KR20180019604A

KR20180019604A - Dc 그리드

Info

Publication number: KR20180019604A
Application number: KR1020177037092A
Authority: KR
Inventors: 케틸 아아제센; 앨프 올라브 발렌
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2018-02-26
Also published as: CN107810583A; EP3109964A1; WO2016206945A1; US20180159315A1

Abstract

해양 구조(81, 91)를 위한 DC 그리드는, 적어도 4 개의 스위치보드들(21, 22, 54, 55)을 포함하며, 각각의 스위치보드는 다른 스위치보드들(21, 22, 54, 55)에 대한 적어도 3 개의 연결들(60, 61, 38)을 포함하며, 각각의 연결은 스위치를 포함한다. 그리드는 해양 구조 상의 복수의 에너지 소스들(80) ―적어도 하나의 에너지 소스가 스위치보드들 중 하나와 연관됨―; 및 복수의 에너지 컨슈머들(85)을 더 포함하며, 에너지 컨슈머들 중 적어도 하나는 스위치보드들 중 하나와 연관된다. 연결들의 스위치들은 정상 동작 시 폐쇄되도록 적응되며; 제어기는, 결함의 경우 스위치를 개방하기 위해 신호를 제어기로부터 스위치로 전송하도록 적응된다.

Description

DC 그리드

본 발명은 DC 그리드(grid), 이를테면, 특히 저전압 또는 중간 전압용 선박 또는 플랫폼(platform)을 위한 그리드에 관한 것이다.

해안 공급(shore supply)에 독립적이며, 선박, 굴착선(drilling rig), 플랫폼 또는 다른 유형의 해양(offshore) 구조 상의 설치에 적절한 DC 그리드들이 지난 몇 년에 걸쳐 개발되어 왔다. 그러한 애플리케이션(application)들에서 해양 DC 그리드에 대한 규제 승인을 획득하기 위하여, 고장의 경우 최소 성능을 보장하기 위한 소정 수준의 중복성(redundancy)이 있어야 한다.

본 발명의 제1 양상에 따라, 해양 구조를 위한 DC 그리드는, 적어도 4 개의 스위치보드(switchboard)들을 포함하고, 각각의 스위치보드는 다른 스위치보드들에 대한 적어도 3 개의 연결들을 포함하고, 각각의 연결은 스위치(switch)를 포함하며; 그리드는 제어기; 해양 구조 상의 복수의 에너지 소스(energy source)들 ―적어도 하나의 에너지 소스가 스위치보드들 중 하나와 연관됨―; 및 복수의 에너지 컨슈머(consumer)들을 더 포함하며, 에너지 컨슈머들 중 적어도 하나는 스위치보드들 중 하나와 연관되며; 연결들의 스위치들은 정상 동작 시 폐쇄되도록 적응되며; 그리고 제어기는, 결함의 경우 스위치를 개방하기 위해 제어기로부터 스위치로 신호를 전송하도록 적응된다.

각각의 스위치보드로부터 다른 스위치보드들로의 적어도 3 개의 연결들을 제공하여서, 하나의 스위치보드에서 또는 하나의 스위치보드에 직접적으로 연결된 하나의 발전기 또는 컨슈머에서 고장 결함(failure fault)의 경우, 다른 발전기들 또는 컨슈머들 또는 다른 스위치보드들이 이미 연결되어 있음으로써, 고장의 경우의 신뢰성이 증가된다.

스위치보드들 사이의 연결들은 하나의 단부의 영구적 연결과, 결함 또는 고장의 경우 분리가능한, 다른 단부의 스위치로 이루어질 수 있지만, 바람직하게는, 각각의 연결은 스위치보드들을 서로 분리하기 위해 연결의 양쪽 단부들 모두에 스위치를 포함한다;

바람직하게는, 스위치보드들은 적어도 3 개의 섹션(section)들에 제공되며, 각각의 섹션은 물리적으로 서로 분리된다.

일부 경우들에서, 각각의 스위치보드는 별개의 섹션에 있다. 어느 경우에나, 물리적 분리는 화재 또는 침수의 경우들에 의해 유발되는 고장들에 대한 저항을 개선시킨다.

일 실시예에서, 스위치보드 섹션들 중 적어도 하나는 별개의 해양 구조 상에 위치된다.

2 개의 별개의 해양 구조들에 대해 스위치보드 섹션들을 사용함으로써, 화재 또는 침수의 경우들에 대한 추가적인 탄력성이 제공된다.

일 실시예에서, 그리드는 2차 스위치보드들을 더 포함하며, 각각의 2차 스위치보드는 다른 스위치보드들에 대한 단 1 개 또는 2 개의 연결들을 포함한다.

이는 추가적인 위험 감소를 제공하는 비용 효과적인 수단이다.

