KR20140007883A - 해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템 - Google Patents

해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템 Download PDF

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KR20140007883A
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스티그 올라브 셋템스달
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Abstract

해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템이 제공된다. 상기 전기 드라이브는 전력원으로부터 전기 에너지를 수신하도록 적응된 전기 모터를 포함한다. 상기 전기 드라이브는, 상기 전기 드라이브를 동작시키기 위해 전기 에너지가 상기 전력원에 의해 상기 전기 드라이브에 공급되는 제 1 동작 상태, 및 상기 전기 드라이브의 전기 모터가 감속되거나 또는 제동되는 제 2 동작 상태를 가지며, 상기 전기 드라이브는 상기 제 2 동작 상태에서 전기 에너지를 생성한다. 상기 전원 시스템은 생성된 전기 에너지를 저장하기 위한 전기 에너지 스토리지 디바이스를 포함한다.

Description

해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템 {POWER SUPPLY SYSTEM FOR AN ELECTRICAL DRIVE OF A MARINE VESSEL}
본 발명은 해양 선박(marine vessel)의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템과, 이러한 전원 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 드릴링 동작들에서 이용되는 현대의 해양 선박들은 종종 복수의 상이한 전기 드라이브들을 포함한다. 이들 전기 드라이브들은 예를 들어, 프로펠러들이 아지무스 쓰러스터(Azimuth thruster)들과 같은 전기 모터들에 의해 구동되는 전기 추진(propulsion) 시스템들일 수 있다. 동작을 위해 전기 에너지를 요구하는 전기 드라이브들의 다른 유형들은, 앵커 윈치(anchor winch) 드라이브들, 드릴링 애플리케이션들을 위한 드라이브들 등을 포함한다. 전기는 일반적으로 선상에서(on board) 생성되어, 각각의 전기 드라이브의 전기 모터에 전송된다.
전기 에너지를 생성하기 위해, 해양 선박들은 종종, 요구되는 전기 에너지를, 발전기에 결합된 가스 터빈 또는 디젤 엔진에 의해 생성하는 선상 파워 플랜트를 포함한다. 이러한 어레인지먼트들은 선박을 위한 메인 전원을 제공한다. 파워 플랜트가 블랙아웃(blackout)을 겪는 경우, 또는 전력 송신 또는 분배 시스템에 장애가 있는 경우, 선박은 자신의 메인 전원을 잃을 수 있다.
이러한 블랙아웃 또는 다른 유형의 전력 상실의 경우에, 전기 드라이브들은 일반적으로 접속해제되고 동작이 중단될 것이다. 예를 들어, 호이스팅(hoisting) 애플리케이션, 이를 테면 드릴링 리그(drilling rig)의 드로워크스(drawworks) 또는 앵커 윈치 드라이브에서, 제동기(brake)들이 회전 모터들에 적용되어야 하며, 동작은 정지될 것이다.
더욱이, 이러한 애플리케이션들에서, 에너지는, 호이스팅 동작 동안, 예를 들어 부하를 중지시키거나 또는 하강시키는 동안, 각각의 전기 모터들에 의해 생성될 수 있다. 생성된 에너지는 핸들링될 필요가 있다. 이는 일반적으로, 에너지를 번오프(burn off) 하는 수냉식 제동 저항기(braking resistor)들을 이용함으로써 수행된다. 드로워크 모터들, 앵커 윈치 모터들, 탑 드라이브(top drive) 모터들 등은, 예를 들어 모터들에 의해 생성된 제동 에너지를 번오프하는 차단 초퍼(breaking chopper)들 및 저항기들을 갖는 드라이브 셋업을 가질 수 있다. 제동 에너지를 핸들링하는 문제점은, 바다의 파도 높이들을 보상하기 위한 하강 동작 동안 제동 에너지가 생성되는, 드릴링 리그 상의 액티브 히브(heave) 보상된 드로워크스와 같은 액티브 히브 보상을 포함하는 시스템에서 심지어 더 현저하다. 제동 에너지는, 보다 신속한 방식으로 핸들링되어야 하고, 일반적으로 제동 저항기들에서 또한 번오프된다.
수냉식 제동 저항기들은 일반적으로 무거우며, 상당한 양의 공간을 요구하지만, 어떠한 추가의 유용한 기능을 갖지 않는다. 더욱이, 예를 들어, 액티브 히브 보상 동안, 전력 소비에 있어서 주기적인 피크들이 발생하며, 상기 주기적인 피크들은 발전기들의 순환적인 동작을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 에너지 소비에 있어서의 피크들은 발전기들의 동작이 덜 효율적이게 하며, 더욱이 해양 선박의 전원 시스템이 더 큰 부하들을 위해 설계될 것을 요구한다. 더욱이, 해양 선박의 에너지 소비를 감소시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 전원의 블랙아웃 후에 적어도 짧은 시간량 동안 전기 드라이브의 동작을 지속시키는 것이 바람직하다.
따라서, 상술된 결점들 중 적어도 일부를 완화시키는 개선된 전원 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
이러한 필요성은 독립 청구항들의 피처들에 의해 충족된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 기술한다.
본 발명의 실시예는 해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템을 제공하며, 전기 드라이브는 전력원으로부터 전기 에너지를 수신하도록 적응된 전기 모터를 포함한다. 전기 드라이브는, 전기 드라이브를 동작시키기 위해 전력원에 의해 전기 에너지가 전기 드라이브에 공급되는 제 1 동작 상태, 및 전기 드라이브의 전기 모터가 감속(decelerate)되거나 또는 제동되는 제 2 동작 상태를 가지며, 전기 드라이브는 제 2 동작 상태에서 전기 에너지를 생성한다. 전원 시스템은, 전기 드라이브에 전기적으로 결합되는 전기 에너지 스토리지 디바이스를 포함한다. 상기 결합은, 전기 에너지 스토리지 디바이스가 제 2 동작 상태에서 전기 드라이브에 의해 생성된 전기 에너지에 의해 충전되도록, 그리고 전기 에너지 스토리지 디바이스가 제 1 동작 상태에서 전기 드라이브를 동작시키기 위해, 저장된 전기 에너지를 전기 드라이브에 제공하도록 한다.
