KR20100049591A - Ａｃ 및 ｄｃ 전원을 가진 전력 시스템 - Google Patents

Ａｃ 및 ｄｃ 전원을 가진 전력 시스템 Download PDF

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스티븐 제이. 프리뎃
웨슬리 이. 세드래식
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유티씨 파워 코포레이션
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Abstract

전력 시스템(110;210;310)은 AC를 사용자 부하(16)로 제공하고 DC를 다양한 DC 보조 부하(134,134A)로 제공하기 위하여 AC 그리드(12)로부터의 AC 공급과 함께 DC 출력 단자(20A,20B)를 가진 전원(14)을 결합한다. DC 전원(14)의 DC 출력 단자는 정상 상태에서 사용자 부하(16)로의 연결(124,124A,32) 및 어느 AC 보조 부하(134,234)로의 연결(124,124B)을 위해 AC로 변환하도록 컨버터/양방향 인버터(122;222)의 DC 입력 단자(120A,120B,60)로 연결된다. DC 전원(14)의 시동 중에, 열린 절연 스위치(70)는 상기 DC 전원(14)을 양방향 인버터(122;222)로부터 연결을 해제한다. 시동 전원(50,60;250,60;90,180,60)은 인버터 DC 입력 단자에서 그리고 특정 DC 보조 부하(134,234)로 정류된 DC 전력의 공급을 제공하기 위하여 AC 전원 그리드(12)와 양방향 인버터(122;222) 및/또는 DC 제어기(134A) 사이에서 선택적으로 연결(56;94)한다. DC 전력은 시동 중 및 정상 상태 동안에 인버터 DC 입력 단자에서 보조 부하로 실질적으로 계속 공급된다.

Description

ＡＣ 및 ＤＣ 전원을 가진 전력 시스템 {POWER SYSTEM HAVING AC AND DC POWER SOURCES}
본 발명은 전력 시스템에 관한 것이며 보다 구체적으로는 다양한 전원으로부터 전력을 공급하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 DC 출력을 가진 전원으로부터 부하로 또는 AC 전원으로, 혹은 양자 모두로 전력을 공급하고, 또한 AC 전원으로부터 부하로 전력을 공급하는 시스템에 관한 것이다.
다양한 부하로의 전력의 공급과 분배는 상기 목표를 이루기 위한 다수의 상이한 구성에 의존한다. 보다 많은 관심을 받는 한 분야는 발전기 또는 통상적인 AC 전기 유틸리티 그리드(간단히 "AC 그리드") 같은 AC 전원뿐만 아니라 부가적으로 연료전지, 마이크로터빈, 태양전지 등과 같은 전원으로부터 보통 고정된 다양한 부하로 전력을 공급하는 것이다. 종종 통상적인 AC 전기 그리드는 하나의 전원으로서 작용을 하지만, 연료전지 등의 또 다른 전원과 함께 "파트너"가 된다. 사실, 이러한 몇몇 시스템은 사용자 부하의 전용 그룹, 예를 들어 병원, 몰(mall) 등을 위한 기본 부하 수요량을 공급하기 위해 연료전지 또는 마이크로터빈 등에 의존하고, AC 그리드를 최대 수요량에 대비하여 또는 대체가능한 백업으로서 사용한다.
물론 상기 구성은 상기의 다양한 전원을 다루기 위해서 적절하고 때로는 복잡하고 그리고/또는 비싼 분배 및 절환 구성이 필요하다. 이것은 통상적인 그리드가 많은 또는 대부분의 또는 모든 사용자 부하가 의존하고 있는 것으로 보이는 교류(AC)를 제공하는 반면, 많은 전원이 그 전력 출력을 직류(DC)로 제공한다는 점에서 더욱 복잡하다. 이는 전통적으로 연료전지 전원과 함께 사용될 때의 상황인데, 연료전지 전원은 예를 들어 종종 AC 전원 그리드와 병렬로 사용자 부하에 연결하기 위해 추후 인버터에 의해 AC로 변환되는 DC 출력을 제공한다. 이러한 전원 분배 구성의 예는 예를 들어 본 발명의 출원인에게 모두 귀속되어 있는 미국 특허 제6,465,910호, 제6,757,590호 및 제7,061,139호에 나타나있다.
도 1의 블록도에서 도시된 바와 같이, 하나의 전원으로서 AC 그리드(12)와 같은 AC 전원을 가진 전력 시스템(10)과 일반적으로 적어도 초기에는 DC 전원을 제공하는 하나 이상의 추가 전원(14)을 제공하는 것이 대부분의 구성에서 일반적이다. 도 1에 도시된 예에서, 그리고 본 발명의 이후 설명을 위하여, 상기 DC 전원은 연료전지(14)의 구성 안에서 설명되고 나타날 것이다. 그러나 사용자 부하에 연결하기 위하여 AC로 변환되는 DC 전력을 공급하는 범위에서 마이크로터빈, 광전지 등의 다른 종류의 전원을 채용하는 전력 시스템에서도 유사하게 본 발명이 유용하다는 것이 이해될 것이다.
또한, 도 1에 관하여, 상기 AC 그리드(12)와 연료전지(14)는 각기 독립적으로(교대로) 또는 병렬 조합으로 전력을 일반적으로 AC 형태로 소위 "사용자 부하"(16)로 공급한다. 상기 연료전지(14)는 연료전지의 출력 단자로부터 도선(20A,20B)을 통해 본 명세서에서는 인버터(22)로 도시된 DC를 AC로 변환하는 컨버터(22)의 DC 입력 단자로 연결되는 DC 전원으로서 기능을 한다. AC 그리드(12) 및 인버터(22)로부터의 AC 전력은 일반적으로 3상이지만, 본 발명과 관련하여 도 1 및 그 이후에서 간단하게 도시하기 위해, 다른 도선은 있다는 가정 하에서 단일 도선에 나타나는 것으로 도시되었다. 이와 유사하게, 본 발명 및 도 1의 다양한 제어 회로의 태양과 관련하여, 단일 도선 표현은 시그널 컨덕터로 기능하는 꼬여진 쌍으로 된 도선 또는 집단 병렬 도선에 때때로 사용되어 왔다는 점을 이해할 것이다.
상기 인버터(22)로부터의 AC 출력은 도선(24)에 나타나고, 이 도선(24)은 분기 도선(24A) 및 분기 도선(24B)을 포함한다. 분기 도선(24A)은 그리드 독립형 스위치(G/I 스위치)(26)를 포함하는 것으로 도시되며 노드(27)로 연결된다. 이와 유사하게, 그리드(12)로부터 AC는 도선(28)에 나타나며, 분기 도선(28A) 및 분기 도선(28B)을 포함한다. 분기 도선(28A)은 그리드 연결 스위치(G/C 스위치)(30)를 포함하는 것으로 도시되며, 노드(27)로 연결된다. 공통된 도선(32)은 각각 G/I 스위치(26)와 G/C 스위치(30)의 상태에 의해 결정되어, 전원(12)과 전원(14) 중 어느 하나 또는 모두로부터의 AC 전원을 사용자 부하에 공급하기 위해 노드(27)로부터 사용자 부하(16)로 뻗어있다. 일반적으로, 정상 상태 작동에서, 적어도 G/I 스위치(26)는 연료전지(14)로부터의 전력을 공급하기 위해 보통 닫혀있으며, G/C 스위치(30)도 AC 그리드(12)로부터 병렬로 전력을 동시에 공급하기 위해 닫혀 있을 것이다. 연료전지(14)에서 공급되는 어떤 초과 전력도 그리드(12)로 향할 것이다. G/C 스위치(30)가 열려 있다면, 연료전지는 사용자 부하(16)로의 단일 전원으로서 그리드와 독립적인 모드로 작동한다.
