KR20090076819A - 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 - Google Patents

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데이비드 크레인 알란
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Abstract

본 발명은 함정과 잠수함에 사용될 수 있는 전력 분배 시스템을 제공한다. 전력 분배 및 추진 시스템은 초전도성(바람직하게는 고온 초전도성(HTS) 회전자 권선을 구비한 추진 모터(5)와 전력 변환기(4)를 포함하는 제1추진 구동 시스템을 포함하여 구성된다. 제1추진 발전 시스템은 전력을 제1추진 구동 시스템으로 공급하고, 초전도성(바람직하게는 HTS) 회전자 권선을 구비한 발전기(2)와 전력 변환기(3)를 포함하여 구성된다. 제1발전 시스템은 분배 전압과 분배 전류를 전송하기 위한 직류 분배 버스바(25)(선택적으로 HTS 배선이나 버스바를 이용하여 구현됨)를 포함하고, 접점들이 구비된 보호개폐기를 포함하는 배전반(16)을 포함하여 구성되는 제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위한 전원(14)을 포함한다. 전력 변환기(15)는 전원(14)을 배전반(16)에 연결하는데 이용된다. 전력 변환기(3, 15)는 전원 폴드백 및 안정화 특성에 의하여 조정된다. 전기 부하는 지역 전력 분배 서브시스템의 일부를 형성하는 지역 전력 공급 장치(23)로부터 전력을 공급받는다. 전기 부하와 추진 모터(5)는 로드 쉐딩과 안정화 특성에 의하여 조정된다.
Figure P1020090001081
전력 분배, 추진 시스템, 발전 시스템, 배전반, HTS, 고장 전류

Description

선박용 전력 분배 및 추진 시스템{MARINE POWER DISTRIBUTION AND PROPULSION SYSTEMS}
본 발명은 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최대의 전력 밀도(power density), 효율성, 및 안정성을 얻을 수 있고, 모듈러 접근방식과 표준 인터페이스에 의해 장래 기술의 삽입을 용이하게 하는 시스템에 관한 것이다.
전체 전기 추진(FEP : Full Electric Propulsion)을 사용하는 통상적인 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에서는, 다른 모든 서브 회로들에서 최소한의 실질적인 중단이 발생하는 동안, 보호개폐기가 특정 서브 회로들이 과전류로 인하여 고장 나는 것을 방지할 수 있도록 고장 전류 크기-시간 식별(fault current magnitude-time discrimination)이 사용된다. 그러한 FEP시스템들은 어떤 특정 시간에 온라인 상태에 있는 총 발전 용량을 그 시간에 요구되는 총 부하에 적응시키는 것을 목적으로 하는 “전력 스테이션 원리(power station principle)”를 사용한다고 일컬어진다. 이것은 연료 효율성을 최대화하는 이점을 갖는다. 그러한 FEP시스템들의 환경설정(configuration)은 우선적으로(in prioritised manner) 부하를 쉐드(to shed load)하고 발전기를 작동시키는 권한을 갖는 전력 관리 시스템에 의해 보통 어느 정도는 자동화된다. 교류는 지상기지 시스템들(land-based systems)과의 호환성을 유지하기 위해 중전압(MV : Medium voltage)으로 FEP시스템들을 통하여 분배된다.
도 1은 통상적인 FEP 시스템의 한 예를 보여준다. 일련의 터빈들(T)과 디젤 엔진들(D)이 개개의 발전기들(G)을 작동시키는데 사용된다. 이것들은 보호개폐기(protective switchgear)가 장착된 중전압 교류 버스바 시스템(MV ac busbar system)을 통하여 교류 전압을 FEP시스템으로 공급한다. 상기 보호개폐기는 회로 차단기들과 연동 제어장치들을 포함하여 구성되며, 도 1에서는 X 심벌로 표현되어 있다. 전력 변환기들(PC : Power converters)은 프로펠러를 구동하는 전기 추진 모터(PM : Propulsion motor)에 상기 MV 교류 버스바 시스템을 연결하는데 사용된다. 또한 필터들(F)은 상기 MV 교류 버스바 시스템에 연결된다. 상기 MV 교류 버스바 시스템은 보호개폐기에 의해 상호 연결된 제1MV 교류 버스바와 제2MV 교류 버스바로 나누어진다. 제1저전압(LV) 교류 버스바는 제1변압기를 통하여 상기 제1MV 교류 버스바에 연결된다. 제2저전압(LV) 교류 버스바는 제2변압기를 통하여 상기 제2MV 교류 버스바에 연결된다. 상기 제1 및 제2LV 교류 버스바들은 보호개폐기에 의해 상호 연결된다. 일련의 불특정 큰 부하들(Large loads)과 작은 부하들(Minor loads)이 상기 제1 및 제2LV 교류 버스바들에 각각 연결될 수 있다. 도 1로부터 작은 부하들이 제1 및 제2마이너 LV 교류 버스바들을 통하여 상기 제1 및 제2LV 교류 버스바들에 연결되는 것을 명확히 알 수 있을 것이다.
상기 FEP시스템에서 6개의 크기-시간 식별 레벨들이 도 1의 오른편(right hand side)을 따라 도시되어 있다. 보호개폐기는 각 식별 레벨들에서 X 심벌에 의해 표현된다. 예를 들어, 식별 레벨 6에서, 보호개폐기는 상기 MV 교류 버스바와 각 발전기들(G) 사이에 위치하게 된다. 식별 레벨 5에서, 보호개폐기는 상기 MV 교류 버스바와 각 필터들(F) 사이 및 상기 MV 교류 버스바와 각 전력 변환기들(PC) 사이에 위치하게 된다. 보호개폐기는 상기 MV 교류 버스바와 상기 제1 및 제2MV 교류 버스바들을 상기 제1 및 제2LV 교류 버스바들에 각각 연결하는데 사용되는 각 변압기들 사이에 위치하게 된다. 식별 레벨 4에서, 보호개폐기는 각 변압기들과 각각의 LV 교류 버스바들 사이에 위치하게 된다. 식별 레벨 3에서, 보호개폐기는 제1 및 제2LV 교류 버스바와 각각의 큰 부하들 사이 및 마이너 LV 교류 버스바로의 각 공급처 각각의 사이에 위치하게 된다. 식별 레벨 2에서는, 추가적인 보호개폐기가 제1 및 제2LV 교류 버스바들과 상기 마이너 LV 교류 버스바들 각각의 연결 부분들 사이에 위치하게 된다. 식별 레벨 1에서, 보호개폐기는 상기 마이너 LV 교류 버스바들과 작은 부하들 각각의 사이에 위치하게 된다.
FEP시스템의 임의의 특정 식별 레벨에서 단락회로(short circuit)는 그 레벨에서 연관된 보호개폐기를 작동시켜야(trip) 하지만, 다른 보호개폐기는 작동시키지(trip) 않아야 한다. 보호 고장 전류 레벨들은 전적으로 공급 임피던스에 의해 결정되고, 보호개폐기는 최대 고장 전류가 지나간 훨씬 후에 고장 전류(즉, 고장(fault) 동안 FEP시스템에서 흐르는 전류)를 차단할 수 있을 뿐이다. 그러므로 상기 고장 전류는 일반적으로 선 전류 반전(line current reversals)에서, 또는 아주 잠깐 지난 후에만 차단될 뿐이다.
도1에 도시된 통상적인 FEP시스템은 다음의 기술적인 결점들이 있다.
상기 고장 전류의 크기는 특정한 공통 결합점에서 온라인 상태에 있는 발전기들(G)의 개수와 종류에 의해 영향 받는다: 즉, 결합된 발전기 임피던스가 낮을수록, 고장 전류는 더 크게 된다. 예상된 고장 전류에서 다양한 변동이 일어나고 고장 식별(fault discrimination)을 보장하기 위하여 보호 장비 설정이 지속적으로 조정되어야 할 것이다.
고장 전류의 크기는 분배 전압(즉, FEP시스템에서 다양한 교류 버스바들에 의해 전달되는 전압)이 감소됨에 따라 증가하게 된다. 설치된 전체 출력정격(power rating)이 증가함에 따라 및/또는 분배 전압이 감소함에 따라, 결과적인 고장 전류(resulting fault current)가 이용할 수 있는 보호개폐기의 용량을 초과할 것이다. 중전압 전력 분배 시스템들은 보호개폐기의 제한을 극복하는데 이용되는 충분히 높은 분배 전압을 허용하기 위해, 부하 체감 변압기들(load step-down transformers)과 특수한 절연 시스템들의 사용에 의지해야만 할 것이다.
발전기들(G)의 특성들은 시간 의존성(time dependency)과 부하 분담(load sharing)을 돕기 위한 교류와 직류 성분들의 최대 크기에 의하여 크게 변화할 것이다.(자동 전압 레귤레이터(AVRs : Automatic Voltage Regulators)는 부하 분담에 도움이 되도록 디자인된다.) 더욱이, 이러한 특성들은 발전기에 결합된 원동기들(예를 들어, 디젤 엔진(D)이나 터빈(T))의 타입에 의해 크게 영향 받게 되고, 그것들이 결합되어 지배받고 조정되는 결과적인 합성 응답들은 상당히 불균형하게 되기 쉬울 것이다. 한 무리의 발전기들(G)이 공통 결합점(a point of common coupling) 에 연결되었을 때에 불균형들(disparities)은 종종 문제를 발생시키게 되며, 특히 필터들과 변압기들 같은 수동회로의 스위칭 과정과 부하의 과도상태 동안에 그러하다.
상기 FEP시스템은 흔히 “아일랜드(islands)”로 일컬어지는 다중 공통 결합점들(multiple points of common coupling)로 나누어진다. 모든 아일랜드는 단일 아일랜드 배치(예를 들어, 단일 엔진 작동을 위해)를 제공하기 위해 병렬로 함께 연결되거나, 후속하는 장치 고장에 따른 용량의 여분(redundancy)과 적절한 성능저하(graceful degradation)를 제공하기 위해 분리될 수 있다. 개개의 아일랜드들 간의 동기화와 부하 전송은 복잡하게 되며, 특히 그것들이 다른 정도의 고조파 오염(harmonic pollution)을 갖게 될 때, 그리고 상술한 불균형이 존재할 때 그러하다. 추진력은 일반적으로 추진 분배 시스템(PDS : Propulsion Distribution System)에 있는 아일랜드로부터 야기되고, 다른 부하들은 전력이 보통 상기 추진 분배 시스템(PDS)으로부터 유도되는 선박 서비스 분배 시스템(SSDS : Ship Service Distribution System)에 있는 아일랜드에 의해 공급받을 수 있게 된다. 보호식별(protective discrimination)과 전원의 품질은 보통 가장 큰 발전기(G) 하부에서 가장 작은 전기 부하로 연장된 공통 계층(common hierarchy)에 관련되어 있다. 상대적으로 민감한 SSDS를 PDS에 있는 비교적 강한 전력과 추진 장비에 의한 잠재적인 유해 효과들로부터 분리하기 위한 수단이 제공되어야 한다. 중요한 전기 부하들은 PDS로부터의 요구되는 분리 정도에 도달하기 위하여, 스스로 전용 전력을 변환하는 국부적인 높은 무결성 전원들(local high integrity power supplies)과 에너 지 저장장치를 필요로 할 것이다. 이와 같이 공급되는 국부적인 전력(local power)은 종종 지역 전력 공급 장비(ZPSU : Zonal Power Supply Units)라 하고, 그들의 에너지 저장장치는 종종 지역 에너지 저장장치(ZES : Zonal Energy Stores)라 한다.
FEP시스템이 교류 시스템이므로, 많은 변수들이 시스템의 디자인에 영향을 줄 수 있다. 이러한 변수들은 특히(inter alia) 전압, 주파수, 위상각, 역률, 사이클 스위칭 이벤트 포인트, 위상 불균형, 정수 및 비정수 고조파 왜곡을 포함한다. 이것은 복잡한 교류 시스템이기 때문에, 그러한 전력 분배 시스템에 영향을 주는 스트레이(stray)와 계획된 임피던스들 사이의 피할 수 없는 공진 모드들을 줄이는 것이 매우 어렵다는 것은 잘 알려져 있다. 일단 교류 분배 주파수(즉, FEP시스템에 있는 다양한 교류 버스바들에 의하여 전달되는 교류 전류의 주파수)가 선택되면, 이것은 발전기 토폴로지에 크게 영향을 줄 것이고, 마침내 원동기의 축 스피드에 제한을 둘 것이다. 많은 경우에 있어, 이것은 발전기와 원동기의 크기와 동작에 불리하게 영향을 줄 것이다.