제 1 동작 상태에서, 전기 드라이브의 동작은, 전기 에너지 스토리지 디바이스로부터의 전기 에너지를 이용하여 지원될 수 있거나 ― 이때 나머지 전기 에너지는 (메인) 전력원에 의해 제공됨 ―, 또는 전기 드라이브는 (예를 들어, 전력 분배의 중지 또는 전력원의 블랙아웃 동안) 완전히(fully) 전기 에너지 스토리지 디바이스에 의해 제공되는 전기 에너지 상에서 동작될 수 있다. 생성된 전기 에너지를 저장함으로써, 그리고 전기 드라이브를 동작시키기 위해, 상기 생성된 전기 에너지를 재사용함으로써, 해양 선박의 총 에너지 소비가 감소될 수 있다. 더욱이, 전기 드라이브는 메인 전력원의 블랙아웃 후 특정 시간량 동안 계속하여 동작할 수 있다. 이는 예를 들어, 드릴링 동작 동안과 같이, 전기 드라이브의 계속되는 동작이 중대한 상황들에서 유리할 수 있어서, 메인 전력원은 동작을 중지시키지 않고 복구(restore)될 수 있다. 특히, 전기 드라이브가 전기 에너지를 주기적으로 사용하고 생성할 수 있는 액티브 히브 보상 애플리케이션들에서, 실시예에 따른 전원 시스템은 상당한 에너지 절약들을 달성할 수 있다. 전기 에너지 스토리지 디바이스는 전원 시스템 내에서 완충기(dampener)로서 작용할 수 있고, 이에 의해 전력원 상의, 예를 들어 발전기들 상의 피크 부하들이 회피된다. 제 2 동작 상태에서, 전기 모터가 제동되는 상황은, 모터의 회전 속도가 감소되는 것을 의미하지 않는다는 것을 유의한다. 이는 또한 일정하게 유지되거나 또는 증가될 수 있다. 제동은, 적어도 부분적으로, 전기 에너지를 전기 모터로부터 추출함으로써, 즉 전기 모터가 발전기로서 동작하게 함으로써 적용될 수 있다. 이에 의해, 제동 토크(torque)는 전기 모터의 속도 또는 속도 변화들에 상관없이, 전기 모터에 적용될 수 있다.
실시예에서, 전기 에너지 스토리지 디바이스는 배터리 또는 커패시터 뱅크일 수 있다. 전기 에너지 스토리지 디바이스는 예를 들어, 리튬 폴리머 배터리일 수 있다. 이러한 배터리는, 상당한 양들의 전기 에너지를 저장할 수 있는 한편, 비교적 작은 풋프린트(foot print)만을 갖는다. 리튬 폴리머 배터리는 더 낮은 중량을 가질 수 있으며 더 적은 볼륨을 요구하여서, 중량 및 요구되는 공간에 있어서의 절약들이 달성될 수 있다. 더욱이, 이러한 유형의 배터리는 유지보수가 필요하지 않을 수 있으며(maintenance free), 완전히 밀봉될 수 있고, 이는 지정된 배터리 룸들이 요구되지 않을 수 있다는 이점을 갖는다. 배터리는 예를 들어, 니켈 망간 코발트(NMC) 산화물 음극을 갖는 유형일 수 있다.
배터리는 적어도 100 kWh(killowatt hours), 바람직하게는 적어도 500 kWh, 보다 바람직하게는 적어도 2000 kWh의 용량을 가질 수 있다. 배터리의 용량은, 전기 드라이브의 유형, 및 브리지하는데 추측되는 시간 구간(time span)에 따라 치수결정(dimensioned)될 수 있다. 배터리의 용량은 예를 들어, 약 50 kWh 내지 약 5 MWh의 범위 내에 놓일 수 있다. 전기 드라이브가 예를 들어, 드릴링 드라이브인 경우, 1 내지 3 MWh(megawatt hours)의 전기 에너지가 제공될 수 있다. 예로서, 이러한 경우를 위해 1.5 MWh의 용량을 각각 갖는 2개의 배터리들이 제공될 수 있다.
배터리는 더 작은 배터리 모듈들의 스택 또는 뱅크일 수 있다. 예를 들어, 5 내지 50 kWh의 용량을 각각 갖는 모듈들이 이용될 수 있다. 그 다음으로, 배터리의 용량은, 요구되는 수의 배터리 모듈들을 제공함으로써 적응될 수 있다.
배터리는 적어도 130 Wh/kg(watt hours per kilogram), 바람직하게는 적어도 150 Wh/kg의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 이는, 배터리의 중량 및 풋프린트가 작게 유지될 수 있는 이점을 갖는다.
바람직하게, 배터리는 완전히 밀봉된 배터리이다.
실시예에서, 배터리는, 배터리의 상태를 모니터링하도록 적응된 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 시스템과의 통신을 가능하게 하기 위한 제어 버스를 향한 인터페이스를 갖는다. 제어 버스는 예를 들어, 제어기 영역 네트워크(CAN) 기반 버스일 수 있다. 따라서, 배터리의 상태는 선박의 브리지와 같은 원격 위치 또는 VFD 스위치보드 내의 드라이브들 제어기로부터 모니터링될 수 있다. 더욱이, 배터리 관리 시스템은 배터리의 셀들을 밸런싱할 수 있다. 이는, 배터리 모듈 내의 셀들의 셀 밸런싱을 수행할 수 있거나 또는 배터리 모듈들 그 자체 사이에서 상기 배터리 모듈들을 밸런싱할 수 있다. 따라서, 다수의 배터리 모듈들을 병렬로 또는 직렬로 접속시키는 것이 가능해진다. 더욱이, 배터리 관리 시스템은 배터리의 충전을 감독 및 제어할 수 있다.
실시예에서, 전기 드라이브의 모터는 교류 전류(AC) 모터일 수 있고, 전기 에너지 스토리지 디바이스는, 전기 드라이브의 AC 모터와 전력원 사이에 접속되는 주파수 컨버터의 직류 전류(DC) 버스버스에 접속된다. 주파수 컨버터는 예를 들어, 가변 속도 드라이브(VSD)로 또한 지칭될 수 있는 가변 주파수 드라이브(VFD)일 수 있다. 전기 에너지 스토리지 디바이스를 DC 버스버스에 접속시키는 것은, 전기 에너지 스토리지 디바이스의 충전 및 방전을 용이하게 할 수 있다. 전원 시스템은 주파수 컨버터를 포함할 수 있다. 주파수 컨버터는 정류기(rectifier), 인버터, 및 정류기를 인버터에 결합하는 DC 버스를 가질 수 있다. 전원 시스템은 정류기, DC-버스 및/또는 인버터를 포함할 수 있다.
전력원은 발전기를 포함할 수 있다. 특히, 상기 전력원은 디젤 엔진 또는 가스 터빈에 결합된 발전기를 포함할 수 있다. 전력원은 전원 시스템의 부분일 수 있다.
전기 에너지 스토리지 디바이스의 전기 드라이브로의 결합은 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 컨버터는 예를 들어, 양방향 스텝-업(step-up) 또는 스텝-다운(step-down) 컨버터일 수 있다. 이러한 컨버터를 이용함으로써, 전기 에너지 스토리지 디바이스에 의해 요구되는 전압은, 스토리지 디바이스가 결합되는 직류 전류(DC) 버스버스 또는 임의의 다른 버스버스가 동작되는 전압에 적응될 수 있다.
컨버터는 예를 들어, 양방향 스텝-업 또는 스텝-다운 초퍼일 수 있다.