중요하게, 연료전지(14) 전력 시스템과 관련하여 본 명세서에서 일반적으로 "보조 부하"(34)라고 표시되는 다수의 추가 전기 부하가 있다. 보조 부하(34)는 본 명세서에서는 총체적으로 제어기(34A)로 도시된 전력 조절 시스템(PCS) 및 전자 제어 시스템(ECS)을 위한 제어기뿐만 아니라 팬, 펌프, 블로어(blower), 히터 등을 포함할 수 있으며, 이들은 AC 및/또는 DC 타입의 부하가 될 수 있다. 사실, 보조 부하는 일반적으로 AC 및 DC 부하가 섞여 있어왔고, 현재도 마찬가지이다. 본 명세서에서는 단극 쌍투 스위치(single pole double throw switch)로 도시된 자동 전환 스위치(ATS)(40)는 보조 부하(34)에 전력 입력을 제공하기 위하여 도선(42)을 통해 보조 부하(34)에 연결된 공통 단자를 가진다. 그리고 상기 전환 스위치(40)는 보조 부하(34)를 분기 도선(24B)을 통해 인버터(22)의 AC 출력단으로 또는 분기 도선(28B)을 통해 AC 그리드(12)의 AC 출력단으로 연결하는 역할을 한다. 어떤 경우라도, "보조 부하"(34)라고 표시된 기능 블록의 입력단으로 공급되는 전력은 AC이지만, 상기 부하 중 일부는 DC 타입이어서 추가적인 AC 전력의 DC 전력으로의 변환이 필요하다는 것을 알 수 있다. 상기 변환/정류는 보조 부하를 나타내는 기능 블록(34)의 내부에 구비되고, 별도도 도시되지 않았지만 적절한 추가 제어 및/또는 회로가 필요하다는 것을 이해할 수 있다.
상기 자동 전환 스위치(40)는 분기 도선(24B)으로 향한 바이어스로 분기 도선(24B) 또는 분기 도선(28B)의 전압을 감지하고 전압이 있다면 회로를 닫기 위하여 연결되고 구성된 제어 회로를 포함한다. 그러나 연료전지(14) 전력 시스템의 초기 시동 중에, G/I 스위치(26)와 G/C 스위치(30)는 모두 "열린" 상태이며 인버터(22)의 AC 출력단으로부터의 분기 도선(24B)에는 전압이 없다. 따라서, 상기 자동 전환 스위치(40)는 연료전지(14) 전력 시스템이 작동할 때까지 보조 부하(34)에 초기 전력을 제공하기 위하여 AC 그리드(12)와 함께 분기 도선(28B)을 통하여 닫힌 회로를 만들고, 그 후에 자동 전환 스위치(40)는 보조 부하에 전력을 제공하기 위해 분기 도선(24B)으로 연결된다. 게다가, 도시되지 않은 적절한 제어기 및 동작 알고리즘은 전원(12)과 전원(14) 중 어느 하나 또는 모두로부터 사용자 부하(16)로 AC 전력을 연결하기 위해 각각 G/I 스위치(26)와 G/C 스위치(30)를 조절한다(닫힘 및/또는 열림).
상기 구성은 만족스러운 작동을 제공하더라도 몇 가지 제한을 포함한다. 상기 자동 전환 스위치(40)는 도선(24B)과 도선(28B) 사이에서의 기계적인 절환 때문에 가끔 실패하게 마련이다. 아마도 그 정도는 더 약하겠지만 동일한 현상이 G/I 스위치(26)에도 발생할 수 있다. 또한, 연료전지(14)로부터의 DC를 인버터(22)를 통해 AC로 변환하고 나서 DC를 필요로 하는 보조 부하(34)의 일부에 전력을 공급하기 위하여 상기 AC 중 일부를 다시 DC로 재변환(정류)하는 과정은 시스템의 효율성에 있어서 추가 부담이다. 이는 AC 시스템을 위한 전압과 주파수가 다양하므로 시스템을 다른 나라에서 사용하기 위한 시스템으로 구성할 수 있는 융통성을 가지기 위해 AC 보조 부하에 비해 DC 보조 부하의 비율을 최대화하는 것이 바람직하다는 점을 고려할 때 특별히 주목할 만하다. 다른 말로 말하면, AC 전원용 보조 부하가 적을수록, 다른 나라에서 사용하기 위해 변경 또는 주문 제작될 필요가 있는 AC 부하가 적고, 따라서 변경의 필요성 때문에 발생하는 비용을 절감한다.
연료전지 등과 같은 DC 출력을 가지는 전원이 예를 들어 AC 파워 그리드와 같은 AC 전원으로부터의 AC 전력의 공급과 함께 병렬로 연결될 수 있는 전력 시스템이 제공된다. 일반적으로 양방향 인버터인 파워 컨버터는 DC 입력단 또는 단자의 DC를 AC 출력단 또는 단자의 AC로 변환하기 위하여 제공된다. 컨버터의 AC 출력단과 하나 이상의 일반적인 부하 또는 사용자 부하 사이에, AC 전력을 상기 부하에 공급하기 위한 전기적 연결이 존재한다. 그리드 연결 스위치는 컨버터의 AC 출력단과 함께 병렬로 AC 파워 그리드를 선택적으로 연결 또는 연결 해제하기 위하여, 컨버터의 AC 출력단과 AC 파워 그리드로부터의 AC의 공급 사이에 연결된다. DC 전원을 작동하는 보조 부하는 하나 이상의 DC 부하를 포함하며, 그 중 일부는 일반적으로 전기적 제어/제어기, 가변 속력 드라이브, 액추에이터를 위한 DC 코일, 전원, DC 전원 및 전력 시스템을 위한 기타의 부하를 포함한다. 시동 전원은 DC 전원의 시동 중에 AC 파워 그리드로부터의 AC 전원과 적어도 컨버터 사이에 연결될 수 있고, 또 적어도 컨버터의 DC 입력단에서 DC 전력의 예비 공급을 제공하기 위해 AC 전기 전력의 공급에 대하여 즉각 반응한다. 프리차지(precharge) 회로의 형태는 두 개 이상의 실시예에서는 예비 전원을 제공하며, 또 다른 실시예에서는 상기 예비 DC 전력의 일부를 보조 부하의 일부에 제공하기 위한 통상적인 소형 DC 전원을 제공한다.
절연 스위치는 DC 전원의 시동 중에 컨버터의 DC 입력단의 DC를 DC 전원으로부터 선택적으로 절연하기 위해, DC 전원의 출력단과 컨버터의 DC 입력단 사이에 연결된다. DC 전력을 하나 이상의 DC 보조 부하에 추가 변환 없이 지속적으로 공급하기 위하여 컨버터의 DC 입력단과 상기 보조 부하 사이에 전기적 연결이 제공된다.
일 실시예에서, 시동 전원은 AC 출력을 DC 출력으로 변환하기 위한 정류기를 가진 프리차지 회로를 포함하며, 상기 DC 출력은 컨버터/인버터의 DC 입력단을 가로지르는 DC 링크 축전지에 연결된다. 컨버터/인버터로의 DC 입력단에 있고 DC 보조 부하까지 연결되는 DC 전력은 ECS 및/또는 PCS 제어기에 전력을 공급하기에 충분하고, 이제 상기 제어기는 그리드 연결 스위치를 닫고 그에 따라 AC 파워 그리드로부터의 AC를 양방향 인버터의 AC 출력단 또는 출력 단자로 인가한다. 이로써 인버터의 DC 입력단에 적당한 DC 전압이 제공되며, 연료전지 또는 다른 DC 전원을 작동하기 위해 필요한 나머지 DC 보조 부하에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 가진다.