모든 각각의 스위치보드가 에너지 소스에 대한 직접 연결을 갖는 것은 아니지만, 일 실시예에서, 적어도 하나의 섹션은 적어도 하나의 스위치보드, 적어도 하나의 에너지 소스 및 적어도 하나의 컨슈머를 포함한다.

바람직하게는, 에너지 소스들은 발전기, 저장된 전기 에너지 소스, 또는 트랜스포머(transformer)를 통해 공급되는 AC 에너지 소스 중 적어도 하나를 포함한다.

바람직하게는, 컨슈머들은 스러스터(thruster)들, 배터리(battery) 또는 커패시터(capacitor)-기반 에너지 스토어(store)들 중 하나를 포함한다.

바람직하게는, 에너지 소스들 또는 에너지 컨슈머들 중 적어도 하나는 스위치보드에 대한 스위칭가능한(switchable) 연결을 포함한다.

바람직하게는, 스위치들은 반도체 스위치들을 포함한다.

이는, 결함성 장비를 격리하기 위한 신속한 스위칭(switching)을 허용하며, 따라서 스위치들은 정상적으로 폐쇄될 수 있다.

해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법으로서, 방법은, 제1 스위치보드와 3 개 또는 그 초과의 추가 스위치보드들 사이에 스위칭가능한 연결들을 제공하는 단계를 포함하고, 스위칭가능한 연결들의 스위치들은 정상 동작 시 폐쇄되도록 적응되며; 방법은, 해양 구조 상에 에너지 소스를 제공하며, 에너지 소스를 스위치보드들 중 적어도 하나에 연결하여, DC 그리드를 형성하는 단계; 및 에너지 컨슈머를 스위치보드들 중 적어도 하나에 연결하는 단계 ―이에 의해, 스위치들이 폐쇄될 때, 에너지 소스로부터 연결들을 통해 컨슈머로 에너지가 제공됨― 를 포함하며, 그리고 결함의 경우, 하나 또는 그 초과의 연결들 상의 스위치를 개방하여 그에 따라 결함을 격리하기 위해, 신호가 제어기로부터 이 스위치로 전송된다.

바람직하게는, 방법은 스위치보드들 중 하나에서 결함을 검출하는 단계; 및 그 스위치보드를 임의의 다른 스위치보드로부터 격리하기 위해, 그 스위치보드에 대한 모든 연결들을 개방하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은 에너지 소스들 또는 컨슈머들 중 하나에서 결함을 검출하는 단계; 및 그 에너지 소스 또는 그 컨슈머와, 그것의 스위치보드 사이의 모든 연결들을 개방하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은 스위치보드들 중 적어도 하나를 별개의 해양 구조 상에 위치된 추가 스위치보드에 연결하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 방법은 별개의 해양 구조로부터의 전력을 스위치보드에 공급하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 해양 구조들은 선박, 해양 플랫폼(platform), 또는 굴착선(drilling rig) 중 하나를 포함한다.

본 발명에 따른 DC 그리드의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 단일 섹션에 단일 모선 연결(bus tie)을 갖는 종래의 DC 그리드의 예를 예시하고;
도 2는 2 개의 섹션들에 직렬 모선 연결들을 갖는 종래의 DC 그리드의 예를 예시하고;
도 3은 3 개의 섹션들을 갖는, 본 발명에 따른 DC 그리드의 제1 예를 예시하고;
도 4는 6 개의 섹션들을 갖는, 본 발명에 따른 DC 그리드의 제2 예를 예시하고;
도 5는 도 4의 DC 그리드의 대안적인 도면이고;
도 6은 4 개의 섹션들을 갖는, 본 발명에 따른 DC 그리드의 제3 예를 예시하고;
도 7은 8 개의 섹션들을 갖는, 본 발명에 따른 DC 그리드의 제4 예를 예시하고;
도 8은 본 발명에 따른 DC 그리드의 예의 동작을 예시하는 흐름 다이어그램(diagram)이며; 그리고,
도 9는 본 발명이 적용될 수 있는 선박 또는 해양 구조, 또는 선박들 또는 해양 구조들의 그룹(group)에 대한 통상적인 레이아웃(layout)을 예시한다;