다른 실시예에서, 전기 에너지 스토리지 디바이스는 에너지 공급 시스템의 AC(교류 전류) 버스버스에 결합될 수 있다. 상기 AC 버스버스는 예를 들어, 전력원과 주파수 컨버터 사이에서 전기 에너지를 전송하기 위해 이용되는 AC 버스버스일 수 있다. AC 버스버스에 대한 결합은, AC 버스 상에 제공된 AC 전압과 전기 에너지 스토리지 디바이스에 의해 요구되는 DC 전압 사이를 컨버팅하기 위한 정류기 및 인버터를 포함할 수 있다.
실시예에서, 해양 선박의 전기 드라이브는 선박의 드릴링 리그의 드로워크스의 드라이브, 선박의 앵커 윈치 드라이브, 또는 선박의 드릴링 리그의 탑 드라이브일 수 있다. 드로워크스는 액티브 히브 보상 드로워크스일 수 있다. 이러한 애플리케이션들 중 임의의 애플리케이션에 있어서, 전력 절약들이 전원 시스템에 의해 달성될 수 있다. 더욱이, 메인 전력원의 블랙아웃 동안 각각의 드라이브의 계속적인 동작이 달성될 수 있다.
전기 드라이브는 예를 들어, 약 100 kW 내지 약 20 MW의 범위 내의 전력 정격을 가질 수 있다. 쓰러스터 드라이브들은 예를 들어, 500 kW 내지 약 6 MW의 범위 내의 전력 정격을 가질 수 있다. 드릴링 드라이브에 있어서, 모든 전기 드라이브들의 전력 정격은 예를 들어, 약 1 MW 내지 약 30 MW의 범위 내에 놓일 수 있다. 전기 드라이브는 일반적으로 하나보다 많은 수의 전기 모터를 포함할 것이라는 것을 유의한다.
전기 드라이브는 예를 들어, 해양 선박의 액티브 히브 보상 드로워크스의 드라이브일 수 있다. 제 1 동작 상태는 전기 드라이브가 전기 에너지를 소비하는 히브 보상 사이클의 제 1 부분에 대응할 수 있다. 제 2 동작 상태는 전기 드라이브가 전기 에너지를 생성하는 히브 보상 사이클의 제 2 부분에 대응할 수 있다. 따라서, 전기 에너지 스토리지 디바이스는, 액티브 히브 보상의 동작 동안, 즉 후속 히브 보상 사이클들 동안, 주기적으로 충전 및 방전될 수 있다.
액티브 히브 보상 드로워크스는 예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 전기 모터들을 포함할 수 있다. 이는 윈치 드럼을 포함할 수 있으며, 상기 윈치 드럼은 하나 또는 둘 이상의 전기 모터들에 의해 회전되고, 상기 윈치 드럼 상에서 드릴 라인이 감겨 올려진다(reel up). 히브 보상 드로워크스는 각각 드릴 라인을 끌어당기고(pay in) 풀어냄(pay out)으로써 드릴 스트링을 상승 및 하강시키도록 적응될 수 있다. 히브 보상 사이클의 제 1 부분에서, 드로워크스는, 드릴 스트링을 상승시키기 위해 드릴 라인을 감을(reel in) 수 있고(예를 들어, 선박이 파랑골(wave trough)을 거쳐 이동할 때), 여기서 전기 에너지가 소비된다. 상기 드로워크스는 드릴 라인을 풀므로써(reel out) 히브 보상 사이클의 제 2 부분 동안 드릴 스트링을 하강시킬 수 있고(예를 들어, 파고점(wave crest) 위로 이동할 때), 여기서 전기 모터들을 차단함으로써 전기 에너지가 생성될 수 있다. 특히, 전기 모터는 드릴 라인 상의 부하에 의해 회전되고, 이에 의해 발전기로서 기능한다.
따라서, 전기 에너지 스토리지 디바이스는, 해양 선박이 바다 파도들에 의해 각각 하강되거나 또는 상승되는 것의 결과로서 히브 보상 동안 드릴 스트링이 상승되고 하강될 때 생성된 전기 에너지에 대한 버퍼로서 작용할 수 있다.
전기 에너지 스토리지 디바이스는 전력원과 전기 드라이브 사이에 결합되는 주파수 컨버터의 DC 버스에 결합될 수 있다. 전원 시스템은, DC 버스에 결합된 적어도 제 2 전기 에너지 스토리지 디바이스, DC 버스에 결합된 적어도 제 2 전력원, 및 DC 버스에 결합된 적어도 제 2 전기 드라이브를 더 포함할 수 있다. 따라서, 공통 DC 버스는 복수의 전기 드라이브들의 동작에서 이용될 수 있고, 생성된 전기 에너지를 버퍼링하기 위해 복수의 전기 에너지 디바이스들이 제공될 수 있다.
실시예에서, 전기 에너지 스토리지 디바이스는 전력원과 전기 드라이브 사이에 결합되는 주파수 컨버터의 DC 버스의 제 1 섹션에 결합될 수 있다. 전원 시스템은 적어도, DC 버스의 제 2 섹션에 결합된 제 2 전기 에너지 스토리지 디바이스를 더 포함할 수 있고, DC 버스의 제 2 섹션은 제 2 전력원 및 적어도 하나의 제 2 전기 드라이브에 추가로 결합되고, 제 1 및 제 2 DC 버스 섹션들은 버스-타이 차단기에 의해 접속가능할 수 있다. 따라서, 2개의 독립적인 전원들이 제공될 수 있으며, 독립적인 전원들은 버스 타이 차단기에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 다른 전원 시스템에서의 블랙아웃의 경우에서, 이들 전원 시스템들 중 하나의 전원 시스템의 방해받지 않는 동작이 보장될 수 있다. 버스 타이 차단기는 예를 들어, 수동 무부하 스위치(No Load Switch), IGBT 기반 지능형 차단기, 또는 버스 바 차단기일 수 있다.
전원 시스템은, 예를 들어 제동 초퍼를 통해, 예를 들어 DC 버스에 결합될 수 있는 제동 저항기를 더 포함할 수 있다. 따라서, 전기 드라이브에 의해 생성된 초과 에너지, 예를 들어 전기 에너지 스토리지 디바이스의 용량을 초과할 수 있는 전기 에너지는 제동 저항기에서 번오프될 수 있다.
DC 버스는 약 300 V 내지 약 2000 V의 전압 범위 내에서 동작되도록 적응될 수 있다. 바람직하게, DC 버스는 약 800 V 내지 약 1100 V의 동작 전압에서 동작하도록 적응될 수 있다. DC 버스는 예를 들어, 900 또는 930 V를 공급할 수 있다.
추가의 실시예에서, 전원 시스템은 전기 드라이브의 부분인 주파수 컨버터 및 전력원을 포함할 수 있으며, 주파수 컨버터는 전력원과 전기 모터 사이에 접속되고, 전기 모터는 AC 모터이고, AC 모터는 주파수 컨버터에 의해 가변 속도로 구동가능하다. 에너지 스토리지 디바이스는 주파수 컨버터의 DC 버스에 접속될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전원 시스템은 AC 모터를 포함할 수 있다.
