WO2020122419A1 - 연료전지 제어 시스템 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control system for a fuel cell, and more particularly, to a system and a control method for stably operating the system by hierarchically controlling a plurality of fuel cells connected in parallel.
  • a fuel cell is a device that directly converts the energy of a fuel into electrical energy.
  • a pair of electrodes of an anode and a cathode is disposed with an electrolyte interposed therebetween, and ionized fuel. It is a system that obtains electricity and heat together through the electrochemical reaction of gas.
  • the polymer electrolyte fuel cell has the advantages of high current density, low operating temperature, and low corrosion and electrolyte loss, but it has been developed as a power source for military or spacecraft. A study for application as a power source for automobiles using dots is actively underway.
  • Such a fuel cell has advantages in that it has higher efficiency than conventional internal combustion engines, has a small amount of nitrogen oxides and sulfur oxides that cause air pollution, and can significantly reduce the emission of carbon dioxide, thereby providing a great environmental conservation effect.
  • the power authority has opened a demand response (DR) market, has been promoting the participation of distributed power providers in the power market, and has installed fuel cells in buildings, etc. by implementing a renewable portfolio standard (RPS).
  • DR demand response
  • RPS renewable portfolio standard
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell control system capable of driving individual fuel cells even when an abnormality occurs in the distributed fuel cell controller.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell control system capable of grouping distributedly applied controllers and distributing the roles of each controller to reduce the burden on the controller and increase operational reliability.
  • a control system of a fuel cell system including at least two fuel cell groups in which at least one individual fuel cell is connected in parallel includes a unit level controller for controlling the output of the individual fuel cell; A group level controller for determining the output distribution of individual fuel cells in the fuel cell group based on the performance degradation rate of the individual fuel cells in the fuel cell group; And a global level controller that determines the total output of the fuel cell system according to the power demand of the grid and determines the output distribution of individual fuel cell groups in response to the total output.
  • the unit level controller may control the output of an individual fuel cell according to at least one control variable among fuel, air, and water, and maintain at least one monitoring variable among temperature, pressure, and flow rate of the individual fuel cell.
  • the group level controller collects the control variable and the monitoring variable from the unit level controller, processes the collected control variable and the monitoring variable into data of at least one of performance degradation rate, output change rate, and temperature change rate. , It is possible to determine the output distribution of the individual fuel cells according to the processed data.
  • the group level controller may stop the output of the individual fuel cells controlled by the corresponding unit level controller when an error occurs in the unit level controller.
  • the unit level controller may maintain the output of the fuel cell by setting the output of the individual fuel cells to a final set value.
  • the group level controller may maintain the output of the fuel cell group by setting the output of the fuel cell group to a final set value.
  • a control method of a fuel cell system including at least two fuel cell groups in which at least one individual fuel cell is connected in parallel determines the total output of the fuel cell system according to the power demand of the grid, and Determining an output distribution of individual fuel cell groups in response to a total output; Determining an output distribution of individual fuel cells in the fuel cell group based on a performance reduction rate of the individual fuel cells in the fuel cell group; And controlling the output of the individual fuel cells.
  • control variable and the monitoring variable for the individual fuel cells are processed into at least one of performance deterioration rate, output change rate and temperature change rate, and according to the processed data.
  • the output distribution of the individual fuel cells can be determined.
  • a fuel cell control system capable of driving an individual fuel cell even when an abnormality occurs in the distributed fuel cell controller.
  • a fuel cell control system capable of grouping distributedly applied controllers and distributing a responsible role for each controller to reduce the burden on the controller and increase operational reliability.
  • the distributed control system is applied to the fuel cells connected in parallel to maintain stable operation of the entire power generation system even when the controller cannot be operated.
  • FIG. 1 is a control block diagram of a fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a control flowchart for describing a fuel cell control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a control flowchart for describing a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a control flowchart for explaining a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a control flowchart illustrating a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention.
  • module refers to one unit that processes a specific function or operation, which may mean hardware or software or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a control block diagram of a fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.
  • the multiple parallel connection fuel cell control system to which dispersion control according to the present embodiment is applied includes a fuel cell system (A) in which fuel cells (Solid oxide fuel cells, SOFCs) 100 are connected and grouped in multiple numbers. It may include a fuel cell control system (B) for controlling the battery system (A).
  • A fuel cell system
  • B fuel cell control system
  • the fuel cell and the control unit for controlling the same are referred to as two systems, but can be referred to as a fuel cell control system including a fuel cell and a control unit for controlling the same.
  • the fuel cell system A includes fuel cell groups (1 to M groups) divided into M groups, and N fuel cells (#1 to #N, 10) are connected in parallel to one group. . That is, the fuel cells 10 according to the present invention are multi-divided into N*M pieces, and each fuel cell 10 may be individually or grouped, or collectively, the power output may be controlled.
  • the fuel cell system (A) is installed in a building or a specific facility, and is composed of a fuel cell (10) that produces power for supplying to a user, and the fuel cell system (A) receives the power consumption requested by the user Then, power is supplied to the user according to the received power consumption.
  • Each of the fuel cells 10 may include a fuel cell stack, a reformer, a power converter, and the like, and may include industrial utilities such as valves or circuit breakers.
  • the fuel cell stack is an electrochemical reaction in which an oxidation reaction of hydrogen and a reduction reaction of oxygen are simultaneously generated to generate electric energy, that is, a DC power source.
  • the reformer serves to reform the fuel supplied to the fuel cell stack.
  • the power converter serves to convert the DC power generated from the fuel cell stack into AC power.
