KR20220126216A - 듀얼 모드 마이크로그리드 인버터를 포함하는 마이크로그리드 및 부하 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로그리드는 시스템 전력을 출력하도록 구성되는 전력 시스템과 자동 전환 스위치(ATS)를 포함한다. 자동 전환 스위치(ATS)는: 전력 유틸리티로부터 그리드 전력을 수신하도록 구성되는 그리드 전력선에 전기적으로 연결되는 정상 단자와, 상기 전력 시스템으로부터 시스템 전력을 수신하도록 구성되는 시스템 전력선에 전기적으로 연결되는 비상 단자, 및 임계 부하에 전력을 제공하도록 구성되는 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 부하 단자를 포함한다. 마이크로그리드는 또한, 자동 전환 스위치(ATS)를 우회하도록, 시스템 전력선 및 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 우회선과, 우회선을 통한 전력 흐름을 제어하도록 구성되는 회로 차단기를 포함한다.

Description

듀얼 모드 마이크로그리드 인버터를 포함하는 마이크로그리드 및 부하 관리 방법{MICROGRID INCLUDING DUAL MODE MICROGRID INVERTER AND LOAD MANAGEMENT METHOD}
본 개시내용은, 일반적으로 마이크로그리드에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템 및 듀얼 모드 인버터를 포함하는 마이크로그리드, 및 마이크로그리드를 이용한 부하 관리 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드(microgrid)는 메인 전력 그리드(main power grid)에 대해 단일의 제어가능한 엔티티로 작용하는, 명확하게 정의된 전기적 경계 내에서 상호연결된 부하 및 분산된 에너지 자원의 그룹이다. 예를 들어, 마이크로그리드는 로컬 발전기, 부하, 부하 관리 제어기, 그리드 분리 스위치 및 스위치 제어기를 포함할 수 있다.
마이크로그리드는, 마이크로그리드가 메인 전력 그리드와 전기적으로 연결된 그리드 모드로 운영될 수 있고, 마이크로그리드가 메인 전력 그리드와 분리되어, 마이크로그리드가 오로지 로컬 발전기에 의해서만 전력을 공급받는 아일랜드(island) 모드로 운영될 수 있다. 그리드 모드에서 전력 그리드는 버퍼(슬랙 버스(slack bus))로 작동하여, 마이크로그리드 내 부하 및 로컬 발전 간의 전력 차이를 제공하거나 흡수할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 마이크로그리드는 시스템 전력을 출력하도록 구성된 전력 시스템 및 자동 전환 스위치(automatic transfer switch; ATS)를 포함한다. ATS는 전력 설비로부터 그리드 전력을 공급받도록 구성된 그리드 전력선에 전기적으로 연결되는 일반 단자(normal terminal), 전력 시스템으로부터 시스템 전력을 공급받는 시스템 전력선에 전기적으로 연결되는 비상 단자, 및 임계 부하에 전력을 공급하도록 구성된 임계 부하 라인에 전기적으로 연결된 부하 단자를 포함한다. 또한, 마이크로그리드는 시스템 전력선과 임계 부하선에 전기적으로 연결되어 ATS를 우회하는 우회선(bypass line)과, 상기 우회선을 통한 전력의 흐름을 제어하는 회로 차단기(circuit breaker)를 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 방법은 그리드 병렬 모드 및 아일랜드 모드에서 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 단계를 포함한다. 그리드 병렬 모드 동안, 상기 방법은, 비-임계 부하에 전기적으로 연결된 그리드 전력선을 통해, 비-임계 부하에 그리드 전력을 제공하고, 그리드 전력선 및 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결된 ATS, 임계 부하에 전기적으로 연결된 임계 부하선, 및 그리드 전력선을 통해 임계 부하에 그리드 전력을 제공하는 단계와, ATS에 병렬로, 임계 전력선 및 시스템 전력선에 전기적으로 연결된 우회선, 임계 부하선, 및 시스템 전력선을 통해 임계 부하에 전력 시스템이 생성한 시스템 전력을 제공하는 단계를 포함한다. 아일랜드 모드에서, 방법은, 시스템 전력이 비-임계 부하에 제공되지 않도록, 시스템 전력을, 시스템 전력선, ATS 및 임계 부하 전력선을 통해 임계 부하에 공급하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 개시된 장치 및 방법의 실시예들을 예시하고, 앞서 주어진 일반적인 설명 및 하기에 제공된 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
본 개시내용의 실시예들에 따라, 도 1a는 시스템 시동 동안 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이고, 도 1b는 정상 상태 동작 동안에 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전기적 구조를 도시한 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 마이크로그리드의 개략도이고, 도 3b 내지 도 3h는 마이크로그리드가 그리드 병렬 모드와 아일랜드 모드 사이를 전환함에 따라 도 3a의 마이크로그리드를 통한 전력 흐름을 보여주는 개략도이다.
다양한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 가능하면 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용된다. 특정 실시예 및 구현예에 대한 참조는 예시를 위한 것이며, 본 발명 또는 청구항들의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 실시예는 상호 배타적이지 않은 것으로 이해된다. 하나의 실시예(예를 들어, 하나의 도면)에 도시된 특징은 다른 실시예(예를 들어, 다른 도면)에 포함될 수 있다.
연료 전지 시스템은, 가령 마이크로그리드의 필수 및 비필수 부하와 같은 하나 이상의 부하에 전력을 제공하기 위해 이용될 수 있는, 일종의 분산형 전원이다. 이러한 마이크로그리드가 메인 전력 그리드에 연결되면, 마이크로그리드 부하에서 요구하는 것 이상의 전력이 전력 그리드에 공급될 수 있다. 또한, 전력 그리드로부터의 전력은, 연료 전지 시스템 시동 동안에 플랜트의 연료 전지 시스템 균형(fuel cell system balance of plant; BOP) 요소를 작동하는데 활용될 수 있다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 기반 분산형 발전 시스템과 같은 연료 전지 발전 시스템은, 정상 상태 발전 모드 동안 SOFC에 대해 750℃ 이상의 온도와 같은 비교적 높은 작동 온도를 가질 수 있다. 따라서 시스템 시동 동안, 이러한 시스템은, 일반적으로 BOP 요소(예컨대, 팬, 송풍기, 스위치 등) 및/또는 기생 부하에 전력을 공급하기 위해, 가령 연결된 유틸리티 또는 다른 외부 AC 발전기와 같은 외부 공급원으로부터 전력을 일반적으로 제공받는다. 이 외부 시동 전력은, 외부에서 제공된 AC 전압을, BOP 요소 및 다른 기생 부하에 전력을 공급하는 컨버터에 의해 사용가능한 DC 전압으로 변환함으로써 제공될 수 있다.
