KR100902507B1

KR100902507B1 - 전력 조절장치 및 그 운영방법

Info

Publication number: KR100902507B1
Application number: KR1020070037613A
Authority: KR
Inventors: 왕용; 오덕진; 최시영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2009-06-15
Also published as: US20110266866A1; US20080258554A1; US7999409B2; KR20080093644A; US8232673B2

Abstract

연료전지나 태양전지 등으로부터 생성된 전력을 사용처에 적절히 공급하기 위한 전력 조절장치가 개시된다. 개시된 전력 조절장치는, 전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 메인컨버터의 출력 전압을 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터를 포함하며, 메인컨버터에 전력원의 출력 전압을 사용처에 공급하기 적합한 전압으로 변압시키는 제1권선부와, 전력원의 출력 전압을 보조컨버터를 거치지 않고 BOP요소에 직접 공급될 수 있도록 변압시키는 제2권선부가 각각 구비된 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의하면, 초기 스타트 모드를 제외하고는 BOP요소로 공급되는 전압이 한 번의 변압 과정만 거치게 되므로, 기존에 비해 전력 손실을 대폭 줄일 수 있다.

Description

전력 조절장치 및 그 운영방법{Power conditioner and managing method thereof}

도 1은 종래의 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면,

도 3a는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 초기 스타트 모드시의 스위치 선택 상황을 등가회로로 도시한 도면,

도 3b는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 정상 가동 모드시의 스위치 선택 상황을 등가회로로 도시한 도면

도 4는 도 2에 도시된 전력 조절장치의 운영방법을 도시한 순서도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 조절장치의 구성을 도시한 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100...연료전지 200...메인컨버터

300...인버터 400...사용처

500...축전지 600...보조컨버터

700...BOP요소(balance of plant element)

본 발명은 연료전지나 태양전지 등으로부터 생성된 전력을 사용처에 적절히 공급하기 위한 전력 조절장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.

예컨대, 연료전지(10)에서 생성된 전력은 도 1에 도시된 바와 같은 전력 조절장치(power conditioner)를 통해 사용처(40)로 공급된다. 이것은 미국 공개특허 US2004/0219399에 개시된 전력 조절장치의 구조를 나타낸 것인데, 일단 전력원(power source)인 연료전지(10)에서 생성된 약 40~50V의 DC전압은 메인컨버터(20)에서 약 360~400V의 DC전압으로 승압된다. 여기서의 연료전지(10)는 대개 여러 개의 단위 셀이 적층된 스택(stack)의 형태로 구성되어 있어서, 각 단위 셀에서 생성된 전력이 합해져서 상기와 같은 40~50V의 DC전압으로 출력된다. 그리고, 메인컨버터(20)에서 승압된 DC전압은 인버터(30)에서 AC전압으로 변환된 후, 사용처(40)에 공급된다.

이때, 상기 연료전지(10)의 스택에 구비된 각종 가동기(블로워, 모터, 냉각팬, 컨트롤러) 및 상기 메인컨버터(20)와 인버터(30) 등의 컨트롤러 작동에 필요한 전력은 보조컨버터(60)를 통해 약 20~30V 정도로 감압된 DC전압이 사용된다. 즉, 메인컨버터(20)에서 일정 전압으로 승압된 전력의 일부를 상기 보조컨버터(60) 쪽으로 돌려서 적정한 전압으로 감압시킨 후 각종 가동기에 공급하는 것이다. 물론, 보조컨버터(60)의 출력 전압은 보조컨버터(60) 자체의 컨트롤러에도 공급된다. 여기서, 상기한 메인컨버터(20)와 인버터(30) 및 보조컨버터(60) 등을 제어하는 컨트롤러, 그리고 연료전지(10)의 스택에 구비된 각종 가동기들과 같이 연료전지(10)에 서 생성된 전력의 일부를 사용하는 시스템 자체 내의 요소들은 통상 BOP요소(balance of plant elements)라고 칭하며, 본 명세서에서도 이들읕 통칭하여 BOP요소(70)라 부르기로 한다. 참조부호 50은 연료전지(10)의 초기 스타트 모드와 같이 보조컨버터(60)로의 전력 공급이 제대로 이루어지지 않을 때 동력원으로 사용되는 축전지를 나타내며, 연료전지(10)의 정상 작동 시에 메인컨버터(20)의 출력 전압에 의해 충전되어 있다가, 초기 스타트 모드 시에 보조컨버터(60)의 동력원으로 사용된다. 최근에는 이 축전지(50) 대신에 통상적인 가정용 220V 전원을 연결하여 초기 스타트 모드 시에 보조컨버터(60)에 전력을 공급하는 경우도 있다.