또 다른 실시예에서, 시동 전원은 어떤 정류기도 없이 간단히 전류 제한기를 포함하는 프리차지 회로를 포함하며, 역으로 작동하는 인버터가 인버터의 DC 입력단을 가로질러 있는 DC 링크 축전지에 DC 전압을 제공하도록 상기 시동 전원은 대신 양방향 인버터의 AC 출력단 또는 출력 단자로 연결된다. 상기 실시예와 같이, 상기 DC 전압은 보조 부하에 연결되고, ECS 및/또는 PCS 제어기에 전력을 공급하기 위한 충분한 전력을 가지고, 이제 그리드 연결 스위치를 닫아서, 상기의 결과를 더 얻기 위해 AC 전원 그리드로부터의 총 AC 전력을 양방향 인버터의 AC 출력단으로 인가한다.
상기의 실시예들 중의 어떤 것에서든, 바람직하게는 프리차지 회로가 컨버터/인버터와 AC 전원 그리드로부터의 AC 공급 사이에서 프리차지 회로를 선택적으로 연결 또는 연결 해제하기 위한 스위치를 포함한다. 프리차지 회로가 그리드 연결 스위치를 처음 닫는 것을 완료했을 때 프리차지 회로를 연결 해제함으로써 상기 전력 시스템의 효율성이 어느 정도 증가한다.
다른 실시예에서, 시동 전원은 다소 더 복잡하고, 시동 중의 단계에서 보조 부하에 전력을 집단적으로 제공하기 위하여, 양방향 인버터에 연결된 프리차지형 회로와 보조 부하의 제어기를 위한 소형의 통상적인 AC-to-DC 전원을 결합하고 있다. 프리차지형 회로는 AC 전원과 양방향 인버터의 AC 출력단 사이에 연결될 수 있는 적당한 크기의 LCL(인덕터, 축전지, 인덕터) 필터를 포함할 수 있다. 상기 소형 AC to DC 전원은 시동을 시작하기 위해 AC 전원과 보조 부하의 제어기 사이에서 한시적으로 연결될 수 있고, 일단 제어기가 추후 시동 단계를 완료하기 위해 LCL 필터에 AC를 공급하도록 스위치(30;그리드 연결 스위치)를 닫으면 연결이 해제될 수 있다.
연결이 DC 전원, 예를 들어 연료전지와 DC 보조 부하와 관계된 부하 사이에 존재한다. 상기 부하는 참조 전압을 형성하기 위하여 DC 전원의 출력단에서 전압을 조정하도록 사용된다. 그에 따라, DC 보조 부하는 일반적으로 PCS 제어기인 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 DC 전원 출력단에서 참조 전압과 실질적으로 또는 명목상으로 맞추기 위해 컨버터/양방향 인버터의 DC 입력단의 DC 전압을 조정하도록 작동하며, 또한 그리고나서 컨버터/인버터의 DC 입력단과 DC 전원의 DC 출력단을 연결하기 위해 절연 스위치를 닫도록 작동한다.
본 발명의 상기 특징과 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 예시적인 실시예에 대한 이후의 상세한 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
상기 구성은 사용자 부하에 전력을 공급하기 위하여 AC 및 DC 전원을 결합한 선행기술의 전력 시스템에서의 그리드 독립형 스위치 및 자동 전환 스위치가 필요 없다. 또한, 이로써 특히 정상 상태 작동 중에, 컨버터 AC 출력단으로부터의 AC가 DC 보조 부하를 위해 다시 DC로 변환될 필요없이, 다양한 보조 부하의 DC 부하가 컨버터 DC 입력단에 나타나는 DC로부터 "직접" DC를 공급받을 수 있다. 또한, 보조 부하로 DC 전력을 공급하기 위한 구조의 단순함으로 인해 AC 보조 부하에 비해 더 많은 DC 보조 부하의 사용이 가능하며, 이는 이제 다양한 다른 나라의 AC 전력 시스템에 AC 보조 부하를 맞추는 것과 관련된 복잡함과 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 선행기술에 따른 AC 전원과 DC 전원을 가진 전력 시스템의 간략한 개략 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 시스템과 유사하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 구성을 도시한 전력 시스템의 간략한 개략 블록도이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 프리차지 회로의 간략한 개략 블록도이다.
도 4는 도 2의 전력 시스템과 유사하지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시동 전원의 대체 구성을 도시한 전력 시스템의 간략한 개략 블록도이다.
도 5는 도 4의 실시예에 따른 프리차지 회로의 간략한 개략도이다.
도 6은 도 2 및 도 4의 전력 시스템과 유사하지만 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시동 전원의 다른 구성을 도시한 전력 시스템의 간략한 개략 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 전력 시스템(110)의 이해를 위해, 특히 도 1의 선행기술과 대비하여 DC 출력을 가진 전원으로서의 한 개 이상의 연료전지의 예시 구성으로서, 도 2를 참조한다. 두 구성에서 동일한 또는 실질적으로 동일한 구성요소에 대해, 도 1에서 쓰인 도면부호와 동일한 도면부호가 도 2에서도 사용된다. 본 발명에 의한 기능적, 구성적 또는 구조적인 차이가 있더라도 도 2의 구성요소는 도 1의 구성요소와 유사하고, 도 2의 구성요소는 같은 도면부호를 가지나 "1"이 그에 앞선다. 다음 설명은 본 발명의 전력 시스템의 새로운 특징, 구성 및/또는 기능을 강조할 것이며, 도 1과 관련하여 제공된 설명과 중복된 설명을 되풀이하는 것을 최소화할 것이다.
도 2의 전력 시스템(110)에서, DC 출력을 가진 전원이 연료전지(14)로 다시 도시되어 있지만, 물론 상기 전원은 마이크로 터빈, 광발전 또는 이와 비슷한 것이 될 수 있다. 이와 유사하게, AC 전원(12)은 AC 파워 그리드(grid), 전용 발전기 등과 같은 AC 전원에 의해 제공되고, 사용자 부하(16)는 대체로 AC이지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 보조 부하는 도면부호 "134"로 표시되고 연료전지(14) 등의 작동을 유지하는 도 1의 부하(34)와 유사하며, 여기서 유익하게는 DC 전원용 모든 부하들의 가능성을 고려하여 이전보다 상대적으로 더 큰 용량의 DC전원 부하를 포함할 수 있고, ECS 및 PCS를 위해 포함된 제어기(134A)는 본 발명에 의해 영향을 받는 제어에 있어서 다소 다를 수 있다. 또한, 상기와 같이, AC 파워 그리드로부터의 AC 공급은 도선(28), 그리드 연결 스위치(30), 노드(27;node) 그리고 도선(32)을 통해 사용자 부하(16)에 선택적으로 연결될 수 있다. 그러나 나머지 회로 중 많은 부분은 이하에서 설명되듯이 다르다.