본 개시내용의 비교 실시예에 따라, 도 1a는 시스템 시동 동안 연료 전지 시스템(10)의 전기 구조(electrical architecture)를 통한 전력 흐름을 예시하는 개략도이고, 도 1b는 정상 상태 작동 동안 연료 전지 시스템 전기 구조를 통한 전력 흐름을 예시하는 개략도이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 아래에 설명된 구성요소 "연결(connections)"은, 달리 명시되지 않는다면, "전기적 연결(electrical connections)"를 지칭하도록 의도된다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 시스템(10)은 인버터 모듈(200) 및 연료 전지(110)를 포함하는 적어도 하나의 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다. 연료 전지(110)는, 하나 이상의 스택 또는 칼럼으로 배열될 수 있다. 연료 전지(110)는 전도성 상호연결 플레이트에 의해 분리된, 세라믹 산화물 전해질을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있다. 가령, 양성자 교환막(PEM), 용융 탄산염, 인산 등과 같은 다른 연료 전지 유형이 사용될 수 있다. 전력 모듈(100)은 후술하는 바와 같이 시동 버스(startup bus) 및 연료 전지(예를 들어, 정상 상태) 버스에 의해 인버터 모듈(200)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(10)은 다수의 전력 모듈(100)에 각각 연결된 다수의 인버터 모듈(200)을 포함할 수 있다.
시스템(10)은 인버터 모듈(200) 및/또는 전력 모듈(100)의 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러(50)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(50)는, 인버터 모듈(200) 또는 전력 모듈(100) 내에 배치되거나 이들에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 컨트롤러(50)는 중앙 처리 장치 및/또는 운영 소프트웨어를 저장하도록 구성된 메모리를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(50)는 오퍼레이터가 시스템(10)을 제어할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
컨트롤러(50)는, 프로세서, 메모리, 및 특정 기능을 수행하도록 명령어로 프로그래밍된 다른 구성요소를 포함하는 컴퓨팅 장치(예컨대, 컴퓨터)를 사용하여 구현될 수 있거나, 특정 기능을 수행하도록 설계되어 프로세서에서 구현될 수 있다. 프로세서는 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 기능을 포함하는, 다양한 기능을 수행하도록 소프트웨어 명령어(애플리케이션)에 의해 구성될 수 있는, 임의의 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터 또는 다수의 프로세서 칩 또는 칩들일 수 있다. 일부 컴퓨팅 장치에서는 다중 프로세서가 제공될 수 있다. 일반적으로, 소프트웨어 애플리케이션은, 액세스되어 프로세서에 로딩되기 전에 내부 메모리에 저장될 수 있다. 일부 컴퓨팅 장치에서, 프로세서는 애플리케이션 소프트웨어 명령어를 저장하기에 충분한 내부 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서는 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 특정 애플리케이션용 집적 회로(ASIC), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그램 가능한 로직 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 구성요소, 또는 본 명세서에 설명된 기능을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로 프로세서는, 임의의 기존 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러 또는 스테이트 머신(state machine)일 수 있다. 프로세서는 또한, 컴퓨팅 장치의 조합, 예를 들어 DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 결합된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로서 구현될 수 있다.
인버터 모듈(200)은, 외부 전원 버스(226)에 의해, 가령, 전기 설비(201)(예를 들어, 전력 그리드 또는 외부 발전기)와 같은 외부 전원에 연결된 정상 상태 변압기(202) 및 시동 변압기(204)를 포함할 수 있다. 정상 상태 변압기(202)는 AC/DC 인버터(212)에 연결될 수 있다. 인버터(212)는, 제1 플랜트 균형 부하(BOP1)에 연결된 정상 상태 다이오드(210)에 연결될 수 있다. 시동 변압기(204)는 정류기(206)에 연결될 수 있다. 정류기(206)는 시동 버스(222)를 통해, 부하(BOP1)에 연결된 시동 다이오드(208)에 연결될 수 있다.
전력 모듈(100)은: DC/DC 컨버터(218), 시동 다이오드(214), 및 정상 상태 다이오드(216)를 포함할 수 있다. DC/DC 컨버터(218)는 전력 모듈(100)의 인버터(212) 및 연료 전지(110)에 전기적으로 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터(218)는 또한, 정상 상태 다이오드(216)에 연결될 수 있다. 다이오드(214, 216)는 제2 플랜트 균형 부하(BOP2)에 연결될 수 있다. 시동 다이오드(214)는 또한, 정류기(206)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 시스템(10)의 시동 동안, 연료 전지(110)가 정상 상태 작동 온도(예를 들어, SOFC의 경우 750℃ 내지 900℃와 같은, 750℃이상의 온도)에 도달하기 전에, 연료 전지(110)는 BOP 부하들에 충분한 전력량을 생성하지 않을 수 있다. 이와 같이, 시동 동안에, 유틸리티(utility)로부터의 전력은, 시동 버스(222)를 통해 부하들(BOP1, BOP2)에 제공된다. 특히, 전력은, 시동 변압기(204), 정류기(206), 시동 다이오드(208)를 통해 시동 버스(222)를 통해 흐르고, 이후 BOP 부하들(BOP1, BOP2)로 흐른다. 인버터(212), 컨버터(218) 및 정상 상태 버스(220)는 시스템 시동 동안 사용되지 않는다.