  • the power converter may include a DC-AC inverter (not shown) that converts DC power output from the fuel cell stack to AC power usable in the power system.
  • the fuel cell control system (B) is connected to an individual fuel cell 10, a unit level controller (Unit Controller, UC; 100) for controlling the output of the fuel cell 10, N individual fuels
  • a group level controller (GC 200) that controls one fuel cell group 1 to M including the cell 10, and a unit level controller 100 and a group level controller 200 are collectively controlled.
  • a master level controller (MC) 300 may be included.
  • the unit level controller 100 is connected to the individual fuel cells 10 in series, that is, individually and directly, to adjust the amount of power generated by the individual fuel cells 10 according to the power generation amount requested by the group level controller 200. Plays a role.
  • the unit level controller 100 controls the output of the individual fuel cell 10 according to at least one control parameter of fuel, air, and water, and at least one of temperature, pressure, and flow rate of the individual fuel cell 10 Maintain monitoring variables.
  • N unit level controllers (UC-11 to UC-1N ... UC-M1 to UC-MN 100) are connected in parallel to one group level controller 200, and according to the present embodiment, M units The group level controllers GC-1 to GC-M 200 are connected between the unit level controller 100 and the overall level controller 300. That is, the M group level controller 200 serves as an interface between the N*M unit level controller 100 and the general level controller 300.
  • the group level controller 200 controls utilities including valves, circuit breakers, and the like of the fuel cell group, and based on the performance degradation rate of the individual fuel cells 10 in the fuel cell group, the individual fuel cells 10 in the fuel cell group You can decide the distribution of outputs.
  • the group level controller 200 receives and collects control variables and monitoring variables from the unit level controller 100.
  • the group level controller 200 may process the collected control variables and monitoring variables into at least one of performance degradation rate, output change rate, and temperature change rate. Output distribution of individual fuel cells 10 may be determined and adjusted according to the processed data.
  • the initial power generation amount of one individual fuel cell 10 connected in parallel to the group level controller 200 may be represented by the total required power generation amount/number of individual fuel cells 10 (N*M).
  • the group level controller 200 periodically checks the state of the individual fuel cells 10 when starting generation of the individual fuel cells 10 at the request of the general level controller 300.
  • the amount of power generated by the individual fuel cells 10 may be changed according to an external situation over time or an error of the unit level controller 100 or the group level controller 200 or fixed to a final set value.
  • the overall level controller 300 may determine the total output of the fuel cell system A according to the power demand of the power grid and determine the output distribution of individual fuel cell groups in response to the total output.
  • the overall level controller 300 may refer to other renewable energy generation statuses other than the fuel cell system A, and the total output of the fuel cell power generation system may be determined in response to the amount of power output from the renewable energy. Can be.
  • the overall level controller 300 may control a utility including a main valve, a circuit breaker, and the like of the fuel cell system A.
  • the fuel cell control system (B) may include a display unit and an operation unit as an interface through which a user can control the fuel cell, and each component, the fuel cell system (A), and the fuel cell control system (B) may further include a communication unit for controlling the communication between.
  • the user can be connected to the fuel cell control system B through a user interface to monitor the output change of the fuel cell 10.
  • the user interface can control the operation of the fuel cell control system B by displaying the output change of the fuel cell 10 connected in parallel to the fuel cell control system B in real time.
  • the user interface may be merged with the overall control system 300.
  • the communication unit may be connected between the user interface and the fuel cell control system B, and may transmit an operation error of the fuel cell 10 according to a change in output of the fuel cell 10 to the user interface.
  • FIG. 2 is a control flowchart for describing a fuel cell control method according to an embodiment of the present invention.
  • the core of the fuel cell control method according to the present invention is to group the individual fuel cells 10 connected in parallel, and to provide a control module for controlling the individual fuel cells 10 and the grouped fuel cells, respectively. Therefore, it is independent, organic, and flexible.
  • the overall level controller 300 determines the total output of the fuel cell system according to the power demand of the grid and determines the output distribution of individual fuel cell groups in response to the total output (2010).
  • the total output of the fuel cell system A may refer to the amount of power generated by renewable energy.
  • the overall level controller 300 may drive the fuel cell system A and the fuel cell control system B in a standby mode and maintain a power saving mode. .
  • the group level controller 200 may collect control variables and monitoring variables for the individual fuel cells 10 (2020).
  • Control parameters for the individual fuel cells 10 according to the present embodiment may include at least one of fuel, air, and water
  • monitoring parameters may include at least one of temperature, pressure, and flow rate
  • control variables may be provided to the group level controller 200 by the unit level controller 100.
  • the group level controller 200 may process the collected control variables and monitoring variables into at least one of performance degradation rate, output change rate, and temperature change rate (2030).
  • Output distribution of individual fuel cells 10 is determined according to the processed data (2040).
  • the unit level controller 100 controls the output of the individual fuel cells according to at least one of fuel, air, and water, and the temperature, pressure, and flow rate of the individual fuel cells 10 While maintaining at least one of the parameters, the power generation of the individual fuel cells 10 is monitored (2050).
  • the output of the fuel cell group and the individual fuel cells 10 may be distributed evenly, or the output of the specific fuel cell group or individual fuel cells 10 may be increased or decreased according to various situations or user settings.
  • the output of the fuel cell group may be monitored periodically or continuously in the group level controller 200 and the output of the individual fuel cells 10 in the unit level controller 100.
  • the failure or abnormality of the unit level controller 100 can be sensed and monitored by the group level controller 200 or the general level controller 300, and the group Whether the level controller 200 is defective or abnormal may be monitored by the general level controller 300.
