KR20190142704A - 전력 계통 간 교차 배전 가능한 선박 - Google Patents

Abstract

실시예들은, 선박의 필수부하에 연관된 제1 전력 계통; 선박의 서비스부하에 연관된 제2 전력 계통; 이중화 동작을 수행하는 교차 연결부로서, 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하는, 교차 연결부; 및 전력 계통의 전력 공급 상태를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 사고 전력 계통을 결정하고 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하게 하는 제어부;를 포함하는 선박에 관련된다.

Description

전력 계통 간 교차 배전 가능한 선박{SHIP CAPABLE OF CROSS-DISTRIBUTION BETWEEN POWER SYSTEMS}

본 발명은 전력 계통 간 교차 배전 가능한 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필수부하(Essential, Important Load)와 서비스부하(Service Load)로 나뉘어지는 선박 전력 부하의 특성에 따라 상이한 전력 계통으로 분리하여 (예컨대, 440V와 같은) 저압 배전이 가능하고, 또한, SPDT를 이용하여 사고가 발생하지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하에 전력 공급이 가능한 선박용 전력 공급 시스템이 적용된 선박에 관련된다.

도 1은, 종래의 일 실시예에 따른, 연속부하, 가변부하가 혼재되어 단일 계통으로 구성된 선박용 전력 공급 시스템의 시스템 구조도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 단일 전력 계통 내에 연속부하, 가변부하가 혼재되어 있는 선박용 전력 공급 시스템은 고압 발전부(10); 고압 배전반(20); 저압 배전반(30); 고압 배전반(20)의 전압을 감압하는 하나 이상의 변압기(40); 연속부하, 가변부하가 혼재되어 있는 부하부(50); 및 비상 배전반(60)을 포함한다.

선박 내 전력 부하는 운항과 연관된 필수부하(예, Essential & Important Load - Fuel oil supply pump, Fuel valve cooling pump등)와 운항과 연관되지 않는 서비스부하(예, Service Load - Reefer container load)를 포함할 수 있다. 선박 내 필수부하의 대표적인 예는 쓰러스터 모터(Thruster Motor)이다. 쓰러스터 모터는 대형선박의 이/접안을 위하여 사용되는 (대략 2MW 급인) 대용량 부하로서, 통상의 컨테이너선의 경우 선수부에 2개의 쓰러스터 모터가 설치된다.

또한, 이러한 선박의 필수부하와 서비스부하는 운전 시 일정한 전력을 소모하는 연속부하와 가변주파수제어(Variable Frequency Drive, VFD) 부하, 냉동 컨테이너 부하와 같이 운전 특성에 따라 전력 소모량이 변화하는 가변부하를 포함할 수 있다. 통상적으로 선박은 교류 계통의 전력 공급 시스템이 적용되어 있으며 연속부하와 가변부하가 혼재되어 단일 전력 계통에 연계되어 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 복수의 전력 계통을 갖도록 선박을 설계할 경우, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

사고 안정성 측면에서 한계를 가질 수 있다. 선박용 전력 공급 시스템은 다양한 부하에 전력을 공급하기 위해 복수의 발전기가 설치되어야 한다. 통상적으로 여러 발전기가 많이 포함되어 연계될수록 전력 계통의 사고 안정성이 높아지는 장점이 있다.

그러나, 복수의 전력 계통으로 선박용 전력 공급 시스템을 구성할 경우, 하나의 전력 계통 내에 포함되어 연계된 발전기의 수가 단일 배전반 대비 줄어들게 되어 사고 안정성이 감소할 우려가 있다.

예를 들어, 냉동 컨테이너가 포함된 전력 계통에서 발전기 고장이 발생한 경우, 사고로 인하여 냉동 컨테이너에 전력 공급이 불가능할 수 있다. 이로 인해, 냉동 컨테이너 내 선적물의 신선도를 유지할 수 없어 선적물이 손상되는 2차 손실이 발생할 수 있다.

또한, 발전 효율을 최적화하기 위한 설계 측면에서 한계를 가질 수 있다. 일반적으로 대형 선박의 경우 약 10MW이상의 규모로 전력계통이 구성된다. 쓰러스터 모터(Thruster motor)는 부하 용량이 대략 2MW 정도로 전력계통측면에서 대형 부하에 속한다. 쓰러스터 모터는 선박의 입항 및 출항 시에만 사용되는 부하로서, (입항 종료 전 및 출항 시작 후) 평균 30 내지 40분 정도 운전된다.

통상적으로 발전기는 부하율이 70%~80% 일 때, 연료효율이 가장 좋다. 출항부터 입항 사이의 일반 항해 시에 쓰러스터 모터는 일반적으로 사용되지 않으며 전체 항해 시간 중 일반 항해 시간의 비중이 높다. 따라서, 일반 항해 시간의 비중 및 쓰러스터 모터의 대용량의 소모 전력을 고려할 때, 쓰러스터 모터를 포함한 상태에서 70~80%의 부하율을 달성하도록 발전기를 설정할 경우, 낭비되는 잉여 전력이 발생한다.

따라서, 경제적 측면에서 큰 이점을 가지기 위해 일반 항해 동안의 발전 효율을 최적화하는 것이 요구된다. 이를 위해 일반 항해 동안 쓰러스터 모터를 제외한 필수부하에 전력을 공급하기 위해 복수의 발전기가 모두 구동할 필요가 없도록 설계될 수 있다.

일 예로, 발전기가 2대로 구성된 필수부하단의 경우, 쓰러스터 모터가 가동되지 않는 일반 항해 중에 70%~80%의 부하율을 충족하면서 필수부하에 전력을 공급하기 위해 1대의 발전기가 운전될 수 있다. 경부하 구간에서 복수의 발전기가 운전되는 경우, 연료 효율이 저하될 수도 있기 때문이다.

그러나, 쓰러스터 모터가 포함된 필수부하단의 발전 용량이 경부하 구간의 최적 부하율에 기초하여 설정되면, 입항 및 출항 시에 쓰러스터 모터에 대한 전력 공급량이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

공개특허공보 제10-2017-0118285호

본 발명의 일 측면에 따르면 필수부하(Essential, Important Load)와 서비스부하(Service Load)로 나뉘어지는 선박 전력 부하의 특성에 따라 상이한 전력 계통으로 분리하여 (예컨대, 440V와 같은) 저압 배전이 가능하고, 또한, SPDT를 이용하여 사고가 발생하지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하에 전력 공급이 가능한 선박용 전력 공급 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은 선박의 필수부하에 연관된 제1 전력 계통; 선박의 서비스부하에 연관된 제2 전력 계통; 이중화 동작을 수행하는 교차 연결부로서, 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하는, 교차 연결부; 및 전력 계통의 전력 공급 상태를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 사고 전력 계통을 결정하고 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하게 하는 제어부;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통은, 복수의 발전기를 포함한 제1 발전부, 제1 배전반, 그리고 선박의 운항에 사용되는 필수부하를 포함한 제1 부하부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 전력 계통은 복수의 발전기를 포함한 제2 발전부, 제2 배전반, 그리고 서비스부하를 포함한 제2 부하부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제2 전력 계통에서 사고 발생을 감지한 경우, 대기 발전기로부터 제2 부하부로의 전력 공급을 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 복수의 발전기 중 적어도 하나는 사고 전력 계통 내 부하부로의 전력 공급을 위해 대기하는 대기 발전기로 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 교차 연결부는, 상기 제1 전력 계통의 전력을 제2 배전반으로 공급하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 교차 연결부는 SPDT(Single Double Throw)를 포함하고, 상기 SPDT는 대기 발전부와 제1 배전반 사이를 전기적으로 연결 가능하거나, 또는 대기 발전부와 제2 배전반 사이를 전기적으로 연결 가능하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 교차 연결부는 버스 연계용 스위치를 포함하고, 상기 버스 연계용 스위치는 제1 배전반 및 제2 배전반을 전기적으로 연결 가능할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통은, 제1 전력 계통에서의 사고 발생을 대비하기 위한 비상 배전반을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 이중화(Redundancy) 전력 공급은 경부하 모드에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박이 갖는 교차 배전 가능한 전력 계통은 부하 특성에 따라 필수부하 전력 계통, 그리고 서비스부하 전력 계통으로 분리 구성된다. 필수부하 전력 계통은 선박의 운전에 필수적인 필수 부하(예컨대, 쓰러스터 모터, 엔진 윤활유 펌프모터 등)를 포함하며, 필수부하의 대부분은 연속부하에 해당된다. 서비스부하 전력 계통은 선박의 운전에는 필수적이지 않으나, 선박에 의한 서비스를 제공하는 것과 관련된 부하(예컨대, 냉동 컨테이너와 같은 선적물 보관용 부하 등)를 포함하며, 서비스부하의 대부분은 가변부하에 해당된다.