도 1b를 참조하면, 연료 전지가 원하는 정상 상태 작동 온도(예컨대, 750℃ 이상)에 도달하면, 시스템(10)의 정상 상태 작동이 시작되고, 연료 전지(110)에서 부하들(BOP1, BOP2)로 전력이 제공된다. 특히, 전력은, 연료 전지(110)로부터 정상 상태 버스(220)를 거쳐, DC/DC 컨버터(218), 인버터(212)를 거쳐서, 그리고 정상 상태 변압기(202)를 통해, 유틸리티 및/또는 임의의 로컬 부하로 흐른다. 전력은 또한, 필요에 따라 정상 상태 다이오드(210, 216)를 통해 부하들(BOP1, BOP2)로 전환(divert)된다. 이와 같이, 정류기(206) 및 시동 변압기(204)는 사용되지 않는다. 정상 상태 모드 작동은, 연료 전지(110)가, 연료 전지의 작동 수명의 거의 모든 부분을 차지하는 전력을 생성할 만큼 충분히 고온일 때 항상 계속된다. 이것은, 변압기(202, 204)가 유틸리티(201)(예를 들어, 전력 그리드)로부터 분리되는 기간을 포함하며, 그 기간 동안 정상 상태 변압기(202)는 전력 그리드 대신에, 로컬 부하 "L"에 연료 전지(110)로부터의 전력을 제공한다.
따라서, 변압기(204), 정류기(206), 퓨즈(미도시), 시동 시 전력 변환에 사용되는 배선은, 시스템(10)의 대부분의 수명 주기를 나타내는 정상 상태 동작 동안에는 사용되지 않는다. 이와 같이, 본 구조는 시스템(10)의 비용을 증가시키고 시스템(10)의 에너지 밀도를 감소시킨다. 정류기(206)는 또한, 시동 동안 고조파 전류를 생성할 수 있다.
도 2a는 본 개시내용의 다른 비교 실시예에 따른 연료 전지 시스템(20)의 전기적 구조를 도시하는 개략도이다. 시스템(20)의 전기적 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 시스템(10)의 전기적 구조와 유사하므로, 이들 간의 차이점만 상세히 논의될 것이다.
도 2a를 참조하면, 시스템(20)은 전원 모듈(100A) 및 조합 버스(combination bus; 224)에 의해 전기적으로 연결된 인버터 모듈(200A)을 포함한다. 인버터 모듈(200A)은, 조합 버스(224)에 전기적으로 연결된 양방향 인버터(bidirectional inverter; 240)를 포함한다. 양방향 인버터(240)는 유틸리티로부터 제공되는 AC 전력을, 시스템 시동 동안, 부하들(BOP1, BOP2)을 구동하기에 적합한 DC 전력으로 변환할 수 있고, 연료 전지(110)로부터의 DC 전력을, 정상 상태 작동 동안, 유틸리티에 제공될 수 있는 AC 전력으로 변환할 수 있다. 즉, 조합 버스(224)는 정상 상태 및 시동 동작 모두 동안 전력을 전송하는데 사용될 수 있다. 이와 같이, 도 1a 및 1b의 시스템(10)의 시동 버스(222), 시동 변압기(204), 정류기(206), 및 시동 다이오드(208, 214)는, 시동 동안에 기능의 손실 없이 시스템(20)으로부터 생략될 수 있다.
도 2b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 시스템(30)의 전기적 구조를 도시하는 개략도이다. 시스템(30)의 전기적 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 시스템(10)의 전기적 구조와 유사하므로, 이들 사이의 차이점만 상세히 논의될 것이다. 도 2b를 참조하면, 시스템(30)은, 정상 상태 버스(220)와 시동 버스(222)에 의해 전기적으로 연결된 전원 모듈(100) 및 인버터 모듈(200B)을 포함한다. 하나의 전력 모듈(100)이 도시되지만, 시스템(30)은 인버터 모듈(200B)에 전기적으로 연결된 다수의 전력 모듈들(100)을 포함할 수 있다. 시스템(30)은 또한, 시스템(30)의 정상 상태 및 시동 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러(50)를 포함할 수 있다.
인버터 모듈(200B)은 제1 양방향 인버터(240), 제2 양방향 인버터(242) 및 적어도 하나의 단방향 제3 인버터(244)(예를 들어, 1개 내지 10개의 단방향 인버터)를 포함할 수 있고, 이는 외부 전원 버스(226)에 의해, 시스템 변압기(202) 및 (예컨대, 시스템(30) 외부의 전력원과 같은) 전력 유틸리티에 전기적으로 연결될 수 있다. 인버터 모듈(200B)은 도 1a 및 1b에 도시된 2개의 변압기(202, 204) 대신에 시동 및 정상 상태 모드 동안에 작동하는 단일 시스템 변압기(202)를 포함한다. 인버터 모듈(200B)은 또한, 제1 플랜트 균형 부하(BOP1)에 전기적으로 연결된, 시동 다이오드(208) 및 정상 상태 다이오드(210)를 포함할 수 있다. 인버터 모듈(200B)은 또한, 고장 다이오드(fault diode; 230) 및 선택적인 보조 다이오드(232)를 포함할 수 있다.
전원 모듈(100)은, 시동 버스(222)에 전기적으로 연결된 시동 다이오드(214), 및 정상 상태 버스(220)에 전기적으로 연결되는 정상 상태 다이오드(216)를 포함할 수 있다. 두 다이오드(214, 216)는 모두, 제2 부하(BOP2)로의 전류 흐름을 제어한다.
시동 모드 동안, 외부 전원 버스(226)는 유틸리티(201)로부터 시스템 변압기(302) 및 제1 인버터(240)에 순차적으로 전력을 제공할 수 있다. 변압기(202)는 유틸리티 전력의 전압을 변경하도록 동작할 수 있고, 제1 인버터(240)는 AC 유틸리티 전력(즉, 교류)을 DC 전력(즉, 직류)으로 변환하도록 동작할 수 있다. 시동 버스(222)는 이후, 시동 다이오드(208)를 통해 제1 부하(BOP1)에 유틸리티 전력을 제공할 수 있다. 따라서, 제1 인버터(240)는 정류기로서 동작할 수 있고, 도 1a에 도시된 개별 정류기(206) 및 시동 변압기(204)는, 시스템(30)의 비용 절감을 위해 생략될 수 있다. 따라서, 시스템(30)은, (단일 시스템 변압기(202) 이외의) 임의의 추가 변압기 및 임의의 정류기를 배제할 수 있다. 시동 버스(222)는 또한, 시동 다이오드(214)를 통해 유틸리티(201) 전력을 제2 부하(BOP2)에 제공할 수 있다. 고장 다이오드(230)는, 시동 모드 동안, 전류가 정상 상태 버스(220)를 통해 연료 전지(110)로 흐르는 것을 방지한다. 제2 인버터(242)는 오프 상태를 유지하여, 전력이 제2 인버터(242)를 통해 정상 상태 버스(220)로 통과되지 않도록 한다. 또한, 제3 인버터(244)는 단방향이므로, 시동 동안에 제3 인버터(244)에 의해 정상 상태 버스(220)로 전력이 공급되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 시스템 시동 동안, 인버터 모듈(200B)은 시동 버스(222)를 통해, 부하들(BOP1, BOP2) 모두에 유틸리티 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
마이크로그리드 인버터 및 부하 관리
그리드 장애(grid failure)로 인한 마이크로그리드 아일랜드(island)의 형성은, 일반적으로 그리드의 전압(V) 및 주파수(F)를 모니터링하는, SEL 751 또는 Beckwith 계전기(relay)와 같은 표준 보호 계전기(standard protection relay)를 통해 감지된다. V 및 F 모니터링 외에도, 이러한 보호 계전기는 전력 그리드와 마이크로그리드 사이의 양방향을 따르는 전력을 모니터링하여, 아일랜딩을 감지하고 그리드 격리 장치를 개방시킨다. 그러나, 마이크로그리드의 잉여전력 발생으로 인해 잉여 전력을 전력 그리드로 내보내도록 설계된 마이크로그리드의 경우, 아일랜드 감지를 위한 역전력 방식은 작동하지 않는다. 따라서, 마이크로그리드의 모든 발전기에는 값비싼 UL 인증된 액티브한 반-아일랜딩 보호장치(UL certified active anti-islanding protection)가 필요할 수 있다.
