KR20190098664A - 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 dc 기반 전력 공급 시스템 - Google Patents

양극성 직류 배전이 가능한 선박용 dc 기반 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예들은 하나 이상의 배전반으로 구성된 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 상기 배전반은, 직류 전류를 출력하는 발전부, 상기 발전부로부터 직류 전류를 수신하는, 기준 전압의 제2 선로, 상기 기준 전압보다 소정 양 큰 전압의 제1 선로 및 상기 기준 전압보다 소정 양 적은 제3 선로로 구성된 메인버스, 상기 메인버스로부터 전력을 공급 받는 하나 이상의 모터로 구성된 부하부를 포함하되, 상기 부하부는 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결될 수 있다.

Description

양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템{POWER SUPPLYING SYSTEM BASED ON DC FOR SHIP CAPABLE OF BI-POLAR DC DISTRIBUTION}
본 발명은 선박용 DC기반 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템에 관련된다.
종래 선박용 전력 공급 시스템은, 단일 버스를 통해 발전단과 부하단이 연결되고, 이 단일 버스를 통해서 각 배전반이 연결되었다. 이와 같이 단일 버스를 이용하게 되면 단락사고 발생시 사고 여파가 해당 버스에 연결된 모든 발전기, 부하 전체에 영향을 미치는 문제가 있다.
단일 버스의 경우 하나의 전압으로만 전력 공급이 가능하여 부하 별 전력공급을 다변화 하고자 할 경우 변압의 크기가 커지게 되는 문제가 있다. 기존 단일 버스의 직류 전력계통의 경우 중성점이 없어 접지가 용이하지 않으며 중성점 접지를 위해서는 별도의 저항 설비를 추가하여 의도적으로 이를 구성하는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제10-1253997호
위와 같은 문제를 해결하기 일부 버스에서 고장이 발생하더라도 나머지 부분에서는 계통이 정상적 동작할 수 있는 전력 공급 시스템이 요구된다. 버스의 전압을 다변화 하여 부하에 전력을 공급함에 있어 변압의 크기를 축소함으로써 변압 효율과 변압 설비 용량을 축소시키는 것이 필요하다. 마지막으로 단일 버스 직류 계통에서 가장 문제가 되고 있는 접지 문제를 해결할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템은 하나 이상의 배전반으로 구성되고, 상기 배전반은, 직류 전류를 출력하는 발전부, 상기 발전부로부터 직류 전류를 수신하는, 기준 전압의 제2 선로, 상기 기준 전압보다 소정 양 큰 전압의 제1 선로 및 상기 기준 전압과 같으나 방향성이 다른 제3 선로로 구성된 메인버스, 상기 메인버스로부터 전력을 공급 받는 하나 이상의 모터로 구성된 부하부를 포함하되, 상기 부하부는 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결된다.
실시예에 있어서, 상기 부하부는, 모터 및 컨버터를 포함하고, 상기 부하부가 복수개의 부하로 구성된 경우, 일부 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제2 선로 또는 제2 선로 및 제3 선로에 연결되고, 다른 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제3 선로에 연결될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 모터가 쓰러스트 모터인 경우, 상기 쓰러스트 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제3 선로에 연결될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 메인버스에 전력을 공급하거나 공급받는 에너지 저장부를 더 포함하되, 상기 에너지 저장부는 에너지저장장치(ESS) 및 컨버터를 포함하되, 상기 에너지 저장장치는 컨버터를 통해 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 컨버터는 에너지저장장치(ESS)의 전압을 낮춰서 상기 메인버스에 전력을 공급할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 배전반이 복수개인 경우, 각 배전반은 연결부에 의해 연결이 제어되고, 상기 연결부는 SSCB(Solid State Circuit Breaker) 또는 기계적 스위칭 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 메인버스가 3단으로 직류 전압을 공급함으로써 효율적인 부하별 전력 공급이 가능하며, 일부 라인 내 단락이 발생하더라도 다른 라인에 연결된 부하 및 전력공급원은 정상적으로 운영할 수 있는 이점이 있다.
3단의 직류 전압을 공급함으로써 부하 용량에 따라 적정 공급 라인에 연계함으로써 전압 변압의 크기를 축소함으로써 변압 효율을 상승시키고 변압 설비의 용량을 축소할 수 있는 이점이 있다.
