KR20220143029A - 연료 전지 시스템을 위한 고장 내성 전기 구조 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 시스템 작동의 정상 상태 모드 동안에 시스템 전력이 연료 전지에 의해 생성되고, 시스템 전력은 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하로, 그리고 제2 BOP 부하로 제공되며, 시스템 전력은 변압기, 양방향 제1 인버터 또는 양방향 제2 인버터 중의 적어도 하나를 통해 전력 그리드로 제공된다. 연료 전지 시스템 작동의 시동 모드 동안에 전력 그리드로부터의 외부 전력은, 변압기, 제1 또는 제2 인버터 중 하나, 그리고 시동 버스를 통해, 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공된다.
Description
본 개시내용은 일반적으로 전력 전자부품에 관한 것이며, 특히 연료 전지 전력 생성 시스템을 위한 고장 내성 전기 구조에 관한 것이다.
현재의 연료 전지 시스템은, 연료 전지가 전력을 생성하는 동작 온도에 도달하는데 필요한 시간으로 인하여, 시동 동안에 전력을 소비할 수 있다. 이 전력은, 전형적으로 유틸리티 AC 전력을, 연료 전지 균형(fuel cell balance of plant; BOP) 컴포넌트 및 다른 기생 부하들에 전력을 공급하는 컨버터에 의해 사용가능한 DC 전력으로 전환(convert)함으로써 생성된다. 종래에는, 이러한 전환은, 가령 변압기, 정류기, 퓨즈, 및 배선(wiring)과 같은, 시스템 수명의 대부분을 나타낼 수 있는 정상 상태 동작 동안에 이용되지 않는 추가적인 컴포넌트들을 필요로 한다. 이와 같이, 시스템 비용을 절감하기 위해 더 향상된 컴포넌트 이용에 대한 필요가 존재한다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템은 인버터 모듈과 전력 모듈을 포함한다. 인버터 모듈은, 외부 전력원에 연결되도록 구성되는 외부 전력원 버스(external power source bus)에 전기적으로 연결된 변압기와, 상기 변압기에 전기적으로 연결되는 양방향 제1 및 제2 인버터들과, 상기 제1 인버터에 전기적으로 연결되는 고장 다이오드(fault diode)와, 제1 BOP 부하를 포함한다. 전력 모듈은 연료 전지들과 제2 BOP 부하를 포함한다. 정상 상태 버스는 제1 및 제2 인버터들을, 제1 BOP 부하, 제2 BOP 부하 및 연료 전지들에 전기적으로 연결하고, 시동 버스(startup bus)는 제1 및 제2 인버터들을 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 전기적으로 연결한다. 시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 시스템 전력이 연료 전지들에 의해 생성되고, 정상 상태 버스를 통해, 제1 BOP 부하, 제2 BOP 부하, 및 제1 인버터와 제2 인버터 중의 적어도 하나에 제공된다. 시스템의 시동 모드 동작 동안에, 외부 전력원 버스로부터의 외부 전력은, 제1 또는 제2 인버터 중의 하나를 통해 그리고 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템의 동작 방법은: 시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 연료 전지들에 의해 시스템 전력을 생성하고, 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하와 제2 BOP 부하에, 그리고 변압기와, 양방향 제1 인버터 또는 양방향 제2 인버터 중의 적어도 하나를 통해 전력 그리드에, 시스템 전력을 제공하는 단계, 및 시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 변압기를 통해, 제1 또는 제2 인버터들 중의 하나를 통해, 그리고 시동 버스를 통해, 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에, 전력 그리드로부터의 외부 전력을 제공하는 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.
도 1a는, 본 개시내용의 비교 실시예에 따른, 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 2는, 본 개시내용의 다른 비교 실시예에 따른, 연료 전지 시스템의 전기 구조를 도시하는 개략도이다.
도 3a 및 3b는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안에 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이고, 도 3c는 정상 상태 동작 동안에 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 4a는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안에 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이고, 도 4b는 정상 상태 동작 동안에 도 4a의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이며, 도 4c는 시스템 컴포넌트들의 테스트 동안에 도 4a의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 1a는, 본 개시내용의 비교 실시예에 따른, 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 2는, 본 개시내용의 다른 비교 실시예에 따른, 연료 전지 시스템의 전기 구조를 도시하는 개략도이다.
도 3a 및 3b는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안에 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이고, 도 3c는 정상 상태 동작 동안에 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 4a는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안에 연료 전지 시스템의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이고, 도 4b는 정상 상태 동작 동안에 도 4a의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이며, 도 4c는 시스템 컴포넌트들의 테스트 동안에 도 4a의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 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.
가령, 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, 연료 전지 시스템 균형(fuel cell system balance of plant; 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.
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 부하에 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 2는 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 2를 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.