이러한 부하 분리로 인해 각 전력 계통의 용량이 기존 단일 계통 대비 줄어 들게 되어 저압 배전으로만 각 전력 계통 내 부하에 대해 전력을 공급할 수 있게 된다. 그 결과, 고압 배전이 필요치 않게 되어 기존 고압 배전반 및 대용량 고압/저압 변압기가 필요치 않게 된다.

이와 같이, 다수의 고압/전압 변압기를 사용하지 않음으로써, CAPEX(Capital expenditures) 측면에서 대략 2.5억/척의 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 기존에 고압/저압 변압기를 위해 제공되었던 공간(즉, 변압기 실)은 다양한 다른 목적으로 활용 가능하다. 일반적으로 해당 고압/저압 변압기는 장비 밀집도가 높은 엔진룸 내에 위치하고 있어 선내 공간 활용도 개선에 미치는 영향이 크다.

그리고, 필수부하용 전력계통과 서비스부하용 전력계통을 분리 구성함으로써 각 계통의 안정성도 높아지게 된다. 기존의 경우 서비스부하단에 계통사고가 발생하게 되면 단일 계통으로 구성되어 있어 필수부하에도 영향을 미치게 된다. 계통을 분리 구성하게 되는 경우 서비스부하 단의 사고 발생 시 해당 계통 사고는 서비스부하용 전력계통 내에서만 확산되므로 필수부하용 전력계통에는 영향을 미치지 않게 된다. 마찬가지로 계통 분리 시 필수부하 단의 사고 시에도 해당 사고가 서비스부하단으로 확산되지 않는다.

또한, 전력 계통이 분리되었기 때문에, 각 전력 계통은 포함된 부하 유형에 최적화된 발전기를 구성 및 운영할 수 있다.

예를 들어, 연속부하를 주로 포함하는 전력 계통에는 고정 RPM 발전기를 설치하고, 가변부하를 주로 포함하는 전력 계통에는 가변속 RPM 발전기를 설치하여 전력을 공급한다.

컨테이너 선의 경우, 가변부하 상당수는 냉동 컨테이너로서, 서비스부하 전력 계통에 포함된다. 전술한 바와 같이, 냉동 컨테이너의 평균 부하율은 전체 부하단 규모의 30~40%를 가지는 점을 고려할 때,

일 실시예에서, 컨테이너 선의 경우, 필수부하 전력 계통 내에 연속부하 전력공급에 최적효율을 나타내는 발전용량을 가지는 발전기를 설치하여 고정 RPM으로 운전하고, 서비스부하 전력 계통 내에 부하율이 변동하는 가변부하 발전효율을 최적화할 수 있는 가변속 RPM 발전기를 설치한다.

컨테이너 내 대표적인 서비스부하인 냉동 컨테이너의 경우, 평균 부하율은 계통 내 전체 부하단의 30~40%이다. 고정 RPM 발전기를 이용하여 서비스부하에 전력을 공급하는 도 1의 전력 계통과 비교하면, 35%의 부하율을 기준으로 1kmh의 전력을 발전하기 위한 소모 연료의 량이 대략 216g에서 대략 190g으로 감소한다. 즉, 본 발명에 따른 컨테이너 선의 경우 대략 13%의 연료 소모를 개선할 수 있다.

이로 인해, $640/ton의 MGO(Marin Gas Oil)을 연료로 이용하는 컨테이너 선에 대하여 연료 소모의 개선을 10%로 단순화하여 계산할 경우, OPEX USD 2,4000/년(=USD 9,636/일 × 개선 효율(10%) × 운항 일수(통상 250일))의 연료 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 전력 계통의 전기 신호를 모니터링하여 사고 발생을 감지하고, 사고 감지 후 SPDT를 이용하여 사고가 발생하지 않은 전력 계통의 대기 발전기로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하에 전력을 공급할 수 있다. 즉, SPDT를 이용하여 전력 공급 시스템을 이중화(Redundancy)함으로써 안정성과 신뢰성을 강화할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 실시예들에 따른 선박용 전력 공급 시스템은 예를 들어 서비스부하 전력 계통 내 발전기 탈락으로 인한 전력 공급 중단 사고 발생 시에도 필수부하 전력 계통의 대기발전기를 통해 서비스부하 배전반의 부하에 전력을 공급할 수 있어, 냉동컨테이너 내 선적물의 손상, 변형, 변질등과 같은 전력 공급 중단으로 인한 2차 손실을 방지할 수 있다.

또한, 특정 시간대에 추가적으로 외부 전력을 공급 받는 것을 고려하여 필수부하용 전력 계통의 발전 용량을 설계하면, 고려 이전 보다 설계 용량을 줄일 수 있어, 선박 제조 원가를 줄일 수 있다.

나아가, 일반 항해 시 부하율을 증가시킬 수 있어, 최적 연료 효율 구간에서 선박을 운전할 수 있다. 그 결과, 연료 효율이 개선되고, 운영 비용이 절감된다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 종래의 일 실시예에 따른, 연속부하, 가변부하가 혼재되어 단일 계통으로 구성된 선박용 전력 공급 시스템의 시스템 구조도를 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 교차 배전 가능한 전력 공급 시스템의 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에서 사고 발생시, 사고가 발생하지 않은 서비스부하용 전력계통으로부터 SPDT를 이용하여 전력공급이 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 4는 전력 계통 내 부하단의 부하율과 상기 부하단에 전력을 발전기의 연료 소모량 간의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는, 제1 실시예에 따른, SPDT의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 제어부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 버스 연계용 스위치를 통해 사고가 발생하지 않은 전력계통에서 사고가 발생한 전력계통으로 전력 공급이 가능하도록 구성된 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 8은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에 연계된 쓰러스터 모터 가동시 서비스부하용 전력계통으로부터 SPDT를 이용하여 필수부하용 전력계통으로 일정 전력을 공급 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 9는, 제2 실시예에 따른, SPDT의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 제2 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에 연계된 쓰러스터 모터 가동시 서비스부하용 전력계통으로부터 버스 연계용 스위치를 통해 필수부하용 전력계통으로 일정 전력을 공급 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

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, 영역, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 및/또는 성분을 구체화하는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 영역, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 및/또는 성분의 존재 또는 부가를 제외시키는 것이 아니다.

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.

본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)","모듈(module)", "장치" 또는 "시스템" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에서 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등은 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체(object), 실행 파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program), 및/또는 컴퓨터(computer)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨터에서 실행중인 애플리케이션(application) 및 컴퓨터의 양쪽이 모두 본 명세서의 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등에 해당할 수 있다.

