KR20220153018A - 전기분해용 ac-dc 변환기 - Google Patents

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KR20220153018A
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미히엘 에두아르드 코넬리스 다멘
요하네스 후베르투스 구리엘마 헨드리쿠스 그로에네만스
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하이그로 테크놀로지 비.브이.
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Abstract

터빈 발전기로부터 교류 전력을 수신하는 입력 및 물의 전기분해를 위한 전기분해 시스템에 직류 전력을 제공하는 출력을 갖는 제어 가능한 출력 전압 레벨을 갖는 능동 AC/DC 변환기를 포함하는 터빈 발전기용 교류(AC)-직류(DC) 변환 회로가 제공된다. AC-DC 변환기는 교류 보조 신호를 생성하는 발진기 및 교류 신호를 능동 AC/DC 변환기의 출력에 추가하는 합산 회로를 더 포함한다. 능동 AC/DC 변환기의 DC 출력에 AC 성분을 더함으로써, AC-DC 변환 회로에 연결된 전기분해 모듈의 전기분해 셀이 더 효율적으로 작동하는 것으로 입증되었다. 교류 보조 신호의 진폭은 바람직하게는 능동 AC/DC 변환기의 출력 전압보다 작다.

Description

전기분해용 AC-DC 변환기
다양한 양상 및 그 구현은 전기분해를 위하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것에 관한 것이다.
많은 사람들이 가정에서 사용하는 천연 가스 및 기타 화석 연료를 대체하기 위해 전기 에너지를 사용하는 것을 지지하지만, 많은 지역에서 현재 전력 공급망의 용량이 이러한 이상을 달성하기에 거의 충분하지 않다는 것이 분명해졌다. 그러나 많은 도시 지역에서 천연 가스 공급망을 또한 사용할 수 있으며 이 가스 공급망은 수소 운송에 사용하도록 수정될 수 있다. 이를 통해 수소는 에너지 공급을 위한 천연 가스를 대체하고, 다음으로 회색 수소를 공급 원료로 산업용 녹색 수소로 대체하며 디젤을 대체할 녹색 수소에 대한 새로운 시장을 얻을 수 있다.
이러한 통찰은 수소의 효율적인 생성에 대한 필요성을 증가시킨다. 탄소 기반 에너지원이 점점 더 희소해진다는 점에서, 바람직하게는 수소 생성을 위하여 비탄소 관련 에너지 생성이 사용된다. 선호되는 비탄소 에너지원은 태양광과 풍력이다. 이러한 에너지원의 문제는 출력 전력이며 출력 전압과 출력 전류가 변할 수 있으므로 그에 따라 출력 전력이 변할 수 있다는 점이다.
수소 발생기의 코어, 예를 들어 멤브레인 물 전기분해 시스템의 멤브레인 위에 안정적이고 적절한 전압 및 전류를 제공하도록 배열되는 직류 전원을 제공하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위하여, 전기분해 시스템의 (외부) 입력-따라서 DC 전원 공급 장치의 출력-에서 전압을 일정하게 유지할 수 있지만, 이는 바람직한 작동 효율 수준에 충분하지 않은 것으로 보인다.
제1 양상은 터빈 발전기를 위한 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 회로를 제공한다. AC-DC 변환기는 터빈 발전기로부터 교류 전력을 수신하는 입력 및 물의 전기분해를 위한 전기분해 시스템에 직류 전력을 제공하는 출력을 갖는 제어 가능한 출력 전압 레벨을 갖는 능동 AC/DC 변환기를 포함한다. AC-DC 변환기는 교류 보조 신호를 생성하기 위한 발진기 및 교류 신호를 능동 AC/DC 변환기의 출력에 더하기 위한 합산 회로를 더 포함한다.
능동 AC/DC 변환기의 DC 출력에 AC 성분을 더함으로써, AC-DC 변환 회로에 연결된 전기분해 모듈의 전기분해 셀이 더 효율적으로 작동하는 것으로 입증되었다. 교류 보조 신호의 진폭은 바람직하게는 능동 AC/DC 변환기의 출력 전압보다 작고, 더 바람직하게는 20% 미만이다.