중요한 것은, 컨버터/인버터(122)가 DC 전위가 축적 및/또는 인가되는 DC 링크 축전지(60)와 연결된 한 쌍의 DC 입력 도선/단자(120A,120B)와, 도면부호 "124"로 표시되는 AC 출력 단자를 가지고 본질적으로 양방향인 인버터라는 것이다. DC 링크 축전지(60)는 컨버터/인버터(122) 안의 단일 축전지이며 입력 단자(120A,120B)를 연결하는 것으로 도시되고 있지만, 이는 단지 대표적인 것일 뿐이며, 필요한 전기 용량을 제공하기 위하여 구성된 다수의 축전지 등이 될 수 있고, 컨버터/인버터(122)의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 컨버터/인버터(122)의 양방향성으로 인해, DC 입력 단자(120A,120B)의 DC 전압을 AC 출력 단자(124)의 AC 전위로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, AC 출력단/단자(124)에서 인가된 AC 전압을 정류하여 DC 입력 단자(120A,120B)에서 DC 전압으로 나타나게 할 수 있다. 또, 컨버터/인버터(122)는 DC를 어떤 제어된 수준까지라도 제어할 수 있다. 만일 AC 출력단/단자(124)에 인가된 AC 전압(rms가 아닌 피크)이 입력단에서의 DC보다 더 크다면, 컨버터/인버터(122)는 자동으로 AC를 DC로 정류할 것이다. 그러나, DC 수준을 적극적으로 제어하기 위해서, PCS 제어기(134A)는 활성화되어 제어할 필요가 있다. 또한, 컨버터/인버터 그 자체는 전압 변환을 위해 선호되는 기술인 펄스 폭 변조(PWM)의 사용과 함께 다양한 형태를 취할 수 있다. 일반화와 간략화를 위해서 양방향 인버터(122) 내에 어떤 구체적인 변환 회로도 도시되지 않았다.
본 발명과 일치하여, 절연 스위치 또는 스위치들(70)이 연료전지(14)에서 나오는 DC 출력단(20A,20B)과 양방향 인버터(122)로 들어가는 DC 도선/입력단(120A,120B) 사이의 도선에 위치한다. 상기 스위치는 DC 전원으로의 전력 흐름을 방지하기 위한 다이오드(diode) 또는 전기적 또는 기계적 스위치의 형태가 될 수 있다. 연료 전지로의 전력 역류는 수명을 감소시키기 때문에 연료전지의 시동 이전에 그 DC 출력 단자에서 전압에 노출될 수 없으므로 절연 스위치(70)는 연료전지가 시동하는 동안에는 열려있고, 보통 상태에서는 닫혀있다.
중요한 것은, 본 발명은 DC 입력단(120A,120B)에서 양방향 인버터(122)로 초기 DC 전압을 형성하기 위해 간단하고 저비용의 시동 전원, 여기서는 DC 링크 축전지(60)와 결합된 프리차지(precharge) 회로(50)를 사용한다는 것이다. 보다 구체적으로는, AC 전원 그리드(12)에서 나오는 AC 전압은 도선(28)과 분기 도선(128)을 통해 프리차지 회로(50)의 입력단으로 연결되고, 상기 프리차지 회로의 출력단은 도선(58)을 통해 양방향 인버터(122)로의 DC 입력 단자(120A,120B)의 축전지(60)로 연결된다.
도 3에서, 보다 세부적으로 보면, 프리차지 회로(50)는 본 명세서에서는 단일 다이오드로 시각적으로 표현되어 있는 내부 정류 회로(52)를 포함한다. 사실, 프리차지 회로(50)의 정류기는 AC 그리드 전압을 적당한 전력 수준의 DC 전압으로 정류하기 위한 간단하고 저비용인 몇 가지 구성 중 어떤 것이 될 수 있다. 전류 제한 저항 또는 전류 제한 임피던스(54)는 양방향 인버터(122)로의 DC 입력단의 축전지(60)를 통해 축적된 DC 전압으로 흘러들어가는 전류를 제한하기 위해 프리차지 회로(50) 안에 직렬로 연결되어 있다. 스위치(56)는 직렬회로 안에 정류기(52) 및 전류 제한 저항(54)과 연결되어 있으며, 연료전지(14)의 시동 중에는 정류된 DC를 양방향 인버터(122)의 DC 입력단(120A,120B)으로 연결하기 위해 닫힌다. 그러나 상기 스위치(56)는 상기 연료전지 시동 후에는 정상 작동 동안 프리차지 회로(50)를 효과적으로 제거하기 위해 열릴 것이고, 그로써 본 전력 시스템(110)의 효율을 조금 향상시킨다.
도면부호 "120AB"로 표시되는 연결은 양방향 인버터(122)의 DC 입력 단(120A,120B)에서 나타나는 DC 전압을 보조 부하(134)의 DC 입력단으로 연결하기 위해 양방향 인버터(122)의 DC 입력단(120A,120B)으로부터 그에 상응하는 보조 부하(134)의 DC 입력 단자로 뻗어 있다. 보다 구체적으로는, 상기 보조 부하(134)로의 DC 전압의 상기 연결은 추가적인 AC/DC 변환 없이 직접적으로 전력을 제공하기 위하여, 예를 들어 가변 속력 드라이브, 밸브용 코일 전압, 제어 또는 전력 분배 등을 위한 전원을 포함하는 다른 부하뿐만 아니라, ECS 및 PCS용 제어기(134A)를 중요하게 포함하는 다양한 DC 보조 부하에 연결된다. 도선(120AB)에서 또는 본 명세서에서 도시된 바와 같이 보조 부하(134)로의 DC 입력 단자에서, 적절하다면 축전지(60)에 높은 DC 전압(예를 들어 700VDC)을 제어기(134A)를 포함한 적어도 몇 개의 보조 부하에서 필요한 전형적인 24VDC로의 제어된 감압을 하기 위해 일반적으로 제공되는 회로(134B)가 있다. ECS 및 PCS 제어기(134A)는 상기에서 설명된 바와 같이 시동과 정상상태를 이루기 위해 적절한 시퀀싱(sequencing) 알고리즘을 포함한다는 것을 이해할 수 있다.
도면부호 "20AB"로 표시되는 별개의 DC 연결은 시동 중과 절연 스위치(70)의 닫힘에 앞서 연료전지(14)의 DC 출력 단자에 참조 전압을 형성하기 위해, 연료 전지(14)의 DC 출력단(20A,20B)으로부터 본 명세서에서는 간략하게 저항으로 도시되어 있는 보조 부하(134)의 적절한 부하(72)로 뻗어 있다. 상기 부하 저항(72)은 가변적일 수도 있지만 일반적으로 고정되어 있다. 이 기능은 이후 보다 상세하게 설명될 것이다.
양방향 인버터(122)의 AC 출력 단자에서, AC 노드(27)로 뻗어 연결된 도선(124)이 있다. 또한, 도면부호 "124"는 상기 인버터(122)의 상기 AC 출력단을 표시하기 위해서도 사용된다. 상기 도선(124)은 AC 전력을 보조 부하(134)에 공급하기 위해 보조 부하(134)의 AC 입력단으로 뻗어 있는 분기 도선(124B)을 포함한다. 일반적으로, 고조파를 억제하고 AC 전력 흐름에 필요하기 때문뿐 아니라, 이후 설명되는 바와 같이 절연 스위치(70)의 닫힘에 앞서 연료전지(14)의 DC 출력단과 매칭(matching)하기 위해 양방향 인버터(122)의 DC 입력 단자에서 필요한 최대 전압을 축적하기 위해, 도선(124)에 통상적인 디자인의 LCL 필터(80)가 포함될 수 있다. LCL 필터(80)의 존재를 가정하면, 상기 필터와 상기 노드(27) 사이의 도선(124)의 일부는 분기 도선(124A)으로 지정된다.