적어도 하나의 전력원, 하나의 스위치보드 및 하나의 컨슈머를 포함하는 컴포넌트(component)들의 그룹들은, 동일한 선박 또는 구조 상에 있든 또는 상이한 선박 또는 구조 상에 있든 간에, 아일랜드(island)들로서 보일 수 있다. 복수의 아일랜드들의 상호연결에 의해 형성되는 DC 그리드는 신뢰성을 개선시키는데, 그 이유는 하나의 아일랜드의 에너지 소스에서의 결함이, 그 소스가 격리될 것을 요구할 수 있지만, 컨슈머는, 이 컨슈머의 스위치보드를 통해, 그리드의 다른 아일랜드의 에너지 소스로부터 여전히 피딩받을(fed) 수 있기 때문이다. 종래에, DC 아일랜드 그리드들은 직렬로 함께 연결될 수 있는 2 개 또는 그 초과의 아일랜드들 또는 섹션들, 통상적으로 3 개 또는 4 개의 섹션들을 포함한다. 이들은, 정상 동작 시, 섹션들이 연결될 때 하나의 섹션에서 결함이 발생하면, 다른 섹션들에서 안전한 동작을 유지시키는 것에서의 어려움들에 기인하여, 섹션들 사이의 연결들, 즉 버스 차단기(bus breaker)들이 개방되며, 따라서 결함의 경우에만, 이웃 아일랜드로부터의 공급을 제공하는데 가까운 연결이 이루어지도록 배열될 수 있다.

도 1은 스위치보드들 사이에 하나의 모선 연결(4)이 있는 하나의 섹션(3)에 2 개의 스위치보드들(1, 2)을 갖는 종래의 DC 그리드의 예를 예시한다. 정상 동작 시, 모선 연결(4)은 개방, 즉 스위치는 개방되지만, 예컨대 스위치보드(1)에 공급하는 에너지 소스, 이를테면 발전기(5) 또는 AC 트랜스포머(6)가 결함성이 되면, 그 에너지 소스는, 예컨대 스위치(7)를 개방함으로써 스위치보드로부터 연결해제될 수 있으며, 모선 연결(4) 상의 스위치가 폐쇄되어서, 스위치보드(1)는, 스위치보드(2)를 통해, 발전기(8)로부터 또는 AC 트랜스포머(9)를 통해 전력을 수신하며, 컨슈머(10)에 여전히 피딩할(feed) 수 있다. 컨슈머(11)가 또한, 스위치보드(2)의 에너지 소스들로부터 공급받는다. 이 해결책은 많은 선박들에 대한 표준이다. 단 1 개의 장비실이 있는 선박들 또는 굴착선(drilling unit)들의 경우, 이 어레인지먼트(arrangement)는 종종, 여전히 동일한 섹션(3) 내에서 스위치보드(2)의 다른 측에 추가 단일 모선 연결 및 추가 스위치보드를 직렬로(미도시) 추가함으로써 확장된다.

도 2는 별개의 섹션들(12, 13) ―이 섹션들(12, 13) 사이에 직렬 모선 연결(14)이 있음― 의 2 개의 스위치보드들(1, 2)을 사용하는, 선박들 및 굴착선들에서 흔한, 도 1의 수정을 예시한다. 이는 안전성을 개선시키는데, 그 이유는 하나의 섹션에서의 화재 또는 침수, 또는 다른 그러한 위험이 다른 섹션에 불가피하게 영향을 끼치지 않기 때문이다. 하나의 섹션(12)에서의 결함의 경우, 모선 연결(14) 상의 스위치들(15, 16)은, 다른 섹션(13)의 에너지 소스들(8, 9)로부터 스위치보드(2)를 통해 섹션(12)으로 전력이 공급될 수 있게 폐쇄될 수 있다. 도 1의 예에 대해서와 같이, 스위치보드들이 상이한 존(zone)들 또는 섹션들에 배열되는 경우, 이 어레인지먼트는, 스위치보드(2)의 다른 측에, 추가 스위치보드를 갖는 추가 섹션을 직렬로(미도시) 연결하는 추가 직렬 모선 연결을 추가함으로써 확장될 수 있다.

각각의 섹션의 2 개의 스위치보드들 사이의 단일 모선 연결들, 그리고 또한 하나의 섹션의 스위치보드들을 다른 섹션의 스위치보드들에 연결하는 직렬 모선 연결을 갖는, 도 1의 예와 도 2의 예의 결합이 또한 가능하여서, 결함의 경우 다른 에너지 소스들로부터의 전력을 라우팅하기(route) 위해, 동일한 섹션 내의 스위치보드 또는 다른 섹션의 스위치보드가 사용될 수 있다.

일부 경우들에서, 예컨대, EP2654157에서 설명된 바와 같이, 섹션들은 연결들이 정상적으로 폐쇄되는 링(ring) 구성으로 연결될 수 있다. 이는 결함의 경우 일부 연결들을 개방함으로써 링의 일부가 격리될 수 있게 하지만, 링 상의 컨슈머들의 나머지는 링 상의 다른 발전기들로부터 공급받을 수 있다. 그러나, 이는 결함의 경우 발전기들로의 여기장(excitation field) 전류를 제한하기 위한 발전기 라이드 스루 시스템(generator ride through system)을 요구한다.