추가의 실시예는 해양 선박의 전기 드라이브를 위한 전원 시스템을 동작시키는 방법을 제공한다. 전기 드라이브는 전력원으로부터 전기 에너지를 수신하도록 적응된 전기 모터를 포함한다. 전원 시스템은, 전기 드라이브에 전기적으로 결합되는 전기 에너지 스토리지 디바이스를 포함할 수 있다. 방법은, 전기 드라이브의 제 1 동작 상태에서, 전기 드라이브를 동작시키기 위해 전기 드라이브에 전기 에너지를 공급하는 단계를 포함하고, 공급된 전기 에너지는 전기 에너지 스토리지 디바이스를 방전시키는 것으로부터 획득된 전기 에너지를 포함한다. 전기 드라이브의 제 2 동작 상태에서, 전기 드라이브의 전기 모터를 감속시키거나 또는 제동할 때, 전기 드라이브에 의해 생성된 전기 에너지는 전기 에너지 스토리지 디바이스에 공급되고, 전기 에너지 스토리지 디바이스는 전기 드라이브에 의해 생성된 전기 에너지에 의해 충전된다.
실시예의 방법을 이용시, 전원 시스템에 관하여 상기 개요된 것들과 유사한 이점들이 달성될 수 있다.
실시예에서, 방법은 상기 개요된 바와 같이 구성되는 전원 시스템에 의해 수행된다.
상술된 실시예들의 그리고 아래에서 설명될 실시예들의 피처들은 반대되는 것으로 지시되지 않는 한, 서로 결합될 수 있다.
본 발명의 아래의 그리고 다른 피처들 및 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 판독되는 아래의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다. 도면들에서, 동일한 도면 번호들은 동일한 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
아래에서, 첨부 도면들에서 예시된 실시예들이 더욱 상세하게 기술된다. 아래의 설명은 단지 예시적이며 제한적이지 않다는 것을 명확히 해야 한다. 도면들은 단지 개략적인 표시들이며, 도면들의 엘리먼트들은 반드시 서로 축척에 맞는 것은 아니다. 도면들에서 도시된 기능 블록들 또는 유닛들은, 이들이 반드시 단일 물리적 유닛, 블록, 회로, 칩 등으로 구현될 것이라는 것을 의미하지 않으며, 단일 기능 블록 또는 유닛은 여러 물리적으로 분리된 유닛들로 구현될 수 있는 한편, 둘 또는 그보다 많은 수의 개별적으로 예시된 기능 블록들 또는 유닛들은 단일 물리적 유닛으로 구현될 수 있다.
도면들에서 도시된 2개의 블록들, 유닛들, 엘리먼트들 등 사이의 직접 결합은, 간접 결합, 즉 중개(intervening) 엘리먼트들과의 결합으로서 또한 구현될 수 있다는 것이 유의되어야 한다. 상기 중개 엘리먼트들은 예를 들어, 제어 엘리먼트들, 보호 엘리먼트들, 이를 테면 퓨즈들 또는 회로 차단기들 등일 수 있다.
도 1은 해양 선박의 전기 드라이브(20)를 위한 전원 시스템(10)을 도시하는 개략적인 블록도이다. 도 1의 예에서, 전기 드라이브(20)는 전기 모터(21) 및 가변 주파수 드라이브(VFD, 가변 속도 드라이브(VSD)로 또한 지칭됨)를 포함한다. 가변 주파수 드라이브는 정류기(22)를 포함하며, 상기 가변 주파수 드라이브는 상기 정류기(22)를 통해, AC(교류 전류) 전력원(15), 중간 DC 회로 ― 본 명세서에서는 DC 버스(25) ―, 및 인버터(23)에 결합된다. 다른 구성들에서, DC 버스(25)는 하나보다 많은 수의 정류기를 통해, 예를 들어 2개, 3개, 4개 또는 그보다 많은 수의 정류기들을 통해 전력원(15)에 결합될 수 있다. 유사하게, DC 버스(25)는 하나보다 많은 수의 인버터(23)를 통해, 예를 들어 2개, 3개, 4개 또는 그보다 많은 수의 인버터들을 통해 전기 모터(21)에 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기 드라이브(20)는 DC 전기 모터를 포함할 수 있고, 따라서 VSD를 포함하지 않을 수 있다.
도 1의 예에서, AC 전력원(15)은 발전기(31), AC 버스(30), 및 변압기(transformer; 33)를 포함한다. 도 1이 단지 단상 AC 전력원만을 도시하지만, AC 전력원(15)은 3상 AC 전력원일 수 있다는 것을 명확히 해야 한다. 발전기(31)는 예를 들어, 디젤 엔진 또는 가스 터빈(32) 등에 의해 구동될 수 있다.
전력원(15)은 전기 드라이브(20)를 동작시키기 위한 메인 전력원이다. 전력원(15)의 블랙아웃의 경우에, 전기 드라이브(20)는 더 이상 전기 에너지를 획득할 수 없고, 따라서 동작이 중단된다. 따라서, 호이스팅 애플리케이션에서, 호이스팅이 중지되어야 하고, 제동들이 회전 모터(21)에 적용될 필요가 있다. 오버홀링(overhauling) 부하에 의해 회전되는 자화 모터는 발전기로서 기능할 수 있으며, 따라서, (DC 중간 회로로 또한 지칭될 수 있는) DC 버스(25)로 피드백되는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 종래의 시스템에서, DC 버스(25) 상의 전압은 제어되어야 하며, 이는 일반적으로 차단 초퍼에 의해 수행된다. DC 버스 상의 전압이 미리규정된 임계 전압을 초과하는 경우, 차단 초퍼가 활성화될 수 있으며, 상기 미리규정된 임계 전압 위에서 제동 초퍼는 제동 저항기를 DC 버스에 접속시킨다. 제동 저항기는 전기 에너지를 열로 컨버팅하며, 따라서 더 많은 양들의 에너지가 냉각을 필요로 한다. 따라서, 이러한 제동 저항기들은 크기가 비교적 클 수 있으며, 이들은 비교적 큰 양의 공간을 요구하며, 고비용이다.
