KR20240059588A - 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템 - Google Patents

모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템 Download PDF

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KR20240059588A
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modular multi
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강남숙
조영호
김상현
안상준
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에이치디한국조선해양 주식회사
에이치디현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용한 전력 계통 시스템에 관한 것으로, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터; 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 추진 모터; 및 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 직류 전력을 공급하기 위한 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current) 배전을 포함할 수 있다.

Description

모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템{MODULAR MULTILEVEL CONVERTER AND SYSTEM USING THE SAME}
본 문서에 개시되는 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Multilevel Converter, MMC)는 여러 개 컨버터 밸브 서브모듈 유닛의 캐스케이드 접속을 통해 고전압 출력을 실현한다. 모듈형 멀티레벨 컨버터는 스위칭 소자의 직접적인 캐스케이드 접속을 필요로 하지 않고, 소자의 트리거(trigger) 일치성에 대한 요구가 낮으며, 또한 확장성이 우수하고, 스위칭 주파수가 낮고, 작동 손실이 낮으며, 출력 전압 파형의 품질이 높다는 장점을 갖고 있다.
이에 따라, 선박의 전력 계통 시스템에 있어서 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용할 필요성이 대두되었다.
본 문서에 개시된 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 필요한 비용을 절감하기 위한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 있어서 복수의 에너지원과의 연계가 용이한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시된 실시예들은 선박의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위한 전력 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템은, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터; 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 추진 모터; 및 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 직류 전력을 공급하기 위한 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current) 배전을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고압 직류 배전으로부터의 직류 전력을 제1 서비스 부하 배전으로 전달하기 위한 전력 변환 장치를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환 장치는 제1 전력 변환 장치 및 제2 전력 변환 장치를 포함하고, 상기 제1 서비스 부하 배전은 제1 직류 서비스 부하 배전 및 제1 교류 서비스 부하 배전단을 포함하며, 상기 제1 전력 변환 장치는, 상기 고압 직류 배전으로부터의 직류 전력을 변환하여 상기 제1 직류 서비스 부하 배전으로 전달하고, 상기 제2 전력 변환 장치는, 상기 제1 직류 서비스 부하 배전으로부터의 직류 전력을 변환하여 상기 제1 교류 서비스 부하 배전으로 전달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고압 직류 배전을 통해 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 공급되는 직류 전력은, 에너지 저장 시스템, 연료 전지 시스템 및 발전기 중 적어도 하나에 의해 직간접적으로 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 발전기 및 상기 고압 직류 배전을 전기적으로 연결하며, 적어도 하나의 출력단을 갖는 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제3 출력단, 및 제2 서비스 부하 배전에 교류 전력을 출력하기 위한 제4 출력단을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제4 출력단 및 상기 제2 서비스 부하 배전은 절연 변압기를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제5 출력단, 및 제2 서비스 부하 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제6 출력단을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제6 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨은 상기 제5 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고압 직류 배전에 연결되어, 타 전력 계통 시스템과 직류 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 선박은 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 하나의 항에 따른 전력 계통 시스템이 적용될 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 모듈형 멀티레벨 컨버터를 이용한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 필요한 비용을 절감하기 위한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 대형 전기 추진 선박을 운용하는데 있어서 복수의 에너지원과의 연계가 용이한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들은 선박의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위한 전력 계통 시스템을 제공할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 이를 이용한 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7a 내지 도 7b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 교류 배전 및 추진 모터 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 12는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터 및 정류단을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 발전기 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 14a 내지 도 14j는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 배전 및 추진 모터 사이에 추가로 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 15a 내지 도 15d는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 필수 부하단(Essential Loads) 및 서비스 부하단(Service Loads)의 그리드가 분리된 전력 계통 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 문서에 개시된 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 복수의 서브 모듈(submodule; SM; CELL)을 구비하며, 입력된 직류 전력(가령, 중간 전압 직류 전력(Medium-Voltage Direct Current; MVDC))을 상을 갖는 교류 전력(가령, 저압 교류 전력(Low-Voltage Alternating Current; LVAC))으로 변환하여 단일 출력단을 통해 출력함으로써 부하(가령, 추진 모터 등)를 구동시킬 수 있다.