본 명세서에서 선박은 선박의 운항에 필수적인 필수부하와 운항 외의 기능을 위해 부가적으로 사용되는 서비스부하를 포함하는 선박으로서, 컨테이너 운반선, 연료 운반선, 여객선 등과 같은 다양한 선박을 지칭한다.

본 명세서에서, 부하 계통이 필수부하 계통과 서비스부하 계통으로 분리되었다는 것은 필수부하와 서비스부하가 동일 계통에 혼재되지 않고, 상이한 계통에 각각 포함되어 상이한 주배전반에 의해 전력을 공급받도록 구성된 것을 지칭한다. 부하 계통의 분리는 영구적인 것이 아니며, 상이한 부하 계통은 전력 공급 구성요소 사이를 전기적으로 연결 가능한 임의의 구성요소(예컨대, SPDT 스위치, 또는 버스 연결 차단기(Bus-tie breaker) 등)에 의해 연결될 수 있다.

본 명세서에서, 실시예들은 선박의 전력 시스템에 관한 것이다. 선박의 경우 저압의 범위는 국제 규정에 1500V 이하로 규정되고 있으므로, 특별한 한정이 없으면, 본 명세서에서 용어 "저압"은 1500V 이하에 해당되는 전압을 지칭한다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 교차 배전 가능한 전력 공급 시스템의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 하나 이상의 전력 계통(100, 200 등), 배전반의 상태를 모니터링하고 전력 공급을 제어하는 제어부(300), 및 교차 연결부(400)를 더 포함할 수 있다.

선박용 전력 공급 시스템(1000)은 교차 연결부(400)를 통해 일 전력 계통에서 다른 전력 계통으로 교차 배전 동작을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 교차 연결부(400)는 분리된 배전반을 제어부의 제어에 의해 전기적으로 연결 가능하게 하는 스위치를 포함할 수 있다. 교차 연결부(400)에 대해서는 아래의 도 3 및 도 8 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.

<제1 실시예>

도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에서 사고 발생시, 사고가 발생하지 않은 서비스부하용 전력계통으로부터 SPDT를 이용하여 전력공급이 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

도 3을 참조하면, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 하나 이상의 전력 계통(100, 200 등)을 포함한다. 전력 계통(100)은 발전부(110), 주배전반을 포함한 배전반(130) 및 필수부하를 포함한 필수부하부(150)를 포함한다. 전력 계통(200)은 발전부(210), 주배전반을 포함한 배전반(230) 및 서비스부하를 포함한 서비스부하부(250)를 포함한다.

또한, 상기 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 전력 계통의 상태를 모니터링하고 전력 공급을 제어하는 제어부(300) 및 교차 연결부(400)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 전력관리시스템(PMS; Power Management System), 에너지관리시스템(EMS: Energy Management System), 에너지 전력 관리 시스템(EPMS: Energy Power Management System) 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 선박의 전력 공급, 전력 부하 등을 제어할 수 있는 다양한 알고리즘의 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.

제1 실시예에서, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 아래에서 서술하는 바와 같이, 필수부하 전력 계통(100)의 사고 발생에 대비하기 위한 비상 배전반(160)을 포함하므로, 사고 발생은 서비스부하 전력 계통(200)에서 발생하는 것으로 가정한다.

이하, 설명의 명료성을 위해 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 2개의 전력 계통(100, 200)을 포함하는 것으로 서술되나, 이에 제한되는 것으로 해석되진 않는다. 또한, 경우에 따라 2개의 구성요소에 대한 상세한 설명은 1개의 구성요소에 대한 상세한 설명으로 대표하여 서술된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 필수부하와 서비스부하 별로 전력 계통이 각각 분리된 상태로 구성된다.

발전부(110)는 배전반(130)를 통해 필수부하부(150)로 전력을 공급하여 필수부하부(150)의 부하가 전력을 소모하고 구동하게 한다.

발전부(110)는 교류 전기 신호를 출력하며, 복수의 발전기(예컨대, 도 3의 발전기(111, 112)를 포함한다. 발전기(111, 112)의 속성 및 발전 용량은 부하에 의존한다. 예를 들어, 선박의 운용을 위한 모터 부하가 정출력 부하인 경우, 교류 발전기가 사용될 수 있다. 또한, 발전기의 수용율이 85%이고, 부하 용량이 1MW인 경우, 발전기의 발전 용량은 약 1.2MW일 수 있다.

발전기(111, 112)는 디젤발전기, 복합연료발전기, 가스연료발전기, 가스터빈 등이 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.

또한, 발전부(110)는 상황에 따른 전력 공급 제어를 위해 하나 이상의 스위치, 및/또는 단로기를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 두 개의 발전기(111, 112)를 포함한 경우, 두 개의 스위치(113A, 113B)를 더 포함할 수 있다.

배전반(130)에서는 교류로 전력 공급이 실시된다. 일 실시예에서, 배전반(130)은 전력 계통(100)의 주배전반을 포함할 수 있다. 상기 주배전반은 버스 케이블로 구성되며, 이 경우 버스 케이블은 메인 버스로 지칭될 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 배전반(130)은 복수의 버스케이블을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 배전반(130)은 발전기(111)에 전기적으로 연결된 메인버스(131), 발전기(112)에 전기적으로 연결된 메인버스(132)와 같이, 복수의 버스 케이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 배전반(130)은 복수의 메인버스(131, 132)를 평소에는 전기적으로 연결하나, 비상 및/또는 사고 시 전기적 연결이 차단되는 버스 연결 차단기(bus tie breaker)(133)를 더 포함할 수 있다.

배전반(130)에는 저압이 적용될 수 있어, 전력 계통(100)은 저압 배전이 가능하다. 예를 들어, 도 3의 메인버스(131) 및 메인버스(132)에 440V의 교류 전압이 적용되어 전력을 부하로 공급할 수 있다.

전력 계통(100)의 구성요소는 상호작용하도록 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 발전부(110)로부터 배전반(130)를 통해 필수부하부(150)까지를 전기적으로 연결하는 전력 공급선을 사용하여 필수부하에 전력을 공급할 수 있다.

전력 계통(100)의 필수부하부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 선박의 운용을 위해 사용되는 필수 부하(예컨대, 쓰러스터 모터, 윤활유 펌프, 엔진 연료공급 펌프, 냉각펌프 등)를 포함할 수 있다. 필수부하부(150)에 포함된 필수부하의 대부분은 부하율이 변하지 않는 연속부하에 해당된다.

일부 실시예에서, 필수부하부(150)는 가변주파수제어(VFD, Variable Frequency Drive) 기반 부하를 더 포함할 수도 있다. 가변주파수제어 기반 부하는 냉각 시스템((Central Cooling System)과 같이, 운항 특성에 맞게 부하단의 전력소모를 최적화하는 필수부하이다. 예를 들어, VFD 부하는 냉각수의 온도를 제어 가능하도록 구성된 냉각 펌프 등과 같은 온도, 압력 등을 제어하도록 구성된 필수부하를 포함한다.

전술한 바와 같이, 배전반(130)은 저압 배전이 실시되도록 구성된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 일부 필수부하는 별도의 변압기가 필요 없이 전기적으로 직접 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.

상기 쓰러스터 모터(152)는 선박의 이/접안에 사용되는 모터이다. 쓰러스터 모터(152)는 다른 연속부하들과 비교하여 대용량의 전력을 소모하는 대형 부하이다. 예를 들어, 도 3의 쓰러스터 모터(152A, 152B)는 2MW 정도의 부하 용량을 가진다. 이로 인해, 440V와 같은 저압이 적용된 저압 배전반(130)에 의한 전력 공급 시, 단면적이 150SQMM인 케이블(270A)을 8~10가닥 포설해야 하며, 선박(1) 내 전력 공급선의 포설이 용이하지 않을 수 있다.