대부분의 통상적인 FEP시스템들은 중간 전압에서 교류 전류를 분배(MVAC)하는 반면, 저전압에서 직류 전류를 분배(LVDC)하는 것으로 알려졌다. 비록 이러한 LVDC시스템들이 전류가 제한된 파워 일렉트로닉스(power electronics)를 통해 MVAC 전류 공급원으로부터 직류 전류를 얻을지라도, 이러한 LVDC시스템들은 아주 큰 고장 전류를 차단하기 위하여 직류 회로 차단기(DCCB : dc circuit breakers)에 의존한다.
예를 들어, SSDS는 통상적인 MVAC 분배 시스템으로부터 LVDC 분배 전압을 얻기 위하여 위상조정 변환 정류기(phase-controlled transformer rectifiers)를 사용할 것이다. 병렬 여분 공급기들(parallel redundant feeders)은 고장 전류 정격 DCCB들(fault current-rated DCCBs)을 포함하는 배전반들을 통하여 LVDC 분배 전압을 분배한다. 각 ZPSU는 조정된 파워 일렉트로닉스와 반 역류 다이오드들 사이에 삽입함으로써 이러한 배전반들의 여분 쌍으로부터 공급받게 된다.
다른 SSDS는 통상적인 MVAC 분배 시스템으로부터 LVDC 분배 전압을 얻기 위하여, 절연 변압기(transformer-isolated)와 연속적으로(back-to-back) 펄스 폭 변조(PWM : pulse width modulated)된 전압원 인버터들(보통 MV/LV 링크 변환기로 일컬어진다)을 사용할 것이다. 상기 LVDC는 고장 전류 정격 DCCB들을 경유하여 ZPSU와 다른 전기 부하들로 여분을 공급하기 위해 환상 주회로(ring main)를 사용하여 분배된다.
통상적인 교류 전류 분배 시스템과는 달리, 직류 전류 분배 시스템은 정기적인 전류 라인 반전(current line reversals)을 겪지 않을 것이다. 그러므로 DCCB는 전기 기계적으로 접점을 개방하게 함으로써 고장 전류를 차단해야 하고, 그에 따라 접점 사이에서 아크 전압이 발생된다. 상기 아크 전압은 고장 전류를 흐르게 하는 전원 장치 전압원(power supply voltage source)과 고장 전류의 감소를 저지하도록 유도적으로 발생된 전압의 합인 시스템 전압에 대비된다. 이것은 아크 전압이 고장 전류를 감소시키게 하고, 결국에는 고장 전류를 완전히 차단시킨다. 고장 전류가 최종적인 차단에 접근함에 따라, 상기 아크 전압은 SSDS에 연결되어 있는 스트레스 성분들로 알려지고 전자파장애(EMI : Electromagnetic interference)를 발생시키는 과도한 증가(transient increase)를 겪게 될 것이다. 이 스트레스 성분은 DCCB의 과도한 아크 전압과 전원 장치 전압원에서 흐르는 고장 전류의 차단으로부터 야기되는 SSDS분배 전압의 회복의 합에 의하여 악화된다. 과도한 아크 전압과 EMI를 줄이기 위하여, 서지 피뢰기(surge arrester)와 스너버(snubber)를 그러한 전력 분배 시스템들에 적용하는 것이 알려져 있다.
또한 전력 전자 스위칭 장치들(power electronic switching devices)과 전자기적으로 작동하는 전기 접점들이 직렬 연결된 결합을 이용하는 하이브리드 DCCB를 사용하는 것이 알려져 있으며, 그 결과 전력 전자 스위칭 장비는 빠르게 스위치 오프되고, 서지 피뢰기와 스너버는 합성 전압이 과도하게 되는 것을 완화시키며, 전기 접점은 고장 전류의 차단에 따라 개방되게 된다.
선형 레귤레이터 직류 전원 공급 장치들은 단락 부하 조건 동안(during short circuit load conditions) 레귤레이터 전력 장치에서의 에너지 손실을 제한하기 위하여 폴드백(foldback)이라 불리는 기술을 사용한다. 폴드백 시스템은 일반적으로 출력 전압에 의존하는 관계에 있는 출력 전류 제한 레귤레이터를 포함하여 구성된다. 만약 부하 임피던스가 특정 임계값 아래로 떨어진다면, 전류 제한 레귤레이터는 초기 동작에서 출력 전압을 감소시키며, 적절한 낮은 레벨로 출력 전류와 전압을 제한하고 레귤레이터 전력 장치의 에너지 손실을 제한하는 재생 동작이 뒤이어 행해지게 된다.
본 발명은 최대의 전력 밀도와 효율성을 얻을 수 있고, 고장 상태가 발생되어도 전력의 공급 차단과 해제를 안정적으로 수행할 수 있게 한 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은, 초전도성 권선(superconducting windings)과 전력 변환기가 구비된 추진 모터를 포함하는 제1추진 구동 시스템;
초전도성 권선과 전력 변환기가 구비된 발전기를 포함하여 구성되며, 상기 제1추진 구동 시스템으로 전력을 공급하기 위한 제1추진 발전 시스템; 및
제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 전원 장치를 포함하는 제1전력 발전 시스템을 포함하여 구성되며:
상기 제1서비스 분배 시스템은 분배 전압과 분배 전류를 전송하기 위한 적어도 하나의 직류 분배 버스바, 및 적어도 하나의 배전반을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 제공한다.
일반적으로, 상기 전력 분배 시스템은 출력 전류가 정류되거나 자연적으로 직류 전류를 생성하는 적어도 하나의 전원을 포함한다. 상기 출력 전류는 초기에는 통상적인 임피던스 제한의 경우보다 훨씬 더 큰 최대 보호 고장 전류를 야기하고, 그 후에는 출력 전류가 협조 동작(coordinated action)으로 정류되게 하는 전원 폴드백(power source foldback)과 안정화 특성에 따라 신속하게 동작하는 수단(fast acting means)(예를 들어, 전력 변환기와 같은)에 의해 제한되는 것이 바람직하다. 상기 전원 폴드백과 안정화 특성은 정상 상태의 드룹 성분(steady state droop component)을 결합함으로써 병렬 연결된 전원들 간의 전류 공유를 용이하게 한다. 더욱이, 상기 전원 폴드백과 안정화 특성은 정상 상태의 드룹 성분에 중첩되는 적절한 과도 응답을 결합함으로써 분배 전압의 안정화를 용이하게 한다.
낮은 임피던스 고장이 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에 인가될 때, 적어도 하나의 전원의 동작은 결국 폴드백 방법에 따라 차단되는 고장 전류를 야기할 것이다. 고장 전류 차단이 진행되는 동안, 상기 고장 전류의 경로와 관련된 배전반의 보호개폐기에 결합된 센서와 전자 프로세서는 고장을 감지하고, 보호개폐기가 개방되도록 결정하게 된다. 일단 고장이 차단되면 상기 전자 프로세서는 이것이 그러한 경우인지를 결정하고, 보호개폐기(선택적으로는 오프-로드 타입의 개폐기)가 개방되도록 지시한다.
다수의 전기 부하들이 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에 연결될 것이고, 이것들은 모두 상술한 적어도 하나의 전원에서 출력 전류를 정류하는 것과 대등한 방법으로 부하 전류가 제거되게 하는 특정한 로드 쉐딩(load shedding)와 안정화 특성에 따라 신속하게 동작하는 수단(예를 들어, 전력 변환기와 같은)에 의해 전자적으로 조정된다. 상기 보호개폐기가 개방되었을 때, 부하 전류 제거의 효과는 폴드백 방법에 따라 적어도 하나의 전원에서의 출력 전압을 회복시키는 것과 같은 것이다. 이러한 출력 전압의 회복은 로드 쉐딩 방법에 따라 전기 부하들의 재적용(re-application)을 시작한다. 또한 상기 로드 쉐딩과 안정화 특성은 공급 전압 에 대한 부하 전류의 특정한 과도 응답이 전기 부하들의 정상 상태 응답에 중첩되게 한다.
또한 상기 방법은 다른 센서들과 전자 프로세서에 의하여, 또는 특정한 전자 프로세서 명령들에 의하여, 또는 인터트리핑(inter-tripping) 방법에 의하여 감지된 다른 고장 모드들에 의해 시작될 수도 있다. 상기 방법의 모든 양상들(aspects)은 적절한 수단에 의해 프로그램 가능하게 되는 것이 바람직하다. 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은 동작하기 위한 적어도 하나의 전원, 보호개폐기, 및 전기 부하들 간의 직렬 통신을 필요로 하지 않는데, 이는 분산화 정보(distributed intelligence)와 효율적인 통신 수단이 전력 분배 시스템 자체적으로 제공되기 때문이다. 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 모든 구성 성분들은 자동적으로 그리고 자율적으로 동작할 수 있다. 그러나, 만약 직렬 통신이 제공된다면, 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은 증가된 정보(intelligence)와 자동화로부터 이익을 얻을 수 있을 것이다. 국부적인 수동 제어들은 모든 구성 성분들에 제공될 것이다.
전력은 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 통하여 분배되고, 특히 지역 에너지 저장장치들(zonal energy stores)이 결합한 하나 또는 그 이상의 지역 전력 분배 서브시스템들(zonal power distribution sub-systems)로 분배되는 것이 바람직하다. 특히, 각 지역 전력 분배 서브시스템은 전력을 적어도 하나의 전기 부하로 공급하기 위한 지역 전력 공급 장치(zonal power supply nuit)를 포함하며, 각 지역 에너지 저장장치는 전력을 상기 지역 전력 공급 장치로 공급하기 위해 제1 서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결된다. 이러한 지역 에너지 저장장치들은 본질적으로 가역 전력의 흐름(reversible power flow)을 지지할 수 있다. 상기 지역 에너지 저장장치들은 분배 전압의 차단에도 불구하고 상기 지역 전력 공급 장치에 연결된 전기 부하들에 연속적인 전력을 공급하기 위해 제1서비스 분배 시스템으로부터 충전될 것이다. 그러나, 상기 지역 에너지 저장장치들은 분배 전압의 안정화를 보조하기 위해 제1전력 분배 시스템으로 전력을 다시 공급할 수도 있다.
전력 변환기들은 모든 전원들의 출력을 적절한 직류 분배 전압으로 변경하고, 고장 전류 제한을 제공하기 위해 이용되는 것이 바람직하다. 이것은 더 큰 디자인의 여유와 발전 장비의 최적화를 가능하게 한다. 또한 모든 전기 부하들은 분배 전압을 안정화 시키는 것을 활발히 보조하고, 고장 전류와 스위칭 과도 전류(switching transients)를 제한하는 전력 변환기들에 의해 조절되는 것이 바람직하다. 선박용 전력 분배 및 추진 시스템, 특히 보호개폐기는 고장 전류와 스위칭 과도 전류가 능동적인 수단에 의해 제한되므로 연속적으로 가동하는 부하를 위해서만 최적화될 필요가 있다.
상기 선박용 분배 및 추진 시스템은 적절한 성능저하(graceful degradation)를 제공하기 위해 아주 여유(highly redundant)있고 재구성 가능한 토폴로지를 구비하는 것이 바람직하다. 이것은 구성 성분들이 손상되더라도 중요 시스템에 전력을 계속 공급하여야만 하는 해군 함정이나 잠수함 등에 사용되는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 경우에 특히 중요하다. 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 안정성은 큰 펄스 부하들(heavy pulsed loads)(예를 들어, 운동에너지 발사체(KE projectile)와 무인항공기(UAV : unmanned aerial vehicle) 발사대와 같은)이 제공될 수 있음을 의미한다. 어떤 전기 부하에 의해 유도되는 전력의 비율(proportion of power)은 효율성을 최적화하고, 단독 아일랜드와 다수 아일랜드의 구성들 사이의 범프 프리(bump-free) 천이를 용이하게 하기 위해 계속 조정될 것이다. 분배 전압은 설치된 전체 발전 용량에 대해서는 통상적인 전력 분배 시스템에서 보다 더 낮게 될 것이며, 그에 따라 절연 요구는 감소하고 전력 밀도는 최대화된다.
상기 전력 분배 시스템의 작동은 본질적으로 자동화되어 있으나 수동 복귀 모드들이 결합될 수 있다. 모든 중요한 구성 요소들은 지능적(intelligent)이고 자율적(autonomous)인 것이 바람직하다. 지능적인 것(intelligence)은 다음과 같이 요약된다.