그런데, 상기와 같은 구조에서는 BOP요소(70)에 공급되는 전압은 메인컨버터(20)와 보조컨버터(60)의 두 컨버터를 항상 거쳐야 하기 때문에, 변압과정에서 불가피한 전력 손실이 두 차례나 생기게 된다. 즉, 도 1의 메인컨버터(20)에 예시된 바와 같이 변압과정은 두 권선코일(winding coil) W11과 W21의 권선비에 비례해서 이루어지는데, 이때 전력의 일부가 열로 변하면서 손실이 생기게 된다. 마찬가지로, 보조컨버터(60)에서도 변압과정을 거치면서 손실이 생기게 되는데, 메인컨버터(20)에서 약 10%, 보조컨버터(60)에서 약20%의 전력 손실이 생기는 것으로 알려지고 있다. 따라서, 이 둘의 컨버터(20)(60)를 모두 거친 후 BOP요소(70)에 전달되는 전력은 연료전지(10)에서 출력된 상태에서 30% 이상 손실된 후의 전력이 된다. 물론, 손실을 줄이기 위해 연료전지(10)에서 나온 전력의 일부를 상기 두 컨버터(20)(60)를 거치기 전에 바로 BOP요소(70)로 공급하는 방법도 생각할 수 있지만, 연료전지(10)의 출력전압은 사용처(40)의 부하 상황에 따라 그 전류값이 수시 로 변하기 때문에 매우 불안정한 상태가 된다. 따라서, 이를 바로 BOP요소(70)에 공급하게 되면 전체 시스템의 작동 상태가 불안정해지게 되므로 사용이 불가능하다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 변압 횟수를 줄여서 전력 손실을 줄이면서도 안정적인 전력을 BOP요소에 공급할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, BOP요소에 공급되는 전력의 중간 손실을 줄이면서도 안정적인 전력 공급이 가능하도록 개선된 전력 조절장치 및 그것의 운영방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 조절장치는, 전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압을 상기 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터를 포함하며, 상기 메인컨버터에 상기 전력원의 출력 전압을 사용처에 공급하기 적합한 전압으로 변압시키는 제1권선부와, 상기 전력원의 출력 전압을 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 직접 공급될 수 있도록 변압시키는 제2권선부가 각각 구비된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 제2권선부를 통해 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치와, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하여 두 라인이 선택적으로 교대 하며 사용되게 하는 컨트롤러를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1권선부와 상기 보조컨버터 사이에는 축전지가 설치되어서, 초기 스타트 모드 시 상기 축전지에 충전된 전력이 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되도록 구성할 수 있다.

상기 제1권선부와 상기 사용처 사이에는 DC전압을 AC전압으로 변환시키는 인버터가 설치될 수 있으며, 상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나가 될 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 조절장치 운영방법은, 전력원의 출력 전압을 변압시키는 제1권선부 및 제2권선부가 각각 구비된 메인컨버터와, 상기 제1권선부의 출력 전압으로 충전된 축전지의 전압을 상기 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터, 상기 축전지로부터 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 제2권선부를 통해 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치 및, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하는 컨트롤러를 준비하는 단계; 상기 전력원을 스타트하는 단계; 상기 전력원의 출력 전압이 정상이 아닌 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 축전지의 전력이 BOP요소에 공급되게 하는 단계; 상기 전력원의 출력 전압이 정상이 된 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 제2권선부를 통해 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 전력이 공급되게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전력원을 포함한 시스템을 셧다운하는 단계와, 셧다운 시에도 상기 BOP요소를 가동할 필요가 있는 경우 상기 컨트롤러가 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 잔류전력이 상기 제2권선부를 통해 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나가 될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절장치를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 전력 조절장치도, 연료 전지(100)의 스택과 같은 전력원의 DC 출력 전압을 메인컨버터(200)에서 승압시킨 후, 인버터(300)에서 AC전압으로 변환하여 사용처(400)에 공급하며, 메인컨버터(200)의 출력 전압을 보조컨버터(600)에서 감압하여 BOP요소(700)에 공급하는 기본적인 구조를 가지고 있다. 참조부호 710은 메인컨버터(200)와 보조컨버터(600)와 인버터(300) 및 이하에 설명될 온/오프 스위치(K1)(K2) 등을 제어하는 컨트롤러를 나타낸다.