  • the fuel cell system A and the fuel cell control system B may be operated or the system may be stopped in a predetermined manner.
  • an abnormality occurs in the controllers 100, 200, and 300 as described above, it can be controlled in various ways according to the distributed control method, and correspondingly, the output of the individual fuel cell 10 can be adjusted.
  • FIG. 3 is a control flowchart for describing a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention. The control method when an error occurs in each controller will be described with reference to FIG. 3.
  • the group level controller 200 or the general level controller 300 may periodically determine whether an error has occurred in the unit level controller 100 (3010).
  • the group level controller 200 may stop the output of the individual fuel cell 100 controlled by the unit level controller 100 in which the error occurs (3020). .
  • the overall level controller 300 determines whether an error has occurred in the group level controller 200. You can (3030).
  • the unit level controller 100 connected to the group level controller 200 in which the error occurs generates the output of the individual fuel cell 10 as a final set value. Set to maintain the output of the fuel cell (3040).
  • the individual fuel cells 10 that were controlled by the group level controller 200 may be normally operated.
  • the output of the individual fuel cells 10 may be set to a final set value that was finally set, or may be set to a specific output value to be driven when an error occurs.
  • an error alarm of the fuel cell control system B is generated through the user interface and the control system can be operated in its own error mode.
  • the group level controller 200 maintains the output of the fuel cell group by setting the output of the connected fuel cell group to the final set value (3060).
  • the driving of the individual fuel cells 10 may also be continuously performed. That is, even if a specific controller that controls the fuel cell fails, the entire fuel cell system (A) and the fuel cell control system (B) can be prevented from being shut down, and it is possible to secure time for recovery of the controller in which an error occurs. Can be.
  • the steps 3010, 3030, and 3050 of determining whether an error has occurred in a controller of a specific level may be performed sequentially as illustrated, or the determination steps for each may be performed independently of each other according to a certain period. .
  • FIG. 4 is a control flowchart for explaining a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention.
  • the control method when an abnormality occurs in the unit level controller will be described with reference to FIG. 4 as follows.
  • the fuel cell system A and the fuel cell control system B are normally driven (4060).
  • the unit level controller 100 may be additionally determined whether the number of unit level controllers 100 in which the error occurs is within an allowable number (4020).
  • the group level controller 200 is an individual fuel controlled by the corresponding unit level controller 100 where the error occurred.
  • the output of the battery 10 may be stopped (4030).
  • the group level controller 200 may maintain the output of each fuel cell 10 controlled by the corresponding unit level controller 100 as a final set value.
  • the output of the individual fuel cells 10 may be stopped or maintained at the final set value.
  • the output of the individual fuel cell 10 may be stopped and the amount of power required from the fuel cell system A may be insufficient, or the individual fuel cell 10 Even if the output is maintained at the final setting value of, power shortage may occur.
  • the group level controller 200 is an individual fuel cell 10 controlled by the normal unit level controller 100.
  • the output of can be adjusted, for example, increased (4050). That is, it is intended to supplement the amount of power of the individual fuel cells 10 that were controlled by the unit level controller 100 in which the error occurred, and to increase the amount of output power of the remaining individual fuel cells 10.
  • the individual fuel cell 10 may be normally operated (4060).
  • FIG. 5 is a control flowchart illustrating a fuel cell control method according to another embodiment of the present invention. The control method when an error occurs in the group level controller will be described with reference to FIG. 5 as follows.
  • FIG. 5 it is similar to a control process performed when an error of the unit level controller described with reference to FIG. 4 occurs.
  • This process may be monitored irrespective of whether an error has occurred in the unit level controller 100 of FIG. 4 or may be subsequently performed in determining the error of the unit level controller 100.
  • the fuel cell system A and the fuel cell control system B are normally driven (5060).
  • the group level controller 200 may be additionally determined whether the number of group level controllers 200 having an error is within an allowable number (5020).
  • the output of the individual fuel cell 10 controlled by the unit level controller 100 connected to the group level controller 200 where the error occurred is the final set value. It can be maintained (5030).
  • the output of the individual fuel cell 10 controlled by the unit level controller 100 connected to the group level controller 200 in which the error occurred may be stopped.
  • the output of the individual fuel cells 10 may be stopped or maintained at the final set value.
  • the output of the individual fuel cell 10 may be stopped and the amount of power required from the fuel cell system A may be insufficient, or the individual fuel cell 10 Even if the output is maintained at the final setting value of, power shortage may occur.
  • the overall level controller 300 outputs the output of the fuel cell group controlled by the normal group level controller 200. It can be adjusted, for example increased (5050). That is, to supplement the amount of power of the fuel cell group that was controlled by the group level controller 200 where the error occurred, it is to increase the output power of the remaining fuel cell group.
  • the fuel cell group that is, the individual fuel cell 10 may be normally operated (5060).
  • the fuel cell power generation system configured as one system by combining several small solid oxide fuel cells (SOFCs) capable of freely adjusting the output, even if more than one controller occurs, the entire system is affected.
  • SOFCs small solid oxide fuel cells
  • the partial functions of the fuel cell control system described above may be provided by being included in a computer-readable recording medium by tangibly implementing a program of instructions for realizing it.
  • the computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be specially designed and configured for the present invention or may be known and available to those skilled in computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and floptical disks.
  • magnet-optical media and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, USB memory, and the like.
  • the computer-readable recording medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire or a waveguide including a carrier wave that transmits a signal designating a program command, data structure, or the like.
  • Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler.
  • the hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.