전원(예를 들어, 발전기 같은)이 기동되었을 때, 그것에 결합된 전력 변환기는 출력 전압을 조정하여 원하는 출력 전압의 바로 아래까지 끌어 올린다(ramp). 관련된 보호개폐기는 이러한 준비 상태를 감지하고 닫는다. 상기 전원은 백피드(backfeed)에 대해 안전하며, 온라인에 있는 것을 감지하고, 그것의 특정 출력 특성으로 천이한다.
심각한 과부하가 발생할 때, 고장 전류는 전원 폴드백 및 안정화 특성에 의하여 제한된다. 상기 보호개폐기는 신속하게 알아내고(rapidly located), 센서를 참고하여 고장을 분류한다. 만약 고장이 지속된다면, 상기 전원 폴드백 및 안정화 특성은 출력 전압을 감소시킬 것이다. 모든 전기 부하들은 쉐드되거나(electrical loads shed) 지역 에너지 저장장치로 되돌아가게 된다. 상기 보호개폐기는 영향 받은 출력을 개방하는 것이 안전한지를 감지한다. 고장이 제거되었을 때, 다른 모든 전기 부하들이 쉐드되거나(electrical loads being shed) 지역 에너지 저장장치로 되돌아갔던 모든 출력 전압은 전원 폴드백 및 안정화 특성에 따라 회복되고, 로드 쉐딩(load shedding) 및 안정화 특성은 제거된다.
제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 로드 쉐딩 및 안정화 특성에 따라 조절될 수 있다. 특히, 상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기는 레귤레이터에 의해 조절되는 것이 바람직하다. 상기 레귤레이터는 선박용 함정의 추진 요구를 만족시키지만 항상 로드 쉐딩과 안정화 특성의 요건에 따르도록 상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터와 전력 변환기를 제어한다. 실제로, 프로펠러, 추진 모터 및 전력 변환기를 포함하여 구성되는 추진 구동부(propulsion drive)는 예를 들어, 분배 전압이 보호 폴드백 이벤트 동안(during a protective foldback event)처럼 낮을 때나, 요구되는 부하 전력이 이용할 수 있는 발전 용량보다 더 클 때를 제외하고는, 그 응답이 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 불안정하게 하지 않는다면 조작 명령들(예를 들어, 선박용 함정의 제어 레벨로부터 직접 제공되는 요구 신호들)에 응답할 것이다. 상기 추진 구동부의 응답이 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 불안정하게 한다면, 그 부하가 바람직하게 조절되거나 및/또는 분배 전압을 안정화시키기 위해 요구되는 것에 따라 점진적으로 쉐드(shed)하게 될 것이다.
제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 전원 폴드백(power source foldback) 및 안정화 특성에 따라 조절될 수 있다.
상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 제1추진 구동 시스템에 있는 한 또는 두 개 모두의 전력 변환기와 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기는 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하다.
제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원은 전력 변환기에 의해 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하다.
또한 상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치는 전력 변환기에 의해 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하다. 두 가지 경우 모두에서, 상기 전력 변환기는 펄스 폭 변조 DC/DC 변환기인 것이 바람직하다.
상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치와 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반 사이에 있는 상기 DC/DC 변환기는 전력이 상기 제1서비스 분배 시스템에서 상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치로 흘러갈 때 전압을 높이는 쵸퍼(step-up chopper)로서 극성을 갖게(polarised)되고, 전력이 상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치에서 제1서비스 분배 시스템으로 흘러갈 때 전압을 낮추는 쵸퍼(step-down chopper)로서 극성을 갖게 되는 것이 바람직하다.
상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반은 접점들이 구비된 보호개폐기를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원을 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결하는 전력 변환기는 전원 폴드백 및 안정화 특성에 따라 조절되는 것이 바람직하고, 적어도 하나의 전기 부하는 로드 쉐딩 및 안정화 특성에 따라 조절되는 것이 바람직하다. 상기 보호개폐기의 접점들은 (a) 과도하게 낮은 임피던스가 분배 전압 양단에 연결되게 하는 고장, (b) 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에서 자동적으로 발생되는 최우선의 인터트리핑 명령, (c) 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에서 수동으로 발생하는 최우선의 인터트리핑 명령, 및 (d) 원격으로 발생되는 최우선의 인터트리핑 명령 중 하나와 함께 전원 폴드백 및 안정화 특성의 상호 작용에 의해, 분배 전압과 분배 전류가 허용 가능한 레벨까지 낮아질 때에만 개방되도록 형성된다. 더욱이, 상기 보호개폐기의 접점들은 상기 접점들 양단 전압의 극성이 (a) 전원 폴드백 및 안정화 특성과 전원 기동 시퀀스, 및 (b) 로드 쉐딩(a load shedding) 및 안정화 특성 중 하나에 의하여 제한될 과도 전류나 돌입(inrush) 전류와 같은 것일 때에만 닫히도록 형성된다.
상기 분배 전압은 전원 폴드백 및 안정화 특성의 과도적인 부하선 함수(load line function)에 의하여, 그리고 상기 로드 쉐딩 및 안정화 특성의 부하 전류 함수의 변화율을 제한하는 것에 의하여 안정화되는 것이 바람직하다.
상기 제1발전 시스템은 상기 제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위해 병렬 연결된 다수개의 전원들을 포함할 수 있으며, 그에 따라 다수 개 전원들의 정상 상태 전류 공유는 각 전원의 전원 폴드백 및 안정화 특성의 정상 상태 드룹 함수에 의하여 공동으로 작용하게 되고, 다수 개의 전원들의 과도 전류 공유는 각 전원의 전원 폴드백 및 안정화 특성의 과도적인 부하선 함수에 의하여 공동으로 작용하게 된다.
상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원의 출력 전압과 출력 전류는 그 전류의 흐름이 단일 방향이 되도록 조절될 수 있다. 정상 상태 출력 전압은 오프 로드 버스 전압 설정 값(off load bus voltage setpoint)과 부하 전류에 비례하는 정상 상태 드룹 성분(steady state droop component)의 합이 되며, 그 결과 정상 상태 출력 전압은 정상 상태 부하선(steady state load line)과 일치하게 된다. 정상 상태 부하점(steady state loading point) 근처에서의 과도적인 부하 전류의 변동은, 출력 전압이 정상 상태 부하선 보다 더 작은 기울기를 갖는 과도적인 부하선(transient load line)을 따르게 한다. 정상 상태 전류는 특정 레벨로 제한된다. 만약 부하 전류가 정상 상태 전류 제한을 과도하게 초과하고 과도 전류의 특정한 제한 레벨을 초과하지는 않으나 그에 접근한다면, 출력 전압은 정상 상태 부하선을 따라 과도하게 감소할 것이고, 정상 상태 전류가 정상 상태 전류 제한보다 낮게 감소할 때 정상 상태 부하선으로 회복할 것이다. 만약 부하 전류가 정상 상태 전류 제한을 계속하여 초과하거나, 특정한 과도 전류의 제한을 초과한다면, 폴드백이 적용되어 출력 전압과 출력 전류는 재생 과정(regenerative process)(어떤 환경에서는 출력 전류가 아주 낮은 레벨(예를 들어, 약 2A)로 낮아지는 것이 유익할 수 있다)에 따라 대략 제로(0)까지 감소하고, 출력 전압과 출력 전류는 부하 임피던스가 특정 레벨을 넘어서 증가할 때까지 대략 제로(0) 상태를 유지하게 된다. 만약 부하 임피던스가 특정 레벨을 넘어서 증가한다면, 부하 전압은 초기에는 부분적으로 회 복하고 원하는 동작 점까지 끌어 올라가게 된다.
상기 부하 전압은 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 내에서 최종적인 전압의 과도 값들을 최소화하기 위해 지정되는 시변(time-variable) 증가율에 따라 원하는 동작 점까지 끌어 올려질 수 있게 된다.
상기 전력 분배 시스템은 전력을 제2서비스 분배 시스템으로 공급하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하는 제2발전 시스템을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제2서비스 분배 시스템은 분배 전압과 분배 전류를 전송하기 위한 적어도 하나의 직류 분배 버스바와, 접점들이 구비된 보호개폐기를 포함하는 적어도 하나의 배전반을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 상기 지역 전력 분배 시스템의 지역 에너지 저장장치는 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결될 수 있다. 이러한 방법으로 상기 지역 에너지 저장장치는 상기 제1서비스 분배 시스템 및/또는 제2서비스 분배 시스템으로부터 공급될 수 있다.
상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은 추진 모터와 전력 변환기를 포함하는 제2추진 구동 시스템을 더 포함할 수 있다. 전력을 상기 제2추진 구동 시스템으로 공급하기 위한 제2추진 발전 시스템은 발전기와 전력 변환기를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2추진 구동 시스템 각각은 개별적인 추진 모터에 의해 구동되는 프로펠러를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 추진 모터들은 공통 프로펠러(소위 텐덤형 추진 구동부(tandem propulsion drives))를 구동하는데 이용될 수 있다. 텐덤형 추진 구동부를 형성하는 추진 모터들은 집 적되거나 분리될 수 있으나, 같은 프로펠러 축 시스템을 공유할 것이다. 개개의 선박용 함정은 그것의 추진 조건에 따라 추진 구동부의 특정한 개수나 구성을 이용할 수 있을 것이다. 상기 프로펠러들은 예를 들어, 날개가 여러 개인 통상적인 스크루(multi-bladed screws)나 덕트 펌프 제트(ducted pump jets)와 같은 편리한 형태로 될 수 있다.
상기 제1 및 제2추진 발전 시스템 각각은 개별적인 발전기를 구동하는 원동기(예를 들어, 터빈 같은)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 추진 모터들은 고온 초전도성 권선(high temperature superconducting(HTS) windings)을 구비하는 것이 바람직하다. 특히, 계자 권선과 전기자 권선(armature winding)의 하나 또는 둘 모두는 적절한 고온 초전도성(HTS) 물질(즉, 일반적으로 절대온도 25K보다 높은 상태에서 초전도성 성질(제로 저항과 아주 높은 전류 밀도를 전송하는 능력)을 보유하는 물질)을 포함하거나, 그러한 물질들로 형성된 케이블, 테이프, 또는 전선(wire)으로 만들어질 수 있다.
상기 계자 권선은 일반적으로 추진 모터의 회전자에 위치하게 될 것이고, 상기 전기자 권선은 일반적으로 추진 모터의 고정자에 위치하게 될 것이지만, 반대의 배치도 가능하게 된다. 상기 추진 모터에 있는 회전자와 고정자 중 하나 또는 둘 다는 벌크 HTS 물질을 포함할 것이고, 여기서 사용된 용어 “권선(windings)”은 통상적인 권선 패턴에서는 형성되지 않는 벌크 HTS 물질을 포함하는 것으로서 사용될 것임을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 벌크 HTS 물질은 영국 특 허(British Patent Application) 2431519호에서 설명된 것처럼 초전도성 마그네틱 시스템의 일부를 형성할 수 있으며, 그 시스템에서는 열적인 수단(thermal means)을 이용하여 두 개의 마그네틱 상태들(예를 들어, 반자성, 강자성)사이에서 스위칭 할 수 있는 마그네틱 물질 층이, 벌크 HTS 물질을 자화시키거나 자기를 없애기 위해 플럭스를 자기장으로 반복적으로 공급하도록 배열된다. 상기 회전자와 고정자 중 하나만이 초전도성 권선으로 이루어진 경우에, 다른 것은 예를 들어 통상적인 구리 권선이나 영구 자석으로 이루어질 것이다.
정상적인 작동에서는, 상기 HTS 권선은 절대온도 30K와 77K사이에서 유지될 것인데, 이는 냉각제로서 액상 헬륨을 이용할 필요성을 제거하기 때문이고, 또한 HTS 컨덕터가 유지할 수 있는 전류 밀도가 온도에 의존(유지할 수 있는 전류 밀도는 온도가 감소함에 따라 증가하게 된다)하기 때문이다. 그러므로 상기 HTS 권선의 계획된 동작 온도는 원하는 전류 밀도와, 연관된 극저온 냉각 플랜트의 실제적인 실행 제한 사이의 상충관계(trade off)의 결과이다. HTS 권선의 이용은 상기 추진 모터가 통상적인 모터에 비하여 매우 높은 에어 갭 전단 응력(air gap shear stress)을 갖고 동작할 수 있게 한다. 주된 이점들은 전력 밀도와 효율성을 크게 증가시키게 된다.