하지만, 도 2에 "X"로 도시되는 조합 버스(224) 상의 고장은, 대안적인 전력원이 없기 때문에 전력이 전력 모듈(100A)의 BOP 부하들로 공급되는 것을 방지할 수 있다. 이것은, 연료 전지(110)의 강제적인 셧다운(forced shutdown)을 발생시킬 수 있고, 이 셧다운 동안에 연료 전지(110)의 온도는, 시스템(20)이 재시작되고 연료 전지(110)가 동작 온도로 복귀하기 이전에 동작 온도 아래로 떨어질 수 있다. 즉, 강제적인 셧다운은, 연료 전지(110)의 장기간의 건강상태에 해가 될 수 있는, 연료 전지(110)의 열적 사이클링(thermal cycling)을 발생시킬 수 있다. 이러한 열적 사이클링은 원하는 전력 출력을 유지하기 위해 이른(early) 연료 전지 교체를 필요로 할 수 있다.
도 3a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안에 연료 전지 시스템(30)의 전기적 구조를 통과하는 전력 흐름을 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 3a를 참조하면, 시스템(30)은, 정상 상태 버스(220)와 시동 버스(222)에 의해 전기적으로 연결된 전원 모듈(100) 및 인버터 모듈(300)을 포함한다. 하나의 전력 모듈(100)이 도시되지만, 시스템(30)은 인버터 모듈(300)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(300)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(302) 및 (예컨대, 시스템(30) 외부의 전력원과 같은) 전력 유틸리티에 전기적으로 연결될 수 있다. 인버터 모듈(300)은 도 1a 및 1b에 도시된 2개의 변압기(202, 204) 대신에 시동 및 정상 상태 모드 동안에 작동하는 단일 시스템 변압기(302)를 포함한다. 인버터 모듈(300)은 또한, 제1 플랜트 균형 부하(BOP1)에 전기적으로 연결된, 시동 다이오드(208) 및 정상 상태 다이오드(210)를 포함할 수 있다. 인버터 모듈(300)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.
도 3a의 화살표에 의해 도시되는 바와 같이, 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(302)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(302) 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(300)은 시동 버스(222)를 통해, 부하들(BOP1, BOP2) 모두에 유틸리티 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
도 3b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 고장난 시동(faulted startup) 동안 연료 전지 시스템(30)의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다. 도 3b를 참조하면, 시스템 시동 모드에서 제1 인버터(240)에 고장이 발생하면, 제2 인버터(242)가 턴-온(turn on)되고 제1 인버터(240)가 턴-오프(turn off)된다. 이와 같이, 유틸리티로부터의 전력은 변압기(302)로부터 제2 인버터(242)로 흐른 다음, 실선 화살표로 도시된 바와 같이, 정상 상태 버스(220)를 통해 부하(BOP1, BOP2)에 제공된다. 이 시간 동안, DC/DC 컨버터(218)는, 유틸리티(201) 전력이 연료 전지(110)에 도달하는 것을 방지하기 위해 턴-오프될 수 있다. 전력은 또한, 점선 화살표로 도시된 바와 같이, 시동 버스(222)를 통해 정상 상태 버스(220)로부터 부하(BOP1, BOP2)로 제공될 수 있다. 따라서, 버스(220, 222) 중 하나에서 고장이 발생하는 경우, 고장이 없는 다른 버스(220, 222) 중 하나를 통해 부하(BOP1, BOP2)에 전력이 계속 제공될 수 있다.
도 3c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 정상 상태 모드 동작 동안의 연료 전지 시스템(30)의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다. 도 3c를 참조하면, 정상 상태 동작 동안, DC 전력(즉, 직류)은, 화살표로 도시된 바와 같이, 다이오드(210, 216) 각각을 통과하여, 정상 상태 버스(220)를 통해 부하들(BOP1, BOP2)에 제공되기 이전에, 연료 전지(110)로부터, 전압 변환을 위하여 턴-온되는 DC/DC 컨버터(218)로 제공된다. 정상 상태 버스(220)는 또한, 제1 및 제3 인버터(240, 244)와, 선택적으로 제2 인버터(242)를 통해 유틸리티(201)에 전력을 제공한다. 따라서, 모든 인버터(240, 242, 244)는 정상 상태 모드 동안 턴-온될 수 있거나, 또는 제1 및 제3 인버터(240, 244)만이 턴-온될 수 있고, 그리고 제2 인버터(242)는 정상 상태 모드 동안 턴-오프될 수 있다. 제2 인버터(242)가 턴-오프되면, 정상 상태 버스(220)에 고장이 있거나 및/또는 연료 전지(110)가 전력을 생산하지 않거나 충분한 전력을 생산하지 않는 경우, 고장 다이오드(230)는 정상 상태 모드 동안에 유틸리티(201)로부터의 전력이 정상 상태 버스(220)로 역류하는 것을 방지한다.
