KR20160023196A

KR20160023196A - 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160023196A
Application number: KR1020140109137A
Authority: KR
Inventors: 배재류; 추교식; 김인수; 이수호; 김진강; 장웅권; 조재효; 김성수
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-03-03

Abstract

본 발명은 해양 플랜트에서 발생하는 회생 전력을 이용한 하이브리드 전력 공급 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치에 있어서, 발전기; 상기 발전기에서 생산된 교류를 직류로 변환하여 DC 버스로 공급하는 AC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결되어 회생 전력을 발생시키는 전력 부하; 전력을 저장하는 제1 전력 저장부; 전력을 소모하는 제1 저항부; 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 측정된 전압에 따라 VFD 제어부로 제어 신호를 전송하는 전력 검출부; 상기 전력 검출부로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 제어 신호에 따라 상기 제1 전력 저장부 또는 상기 제1 저항부를 제어하는 VFD 제어부를 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치가 제공된다.

Description

해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID POWER SUPPLY IN OFFSHORE PLANT}

본 발명은 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 해양 플랜트에서 발생하는 회생 전력을 이용한 하이브리드 전력 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.

국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 오일의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.

이러한 이유로 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 해양 플랜트의 개발이 활발히 진행되고 있다.

해양 플랜트에는 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추할 수 있도록 데릭 시스템, 드로워크스(draw works), 탑드라이브, 머드펌프, 시멘트 펌프, 라이저, 드릴 파이프 등의 각종 시추 관련 장비들이 구비되어 있다.

드로워크스는 드릴 파이프의 승강, 케이싱의 삽입 등을 수행하는 장비로서, 드럼 및 모터를 포함한다. 드럼은 모터로부터 동력을 전달받아 와이어로프를 감거나 풀어줌으로써 드릴 파이프의 승강을 조절한다. 모터는 속도 조절이 가능하여 드럼의 속도를 조절할 수 있고, 이에 따라 드릴 파이프의 속도가 조절된다.

탑드라이브는 시추 작업에서 시추 및 파이프 체결을 위한 동력을 제공하는 장비이다.

해양 플랜트에는 근해의 일 지점에 정박하여 시추 작업을 하는 고정식 플랫폼과 3,000m 이상의 심해에서 시추 작업이 가능한 부유식 해양 플랜트가 있다.

부유식 해양 플랜트에는 주 추진장치 또는 컴퓨터에 의한 동적 위치 제어(Dynamic Positioning)를 위한 추진 장치로서 복수 개의 쓰러스터(thruster)가 설치된다. 쓰러스터는 프로펠러의 작용 방향을 바꿀 수 있도록 선저에 설치된 추진기로 보통 항해 또는 예인선 없이 자력으로 운하를 운항하거나 입출항하기 위해 사용된다. 쓰러스터는 쓰러스터에 연결된 쓰러스터 모터로부터 동력을 공급받는다.

도 1은 종래 기술에 따른 전력 공급 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 발전기(110)에서 발생된 교류 전력은 A.C 버스로 공급되고, A.C 버스에는 제1 AC/DC 변환기(121), 제2 AC/DC 변환기(122) 및 제3 AC/DC 변환기(123)가 연결되어 있다.

제1 AC/DC 변환기(121)는 A.C 버스로부터 공급받은 교류를 직류로 변환하여 제1 DC 버스(131)로 공급하고, DC/AC 변환기(141)는 제1 DC 버스(131)로부터 공급받은 직류를 교류로 변환하여 제1 쓰러스터 모터(151)로 공급한다.

제2 AC/DC 변환기(122)는 A.C 버스로부터 공급받은 교류를 직류로 변환하여 제2 DC 버스(132)로 공급하고, DC/AC 변환기(142)는 제2 DC 버스(132)로부터 공급받은 직류를 교류로 변환하여 제2 쓰러스터 모터(152)로 공급한다.

그리고, 제3 AC/DC 변환기(123)는 A.C 버스로부터 공급받은 교류를 직류로 변환하여 제3 DC 버스(133)로 공급하고, 제3 DC 버스(133)에는 복수의 DC/AC 변환기들(143 내지 148)이 연결되어 있다. 복수의 DC/AC 변환기들(143 내지 148) 각각은 제3 DC 버스(133)으로부터 공급받은 직류를 교류로 변환하여 복수의 드로워크스 모터들(153, 154, 155, 158, 159) 및 복수의 탑드라이브들(156, 157) 중 자신에게 연결된 모터로 공급한다.