추진 모터는 상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 관련된 전력 변환기들에 의하여 단독으로 또는 이중으로 공급받을 수 있게 된다.
상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기들을 위한 파워 일렉트로닉스(power electronics)는 추진 모터와 유익하게 완전히 통합된다. 상기 전력 변환 기들은 관련된 추진 모터의 성능을 최대화하고 전력 분배 시스템의 안정성을 돕도록 설계되는 것이 바람직할 것이다. 또한 상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 추진 모터는 정적인 파워 일렉트로닉스(static power electronics)를 이용하는 전자 정류기 회로를 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2추진 구동 시스템의 추진 모터는 일반적으로 회전자와 고정자를 포함할 것이고, 상기 회전자는 고정자의 내부나 외부에서 동축상에 존재할 것이다.
적어도 하나의 직류 분배 버스바는 초전도성 배선(cabling)이나 버스바를 이용하여 실행될 수 있다. 그러한 초전도성 배선은 적절한 초전도성 물질을 포함하거나, 그러한 초전도성 물질로 형성된 케이블, 테이프, 또는 전선(wires)으로 만들어질 수 있다.
상기 제1 및 제2추진 발전 시스템의 발전기들은 HTS 권선을 구비하는 것이 바람직하다. 특히 계자 권선과 전기자 권선 중 하나 또는 둘 다는 적절한 초전도성 물질을 포함하거나, 그러한 초전도성 물질로 형성된 케이블, 테이프, 또는 전선으로 만들어질 수 있다. 상기 계자 권선은 일반적으로 발전기의 회전자에 위치하게 될 것이고, 상기 전기자 권선은 일반적으로 발전기의 고정자에 위치하게 될 것이지만, 반대의 배치도 가능하게 된다. 또한 상기 발전기의 회전자와 고정자 중 하나 또는 둘 다는 벌크 HTS 물질을 포함할 것이다. 상기 회전자와 고정자 중 하나만이 초전도성 권선으로 이루어진 경우에, 다른 것은 예를 들어 통상적인 구리 권선이나 영구 자석으로 이루어질 것이다.
HTS 권선의 이용은 상기 발전기가 통상적인 발전기에 비하여 매우 높은 에어 갭 전단 응력을 갖고 동작할 수 있게 한다. 주된 이점들은 전력 밀도와 효율성을 크게 증가시키게 된다.
상기 제1 및 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기들을 위한 파워 일렉트로닉스는 발전기와 유익하게 완전히 통합된다. 또한 상기 제1 및 제2추진 발전 시스템의 발전기는 정적인 파워 일렉트로닉스를 이용하는 전자 정류기 회로를 구비할 수 있다. HTS 권선을 이용하는 발전기가 갖는 하나의 문제점은 그들의 상대적으로 높은 예상 고장 전류이다. 이것은 전력 공급의 높은 품질을 유지하고 전력 분배 시스템을 안정성을 돕는 동시에, 전력 분배 시스템에서 고장 전류를 제한하는 전력 변환기를 사용함으로써 극복될 수 있을 것이다.
HTS 권선을 이용하는 발전기와 추진 모터는 매우 간결하고 가벼우며 높은 전기적 효율성을 제공하고, 슬롯이 없는(slotless) 전기자 권선과 결합하여 낮은 레벨의 잡음과 진동을 생성하게 됨을 쉽게 알 수 있을 것이다. 이러한 점은 그것들이 특히 선박용 함정에 이용하기 적합하게 한다. 발전기, 추진 모터 및 관련된 전력 변환기들은 프로그래밍된 전력 관리와 적절한 성능저하(graceful degradation) 과정에 의해 전력 분배의 안정과 유용성을 도울 수 있게 되는 것이 바람직할 것이다.
상기 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기는 제2추진 구동 시스템에 있는 한 또는 두 개 모두의 전력 변환기와 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기는 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것이 바람직하 다.
제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것이 바람직하다.
상기 제1추진 구동 시스템은 3개의 전원 입력을 갖는 것이 바람직하며, 각 입력은 선택할 수 있게 된다(예를 들어, 수동으로 연결된 링크들의 시스템 또는 다른 적합한 절연 수단에 의해). 상기 제1전원 입력(first power supply input)은 상기 제1추진 발전 시스템에 연결될 것이고, 상기 제2전원 입력은 상기 제2추진 발전 시스템에 연결될 것이며, 상기 제3전원 입력은 상기 제1서비스 분배 발전 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결될 것이다. 그러므로 상기 제1추진 구동 시스템은 상기 제1전원 입력을 통하여 상기 제1추진 발전 시스템에 의하여, 및/또는 상기 제2전원 입력을 통하여 상기 제2추진 발전 시스템에 의하여 전력을 공급받을 것이다. 또한 전력은 상기 제3전원 입력을 통하여 상기 제1서비스 분배 시스템으로부터 상기 제1추진 구동 시스템으로 공급될 수도 있다. 만약 상기 제1추진 구동 시스템이 재생 모드에서 동작한다면, 그것은 또한 상기 제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다.
상기 제2추진 구동 시스템은 3개의 전원 입력을 갖는 것이 바람직하며, 각 입력은 선택할 수 있게 된다(예를 들어, 수동으로 연결된 링크들의 시스템 또는 다른 적합한 절연 수단에 의하여). 상기 제1전원 입력은 상기 제1추진 발전 시스템에 연결될 것이고, 상기 제2전원 입력은 상기 제2추진 발전 시스템에 연결될 것이며, 상기 제3전원 입력은 상기 제2서비스 전력 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결될 것이다. 그러므로 상기 제2추진 구동 시스템은 상기 제1전원 입력을 통하여 상기 제1추진 발전 시스템에 의하여, 및/또는 상기 제2전원 입력을 통하여 상기 제2추진 발전 시스템에 의하여 전력을 공급받을 것이다. 또한 전력은 상기 제3전원 입력을 통하여 상기 제2서비스 분배 시스템으로부터 상기 제2추진 구동 시스템으로 공급될 수도 있다. 만약 상기 제2추진 구동 시스템이 재생 모드에서 동작한다면, 그것은 또한 상기 제2서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다.
만약 상기 제1 및 제2서비스 분배 시스템의 배전반이 상호 결합되거나 교차하여 링크되어 있다면, 상기 전력 분배 시스템의 양쪽 사이에 더욱더 여분이 제공될 수도 있다.
상기 제1추진 발전 시스템은 제1 및 제2전원 출력(first and second power supply outputs)을 갖는 것이 바람직하며, 각각은 선택할 수 있게 된다(예를 들어, 수동으로 연결된 링크들의 시스템 또는 다른 적합한 절연 수단에 의하여). 상기 제1전원 출력은 상기 제1추진 구동 시스템의 제1전원 입력에 연결될 수 있고, 상기 제2전원 출력은 상기 제2추진 구동 시스템의 제1전원 입력에 연결될 수 있다. 그러므로 상기 제1추진 발전 시스템은 상기 제1전원 출력을 통하여 상기 제1추진 구동 시스템으로 전력을 공급하거나/공급하고, 상기 제2전원 출력을 통하여 상기 제2추진 구동 시스템으로 전력을 공급할 것이다. 만약 상기 제1추진 발전 시스템이 선택가능하고 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결된 제3 전원 출력을 갖는다면, 전력은 또한 상기 제1서비스 분배 시스템으로 공급될 수도 있다.
상기 제2추진 발전 시스템은 제1 및 제2전원 출력을 갖는 것이 바람직하며, 각각은 선택할 수 있게 된다(예를 들어, 수동으로 연결된 링크들의 시스템 또는 다른 적합한 절연 수단에 의하여). 상기 제1전원 출력은 상기 제1추진 구동 시스템의 제2전원 입력에 연결될 수 있고, 상기 제2전원 출력은 상기 제2추진 구동 시스템의 제2전원 입력에 연결될 수 있다. 그러므로 상기 제2추진 발전 시스템은 상기 제1전원 출력을 통하여 상기 제1추진 구동 시스템으로 전력을 공급하거나/공급하고 상기 제2전원 출력을 통하여 상기 제2추진 구동 시스템으로 전력을 공급할 것이다. 만약 상기 제2추진 발전 시스템이 선택가능하고 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결된 제3전원 출력을 갖는다면, 전력은 또한 상기 제2서비스 분배 시스템으로 제공될 수도 있다.
상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은 전력이 다음 중 하나 또는 다수에 의한 적어도 하나의 배전반을 통하여 제1서비스 분배 시스템으로 공급되도록 구성될 수 있다: 예를 들어, 제1발전 시스템, 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치, 재생모드에서 동작하는 추진 구동 시스템, 추진 발전 시스템, 및 기지가 육상에 있는(shore-based) 전원 장치와 같은 원격 전원 시스템. 이것은 상당한 여유 정도(degree of redundancy)를 제공한다.
상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원은 바람직하게는 다음 중 하나 또는 다수이다: 디젤 발전기, 가스 터빈 발전기, 증기 터빈 발전기, 복합 사이 클 가스 및 증기 터빈 발전기, 밀폐 사이클(무산소 호흡) 디젤 발전기, 배터리, 연료 전지, 플로우 전지(a flow cell), 플라이 휠 발전기(a flywheel generator), 슈퍼 커패시터(super-capacitor)(즉, 매우 높은 용량과 용량 에너지 밀도를 갖는 커패시터), 초전도 자기 에너지 저장장치. 이것은 남김 없는 철저한 목록(exhaustive list)으로 여겨지지 않아야 하며, 다른 전원들도 이용될 수 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다. 상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원이 발전기인 경우에, 선택적으로 HTS 권선을 이용할 수 있게 된다. 또한 어떤 관련된 전력 변환기의 파워 일렉트로닉스는 발전기에 완전하게 통합될 수도 있게 된다.
적어도 하나의 개폐기는 분배 버스바들, 인커밍(incoming) 버스바들, 아웃고잉(outgoing) 버스바들을 포함할 수 있다. 전기 전자적으로 작동하는 적어도 하나의 오프-로드 2극(off-load double pole) 스위치는 분배 버스바들에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 적어도 하나의 개폐기는 전자 프로세서, 모든 분배 버스바들과 인커밍 버스바들과 아웃고잉 버스바들에 있는 전류 센서, 모든 분배 버스바들과 인커밍 버스바들과 아웃고밍 버스바들에 있는 전압 센서, 인터-트리핑 입력들, 인터-트리핑 출력들, 및 스위치 작동을 위한 드라이버들을 포함하는 전자 제어 시스템에 의하여 조정되는 것이 바람직하다. 또한 상기 전자 제어 시스템은 국부적인 동작 인터페이스와 원격 제어 인터페이스를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은, 고장 상태가 발생되어도 전력의 공급 차단과 해제를 안정적으로 수행하여 최대의 전력 밀도와 효율성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
이제 본 발명에 따른 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 기본적인 토폴로지는 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 도 2의 모든 입력들, 출력들, 단자들, 상호 연결들은 2극 직류 타입(double pole direct current type)임을 알 수 있을 것이다.
제1추진 발전 시스템(PPGS : Propulsion Power Generation System)은 출력 변환기(3)로 전력을 공급하기 위하여 발전기(2)를 구동하는 터빈(1)을 포함하여 구성된다. 이와 유사하게, 제2추진 발전 시스템(PPGS)은 출력 변환기(12)로 전력을 공급하기 위하여 발전기(11)를 구동하는 터빈(10)을 포함하여 구성된다. 제1추진 구동 시스템(PDS : Propulsion Drive System)은 그 전력 흐름이(power flow) 추진 변환기(4)에 의하여 조절되는 추진 모터(5)에 의하여 구동되는 프로펠러(6)를 포함하여 구성된다. 이와 유사하게, 제2추진 구동 시스템(PDS)은 그 전력 흐름이 추진변환기(7)에 의하여 조절되는 추진 모터(8)에 의하여 구동되는 프로펠러(9)를 포함하여 구성된다. 상기 출력 변환기(3, 12) 각각은 세 개의 출력 단자 세트를 갖고, 상기 추진 변환기(4, 7) 각각은 세 개의 입력 단자 센트를 가지며, 그러한 모든 단자들은 아래에서 더 자세하게 설명될 결합 배열(linking arrangement)을 갖고 있다.
