KR20180128849A - 연료 전지 전력 시스템을 위한 dc 결합된 전력 전자 시스템 - Google Patents

연료 전지 전력 시스템을 위한 dc 결합된 전력 전자 시스템 Download PDF

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KR20180128849A
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제라드 다니엘 애그뉴
데이비드 실베이라 에렐
유재유
조셉 제이 로메오
이진하
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

일부 실시예에 따르면, 본 발명는 각각 유틸리티 그리드에 전력을 제공할 수 있는 연료 전지 및 터빈 발전기를 갖는 시스템, 및 이를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
상기 시스템은 메인 AC 버스를 가지며 상기 AC 메인 버스는 유틸리티 그리드에 연결 가능하다. 연료 전지는 인버터를 통해 메인 AC 버스에 연결될 수 있다. 터빈 발전기는 일련의 인버터를 통해 메인 AC 버스에 연결될 수 있으며, 상기 인버터들 중 하나는 연료 전지를 메인 AC 버스에 연결시킨다. 시스템이 유틸리티 그리드로부터 분리되는 경우에, 연료 전지, 터빈 발전기 또는 둘 모두로부터 발생된 전력을 위한 부하를 제공하기 위해 하나 이상의 부하 뱅크가 제공될 수 있다. 추가 지원 시스템 및 백업 시스템이 제공될 수 있다.

Description

연료 전지 전력 시스템을 위한 DC 결합된 전력 전자 시스템{DC Coupled Power Electronics System for a Fuel Cell Power System}
본 발명은 연료 전지 발전소(fuel cell power plant)의 전력 전자 제어 시스템에 관한 것이다. 이들 연료 전지 발전소는 전력 분배 시스템에 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 및 터빈 발전기를 모두 가질 수 있다.
연료 전지 시스템은 다양한 용도에서 전력을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 용도의 예로는 소형 가전 제품으로부터 국가 전력망에 전력을 공급하는 대형 산업용 발전소까지 포함된다.
연료 전지 시스템은 디자인과 기능면에서 다양하다. 모든 연료 전지는 연료 소스와 산화제 소스를 결합시켜 전자를 방출하는 전기-화학 반응에서 전기를 생성하지만, 연료 및 산화제를 연료 전지 전극에 제공하는 특정 시스템 또는 방법 및 연료 및 산화제가 결합되는 방식은 다른 시스템과 상당히 다를 수 있다. 그러한 연료 전지 시스템은 터보-발전기의 압축기를 이용하여 산화제(예를 들어, 공기)를 가압하여 산화제 입구와 출구 간의 차압을 생성하여 산화제가 연료 전지 시스템을 통해서 유동되게 한다. 연료 전지 전기-화학 반응에서 사용되지 않는 산화제 및 연료는 결합 및 연소되어, 터빈을 통해 팽창될 수 있는 고온 및 고압 유체를 제공할 수 있다. 터빈에 의해 인출된 에너지는 압축기에 동력을 공급하는 데(회전시키는 데) 사용될 수 있다. 압축기에 의해 요구되는 에너지를 초과하는 터빈 생성 에너지는 발전기에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이러한 발전기로부터의 전력은 연료 전지 시스템의 전기 출력과 결합될 수 있다. 또한, 발전기는 터보 발전기의 터빈 및 압축기를 회전시키기 위해 전력을 인출하는 모터로서 동작하도록 구성될 수 있다.
상술한 연료 전지 터보 발전기 시스템은 국가 전력 그리드 또는 다른 대규모 전력 분배 시스템에 전력을 제공할 수 있는 대규모 연료 전지 발전소에 유용할 수 있다.
대규모 전력 분배 시스템에 대한 문제들은 다른 발전소들, 배전 장비 및 전력 부하의 상호 작용에 의해 야기되며, 이들 모두는 전력 분배 시스템의 동작 조건에 영향을 미칠 수 있다. 전력 분배 시스템의 동작 조건이 상기 시스템에 연결된 연료 전지 발전소의 안전한 동작 한계치를 벗어나는 경우, 연료 전지 발전소는 연료 전지 발전소의 손상을 방지하기 위해 전력 분배 시스템으로부터 신속히 격리될 필요가 있다. 그러나, 연료 전지 전기-화학 반응은, 연료 전지 발전소가 전력 분배 시스템으로부터 분리될 수 있는 만큼 신속하게 정지되지 않을 수 있으며 이로써 그 내에서 생성된 과잉 에너지로부터 연료 전지가 내부적으로 손상될 위험이 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 예를 들어, 연료 전지 애노드의 제어되지 않은 산화로 인한 손상을 방지하기 위해 셧다운될 때 정밀하고 제어된 방식으로 냉각될 필요가 있다(또는 기동 시에는 가열될 필요가 있다). 연료 전지 시스템의 냉각 속도를 제어하는 하나의 방법은 연료 전지를 통한 산화제의 흐름을 제어하는 것일 수 있다. 상술한 바와 같은 연료 전지 발전소에서, 이러한 인자들은 연료 전지 시스템과 터보 발전기 간의 기계적 및 전기적 상호 작용에 의해 복잡해진다.
상술한 난제들을 처리하는 개선된 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다. 본원은 특허 가능한 청구 대상을 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함할 수 있는 첨부된 청구항에서 열거된 특징들 및/또는 다음 특징들 중 하나 이상의 특징들을 개시한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템이 제공된다. 전기 시스템은 메인 AC 버스(main AC bus), 변압기, 스위치 기어, 연료 전지, 부하 뱅크(load bank), 터빈 발전기, 백업용 발전기(backup generator), 무정전 전력 공급부(UPS) 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 메인 AC 버스는 변압기 및 스위치 기어에 의해 전력 분배 시스템(EPDS)에 전기적으로 결합될 수 있다. 연료 전지는 연료 전지 인버터에 의해 메인 AC 버스에 전기적으로 결합될 수 있는 DC 출력 버스를 가질 수 있다. 부하 뱅크는 메인 AC 버스에 전기적으로 결합될 수 있다. 터빈 발전기는 머신 인버터에 의해 연료 전지의 DC 출력 버스에 전기적으로 결합되는 AC 출력 버스를 가질 수 있다. 백업용 발전기는 메인 AC 버스에 전기적으로 결합된 AC 출력 버스를 가질 수 있다. UPS는 메인 AC 버스에 전기적으로 결합될 수 있으며 제어 시스템은 UPS에 전기적으로 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 각각 EPDS에 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 시스템 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법이 제공된다. 발전소가 EPDS에 연결되는 경우, 상기 연료 전지를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템(EPDS)에 전력을 공급하는 단계; 상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드(motoring mode)로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 발전소의 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 및 상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 발전소의 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 발전소가 전력 분배 시스템(EPDS)과 분리된 경우, 상기 연료 전지를 발전 모드로 동작시켜서 전력을 상기 메인 AC 버스로 제공하고, 상기 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하고 있다면, 상기 연료 전지는 상기 터빈 발전기에 전력을 제공하는 단계; 상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 메인 AC 버스에 전력을 공급하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 및 부하 뱅크를 제공하여 상기 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 각각 EPDS에 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 시스템 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 연료 전지가 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하지 않고 상기 발전소가 상기 전력 분배 시스템(EPDS)에 연결된 경우, 상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템에 전력을 제공하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 전력 분배 시스템으로부터 전력을 인출하는 단계; 및 상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 발전소의 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다. 상기 연료 전지가 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하지 않고 상기 발전소가 상기 전력 분배 시스템과 분리된 경우, 상기 방법은 상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 메인 AC 버스에 전력을 제공하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 전력을 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 백업용 발전기를 동작시켜서 상기 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 단계; 상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 및 상기 터빈 발전기가 발전 모드로 존재하는 경우에, 부하 뱅크를 제공하여 상기 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템이 제공된다. 상기 전기 시스템은 메인 AC 버스, DC 출력 버스를 갖는 연료 전지, 연료 전지 인버터, 연료 전지 부하 뱅크, AC 출력 버스를 갖는 터빈 발전기, 머신 인버터, 그리드 인버터, 터빈 발전기 부하 뱅크, AC 출력 버스를 갖는 백업용 발전기, UPS 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 메인 AC 버스는 변압기와 스위치 기어를 통해서 유틸리티 그리드에 결합될 수 있다. 연료 전지 DC의 출력 버스는 연료 전지 인버터에 의해 메인 AC 버스에 연결될 수 있다. 연료 전지 부하 뱅크는 메인 AC 버스에 연결될 수 있다. 터빈 발전기의 AC 출력 버스는 머신 인버터 및 그리드 인버터에 의해 메인 AC 버스에 연결될 수 있다. 백업용 발전기의 AC 출력 버스는 메인 AC 버스에 연결될 수 있다. UPS는 메인 AC 버스에 연결될 수 있으며 제어 시스템에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 전기 시스템은 터빈 발전기 부하 뱅크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 유틸리티 그리드에 각각 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법이 제공된다. 발전소가 상기 유틸리드 그리드에 연결된 경우, 상기 방법은 유틸리티 그리드에 전력을 제공하도록 발전 모드로 연료 전지를 동작시키는 단계, 상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 유틸리티 그리드에 전력을 제공하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 및 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다. 발전소가 유틸리티 그리드로부터 분리되면, 상기 방법은 연료 전지를 발전 모드로 동작시켜서 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 단계, 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 터빈 발전기 부하 뱅크에 전력을 공급하거나, 또는 모터 구동 모드에서 터빈 발전기를 동작시켜서 상기 연료 전지로부터 전력을 인출하는 단계, 터빈 발전기 부하 뱅크를 제공하여 상기 부하 뱅크가 상기 터빈 발전기로부터 전력을 인출하는 단계, 및 상기 연료 전지로부터 전력을 인출하도록 상기 제어 시스템을 동작시키는 단계; 및 연료 전지 부하 뱅크를 제공하여 상기 연료 전지 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 각각 유틸리티 그리드에 전력을 제공할 수 있는 연료 전지 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법이 제공된다. 연료 전지가 전력을 공급하지 않고 발전소가 유틸리티 그리드에 연결되는 경우, 본 방법은 전력 그리드에 전력을 제공하도록 발전 모드로 터빈 발전기를 동작시키는 단계, 또는 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기는 유틸리티 그리드로부터 전력을 인출하는 단계, 상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템은 유틸리티 그리드로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다. 연료 전지가 전력을 발생시키지 않고 발전소가 유틸리티 그리드로부터 분리되는 경우, 본 방법은 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜 터빈 발전기가 터빈 발전기 부하 뱅크에 전력을 공급하거나, 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기는 상기 백업용 발전기로부터 전력을 인출하는 단계, 상기 터빈 발전기발전 모드로 동작 중일 때에 터빈 발전기 부하 뱅크를 제공하여 상기 터빈 발전기 부하 뱅크가 상기 터빈 발전기로부터 전력을 인출하는 단계, 상기 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작 중일 때에 백업용 발전기를 동작시켜 전력을 터빈 발전기에 공급하는 단계, 상기 백업용 발전기가 상기 제어 시스템에 전력을 제공하여, 상기 제어 시스템을 동작시켜서, 상기 제어 시스템이 상기 백업용 발전기로부터 전력을 인출하는 단계를 포함한다.
본 발명은 연료 전지 발전 시스템의 다양한 구성 요소의 잉여성, 신뢰성 및 상호 운용성이 향상되는 이점을 제공한다. 예를 들어, 연료 전지 출력은 전력 분배 시스템 상의 고장 시 터빈 발전기를 모터 구동하고 발전소 제어 시스템에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 터빈 발전기에 의해 생성된 전력은 상기 전력 분배 시스템 및 연료 전지 시스템 상에 고장이 발생하였을 때와 같은 비정상 상태에서 제어 시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 전력 분배 시스템 상에 결함이 발생하고 연료 전지가 전력을 생성하지 않을 때와 같은 비정상 상태 동안에 모드로 동작할 때에 제어 시스템 및 터빈 발전기에 전력을 공급하는 백업용 발전기를 가질 수 있다. 본 명세서에서 개시된 전기 시스템은 정상 상태 및 비정상 상태에서보다 안정적이다. 부가적으로, 개시된 시스템의 일부 실시예는 전기 변환 부품의 수를 감소시킴으로써 발전소 동작의 효율, 특히 터빈 발전기 전력 전자 장치의 효율을 향상시킨다. 상술한 시스템은 공공 유틸리티 그리드와 양립 가능하며 네트-병렬 및 격리 발전으로 쉽게 확장되어 이와 결합될 수 있다. 설치가 간단하고 표준 가정용 설치 구성요소를 사용할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 많은 이점은 본 발명이 청구 범위, 첨부된 도면 및 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 살펴보면, 본 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 전력 분배 시스템에 결합된 전기 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템, 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지에 결합된 전기 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지 및 터빈 발전기에 결합된 전기 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템, 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지 및 터빈 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템, 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 백업용 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 백업용 발전기 및 터빈 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 상태 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지에 결합된 전기 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지 및 터빈 발전기에 결합된 전기 시스템의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템, 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 연료 전지 및 터빈 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템, 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 백업용 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 전력 분배 시스템 및 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 백업용 발전기 및 터빈 발전기로부터 분리된 전기 시스템의 개략도이다.
도 18은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 상태 흐름도이다.
본 발명의 원리에 대한 이해를 돕기 위해, 도면들에 예시된 다수의 실시예들에 대한 참조가 이루어질 것이며, 특정 용어가 실시예들을 설명하기 위해 사용될 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다. 전기 시스템(100)은 메인 AC 버스(102), 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치 기어(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터빈 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128) 및 제어 시스템(130)를 포함할 수 있다.
메인 AC 버스(102)는 변압기(106) 및 스위치 기어(108)에 의해 EPDS(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 차단기 및 분기기와 같은 부가적인 구성 요소가 메인 AC 버스(102)와 EPDS(104) 사이에서 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 추가 구성 요소는 메인 AC 버스(102), 상기 메인 AC 버스 전기적으로 결합된 구성 요소 또는 이들 모두에 대한 추가적인 결합 및 보호 기능을 제공할 수 있다. 메인 AC 버스(102) 및 이에 부착된 장비는 3 상 AC 전력을 지원하도록 구성될 수 있다.
전력 분배 시스템(EPDS)(104)은 국가 또는 지역 전기 그리드일 수 있다. 일부 실시예에서, EPDS(104)는 다수의 전력 발전기, 전력 전달 장치, 전기 부하, 또는 이들 중 임의의 조합이 전기적으로 결합되는, 임의의 시스템일 수 있다.
변압기(106)는 일 전압에서 다른 전압으로 전류를 변환할 수 있다. 일부 실시예에서, 변압기(106)는 메인 AC 버스(102)의 3 상 AC 전압을 EPDS(104)의 상이한 3 상 AC 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 변압기(106)는 메인 AC 버스(102)의 전압을 EPDS(104)의 전압으로부터 격리시킬 수 있다. 변압기(106)는 단일 부품으로 도시되어 있지만, 변압기(106)의 기능을 제공할 수 있는 다수의 변압기, 다른 부품 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 또한, 변압기(106)는 메인 AC 버스(102)와 스위치 기어(108) 사이에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 변압기(106) 및 스위치 기어(108)의 서로에 대한 위치 및 메인 AC 버스(102) 및 EPDS(104)에 대한 위치는 변경될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
스위치 기어(108)는, 예를 들어, 비정상적인 그리드 상태의 경우에, EPDS(104)로부터 연료 전지 발전소의 전기 시스템을 분리(또는 결합 해제)할 수 있다. 역으로, 스위치 기어(108)는 예를 들어, 정상적인 그리드 조건 동안, 연료 전지 발전소의 전기 시스템을 EPDS(104)에 연결(또는 결합)할 수 있다. 스위치 기어(108)가 EPDS로부터 연료 전지 발전소를 전기적으로 분리할 때, 스위치 기어(108)는 개방 위치에 있는 것으로 기술될 수 있다; 스위치 기어(108)가 연료 전지 발전소를 EPDS(104)에 전기적으로 연결하는 경우, 스위치는 폐쇄 위치에 있는 것으로 기술될 수 있다.