도 1의 실시예에서, 전원 시스템(10)은 DC 버스(25)에 결합되는 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 포함한다. 전기 드라이브(20)가 이제 전기 에너지를 생성하는 경우, 이러한 에너지는 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 공급될 수 있고, 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11) 내에 저장될 수 있다. 에너지 스토리지 디바이스(11)는, 전기 에너지를 위한 버퍼로서 동작하도록, DC 버스(25)에 영구적으로 접속될 수 있다. 전기 드라이브(20)가 전기 에너지를 생성하고, 따라서 DC 버스(25) 상의 전압이 상승하는 경우, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 충전될 수 있는 반면, 드라이브(20)가 과부하된 경우, DC 버스(25) 상의 전압 레벨은 낮아지고, 이에 응답하여 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 방전될 수 있다. 따라서, DC 버스(25) 상의 전압은 더욱 일정하게 유지될 수 있다. 더욱이, 스토리지 디바이스(11)는, 전기 에너지를 드라이브(20)에 공급하고 있는 메인 전력원(15)을 지원하여서, 생성된 전기 에너지를 재사용함으로써, 총 전기 에너지 소비가 감소될 수 있다. 이는 디젤 엔진 또는 가스 터빈(32)이 더 적은 화석 연료를 요구하는 것을 초래한다.
에너지 스토리지 디바이스(11)가 DC 버스(25)에 결합될 수 있는 상이한 방식들이 존재한다. 하나의 가능성은, DC 버스(25) 상에 제공된 전압을, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 의해 요구되는 전압에 적응시키는 양방향 컨버터(12)이다. 컨버터는 예를 들어, 양방향 (스텝-업/스텝-다운) 초퍼에 의해 구현될 수 있다. DC 버스(25)로의 결합의 다른 구현들은, 예를 들어 스토리지 디바이스(11)를 DC 버스에, 충전을 위해 특정 전압 레벨 위로, 또는 방전을 위해 특정 전압 레벨 미만으로 접속시키고, 정규 동작 동안 스토리지 디바이스(11)를 접속해제시키는 전력 전자 스위치에 의해 확실히 또한 고려가능하다.
전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 도 1에 예시된 것과 상이한 위치들에서 전원 시스템(10)에 또한 결합될 수 있다는 것이 유의되어야 한다. 전력원(15)은 예를 들어, 전원 시스템(10)의 부분일 수 있으며, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 전력원(15)의 AC 버스(30)에 결합될 수 있다. 그 다음으로, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)와 AC 버스(30) 사이의 결합은, 스토리지 디바이스(11)의 방전/충전을 각각 가능하게 하기 위해 인버터/정류기를 포함할 수 있다.
전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 예를 들어, 배터리, 특히 리튬 폴리머 배터리일 수 있다. 배터리는 예를 들어, 직렬로 또는 병렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈들을 갖는 배터리 뱅크를 포함할 수 있다. 그 다음으로, 배터리 정격의(rated) 전압은, 직렬로 접속된 배터리 모듈들의 수에 의해 조정될 수 있는 반면, 배터리의 총 용량은 병렬로 접속된 배터리 모듈들의 수에 의해 결정될 수 있다.
배터리 정격의 전압은 예를 들어, DC 버스(25) 상에 제공된 전압에 적응될 수 있다. 상술된 애플리케이션들에 대해, DC 버스는 예를 들어, 500 볼트 내지 1200 볼트의 전압들에서 동작할 수 있다. 특정 애플리케이션은 예를 들어, 930 볼트의 전압일 것이며, 이는, AC-버스(30) 상의 메인 전력원에 의해 제공된 690 볼트의 3상 AC 전압으로부터 정류기(22)에 의해 획득된다. 배터리(11)는, 배터리(11)의 배터리 모듈들의 충전을 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함할 수 있다.
배터리(11)의 용량은 특정 요건들에 따라, 특히 전기 모터(21)에 의해 생성될 것으로 예상되는 전기 에너지의 양에 따라 구성된다. 배터리 용량은 배터리 뱅크 내에 추가의 배터리 모듈들을 병렬로 접속시킴으로써 증가될 수 있다. 배터리(11)의 용량은 예를 들어, 적어도 100 kWh(killowatt hours), 바람직하게는 적어도 500 kWh일 수 있다. 바람직하게, 용량은 약 100 kWh 내지 3 MWh(megawatt hours)의 범위 내에 놓인다. 드릴링 드라이브들과 같은, 보다 높은 전력 드라이브들을 갖는 애플리케이션들에 있어서, 배터리(11)는 1 내지 3 MWh의 용량을 가질 수 있다. 예로서, 배터리(11)는, 1.5 MWh의 용량을 각각 갖는 2개의 배터리 뱅크들을 포함할 수 있다. 보다 높은 용량들은, 추가의 배터리 뱅크들을 제공함으로써(즉, 보다 많은 전기 에너지 스토리지 디바이스들(11)을 DC 버스(25)에 접속시킴으로써) 또는 각각의 뱅크의 용량을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
배터리(11)는 바람직하게 리튬 폴리머 배터리이다. 상이한 유형들의 리튬 폴리머 배터리들이 존재하며, 이용될 수 있는 하나의 유형은, 니켈 망간 코발트(NMC) 산화물 음극을 포함하는 NMC 형이다. 다른 유형들의 리튬 폴리머 배터리들 또는 전혀 상이한 배터리들의 이용이 또한 확실히 고려가능하다. 배터리는, 적어도 130 Wh/kg(Watt hours per kilogram) 또는 심지어 적어도 150 Wh/kg의 에너지 밀도를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 에너지 밀도들을 갖는 배터리를 제공함으로써, 특정 용량을 위한 배터리의 중량이 상당히 감소될 수 있다. 볼륨 에너지 밀도는 바람직하게, 적어도 300 Wh/l(Watt hours per liter)이다. 이러한 높은 볼륨 에너지 밀도를 갖는 배터리를 이용함으로써, 높은 용량을 제공함에도 불구하고 배터리는 매우 소형일 수 있다. 따라서, 1 MWh의 용량을 갖는 배터리는 대략 3 m3의 볼륨만을 요구할 수 있다. 심지어 더 높은 용량들의 배터리의, 작은 볼륨 및 작은 중량은, 부가적인 중량을 차지하기 위한 용량 및 공간이 엄격히 제한되는 해양 선박 상에서의 배터리의 이용을 가능하게 한다.
배터리는 완전히 밀봉된다. 이와 같이, 배터리는 유지보수가 필요하지 않다. 배터리가 완전히 밀봉되기 때문에, 배터리는 특별한 배터리 룸들 또는 통풍에 관한 특별한 고려사항들을 요구하지 않는다. 더욱이, 이러한 배터리들은 25년 내지 30년까지의 수명을 가질 수 있다. 더욱이, 리튬 폴리머 배터리들은 전해질과 같은 솔리드 폴리머를 갖기 때문에, 상기 리튬 폴리머 배터리들은 종래의 납-산(lead-acid) 배터리들보다 덜 위험하며, 따라서 해양 선박의 선상(onboard) 안전성의 양상 하에서 특히 유리하다.