마이크로그리드는 일반적으로 마이크로그리드의 총 부하가 항상 이용 가능한 총 발전량보다 적도록 작동하는 부하 관리 컨트롤러를 포함한다. 마이크로그리드에서 충분한 전력 저장 버퍼를 사용할 수 있는 경우, 마이크로그리드 컨트롤러는 저장 출력 전력을 모니터링하여 초과 수요를 감지하고, 그에 따라 부하를 차단할 수 있다. 그러나 충분한 전력 저장을 사용할 수 없는 경우, 마이크로그리드 부하 관리 컨트롤러는, 전력 그리드 장애 이후와, 로컬 발전이 로컬 마이크로그리드 부하를 지원하기 시작하기 이전에, 부하를 분산하도록 작동해야 한다. 부하 분산(load shedding)에는 여러 문제와, 여러 단일 지점 오류가 포함될 수 있다.
도 3a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 마이크로그리드(400)의 개략도이다. 도 3b 내지 3h는, 마이크로그리드(400)가 그리드 모드와 아일랜드 모드 사이에서 전환할 때 마이크로그리드(400)를 통한 전력 흐름을 보여주는 개략도이다.
도 3a를 참조하면, 마이크로그리드(400)는 전력 시스템(40), 전력 분산 시스템(PDS; 310), 회로 차단기(320) 및 자동 전달 스위치(ATS; 330)를 포함할 수 있다. PDS(310)는 추가적인 종래의 회로 차단기를 포함할 수 있다. 회로 차단기(320)는 후술하는 랩-어라운드 회로 차단기(wrap-around circuit breaker)일 수 있다. 전력 시스템(40)은 적어도 하나의 전력 모듈(100) 및 인버터 모듈(300)을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 전력 시스템(40)은 동일한 PDS(310)에 연결된 복수의 전력 모듈(100) 및 복수의 인버터 모듈(300)을 포함할 수 있다. 전력 모듈(100)은 SOFC 스택과 같은 연료 전지 스택을 포함할 수 있다.
ATS(330)는 정상 단자(N), 비상 단자(E), 부하 단자(L) 및 선택적 플로팅 중간 단자 또는 위치(M)을 포함할 수 있다. ATS(330)는: ATS(330)가 정상 단자(N)를 부하 단자(L)에 전기적으로 연결하는 정상 위치(normal position), ATS(330)가 부하 단자(L)를 정상 단자(N) 또는 비상 단자(E)에 전기적으로 연결하지 않는 개방 위치, 및 ATS(330)가 비상 단자(E)를 부하 단자(L)에 연결하는 비상 위치 사이에서 전환할 수 있다. 대안으로, ATS(330)는 3개의 위치의 ATS가 아닌 2개의 위치일 수 있다. ATS(330)는, 시스템 요구 사항에 따라, 접촉기 기반, 회로 차단기 기반 또는 몰드된 케이스 스위치 기반의 ATS(330)일 수 있다.
전력 모듈(100), 인버터 모듈(300) 및 PDS(310)는, 시스템 전원 라인(312)(예를 들어, 로컬 전원 라인)에 의해 ATS(330)의 비상 단자(E)와 전기적으로 연결될 수 있다. 부하 단자(L)는, 임계 부하 라인(314)에 의해 하나 이상의 임계 부하(23)를 포함하는 임계 부하 패널(22)에 연결될 수 있다. 정상 소스 단자(N)는 그리드 전력선(316)에 의해 유틸리티 전력 그리드(201)에 연결될 수 있다. 그리드 전력선(316)은 하나 이상의 비-임계 부하(25)를 포함하는 메인 패널(즉, 메인 부하 스위치보드 또는 패널)(24)에 전기적으로 연결될 수 있다.
우회선(322)은 ATS(330)를 우회(bypass)하면서, 시스템 전력선(312)과 임계 부하선(314)을 전기적으로 연결할 수 있다. 회로 차단기(320)는 우회선(322) 상에 위치될 수 있고, 우회선(322)을 통한 전력 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 회로 차단기(320)는, ATS(330)의 정격 전류에 따라, 전기적으로 작동되는 회로 차단기, 접촉기, 계전기(relay) 또는 반도체 스위치일 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로그리드(400)는 무정전 전원 공급 장치(uninterruptable power supply; UPS)(326), 및 회로 차단기(320)를 동작시키는 인터포즈 계전기(interpose relay; 324)를 포함한다.
인버터 모듈(300)은 도 1a 내지 2b의 인버터 모듈(200, 200A, 200B) 중 임의의 것과 유사할 수 있다. 예를 들어, 인버터 모듈(300)은, 컨트롤러(50), 시스템 전력선(312)에 전기적으로 연결된 변압기(202), 변압기(202)에 전기적으로 연결된, 가령 양방향 제1 및 제2 인버터(240, 242)와 같은 적어도 하나의 인버터, 제1 인버터(240)에 전기적으로 연결된 장애 다이오드(230), 제1 BOP(Balance of Plant) 부하(BOP1), 제1 및 제2 인버터(240, 242)를 전력 모듈(100)의 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하(BOP2)에 전기적으로 연결하는 정상 상태 버스(222), 제1 및 제2 인버터들(240, 242)을 제1 BOP 부하(BOP1) 및 제2 BOP 부하(BOP2)에 전기적으로 연결하는 시동 버스(220)를 포함할 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 인버터는 하나 이상의 일방향 인버터들을 포함할 수 있다.