그런데, 본원발명에서는 상기 BOP요소(700)에 공급되는 전압이 상기 보조컨버터(600)를 경유하여 감압된 전압 뿐 아니라, 상기 메인컨버터(200)에서 직접 감압된 전압까지 선택적으로 공급되는 구조를 가지고 있다. 즉, 상기 메인컨버터(200)에는 상기 연료전지(100)로부터 들어온 입력측 권선부(W11)와 대응하는 두 개의 권선부(W21)(W22)가 구비되어 있는데, 이중 제1권선부(W21)는 기존과 마찬가지로 전력원의 출력 전압을 사용처(400)로 공급하기에 적합한 전압으로 승압시키는 기능을 수행한다. 따라서, 연료전지(100)의 스택에서 출력되는 40~50V의 전압은 이 제1권선부(W21) 출력측에서 360~400V로 승압된다. 그리고, 또 다른 권선부인 제2권선부(W22)는 전력원의 출력 전압을 BOP요소(700)에 공급할 수 있게 20~30V로 감압시킨다. 즉, 제2권선부(W22)의 출력측에서는 BOP요소(700)에 적합하게 공급될 수 있는 전압이 생성되므로, 상기 보조컨버터(600)를 거치지 않고도 바로 BOP요소(700)에 직결하여 사용할 수 있게 되는 것이다. 이렇게 되면, BOP요소(700)에 공급되는 전압이 메인컨버터(200)의 변압 과정 한 번만을 거치기 때문에, 변압 과정에서의 손실이 그만큼 줄어들게 되어 결과적으로 전력 손실을 억제할 수 있다. 그러나, 초기 스타트 모드와 같이 전력원인 연료전지(100)의 스택이 아직 정상적으로 전력을 생성해내지 못하는 때에는 상기 제2권선부(W22)를 통한 BOP요소(700)로의 전력 공급이 제대로 이루어지지 못한다. 따라서, 이때에는 기존과 마찬가지로 축전지(500)에 충전되어 있던 전력을 상기 보조컨버터(600)를 경유하여 BOP요소(700)로 공급한다. 참조부호 K1, K2는 상기 컨트롤러(710)에 의해 제어되는 온/오프 스위치로서, BOP요소(700)로 공급되는 전력의 경로를 상기 제2권선부(W22)를 통하는 경우와, 상기 보조컨버터(600)를 경유하는 경우 중 어느 하나로 선택할 때 사용된다.

이와 같은 구성의 전력 조절장치는 도 4에 도시된 순서도와 같이 운영될 수 있다.

먼저, 전력원인 연료전지(100)의 스택이 가동을 시작한다(S1). 그러나, 이러한 초기 스타트 모드에서는, 아직 연료전지(100)에서 정상적인 출력 전압이 나오지 못하게 된다. 따라서, 메인컨버터(200)의 제2권선부(W22)를 통해 BOP요소(700)로 전압을 공급하려고 해도 아직 연료전지(100)의 출력이 불안정하기 때문에 스택의 가동기나 컨트롤러 등이 제대로 작동되지 못할 수 있다. 이때 연료전지(100)의 출력전압은 메인컨버터(200)에 내장된 전압센서(미도시)로 측정한다. 따라서, 연료전지(100)의 출력전압이 정상인지를 확인해서(S2), 아직 정상이 아닌 동안에는 컨트롤러(710)가 K1 스위치를 오프(off)시키고 K2 스위치를 온(on)시켜서(S3), 축전지(500)에 충전된 전력이 보조컨버터(600)를 경유하여 BOP요소(700)로 공급되게 한다(S4). 도 3a는 이와 같은 스위치 선택 상태를 등가회로로 간략화하여 도시한 것이다. 즉, 연료전지(100)가 정상화될 때까지는 기존과 같이 축전지(500)에 충전된 전력을 사용하여 전력 조절장치의 시스템을 가동시키는 것이다. 물론, 전술한 바와 마찬가지로 상기 축전지(500) 대신에 통상적인 가정용 220V 전원을 보조컨버터(600)에 연결하는 방법도 사용될 수 있다.

이후, 연료전지(100)의 스택에서 정상적으로 전력이 생성되어 안정된 전압이 출력되면, K1 스위치를 온(on)시키고 K2 스위치를 오프(off)시켜서(S5) 도 3b의 등 가회로에 도시된 바와 같이 제2권선부(W22)를 통해 감압된 전압이 BOP요소(700)로 바로 공급되게 한다(S6). 즉, 이때부터는 연료전지(100)의 출력이 정상화되므로, 제2권선부(W22)를 통해 감압되어 BOP요소(700)로 공급되는 전압도 안정화된다. 따라서, 메인컨버터(200) 하나만 거친 전압이 BOP요소(700)로 공급되므로, 보조컨버터(600)까지 두 번의 변압과정을 거치던 기존에 비해 전력 손실을 크게 줄일 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같은 정상 가동을 진행하다가 상기 연료전지(100)를 포함한 전체 시스템의 가동을 중단하는 셧다운(shutdown)모드로 돌입하는 경우가 있는데(S7), 이때 BOP요소(700) 중 일부는 소정 시간동안 계속 가동해야 하는 경우가 있다(S8). 그런데 이때에는 연료전지(100)의 스택의 잔류 전력이 남아있기 때문에, 정상 가동 시와 마찬가지로 연료전지(100)의 스택의 잔류 전력을 이용하여 제2권선부(W22)를 통해 BOP요소(700)로 전압을 공급하면 된다. 물론, 이때에도 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 제어하여 K1 온, K2 오프 상태가 유지되게 한다.