상기 발전기(2,11)는 고온 초전도성(HTS : high temperature superconducting) 회전자 권선을 사용하며, 상기 출력 변환기(3, 12)는 전기 장치에 완전히 통합되어 있다. 달리 말하면, 상기 발전기(2, 11)는 통합된 파워 일렉트로닉스(power electronics)와 함께 제공된다. 고온 초전도성(HTS) 권선을 이용하는 발전기들은 아주 낮은 리액턴스를 가질 것이고, 이는 발전기들이 통상적인 교류 전력 분배 시스템에 연결된다면 일반적으로 복잡함을 야기하게 될 것이다. 이러한 복잡함은 높은 예상 단락 회로 고장 전류(high prospective short circuit fault current), 높은 예상 단락 회로 고장 토크(high prospective short circuit fault torques) 및 분배 전압 왜곡으로 높은 어드미턴스를 포함하며, 이러한 모든 것들은 그러한 발전기의 설계를 심각하게 억제할 것이다. 그러나, 상기 통합된 파워 일렉트로닉스는 상술한 복잡함을 제거하고 발전기 설계자를 이러한 복잡함과 관련된 설계 제한들로부터 매우 자유롭게 하며, 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 나머지 부분들로부터 발전기를 효과적으로 분리시킨다. 극저온 시스템의 안전한 동작을 고려할 때, 상기 발전기(2, 11)의 여자(excitation)는 동작 효율과 신뢰성에 관하여 최적화될 수 있게 된다.
상기 발전기(2, 11)는 성능을 증가시키기 위한 더 큰 유연성을 설계자에게 제공하는 정적인 파워 일렉트로닉스를 이용하는 전자 정류기 회로가 구비된 “능동적인(active)” 고정자를 이용할 수 있다. 상기 파워 일렉트로닉스는 모듈형태이고, 냉각 시스템과, 보조 시스템과, 구조, 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위한 인클로저(enclosures)를 공유하면서, 전기 장치 안에 완전히 통합되어 있다.
상기 출력 변환기(3, 12)는 이하에서 보다 상세히 설명되는 것처럼 전원 폴 드백과 안정화 특성에 따라 조절된다. 상기 발전기(2, 11)의 낮은 고장 리액턴스와 상기 고온 초전도성(HTS) 회전자 권선에 저장된 많은 에너지는, 심각한 고장 모드의 경우에 관련된 출력 변환기(3, 12)의 파워 일렉트로닉스를 보호하기 위해, 발전기의 출력 전압이 충분히 빨리 감소되지 않을 것임을 의미한다. 이것은 부가적인 보호 수단이 사용되지 않는다면, 거의 모든 심각한 고장 모드들이 관련된 출력 변환기들 내부에 영구적인 손상을 야기하게 할 것임을 의미한다. 그러므로 각 출력 변환기(3, 12)는 다수의 병렬 연결된 채널들을 포함할 것이며, 각 채널은 예를 들면 신속하게 동작하는 퓨즈(fast acting fuse)에 의해 보호될 것이다. 달리 말하면, 상기 출력 변환기(3, 12)는 연속적인 고장 모드에 뒤따르는 적절한 성능저하(graceful degradation)를 제공하는 방법으로 설계될 수 있게 된다.
상기 터빈(1, 10)은 예를 들면, 단순 사이클이나 결합된 사이클에서 동작하는 증기 터빈이나 가스 터빈으로 이루어질 수 있다. 가스 터빈은 단순 또는 중간 냉각(intercooled) 및/또는 회복(recuperated) 사이클에서 동작하는 단일 또는 다축 형태(single or multi-spool types)로 이루어질 수 있다. 특정 환경에 따라 디젤과 열기(hot air) 엔진이 터빈 대신에 사용될 수도 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 추진 모터(5, 8)는 고온 초전도성(HTS) 회전자 권선을 사용하고, 상기 추진 변환기(4, 7)는 전기 장치에 완전히 통합된다. 달리 말하면, 상기 추진 모터는 통합된 파워 일렉트로닉스로 제공된다. 상기 추진 모터(5, 8)는 선박용 함정의 선체 내부(즉, 선미 눌림쇠(stern gland)와 함께 샤프트 라인을 경유하여 프로펠러 를 구동하는 배 안의(in-board) 추진 모터), 즉 추진과 조종(steering) 모두를 제공하기 위해 선박용 함정의 선체 아래에 매달려 있거나 잠수함의 선체 외부 동축상에 있는 포드(pod)에 위치하게 될 수 있다. 상기 추진 모터(5, 8)는 그들의 고정자 내부나 외부의 동축상에 회전자가 배치될 수 있다. 극저온 시스템의 안전한 동작을 고려할 때, 상기 추진 모터(5, 8)의 여자(excitation)는 동작 효율과 신뢰성에 관하여 최적화될 수 있게 된다.
상기 추진 모터(5, 8)는 성능을 증가시키기 위한 더 큰 유연성을 설계자에게 제공하는 정적인 파워 일렉트로닉스를 이용하는 전자 정류기 회로가 구비된 “능동적인(active)” 고정자를 이용할 수 있다. 상기 파워 일렉트로닉스는 모듈형태이고, 냉각 시스템과, 보조 시스템과, 구조, 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위한 인클로저(enclosures)를 공유하면서, 전기 장치 안에 완전히 통합되어 있다.
상기 추진 모터(5, 8)는 이하에서 보다 상세히 설명되는 것처럼 로드 쉐딩(load shedding)과 안정화 특성에 따라 조절된다.
제1선박 서비스 발전 시스템(SSPGS : Ship Service Power Generation System)은 출력 변환기(15)로 전력을 공급하기 위해 발전기(14)를 구동하는 디젤 엔진(13)을 포함하여 구성된다. 이와 유사하게, 제2선박 서비스 발전 시스템(SSPGS)은 출력 변환기(19)로 전력을 공급하기 위해 발전기(18)를 구동하는 디젤 엔진(17)을 포함하여 구성된다. 다수의 지역 전력 분배 서브시스템 각각은 통상적인 저전압(LV) 분배 시스템으로 전력을 공급하고, 제1DC/DC 변환기(21) 및 제2DC/DC 변환기(24)에 연결된 지역 에너지 저장장치(ZES : Zonal Energy Store)(22) 로부터 전력을 끌어오는 지역 전력 공급 장비(ZPSU : Zonal Power Supply Unit)(23)를 포함하여 구성된다. 도 2에서는 세 개의 지역 전력 분배 서브시스템을 나타내지만, 실질적으로 더 많이 또는 더 적게 사용될 수 있다.
상기 발전기(14, 18)는 영국의 CV21 1BU, 워윅쉬어, 럭비, 보우톤 로드에 있는 컨버팀 주식회사(Converteam Ltd of Boughton Road, Rugby, Warwickshire, CV21 1BU, United Kingdom, 이하 “컨버팀”이라 한다)에 의해 공급되는 철극동기기(salient pole synchronous machine)의 알파(ALPHA), 베타(BETA) 및 감마(GAMMA) 범위를 사용함으로써 구현될 것이다. 또한 상기 발전기(14, 18)는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 특정한 요구 조건에 따라 고온 초전도성(HTS) 회전자 권선 및/또는 고온 초전도성(HTS) 고정자 권선을 구비한 전기 장치를 이용하여 구현될 수도 있다.
상기 출력 변환기(15, 19)는 컨버팀에 의해 공급되는 펄스 폭 변조(PWM) 전압원 반전기의 VDM2500, MV7000, 및 MV3000 범위를 사용함으로써 구현될 수 있다. 또한 상기 출력 변환기(15, 19)는 상기 발전기(14, 18)에 완전히 통합되는 것과 같은 방법으로 구현될 수도 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 DC/DC 변환기(21, 24)와 지역 전력 공급 장비(ZPSU)(23)는 컨버팀에 의해 공급되는 델타(DELTA) 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
제1선박 서비스 분배 시스템은 (SSDS : Ship Service Distribution System)은 아래에서 더 상세하게 설명할 배전반(16, 26, 28) 사이에 끼워진 직류 분배 버스바(25, 27, 29)(선택적으로 고온 초전도성(HTS) 배선(cabling)이나 버스바를 이 용하여 구현될 수 있다)를 포함하여 구성된다. 이와 유사하게, 제2선박 서비스 분배 시스템(SSDS)은 배전반(20, 31, 33) 사이에 끼워진 직류 분배 버스바(30, 32, 34)(선택적으로 고온 초전도성(HTS) 배선이나 버스바를 이용하여 구현될 수 있다)를 포함하여 구성된다. 도 2에서, 상기 제1 및 제2선박 서비스 분배 시스템(SSDS) 각각은 세 개의 배전반을 포함하는데, 이 수량은 도시되어 있는 지역 전력 분배 서브시스템의 수량과 연관되나, 실질적으로 더 많이 또는 더 적게 사용될 수 있다. 육상 공급(shore supply)(39)은 육상 공급 출력 변환기(shore supply output converter)(38)에 연결된다.
상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 다양한 구성 요소들은 다음과 같이 상호 연결된다:
추진 변환기(4)의 제1입력(first input)은 상호연결(interconnection)(41)에 의하여 출력 변환기(3)의 제1출력(first output)에 연결된다.
추진 변환기(4)의 제2입력은 상호연결(43)에 의하여 출력 변환기(12)의 제1출력에 연결된다.
추진 변환기(4)의 제3입력은 상호연결(42)에 의하여 배전반(16)의 제1출력에 연결된다.
추진 변환기(7)의 제1입력은 상호연결(46)에 의하여 출력 변환기(3)의 제2출력에 연결된다.
추진 변환기(7)의 제2입력은 상호연결(44)에 의하여 출력 변환기(12)의 제2출력에 연결된다.
추진 변환기(7)의 제3입력은 상호연결(45)에 의하여 배전반(20)의 제1출력에 연결된다.
출력 변환기(15)의 출력은 배전반(16)의 제1입력에 연결된다.
출력 변환기(19)의 출력은 배전반(20)의 제1입력에 연결된다.
출력 변환기(3)의 제3출력은 상호연결(47)에 의하여 배전반(16)의 제2입력에 연결된다.
출력 변환기(12)의 제3출력은 상호연결(48)에 의하여 배전반(20)의 제2입력에 연결된다.
DC/DC 변환기(21)의 공급단자들은 배전반(16)의 제2출력에 연결된다.
DC/DC 변환기(24)의 공급단자들은 배전반(20)의 제2출력에 연결된다.
배전반(16)의 교차결합 단자들(cross linking terminals)은 교차결합(35)에 의하여 배전반(20)의 교차결합 단자들에 결합된다.
배전반(26)의 교차결합 단자들은 교차결합(36)에 의하여 배전반(31)의 교차결합 단자들에 결합되고, 육상 공급 링크(shore supply link)(37)에 의하여 출력 변환기(38)의 출력 단자들에 결합된다.
이와 유사하게, 배전반들(26, 28, 31, 33)은 추가적인 지역 전력 분배 서브시스템들에 연결된다.
이와 유사하게, 배전반들(28, 33)은 교차결합(40)에 의하여 연결된다.
용어 “입력”과 “출력”이 전력 흐름의 일반적인 방향을 나타내는 것임은 쉽게 알 수 있을 것이나, 어떤 상황에서는 전력 흐름이 입력으로 나오고 출력으로 유입되는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 전력은 보통 상호연결(42)을 통하여 상기 배전반(16)의 제1출력에서 상기 추진 변환기(4)의 제3입력으로 흐르게 될 것이다. 그러나, 만약 상기 추진 모터(5)가 재생 모드에서 동작하게 된다면, 전력은 상호연결(42)을 통하여 상기 추진 변환기(4)의 제3입력에서 상기 배전반(16)의 제1출력으로 흐를 것이다.
단락 회로나 저저항 고장(low resistance fault)에서 흐르는 전류가 차단되는 절차가 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 이 설명을 위해, 고장은 DC/DC 변환기(21)에서 발생하는 것으로 간주된다. 가변 부하 전류는 고장 이전에 흐르고, 디젤 엔진(13), 발전기(14) 및 출력 변환기(15)를 포함하여 구성되는 전원의 보호 동작은 고장을 차단하는 것으로 간주된다. 그러나, 다음 설명은 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 내부 어디서든지, 그리고 상기 전력 분배 및 추진 시스템에 공급하는 어떤 전원에서 일어날지도 모르는 고장에 동등하게 적용된다는 것을 유념해야할 것이다.
