KR20160059658A - 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로터빈 발전기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동발전기의 구동을 위한 인버터, 전력 변환을 위한 컨버터, 배터리 충전을 위한 충전회로 등이 하나의 회로 보드에 통합 구성된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에 관한 것이다.

Description

마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기{Integrated controller for microturbine generator system}
본 발명은 마이크로터빈 발전기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동발전기의 구동을 위한 인버터, 전력 변환을 위한 컨버터, 배터리 충전을 위한 충전회로 등이 하나의 회로 보드에 통합 구성된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에 관한 것이다.
세계의 많은 지역에서 전기 기초 구조물(전송 및 배전선)의 부족은 분산형 발전 기술의 상업화를 크게 발전시키게 될 것이다. 그 이유는 중앙 집중 방식의 전기 송전의 경우에 킬로와트(kW)당 비용이 크게 소모될 뿐만 아니라 생산된 전기를 소비자에게 분배하기 위해 설치되는 고가의 기초 구조물을 가지고 있어야만 하기 때문이다.
이에 마이크로터빈 발전기(Microturbine Generator, MTG) 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 이는 현장에서 전력을 발생시키는데 사용될 수 있는 소형 가스 터빈으로서, 사무실 빌딩, 소매점, 소형 제조소, 가정 및 다른 많은 시설용 백업 또는 보조 전원으로 적용되고 있다.
이러한 시설들은 전통적으로 전력 분배 라인의 그리드를 통하여 중앙 집중 방식의 전기 시설에 의해서 전력을 공급받아 왔지만, 마이크로터빈 발전기 시스템의 적용시에는 자신이 직접 전력을 발생시킬 수 있고, 이에 따라 일반적인 전력 그리드 및 시설에만 의존하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 마이크로터빈 발전기 시스템은 전력 시설에 의해 그리드를 통하여 제공되는 전력보다 비용이 덜 들며, 보다 안정적인 전력을 발생시킨다.
최근에는 휴대용 전자기기의 발달로 인해 이들 기기에 대한 상시적인 전원 공급의 문제가 대두하고 있다. 특히, 휴대 가능한 초소형 전원 공급원 및 고에너지밀도의 동력 공급원이 요구되고 있는바, 마이크로터빈 발전기 시스템은 저소음, 경량, 소형의 장점을 가지는 차세대 마이크로 동력원 중 하나이다.
이러한 마이크로터빈 발전기 시스템의 예가 "Hong, D. K., Joo, D. S., Woo, B. C., Jeong, Y. H. and Koo, D. H., 2013, Investigations on a Super High Speed Motor-Generator for Microburbine Applications Using Amorphous Core, IEEE Transactions on Magnetics. Vol.49, No.7, pp.4072~ 4075."의 논문에 개시되어 있다.
위 논문은 배터리가 가진 한계를 극복하고자 국방분야에서 차세대 군용 전원으로 사용될 수 있는 500W급 휴대용 마이크로터빈 발전기 시스템을 컴팩트한 구조로 개발하여 기술적 구성을 제시한 것이다.
한편, 일반적으로 마이크로터빈 발전기 시스템은 압축기, 연소기, 열회수 환기 장치, 터빈, 전동발전기, 연료공급계, 점화계 및 배기계 등의 다양한 장치를 포함하면서 복수의 전력변환장치 등을 포함한다.
도 1은 일반적인 마이크로터빈 발전기 시스템에서 전력변환장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 전력을 변환하는 전력 변환기(110), 배터리팩(150), 정류기, 충전기 등의 부품들이 개별적으로 구성된다.
이러한 복수의 전력변환장치(스위칭소자 및/또는 제어보드 포함) 등의 회로 요소들이 각각 개별 부품으로 구비된다는 점에서 전체 발전기 시스템 구성의 복잡성이 문제로 지적되고 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2001-0033400호 2. 한국등록특허번호 제10-0785278호
1. Hong, D. K., Joo, D. S., Woo, B. C., Jeong, Y. H. and Koo, D. H., 2013, Investigations on a Super High Speed Motor-Generator for Microburbine Applications Using Amorphous Core, IEEE Transactions on Magnetics. Vol.49, No.7, pp.4072~ 4075.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 복수의 전력변환장치(스위칭소자 및/또는 제어보드 포함) 등의 회로 요소들이 각각 개별 부품으로 구비되지 않게 하여 전체 시스템 구성의 복잡성을 해소하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 수의 전력변환장치(스위칭소자 및/또는 제어보드 포함) 등의 회로 요소들이 각각 개별 부품으로 구비되지 않게 하여 전체 시스템 구성의 복잡성을 해소하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기를 제공한다.
