학적 에너지 변환장치로, 연료인 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환한다.
이와 같은 연료전지를 사용하는 선박의 전력계통은, 도1에 도시된 바와 같이, 연료전지와 DC/DC 컨버터, 인버터와 추진전동기, 선내 설비, 중앙제어기기, 제어기에 전력을 공급하는 DC/DC 컨버터, 교류 선내 전원에 전력을 공급하는 DC/AC 컨버터, 육상전원을 통해 연료전지 선박에 설치되는 소형 축전지를 충전할 수 있는 육상전원 입력부로 구성되어 있다.
일반적으로 연료전지는 선내 수용전력에 따라 일정하게 전력을 발전하지만, 선내 수요전력은 연료전지의 발전전력량 변화보다 빠르게 변화한다. 도2는 연료전지의 I-P 곡선 그래프이고, 도3은 수요전력에 따른 발전전력의 변화를 나타내는 그래프이다.
이러한 연료전지의 느린 응답특성은 연료전지 선박의 부하에서 요구되는 수요 전력이 급변할 경우 발전전력이 수요 전력을 충족할 때까지의 시간차를 발생시킨다. 즉, 연료전지는 특성상 부하의 추종이 느려 부하가 급변할 경우 급변하는 만큼의 부하를 따라가지 못해 장비의 고장 및 손상을 발생시킬 우려가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0104770호 '선박용 전원 공급 시스템'이 제안된 바 있다.
상기 종래의 선박용 전원 공급 시스템은, 연료전지시스템; 상기 연료전지시스템의 느린 부하 추종 성능을 보완하기 위해 배터리 또는 부하기로 구성되는 전력추종장치; 및 상기 연료전지시스템으로부터 생산된 전력을 선박의 각소에 분배하는 배전반을 포함한다.
이와 같은 종래의 선박용 전원 공급 시스템은 연료전지와 선박 전력 계통 사이에 전력추종장치를 설치하여 연료전지시스템을 안전하게 운용할 수 있도록 하고, 고효율 장비인 연료전지시스템의 적용으로 인한 연료비를 절감할 수 있도록 한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 선박용 전원 공급 시스템은, 배터리 또는 부하기로 이루어지는 전력추종장치가 도4에 도시된 바와 같이 구성될 경우, 전력변환장치의 전위를 맞추기 위해 다수의 배터리를 직렬로 연결해야 한다. 이에 따라, 설비의 과다 용적, 장기간 사용시 발생하는 셀 간의 전압 불균형 발생 등 신뢰성 및 비용 측면에서 문제가 발생한다. 또한, 배터리 특성상 충전과 방전 동작이 원활하지 않아 배터리의 제어가 어려우며 연료전지의 이용 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
KR 10-2012-0104770 A KR 10-1117306 B1
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 연료전지의 느린 응답특성을 개선하기 위한 전력계통을 구성함에 있어, 부하의 변동에 따른 출력전압의 신뢰성을 확보하고 설비 용적을 최소화할 수 있도록 하는 선박용 전력관리장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지와; 상기 연료전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압시키는 단방향 DC-DC 컨버터와; 상기 단방향 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되어 직류를 교류로 변환하여 전동기에 전원을 제공하는 인버터와; 상기 단방향 DC-DC 컨버터와 상기 인버터 사이에 병렬 연결되어 상기 연료전지의 공급전력과 상기 전동기의 수요전력 차이만큼의 전력을 보전하는 축전지와; 상기 축전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압 또는 감압시켜 상기 축전지를 방전 또는 충전시키는 양방향 DC-DC 컨버터; 및 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 작동을 제어하기 위한 일정 규칙의 알고리즘이 내장된 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력관리장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 축전지와 상기 양방향 DC-DC 컨버터 사이에 병렬 연결되는 재생에너지 발전장치를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 재생에너지 발전장치에서 생성된 전력은 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 감압 동작시 상기 축전지에 충전되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 이상으로 증가하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 승압 모드로 제어하여 상기 축전지를 방전시키고, 상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 미만으로 감소하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 감압 모드로 제어하여 상기 축전지를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 연료전지의 느린 응답특성을 용이하게 보완할 수 있게 되므로 부하의 변동에 따른 출력전압의 신뢰성을 확보하여 연료전지의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 양방향 DC-DC 컨버터를 적용하여 최소 규모의 축전지로 설비 용적을 최소화할 수 있으므로 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
도1은 일반적인 연료전지 선박의 전력계통도를 도시하는 블록도이고,
도2는 연료전지의 I-P 곡선을 나타내는 그래프이고,
도3은 수요전력에 따른 발전전력의 변화를 나타내는 그래프이고,
도4는 종래의 선박용 전원 공급 시스템을 나타내는 블록도이고,