이제 본 발명에 따른 전력 시스템(110)의 작동을 살펴 보도록 한다. DC 전원 즉, 연료전지(14)가 처음에 꺼진 상태이고 그리드 연결 스위치(30)가 열려 있다고 가정하면, 그리드(12)의 AC 전원을 사용자 부하(16) 및 보조 부하(134)에 연결하는 것뿐만 아니라, 연료전지를 켜고 그리고 연료전지를 각각 AC 및 DC 전원으로서 사용자 부하(16) 및 보조 부하(134)에 연결하는 것이 필수적이다. 프리차지 회로의 스위치(56)가 처음에 열려있다고 가정하면, 상기 스위치는 별도의 전용 제어 및 전원을 사용하여 원격으로 또는 수동으로 닫힌다. 또는 스위치(56)는 보통 닫혀있는 스위치가 될 수 있고, 프리차지가 완료된 뒤 열린다. 그리고나서 프리차지 회로(50)가 작동하며, AC 파워 그리드(12)로부터의 AC 전력을 양방향 인버터(122)의 DC 입력단의 축전지(60)를 통해 축적된 정류 DC로 변환한다. 이때, 이 방법으로 축적된 DC 전압은 제한된 전력이지만, 도선(120AB)을 통해 적어도 초기 시동 기능으로 제어기(134A)에 전력을 공급하기 위해 연결될 때는 충분하다. 프리차지 회로는 전원을 다루기 위해 크기가 변경될 수 있지만, 이것은 확대에 의한 많은 비용을 발생시키며, 바람직한 실시예를 위해 필수적이지 않다. 제어기(134A)는 처음에 그리드 연결 스위치(30)를 자동으로 닫는 행동을 한다. 이때, 이것은 그리드(12)로부터의 AC 전력을 사용자 부하(16) 및 보조 부하(134)의 AC 입력 단자로 연결하는 역할을 할 뿐만 아니라, 상기 AC 에너지를 LCL 필터(80)와 도선(124)을 통해 양방향 인버터(122)의 AC 출력단으로 연결한다. 그러나, 인버터의 양방향성 때문에, 기본적으로 상기 출력단에 인가되는 AC는 내부적으로 정류되고 상당한 DC 에너지원으로서 축전지(60)를 통해 그리고 DC 입력단(120A,120B)에서 나타난다. 그리고 상기 DC 에너지는 도선(120AB)을 통해 연장되었을 때, 보조 부하(134)의 DC 수요를 완전히 충족하기에 충분하다. 이런 방법으로, 연료전지(14)의 시동을 완료하기 위해 필요한 팬(fan), 펌프 등이 작동된다. 또한, 그리드 연결 스위치(30)가 양방향 인버터(122)로 AC 전력을 공급하기 위해 닫히면, 프리차지 회로(50)는 더 이상 제한된 DC 전력을 공급할 필요가 없고, 프리차지 회로의 스위치(56)는 회로로부터 프리차지 회로를 제거하기 위해 열릴 것이다.
이때, 연료전지(14)는 작동을 하게 되고 연료전지의 DC 출력단(20A,20B)에서 DC 전위를 공급하지만, 열린 절연 스위치(70)는 상기 전위가 양방향 인버터(122)에 연결되지 못하도록 한다. 보조 부하(134)의 부하(72)는 "더미"(dummy) 부하로서 역할을 하고 참조 출력 전위, 예를 들어 1200VDC의 참조 출력 전위를 형성하기에 적합하다. 이에 상응하여, 제어기(134A)는 양방향 인버터(122)가 활성화되도록 하는 작용을 하며, 알려진 방법으로 인버터의 전력 반도체를 바꿈으로써, 역으로 작동하는 양방향 인버터(122)에 의해 축적되고 양방향 인버터의 DC 입력단(120A,120B)에 나타나는 DC 전위를 조정하도록 작용을 한다. 인러시(inrush) 전류를 방지하기 위하여, 각각 출력단(20A,20B) 및 입력단(120A,120B)에서 DC 전압이 바람직하게 입력단(120A,120B)에서보다 출력단(20A,20B)에서 수 볼트 더 크게 실질적으로 맞추어져 있다면, 절연 스위치(70)는 닫히고 연료전지(14)는 도선(120AB)을 통하여 DC 전력을 보조 부하(134)에 공급하기 시작하며, DC 전력을 양방향 인버터(122)의 DC 입력단(120A,120B)으로도 공급하기 시작한다. 그리고 상기 인버터는 AC 보조 부하(134) 및 사용자 부하(16)로의 연결과 도선(124)으로의 출력을 위해 DC를 AC로 변환하기 위하여 정방향으로 작동하도록 제어기의 알고리즘에 의해 제어된다.
상술한 바와 같이, 추가 변환 필요없이 연료전지(14)로부터 직접 오며 보조 부하(134)의 DC 부하로 직접 전달되는 DC 전력을 공급할 수 있다. 이것은 전력 시스템(110)의 효율성을 향상시키고, 또한 다른 AC 전력 시스템을 가진 나라에서 작동되는 AC 부하의 주파수 및/또는 전압 문제를 발생하지 않는 DC 보조 부하를 상대적으로 더 사용하도록 지지한다.
도 4의 실시예에서 도시된 바와 같이, 훨씬 더 간략화된 전력 시스템이 가능하다. 도 4의 전력 시스템(210)에서, 도 1 또는 도 2 중 어느 하나, 또는 2개 모두에서 동일하거나 실질적으로 동일한 구성요소에 대하여 도 1 및/또는 도 2의 도면부호와 동일한 도면부호가 도 4에서 사용된다. 본 발명의 실시예에 의한 몇 가지 기능적, 구성적 또는 구조적인 차이가 있더라도 도 4의 구성요소는 도 2의 구성요소와 유사하고, 도 4의 구성요소는 같은 도면부호를 가지나 "2"가 그에 앞선다. 다음 설명은 본 발명의 전력 시스템의 새로운 특징, 구조 및/또는 기능을 강조할 것이며, 도 1 및/또는 도 2와 관련하여 제공된 설명과 중복된 설명을 되풀이하는 것을 최소화할 것이다.
도 4의 전력 시스템(210)에서, DC 출력을 가진 전원은 다시 연료전지(14)로 도시된다. 유사하게, AC 전원(12)은 AC 파워 그리드에 의해 제공되며, 사용자 부하(16)는 일반적으로 AC이나 이에 국한되지 않는다. 보조 부하는 도면부호 "134"로 표시되었고, 유리하게는 선행기술보다 상대적으로 더 큰 용량의 DC 전원용 부하를 포함할 수 있으며, ECS와 PCS를 위해 포함된 제어기(134A)는 본 발명에 의해 영향을 받는 제어 방법에서 다소 다를 수 있다. 또, 상기와 같이, AC 파워 그리드로부터의 AC 전원은 도선(28), 그리드 연결 스위치(30), 노드(27) 및 도선(32)을 통해 선택적으로 사용자 부하(16)에 연결될 수 있다. 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 절연 스위치(70), DC 링크 축전지(60), 보조 부하(134)에 연결되는 DC 도선(20AB,120AB), 보조부하(134) 내의 부하(72) 및 양방향 인버터(222)의 AC 단자로 연결된 AC 도선(124) 내의 LCL 필터(80)는 실질적으로 동일하다. 사실, 양방향 인버터(222)도 도 2의 인버터(122)와 물리적으로 유사하거나 동일하지만, 양방향 인버터(222)의 그 사용에 있어서 기능적 차이를 부각시키기 위해 도 4의 실시예에서 "2"가 접두사로 부여되었다.
주로, 도 4의 실시예와 도 2의 실시예 사이의 주요 차이점을 구성하는 것은, 시동 전원의 프리차지 회로(250)와 프리차지 회로가 양방향 인버터(222)로 연결되는 방법이다. 도 5에서 자세하게 보이는 프리차지 회로(250)는 오직 전류 제한 저항 또는 전류 제한 임피던스(254), 그리고 직렬로 연결된 스위치(56)만을 실질적으로 포함하도록 단순화될 수 있다. AC 입력은 상기와 같이 AC 파워 그리드(12)로부터의 분기 도선(128)에서 받아들여지고, 프리차지 회로(250)의 출력단은 도선(258)을 통해 양방향 인버터(222)의 정상 AC 출력단(124)으로 연결된다. 이 경우에 있어서, 상기 양방향 인버터(222)의 정상 AC 출력단(124)은 또한 프리차지 회로(250)로부터의 전류 제한 AC 신호를 위한 입력단의 역할을 한다. 그리고 양방향 인버터(222)는 역방향으로 작동되기 때문에, 그 내부 정류 회로는 프리차지 회로(250)로부터의 AC 전압을 상기 인버터의 DC 입력단의 축전지(60)를 통해 축적된 DC 전위로 정류/변환하는 역할을 한다.