인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)는, 데이터 연결 경로 "CB Status"를 통한 차단기(320)의 연결 상태, 데이터 연결 경로 "ATS Status"를 통한 ATS(330)의 연결 상태, 및 그리드 전력의 상태(예컨대, 그리드 전력의 전압 및/또는 주파수)를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 데이터 연결은 유선 또는 무선 연결일 수 있다. 예를 들어, 인버터 모듈(300)은, 회로 차단기(320) 및/또는 ATS(330)를 통한 전류 흐름을 모니터링하도록 전기적으로 연결 및/또는 구성될 수 있다. 인버터 모듈(300)은 또한, 전력 그리드(201)의 상태, 회로 차단기(320)의 연결 상태 및/또는 ATS(330)의 연결 상태에 기초하여, 시스템 전력선(312)으로의 전력 출력과, (예컨대, UPS(322)에 의해 전력을 공급받는 인터포즈 계전기(324)를 통해) 회로 차단기(320)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 마이크로그리드(400)가 그리드 병렬 모드에서 동작할 때, ATS(330)는 그리드 전력선(316)을 임계 부하선(314)에 전기적으로 연결하기 위해, 정상 위치로 설정될 수 있다. 특히, ATS(330)는 정상 단자(N)를 부하 단자(L)에 전기적으로 연결할 수 있다. 회로 차단기(320)는 폐쇄되어서, 우회선(322)이 시스템 전력선(312)을 임계 부하선(314)에 전기적으로 연결하도록 한다. 전력 모듈(100)에 의해 생성된 DC 전력은, 인버터 모듈(300)로부터 그리드 모드 전압으로 AC 전력으로서 출력되어서, 시스템 전력선(312), 우회선(322), 및 임계 부하선(314)을 거쳐 임계 부하(23)에 공급될 수 있다. 임계 부하(23)에 의해 요구되지 않는 초과 생산된 전력은, ATS(330) 및 그리드 전력선(316)을 통해 비-임계 부하(25) 및/또는 전력 그리드(201)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 인버터 모듈(300)에 의해 출력되는 전압은, 임계 부하(23)의 전압 요구 사항과 동기화될 수 있거나, 및/또는 그리드(201)의 전압과 동기화될 수 있다. 임계 부하(23)의 전력 수요가, 전력 모듈(100)의 전력 출력을 초과하는 경우, 임계 부하(23)의 부하 수요를 충족시키기 위해 전력 그리드(201)로부터 ATS(330)를 통해 임계 부하(23)에 추가 전력이 공급될 수 있다. 비-임계 부하(25)의 전력 수요가 전력 모듈(100)의 전력 출력을 초과하는 경우, 비-임계 부하(25)의 부하 수요를 충족시키기 위해, 전력 그리드(201)로부터 그리드 전력선(316)을 통해 비-임계 부하(25)로 추가 전력이 공급될 수 있다.
인버터 모듈(300)은, 그리드 전력이 전력 시스템(40)과의 상호연결에 적합한지 여부를 판단하기 위해, ATS(330) 부하 측의 그리드 전력을 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 인버터 모듈(300)은 지속적으로 또는 주기적으로 그리드 전력을 모니터링하여, 그리드 전력이 전력 유틸리티, IEEE 1547 및/또는 UL 1741 표준을 준수하는지 여부를 확인한다. 인버터 모듈(300)은, 회로 차단기(320) 및/또는 ATS(330)를 통한 전류 흐름을 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링하여, 이들의 연결 상태를 모니터링할 수 있다. 또한, ATS(330)는 전력 그리드(201)의 상태를 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링할 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 인버터 모듈(300)이 ATS(330)가 감지하지 못하는 그리드 전력 위반(non-compliance) 조건을 감지하면, 인버터 모듈(300)은 시스템 전력선(312)으로의 전력 내보내기를 중단하고, 전력 시스템(40)은 무부하 상태(no load condition)에서 동작하는 한편, ATS(330)는 정상 위치에 잔류하여, 그리드(201)에서 임계 부하(23)로 그리드 전력을 공급한다. 인버터 모듈(300)은, 폐쇄된 회로 차단기(320)를 통해 그리드 전력을 계속 모니터링할 수 있으며, 인버터 모듈이(300)이, 전력 유틸리티, IEEE 1547, 및/또는 UL 1741 표준을 그리드 전력이 준수한다고 판단하는 경우, 인버터 모듈(300)은 시스템 전력선(312)에 연료 전지 시스템 전력 공급을 재개할 수 있다.
도 3c 내지 3e를 참조하면, 마이크로그리드(400)의 아일랜드 전환 모드(island transition mode) 동안, 컨트롤러(50)(이는 인버터 모듈(300) 및/또는 ATS(330) 상태를 모니터링함)가, 가령 그리드(201)로부터의 그리드 전력에 장애가 있거나 중단되는 경우와 같이 그리드 전력이 상호연결에 적합하지 않다고 결정하는 경우, 인버터 모듈(300)은 시스템 전력선(312)으로의 전력 출력을 중단하고, 전력 시스템(40)은 무부하 조건에서 동작한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, ATS(330)는 정상 위치에 유지되고, 회로 차단기(320)는 닫힌 상태로 유지된다. 따라서, 인버터 모듈(300)은, 유틸리티, IEEE 1547 및/또는 UL 1741 제한에 따라 주요한 반-아일랜드 보호 장치로서 기능하고, 전력 그리드(예컨대, 유틸리티)(201)에 장애가 발생하자 마자 종료된다(예컨대, PDS(310)에서 시스템 전력선으로부터 연결해제된다).
도 3d를 참조하면, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가, 그리드(201)로부터의 그리드 전력이 (경로 ATS 상태를 통해) ATS(330)의 부하 단자(L)에서 이용가능하지 않음을 검출하고, (경로 CB 상태를 통해) 회로 차단기(320)에 장애가 없다고 판단하는 경우, 인버터 모듈(300)은, UPS(322)로부터의 전력을 사용하여 인터포즈 계전기(324)가 회로 차단기(320)를 개방하도록 구동 신호를 (도 3d의 제3 데이터 경로를 통해) 출력한다.