도5는 본 발명의 실시예에 따른 선박용 전원관리장치를 나타내는 블록도이고,
도6은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 전원관리장치가 적용된 전력계통도를 설명하기 위한 제1예시도이고,
도7은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 전원관리장치가 적용된 전력계통도를 설명하기 위한 제2예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 선박용 전력관리장치는, 도5에 도시된 바와 같이, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압시키는 단방향 DC-DC 컨버터(20)와, 상기 단방향 DC-DC 컨버터(20)의 출력단에 연결되어 직류를 교류로 변환하여 전동기(90)에 전원을 제공하는 인버터(30)와, 상기 단방향 DC-DC 컨버터(20)와 상기 인버터(30) 사이에 병렬 연결되어 상기 연료전지(10)의 공급전력과 상기 전동기(90)의 수요전력 차이만큼의 전력을 보전하는 축전지(40)와, 상기 축전지(40)의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압 또는 감압시켜 상기 축전지(40)를 방전 또는 충전시키는 양방향 DC-DC 컨버터(50), 및 상기 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 작동을 제어하기 위한 일정 규칙의 알고리즘이 내장된 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 연료전지(fuel cell)(10)는 수소 또는 메탄올 등의 연료가 산화할 때 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로, 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 통상의 배터리와 비슷하지만 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받으므로 배터리와는 달리 충전이 필요 없고, 연료가 공급되는 한 전기를 지속적으로 발생시킨다. 즉, 한 번 쓰고 버리는 1차 전지나 여러 번 재충전이 가능한 2차 전지와는 달리, 별도의 전원 충전 없이 연료 카트리지를 계속 교체하는 한 영구적으로 사용할 수 있는 저공해, 고효율의 차세대 에너지원으로, 일반적인 전지와는 명확히 구분되어야 하는 것은 자명하다.
상기 단방향 DC-DC 컨버터(20)는 상기 연료전지(10)에서 생성되는 낮은 전압(본 실시예에서는 94V)의 전력원을 인버터에서 요구하는 높은 전압(본 실시예에서는 270V~340V)의 전력원으로 승압시키는 역할을 수행한다. 이때 상기 단방향 DC-DC 컨버터(20)는 전압 제어를 위해 펄스폭변조(PWM) 방식을 이용할 수 있다. 특히. 상기 연료전지(10)의 출력단에 단방향 DC-DC 컨버터(10)가 연결되는 것은 역전류를 방지하여 전력을 부하로만 공급되게 하기 위해서이다.
본 발명에서의 DC-DC 컨버터는 어떤 전압의 직류전원에서 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전자회로 장치를 말하며, 넓은 뜻으로는 직류발전기를 기계적으로 결합한 것도 포함된다. 이와 같은 DC-DC 컨버터를 사용하는 이유는 직류에서 변압기를 사용할 수 없기 때문이다. 이러한 DC-DC 컨버터는 직류전원에서 발진회로에 의해 전력용량이 큰 교류를 발생시켜 변압기를 통해 다른 전압의 교류로 변환하고, 다시 정류해서 직류를 얻는다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 수십~수백[Watt/min]의 매우 낮은 응답속도를 가지는 연료전지(10)를 보완하기 위한 축전지(40)의 충전 및 방전을 용이하게 제어하기 위한 것으로, 상기 축전지(40)의 충전 및 방전은 사용자가 지정한 전압 범위 내에서 이루어질 수 있다. 이러한 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 연료전지(10)의 초기 기동시 승압 동작으로 축전지(40)를 방전시켜 전동기의 동작에 필요한 전력을 공급한다. 그리고 연료전지(10)가 전동기(90)의 수요전력을 충족할 수 있을 만큼의 발전량을 낼 경우 감압 동작으로 축전지(40)를 충전한다.
한편, 상기 축전지(40)와 상기 양방향 DC-DC 컨버터(50) 사이에는 재생에너지 발전장치(60)가 병렬 연결될 수 있으며, 이러한 재생에너지 발전장치(60)는 해상 환경에 적합한 발전 방식으로 전력을 생산하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 감압 동작시 상기 축전지(40)를 충전시킬 수 있도록 한다.
상기 제어부는 전력관리장치를 이루는 대부분의 구성을 전기적 신호로 제어할 수 있으며, 통상의 단말기 형태로 사용자에 의해 조작되거나 칩 형태로 내장된 형태일 수 있다. 이러한 제어부에는 기억소자가 장착되어 있어 알고리즘이 프로그램 형태로 저장된다.
여기서, 상기 제어부에 내장된 알고리즘에 따르면, 상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 이상으로 증가하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 승압 모드로 제어하여 상기 축전지를 방전시키고, 상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 미만으로 감소하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 감압 모드로 제어하여 상기 축전지를 충전시킨다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 전원관리장치가 적용된 전력계통도를 설명하기 위한 제1예시도이며, 선박 내 부하가 일정할 경우를 나타낸다.