스위치 기어(108)가 스위치로서 특정되지만, 스위치 기어(108)는 EPDS(104)로부터 연료 전지 발전소를 전기적으로 연결하고 분리시키는 기능을 하는 임의의 구성 요소 또는 구성 요소들을 포함할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있다.연료 전지(110)는 임의의 특정 유형의 연료 전지일 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지(110)는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 연료 전지(110)는 각각 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함하는 복수의 연료 셀들을 포함할 수 있다. 연료(예를 들어, 메탄, 천연 가스, H2, CO, 등)는 애노드에서 산화제(예를 들어, 대기로부터 인출되거나 주변 공기의 일부를 형성하는 산소)와 결합하여 전자를 방출하고 물을 포함할 수 있는 반응 생성물을 형성한다. 전자는 하나 이상의 상호 연결부를 통해 캐소드로 이동할 수 있으며, 상기 상호 연결부에서 전자가 산화제를 이온화시킨다. 그 다음, 이온화된 산화제는 고체 산화물 전해질을 통해 이동할 수 있으며, 이러한 전해질은 유체 연료 및 산화제에 대해 불투과성일 수 있다. 복수의 연료 셀들은 최종 시스템 전압, 전류 및 전력을 생성하도록 다양하게 직렬로, 병렬로 또는 이들의 조합으로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료 전지(110)는 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 출원 번호 14/914,982에서 기재된 것과 같은 전압 조절기 변환기(예를 들어, DC 변환기)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 전압 조절기 변환기는 연료 전지(110)를 구성할 수 있는 복수의 연료 셀들의 출력 관리를 향상시킨다. 이러한 생성된 전력은 결국 EPDS(104)에 공급될 수 있다.
DC 출력 버스(112)는 연료 전지(110)와 인버터(114) 사이의 전기 결합을 제공한다. 또한, DC 출력 버스(112)는 인버터(122)와의 전기적 결합을 제공한다. DC 출력 버스(112)가 단순한 전기 접속부로서 도 1에 도시되어 있지만, 당업자는 도 1이 단순화된 도면임을 이해할 수 있다. 상술한 접속을 제공하는 것 이외에, DC 출력 버스(112)는 하나 이상의 차단기, 스위치, 계측을 위한 계측부 또는 접속부, 또는 적절하고 안전하고 효율적인 동작을 위한 임의의 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
인버터(114)는 DC 출력 버스(112)와 메인 AC 버스(102) 사이에서 전기적 연결(결합 및 분리) 및 AC에서 DC로의 변환 또는 DC에서 AC로의 변환을 제공한다. 인버터(114)에 제공된 DC 전력은 인버터(114)에 의해 AC 전력으로 변환될 수 있다. 연료 전지 발전소가 EPDS(104)에 전기적으로 연결될 때(일명 "그리드 의존형 모드"), 인버터(114)는 DC 출력 버스(112)로부터의 DC 전력의 변환으로부터 기인된 AC 전류, AC 유효 전력, AC 무효 전력 또는 이들 양자 또는 상술한 바들의 조합을 제어하면서, (DC 출력 버스(112)로부터의) 변환된 DC 전력의 AC 전압 및 위상(들)을 EPDS(104) 전압 및 위상(들)과 동기화시킬 수 있다(상기 메인 AC 버스(102) 전압 및 위상(들)은 EPDS(104) 전압 및 위상(들)과 정합하도록 구성될 수 있음). 연료 전지 발전소가 EPDS(104)로부터 전기적으로 분리되면(일명, "그리드 독립형 모드"), 인버터(114)는 위에서 언급한 특성과는 별도로 또는 이 특성들에 추가하여, DC 출력 버스(112)로부터의 전력의 변환으로부터 독립적으로 상기 AC 출력 전압 및 위상(들)를 제어할 수 있다. 또한, 인버터(114)는 전류 한계치(최대치, 최고로 긴 지속 시간, 최고로 짧은 지속 시간), DC 링크 전압 한계치(약 500 내지 800V DC의 범위일 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 100 내지 2500V DC일 수 있음), 주파수 변동 한계치, 등과 같은 보호 기능들을 가질 수도 있다.
인버터(114)가 단일 구성 요소로서 도 1에 도시되어 있지만, 당업자는 도 1이 단순화된 도면임을 이해할 것이다. 인버터(114)는 상술한 바와 같은 인버터(114)의 기능을 수행하는 데 요구되는 바와 같이 구성된 복수의 전기 구성요소를 포함할 수 있다.
부하 뱅크(116)는 메인 AC 버스(102)에 전기적으로 연결(결합)될 수 있다. 상기 부하 뱅크(116)는 연료 전지 발전소가 EPDS(104)로부터 신속하게 분리되어야하는 경우 과잉 전력을 소비하도록 기능할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 발전소는 연료 전지(110), 터빈 발전기(118) 또는 둘 다가 셧다운되거나 전력 출력을 감소시키는 것보다 더 빠른 방식으로 EPDS(104)로부터 분리되어야 한다. 연료 전지(110), 터빈 발전기(118), 또는 양자 모두가 여전히 전력을 발생시키면, EPDS(104)를 통해 제공된 전기 부하가 연료 전지 발전소에 더 이상 결합되지 않기 때문에 그 전력이 소비되어야 한다. 이러한 과잉 전력은 부하 뱅크(116)에 의해 소비된다.
부하 뱅크(116)는 플라이휠 뱅크, 커패시터 뱅크, 레지스터 뱅크, 배터리 뱅크, 또는 상술한 것들의 조합 또는 연료 전지 발전소에 의해 생성된 잉여 전력을 소비할 수 있는 다른 전기 부하일 수 있다. 플라이휠 뱅크, 캐패시터 뱅크, 배터리 뱅크 또는 이들의 조합을 사용하는 하나의 이점은 잉여 전기 에너지의 기계적, 전기적 또는 화학적 저장 에너지가 연료 전지 발전소가 EPDS(104)에 재결합될 때에 재결합될 수 있거나 연료 전지 발전소의 부하들에 동력을 공급하는 데(예를 들어, 터빈 발전기(118)를 돌리거나 또는 제어 시스템(130)에 동력을 공급하는 데) 사용될 수 있다는 것이다.
일부 실시예들에서, 부하 뱅크(116)는 DC 출력 버스(112)에 직접 결합될 수 있다.
터빈 발전기(118)는 상술한 터보 발전기와 유사할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기(118)는 샤프트를 통해 적절한 배치로 연결된 압축기, 터빈 및 발전기를 포함할 수 있다. 압축기는 주변 공기 또는 다른 소스로부터 산화제를 흡입 및 가압하여 연료 전지(110) 및 관련 시스템 내에서 공기 및 유체 흐름을 유도할 수 있다. 그 다음, 가압된 산화제는 각기 연료 전지(110)에 산화제를 제공하고 연료 전지(110)로부터 산화제를 제거하기 위한, 산화제 유입 배관 및 산화제 배출 배관을 통해 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 압축기는 연료 전지(110), 다른 지원 시스템들 또는 이 둘 모두에서 사용되도록, 다른 유체 소스, 예를 들어, 환원 가스 또는 비활성 가스를 가압하도록 구성될 수 있다. 연료 전지(110)로부터 배출된 산화제는 연료 전지(110) 또는 다른 연료 소스로부터의 미사용 연료와 결합되고 연소되어 가열된 배기 유체를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 연소된 배기 산화제 및 미사용 연료의 양은 터빈을 통해 인출될 때 원하는 에너지를 제공하는 데 필요한 특성을 갖는 유체 유동을 달성하도록 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출된 산화제 및 미사용 연료는 거의 또는 전혀 연소되지 않을 수 있으며, 오히려, 배출된 유체 흐름이 바람직한 작동 출력(예를 들어, 연소기를 구동하거나, 전력을 제공하거나 또는 양자 모두)을 위해 터빈을 구동시키기에 충분할 수 있다. 이러한 가열된 배기 유체는 연료 전지(110)에 들어가기 전에 연료, 산화제 또는 둘 모두와 함께 회복 또는 다른 열교환 기능을 제공하는 데 사용될 수 있다. 가열된 배기 유체는 또한 터빈 발전기(118)의 터빈을 통해 팽창되어 압축기를 회전시키는 샤프트 동작을 제공할 수 있다. 터빈은 전력을 생산하기 위해 발전기에 기계적으로 연결될 수 있다. 터빈 발전기(118)는 터빈 발전기(118)의 터빈 및 발전기의 회전 에너지가 발전기에 의해 전력으로 변환될 때 "발전 모드"로 동작될 수 있다.
일부 실시예에서, 터빈 발전기(118)의 발전기는 전력의 외부 소스가 발전기에 인가될 수 있도록 모터-발전기로서 동작하도록 구성될 수 있다. 인가된 전력은 발전기의 회전 에너지로, 따라서 역시 터빈 발전기(118)의 회전 에너지로 변환될 수 있다. 이러한 모드의 터빈 발전기(118) 동작은 "모터 구동 모드(motoring mode)"로 지칭될 수 있다. 모터 구동 모드에서, 터빈 발전기(118)의 회전은 터빈 발전기(118)의 압축기로 전달되어 연료 전지에 의해 사용되게 산화제 또는 다른 유체 소스를 가압한다. 일부 실시예들에서, 터빈 발전기의 터빈(118)은, 모터 구동 모드에서 압축기를 회전시키기 위해 필요한 에너지의 양을 감소시키기 위해, 발전기, 압축기 또는 둘 다로부터 분리될 수 있다.
AC 출력 버스(120)는 터빈 발전기(118)에 전기적으로 연결 가능(결합 가능)할 수 있다. AC 출력 버스(120)는 터빈 발전기(118)와 인버터(122) 간의 전기 연결을 제공하는 구조부, 예를 들어, 와이어, 케이블, 버스 바 또는 이들의 조합을 제공한다. AC 출력 버스(120)가 단순한 전기 접속부로서 도 1에 도시되어 있지만, 당업자는 도 1이 단순화된 도면임을 이해할 것이다. 상기 AC 출력 버스(120)는 상술한 접속부를 제공하는 것 외에도, 하나 이상의 차단기, 스위치, 계측을 위한 계측부 또는 접속부, 또는 적절하고 안전하고 효율적인 동작을 위한 임의의 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
인버터(122)는 AC 출력 버스(120)와 DC 출력 버스(112) 사이에서 전기적 결합을 제공하고 전기 변환을 제공할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기(118)가 AC 출력 버스(120)로 전력을 생성하여 공급할 때, 인버터(122)는 이러한 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 DC 출력 버스(112)에 인가될 수 있게 한다. 이러한 변환은 변환된 DC 전압을 제어해야 할 수도 있다. 터빈 발전기(118)가 모터 구동 모드로 동작 중일 때, 인버터(122)는 DC 출력 버스(112)로부터의 DC 전력을 변환하여 상기 AC 출력 버스(120)로 상기 변환된 AC 전력을 공급할 수 있다.
또한, 인버터(122)는 터빈 발전기(118)의 속도 또는 이에 부여되는 토크를 제어하는 데 사용될 수 있다. 발전기(118)의 터빈의 속도를 제어하는 것은 또한 터빈 발전기(118)의 동작 모드에 관계없이, 압축기의 속도를 직접 또는 간접적으로 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이, 압축기는 연료 전지(110)의 전기-화학 반응에 사용되는 산화제 또는 다른 유체를 제공하고, 연료 전지(110)의 온도 및 온도 변화율을 제어하는 수단(예를 들어, 가열 또는 냉각 수단)뿐만 아니라 연료 전지(110) 또는 그 지원 시스템과 관련된 다른 기능을 제공할 수 있다. 연료 전지(110) 및 터빈 발전기(118)의 기계적 및 전기적 상호 작용 및 연료 전지 발전소와 EPDS(104)의 전기 결합은 도 1에 개시된 하나 이상의 구성 요소들을 포함하는 전기 시스템에 의해 관리될 수 있다.
백업용 발전기(124)는 예를 들어, 디젤, 가솔린, 천연 가스 또는 다른 발전기일 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)는 풍력 발전기 또는 태양 발전기일 수 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 백업용 발전기(124)를 포함하는 특정 유형의 구성 요소는, 그리드-고장 이벤트의 경우에 준비 가용성의 시스템 설계 제약사항을 만족시키고 연료 전지 냉각 동안에 제어 시스템(130)에 전력을 공급하고 터빈 발전기(118)에 동력을 공급하기에 충분한 용량을 가지며 다른 시스템 설계 기준을 만족시킬 수 있는, 임의의 유형의 적절한 발전, 변환 또는 저장 장치일 수 있다. 백업용 발전기(124)는 상술한 시스템 설계 기준을 만족시키기 위해 다양한 유형의 다수의 구성 요소를 포함할 수 있음을 이해할 수 있다.
백업용 발전기(124)는 비정상적인 동작 조건의 경우에 연료 전지 발전소에 보충 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 발전소가 EPDS(104)에 연결되지 않은 경우, 백업용 발전기는 전력 소스를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지(110)는 터빈 발전기(118)가 전력을 생성하는 동안 전력을 생성하지 않을 수 있다. 백업용 발전기(124)는 이러한 상황에서 발전소 제어 시스템(130)에 일정한 전력 소스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 터빈 발전기(118)는 제어 시스템(130)에 일부 전력을 제공할 수 있지만, 터빈 발전기(118)에 의해 생성된 전력의 이용 가능성 및 양은 변할 수 있다. 터빈 발전기(118)는 또한 연료 전지(110)의 안전한 냉각(또는 가열 또는 다른 동작)을 제공하기 위해 제어된 방식으로 압축기를 회전시키기 위한 에너지를 제공하도록 요구될 수 있다. 제어 시스템(130)에 대해 안정된 전력을 공급함에 추가하여, 백업용 발전기(124)에 의해 생성된 전력은 모터 구동 모드로 동작될 때 터빈 발전기(118)에 동력을 공급하도록 인버터(122)에 전력을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)는 AC 출력 버스(126)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 그러나, 이는 백업용 발전기가 어떤 식으로든 동작하지 않을 수도 있음을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 백업용 발전기(124)는 워밍업 또는 냉각 동작, 유지 보수 또는 AC 전력이 백업용 발전기(124)로부터 AC 출력 버스(126)로 제공되지 않는 다른 동작을 위해 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)는 메인 AC 버스(102)로부터 전기적으로 분리된 AC 출력 버스(126)에 전력을 제공할 수 있다.
AC 출력 버스(126)는 백업용 발전기(124)를 메인 AC 버스(102)에 연결시킬 수 있다. AC 출력 버스(120) 및 DC 출력 버스(112)에 대해 상술한 바와 같이, 도 1은 전기 시스템(100)의 단순화된 도면을 도시한다. AC 출력 버스(126)는 추가적인 기능성을 제공하는 추가적인 구성요소를 포함할 수 있다.
무정전 전력 공급부(UPS)(128)는 제어 시스템(130)을 메인 AC 버스(102)에 전기적으로 연결하기 위해 제공된다. 또한, UPS(128)는 예를 들어, EPDS(104), 연료 전지(110), 터빈 발전기(118), 백업용 발전기(124) 또는 상술한 바들의 임의의 조합의 고장과 같은, 다른 소스로부터의 전력 차단 동안 사용되는 전기 에너지의 저장을 제공한다. UPS(128)는 전력 소스들의 천이 중에 또는 다른 소스로부터의 전력이 이용 가능하지 않은 임의의 시간에, 제어 시스템(130)에 연속적인 전력을 제공할 수 있다. UPS(128)는 또한 제어 시스템(130)에 의해 인출된 전력을 조절(예를 들어, 그의 전압, 위상(들) 등을 제어)할 수 있다. UPS(128)는 상술된 기능을 제공하도록 구성된 배터리, 화학적, 전기적 또는 기계적 구성 요소 또는 다른 구성 요소일 수 있다.
UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다. 메인 AC 버스상의 전력은 EPDS(104), 연료 전지(110), 터빈 발전기(118), 백업용 발전기(124), 부하 뱅크(116), 또는 이들 또는 다른 부품들의 조합에 의해 제공될 수 있다.
