KR102074064B1 - 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 - Google Patents

쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예들은 하나 이상의 배전반으로 구성된 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 있어서, 상기 배전반은, 직류 전류를 출력하는 발전부, 상기 발전부에서 출력된 직류 전류를 부하부에 전달하는 메인버스 및 제1 부하부 및 제1 부하부 보다 더 큰 전력을 소모하는 제2 부하부를 포함하는 부하부를 포함하고, 상기 제2 부하부 쓰러스트 모터 및 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 에너지 저장장치(ESS)로 구성된 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관련된다.

Description

쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템{POWER SUPPLYING SYSTEM BASED ON DC FOR THRUSTER FOR SHIP}
본 발명은 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 쓰러스트 모터단에 에너지 저장장치가 구비된 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관련된다.
종래 선박의 쓰러스터는 가변 피치 프로펠러(Controllable Pitch Propeller)와 고정 피치 프로펠러(Fixed Pitch Propeller) 두 가지 유형이 있으며 고정 피치 프로펠러의 경우는 가변 주파수 드라이브가 적용된다. 고정 피치 프로펠러의 경우는 가변 주파수 드라이브가 적용되지 않아 기동 시 정격전류의 5~6배에 달하는 기동전류가 발생하게 되어 계통 내 타 부하에 영향을 미치게 된다.
쓰러스터 부하는 선박 내 모터 부하 중 대형 부하에 속하여 운전 특성에 따라 부하 변동도 급격하게 나타난다. 기존 발전기는 급격한 부하 변동에 대한 응답속도가 느려 계통의 안정성을 높이기 위하여 입/출력 응답속도가 높은 에너지 저장장치를 적용한다. 하지만 종래 교류계통에서는 메인버스와 쓰러스터 사이 변압기가 있어 메인버스에 에너지 저장장치를 연계하는 경우 변압기로 인하여 에너지 저장장치의 높은 응답 속도의 장점이 저하되게 된다. 그리고 에너지 저장장치가 쓰러스터 부하에 대응하여 순간적으로 출력을 높이는 경우 전체 계통에 영향을 미치게 된다. 또한, 쓰러스터와 에너지 저장장치 간의 전력전송 거리로 인하여 전송선에서 큰 전력손실이 발생하게 된다. 쓰러스터 부하단에 에너지 저장장치를 연계하는 경우 쓰러스터 부하에 대응한 응답속도는 향상시킬 수 있으나 변압기로 인하여 에너지 저장장치는 메인버스로 전력을 공급하지 못하고 변압기 하부 계통 내로만 전력 공급이 국한되어 활용성이 저하된다.
한국 등록특허 제10-1253997호
위와 같은 문제를 해결하기 위해서 큰 전력을 소모하는 쓰러스트 모터에 집중적으로 저장된 에너지를 공급하는 것과 메인버스와 에너지 저장장치 간의 양방향 전력전송이 가능한 직류 전력계통 및 에너지 저장장치의 배치가 요구된다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템은 하나 이상의 배전반으로 구성되고, 상기 배전반은, 직류 전류를 출력하는 발전부, 상기 발전부에서 출력된 직류 전류를 부하부에 전달하는 메인버스 및 제1 부하부 및 제1 부하부 보다 더 큰 전력을 소모하는 제2 부하부를 포함하는 부하부를 포함하고, 상기 제2 부하부는 쓰러스트 모터 및 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 에너지 저장장치(ESS)로 구성된다.
실시예에 있어서, 상기 발전부는, 발전기 및 발전기에서 생성된 교류 전류를 직류로 변환하여 메인버스에 출력하는 제1AC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1 부하부는, 상기 메인버스에서 전달받은 직류 전류를 교류로 변환하여 모터에 전달하는 제1DC/AC 컨버터 및 상기 제1 DC/AC 컨버터로부터 교류 전류를 전달받는 모터를 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2 부하부는, 상기 메인버스에서 전달받은 직류 전력의 전압을 조절하는 제1 DC/DC 컨버터 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로부터 전달받은 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 상기 쓰러스트 모터에 전달하는 제2AC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 제2 부하부는, 상기 제2 AC/DC 컨버터와 병렬 연결되고, 상기 제1 DC/DC 컨버터로부터 전달받은 직류 전류를 조절하는 제2 DC/DC 컨버터를 더 포함하되, 상기 제1 DC/DC 컨버터 및 제2 DC/DC 컨버터는 양방향 전류 전달이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템과 쓰러스트 모터 부하단에 에너지 저장장치를 적용함으로써 종래와 같은 쓰러스터 부하 급변동에 대한 응답속도 개선, 전력 손실 개선, 양방향 전력전송으로 에너지 저장장치 활용도를 증가할 수 있는 이점이 있다.
