KR20230103234A - 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 제어 방법 - Google Patents
선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 제어 방법 Download PDFInfo
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Abstract
발전기, 연료전지, 배터리, 발전기에 연결된 AC/DC 컨버터, 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터, AC/DC 컨버터, 제 1 DC/DC 컨버터 및 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부, AC/DC 컨버터, 제 1 DC/DC 컨버터 및 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 제어부와 연결된 DC 버스, DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터 및 DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고, 제어부는 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 배터리가 부담하고 있는 부하를 분석하여, 발전기 및 연료전지 중 어느 하나가 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 제어 방법이 개시되어 있다.
Description
본 발명은 배터리로 공급되는 전력에 문제가 있는 경우, 배터리의 공급 전력이 부담하고 있는 부하를 분석하여, 분석된 부하에 적응적으로 엔진발전기 및 연료전지가 전력을 공급하는 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지(燃料電池, Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.
연료전지 시스템은 LNG, LPG, 메탄올, 에탄올, 가솔린 등의 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 공기극에는 산화제인 산소의 환원반응, 연료극에는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물 등을 발생시킨다.
최근에는 선박 분야에서는 연료전지를 활용한 친환경 선박 기술 개발에 적극 나서고 있다. 연료전지를 사용하여 전기를 동력원으로 사용함으로써 기존의 화석연료로 추진되는 선박에 비해 이산화탄소 배출량을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.
현재 연료전지 및 배터리로만 운항되는 선박이 개발되어 운행되고 있는데, 연료전지 및 배터리만으로는 대형 선박에 적용하기는 힘든 실정이다. 또한, 배터리에 문제가 있는 경우, 전력 공급에 차질을 가져오게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 연료전지가 적용된 선박에 전력을 공급하기 위한 엔진발전기를 더 구비하고, 엔진발전기, 연료전지 및 배터리의 전력 공급 효율화를 위한 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 제어 방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라, 배전시스템은 발전기; 연료전지; 배터리; 상기 발전기에 연결된 AC/DC 컨버터, 상기 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 상기 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터; 상기 AC/DC 컨버터, 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부; 상기 AC/DC 컨버터, 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 상기 제어부와 연결된 DC 버스; 상기 DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터; 상기 DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고, 상기 제어부는 상기 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 상기 배터리가 부담하고 있는 부하를 분석하여, 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어한다.
상기 제어부는 상기 발전기 및 상기 연료전지의 공급 가능 전력량을 비교 후, 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 공급 가능 전력량이 많은 어느 하나는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 공급 가능 전력량이 적은 다른 하나는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하는 것을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 발전기는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 연료 전지는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하는 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 전력 분배 제어 방법은 발전기, 연료전지, 배터리, DC 버스 및 부하를 포함하는 배전시스템이 상기 배터리에서 공급되는 전력을 검출하는 단계; 상기 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 상기 배전시스템이 상기 배터리가 부담하고 있는 상기 부하를 분석하는 단계; 및 상기 부하 분석 결과에 기초하여, 상기 배전시스템이 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 엔진발전기를 더 구비함으로써 대형 선박에 적용이 가능하고, 배터리의 문제가 있는 경우 전력 공급원을 대체함으로써 전력 공급 부족을 방지하고, 부하를 분석하여 부하별로 선택적으로 다른 전력원으로부터 전력을 공급함으로써 전력 공급의 효율화를 가져오는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 제어 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 제어 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 특정 구성을 "포함"한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
또한 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.
또한, 일부의 구성 요소는 본 발명에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 발명은 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 발명의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, DC 배전 시스템은 발전기(110), 연료전지(120), 배터리(130), AC/DC 컨버터(141), 제 1 DC/DC 컨버터(142), 제 2 DC/DC 컨버터(143), 제어부(150), DC 버스(160), DC/AC 컨버터(171, 172) 및 부하(181, 182)를 포함한다.
DC 배전 시스템은 연료를 전력으로 변환하여 하나 또는 그 이상의 전력배전모듈로 전달하는 전력발전모듈로 발전기(110), 연료전지(120) 및 배터리(130)를 사용한다.
발전기(110)는 선박 추진용과 선박운영을 위하여 전력을 생산하여 배전반에 공급을 한다. 발전기(110)는 터빈발전기, 디젤발전기, 엔진발전기, 초전도발전기 등을 포함하며, 본 발명에서는 엔진발전기가 바람직하다.