배터리는 바람직하게 배터리 관리 시스템(도시되지 않음)을 갖는다. 배터리(11)의 배터리 모듈들은, 예를 들어 다수의 배터리 셀들, 및 예를 들어 셀 밸런싱을 제어하는 BMS 회로망을 각각 포함할 수 있다. 더욱이, 각각의 모듈은 데이터 버스, 예를 들어 CAN-기반 데이터 버스로의 인터페이스를 포함할 수 있으며, 이는 각각의 모듈의 BMS와의 통신을 허용한다. 배터리(11)는 데이터 버스를 통해, 개개의 모듈들의 배터리 관리 시스템들 각각에 접속된 마스터 제어기뿐만 아니라, 배터리 뱅크를 형성하는 상호접속된 배터리 모듈들을 포함할 수 있다. 그 다음으로, 마스터 제어기는 배터리 뱅크의 전체적인 동작을 제어할 수 있다. 이는 예를 들어, 개개의 배터리 모듈들의 균일한 충전 및 방전을 보장할 수 있거나, 또는 부하로부터 전체적인 배터리 뱅크를 접속해제 및 접속시킬 수 있다. 이는 예를 들어, 정격 최대 방전 레이트 미만으로 유지하기 위해 필요할 수 있다. 배터리 관리 시스템의 마스터 제어기를 인터페이싱함으로써, 배터리(11)의 전체적인 상태에 관한 정보를 획득하고, 배터리의 충전 또는 방전을 외부 제어 센터로부터 제어하는 것이 추가로 가능하다.
상기 언급된 배터리를 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)로서 이용하는 것뿐만 아니라, 에너지 스토리지를 위해 커패시터 뱅크를 이용하는 것이 또한 가능하다. 바람직하게, 전해질 커패시터들이 이러한 커패시터 뱅크에서 이용된다. 커패시터 뱅크와 비교하여, 상기 언급된 배터리는 더 소형이라는 이점을 갖는다.
전원 시스템(10)은 전기 전력을 상이한 유형들의 전기 드라이브들(20)에 공급할 수 있다. 전기 모터(21)는 약 100 kW 내지 약 3 MW, 그리고 바람직하게는 약 250 kW 내지 약 1500 kW의 범위 내의 전력 정격을 가질 수 있다. 전기 드라이브(20)는 예를 들어, 다음 중 하나를 구동시킬 수 있다: 드릴링 리그의 드로워크스, 탑 드라이브, 머드 펌프, 앵커 윈치, 또는 호이스팅 애플리케이션의 임의의 다른 유형의 것. 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 제공하는 것은 액티브 히브 보상 드로워크스에서 특히 유리하다.
액티브 히브 보상기는 일반적으로 바다 파도들에 의해 야기되는 해양 선박의 히브 모션을 보상하도록 적응된다. 히브 보상 사이클은, 선박이 파랑골 내로 떨어지고, 이에 응답하여 드로워크스가 드릴 스트링을 상승시킬 필요가 있으며, 이에 의해 전기 에너지를 소비하는 제 1 부분(또는 위상)을 포함할 수 있다. 히브 보상 사이클의 제 2 부분에서, 해양 선박이 파고점으로 상승되고, 이에 응답하여 드로워크가 드릴 스트링을 하강시킬 필요가 있으며, 이에 의해 드로워크스의 드라이브의 전기 모터들은 제동될 필요가 있으며, 이에 의해 전기 에너지를 생성한다. 전기 에너지는 단지 히브 보상 사이클의 제 2 위상의 부분 동안만, 예를 들어, 해양 선박에 관하여 드릴 스트링의 움직임이 늦춰질 때, 생성될 수 있다는 것을 유의한다.
이러한 드로워크스의 전기 드라이브는 하나보다 많은 수의 전기 모터(21), 예를 들어 4개 또는 심지어 그보다 많은 수의 전기 모터들을 포함할 수 있다. 이들 모터들은, 드릴 라인을 감고 풀기 위한 스풀(spool)이 장착되는 공통 샤프트를 구동시킬 수 있다. 드릴 라인은 드릴 스트링이 부착되는 이동 블록을 상승 및 하강시키기 위해 이용될 수 있다. 액티브 히브 보상에 있어서, 드릴 라인이, 해양 선박에 부딪치는 파도들의 주기들에 따라 주기적으로 감기고 풀려서, 해저(seabed)에 관련하여 해양 선박의 수직 움직임이 보상되고, 비트(bit)에 대해 거의 일정한 중량이 달성된다. 히브 보상 사이클의 주기는 예를 들어, 약 7 내지 약 15 초의 범위 내에 놓일 수 있다.
히브 보상 사이클의 2개의 위상들에서, 전기 에너지는 전기 드라이브(20)에 의해 생성되고 그리고 소비됨으로써 교번된다. 따라서, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는, 생성된 전기 에너지를 저장하고 이를 드라이브(20)에 피드백하는 버퍼를 제공하며, 이에 의해 메인 전력원(15)에 대한 피크 부하 및 총 에너지 소비가 감소된다. 따라서, 스토리지 디바이스(11)는 전원 시스템(10) 내에서 완충기로서 작용한다.
도시되지 않았지만, 전원 시스템(10)은 더욱이, 제동 초퍼에 의해 DC 버스(25)에 결합될 수 있는 제동 저항기를 여전히 포함할 수 있다. 이는, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)가 완전히 충전되는 경우에 안전 백업으로서 제공될 수 있으며, 따라서 더 많은 전기 에너지를 받아들이지 않을 수 있다. 그 다음, 이러한 부가적인 전기 에너지는 백업 제동 저항기에서 소모될 수 있다.
에너지 스토리지 디바이스(11) 외에, 도 1에 예시된 추가의 컴포넌트들, 특히 전력원으로부터(15) 전기 모터(21)로 전기 에너지를 공급하기 위해 이용되는 컴포넌트들, 이를 테면 정류기(22), DC 버스(25), 및 인버터(23)가 전원 시스템(10)의 실시예들의 부분인 것으로 고려될 수 있다는 것을 유의한다. 따라서, 전원 시스템(10)은 VFD의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 전력원(15)이 또한 전원 시스템(10)의 부분일 수 있다.
도 2는, 몇몇 전기 드라이브들(20)이 전원 시스템(10)에 의해 전기 전력을 공급받는, 도 1에 도시된 시스템의 특정 구현을 예시한다. 전기 드라이브들은 드로워크스(DW), 앵커 윈치 드라이브들(AW), 탑 드라이브들(TD), 머드 펌프(MP)를 위한 드라이브들을 포함하며, 이들 각각에 대해, 예시적인 전력 정격이 도면에서 표시된다. 해양 선박은 상이한 수의 전기 드라이브들(20)을 포함할 수 있고, 이들 드라이브들은 상이한 전력 정격들을 가질 수 있다는 것을 명확히 해야 한다.
도 2의 예에서, 각각의 전기 드라이브(20)는 회로(50)를 포함하며, 상기 회로(50)를 이용하여 각각의 인버터(23) 및 전기 모터(21)가 DC 버스(25)에 결합된다. 회로(50)는 인버터(23) 내 커패시터들을 사전(pre)-충전시키기 위해 이용되는 사전-충전 회로이다. 이러한 목적을 위해, 회로(50)는 저항기를 통해 인버터(23)를 DC 버스(25)에 접속시킬 수 있으며, 이는 드라이브의 시동 시 커패시터들의 충전을 허용한다. 동작시, 인버터(23)는 DC 버스(25)에 직접적으로 결합된다.