일 실시예에서, 필수부하부(150)는 배전반(130)으로부터 쓰러스터 모터(152)를 전기적으로 연결하는 전력 공급선(미도시), 그리고 전력을 보다 효율적으로 쓰러스터 모터(152)에 공급할 수 있는 승압 변압기(153)를 더 포함할 수도 있다.

전력 공급선은 배전반(130)으로부터 쓰러스터 모터(152)까지를 전기적으로 연결하는 구성요소로서, 일 예에서, 전력 공급선은 케이블일 수 있다.

승압 변압기(153)는 배전반(130)에서 공급되는 저압을 승압하는 변압기로서, 상기 승압 변압기(153)의 출력 전압은 쓰러스터 모터(152)의 구동 전압에 대응하도록 구성된다. 상기 승압 변압기(153)는 도 1의 고압/저압 변압기(40)와 상이한 변압기로서, 승압 변압기(153)의 출력 전압은 배전반(130)의 전압 보다 높은 전압을 가지지만, 여전히 1500V 이하의 저압을 출력하도록 구성된다.

승압 변압기(153)에 의해 전압이 저압에서 고압으로 증가하여 승압 변압기(153)에 의해 해당 전력 공급선 내 전류 크기는 감소한다. 그 결과, 전압 강하가 개선되어 케이블의 단면적 및/또는 가닥의 수가 감소한다. 일 실시예에서, 케이블의 단면적은 50SQMM 일 수도 있고, 다른 일 실시예에서, 케이블의 단면적은 50SQMM 내지 75SQMM일 수도 있다. 또한, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 한 가닥의 케이블을 이용하여 쓰러스터 모터(152)에 전력을 공급할 수 있다.

그 결과, 도 3에서 승압 변압기(153)를 포함하지 않은 경우에는 단면적이 150SQMM인 케이블을 8~10 가닥이 요구되지만, 도 3에 도시된 바와 같이 승압 변압기(153)를 이용하는 경우 50SQMM의 케이블 한 가닥으로도 부하 용량이 2MW 쓰러스터 모터(152)에 전력 공급이 가능하다.

또한, 일부 실시예에서, 필수부하부(150)는 배전반(130)의 전압 보다 낮은 전압(예컨대, 220V)으로 전력을 공급하는 한 개 이상의 하위 배전반(154)(도 3의 154A, 154B)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 필수부하부(150)는 배전반(130)과 하위 배전반(154) 사이에 배치되어 전압을 감압하는 변압기(155)(도 3의 155A, 155B)를 더 포함할 수 있다. 상기 변압기(155)는, 용량이 작은 소형변압기이다.

또한, 전력 계통(100)은 블랙 아웃과 같은 비상 상황시 전력을 공급하는 비상 발전기 및, 이 때 동작하는 부하를 포함한 비상 배전반(160)을 더 포함할 수도 있다. 상기 비상 배전반(160)은 쇼어 파워(shore power), 비상용 부하 등을 포함할 수 있다.

전력 계통(200)의 구성요소 및 동작은 전력 계통(100)의 구성요소 및 동작과 상당부분 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

반면, 전력 계통(200)의 서비스부하부(250)는 선박의 운항 이외에 부가적으로 사용되는 서비스 부하를 포함한다. 서비스부하는 선적물을 보관하는데 사용되는 선적물 보관용 부하, 선박의 탑승자의 편의를 위해 사용되는 사용자 편의용 부하 등을 포함한다. 선박이 컨테이너 선인 경우, 서비스부하부(250)는 선박 화물이 저장되고 시간에 따라 저장 온도가 변하는. 냉동 컨테이너를 포함할 수 있다. 서비스부하의 대부분은 부하율이 변동하는 가변부하에 해당된다.

또한, 가변부하부(250)는 배전반(230) 보다 낮은 전압으로 전력을 공급하는 한 개 이상의 하위 배전반(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

선박용 전력 공급 시스템(1000)은 필수부하와 서비스부하에 따라 전력 계통이 분리되어 구성되므로, 도 1의 시스템과 비교하여 다양한 장점을 가진다.

예를 들어, 도 1의 경우, 고압/저압 변압기(40)가 6600/440 VAC, 3400kVA, 3ph 사양으로서, 각 변압기의 크기는 가로(2.6m) x 세로(2.65m) x 높이(1.6m) 인 8 개의 고압/저압 변압기(40)가 선박 내에 설치되는 경우, 상당한 공간이 변압기 실로 활용된다. 예를 들어, 가로(13~15m) Х 세로(6~8m) Х 높이(6~8m) (예를 들어, 13.25m Х6.06m Х 6.62m) 크기를 갖는 선내(엔진룸) 공간 두 곳이 두 개의 변압기 실로 활용된다. 결국, 해당 변압기 실에 대응하는 규모만큼 선내의 활용 가능한 공간이 줄어들게 된다.

또한, 도 1의 고압 배전 기반 단일 전력 계통은 발전 효율 측면에서도 낮은 성능을 가진다. 교류 계통의 경우 부하율이 70~80%에 달하여야 발전 효율이 최적이게 된다. 따라서, 도 1의 전력 공급 시스템에서는 부하율의 70~80%에 맞추어 발전하는 고정 RPM 발전기를 이용한다. 발전부(10)에 포함된 고정 RPM 발전기의 발전 용량은 연속부하, 가변부하의 최대부하전력을 기반으로 산정된다. 따라서, 가변부하와 같이 운전 특성에 소요 전력이 최대부하전력 대비 낮아 지게 되는 경우가 생기면, 발전기의 부하율이 낮아져 발전효율이 저하되게 된다.

예를 들어, 컨테이너 선에 도 1의 전력 공급 시스템이 적용되는 경우, 컨테이너 선은 대표적인 가변 부하인 냉동 컨테이너(Reefer Container)를 포함할 수 있다. 대형 컨테이너 선의 경우 대략 대략 1000FEU 냉동 컨테이너를 운송하며, 이러한 냉동 컨테이너의 최대소요전력은 4.5 ~ 5MW 정도이다. 냉동 컨테이너의 전력소모는 외기온도와 선적물의 종류에 따라 변동하게 되며 냉동 컨테이너의 부하율은 평균적으로 계통 내 부하단의 30~40% 내외이다. 이와 같은 냉동 컨테이너의 낮은 평균 부하율은 단일 전력계통에서는 계통 전체 부하율 저하로 이어져 단일 전력 계통 전체의 발전효율이 저하된다. 즉, 도 1의 시스템에서는 전체 부하에서 가변 부하의 비율이 클수록 발전효율의 상당한 저하가 발생한다.

그러나, 도 3의 선박용 전력 공급 시스템(1000)에서는 각 전력 계통(100, 200)은 주로 포함된 부하 유형에 최적화된 유형의 발전기를 구성 및 운영함으로써 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.

일 실시예에서, 필수부하 전력 계통(100)은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 서비스부하 전력 계통(200)은 가변속 RPM 발전기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 필수부하 전력 계통의 발전기(111, 112)는 고정 RPM 발전기, 서비스부하 전력 계통(200)의 발전기(211, 212)는 가변속 RPM 발전기일 수 있다.

연속부하의 경우 정출력 특성으로 인하여 부하변동이 없으므로, 부하율의 변화가 거의 없는 반면, 가변부하는 부하율이 변하는 것이 특징이다.

