KR20160064566A

KR20160064566A - 전원제어장치

Info

Publication number: KR20160064566A
Application number: KR1020140168336A
Authority: KR
Inventors: 문성웅
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-08
Also published as: KR101691007B1

Abstract

본 발명은 부하부가 정격전압 이하가 되었을 때, 이러한 상황이 일시적인 전압강하 현상인지 아니면, 부하부에 연결된 계통에 의한 영구적인 전압강하 현상인지를 판별하여 전원부를 제어하는 것으로서, 본 발명은 전원부에서 공급받은 전력을 변환하여 부하부에 제공하는 전력변환부, 전력변환부와 부하부 사이에 설치되는 제어스위치부, 전원부와 전력변환부 사이에 병렬로 연결되어, 부하부의 전압이 하강하면 기준시간 동안 전력변환부로 전류를 제공하는 전류제공부, 부하부의 전압이 기준전압 이하로 하강하고 기준시간 경화 후 부하부의 전압이 기준전압 이하를 유지하면 제어스위치를 동작하여 부하부로 인가되는 전원을 차단하는 제어부를 포함한다.

Description

전원제어장치{Control apparatus of power generation}

본 발명은 전원제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 전원부를 상황에 적합하게 제어하는 전원제어장치에 관한 것이다.

수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 지리적인 조건에 큰 제약을 받지 않고 설치 가능하며 설치 후, 지속적인 전력 생산이 가능한 장점이 있다.

이러한 연료전지 시스템은 육상 및 선박 등에 다양하게 설치되어 계통에서 필요로 하는 전력을 유용하게 공급한다. 그러나, 하나의 연료전지 시스템에는 다수 개의 계통이 연결되어, 다수 개의 계통이 동시에 구동하게 되었을 때, 계통은 연료전지 시스템으로부터 안정적인 전력을 공급받지 못하게 된다.

이러한, 불안정한 공급전력은 계통의 각종 사고를 발생시킨다. 선박에서의 블랫 아웃(blackout)은 이러한 불안정한 공급전력에 의해 발생되는 하나의 예가 될 수 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하고자 연료전지 시스템의 불안정한 전력 공급에 관한 문제를 해결하고자 많은 개발 및 고안 등이 진행되고 있다. 그러나, 종래의 개발된 연료전지 시스템은 계통에 부족한 전압을 보상할 뿐, 계통의 전압 변동에 적합하게 대처하지 못하는 문제가 있다.

대한민국공개특허 10-2010-0075117 (2010. 07. 02)

이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 부하부가 정격전압 이하가 되었을 때, 이러한 상태가 일시적인 전압강하 인지 또는 영구적인 전압강하 인지를 판별하여 전원부를 유연하게 제어할 수 있는 전원제어장치를 제안하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전원제어장치는 전원부에서 공급받은 전력을 변환하여 부하부에 제공하는 전력변환부, 상기 전력변환부와 상기 부하부 사이에 설치되는 제어스위치부, 상기 전원부와 상기 전력변환부 사이에 병렬로 연결되어, 상기 부하부의 전압이 하강하면 기준 시간 동안 상기 전력변환부로 전류를 제공하는 전류제공부 및 상기 부하부의 전압이 기준전압 이하로 하강하고 상기 기준시간 경화 후 상기 부하부의 전압이 상기 기준전압 이하를 유지하면 상기 제어스위치를 동작하여 상기 부하부로 인가되는 전원을 차단하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 상기 부하부의 전압이 기준전압 이하로 하강하면, 상기 전력변환부를 제어하여 상기 부하부로 인가하는 전압을 상승시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 전류제공부로부터 전류를 제공받아 상기 부하부의 전압을 상승시킬 수 있다.

상기 전류제공부는, 상기 전력변환부에 병렬로 연결된 직류전원부와, 상기 직류전원부에 직렬로 연결된 퓨즈를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 퓨즈가 끊어지면 상기 제어스위치를 동작하여 상기 부하부로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.