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Abstract

적어도 하나의 개별 연료전지가 병렬로 연결된 연료전지 그룹을 적어도 둘 이상 포함하는 연료전지 시스템의 제어 시스템이 제공된다. 연료전지 제어 시스템은 상기 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단위 레벨 제어기; 상기 연료전지 그룹 내 개별 연료전지의 성능 저하율을 기반으로 상기 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 그룹 레벨 제어기; 및 그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 상기 총 출력에 대응하여 개별적인 상기 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정하는 총괄 레벨 제어기를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 제어 시스템
본 발명은 연료전지의 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 병렬로 연결된 복수의 연료전지를 계층적으로 제어함으로써 시스템을 안정적으로 운영하기 위한 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행 중이다.
최근, 전력난을 대비하기 위한 분산전원으로서 연료전지의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 연료전지는 종래의 내연 기관에 비해 효율이 높고, 대기오염의 원인이 되는 질소산화물과 아황산화물의 배출량이 적으며, 이산화탄소의 배출을 크게 감소시킬 수 있어 환경 보전상 효과가 큰 장점이 있다.
따라서, 전력 당국은 수요자원관리(demand response: DR) 시장 개설하고, 분산전원 사업자들의 전력시장참여를 활성화하고 있으며, 신재생 에너지 의무할당제(renewable portfolio standard: RPS) 시행으로 건물 등에 연료전지를 설치하는 사례가 증가하고 있다.
최근, 수요자원관리 시장 확대 및 신재생 에너지 의무할당제의 증가로 인해 연료전지의 설치사례가 증가하고 있는바, 고용량의 연료전지가 요구되고 있다. 이와 같이, 고용량의 연료전지가 요구됨에 따라 다수의 연료전지를 연결하여 사용자가 요구하는 전력 요구량에 대응하는 시스템이 필요하다.
그러나, 다수의 연료전지를 연결시켜 사용자가 요구하는 각각의 전력요구량에 대응할 경우, 컨트롤러의 이상 발생시 다수의 연료전지 구동이 정지되는 등 효율적인 전력 관리가 어려워 이를 통합하여 관리해줄 수 있는 시스템이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 분산형 연료전지 컨트롤러에 이상이 발생한 경우에도 개별적인 연료전지를 구동할 수 있는 연료전지 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 분산 적용된 제어기를 그룹화하고 각 제어기 별 담당 역할을 분배하여 제어기의 부담을 줄이고 운전 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 개별 연료전지가 병렬로 연결된 연료전지 그룹을 적어도 둘 이상 포함하는 연료전지 시스템의 제어 시스템은 상기 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단위 레벨 제어기; 상기 연료전지 그룹 내 개별 연료전지의 성능 저하율을 기반으로 상기 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 그룹 레벨 제어기; 및 그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 상기 총 출력에 대응하여 개별적인 상기 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정하는 총괄 레벨 제어기를 포함할 수 있다.
상기 단위 레벨 제어기는, 연료, 공기, 물 중 적어도 하나의 제어 변수에 따라 개별 연료전지의 출력을 제어하고, 상기 개별 연료전지의 온도, 압력, 유량 중 적어도 하나의 감시 변수를 유지할 수 있다.
상기 그룹 레벨 제어기는, 상기 단위 레벨 제어기로부터 상기 제어 변수 및 상기 감시 변수를 수집하고, 수집된 상기 제어 변수 및 상기 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공하고, 가공된 상기 데이터에 따라 상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정할 수 있다.
상기 그룹 레벨 제어기는, 상기 단위 레벨 제어기에 오류가 발생되면 해당 단위 레벨 제어기로 제어되는 개별 연료전지의 출력을 정지시킬 수 있다.
만약, 상기 그룹 레벨 제어기에 오류가 발생되면, 상기 단위 레벨 제어기는 상기 개별 연료전지의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지의 출력을 유지시킬 수 있다.
또는 상기 총괄 레벨 제어기에 오류가 발생되면, 상기 그룹 레벨 제어기는 상기 연료전지 그룹의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지 그룹의 출력을 유지시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 적어도 하나의 개별 연료전지가 병렬로 연결된 연료전지 그룹을 적어도 둘 이상 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법은 그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 상기 총 출력에 대응하여 개별적인 상기 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정하는 단계와; 상기 연료전지 그룹 내 개별 연료전지의 성능 저하율을 기반으로 상기 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 단계와; 상기 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 단계는, 상기 개별 연료전지에 대한 제어 변수 및 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공하고, 가공된 상기 데이터에 따라 상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분산형 연료전지 컨트롤러에 이상이 발생한 경우에도 개별적인 연료전지를 구동할 수 있는 연료전지 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분산 적용된 제어기를 그룹화하고 각 제어기 별 담당 역할을 분배하여 제어기의 부담을 줄이고 운전 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지 제어 시스템을 제공하는 것이다.
이로써, 다중 병렬 연결된 연료전지에 분산 제어 시스템을 적용하여 제어기의 운전 불가 상황 시에도 전체 발전 시스템의 안정적인 운전을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 기재한 모듈(MODULE)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드 웨어 및 소프트웨어의 결합을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 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. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템의 제어 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 분산 제어가 적용된 다중 병렬 연결 연료전지 제어 시스템은 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC; 100)들이 다중으로 연결되고 그룹화 되어 있는 연료전지 시스템(A)과 연료전지 시스템(A)을 제어하기 위한 연료전지 제어 시스템(B)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 연료전지 및 이를 제어하는 제어부를 두 개의 시스템으로 구분하여 지칭하였으나, 통상적으로 연료전지 및 이를 제어하는 제어부를 포함하여 연료전지 제어 시스템으로 명명할 수 있다.
