KR101816839B1 - 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법 - Google Patents

신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법을 공개한다. 본 발명은 신재생 에너지원에서 인가된 직류 전력을 기설정된 교류 전압으로 변환하는 직류-교류 변환기, 직류 교류 변환기에서 변환된 교류 전압을 수전해조로 인가되는 전력과 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템으로 인가되는 전력으로 분배하는 분배부, 수전해조로 인가되는 전력에 대응하는 교류 전압을 인가받아 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 변환 정류부 및 수전해조가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 분석하고, 분석된 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력과 교류 전력 공급 시스템의 요구 전력을 분석하여, 수전해조 및 교류 전력 공급 시스템으로 각각 공급될 전력을 판별하고, 판별 결과에 따라 분배부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법{COMPLEX POWER CIRCUIT FOR RENEWABLE ENERGY DIRECTLY CONNECTED HYDROGEN GENERATING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 복합 전력회로 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
과도한 화석연료 사용으로 인해 지구 온난화 등의 환경문제와 화석자원의 고갈 문제가 심각한 수준에 이르렀다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 대체 에너지원과 이를 활용할 기술 개발이 이루어지고 있다. 특히 태양과, 풍력발전 등 신재생 에너지(Renewable Energy) 기술 개발 및 상용화가 빠르게 진행되어왔다. 이러한 신재생 에너지원의 가장 큰 문제점은 에너지가 불규칙적으로 생성되어 안정적인 전력 공급원으로 사용하기 어렵다는 것이다. 이를 극복하기 위해서, 최근에는 신재생 에너지 발전원에 에너지 저장장치를 추가하고, 생성된 에너지를 저장한 후, 저장된 에너지가 안정적으로 부하로 공급되도록 함으로써, 그 효용성을 높이는 추세이다. 에너지 저장 방법의 하나로 수전해조(water electrolyzer)와 연계하여, 신재생 에너지원에서 획득된 에너지를 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 저장 및 판매하거나 연료전지 등과 함께 발전으로 사용하는 방법이 제시된다. 특히 수소는 연료전지에 공급될 수 있는 연료 중 하나로서 석유, 석탄 등 화석연료를 대체할 차세대 에너지 운반체, 즉 연료로 주목받고 있으며 연소 시 온실가스를 발생하지 않으며, 오직 물이 생성된다는 면에서 청정 에너지원으로 평가 받고 있다. 또한 수소는 저장이 용이하여 신재생 에너지의 불규칙적인 생성 특성과 장기간의 부조/무풍일수에 대응하기 위한 충분한 저장용량을 확보할 수 있고, 전력과 열에너지의 균형있는 공급이 가능하다는 점에서 시장의 요구를 만족시킬 수 있는 연료원이다.
수전해조의 특성을 전기 부하로서 모의한다면 전류에 비례해서 수소발생량이 비례적으로 증가하므로 간단하게 저항으로 해석될 수 있다. 즉, 입력되는 전류 혹은 전압을 가변함으로써 수소 발생량을 조절할 수 있다. 따라서 신재생 에너지로부터 최대의 수소 발생을 도모할 수 있도록 수전해조와 신재생 에너지원을 효율적으로 연결할 수 있는 장치가 요구된다.
한국 등록 특허 제10-0754909호 (2007.08.28 등록)
본 발명의 목적은 신재생 에너지원에서 생성된 에너지를 최대의 효율로 이용할 수 있도록 하는 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로의 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로는 신재생 에너지원에서 인가된 직류 전력을 기설정된 교류 전압으로 변환하는 직류-교류 변환기; 상기 직류 교류 변환기에서 변환된 상기 교류 전압을 수전해조로 인가되는 전력과 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템으로 인가되는 전력으로 분배하는 분배부; 상기 수전해조로 인가되는 전력에 대응하는 상기 교류 전압을 인가받아 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 변환 정류부; 및 상기 수전해조가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 분석하고, 분석된 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력과 상기 교류 전력 공급 시스템의 요구 전력을 분석하여, 상기 수전해조 및 상기 교류 전력 공급 시스템으로 각각 공급될 전력을 판별하고, 판별 결과에 따라 상기 분배부를 제어하는 제어부; 를 포함한다.