필수부하 전력 계통(100)의 부하 대부분은 부하율이 변하지 않는 연속부하에 해당하므로, 최적 효율구간에서 동작하도록 고정 RPM 발전기를 운전한다. 반면, 서비스부하 전력 계통(200)의 부하 대부분은 부하율이 변하는 가변부하이므로, 부하율 변동에 맞추어 가변속 운전이 가능한 가변속 RPM 발전기를 운전한다.

이와 같이 서비스부하 전력 계통(200)의 가변속 RPM 발전기를 통해 부하 구간별 최적의 발전 효율을 가지는 RPM으로 발전기 회전 속도를 제어할 경우, 단일 계통 내에 연속부하, 가변부하가 혼재된 경우에 비해, 가변 부하에 전력을 공급하는 발전기의 연료 효율을 향상시킬 수 있다.

도 4는 전력 계통 내 부하단의 부하율과 상기 부하단에 전력을 발전기의 연료 소모량 간의 관계를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이 종래의 단일 전력 계통에서는 고정 RPM 발전기를 이용하여 가변 부하(예컨대, 냉동 컨테이너)에 전력을 공급하였다. 냉동 컨테이너 전체의 부하율은 평균적으로 최대소요전력의 30~40%을 가진다. 이러한 냉동 컨테이너 전체에 종래와 같이 고정 RPM 발전기를 이용하여 전력을 공급할 경우, 35% 부하율을 기준으로 대략 216g/kwh의 연료를 소모한다(도 4의 지점(P_F)). 반면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 가변속 RPM 발전기를 이용하여 가변 부하에 전력을 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예와 같이 가변속 RPM 발전기를 이용하여 전력을 공급할 경우, 동일한 35% 부하율을 기준으로 대략 190g/kwh의 연료를 소모한다(도 4의 지점(P_V)).

결국, 도 3의 전력 공급 시스템(1000)은 동일 전력을 발전하는데 있어 연료 소모율이 대략 13% 개선되는 효과를 가진다.

이로 인해, $640/ton의 MGO(Marin Gas Oil)을 연료로 이용하는 컨테이너 선에 대하여 연료 소모의 개선을 10%로 단순화하여 계산할 경우, OPEX USD 2,4000/년(=USD 9,636/일 × 개선 효율(10%) × 운항 일수(통상 250일))의 연료 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 서비스부하가 시간 대 별로 부하율이 변동하는 부하 구간을 갖도록 구성되는 경우, 부하 구간별 최적의 발전 효율을 가지는 RPM으로 발전기 회전 속도를 제어함으로써 발전 효율을 더 개선할 수 있다.

선박 부하에 있어서, 저부하 구간(L1)은 부하율이 10~40%인 구간으로서 대략 285~210g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 중부하 구간(L2)은 부하율이 40~60%인 구간으로서, 대략 210~194g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 고부하 구간(L3)은 부하율이 80~100%인 구간을 나타으로서, 대략 185~190g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 도 3의 전력 공급 시스템(1000)은 고부하 구간(L3)에서 연료 소모가 도 1의 전력 공급 시스템과 거의 유사하다. 그러나, 저부하 구간(L1)에서는 도 1 대비 kwh 당 연료 소모율이 대략 6~10% 개선되고, 중부하 구간(L2)에서는 도 1 대비 kwh 당 연료 소모율이 대략 10~35% 개선된다.

이와 같이, 도 3의 서비스 전력 계통(200)의 가변속 RPM 발전기는 각 부하 구간의 부하율에 기초하여 RPM을 제어함으로써, 발전부(210)의 발전 효율을 개선할 수 있다.

도 4를 참조하여 서술된 연료 개선 효과는 서비스부하 전력 계통(200)에 대해서 서술되었으나, 이에 제한되지 않는다.

전술한 바와 같이, 필수부하부(150)는 선박의 운항과 관련하여 온도, 압력, 냉각수 등을 제어하는 가변주파수제어(VFD, Variable Frequency Drive) 기반 부하를 포함할 수도 있다. 상기 온도, 압력 냉각수 등의 제어를 위해 가변주파수제어 기반 부하의 부하율이 변화할 수 있다. 이로 인해, 가변주파수제어 기반 부하는 선박의 운항 특성에 따라 다양한 부하 구간을 가진다.

다른 일 실시예에서, 선박이 컨테이너 선박 이외인 경우 (예컨대, LNG 선박인 경우), 가변속 RPM 발전기는 필수부하 전력 계통(100)에도 포함될 수도 있다. 선박용 전력 공급 시스템(1000)이 적용되는 선박이 컨테이너 선박이 아닌 경우, 서비스부하 내 가변부하의 비중이 상대적으로 줄어들 수 있다. 또한, 이러한 선박 내에 가변주파수제어 기반 부하가 다수 설치되는 경우, 상대적인 관계에 의해 필수부하 전력 계통(100)이 가변부하 전력 계통으로 취급될 수 있다.

필수부하 전력 계통(100)에서 가변속 RPM 발전기에 의해 전력 공급이 수행되는 경우, 상기 가변속 RPM 발전기는 필수부하부(150)의 가변주파수제어(VFD, Variable Frequency Drive) 기반 부하와 연계된다.

이와 같이 필수부하 전력 계통(100)의 가변속 RPM 발전기를 통해 부하 구간별 최적의 발전 효율을 가지는 RPM으로 발전기 회전 속도를 제어할 경우, 단일 계통 내에 연속부하, 가변부하가 혼재된 경우에 비해, 가변 부하에 전력을 공급하는 발전기의 연료 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는 전술한 서비스부하 전력 계통(200)의 실시예와 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 전술한 바와 같이, 선박 전력 부하의 특성에 따라 필수부하용 전력계통과 서비스부하용 전력계통으로 전력 계통이 분리된다.

그 결과, 각 계통의 안정성도 높아지게 된다. 기존의 경우 서비스부하단에 계통사고가 발생하게 되면 단일 계통으로 구성되어 있어 필수부하에도 영향을 미치게 된다. 계통을 분리 구성하게 되는 경우 서비스부하 단의 사고 발생 시 해당 계통 사고는 서비스부하용 전력계통 내에서만 확산되므로 필수부하용 전력계통에는 영향을 미치지 않게 된다. 마찬가지로 계통 분리 시 필수부하 단의 사고 시에도 해당 사고가 서비스부하단으로 확산되지 않는다.

또한, 개별 전력 계통의 규모가 단일 전력 계통 대비 축소된다. 예를 들어, 14MW의 전력 용량을 갖는 단일 전력 계통을 필수부하 전력 계통(100)은 9MW, 서비스부하 전력 계통(200)은 5MW 규모로 도 3와 같이 분리된 경우, 개별 전력 계통의 규모는 14MW에서 9MW로, 14MW에서 5MW로 각각 축소된다.

그리고, 6.6kV 이상의 고압 대신 저압(예컨대, 440V)이 적용된 주배전반을 통해 전력 공급이 가능하다. 이로 인해, 도 1의 대용량의 고압/저압 변압기(40)를 더 이상 요구하지 않는다. 따라서, CAPEX(Capital expenditures) 측면에서 대략 2.5억/척의 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 고압/저압 변압기(40)가 차지했던 공간(즉, 기존의 변압기 실)을 보다 효율적으로 활용할 수 있다.

도 3의 전력 공급 시스템(1000)이 컨테이너 선에 적용될 경우, 8개 고압/저압 변압기(40)가 배치될 수 있는 변압기 실의 공간은 은 컨테이너의 선적을 위해 더 활용될 수 있다.