드로워크스의 모터들(153, 154, 155, 158, 159) 및 탑드라이브의 모터들(156, 157)은 드릴 파이프 등의 시추 장비를 올리고 내리는 동작을 반복해야 하므로, 정격으로 회전하다가 회전을 갑자기 멈추거나 반대방향으로 회전하는 등 제동이 자주 발생하는 운전 특징이 있고, 쓰러스터 모터들(151, 152)도 동적 위치 제어를 위해 정격으로 회전하다가 회전을 갑자기 멈추거나 반대방향으로 회전하는 등 제동이 자주 발생하는 운전 특징이 있다. 그런데, 모터에서 제동이 발생하는 경우에는 회생 전력이 발생한다. 또한, 쓰러스터가 외란에 의해 회전되는 경우도 쓰러스터 모터에서 회생 전력이 발생한다.

드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 또는 쓰러스터 모터에서 회생 전력이 발생하게 되면, 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 또는 쓰러스터 모터가 연결되어 있는 DC 버스의 전압이 상승하게 되고, DC 버스가 수용할 수 있는 한도를 넘어서 전압이 상승하면, DC 버스가 트립(trip)된다.

따라서, 종래 기술에 따르면, 저항(resistor)(161 내지 166)을 설치하여 회생 전력을 열로써 소모시켜 DC 버스의 트립 현상을 방지한다.

도 2는 종래 기술에 따른 전력 공급 시스템에서 각각의 구성요소에서 소비되는 전력을 나타낸 그래프들이다.

도 2에서, 발전기에서 생산된 전력이 배전판을 통해 제1 부하(220) 및 AC/DC 변환기(260)로 공급한다. AC/DC 변환기(260)는 교류를 직류로 변환하여 제2 부하(240)로 공급하고, DC/AC 변환기를 통해 드로워크스(230)로 공급한다. 제1 부하(220) 및 제2 부하(240)는 일정한 전력을 소비하는 부하이다. 반면, 드로워크스(230)는 소비하는 전력의 양이 계속적으로 변화하고, 도 2에서 전력이 음수인 경우는 회생 전력이 발생한 것을 나타낸다. 드로워크스(230)에서 발생된 회생 전력은 제2 부하(240) 또는 저항(250)에서 소비된다.

드로워크스(230)의 소비 전력이 급격히 변화함에 따라 발전기(210)의 전력 출력도 급격히 변화됨을 알 수 있다. 그런데, 디젤 발전기는 전력 출력이 일정한 경우보다 전력 출력이 급변하는 경우에 더 많은 연료를 사용하고, 많은 연료를 사용함에 따라 더 많은 배기가스를 배출한다.

그리고, 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터의 급변하는 전력 소비에 따라 전력을 적절히 공급하기 위해서는 발전기가 출력 전력을 빠르게 변경할 수 있어야 한다. 그러나, 발전기는 반응 속도가 느려서, 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터의 급변하는 전력 소비에 따라 적절히 전력을 공급하지 못하는 문제점이 있다. 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터에 적절히 전력 공급이 이루어지지 못할 경우 시추 작업의 특성상 위험한 상황이 초래될 수 있다는 문제점이 있다. 그리고, 정전이 발생하는 경우 드로워크스의 모터 또는 탑드라이브의 모터로의 전력 공급이 갑자기 끊기는 경우에도 위험한 상황이 초래될 수 있다.

즉, 종래 기술에 따르면, 회생 전력을 저항에서 소모시킴으로써 에너지를 낭비하는 문제점, 발전기의 전력 출력이 급변함에 따른 연료 소비 및 배기가스 증가, 발전기가 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터에 적절히 전력 공급을 하지 못하는 문제점 및 갑작스런 정전 시 위험 상황 발생 가능성이 있다는 문제점이 있다.

선행기술 : 일본 공개 번호 2006-117179호(2006.05.11 공개)

본 발명의 목적은 회생 전력을 효율적으로 사용할 수 있고, 발전기의 전력 출력을 일정하게 유지할 수 있고, 소비 전력이 급격히 변하는 부하에게 적절히 전력을 공급할 수 있고, 갑작스런 정전 시 전력을 공급할 수 있는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치에 있어서, 발전기; 상기 발전기에서 생산된 교류를 직류로 변환하여 DC 버스로 공급하는 AC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결되어 회생 전력을 발생시키는 전력 부하; 전력을 저장하는 제1 전력 저장부; 전력을 소모하는 제1 저항부; 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 측정된 전압에 따라 VFD 제어부로 제어 신호를 전송하는 전력 검출부; 상기 전력 검출부로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 제어 신호에 따라 상기 제1 전력 저장부 또는 상기 제1 저항부를 제어하는 VFD 제어부를 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치가 제공된다.