해양 선박들 및 구조들은, 적절한 인증 기관들로부터의 형식 승인(type approval)의 대상이며, 높은 환경 규제 번호(ERN; environmental regulatory number) 섹션들을 획득하기 위하여, 서로 격리되어야 하고, 하나의 섹션으로부터 다른 섹션으로의 화재 또는 침수의 확산을 방지해야 하며, 뿐만 아니라 각각의 섹션이 다른 섹션으로부터 전기적으로 격리될 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 고장의 경우, 중복성, 즉 동일한 유형의 다수의 유닛(unit)들, 예컨대 병렬 스위치보드들 및 병렬 스러스터들의 제공에 대한 요건들이 있다. 이들 요건들 전부가 선박 또는 구조의 비용을 늘린다.

본 발명은, 스위치보드 섹션들 사이에 다수의 상호연결들을 제공함으로써, 선행 기술의 어레인지먼트들보다 더욱 효율적으로 규제 요건들을 해결한다. 적어도 3 개의 상호연결들이 제공되지만, 일부 경우들에서, 4 개 또는 그 초과가 사용될 수 있다. 이들 상호연결들은, 20 마이크로세컨드(microsecond) 내지 30 ms가 걸릴 수 있는 종래의 스위치와 비교할 때, 예컨대 약 10 ms 내에 연결해제될 수 있는 고속 동작 반도체 스위치들을 사용하여 이루어진다. 예컨대, 스위치들은 WO2012038101에서 설명된 바와 같이 사용될 수 있다. 본 발명의 다수의 상호연결들은 컴포넌트들 중 하나에서의 고장의 경우 개선된 유연성, 그리고 높은 ERN을 제공한다. 설계가 선박의 해양 동작 동안에 직면하는 특정 문제점들을 해결하는 것을 목표로 하지만, 본 발명의 DC 그리드에 의해 제공되는 보호는, 예컨대 기동(manoeuvring), 보급 또는 선적을 위해 심지어 선박이 항만에 있을 때에도 유용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 DC 그리드의 제1 예를 예시한다. DC 그리드(20)는 적어도 4 개의 스위치보드 섹션들(21 내지 26)을 포함한다. 이 예에서, 각각의 섹션(27, 28, 29)은 2 개의 스위치보드들을 갖지만, 섹션은 더 많거나 또는 더 적은 개수의 스위치보드들을 가질 수 있다. 이 예의 경우, 하나의 섹션 내에서, 하나의 스위치보드가 단일 모선 연결(38, 42, 44)에 의해 다른 스위치보드에 연결된다. 각각의 스위치보드는, 상이한 유형들을 가질 수 있는 에너지 소스(30 내지 35)에 대한 연결을 갖는 것으로 도시된다. 예컨대, 에너지 소스는 발전기이거나, 또는 트랜스포머를 통해 수신되어 스위치보드에서든 또는 발전기에 연결된 별개의 정류기 모듈(module)에 의해서든 DC로 정류되는 AC 에너지일 수 있거나, 또는 다른 유형들의 에너지 소스, 이를테면 저장된 에너지, 예컨대 배터리들(미도시) 또는 커패시터들이 사용될 수 있다. 그러나, 스위치보드마다의 상이한 유형들의 다수의 에너지 소스들, 또는 에너지 소스에 대한 어떤 직접 연결도 갖지 않지만 연결이 정상적으로 폐쇄되는 다른 스위치보드로부터 에너지를 획득하는 것에 의존하는 일부 스위치보드들과 같은 수정들이 또한 가능하다. 통상적으로, DC 그리드의 각각의 스위치보드는 적어도 하나의 컨슈머에 대한 직접 연결을 갖지만, 스위치보드들의 단지 절반 또는 3분의 2만이 에너지 소스에 대한 직접 연결을 갖는다. 그러나, 각각의 스위치보드에 대한 발전기들 또는 컨슈머들의 제공은 컨슈머 요건들에 적응될 수 있다.

도면들에서 상세히 도시되지 않지만, 스위치보드 섹션은 교류발전기 또는 정류기를 통해 하나 또는 그 초과의 발전 입력들을 포함할 수 있거나, 또는 정류기와 함께 트랜스포머 피드(feed)를 사용할 수 있다. 전력은, 트랜스포머들이 있거나 없거나, AC 모터(motor)에 피딩(feeding)하기 위한 DC-AC 컨버터(converter)를 통해, 또는 다른 AC 부하들에 피딩하기 위한 DC-AC 컨버터를 통해 컨슈머들에 공급될 수 있다. 전력은, 컨버터가 있거나 없거나 배터리를 갖는 DC 에너지 저장소에, 또는 컨버터가 있거나 없거나 커패시터를 갖는 DC 에너지 저장소에 피딩될 수 있거나, 또는 전력은 컨버터가 있거나 없거나 보통의 DC 피더(feeder)를 통해 부하들에 공급될 수 있다. 섹션 외부로부터 스위치보드로의 각각의 연결은 섹션 내에 있는, 보호 및/또는 격리를 위한 차단기를 갖는다. 동일한 섹션 내의 스위치보드들 사이의 연결들은 연결 상에 1 개 또는 2 개의 차단기들을 가질 수 있다.