상기 제어부는 상기 교류 전력 공급 시스템과 통신을 수행하여 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하지 않는 것으로 판별되면, 상기 직류 교류 변환기에서 변환된 상기 교류 전압이 모두 상기 변환 정류부로 인가되도록 상기 분배부를 제어하고, 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력이 상기 변환 정류부로 인가되고, 나머지 전력이 상기 교류 전력 공급 시스템으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 변환 정류부는 상기 교류 전압의 전압 레벨을 기설정된 전압 레벨로 조절하는 적어도 하나의 변압기; 및 상기 적어도 하나의 변압기 각각에서 전압 레벨이 조절된 상기 교류 전압을 정류하여 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 적어도 하나의 정류기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 직류-교류 변환기는 상기 직류 전력을 상기 교류 전력 공급 시스템에서 직접 사용 가능한 3상 상용 교류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
상기 적어도 하나의 변압기는 결선 방식이 서로 다른 복수개의 변압기인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로의 제어 방법은 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로의 제어 방법에 있어서, 상기 복합 전력회로가 신재생 에너지원에서 인가된 직류 전력을 기설정된 교류 전압으로 변환하는 단계; 상기 복합 전력회로가 수전해조가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 분석하는 단계; 상기 복합 전력회로가 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템과 통신을 수행하여, 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는지 판별하는 단계; 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 복합 전력회로가 분석된 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력과 상기 교류 전력 공급 시스템의 요구 전력을 분석하여, 상기 수전해조 및 상기 교류 전력 공급 시스템으로 각각 공급될 전력을 판별하여 분배하는 단계; 및 상기 복합 전력회로가 상기 수전해조로 인가되는 전력에 대응하는 상기 교류 전압을 인가받아 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 단계; 를 포함한다.
상기 분배하는 단계는 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 복합 전력회로가 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력이 상기 수전해조로 인가되도록 분배하는 단계; 및 상기 수전해조로 인가된 전력을 제외한 나머지 전력을 상기 교류 전력 공급 시스템으로 분배하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복합 전력회로의 제어 방법은 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하지 않는 것으로 판별되면, 상기 직류 교류 변환기에서 변환된 상기 교류 전압이 모두 상기 변환 정류부로 인가하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 직류 전압으로 변환하는 단계는 상기 교류 전압의 전압 레벨을 기설정된 전압 레벨로 조절하는 단계; 및 전압 레벨이 조절된 상기 교류 전압을 정류하여 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법은 신재생 에너지원에서 생성된 전력을 교류 전력으로 변환하고, 교류 전력을 제어하여 수전해조로 인가되는 전력을 제어할 수 있으므로, 수전해조로 공급되는 전력을 더욱 효과적으로 제어할 수 있다. 그리고 신재생 에너지원에서 생성된 전력을 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템으로 곧바로 전송할 수 있어, 수소 변환 과정에서 발생할 수 있는 효율성 저하를 방지한다. 또한 교류 전력 공급 시스템이 전력을 필요로 하지 않는 경우, 최대 수소 발생 전압 이상의 직류 전력으로 재변환하여, 수전해조의 수소 생산량을 증대함으로써, 신재생 에너지원에서 생성된 전력을 상황에 맞추어 최대 효율로 활용할 수 있도록 한다. 즉 수전해조의 전원 공급뿐만 아니라 계통 연계 운전이 가능하기 때문에 다양한 부하에 적용할 수 있고 대용량 시스템으로의 확장이 용이하다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 공급 시스템을 나타낸다.
도2 는 도1 의 복합 전력회로의 상세 구성을 나타낸다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 제어 방법을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 공급 시스템을 나타낸다.