능동 AC/DC 변환기는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 배열되는 변환기이며, 이 변환기는 바람직하게는 절연 게이트 베이스 트랜지스터 또는 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(IGBT 또는 MOSFET)와 같은 고체 상태 스위치, 기타, 또는 이들의 조합인 스위치를 포함한다. 스위치는 입력 AC 전력의 주파수보다 높은 주파수, 바람직하게는 적어도 한 차수 더 높은 주파수에서 스위칭된다. 스위칭을 통해 출력 전압, 출력 전류 및 출력 전력을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 매개변수를 제어할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 교류 보조 신호의 진폭은 능동 AC/DC 변환기의 출력 전압의 1%와 20% 사이, 더 바람직하게는 5%와 15% 사이, 훨씬 더 바람직하게는 약 1/10이다. 교류 보조 신호의 파형은 블록파, 사인파, 톱니파, 삼각파, 기타 또는 이들의 조합일 수 있다.
AC-DC 변환 회로의 구현은 교류 보조 신호의 주파수를 조정하기 위하여 발진기를 제어하도록 배열되는 제어부를 포함한다. 전기분해 모듈의 특성은 시간 및 전력 레벨, 전기분해 모듈의 온도, 기타 또는 이들의 조합과 같은 기타 관련된 특성에 따라 변할 수 있다. 이러한 특성은 교류 보조 신호의 최적 진폭에 영향을 미칠 수 있으며 이 구현은 선택적으로 특성의 매개변수 값에 기초하여, 최적을 향한 진폭 조정을 허용한다.
다른 구현에서, 제어부는 전기분해 시스템 및 터빈 발전기의 상태 중 적어도 하나와 관련된 데이터를 수신하고, AC/DC 변환기 출력에 교류를 중첩하는 것 외에, 수신된 기준에 기초하여 출력 직류 전압의 레벨을 조정하도록 배열된다. 예를 들어, 제어부는 AC-DC 변환기를 제어하고 출력 전압 및 특히 출력 전압의 DC 레벨을 특히 변경하기 위해 AC-DC 변환기의 스위치를 제어하도록 배열될 수 있다.
AC-DC 변환기 및 출력 전압의 제어는 전기분해 시스템 및 터빈 발전기 중 적어도 하나의 내부 상태에 기초할 수 있다. 이러한 상태는 AC-DC 변환기의 내부 임피던스, 전기분해 시스템 내의 기체 압력, 전기분해 시스템의 온도, 전기분해 시스템의 수명, 터빈 발전기 구동축의 토크 및 시드(seed) 중 적어도 하나로 기술될 수 있다. 이 구현 및 그의 변형 또는 특정 구현은 또한 교류 신호를 생성하고 DC 출력 전력 신호에 이 교류 신호를 중첩하지 않고 독립적으로 다른 양상에서 구현될 수 있다.
AC/DC 변환기의 출력 전압과 함께 전기분해 시스템에 대한 입력 전압을 조정함으로써, AC/DC 변환기의 출력 전압과 전기분해 셀 내의 멤브레인 또는 기타 반응 매질 위의 내부 전압 간의 관계가 결정될 수 있다.
결정된 내부 전압 또는 전기분해 모듈과 관련된 획득된 매개변수에 기초하여, 반응기 내의 최적 전압이 기준 전압으로 결정될 수 있고, 그 기준 전압 및 전기분해 시스템 및 터빈 발전기의 상태 중 적어도 하나와 관련된 데이터에 기초하여, AC/DC 변환기의 최적 출력 전압이 결정될 수 있다.
다른 구현에서, 제어부는 전기분해 시스템의 임피던스를 결정하고 결정된 임피던스의 함수로서 발진기 주파수를 제어하도록 배열된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어부는 전기분해 모듈에 의해 요구되거나 이에 공급되는 무효 전력(reactive power)을 결정할 수 있고, 결정된 무효 전력에 기초하여, 아래에서 논의되는 구현을 포함하는 임의의 방식으로 주파수를 제어할 수 있다.
추가된 교류 신호의 고정 주파수 또는 다른 매개변수에 기초하여 제어부에 의해 제어되는 주파수를 사용하여 구현을 구상할 수 있다.
전기분해 셀 및 특히 물 전기분해 셀의 임피던스의 허수부는 주파수의 함수로 변할 수 있다. 전기분해 프로세스와 그 주변 회로에 대하여, 회로의 무효 전력량을 가능한 한 작게 유지하고 따라서 임피던스의 허수부 또는 전기분해 모듈이 소비하는 무효 전력을 가능한 한 작게 유지하는 것이 좋다.
AC-DC 변환 회로의 다른 구현에서 제어부는 전기분해 시스템의 임피던스가 유도성 특성 또는 용량성 특성을 갖는지 결정하고, 임피던스가 용량성 특성을 갖는 경우 교류 보조 신호의 주파수를 증가시키도록 발진기를 제어하고, 임피던스가 유도성 특성을 갖는 경우 교류 보조 신호의 주파수를 감소시키도록 발진기를 제어하도록 배열된다. 이 실시예는 전기분해 모듈에 의해 요구되고 소비되는 무효 전력의 적절한 제어를 허용하고 제어부가 무효 임피던스-또는 임피던스의 허수부-의 최소 크기가 결정되는 주파수에서 발진기의 주파수를 제어하도록 배열되는 구현의 선택적인 구현이다.