특히, 상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제1 임계치 이상이면 제1 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 전력 저장부가 전력을 저장하도록 상기 제1 전력 저장부를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 VFD 제어부는 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제1 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제1 명령을 수신하면 상기 DC 버스로부터 상기 제1 전력 저장부로 전력을 공급하여 상기 제1 전력 저장부에 전력이 저장되도록 할 수 있다.

또한, 상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제2 임계치 이상이면 제2 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제1 저항부가 전력을 소모하도록 상기 제1 저항부를 제어하고, 상기 제2 임계치는 상기 제1 임계치보다 더 클 수 있다.

또한, 상기 제1 저항부는 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 VFD 제어부는 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제2 DC/DC 변환기로 제2 명령을 전송하고, 상기 제2 DC/DC 변환기는 상기 제2 명령을 수신하면 상기 제1 저항부가 전력이 소모하도록 할 수 있다.

또한, 상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제3 임계치 이하이면 제3 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 전력 저장부에 저장된 전력이 상기 DC 버스로 공급되도록 상기 제1 전력 저장부를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제3 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제3 명령을 수신하면 상기 제1 전력 저장부로부터 상기 DC 버스로 전력이 공급되도록 할 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 전력 공급 장치는 상기 DC 버스에 연결된 제1 DC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결된 제2 DC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결된 제3 DC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결된 제4 DC/DC 변환기; 상기 제3 DC/DC 변환기에 연결되고 상기 DC 버스의 전압이 상기 제1 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 저장하는 제2 전력 저장부; 및 상기 제4 DC/DC 변환기에 연결되고, 상기 DC 버스의 전압이 상기 제2 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 소모하는 제2 저항부를 더 포함하고, 상기 제1전력 저장부는 상기 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 제1 저항부는 상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있을 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 전력 공급 장치는 상기 DC 버스에 연결된 제1 DC/DC 변환기; 상기 DC 버스에 연결된 제2 DC/DC 변환기; 상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되고 상기 DC 버스의 전압이 상기 제1 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 저장하는 제2 전력 저장부; 및 상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되고, 상기 DC 버스의 전압이 상기 제2 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 소모하는 제2 저항부를 더 포함하고, 상기 제1전력 저장부 및 상기 제1 저항부는 상기 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있을 수 있다.

또한, 상기 제1 전력 저장부는 울트라캐패시터일 수 있다.

또한, 상기 전력 부하는 드로워크스일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에 있어서, 전력 검출부가 DC 버스의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압이 제1 임계치 이상이면 전력 저장부가 전력을 저장하는 단계; 및 상기 측정된 전압이 제2 임계치 이상이면 저항부가 전력을 소모하는 단계를 포함하고, 상기 DC 버스에는 회생 전력을 발생시키는 전력 부하가 연결되어 있고, 상기 제2 임계치는 상기 제1 임계치보다 더 큰, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법이 제공된다.

특히, 상기 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법은 상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 임계치 이상이면 제1 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 VFD 제어부가 상기 전력 저장부가 전력을 저장하도록 상기 전력 저장부를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 전력 저장부를 제어하는 단계는 상기 VFD 제어부가 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제1 명령을 전송하는 단계; 및 상기 제1 DC/DC 변환기가 상기 DC 버스로부터 상기 전력 저장부로 전력을 공급하여 상기 전력 저장부에 전력이 저장되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법은 상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 상기 제2 임계치 이상이면 제2 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 VFD 제어부가 상기 저항부가 전력을 소모하도록 상기 저항부를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 저항부는 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 저항부를 제어하는 단계는 상기 VFD 제어부가 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제2 DC/DC 변환기로 제2 명령을 전송하는 단계; 및 상기 제2 DC/DC 변환기가 상기 저항부가 전력이 소모하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법은 상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 제3 임계치 이하이면 제3 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 VFD 제어부가 상기 전력 저장부에 저장된 전력이 상기 DC 버스로 공급되도록 상기 전력 저장부를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제3 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제3 명령을 수신하면 상기 전력 저장부로부터 상기 DC 버스로 전력이 공급되도록 할 수 있다.