도1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 신재생 에너지 생산 공급 시스템은 태양광 및 풍력발전 시스템과 같은 신재생 에너지원(100)과 수소 생성 저장 장치(200) 및 신재생 에너지원(100)과 수소 생성 저장 장치(200) 사이에 배치되는 복합 전력회로(CPCS)를 포함한다. 그리고 신재생 에너지 생산 공급 시스템은 복합 전력회로(CPCS)에서 직접 교류 전력을 인가받는 전력 계통(electric power system)인 교류 전력 공급 시스템(ACPS)과 수소 생성 저장 장치(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 수소 연료 전지(HFC)를 포함할 수 있다.
도1 에서 수소 공급 장치(HSD)는 수소 생성 저장 장치(200)로부터 수소를 인가받고, 수소를 이용하여 직접 전력을 생산하여 기지정된 동작을 수행하는 각종 장치로 인가된 수소를 공급하는 장치이며, 상용 전력 부하(ELD)는 교류 전력 공급 시스템(ACPS) 또는 수소 연료 전지(HFC)로부터 교류 또는 직류 전력을 인가받아 지정된 동작을 수행하는 전력 소비 장치이다.
도1 에서 신재생 에너지원(100)는 상기한 태양광 및 풍력발전 시스템뿐만 아니라, 지열, 바이오, 수력 에너지 등이 이용되어도 무방하다. 그러나 현재 국내에서 가장 활발하게 연구되고, 상용 에너지원으로 이용 가능한 신재생 에너지가 태양광 및 풍력 에너지이므로, 도1 에서는 태양광 및 풍력 에너지를 일예로 도시하였다.
한편 신재생 에너지원(100)는 대부분 자연 환경으로부터 에너지를 전력 형태로 획득하도록 구성되고, 환경의 변화에 따라 전력의 생산량에 큰 차이가 발생하게 되며, 경우에 따라서 전력을 생산하지 못하는 경우도 발생한다. 즉 전력 생산이 불규칙적이며, 예측 또한 매우 어렵다는 문제가 있다. 그리고 생산되는 전력이 불규칙한 경우, 상기한 바와 같이 부하단에서 필요로 하는 전력을 안정적으로 공급할 수 없을 뿐만 아니라, 오히려 전력의 변동폭에 따라 부하에 불필요한 악영향을 미칠 수 있다. 즉 신재생 에너지원(100)에서 생산된 전력을 직접 전력 부하로 공급할 수 없다.
이에 본 발명에서는 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력을 부하에 적합한 전력으로 변환하여 안정적으로 공급하기 위한 복합 전력회로(CPCS)를 구비한다. 본 발명에서 복합 전력회로(CPCS)는 먼저 수소 생성 저장 장치(200)가 최대 효율로 수소를 생산 및 저장할 수 있는 형태의 전력과 전력량을 분석하고, 분석 결과에 따라 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력을 변환하여 수소 생성 저장 장치(200)로 공급한다. 복합 전력회로(CPCS)는 우선적으로 신재생 에너지원(100)에서 생성되는 전력 대비 수소 생성 저장 장치(200)의 수전해조(WEZ)가 최대 효율로 수소를 생산할 수 있는 형태의 전력과 전력량을 분석한다.
수전해조(WEZ)는 전력이 인가되면, 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하며, 수전해조 중 고체고분자수전해조의 경우 최대 90%정도의 높은 에너지 변환 효율로 수소 생성이 가능하다. 수전해조(WEZ)는 입력된 전류에 비례해서 수소발생량이 비례적으로 증가하는 특성을 나타내는 전기 부하로서 모의될 수 있으므로, 저항 소자와 유사한 전기적 특성을 나타낸다. 즉, 수전해조(WEZ)로 인가되는 전압을 가변함으로써, 수전해조(WEZ)의 수소 발생량을 조절할 수 있다. 그리고 본 발명에서 수전해조(WEZ)로 인가되는 전압은 복합 전력회로(CPCS)의 출력 중 하나이므로, 복합 전력회로(CPCS)는 신재생 에너지의 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking : MPPT) 및 최대 수소 발생 전압 분석을 통해, 신재생 에너지원(100)의 전력 생산 효율성 및 수전해조(WEZ)의 수소 발생 효율성 양쪽을 모두 만족하기 위한 전력으로 변환한다. 예로서, 최대 출력 추종 제어 방식에 따라 신재생 에너지원(100)이 최대 전력을 생산할 수 있는 전압 레벨로 전력을 생성하여 전송하면, 복합 전력회로(CPCS)는 인가된 전력을 수전해조(WEZ)의 수소 발생 효율성을 극대화 할 수 있는 최대 수소 발생 전압으로 변환한다. 특히 본 발명에서 복합 전력회로(CPCS)는 신재생 에너지원(100)에서 인가되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 다시 직류 전력으로 변환하여 수전해조(WEZ)로 공급하도록 구성된다. 특히 복합 전력회로(CPCS)는 신재생 에너지원(100)에서 인가되는 직류 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 사용하는 상용 교류 전력으로 변환한다.