또한 쓰러스터가 있는 부하단이 기타 모터부하와 조합되어 구성된 경우 기존 교류계통에서는 대용량 변압기를 메안단과 부하단 사이에 적용하여야 하나 본 발명의 일 실시예에 따르면 해당 대용량 변압기는 필요치 않으며 쓰러스터를 제외한 모터 부하 전용 소용량 변압기 또는 AC/DC 컨버터를 적용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템의 간략화된 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부100를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 부하부300 및 제2 부하부400를 각각 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부10의 예시를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전반1100의 전력 흐름을 나타낸다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템의 간략화된 회로도이다. 도 1을 참조하면 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000은 하나 이상의 배전반1100,1200,1300으로 구성된다. 도 1에서는 3 개의 배전반이 도시되었으나, 다른 실시예에서는 2개 또는 4개 이상의 배전반이 쓰러스터(THRUSTER) 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000을 구성할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 각 배전반1100-1300은 각각 발전부100, 메인버스200 및 부하부300,400를 포함한다. 이하에서는 설명의 명료화를 위해서 배전반1100을 대표로하여 배전반1100에 포함되는 구성요소에 대하여 설명한다. 배전반1100의 구성요소100-400에 대한 설명은 다른 배전반1200,1300에도 대응되게 인용될 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 각 배전반은 메인버스200를 통해 연결될 수 있고, 각 배전반 사이 연결은 연결부10에의해 제어될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부10의 예시를 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 있어서 각 배전반 사이 연결은 연결부10에의해 제어될 수 있으며, 연결부10는 SSCB(solid state circuit breaker)(도 5a) 이거나 기계적 스위칭 소자(도 5b)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부100를 나타낸다. 발전부100는 전력을 생성하여 메인버스200에 전달한다. 발전부100는 메인버스200에 직류 형태로 전력을 전달한다. 보다 구체적으로 발전부100는, 발전기110 및 발전기110에서 생성된 교류 전류를 직류로 변환하여 메인버스200에 출력하는 제1AC/DC 컨버터120를 포함할 수 있다.
발전기는 디젤발전기, 복합연료발전기, 가스연료발전기, 가스터빈 등이 포함될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
또한 발전기110와 제1AC/DC 컨버터120 사이 또는 제1AC/DC 컨버터120와 메인버스200 사이에 스위칭 장치130가 더 구성될 수도 있다. 도 2에서는 제1AC/DC 컨버터120와 메인버스200 사이에 스위칭 장치130가 구성된 것이 나타난다. 스위칭 장치130는 SSCB(solid state circuit breaker)또는 기계적 스위칭 소자 중 하나 이상일 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1을 다시 참조하면, 메인버스200는 발전부100에서 출력된 직류 전류를 부하부300, 400에 전달한다. 즉 메인버스200에는 직류전류가 흐르게 된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 부하부300 및 제2 부하부400를 각각 나타낸다. 본 발명에 있어서, 제2 부하부400는 제1 부하부300 보다 더 큰 전력을 소모하는 부하를 가진 부분일 수 있다. 예컨대 제2 부하부400는 쓰러스트 모터를 포함할 수도 있다.
도 3을 참조하면 제1 부하부300는, 메인버스200에서 전달받은 직류 전류를 교류로 변환하여 모터310에 전달하는 제1DC/AC 컨버터320 및 제1 DC/AC 컨버터320로부터 교류 전류를 전달받는 모터310를 포함할 수 있다. 모터310는 공기압축기(Air Compressor), 카고 펌프(Cargo Pump), 발라스트 펌프(Ballast Pump)등이 포함될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
또한 메인버스200와 제1DC/AC 컨버터320 사이 또는 제1DC/AC 컨버터320와 모터310 사이에 스위칭 소자330가 더 포함될 수 있다. 도 3에서는 메인버스200와 제1DC/AC 컨버터320 사이에 스위칭 소자330가 구성된 것이 도시되어있다.
도 1에서는 제1 부하부300가 2개로 도시되었으나, 다른 실시예에서는 1개 또는 3개 이상일 수 있다. 제1 부하부300가 복수개인 경우 서로 병렬 연결되거나 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 부하부400는 쓰러스트 모터 및 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 에너지 저장장치ESS로 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면 제2부하부400는 메인버스200에서 전달받은 직류 전력의 전압을 조절하는 제1 DC/DC 컨버터450 및 제1 DC/DC 컨버터450로부터 전달받은 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 쓰러스트 모터410에 전달하는 제2 DC/AC 컨버터420를 더 포함할 수 있다. 여기서 제1 DC/DC 컨버터450는 메인버스에서 전달받은 직류 전력의 전압을 낮추는 기능을 할 수 있다.
즉 제1 DC/DC 컨버터450는 장거리 전송 시 발생할 수 있는 전압강하를 보정하기 위하여 전압을 상승시켜서 전송할 수 있으며, 쓰러스터가 연계되어 있는 하위 배전단의 전압이 메인 배전단의 전압보다 낮은 경우 하위 배전반 계통 연계를 위하여 전압을 낮춰줄 수 있다.