또한, 상기 전력 저장부는 울트라캐패시터일 수 있다.

또한, 상기 전력 부하는 드로워크스일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전력 저장부를 이용하여 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터에서 발생된 회생 전력을 저장하였다가 드로워크스의 모터, 탑드라이브의 모터, 쓰러스터 모터의 전력 소비가 급격히 증가하는 경우에 전력 저장부에 저장된 전력을 공급함으로써 회생 전력을 효율적으로 사용할 수 있고, 발전기의 전력 출력을 일정하게 유지할 수 있어 배기가스를 줄일 수 있다.

그리고, 전력 저장부로서 반응속도가 빠른 울트라 캐퍼서티를 사용하여 소비 전력이 급격히 변하는 부하에게 적절히 전력을 공급할 수 있다.

그리고, 과도 상태 또는 정전 발생 시 전력 저장부에 저장된 전력을 이용함으로써 드로워크스 또는 탑드라이브와 같은 드릴링 장비가 안전하게 셧다운(shutdown)할 수 있다.

그리고, 전력 검출부가 DC 버스의 전압을 측정하여 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하고 VFD 제어부가 전력 저장부 및 저항부를 통합 제어함으로써 전력 저장부 및 저항부를 효율적으로 관리할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전력 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전력 공급 시스템에서 각각의 구성요소에서 소비되는 전력을 나타낸 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 전력 저장부에 전력을 저장하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 전력 부족시 전력 저장부로부터 DC 버스로 전력을 공급하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 정전시 전력 저장부로부터 DC 버스로 전력을 공급하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 장치에서 각각의 구성요소에서 소비되는 전력을 나타낸 그래프들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 3 내지 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치를 나타낸 도면이다.

도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치는 발전기(310), AC/DC 변환기(320), DC 버스(bus)(321), 전력 검출부(322), VFD(variable frequency drive) 제어부(330), DC/DC 변환기(351 내지 353), 전력 부하(361 내지 363), 전력 저장부(371 내지 373), 저항부(381 내지 383) 및 센서(391)를 포함한다.

발전기(310)는 해양플랜트에서 필요한 전력을 생산하는 장치로서, AC 버스를 통해 AC/DC 변환기(320)로 연결된다. 또는 발전기(310)에서 생산된 전력은 변압기에서 전력 부하들에서 사용하기 적절한 전압으로 변경된 후, AC/DC 변환기(320)로 공급될 수도 있다. 발전기(310)는 교류 발전기로서 교류 전력을 생산할 수 있다.

AC/DC 변환기(320)는 발전기(310)에서 생산된 교류 전력을 직류로 변환하여 DC 버스(321)로 공급한다.

DC 버스(321)는 DC 버스(321)에 연결되어 있는 전력 부하로 전력을 공급한다. 직류 전력을 이용하는 전력 부하는 DC 버스(321)에 바로 연결될 수 있고, 교류 전력을 이용하는 전력 부하는 DC/AC 변환기(341 내지 343)를 통해 DC 버스(321)에 연결될 수 있다.

도 3에 도시된 전력 부하들(361 내지 363)은 교류 전력을 이용하는 전력 부하들로서, DC/AC 변환기(341 내지 343)를 통해 DC 버스(321)에 연결되어 있다. DC/AC 변환기(341 내지 343)는 DC 버스(321)로부터 공급받은 직류를 교류로 변환하여 전력 부하(361 내지 363)로 공급한다.

전력 부하들(361 내지 363)은 드로워크스 모터 또는 탑드라이브 모터일 수 있다.

도 3 내지 5에는 DC 버스(321)에 전력 부하로서 3 대의 드로워크스 모터(361 내지 363)가 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 개수의 드로워크스 모터 및 탑드라이브 모터가 DC 버스(321)에 연결될 수 있다.

드로워크스의 모터(361 내지 363)는 드릴 파이프 등의 시추 장비를 올리고 내리는 동작을 반복해야 하므로, 정격으로 회전하다가 회전을 갑자기 멈추거나 반대방향으로 회전하는 등 제동이 자주 발생하는 운전 특성상, 드로워크스의 모터에서는 회생 전력이 발생한다.

전력 검출부(322)는 DC 버스(321)의 전압을 측정하여 측정된 전압에 따라 VFD 제어부로 제어 신호를 전송하고, VFD 제어부(330)는 전력 검출부(322)로부터 제어 신호를 수신하여 상기 제어 신호에 따라 전력 저장부(371 내지 373) 또는 저항부(381 내지 383)를 제어한다.