특정 구현에서, 능동 AC/DC 변환기는 터빈 발전기로부터의 교류 전력을 내부 직류 전력으로 변환하기 위한 AC-DC 변환기 서브시스템, 제어부에 의해 제어 가능하며 제어 가능한 출력 전압 레벨을 갖는 DC-DC 변환기 및 출력 교류 전력을 외부 공급망에 제공하기 위하여 외부 공급망에 정합된 레벨, 위상 및 주파수의 출력 교류 전력으로 내부 직류 전력을 변환하도록 배열되는 DC-AC 변환기를 포함한다.
제2 양상은 전력 변환 시스템을 제공한다. 시스템은 터빈 발전기 및 입력이 터빈 발전기의 전기적 출력에 전기적으로 결합되는 제1 양상에 따른 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 회로를 포함한다.
제2 양상의 구현은 능동 AC/DC 변환기의 출력에 전기적으로 결합된 물의 전기분해를 위한 전기분해 시스템을 더 포함한다.
전원 공급 시스템의 다른 구현에서, 전기분해 시스템은 적어도 하나의 전기분해 셀 및 전기분해 셀의 내부 온도를 감지하기 위한 온도 센서와 전기분해 셀 내부의 적어도 하나의 기체의 압력을 감지하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 이 구현에서, 온도 센서 및 압력 센서 중 적어도 하나는 제어부에 결합된다.
이제 다양한 양상 및 그 구현이 도면과 관련하여 더 상세하게 논의될 것이다. 도면에서:
도 1은 전력 변환 시스템을 도시한다;
도 2는 능동 AC/DC 변환기의 예를 도시한다;
도 3은 물 전기분해 셀의 위상/주파수의 개략적인 표현을 도시한다;
도 4는 흐름도를 도시한다;
도 5는 다른 전력 변환 시스템을 도시한다.
도 1은 에너지 변환 시스템(100)을 개시한다. 에너지 변환 시스템(100)은 회전하는 로터(124)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 로터(124)에 연결된 터빈 발전기(120)를 포함한다. 로터(124)는 바람-흐르는 공기, 흐르는 물 또는 다른 흐르는 매체에 의해 회전되도록 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 터빈 발전기는 연소 엔진 또는 다른 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다. 터빈 발전기(120)는 교류 발전기, 다이나모(dynamo), 기타 또는 이들의 조합과 같은 임의의 이용 가능한 변환기로서 추가로 구현될 수 있다.
에너지 변환 시스템(100)은 AC/DC 변환기(130)라고도 하는 교류 직류 변환기(130)를 더 포함한다. AC/DC 변환기(130)의 출력은 물-산화 이수소-을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하도록 배열된 전기분해 모듈(160)에 결합된다. 에너지 변환 시스템(100)은 AC/DC 변환기(130)에 대해 서로 병렬 및/또는 직렬로 제공되는 하나 이상의 전기분해 모듈을 포함한다.
AC/DC 변환기(130)는 능동 AC/DC 변환기이며, 이는 AC/DC 변환기(130)의 출력 전압이 수동 정류 레벨과 특히 터빈 발전기(120)에 의해 제공되는 전압에 의해 설정되는 최대 전압 사이에서 조정될 수 있음을 의미한다.
도 2는 능동 AC/DC 변환기(130)의 예를 도시한다. AC/DC 변환기(130)는 능동 전자 스위치로서 6개의 IGBT(232)에 의해 제공되는 풀 브리지 정류기(230)를 포함한다. IGBT 대신, MOSFET, 기타 전계 효과 트랜지스터 또는 완전히 제어 가능한 다른 유형의 온/오프 반도체 스위치와 같은 다른 전자 스위치도 사용할 수 있다. 도 2에 도시된 방식의 왼쪽에 연결된 교류원과 정류기(230) 사이에, 위상당 하나의 인덕턴스(222)에 의해 제1 통과 필터(212)가 제공된다.