제어 관점에서, 제1 인버터(240)는, 연료 전지(110)에 의해 제공되는 전압이 부하(BOP1, BOP2)에 필요한 전압 이하인 경우, 제3 인버터(244)와 동일한 전력을 정상 버스(220)로부터 내보낸다. 부하(BOP1, BOP2) 중 하나 또는 모두에 의해 요구되는 전압보다 연료 전지(110)에 의해 제공되는 전압이 작은 경우, 이후 제1 인버터(240)는 전력을 유틸리티(201)로부터 시동 버스(222)를 통해 부하(BOP1)로 가져오고, 선택적으로 시동 버스(222)를 통해 전력을 부하(BOP2)로 가져온다. 대안적으로, 연료 전지가 부하(BOP2)에 충분한 전력을 제공하는 경우, 연료 전지(110)는 정상 상태 버스(220) 및 다이오드(216)를 통해 부하(BOP2)에 전력을 제공하는 반면 유틸리티(201)는 시동 버스(222) 및 다이오드(208)를 통해 부하(BOP1)에 전력을 제공한다. 이 2개의 시나리오 모두에서, 제1 인버터(240)는 연료 전지(110)로부터의 전력을 유틸리티(201)로 내보내라는 컨트롤러(50)의 명령을 무시한다. 이 경우, 제2 인버터가(242)가 턴-오프되는 경우, 이후 고장 다이오드(230)는 유틸리티(201) 전력이 제1 인버터(240)로부터 정상 상태 버스(220)로 제공되는 것을 방지한다.
도 4a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시동 동안 연료 전지 시스템(40)의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다. 시스템(40)의 전기 구조는 도 3a 내지 3c에 도시된 시스템(40)의 전기 구조와 유사하므로, 이들 간의 차이점에 대해서만 상세히 논의할 것이다.
도 4a를 참조하면, 시스템(40)은 정상 상태 버스(220)와 시동 버스(222)에 의해 전기적으로 연결된 전원 모듈(100) 및 인버터 모듈(400)을 포함한다. 인버터 모듈(400)은 인버터 모듈의 컴포넌트들을 포함한다. 또한, 인버터 모듈(400)은 보조 전력 컨버터(auxiliary power converter; 246), DC/DC 컨버터(248), 충전 다이오드(234), 보조 정상 상태 버스(221), 및 보조 시동 버스(223)를 포함할 수 있다. 시스템(40)은 또한, 시스템(40)의 정상 상태 및 시동 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러(50)를 포함할 수 있다.
보조 정상 상태 버스(221)는 정상 상태 버스(220)를 보조 부하(247)에 전기적으로 연결할 수 있다. 보조 정상 상태 버스(221)는 또한, 충전 다이오드(234)를 통해 보조 시동 버스(223)에 연결될 수 있다. 시동 버스(223)는, 시동 버스(222)를 배터리 또는 슈퍼커패시터와 같은 전력 저장 장치(250)에 전기적으로 연결할 수 있다. 보조 부하(247)의 전력 요구 사항에 따라, 보조 전력 컨버터(246)는 DC/AC 인버터 또는 DC/DC 컨버터일 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 보조 전력 컨버터(246)는, 보조 부하(247)에 AC 전력(즉, 교류)을 제공하도록 구성된 DC/AC 인버터일 수 있다. 다른 실시예에서, 보조 전력 컨버터(246)는 보조 부하(247)에 DC 전력을 제공하도록 구성된 DC/DC 컨버터일 수 있다. DC/DC 컨버터(248)는, 에너지 저장 장치(250)로부터 수신된 전압을 부하(BOP1, BOP1)에 전력을 공급하기에 적합한 전압으로 전환하도록 구성될 수 있고, 보조 정상 상태 버스(221)로부터 수신된 전압을 에너지 저장 장치(250)에 저장하기에 적절한 전압으로 전환하도록 구성될 수 있다.
시동 모드 동안, 시스템(40)은, 도 3a 및 3b와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 부하(BOP1, BOP2)에 전력을 공급하기 위해 유틸리티(201) 전력을 이용할 수 있다. 대안적으로, 시스템(40)은 시동 모드 동안 에너지 저장 장치(250)에 저장된 전력을 이용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 시스템(40)은, 시동 모드 동안 에너지 저장 장치(250)로부터의 전력이, 실선 화살표로 도시된 바와 같이, 보조 시동 버스(223) 및 시동 버스(222)를 통해 부하(BOP1, BOP2)에 제공될 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 시스템(40)은 유틸리티(201)로부터의 전력과 같은 외부 전력이 이용가능하지 않거나, 및/또는 버스(226)에 고장이 발생하는 경우 시작될 수 있다. 일부 실시예에서, 에너지 저장 장치(250)로부터의 전력은, 선택적으로 시동 및/또는 정상 상태 모드 동작 동안 보조 정상 상태 버스(221)를 통해 보조 부하(247)로 제공될 수 있다.