이는 본 발명의 복합 전력회로(CPCS)가 수소 생성을 위한 전력을 공급할 뿐만 아니라, 동시에 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에 대한 계통연계 전력 공급 장치로서 운용할 수 있도록 하기 위함이다. 상기한 바와 같이, 현재 대부분의 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력은 직류인 반면, 현재 상용으로 이용되는 전력 계통은 교류를 기반으로 구성되어 있다. 따라서 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력은 곧바로 사용 전력 계통으로 공급될 수 없다.
그러므로 복합 전력회로(CPCS)는 먼저 신재생 에너지원(100)에서 생성된 직류 전력을 직접 전력 계통의 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 공급할 수 있는 교류 전력으로 변환한다. 그리고 변환된 교류 전력으로부터 수전해조(WEZ)로 공급할 최대 수소 발생 전압을 우선 생성한다. 상기한 바와 같이 최대 수소 발생 전압은 직류이므로, 복합 전력회로(CPCS)는 변환된 교류 전력을 다시 직류 전력으로 재변환하여 공급한다.
복합 전력회로(CPCS)는 변환된 교류 전력 중 수전해조(WEZ)로 공급하기 위해 직류 전력으로 재변환되는 전력을 제외한 나머지 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 공급할 수 있다. 이때 복합 전력회로(CPCS)는 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 사용 가능한 교류 전력으로 이미 변환한 상태이므로, 별도의 처리 없이 곧바로 교류 전력을 공급할 수 있다. 즉 본 발명에서 복합 전력회로(CPCS)는 전력 이용의 효율성을 극대화 하기 위해, 수전해조(WEZ)가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있도록 하는 최대 수소 발생 전압을 우선 생성하고, 나머지 교류 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 공급한다.
다만 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 전력을 필요로 하지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 이 경우 복합 전력회로(CPCS)는 교류 전력 공급 시스템(ACPS)로 전력을 공급하지 않고, 최대 수소 발생 전압 이상의 전압을 생성할 수 있다. 기존의 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템(ACPS)는 기본적으로 신재생 에너지원(100)을 제외한 별도의 전력 생산 수단을 구비하고 있으며, 이를 이용하여 생산된 전력을 공급하도록 구성된다. 다만 전력 수요는 수시로 변동되며, 변동되는 전력 수요를 교류 전력 공급 시스템(ACPS)의 전력 생산 수단이 대응하지 못하는 경우가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 전력 생산 수단에 대비한 신재생 에너지원(100)의 장점을 고려할 때, 가능한 신재생 에너지원(100)을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 상기한 바와 같이, 신재생 에너지원(100)에서는 전력이 불규칙적으로 생산되고, 기존의 전력 생산 수단은 전력 생산량을 실시간으로 즉각 변경하기 어려운 구조이다. 따라서 기존의 전력 생산 수단이 전체 전력 수요를 충분히 공급할 수 있는 수준으로 전력을 생산하는 경우가 매우 빈번하게 발생한다. 기존의 전력 생산 수단이 전체 전력 수요를 충분히 공급할 수 있는 수준으로 전력을 생산한 경우에, 복합 전력회로(CPCS)가 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 전력을 공급할 필요성은 없다. 이는 전력이 저장 효율이 좋지 않은 에너지의 형태이기 때문이다.