상기 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기는,
압축기, 연소기, 열회수환기장치, 터빈, 전동발전기, 연소기로의 연료 공급 및 분사를 위한 연료공급계, 연소기 내 혼합기 점화를 위한 점화계, 및 연소가스 배출을 위한 배기계를 갖는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에 있어서,
배터리팩의 DC 충전 전압을 승압하는 부스트 컨버터;
상기 전동발전기의 전동 모드 동작시 승압된 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하여 상기 전동발전기에 인가하고, 상기 전동발전기의 발전 모드 동작시 상기 전동발전기에서 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 출력하는 양방향 전력변환기;
상기 양방향 전력변환기에서 변환된 DC 전압을 강압하는 벅 컨버터; 및
상기 벅 컨버터에 의해 강압된 DC 전압으로 배터리팩을 충전하는 충전기;를 포함하되,
상기 부스트 컨버터, 양방향 전력변화기, 벅 컨버터 및 충전기가 하나의 회로 보드상에서 통합 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 부스트 컨버터는, 스위칭소자들을 갖는 스위칭부; 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 승압 변환을 수행하는 변압부; 승압 변환된 전력을 정류하는 정류 다이오드를 갖는 정류부; 및 상기 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 벅 컨버터는, 스위칭소자들을 갖는 스위칭부; 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 강압 변환을 수행하는 변압부; 강압 변환된 전력을 정류하는 정류 다이오드를 갖는 정류부; 및 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 양방향 전력변환기는, 스위칭소자들을 가지며 상기 스위칭 소자들의 온/오프에 따라 전동 모드 동작시 승압된 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하고, 발전 모드 동작시 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 인버터; AC 전압 또는 DC 전압을 정류하는 다이오드들을 갖는 정류 회로; 및 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회로 보드에 통합 구비되며, 상기 양방향 전력변환기, 부스트 컨버터 및 벅 컨버터를 전동 모드 또는 발전 모드로 동작하도록 제어하는 최상위 제어요소이면서 연료공급계 및 점화계의 작동을 제어하는 주 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회로 보드에 통합 구비되며, 상기 전동발전기의 전동 모드 동작을 위해 사용되는 상기 양방향 전력변환기의 입력 정보인 전류 및 전압을 센싱하는 센싱 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 센싱 회로부는 상기 전동발전기의 회전자 위치를 검출하기 위한 회전자 위치 검출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전자 위치 검출회로는 ZCP(Zero Crossing Point) 검출을 이용한 센서리스 제어가 이루어질 수 있도록 전동발전기의 각 상의 역기전력을 센싱하여 DC 기준전압(Vdc)과 비교하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전동발전기의 구동을 위한 인버터, 전력 변환을 위한 컨버터, 배터리 충전을 위한 충전회로 등이 하나의 회로 보드에 통합 구성됨으로써 장치 구성을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 마이크로터빈 발전기 시스템에서 전력변환장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 일반적인 마이크로터빈 발전기 시스템에서 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기(300)의 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기 내에 구성되는 양방향 전력 변환기(210)), 전류 센싱 회로부(422) 및 전압 센싱 회로부(421)를 예시한 회로도이다.
도 5는 도 3에 도시된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에서 센서리스 제어를 위해 센싱 회로부(310)에 구성되는 역기전력 검출 회로의 예를 나타내는 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 일반적인 마이크로터빈 발전기 시스템에서 장치 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 마이크로터빈 발전기 시스템(200)은 압축기(compressor)(211), 연소기(combustor)(212), 열회수 환기 장치(recuperator)(213), 터빈(turbine)(214), 및 전동발전기(Motor-Generator, M/G)(20) 등으로 구성된다.
이러한 구성에서 압축기(211)와 터빈(214), 그리고 영구자석(222)이 부착된 전동발전기(20)의 회전자(rotor)(221)는 하나의 축(215)에 의해 일체형으로 회전하도록 연결된다. 또한, 전동발전기(20)의 고정자(stator)(223)에는 3상의 코일(224)이 권선된다.
또한, 연료펌프(미도시)에 의해 공급되는 연료가 분사노즐을 통해 연소기(212)내로 분사된다. 이후, 연소기(212) 내에서 분사된 연료와 압축기(211)에 의해 공급되는 압축공기가 혼합된 상태로 점화기(미도시)에 의해 점화가 이루어질 때 혼합기(미도시)의 연소가 이루어진다.