도 4를 더 참조하면, 일 실시예에 있어서, 제2 부하부400는, 제2 DC/AC 컨버터420와 병렬 연결되고, 제1 DC/DC 컨버터450로부터 전달받은 직류 전류를 조절하는 제2 DC/DC 컨버터440를 더 포함할 수 있다. 제2 DC/DC 컨버터440는 제1 DC/DC컨버터450으로부터 전달받은 전력의 전압을 낮추는 기능을 할 수 있다. 여기서 제1 DC/DC 컨버터450 및 제2 DC/DC 컨버터440는 양방향 전류 전달이 가능한 것일 수 있다.
구체적으로 제2 DC/DC 컨버터440는 에너지 저장장치430를 메인버스200로부터 충전하는 역할 및 에너지 저장장치430의 전력을 메인버스200로 공급하는 역할을 할 수 있다. 또한 제2 DC/DC 컨버터440는 쓰러스터410의 회생 전력을 에너지 저장장치430에 충전하는 역할(410->420->440->430) 및 에너지 저장장치430의 전력을 쓰러스터410에 공급하는 역할도 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전반1100의 전력 흐름을 나타낸다. 도 6에 도시된 배전반1100의 전력 흐름은 다른 배전반1200,1300에도 동일하게 인용될 수 있다. 도 6을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000은 발전부100에서 생성된 전력은 L1을 따라 에너지 저장장치430를 충전할 수 있고, 에저지 저장장치430에 저장된 전력은 L2를 따라 제1 부하부300과 쓰러스터에 전력을 공급할 수 있다. 또한 쓰러스터 급제동 시 발생하는 회생전력은 L3를 따라 에너지 저장장치에 저장할 수 있다.
통상적으로 선박 내 에너지 저장장치ESS는 본 발명과 같이 쓰러스트 모터410에 인접하여 배치되지 않고, 메인버스200에 연결되어 발전부100로부터 전력을 공급받고, 쓰러스트 모터를 포함한 다른 모터들에 전력을 공급한다. 그러나 이와 같이 에너지 저장장치가 메인버스200에 연결되어 있으면 에너지 저장장치와 쓰러스트 모터간 거리가 멀기 때문에 많은 전력을 소모하는 쓰러스트 모터로 전력을 전송시 부하 응답 속도 저하, 전송선 상에서 큰 전력 손실이 발생, 부하 변동에 다른 큰 전력전달 시 전류변화로 인하여 발생되는 자장으로 인해 선박 내 통신 장애를 일으킬 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템은 쓰러스트 모터 부하단에 에너지 저장장치를 구비함으로써 위와 같은 전력 손실 및 통신 장애를 예방할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 하나 이상의 배전반으로 구성된 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 배전반은,
    직류 전류를 출력하는 발전부;
    상기 발전부에서 출력된 직류 전류를 부하부에 전달하는 메인버스로 구성된메인 배전단; 및
    제1 부하부, 및 쓰러스트 모터 및 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 에너지 저장장치(ESS)로 구성된 제2 부하부를 포함하는 부하부를 포함하고,
    상기 제1 부하부는 상기 메인 배전단에 연결되고,
    상기 쓰러스트 모터 및 에너지 저장장치(ESS)는, 상기 메인 배전단으로부터 직류 전류를 수신하여 전달하는 하위 배전단에 연결되며,
    상기 에너지 저장장치(ESS)의 전력이 상기 메인버스를 통해 상기 제1 부하부로 공급되는 것을 특징으로 하는, 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는,
    발전기; 및
    발전기에서 생성된 교류 전류를 직류로 변환하여 메인버스에 출력하는 제1 AC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부하부는,
    상기 메인버스에서 전달받은 직류 전류를 교류로 변환하여 모터에 전달하는 제1DC/AC 컨버터; 및
    상기 제1 DC/AC 컨버터로부터 교류 전류를 전달받는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 부하부는,
    상기 메인버스에서 전달받은 직류 전력의 전압을 조절하는 제1 DC/DC 컨버터; 및
    상기 제1 DC/DC 컨버터로부터 전달받은 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 상기 쓰러스트 모터에 전달하는 제2 DC/AC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    제2 부하부는,
    상기 제2 DC/AC 컨버터와 병렬 연결되고, 상기 제1 DC/DC 컨버터로부터 전달받은 직류 전류를 조절하는 제2 DC/DC 컨버터를 더 포함하되,
    상기 제1 DC/DC 컨버터 및 제2 DC/DC 컨버터는 양방향 전류 전달이 가능한 것을 특징으로 하는 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
KR1020180049914A 2018-02-14 2018-04-30 쓰러스터 전력 공급을 위한 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 KR102074064B1 (ko)

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