상기 퓨즈에 직렬로 연결되는 제1 다이오드를 더 포함할 수 있다.

상기 전원부와 상기 전류제공부 사이에 직렬로 연결되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전원제어장치는 부하부의 전압강하가 일시적인 경우와 영구적인 경우에 따라 다르게 전원부를 제어하여 전원부의 성능효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원제어장치에 대한 회로도이다.
도 2는 도1의 전원제어장치가 정상상태일 때, 작동되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 전원제어장치가 부하부에서 일시적인 전압강하 상태가 발생하였을 때, 작동되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 전원제어장치가 부하부에서 영구적인 전압강하 상태가 발생하였을 때, 작동되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 전원제어장치가 작동되는 순서를 나타내는 순서도이다.

본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 수 있다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원제어장치(1)는 부하부(30)에서 정격전압 이하의 전압(Low voltage)이 발생하였을 때, 이러한 전압 상태가 일시적인 전압강하 인지 아니면 영구적인 전압강하 인지를 판별하여 전원부(10)를 제어하는 것이다.

이러한 전원제어장치(1)는 전원부(10)에서 출력된 전력을 부하부(30)에 제공하는 전력변환부(20), 전원부(10)와 전력변환부(20)사이에 연결되어 전류신호를 전력변환부(20)의 입력단에 인가하는 전류제공부(50), 전력변환부(20)와 부하부(30)사이를 연결하는 제어스위치부(60), 전력변환부(20)를 통해 전류신호를 인가받고, 전력변환부(20) 및 제어스위치부(60)를 제어하는 제어부(60)를 포함한다.

이하, 전원제어장치(1)의 각 구성요소 및 각 구성요소의 작동순서에 관하여 좀 더 상세히 설명한다.

전원부(10)는 연료전지스택 및 연료전지스택에 산소와 수소를 공급하는 기계설비부 즉, MBOP(Mechanical Balance Of Plant)를 포함하여 직류전력을 생산하여, 전력변환부(20)로 공급한다.

전력변환부(20)는 직류링크부(21) 및 직류링크부(21)와 병렬로 연결되는 인버터부(22) 및 인버터부(22)와 직렬로 연결되는 필터부(23)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 전력변환부(20)는 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 복수 개의 부하들이 연결된 부하부(30)에 공급한다.

여기서, 직류링크부(21)는 전원부(10)에서 고조파가 합성된 전압의 전압 변동을 억제하는 완충(buffer) 역할을 하여, 평활한 전압이 인버터부(22)로 입력될 수 있도록 한다.

인버터부(22)는 직류링크부(11)와 병렬로 연결되어 직류링크부(21)에 저장된 전기 에너지를 사용자가 원하는 크기와 주파수로 합성시켜 교류를 출력한다. 인버터부(22)는 입력된 신호 즉, 전압 또는 전류에 의해 신호의 흐름을 제어하는 반도체 스위치(T1 내지 T6) 그리고 이러한 반도체 스위치(T1 내지 T6)에 역병렬로 연결된 다이오드(D1 내지 D6)로 구성될 수 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 인버터부(22)는 제1 반도체 스위치(T1)와 제2 반도체 스위치(T2) 한 쌍이 직렬로 연결되고 각각의 제1 반도체 스위치(T1) 및 제2 반도체 스위치(T2)에 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)가 역병렬로 연결된 제1 반도체 스위치 세트(22a), 제3 반도체 스위치(T3)와 제4 반도체 스위치(T4) 한 쌍이 직렬로 연결되고 각각의 제3 반도체 스위치(T3) 및 제4 반도체 스위치(T4)에 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)가 역병렬로 연결된 제2 반도체 스위치 세트(22b) 및 제5 반도체 스위치(T5)와 제6 반도체 스위치(T6) 한 쌍이 직렬로 연결되고 각각의 제5 반도체 스위치(T5) 및 제6 반도체 스위치(T6)에 제5 다이오드(D5)와 제6 다이오드(D6)가 역병렬로 연결된 제3 반도체 스위치 세트(22c)가 서로 병렬로 연결되어 형성된다.