제1 통과 필터(212) 다음에는 위상들 사이에 스타 구성의 3개의 커패시턴스(224)에 의해 제공되고, 스타의 중심에서 선택적으로 접지되는 제2 통과 필터(214)와 3개의 인덕터에 의해 제공되는 제3 필터(216)가 뒤따른다. 대안적으로, 3개의 커패시턴스(224)는 델타 구성으로 제공된다. 제2 통과 필터(214) 다음에는 위상당 하나씩 3개의 추가 인덕턴스(226)가 제공되는 제3 통과 필터(216)가 뒤따른다. 제3 통과 필터의 출력은 정류기 브리지(230)에 연결된다. AC/DC 변환기(130)의 출력에서, 추가 커패시턴스(242)에 의해 저역 통과 필터(240)가 제공된다. 도 2의 AC/DC 변환기(130)는 3상을 처리하는 것으로 묘사되어 있지만, 1상, 2상 또는 3상 이상을 사용하는 다른 유형의 AC/DC 변환기를 구상할 수 있다.
에너지 변환 시스템(100)은 에너지 변환 시스템(100) 및 그 다양한 요소의 작동을 제어하기 위한 제어부(110)를 더 포함한다. 제어부(110)는 제어 메모리(112)에 연결된다. 제어 메모리(112)는 제어부(110)가 전력 변환 시스템(100) 또는 그 적어도 일부를 제어할 수 있도록 제어부(110)를 프로그래밍하기 위한 컴퓨터 실행 가능 코드를 저장하도록 배열된다. 제어 메모리(112)는 제어부(110)가 센서 데이터를 해석하고 해석된 센서 데이터 또는 다른 센서 데이터를 사용하여 전력 변환 시스템 및 그 특정 부분을 제어할 수 있게 하는 기준 데이터를 저장하도록 더 배열된다.
제어부(110)는 IGBT(232) 또는 AC/DC 변환기(130)의 다른 전자 스위치의 스위칭을 제어하기 위한 IGBT 드라이버(150)에 연결된다.
제어부(110)는 터빈 발전기(120) 축의 토크 및 회전 속도에 대한 데이터를 수신하기 위하여 터빈 발전기(120)에 제공된 터빈 센서(122)와 더 연결된다. 토크는 로터(124)의 실제 토크로 측정될 수 있지만, 바람직하게는, 로터(124)의 토크는 AC/DC 변환기(130)에 의해 또는 이로부터 수신된 전류와 전압에 의해 결정되고, 터빈 발전기(120)에 대한 데이터는 제어 메모리(112)에 저장될 수 있다.
제어부(110)는 전기분해 모듈(160) 내의 압력 및 특히 수소 압력을 모니터링하는 압력 센서(164), 전기분해 모듈(160) 내의 온도를 모니터링하는 온도 센서(166) 및 전기분해 모듈(160)의 임피던스를 측정하는 임피던스 센서(168)에 더 연결된다. 또한, 제어부(110)는 로터(124)에 작용하는 풍속 데이터를 수신할 수 있다.
전기분해 모듈(160)은 AC/DC 변환기(130)의 음극에 연결된 캐소드(180) 및 AC/DC 변환기(130)의 양극에 연결된 애노드(170)를 포함한다. 물은 애노드 유입구(172)를 통해 애노드(170)로 제공되고 수소는 캐소드 유출구(184)를 통한 작동의 결과로 캐소드(180)에 의해 제공된다. 애노드(170)와 캐소드(180) 사이에 멤브레인(162)이 제공된다. 멤브레인(162)의 애노드 측에 애노드 반응 공간(176)이 제공되고, 멤브레인(162)의 캐소드 측에, 캐소드 반응 공간(186)이 제공된다.
도 1에 도시된 구현에서, 물은 멤브레인 전해조에서와 같이 애노드(170)에 제공된다. 다른 구현에서, 고체 산화물 전해조가 사용될 수 있으며, 이 경우 캐소드(180)에 물이 제공된다.
작동 시, 로터(124)는 바람, 물 또는 다른 외력에 의해 회전하고 터빈 발전기(120)를 구동하고, 이는 차례로 교류에 의해 전기 에너지를 제공한다. 교류는 AC/DC 변환기(130)에 의해 직류 전력으로 변환되고 수소를 생성하기 위해 전기분해 모듈(160)에 제공된다.
전력 변환 시스템(100)은 제1 합산 소자(146) 및 제2 합산 소자(144)를 포함하는 합산 회로에 의해 AC/DC 변환기의 출력에 연결된 교류 신호원(140)을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 하나의 합산 소자만이 제공된다. 교류 신호원(140)은 제어부(110)에 연결되고 제어부(110)는 AC/DC 변환기(130)의 출력에 추가될 교류 전력 신호의 주파수 및 진폭을 제어하도록 배열된다.