연료전지 시스템(A)은 M개의 그룹으로 나누어져 있는 연료전지 그룹(1~M 그룹)을 포함하고, 하나의 그룹에는 N개의 연료전지(#1~#N, 10)가 병렬로 연결되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지(10)는 N*M개로 다중 분할되어 있으며, 각 연료전지(10)는 개별적으로 또는 그룹핑되어 또는 총괄적으로 전력 출력이 제어될 수 있다.
연료전지 시스템(A)은 건물 또는 특정 시설물에 설치되어, 사용자에게 공급하기 위한 전력을 생산하는 연료전지(10)로 구성되며, 이러한 연료전지 시스템(A)은 사용자에 의해 요청되는 전력 사용량을 수신하고, 수신된 전력 사용량에 맞게 사용자에 전력을 공급하게 된다.
이러한 연료전지(10)는 각각 연료전지 스택, 개질기, 전력변환기 등을 포함할 수 있고, 벨브 또는 차단기와 같은 산업 유틸리티를 포함할 수 있다. 연료전지 스택은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학반응으로 전기 에너지, 즉 직류 전원을 생성한다. 개질기는 연료전지 스택으로 공급되는 연료를 개질하는 역할을 한다. 그리고, 전력변환기는 연료전지 스택으로부터 생성된 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키는 역할을 한다. 이를 위해, 전력변환기는 연료전지 스택에서 출력되는 직류 전원을 전력 계통에서 사용할 수 있는 교류 전원으로 변환하는 DC-AC 인버터(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템(B)은 개별 연료전지(10)에 연결되어 연료전지(10)의 출력을 제어하는 단위 레벨 제어기(Unit Controller, UC; 100), N개의 개별 연료전지(10)를 포함하는 하나의 연료전지 그룹(1~M)을 제어하는 그룹 레벨 제어기(Group Controller, GC; 200), 및 단위 레벨 제어기(100)와 그룹 레벨 제어기(200)을 총괄적으로 제어하는 총괄 레벨 제어기(Master Controller, MC; 300)를 포함할 수 있다.
단위 레벨 제어기(100)는 개별 연료전지(10)와 직렬로, 즉 개별적이고 직접적으로 연결되어, 그룹 레벨 제어기(200)에서 요청된 전력발전량에 따라 개별 연료전지(10)의 발전량을 각각 조절하는 역할을 한다.
이를 위하여 단위 레벨 제어기(100)는 연료, 공기, 물 중 적어도 하나의 제어 변수에 따라 개별 연료전지(10)의 출력을 제어하고, 개별 연료전지(10)의 온도, 압력, 유량 중 적어도 하나의 감시 변수를 유지한다.
한편, 하나의 그룹 레벨 제어기(200)에는 N개의 단위 레벨 제어기(UC-11~UC-1N … UC-M1~UC-MN 100)가 병렬로 연결되어 있고, 본 실시예에 따를 경우, M개의 그룹 레벨 제어기(GC-1~GC-M, 200)가 단위 레벨 제어기(100)와 총괄 레벨 제어기(300) 사이에 연결되어 있다. 즉, M개의 그룹 레벨 제어기(200)가 N*M개의 단위 레벨 제어기(100)와 총괄 레벨 제어기(300) 사이의 인터페이스 역할을 한다.
그룹 레벨 제어기(200)는 연료전지 그룹의 벨브, 차단기 등을 포함하는 유틸리티를 제어하고, 연료전지 그룹 내 개별 연료전지(10)의 성능 저하율을 기반으로 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지(10)들의 출력 배분을 결정할 수 있다. 개별 연료전지(10)의 출력을 결정하기 위하여 그룹 레벨 제어기(200)는 단위 레벨 제어기(100)로부터 제어 변수 및 감시 변수를 수신하여 수집한다. 그룹 레벨 제어기(200)는 이렇게 수집된 제어 변수와 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공할 수 있다. 가공된 데이터에 따라 개별적인 연료전지(10)들의 출력 배분을 결정 및 조절될 수 있다.
그룹 레벨 제어기(200)에 병렬로 연결된 하나의 개별 연료전지(10)의 초기 발전량은 총 요구 발전량 / 개별 연료전지(10)의 개수(N*M)로 나타내어 질 수 있다. 그룹 레벨 제어기(200)는 총괄 레벨 제어기(300)의 요청에 의해 개별 연료전지(10)의 발전을 개시할 시, 주기적으로 개별 연료전지(10)의 상태를 체크하게 된다. 이러한 개별 연료전지(10)의 발전량은 시간이 지남에 따라 외부적인 상황, 또는 단위 레벨 제어기(100)나 그룹 레벨 제어기(200)의 오류 여부에 따라 변경되거나 최종 설정값으로 고정될 수 있다.
총괄 레벨 제어기(300)는 전력 그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템(A)의 총 출력을 결정하고 총 출력에 대응하여 개별적인 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정할 수 있다.
총 출력을 결정하기 위해서 총괄 레벨 제어기(300)는 연료전지 시스템(A) 이외의 기타 신재생 에너지 발전 현황을 참고할 수 있고, 신재생 에너지에서 출력되는 전력량에 대응하여 연료전지 발전 시스템 총 출력이 결정될 수 있다.