그러면 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)는, 데이터 경로(CB 상태)를 통해 회로 차단기(320)의 보조 접촉점을 판독함으로써, 회로 차단기(320)개 개방되어 있음을 확인할 수 있다. 개방된 회로 차단기(320)를 확인한 후, 전력 시스템(40)은 아일랜드 모드를 시작하고, PDS(310)가 활성화되고, 인버터 모듈(300)은 가령, 480V AC 전압과 같은 아일랜드 모드 전압을, PDS(310)를 통해 시스템 전력선(312)으로 출력한다. ATS(330)가 아일랜드 전압을 검출하면, ATS(330)는 제1 지연 기간이 만료된 이후 그것의 중간 위치(M)로 전환한다.
도 3e를 참조하면, ATS(330)가 계속해서 아일랜드 전압을 검출하면, 컨트롤러(50)는 마이크로그리드(400)가 아일랜드 모드 동작을 시작하도록 제어한다. 특히, 컨트롤러(50)는 제2 지연 기간이 만료된 후 ATS(330)를 비상 위치로 전환하도록 (경로 ATS 상태를 통해) ATS(330)를 제어하고, 비상 단자(E) 및 부하 단자(L)를 연결함으로써, 시스템 전력선(312)을 임계 부하선(314)에 전기적으로 연결한다. 이와 같이, 아일랜드 모드에서, 아일랜드 모드 전압은 임계 부하선(314), ATS(330) 및 시스템 전력선(312)을 통해 전력 모듈(100)로부터 임계 부하 패널(22)의 임계 부하(23)에 제공될 수 있다. 따라서, 전력 시스템(40)으로부터의 전력은, 임계 부하(23)로 공급되고, 비-임계 부하(25)에는 공급되지 않는다. 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)는, 아일랜드 모드 동작 동안에 ATS(330)의 연결 상태를 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링할 수 있다.
전력 시스템(40)이 아일랜드 모드에 있는 동안, ATS(330)가 그리드 전력이 복구되었음을 검출하면(즉, 그리드 전력이 데이터 경로 ATS 상태를 통해 컨트롤러(50)에 의해 ATS(330)에서 검출된 경우), 마이크로그리드(400)는 도 3f 내지 3h에 도시된 바와 같이, 그리드 병렬 전환 모드(grid parallel transition mode)를 시작할 수 있다. 특히, 도 3f에 도시된 바와 같이, 컨트롤러는, 제3 지연 기간이 만료된 후 ATS(330)를 중간 위치로 전환하여, 임계 부하(23)에 전력이 공급되지 않을 수 있다. 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가, ATS(330)가 중간 위치(M)에 있다고 판단하는 경우, 전력 시스템(40)은 아일랜드 모드 동작을 중지하고(예를 들어, PDS(310)가 개방되고, 인버터 모듈(300)로부터 시스템 전력선(312)으로 전력이 흐르지 않게 되고), 전환 모드 동작을 시작할 수 있다. 전환 모드 동작 동안, 전력 시스템(40)은, 가령 모터 부하와 같은 재생 부하를 감소(ramp down)시킬 수 있고, 시스템 전력선(312)으로의 전력 출력을 중단할 수 있다. ATS(330)는 제4 지연 기간 동안 중간 위치(M)에 남아 있을 수 있다.
도 3g에 도시된 바와 같이, 제4 지연 기간이 만료된 후, 컨트롤러(50)는 ATS(330)를 정상 단자(N)로 전환하여, 그리드 전력선(316)을 부하 단자(L)에 전기적으로 연결하고, 그리드 전력을 임계 부하(23)에 제공할 수 있다. 인버터(300)는 제4 지연 기간 동안에 및/또는 그 이후에, 시스템 전력선(312)으로 출력되는 모든 전력을 정지할 수 있다. 이와 같이, 비-임계 부하(25) 및 임계 부하(23)에는, 그리드(201)로부터, 선들(316, 314) 및 ATS(330)를 통해 그리드 전력이 공급된다.
도 3h에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가 그리드 전력이 상호연결에 적합하다고 후속적으로 결정하면, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)는 회로 차단기(320)를 폐쇄하기 위한 신호를 전송한다. 특히, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)는, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가 시스템 전력선(312)에 전압이 인가되지 않음을 검출하는 경우, 회로 차단기(320)를 폐쇄하고, ATS(330)는 정상 단자(N)을 부하 단자(L)에 전기적으로 연결하게 되며, 그리드 전력은 ATS(330)를 통해 사용할 수 있으며, 회로 차단기(320)에는 장애가 존재하지 d않는다.
인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가, ATS(330)가 정상 위치에 있음을 감지하면, 회로 차단기(320)가 폐쇄되고, 그리드 전력이 상호연결에 적합하게 되며, 인버터 모듈(300)의 컨트롤러(50)가 전력 시스템(40)을 제어하여, 그리드 모드 전압을 PDS(310)를 통해 시스템 전력선(312)에 출력하고, 전력 시스템(40)의 그리드 병렬 모드 동작이 도 3b에 도시되는 바와 같이 재개된다.
본 발명의 실시예는, 그리드가 이용 가능할 때, 그리드로 전력을 다시 내보내는 것을 허용하면서, 마이크로그리드에서 임계 부하를 안정적으로 지원하기 위한 하드웨어 구성 및 제어 방법을 제공한다. 구체적으로, 하나 이상의 인버터가 그리드 병렬 및 아일랜드 모드로 작동되는 동시에, 임계 부하로의 전력을 오프셋(offset)할 수 있으며, 그 이후 초과 전력을 비-임계 부하로 내보낼 수 있고, 그리드 병렬 및 아일랜드 모드들 사이에서 전환할 때 실시간 로드 관리를 필요로 하지 않고, 그리드가 사용 가능할 때, 전력 그리드로 초과 전력을 내보낼 수 있다.