교류 신호원(140)은 교류 신호원(140)에 의해 제공되는 무효 전력을 측정하거나 교류 신호원(140)에 의해 제공되는 교류 전력 신호의 전류와 전압 사이의 위상차를 측정하기 위한 무효 전력 모니터(142)를 포함한다.
낮은 주파수에서 전기분해 모듈(160)은 용량성 특성을 갖고 높은 주파수에서 전기분해 모듈(160)은 유도성 특성을 갖는다. 두 경우 모두, 전기분해 모듈(160)은 무효 전력을 소비한다. 무효 전력의 이러한 소비는 고전류를 초래할 수 있어 전력 변환 시스템(100)의 더 견고한 설계를 필요로 하므로 바람직하지 않다.
도 3은 전기분해 모듈(160)의 위상-주파수 특성을 개략적으로 도시한다. f0 미만의 주파수에서 위상 변이는 음이고 f0 미만의 주파수에서 위상 변이는 양이다. 무효 전력 모니터(142)는 교류 신호원(140)의 동작 주파수에 걸쳐 어떤 동작 주파수가 f0와 가장 잘 정합하는지, 즉 어떤 주파수에서 위상 변이가 가장 낮은지를 모니터링하도록 배열된다. 이 정보를 이용하여, 제어부(110)는 위상 변이가 가능한 한 작은 주파수에서 교류 신호원(140)을 작동시키도록 배열된다. 그렇지 않으면, 교류 신호원(140)은 바람직하게는 전기분해 모듈(160)의 임피던스의 허수부가 가능한 한 낮은 주파수에서 작동한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이 제어 기능은 교류 신호원(140) 내에서 제공된다.
주파수 f0는 바람직하게는 51·102Hz와 2·103Hz 사이, 더 바람직하게는 7.5·102Hz와 1.5·103Hz 사이, 더욱 더 바람직하게는 9·102Hz와 1.1·103Hz 사이에 있다. 다른 실시예에서, 주파수 f0는 더 낮게 5·101Hz와 1.5·102Hz 사이, 바람직하게는 8·101Hz와 1.2·102Hz 사이, 더 바람직하게는 9·101Hz와 1.1·102Hz 사이에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, f0는 전기분해 모듈(160)의 전해조 셀의 설계에 따라, 약 2·102Hz, 3·102Hz, 4·102Hz, 4·102Hz, 5·102Hz, 6·102Hz, 7·102Hz, 8·102Hz, 9·102 Hz의 동일한 범위에 있을 수 있다. 교류 신호원(140)에 의해 제공되는 신호의 진폭은 전압면에서 바람직하게는 AC/DC 변환기(130)에 의해 제공되는 신호 값의 1/10이다.
전력 변환 시스템(100)의 동작은 도 4에 도시된 흐름도(400)와 관련하여 아래에서 더 상세히 논의될 것이다. 흐름도(400)의 다양한 부분은 아래에 간략하게 요약된다:
402 시스템 초기화
404 전기분해 모듈의 임피던스 획득
406 출력 전압 조정
408 주파수 조정
410 전기분해 모듈의 온도 획득
412 출력 전압 조정;
414 전기분해 모듈 내의 수소 압력 획득
416 출력 전압 조정
418 터빈 발전기 축의 토크 획득
420 출력 전압 조정
422 전해조 연결 스위칭
424 절차 종료(시작으로 돌아가기)
절차는 전력 변환 시스템(100)의 다양한 부분이 초기화되는 종료기 402에서 시작된다. 단계 404에서, 전기분해 모듈(160)의 임피던스가 획득된다. 이 임피던스는 무효 전력 모니터(142) 또는 임피던스 센서(168)에 의해 획득될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전기분해 모듈(160)의 임피던스 또는 적어도 저항(임피던스의 실수부)이 전기분해 모듈(160)의 수명에 대한 데이터를 사용하여 획득된다.
수명 데이터는 예를 들어 내부 클록을 사용하여 제어부(110)에 의해 모니터링될 수 있다. 제어 메모리(112)에 저장된 전기분해 모듈(160)의 나이와 내부 저항의 관계에 대한 테이블과 같은 참조 데이터를 참조하여 실제 내부 저항을 결정할 수 있다.
전기분해 모듈(160)의 내부 저항은 나이에 따라 증가하며, 이는 멤브레인(162)에 걸리는 전압을 전기분해에 필요한 것과 실질적으로 동일한 레벨로 유지하기 위해, 외부 전압이 증가되어야 함을 의미한다. 이 외부 전압은 AC/DC 변환기(130)의 출력 전압에 의해 결정된다. 단계 406에서, AC/DC 변환기(130)의 출력 전압은 전기분해 모듈(160)의 내부 저항의 임의의 증가를 보상하도록 조정된다.