각각의 스위치보드로부터, 3 개 또는 그 초과의 상호연결들(36 내지 44)이 있다. 각각의 상호연결은, 동일한 섹션에 또는 상이한 섹션에 있을 수 있는 다른 스위치보드로 간다. 바람직하게는, 스위치보드들 중 적어도 하나는 상이한 섹션에 있는데, 그 이유는 이것이 소정의 유형들의 고장들, 이를테면 하나의 섹션에서의 화재 또는 침수에 기인하는 고장에 대해 더 큰 보호를 제공하기 때문이다. 통상적으로, 섹션들 사이의 상호연결들(36, 37, 39, 40, 41, 43)은, 섹션 내에서 사용되는 단일 모선 연결들(38, 42, 44)이 아니라, 직렬 모선 연결들을 사용한다. 하나의 섹션에서 실질적인 고장이 있으면, 나머지 스위치보드들은 영향받지 않으며, 따라서 도 3에서 도시된 어레인지먼트를 이용하여, 스위치보드들 중 최대 3분의 1이 사용 불능(out of use)이 될 것이다. 명확성을 위해, 각각의 스위치보드를 통해 공급받는 컨슈머들에 대한 연결들은 이 도면에서 도시되지 않는다. 일반적으로, 적어도 하나의 컨슈머는 각각의 스위치보드에 의해 공급받지만, 일부 경우들에서, 스위치보드는, 예컨대 다른 스위치보드들 중 하나의 스위치보드의 1차 에너지 소스의 고장의 경우, 다른 스위치보드들에 연결된 컨슈머들에 백업(back up) 공급을 제공하기 위해서만 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 예를 예시한다. 이 경우, 스위치보드들(21 내지 26) 각각은 자체 섹션(45 내지 50)에 있으며, 따라서 이 스위치보드들(21 내지 26) 각각이 연결되는 임의의 다른 스위치보드와는 물리적으로 분리된다. 앞서와 같이, 각각의 스위치보드는 다른 스위치보드들에 대한 다수의 상호연결들(36, 37, 51, 39, 40, 41, 52, 43, 53)을 갖는다. 이 예에서 각각의 스위치보드에 대해 3 개의 상호연결들이 도시되지만, 하나의 스위치보드가 그리드의 모든 다른 스위치보드들에 연결될 때까지, 더 많은 개수의 상호연결들이 가능하다. 그러나, 신뢰성을 추가하는 것과 비용 및 복잡성을 추가하는 것 사이에 트레이드-오프(trade-off)가 있으며, 따라서 3 개 또는 4 개의 상호연결들이 바람직하다. 이 예의 경우, 하나의 섹션에서의 실질적인 고장은 단지, 그리드의 스위치보드들의 총 개수 중 6분의 1만을 제거한다(take down). 어레인지먼트의 대안적인 도면이 도 5에서 도시되며, 도 5는 스위치보드 섹션들 사이의 상호연결 주체(principal)를 디스플레이(display)한다.

도 6은 4 개의 섹션들(27, 28, 29, 65)을 갖는 더 큰 그리드를 예시한다. 첫 번째 3 개의 섹션들의 어레인지먼트는 도 3에서와 같다. 동일한 섹션(27)의 스위치보드들(21, 22) 사이에는, 단일 차단기를 갖는 모선 연결(38)이 사용된다. 상이한 섹션들(27, 28)의 스위치보드들(22, 23) 사이에는, 각각의 단부에 차단기들을 갖는 직렬 모선 연결들(40)이 사용된다. 추가 섹션(65)이 또한, 단일 모선 연결(57)에 의해 연결되는 2 개의 스위치보드들(54, 55)을 갖는다. 섹션들(29, 65)의 인접한 스위치보드들(26, 54)은 직렬 모선 연결(56)에 의해 연결된다. 도면에서 인접한 스위치보드들 사이의 모선 연결 뿐만 아니라, 스위치보드들(21과 55, 21과 54, 22와 55, 그리고 23과 25) 사이에 직렬 모선 연결 상호연결들(60 내지 64)이 각각 제공된다. 3 개의 상호연결들을 각각 갖는 4 개의 섹션들을 갖는 이 어레인지먼트를 이용하여, 실질적인 고장은 단지, 스위치보드들 중 4분의 1만을 제거할 수 있다.