일실시예에서, 임계 부하(들), 비-임계 부하(들) 및 그리드는, 작동 가능한 스위치로서 기능하는 랩-어라운드 회로 차단기(320) 및 표준 ATS(330)를 통해 전기적으로 연결된다. 랩-어라운드 회로 차단기(320)는, 임계 부하가 있는 마이크로그리드로부터 그리드 및 비-임계 부하를 분리하거나, 비-임계 부하 및 그리드에 초과 전력을 허용하도록 제어된다. 회로 차단기(320)를 작동 가능한 스위치로 사용함으로써, 전압 라이드-스루(voltage ride-through)를 유지하면서, 부하 차단(load shed) 제어가 제거될 수 있다.
다양한 실시예에 도시된 바와 같은 구성 및 배치는 오로지 예시적인 것이다. 본 개시내용에서 단지 소수의 실시예만이 상세하게 설명되었지만, 많은 수정사항들이(예를 들어, 다양한 구성요소의 크기, 치수, 구조, 모양 및 비율, 매개변수의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 방향 등), 본 명세서에 설명된 내용의 신규 교시 및 이점을 실질적으로 벗어남이 없이 가능하다. 일체로 형성된 것으로 도시되는 일부 구성요소는, 다수의 부품 또는 구성요소로 구성될 수 있고, 구성요소의 위치는 반전되거나 달리 변경될 수 있으며, 개별 구성요소 또는 위치의 성질 또는 개수는 변화 또는 변경될 수 있다. 임의의 프로세스, 논리 알고리즘 또는 방법의 단계의 순서 또는 시퀀스는, 대안적인 실시예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체사항, 수정사항, 변경사항 및 생략이 또한, 이루어질 수 있다. 임의의 실시예의 임의의 하나 이상의 특징은, 하나 이상의 다른 실시예의 임의의 하나 이상의 다른 특징과 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 진정한 범위는 다음의 청구항들과 그 등가물에 의해 나타난다.

Claims (20)

  1. 마이크로그리드로서,
    시스템 전력을 출력하도록 구성되는 전력 시스템;
    자동 전환 스위치(automatic transfer switch; ATS)로서,
    전력 유틸리티(power utility)로부터 그리드 전력을 수신하도록 구성되는 그리드 전력선(grid power line)에 전기적으로 연결되는 정상 단자(normal terminal);
    상기 전력 시스템으로부터 시스템 전력을 수신하도록 구성되는 시스템 전력선에 전기적으로 연결되는 비상 단자; 및
    임계 부하에 전력을 제공하도록 구성되는 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 부하 단자
    를 포함하는, 상기 자동 전환 스위치(ATS);
    상기 자동 전환 스위치(ATS)를 우회하도록, 상기 시스템 전력선 및 상기 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 우회선(bypass line); 및
    상기 우회선을 통한 전력 흐름을 제어하도록 구성되는 회로 차단기(circuit breaker)
    를 포함하는, 마이크로그리드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로그리드가 그리드 병렬 모드(grid parallel mode)에서 작동하는 경우, 상기 마이크로그리드는:
    상기 그리드 전력선, 상기 자동 전환 스위치(ATS) 및 상기 임계 부하선을 통해, 상기 임계 부하에 그리드 전력을 제공하고;
    상기 회로 차단기를 폐쇄하며;
    상기 우회선을 통해 상기 임계 부하에 시스템 전력을 제공하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로그리드가 그리드 병렬 모드(grid parallel mode)에서 작동하는 경우, 상기 마이크로그리드는: 상기 임계 부하의 전력 요구사항을 초과하는 시스템 전력을, 상기 그리드 전력선 또는 상기 전력 유틸리티 중 하나에 전기적으로 연결되는 비-임계 부하(non-critical load)에 제공하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로그리드가 아일랜드 모드(island mode)에서 작동하는 경우, 상기 마이크로그리드는:
    상기 회로 차단기를 개방하고;
    상기 자동 전환 스위치(ATS)를 통해 상기 임계 부하에 시스템 전력을 제공하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자동 전환 스위치(ATS)는:
    상기 자동 전환 스위치(ATS)가 그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하다고 판단하는 경우, 상기 그리드 전력선을 상기 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결하고;
    상기 자동 전환 스위치(ATS)가 그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하지 않고, 상기 전력 시스템이 상기 시스템 전력선에 시스템 전력을 제공하고 있다고 판단하는 경우, 상기 시스템 전력선을 상기 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자동 전환 스위치(ATS)는: 상기 비상 단자를 상기 부하 단자에 전기적으로 연결하기 이전에, 지연 기간(delay period) 동안 상기 정상 단자 및 상기 비상 단자로부터 상기 부하 단자를 전기적으로 연결해제하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자동 전환 스위치(ATS)가, 상호연결을 위해 적절한 그리드 전력이 상기 그리드 전력선으로 복원된다고 판단하는 경우, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 부하 단자를 상기 정상 단자에 전기적으로 재연결하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 시스템이 그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하지 않다고 판단하는 경우, 상기 전력 시스템은 상기 회로 차단기를 개방하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 시스템이 그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하다고 판단하는 경우, 상기 전력 시스템은 상기 회로 차단기를 폐쇄하도록 구성되는, 마이크로그리드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전력 시스템은:
    연료 전지 스택을 포함하는 전력 모듈; 및
    상기 자동 전환 스위치(ATS)의 연결 상태, 상기 회로 차단기의 연결 상태, 또는 상호연결을 위한 상기 그리드 전력의 적절성(suitability) 중의 적어도 하나에 기초하여, 상기 시스템 전력선으로의 시스템 전력 출력 및 상기 회로 차단기의 동작을 제어하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는 인버터 모듈
    을 포함하는, 마이크로그리드.