직류 계통의 단일 버스의 경우 중성점 접지를 하기 위해서는 별도의 저항 설비를 추가하여야 하나 양극성 직류 배전 계통의 경우 0V가 구성되어 해당 라인을 이용하여 접지가 가능한 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템의 간략화된 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부10의 예시를 나타낸다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템의 간략화된 회로도이다. 도 1을 참조하면 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템1000은 하나 이상의 배전반1100,1200,1300으로 구성된다. 도 1에서는 1 개의 배전반1100이 구체화되어 도시되었으나, 다른 배전반1200,1300도 유사한 구성요소로 구성될 수 있으며, 다른 실시예에서는 4개 또는 그 이상의 배전반이 선박용 DC기반 전력 공급 시스템1000을 구성할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 배전반1100은 발전부100, 메인버스10 및 부하부200(200a, 200b?)를 포함한다. 이하에서는 설명의 명료화를 위해서 배전반1100을 대표로하여 배전반1100에 포함되는 구성요소에 대하여 설명한다. 배전반1100의 구성요소100-300에 대한 설명은 다른 배전반1200,1300에도 대응되게 인용될 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 각 배전반은 메인버스10를 통해 연결될 수 있고, 각 배전반 사이 연결은 연결부1에의해 제어될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부10의 예시를 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 있어서 각 배전반 사이 연결은 연결부10에의해 제어될 수 있으며, 연결부10는 SSCB(solid state circuit breaker)(도 2a) 이거나 기계적 스위칭 소자(도 2b)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 발전부100는 전력을 생성하여 메인버스10에 전달한다. 발전부100는 메인버스10에 직류 형태로 전력을 전달한다. 보다 구체적으로 발전부100는, 발전기110 및 컨버터120를 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서 발전기110는 디젤발전기, 복합연료발전기, 가스연료발전기, 가스터빈 중 하나 이상이 포함될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
컨버터120는 발전기110에서 생성된 교류 전력을 직류로 변환하여 메인버스10단으로 출력할 수 있다. 즉 컨버터120는 AC/DC 컨버터일 수 있다. 컨버터120와 메인버스10 사이에 용량성 소자130가 컨버터120와 병렬 연결되어 있다. 여기서 용량성 소자는 컨버터120의 출력 직류 전압을 분리하는 기능을 할 수 있다. 용량성 소자130에의해 나뉘어진 각 노드는 각각 메인버스10의 각 선로(10a,10b,10c)에 연결될 수 있다.
메인버스10는 발전부100로부터 직류 전류를 수신하여 부하부200에 전달할 수 있다. 메인버스10는 기준 전압의 제1 선로10b, 상기 기준 전압보다 소정 양 큰 전압의 제2 선로10a 및 상기 기준 전압과 같으나 방향성이 다른 제3 선로10c로 구성될 수 있다. 도 1에서는 기준 전압이 0V dc인 것으로 도시되었으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한 제2 선로와 제3선로는 각각 동일한 크기만큼 제1선로와 전압차이를 가질 수 있다. 예컨대 도1에서는 1000Vdc 각각 차이 나는 것이 나타난다. 즉 제2선로와 제3선로는 동일한 크기에 서로 다른 극성을 갖도록 설정된다.
부하부200는 메인버스10의 제1선로10a 내지 제3선로10c 중 적어도 두 선로에 전기적으로 연결되어 메인버스10로부터 전력을 공급받을 수 있다. 메인버스10에는 직류 전류가 흐르기 때문에 부하부200는 직류를 공급받는다.
또한 부하부200가 복수개의 부하부200a, 200b로 구성된 경우, 일부 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제2 선로 또는 제2 선로 및 제3 선로에 연결되고, 다른 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제3 선로에 연결될 수 있다.
구체적으로 부하부200는, 모터210 및 컨버터220를 포함할 수 있다. 모터210는 교류로 동작하므로 컨버터220는 직류인 메인버스10와 정합을 위해서 DC/AC 컨버터일 수 있다.