전력 검출부(322)는 측정된 전압이 제1 임계치 이상이면 제1 제어 신호를 VFD 제어부(330)로 전송하고, VFD 제어부(330)는 제1 제어 신호를 수신하면 전력 저장부(371 내지 373)가 전력을 저장하도록 전력 저장부(371 내지 373)를 제어할 수 있다. 이때, VFD 제어부(330)는 제1 제어 신호를 수신하면 DC/DC 변환기(351 내지 353, 451 내지 453)로 제1 명령을 전송하고, DC/DC 변환기(351 내지 353, 451 내지 453)는 제1 명령을 수신하면 DC 버스(321)로부터 전력 저장부(371 내지 373)로 전력을 공급하여 전력 저장부(371 내지 373)에 전력이 저장되도록 할 수 있다.

전력 부하(361 내지 363)에서 회생 전력이 발생하면 DC 버스(321)의 전압이 올라간다. 따라서, DC 버스(321)의 전압이 제1 임계치 이상이면 전력 부하(361 내지 363)에서 회생 전력이 발생했다고 판단하고 전력 저장부(371 내지 373)가 전력을 저장하도록 하는 것이다.

전력 검출부(322)는 측정된 전압이 제2 임계치 이상이면 제2 제어 신호를 VFD 제어부(330)로 전송하고, VFD 제어부(330)는 제2 제어 신호를 수신하면 저항부(381 내지 383)가 전력을 소모하도록 저항부(381 내지 383)를 제어할 수 있다. 제2 임계치는 제1 임계치보다 크다. 이때, VFD 제어부(330)는 제2 제어 신호를 수신하면 DC/DC 변환기(351 내지 353, 454 내지 456)로 제2 명령을 전송하고, DC/DC 변환기(351 내지 353, 454 내지 456)는 제2 명령을 수신하면 DC 버스(321)로부터 저항부(381 내지 383)로 전력을 공급하여 저항부(381 내지 383)가 전력을 소모하도록 한다.

전력 부하(361 내지 363)에서 회생 전력이 발생하면 DC 버스(321)의 전압이 올라가고 DC 버스(321)의 전압이 제1 임계치 이상이면 전력 저장부(371 내지 373)가 전력을 저장한다. 그리고, 전력 저장부(371 내지 373)의 용량이 다 찬 경우에는 DC 버스(321)의 전압이 더 상승하여 제2 임계치 이상으로 올라간다. 따라서 DC 버스(321)의 전압이 제2 임계치 이상이라는 것은 전력 저장부(371 내지 373)의 용량이 다 찬 것으로 판단될 수 있다. 그런데, 전력 저장부(371 내지 373)의 용량이 다 찬 상태에서 회생 전력이 계속 발생하면 DC 버스(321)의 전압이 계속 올라가서 DC 버스(321)가 트립될 수 있다. 따라서, DC 버스(321)의 전압이 제2 임계치 이상이면 DC/DC 변환기(351 내지 353, 454 내지 456)는 저항부(381 내지 383)가 전력을 소모하도록 한다.

예를 들어, DC 버스(321)가 720 V용이고 750 V 이상이 되면 트립된다고 가정하면, 제1 임계치는 730 V로 설정하고, 제2 임계치는 740 V로 설정할 수 있다.

전력 검출부(322)는 측정된 전압이 제3 임계치 이하이면 제3 제어 신호를 VFD 제어부(330)로 전송하고, VFD 제어부(330)는 제3 제어 신호를 수신하면 전력 저장부(371 내지 373)가 저장된 전력을 DC버스(321)로 공급하도록 할 수 있다. 이때, VFD 제어부(330)는 제3 제어 신호를 수신하면 DC/DC 변환기(351 내지 353, 451 내지 453)로 제3 명령을 전송하고, DC/DC 변환기(351 내지 353, 451 내지 453)는 제3 명령을 수신하면 전력 저장부(371 내지 373)로부터 DC 버스(321)로 전력이 공급되도록 한다.

전력 부하(361 내지 363)의 소비전력이 갑자기 올라가면 DC 버스(321)의 전압이 떨어진다. 따라서, DC 버스(321)의 전압이 제3 임계치 이하이면 전력 부하(361 내지 363)에서 소비 전력이 갑자기 증가했다고 판단하고 전력 저장부(371 내지 373)가 전력을 공급하도록 하는 것이다.