또한, 연소기(212)로부터 배출되는 고온 팽창 연소가스가 터빈(214)을 회전시키며, 이러한 터빈(14)의 구동으로 인해 동일 축(215)에 연결된 압축기(211)와 전동발전기(20)의 회전자(221)가 일체로 구동된다.
이와 더불어 터빈(214)을 회전시킨 연소가스는 열회수 환기 장치(213)를 통과하여 배출되는데, 열회수 환기 장치(213)에서는 압축기(211)에 의해 공급되는 압축공기와 터빈(214)을 통과한 연소가스 사이의 열교환이 이루어진다.
이때, 연소가스의 열이 압축공기로 전달되어 압축공기의 온도가 상승하며, 온도가 상승한 압축공기가 연소기(212)로 공급된다.
상기 열회수 환기 장치(213)는 열효율의 향상을 위해 추가되는 것으로, 재생사이클(regenerative cycle)의 이용을 가능하게 하며, 이러한 재생사이클의 이용은 폐열 회수 및/또는 최적 압력비 감소를 통해 열효율을 크게 향상시킨다.
또한, 상기한 마이크로터빈 발전기 시스템(200)에서 터빈(214)의 구동에 의해 전동발전기(20)의 회전자(221)가 회전되면서 생성되는 발전 전력은 강압 과정을 거쳐 배터리 등의 에너지저장장치에 저장되거나 부하에 공급된다.
이와 같이 마이크로터빈 발전기 시스템(200)은 압축기(11), 연소기(12), 열회수 환기 장치(13), 터빈(14), 전동발전기(20), 그 밖에 연료공급계 및 점화계, 배기계 등의 다양한 장치를 포함한다.
또한, 도 2에는 도시되어 있지 않으나, 연소기(212)에 연료를 공급하기 위한 연료펌프, 연료공급밸브, 분사노즐과 같은 연료공급계의 구성, 그리고 연소기 내 혼합기 점화를 위한 점화기 등이 구성된다. 이러한 구성들은 널리 공지되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 더불어 마이크로터빈 발전기 시스템(200)은 복수의 전력변환장치들, 즉 전동발전기(20)의 전동 모드 동작을 위한 인버터(inverter), 전동발전기의 발전 모드 동작시 AC 발전 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 정류 회로, 그리고 DC 전력의 승압 및 강압을 위한 복수의 DC-DC 컨버터(boost convert, buck converter) 등을 가진다. 이를 보여주는 도면이 도 3 내지 도 5에 도시된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기(300)의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 전동발전기(M/G)(예, 영구자석 동기 전동발전기)(20)와 에너지 저장 장치인 배터리팩(350) 사이에 하나의 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기(300)가 연결된다.
이러한 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기(300)는 마이크로터빈 발전기 시스템의 회로 요소인 각 전력변환장치의 구성, 즉 스위칭소자(인버터 및 컨버터의 파워소자, 예를 들면, IGBT) 및 그 스위칭 제어를 위한 제어 회로(PWM 신호 생성을 위한 마이컴을 포함하는 게이트 드라이버 회로)와 함께, 전류 및 전압 센싱 회로, 배터리팩 충전 및 충전 제어 회로 등을 하나의 회로 보드에 일체로 회로 구성한 통합형 제어보드이다.
도 3을 참조하여 명확히 설명하면, 상기 통합 제어기(300)는 주 제어기(370), 양방향 전력 변환기(310), 부스트 컨버터(320), 벅 컨버터(330), 충전기(340), 센싱 회로부(320) 등을 포함하여 구성된다.
이들 각 구성요소들이 하나의 회로 보드에 통합 구성되는데, 먼저 양방향 전력 변환기(310)는 전동발전기(20), 부스트 컨버터(320) 및 벅 컨버터(330) 사이에 연결된다.
전동발전기(M/G)(20)에 연결된 양방향 전력변환기(310)는 스위칭소자들로 구성되는 인버터, 및 다이오드들로 구성되는 정류 회로 등을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 양방향 전력 변환기(310)와 배터리팩(다수의 셀들이 직렬 연결된 팩 구조를 가짐)(330) 사이에 DC 전압의 승압을 위한 부스트 컨버터(320), DC 전압의 강압을 위한 벅 컨버터(330)가 구비되며, 그 밖에 벅 컨버터(330)에 의해 강압된 DC 전압으로 배터리 팩(350)을 충전시키기 위한 충전기(340)가 구비된다.