도 3은 상기 디젤 엔진(13), 발전기(14) 및 출력 변환기(15)를 포함하여 구성되는 전원에서 가변 출력 전류에 대한 출력 전압의 특성을 보여준다. 상기 디젤 엔진(13)은 통상적인 조속기(governor)에 의하여 조정되고, 어떤 편리한 회전 속도로 구동되도록 설정된다. 상기 발전기(14)는 통상적인 자동 전압 레귤레이터(AVR : Automatic Voltage Regulator)에 의해 조절되고, 발전기 출력 전압은 임의의 편리한 레벨로 설정된다. 상기 출력 변환기(15)는 도 3에 도시된 폴드백 및 안정화 특성에 따라 레귤레이터에 의해 조절된다; 이러한 특성은 통상적인 조속기와 자동 전 압 레귤레이터(AVR)의 동작과는 대체로 독립적이다. 임의의 편리한 종류의 레귤레이터가 출력 변환기(15)를 조정하기 위한 목적으로 사용될 수 있으나, 프로그램 가능한 디지털 레귤레이터를 이용하는 것이 바람직할 것이다.
오프 로드 버스 전압 설정값(off load bus voltage setpoint)(이하 “설정값”이라 함)이 상기 출력 변환기(15)의 레귤레이터에 제공되고, 상기 폴드백 및 안정화 특성의 모든 다른 영역들은 이로부터 유도된다. 정상적인 작동에서 상기 DC/DC 변환기(21)의 부하 전류가 점진적으로 증가하게 됨에 따라, 상기 출력 변환기(15)의 출력 전류도 점진적으로 증가하게 되고 상기 출력 변환기(15)의 출력 전압은 정상 상태 드룹(steady state droop)에 따라 설정값에 비하여 밑으로 처진 정상 상태 부하선(steady state load line)을 따라 감소하게 된다. 정상 상태 드룹은 출력 전압에 비례하게 되거나, 어떤 다른 적당한 특성을 따르게 될 것이다. 레귤레이터 동작을 빠르게 작동시킴으로써, 부하 전류와 상응하는 출력 전류에서의 과도적인 변화가 출력 전압을 상기 정상 상태 부하선으로부터 옮겨놓게 될 것이다. 만약 출력 전류와 출력 전압의 정상 상태 평균값이 도 3에서 보여주는 정상 상태 부하점(loading point)에 있고, 출력 전류의 과도적인 섭동(transient perturbation)이 정상 상태 부하점 근처에서 일어난다면, 출력 전압은 예시된 정상 상태 부하점 근처에 있는 과도 부하선(transient load line)을 따르게 될 것이다. 과도 부하선은 정상 상태 부하점의 양방향으로 뻗어가는 파선 화살표에 의해 도 3에 표현되어 있고, 출력 전류의 과도적인 섭동에 비례하는 정도만큼 정상 상태 부하선으로부터 떨어져 있거나, 다른 적합한 특성에 따르게 될 것이다.
출력 전류는 빠르게 동작하는 최우선의 과도 전류 제한을 따르게 되며, 그 결과 출력 전류의 순간적인 레벨이 과도 전류 제한을 초과하는 것을 방지하기 위하여 출력 전압이 감소된다. 또한 부하 전류는 정상 상태 전류 제한을 따르게 되며, 그 결과 출력 전류의 정상 상태 평균 레벨이 정상 상태 전류 제한을 초과하는 것을 방지하기 위하여 출력 전압이 감소된다. 만약 부하 저항(load resistance)이 정상 상태 폴드백 특성의 기울기보다 아래로 떨어진다면, 폴드백이 적용된다. 이것은 과도 출력 전류 제한이 출력 전압에 의존하는 레벨로 감소된다는 것을 의미하고, 이러한 의존은 출력 전류와 출력 전압의 재생적인 감소(regenerative reduction)를 야기하는 것과 같게 된다. 재생 동작은 출력 전류와 출력 전압이 거의 제로(0)로 감소하는 점으로 수렴한다. 실질적으로, 고장이 적용됨과 동시에 정상 상태 출력 전류가 정상 상태 전류 제한에 접근하게 되는 때에, 출력 전류는 과도 전류 제한 동작이 출력 전압을 붕괴하게 할 때까지 빠르게 증가할 것이다. 그때 폴드백이 적용되고, 출력 전류와 출력 전압이 제로(0)로 접근할 때 고장이 차단된다. 실질적인 폴드백 특성은 과도 전류 제한의 최소 레벨이 작고, 제로(0)가 아닌 것이며, 이유는 지금 설명될 것이다.
고장 전류가 실질적으로 차단되었을 때, 작고, 제로(0)가 아닌 점에서, 출력 전류의 레벨은 상기 배전반(16)의 보호개폐기를 통해 DC/DC 변환기(21)에 의하여 표현되는 부하로 흐를 것이다. 만약 이 개폐기가 열리고 작고, 제로(0)가 아닌, 전류 레벨을 차단할 수 있다면, 다른 부하가 존재하지 않는 것을 조건으로 분배 전압이 증가할 것이다.
다른 부하가 존재하지 않는 경우, 고장은 분배 전압이 증가하는 때에 제거된다고 알려져 있다. 분배 전압이 증가하는 때에 부하 저항(load resistance)이 정상 상태 폴드백 특성의 기울기를 넘어서 증가하므로, 폴드백의 재생 동작은 해제되고(released) 분배 전압은 설정값(setpoint)에 의해 설정된 레벨로 돌아가게 된다.
추가적인 부하가 상기 DC/DC 변환기(21)에 병렬 연결되어 있는 경우에, 이 부하에 의해 생기는 저항이 정상 상태 폴드백 특성의 기울기보다 작다면 폴드백은 해제되지 않을 것이다. 다수의 부하들이 병렬로 연결되고, 그 부하들이 고장 차단과 해제 후의 작동으로 되돌려져야만 할 때, 폴드백이 해제되게 하기 위하여 분배 전압이 정상 운용 레벨(normal working levels) 아래로 감소된 때, 그것들을 위한 부하를 쉐드(shed load)할 필요가 있다.
본원 발명의 폴드백 및 안정화 특성의 이점은 보호개폐기가 제로(0)전류-제로(0)전압 조건 근처에서 작동하도록 요구되는 것이며, 그에 따라 직류 전류에 반대되도록 사용되는 복잡한 아크 제어 장치가 있는 통상적인 개폐기를 사용해야 할 필요성을 피할 수 있게 된다. 또한 개별적인 전원 출력 특성이 빠르게 동작하는 레귤레이터의 기능과 파워 일렉트로닉스에 의해 제어될 것이므로, 폴더백 및 안정화 특성은 다수의 그리고 이종의 전원들 간의 병렬결합을 용이하게 한다. 이러한 방법으로 이종 발전기의 고유 임피던스 및 응답 특성이 분리될 수 있다.
이제 결합된 로드 쉐딩(load shedding) 및 안정화 특성이 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 이 설명을 위해, 추가적인 부하가 프로펠러(6), 추진 모터(5) 및 추진 변환기(4)를 포함하여 구성되는 추진 구동부(propulsion drive)에 존재하는 동안, 도 3을 참조하여 앞에서 설명된 것과 같은 고장이 상기 DC/DC 변환기(21)에서 발생하는 것으로 간주된다. 이것은 상기 DC/DC 변환기(21)와 추가적인 부하가 병렬로 연결됨을 의미한다. 가변 부하 전류가 고장 이전에 흐르고, 디젤 엔진(13), 발전기(14) 및 출력 변환기(15)를 포함하여 구성되는 전원의 보호 동작이 고장을 차단하는 것으로 간주된다.
상기 DC/DC 변환기(21)에서의 고장 발생하기 이전에, 상기 출력 변환기(15)의 출력 전류는 상기 DC/DC 변환기(21)와 추진 구동부에 의하여 이끌어진 부하 전류들의 합이다. 추진 구동 부하는 상기 추진 변환기(4)를 제어하는 레귤레이터에 의하여 조정된다. 추진 구동 부하는 일정한 추진력을 얻거나, 다른 작동 요구조건을 만족하도록 조정될 수 있지만, 일정한 전력의 경우 로드 쉐딩 및 안정화 특성을 잘 설명하기 위한 목적을 잘 수행한다. 만약 일정한 추진력이 상기 추진 변환기(4)에 의해 이끌어진다면, 그것의 부하 전류는 공급 전압에 대체적으로 반비례하게 될 것이다. (공급 전압 감소는 일정한 전력을 유지하기 위한 부하 전류 증가와 관계된다.) 추진 변환기들은 추진 변환기 부하가 정격 전력에 있고 공급 전압이 정격 최소 한도 아래로 감소될 때, 정격 전류 제한이 초과하게 되는 것을 방지 하는 공급 전류 제한 기능을 갖고 있다고 알려져 있다. 도 4는 전력이 일정할 때 공급 전압과 부하 전류에 관한 세 가지 곡선을 보여준다. 가장 높은 일정한 전력 곡선은 “일정 정격 전력(constant rated power)”으로 특정되고, 정격 전류 제한(rated current limit)과 정격 부하에 대한 최소 전압(minimum voltage for rated load)에서 교차한다. 만약 공급 전압이 이 교차점 아래로 감소한다면, 부하 전류는 초기에 정격 전류 제한 레벨로 일정하게 유지되고, 추진 부하 전력은 공급 전압에 비례하여(pro rata) 감소한다. 만약 공급 전압이 로드 쉐드 문턱값(load shed threshold) 아래로 감소한다면, 로드 쉐딩(load shedding)이 적용되고, 부하 전류는 알려진 정격 전류로부터 이탈하며 전류 제한에 의존하는 제1공급 전압에 따라 조정된다. 이것은 추진 부하 전력이 공급 전압에의 비례보다 더 높은 명령 법칙에 따라 감소하게 됨을 의미한다. 로드 쉐딩은 공급 전압이 특정한 절대 최소 부하 전압(absolute minimum loaded voltage)으로 감소될 때까지 적용되고, 그 아래에서는 분배 전압이 고장의 결과 붕괴되고 부족 전압 트리핑(under voltage tripping)이 발생하게 된다고 여겨진다.
부족 전압 트립(under voltage trip)이 발생할 때, 추진 구동부는 공급 전류가 상기 추진 변환기(4)에 의하여 스위치 오프되는 제어상태로 추정되고, 상기 추진 구동부는 일단 고장 상태가 해제되면 빠른 재기동(re-start)을 할 수 있도록 제어하는 상태를 유지하게 된다. 로드 쉐딩이 해제되는 특정 레벨로 공급 전압이 증가할 때까지 상기 추진 구동부는 이러한 제어상태를 유지하며, 정상적인(전류가 제한되지 않는) 운용이 재개될 때까지 상기 부하 전류는 전류 제한에 의존하는 제2공급 전압에 따라 증가하도록 허용된다.
상술한 로드 쉐딩의 특성은 추진 구동부 또는 어떤 다른 부하가 공급 전압이 제한 규정 내에 있다는 조건하에, 공급으로부터 유용하게 전력을 끌어오는 것을 허용하는 이점이 있다. “일정 감소 전력 곡선(constant reduced power curve)”은 부하 전류의 곡선이 정격 전류 제한선과 로드 쉐드 문턱값이 교차하는 점으로 상기 공급 전압이 감소할 때까지, 공급 전류가 제한으로부터 어떻게 자유로워지게 되는가를 보여준다. “허용되는 저 공급 전압에서의 일정 감소 전력(constant reduced power at permitted low supply voltage)”곡선은 추진 구동부가 “정격 부하 전압(voltages for rated load)”의 범위보다 상당히 더 낮은 공급 전압을 갖는 상대적으로 낮은 출력 전력에서 작동될 때, 공급 전류가 제한으로부터 어떻게 자유로워지게 되는가를 보여준다. 예를 들어, 5㎸의 공칭 공급 정격(nominal supply rating)을 갖는 중간 전압 구동부가 750V의 공칭 공급 전압 정격(nominal supply voltage rating)을 갖는 SSDS 전원장치로부터 전원을 공급받아 동작할 수 있게 하는 능력은 본 발명에 의하여 가능하게 되며, 통상적인 선박용 전력 분배 및 추진 시스템을 뛰어 넘는 뚜렷한 기술적인 이점을 제공한다. 더욱이, 본 발명은 “절대 최소 부하 전압(absolute minimum loaded voltage)” 아래에서, 고장을 해결하기 위해 보호개폐기가 개방되도록 지시된다면, 로드 쉐딩 특성이 전원 폴드백을 해제되게 하므로 유익하다.