전력 저장부(371 내지 373)는 울트라 캐패시터, 캐패시터, 배터리 및 플라이휠(fly wheel) 중 적어도 하나일 수 있다. 특히, 전력 저장부(371 내지 373)가 울트라 캐패시터인 경우, 울트라 캐패시터는 반응속도가 발전기(310)보다 빨라서 전력 부하(361 내지 363)의 소비전력이 갑자기 올라갈 때, 전력 부하(361 내지 363)에 빠르게 전력을 공급할 수 있다.

또한, 전력 저장부(371 내지 373)는 과도 상태 또는 정전 발생 시에도 DC 버스(321)로 전력을 공급한다. 과도 상태 또는 정전 발생을 감지하는 센서(391)가 과도 상태 또는 정전을 감지하면 감지신호를 DC/DC 변환기(351 내지 353)로 전송하고 DC/DC 변환기(351 내지 353)가 전력 저장부(371 내지 373)로부터 DC 버스(321)로 전력이 공급되도록 한다.

센서(391)는 스위치 보드 및 DC 버스(321) 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다.

드로워크스 및 탑드라이브와 같은 드릴링 장비의 경우 갑작스럽게 전력 공급이 중단되는 경우 위험한 상황이 초래될 수 있다. 따라서, 과도 상태 또는 정전 발생 시 전력 저장부(371 내지 373)가 DC 버스(321)로 전력을 공급함으로써 드릴링 장비가 안전하게 셧다운(shutdown)할 수 있다.

도 3 내지 5에는 3 개의 전력 저장부(371 내지 373) 및 3 개의 저항부(381 내지 383)가 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 개수의 전력 저장부와 저항부를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 전력 저장부(371 내지 373) 각각은 복수의 저항부(381 내지 383) 중 하나와 짝을 지어 DC 버스(321)에 연결될 수 있다. 즉, 제1 전력 저장부(371)와 제1 저항부(381)는 제1 DC/DC 변환기(351)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제2 전력 저장부(372)와 제2 저항부(382)는 제2 DC/DC 변환기(352)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제3 전력 저장부(373)와 제3 저항부(383)는 제3 DC/DC 변환기(353)를 통해 DC 버스(321)에 연결된다. 도 3과 같이, 하나의 DC/DC 변환기에 전력 저장부 및 저항부를 연결하면 필요한 DC/DC 변환기의 개수를 줄일 수 있고 그에 따라 장비의 사이즈가 줄어드는 장점이 있다.

또는, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 전력 저장부(371 내지 373)들 및 복수의 저항부(381 내지 383)들 각각이 별도의 DC/DC 변환기(451 내지 456)를 통해 DC 버스(321)에 연결될 수 있다. 즉, 제1 전력 저장부(371)는 제1 DC/DC 변환기(451)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제2 전력 저장부(372)는 제2 DC/DC 변환기(452)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제3 전력 저장부(373)는 제3 DC/DC 변환기(453)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제1 저항부(381)는 제4 DC/DC 변환기(454)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제2 저항부(382)는 제5 DC/DC 변환기(455)를 통해 DC 버스(321)에 연결되고, 제3 저항부(383)는 제6 DC/DC 변환기(456)를 통해 DC 버스(321)에 연결된다. 도 4와 같이, 복수의 전력 저장부(371 내지 373)들 및 복수의 저항부(381 내지 383)들 각각을 별도의 DC/DC 변환기(451 내지 456)에 연결하면, 복수의 전력 저장부(371 내지 373)들 및 복수의 저항부(381 내지 383)들 각각이 독립적으로 운영될 수 있는 장점이 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 전력 부하(361 내지 363)에 하나의 전력 저장부(371 내지 373) 및 하나의 저항부(381 내지 383)가 종속될 수 있다. 즉, 제1 전력 부하(361)에서 회생 전력이 발생하면, 제1 전력 저장부(371)에서 저장하고, 제1 전력 저장부(371)의 용량이 다 차면 제1 저항부(381)에서 소모한다. 그리고, 제2 전력 부하(362)에서 회생 전력이 발생하면, 제2 전력 저장부(372)에서 저장하고, 제2 전력 저장부(372)의 용량이 다 차면 제2 저항부(382)에서 소모한다. 그리고, 제3 전력 부하(363)에서 회생 전력이 발생하면, 제3 전력 저장부(373)에서 저장하고, 제3 전력 저장부(373)의 용량이 다 차면 제3 저항부(383)에서 소모한다.