단계 408에서, 교류 신호원(140)의 주파수는 위에서 논의된 바와 같이 전기분해 모듈(160)의 작동 임피던스의 가능한 한 작은 허수부에 도달하도록 조정된다.
단계 410에서, 바람직하게는 온도 센서(166)에 의해, 전기분해 모듈(160)의 온도가 획득된다. 획득된 데이터에 기초하여, 선택적으로 제어 메모리(112)에 저장된 기준 데이터를 사용하여, AC/DC 변환기(130)는 이에 따라 단계 412에서 출력 전압을 조정하도록 제어된다. 온도가 이전 기간에 비해 증가하면 출력이 증가하고, 온도가 이전 기간에 비해 감소하면 출력 전압이 감소한다.
단계 414에서, 전기분해 모듈(160) 내의 수소의 압력이 획득된다. 이 압력은 출력(174), 멤브레인 근처의 애노드 반응 공간(176), 이들의 조합의 다른 위치에서 획득될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전기분해 모듈(160) 내의 다른 기체-산소, 증기-의 압력이 획득될 수 있다. 획득한 데이터에 기초하여, 선택적으로 제어 메모리(112)에 저장된 기준 데이터를 사용하여, AC/DC 변환기(130)는 이에 따라 단계 416에서 출력 전압을 조정하도록 제어된다. 압력이 이전 기간에 비해 증가했다면, 출력 전압이 증가하고, 압력이 이전 기간에 비해 감소했다면, 출력 전압이 감소한다.
단계 414에서, 전기분해 모듈(160) 내의 산소의 압력이 획득된다. 이 압력은 출력(174), 멤브레인 근처의 애노드 반응 공간(176), 이들의 조합의 다른 위치에서 획득될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전기분해 모듈(160) 내의 다른 기체의 압력이 획득될 수 있다. 획득한 데이터에 기초하여, 선택적으로 제어 메모리(112)에 저장된 기준 데이터를 사용하여, AC/DC 변환기(130)는 이에 따라 단계 416에서 출력 전압을 조정하도록 제어된다. 압력이 이전 기간에 비해 증가했다면 출력 전압이 증가하고, 압력이 이전 기간에 비해 감소했다면, 출력 전압이 감소한다.
단계 418에서, 터빈 발전기 축 상의 토크가 획득된다. 획득된 데이터에 기초하여, 선택적으로 제어 메모리(112)에 저장된 기준 데이터를 사용하여, AC/DC 변환기(130)는 이에 따라 단계 420에서 출력 전압을 조정하도록 제어된다. 출력 전압은 멤브레인(162) 상의 전압이 원하는 수준으로 유지되거나 설정되도록 제어된다. 토크가 증가하면 시스템을 통한 전류가 증가될 수 있기 때문에, 전기분해 모듈의 내부 저항의 전압이 증가하여, 멤브레인(162)에 걸리는 전압이 낮아지게 된다. 멤브레인(162)에 걸리는 전압을 적절한 수준으로 유지하기 위하여, 터빈 발전기 축 상의 토크가 증가하면 AC/DC 변환기(130)의 출력 전압이 단계 422에서 증가될 수 있다.
터빈 발전기(120)의 로터(124)의 토크는 AC/DC 변환기(130)에 의해 취해지고 공급되는 전류 및 전압, 따라서 최종적으로 전기분해 모듈(160)에 의해 소비되는 총 전력에 따라 달라진다. 터빈 발전기(120)의 경우, 터빈 자체와 로터(124) 및 선택적으로 시스템(100)의 다른 구성요소의 매개변수에 기초하여, 로터(124)의 최대 회전 속도 및/또는 회전 속도의 바람직한 범위도 설정될 수 있다. 주어진 풍속 및 시스템 매개변수에 기초하여, 이 최대 속도 및/또는 속도 범위는 풍속의 특정 값에 대해 원하는 토크 또는 원하는 토크 범위로 변환될 수 있다.
이 결정된 토크 또는 토크 범위에 기초하여, 차례로 AC/DC 변환기로부터 취해질 전력이 결정될 수 있으며, 전력은 토크와 각속도의 곱이다.