시스템의 안전한 동작을 위해 전기 시스템(100)의 각 구성 요소를 제어, 모니터링 및 통신하도록 제어 시스템(130)("발전소 균형부"라고도 지칭됨)이 구성될 수 있다. 또한, 제어 시스템(130)은 도 1에 도시되지 않은 다른 구성 요소를 포함하여, 시스템(100) 내의 다양한 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(130)은 밸브, 히터, 펌프, 원격 조작 차단기 및 스위치, 조명, 계측기(온도, 압력, 유량 등), 잠금 장치, 자동 또는 수동 원격 보호 시스템 및, 연료 전지 발전소의 안전하고 효율적인 동작을 향상시킬 수 있는 다른 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다. 제어 시스템(130)은 전기 시스템(100)의 동작을 지원하는 데 사용되는 복수의 서브-시스템에 대해 위에서 열거된 구성요소 및 다른 구성요소의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(200)이 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 전기 시스템(200)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 전기적 결합은 스위치 기어(108)가 폐쇄 위치에 있을 때 달성될 수 있다. EPDS(104)는 메인 AC 버스(102) 및 이에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 결합된 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 연료 전지(110)는 전력을 생성하거나, DC 출력 버스(112)에 전력을 공급하거나, 또는 양자에 전력을 제공하지 않을 수 있다. 터빈 발전기(118)가 "모터 구동 모드"로 동작 중일 수 있으며, 이 경우에 상기 발전기는 터빈 발전기(118)가 전기 에너지를 터빈 발전기(118)의 터빈 및 압축기의 회전 에너지로 변환시키도록 모터로서 기능한다. 상기 모터 구동 모드에서, 터빈 발전기(118)는 DC 출력 버스(112)로부터 전력을 인출할 수 있다. 일부 실시예에서, 터빈 발전기(118)의 터빈은, 예를 들어 클러치에 의해 발전기로부터 분리되어, 압축기만이 회전되어, 이로써 에너지를 절약할 수 있다. 터빈 발전기(118)의 압축기는 연료 전지(110) 내에서의 전기-화학 반응을 위해, 가열 또는 냉각 동작을 위해, 또는 일부 다른 연료 전지 시스템 동작 또는 지원 시스템 동작을 위해 해당 연료 전지에 의해 사용되도록, 산화제 또는 다른 유체를 가압하기 위해 회전될 수 있다. 상기 백업용 발전기(124)는 AC 출력 버스(126)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 백업용 발전기(124)는 다른 동작 동안에 또는 다른 이유로 동작할 수도 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)는 메인 AC 버스(102)에 전기적으로 결합되지 않은 AC 출력(126)에 전력을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 백업용 발전기(124)에 의해 생성된 임의의 전력은 터빈 발전기(118)의 모터 구동을 구동하거나 제어 시스템(130)에 전력을 공급하거나 UPS(128)를 재충전하는 데 가용되지 않는다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출하여 이 전력을 제어 시스템(130)에 제공할 수 있다. UPS(128)에 의해 인출된 전력과 제어 시스템(130)에 의해 인출된 전력 간에 일시적인 불균형이 있을 수 있지만, 이들 인출된 전력들의 평균은 UPS(128)가 풀 충전 대기 상태(full ready state)로 충전되어 이 상태를 유지할 수 있도록 될 것이다.
화살표(136 및 138)는 각각 EPDS(104)로부터 제어 시스템(130) 및 터빈 발전기(118)로의 전력의 흐름을 도시한다. EPDS(104)로부터의 전력은 스위치 기어(108) 및 변압기(106)를 통해 메인 AC 버스(102)로 흐른다. 메인 AC 버스(102)로부터, 전력은 UPS(128) 및 인버터(114)로 흐른다. UPS(128)로부터, 전력은 제어 시스템(130)에 제공된다. 인버터(114)로부터, 전력은 DC로 변환되어 DC 출력 버스(112)에 공급된다. DC 출력 버스(112)로부터의 전력은 인버터(122)에 의해 AC 전력으로 변환된다. 상기 변환된 AC 전력은 터빈 발전기(118)의 영구 자기 동기 모터를 고속으로 구동하는 데 사용될 수 있다. 이러한 변환에서, AC 전류, 전압 및 위상(들)은 터빈 발전기(118)의 압축기의 목표 회전 레이트를 달성하도록 제어되어, 이로써, 연료 전지(110)에 대한 산화제(또는 다른 유체)의 가압 및 유동을 제어한다. 일부 실시예에서, 연료 전지(110)는 또한 DC 출력 버스(112)로부터 DC 전류를 인출할 수 있다.
화살표들이 위의 도 2에서 그리고 이하의 수많은 도면들에서 도시 및 기술되지만, 화살표들은 가능한 전기 흐름과 해당 흐름의 방향을 나타내지만, 모든 가능한 전기 흐름을 나타내지 않으며, 반드시 동시적인 흐름 가능성을 나타내는 것도 아니다. 오히려, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 구성 요소들 간의 특정 전력 흐름은 이들 구성 요소들의 서로에 대한 전기적 파라미터들에 의해 구현된다. 예를 들어, 도 3(후술됨)은 EPDS(104)로부터 UPS(128)로의 전력 흐름 및 연료 전지(110)로부터 EPDS(104)로의 전력 흐름을 도시하지만, 통상의 기술자는 연료 전지(110)가 또한 UPS(128)에 전력을 제공할 수 있으며, EPDS 및 메인 AC 버스(102)로의 및 그로부터의 전력 흐름들은 동시에 발생할 수 없다는 것을 이해할 것이다. 다시, 이러한 예시된 흐름은 동시에 발생할 수 없는 가능한 전기 흐름 경로 및 방향들 중 일부를 나타낸다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(300)이 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 전기 시스템(300)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. EPDS(104)는 메인 AC 버스(102) 및 이에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 결합된 구성 요소들에 전력을 제공할 수 있다. 연료 전지(110)는 DC 전력을 생성하고 DC 전력을 DC 출력 버스(112)에 공급할 수 있다. 터빈 발전기(118)는 DC 출력 버스(112)로부터 전력을 인출할 수 있다. 백업용 발전기(124)는 AC 출력 버스(126)에 AC 전력을 제공하지 않을 수 있다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다.
연료 전지(110)에 의해 생성된 전력은 DC 출력 버스(112)에 제공될 수 있다. 화살표(144)로 도시된 바와 같이, 전력은 DC 출력 버스(112)에서 인버터(114)로 흐를 수 있다. 인버터(114)는 메인 AC 버스(102) 상에 배치될 수 있는 EPDS(104)의 전압 및 위상을 정합시키기 위해 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있다. 변환된 AC 전력의 전압 및 위상(들)이 EPDS(104)의 AC 전력과 양립할 수 있지만, 인버터(114)는 또한 결과적인 변환된 AC 전력의 유효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 변환된 AC 전력은 이어서, 메인 AC 버스(102)로 흐르고, 이어서, 제어 시스템(130) 또는 EPDS(104) 또는 둘 모두로 흐를 수 있다. 전력이 제어 시스템(130)으로 흐르는 경우, 전력은 제어 시스템(130)에 도달하기 전에 UPS(128)를 통과한다. 전력이 EPDS(104)로 흐르는 경우에, 상기 전력은 EPDS(104)에 도달하기 전에 변압기(106) 및 스위치 기어(108)를 통과한다.
EPDS(104)로부터의 전력은 전기 시스템(300)으로 또한 흐를 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, EPDS(104)로부터의 전력은 UPS(128) 및 메인 AC 버스(102)를 통해 제어 시스템(130)으로 흐를 수 있다. 이러한 전력의 흐름은 화살표(140)로 도시된다.
DC 출력 버스(112)로부터의 전력은 또한 화살표(142)로 도시된 바와 같이 인버터(122)를 통해 터빈 발전기(118)로 흐를 수 있다. 인버터(122)는 DC 출력 버스(112) 상의 DC 전력을 AC 출력 버스(120)의 요구되는 전압, 전류 및 위상(들)로 변환하여, 터빈 발전기(118)의 터빈, 압축기 및 발전기를 목표 속도로 회전시킬 수 있다. 발전기의 영구 자석 동기식 모터는 터빈 발전기(118)를 고속으로 구동하여 터빈 발전기(118)의 압축기가 연료 전지 시스템에 압축된 산화제 또는 다른 유체를 계속 공급할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(400)이 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 전기 시스템(400)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 연결될 수 있으며 이러한 연결은 스위치 기어(108)가 폐쇄(또는 "ON") 위치에 있을 때 실행될 수 있다. EPDS(104)는 메인 AC 버스(102) 및 이에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 결합된 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 메인 AC 버스(102)가 EPDS(104)에 연결되면, AC 전력은 화살표(152, 146)로 도시된 바와 같이 메인 AC 버스(102)와 EPDS(104) 사이에서 흐를 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 구성으로 인해서, 터빈 발전기(118), 연료 전지(110), 백업용 발전기(124), EPDS(104) 또는 이들의 일부 조합에 의해 생성될 수 있는 전력이 메인 AC 버스(102)로부터 상기 UPS에 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하 뱅크(116)는 메인 AC 버스(102) 및 이에 전기적으로 결합된 구성 요소들에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
연료 전지(110)는 앞서 기술된 연료 전지 전기-화학 반응을 통해 전력을 발생시킬 수 있고, 이로써, 화살표(148)로 도시된 바와 같이 DC 전력을 DC 출력 버스(112)에 제공할 수 있다. 터빈 발전기(118)는 터빈을 통한 연소된 연료 전지 반응 생성물의 팽창을 통해 전력을 생성하여 AC 전력을 AC 출력 버스(120)에 제공할 수 있다. 백업용 발전기(124)는 AC 출력 버스(126)에 AC 전력을 제공하지 않는다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출 중이다.
상술한 바와 같이, 터빈 발전기(118)에 의해 생성된 AC 전력은 AC 출력 버스(120)로부터 인버터(122)를 통해 DC 출력 버스(112)로 전달될 수 있다. 이 전력의 흐름은 화살표(150)로 도시된다. 인버터(122)는 발생된 AC 전력을 DC 출력 버스(112)에서 필요한 DC 전력으로 변환한다. 이러한 변환 중에, 인버터(122)는 이러한 변환으로부터 야기된 DC 전압, 전류 또는 이들 모두를 제어할 수 있다. DC 출력 버스(112) 상의 DC 전력은 연료 전지(110) 및 터빈 발전기(118)의 결합된 출력들일 수 있다. 이러한 DC 전력은 인버터(114)에 의해 메인 AC 버스(102)로 전달될 수 있다. 이러한 전력의 흐름은 화살표(152)로 도시된다. 인버터(114)는 DC 전력을 메인 AC 버스(102) 상의 전압 및 위상(들)과 양립 가능한 AC 전압 및 위상으로 변환할 수 있다. 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 따라서 인버터(114)에 의해 변환된 전압 및 위상(들)은 EPDS(104)의 전압 및 위상(들)과 양립할 수 있다. 이러한 변환된 전압을 EPDS(104)의 전압과 양립하도록 컨디셔닝하면서, 인버터는 연료 전지(110) 및 터빈 발전기(118)의 출력들의 변환으로부터 유효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 이러한 변환된 전력은 EPDS(104)와 이에 부착된 부하에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
백업용 발전기(124)는 AC 출력 버스(126)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 그러나, 이는 백업용 발전기가 어떤 식으로든 동작하지 않을 수도 있음을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 백업용 발전기(124)는 워밍업 또는 냉각 동작, 유지 보수 또는 AC 전력이 백업용 발전기(124)로부터 AC 출력 버스(126)로 제공되지 않는 다른 동작을 위해 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)는 메인 AC 버스(102)로부터 전기적으로 분리된 AC 출력 버스(126)에 전력을 제공할 수 있다.
UPS(128)는 메인 AC 버스(102)에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. UPS(128)에 의해 인출된 전력은 터빈 발전기(118), 연료 전지(110), EPDS(104), 백업용 발전기(124)(메인 AC 버스(102)에 연결되어 이에 전력을 공급하는 경우), 또는 이러한 소스들의 일부 조합들로부터 유래될 수 있다.
이어서, 제어 시스템(130)은 UPS(128)로부터 전력을 인출한다. UPS(128)를 최대 용량으로 유지하기 위해, 제어 시스템(130)에 의해 인출된 평균 전력은 UPS(128)에 의해 인출되는 평균 전력보다 작을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(500)이 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 전기 시스템(500)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 기어(108)는 개방(또는 "OFF") 위치에 있을 수 있기 때문에, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 결합되지 않을 수 있다. 연료 전지(110)는 DC 전력을 발생시키고 그 생성된 전력을 DC 출력 버스(112)에 제공할 수 있다. 부하 뱅크(116)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기(118)는 DC 출력 버스(112)로부터 전력을 인출할 수 있다. 백업용 발전기는 AC 출력 버스(126)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. UPS가 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다.
메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)의 결함 또는 일부 다른 조건으로 인해 EPDS(104)로부터 분리될 수 있으며, 이는 연료 전지 발전소에 약간의 위험을 줄 수 있으므로, 보호 조치로서, 연료 전지 발전소가 EPDS(104)로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 발전소는 이러한 보호 조치가 효과적임을 보장하기 위해 EPDS(104)로부터 신속하게 분리될 필요가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 발전소는 EPDS(104)에 안전 위험성을 줄 수 있는 연료 전지 발전소와 관련된 결함 또는 다른 조건으로 인해 EPDS(104)로부터 분리될 필요가 있을 수 있다. 다시 말하자면, 이러한 위험은 스위치 기어(108)를 개방함으로써 EPDS(104)로부터 연료 전지 발전소를 신속하게 분리함으로써 해결될 수 있다.
스위치 기어(108)가 급속하게 개방될 때, 연료 전지(110)는 터빈 발전기(118)에 동력을 제공하고 제어 시스템(130)을 구동시키는데 필요한 전력보다 과잉 전력을 발생시킬 수 있다. 이러한 과잉 전력은 연료 전지 발전소에 의해 소비될 수 있어, 연료 전지의 전기-화학적 반응을 위해 공급된 연료를 연료 전지 시스템의 다른 곳에서 연소시켜 불필요한 열을 생성할 필요를 피할 수 있다. 이러한 과잉 전력을 소비하기 위해, 부하 뱅크(116)는 연료 전지 발전소의 메인 AC 버스(102)에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. 일부 실시예에서, 부하 뱅크(116)는 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력과 모터 구동 중인 터빈 발전기(118), 동작 중인 제어 시스템(130) 및 전력 시스템(500)에서 존재할 수 있는 전기 손실에 의해서 소비되는 전력 간의 차에 대응하는 전력량을 소비할 수 있다.
일부 실시예에서, 부하 뱅크(116)에 의해 소모되는 전력의 양이 감소되도록 스위치 기어(108)의 개방 후에 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력이 낮아질 수 있다. 연료 전지(110)의 전력 출력은, 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력이, (연료 전지(110)의 전기-화학 반응을 위한 산화제를 공급하거나, 연료 전지(110)를 가열 또는 냉각시키기 위한 산화제 또는 다른 유체 흐름을 제공하거나, 또는 이들 동작들 또는 다른 동작들의 조합을 위해서) 터빈 발전기(118)를 모터 구동하거나 제어 시스템(130)을 구동시키는데 필요한 전력량과 대략적으로 동일하도록 되는 값으로 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 부하 뱅크(116)는 연료 전지 시스템(110)에 의해 생성된 잉여 전력을 저장하는 능력을 포함할 수 있어서, 이 전력은 백업용 전력의 추가 전력 소스로 사용될 수 있거나/있고 연료 전지 발전소가 EPDS(104)에 재 연결될 때에 사용될 수 있다.
결과적인 전력 흐름은 도 5에 도시된다. 화살표(154)는 연료 전지(110)에 의해 발생되어 DC 출력 버스(112)에 공급될 수 있는 전력을 도시한다. 이러한 전력은 각각 화살표(156 및 158)로 나타낸 바와 같이 터빈 발전기(118)로 전송된 전력 및 메인 AC 버스(102)로 전송된 전력으로 분할될 수 있다. 터빈 발전기(118)로 전송된 전력은 인버터(122)를 통해 DC 출력 버스(112)에서 AC 출력 버스(120)로 전달될 수 있다. 인버터(122)는 DC 출력 버스(112) 상의 DC 전력을 AC 출력 버스(120)를 위한 AC 전력으로 변환할 수 있다. 이러한 변환 중에, 인버터(122)는 DC 전력을 요구된 AC 전압 및 위상(들)로 변환하여 터빈 발전기(118)가 연료 전지(110)의 공기 흐름 요건을 충족시키기에 충분한 속도로 회전하게 할 수 있다.
DC 전력은 또한 인버터(114)를 통해 DC 출력 버스(112)로부터 메인 AC 버스(102)로 전달될 수 있다. 인버터(114)는 결과적인 변환된 AC 전력의 전압, 위상(들) 및 실효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 메인 AC 버스(102)가 더 이상 EPDS(104)에 전기적으로 결합되지 않고 다른 구성 요소들은 메인 AC 버스(102) 상의 전력의 전압 및 위상 특성들을 제어할 수 없기 때문에, 인버터(114)는 상기 변환된 전력의 전압 및 위상(들)을 제어하도록 요구될 수 있다. AC 전력은 화살표(162 및 160)로 각각 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102) 상에서 부하 뱅크(116) 및 UPS(128)로 흐를 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(600)이 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 전기 시스템(600)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 연료 전지(110)는 전력을 생성하고 그 전력을 DC 출력 버스(112)에 공급할 수 있다. 부하 뱅크(116)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기(118)는 전력을 발생시키고 그 전력을 AC 출력 버스(120)에 제공할 수 있다. 백업용 발전기(124)는 전력을 생성하지 않거나, AC 출력 버스(126)에 전력을 공급하지 않거나, 메인 AC 버스(102)에 전력을 공급하지 않거나, 이들의 조합을 수행할 수 있다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다.