그리고 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 추가 전력을 필요로 하지 않으면, 복합 전력회로(CPCS)는 변환된 교류 전력을 수전해조(WEZ)가 최대 효율로 수소를 생산할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 초과하는 직류 전압으로 변환하여 수전해조(WEZ)로 공급할 수 있다. 이는 수전해조(WEZ)수소 생성 효율이 일부 낮아지게 될지라도, 신재생 에너지원(100)에서 이미 생산된 전력으로 수소를 더 생산하는 것이 이후, 활용도 측면에서 더욱 효과적이기 때문이다.
수소 생성 저장 장치(200)는 수전해조(WEZ) 및 수소 저장 탱크(HTK)를 구비한다. 수전해조(WEZ)는 복합 전력회로(CPCS)에서 인가되는 전압에 따라 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성한다. 여기서 생성된 수소는 수소 저장 탱크(HTK)에 저장되고, 산소는 별도로 처리된다. 일반적으로 생성된 산소 또한 다양한 용도에 이용될 수 있으나, 전력 생산과는 무관하므로 본 발명에서는 생성된 산소의 후처리 방법에 대해서는 특별히 언급하지 않는다.
한편 수소 탱크(HTK)에 저장된 수소는 수소 연료 전지(HFC)로 공급되거나, 수소를 공급하는 수소 공급 장치(HSD)로 제공될 수 있다. 수소 연료 전지(HFC)는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 장치로서 전기 분해로 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해조(WEZ)의 역반응을 이용하여 수소와 산소를 반응시킴으로써 전력을 생산한다. 수소 공급 장치(HSD)는 수소를 공급받아 수소로부터 직접 전력을 생성하여 구동되는 수소 자동차와 같은 각종 수소 부하(미도시)로 수소를 공급한다.
결과적으로 본 발명에서 복합 전력회로(CPCS)는 우선 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 즉시 사용 가능한 상용 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력 중 수전해조(WEZ)로 공급할 최대 수소 발생 전압을 생성하기 위한 전력을 직류 전력으로 우선적으로 재변환한다. 이후 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 요구하는 전력을 분석하여, 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에 전력 공급이 필요한 경우, 변환된 상용 교류 전력을 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 직접 교류 전력을 전달함으로써, 수소 변환 과정에서 발생할 수 있는 효율성 저하를 방지한다. 또한 교류 전력 공급 시스템(ACPS)이 전력을 필요로 하지 않는 경우, 최대 수소 발생 전압 이상의 직류 전력으로 재변환하여, 수전해조(WEZ)의 수소 생산량을 증대함으로써, 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력을 상황에 맞추어 최대 효율로 활용할 수 있도록 한다.
즉 수전해 전원공급뿐만 아니라 계통연계운전이 가능하기 때문에 다양한 부하에 적용할 수 있고 대용량 시스템으로의 확장이 용이하다.
도2 는 도1 의 복합 전력회로의 상세 구성을 나타낸다.
도2 를 참조하면, 복합 전력회로(CPCS)는 직류-교류 변환기(CONV), 분배부(DIV), 변환 정류부(CRCF) 및 제어부(CON)를 구비한다.
우선 직류-교류 변환기(CONV)는 신재생 에너지원(100)로부터 직류 전력(Ppv)을 인가받아 기설정된 전압을 갖는 교류 전압(Vinv)으로 변환하여 분배부(DIV)로 전송한다. 이때 교류 전압(Vinv)는 3상 교류 전압일 수 있다.
제어부(CON)는 신재생 에너지의 최대 출력 추종 제어(MPPT) 및 최대 수소 발생 전압 분석을 수행하여, 신재생 에너지원(100)의 전력 생산 효율성 및 수전해조(WEZ)의 수소 발생 효율성 양쪽을 모두 만족하기 위한 전력을 확인하고, 수전해조(WEZ)의 수소 발생 효율성을 극대화 할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 계산한다. 그리고 계산된 최대 수소 발생 전압을 생성하기 위해 신재생 에너지원(100)에서 인가된 전력 중 변환 정류부(CRCF)로 전달해야하는 전력을 분석한다.
