KR102074065B1 - 부하단에 배치된 변압기 및 ess를 가지는 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 - Google Patents

부하단에 배치된 변압기 및 ess를 가지는 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예들은 하나 이상의 배전반으로 구성된 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 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; 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 ESS(에너지 저장장치); 및 상기 메인버스와 상기 쓰러스트 모터 사이에 배치된 변압기로 구성된 것을 특징으로 하는, 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관련된다.

Description

부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템{POWER SUPPLY SYSTEM WITH TRANSFORMER AND ESS IN LOAD SIDE BASED ON DC GRID FOR SHIP}
본 발명은 부하단에 배치된 변압기 및 ESS(에너지 저장장치)를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 부하단에 ESS와 쓰러스트 모터가 병렬 배치되고 변압기가 직렬 배치된 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관련된다.
종래 선박 내 ESS는 본 발명과 같이 쓰러스트 모터에 인접하여 배치되지 않고, 발전단과 부하단을 연결하는 메인버스에 연결되어 발전단으로부터 전력을 공급받고, 쓰러스트 모터를 포함한 다른 모터들에 전력을 공급한다. 일반적으로 발전단과 메인버스는 선미부(Stern)에 위치하며 쓰러스트 모터는 선종 별로 다르지만 보통 4~6개 정도가 선수부(Bow)와 선미부(Stern)에 적절하게 배치된다. 그러나 이와 같이 ESS가 메인버스에 연결되어 있으면 ESS와 선수부 쓰러스트 모터간 거리가 멀기 때문에 많은 전력을 소모하는 쓰러스트 모터로 전력을 전송시 전송선에서 큰 전력 손실이 발생하고, 큰 전력 전송에 따라 발생되는 자장으로 인해 선박 내 통신 장애를 일으킬 우려가 있다.
한국 등록특허 제10-1253997호
위와 같은 문제를 해결하기 위해서 큰 전력을 소모하는 선수부 쓰러스트 모터에 집중적으로 ESS에 저장된 에너지를 공급하는 ESS의 배치가 요구된다.
또한 종래 변압기는 메인단에 있었으나, 본 발명에서는 부하단으로 이동시킴으로써 변압기의 부피 및 무게를 줄여 선박의 공간 활용 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템은 하나 이상의 배전반으로 구성되고, 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; 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 ESS(ESS); 및 상기 메인버스와 상기 쓰러스트 모터 사이에 배치된 변압기로 구성된다.
실시예에 있어서, 상기 발전부는, 발전기 및 발전기에서 생성된 교류 전류를 직류로 변환하여 메인버스에 출력하는 제1DC/AC/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 전력을 교류로 변환시켜 쓰러스트 모터에 전달하는 제2 DC/AC컨버터 및 상기 변압기를 통해 상기 제2 DC/AC컨버터로부터 전달받은 전력을 상기 ESS에 전달하는 제2 DC/AC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 변압기는 상기 제2 DC/AC컨버터로부터 전달받은 전력을 낮춰서 상기 쓰러스트 모터 및 상기 제2 DC/AC/DC 컨버터에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템은 부하단에 쓰러스트 모터 및 ESS를 구비함으로써 종래와 같은 전력 손실 및 통신 장애를 예방할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 부하단에 선수부 쓰러스트 모터를 위한 보조 직류 배전반을 배치함에 따라 대용량 모터 부하인 쓰러스트 모터의 부하 추종 반응 속도를 향상 시키는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 부하단에 선수부 쓰러스트 모터를 위한 보조 직류 배전반을 배치함에 따라 대용량 모터의 제동 시 발생하는 회생전력을 ESS에 저장하여 사용할 수 있어 종래의 저항을 통해 소모되는 전력을 활용할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 메인단은 고전압이나 부하단은 저전압이므로 보다 작은 사이즈의 변압기를 이용할 수 있어 부피 및 무게를 경량화 시켜 선박의 공간 활용 효율을 증대하는 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템의 간략화된 회로도이다. 도 1을 참조하면 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000은 하나 이상의 배전반1100,1200,1300으로 구성된다. 도 1에서는 3 개의 배전반이 도시되었으나, 다른 실시예에서는 1개 또는 4개 이상의 배전반이 쓰러스트 모터(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 제1 AC/DC 컨버터120를 포함할 수 있다.