도 6에 도시된 전력 흐름의 일부는 도 5의 흐름에 대응할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력은 화살표(154)의 흐름에 대응하는 화살표(164)에 의해 도시된 바와 같이 DC 출력 버스(112)로 흐를 수 있다. 이러한 대응은 전력 흐름의 일반적인 방향, 총 전체 전력 흐름 또는 이러한 특성들의 조합일 수 있다. 유사하게, 화살표(168)는 화살표(158)에 대응할 수 있고, 화살표(170)는 화살표(160)에 대응할 수 있고 화살표(172)는 화살표(162)에 대응할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시예들 사이의 한 가지 다른 점은, 터빈 발전기(118)가 화살표(166)로 표시된 바와 같이 DC 출력 버스(112)로 흐르는 전력을 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 전력 흐름은 인버터(122)에 의해, AC 출력 버스(120) 상의 AC 전력으로부터 DC 출력 버스(112)를 위한 DC 전력으로 변환된다. 인버터(122)는 AC 출력 버스(120) 상의 AC 전력을, DC 출력 버스(112)에서 사용하기 위한 특정 전압의 DC 전력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 이러한 인버터(122)에 의해 수행되는 특정 변환은 또한 터빈 발전기(118)에 인가된 토크를 제어하여, 터빈 발전기(118)의 속도를 제어하는 것을 돕고, 따라서, 터빈 발전기(118)로의 압축기의 연결로 인해 연료 전지(110)로 흐르는 산화제 또는 다른 유체의 양을 제어하는 것을 보조한다.
또 다른 차이점은 메인 AC 버스(102)에 제공된 총 전력이 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력과 터빈 발전기(118)에 의해 생성된 전력의 결합이라는 것이다. 결과적으로, 부하 뱅크(116)에 의해 소비된 전력은 연료 전지(110) 및 터빈 발전기(118)에 의해 생성된 전력들과 UPS(128) 및 제어 시스템(130)에 의해 소비되는 전력과 시스템 내의 임의의 다른 손실 전력의 합 간의 차와 동일한 양일 수 있다.
터빈 발전기(118)가 터빈을 통한 연소 생성물의 팽창에 의해 동력을 공급 받으면, 터빈 발전기(118)에 의해 생성된 전력은 연료 전지 발전소를 동작시키는데 필요한 것보다 클 수 있다. 터빈 발전기(118) 및 연료 전지(110)의 상술한 상호 연관된 기계적 동작들(예를 들어, 터빈 발전기(118)가 연료 전지(110)에 공기를 공급함) 및 전기적 동작들(예를 들어, 터빈 발전기(118)와 연료 전지(111)의 결합된 전력 출력들)의 경우에, 부하 뱅크(116)는 터빈 발전기(118) 및 연료 전지(110) 모두에 의해 발생된 전력의 일부를 소비하여 이들 구성 요소가 안전하게 상호 동작할 수 있도록 요구될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(700)이 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 전기 시스템(700)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스는 EPDS(104)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 연료 전지(110)는 전력을 발생시키지 않거나, 생성된 전력을 DC 출력 버스(112)에 제공하지 않거나, 또는 양자 모두를 수행하지 않을 수 있다. 터빈 발전기(118)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출하여서 모터 구동 모드로 동작할 수 있다. 백업용 발전기(124)는 전력을 생성하여 메인 AC 버스(102)에 전력을 제공할 수 있다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출 중일 수 있다.
연료 전지(110)는 일부 이유들로 인해서, 전력을 생성하지 않거나 DC 출력 버스(112)에 전력을 공급하지 않을 수 있는데, 이러한 이유들에는, 예를 들어, 연료 흐름의 손실, 산화제 흐름의 손실 또는 둘 모두가 있거나, 연료 전지(110)가 연료 전지 발전소(110)의 나머지 부분으로부터 분리되어야 하는 전기적인 문제일 수 있거나, 연료 전지(110)가 일부 이유들로 인해서 시동되거나 셧다운되거나 하는 문제들일 수 있다. 연료 전지(110)가 연료 전지 발전소의 나머지 부분에 전력을 공급하지 않을지라도, 터빈 발전기(118)의 압축기는 열 균형, 가열, 냉각 또는 기타 연료 전지 시스템 동작을 위해 연료 전지에 산화제 또는 다른 유체의 흐름을 제공할 수 있다. 모터 구동 모드로 터빈 발전기(118)를 동작시키기 위한 전력은 백업용 발전기(124)에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 터빈 발전기(118)를 동작시키기 위한 전력은 가능하게는 상기 백업용 발전기(124)와 함께 또는 백업용 발전기(124)와는 개별적으로, UPS(128), 부하 뱅크(116) 또는 이들의 조합에 의해 제공될 수 있다. 또한, 백업용 발전기(124)는 전력을 UPS(128)에 제공하는 데 사용되며, 이어서, UPS(128)는 제어 시스템(130)에 지속적으로 전력을 공급한다. 일부 실시예에서, 부하 뱅크(116)는 또한 UPS(128)에 전력을 제공할 수도 있다.
이러한 전력 흐름은 도 7에 예시된다. 화살표(174)는 백업용 발전기(124)가 생성된 전력을 AC 출력 버스(126) 및 메인 AC 버스(102)에 공급하는 것을 도시한다. 메인 AC 버스(102)로부터, 전력은 화살표(176)에 의해 도시된 바와 같이 터빈 발전기(118)로 흐를 수 있다. 터빈 발전기(118)로 흐르는 전력은 인버터(114)를 통해 흐를 수 있으며 상기 인버터는 메인 AC 버스(102) 상의 AC 전력을, DC 출력 버스(112)에 인가될 DC 전력으로 변환한다. DC 출력 버스(112) 상의 DC 전력은 이어서, 인버터(122)를 통해 AC 출력 버스(120)로 흐를 수 있다. 인버터(122)는, 터빈 발전기(118)의 회전 속도를 제어하여, 터빈 발전기(118)의 압축기에 의해 야기되는 연료 전지(110)를 통한 산화제 또는 다른 유체의 결과적인 유동을 구현할 수 있도록, AC 출력 버스(120) 상의 전류, 전압, 위상(들), 실효 전력 및 무효 전력, 또는 이들의 조합을 요구된 바와 같이 제공하게 구성될 수 있다.
메인 AC 버스(102)에서 UPS(128)로 전력이 흐를 수도 있다. UPS는 제어 시스템(130)에 지속적인 전력 공급을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(800)이 도 8에 도시되어 있다. 도 8의 전기 시스템(800)은 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 상술한, 메인 AC 버스(102) 및 전력 분배 시스템(EPDS)(104), 변압기(106), 스위치(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터보 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128), 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102)는 EPDS(104)에 전기적으로 결합되지 않을 수 있다. 연료 전지(110)는 전력을 생성하지 않거나, DC 출력 버스(112)에 전력을 공급하지 않거나, 또는 양자를 수행하지 않을 수 있다. 터빈 발전기(118)가 전력을 발생시키고 그 전력을 AC 출력 버스(120)에 공급할 수 있다. 부하 뱅크(116)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출할 수 있다. 백업용 발전기(124)는 전력을 생성하고 그 전력을 AC 출력 버스(126)를 통해 메인 AC 버스(102)에 제공할 수 있다. UPS(128)는 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출하여 제어 시스템(130)에 전력을 공급할 수 있다.
연료 전지(110)는 상술한 것과 유사한 이유들로 인해 전력을 생성하지 않거나, DC 출력 버스(112)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 연료 전지(110)가 전력을 공급하지 않을 수 있지만, 시동, 셧다운, 가열, 냉각 또는 연료 전지(110)를 안전하게 동작시키기 위해서 필요한 다른 동작을 위해 연료 전지(110)에 산화제 또는 다른 유체의 흐름이 여전히 제공될 수 있다. 이러한 유체의 흐름은 연료 전지(110)에 산화제 또는 다른 유체를 가압하여 공급하는 압축기를 통해 터빈 발전기(118)에 의해 제공될 수 있다. 연료 전지(110)에서의 유동 요건이 낮아짐에 따라, 압축기는 연료 전지(110)에 더 낮은 유량의 산화제 또는 다른 유체를 제공하거나, 산화제 또는 다른 유체를 덜 압축하거나 이 양자를 수행할 필요가 있을 수 있다. 이러한 더 낮은 유량 또는 보다 낮은 압축량은 터빈 발전기(118)의 압축기의 회전을 느리게함으로써 달성될 수 있다. 결과적으로, 터빈 발전기(118)로부터의 전기 출력은 시간에 따라 변할 수 있다. 터빈 발전기(118)의 이러한 시변 전기 출력은, 일부 시점에서, UPS(128)로 그리고 이로부터 제어 시스템(130)으로 지속적인 전력 공급을 제공하기 위해 터빈 발전기(118)를 더 이상 의존하지 않을 수 있는 레벨에 도달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력은 터빈을 감속시키기 위해 터빈 발전기(118)로부터 인출할 수 있다.
터빈 발전기(118)로부터 일정한 전력 공급이 발생되지 않아서 발생할 수 이 있는 문제를 피하기 위해, 백업용 발전기(124)가 전력을 공급하기 위해 시동될 수 있다. 이러한 백업용 발전기(124)는 연료 전지(110)와 기계적 상호 작용을 갖지 않고, 터빈 발전기(118)가 갖는 요건과 동일한 외부 동작 요건을 가지지 않으며, 따라서, UPS(128) 및 제어 시스템(130)에 보다 신뢰성 있는 전력 소스를 제공할 수 있다.
부하 뱅크(116)는 터빈 발전기(118) 및 백업용 발전기(124)에 의해 발생된 전력과 UPS(128)에 의해 인출되는 전력의 양 및 임의의 시스템 손실 간의 합 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출하도록 구성될 수 있다. 부하 뱅크(116)는 백업용 발전기(124)가 메인 AC 버스(102)에 전력을 공급하자마자 메인 AC 버스(102)로부터 전력을 인출하기 시작할 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(124)의 시동은, UPS(128)가 제어 시스템(130)으로 전력을 계속 공급하도록 UPS(128)가 충전된 상태로 유지하기 위해 터빈 발전기(118)가 더 이상 계속적인 전력 공급을 제공할 수 없을 것으로 예상되는 시간에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 백업용 발전기(124)는 상술한 시점 이전에 메인 AC 버스(102)에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 기간 동안, 부하 뱅크(116)는 터빈 발전기에 의해 생성되어 메인 AC 버스 상에 부가된 전력량과 동일한 양의 전력을 인출할 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 흐름량은 시스템 요건에 맞게 부하 뱅크의 사용으로 균형이 유지될 수 있다.
이러한 전력의 흐름은 도 8에 예시되어 있다. 터빈 발전기(118)는 일부 전력을 생성하고, 이 전력은, 화살표(180)로 나타낸 바와 같이, AC 출력 버스(120)로부터 인버터(122)를 통해 DC 출력 버스(112)로 향하고, 그리고 DC 출력 버스(112)로부터 인버터(114)를 통해 메인 AC 버스(102)로 제공된다. 상기 메인 AC 버스(102)에서, 이러한 전력은 화살표(182)로 도시된 바와 같이, UPS(128), 부하 뱅크(116) 또는 양자로 흐를 수 있다. 화살표(184)는 부하 뱅크(116)에 의해 메인 AC 버스(102)로부터 인출된 전력을 나타내고, 화살표(188)는 UPS(128)에 의해 메인 AC 버스로부터 인출된 전력을 나타낸다. 백업용 발전기(124)는 화살표(186)로 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(102) 및 AC 출력 버스(126)를 통해 UPS(128)에 전력을 공급한다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 터빈 발전기(118) 및 백업용 발전기(124) 모두는 UPS(128)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 터빈 발전기(118) 및 가능하게는 백업용 발전기(124)에 의해 생성된 초과 전력은 또한 부하 뱅크(116)에 의해 인출될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템을 위한 동작 상태 흐름도(900)가 도 9에 도시되어 있다. 전기 시스템은 상술한 전기 시스템(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 및 800)과 유사할 수 있다.
동작 상태 흐름도(900)는 전기 시스템의 하나 이상의 구성 요소의 동작 상태에 기초한, 이러한 전기 시스템 구성 요소의 가능한 결과적인 동작 조건들 및 전기 시스템 구성 요소들로 및 이로부터의 가능한 결과적인 전력 흐름을 도시한다. 예를 들어, 전기 시스템 내의 다양한 구성 요소의 동작 조건 및 이들로/로부터의 전력 흐름은 전기 시스템 연료 전지의 동작 상태(블록 190), 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 1106 및 192) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록들 1114, 1108, 1100 및 194)에 의존한다.
연료 전지가 전력을 생성하고 고장이 없다면(블록 190 "아니오" 분기경로), 전기 시스템은 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 192) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록 194 및 1100)에 기초하여, 4 개의 가능한 동작 상태(블록 196, 198, 1102 및 1104)를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로서 또한 공지됨)이 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되는 경우(블록 192, "아니오" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 전력을 제공하는 전력 생성 모드로 동작할 수 있으며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출함으로써 동작될 수 있고, 부하 뱅크는 메인 AC 버스로부터 분리될 수 있다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 상기 전력을 제공할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(198)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) DC 출력 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(196)에 의해 표시된다.
연료 전지가 전력을 생성 중이고 고장이 없는 경우(블록 190, "아니오" 분기경로), 그리고 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 알려짐)이 전력 분배 시스템으로부터 분리되면(블록 192, "예" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작할 것이고, 제어 시스템은 (위에서 설명한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출함으로써 동작되고, 부하 뱅크는 (위에서 설명한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 생성된 전력을 공급할 것이다. 이러한 동작은 블록(1104)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) DC 출력 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1102)에 의해 표시된다. 부하 뱅크는 연료 전지에 의해 생성된 전력 및 터빈 발전기에 의해 생성된 전력과, 제어 시스템에 의해 인출된 전력, 터빈 발전기에 의해 인출된 전력 및 임의의 전기 손실의 합 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출할 수 있다.
연료 전지가 전력을 생성 중이 아니거나, 고장이 있거나, 또는 이 둘 모두라면(블록 190, "예" 분기경로), 전기 시스템은 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 1106) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록 1108 및 1114)에 기초하여 4 개의 가능한 동작 상태(블록 1110, 1112, 1116 및 1118)를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 공지됨)이 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되는 경우(블록 1106, "아니오" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작하지 않을 것으며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하도록 동작할 것이며, 부하 뱅크는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에서 분리된다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 전력 공급 시스템에 생성된 전력을 공급한다. 이러한 동작 상태는 블록(1112)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) DC 출력 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1110)에 의해 표시된다.
연료 전지가 전력을 발생시키지 않거나, 고장이거나 또는 둘 모두이고(블록 190 "예" 분기경로), 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 공지됨)이 전력 분배 시스템으로부터 전기적으로 분리되면(블록 1106, "예" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작하지 않을 것이며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하도록 동작하며, 부하 뱅크는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전기적으로 결합되어 이로부터 전력을 인출할 것이며, 백업용 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전력을 공급할 것이다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 생성된 전력을 공급한다. 이러한 동작 상태는 블록(1118)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) DC 출력 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1116)에 의해 표시된다. 부하 뱅크는 백업용 발전기와 터빈 발전기에 의해 생성된 임의의 전력과 제어 시스템 및 터빈 발전기에 의해 인출된 전력과 시스템 전력 손실의 합 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1000)이 도 10에 도시되어 있다. 전기 시스템(1000)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함한다. 상기 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(1004), 변압기(1006), 스위치 기어(1008), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)은 전술한, 메인 AC 버스(102), 전력 분배 시스템(104), 변압기(106), 스위치 기어(108), 연료 전지(110), DC 출력 버스(112), 인버터(114), 부하 뱅크(116), 터빈 발전기(118), AC 출력 버스(120), 인버터(122), 백업용 발전기(124), AC 출력 버스(126), 무정전 전력 공급부(UPS)(128) 및 제어 시스템(130)과 유사할 수 있다.
상기 메인 AC 버스(1002)는 변압기(1006) 및 스위치 기어(1008)에 의해 EPDS(1004)에 전기적으로 결합 가능하거나 연결 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 차단기 및 분리기와 같은 부가적인 구성 요소가 메인 AC 버스(1002)와 EPDS(1004) 사이에서 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 추가 구성 요소는 메인 AC 버스(102), 및 여기에 전기적으로 결합된 구성 요소 또는 이들 모두에 대한 추가 결합 결합 및 보호 기능을 제공할 수 있다. 메인 AC 버스(1002) 및 이에 부착된 장비는 AC 전력, 예를 들어, 3 상 AC 전력을 지원하도록 구성될 수 있다.