도 7의 예는, 도 4의 예가 도 3의 예와 상이한 것과 동일한 방식으로, 도 6과 상이한 어레인지먼트를 도시한다. 도 6에서와 동일한 스위치보드들이 제공되지만, 4 개의 섹션들(27, 28, 29, 65) 대신에, 각각의 스위치보드(21 내지 26, 54 및 55)에 하나씩, 이제 8 개의 섹션들(45 내지 50, 68 및 69)이 있다. 모선 연결들(38, 42, 44, 57)은 직렬 모선 연결들(51, 52, 53 및 67)로 교체되었다. 다른 상호연결들은 도 6에서와 동일하며, 이는 스위치보드들 사이의 모든 상호연결들이, 각각의 단부에 차단기들을 갖는 직렬 모선 연결들임을 의미한다. 이 예의 경우, 8 개의 섹션들, 그리고 스위치보드마다 적어도 3 개의 상호연결들을 이용하여, 실질적인 고장은 단지, 스위치보드들 중 8분의 1만을 제거할 수 있다. 주어진 예들은 3개 초과의 상호연결들의 사용을 배제하지 않지만, 각각의 추가 상호연결은 비용 및 복잡성을 추가시키며, 따라서 용인가능한 비용으로 동작 신뢰성의 원하는 개선을 달성하기 위해 3 개의 상호연결들이 바람직하다.

도 8은 해양 구조 상의 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법의 예를 예시하는 흐름 다이어그램이다. 1차 스위치보드와 임의의 다른 스위치보드 사이에 적어도 3 개의 상호연결들을 제공(70)함으로써, 그리드가 구성된다. 이들 상호연결들의 스위치들이 폐쇄(71)될 때, 정상 동작 시, 적어도 하나의 컨슈머가 그리드의 스위치보드들 중 하나에 연결(72)되며, 적어도 하나의 에너지 소스가 그리드의 스위치보드들 중 하나에 연결(73)된다. 정상 동작 시, 상호연결들에 의해 연결되는 스위치보드들 중 임의의 스위치보드에 연결된 임의의 컨슈머는 스위치보드들 중 하나에 연결되는 임의의 에너지 소스로부터 전력을 수신할 수 있다. 따라서, 이것이 수반하는 연관된 케이블링(cabling) 및 구성 문제들 전부에 대해, 그리드의 모든 각각의 스위치보드가 에너지 소스에 대한 직접 연결을 필요로 하는 것은 아니다. 에너지 소스는 통상적으로, 해양 구조 또는 선박 상에 있지만, 컨슈머와 동일한 해양 구조 또는 선박 상에 있을 필요는 없다. 다른 해양 구조 또는 선박으로부터의 공급은 DC 링크(link)를 통해 이루어질 수 있다. 별개의 해양 구조 또는 선박을 DC 그리드로 통합시키는 것은 공급의 안전성을 제공하는 것을 돕는데, 그 이유는 하나의 구조 또는 선박 상에서 발생하는 화재 또는 침수가, 다른 스위치보드, 컨슈머 또는 발전기가 상이한 해양 구조 또는 선박 상에 있다면 이들로 확산될 개연성이 낮기 때문이다.

에너지 소스들, 컨슈머들, 스위치보드들, 그리고 이들 중 임의의 것을 하우징(housing)하는 분리된 섹션들은 중앙 제어기에 의해 모니터링(74)되며(monitored), 임의의 부분에서의 결함의 경우, 제어기는, 하나 또는 그 초과의 상호연결들 상의 스위치를 개방하여 그에 따라 결함성 부분을 격리하기 위해 이 스위치에 신호(75)를 전송할 수 있다. 그 외에도, 제어기는 나머지 에너지 소스들의 전력 출력의 증가를 지시(76)하거나, 또는 심지어 활성화되도록 동작하고 있지 않았던 대기 에너지 소스들로 하여금 에너지 소스의 손실을 보상하게 할 수 있다. 유사하게, 컨슈머가 고장나고, 에너지 요건이 감소되거나, 또는 재지향될 필요가 있으면, 그에 따라서 제어기는 에너지 공급을 적응시킬 수 있다.