또한 제어부(CON)는 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로부터 전력 요구량을 인가받아 분석한다. 이를 위해 제어부(CON)는 교류 전력 공급 시스템(ACPS)과 통신을 수행할 수 있다. 그리고 제어부(CON)는 분석된 변환 정류부(CRCF)로 전달해야하는 전력과 교류 전력 공급 시스템(ACPS)의 전력 요구량에 응답하여, 분배부(DIV)를 제어함으로써, 변환 정류부(CRCF)와 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 인가될 전력량을 조절한다.
분배부(DIV)는 제어부(CON)의 제어에 따라 직류-교류 변환기(CONV)에서 인가된 교류 전압을 변환 정류부(CRCF)와 교류 전력 공급 시스템(ACPS) 중 적어도 하나로 전달한다. 이때 분배부(DIV)는 제어부(CON)의 제어에 의해 인가된 전력이 분배되어 전송되도록 조절할 수 있다. 분배부(DIV)는 일예로 도2 에 도시된 바와 같이, 2개의 스위치(SW1, SW2)로 구현될 수 있으며, 경우에 따라서는 별도의 전력 분배기를 구비하여 전력을 분배할 수도 있다.
변환 정류부(CRCF)는 분배부(DIV)에서 인가된 교류 전압을 수전해조(WEZ)에서 이용 가능한 전압 레벨로 변환 및 정류하여 직류 전압(Vhydro)로 재변환한다. 본 발명에서 변환 정류부(CRCF)는 도2 에 도시된 바와 같이 Δ-Y 결선 및 Δ-Δ 결선과 같이, 결선 방식이 서로 다른 2개 이상의 변압기(TF1, TF2)와 변압기(TF1, TF2)의 출력을 정류하는 정류기(RCF1, RCF2)를 사용하여 3상 교류인 교류 전압(Vinv)의 각 상을 교차시킴으로써, 안정적인 고품질의 직류 전압(Vhydro)를 생성할 수 있다.
한편 도2 에서 제3 변압기(TF3)는 직류-교류 변환기(CONV)에서 변환된 교류 전압(Vinv)이 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 직접 사용 가능한 상용 교류 전력으로 출력되지 않는 경우에, 상용 교류 전력으로 변환하기 위해 구비되는 추가 구성으로, 만일 직류-교류 변환기(CONV)가 교류 전압(Vinv)이 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 직접 사용 가능한 상용 교류 전력으로 출력한다면, 생략될 수 있다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 제어 방법을 나타낸다.
도1 및 도2 를 참조하여, 도3 의 복합 전력회로 제어 방법을 설명하면, 복합 전력회로(CPCS)의 직류-교류 변환기(CONV)가 먼저 신재생 에너지원(100)으로부터 직류 전력을 인가받아, 기설정된 교류 전압으로 변환한다(S10). 여기서 변환된 교류 전압은 교류 전력 공급 시스템(ACPS)에서 사용되는 상용 3상 교류 전압일 수 있다.
그리고 제어부(CON)는 수전해조(WEZ)의 수소 발생 효율성을 극대화 할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 생성하기 위해 신재생 에너지원(100)에서 인가된 전력 중 변환 정류부(CRCF)로 전달해야하는 전력을 분석한다(S20).
또한 제어부(CON)는 교류 전력 공급 시스템(ACPS)과 통신을 수행하여, 교류 전력 공급 시스템(ACPS)이 전력을 요구하는지 판별한다(S30). 만일 교류 전력 공급 시스템(ACPS)이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 제어부(CON)는 분석된 변환 정류부(CRCF)로 전달해야하는 전력과 교류 전력 공급 시스템(ACPS)의 전력 요구량에 응답하여, 분배부(DIV)를 제어함으로써, 변환 정류부(CRCF)와 교류 전력 공급 시스템(ACPS)으로 인가될 전력량을 조절하여 분배한다(S40). 분배된 전력 중 전력 공급 시스템(ACPS)으로 인가될 전력은 직류-교류 변환기(CONV)에서 이미 상용 교류 전력으로 변환된 상태이므로, 곧바로 전력 공급 시스템(ACPS)으로 전송된다. 그러나 교류 전력 공급 시스템(ACPS)이 전력을 요구하지 않는 것으로 판별되면, 제어부(CON)는 직류-교류 변환기(CONV)에서 출력되는 전력을 모두 변환 정류부(CRCF)로 전달한다.