전기분해 모듈(160)은 AC/DC 변환기(130) 또는 이들의 조합과 직렬 또는 병렬로 제공되는 하나 이상의 전기분해 셀을 포함할 수 있다. 그러한 구성은 전기분해 모듈(160)에 제공될 전압에 영향을 미친다. 또한, 전기분해 셀은 변경될 수 있고 상이한 전기분해 셀은 내부 임피던스가 상이하거나 멤브레인에 걸리는 상이한 전압을 요구할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 제어 메모리(112)는 멤브레인(162)에 걸쳐 인가될 기준 전압을 저장하고 다양한 센서에 의해 획득된 데이터를 사용하여, AC/DC 변환기(130)의 원하는 출력 전압이 제어부(110)에 의해 결정된다.
원하는 토크를 얻기 위해 터빈 발전기로부터 취하고 전기분해 모듈(160)에 의해 소비되는 전력을 정합시키기 위하여, 각 전기분해 셀이 각 셀의 멤브레인(162)에 걸쳐 인가되는 적절한 전압을 갖도록 AC/DC 변환기(130)와 전기분해 모듈(160) 내의 다양한 전기분해 셀의 스위칭이 이루어질 수 있다. 다양한 전기분해 셀은 단계 422에서 직렬 구성에서 병렬 구성으로 스위칭될 수 있고 일부 셀은 스위치를 켜거나 끌 수 있어 전기분해 셀의 멤브레인 각각에 걸리는 적절한 전압 및 전기분해 모듈(160)에 의해 취해질 적절한 전력을 보장한다.
종료기 424에서 조정 절차가 종료된다. 바람직하게는, 흐름도(400)에 의해 도시된 바와 같은 절차는 선택적으로 대기 루프를 통과한 후에 다시 수행된다.
도 5는 다른 전력 변환 시스템(500)을 도시한다. 다른 전력 변환 시스템(500)은 전력 변환 시스템(100)과 동일한 요소를 포함한다. 이들 요소는 동일한 참조 번호에 의해 참조되며, 위에서 논의된 것과 동일한 기능을 제공하도록 배열되고 도 5와 관련하여 다시 더 상세하게 논의되지 않는다.
도 5에 따른 실시예에서, AC/DC 변환기(130)는 수동 정류 모듈을 사용하여 구현될 수 있다. AC/DC 변환기(130)의 출력에는 직류-직류 변환기(196)-DC/DC 변환기-가 연결될 수 있다. DC/DC 변환기(196)는 전기분해 시스템(160)에 적절한 전압을 제공하기에 적합한 특정 레벨의 출력 전압을 제공하도록 제어부(110)에 의해 제어될 수 있다.
AC/DC 변환기(130)의 출력에는 또한 직류-교류 변환기(192)-DC/AC 변환기-가 제공된다. DC/AC 변환기(192)는 제어부(110) 또는 다른 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. DC/AC 변환기(192)의 출력은 DC/AC 변환기(192)에 의해 생성된 신호에서 임의의 저주파 또는 고주파 성분-예를 들어 50 Hz 또는 400 Hz 이외(항공 목적)-을 제거하기 위하여 선택적으로 대역통과 필터(194) 또는 다른 필터를 통해 광역 또는 로컬 전력 공급망(190)에 연결될 수 있다.
다른 전력 변환 시스템(500)은 터빈 발전기(120)에 의해 생성된 전력이 전기분해 모듈(160) 및/또는 전력망(190)에 분배되고 터빈 발전기(120)에 의해 공급되는 전력 및 전력망(190)에 의한 수요에 따라 양자의 비율을 결정할 수 있게 한다. 전력망(190)에 의한 수요가 낮으면, 터빈 발전기(120)에 의해 생성된 대부분의 전력은 전기분해 시스템(160)에 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다른 전력 공급 모듈, 예를 들어 연료 셀 또는 다중 연료 셀을 포함하는 연료 셀 시스템, 태양열 발전소, 다른 터빈 발전기, 기타 또는 이들의 조합이 다른 전력 변환 시스템(500)에 추가되어 분배될 추가 전력을 다른 전력 변환 시스템(500)에 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 터빈 발전기용 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 회로에 있어서,
    터빈 발전기로부터 교류 전력을 수신하는 입력 및 물의 전기분해를 위한 전기분해 시스템에 직류 전력을 제공하는 출력을 갖는 제어 가능한 출력 전압 레벨을 갖는 능동 AC/DC 변환기;
    교류 보조 신호를 생성하는 발진기; 및
    상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 출력에 교류 신호를 추가하는 합산 회로를 포함하는 AC-DC 변환 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교류 보조 신호의 주파수를 조정하기 위하여 상기 발진기를 제어하도록 배열되는 제어부를 더 포함하는 AC-DC 변환 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 임피던스를 결정하고 결정된 상기 임피던스의 함수로서 상기 발진기 주파수를 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 최소 무효 임피던스가 결정되는 주파수에서 상기 발진기의 주파수를 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는:
    상기 전기분해 시스템의 상기 임피던스가 유도성 특성 또는 용량성 특성을 갖는지 결정하고;
    상기 임피던스가 유도성 특성을 갖는 경우 상기 교류 보조 신호의 상기 주파수를 감소시키도록 상기 발진기를 제어하고;
    상기 임피던스가 용량성 특성을 갖는 경우 상기 교류 보조 신호의 상기 주파수를 증가시키도록 상기 발진기를 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교류 보조 신호의 전압 진폭은 상기 능동 AC/DC 변환기의 출력 전압의 1%와 20% 사이인 AC-DC 변환 회로.