도 9는 DC 그리드의 적어도 일부가 별개의 해양 구조 또는 선박 상에 있는, 본 발명에 따른 그리드의 엘리먼트(element)들에 대한 레이아웃(layout)을 예시하는 블록(block) 다이어그램이다. 명확성을 위해, 도시된 컨슈머들의 개수는 제한된다. 이 예에서, 선박(81)은 3 개의 섹션들(86)에 5 개의 스위치보드들(82, 83)을 갖는다. 1차 스위치보드들(82)이 적어도 3 개의 다른 스위치보드들에 대한 상호연결들(84)을 갖는 반면에, 2차 스위치보드들(83)은 다른 스위치보드들에 대한 단 2 개의 상호연결들을 가질 수 있다. 에너지 소스들(80)은 1차 또는 2차 스위치보드들(82, 83)에 연결될 수 있지만, 모든 스위치보드들이 에너지 소스에 대한 직접 연결을 갖는 것은 아니다. 컨슈머들(85)은 일부 섹션들(86)의 스위치보드들에 연결되지만, 다시, 모든 각각의 스위치보드가 직접적으로 연결된 컨슈머를 가져야 하는 것은 아니다. 이 예에서, DC 그리드는 해양 플랫폼(91) 상의 섹션들(96)의 다른 스위치보드들(92, 93)로 DC 링크(100)에 의해 확장될 수 있다. 에너지 소스들(90)은 직접적으로 또는 간접적으로 스위치보드들(92, 93)에 연결되며, 컨슈머들은 요구되는 대로 스위치보드들 중 일부 또는 전부에 연결된다.

적어도 2 개의 섹션들에서, 최소 4 개의 1차 스위치보드들, 그리고 1차 스위치보드마다 3 개의 상호연결들을 갖는 실시예들이 가능하지만, 화재 또는 침수의 경우, 물리적으로 분리되며, 일 시간 기간 동안 다른 섹션들로부터 격리될 수 있는 3 개 또는 그 초과의 섹션들이 바람직하다. 특히, 다른 섹션들과 가깝지 않거나 또는 심지어 별개의 해양 구조 상에 있는 섹션에 적어도 하나의 1차 스위치보드를 갖는 것은 고장의 영향을 감소시킨다. 그러나, 단 1 개 또는 2 개의 상호연결들을 갖는 추가적인 2차 스위치보드 섹션들이 제공될 수 있는데, 그 이유는 이것이, 동작 효과성을 개선시키면서 비용 측면에서 절약하기 때문이다. 상호연결들이 부수적인 폐쇄된 링들을 정의하여서, 단지 제한된 전류만이 격리되며, 가능한 한 많은 컨슈머들이 그리드의 나머지 에너지 소스들로부터 피딩받는다(fed). 반도체 스위치들이 결함들의 신속한 검출 및 콘택(contact)들의 분리를 가능하게 하여서, 그리드의 단지 작은 부분 및 그것의 에너지 소스들 또는 컨슈머들만이 연결해제된다. 본 발명은, 특히 선박을 제자리에(on station) 유지시키기 위해서 스러스터들에 전력을 공급하거나 또는 생산을 유지시키기 위해서 굴착 동작 시 직접적으로 수반되는 컨슈머들에 전력을 공급하기 위해, 이용가능성이 특정 문제인 해양 플랫폼들 또는 선박 상에서의 중요한 개선들을 제공한다.

DC 그리드의 설계는, 선박 상에 있든, 플랫폼 상에 있든 또는 굴착 장비 상에 있든 간에, 해양 DC 그리드에서의 높은 ERN(향상된 신뢰성 번호(Enhanced Reliability Number))을 향해 기여한다. 해결책은 넓은 범위의 전압들에 걸쳐 적용가능하지만, 저전압 및 중간 전압의 해양 DC 그리드들에 특히 적용가능하다. 예컨대, 최대 1000V AC, 1500V DC의 저전압들, 그리고 최대 36KV AC, 50KV DC의 중간 전압들에 대해서지만, 본 발명은 500KV 구역의 고전압들에 또한 적용될 수 있다. 다수의 스위치보드 상호연결들에 기인하여 증가된 동작 안전성이 있다. DC 그리드는 동기화에 독립적이며, 그에 따라 고속 전압 램프 업(ramp up)을 부하들에 제공한다. 고속 동작 반도체 스위치들을 이용하여 개선되는 차별점이 있으며, 높은 사용 효율 및 에너지 흐름 분산이 있다.

본 발명의 추가적인 이점은, 다수의 컨슈머들에 걸쳐 에너지 소스를 공유함으로써, 에너지 소스, 특히 발전기가 그것의 가장 효율적인 속도로 실행될 수 있다는 점이며, 이는 에너지 소스가 자체 컨슈머들에만 직접적으로 공급했다면, 많은 발전기들이 비효율적으로 실행되는 것으로 이어졌을 수 있다. 추가적인 발전기들은 단지 요구되는 대로 온-라인(on-line)이 될 것이며, 이는 발전기 상에서의 마모 및 마멸 그리고 연료 소비를 감소시킨다. 일부 경우들에서, 단지 에너지 소스에 대한 백업(back-up)으로서의 역할만을 하는 더 적은 개수의 상호연결들 또는 컨슈머가 2차 스위치보드에 제공될 수 있다.