일반적으로 사용되는 컨테이너 기준은 6.058m ×2.591m × 2.438m 크기를 갖는 TEU 컨테이너이다. 상기 TEU 컨테이너를 기준으로 사용하여 13.25m ×6.06m × 6.62m 크기의 변압기 실 2개의 공간에 선적될 수 있는 컨테이너의 수를 산출하면, 종래의 변압기 실에는 TEU 컨테이너가 최대 26(=13Х2)개가 선적 가능하다. 즉, 도 3의 선박용 전력 공급 시스템(1000)을 갖는 선박은 도 1의 선박용 전력 공급 시스템을 갖는 종래의 컨테이너 선 대비 최대 26개의 TEU 컨테이너를 더 선적할 수 있다. 일부 실시예에서, 컨테이너를 선적, 하적하는 작업을 고려하여 공간을 보다 여유롭게 확보해야 하는 점을 고려하더라도 대략 20(=10Х2)개의 컨테이너를 추가로 선적할 수 있다.

또한, 고압/저압 변압기를 사용하지 않으면, 종래의 고압/저압 변압기의 활용과 연관된 공간에 컨테이너를 더 선적할 수도 있다. 예를 들어, 종래의 변압기 실에서 수직에 위치한 갑판 표면에 변압기(40)의 존재로 인해 소정의 구조물이 설치되었을 수도 있다. 그러나, 변압기(40)가 필요치 않아 소정의 구조물 또한 필요하지 않을 수도 있어, 갑판 표면에 추가 컨테이너를 수직으로 더 선적할 수도 있다. 이 경우, 갑판 표면 상에 수평으로 5개, 수직으로 10개의 컨테이너를 더 선적하는 경우 100개의 컨테이너를 더 선적할 수 있다.

따라서, 고압/저압 변압기(40)가 사용되지 않아, 선박(1)에 최대 약 120개의 컨테이너를 더 선적할 수 있다. 상기 추가적으로 기존의 변압기 실의 공간에 선적되는 컨테이너의 개수는 단지 예시적인 것으로서, 컨테이너의 형태, 변압기, 변압기 실의 크기 등에 따라 120개 이상의 컨테이너가 더 선적될 수도 있다.

대안적으로, 기존의 변압기 실의 공간을 컨테이너 선적 이외의 다양한 목적을 위해 활용할 수도 있다.

또한, 도 3의 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 제어부(300)를 통해 배전반의 상태를 모니터링하고 전력 공급을 제어하며, 교차 연결부(400)를 통해 전력 계통(200)에서 사고 발생시 전력 계통(100)으로부터 전력 계통(200)으로의 전력 공급이 가능하도록 구성된다. 따라서, 교차 연결부(400)는 사고 발생시 전력을 공급하는 이중화부로 동작한다.

일 실시예에서, 교차 연결부(400)는 SPDT(Single Pole Double Throw)(410)를 포함한다. 상기 SPDT(410)는 발전부(110)에 연결된 경로(411)를 통해 필수부하 전력 계통(100) 또는 서비스부하 전력 계통(200)으로 전력을 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 SPDT(410)는 발전부(110)와 주 배전반(130) 사이의 경로(412) 또는 발전부(110)와 주 배전반(230) 사이의 경로(413)를 스위칭하도록 구성된다.

도 5는, 제1 실시예에 따른, SPDT의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

일 실시예에서, SPDT(410)의 스위칭은 제어부(300)로부터 스위칭 명령을 수신하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 서비스부하 전력 계통(200)에 사고가 발생하지 않고 정상 운전하는 경우, SPDT(410)는 필수부하부(150)로 전력을 공급한다. 그러나, 서비스부하 전력 계통(200)에 사고가 발생하는 경우 필수부하 전력 계통(100)에서 발전기를 탈락시키고, 상기 발전기를 서비스부하 전력 계통(200)에 연결하여 서비스부하부(250)로 교차 배전을 수행한다.

이에 대해서는 제어부(300)의 동작과 함께 보다 상세하게 서술한다.

제어부(300)는, 예를 들어 전력 계통(100) 또는 전력 계통(200)의 전기 신호 및/또는 전력 공급 상태를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 배전반(100, 200) 내 사고 발생을 감지하고 사고가 발생지 않은 배전반으로부터 사고가 발생한 배전반의 부하부로 전력을 공급하게 하는, 선박용 전력 공급 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어한다.

본 명세서에서 사고 상황은 선박 운행 중 사고, 발전기 고장, 사고 및/또는 고장이 없으나 이상 신호 발생, 배전반 근처의 환경 변화 (예컨대, 온도, 습도, 자기장의 급격한 변화 등) 등과 같이, 전력 공급이 불가능하거나, 전력 공급을 유지하면 부하에 손상을 미치는 것과 같은 비 정상적인 전력 공급 상태를 나타낸다. 이하, 설명의 명료성을 위해, (예컨대, 전력 계통(200)의 발전기에서 고장이 발생한 것과 같은) 발전기 고장을 사고 상황으로 예시적으로 지칭하여 사고 상황 발생시 선박용 전력 공급 시스템(1000)의 동작을 자세히 서술한다.

도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 제어부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

상기 제어부(300)는 항해 시간대에 연관된 모드를 설정하여 선박용 전력 공급 시스템(1000)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨테이너 선의 사용자는 컨테이너 선이 일반 항해 중인 경우 전력관리시스템을 통해 경부하 모드로 설정할 수 있다. 컨테이너 선은 일반 항해 중에는 필수부하에 연관된 배전반 내 발전기가 모두 동작할 필요가 없기 때문이다. 따라서, 전력 계통(100) 내 발전기 중 적어도 하나(예컨대, 도 3의 발전기(112))는 경부하 모드에서는 동작하지 않고 정지 상태로 유지될 수 있다. 이로 인해, 제어부(300)는 경부하 모드에서 정지 상태인 발전기(도 3의 발전기(112))를 대기 발전기로 설정할 수 있다.

또한, 제어부(300)는 SPDT(410)가 대기 발전기(112)와 주 배전반(130)을 연결하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 대기 발전기의 동작이 정지 상태이기 때문에, 대기 발전기(112)로부터 부하부(150)로의 전력 공급은 수행되지 않는다.

추가적으로, 대기 발전기 설정은 SPDT(410)에 의존할 수 있다. 일 예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, SPDT(410)가 하나인 경우, 제어부(300)는 SPDT(410)에 연관된 발전기를 대기 발전기로 설정할 수 있다. 다른 일 예에서, 제어부(300)는 발전기 용량, SPDT(410)와 배전반(230) 사이의 경로 거리 등과 같은 다양한 요건들에 기초하여 대기 발전기를 설정할 수 있다.

제어부(300)는 전력 계통(100, 200)의 전기 신호 및/또는 전력 공급 상태를 모니터링하고(S210), 모니터링 결과에 기초하여 전력 계통 내 사고 발생을 감지하며, 사고 전력 계통을 결정한다(S220).

사고 상황이 전력 계통(200)에서 발생한 경우, 제어부는 전력 계통의 전기 신호에 기초하여 사고를 감지하고, 전력 계통(200)을 사고가 발생한 사고 전력 계통으로 결정한다(S220).

제어부는 발전부(210)의 전기 신호가 소정 임계 범위 이내인 경우 경우 사고가 발생하지 않은 정상 상태로 결정한다. 반면, 발전부(210)의 전기 신호가 소정 임계 범위를 초과한 경우 사고가 발생한 것으로 결정한다.

일 실시예에서, 상기 임계 범위는 ±10% 범위 이내일 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 임계 범위는 발전기의 발전 규모, 발전 계통에 따라 다양하게 설정될 수도 있다. 또는 발전기의 출력 신호 이외의 다른 신호를 사고를 판단하는 기준으로 사용할 수도 있다.

제어부는 사고가 발생지 않은 전력 계통의 대기발전기로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하게 한다(S230).