제1 전력 부하(361)에서 회생 전력이 발생하면 제1 DC/AC 변환기(341)가 제1 전력 부하(361)에서 회생 전력이 발생했음을 감지하고 제1 DC/DC 변환기(351)로 제어 신호를 전송한다. 그러면, 제1 DC/DC 변환기(351)는 제어 신호를 수신하면 제1 전력 저장부(371)가 전력을 저장하도록 DC 버스(321)로부터 제1 전력 저장부(371)로 전력이 공급되도록 한다. 그리고, 제1 DC/DC 변환기(351)는 제1 전력 저장부(371)의 용량이 다 찼는지 여부를 감지하여 제1 전력 저장부(371)의 용량이 다 차면 제1 저항부(381)가 전력을 소모하도록 한다. 도 3에는 제1 전력 저장부(371)와 제1 저항부(381)가 하나의 DC/DC 변환기(351)에 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 제1 전력 저장부(371)와 제1 저항부(381)가 각각 서로 다른 DC/DC 변환기에 연결되도록 구현될 수도 있다.

다음으로, 도 6 내지 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법을 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 전력 저장부에 전력을 저장하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 전력 부족시 전력 저장부로부터 DC 버스로 전력을 공급하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에서 정전시 전력 저장부로부터 DC 버스로 전력을 공급하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, DC 버스의 전압을 측정하여(S610), DC 버스(321)의 전압이 제1 임계치 이상이면 전력 저장부에 전력을 저장하고(S620), DC 버스(321)의 전압이 제2 임계치 이상이면 저항부에서 전력을 소모시킨다(S630).

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, DC 버스(321)의 전압을 측정하여(S710), DC 버스의 전압이 제3 임계치 이하이면 전력 저장부에 저장된 전력을 DC 버스로 공급한다(S720).

그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 센서(391)가 정전을 감지하면(S810), 센서(391)가 DC/DC 변환기로 제어 신호를 전송하고(S820), DC/DC 변환기는 센서(391)로부터 제어 신호를 수신하면 전력 저장부가 저장된 전력을 DC 버스로 공급하도록 한다(S830). 또는, 센서(391)가 정전을 감지하면, 센서(391)가 VFD 제어부(330)로 제어 신호를 전송하고, VFD 제어부(330)가 제어 신호를 수신하면 DC/DC 변환기로 명령을 전송하고, DC/DC 변환기가 명령을 수신하면 전력 저장부가 저장된 전력을 DC 버스로 공급하도록 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 장치에서 각각의 구성요소에서 소비되는 전력을 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 장치에서 각각의 구성요소에서 소비되는 전력을 나타낸 그래프들이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 전력 부하에서 회생 전력이 발생하면 전력 저장부가 발생된 회생 전력을 저장하고, 전력 부하의 소비 전력이 갑자기 증가하면 저력 저장부가 저장된 전력을 전력 부하로 공급함으로써 발전기의 전력 출력이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

310 : 발전기
320 : AC/DC 변환기
321 : DC 버스
322 : 전력 검출부
330 : VFD 제어부
361 : 전력 부하
371 : 전력 저장부
381 : 저항부
391 : 센서
351 : DC/DC 변환기