  7. 제2항에 따르는 범위에서 제6항에 있어서, 상기 제어부는 상기 교류 보조 신호의 상기 전압 진폭을 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 출력 전압의 함수로서 상기 교류 보조 신호의 상기 전압 진폭을 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 내부 임피던스에 대한 데이터를 획득하도록 배열되고 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 상기 내부 임피던스가 증가하면 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 직류 출력 전압의 레벨을 증가시키도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  10. 제3항에 따르는 범위에서 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는:
    상기 전기분해 시스템의 작동 나이를 획득하고;
    상기 전기분해 시스템의 내부 임피던스와 상기 전기분해 시스템의 상기 나이 사이의 관계에 대한 데이터를 획득하고; 및
    획득한 상기 데이터에 기초하여 상기 전기분해 시스템의 상기 내부 임피던스를 결정하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  11. 제2항에 따르는 범위에서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 기체 압력에 대한 데이터를 수신하고 시간이 지남에 따라 상기 기체 압력이 증가하면 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 직류 출력 전압을 증가시키고 시간이 지남에 따라 상기 기체 압력이 감소하면 상기 출력 전압 레벨을 감소시키도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  12. 제2항에 따르는 범위에서 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 내부 온도에 대한 데이터를 획득하도록 배열되고 상기 제어부는 상기 전기분해 시스템의 상기 내부 온도가 증가하면 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 직류 출력 전압의 상기 출력 레벨을 증가시키도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  13. 제2항에 따르는 범위에서 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 터빈 발전기의 구동 축의 토크에 대한 데이터를 획득하도록 배열되고 상기 제어부는 상기 구동 축의 상기 토크가 증가하면 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 직류 전압의 상기 출력 레벨을 증가시키도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  14. 제3항에 따르는 범위에서 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 기준 전압을 획득하도록 배열되고 상기 제어부는 상기 기준 전압에 기초하여 상기 출력 전압을 제어하도록 배열되는 AC-DC 변환 회로.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 능동 AC/DC 변환기는:
    상기 터빈 발전기로부터의 교류 전력을 내부 직류 전력으로 변환하는 AC-DC 변환기 서브시스템;
    상기 제어부에 의해 제어 가능하며 제어 가능한 출력 전압 레벨을 갖는 DC-DC 변환기; 및
    출력 교류 전력을 외부 공급망에 제공하기 위하여 상기 외부 공급망에 정합된 레벨, 위상 및 주파수에서 상기 내부 직류 전력을 출력 교류 전력으로 변환하도록 배열되는 DC-AC 변환기를 포함하는 AC-DC 변환 회로.
  16. 터빈 발전기; 및
    상기 입력이 상기 터빈 발전기의 전기적 출력에 전기적으로 결합되는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 교류(AC)-직류(DC) 변환 회로를 포함하는
    전력 공급 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 능동 AC/DC 변환기의 상기 출력에 전기적으로 결합된 물의 전기분해를 위한 전기분해 시스템을 더 포함하는 전력 공급 시스템.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 교류(AC)-직류(DC) 변환 회로는 상기 전기분해 시스템 및 상기 터빈 발전기의 상태 중 적어도 하나와 관련된 데이터를 수신하고 수신된 상기 데이터에 기초하여 상기 출력 전압을 조정하도록 배열되는 제어부를 포함하고;
    상기 전기분해 시스템은 적어도 하나의 전기분해 셀 및
    - 상기 전기분해 셀의 내부 온도를 감지하는 온도 센서; 및
    - 상기 전기분해 셀 내부의 적어도 하나의 기체의 압력을 감지하는 압력 센서 중 적어도 하나를 포함하며;
    상기 온도 센서 및 상기 압력 센서 중 적어도 하나는 상기 제어부에 결합되는 전력 공급 시스템.
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