보조 다이오드(232)는 에너지 저장 장치(250)가 보조 시동 버스(223)를 통해 시동 버스(222)에 제공하는 전력이 가령, 시동 동작 동안에 제1 인버터(240)에 도달하는 것을 방지하도록 동작할 수 있다. 충전 다이오드(234)는 유틸리티(201)로부터 시동 버스(222)로 제공되는 전력이, 시동 모드 동안 부하(BOP1, BOP2) 대신에 에너지 저장 장치(250)로 흐르는 것을 방지하도록 동작할 수 있다.
도 4b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 정상 상태 모드 동안 연료 전지 시스템(40)의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다. 도 4b를 참조하면, 정상 상태 모드 동작 동안, 실선 화살표로 도시된 바와 같이, 정상 상태 버스(220)를 통해 연료 전지(110)로부터 전력이 부하(BOP1, BOP2) 및 유틸리티(201)에 제공될 수 있다. 전력은 또한, 정상 상태 버스(220) 및 보조 정상 상태 버스(221)를 통해, 연료 전지(110)로부터 제공되어서, 에너지 저장 장치(250) 및/또는 보조 부하(247)에 저장될 수 있다.
일부 실시예에서, 연료 전지(110)로부터의 시스템 전력의 일부 또는 전부가 유틸리티(201)에 도달하지 않도록 정상 상태 모드 작동 동안 인버터(240, 242, 244) 중 하나에서 고장이 발생하면, 시스템(40)은 정상 상태 버스(220) 및 보조 정상 상태 버스(221)를 통해 연료 전지(110)에 의해 생성된 시스템 전력을 보조 부하(247)에 제공하기 위해 보조 인버터(246)를 턴-온하는 컨트롤러(50)에 의해 정상 상태 버스(220)를 안정화시키도록 구성될 수 있다.
도 4c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 시스템 컴포넌트들의 테스트 동안, 연료 전지 시스템(40)의 전기 구조를 통한 전력 흐름을 도시하는 개략도이다. 도 4c를 참조하면, 사전 병렬 검사(pre-paralleling inspection; PPI) 테스트 동안, 에너지 저장 장치(250)로부터의 전력은, 도 4c의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 보조 정상 상태 버스(221)를 통해 인버터(240, 242, 244)와 같은 컴포넌트들에 제공될 수 있다. 테스트 동안, 인버터(240, 242, 244) 각각은 개별적으로 턴-온되고 테스트될 수 있다. 따라서, 시스템 컴포넌트를 테스트하기 위해 별도의 전력 생성기가 요구되지 않는다. 다른 실시예에서, 다른 시스템 컴포넌트들은, 에너지 저장 장치(250)에 의해 제공되는 전력을 사용하여 테스트될 수 있다.
다른 실시예에서, 정상 상태 동작 동안, 에너지 저장 장치(250)로부터의 전력은, 보조 정상 상태 버스(221) 및 전원 버스(226)를 통과하여, 인버터(240, 242) 중 임의의 것을 통해 유틸리티(201)에 제공될 수 있다. 에너지 저장 장치(250)로부터의 전력은, 연료 전지(110)에 의해 제공되는 전력을 보충할 수 있다.
따라서, 시스템(40)은 사전 병렬 검사 테스트를 단순화한다. 시스템(40)은 정상 상태 버스(220)로부터의 전압을 유지하는 AC/DC 인버터로 작동할 수 있는 양방향 인버터(240, 242)를 포함하는 반면, 다른 인버터(240, 242, 244)에는 PPI 절차 동안에 온-사이트 안티-아일랜딩 테스트(on-site anti-islanding testing)가 적용된다. 이와 같이, 동일한 테스트를 수행하는데 필요한 롤업 생성기, 대용량 PPI 장비(rig) 및 기존의 광범위한 배선의 사용이 불필요할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템(30 또는 40)을 동작시키는 방법은, 시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 연료 전지(110)에 의해 시스템 전력을 생성하고, 정상 상태 버스(220)를 통해 시스템 전력을 제1 BOP 부하(BOP1), 제2 BOP 부하(BOP2)로 제공하고, 그리고 변압기(302)와, 양방향 제1 인버터(240) 또는 양방향 제2 인버터(242) 중 적어도 하나를 통해, 유틸리티 전력 그리드(201)로 시스템 전력을 제공하는 단계를 포함한다. 시스템의 시동 모드 동작 동안, 이 방법은 변압기(302)를 통해, 제1 인버터(240) 또는 제2 인버터(242) 중 하나를 통해, 그리고 시동 버스(222)를 통해, 유틸리티 전력 그리드(201)로부터의 외부 전력을 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 고장 다이오드(230)는 제1 인버터(240)와 정상 상태 버스(220) 사이에 전기적으로 연결된다. 고장 다이오드(230)는 시동 버스(222)로부터 그리고 제1 인버터(240)로부터 정상 상태 버스(220)로 외부 전원이 제공되는 것을 방지하고, 고장 다이오드는 시스템 전력이 정상 상태 모드 동안 연료 전지(110)로부터 정상 상태 버스(220)를 통해 제1 인버터(240)로 흐르게 한다.