도6을 참조하면, 연료전지를 사용하는 선박 부하는 전력계통은 전동기를 구동하기 위한 인버터부, 직류를 이용하는 직류전원부, 교류를 이용하는 교류전원부로 구분될 수 있다. 선박 내 부하가 일정할 경우는 전동기의 추진 속도가 일정하기 때문에 인버터의 수요 전력량이 일정하며, 교류 및 직류를 이용하는 수요 전력량도 일정한 상태이다. 따라서 전력공급원으로서의 연료전지는 단독으로 일정한 전력을 공급할 수 있는 형태이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 전원관리장치가 적용된 전력계통도를 설명하기 위한 제2예시도이며, 선박 내 부하가 일정하기 않은 경우를 나타낸다.
도7을 참조하면, 선박의 추진 속도의 변화에 따라 선박 내 부하가 일정하지 않게 변화하게 되는데, 연료전지의 느린 응답특성 때문에 연료전지는 선박의 선내 부하를 충족할 때까지 축전지에서 부족한 수요전력을 충족시키는 형태를 취한다.
상술한 바에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 알고리즘은 연료전지를 사용하는 선박의 운항 상태에 따라 동작하며, 선박의 부하가 변화하지 않는 상황과 급변하는 상황으로 구분된다.
선박이 정박 등의 이유로 일정한 부하가 요구되는 상황에서는 부하가 변화하지 않는 것으로 판단한다. 이 경우, 우선 선박의 부하를 확인하며, 부하가 증가하는 경우에는 연료전지의 응답특성을 고려하여 축전지 회로의 스위치가 여자되어 추가분의 부하를 축전지가 담당한다. 만약 부하가 감소하는 경우 연료전지의 생성 전력량이 감소할 때까지 축전지 회로의 스위치가 소자된다. 부하가 변동되지 않는 경우 연료전지의 출력 전류를 직전과 같은 상태로 설정한다.
반대로, 선박의 부하는 해상 상태에 따라 급격히 변화할 수 있는데, 부하가 맥동하는 경우에 부하를 감당할 수 있도록 해야 한다. 이와 같이 부하가 일정하지 않은 경우에 선박의 속도 변화에 따른 부하전류 변화를 감시한다. 부하 전류가 변화하지 않으면 이전에 유지하고 있는 설정 전류를 그대로 유지하고, 부하 변화가 있으면 시간 카운터를 이용하여 부하가 안정적인 상태인지를 확인한다. 만약 시간 카운터에 설정된 시간이 초과하기 전에 부하가 변한다면 카운터는 리셋 된다. 일정 시간 동안 부하의 변화없이 안정적인 상태라면 연료전지의 현재 출력을 확인하고, 최대 출력 상태가 아니라면 요구하는 전류로 설정 전류를 바꿔주도록 한다. 만약 요구되는 출력이 최대 전력 이상이라면 그 이상의 전력을 낼 수 없게 설정 전류를 바꿔주도록 한다.
지금까지 설명한 본 발명에 의하면, 연료전지의 느린 응답특성을 용이하게 보완할 수 있게 되므로 부하의 변동에 따른 출력전압의 신뢰성을 확보하여 연료전지의 이용 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터를 적용하여 최소 규모의 축전지로 설비 용적을 최소화할 수 있으므로 비용을 크게 절감할 수 있도록 한다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
10: 연료전지 20: 단방향 DC-DC 컨버터
30: 인버터 40: 배터리
50: 양방향 DC-DC 컨버터 60: 재생에너지
90: 전동기

Claims (3)

  1. 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지;
    상기 연료전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압시키는 단방향 DC-DC 컨버터;
    상기 단방향 DC-DC 컨버터의 출력단에 연결되어 직류를 교류로 변환하여 전동기에 전원을 제공하는 인버터;
    상기 단방향 DC-DC 컨버터와 상기 인버터 사이에 병렬 연결되어 상기 연료전지의 공급전력과 상기 전동기의 수요전력 차이만큼의 전력을 보전하는 축전지;
    상기 축전지의 출력단에 연결되어 직류전압을 승압 또는 감압시켜 상기 축전지를 방전 또는 충전시키는 양방향 DC-DC 컨버터; 및
    상기 양방향 DC-DC 컨버터의 작동을 제어하기 위한 일정 규칙의 알고리즘이 내장된 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력관리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전지와 상기 양방향 DC-DC 컨버터 사이에 병렬 연결되는 재생에너지 발전장치를 더 포함하며,
    상기 재생에너지 발전장치에서 생성된 전력은 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 감압 동작시 상기 축전지에 충전되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력관리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 이상으로 증가하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 승압 모드로 제어하여 상기 축전지를 방전시키고,
    상기 전동기의 수요전력이 일정 수치 미만으로 감소하면 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 감압 모드로 제어하여 상기 축전지를 충전시키는 것을 특징으로 하는 선박용 전력관리장치.
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