여기서, 충전기(340)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 등과 같은 제어요소를 포함하는 구성이 될 수 있다.
배터리 팩(350)은 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 고전압 배터리가 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
또한, 상기한 구성 중 전동발전기(20)의 전동 모드 동작을 위한 양방향 전력 변환기(310)는 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하여 전동발전기(20)에 인가한다.
또한, 양방향 전력 변환기(310)는 전력 변환을 위해 스위칭 구동되는 스위칭소자(예를 들면, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 등), 및 상기 스위칭소자의 온/오프(on/off) 제어신호(PWM(Pulse Width Modulation 신호)를 출력하는 제어보드(게이트 드라이버 회로를 포함함) 등을 포함한다.
또한, 양방향 전력 변환기(310)와 배터리 팩(350) 사이에 승압을 위한 부스트 컨버터(320)와 강압을 위한 벅 컨버터(330)가 구성될 수 있다. 이들 컨버터(320,330)는 DC-DC 컨버터가 될 수 있다.
또한, 이들 컨버터(320,330)는 일례로서 입력 인덕터 및/또는 입력 커패시터를 포함하는 입력 필터부(미도시), 스위칭 소자를 포함하는 스위칭부(미도시), 변압기를 포함하여 승압 또는 강압 등의 전력 변환을 수행하는 변압부(미도시), 정류 다이오드를 포함하는 정류부(미도시), 출력 인덕터와 출력 커패시터를 포함하는 출력필터부(미도시), 그리고 스위칭소자의 온/오프 제어신호(PWM 신호)를 출력하는 제어보드(게이트 드라이버 회로)(미도시) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 구성에 의해 전동발전기(20)의 전동 모드(motoring mode) 구동시 배터리 팩(350)의 DC 충전 전압이 부스트 컨버터(320)에 의해 승압된 후 양방향 전력 변환기(310)를 통해 전동발전기(20)로 인가될 수 있다. 이는 배터리 방전에 해당한다.
또한, 전동발전기(20)의 발전 모드(generating mode) 동작시 생성되는 AC(Alternating Current) 전압이 양방향 전력 변환기(110)의 정류 회로에 의해 DC(Direct Current) 전압으로 변환된 후 벅 컨버터(230)에서 강압되어 배터리 팩(350)에 저장될 수 있다. 이는 배터리 충전에 해당한다.
센싱 회로부(320)는 전류, 전압, 회전자 위치 정보 등을 센싱하여 전압 및 전류 정보, 회전자 위치 정보를 생성한다. 이를 위해 전압 센싱 회로부, 전압 센싱 회로부, 회전자 위치 검출회로 등이 구성된다.
주 제어기(370)는 이러한 전압 및 전압 정보, 회전자 위치 정보 등을 이용하여 양방향 전력 변환기(310), 부스트 컨버터(320), 벅 컨버터(330), 충전기(340) 등을 전동 모드 및/또는 발전 모드로 동작하도록 제어하는 최상위 제어요소이다.
또한, 주 제어기(370)는 연료공급계 및/또는 점화계의 작동을 제어하는 기능을 수행한다. 부연하면, 주 제어기(370)는 연료 공급 및 분사, 혼합기의 점화가 이루어지도록 하는 제어신호를 출력하게 되는데, 발전 모드로의 전환을 위해 연소기(도 212) 내로 연료가 분사될 수 있도록 연료공급계의 작동, 즉 연료펌프의 구동 및 연료공급밸브의 작동을 제어한다. 더불어 연소기(212) 내 혼합기의 점화가 이루어질 수 있도록 점화기를 작동시키게 된다.
한편, 이러한 구성에 의해 통합 제어기(300)는 마이크로터빈 발전기 시스템의 전반적인 구동을 시퀀스 제어(sequence control)하게 되는데, 시스템 작동 초기의 전동 모드(motoring mode)에서는 통합 제어기(300)가 배터리팩(350)의 DC 충전 전압을 승압하는 부스트 컨버터와 전동발전기(20)의 전동 구동을 위한 인버터로 동작한다.
즉, 전동 모드에서는 부스트 컨버터(330)가 배터리팩(350)의 DC 충전 전압을 승압한 뒤 양방향 전력변환기(320)(즉 엄밀하게는 양방향 전력변환기에 구성되는 인버터 회로)에 인가하고, 양방향 전력변환기(320)가 승압된 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하여 전동발전기(20)에 인가한다. 따라서, 전동발전기(20)가 전동기로 구동된다.