이 때, 상기 양방향 인버터의 DC 입력단(120A,120B)의 DC 에너지가 도 2의 실시예에서와 같이 제한되지만, 그럼에도 불구하고 상기와 같이, 그리드 연결 스위치(30)를 닫고 보조 부하(134)의 제어기(134A)에 전력을 공급하기에 유사하게 충분하다. 그리고, 전력 시스템(210)의 작동은 도 2의 전력 시스템(110)에서와 본질적으로 동일하다. 주 AC 공급은 역으로 작동하여 주 DC 신호를 제공하기 위해 AC 공급을 정류하고 보조 부하(134)의 DC 부하에 전력을 공급하는 양방향 인버터(222)의 AC 출력단에 도선(124)을 통해 인가된다. 이는 연료전지(14)를 시동시키고, 2개의 분리된 회로의 DC 전압은 서로 균형을 이루고, 절연 스위치(70)는 정상 정방향 작동을 형성하기 위해 닫힌다. 상기 실시예는 프리차지 회로 안에 별도의 정류 회로를 불필요로 한다는 추가 이점을 가지지만, 대신에 양방향 인버터(222)가 역으로 작동할 때는 양방향 인버터(222)의 정류 능력을 사용한다.
본 발명의 전력 시스템(310)의 또 다른 실시예를 도시하는 도 6을 참조하면,시동 전원이 다소 더 복잡하고, 시동 중의 단계에서 보조 부하(234)에 전력을 집단적으로 공급하기 위해 양방향 인버터(222)에 연결된 프리차지형 회로와 함께 보조 부하(234)의 제어기(134A)를 위한 소형의 통상적인 AC-to-DC 전원(90)이 결합된다. 보다 구체적으로 그리고 보다 자세하게는, 도 6의 전력 시스템(310)에 관하여, 도 1 내지 도 5의 구성 중 각각 어느 하나 또는 그 이상에서 동일하거나 실질적으로 동일한 구성요소에 대하여, 도 1 내지 도 5의 도면부호와 동일한 도면 부호가 도 6에서 사용된다. 그러나, 본 발명의 상기 실시예에 의한 몇 가지 기능적, 구성적 또는 구조적인 차이가 있더라도 도 6의 구성요소는 도 2 내지 도 5의 구성요소와 유사하고, 도 6의 구성요소는 같은 도면부호를 가지나 "1" 또는 "2" 또는 "3"이 적절하게 그에 앞선다. 다음 설명은 본 발명의 전력 시스템의 새로운 특징, 구조 및/또는 기능을 강조할 것이며, 도 1 내지 도 5와 관련하여 제공된 설명과 중복된 설명을 되풀이하는 것을 최소화할 것이다.
도 6의 전력 시스템(310)에 관하여, DC 출력을 가진 전원은 다시 연료전지(14)로 도시된다. 유사하게, AC 전원(12)은 AC 파워 그리드에 의해 제공되며, 사용자 부하(16)는 일반적으로 AC이나 이에 국한되지 않는다. 보조 부하는 도면부호 "234"로 표시되었고, 유리하게는 선행기술보다 상대적으로 더 큰 용량의 DC 전원용 부하를 포함할 수 있으며, ECS와 PCS를 위한 포함된 제어기(134A)는 본 발명에 의해 영향을 받는 제어 방법에서 다소 다를 수 있다. 또, 상기와 같이, AC 전원 그리드로부터의 AC 공급은 도선(28), 그리드 연결 스위치(30), 노드(27) 및 도선(32)을 통해 선택적으로 사용자 부하(16)에 연결될 수 있다. 도 2 내지 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이, 절연 스위치(70), DC 링크 축전지(60), 보조 부하(234)에 연결되는 DC 도선(20AB,120AB), 보조 부하(234) 내의 부하(72)는 실질적으로 동일하다. 상기 양방향 인버터(222)는 도 4의 인버터(222)와 물리적으로 유사하거나 동일하고 유사한 기능을 할 수 있다. 도 6의 LCL 필터(180)는 기능적으로 도 2 및 도 4의 LCL 필터와 기능적으로 유사하지만, 그 구성요소 가치는 이하에서 설명되듯이 도 6의 실시예의 추가 요구사항을 만족시키기 위해 다를 수 있으므로 접두사 "1"을 부여받았다.
주로, 도 2 및 도 4의 실시예와 다른 것은 도 6의 시동 전원의 형태이다. 보다 구체적으로, 도 2 및 도 4의 실시예의 프리차지 회로(50,250)는 시동 중의 단계에서 보조 부하(234)에 전력을 집단적으로 제공하기 위하여, 양방향 인버터(222)에 연결된 향상된 LCL 필터(180)와 같은 프리차지형 회로 및 보조 부하(234)의 제어기(134A)를 위한 소형의 통상적인 AC-to-DC 전원(90)으로 대체되었다.
상기 소형 AC to DC 전원(90)은 중요한 목표인 저비용과 간단함을 수반하여 몇 가지 형태 중 어떤 것을 취할 수 있다. 도시된 예에서, 상기 AC to DC 전원(90)은 예를 들어, 도선(228)에서 나타나는 480VAC 그리드 전압을 일반적인 24VDC 로 감압하는 변압기와 같은 AC 전압 감압장치(90A)를 포함하고 그에 뒤이어 도선(92)을 통해 보조 부하(234)의 제어기(134A)에 필요한 초기 DC 시동 전압을 공급하기 위한 AC-to-DC 컨버터(90B)를 포함한다. 구성요소 장치(90A) 및 장치(90B)는 단일 유닛으로 결합될 수 있음을 이해하고 인식할 수 있다. 상기 AC to DC 전원(90)은 시동을 시작하기 위해 AC 전원과 제어기(134A) 사이에서 보통 열린 것으로 도시되었지만 보통 닫힐 수 있는 스위치(94)에 의해 한시적으로 연결될 수 있고, 이후 제어기(134A)가 시동 단계를 완료하기 위해 LCL 필터(180)에 AC를 공급하도록 스위치(30;그리드 연결 스위치)를 닫으면 연결되지 않을 수 있다.
도 6의 실시예의 LCL 필터(80)는 상기 실시예의 LCL 필터와 구조적으로 또 기능적으로 유사하지만, 인덕터는 그리드 연결 스위치(30)가 초기 시동 제어 작동에 의해 닫힐 때 양방향 인버터(222)와 DC 링크 축전지(60)로의 인러시 전류를 제한하기 위해 적절히 크기가 정해질 수 있다. LCL 필터(180)의 인덕터의 크기 조절은 잘 알려진 방법으로 DC 링크 축전지(60)의 축전지 최대 전류 속도에 의해 조정된다.