도 1을 참조하면 부하부200a는 제1선로 및 제2선로에 연결되며, 부하부200b는 제2 선로 및 제3선로에 연결된다. 이에 따라서 부하부200a는 +1000Vdc 직류단에 연결되고, 부하부200b는 -1000Vdc 직류단에 연결된다. 이와 같이 부하부200가 메인버스10의 3개 선로 중 두 개에 전기적으로 연결됨으로써 메인버스의 선로 중 어느 하나의 선로가 고장나더라도 일부 부하부의 동작은 유지될 수 있다.
도 1을 참조하면 선로10c가 고장난 경우를 가정하면, 부하부200a는 선로10c에 관련되어 있지 아니하므로 정상적으로 동작 가능하다. 다만 선로10c가 고장난 경우 부하부200b는 전력 공급이 차단되어 동작이 멈출 수 있다.
일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템1000는 쓰러스트 모터를 포함하는 부하부300를 더 포함할 수 있다. 쓰러스트 모터310는 큰 전력을 요하기 때문에 쓰러스트 모터310가 포함된 부하부300는 제1 선로10a 및 제3 선로10c에 연결될 수 있다. 도 1을 참조하면 부하부300는 제1 선로10a 및 제3 선로10c에 연결됨으로써 결과적으로 2000Vdc의 직류단에 연결되는 효과를 얻을 수 있다. 즉 부하의 종류에 따라서 3개의 선로에 부하를 선택적으로 연결할 수 있다.
일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템1000에 있어서 배전반1100은 메인버스10에 전력을 공급하거나 공급받는 에너지 저장부400(400a, 400b?)를 더 포함할 수 있다. 에너지 저장부400는 에너지저장장치(ESS,410) 및 컨버터420를 포함할 수 있다. 에너지 저장부400는 부하부200와 유사하게 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉 에너지 저장장치410는 컨버터420를 통해 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결될 수 있다. 에너지 저장장치410는 직류전력을 저장하므로 컨버터420는 DC/DC 컨버터일 수 있다.
일 실시예에서 컨버터420는 에너지저장장치(ESS)의 전압을 낮춰서 상기 메인버스10에 전력을 공급할 수 있다.
일 실시예에 따른 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템1000에 있어서 배전반1100은 ~500를 더 포함할 수 있다. 호텔 부하 및 보기 설비의 보조 교류 부하단은 대용량 부하이므로 컨버터 520을 통해 제1 선로10a 및 제3 선로10c에 연결될 수 있다. 하위 보조 교류 부하단의 용량이 크지 않는 경우는 제1 선로10a 및 제2 선로 10b 또는 제2 선로 10b 및 제3 선로10c에 연결될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 하나 이상의 배전반으로 구성된 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 배전반은,
    직류 전류를 출력하는 발전부;
    상기 발전부로부터 직류 전류를 수신하는, 기준 전압의 제2 선로, 상기 기준 전압보다 소정 양 큰 전압의 제1 선로 및 상기 기준 전압보다 소정 양 적은 제3 선로로 구성된 메인버스;
    상기 메인버스로부터 전력을 공급 받는 하나 이상의 모터로 구성된 부하부를 포함하되,
    상기 부하부는 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하부는, 모터 및 컨버터를 포함하고,
    상기 부하부가 복수개의 부하로 구성된 경우, 일부 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제2 선로에 연결되고, 다른 부하부의 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제3 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터가 쓰러스트 모터인 경우, 상기 쓰러스트 모터는 컨버터를 통해 제1 선로 및 제3 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인버스에 전력을 공급하거나 공급받는 에너지 저장부를 더 포함하되,
    상기 에너지 저장부는 에너지저장장치(ESS) 및 컨버터를 포함하되,
    상기 에너지 저장장치는 컨버터를 통해 상기 제1 선로 내지 제3 선로 중 적어도 두 개에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨버터는 에너지저장장치(ESS)의 전압을 낮춰서 상기 메인버스에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배전반이 복수개인 경우, 각 배전반은 연결부에 의해 연결이 제어되고, 상기 연결부는 SSCB(Solid State Circuit Breaker) 또는 기계적 스위칭 장치인 것을 특징으로 하는 양극성 직류 배전이 가능한 선박용 DC 기반 전력 공급 시스템.
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