전동발전기(20)가 전동기로 구동할 경우 회전자(도 2의 221)와 동일 축(도 2의 215) 상에 연결된 압축기(211)와 터빈(214)이 일체로 회전한다. 이때, 압축기(211)의 회전속도가 일정 속도(예를 들면, 200000rpm)에 도달하면 통합 제어기(300)의 주 제어기(370)가 연소기(212) 내에 연료 공급 및 분사가 이루어질 수 있도록 연료공급계의 작동을 제어한다(즉, 연료펌프 및 연료공급밸브 제어).
이어 통합 제어기(300)의 주 제어기(370)가 연소기(212)의 점화기를 작동시켜 압축기(211)에 의해 공급된 압축공기와 연료의 혼합기가 점화되도록 하며, 이를 통해 연소기 내에서 연소가 시작되도록 한다.
이와 같이 연소기(212) 내에서 혼합기의 연소가 이루어지는 동안에는 터빈(도 2의 214)이 연소기로부터 배출되는 연소가스에 의해 구동된다.
이때, 전동 모드 제어는 중지되고, 발전 모드(generating mode) 제어를 통해 전동발전기(20)를 발전기로 동작시킨다. 따라서, 전동발전기(20)에서 생성되는 AC 발전 전압을 양방향 전력 변환기(320)에서 DC 전압으로 변환한 뒤 벅 컨버터(340)에서 강압하여 충전기(340)를 통해 배터리팩(350)에 저장한다.
이러한 발전 모드에서는 터빈(214)이 연소가스에 의해 고속(예를 들면, 400000rpm)으로 회전될 때 압축기(도 2의 211)와 전동발전기(20)의 회전자(221)가 일체로 회전되고, 이때 회전자(221)가 회전되면서 전동발전기(20)에서는 발전이 이루어진다.
또한, 압축기(211)의 회전으로 공기가 흡입 및 압축되어 열회수 환기 장치(213)를 통과하게 되고, 이와 더불어 터빈(214)을 회전시킨 연소가스가 열회수환기장치(213)를 통과하여 배출된다. 이때, 열회수 환기 장치(213)에서는 압축기(211)에 의해 공급되는 압축공기와 터빈(214)을 통과한 연소가스 사이의 열교환이 이루어진다.
이에 연소가스의 열이 압축공기로 전달되어 압축공기의 온도가 상승하며, 온도가 상승한 압축공기가 연소기(212)로 공급될 수 있게 된다.
특히, 상기 회전자 위치 정보의 이용에 있어서 회전자 위치를 센싱하는 별도의 센서를 이용하지 않고 이미 널리 알려진 센서리스 제어(sensorless control) 방식이 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 센서리스 제어를 위한 추가적인 회로가 통합 제어기(300)에 구성될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기(300) 내에 구성되는 양방향 전력 변환기(210)), 전류 센싱 회로부(422), 전압 센싱 회로부(421), 제어 회로부(411), 주 제어기(370)를 예시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 스위칭소자(Q1~Q6)들을 포함하여 구성되는 인버터(410)와, 다이오드(D1~D6)들을 포함하여 구성되는 정류 회로와, 스위칭소자(Q1~Q6)들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부(게이트 드라이버 회로)(411)를 포함한다.
상기 인버터(410)는 전동발전기(20)를 전동 모드(motoring mode)로 구동(즉, 전동기로 구동)시킨다. 이를 위해, 스위칭소자(Q1~Q6)들의 스위칭을 통해 부스트 컨버터(330)에서 인가되는 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하여 전동발전기(20)에 인가한다.
또한, 상기 정류 회로는 발전 모드(generating mode) 동안 전동발전기(20)에서 생성되는 AC 발전 전압을 DC 전압으로 변환하여 벅 컨버터(340)에 인가되도록 하는 역할을 한다.
또한, 제어 회로부(411)는 전동 모드시 주 제어기(370)가 출력하는 신호에 의해 인버터(410)를 구동시키며, 인버터의 구동을 위한 입력 정보들, 즉 전류 센싱 회로부(422) 및 전압 센싱 회로부(421)에 의해 센싱되는 전압 및 전류 정보, 회전자 위치 정보 등에 기초하여 각 스위칭소자들(Q1~Q6)의 스위칭 제어를 위한 제어신호(PWM 신호)를 생성하여 출력하게 된다.