도 6의 전력 시스템(310)의 작동에 다소 관련하여, 정상 상태 작동은 동일하고, 오직 시동 기능이 다소 다르다. 전력 시스템(310)의 연료 전지(14)의 시동을 시작하기 위해, 시동 전원은 상기 AC to DC 전원(90)을 활성화함으로써, 즉 예를 들어 본 명세서에서 도시된 바와 같이 도선(228) 또는 도선(92)에서 스위치(94)를 닫음으로써 작동된다. 높은 AC 그리드 전압은 VAC 감압기(90A)에서 감압되고나서, 컨버터(90B)에서 DC로 변환되고, 그리드 연결 스위치(30)를 닫음으로써 시동을 시작하기 위해 필요하므로, 도선(92)을 통해 적어도 제어기(134A)의 일부에 연결된다. 상기 제어기(134A)에 대한 전원은 제한된 용량과 제한된 지속시간을 가질 수 있고, 따라서 상기 AC to DC 전원의 단순화 및 저비용이 가능이 가능하다. 그리드 연결 스위치(30)가 닫히고 나면 곧, 전원(90)은 연결이 해제될 것이다.
그리드 연결 스위치(30)가 닫히면, 그리드(12)로부터의 AC 전류는 DC 링크 축전지(60)의 충전을 형성하기 위해 LCL 필터(180) 및 양방향 인버터(222)의 AC-to-DC 변환을 거치면서 급격히 증가하려고 할 것이다. 상기 필터(180)의 인덕턴스는 DC 링크 축전지(60)의 용량 내에서 적절한 수준까지 상기 인러시 전류를 제한하도록 선정된다. 그 후에, 시스템은, 연료전지를 DC 전원으로서 접속시키기 위한 절연 스위치(70)의 차순의 닫힘과 전압 매칭에 영향을 주고 연료전지(14)를 켜기 위한 시동 순차의 나머지를 완료하기 위해, 보조 부하(234)의 일반적인 DC 부하 및 제어기(134A)에 전력을 공급하기 충분한 상기 인버터(222)의 DC 입력단(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)로부터의 DC 전원과 함께, 상기의 실시예, 특히 도 4의 실시예와 유사한 기능을 한다. 물론, AC 전력이 필요한 보조 부하(234)의 어떤 것도 그리드 연결 스위치(30)가 닫히자마자 도선(124B)을 통해 AC 전력을 얻을 것이다.
상기와 같이, 본 발명은 보다 비싼 자동 전환 스위치 및 그리드 독립형 스위치를 더 값싼 시동 전원 및 절연 스위치로 대체할 뿐 하니라, 시동 및 정상 작동 중에도 별도로 AC를 DC로 변환할 필요없이 DC 전원과 양방향 인버터 간의 인터페이스로부터 DC 전력을 다양한 DC 보조 부하로 직접 제공한다. 본 발명은 이어서 DC 보조 부하의 사용이 비교적 증가하도록 지지하는데, 이는 다른 나라의 다른 전압/주파수 수요를 충족시키기 위해 다양한 대체 AC 부하를 보다 적게 필요로 한다는 관점에서 유리하다.
본 발명은 발명의 예시적인 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 앞서 말한 다양한 다른 변경, 생략 및 부가를 할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. DC 출력단(20A,20B)을 가진 전원(14),
    DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC를 AC 출력단/단자(124)의 AC로 변환하는 파워 컨버터(122;222),
    AC 전원(12)으로부터의 AC 공급,
    상기 컨버터(122;222)의 AC 출력단/단자와 AC 전력이 공급되는 하나 이상의 일반 부하(16) 사이의 전기적 연결(124,124A,32),
    상기 컨버터(122;222)의 AC 출력단/단자(124)와 병렬로 상기 AC 전원(12)을 선택적으로 연결하고 연결 해제하기 위한 구조로 된 상기 AC 전원으로부터의 AC 공급과 상기 컨버터의 AC 출력단/단자(124) 사이에 연결된(124,124A,28A,28) AC 전원 연결 스위치(30),
    DC 출력 단자를 가진 전원(14)을 작동하기 위한 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134B;234)와,
    적어도 상기 DC 출력단을 가진 전원(14)의 시동 중에 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 공급과 적어도 상기 컨버터(122;222) 사이에 연결 가능하고(28,128,58,30,124A,124;28,128,258,30,124A,124;28,228,92,30,124a,124), 적어도 상기 컨버터(122;222)의 DC 입력단(120A,120B)에서 시동 DC 전원(60;60,90)을 공급하기 위하여 AC 전원(12)의 공급(28,128,228,30,124A,124)에 응답하는 시동 전원(50,60;250,60;90,180,60),
    상기 DC 출력을 가진 전원(14)의 출력단(20A,20B)과 상기 컨버터(122;222)의 DC 입력단/단자(120A,120B) 사이에 유효하게 연결되고, DC 출력단을 가진 전원(14)의 시동 중에 상기 컨버터의 DC 입력단의 DC를 상기 DC 전원으로부터 선택적으로 절연시키기 위한 구조로 된 절연 스위치(70) 및
    컨버터(122;222)의 DC 입력단/단자(120A,120B,60)의 DC 전력을 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134B,234)로 추가 변환 없이 공급하기 위한 전기적 연결(120AB)을 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC 출력을 가진 전원은 하나 이상의 연료전지(14)를 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 컨버터(122;222)는 양방향 인버터(122;222)를 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134B;234)는 전자 제어 시스템(Electronic Control System) 및 전력 제어 시스템(Power Control System)을 가진 하나 이상의 DC 전원용 제어기(134A)를 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  5. 제1항에 있어서, 상기 시동 전원(50,60;250,60)은 프리차지 회로(50;250)를 통해 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 공급을 상기 컨버터(122;222)로 선택적으로 연결하고 연결 해제하기 위한 스위치(56)를 가진 프리차지 회로(50;250)를 포함하고, 이로써 상기 AC 전원으로부터 상기 프리차지 회로를 통한 상기 컨버터로의 연결이 상기 DC 출력을 가진 전원(14)의 시동 이후 연결 해제될 수 있는 전력 시스템(110;210;310).
  6. 제1항에 있어서, 상기 시동 전원(50,60)은 AC를 DC 출력으로 변환하기 위한 정류기(52)를 가진 프리차지 회로(50)를 포함하고,
    상기 프리차지 회로의 DC 출력단은 상기 컨버터(122)의 DC 입력단/단자(120A,120B)를 가로지르는 DC 링크 축전지(60)에 연결(58)된 전력 시스템(110).
  7. 제3항에 있어서, 상기 시동 전원은 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 공급과 상기 양방향 인버터(222)의 AC 출력단/단자(124) 사이의 전류 제한적이고 절환 가능한 연결(254,56)을 가진 프리차지 회로(250)를 포함하고,
    이로써 상기 AC 전원으로부터의 전류 제한적인 AC는 양방향 인버터(222)에 의해 정류되고 상기 인버터(222)의 DC 입력단/단자(120A,120B)를 가로지르는 DC 링크 축전지(60)에서 DC로 나타나는 전력 시스템(210).
  8. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134b;234)는 전자 제어 시스템 및 전력 제어 시스템 중 하나, 또는 모두를 가진 하나 이상의 DC 전원용 제어기(134A)를 포함하고,
    상기 시동 전원은 제한된 DC 전압을 공급하기 위하여 상기 AC 전원(10)과 DC 전원용 제어기(134A) 사이에 작동되게 연결 가능한 AC-to-DC 전원, 상기 AC 전원 연결 스위치(30)와 상기 양방향 인버터(222)의 AC 출력 단자(120A,120B) 사이에 직렬로 연결된 인덕턴스(180) 및 상기 인버터(122)의 DC 입력단/단자(120A,120B)를 가로지르는 DC 링크 축전지(60)를 포함하고,
    이로써, 상기 DC 전원용 제어기(134A)로의 상기 제한된 DC 전압의 연결(92)은 상기 AC 전원 연결 스위치(30)를 닫고 상기 AC 전원(10)으로부터의 전류 제한적인 AC 전력을 상기 DC 링크 축전지(60)에 나타나는 DC 전압으로 변환하기 위하여 상기 인덕턴스(180)를 통해 인버터(222)의 AC 출력단/단자(124)로 공급하도록 작동하는 전력 시스템(310).