이러한 총괄 레벨 제어기(300)는 연료전지 시스템(A)의 메인 벨브, 차단기 등을 포함하는 유틸리티를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 제어 시스템(B)은 사용자가 연료전지를 제어할 수 있는 인터페이스로써 디스플레이부 및 조작부를 포함할 수 있고, 각 구성 요소, 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B) 간의 통신을 제어하기 위한 통신부를 더 포함할 수 있다.
사용자는 사용자 인터페이스를 통해 연료전지 제어 시스템(B)에 연결되어 연료전지(10)의 출력 변화를 모니터링할 수 있다. 사용자 인터페이스는 연료전지 제어 시스템(B)에 병렬로 연결되는 연료전지(10)의 출력 변화를 실시간으로 디스플레이하여 연료전지 제어 시스템(B)의 가동을 제어할 수 있다. 이러한 사용자 인터페이스는 총괄 제어 시스템(300)에 머지될 수 있다.
또한 통신부는 사용자 인터페이스 및 연료전지 제어 시스템(B) 사이에 연결될 수 있고, 연료전지(10)의 출력 변화에 따른 연료전지(10)의 동작 이상 여부를 사용자 인터페이스로 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
우선, 본 발명에 따른 연료전지 제어 방법의 핵심은 병렬로 연결되어 있는 개별 연료전지(10)를 그룹화하고, 개별 연료전지(10) 및 그룹화된 연료전지를 각각 제어할 수 있는 제어모듈을 각각 구비하여 이를 독립적이고 유기적이면서도 탄력적으로 운영하는 것이다.
이를 위하여, 총괄 레벨 제어기(300)는 그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 총 출력에 대응하여 개별적인 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정한다(2010). 상술된 바와 같이, 연료전지 시스템(A)의 총 출력에는 신재생 에너지의 전력 생산량이 참고될 수 있다.
사용자로부터 전력 수요가 없거나 총 전력 출력량이 정해지지 않은 상태의 경우, 총괄 레벨 제어기(300)는 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B)을 운행 대기 모드로 구동하고 절전 모드를 유지할 수 있다.
그런 후, 그룹 레벨 제어기(200)에 의한 전력 분배가 이루어진다.
그룹 레벨 제어기(200)는 개별 연료전지(10)에 대한 제어 변수 및 감시 변수를 수집할 수 있다(2020).
본 실시예에 따른 개별 연료전지(10)에 대한 제어 변수는 연료, 공기, 물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 감시 변수는 온도, 압력, 유량 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 제어 변수와 감시 변수는 단위 레벨 제어기(100)에 의하여 그룹 레벨 제어기(200)에 제공될 수 있다.
그룹 레벨 제어기(200)는 이렇게 수집된 제어 변수 및 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공할 수 있다(2030).
이렇게 가공된 데이터에 따라 개별 연료전지(10)들의 출력 배분이 결정된다(2040).
개별 연료전지(10)들의 출력 배분이 결정되면, 단위 레벨 제어기(100)는 연료, 공기, 물 중 적어도 하나에 따라 개별 연료전지의 출력 제어하고, 개별 연료전지(10)의 온도, 압력, 유량 중 적어도 하나의 변수를 유지하면서 개별 연료전지(10)의 발전을 모니터링한다(2050).
연료전지 그룹 및 개별 연료전지(10)들의 출력은 균일하게 분배될 수도 있고, 다양한 상황에 따라 또는 사용자 설정에 따라 특정 연료전지 그룹 또는 개별 연료전지(10)의 출력이 높아지거나 낮아 질 수 있다.
또한, 연료전지 그룹의 출력은 그룹 레벨 제어기(200)에서, 개별 연료전지(10)의 출력은 단위 레벨 제어기(100)에서 주기적으로 또는 연속적으로 모니터링될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템(B)에서, 단위 레벨 제어기(100)의 고장 또는 이상 여부는 그룹 레벨 제어기(200)나 총괄 레벨 제어기(300)에서 센싱되어 모니터링될 수 있고, 그룹 레벨 제어기(200)의 고장 또는 이상 여부는 총괄 레벨 제어기(300)에 의하여 모니터링될 수 있다. 총괄 레벨 제어기(300)에서 이상 여부가 발생하면, 기설정된 방식으로 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B)이 운영되거나 시스템의 가동이 중단될 수도 있다. 이처럼 제어기(100, 200, 300)에서 이상이 발생할 경우 분산형 제어 방식에 따라 다양한 방법으로 제어될 수 있고, 이에 대응하여 개별 연료전지(10)의 출력이 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 3을 참조하여 각 제어기에 이상이 발생했을 때의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 그룹 레벨 제어기(200) 또는 총괄 레벨 제어기(300)는 주기적으로 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생했는지 여부를 판단할 수 있다(3010).
판단 결과, 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생되면, 그룹 레벨 제어기(200)는 오류가 발생한 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(100)의 출력을 정지시킬 수 있다(3020).
기존의 병렬 구조의 연료전지 시스템의 경우, 연료전지를 제어하는 컨터롤러에 오류가 발생되면 병렬로 연결되어 있는 전체 연료전지의 출력이 정지되었다. 반면, 본 실시예에 따를 경우 특정 컨트롤러에 이상이 발생되어도 개별적인 연료전지(10)의 출력이 정지되고 다른 연료전지는 전력 출력이 가능하도록 탄력적으로 시스템에 운영될 수 있다.
반면, 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생하지 않았거나 개별 연료전지(10)의 출력이 제어되고 나면, 총괄 레벨 제어기(300)는 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생했는지 여부를 판단할 수 있다(3030).
판단 결과, 특정 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생되면, 오류가 발생된 그룹 레벨 제어기(200)에 연결되어 있는 단위 레벨 제어기(100)는 개별 연료전지(10)의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 연료전지의 출력을 유지시킨다(3040).