여기서, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제6 반도체 스위치(T6)는 서로 동일한 전기적 특성을 가지는 소자로 사용될 수 있다. 이러한 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제6 반도체 스위치(T6)는 회로 상에서 전류 패스(current path)를 형성하는 다양한 반도체 스위치 즉, IGBT, IEGT, MOSFET, ICGT, GCT, SGCT 및 GTO 가운데 어느 하나가 될 수 있다.

다만, 본 명세서에서는 구동이 간편하고, 고전압 및 대전류에서 효율이 높은 IGBT를 반도체 스위치(T1 내지 T6)의 일 예로 하여 설명한다. IGBT는 게이트, 이미터 및 컬렉터 단자를 가지며, 게이트 단자에는 제어기가 연결될 수 있으며, 제어기는 IGBT에서 기준신호 및 반송신호가 출력되도록 할 수 있다. 이때, IGBT는 일정한 주기의 반송신호와 출력 전압의 기준신호의 대소를 비교에 하여 작동 또는 비작동 상태로 전환되면서, 평균적으로 기준신호와 같은 값을 가지는 구형파 전압에 대응되는 전류를 출력한다.

이에, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제6 반도체 스위치(T6)는 작동(on) 또는 비작동(off)로 상태로 전환되면서 인버터부(22)는 부하를 구동시킬 수 있는 전류가 출력되도록 제어된다.

이때, 출력된 전류는 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제6 반도체 스위치(T6)의 고속 스위칭 동작에 의해 많은 고조파를 포함하고 있다.

필터부(23)는 전류의 고조파 성분을 제거하며, 정현파에 가까운 전류를 출력 하여 부하부(30)에 공급한다. 이러한 필터부(23)는 유입되는 전류의 고조파 성분이 커패시터(C)에 저장될 수 있는 LCL 필터가 될 수 있다. 여기서, 커패시터(C)에는 도시되지는 않았지만 필터부(23)의 공진을 방진하기 위한 1내지 10 [Ω] 크기의 저항이 더 설치될 수 있다.

부하부(30)는 필터부(23)로부터 공급된 전기를 스위치, 계전기 등을 포함하는 전력관리부(31)를 이용해 제어할 수 있다. 전력관리부(31)는 통합제어부(40)와 무선 및 유선으로 연결되어, 제어부(40)에 부하부(30)의 전력상태에 관한 정보를 수시로 송신한다.

제어부(40)는 통신제어모듈, 시간측정모듈 및 PWM 제어모듈 등을 포함하여, 전원부(10)의 상태를 전력생산 가동상태, 전력생산 중지상태 및 전력생산 대비상태 등을 제어한다. 이러한, 제어부(40)는 부하부(30)으로부터 송신되는 정보를 이용해, 부하부(30)의 전압이 기준전압 이하로 하강하면 전력변환부(20)를 제어하여 부하부(30)로 인가되는 전압을 상승시킨다.

아울러, 부하부(30)의 전압이 기준전압 이하로 하강하고 기준시간 경화 후 부하부(30)의 전압이 기준전압 즉, 정격전압 이하로 유지되면 제어스위치(60)를 동작시켜 부하부(30)로 인가되는 전원을 차단한다.

전류제공부(50)는 전원부(10)와 전력변환부(20) 사이에 병렬로 연결되어, 부하부(30)의 전압이 하강하면, 기준시간 동안 전력변환부(20)에 전류신호를 공급한다. 이러한 전류제공부(50)는 직류전원부(51) 및 이러한 전류신호의 흐름을 단속하는 퓨즈(52)로 구성된다. 필요에 따라, 이러한 전류제공부(50)에서 공급되는 전류는 부하부(30)에 직접적으로 전달되어, 부하부(30)의 전압강하를 보상할 수 있다.