도 2의 예에서, DC 버스(25)는 930 V DC에서 동작되지만, 다른 애플리케이션들에서 상기 DC 버스(25)는 상이한 전압들에서 동작될 수 있다는 것을 명확히 해야 한다. 확인될 수 있는 바와 같이, 복수의 드라이브들(20)이 DC 버스(25)에 접속된다. 리던던시의 목적을 위해, 그리고 장애들의 전파를 방지하기 위해, 버스 타이 차단기(26)가 제공된다. 표시되는 바와 같이, 버스 타이 차단기(26)는 정상 폐쇄(normally closed; NC) 조건에서 동작한다. 특정 동작 조건들에서, 버스 타이 차단기(26)는 개방될 필요가 있을 수 있다.
도 2의 예에서, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 배터리이다. 배터리는 양방향 초퍼(12) 및 퓨즈(13)를 통해 DC 버스(25)에 결합된다. 도면에서 표시된 바와 같이, 퓨즈들은 회로망 내의 추가의 위치들에 제공될 수 있다.
메인 전력원(도시되지 않음)은 정류기들(22)을 통해 DC 버스(25)에 결합된다. 도 2에서, 4개의 정류기들이 제공되지만, 전원 시스템(10)이 임의의 다른 수의 정류기들을 포함할 수 있다는 것을 명확히 해야 한다.
도 2의 실시예에서, 전원 시스템(10)은 퓨즈 및 제동 초퍼(41)에 의해 DC 버스(25)에 결합되는 제동 저항기(40)를 더 포함한다. 상기 언급된 바와 같이, 제동 저항기(40)는 배터리(11)에 의해 취해질 수 없는 초과 전기 에너지를 버닝업시키기 위해 이용될 수 있다.
버스 타이 차단기(26)에 의해 분리가능한, DC 버스(25)의 각각의 섹션에, 배터리(11)가 결합된다. 따라서, 심지어 버스 타이 차단기(26)가 개방된 동작 조건에서도, 드라이브들(20)에 의해 생성된 전기 에너지는 각각의 배터리(11) 내에 저장될 수 있다. 하나보다 많은 수의 배터리(11)가 DC 버스(25)의 특정 섹션에 결합될 수 있다는 것을 유의한다.
DC 버스(25)의 각각의 섹션에 대해, 임의의 동작 조건 동안 생성될 것으로 예상되는 전기 에너지가 취해질 수 있도록, 각각의 배터리(11)가 치수결정될 수 있다. 상기 배터리(11)는, 예를 들어 특정 파도 높이까지 액티브 히브 보상 동안 생성된 전기 에너지의 양을 취할 수 있는 용량을 가질 수 있다.
도 2는, 도 1과 관련하여 위에서 추가로 개요된 전원 시스템(10)의 특정 구현을 예시한다는 것을 명확히 해야 한다. 따라서, 도 1과 관련하여 상기 주어진 모든 설명들은 도 2에 예시된 시스템에 동일하게 적용가능하다. 더욱이, 도 2의 전원 시스템(10)은 다른 실시예들에서는 컴포넌트들(11 내지 13)만을 포함할 수 있다는 것을 명확히 해야 하고, 이 때 인버터들(23), 회로들(50), DC-버스(25), 및 정류기들(22)은 각각의 전기 드라이브(20)의 VFD의 부분이다.
전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 제공함으로써, 전원 시스템은 따라서, 생성된 전기 에너지를 재사용함으로써 에너지 소비를 감소시킬 수 있으며, 따라서 발전기(32)를 구동시키기 위해 각각 디젤 엔진 또는 가스 터빈에 의해 이용되는 디젤 또는 가스와 같은 화석 연료들의 감소된 소비가 초래된다.
도 3은 도 1 또는 도 2와 관련하여 상술된 전원 시스템(10)에 의해 수행될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 제 1 단계(101)에서, 전기 에너지는 메인 전력원(15)으로부터 전기 드라이브(20)로 공급된다. 단계(102)에서, 전기 드라이브는, 예를 들어 활성 히브 보상 동안 드릴 스트링과 같은 부하를 상승시키기 위해, 공급된 전기 에너지를 이용하여 동작된다. 단계(103)에서, 전기 드라이브는, 액티브 히브 보상 동안 드릴 스트링을 하강시키는 것과 같이 부하를 하강시키기 위해 동작된다. 단계(104)에서 부하의 하강 동안 전기 드라이브(20)에 의해 생성되는 전기 에너지는, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 공급된다. 전기 에너지 스토리지 디바이스는 공급된 전기 에너지를 이용하여 충전된다(단계(105)).
단계(106)에서, 전기 에너지 스토리지 디바이스에 저장된 전기 에너지 및/또는 메인 전력원으로부터의 전기 에너지는 전기 드라이브(20)에 공급된다. 전기 드라이브는, 예를 들어 전기 에너지 스토리지 디바이스가 엠프티(empty) 방전된 경우, 메인 전력원에 의해 공급된 에너지로만 동작될 수 있다. 메인 전력원의 블랙아웃의 경우에, 전기 드라이브(20)는, 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 의해 공급되는 에너지로부터 특정 시간량 동안만 동작될 수 있다. 다른 구성들에서, 예를 들어 액티브 히브 보상 동안 또는 부하를 호이스팅하는 경우, 에너지는 메인 전력원 및 전기 에너지 스토리지 디바이스 양측 모두에 의해 공급될 수 있으며, 이에 의해, 저장된 전기 에너지가 재사용되고 메인 전력원에 대한 부하가 하강된다.
전기 드라이브는 예를 들어, 전기 에너지 스토리지 디바이스에 의해 제공되는 전기 에너지를 적어도 부분적으로 이용하여 부하를 상승시키기 위해 동작될 수 있다(단계(107)). 액티브 히브 보상 애플리케이션에서, 또는 반복되는 상승 애플리케이션들에서, 단계들(103 내지 107)은 전기 드라이브의 동작 동안 반복될 수 있다(단계(108)).
단계들(107 및 108)과 같은, 도 3에 도시되고 상기 설명된 단계들 중 몇몇은 선택적이라는 것을 명확히 해야 한다.