일 실시예에서, 전력 계통(200)에서 사고가 발생했다고 결정되면, 제어부는 SPDT(410)를 스위칭하여 대기 발전기(112)와 주 배전반(230)을 전기적으로 연결한다. 그 결과, 사고가 발생하지 않은 전력 계통(100)에 포함된 대기 발전기(112)의 전력이 사고가 발생한 전력 계통(200) 내 부하부(250)으로 공급된다. 그 결과 사고가 발생한 전력 계통(200) 내 부하부(250)는 사고가 발생하여도 계속 전력을 공급받을 수 있어, 전력 공급 중단에 따른 2차적인 손실이 발생하지 않는다.

도 3에서 발전부(110)에서 서비스부하부(250)로의 전력 공급은 발전부(110)에서 발전되는 발전 용량이 필수부하부(150)에서 소모하는 부하 용량을 초과하는 경우에 수행될 수 있다. 예를 들어, 경부하 모드에서 필수부하부(150)로의 전력 공급이 하나의 발전기(111)로 충분한 경우, 발전부(110) 내 두 개의 발전기(111, 112)가 발전해야 발전부(110)에서 서비스부하부(250)로 전력이 공급될 수 있다.

도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 버스 연계용 스위치를 통해 사고가 발생하지 않은 전력계통에서 사고가 발생한 전력계통으로 전력 공급이 가능하도록 구성된 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

도 7을 참조하면, 교차 연결부(400)는 주 배전반(130)과 주 배전반(230)을 전기적으로 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 교차 연결부(400)는 버스 연계용 스위치(420)를 포함한다. 일 예에서, 버스 연계용 스위치(420)는 버스 연결 차단기(Bus-tie breaker)일 수 있다.

상기 버스 연계용 스위치(420)는 전력 계통(200)에서의 사고 발생 시 전력 계통(100)에서 전력 계통(200)으로의 전력 공급이 가능하도록 스위칭된다. 상기 버스 연계용 스위치(420)의 동작은 SPDT(410)의 동작과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

<제2 실시예>

도 8은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에 연계된 쓰러스터 모터 가동시 서비스부하용 전력계통으로부터 SPDT를 이용하여 필수부하용 전력계통으로 일정 전력을 공급 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

도 8의 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 도 3의 선박용 전력 공급 시스템(1000)과 유사하므로, 차이점을 위주로 제2 실시예를 설명한다.

일반적으로 발전기는 부하율이 70%~80% 일 때, 연료효율이 가장 좋은 점에 기초할 때, 예를 들어, 발전기가 2대로 구성된 필수부하단의 경우, 쓰러스터 모터가 가동되지 않는 일반 항해 중에 70%~80%의 부하율을 충족하면서 필수부하에 전력을 공급하기 위해 1대의 발전기가 운전될 수 있다.

구체적으로, 쓰러스터 모터(152)는 선박의 입/출항 시에 사용되며, 일반 항해 시에는 사용되지 않는다. 쓰러스터 모터(152)는 장시간의 선박 운행 시간 중 입/출항 시에 평균 30분 내지 40분 정도 사용되므로, 쓰러스터 모터(152)의 동작 시간 비중은 절반 보다 훨씬 작다. 반면, 쓰러스터 모터(152)의 부하 용량은 일반적으로 2MW 정도이므로, 필수부하부(150)의 전체 부하 용량의 상당 비중(예컨대, 40% 이상)을 차지한다. 따라서, 도 6과 같이 두 개의 발전기(111, 112)가 전력 계통(100)에 포함된 경우, 일반 항해 시에는 하나의 발전기로도 쓰러스터 모터(152)를 제외한 나머지 필수부하에게 전력을 공급하여 선박을 운행하게 할 수 있다. 그러나, 이 경우 부하율이 40%인 지점에서 운항되므로, 최적 연료 효율 구간(통상 70%~80%)과 비교할 때 연료 효율이 저하된다. 한편, 연료 효율을 개선하기 위해 쓰러스터 모터(152)를 포함한 전력 계통(100)의 발전 용량이 쓰러스터 모터(152)의 전체 부하 용량을 고려하여 설계되는 경우, 고정 RPM 발전기의 경우, 부하율에 상관없이 일정한 전력을 공급하므로 일반 항해 시, 경부하 구간에서 초과 전력이 생성되므로, 운영 비용 측면에서 단점이 있다.

도 8을 참조하면, 쓰러스터 모터가 포함된 필수부하단의 발전 용량이 경부하 구간의 최적 부하율(즉, 쓰러스터 모터(152)를 제외한 나머지 필수부하의 70~80% 부하용량)에 기초하여 설정하되, 입항 및 출항 시에 쓰러스터 모터에 대한 전력 공급 분은 쓰러스터 모터(152)를 포함하지 않는 서비스부하 전력 계통(200)이 필수부하 전력 계통(100)으로 교차 전력 공급을 수행하도록 구성하여 상기 문제를 해결할 수 있다.

일반 항해 시에는 쓰러스터 모터(152)를 제외한 필수부하가 구동되어야 하므로, 전력 계통(100)에서 발전되는 전력량은 C_C-Th 이상이어야 한다. 따라서, 전력 계통(200)에서 공급되는 전력량은 쓰러스터 모터의 부하 용량의 일정 비율로 표현될 수 있다.

또한, 전력 계통(200)에서 전력 계통(100)으로 일부 공급되는 전력량은 전력 계통(200)의 서비스부하부(250)의 구동에 있어서 큰 영향이 없는 정도의 전력량 및 공급 시간에 의존한다. 예를 들어, 가변부하가 냉동컨테이너인 경우, 선박용 전력 공급 시스템(1000)은 냉동컨테이너에 선적된 선적물이 손상되지 않는 범위 내에서 전력 계통(200)의 일부 전력량을 단시간 내에 필수부하부(150)로 공급한다.

이러한 점을 고려할 때, 전력 계통(100)의 필수부하부(150)로 공급되는 전력량은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, C_total은 필수부하부(150)의 전체 부하 용량을 나타내고, C_CG는 전력 계통(100)에서 발전되어 공급되는 전력 용량, C_VG는 전력 계통(200)에서 발전되어 필수부하부(150)로 일부 공급되는 전력 용량을 나타낸다. C_C-Th는, 필수부하부(150) 내에서 쓰러스터 모터(152) 이외의 모든 필수부하의 부하 용량, C_Th는 쓰러스터 모터(152)의 전체 부하 용량을 나타내며, α는 전력 계통(200)에서 공급되는 전력량과 쓰러스터 모터의 전체 부하 용량 사이의 관계를 나타내는 전력 공급 계수이다.

일 실시예에서, 상기 전력 공급 계수는 0.5일 수 있다. 이 경우, 전력 계통(100)의 연속부하부(150)에 공급되는 전력량은 공급원에 따라 다음 수학식 2와 같이 표현된다.

[수학식 2]

또한, 전력 계통(100)의 발전 용량은 다음의 수학식 3과 같이 설정된다.

[수학식 3]

쓰러스터 모터(152)의 부하 용량 C_Th이 연속부하부(150)의 전체 부하 용량의 대략 50%인 경우, 발전 용량 C_CG 는 전체 부하 용량의 대략 75%일 수 있다.

선박용 전력 공급 시스템(1000)은 배전반의 상태를 모니터링하고 전력 공급을 제어하는 제어부(300) 및 교차 연결부(400)를 포함한다. 제2 실시예에서, 교차 연결부(400)는 특정 시간에서 전력 계통(200)으로부터 전력 계통(100)으로의 전력 공급이 가능하도록 구성된다.