따라서, BOP요소(700)에 전력을 공급할 때 변압 과정을 1회로 줄임으로써 전력 손실을 억제할 수 있는 전력 조절장치가 구현되는 것이다.

한편, 상기한 실시예에서는 전력원으로서 연료전지를 예시하였는데, 예컨대 태양전지를 전력원으로 사용하는 경우에도 상술한 구성과 동일하게 전력 조절장치를 구현할 수 있다. 도 5는 태양전지(100')를 전력원으로 사용하는 경우의 전력 조절장치의 구성을 보인 것이다. 태양전지(100')도 전술한 실시예의 연료전 지(100)와 마찬가지로 초기 스타트 모드에서는 출력 전압이 제대로 나오지 않으므로, 정상화될 때까지는 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 조작하여(K1 오프, K2 온) 축전지(500)의 전력이 BOP요소(700)에 공급되게 하고, 정상 출력 전압이 나오게 되면 역시 컨트롤러(710)가 온/오프 스위치(K1)(K2)를 반대로 조작하여(K1 온, K2 오프) 제2권선부(W22)를 통해 BOP요소(700)로 전압이 공급되게 한다. 그 외의 전력 조절장치의 구성과 작용은 상기 전력원이 태양전지(100')인 점만 제외하고 전술한 실시예와 같다고 보면 된다. 따라서, 전력원이 꼭 연료전지에만 한정되는 것이 아니라 태양전지와 같은 전력원을 사용하는 경우에도 본 전력 조절장치를 채용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전력 조절장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 초기 스타트 모드를 제외하고는 BOP요소로 공급되는 전압이 한 번의 변압 과정만 거치게 되므로, 기존에 비해 전력 손실을 대폭 줄일 수 있다.

둘째, 전력원의 출력 전압을 바로 BOP요소에 공급하는 것이 아니라, 메인컨버터에 부가된 권선부를 이용하는 것이므로, 사용처의 부하량에 의해 심하게 변동되지 않는 안정적인 전압을 공급할 수 있다.

셋째, 보조컨버터와 축전지는 스타트 모드에만 사용하면 되므로, 둘 다 저용량으로 설계해도 무방하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로 부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

전력원의 출력 전압을 1차 변압시키는 메인컨버터와, 상기 메인컨버터의 출력 전압을 상기 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터를 포함하는 전력 조절장치에 있어서,

상기 메인컨버터에는, 상기 전력원의 출력 전압을 사용처에 공급하기 적합한 전압으로 변압시키는 제1권선부와, 상기 전력원의 출력 전압을 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 직접 공급될 수 있도록 변압시키는 제2권선부가 구비된 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 제2권선부를 통해 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치와, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하여 두 라인이 선택적으로 교대하며 사용되게 하는 컨트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 제1권선부와 상기 보조컨버터 사이에는 축전지가 설치되어서, 초기 스타트 모드 시 상기 축전지에 충전된 전력이 상기 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 공급되도록 된 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 제1권선부와 상기 사용처 사이에는 DC전압을 AC전압으로 변환시키는 인버터가 설치된 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
제1항에 있어서,

상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 조절장치.
전력원의 출력 전압을 변압시키는 제1권선부 및 제2권선부가 각각 구비된 메인컨버터와, 상기 제1권선부의 출력 전압으로 충전된 축전지의 전압을 상기 전력원의 가동기를 포함한 BOP요소에 공급하기 위한 전압으로 2차 변압시키는 보조컨버터, 상기 축전지로부터 보조컨버터를 경유하여 상기 BOP요소에 전압이 공급되는 라인 및 상기 제2권선부를 통해 상기 BOP요소에 직결되는 라인에 각각 설치된 온/오프 스위치 및, 상기 두 라인의 온/오프 스위치를 제어하는 컨트롤러를 준비하는 단계;

상기 전력원을 스타트하는 단계;

상기 전력원의 출력 전압이 정상이 아닌 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 축전지의 전력이 BOP요소에 공급되게 하는 단계;

상기 전력원의 출력 전압이 정상이 된 경우 상기 컨트롤러로 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 제2권선부를 통해 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 전력이 공급되게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.
제6항에 있어서,

상기 전력원을 포함한 시스템을 셧다운하는 단계와,

셧다운 시에도 상기 BOP요소를 가동할 필요가 있는 경우, 상기 컨트롤러가 상기 온/오프 스위치를 제어하여 상기 전력원의 잔류전력이 상기 제2권선부를 통해 상기 보조컨버터를 거치지 않고 상기 BOP요소에 공급되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.
제6항에 있어서,

상기 전력원은 연료전지와 태양전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 조절장치 운영방법.