이를 통해, 전류제공부(50)는 부하부(30)가 정격전압 이하로 하강 되었을 때, 전력변환부(20)의 입력단에 전류신호를 인가한다. 여기서, 제한부(50)의 퓨즈(52)는 기준시간 동안 전류가 통과하게 되면, 끊기게 되어 전류제공부(50)는 기준시간 이내 에서만 전류신호를 전력변환부(20)에 인가할 수 있게 된다.

제어스위치(60)는 전력변환부(20)와 부하부(30)사이에 위치하여, 턴-온 및 턴-오프로 전환하면서 전력변환부(20)에서 출력되는 전력을 부하부(30)에 선택적으로 공급할 수 있다. 이러한 제어스위치(60)는 전술한 반도체 스위치가 될 수 있다.

제어스위치(60)는 부하부(30)가 정상상태 일 때, 턴-온 상태가 되어 전력변환부(20)와 부하부(30)사이를 연결한다. 그러나, 제어스위치(60)는 부하부(30)가 정격전압 이하의 상태 일 때, 이러한 상태가 일시적인 전압강하인지 아니면 영구적인 전압강하 인지에 따라 제어부(40)에 의하여 턴-온 또는 턴-오프 로 조작된다.

퓨즈(52)와 전력변환부(20) 사이에는 제1 다이오드(71)가 설치되고, 제1 다이오드(71)와 전류제공부(50) 사이에는 제2 다이오드(72)가 직렬로 연결될 수 있다. 이때, 제1 다이오드(71)의 애노드는 퓨즈(52)에 연결되고, 캐소드는 제2 다이오드(72)의 캐소드와 연결된다. 이를 통해, 전원부(10)에서 출력되는 전류는 전류제공부(50)로 흐르지 않게 되고, 전력변환부(20)로 원활하게 공급된다. 그리고, 전류제공부(50)에서 출력되는 전류는 전원부(10)로 흐르지 않게 되고, 오직 전력변환부(20)로만 원활하게 공급되게 된다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 전원제어장치(1)가 부하부(30)의 전압상태에 따라 이와 같은 구성요소들의 작동되는 상태에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 도1의 전원제어장치가 정상상태로 작동되었을 때를 나타내는 회로도이고, 도 3은 도 1의 전원제어장치가 부하부에서 일시적인 전압강하 상태가 발생하였을 때, 작동되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 전원제어장치가 부하부에서 영구적인 전압강하 상태가 발생하였을 때, 작동되는 상태를 나타내는 도면이다.

부하부(30)가 정격전압으로 작동될 때, 부하부(30)의 전력관리부(31)는 부하부(30)의 전압상태에 관련된 정보를 제어부(40)에 송신한다. 이때, 제어부(40)는 부하부(30)에서 수신된 정보를 연산하여, 전원부(10)에 전력생산 신호를 송신한다. 전원부(10)는 제어부(40)로부터 송신된 신호를 연산하여, 그에 따른 전력을 출력하여 전력변환부(20)로 공급한다.

한편, 부하부(30)에서 전압강하가 발생하였을 때, 부하부(30)의 전력관리부(31)는 부하부(30)의 전압상태에 관련된 정보를 제어부(40)에 송신한다.

제어부(40)는 부하부(30)에서 수신된 정보를 연산하여, 전원부(10)에 전력생산 대기(Hot standby mode) 신호를 송신하고, 전류제공부(50)에 전류출력 신호를 송신하며, 전력변환부(20)에 전력 조정 신호를 송신한다.

이에, 전원부(10)는 수신된 신호에 의해 전력생산은 하지 않고 전력을 생산하기 위한 준비 상태를 유지한다. 이때, 전류제공부(50)는 전력변환부(30)의 입력단에 인가되는 전류신호를 출력하고, 전력변환부(20)는 크기가 증가된 전력을 출력한다. 이를 통해, 출력전력은 부하부(30)에 공급되어 정격전압의 부족한 전압을 보상하여, 부하부(30)의 전압강하 문제를 해결한다.