다시 말해, 특정 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생되어 그 기능을 수행할 수 없더라도 그룹 레벨 제어기(200)에 의하여 제어되었던 개별 연료전지(10)는 정상적으로 구동될 수 있다. 일 예로, 상술된 바와 같이, 개별 연료전지(10)의 출력은 최종적으로 설정되었던 최종 설정값으로 설정될 수도 있고, 오류가 발생 시 구동되기 위한 특정 출력값으로 설정될 수도 있다.
반면, 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생하지 않았거나 그룹 레벨 제어기(200)의 오류에 따른 개별 연료전지(10)의 출력에 제어되고 나면, 총괄 레벨 제어기(300)에 오류가 발생했는지 여부가 판단될 수 있다(3050).
총괄 레벨 제어기(300)에 오류가 발생하면, 사용자 인터페이스를 통하여 연료전지 제어 시스템(B)의 오류 알람이 발생하고 자체적인 오류 모드로 제어 시스템이 운영될 수 있다.
판단 결과, 총괄 레벨 제어기(300)에 오류가 발생되면, 그룹 레벨 제어기(200)는 연결되어 있는 연료전지 그룹의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 연료전지 그룹의 출력을 유지시킨다(3060).
총괄 레벨 제어기(300)에 오류가 발생하더라도 최종 설정값으로 연료전지 그룹의 출력이 유지될 수 있기 때문에 개별 연료전지(10)의 구동 역시 지속적으로 이루어질 수 있다. 즉, 연료전지를 제어하는 특정 제어기가 고장 나더라도 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B) 전체가 셧 다운되는 것이 방지될 수 있고, 오류가 발생한 제어기의 복구를 위한 시간을 확보할 수 있다.
특정 레벨의 제어기에 오류가 발생했는지 여부를 판단하는 단계(3010, 3030, 3050)는 도시된 바와 같이 순차적으로 수행될 수도 있고, 각각에 대한 판단 단계가 서로 독립적으로 일정 주기에 따라 수행될 수도 있다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 4을 참조하여 단위 레벨 제어기에 이상이 발생했을 때의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생했는지 여부가 판단될 수 있다(4010).
만약, 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생되지 않았다면 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B)은 정상적으로 구동된다(4060).
반면, 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생한 것으로 판단되면, 오류가 발생한 단위 레벨 제어기(100)의 개수가 허용 개수 내인지 여부가 추가적으로 판단될 수 있다(4020).
허용 개수 내에서 단위 레벨 제어기(100)의 오류가 발생했다면, 도 3를 참조하여 설명되었던 실시예와 유사하게 그룹 레벨 제어기(200)는 오류가 발생한 해당 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(10)의 출력을 정지시킬 수 있다(4030).
또는, 다른 예로 그룹 레벨 제어기(200)는 해당 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(10)의 출력을 최종 설정값으로 유지시킬 수도 있다.
하지만, 허용 개수 범위를 벗어난 개수의 단위 레벨 제어기(100)에서 오류가 발생했다면, 사용자에게 의하여 복구되는 과정이 수반될 수 있고, 소정 복수 시간 후에도 오류가 감지되는지 여부가 판단될 수 있다(4040).
사용자에 의하여 복구가 되는 동안, 개별 연료전지(10)의 출력은 정지되거나 최종 설정값으로 유지될 수 있다.
하지만, 소정 시간이 지나도 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 복구되지 않으면 개별 연료전지(10)의 출력이 정지되어 연료전지 시스템(A)으로부터 요구되는 전력량이 부족할 수도 있고, 개별 연료전지(10)의 최종 설정값으로 출력이 유지되어도 전력량 부족이 발생할 수 있다.
이를 보완하기 위하여, 본 실시예에 따르면, 소정 복구 시간 후에도 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 감지되면, 그룹 레벨 제어기(200)는 정상적인 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(10)의 출력을 조절, 예를 들어 증가시킬 수 있다(4050). 즉, 오류가 발생한 단위 레벨 제어기(100)로 제어되었던 개별 연료전지(10)의 전력량을 보충하기 위한 것으로, 나머지 개별 연료전지(10)의 출력 전력량을 증가시키는 것이다.
만약, 오류가 발생한 단위 레벨 제어기(100)가 임계값으로 설정된 복구 시간 내 복구되어 오류가 감지되지 않으면, 개별 연료전지(10)는 정상적으로 구동될 수 있다(4060).
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 5를 참조하여 그룹 레벨 제어기에 이상이 발생했을 때의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5의 경우, 도 4를 참조하여 설명되었던 단위 레벨 제어기의 오류 발생 시 수행되는 제어 과정과 유사하다.
우선, 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생했는지 여부가 판단될 수 있다(5010).
이 과정은 도 4의 단위 레벨 제어기(100)에 오류가 발생했는지 여부와 무관하게 모니터링될 수도 있고, 단위 레벨 제어기(100)의 오류 판단에 후속적으로 수행될 수도 있다.
만약, 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생되지 않았다면 연료전지 시스템(A) 및 연료전지 제어 시스템(B)은 정상적으로 구동된다(5060).
반면, 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 발생한 것으로 판단되면, 오류가 발생한 그룹 레벨 제어기(200)의 개수가 허용 개수 내인지 여부가 추가적으로 판단될 수 있다(5020).
허용 개수 내에서 그룹 레벨 제어기(200)의 오류가 발생했다면, 오류가 발생한 그룹 레벨 제어기(200)에 연결되어 있는 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(10)의 출력은 최종 설정값으로 유지될 수 있다(5030).