전력 분배 시스템(EPDS)(1004)은 국가 또는 지역 전기 그리드일 수 있다. 일부 실시예에서, EPDS(1004)는 다수의 전력 발전기, 전력 전달 장치, 전기 부하, 또는 이들 중 임의의 조합이 전기적으로 결합된, 임의의 시스템일 수 있다.
변압기(1006)는 일 전압에서 다른 전압으로 전류를 변환할 수 있다. 일부 실시예에서, 변압기(1006)는 메인 AC 버스(1002)의 3 상 AC 전압을 EPDS(1004)의 상이한 3 상 AC 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 변압기(1006)는 메인 AC 버스(1002)의 전압을 EPDS(1004)의 전압으로부터 분리시킬 수 있다. 변압기(1006)가 단일 구성 요소로 도시되어 있지만, 변압기(1006)의 기능을 제공할 수 있는 다수의 변압기, 다른 구성 요소들 또는 양자를 포함할 수 있다. 또한, 변압기(1006)는 메인 AC 버스(1002)와 스위치 기어(1008) 사이에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 변압기(1006) 및 스위치 기어(1008)의 상대적인 위치 및 메인 AC 버스(1002) 및 EPDS(1004)에 대한 위치는 변경될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
스위치 기어(1008)는, 예를 들어, 비정상적인 그리드 상태의 경우에, EPDS(1004)로부터 연료 전지 발전소의 전기 시스템을 분리(또는 결합 해제)할 수 있다. 역으로, 스위치 기어(1008)는 예를 들어, 정상적인 그리드 조건 동안, 연료 전지 발전소의 전기 시스템을 EPDS(1004)에 연결(또는 결합)할 수 있다. 스위치 기어(1008)가 EPDS로부터 연료 전지 발전소를 전기적으로 분리할 때, 스위치 기어(1008)는 개방 위치에 있는 것으로 기술될 수 있다; 스위치 기어(1008)가 연료 전지 발전소를 EPDS(1004)에 전기적으로 연결하는 경우, 스위치는 폐쇄 위치에 있는 것으로 기술될 수 있다.
스위치 기어(1008)가 스위치로서 특정되지만, 스위치 기어(1008)는 EPDS(1004)로부터 연료 전지 발전소를 전기적으로 연결하고 분리시키는 기능을 하는 임의의 구성 요소 또는 구성 요소들을 포함할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있다.
연료 전지(1010)는 임의의 특정 유형의 연료 전지일 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지(1010)는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 연료 전지(1010)는 각각 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함하는 복수의 연료 셀들을 포함할 수 있다. 연료(예를 들어, 메탄, 천연 가스, H2, CO, 등)는 애노드에서 산화제(예를 들어, 대기로부터 인출되거나 주변 공기의 일부를 형성하는 산소)와 결합하여 전자를 방출하고 물을 포함할 수 있는 반응 생성물을 형성한다. 전자는 하나 이상의 상호 연결부를 통해 캐소드로 이동할 수 있으며, 상기 상호 연결부에서 전자가 산화제를 이온화시킨다. 그 다음, 이온화된 산화제는 고체 산화물 전해질을 통해 이동할 수 있으며, 이러한 전해질은 유체 연료 및 산화제에 대해 불투과성일 수 있다. 복수의 연료 셀들은 최종 시스템 전압, 전류 및 전력을 생성하도록 다양하게 직렬로, 병렬로 또는 이들의 조합으로 배열될 수 있다. 이러한 생성된 전력은 결국 EPDS(1004)에 공급될 수 있다.
DC 출력 버스(1012)는 연료 전지(1010)와 인버터(1014) 사이의 전기 결합을 제공한다. DC 출력 버스(1012)가 단순한 전기 접속부로서 도 10에 도시되어 있지만, 당업자는 도 10이 단순화된 도면임을 이해할 수 있다. 상술한 접속을 제공하는 것 이외에, DC 출력 버스(1012)는 하나 이상의 차단기, 스위치, 계측을 위한 계측부 또는 접속부, 또는 적절하고 안전하고 효율적인 동작을 위한 임의의 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
인버터(1014)는 DC 출력 버스(1012)와 메인 AC 버스(1002) 사이에서 전기적 연결(결합 및 분리) 및 AC에서 DC로의 변환 또는 DC에서 AC로의 변환을 제공한다. 인버터(1014)에 제공된 DC 전력은 인버터(1014)에 의해 AC 전력으로 변환될 수 있다. 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)에 전기적으로 연결될 때(일명 "그리드 의존형 모드"), 인버터(1014)는 DC 출력 버스(1012)로부터의 DC 전력의 변환으로부터 기인된 AC 전류, AC 유효 전력, AC 무효 전력 또는 이들 양자 또는 상술한 바들의 조합을 제어하면서, (DC 출력 버스(1012)로부터의) 변환된 DC 전력의 AC 전압 및 위상(들)을 EPDS(1004) 전압 및 위상(들)과 동기화시킬 수 있다(상기 메인 AC 버스(1002) 전압 및 위상(들)은 EPDS(1004) 전압 및 위상(들)과 정합하도록 구성될 수 있음). 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)로부터 전기적으로 분리되면(일명, "그리드 독립형 모드"), 인버터(1014)는 위에서 언급한 특성과는 별도로 또는 이 특성들에 추가하여, DC 출력 버스(1012)로부터의 전력의 변환으로부터 독립적으로 상기 AC 출력 전압 및 위상(들)을 제어할 수 있다. 또한, 인버터(1014)는 전류 한계치(최대치, 최고로 긴 지속 시간, 최고로 짧은 지속 시간), DC 링크 전압 한계치, 주파수 변동 한계치, 등과 같은 보호 기능들을 가질 수도 있다.
인버터(1014)가 단일 구성 요소로서 도 10에 도시되어 있지만, 당업자는 도 10이 단순화된 도면임을 이해할 수 있다. 인버터(1014)는 상술한 바와 같은 인버터(1014)의 기능을 수행하는 데 요구되는 바와 같이 구성된 복수의 전기 구성요소를 포함할 수 있다.
부하 뱅크(1016)는 메인 AC 버스(1002)에 전기적으로 연결(결합)될 수 있다. 상기 부하 뱅크(1016)는 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)로부터 신속하게 분리되어야 하는 경우, 예를 들어, 그리드 고장 이벤트의 경우에, 과잉 전력을 소비하도록 기능할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 발전소는 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018) 또는 둘 다가 셧다운되거나 전력 출력을 감소시키는 것보다 더 빠른 방식으로 EPDS(1004)로부터 분리되어야 한다. 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018), 또는 양자 모두가 여전히 전력을 발생시키면, EPDS(1004)를 통해 제공된 전기 부하가 연료 전지 발전소에 더 이상 결합되지 않기 때문에 그 전력이 소비되어야 한다. 이러한 과잉 전력은 부하 뱅크(1016)에 의해 소비된다.
부하 뱅크(1016)는 플라이휠 뱅크, 커패시터 뱅크, 레지스터 뱅크, 배터리 뱅크, 또는 상술한 것들의 조합 또는 연료 전지 발전소에 의해 생성된 잉여 전력을 소비할 수 있는 다른 전기 부하일 수 있다. 플라이휠 뱅크, 캐패시터 뱅크, 배터리 뱅크 또는 이들의 조합을 사용하는 하나의 이점은, 잉여 전기 에너지의 기계적, 전기적 또는 화학적 저장 에너지가 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)에 재결합될 때에 재결합될 수 있거나 연료 전지 발전소의 부하들에 동력을 공급하는 데(예를 들어, 터빈 발전기(1018)를 돌리거나 또는 제어 시스템(1304)에 동력을 공급하는 데) 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 부하 뱅크(1016)는 DC 출력 버스(1012)에 직접 결합될 수 있다.
터빈 발전기(1018)는 상술한 터보 발전기와 유사할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기(1018)는 샤프트를 통해 적절한 배치로 연결된 압축기, 터빈 및 발전기를 포함할 수 있다. 압축기는 주변 공기 또는 다른 소스로부터 산화제를 흡입 및 가압하여 연료 전지(1010) 및 관련 시스템 내에서 공기 및 유체 흐름을 유도할 수 있다. 그 다음, 가압된 산화제는 각기 연료 전지(1010)에 산화제를 제공하고 연료 전지(1010)로부터 산화제를 제거하기 위한, 산화제 유입 배관 및 산화제 배출 배관을 통해 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 압축기는 연료 전지(1010), 다른 지원 시스템들 또는 이 둘 모두에서 사용되도록, 다른 유체 소스, 예를 들어, 환환원 가스 또는 비활성 가스를 가압하도록 구성될 수 있다. 연료 전지(1010)로부터 배출된 산화제는 연료 전지(1010) 또는 다른 연료 소스로부터의 미사용 연료와 결합되고 연소되어 가열된 배기 유체를 제공할 수 있다. 이러한 가열된 배기 유체는 연료 전지(1010)에 들어가기 전에 연료, 산화제 또는 둘 모두와 함께 회복 또는 다른 열교환 기능을 제공하는 데 사용될 수 있다. 가열된 배기 유체는 또한 터빈 발전기(1018)의 터빈을 통해 팽창되어 압축기를 회전시키는 샤프트 동작을 제공할 수 있다. 터빈은 전력을 생산하기 위해 발전기에 기계적으로 연결될 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 터빈 발전기(1018)의 터빈 및 발전기의 회전 에너지가 발전기에 의해 전력으로 변환될 때 "발전 모드"로 동작될 수 있다.
일부 실시예에서, 터빈 발전기(1018)의 발전기는 전력의 외부 소스가 발전기에 인가될 수 있도록 모터-발전기로서 동작하도록 구성될 수 있다. 인가된 전력은 발전기의 회전 에너지로, 따라서 역시 터빈 발전기(1018)의 회전 에너지로 변환될 수 있다. 이러한 모드의 터빈 발전기(1018) 동작은 "모터 구동 모드(motoring mode)"로 지칭될 수 있다. 모터 구동 모드에서, 터빈 발전기(1018)의 회전은 터빈 발전기(1018)의 압축기로 전달되어 연료 전지에 의해 사용되게 산화제 또는 다른 유체 소스를 가압한다. 일부 실시예들에서, 터빈 발전기의 터빈(1018)은, 모터 구동 모드에서 압축기를 회전시키기 위해 필요한 에너지의 양을 감소시키기 위해, 발전기, 압축기 또는 둘 다로부터 분리될 수 있다.
AC 출력 버스(1020)는 터빈 발전기(1018)에 전기적으로 연결 가능(결합 가능)할 수 있다. AC 출력 버스(1020)는 터빈 발전기(1018)와 인버터(1022) 간의 전기 연결을 제공하는 구조부, 예를 들어, 와이어, 케이블, 버스 바 또는 이들의 조합을 제공한다. AC 출력 버스(1020)가 단순한 전기 접속부로서 도 10에 도시되어 있지만, 당업자는 도 10이 단순화된 도면임을 이해할 것이다. 상기 AC 출력 버스(1020)는 상술한 접속부를 제공하는 것 외에도, 하나 이상의 차단기, 스위치, 계측을 위한 계측부 또는 접속부, 또는 적절하고 안전하고 효율적인 동작을 위한 임의의 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
인버터(1022)(또한, 머신 인버터로서 지칭될 수 있음)는 AC 출력 버스(1020)로부터의 전기적 결합 및 전기적 변환을 제공할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기(1018)가 AC 출력 버스(1020)로 전력을 생성하여 공급할 때, 인버터(1022)는 이러한 AC 전력을 DC 전력으로 변환할 수 있다. 이러한 변환은 변환된 DC 전압을 제어해야 할 수도 있다. 터빈 발전기(1018)가 모터 구동 모드로 동작 중일 때, 인버터(1022)는 DC 전력을 변환하여 상기 AC 출력 버스(1020)로 상기 변환된 AC 전력을 공급할 수 있다.
또한, 인버터(1022)는 터빈 발전기(1018)의 속도 또는 이에 부가되는 토크를 제어하는 데 사용될 수 있다. 발전기(1018)의 터빈의 속도를 제어하는 것은 또한 터빈 발전기(1018)의 동작 모드에 관계없이, 압축기의 속도를 직접 또는 간접적으로 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이, 압축기는 연료 전지(1010)의 전기-화학 반응 또는 다른 동작에 사용되는 산화제 또는 다른 유체를 제공하고, 연료 전지(1010)의 온도 및 온도 변화율을 제어하는 수단(예를 들어, 가열 또는 냉각 수단)뿐만 아니라 연료 전지(1010) 또는 그의 지원 시스템과 관련된 다른 기능을 제공할 수 있다. 연료 전지(1010) 및 터빈 발전기(1018)의 기계적 및 전기적 상호 작용 및 연료 전지 발전소와 EPDS(1004)의 전기 결합은 도 10에 개시된 하나 이상의 구성 요소들을 포함하는 전기 시스템에 의해 관리될 수 있다.
인버터(1024)(머신 인버터로서 알려짐)는 인버터(1022)로부터 메인 AC 버스(1002)로의 전기적 결합 및 전기적 변환을 제공할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기(1018)가 전력을 생성하여 전력을 AC 출력 버스(1020)에 공급할 때, 인버터(1022)는 이러한 AC 전력을 DC 전력으로 변환할 수 있으며, 이러한 변환된 DC 전력은 인버터(1024)에 의해, 메인 AC 버스(1002)에 인가하기 위한 AC 전력으로 변환된다. 이는 공급된 공급된 DC 전력을, 메인 AC 버스(1002)에 인가될 3 상 AC 전압 및 전류로 변환할 수 있다. 터빈 발전기(1018)가 모터 구동 모드로 동작할 때, 인버터(1024)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고 이러한 변환된 DC 전력은 AC 전력으로 변환되어 이어서 AC 출력 버스(1020)에 공급될 수 있다.
일부 실시예들에서, 인버터(1022) 및 인버터(1024)의 기능들은, 양쪽 모두의 기능들이 단일 구성 요소에 의해 수행될 수 있도록, 결합될 수도 있다. 예를 들어, 결합된 인버터(1022 및 1024)는 변환된 AC 전력의 AC 전류, 실효 전력 및 무효 전력을 제어하면서, AC 출력 버스(1020)에 제공된 AC 전력을, EPDS(1004)의 전압 및 위상(들)과 일치할 수 있는 메인 AC 버스(1002)의 전압 및 위상(들)으로 변환시킬 수 있다. 이러한 결합된 구성 요소는 터빈 발전기(1018)의 속도 및 토크를 제어하여, 상술한 바와 같이, 연료 전지(1010)로의 목표하는 산화제 또는 다른 유체 흐름을 실현하는 데에도 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 인버터(1022) 및 인버터(1024)는 서로 직렬로 존재할 수 있다.
(터빈 발전기(TG) 부하 뱅크로서 알려진) 제 2 부하 뱅크(1026)는 그리드 고장 이벤트 시에 터빈 발전기에 의해 생성된 전력을 인출 및 소비할 수 있다. 제 2 부하 뱅크(1026)는 인버터(1024), 인버터(1022) 또는 이 둘 모두를 통해 메인 AC 버스(1002)에 전기적으로 연결(결합)될 수 있다. 제 2 부하 뱅크(1026)는 예를 들어, 그리드 고장 이벤트의 경우에, 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)로부터 신속하게 분리되어야 하는 경우, 과잉 전력을 소비하도록 기능할 수 있다. 일부 예에서, 연료 전지 발전소는 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018) 또는 이 둘 모두가 셧다운되거나 전력 출력을 감소시키는 것보다 더 빠른 방식으로 EPDS(1004)로부터 분리되어야 한다. 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018), 또는 이들 모두가 여전히 전력을 발생시키면, EPDS(1004)를 통해 제공된 전기 부하가 더 이상 연료 전지 발전소에 연결되지 않기 때문에, 해당 전력이 소비되어야 한다. 이러한 과잉 전력은 제 2 부하 뱅크(1026)에 의해 소비될 수 있다.
제 2 부하 뱅크(1026)는 플라이휠 뱅크, 커패시터 뱅크, 레지스터 뱅크, 배터리 뱅크, 또는 이들의 조합 또는 연료 전지 발전소에 의해 생성된 과잉 전력을 소비할 수 있는 다른 전기 부하일 수 있다. 플라이휠(flywheel) 뱅크, 캐패시터 뱅크, 배터리 뱅크 또는 이들의 조합을 사용하는 하나의 이점은, 잉여 전기 에너지의 기계적, 전기적 또는 화학적 저장 에너지가 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)에 재결합될 때에 재결합될 수 있거나 연료 전지 발전소의 부하들에 동력을 공급하는 데(예를 들어, 터빈 발전기(1018)를 돌리거나 또는 제어 시스템(1304)에 동력을 공급하는 데) 사용될 수 있다는 것이다.