그러나, 전류제공부(50)의 퓨즈(52)가 용단 될 때까지, 부하부(30)이 정격전압 상태로 복구되지 않게 되면, 제어부(40)는 전원부(10)의 작동상태를 오프(off)로 하고, 제어스위치(60)를 턴-오프로 스위칭시킨다.

이하, 도 5를 참조하여, 이와 같은 작동은 단계별로 설명될 수 있다.

도 5는 도 1의 전원제어장치가 작동되는 순서를 나타내는 순서도이다.

먼저, 전원제어장치(1)가 작동되면, 전원부(10) 및 부하부(30)는 작동된다(S100). 부하부(30)의 정격전압 이상 여부를 판단한다(S110). 부하부(30)에서 전압강하가 감지되지 않으면, 전원부(10) 및 부하부(30)는 계속 작동되며, 부하부(30)에서 전압강하가 감지되면, 제어부(40)는 전원부(10)가 전력생산 대기(Hot standby mode)상태가 되도록 하고(S120), 전류공급부(50)에서 직류 전류가 출력하도록 한다(S130). 또한, 제어부(40)는 크기가 증가된 전력이 전력변환장치(20)에서 출력되도록 한고(S140), 제어스위치(60)가 턴-온 상태가 유지되도록 하여 출력된 전력이 부하부(30)에 공급되도록 한다(S150). 일정시간 경과 후, 제한부(50)의 작동이 멈춘다(S160). 이때, 통합제어부(50)는 전력변환장치(10)의 작동을 중지하여 전력생산이 중단되도록 하고(S170) 제어스위치(60)가 턴-오프로 상태가 한다(S180).

이와 같은 순서도에 의해, 전원부(10)는 부하부(30)의 전압강하가 일시적인 경우 인지 또는 영구적인 경우 인지에 따라 유연하게 전력생산 상태, 전력대기 상태 및 전력중지 상태 등으로 전환되어 작동될 수 있게 된다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 전원제어장치 10: 전원부
20: 전력변환부 21: 직류링크부
22:인버터부 23: 필터부
30: 부하부 31: 전력관리부
40: 제어부 50: 전류제공부
51: 직류전원부 52: 퓨즈
T1 내지 T6: 반도체 스위치 D: 다이오드

Claims

전원부에서 공급받은 전력을 변환하여 부하부에 제공하는 전력변환부;
상기 전력변환부와 상기 부하부 사이에 설치되는 제어스위치부;
상기 전원부와 상기 전력변환부 사이에 병렬로 연결되어, 상기 부하부의 전압이 하강하면 기준시간 동안 상기 전력변환부로 전류를 제공하는 전류제공부; 및
상기 부하부의 전압이 기준전압 이하로 하강하고 상기 기준시간 경화 후 상기 부하부의 전압이 상기 기준전압 이하를 유지하면 상기 제어스위치를 동작하여 상기 부하부로 인가되는 전원을 차단하는 제어부를 포함하는 전원제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 부하부의 전압이 기준전압 이하로 하강하면 상기 전력변환부를 제어하여 상기 부하부로 인가하는 전압을 상승시키는 전원제어장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 전류제공부로부터 전류를 제공받아 상기 부하부의 전압을 상승시키는 전원제어장치.
제1항에 있어서, 상기 전류제공부는, 상기 전력변환부에 병렬로 연결된 직류전원부와, 상기 직류전원부에 직렬로 연결된 퓨즈를 포함하는 전원제어장치.
제4항에 있어서, 상기 제어부는 상기 퓨즈가 끊어지면 상기 제어스위치를 동작하여 상기 부하부로 인가되는 전원을 차단하는 전원제어장치.