또는, 다른 예로 오류가 발생한 그룹 레벨 제어기(200)에 연결되어 있던 단위 레벨 제어기(100)로 제어되는 개별 연료전지(10)의 출력이 정지될 수도 있다.
하지만, 허용 개수 범위를 벗어난 개수의 그룹 레벨 제어기(200)에서 오류가 발생했다면, 사용자에게 의하여 복구되는 과정이 수반될 수 있고, 소정 복수 시간 후에도 오류가 감지되는지 여부가 판단될 수 있다(5040).
사용자에 의하여 복구가 되는 동안, 개별 연료전지(10)의 출력은 정지되거나 최종 설정값으로 유지될 수 있다.
하지만, 소정 시간이 지나도 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 복구되지 않으면 개별 연료전지(10)의 출력이 정지되어 연료전지 시스템(A)으로부터 요구되는 전력량이 부족할 수도 있고, 개별 연료전지(10)의 최종 설정값으로 출력이 유지되어도 전력량 부족이 발생할 수 있다.
이를 보완하기 위하여, 본 실시예에 따르면, 소정 복구 시간 후에도 그룹 레벨 제어기(200)에 오류가 감지되면, 총괄 레벨 제어기(300)는 정상적인 그룹 레벨 제어기(200)로 제어되는 연료전지 그룹의 출력을 조절, 예를 들어 증가시킬 수 있다(5050). 즉, 오류가 발생한 그룹 레벨 제어기(200)로 제어되었던 연료전지 그룹의 전력량을 보충하기 위한 것으로, 나머지 연료전지 그룹의 출력 전력량을 증가시키는 것이다.
만약, 오류가 발생한 그룹 레벨 제어기(200)가 소정 복구 시간 내 복구되어 오류가 감지되지 않으면, 연료전지 그룹, 즉 개별 연료전지(10)는 정상적으로 구동될 수 있다(5060).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 출력을 자유롭게 조정할 수 있는 소형 고체산화물 연료전지(SOFC)를 여려 개 조합하여 하나의 시스템으로 구성한 연료전지 발전 시스템에서 하나 이상의 컨트롤러 이상 발생시에도 전체 시스템에 영향을 미치지 않고 안정적인 출력을 확보할 수 있는 시스템 운영 방법이 제공된다.
상술한 연료전지 제어 시스템의 부분적 기능들은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 개별 연료전지가 병렬로 연결된 연료전지 그룹을 적어도 둘 이상 포함하는 연료전지 시스템의 제어 시스템에 있어서,
    상기 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단위 레벨 제어기;
    상기 연료전지 그룹 내 개별 연료전지의 성능 저하율을 기반으로 상기 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 그룹 레벨 제어기; 및
    그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 상기 총 출력에 대응하여 개별적인 상기 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정하는 총괄 레벨 제어기를 포함하는 연료전지 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 레벨 제어기는,
    연료, 공기, 물 중 적어도 하나의 제어 변수에 따라 개별 연료전지의 출력을 제어하고,
    상기 개별 연료전지의 온도, 압력, 유량 중 적어도 하나의 감시 변수를 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그룹 레벨 제어기는,
    상기 단위 레벨 제어기로부터 상기 제어 변수 및 상기 감시 변수를 수집하고,
    수집된 상기 제어 변수 및 상기 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공하고,
    가공된 상기 데이터에 따라 상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 레벨 제어기에 오류가 발생되면, 상기 그룹 레벨 제어기는 해당 단위 레벨 제어기로 제어되는 개별 연료전지의 출력을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그룹 레벨 제어기에 오류가 발생되면, 상기 단위 레벨 제어기는 상기 개별 연료전지의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지의 출력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 총괄 레벨 제어기에 오류가 발생되면, 상기 그룹 레벨 제어기는 상기 연료전지 그룹의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지 그룹의 출력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 시스템.
  7. 적어도 하나의 개별 연료전지가 병렬로 연결된 연료전지 그룹을 적어도 둘 이상 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    그리드의 전력 수요에 따라 연료전지 시스템의 총 출력을 결정하고 상기 총 출력에 대응하여 개별적인 상기 연료전지 그룹들의 출력 배분을 결정하는 단계와;
    상기 연료전지 그룹 내 개별 연료전지의 성능 저하율을 기반으로 상기 연료전지 그룹의 내 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 단계와;
    상기 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 단계는,
    상기 개별 연료전지에 대한 제어 변수 및 감시 변수를 성능 저하율, 출력 변화률 및 온도 변화률 중 적어도 하나의 데이터로 가공하고, 가공된 상기 데이터에 따라 상기 개별 연료전지들의 출력 배분을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 개별 연료전지의 출력을 제어하는 단위 레벨 제어기와, 상기 연료전지 그룹의 출력을 제어하는 그룹 레벨 제어기, 및 상기 연료전지 시스템의 총 출력을 제어하는 총괄 레벨 제어기를 포함하고,
    상기 단위 레벨 제어기에 오류가 발생되면 상기 그룹 레벨 제어기는 오류가 발생한 단위 레벨 제어기로 제어되는 개별 연료전지의 출력을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그룹 레벨 제어기에 오류가 발생되면,
    상기 단위 레벨 제어기는 상기 개별 연료전지의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지의 출력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 총괄 레벨 제어기에 오류가 발생되면,
    상기 그룹 레벨 제어기는 상기 연료전지 그룹의 출력을 최종 설정값으로 설정하여 상기 연료전지 그룹의 출력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
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