본원에 개시된 실시예들을 이용함으로써, 해양 선박의 전기 에너지 소비가 감소될 수 있다. 본 발명은 특정 유형의 전기 드라이브로 제한되지 않는다. 본 발명은 특히, 드릴링 드라이브들, 이를 테면 탑 드라이브들, 드로워크스의 드라이브, 앵커 윈치 드라이브들 등과 함께 이용될 수 있다. 에너지 소비를 감소시키고 발전기들에 대한 부하를 하강시키는 것 외에, 전기 에너지 스토리지 디바이스는, 메인 전력원의 블랙아웃의 경우에서 각각의 드라이브의 계속되는 동작을 추가로 허용하여서, 특정 동작, 이를 테면 호이스팅 동작 등이 완료될 수 있거나, 또는 보조 전력원이 가동될 수 있거나, 또는 메인 전력원이 복구될 수 있다.

Claims (15)

  1. 해양 선박(marine vessel)의 전기 드라이브(20)를 위한 전원 시스템으로서,
    상기 전기 드라이브(20)는 전력원(15)으로부터 전기 에너지를 수신하도록 적응된 전기 모터(21)를 포함하고,
    상기 전기 드라이브는, 상기 전기 드라이브를 동작시키기 위해 전기 에너지가 상기 전력원(15)에 의해 상기 전기 드라이브(20)에 공급되는 제 1 동작 상태, 및 상기 전기 드라이브(20)의 전기 모터(21)가 감속(decelerate)되거나 또는 제동(brake)되는 제 2 동작 상태를 가지며,
    상기 전기 드라이브(20)는 상기 제 2 동작 상태에서 전기 에너지를 생성하고,
    상기 전원 시스템(15)은,
    상기 전기 드라이브(20)에 전기적으로 결합되는 전기 에너지 스토리지 디바이스(11) ― 상기 결합은, 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)가 상기 제 2 동작 상태에서 상기 전기 드라이브(20)에 의해 생성된 전기 에너지에 의해 충전되도록, 그리고 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)가 상기 제 1 동작 상태에서 상기 전기 드라이브를 동작시키기 위해, 저장된 전기 에너지를 상기 전기 드라이브(20)에 제공하도록 함 ―
    를 포함하는,
    전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 배터리 또는 커패시터 뱅크인,
    전원 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 리튬 폴리머 배터리인,
    전원 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 드라이브의 전기 모터(21)는 AC 모터이고,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는, 상기 전기 드라이브(20)의 AC 모터(21)와 상기 전력원(15) 사이에 접속되는 주파수 컨버터, 특히 가변 주파수 드라이브의 DC 버스(25)에 접속되는,
    전원 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력원(15)은 발전기(31), 특히 가스 터빈 또는 디젤 엔진(32)에 결합된 발전기를 포함하는,
    전원 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 드라이브로의 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)의 결합은 컨버터(12), 특히 양방향 스텝 업 또는 스텝 다운 컨버터를 포함하는,
    전원 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨버터(12)는 양방향 스텝-업 또는 스텝-다운 초퍼(chopper)인,
    전원 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 상기 전원 시스템(10)의 AC 버스(30)에 결합되고, 상기 결합은, 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 의해 요구되는 DC 전압과 상기 AC 버스 상의 AC 전압 사이를 컨버팅하기 위한 정류기(rectifier) 및 인버터를 포함하는,
    전원 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 해양 선박의 전기 드라이브(20)는 상기 선박의 드릴링 리그(drilling rig)의 드로워크스(draw works)의 드라이브, 상기 선박의 앵커 윈치(anchor winch) 드라이브, 또는 상기 선박의 드릴링 리그의 탑 드라이브(top drive)인,
    전원 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 드라이브(20)는 상기 해양 선박의 액티브 히브 보상 드로워크스(active heave compensating draw works)의 드라이브이며,
    상기 제 1 동작 상태는, 상기 전기 드라이브(20)가 전기 에너지를 소비하는 히브 보상 사이클의 제 1 부분에 대응하고, 상기 제 2 동작 상태는, 상기 전기 드라이브(20)가 전기 에너지를 생성하는 상기 히브 보상 사이클의 제 2 부분에 대응하여서, 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 상기 액티브 히브 보상의 동작 동안 주기적으로 충전 및 방전되는,
    전원 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는, 상기 전기 드라이브(20)의 전기 모터(21)와 상기 전력원(15) 사이에 결합되는 주파수 컨버터의 DC 버스(25)에 결합되고,
    상기 전원 시스템(10)은, 상기 DC 버스(25)에 결합된 적어도 제 2 전기 에너지 스토리지 디바이스(11), 상기 DC 버스(25)에 결합된 적어도 제 2 전력원(15), 및/또는 상기 DC 버스(25)에 결합된 적어도 제 2 전기 드라이브(20)를 더 포함하는,
    전원 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스는, 상기 전기 드라이브(20)의 전기 모터(21)와 상기 전력원(15) 사이에 결합되는 주파수 컨버터의 DC 버스(25)의 제 1 섹션에 결합되고,
    상기 전원 시스템(10)은, 상기 DC 버스(25)의 제 2 섹션에 결합된 적어도 제 2 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 더 포함하고,
    상기 DC 버스(25)의 제 2 섹션은 제 2 전력원(15) 및 적어도 하나의 제 2 전기 드라이브(20)에 추가로 결합되고,
    상기 제 1 및 제 2 DC 버스 섹션들은 버스-타이 차단기(breaker)(26)에 의해 접속가능한,
    전원 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는, 상기 전기 드라이브(20)의 전기 모터(21)와 상기 전력원(15) 사이에 결합되는 주파수 컨버터의 DC 버스(25)에 결합되고,
    상기 DC 버스(25)는 약 300 V 내지 약 2000 V의 전압 범위 내에서 동작되도록 적응되고,
    상기 전기 드라이브들(20)은 약 100 ㎾ 내지 약 30 MW의 범위 내의 전력 정격을 갖는,
    전원 시스템.
  14. 해양 선박의 전기 드라이브(20)를 위한 전원 시스템(10)을 동작시키는 방법으로서,
    상기 전기 드라이브(20)는 전력원(15)으로부터 전기 에너지를 수신하도록 적응되는 전기 모터(21)를 포함하고,
    상기 전원 시스템(10)은, 상기 전기 드라이브(20)에 전기적으로 결합되는 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 전기 드라이브(20)의 제 1 동작 상태에서, 상기 전기 드라이브(20)를 동작시키기 위해 상기 전기 드라이브에 전기 에너지를 공급하는 단계 ― 상기 공급된 전기 에너지는 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)를 방전시키는 것으로부터 획득된 전기 에너지를 포함함 ―; 및
    상기 전기 드라이브(20)의 제 2 동작 상태에서, 상기 전기 드라이브(20)의 전기 모터(21)를 제동하거나 또는 감속시킬 때, 상기 전기 드라이브(20)에 의해 생성된 전기 에너지를 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)에 공급하는 단계 ― 상기 전기 에너지 스토리지 디바이스(11)는 상기 전기 드라이브(20)에 의해 생성된 전기 에너지에 의해 충전됨 ―
    를 포함하는,
    전원 시스템을 동작시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전원 시스템(10)은 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따라 구성되는,
    전원 시스템을 동작시키는 방법.
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