한편, 변환 정류부(CRCF)는 전달된 전력을 수전해조(WEZ)에서 사용하기 적합한 형태의 직류 전압으로 재변환한다(S50). 그리고 재변환된 전력을 수전해조(WEZ)로 전송하여, 신재생 에너지원(100)에서 생성된 전력으로부터 최대 효율로 수소가 생산될 수 될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 신재생 에너지원에서 인가된 직류 전력을 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템에서 직접 사용 가능한 3상 상용 교류 전압으로 변환하는 직류-교류 변환기;
    상기 직류 교류 변환기에서 변환된 상기 교류 전압을 수전해조로 인가되는 전력과 상기 교류 전력 공급 시스템으로 인가되는 전력으로 분배하는 분배부;
    상기 수전해조로 인가되는 전력에 대응하는 상기 교류 전압을 인가받아 상기 교류 전압의 전압 레벨을 상기 수전해조에서 이용 가능한 전압 레벨로 조절하는 결선 방식이 서로 다른 복수개의 변압기를 포함하고 상기 전압 레벨이 조절된 교류 전압을 정류하여, 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 변환 정류부; 및
    상기 수전해조가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 분석하고, 분석된 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력과 상기 교류 전력 공급 시스템의 요구 전력을 분석하여, 상기 수전해조 및 상기 교류 전력 공급 시스템으로 각각 공급될 전력을 판별하고, 판별 결과에 따라 상기 분배부를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 교류 전력 공급 시스템과 통신을 수행하여 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하지 않는 것으로 판단되면, 상기 직류 교류 변환기에서 변환된 상기 교류 전압이 모두 상기 변환 정류부로 인가되도록 상기 분배부를 제어하고, 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력이 상기 변환 정류부로 인가되고, 나머지 전력이 상기 교류 전력 공급 시스템으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로.
  2. 삭제
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  6. 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로의 제어 방법에 있어서,
    상기 복합 전력회로가 신재생 에너지원에서 인가된 직류 전력을 전력 계통인 교류 전력 공급 시스템에서 직접 사용 가능한 3상 상용 교류 전압으로 변환하는 단계;
    상기 복합 전력회로가 수전해조가 최대 효율로 수소를 생성할 수 있는 최대 수소 발생 전압을 분석하는 단계;
    상기 복합 전력회로가 상기 교류 전력 공급 시스템과 통신을 수행하여, 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는지 판별하는 단계;
    상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 복합 전력회로가 분석된 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력과 상기 교류 전력 공급 시스템의 요구 전력을 분석하여, 상기 수전해조 및 상기 교류 전력 공급 시스템으로 각각 공급될 전력을 판별하여 분배하는 단계; 및
    상기 복합 전력회로가 상기 수전해조로 인가되는 전력에 대응하는 상기 교류 전압을 인가받아 상기 교류 전압의 전압 레벨을 상기 수전해조에서 이용 가능한 전압 레벨로 조절하여, 상기 전압 레벨이 조절된 교류 전압을 정류함에 따라 상기 수전해조에서 사용 가능한 직류 전압으로 변환하는 단계;를 포함하되,
    상기 분배하는 단계는, 상기 교류 전력 공급 시스템이 전력을 요구하는 것으로 판별되면, 상기 복합 전력회로가 상기 최대 수소 발생 전압에 대응하는 전력이 상기 수전해조로 인가되도록 분배하는 단계; 및 상기 수전해조로 인가된 전력을 제외한 나머지 전력을 상기 교류 전력 공급 시스템으로 분배하는 단계를 더욱 포함하는 복합 전력회로의 제어 방법.
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