일실시예에서, 방법은, 시동 버스(222)에 시동 모드에서 고장이 발생할 때, 제1 인버터(240)를 턴-오프하고 제2 인버터(242)를 턴-온하는 단계, 및 정상 상태 버스(220)가 정상 상태 모드에서 고장이 발생할 때, 제1 인버터(240)를 턴-온하고 제2 인버터(242)를 턴-오프하는 단계를 더 포함한다.
제1 인버터가 턴-온되고 제2 인버터가 턴-오프되면, 시동 모드 동안 제1 인버터(240)는 변압기(302)로부터 공급받은 외부 전력을, 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 시동 버스를 통해 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환한다. 정상 상태 버스에 고장이 발생하지 않은 정상 상태 모드 동안에, 제1 인버터(240)는 정상 상태 버스(220)로부터 수신된 시스템 전력을 변압기(302)에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환한다. 정상 상태 버스(220)에 고장이 발생하지 않은 정상 상태 모드 동안에, 제1 인버터(240)는 변압기(302)로부터 수신된 외부 전력을, 시동 버스(222)를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환한다.
대안으로, 제2 인버터가 턴-온되고 제1 인버터가 턴-오프되면, 시동 버스(222)에 고장이 발생한 시동 모드 동안에, 제2 인버터(242)는 변압기(302)로부터 수신된 외부 전력을, 정상 상태 버스(220)를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환한다. 정상 상태 모드 동안, 제2 인버터(242)는 정상 상태 버스(220)로부터 수신된 시스템 전력을, 변압기(302)에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환한다.
일실시예에서, 제1 시동 다이오드(208)는, 전력이 시동 버스(222)를 통해 제1 방향에서 제1 BOP 부하로 흐르게 하고, 전력이 시동 버스를 통해 반대인 제2 방향으로 흐르는 것을 방지하며, 제2 시동 다이오드(214)는 전력이 제1 방향으로 시동 버스(222)를 통해 제2 BOP 부하로 흐르게 하고, 전력이 반대인 제2 방향으로 시동 버스를 통해 흐르는 것을 방지한다. 제1 정상 상태 다이오드(210)는 전력이 제1 방향으로 정상 상태 버스(220)를 통해 제1 BOP 부하로 흐르게 하고, 전력이 반대인 제2 방향으로 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지하며, 제2 정상-상태 다이오드(216)는, 전력이 제1 방향으로 정상 상태 버스(220)를 통해 제2 BOP 부하로 흐르게 하고, 전력이 반대인 제2 방향으로 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지한다.
일실시예에서, 적어도 하나의 단방향 제3 인버터(244)는 변압기(302) 및 정상 상태 버스(220)에 전기적으로 연결된다. 적어도 하나의 제3 인버터(244)는, 정상 상태 버스(220)로부터 수신된 직류(DC) 시스템 전력을 교류(AC) 전력으로 전환하고, AC 전력을 변압기(320)에 제공하며, 시스템 전력은 변압기(302)로 제공되기 이전에, 제1 인버터(240) 또는 적어도 하나의 제3 인버터(244) 중 적어도 하나를 통해 정상 상태 모드로 통과한다.
일실시예에서, 에너지 저장 장치(250)는 시스템 전력을 저장한다. 보조 정상 상태 버스(221)는, 에너지 저장 장치(250)를 정상 상태 버스(220)에 전기적으로 연결하고, 보조 시동 버스(223)는 에너지 저장 장치를 시동 버스(220)에 전기적으로 연결한다. 에너지 저장 장치(250)는, 유틸리티 전력 그리드(201)로부터의 외부 전력이 이용가능하지 않을 때, 보조 시동 버스(223) 및 시동 버스(220)를 통하여 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 시스템 전력을 제공한다. 충전 다이오드(234)는 보조 시동 버스(223) 상에 배치되어서, 보조 시동 버스로부터 에너지 저장 장치(250)로 전력이 흐르는 것을 방지한다. DC/DC 컨버터(248)는 에너지 저장 장치(250)로부터 수신되어 보조 시동 버스(223)에 제공되는 전력의 전압을 변경하고, 이는 보조 정상 상태 버스(221)로부터 수신되어 에너지 저장 장치(250)에 제공되는 전력의 전압을 변경한다.
보조 부하(247)가 또한, 제공될 수 있다. 양방향 제4(즉, 보조) AC/DC 인버터(246)는 보조 정상 상태 버스(221) 및 보조 부하(247)에 전기적으로 연결된다. 제4 AC/DC 인버터(246)는, 정상 상태 모드 동안 제1 인버터(240), 제2 인버터(242), 또는 적어도 하나의 제3 인버터(244) 중 적어도 하나에 고장이 발생하는 경우 정상 상태 버스(220)에서 보조 부하(247)로 전력을 공급함으로써, 정상 상태 버스(220)를 안정화시킨다. 일실시예에서, 제1 인버터(240) 및 제2 인버터(242) 중 적어도 하나는, 시동 모드 동안 외부 전력을 정류하고, 정상 상태 모드 동안 시스템 전력을 반전(invert)시킨다.