연료전지(120)는 수소를 연료로 사용하여 산소와의 전기화학 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 최근에는 연료전지(120)의 주연료로 LNG 혹은 메탄올과 같은 액체 연료 중심으로 개발되고 있는 실정이다. 연료전지(120)는 배기 가스에 의한 대기 오염 문제를 해결할 수 있으며, 선박과 같이 한정된 공간에 많은 연료를 저장해야 하는 특성 상 현재 많이 적용되고 있는 추세이다.
배터리(130)는 발전기(110) 또는 연료전지(120)를 통하여 충전될 수 있으며, DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
AC/DC 컨버터(141)는 발전기(110)의 출력단에 연결되어 있다. AC/DC 컨버터(141)는 발전기(110)에서 출력되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 DC 버스(160)에 전달한다.
제 1 DC/DC 컨버터(142)는 연료전지(120)의 출력단에 연결되어 있다. 제 1 DC/DC 컨버터(142)는 연료전지(120)에서 출력되는 DC 전압을 승압 또는 감압하여 DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
제 2 DC/DC 컨버터(143)는 배터리(130)의 출력단에 연결되어 있다. 제 2 DC/DC 컨버터(143)는 배터리(130)에서 출력되는 DC 전압을 승압 또는 감압하여 DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 2 DC/DC 컨버터(143)는 양방향 컨버터이다. 제 2 DC/DC 컨버터(143)는 발전기(110) 또는 연료전지(120)로부터 공급받는 전력을 배터리(130)에 전달하여 배터리(130)를 충전할 수가 있다.
발전기(110), 연료전지(120) 및 배터리(130)의 출력은 AC/DC 컨버터(141), 제 1 DC/DC 컨버터(142) 및 제 2 DC/DC 컨버터(143)를 통해 DC 버스(160)에 커플링된다. DC 버스(160)가 동작 가능한 전압에 제한은 없다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(150)는 AC/DC 컨버터(141), 제 1 DC/DC 컨버터(142) 및 제 2 DC/DC 컨버터(143)의 출력과 연결되고, DC 버스(160)와 연결된다.
제어부(150)는 배터리(130)에서 공급되는 전력에 문제가 있는 경우, 배터리(130)가 전력을 공급하는 부하를 분석한 후, 발전기(110) 및 연료전지(120)가 배터리가 부담하는 부하에 선택적으로 전력을 공급할 수 있다.
제어부(150)는 발전기(110) 및 연료전지(120)의 공급 가능 전력량을 비교 후, 공급 가능 전력량이 많은 쪽은 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 공급 가능 전력량이 적은 쪽은 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어한다.
또는, 제어부(150)는 발전기(110)가 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 연료전지(120)가 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어한다. 일반적으로 발전기(110)가 연료전지(120)보다 생산할 수 있는 전력이 크기 때문이다.
예를 들어, 배터리(130)가 제 1 부하(181) 및 제 2 부하(182)를 공급했던 경우, 제어부는 제 1 부하(181) 및 제 2 부하(182)의 전력 소비량을 검출하고, 제 1 부하(181) 및 제 2 부하(182) 중 전력 소비량이 많은 부하에 발전기(110) 및 연료전지(120) 중 공급 가능 전력량이 많은 쪽이 전력을 공급하거나, 발전기(110)가 공급하도록 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 제어부(150)는 발전기(110), 연료전지(120) 및 배터리(130)의 출력에 직접 연결될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제어부(150)는 발전기(110), 연료전지(120) 및 배터리(130)의 출력에 각각 연결되어 있고, AC/DC 컨버터(141), 제 1 DC/DC 컨버터(142) 및 제 2 DC/DC 컨버터(143)에도 연결되어 있다.
도 2와 같이 연결된 경우, 발전기(110)에서 공급되는 전력에 문제가 있는 경우, 제어부(150)는 발전기(110)가 문제가 있는지 AC/DC 컨버터(141)가 문제가 있는지 검출할 수가 있고, 연료전지(120)에서 공급되는 전력에 문제가 있는 경우, 연료전지(120)가 문제가 있는지 제 1 DC/DC 컨버터(142)가 문제가 있는지 검출할 수가 있고, 배터리(130)에서 공급되는 전력에 문제가 있는 경우, 배터리(130)가 문제가 있는지 제 2 DC/DC 컨버터(143)가 문제가 있는지 검출할 수가 있다.