로드 쉐딩 및 안정화 특성의 다른 면은, 공급 전압에서의 과도 변화 또는 구동 시스템에서의 다른 섭동에 대응하여 발생할 수 있는 부하 전류의 변화율을 최소화하도록 부하를 조정하는 것이다. 이 경우, 만약 부하가 “예시 정상 상태 부하점(example steady state loading point)”(최소레벨과 중간레벨 사이의 공급전압)에서 작동하고 공급 전압 변동이 발생한다면, 부하 전류는 일정 전력 곡선으로부터 이탈될 것이고 “예시 정상 상태 부하점에 대한 과도 부하선(transient load line about example steady state loading point)”을 받아들일 것이다. 숙련된 독자는, 불안정을 초래함이 없이, 특정한 동적인 소스 저항을 구비하는 전원에 적용될 수 있는 최소한의 동적인 부하 저항이 동적인 소스 저항(dynamic source resistance)의 기능을 하게 됨을 알 수 있을 것이다. (즉, 만약 동적 부하 저항이 너무 낮다면, 분배 전압은 안정화되지 않을 것이다.) 그러므로 본원 발명의 로드 쉐딩 및 안정화 특성은 동적 부하 저항이 동적 소스 저항에 대하여 충분히 큼을 보증하기 위해 필요한 수단을 제공하여, 분배 전압의 안정화가 이루어졌음을 보증하게 된다. “동적 소스 저항”과 “동적 부하 저항”이라는 용어들은, 실제의 물리적 저항과 그 결과로 발생되는 전력 소모가 분배 전압을 안정화하기 위하여 사용되어져야만 함을 의미하지는 않는다는 것을 유념해야 할 것이다. 그와 반대로, 그 용어들은 동등한 수동 소자들의 효과와 전달 함수를 모방하는 고전적인 제어 기능들과 관련된다. 또한 로드 쉐딩 및 안정화 특성은 또한 공통 결합점에 하나 이상의 많은 부하들의 병렬연결을 용이하게 하고, 로드 쉐딩은 공급 전압의 넓은 범위에 걸쳐 효율적이게 한다. 부하들과 전원들의 그룹이 병렬로 연결되었을 때, 전원 그룹에 의하여 겪게 되는 전체 동적 부하 저항은 부하 특성들의 병렬 결합이고, 이것들은 최대한으로 설계된 동적 소스 저항을 갖으면서 안정한 작동을 달성하도록 프로그램밍될 것이다. 병렬 연결된 전원들이 분배 네트워크에 결합되면서, 동적 소스 저항은 감소되고 안정화 여유는 증가할 것이다.
도 2의 전력 분배 토폴로지에서, DC/DC 변환기(21, 24)는 정기적으로 일부 시간 동안에는 부하로써 동작하고, 잔여 시간 동안에는 전원으로서 동작하도록 요구될 것이다. 지역 에너지 저장장치(ZES)(22)를 충전하고/충전하거나 지역 전력 공 급 장비(ZPSU)(23)에 전력을 공급할 때, 상기 DC/DC 변환기(21, 24)의 레귤레이터는 상술한 로드 쉐딩 및 안정화 특성을 따라야 한다. 지역 에너지 저장장치(ZES)(22)가 상기 DC/DC 변환기(21, 24)를 경유하여 선박 서비스 분배 시스템(SSDS)으로 전력을 공급할 때, 상기 DC/DC 변환기(21, 24)의 레귤레이터는 상술한 폴드백 및 안정화 특성을 따라야 한다. 스텝리스 양방향 전달(stepless bidirectional transfer)이 이러한 특성들 간에 필요하게 된다. 또한 추진 구동부는 양방향 전력 흐름을 위한 특성이 부여될 것이다.
전원이 다른 전원으로부터 전력을 받는 것이 요구되지 않거나 허용되지 않을 때, 도 3에서 보이는 폴드백 및 안정화 특성의 안티-백피드(anti-backfeed) 영역이 사용된다. 이 방법에 의하여, 전에 존재하던 공급 전압은 전원의 출력에 연결될 것이며, 그것의 출력 전압은 상기 특성들의 안티-백피드 영역이 제거되고 전원이 전력을 출력할 때까지 증가될 것이다. 안티-백피드 기능의 이점은 선박 서비스 분배 시스템(SSDS)을 위한 개폐기가 돌입 전류(inrush current)를 겪거나, 교류 분배 시스템에 통상적으로 결합되는 복잡한 동기화 장치를 갖는 전원을 요구함이 없이 전원 출력에서 닫히게 될 수 있는 것이다.
이제 배전반(16,26,28,31,33) 내에 있는 보호개폐기의 작동이 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 도 5는 도 1에서 사용된 독립선 형태(single line format)보다는 전체 2극 형태(full double pole format)로 보임을 유념해야 하고, 그 이유는 이하에서 보다 자세히 설명될 것이다. 상기 배전반(16,26,28,31,33)의 기능성은 일반적인 프로세스(generic process)와 일치하고, 이러한 일반적인 기능성은 어떤 특 정 배전반 내의 정확한 회로를 상세하게 참고함이 없이 설명될 것이다. 특정 배전반의 상세한 회로소자는 오직 교환되는 입력과 출력의 수에 관한 것만이 도 5에서 보이는 일반적인 배전반과 다르다. 배전반이 편리한 개수만큼의 입력과 출력을 갖도록 제조될 수 있음도 인식할 수 있을 것이다.
도 5의 일반적인 배전반은 다수의 전력 단자들을 포함한다. 전력 단자들의 절반(즉, 101,105,108,110 및 112로 명명된 것들)은 직류 시스템의 양(+)극에 결합된다. 전력 단자들의 나머지 절반(즉, 102,106,107,109 및 111로 명명된 것들)은 직류 시스템의 음(-)극에 결합된다.
또한 두 개의 분배 버스바들이 제공된다. 상기 제1버스바(103)는 직류 시스템의 양극에 결합되고, 상기 제2버스바(104)는 직류 시스템의 음극에 결합된다. 다수의 개별 링크들은 상기 전력 단자들을 제1 및 제2버스바(103, 104)에 연결한다. 링크들의 절반(즉, 113,116,117로 명명된 것들)은 직류 시스템의 양극에 결합된다. 링크들의 나머지 절반(즉, 114,115,118로 명명된 것들)은 직류 시스템의 음극에 결합된다.
배전반은 두 개의 2극 모터 구동 스위치(two double pole motor driven switches)(119, 120)와 제어 시스템을 포함하여 구성된다. 상기 제어 시스템은 전자 프로세서(139)와, 직류 시스템의 양극에 결합된 제1직렬 전류 센서들(129,132,134,136,137)과, 직류 시스템의 음극에 결합된 제2직렬 전류 센서들(130,131,133,135,138)과, 직류 시스템의 양극에 결합된 제1직렬 전압 센서들(121,123,125,128)과, 직류 시스템의 음극에 결합된 제2직렬 전압 센서 들(122,124,126,127)과, 국부 작동기 인터페이스(140)와, 원격 제어 인터페이스(143), 및 스위치(119, 120)에 결합된 두 개의 인터트리핑 인터페이스(two inter-tripping interfaces)(141, 142)를 각각 포함하여 구성된다.
상기 전자 프로세서(139)는 컨버팀에 의해 제공되는 PECe 마이크로컨트롤러를 사용함으로써 구현될 수 있다. 상기 스위치(119, 120)는 상기 PECe 마이크로컨트롤러에 적합하게 연결되는, 전용 모터 구동 모듈 케이스와 섀시형 고속 직류 회로 차단기(High Speed Direct Current Circuit Breakers)를 사용함으로써 구현될 수 있다.
상기 링크들(113,114,115,116,117,118)은 사용자가 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 구역들을 절연시킬 수 있도록 수동으로 결합된 링크들이지만, 원한다면 이 링크들이 부가적인 2극 모터 구동 스위치들에 의하여 대체될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
설명을 위하여 상기 전력 단자들(111,112)은 전원에 연결되는 것으로 간주되고, 전력 단자들(109,110)은 부하에 연결되는 것으로 간주된다.
이제 개폐기의 작동 절차가 제어 시스템을 상세하게 참고하지 않고 설명될 것이다. 이는 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
저저항 고장이 부하에서 발생할 때, 고장 전류는 상기 전력 단자(110)에서 나와 상기 분배 버스바(103)를 통하여 전력 단자(112)로 흘러 들어가고, 상기 전력 단자(111)에서 나와 상기 분배 버스바(104)를 통하여 전력 단자(109)로 다시 흘러 들어간다. 상기 회로는 상기 2극 스위치들(119,120)에 의하여 완전하게 된다. 상기 제어 시스템은 고장이 부하에서 일어났음을 결정할 수 있고, 스위치에서 제로(0)전류가 흐를 때에만 상기 2극 스위치(119)를 개방함으로써 보호 시퀀스를 용이하게 한다. 또한 상기 2극 스위치(120)를 통하여 제로(0)전류가 흐를 때 이 스위치가 개방될 수 있음을 인지하게 될 것이지만, 이것은 다른 부하들이 상기 분배 버스바(103,104)에 의해 전원에 연결되어 있을 때에는, 그 부하들이 상술한 고장의 차단 및 제거에 후속하는 전원으로부터의 전력 흐름의 재개에 의지하게 될 것이기 때문에 바람직하지 않다.
이제 상기 제어 시스템에 의하여 제공되는 몇몇 이점들이 설명될 것이다.
상기 전자 프로세서(139)는 고장의 성질이 결정될 수 있도록 충분히 빠른 응답을 갖는 전류 센서들(129 부터 138)과 전압 센서들(121 부터 128)에 의하여 발생된 신호들을 반복적으로 샘플링한다. 저저항 고장이 설명되고 이러한 고장의 존재와, 그것의 정확한 성질이, 전압 센서들(123,124)과 함께 전류 센서들(133,134,135,136)에 의해 식별될 것이다. 폴드백 과정이 재생되고 고장 전류가 차단되기 전에 고장 전류의 감지와 탐지가 행해지는 한, 전류 감지는 고장의 개시와 위치를 충분히 식별하게 된다. 일단 폴드백이 재생되고, 고장 전류가 차단되며, 분배 전압이 거의 제로(0)로 붕괴하게 되면, 상기 전자 프로세서(139)는 스위치를 개방하는 것이 안전한지를 결정하고 스위치(119)를 개방하게 된다. 위에서 간단하게 언급한 것처럼, 만약 상기 전자 프로세서(139)가 다른 부하들이 전력을 공급받게 됨을 고장의 개시 전에 알게 된다면, 스위치(120)에 우선하여 스위치(119)가 보통 열리게 될 것이다. 다른 부하들의 존재는 센서들(129,130,131,132,137,138)을 이용하여 부하 전류를 감지함으로써 탐지될 것이다.
그러한 전자 프로세서(139)와 포괄적인 센서들의 배열은 넓은 범위에 걸친 다른 형태의 고장들을 탐지할 수 있게 할 것이고, 이러한 고장들이 직류 시스템의 양극과 음극에서 전류 흐름의 비대칭을 야기하게 될 것임은 명백할 것이다. 예를 들어, 접지 고장(ground fault)은 전류가 오직 한 극에서만 흐르게 하는 것으로 알려져 있다. 이와 유사하게, 접지 고장 동안에는 전압에서의 비대칭도 일어나게 될 것이다. 그러므로 제어 시스템은 전원 출력 전류가 지나치지 않을 때에도 폴드백 특성을 야기할 수 있도록 이따금 실행될 필요가 있으며, 이것은 인터트리핑 절차에 의해 수행된다. 만약 상기 전자 프로세서(139)가 어떤 특정한 스위치가 전송하는 전류와 분배 전압이 존재할 때 그 스위치를 개방하는 것이 필요하다고 결정하면, 먼저 인터트리핑을 발생시켜야 한다. 도 5에서, 인터트리핑 신호들(141,142)은 단자(111,112)에 연결된 전원, 및 단자(109,110)에 연결된 부하와의 통신에 각각 전용된다. 만약 인터트리핑 신호가 인터페이스(142)로 출력된다면, 단자(111,112)에 연결된 전원은 그것에 영향을 받는 폴드백 특성을 가져야만 하고, 폴드백은 최우선의 인터트리핑 신호를 수신하는 것에 의해 개시되어야 한다. 다른 경우에, 부하에서의 심각한 고장 상태는 인터트리핑을 보증하기 위한 것일 수 있다. 이 경우에, 인터트리핑 신호(141)의 수신은 상기 전원 프로세서(139)에서 인터트리핑 출력(142)을 사용하여 전원을 인터트립(inter-trip)할 필요가 있는 것으로 번역될 것이다.