일부 실시예에서, 상기 부하 뱅크들(1016 및 1026)은 상호 동작을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 부하 뱅크(1016)는 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018) 또는 이들 모두로부터 생성된 전력을 소비하도록 구성될 수 있다. 제 2 부하 뱅크(1026)는 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018) 또는 이들 모두로부터 생성된 전력을 소비하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 부하 뱅크(1016) 및 제 2 부하 뱅크(1026)는 오직 각각 연료 전지(1010) 또는 터빈 발전기(1018)로부터 발생된 전력를 소비하고 가능하게는 예를 들어, 백업용 발전기(1028)로부터의 다른 전기 부하를 소비한다. 이러한 실시예 및 다른 실시예에서, 부하 뱅크들(1016 및 1026)의 설계 및 구성은 전기 시스템(1000)의 설계에 있어서 보다 큰 유연성을 제공한다.
백업용 발전기(1028)는 예를 들어, 디젤, 가솔린, 천연 가스 또는 다른 발전기일 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(1028)는 풍력 발전기 또는 태양 발전기일 수 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 백업용 발전기(1028)를 포함하는 특정 유형의 구성 요소는, 그리드-고장 이벤트의 경우에 준비 가용성의 시스템 설계 제약사항을 만족시키고 연료 전지 냉각 동안에 제어 시스템(1034)에 전력을 제공하고 터빈 발전기(1018)에 동력을 공급하기에 충분한 용량을 가지며 다른 시스템 설계 기준을 만족시킬 수 있는, 임의의 유형의 적절한 발전, 변환 또는 저장 장치일 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 상술한 시스템 설계 기준을 만족시키기 위해 다양한 유형의 다수의 구성 요소를 포함할 수 있음을 이해해야한다.
백업용 발전기(1028)는 비정상적인 동작 조건의 경우에 연료 전지 발전소에 보충 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)에 연결되지 않은 경우, 백업용 발전기는 전력 소스를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지(1010)는 터빈 발전기(1018)가 전력을 생성하는 동안 전력을 생성하지 않을 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 이러한 상황에서 발전소 제어 시스템(1030)에 일정한 전력 소스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 제어 시스템(1030)에 일부 전력을 제공할 수 있지만, 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 전력의 이용 가능성 및 양은 변할 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 또한 연료 전지(1010)의 안전한 냉각(또는 가열 또는 다른 동작)을 제공하기 위해 제어된 방식으로 압축기를 회전시키기 위한 에너지를 제공하도록 요구될 수 있다. 제어 시스템(1030)에 대해 안정된 전력을 공급함에 추가하여, 백업용 발전기(1028)에 의해 생성된 전력은 모터 구동 모드로 동작될 때 터빈 발전기(1018)에 동력을 공급하도록 인버터(1022)에 전력을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 백업용 발전기(1028)는 AC 출력 버스(1030)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 그러나, 이는 백업용 발전기가 어떤 식으로든 동작하지 않을 수도 있음을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 백업용 발전기(1028)는 워밍업 또는 냉각 동작, 유지 보수 또는 AC 전력이 백업용 발전기(1028)로부터 AC 출력 버스(1030)로 제공되지 않는 다른 동작을 위해 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(1028)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전기적으로 분리된 AC 출력 버스(1030)에 전력을 제공할 수 있다.
AC 출력 버스(1030)는 백업용 발전기(1028)를 메인 AC 버스(1002)에 연결시킬 수 있다. AC 출력 버스(1020) 및 DC 출력 버스(1012)에 대해 상술한 바와 같이, 도 10은 전기 시스템(1000)의 단순화된 도면을 도시한다. AC 출력 버스(1030)는 추가적인 기능성을 제공하는 추가적인 구성요소를 포함할 수 있다.
무정전 전력 공급부(UPS)(1032)는 제어 시스템(1034)을 메인 AC 버스(1002)에 전기적으로 연결하기 위해 제공된다. 또한, UPS(1032)는 예를 들어, EPDS(1004), 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018), 백업용 발전기(1028) 또는 상술한 바들의 임의의 조합의 고장과 같은, 다른 소스로부터의 전력 차단 동안 사용되는 전기 에너지의 저장을 제공한다. UPS(1032)는 전력 소스들의 천이 중에 또는 다른 소스로부터의 전력이 이용 가능하지 않은 임의의 시간에, 제어 시스템(1034)에 연속적인 전력을 제공할 수 있다. UPS(1032)는 또한 제어 시스템(1034)에 의해 인출된 전력을 조절(예를 들어, 그의 전압, 위상(들) 등을 제어)할 수 있다. UPS(1032)는 상술된 기능을 제공하도록 구성된 배터리, 화학적, 전기적 또는 기계적 구성 요소 또는 다른 구성 요소일 수 있다.
UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다. 메인 AC 버스상의 전력은 EPDS(1004), 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018), 백업용 발전기(1028), 부하 뱅크(1016 또는 1026), 또는 이들 또는 다른 부품들의 조합에 의해 제공될 수 있다.
시스템의 안전한 동작을 위해 전기 시스템(1000)의 각 구성 요소를 제어, 모니터링 및 통신하도록 제어 시스템(1034)("발전소 균형부"라고도 지칭됨)이 구성될 수 있다. 또한, 제어 시스템(1034)은 도 10에 도시되지 않은 다른 구성 요소를 포함하여, 시스템(1000) 내의 다양한 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(1034)은 밸브, 히터, 펌프, 원격 조작 차단기 및 스위치, 조명, 계측기(온도, 압력, 유량 등), 잠금 장치, 자동 또는 수동 원격 보호 시스템 및, 연료 전지 발전소의 안전하고 효율적인 동작을 향상시킬 수 있는 다른 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다. 제어 시스템(1034)은 전기 시스템(1000)의 동작을 지원하는 데 사용되는 복수의 서브-시스템에 대해 위에서 열거된 구성요소 및 다른 구성요소의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1100)이 도 11에 도시되어 있다. 전기 시스템(1100)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제 2 부하 뱅크(1026)는 AC 출력 버스(1020)에 연결된다. 도 11은 제 2 부하 뱅크(1026)가 인버터들(1022 및 1024) 사이에 위치된 DC 버스에 결합되는 도 10과 대조된다. 일부 실시예에서, 연료 전지 발전소는 제 2 부하 뱅크(1026)를 포함하지 않을 수도 있지만, 부하 뱅크(1016)는 연료 전지(1010) 및 터빈 발전기(1018) 모두에 의해 생성된 초과 전력을 소비하도록 기능할 수 있다. 2 개의 부하 뱅크들(1016, 1026)를 포함하는 실시예들은, 터빈 발전기(1018)로부터 소비된 전력을 다른 방식으로 제어할 수 있고, 터빈 발전기(1018)의 압축기의 회전 속도를 다른 방식으로 제어할 수 있다. 2 개의 독립적인 제어동작들은 또한 시스템의 신뢰성을 증가시킨다; 일 부하 뱅크가 설계된 대로 기능하지 않으면, 두 번째 부하 뱅크가 상기 일 부하 뱅크를 백업하는 수단을 제공하여, 잉여성을 제공할 수 있다. 또한, 제 2 부하 뱅크는 그리드 고장이 발생한 경우에도 터빈 발전기의 속도를 정확하게 제어하기 위한 대안적 수단을 제공할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서는, 단지 하나의 부하 뱅크가 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 도 12에는 전기 시스템(1200)이 도시되어 있다. 전기 시스템(1200)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)에 연결될 수 있다. 이러한 전기적 결합은 스위치 기어(1008)가 폐쇄 위치에 있을 때 달성될 수 있다. EPDS(1004)는 메인 AC 버스(1002) 및 이에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 결합된 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 연료 전지(1010)는 DC 전력을 생성하여 DC 출력 버스(1012)에 제공할 수 있으며, 상기 출력 버스는 DC 전력을 인버터(1014)에 공급한다. 연료 전지 인버터는 제공된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 메인 AC 버스(1002)에 공급할 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 모터 구동 모드로 동작하여, 전기 에너지를 터빈 발전기(1018)의 터빈, 압축기 또는 양자의 회전 에너지로 변환하기 위해 메인 교류 버스(1002)로부터 인버터(1022 및 1024)를 통해 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기(118)의 압축기는, 연료 전지(110) 내에서 전기-화학 반응을 위해서, 가열 또는 냉각 동작을 위해서, 또는 일부 다른 연료 전지 시스템 동작 또는 지원 시스템 동작을 위해서, 상기 연료 전지에 의해서 사용될 산화제 또는 다른 유체를 가압하도록 회전될 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 AC 전력을 생성하지 않거나, AC 출력 버스(1030)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 어떠한 생성된 전력을 제공하지 않을 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 몇몇 다른 동작을 위해서 또는 다른 이유로 인해서 동작할 수 있다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있고 제어 시스템(1034)에 인출된 전력을 공급할 수 있다. UPS(1032)와 제어 시스템(1034)에 의해 인출된 전력들 간에 일시적인 불균형이 있을 수 있지만, 이들 인출된 전력들의 평균은 UPS(1032)가 재충전되어 완전한 대기 상태를 유지하도록 될 수 있다.
화살표(1120, 1122, 1124 및 1126)는 시스템(1200)에서 전력의 흐름을 도시한다. EPDS(1004)로부터의 전력은 화살표(1122)로 도시된 바와 같이, 스위치 기어(1008) 및 변압기(1006)를 통해 메인 AC 버스(1002)로 흐를 수 있다. 연료 전지(1010)로부터의 전력은 화살표(1120)로 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)에 공급될 수 있다. 메인 AC 버스(1002)로부터, 전력은 UPS(1032), 인버터(1024) 및 EPDS(1004)로 흐른다. UPS(1032)로부터, 전력은 제어 시스템(1034)에 제공된다. 인버터(1024)로부터, 전력은 DC 전력으로 변환되어 인버터(1022)에 공급된다. 인버터(1022)는 인버터(1024)로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 이렇게 변환된 AC 전력은 터빈 발전기(1018)의 영구 자기 동기 모터를 고속으로 구동하는 데 사용될 수 있다. 이러한 변환 시에, AC 전류, 전압 및 위상(들)은 터빈 발전기(1018)의 압축기의 목표 회전 속도를 달성하도록 제어되어, 이로써 연료 전지(1010)에 대한 산화제(또는 다른 유체)의 가압 및 유동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1300)이 도 13에 도시되어 있다. 전기 시스템(1300)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 이러한 연결은 스위치 기어(1008)가 폐쇄 위치에 있을 때 실현될 수 있다. EPDS(1004)는 메인 AC 버스(1002) 및 이에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 결합된 구성 요소에 전력을 제공할 수 있다. 메인 AC 버스(1002)가 EPDS(1004)에 접속될 때, 화살표(1128 및 1130)에 의해 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)와 EPDS(1004) 간에서 교류 전력이 흐를 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 이러한 구성으로 인해서, 터빈 발전기(1018), 연료 전지(1010), 백업용 발전기(1028), EPDS(1004) 또는 이들의 일부 조합들에 의해 생성될 수 있는 전력이 메인 AC 버스(1002)로부터 UPS(1032)로 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 부하 뱅크(1016)는 메인 AC 버스(1002) 및 이에 전기적으로 결합된 구성 요소에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
연료 전지(1010)는 이전에 기술된 연료 전지 전기-화학 반응을 통해서 전력을 생성하고, 화살표(1128)로 도시된 바와 같이, DC 전력을 DC 출력 버스(1012)에 제공하고, 메인 AC 버스(1002) 및 EPDS(1004)로 변압기(1006) 및 스위치 기어(1008)를 통해서 제공한다. 터빈 발전기(1018)는 터빈을 통한 연소된 연료 전지 반응 생성물의 팽창을 통해 전력을 생성하여, 교류 출력을 AC 출력 버스(1020)에 제공할 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 AC 출력 버스(1030)에 AC 전력을 제공하지 않는다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출 중이다.
상술한 바와 같이, 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 AC 전력은 인버터(1022 및 1024)를 통해 AC 출력 버스(1020)로부터 메인 AC 버스(1002)로 전달될 수 있다.이러한 전력의 흐름은 화살표(1132)로 도시된다. 인버터(1022)는 터빈 발전기(118)가 생성한 AC 전력을 DC 전력으로 변환시킨다. 이러한 변환 중에, 인버터(1022)는 이러한 변환으로부터 야기된 DC 전압, 전류 또는 양자 모두를 제어할 수 있다. 이러한 DC 전력은 인버터(1024)에 의해 메인 AC 버스(1002)로 전달될 수 있다. 이러한 전력의 흐름은 화살표(1132)로 도시된다. 인버터(1024)는 메인 AC 버스(1002) 상의 전압 및 위상(들)과 양립 가능한 AC 전압 및 위상(들)으로 DC 전력을 변환할 수 있다. 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)에 전기적으로 결합될 수 있고, 따라서 인버터(1024)에 의해 변환된 전압 및 위상(들)은 EPDS(1004)의 전압 및 위상(들)과 양립할 수 있다. 이러한 변환된 전압이 EPDS(1004)의 위상 및 전압과 양립하도록 컨디셔닝하면서, 인버터는 터빈 발전기(1018)의 출력의 변환으로부터 기인된 실효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 이렇게 변환된 전력은 EPDS(1004) 및 그에 부착된 부하에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
백업용 발전기(1028)는 AC 출력 버스(1030)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. 그러나, 이는 백업용 발전기가 어떤 식으로든 동작하지 않을 수도 있음을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 백업용 발전기(1028)는 예를 들어, 웜업 또는 냉각 동작, 유지 보수 동작 또는 백업용 발전기(1028)로부터 AC 출력 버스(1030)로 AC 전력이 제공되지 않는 다른 동작들을 위해서 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(1028)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전기적으로 분리된 AC 출력 버스(1030)에 전력을 제공할 수 있다.
UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. UPS(1032)에 의해 인출된 전력은 터빈 발전기(1018), 연료 전지(1010), EPDS(1004), 백업용 발전기(1028)(메인 AC 버스(1002)에 연결되어 전원을 공급하는 경우), 이러한 소스들의 일부 조합들로부터 유래될 수 있다.
이어서, 제어 시스템(1034)은 UPS(1032)로부터 전력을 인출한다. UPS(1032)를 최대 용량으로 유지하기 위해, 제어 시스템(1034)에 의해 인출된 평균 전력은 UPS(1032)에 의해 인출된 평균 전력보다 작을 수 있다.
연료 전지 발전소가 터빈 발전기(1018)(또는 다른 실시예에서는 118)와 함께, 발전 모드로 또는 모터 구동 모드로 동작하는지 여부는, 연료 전지 시스템(1010(또는 110)) 배기 가스의 온도 및 주변 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 배기 가스의 출력이 일정하지만 주위 온도가 상승하면, 터빈 발전기(1018)(또는 118)의 터빈에 걸친 연료 전지 배기 가스의 팽창에 의해 생성된 일은, 요구된 산화제(또는 다른 유체) 흐름을 연료 전지(1010)(또는 110)에 제공하도록 요구된 레이트로 압축기를 구동하는 데 불충분할 수 있다. 결과적으로, 터빈 발전기(1018)(또는 118)는 터빈에 의해 생성된 전력을 초과하여 요구되는 전력을 위해 AC 버스(1002)(또는 102)로부터 전력을 인출할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1400)이 도 14에 도시되어 있다. 전기 시스템(1400)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 스위치 기어(1008)가 개방 위치에 있을 수 있기 때문에, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)에 전기적으로 결합되지 않을 수 있다. 연료 전지(110)는 DC 전력을 생성하고 그 생성된 전력을 DC 출력 버스(1012) 및 인버터(1014)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공할 수 있다. 부하 뱅크(1016)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 인버터(1022 및 1024)를 통해 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 AC 출력 버스(1030)에 전력을 공급하지 않을 수 있다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다.
메인 AC 버스(1002)는 연료 전지 발전소에 약간의 위험을 줄 수 있는, EPDS(1004)의 고장 또는 다른 조건으로 인해 EPDS(1004)로부터 분리될 수 있으며, 이로써, 연료 전지 발전소는 보호 조치로서 EPDS(1004)로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 발전소는 이러한 보호 조치가 효과적임을 보장하기 위해 EPDS(1004)로부터 신속하게 분리될 필요가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 발전소는 EPDS(1004)에 안전 위험성을 줄 수 있는 연료 전지 발전소와 관련된 결함 또는 다른 조건으로 인해 EPDS(1004)로부터 분리될 필요가 있을 수 있다. 다시 말하자면, 이러한 위험은 스위치 기어(1008)를 개방함으로써 연료 전지 발전소를 EPDS(1004)로부터 신속하게 분리시킴으로써 해결될 수 있다.