Claims

해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치에 있어서,
발전기;
상기 발전기에서 생산된 교류를 직류로 변환하여 DC 버스로 공급하는 AC/DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결되어 회생 전력을 발생시키는 전력 부하;
전력을 저장하는 제1 전력 저장부;
전력을 소모하는 제1 저항부;
상기 DC 버스의 전압을 측정하여 측정된 전압에 따라 VFD 제어부로 제어 신호를 전송하는 전력 검출부; 및
상기 전력 검출부로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 제어 신호에 따라 상기 제1 전력 저장부 또는 상기 제1 저항부를 제어하는 VFD 제어부를 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제1 임계치 이상이면 제1 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 전력 저장부가 전력을 저장하도록 상기 제1 전력 저장부를 제어하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 VFD 제어부는 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제1 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제1 명령을 수신하면 상기 DC 버스로부터 상기 제1 전력 저장부로 전력을 공급하여 상기 제1 전력 저장부에 전력이 저장되도록 하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제2 임계치 이상이면 제2 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제1 저항부가 전력을 소모하도록 상기 제1 저항부를 제어하고, 상기 제2 임계치는 상기 제1 임계치보다 더 큰, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 저항부는 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 VFD 제어부는 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제2 DC/DC 변환기로 제2 명령을 전송하고, 상기 제2 DC/DC 변환기는 상기 제2 명령을 수신하면 상기 제1 저항부가 전력이 소모하도록 하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 검출부는 상기 측정된 전압이 제3 임계치 이하이면 제3 제어 신호를 상기 VFD 제어부로 전송하고, 상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 전력 저장부에 저장된 전력이 상기 DC 버스로 공급되도록 상기 제1 전력 저장부를 제어하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제3 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제3 명령을 수신하면 상기 제1 전력 저장부로부터 상기 DC 버스로 전력이 공급되도록 하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 DC 버스에 연결된 제1 DC/DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결된 제2 DC/DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결된 제3 DC/DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결된 제4 DC/DC 변환기;
상기 제3 DC/DC 변환기에 연결되고 상기 DC 버스의 전압이 상기 제1 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 저장하는 제2 전력 저장부; 및
상기 제4 DC/DC 변환기에 연결되고, 상기 DC 버스의 전압이 상기 제2 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 소모하는 제2 저항부를 더 포함하고,
상기 제1전력 저장부는 상기 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고, 상기 제1 저항부는 상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 DC 버스에 연결된 제1 DC/DC 변환기;
상기 DC 버스에 연결된 제2 DC/DC 변환기;
상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되고 상기 DC 버스의 전압이 상기 제1 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 저장하는 제2 전력 저장부; 및
상기 제2 DC/DC 변환기에 연결되고, 상기 DC 버스의 전압이 상기 제2 시간 동안 상기 제1 임계치 이상을 유지하면 전력을 소모하는 제2 저항부를 더 포함하고,
상기 제1전력 저장부 및 상기 제1 저항부는 상기 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전력 저장부는 울트라캐패시터인, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 부하는 드로워크스인, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 장치.
해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법에 있어서,
전력 검출부가 DC 버스의 전압을 측정하는 단계;
상기 측정된 전압이 제1 임계치 이상이면 전력 저장부가 전력을 저장하는 단계; 및
상기 측정된 전압이 제2 임계치 이상이면 저항부가 전력을 소모하는 단계를 포함하고,
상기 DC 버스에는 회생 전력을 발생시키는 전력 부하가 연결되어 있고, 상기 제2 임계치는 상기 제1 임계치보다 더 큰, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 임계치 이상이면 제1 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및
상기 VFD 제어부가 상기 전력 저장부가 전력을 저장하도록 상기 전력 저장부를 제어하는 단계를 더 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 전력 저장부를 제어하는 단계는
상기 VFD 제어부가 상기 제1 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제1 명령을 전송하는 단계; 및
상기 제1 DC/DC 변환기가 상기 DC 버스로부터 상기 전력 저장부로 전력을 공급하여 상기 전력 저장부에 전력이 저장되도록 하는 단계를 포함하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 상기 제2 임계치 이상이면 제2 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및
상기 VFD 제어부가 상기 저항부가 전력을 소모하도록 상기 저항부를 제어하는 단계를 더 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 저항부는 제2 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 저항부를 제어하는 단계는
상기 VFD 제어부가 상기 제2 제어 신호를 수신하면 상기 제2 DC/DC 변환기로 제2 명령을 전송하는 단계; 및
상기 제2 DC/DC 변환기가 상기 저항부가 전력이 소모하도록 하는 단계를 포함하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 전력 검출부가 상기 DC 버스의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압이 제3 임계치 이하이면 제3 제어 신호를 VFD 제어부로 전송하는 단계; 및
상기 VFD 제어부가 상기 전력 저장부에 저장된 전력이 상기 DC 버스로 공급되도록 상기 전력 저장부를 제어하는 단계를 더 포함하는 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 전력 저장부는 제1 DC/DC 변환기에 연결되어 있고,
상기 VFD 제어부는 상기 제3 제어 신호를 수신하면 상기 제1 DC/DC 변환기로 제3 명령을 전송하고, 상기 제1 DC/DC 변환기는 상기 제3 명령을 수신하면 상기 전력 저장부로부터 상기 DC 버스로 전력이 공급되도록 하는, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 전력 저장부는 울트라캐패시터인, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 전력 부하는 드로워크스인, 해양 플랜트의 하이브리드 전력 공급 방법.