  11. 그리드 병렬 모드 및 아일랜드 모드로 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법으로서,
    상기 그리드 병렬 모드 동안에:
    비-임계 부하에 전기적으로 연결되는 그리드 전력선을 통해 상기 비-임계 부하에 그리드 전력을 제공하고, 상기 그리드 전력선, 임계 부하에 전기적으로 연결되는 임계 부하선, 및 상기 그리드 전력선과 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 자동 전환 스위치(ATS)를 통해 임계 부하에 상기 그리드 전력을 제공하는 단계와;
    상기 자동 전환 스위치(ATS)와 병렬로, 시스템 전력선 및 상기 임계 부하선에 전기적으로 연결되는 우회선, 상기 임계 부하선 및 상기 시스템 전력선을 통해, 상기 임계 부하에 전력 시스템에 의해 생성된 시스템 전력을 제공하는 단계; 및
    상기 아일랜드 모드 동안에:
    상기 시스템 전력이 상기 비-임계 부하에 제공되지 않도록, 상기 시스템 전력선, 상기 자동 전환 스위치(ATS) 및 상기 임계 부하선을 통해 상기 임계 부하에 시스템 전력을 제공하는 단계
    를 포함하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 아일랜드 모드 동안에, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 시스템 전력선을 상기 임계 부하선에 전기적으로 연결하고, 상기 우회선 상에 배치된 회로 차단기는 개방되어서, 상기 시스템 전력이 상기 자동 전환 스위치(ATS)를 우회하는 것을 방지하며;
    상기 그리드 병렬 모드 동안에, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 그리드 전력선을 상기 임계 부하선에 전기적으로 연결하고, 상기 회로 차단기는 폐쇄되어서 상기 시스템 전력이 상기 자동 전환 스위치(ATS)를 우회하게 하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하지 않은 경우 상기 회로 차단기는 개방되고, 그리드 전력이 상호연결을 위해 적절한 경우 상기 회로 차단기는 폐쇄되는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 그리드 병렬 모드 동안에, 상기 임계 부하의 전력 요구사항을 초과하는 시스템 전력이, 상기 비-임계 부하 또는 상기 그리드 전력선에 전기적으로 연결되는 전력 유틸리티 중의 적어도 하나에 제공되는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 그리드 병렬 모드 및 상기 아일랜드 모드 사이에서 발생되는 전환 모드 동안에, 그리드 전력의 전압 또는 주파수가 상호연결을 위해 적절하지 않다고 판단되는 경우, 상기 시스템 전력이 상기 시스템 전력선으로 출력되지 않는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전환 모드 동안에, 상기 시스템 전력이 상기 시스템 전력선으로 출력되지 않는 경우, 상기 회로 차단기는 개방되는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    그리드 전력이 상호연결을 위해 적절한 경우, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 그리드 전력선을 상기 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결하고,
    그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하지 않고, 상기 전력 시스템이 상기 시스템 전력선에 시스템 전력을 제공하고 있는 경우, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 시스템 전력선을 상기 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    그리드 전력이 상호연결을 위해 적절하지 않은 경우, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는: 상기 시스템 전력선을 상기 임계 부하 전력선에 전기적으로 연결하기 이전에, 상기 그리드 전력선으로부터 상기 임계 부하 전력선을 전기적으로 연결해제하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상호연결을 위해 적절해진 그리드 전력이 상기 그리드 전력선으로 복원되는 경우, 상기 자동 전환 스위치(ATS)는 상기 임계 부하 전력선을 상기 그리드 전력선에 전기적으로 재연결하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 전력 시스템은:
    연료 전지 스택을 포함하는 전력 모듈; 및
    상기 자동 전환 스위치(ATS)의 연결 상태, 상기 회로 차단기의 연결 상태, 또는 상호연결을 위한 상기 그리드 전력의 적절성(suitability) 중의 적어도 하나에 기초하여, 상기 시스템 전력선으로의 시스템 전력 출력 및 상기 회로 차단기의 동작을 제어하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는 인버터 모듈
    을 포함하는, 마이크로그리드를 순차적으로 동작시키는 방법.
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Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6977446B2 (en) * 2002-08-22 2005-12-20 Robin Mackay Multiple inverter power system with regard to generator failure
US9972852B2 (en) 2012-07-09 2018-05-15 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with variable frequency drive for support equipment
WO2015131042A2 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 Wal-Mart Stores, Inc. Automatic transfer switch maintenance bypass cabinet
US9639130B2 (en) 2014-04-07 2017-05-02 Bloom Energy Corporation Parallel control of multiple uninterruptable power modules (“UPMs”)
US9819192B2 (en) 2014-07-29 2017-11-14 General Electric Company Solid oxide fuel cell-based power generation and delivery system and method of operating the same
US10666058B2 (en) 2015-06-04 2020-05-26 Bloom Energy Corporation Intergrated fuel cell and energy storage systems and method of operating thereof
US10243226B2 (en) 2015-09-09 2019-03-26 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell system ride-through of electric grid disturbances
US10367215B2 (en) 2016-05-23 2019-07-30 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with variable auxiliary bus voltage and method of operating thereof
US10658843B2 (en) 2017-05-24 2020-05-19 Rolls-Royce Plc DC coupled power electronics system for a fuel cell power system
US10756546B2 (en) 2017-08-10 2020-08-25 Bloom Energy Corporation Methods of advanced grid and microgrid support functionalities through hybrid fuel cell systems
US11271406B2 (en) 2018-01-24 2022-03-08 Bloom Energy Corporation Selective grounding of grid parallel inverter systems
US10651479B2 (en) 2018-02-05 2020-05-12 Bloom Energy Corporation Method of recovering metal compounds from solid oxide fuel cell scrap
US11128147B2 (en) 2018-04-04 2021-09-21 Bloom Energy Corporation Power system integrated with dual power electrical load
US10601226B2 (en) 2018-04-04 2020-03-24 Bloom Energy Corporation Advanced uninterruptable power module controller and method of operating same
US20200020964A1 (en) 2018-07-11 2020-01-16 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack grounding through an impedance creating element
US11916378B2 (en) 2018-08-30 2024-02-27 Bloom Energy Corporation Power source communication with downstream device by changing output voltage on a power bus
KR102579053B1 (ko) 2018-12-26 2023-09-15 블룸 에너지 코퍼레이션 배기 열 회수 컴포넌트를 포함하는 연료 전지 시스템
WO2020172135A1 (en) 2019-02-20 2020-08-27 Bloom Energy Corporation Hybrid dc power installation for data center load
US11258294B2 (en) 2019-11-19 2022-02-22 Bloom Energy Corporation Microgrid with power equalizer bus and method of operating same
KR20220143029A (ko) 2020-02-19 2022-10-24 블룸 에너지 코퍼레이션 연료 전지 시스템을 위한 고장 내성 전기 구조
US11369592B2 (en) 2020-02-21 2022-06-28 Florida State University Research Foundation, Inc. Treatment of human coronavirus infections using alpha-glucosidase glycoprotein processing inhibitors
JP2023528250A (ja) 2020-05-18 2023-07-04 ブルーム エネルギー コーポレイション 双方向インバーターを用いる燃料電池の動作方法

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