따라서, 본 개시내용의 다양한 실시예에 의해 제공되는 전기 구조는, 양방향 인버터를 이용함으로써 동일한 수준의 기능성을 제공하여서, 별도의 시동 정류기 및 변압기의 필요성을 제거할 수 있다. 이와 같이, 시동 변압기, 정류기와 같이 사용빈도가 낮은 컴포넌트들을 연료 전지 시스템에서 제거할 수 있다. 또한, 이 구조는, 고장이 있는 경우 연료 전지 BOP 컴포넌트에 전원이 공급되도록 유지하기 위해 에너지를 저장하는 데 사용될 수도 있고, 이는 연료 전지가 동작 온도에서 유지되는 것을 허용함으로써, 열적 사이클링 이벤트로 인한 수명 감소를 줄이거나 방지한다.
전기 구조는 신뢰성을 희생하지 않으면서 종래의 구조와 비교하여 단순화될 수 있다. 이를 통해 비용 절감 및 보다 효율적인 공간 활용이 가능하다. 또한, 전기 구조는 유틸리티 전원을 사용하지 않고 시스템 시동을 허용하고, 향상된 모듈 기능을 제공하며, 운영 목표를 달성하기 위해 설치 및 현장 서비스 팀에 더 큰 유연성을 제공한다.
컨트롤러(50)는: 프로세서, 메모리 및 특정 기능을 수행하기 위한 명령어로 프로그래밍된 다른 컴포넌트를 포함하는 컴퓨팅 장치(가령, 컴퓨터)를 사용하여 구현될 수 있거나, 또는 특정 기능을 수행하도록 설계된 프로세서에서 구현될 수 있다. 프로세서는, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 기능을 포함하는, 다양한 기능을 수행하기 위해, 소프트웨어 명령어(애플리케이션)에 의해 구성될 수 있는, 임의의 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터 또는 다중 프로세서 칩 또는 칩들일 수 있다. 일부 컴퓨팅 장치에서는, 다중 프로세서가 제공될 수 있다. 일반적으로, 소프트웨어 애플리케이션은 액세스되어 프로세서에 로딩(load)되기 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), 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그램 가능 논리 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트, 또는 본 명세서에 설명된 기능을 수행하도록 설계되는, 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로 프로세서는 임의의 기존 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러 또는 상태 머신일 수 있다. 프로세서는 또한, 컴퓨팅 장치의 조합, 예를 들어 DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 연결된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로 구현될 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)
- 연료 전지 시스템으로서,
인버터 모듈로서,
외부 전력원에 연결되도록 구성되는 외부 전력원 버스에 전기적으로 연결되는 변압기; 및
상기 변압기에 전기적으로 연결되는 양방향(bidirectional) 제1 및 제2 인버터들;
제1 인버터에 전기적으로 연결되는 고장 다이오드(fault diode); 및
제1 플랜트 균형(balance of plant; BOP) 부하
를 포함하는, 상기 인버터 모듈;
전력 모듈로서,
연료 전지; 및
제2 BOP 부하
를 포함하는, 상기 전력 모듈;
상기 제1 및 제2 인버터들을 제1 BOP 부하, 제2 BOP 부하 및 연료 전지에 전기적으로 연결하는 정상 상태 버스; 및
상기 제1 및 제2 인버터들을 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 전기적으로 연결하는 시동 버스
를 포함하고,
시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 시스템 전력은 상기 연료 전지에 의해 생성되고, 상기 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하, 제2 BOP 부하, 및 제1 및 제2 인버터들 중의 적어도 하나의 인버터에 제공되며,
시스템의 시동 모드 동작 동안에, 상기 외부 전력원 버스로부터의 외부 전력은 제1 또는 제2 인버터 중 하나를 통해, 그리고 시동 버스를 통해, 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공되는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고장 다이오드는, 상기 제1 인버터 및 상기 정상 상태 버스 사이에 전기적으로 연결되고,
상기 고장 다이오드는, 외부 전력이 상기 시동 버스 및 제1 인버터로부터 상기 정상 상태 버스에 제공되는 것을 방지하도록 구성되며,
상기 고장 다이오드는, 정상 상태 모드 동안에 시스템 전력이 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 연료 전지로부터 상기 제1 인버터로 흐르게끔 허용하도록 구성되는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
시동 모드에서 상기 시동 버스에 고장(fault)이 발생한 경우, 상기 제1 인버터를 턴-오프하고, 상기 제2 인버터를 턴-온하도록 구성되며, 정상 상태 모드에서 상기 정상 상태 버스에 고장이 발생한 경우, 상기 제1 인버터를 턴-온하고, 상기 제2 인버터를 턴-오프하도록 구성되는 시스템 컨트롤러를 더 포함하는, 연료 전지 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제1 인버터가 턴-온되고 상기 제2 인버터가 턴-오프되는 경우:
시동 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환(convert)하도록 구성되고,
상기 정상 상태 버스에 고장이 발생하지 않은 정상 상태 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 시스템 전력을, 상기 변압기에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하도록 구성되며,