  9. 제1항에 있어서, 상기 DC 출력을 가진 전원(14)과 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A;234) 사이의 연결(20AB)을 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하는 참조 전압을 제공하기 위하여 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)의 전압을 조절가능하게 조정하기 위한 부하 임피던스(72)를 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A;234)는 하나 이상의 DC 전원용 제어기(134A)를 포함하고,
    상기 DC 전원용 제어기(134A)는 상기 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)의 참조 전압과 실질적으로 맞추기 위하여 상기 컨버터(122;222)의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지를 통한 DC 전압을 조정하도록 작동하고, 또한 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)을 컨버터(122,222)의 DC 입력단/단자(120A,120B)와 연결하기 위해 절연 스위치(70)를 닫도록 작동하는 전력 시스템(110;210;310).
  11. 제4항에 있어서, 상기 전원 컨버터(122;222)는 양방향 인버터(122;222)를 포함하고
    상기 AC 전원 연결 스위치(30)는 일반적으로 열려 있고,
    하나 이상의 상기 전자 제어 시스템 및 상기 전력 제어 시스템인 상기 DC 전원용 제어기(134A)로의 DC 전원의 후속 연결(120AB)은 AC 전력(12,28,124A,124)을 상기 양방향 인버터(122;222)의 AC 출력단/단자(124)로 제공하기 위하여 상기 AC 전원 연결 스위치를 닫는 역할을 하고,
    이로써, 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 전력은 상기 양방향 인버터에 의해 정류되고 상기 인버터의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통해 DC 전압으로 나타나는 전력 시스템(110;210).
  12. 제1항에 있어서, 상기 AC 전원(12)은 AC 전기 그리드를 포함하는 전력 시스템(110;210;310).
  13. 제6항에 있어서, 상기 AC 전원(12)은 AC 전기 그리드를 포함하고,
    상기 DC 출력을 가진 전원은 하나 이상의 연료전지(14)를 포함하고,
    상기 전력 컨버터(122)는 양방향 인버터(122)를 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134B)는 전자 제어 시스템 및 전력 제어 시스템 중 하나, 또는 모두를 가진 하나 이상의 DC 전원용 제어기(134A)를 포함하고,
    상기 시동 전원(50,60)은 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 공급을 상기 프리차지 회로를 통해 상기 컨버터(122)로 선택적으로 연결하거나 연결 해제하기 위한 스위치(56)를 가진 프리차지 회로(50)를 포함하고,
    이로써 상기 AC 전원으로부터 프리차지 회로를 통한 상기 컨버터로의 연결은 상기 DC 출력을 가진 전원(14)의 시동 후에 연결이 해제될 수 있고,
    상기 DC 출력을 가진 전원(14)과 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A) 사이의 연결(20AB)을 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하는 참조 전압을 제공하기 위하여 상기 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)에서의 전압을 조절가능하게 조정하기 위한 부하 임피던스(72)를 포함하고,
    상기 DC 전원용 제어기(134A)는 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)에서 상기 참조 전압과 실질적으로 맞추기 위하여 상기 컨버터(122)의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통한 DC 전압을 조정하도록 작동하고, 또한 상기 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)을 상기 컨버터(122)의 DC 입력단/단자(120A,120B)와 연결하기 위해 절연 스위치(70)를 닫도록 작동하고,
    상기 AC 전원 연결 스위치(30)는 일반적으로 열려 있고,
    하나 이상의 상기 전자 제어 시스템 및 상기 전력 제어 시스템인 상기 DC 전원용 제어기(134A)로의 DC 전원의 후속의 연결(120AB)은 AC 전력(12,28,124A,124)을 상기 양방향 인버터(122)의 AC 출력 단자(124)로 제공하기 위하여 AC 전원 연결 스위치를 닫는 역할을 하고,
    이로써, 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 전력은 양방향 인버터에 의해 정류되고 상기 인버터의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통해 DC 전압으로 나타나는 전력 시스템(110).
  14. 제7항에 있어서, 상기 AC 전원(12)은 AC 전기 그리드를 포함하고,
    상기 DC 출력을 가진 전원은 하나 이상의 연료전지(14)를 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A,134B)는 전자 제어 시스템 및 전력 제어 시스템 중 하나, 또는 모두를 가진 하나 이상의 DC 전원용 제어기(134A)를 포함하고,
    상기 시동 전원(250,60)은 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 공급을 상기 프리차지 회로를 통해 상기 컨버터(222)로 선택적으로 연결하고 연결 해제하기 위한 스위치(56)를 가진 프리차지 회로(250)를 포함하고,
    이로써 상기 AC 전원으로부터 프리차지 회로를 통한 상기 컨버터로의 연결은 DC 출력을 가진 전원(14)의 시동 후에 연결이 해제될 수 있고,
    상기 DC 출력을 가진 전원(14)과 상기 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A) 사이의 연결(20AB)을 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하는 참조 전압을 제공하기 위하여 상기 DC 전원(14)의 DC 출력 단자(20A,20B)에서의 전압을 조절가능하게 조정하기 위한 부하 임피던스(72)를 포함하고,
    상기 DC 전원용 제어기(134A)는 상기 DC 전원(14)의 DC 출력 단자(20A,20B)에서 상기 참조 전압을 실질적으로 맞추기 위하여 상기 컨버터(222)의 DC 입력단/ 단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통한 DC 전압을 조정하도록 작동하고, 또한 상기 DC 전원(14)의 DC 출력 단자(20A,20B)를 상기 컨버터(222)의 DC 입력 단자(120A,120B)와 연결하기 위해 절연 스위치(70)를 닫도록 작동하고,
    상기 AC 전원 연결 스위치(30)는 일반적으로 열려 있고,
    하나 이상의 상기 전자 제어 시스템 및 상기 전력 제어 시스템인 상기 DC 전원용 제어기(134A)로의 DC 전원의 후속의 연결(120AB)은 AC 전력(12,28,124A,124)을 상기 양방향 인버터(122)의 AC 출력단/단자(124)로 공급하기 위하여 상기 AC 전원 연결 스위치를 닫는 역할을 하고,
    이로써, 상기 AC 전원(12)으로부터의 AC 전력은 상기 양방향 인버터에 의해 정류되고 상기 인버터의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통해 DC 전압으로 나타나는 전력 시스템(210).
  15. 제8항에 있어서, 상기 AC 전원(12)은 AC 전기 그리드를 포함하고,
    상기 DC 출력을 가진 전원은 하나 이상의 연료전지(14)를 포함하고,
    상기 DC 출력을 가진 전원(14)과 하나 이상의 DC 보조 부하(134,134A;234) 사이의 연결(20AB)을 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 DC 보조 부하는 참조 전압을 제공하기 위하여 상기 DC 전원(14)의 DC 출력 단자(20A,20B)에서의 전압을 조절가능하게 조정하기 위한 부하 임피던스(72)를 포함하고,
    상기 DC 전원용 제어기(134A)는 DC 전원(14)의 DC 출력단(20A,20B)에서 상기 참조 전압과 실질적으로 맞추기 위하여 상기 컨버터(222)의 DC 입력단/단자(120A,120B)의 DC 링크 축전지(60)를 통해 DC 전압을 조정하도록 작동하고, 또한 상기 DC 전원(14)의 DC 출력 단자(20A,20B)를 상기 컨버터(222)의 DC 입력단/단자(120A,120B)와 연결하기 위해 상기 절연 스위치(70)를 닫도록 작동하는 전력 시스템(310).
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