Claims

해양(offshore) 구조를 위한 DC 그리드(grid)로서,
상기 그리드는 적어도 4 개의 스위치보드(switchboard)들을 포함하고, 각각의 스위치보드는 다른 스위치보드들에 대한 적어도 3 개의 연결들을 포함하고, 각각의 연결은 스위치(switch)를 포함하며;
상기 그리드는,
제어기;
해양 구조 상의 복수의 에너지 소스(energy source)들 ―적어도 하나의 에너지 소스가 상기 스위치보드들 중 하나와 연관됨―; 및
복수의 에너지 컨슈머(consumer)들
을 더 포함하며,
상기 에너지 컨슈머들 중 적어도 하나는 상기 스위치보드들 중 하나와 연관되며;
상기 연결들의 스위치들은 정상 동작 시 폐쇄되도록 적응되며; 그리고
상기 제어기는, 결함의 경우 스위치를 개방하기 위해 상기 제어기로부터 상기 스위치로 신호를 전송하도록 적응되는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항에 있어서,
각각의 연결은 상기 스위치보드들을 서로 분리하기 위해 상기 연결의 양쪽 단부들 모두에 스위치를 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 또는 제2 항에 있어서,
상기 스위치보드들은 적어도 3 개의 섹션(section)들에 제공되며, 각각의 섹션은 물리적으로 서로 분리되는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제3 항에 있어서,
적어도 하나의 섹션은 적어도 하나의 스위치보드, 적어도 하나의 에너지 소스 및 적어도 하나의 컨슈머를 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
스위치보드 섹션들 중 적어도 하나는 별개의 해양 구조 상에 위치되는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그리드는 2차 스위치보드들을 더 포함하며, 각각의 2차 스위치보드는 다른 스위치보드들에 대한 단 1 개 또는 2 개의 연결들을 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스들은 발전기, 저장된 전기 에너지 소스, 또는 트랜스포머(transformer)를 통해 공급되는 AC 에너지 소스 중 적어도 하나를 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨슈머들은 스러스터(thruster)들, 배터리(battery) 또는 커패시터(capacitor)-기반 에너지 스토어(store)들 중 하나를 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스들 또는 상기 에너지 컨슈머들 중 적어도 하나는 상기 스위치보드에 대한 스위칭가능한(switchable) 연결을 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위치들은 반도체 스위치들을 포함하는,
해양 구조를 위한 DC 그리드.
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법으로서,
상기 방법은,
제1 스위치보드와 3 개 또는 그 초과의 추가 스위치보드들 사이에 스위칭가능한 연결들을 제공하는 단계
를 포함하고, 상기 스위칭가능한 연결들의 스위치들은 정상 동작 시 폐쇄되도록 적응되며;
상기 방법은,
해양 구조 상에 에너지 소스를 제공하며, 상기 에너지 소스를 상기 스위치보드들 중 적어도 하나에 연결하여, DC 그리드를 형성하는 단계; 및
에너지 컨슈머를 상기 스위치보드들 중 적어도 하나에 연결하는 단계 ―이에 의해, 상기 스위치들이 폐쇄될 때, 상기 에너지 소스로부터 상기 연결들을 통해 상기 컨슈머로 에너지가 제공됨―
를 포함하며; 그리고
결함의 경우, 하나 또는 그 초과의 연결들 상의 스위치를 개방하여 그에 따라 상기 결함을 격리하기 위해, 신호가 상기 제어기로부터 상기 스위치로 전송되는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 스위치보드들 중 하나에서 결함을 검출하는 단계; 및
상기 스위치보드들 중 하나의 스위치보드를 임의의 다른 스위치보드로부터 격리하기 위해, 상기 스위치보드들 중 하나의 스위치보드에 대한 모든 연결들을 개방하는 단계
를 더 포함하는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.
제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 방법은,
에너지 소스들 또는 컨슈머들 중 하나에서 결함을 검출하는 단계; 및
상기 에너지 소스들 또는 컨슈머들 중 하나의 에너지 소스 또는 컨슈머와, 그것의 스위치보드 사이의 모든 연결들을 개방하는 단계
를 더 포함하는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.
제11 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 스위치보드들 중 적어도 하나를 별개의 해양 구조 상에 위치된 추가 스위치보드에 연결하는 단계
를 더 포함하는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 별개의 해양 구조로부터의 전력을 상기 스위치보드에 공급하는 단계
를 더 포함하는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.
제11 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 해양 구조들은 선박, 해양 플랫폼(platform), 또는 굴착선(drilling rig) 중 하나를 포함하는,
해양 구조 상의 에너지 컨슈머에 에너지를 공급하는 방법.