상기 정상 상태 버스에 고장이 발생한 정상 상태 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환하도록 구성되는, 연료 전지 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제2 인버터가 턴-오프되고 상기 제1 인버터가 턴-온되는 경우:
상기 시동 버스에 고장이 발생한 시동 모드 동안에, 상기 제2 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환하도록 구성되며,
정상 상태 모드 동안에, 상기 제2 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 시스템 전력을, 상기 변압기로 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하도록 구성되는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
전력이 제1 방향으로 상기 시동 버스를 통해 상기 제1 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 제2 방향으로 상기 시동 버스를 통해 흐르는 것을 방지하도록 구성되는 제1 시동 다이오드;
전력이 상기 제1 방향으로 상기 시동 버스를 통해 상기 제2 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 상기 제2 방향으로 상기 시동 버스를 통해 흐르는 것을 방지하도록 구성되는 제2 시동 다이오드;
전력이 제1 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 제1 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 제2 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지하도록 구성되는 제1 정상 상태 다이오드; 및
전력이 상기 제1 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 제2 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 상기 제2 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지하도록 구성되는 제2 정상 상태 다이오드
를 더 포함하는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 변압기 및 상기 정상 상태 버스에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 단방향(mono-directional) 제3 인버터를 더 포함하고,
적어도 하나의 제3 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 직류(DC) 전력을 상기 변압기에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하도록 구성되며,
시스템 전력은, 상기 변압기에 제공되기 이전에 상기 제1 인버터 또는 적어도 하나의 제3 인버터 중의 적어도 하나를 통해 상기 정상 상태 모드에서 통과(pass)할 수 있는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
시스템 전력을 저장하도록 구성되는 에너지 저장 장치;
상기 에너지 저장 장치를 상기 정상 상태 버스에 전기적으로 연결하는 보조(auxiliary) 정상 상태 버스;
상기 에너지 저장 장치를 상기 시동 버스에 전기적으로 연결하는 보조 시동 버스 - 상기 에너지 저장 장치는, 유틸리티 전력 그리드로부터의 외부 전력이 이용가능하지 않은 경우 시스템 전력을 상기 보조 시동 버스 및 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공하도록 구성됨 - ;
상기 보조 시동 버스 상에 배치되고, 전력이 상기 보조 시동 버스로부터 상기 에너지 저장 장치로 흐르는 것을 방지하도록 구성되는 충전 다이오드; 및
상기 에너지 저장 장치로부터 수신되어 상기 보조 시동 버스에 제공되는 전력의 전압을 변경하고, 상기 보조 정상 상태 버스로부터 수신되어 상기 에너지 저장 장치에 제공되는 전력의 전압을 변경하도록 구성되는 DC/DC 컨버터
를 더 포함하는, 연료 전지 시스템. - 제8항에 있어서,
보조 부하, 및 상기 보조 정상 상태 버스 및 상기 보조 부하에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터 또는 양방향 제4 AC/DC 인버터를 포함하는 전력 컨버터를 더 포함하고,
상기 전력 컨버터는, 시스템의 정상 상태 모드 동안에 상기 제1 인버터, 제2 인버터, 또는 적어도 하나의 제3 인버터 중의 적어도 하나의 인버터에 고장이 발생하는 경우 정상 상태 버스로부터 상기 보조 부하로 전력을 제공함으로써 상기 정상 상태 버스를 안정화하도록 구성되는, 연료 전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 인버터들 중의 적어도 하나의 인버터는, 정상 상태 모드 동안에 상기 변압기에 제공되는 시스템 전력을 반전(invert)시키고, 시동 모드 동안에 상기 변압기로부터 제공되는 외부 전력을 정류하도록 구성되며,
시스템은 추가적인 변압기와 정류기를 포함하지 않는, 연료 전지 시스템. - 연료 전지 시스템의 동작 방법으로서,
시스템의 정상 상태 모드 동작 동안에, 연료 전지에 의해 시스템 전력을 생성하고, 상기 시스템 전력을 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하와, 제2 BOP 부하에 제공하고, 상기 시스템 전력을 변압기와, 양방향 제1 인버터 또는 양방향 제2 인버터 중의 적어도 하나의 인버터를 통해, 전력 그리드에 제공하는 단계; 및
시스템의 시동 모드 동작 동안에, 상기 전력 그리드로부터의 외부 전력을, 상기 변압기와, 상기 제1 또는 제2 인버터 중의 하나와, 시동 버스를 통해, 상기 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공하는 단계
를 포함하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제1 인버터 및 상기 정상 상태 버스 사이에 전기적으로 연결되는 고장 다이오드를 더 포함하고,