일 실시예에서, 교차 연결부(400)는 SPDT(Single Pole Double Throw)(430)를 포함한다. 상기 SPDT(430)는 발전부(210)에 연결된 경로(431)를 통해 필수부하 전력 계통(100) 또는 서비스부하 전력 계통(200)으로 전력을 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 SPDT(430)는 발전부(210)와 주 배전반(230) 사이의 경로(432) 또는 발전부(210)와 주 배전반(130) 사이의 경로(433)를 스위칭하도록 구성된다.

도 9는, 제2 실시예에 따른, SPDT의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

일 실시예에서, SPDT(430)의 스위칭은 제어부(300)로부터 스위칭 명령을 수신하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 경부하 모드에서의 운전과 같이 정상 운전하는 경우, SPDT(430)는 서비스부하부(250)로 전력을 공급한다. 그러나, 선박의 이/접안으로 인해 쓰러스터 모터(152)로의 전력 공급이 요구되어 선박필수부하 전력 계통(100)에서 발전기를 탈락시키고, 상기 발전기를 서비스부하 전력 계통(200)에 연결하여 서비스부하부(250)로 교차 배전을 수행한다.

이에 대해서는 제어부(300)의 동작과 함께 보다 상세하게 서술한다.

일 실시예에서, 제어부(300)는 특정 시간대에 SPDT(430)를 이용하여 전력 계통(200)로부터 전력 계통(100)으로의 전력 공급을 가능하게 한다. 예를 들어, 쓰러스터 모터(152)가 사용되는 특정 시간 대(예컨대, 출항 시각으로부터 30 내지 40분 동안)에 제어부는 SPDT(430)를 제어하여 전력 계통(200)로부터 전력 계통(100)으로 전력 공급을 가능하게 한다.

그 후, 상기 특정 시간이 경과하면(예컨대, 출항 시각으로부터 40분 경과), 제어부는 SPDT(430)를 제어하여 전력 계통(200)로부터 전력 계통(100)로 전력이 더 이상 공급되지 않게 한다.

이와 같이 발전부(110)의 발전 용량이 설정되면, 입항 및 출항 시 쓰러스터 모터(152)의 동작으로 인한 부족한 전력(예컨대, 대략 25%)은 SPDT(430)를 통해 전력 계통(200)로부터 공급받을 수 있다.

특정 시간 대는 선박의 전체 운항 시간에서 큰 비중을 차지 하지 않는 점, 또한, 쓰러스터 모터(152)의 전체 부하 용량만큼의 전력량이 공급될 필요가 없는 점에 기초하면 쓰러스터 모터를 포함한 전체 필수부하 용량의 75% 정도로 필수부하 전력 계통(100)의 발전 용량을 설정할 수 있어, 발전 설비 비용 및 연료소모를 절감할 수 있다. 전술한 바와 같이 설정된 발전 용량에 의해 전력 계통(100)은 필수부하부(150)의 전체 부하 용량의 50%인 경우와 비교할 때 높은 부하율을 가질 수 있다.

이와 같이, 연료 효율을 개선하면서 동시에 운영 비용을 감소시키기 위해서, 고정 RPM 발전기의 최적 연료 효율 구간에서 운전될 수 있도록 전력 계통(100)의 부하 용량의 일부는 전력 계통(200)에서 발전된 전력을 고의적으로 소모하게 한다. 그 결과, 연료 효율이 최적인 구간에서 운전이 가능하여 연료 효율이 개선되고 운영 비용이 절감된다

또한, 나머지 25%의 전력을 전력 계통(200)로부터 전력 계통(100)으로 교차 공급할 수 있어, 쓰러스터 모터를 구동하는데 큰 문제가 없다. 그리고, 교차 전력 공급 받는 만큼의 발전기 용량이 절감되므로, 필수부하용 배전반인 전력 계통(100)에 포함된 발전기 용량을 기존 대비 축소할 수 있고, 원가를 개선할 수 있다.

나아가, 특정 시간 대는 선박의 전체 운항 시간에서 큰 비중을 차지 하지 않기 때문에 오랜 시간 교차 공급될 필요가 없어, 서비스부하부(250)에 공급되는 전력량이 줄어들어도, 냉동컨테이너에 저장된 선적물이 변질되는 것과 같은, 2차 손상이 발생하진 않는다.

도 10은, 제2 실시예에 따른, 필수부하용 전력계통에 연계된 쓰러스터 모터 가동시 서비스부하용 전력계통으로부터 버스 연계용 스위치를 통해 필수부하용 전력계통으로 일정 전력을 공급 가능한 선박용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

교차 연결부(400)는 주 배전반(130)과 주 주 배전반(230)을 전기적으로 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 교차 연결부(400)는 버스 연계용 스위치(440)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 버스 연계용 스위치(440)는 버스 연결 차단기(Bus-tie breaker)(440)일 수 있다. 버스 연계용 스위치(440)는 쓰러스터 모터 가동시 전력 계통(200)에서 전력 계통(100)으로의 전력 공급이 가능하도록 스위칭된다. 상기 버스 연계용 스위치(440)의 동작은 SPDT(430)의 동작과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

본 명세서에서, 도 3 및 도 6을 참조한 전력 공급 시스템(1000)의 구조는 선박에 포함된 부하 용량과 같은 선박 환경에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 전력 계통(100)에 포함된 발전기는 3개일 수 있다. 또한, 3개의 발전기의 발전 용량은 동일하거나, 또는 모두 동일하지 않을 수도 있다.

또한, 도 3의 주 배전반(130)에 적용된 440V은 단지 도 1의 6.6kV에 비해 낮은 전압을 나타내는 예시적인 전압으로서, 주 배전반(130, 230)은 경우에 따라 상이한 전압으로 전력을 공급할 수도 있다. 예를 들어, 상이한 부하의 정격 전압에 따라 450V가 주 배전반(130)에 적용될 수도 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 (10)

1. 선박의 필수부하에 연관된 제1 전력 계통;
   선박의 서비스부하에 연관된 제2 전력 계통;
   이중화 동작을 수행하는 교차 연결부로서, 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하는, 교차 연결부; 및
   전력 계통의 전력 공급 상태를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 사고 전력 계통을 결정하고 사고가 발생지 않은 전력 계통으로부터 사고가 발생한 전력 계통의 부하부로 전력을 공급하게 하는 제어부;를 포함하는 선박.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통은, 복수의 발전기를 포함한 제1 발전부, 제1 배전반, 그리고 선박의 운항에 사용되는 필수부하를 포함한 제1 부하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전력 계통은 복수의 발전기를 포함한 제2 발전부, 제2 배전반, 그리고 서비스부하를 포함한 제2 부하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 제2 전력 계통에서 사고 발생을 감지한 경우, 대기 발전기로부터 제2 부하부로의 전력 공급을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 선박.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수의 발전기 중 적어도 하나는 사고 전력 계통 내 부하부로의 전력 공급을 위해 대기하는 대기 발전기로 설정된 것을 특징으로 하는 선박.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 교차 연결부는,
   상기 제1 전력 계통의 전력을 제2 배전반으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 교차 연결부는 SPDT(Single Double Throw)를 포함하고,
   상기 SPDT는 대기 발전부와 제1 배전반 사이를 전기적으로 연결 가능하거나, 또는 대기 발전부와 제2 배전반 사이를 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선박.
   
8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 교차 연결부는 버스 연계용 스위치를 포함하고,
   상기 버스 연계용 스위치는 제1 배전반 및 제2 배전반을 전기적으로 연결 가능한 것을 특징으로 하는 선박.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통은, 제1 전력 계통에서의 사고 발생을 대비하기 위한 비상 배전반을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
   
10. 제1항에 있어서,
    이중화(Redundancy) 전력 공급은 경부하 모드에서 수행되는 것을 특징으로 하는 선박용 전력 공급 시스템.

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