이 경우, 제어부(150)는 컨버터들에 문제가 있는 경우, 발전기(110), 연료전지(120) 및 배터리(130)의 출력을 우회할 수가 있다. 예를 들어, 제 1 DC/DC 컨버터(142)가 고장난 경우, 제어부(150)는 연료전지(120)의 출력을 제 2 DC/DC 컨버터(143)로 우회할 수가 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배 제어 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 단계 310에서, 발전기, 연료전지, 배터리, DC 버스 및 부하를 포함하는 배전시스템이 배터리에서 공급되는 전력을 검출한다.
단계 320에서, 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 배전시스템은 배터리가 부담하고 있는 부하를 분석한다. 배전시스템은 배터리가 부담하고 있는 부하를 검출한 후, 각각의 부하가 소비하는 전력 소비량을 검출한다.
단계 330에서, 부하 분석 결과에 기초하여, 배전시스템은 발전기 및 연료전지 중 어느 하나가 상기 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어한다.
배전시스템은 발전기 및 연료전지의 공급 가능 전력량을 비교 후, 발전기 및 연료전지 중 공급 가능 전력량이 많은 어느 하나는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 공급 가능 전력량이 적은 다른 하나는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어한다. 공급 가능 전력량은 발전기 및 연료전지가 현재 공급하고 있는 전력량을 제외한 여유 전력량을 의미한다.
다른 실시예로, 배전시스템은 발전기가 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 연료전지는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수가 있다.
도 3에 도시하지는 않았지만, 배전시스템은 컨버터들에 문제가 있는 경우, 발전기, 연료전지 및 배터리의 출력을 우회하게 제어할 수가 있다.
110: 발전기
120: 연료전지
130: 배터리
141: AC/DC 컨버터 142: 제 1 DC/DC 컨버터
143: 제 2 DC/DC 컨버터
150: 제어부 160: DC 버스
171, 172: DC/AC 컨버터 181, 182: 부하
141: AC/DC 컨버터 142: 제 1 DC/DC 컨버터
143: 제 2 DC/DC 컨버터
150: 제어부 160: DC 버스
171, 172: DC/AC 컨버터 181, 182: 부하
Claims (7)
- 발전기;
연료전지;
배터리;
상기 발전기에 연결된 AC/DC 컨버터, 상기 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 상기 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터;
상기 AC/DC 컨버터, 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부;
상기 AC/DC 컨버터, 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 상기 제어부와 연결된 DC 버스;
상기 DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터;
상기 DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고,
상기 제어부는 상기 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 상기 배터리가 부담하고 있는 부하를 분석하여, 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전기 및 상기 연료전지의 공급 가능 전력량을 비교 후, 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 공급 가능 전력량이 많은 어느 하나는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 공급 가능 전력량이 적은 다른 하나는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 배전시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전기는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 연료 전지는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 배전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전기, 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 배전시스템. - 발전기, 연료전지, 배터리, DC 버스 및 부하를 포함하는 배전시스템이 상기 배터리에서 공급되는 전력을 검출하는 단계;
상기 배터리에서 공급되는 전력이 소정의 기준 전력 미만인 경우, 상기 배전시스템이 상기 배터리가 부담하고 있는 상기 부하를 분석하는 단계; 및
상기 부하 분석 결과에 기초하여, 상기 배전시스템이 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 제어 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 부하 분석 결과에 기초하여, 상기 배전시스템이 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 적어도 하나의 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 단계는, 상기 배전시스템이 상기 발전기 및 상기 연료전지의 공급 가능 전력량을 비교 후, 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 공급 가능 전력량이 많은 어느 하나는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 공급 가능 전력량이 적은 다른 하나는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 제어 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 부하 분석 결과에 기초하여, 상기 배전시스템이 상기 발전기 및 상기 연료전지 중 어느 하나가 상기 적어도 하나의 부하에 선택적으로 전력을 공급하도록 제어하는 단계는, 상기 배전시스템이 상기 발전기는 전력 소비량이 많은 부하에 전력을 공급하고, 상기 연료전지는 전력 소비량이 적은 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 제어 방법.
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