상기 고장 다이오드는, 외부 전력이 상기 시동 버스 및 제1 인버터로부터 상기 정상 상태 버스에 제공되는 것을 방지하며,
상기 고장 다이오드는, 정상 상태 모드 동안에 시스템 전력이 상기 연료 전지로부터 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 제1 인버터로 흐르게끔 허용하도록 구성되는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
시동 모드에서 상기 시동 버스에 고장(fault)이 발생한 경우, 상기 제1 인버터를 턴-오프하고, 상기 제2 인버터를 턴-온하는 단계;
정상 상태 모드에서 상기 정상 상태 버스에 고장이 발생한 경우, 상기 제1 인버터를 턴-온하고, 상기 제2 인버터를 턴-오프하는 단계
를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 인버터가 턴-온되고 상기 제2 인버터가 턴-오프되는 경우:
시동 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환(convert)하고,
상기 정상 상태 버스에 고장이 발생하지 않은 정상 상태 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 시스템 전력을, 상기 변압기에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하며,
상기 정상 상태 버스에 고장이 발생한 정상 상태 모드 동안에, 상기 제1 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제2 인버터가 턴-오프되고 상기 제1 인버터가 턴-온되는 경우:
상기 시동 버스에 고장이 발생한 시동 모드 동안에, 상기 제2 인버터는 상기 변압기로부터 수신된 외부 전력을, 상기 정상 상태 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하로 제공되는 직류(DC) 전력으로 전환하며,
정상 상태 모드 동안에, 상기 제2 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 시스템 전력을, 상기 변압기로 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
전력이 제1 방향으로 상기 시동 버스를 통해 상기 제1 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 제2 방향으로 상기 시동 버스를 통해 흐르는 것을 방지하는 제1 시동 다이오드;
전력이 상기 제1 방향으로 상기 시동 버스를 통해 상기 제2 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 상기 제2 방향으로 상기 시동 버스를 통해 흐르는 것을 방지하는 제2 시동 다이오드;
전력이 제1 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 제1 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 제2 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지하는 제1 정상 상태 다이오드; 및
전력이 상기 제1 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 상기 제2 BOP 부하로 흐르도록 하고, 전력이 반대의 상기 제2 방향으로 상기 정상 상태 버스를 통해 흐르는 것을 방지하는 제2 정상 상태 다이오드
를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
상기 변압기 및 상기 정상 상태 버스에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 단방향 제3 인버터를 더 포함하고,
적어도 하나의 제3 인버터는 상기 정상 상태 버스로부터 수신된 직류(DC) 전력을 상기 변압기에 제공되는 교류(AC) 전력으로 전환하며,
시스템 전력은, 상기 변압기에 제공되기 이전에 상기 제1 인버터 또는 적어도 하나의 제3 인버터 중의 적어도 하나를 통해 상기 정상 상태 모드에서 통과(pass)하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
시스템 전력을 저장하는 에너지 저장 장치;
상기 에너지 저장 장치를 상기 정상 상태 버스에 전기적으로 연결하는 보조(auxiliary) 정상 상태 버스;
상기 에너지 저장 장치를 상기 시동 버스에 전기적으로 연결하는 보조 시동 버스 - 상기 에너지 저장 장치는, 유틸리티 전력 그리드로부터의 외부 전력이 이용가능하지 않은 경우 시스템 전력을 상기 보조 시동 버스 및 시동 버스를 통해 제1 BOP 부하 및 제2 BOP 부하에 제공함 - ;
상기 보조 시동 버스 상에 배치되고, 전력이 상기 보조 시동 버스로부터 상기 에너지 저장 장치로 흐르는 것을 방지하는 충전 다이오드; 및
상기 에너지 저장 장치로부터 수신되어 상기 보조 시동 버스에 제공되는 전력의 전압을 변경하고, 상기 보조 정상 상태 버스로부터 수신되어 상기 에너지 저장 장치에 제공되는 전력의 전압을 변경하는 DC/DC 컨버터
를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제18항에 있어서,
보조 부하, 및 상기 보조 정상 상태 버스 및 상기 보조 부하에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터 또는 양방향 제4 AC/DC 인버터를 포함하는 전력 컨버터를 더 포함하고,
상기 전력 컨버터는, 정상 상태 모드 동안에 상기 제1 인버터, 제2 인버터, 또는 적어도 하나의 제3 인버터 중의 적어도 하나의 인버터에 고장이 발생하는 경우 정상 상태 버스로부터 상기 보조 부하로 전력을 제공함으로써 상기 정상 상태 버스를 안정화하는, 연료 전지 시스템의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
제1 및 제2 인버터들 중의 적어도 하나의 인버터는, 시동 모드 동안에 외부 전력을 정류하고, 정상 상태 모드 동안에 시스템 전력을 반전시키는, 연료 전지 시스템의 동작 방법.
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