스위치 기어(1008)가 급속하게 개방될 때, 연료 전지(1010)는 터빈 발전기(1018)에 동력을 제공하고 제어 시스템(1034)을 구동시키는데 필요한 전력량보다 과도한 전력을 발생시킬 수 있다. 이러한 과도한 전력은 연료 전지 발전소에 의해 소비될 수 있어, 연료 전지의 전기-화학적 반응을 위해 공급된 연료를 연료 전지 시스템의 다른 곳에서 연소시켜 불필요한 열을 생성할 필요를 피할 수 있다. 이러한 과도한 전력을 소비하기 위해, 부하 뱅크(1016)는 연료 전지 발전소의 메인 AC 버스(1002)에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. 일부 실시예에서, 부하 뱅크(1016)는 연료 전지(1010)에 의해 생성된 전력량과 모터 구동 중인 터빈 발전기(1018), 동작 중인 제어 시스템(1034) 및 해당 전기 시스템(1400)에 존재할 수 있는 전기 손실에 의해 소비된 전력량 간의 차와 동등한 양의 전력을 소모한다.
일부 실시예에서, 연료 전지(1010)에 의해 생성된 전력은, 부하 뱅크(1016)에 의해 소모된 전력의 양이 시간에 걸쳐 감소되도록 스위치 기어(1008)의 개방 후에 낮아질 수 있다. 연료 전지(1010)의 전력 출력은, 연료 전지(1010)에 의해 생성된 전력이, (연료 전지(1010)의 전기-화학 반응을 위한 산화제를 공급하거나, 연료 전지(1010)를 가열 또는 냉각시키기 위한 산화제 또는 다른 유체 흐름을 제공하거나, 또는 이들 동작들 또는 다른 동작들의 조합을 위해서) 터빈 발전기(1018)를 모터 구동하거나 제어 시스템(1034)을 구동시키는 필요한 전력량과 대략적으로 동일하도록 되는 값으로 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 부하 뱅크(1016)는 연료 전지 시스템(1010)에 의해 생성된 잉여 전력을 저장하는 능력을 포함할 수 있어서, 이 전력은 백업용 전력의 추가 전력 소스로 사용될 수 있거나/있고 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)에 재연결될 때에 사용될 수 있다.
결과적인 전력 흐름은 도 14에 도시된다. 화살표(1134)는 연료 전지(1010)에 의해 발생되어 DC 출력 버스(1012) 및 메인 AC 버스(1002)에 공급될 수 있는 전력을 도시한다. 이러한 전력은 각각 화살표(1136 및 1138)로 나타낸 바와 같이 터빈 발전기(1018)로 전송된 전력 및 UPS(1032)로 전송된 전력으로 분할될 수 있다. 터빈 발전기(1018)로 전송된 전력은 메인 AC 버스(1002)로부터 인버터(1022 및 1024)를 통해 AC 출력 버스(1020)로 전달될 수 있다. 인버터(1022)는 DC 전력을 AC 출력 버스(1020)를 위한 AC 전력으로 변환할 수 있다. 이러한 변환 동안, 인버터(1022)는 DC 전력을 요구되는 AC 전압 및 위상(들)로 변환하여 터빈 발전기(1018)가 연료 전지(1010)의 공기 흐름 요건을 충족시키기에 충분한 속도로 회전하게 할 수 있다.
DC 전력은 또한 인버터(1014)를 통해 DC 출력 버스(1012)로부터 메인 AC 버스(1002)로 전달될 수 있다. 인버터(114)는 결과적인 변환된 AC 전력의 전압, 위상(들) 및 실효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 메인 AC 버스(1002)가 더 이상 EPDS(1004)에 전기적으로 결합되지 않고 다른 구성 요소들은 메인 AC 버스(1002) 상의 전력의 전압 및 위상 특성들을 제어할 수 없기 때문에, 인버터(1014)는 상기 변환된 전력의 전압 및 위상(들)을 제어하도록 요구될 수 있다. AC 전력은 화살표(1140 및 1138)로 각각 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002) 상에서 부하 뱅크(1016) 및 UPS(1032)로 흐를 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1500)이 도 15에 도시되어 있다. 전기 시스템(1500)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 연료 전지(1010)는 전력을 생성하고 그 전력을 인버터(1014)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공할 수 있다. 부하 뱅크(1016)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 전력을 생성하고 그 전력을 인버터(1022 및 1024)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공할 수 있다. 제 2 부하 뱅크(1026)는 터빈 발전기(1018)에 의해 발생된 전력을 인출하며 이로써, 터빈 발전기(1018)로부터 메인 AC 버스(1002)로 전력이 공급되지 않을 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 전력을 발생시키지 않거나, AC 출력 버스(1030)에 전력을 제공하거나, 메인 AC 버스(1002)에 전력을 공급하지 않을 수도 있거나, 이들의 조합일 수도 있다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다.
도 15에 도시된 전력 흐름 중 일부는 도 14의 흐름과 일치할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(1010)에 의해 생성된 전력은 화살표(1134)의 흐름에 대응하는 화살표(1142)에 의해 도시된 바와 같이, DC 출력 버스(1012) 및 메인 AC 버스(1002)로 흐를 수 있다. 이러한 대응은 전력 흐름의 일반적인 방향, 전체 전력 흐름 또는 이러한 특성의 조합일 수 있다. 유사하게, 화살표(1144)는 화살표(1140)에 대응할 수 있고, 화살표(1146)는 화살표(1138)에 대응할 수 있다.
도 15 및 도 14에 도시된 실시예들 사이의 한가지 차이점은 터빈 발전기(1018)가 화살표(1148)로 표시된 바와 같이 전력을 발생시킬 수 있다는 것이다.이러한 흐름은 AC 출력 버스(1020) 상의 AC 전력으로부터 인버터(1022)에 의해 DC 전력으로 변환된다. 인버터(1022)는 AC 출력 버스(1020) 상의 AC 전력을 특정 전압의 DC 전력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 이러한 인버터(1022)에 의해 수행되는 특정 변환은 또한 터빈 발전기(1018)에 인가된 토크를 제어하여, 터빈 발전기(1018)의 속도를 제어하는 것을 돕고, 따라서, 터빈 발전기(1018)로의 압축기의 연결로 인해 연료 전지(1010)로 흐르는 산화제 또는 다른 유체의 양을 제어하는 것을 보조한다.
또 다른 차이점은 메인 AC 버스(1002)에 제공된 총 전력이 (부하 뱅크(1026)가 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 총 전력을 인출하지 않은 경우에) 연료 전지(1010)에 의해 생성된 전력과 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 전력의 결합이라는 것이다. 결과적으로, 부하 뱅크(1016)에 의해 소비된 전력은 연료 전지(1010) 및 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 전력들과, UPS(1032) 및 제어 시스템(1034)에 의해 소비되는 전력과 해당 시스템 내의 임의의 다른 손실 전력과 제 2 부하 뱅크(1026)에 소비되는 전력의 합 간의 차와 동일한 양일 수 있다. 일부 실시예들에서 그리고 상술한 바와 같이, 제 1 부하 뱅크 및 제 2 부하 뱅크(1016, 1026)는 상호 동작 가능하게 구성될 수 있으며, 이 경우에 이러한 부하 뱅크들 중 양자 또는 어느 하나가 연료 전지(1010), 터빈 발전기(1018) 또는 이들 모두로부터 전력을 인출할 수 있다.
터빈 발전기(1018)가 터빈을 통한 연소 생성물의 팽창에 의해 동력을 공급 받으면, 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 전력은 연료 전지 발전소를 동작시키는데 필요한 전력보다 더 클 수 있다. 터빈 발전기(1018) 및 연료 전지(1010)의 상술한 상호 연관된 기계적 동작들(예를 들어, 터빈 발전기(1018)가 연료 전지(1010)에 공기를 공급함) 및 전기적 동작들(예를 들어, 터빈 발전기(1018)와 연료 전지(1011)의 결합된 전력 출력들)의 경우에, 부하 뱅크(1016)는 터빈 발전기(1018) 및 연료 전지(1010) 모두에 의해 발생된 전력의 일부를 소비하여 이들 구성 요소가 안전하게 상호 동작할 수 있도록 요구될 수 있다.
일부 실시예에서, 연료 전지 발전소가 EPDS(1004)로부터 분리되는 동안 연료 전지(1010) 및 터빈 발전기(1018) 모두가 전력을 공급할 때, 제 2 부하 뱅크(1026)는 터빈 발전기(1018)에 의해 생성된 모든 전력을 인출하도록 구성될 수 있다. 이러한 제 2 부하 뱅크(1026)를 제공함으로써 연료 전지 시스템의 보다 용이한 동작이 가능하게 되며 이 경우에 연료 전지(1010) 및 터빈 발전기의 전기 출력들은 결합될 필요가 없다. 제 2 부하 뱅크로 인해서, 터빈 발전기(1018) 및 연료 전지(1010)의 상호 의존성이 작아지며 상호 관련된 전기적 동작이 감소된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 도 16에는 전기 시스템(1600)이 도시되어 있다. 전기 시스템(1600)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 연료 전지(1010)는 전력을 발생시키지 않거나, 생성된 전력을 DC 출력 버스(1012)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공하지 않거나, 또는 양자 모두를 수행하지 않을 수 있다. 터빈 발전기(1018)는 메인 AC 버스(1002)로부터 인버터(1022 및 1024)를 통해 전력을 인출하고 이로써 모터 구동 모드로 동작할 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 전력을 생성하여 메인 AC 버스(1002)에 전력을 제공할 수 있다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출할 수 있다
연료 전지(1010)는 일부 이유들로 인해서, 전력을 생성하지 않거나 DC 출력 버스(1012)에 전력을 공급하지 않을 수 있는데, 이러한 이유들에는, 예를 들어, 연료 흐름의 손실, 산화제 흐름의 손실 또는 둘 모두가 있거나, 연료 전지(1010)가 연료 전지 발전소(1010)의 나머지 부분으로부터 분리되어야 하는 전기적인 문제일 수 있거나, 연료 전지(1010)가 일부 이유들로 인해서 시동되거나 셧다운되거나 하는 문제들일 수 있다. 연료 전지(1010)가 연료 전지 발전소의 나머지 부분에 전력을 공급하지 않을지라도, 터빈 발전기(1018)의 압축기는 열 균형, 가열, 냉각 또는 기타 연료 전지 시스템 동작을 위해 연료 전지에 산화제 또는 다른 유체의 흐름을 제공할 수 있다. 모터 구동 모드로 터빈 발전기(1018)를 동작시키기 위한 전력은 백업용 발전기(1028)에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 터빈 발전기(1018)를 동작시키기 위한 전력은 가능하게는 상기 백업용 발전기(1028)와 함께 또는 백업용 발전기(1028)와는 개별적으로, UPS(1032), 부하 뱅크(1016) 또는 이들의 조합에 의해 제공될 수 있다. 또한, 백업용 발전기(1028)는 전력을 UPS(1032)에 제공하는 데 사용되며, 이어서, UPS(1032)는 제어 시스템(1034)에 지속적으로 전력을 공급한다. 일부 실시예에서, 부하 뱅크들(1016 및 1026)는 또한 UPS(1032)에 전력을 제공할 수도 있다.
이러한 전력 흐름은 도 16에 예시된다. 화살표(1150)는 백업용 발전기(1028)가 생성된 전력을 AC 출력 버스(1030) 및 메인 AC 버스(1002)에 공급하는 것을 도시한다. 메인 AC 버스(1002)로부터, 전력은 화살표(1154)에 의해 도시된 바와 같이 터빈 발전기(1018)로 흐를 수 있다. 터빈 발전기(1018)로 흐르는 전력은 인버터(1022 및 1024)를 통해 흐를 수 있다. 인버터(1022)는, 터빈 발전기(1018)의 회전 속도를 제어하여, 터빈 발전기(1018)의 압축기에 의해 야기되는 연료 전지(1010)를 통한 산화제 또는 다른 유체의 결과적인 유동을 구현할 수 있도록, AC 출력 버스(1020) 상의 전류, 전압, 위상(들), 실효 전력 및 무효 전력, 또는 이들의 조합을 요구된 바와 같이 제공하게 구성될 수 있다.
화살표(1152)로 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)로부터 UPS(1032)로 전력이 흐를 수도 있다. UPS(1032)는 제어 시스템(1034)으로의 전력의 연속적인 공급을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전기 시스템(1700)이 도 17에 도시되어 있다. 전기 시스템(1700)은 메인 AC 버스(1002), 전력 분배 시스템(EPDS)(유틸리티 그리드로 알려짐)(1004), 변압기(1006), 스위치(스위치 기어라고도 함), 연료 전지(1010), DC 출력 버스(1012), 인버터(1014), 제 1 부하 뱅크(1016), 터빈 발전기(1018), AC 출력 버스(1020), 인버터(1022), 인버터(1024), 제 2 부하 뱅크(1026), 백업용 발전기(1028), AC 출력 버스(1030), 무정전 전력 공급부(UPS)(1032) 및 제어 시스템(1034)을 포함하며, 이러한 구성 요소들은 상술한 구성요소들과 유사할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002)는 EPDS(1004)에 전기적으로 결합되지 않을 수 있다. 연료 전지(1010)는 전력을 발생시키지 않거나, DC 출력 버스(1012)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 전력을 공급하지 않거나, 또는 양자 모두를 수행하지 않을 수 있다. 터빈 발전기(1018)가 전력을 생성하고 그 전력을 인버터(1022 및 1024)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공하거나 또는 부하 뱅크(1026 또는 1016)에 제공하거나 이러한 구성요소들의 일부 조합에 제공할 수 있다. 백업용 발전기(1028)는 전력을 생성하고 그 전력을 AC 출력 버스(1030)를 통해 메인 AC 버스(1002)에 제공할 수 있다. UPS(1032)는 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출하여 전력을 제어 시스템(1034)에 제공할 수 있다.
연료 전지(1010)는 상술한 이유들과 유사한 이유들로 인해 전력을 생성하여서 전력을 DC 출력 버스(1012)에 공급하지 않을 수 있다. 연료 전지(1010)가 전력을 공급하지 않을 수 있지만, 시동, 셧다운, 가열, 냉각 또는 연료 전지(1010)를 안전하게 동작시키기 위해서 필요한 다른 동작을 위해 연료 전지(1010)에 산화제 또는 다른 유체의 흐름이 여전히 제공될 수 있다. 이러한 유체의 흐름은 연료 전지(1010)에 산화제 또는 다른 유체를 가압하여 공급하는 압축기를 통해 터빈 발전기(1018)에 의해 제공될 수 있다. 연료 전지(1010)에서의 유동 요건이 낮아짐에 따라, 압축기는 연료 전지(1010)에 더 낮은 유량의 산화제 또는 다른 유체를 제공하거나, 산화제 또는 다른 유체를 덜 압축하거나 이 양자를 수행할 필요가 있을 수 있다. 이러한 더 낮은 유량 또는 보다 낮은 압축량은 터빈 발전기(1018)의 압축기의 회전을 느리게함으로써 달성될 수 있다. 결과적으로, 터빈 발전기(1018)로부터의 전기 출력은 시간에 따라 변할 수 있다. 터빈 발전기(1018)의 이러한 시변 전기 출력은, 일부 시점에서, UPS(1032)로 그리고 이로부터 제어 시스템(1034)으로 지속적인 전력 공급을 제공하기 위해 터빈 발전기(1018)를 더 이상 의존하지 않을 수 있는 레벨에 도달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력은 터빈을 감속시키기 위해 터빈 발전기(1018)로부터 인출할 수 있다.
터빈 발전기(1018)로부터 일정한 전력 공급이 발생되지 않아서 발생할 수 이 있는 문제를 피하기 위해, 백업용 발전기(1028)가 전력을 공급하기 위해 시동될 수 있다. 이러한 백업용 발전기(1028)는 연료 전지(1010)와 기계적 상호 작용을 갖지 않고, 터빈 발전기(1018)가 갖는 요건과 동일한 외부 동작 요건을 가지지 않으며, 따라서, UPS(1032) 및 제어 시스템(1034)에 보다 신뢰성 있는 전력 소스를 제공할 수 있다.