도 5는 도 3에 도시된 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에서 센서리스 제어를 위해 센싱 회로부(310)에 구성되는 역기전력 검출 회로의 예를 나타내는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 센서리스 제어 방식의 예로 각 상(A상, B상, C상)의 역기전력(back-EMF)을 검출하고 검출된 각 상의 역기전력이 DC 기준전압(Vdc)을 통과하는 순간(Zero Crossing Point, ZCP)을 검출하는 방식이 이용될 수 있다. 이러한 센서리스 제어 방식의 상세한 설명이 C. Zwyssig, S. D. Round, and J. W. Kolar, in Proceedings of the Applied Power Electronic Conference (2006), pp. 283-289.; K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Kano, T. Endo, and K. Mohri, IEEE Trans. Ind. Appl. 21, 595-601 (1985).에 기술되어 있다.
이러한 센서리스 제어가 가능하도록 하기 위해서는 회전자 위치 검출을 위한 회로로서 역기전력 검출 회로가 통합 제어기(300) 내에 구성된다. 도 5를 참조하면, 전동발전기의 각 상의 역기전력을 센싱하여 DC 기준전압(Vdc)과 비교하는 다수의 비교기(510) 및 이러한 다수의 비교기(510)의 출력값을 멀티플렉싱하는 먹스(520) 등이 구성된다.
200 : 마이크로터빈 발전기 시스템
211 : 압축기
212 : 연소기 213 : 열회수환기장치
214 : 터빈 210 : 전동발전기
221 : 회전자 222 : 영구자석
223 : 고정자 224 : 3상 코일
250 : 배터리팩 300 : 통합 제어기
370 : 주 제어기 310 : 양방향 전력변환기
320 : 부스트 컨버터 330 : 벅 컨버터 회로부
340 : 충전기 350 : 배터리 팩
411 : 제어 회로부 422 : 전류 센싱 회로부
421 : 전압 센싱 회로부
510 : 비교기 520 : 먹스

Claims (8)

  1. 압축기, 연소기, 열회수환기장치, 터빈, 전동발전기, 연소기로의 연료 공급 및 분사를 위한 연료공급계, 연소기 내 혼합기 점화를 위한 점화계, 및 연소가스 배출을 위한 배기계를 갖는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기에 있어서,
    배터리팩의 DC 충전 전압을 승압하는 부스트 컨버터;
    상기 전동발전기의 전동 모드 동작시 승압된 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하여 상기 전동발전기에 인가하고, 상기 전동발전기의 발전 모드 동작시 상기 전동발전기에서 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 출력하는 양방향 전력변환기;
    상기 양방향 전력변환기에서 변환된 DC 전압을 강압하는 벅 컨버터; 및
    상기 벅 컨버터에 의해 강압된 DC 전압으로 배터리팩을 충전하는 충전기;를 포함하되,
    상기 부스트 컨버터, 양방향 전력변화기, 벅 컨버터 및 충전기가 하나의 회로 보드상에서 통합 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는 스위칭소자들을 갖는 스위칭부; 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 승압 변환을 수행하는 변압부; 승압 변환된 전력을 정류하는 정류 다이오드를 갖는 정류부; 및 상기 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터는 스위칭소자들을 갖는 스위칭부; 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 강압 변환을 수행하는 변압부; 강압 변환된 전력을 정류하는 정류 다이오드를 갖는 정류부; 및 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 전력변환기는 스위칭소자들을 가지며 상기 스위칭 소자들의 온/오프에 따라 전동 모드 동작시 승압된 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하고, 발전 모드 동작시 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 인버터; AC 전압 또는 DC 전압을 정류하는 다이오드들을 갖는 정류 회로; 및 스위칭소자들의 온/오프 제어신호를 생성하여 출력하는 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 보드에 통합 구비되며, 상기 양방향 전력변환기, 부스트 컨버터 및 벅 컨버터를 전동 모드 또는 발전 모드로 동작하도록 제어하는 최상위 제어요소이면서 연료공급계 및 점화계의 작동을 제어하는 주 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 보드에 통합 구비되며, 상기 전동발전기의 전동 모드 동작을 위해 사용되는 상기 양방향 전력변환기의 입력 정보인 전류 및 전압을 센싱하는 센싱 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센싱 회로부는 상기 전동발전기의 회전자 위치를 검출하기 위한 회전자 위치 검출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자 위치 검출회로는 ZCP(Zero Crossing Point) 검출을 이용한 센서리스 제어가 이루어질 수 있도록 전동발전기의 각 상의 역기전력을 센싱하여 DC 기준전압(Vdc)과 비교하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전기 시스템의 통합 제어기.
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