다른 경우들에서, 상기 전자 프로세서(139)는 특히 국부적인 조정기 인터페 이스(140)에 의하여 발생된 국부 조정기 명령과, 원격 제어 인터페이스(143)에 의해 전달된 외부에서 발생한 명령을 포함하는 다른 명령들에 대응하여 인터트리핑 시퀀스를 발생시킬 것이다. 또한 그러한 전자 프로세서(139)는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템에 있는 모든 전원들이 인터트립되도록 전체적인 인터트리핑 인터페이스를 구비하게 될 수도 있음을 인식하게 될 것이다. 상기 스위치들(119,120)은 부정하게 개방되어서는 안되고, 그것들은 전자 프로세서(139)를 경유하여 인터트립되고 연동되어야 함을 또한 인식하게 될 것이다. 그러한 스위치들은 수동적인 복귀 작동 모드를 가질 것이고, 인터트리핑은 초기 브레이크 접점(early break contact), 기계적 연동(mechanical interlock) 및 전자 프로세서에 구비된 적합한 인터페이싱(interfacing)에 의하여 개시될 것이다.
본 발명에 따른 큰 선박용 전력 분배 및 추진 시스템(예를 들어, 해군 함정이나 잠수함에서 사용되는)은 이러한 타입의 많은 배전반을 결합시킴을 알 수 있게 될 것이다. 상기 선박용 전력 분배 및 추진 시스템은 물리적으로 광대하게 되고, 양극과 음극 사이에 상당한 전기 용량(capacitance)을 갖게 될 것이다. 또한 실질적인 부하들은 양극과 음극 사이에 전기 용량을 가질 것이고, 그들의 로드 쉐딩(load shedding)은 불완전하게 될 것이다. 도 3을 참조하여 설명된 폴드백 및 안정화 특성은 이러한 이슈들을 고려하지 않고 있음을 알 수 있으며, 실질적인 특성은 도 6에서 보여지고 있다. 이러한 실질적인 특성에서, 폴드백이 해제되어 있을 때의 전압과 전류의 궤적은 고장이 제거된 후의 분배 전압의 회복으로부터 발생하는 전류의 존재를 나타낸다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 전체 전기 추진(FEP)을 이용하는 통상적인 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 개략도이다.
도 3은 도 2의 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 부분을 형성하는 전원의 출력 전압과 출력 전류 특성을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 부분을 형성하는 전기 부하의 부하 전류와 공급전압의 특성을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 부분을 형성하는 보호개폐기의 개략도이다.
도 6은 불완전한 로드 쉐딩의 결과를 나타내며, 도 2의 선박용 전력 분배 및 추진 시스템의 부분을 형성하는 전원의 출력 전압과 출력 전류 특성을 보여주는 도면이다.

Claims (43)

  1. 초전도성 권선과 전력 변환기가 구비된 추진 모터를 포함하는 제1추진 구동 시스템;
    초전도성 권선과 전력 변환기가 구비된 발전기를 포함하여 구성되며, 상기 제1추진 구동 시스템으로 전력을 공급하기 위한 제1추진 발전 시스템; 및
    제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하는 제1전력 발전 시스템을 포함하여 구성되며:
    상기 제1서비스 분배 시스템은
    분배 전압과 분배 전류를 전송하기 위한 적어도 하나의 직류 분배 버스바; 및
    적어도 하나의 배전반을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 로드 쉐딩(load shedding) 및 안정화 특성에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 전원 폴드백 및 안정화 특성에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기는 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력을 적어도 하나의 전기 부하로 공급하기 위한 지역 전력 공급 장치(zonal power supply nuit); 및
    상기 지역 전력 공급 장치로 전력을 공급하기 위해 상기 제1서비스 분배 시 스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결된 지역 에너지 저장장치(zonal energy store)를 포함하는 지역 전력 분배 서브시스템(zonal power distribution sub-system)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치는 전력 변환기에 의하여 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 변환기는 펄스 폭 변조 DC/DC 변환기인 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 DC/DC 변환기는 전력이 상기 제1서비스 분배 시스템에서 상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치로 흘러갈 때 전압을 높이는 쵸퍼(step-up chopper)로서 극성을 갖게 되고,
    상기 DC/DC 변환기는 전력이 상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치에서 제1서비스 분배 시스템으로 흘러갈 때 전압을 낮추는 쵸퍼(step-down chopper)로서 극성을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원은 전력 변환기에 의하여 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력 변환기는 펄스 폭 변조 DC/DC 변환기인 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반은 접점들이 구비된 보호개폐기를 포함하고, 상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원을 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결하는 전력 변환기는 전원 폴드백 및 안정화 특성에 의하여 조절되며, 적어도 하나의 전기 부하는 로드 쉐딩 및 안정화 특성에 의하여 조절되고;
    상기 보호개폐기의 접점들은 (a) 과도하게 낮은 임피던스가 분배 전압 양단에 연결되게 하는 고장, (b) 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 내부에서 자동적으 로 발생되는 최우선의 인터트리핑 명령, (c) 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 내부에서 수동으로 발생하는 최우선의 인터트리핑 명령, 및 (d) 원격으로 발생되는 최우선의 인터트리핑 명령 중 하나와 함께 전원 폴드백 및 안정화 특성의 상호 작용에 의해, 분배 전압과 분배 전류가 허용 가능한 레벨까지 낮아질 때에만 개방되도록 형성되며;
    상기 보호개폐기의 접점들은 상기 접점들 양단 전압의 극성이 (a) 전원 폴드백 및 안정화 특성과 전원 기동 시퀀스, 및 (b) 로드 쉐딩 및 안정화 특성 중 하나에 의하여 제한될 과도 전류나 돌입 전류와 같은 것일 때에만 닫히도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분배 전압은 전원 폴드백 및 안정화 특성의 과도적인 부하선 함수(load line function)에 의하여, 그리고 로드 쉐딩 및 안정화 특성의 부하 전류 함수의 변화율을 제한하는 것에 의하여 안정화되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1발전 시스템은 상기 제1서비스 분배 시스템으로 전력을 공급하기 위해 병렬 연결된 다수개의 전원들을 포함하고, 다수 개 전원들의 정상 상태 전류 공유는 각 전원의 전원 폴드백 및 안정화 특성의 정상 상태 드룹 함수에 의하여 공동 으로 작용하게 되며, 다수개의 전원들의 과도 전류 공유는 각 전원의 전원 폴드백 및 안정화 특성의 과도적인 부하선 함수에 의하여 공동으로 작용하게 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원의 출력 전압과 출력 전류가 조정되어:
    전류 흐름이 단일 방향이 되고;
    정상 상태 출력 전압은 오프 로드 버스 전압 설정값과 부하 전류에 비례하는 정상 상태 드룹 성분의 합이 되며, 그 결과 정상 상태 출력 전압이 정상 상태 부하선과 일치하게 되고;
    정상 상태 부하점 근처에서의 과도적인 부하 전류의 변동은, 출력 전압이 정상 상태 부하선 보다 더 작은 기울기를 갖는 과도적인 부하선을 따르게 하며;
    정상 상태 전류는 특정 레벨로 제한되고;
    만약 부하 전류가 정상 상태 전류 제한을 과도하게 초과하고 과도 전류의 특정한 제한 레벨을 초과하지는 않으나 그에 접근한다면, 출력 전압은 정상 상태 부하선을 따라 과도하게 감소할 것이고, 정상 상태 전류가 정상 상태 전류 제한보다 낮게 감소할 때 정상 상태 부하선으로 회복할 것이며;
    만약 부하 전류가 정상 상태 전류 제한을 계속하여 초과하거나, 특정한 과도 전류의 제한 레벨을 초과한다면, 폴드백이 적용되어 출력 전압과 출력 전류는 재생 과정에 따라 대략 제로까지 감소하고, 출력 전압과 출력 전류는 부하 임피던스가 특정 레벨을 넘어서 증가할 때까지 대략 제로 상태를 유지하며; 그리고
    만약 부하 임피던스가 특정 레벨을 넘어서 증가한다면, 부하 전압은 초기에는 부분적으로 회복하고 원하는 동작 점까지 끌어 올려 지게 되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 부하 전압은 선박용 전력 분배 및 추진 시스템 내에서 최종적인 전압의 과도 값들을 최소화하기 위해 지정되는 시변 증가율에 따라 원하는 동작 점까지 끌어 올려 지게 되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  18. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력을 제2서비스 분배 시스템으로 공급하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하는 제2발전 시스템을 더 포함하여 구성되며, 상기 제2서비스 분배 시스템은:
    분배 전압과 분배 전류를 전송하기 위한 적어도 하나의 직류 분배 버스바; 및
    접점들이 구비된 보호개폐기를 포함하는 적어도 하나의 배전반을 포함하여 구성되고;
    상기 지역 전력 분배 시스템의 지역 에너지 저장장치는 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    추진 모터와 전력 변환기를 포함하는 제2추진 구동 시스템; 및
    발전기와 전력 변환기를 포함하여 구성되고, 전력을 상기 제2추진 구동 시스템으로 공급하기 위한 제2추진 발전 시스템을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기는 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기는 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기는 제2추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2추진 발전 시스템의 전력 변환기는 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템은 3개의 전원 공급 입력을 갖고, 각각은 선택가능하며, 상기 제1전원 공급 입력은 상기 제1추진 발전 시스템에 연결되고, 상기 제2전원 공급 입력은 상기 제2추진 발전 시스템에 연결되며, 상기 제3전원 공그 입력은 상기 제1서비스 분배 발전 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제2추진 구동 시스템은 3개의 전원 공급 입력을 갖고, 각각은 선택가능하며, 상기 제1전원 공급 입력은 상기 제1추진 발전 시스템에 연결되고, 상기 제2 전원 공급 입력은 상기 제2추진 발전 시스템에 연결되며, 상기 제3전원 공급 입력은 상기 제2서비스 전력 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템은 제1 및 제2전원 공급 출력을 갖고, 각각은 선택가능하며, 상기 제1전원 공급 출력은 상기 제1추진 구동 시스템의 제1전원 공급 입력에 연결되고, 상기 제2전원 공급 출력은 상기 제2추진 구동 시스템의 제1전원 공급 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템은 선택가능하고 상기 제1서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 제3전원 공급 출력을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2추진 발전 시스템은 제1 및 제2전원 공급 출력을 갖고, 각각은 선택가능하며, 상기 제1전원 공급 출력은 상기 제1추진 구동 시스템의 제2전원 공급 입력에 연결되고, 상기 제2전원 공급 출력은 상기 제2추진 구동 시스템의 제2전원 공급 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 제2추진 발전 시스템은 선택가능하고 상기 제2서비스 분배 시스템에 있는 적어도 하나의 배전반에 연결되는 제3전원 공급 출력을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1발전 시스템;
    상기 지역 전력 분배 서브시스템의 지역 에너지 저장장치;
    재생 모드에서 작동하는 추진 구동 시스템;
    추진 발전 시스템; 및
    원격 전력 공급 시스템 중 어느 하나 이상의 것에 의해 적어도 하나의 배전반을 통하여 전력이 상기 제1서비스 분배 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1발전 시스템에 있는 적어도 하나의 전원은,
    디젤 발전기;
    가스 터빈 발전기;
    증기 터빈 발전기;
    복합 사이클 가스 및 증기 터빈 발전기;
    밀폐 사이클(무산소 호흡) 디젤 발전기;
    배터리;
    연료 전지;
    플로우 전지;
    플라이 휠 발전기;
    슈퍼커패시터; 및
    초전도 자기 에너지 저장장치 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 고온 초전도성(HTS) 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 전력 변환기를 위한 파워 일렉트로닉스는 추진 모터와 함께 통합되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 정적인 파워 일렉트로닉스를 이용 한 전자 정류기 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 선박용 함정의 선체 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  37. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 선박용 함정의 포드(pod)에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  38. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 구동 시스템의 추진 모터는 선박용 함정의 선체 외부 동축상에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 모터는 회전자와 고정자를 포함하며, 상기 회전자는 고정자의 내부 또는 외부의 동축상에 있는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 직류 분배 버스바는 초전도성 배선(cabling)이나 버스바를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 발전기는 고온 초전도성(HTS) 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 전력 변환기를 위한 파워 일렉트로닉스는 상기 발전기와 함께 통합되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1추진 발전 시스템의 발전기는 정적인 파워 일렉트로닉스를 이용한 전자 정류기 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 분배 및 추진 시스템.
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