부하 뱅크들(1016 및/또는 1026)은 터빈 발전기(1018) 및 백업용 발전기(1028)에 의해 발생된 전력과 UPS(1032)에 의해 인출되는 전력의 양 및 임의의 시스템 손실 간의 합 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출하도록 구성될 수 있다. 부하 뱅크들(1016 및/또는 1026)는 백업용 발전기(1028)가 메인 AC 버스(1002)에 전력을 공급하자마자 메인 AC 버스(1002)로부터 전력을 인출하기 시작할 수 있다. 일부 실시예에서, 백업용 발전기(1028)의 시동은, UPS(1032)가 제어 시스템(1034)으로 전력을 계속 공급하도록 UPS(1032)가 충전된 상태로 유지하기 위해 터빈 발전기(1018)가 더 이상 계속적인 전력 공급을 제공할 수 없을 것으로 예상되는 시간에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 백업용 발전기(1028)는 상술한 시점 이전에 메인 AC 버스(1002)에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 기간 동안, 부하 뱅크들(1016 및/또는 1026)는 터빈 발전기에 의해 생성되어 메인 AC 버스 상에 부가된 전력량과 동일한 양의 전력을 인출할 수 있다.
이러한 전력의 흐름은 도 17에 나와 있다. 터빈 발전기(1018)는 일부 전력을 발생시키며, 이 전력은 화살표(1156)로 나타낸 바와 같이 AC 출력 버스(1020)로부터 인버터(1022)를 통해 부하 뱅크(1026)로 제공된다. 일부 실시예에서, 터빈 발전기(1018)에 의해 발생된 전력은 전체적으로 또는 부분적으로 인버터(1024)를 통해 메인 AC 버스(1002)로 흐를 수 있다. 부하 뱅크(1016)는 메인 AC 버스(1002) 상의 초과 전력을 인출하도록 구성될 수 있다.
백업용 발전기(1028)는 화살표(1158)로 도시된 바와 같이, 메인 AC 버스(1002) 및 AC 출력 버스(1030)를 통해 UPS(1032)에 전력을 공급한다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 터빈 발전기(1018) 및 백업용 발전기(1028) 모두는 UPS(1032)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 터빈 발전기(1018), 및 가능하게는, 백업용 발전기(1028)에 의해 생성된 초과 전력은 또한 부하 뱅크(1016)에 의해 인출될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기 시스템을 위한 동작 상태 흐름도(1800)가 도 18에 도시되어 있다. 전기 시스템은 상술한 전기 시스템(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 및 800, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700)와 유사할 수 있다.
동작 상태 흐름도(1800)는 전기 시스템의 하나 이상의 구성 요소의 동작 상태에 기초한, 이러한 전기 시스템 구성 요소의 가능한 결과적인 동작 조건들 및 전기 시스템 구성 요소들로 및 이로부터의 가능한 결과적인 전력 흐름을 도시한다. 예를 들어, 전기 시스템 내의 다양한 구성 요소의 동작 조건 및 이들로/로부터의 전력 흐름은 전기 시스템 연료 전지의 동작 상태(블록 1160), 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 1162 및 1164) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록 1166, 블록 1168, 블록 1170 및 블록 1172)에 의존한다.
연료 전지가 전력을 생성하고 고장이 없는 경우(블록 1160 "아니오" 분기경로), 전기 시스템은 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 1164) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록 1170 및 1172)에 기초하여, 4 개의 가능한 동작 상태(블록 1174, 1176, 1178 및 1180)를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로서 또한 공지됨)이 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되는 경우(블록 1164, "아니오" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 전력을 제공하는 발전 모드로 동작할 수 있으며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출함으로써 동작될 수 있고, 부하 뱅크는 메인 AC 버스로부터 분리될 수 있다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 상기 전력을 제공할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1180)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) DC 출력 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1178)에 의해 표시된다.
연료 전지가 전력을 생성하고 고장이 없고(블록 1160 "아니오" 분기경로), 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 공지됨)이 전력 분배 시스템으로부터 분리되면(블록 1164 "예" 분기경로), 연료 전지는(상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작할 것이고, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출함으로써 동작할 것이고, 부하 뱅크는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전기적으로 연결되어 이로부터 전력을 인출할 수 있다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작 중인 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스, 제 2 부하 뱅크 또는 이 둘 다에 전력을 공급한다. 이러한 동작 상태는 블록(1176)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1174)에 의해 표시된다. 어느 하나의 부하 뱅크는 연료 전지에 의해 생성된 전력 및 터빈 발전기에 의해 생성된 전력과, 제어 시스템에 의해 인출된 전력, 터빈 발전기에 의해 인출된 전력 및 임의의 전기 손실의 합 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 부하 뱅크는 터빈 발전기에 의해 생성된 임의의 전력을 인출할 것이며, 제 1 부하 뱅크는 연료 전지에 의해 생성된 전력과, 제어 시스템 및 시스템 손실에 의해 소비된 전력과 터빈 발전기에 의해 소비된 전력 간의 합 간의 차와 동일한 양의 전력을 인출한다.
연료 전지가 전력을 발생시키지 않거나, 고장이거나 또는 이 둘이면(블록 1160 "예" 분기경로), 전기 시스템은 전력 분배 시스템의 동작 상태(블록 1162) 및 터빈 발전기의 동작 상태(블록 1166 및 1168)에 기초하여 4 개의 가능한 동작 상태(블록 1182, 1184, 1186 및 1188)를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 공지됨)이 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되는 경우(블록 1162 "아니오" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작하지 않을 것이며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하도록 동작하고 부하 뱅크가 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에서 분리된다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 전력 분배 시스템에 해당 전력을 공급한다. 이러한 동작 상태는 블록(1188)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1186)에 의해 표시된다.
연료 전지가 전력을 생성하지 않거나, 고장이거나 또는 이 둘 모두이고(블록 1160 "예" 분기경로), 전기 시스템(발전소 또는 연료 전지 발전소로도 공지됨)이 전력 분배 시스템으로부터 전기적으로 분리되면(블록 1162 "예" 분기경로), 연료 전지는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 발전 모드로 동작하지 않을 것이며, 제어 시스템은 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하도록 동작할 것이며, 제 1 부하 뱅크 및/또는 제 2 부하 뱅크는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스 또는 터빈 발전기 인버터(예를 들어, 인버터(1022))에 전기적으로 연결되고 그로부터 전력을 인출할 것이며, 백업용 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로 전력을 공급할 것이다. 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스 또는 제 2 부하 뱅크에 해당 전력을 공급한다. 이러한 동작 상태는 블록(1184)에 의해 표시된다. 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하면, 터빈 발전기는 (상술한 바와 같이) 메인 AC 버스로부터 전력을 인출할 것이다. 이러한 동작 상태는 블록(1182)에 의해 표시된다. 제 1 부하 뱅크는 백업용 발전기와 터빈 발전기에 의해 생성된 임의의 전력과 제어 시스템, 터빈 발전기 및 시스템 손실에 의해 인출된 전력 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출할 수 있다.
당업자가 용이하게 알 수 있게 상술한 실시예들은 단순화된 시스템 도면을 사용하여 설명된다. 특정 실시예는 더 많은 수의 구성 요소, 예를 들어, 전기 접속부, 계측기 및 차단기를 포함할 수 있다. 또한, 상술한 많은 구성 요소가 단일 박스로 도시되어 있지만, 각 구성 요소는 지정된 목적을 제공하기 위해 함께 동작할 수 있는 다수의 하위 구성 요소 또는 다수의 구성 요소로 구성될 수 있다.
본 발명은 AC 수단 또는 DC 수단에 의해 결합된 연료 전지 및 터빈 발전기를 가질 수 있는 발전소에 연결된 전력 전자 장치를 제공한다. 이러한 시스템은 연료 전지 발전 시스템의 다양한 구성 요소의 잉여성, 신뢰성 및 상호 운용성이 향상되는 이점을 제공한다. 예를 들어, 연료 전지 출력은 전력 분배 시스템 상의 고장시 터빈 발전기를 모터 구동하고 발전소 제어 시스템에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 터빈 발전기에 의해 생성된 전력은 상기 전력 분배 시스템 및 연료 전지 시스템 상에 고장이 발생하였을 때와 같은 비정상 상태에서 제어 시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 전력 분배 시스템 상에 결함이 발생하고 연료 전지가 전력을 생성하지 않을 때와 같은 비정상 상태 동안에 모드로 동작할 때에 제어 시스템 및 터빈 발전기에 전력을 공급하는 백업용 발전기를 가질 수 있다. 본 명세서에서 개시된 전기 시스템은 정상 상태 및 비정상 상태에서보다 안정적이다. 부가적으로, 개시된 시스템의 일부 실시예는 전기 변환 부품의 수를 감소시킴으로써 발전소 동작의 효율, 특히 터빈 발전기 전력 전자 장치의 효율을 향상시킨다. 상술한 시스템은 공공 유틸리티 그리드와 양립 가능하며 네트-병렬 및 격리 발전으로 쉽게 확장되어 이와 결합될 수 있다. 설치가 간단하고 표준 가정용 설치 구성요소를 사용할 수 있다.
상기 실시예들 중 일부는 특정 장치와 관련하여 제공되었지만, 상기 실시예들은 연료 전지를 갖는 전기 시스템에 대한 개선을 개시하는 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예가 설명되었지만, 설명된 실시예는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위는 균등한 전체 범위가 부여될 때에 첨부된 청구 범위에 의해서만 정의된다는 것이 이해되어야 한다. 당해 기술 분야에서 숙련된 자에게 자연적으로 많은 변형 및 수정 사항이 가능할 수 있다.

Claims (20)

  1. 변압기 및 스위치 기어에 의해 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합 가능한 메인 AC 버스;
    DC 출력 버스를 갖는 연료 전지로서, 상기 연료 전지는 연료 전지 인버터에 의해 상기 메인 AC 버스에 전기적으로 결합되는, 상기 연료 전지;
    상기 메인 AC 버스에 전기적으로 결합된 부하 뱅크(load bank);
    AC 출력 버스를 갖는 터빈 발전기로서, 상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스는 머신 인버터(machine inverter)에 의해 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 전기적으로 결합되는, 상기 터빈 발전기;
    상기 메인 AC 버스에 전기적으로 결합된 AC 출력 버스를 갖는 백업용 발전기;
    상기 메인 AC 버스에 전기적으로 결합된 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply); 및
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)에 전기적으로 결합된 제어 시스템을 포함하는
    전기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되고;
    상기 연료 전지는 DC 전력을 생성하여 DC 전력을 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 제공하고;
    상기 터빈 발전기는 AC 전력을 생성하여 AC 전력을 상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스에 제공하며;
    상기 백업용 발전기는 AC 전력을 상기 백업용 발전기의 AC 출력 버스에 제공하지 않으며,
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되고;
    상기 연료 전지는 DC 전력을 생성하여 DC 전력을 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 제공하고;
    상기 터빈 발전기는 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 백업용 발전기는 상기 백업용 발전기의 AC 출력 버스에 AC 전력을 공급하지 않고;
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되지 않고;
    상기 연료 전지는 DC 전력을 생성하여 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 DC 전력을 제공하고;
    상기 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 터빈 발전기는 AC 전력을 생성하여 상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스에 상기 AC 전력을 공급하고;
    상기 백업용 발전기는 상기 백업용 발전기의 AC 출력 버스에 전력을 공급하지 않고;
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부하 뱅크는 상기 연료 전지와 상기 터빈 발전기에 의해 생성된 전력량과 상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)에 의해 인출된 전력양 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출하는 전기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되지 않고;
    상기 연료 전지는 DC 전력을 생성하여 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 DC 전력을 제공하고;
    상기 부하 뱅크는 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 터빈 발전기는 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 백업용 발전기는 상기 백업용 발전기의 AC 출력 버스에 AC 전력을 공급하지 않고;
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부하 뱅크는 상기 연료 전지에 의해 생성된 전력량과 상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply) 및 상기 터빈 발전기에 의해 인출된 전력량 간의 차와 동등한 양의 전력량을 인출하는
    전기 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되지 않고;
    상기 연료 전지는 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 DC 전력을 공급하지 않고;
    상기 터빈 발전기는 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 백업용 발전기는 AC 전력을 생성하여 AC 전력을 상기 메인 AC 버스에 제공하고;
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)는 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스는 상기 전력 분배 시스템에 전기적으로 결합되지 않고;
    상기 연료 전지는 상기 연료 전지의 DC 출력 버스에 DC 전력을 공급하지 않고;
    상기 터빈 발전기는 AC 전력을 생성하여 상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스에 AC 전력을 공급하고;
    상기 부하 뱅크는 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하고;
    상기 백업용 발전기는 AC 전력을 생성하고 AC 전력을 상기 메인 AC 버스에 공급하고;
    상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)는 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 부하 뱅크는 상기 터빈 발전기와 상기 백업용 발전기에 의해 발생된 전력량과 상기 무정전 전력 공급부(UPS: uninterruptable power supply)에 의해 인출된 전력량 간의 차와 동등한 양의 전력을 인출하는
    전기 시스템.
  11. 연료 전지 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법으로서,
    상기 연료 전지 및 터빈 발전기 각각은 전력을 전력 분배 시스템에 제공할 수 있으며,
    상기 방법은,
    상기 발전소가 상기 전력 분배 시스템에 연결된 경우:
    상기 연료 전지를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하는 단계;
    상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드(motoring mode)로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 발전소의 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 발전소의 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 발전소가 전력 분배 시스템과 분리된 경우:
    상기 연료 전지를 발전 모드로 동작시켜서 전력을 상기 메인 AC 버스로 제공하고, 상기 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하고 있다면, 상기 연료 전지는 상기 터빈 발전기에 전력을 제공하는 단계;
    상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 메인 AC 버스에 전력을 공급하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계; 및
    부하 뱅크를 제공하여 상기 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전력량 차와 동일한 양의 전력량을 상기 부하 뱅크가 인출하는 단계를 더 포함하며,
    상기 전력량 차는,
    상기 연료 전지에 의해 발생된 전력량과 상기 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우의 상기 터빈 발전기에 의해서 생성된 전력량 간의 합과,
    상기 제어 시스템에 의해 인출된 전력량, 상기 전력 분배 시스템에 제공된 전력량, 및 상기 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하는 경우의 상기 터빈 발전기에 제공된 전력량 간의 합 간의 차인
    발전소를 동작시키는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    변압기 및 스위치 기어를 통해 상기 메인 AC 버스로부터 상기 전력 분배 시스템으로 전력을 제공하는 단계를 더 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 연료 전지 인버터를 통해 상기 메인 AC 버스로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스로부터 머신 인버터를 통해 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  16. 연료 전지 및 터빈 발전기를 갖는 발전소를 동작시키는 방법으로서,
    상기 연료 전지 및 터빈 발전기 각각은 전력을 전력 분배 시스템에 제공할 수 있으며,
    상기 방법은,
    상기 연료 전지가 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하지 않고 상기 발전소가 상기 전력 분배 시스템에 연결된 경우:
    상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 상기 전력 분배 시스템에 전력을 제공하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 상기 전력 분배 시스템으로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 발전소의 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 연료 전지가 상기 전력 분배 시스템에 전력을 공급하지 않고 상기 발전소가 상기 전력 분배 시스템과 분리된 경우:
    상기 터빈 발전기를 발전 모드로 동작시켜서 메인 AC 버스에 전력을 제공하거나, 상기 터빈 발전기를 모터 구동 모드로 동작시켜서 상기 터빈 발전기가 전력을 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    백업용 발전기를 동작시켜서 상기 메인 AC 버스에 전력을 공급하는 단계;
    상기 발전소의 제어 시스템을 동작시켜서 상기 제어 시스템이 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계;
    상기 터빈 발전기가 발전 모드로 존재하는 경우에, 부하 뱅크를 제공하여 상기 부하 뱅크가 상기 메인 AC 버스로부터 전력을 인출하는 단계를 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    전력량 차와 동일한 양의 전력량을 상기 부하 뱅크가 인출하는 단계를 더 포함하며,
    상기 전력량 차는,
    상기 백업용 발전기에 의해 발생된 전력량과 상기 터빈 발전기가 발전 모드로 동작하는 경우의 상기 터빈 발전기에 의해서 생성된 전력량 간의 합과,
    상기 제어 시스템에 의해 인출된 전력량, 및 상기 터빈 발전기가 모터 구동 모드로 동작하는 경우의 상기 터빈 발전기에 제공된 전력량 간의 합 간의 차인
    발전소를 동작시키는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 메인 AC 버스로부터 변압기 및 스위치 기어를 통해 상기 전력 분배 시스템으로 전력을 제공하는 단계를 더 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 터빈 발전기의 AC 출력 버스로부터 머신 인버터를 통해 상기 연료 전지의 DC 출력 버스로 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 연료 전지의 DC 출력 버스로부터 연료 전지 인버터를 통해 상기 메인 AC 버스로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는
    발전소를 동작시키는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 백업용 발전기로부터 상기 메인 AC 버스로 제공되는 전력의 양은 상기 제어 시스템에 의해 인출되는 전력의 양과 동일한
    발전소를 동작시키는 방법.


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