발전기는 디젤발전기, 복합연료발전기, 가스연료발전기, 가스터빈 등이 포함될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
또한 발전기110와 제1 AC/DC 컨버터120 사이 또는 제1AC/DC 컨버터120와 메인버스200 사이에 스위칭 장치130가 더 구성될 수도 있다. 도 2에서는 제1 AC/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) 모터 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 ESS로 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면 제2부하부400는 메인버스200에서 전달받은 직류 전력을 교류로 변환시켜 쓰러스트 모터에 전달하는 제2 DC/AC컨버터 450 및 변압기420를 통해 제2 DC/AC컨버터450로부터 전달받은 전력을 ESS 430에 전달하는 제2 AC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
도 4를 더 참조하면, 일 실시예에 있어서, 상기 변압기420는 제2 DC/AC컨버터450로부터 전달받은 전력을 낮춰서 쓰러스트 모터410 및 제2 AC/DC 컨버터440에 제공할 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 쓰러스트 모터410와 제2 AC/DC컨버터440는 병렬 연결될 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000은 발전부100에서 생성된 전력은 L1을 따라 ESS430를 충전할 수 있고, 에저지 저장장치430에 저장된 전력은 L2를 따라 쓰러스트 모터410에 전력을 공급할 수 있다.
통상적으로 선박 내 ESS는 본 발명과 같이 쓰러스트 모터410에 인접하여 배치되지 않고, 메인버스200에 연결되어 발전부100로부터 전력을 공급받고, 쓰러스트 모터를 포함한 다른 모터들에 전력을 공급한다. 그러나 이와 같이 ESS가 메인버스200에 연결되어 있으면 ESS와 쓰러스트 모터간 거리가 멀기 때문에 많은 전력을 소모하는 쓰러스트 모터로 전력을 전송시 전송선에서 큰 전력 손실이 발생하고, 큰 전력전달에 따라 발생되는 자장으로 인해 선박 내 통신 장애를 일으킬 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템은 쓰러스트 모터 부하단에 ESS를 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 배전반은,
    직류 전류를 출력하는 발전부;
    상기 발전부에서 출력된 직류 전류를 부하부에 전달하는 메인버스로 구성된 메인 배전단; 및
    제1 부하부, 및 쓰러스트 모터; 상기 쓰러스트 모터와 병렬 연결된 ESS(에너지 저장장치); 및 변압기로 구성된 제2 부하부를 포함하는 부하부를 포함하고,
    상기 쓰러스트 모터 및 에너지 저장장치(ESS)는, 상기 메인 배전단으로부터 전류를 수신하여 전달하는 하위 배전단에 연결되며,
    상기 변압기는 상기 메인 배전단과 하위 배전단 사이에 설치된 것을 특징으로 하는, 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 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 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 부하부는,
    상기 메인버스에서 전달받은 직류 전력을 교류로 변환시켜 쓰러스트 모터에 전달하는 제2 DC/AC컨버터; 및
    상기 변압기를 통해 상기 제2 DC/AC컨버터로부터 전달받은 전력을 상기 ESS에 전달하는 제2 AC/DC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변압기는 상기 제2 DC/AC컨버터로부터 전달받은 전력을 낮춰서 상기 쓰러스트 모터 및 상기 제2 AC/DC 컨버터에 제공하는 것을 특징으로 하는 부하단에 배치된 변압기 및 ESS를 가지는 선박용 DC기반 전력 공급 시스템.
KR1020180049923A 2018-02-14 2018-04-30 부하단에 배치된 변압기 및 ess를 가지는 선박용 dc기반 전력 공급 시스템 KR102074065B1 (ko)

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