도 2는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 2를 참조하면 서브 모듈(SM)은 하프 브리지(half wave-bridge) 또는 풀 브리지(full wave-bridge) 방식으로 구성될 수 있으며, 그 외의 다른 회로로도 구성될 수 있다. 서브 모듈(SM)은 제어부의 제어에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
참고로, 도 2에 도시된 서브 모듈은 도 1의 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3, 도 4a 및 도 4b 등을 참조하여 후술할 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에도 구비될 수 있다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다. 즉, 도 1에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터는 단일 출력단을 가지는 반면에, 도 3에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터는 다중 출력단을 가지는 점을 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제1 컨버터부(110) 및 제2 컨버터부(121, 122)를 포함할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 상기 입력단에 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력단으로 출력할 수 있다. 일례로, 제1 컨버터부(110)는 사전에 설정된 상에 따른 복수의 레그(leg)를 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 레그는 각각은 상부 암(upper arm)과 하부 암(lower arm)을 가지며, 상부 암 및 하부 암은 각각 복수의 서브 모듈(SM)을 구비할 수 있다. 이하, 도 4a에 대한 설명에서 더 상세하게 후술하도록 한다.
참고로, 도 3에서는 편의상, 모터(Motor)를 부하의 예시로서 도시하고 있으나, 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받는 부하의 종류가 모터에 한정되는 것은 아니며, 모터를 제외한 다른 종류의 부하가 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
한편, 제2 컨버터부(121, 122)는 제1 컨버터부(110)의 각 레그로부터의 교류 전력과 별개로, 상기 입력단으로 입력된 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 전력(교류 전력 또는 직류 전력)으로 변환할 수 있다.
일례로, 제2 컨버터부는 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부(122) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 참고로, 도 3에서는 이해를 돕기 위해 편의상 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부(122)를 모두 도시하였으나, 제1 컨버터부(110)의 상단 및 하단 중 어느 하나에만 제2 컨버터부가 위치하는 것을 배제하는 것은 아니다. 즉, 제1 컨버터부(110)의 상단에만 제1 저압 컨버터부(121)가 위치하거나, 제1 컨버터부(110)의 하단에만 제2 저압 컨버터부(122)가 위치할 수 있다.
일례로, 제1 저압 컨버터부(121)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
일례로, 제2 저압 컨버터부(122)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
즉, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 다중 출력단(제1 컨버터부에 대응되는 제1 출력단 및 제2 컨버터부에 대응되는 제2 출력단)을 가질 수 있으며, 이를 통해 저압의 전력과 고압의 전력을 동시에 공급할 수 있다.
참고로, 제2 컨버터부의 구조에 따라 제2 컨버터부의 출력단(즉, 보조 출력단)으로부터 출력되는 전력의 유형이 상이할 수 있다. 그 중, 교류 전력을 출력하는 보조 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터에 대해서 도 4a를 참조하여 후술하겠다.
도 4a는 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제1 컨버터부(110) 및 제2 컨버터부(120)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제어부(130)를 더 포함할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 사전에 설정된 상에 따른 레그(leg)(L1, L2, L3)를 갖고, 레그(L1, L2, L3) 각각은 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3)을 가지며, 상부 암(UA1, UA2, UA3) 및 하부 암(LA1, LA2, LA3)은 각각 직렬 연결된 복수의 서브 모듈(submodule; SM)을 구비하여 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)에 입력되는 직류 전력은 중간 전압 직류 전력(Medium-Voltage Direct Current; MVDC)일 수 있으며, 제1 컨버터부(110)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하를 구동시킬 수 있다. 이때, 변환된 교류 전력은 3상 교류 전력일 수 있다.
참고로, 도 4a에서는 편의상, 모터(Motor)를 부하의 예시로서 도시하고 있으나, 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받는 부하의 종류가 모터에 한정되는 것은 아니며, 모터를 제외한 다른 종류의 부하가 모듈형 멀티레벨 컨버터로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
이때, 제1 레그 내지 제3 레그(L1, L2, L3)는 각각 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3)을 가질 수 있으며, 제1 레그 내지 제3 레그(L1, L2, L3) 각각의 상부 암(upper arm)(UA1, UA2, UA3)과 하부 암(lower arm)(LA1, LA2, LA3) 각각은 직렬 연결된 N개의 서브 모듈(SM)(여기서, N은 자연수)을 구비할 수 있다. 한 레그의 상부 암 또는 하부 암의 전압은 입력단에 입력되는 중간 전압 직류 전력(MVDC)의 전압(Vmvdc)일 수 있으며, 직류 전원단 상단 및 하단 각각과 접지(gnd) 사이의 전압은 0.5Vmvdc로 표시될 수 있다.
일례로, 제1 컨버터부(110)는 상기 입력단에 입력된 직류 전력을 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력단으로 출력할 수 있다.
참고로, 서브 모듈에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한 바 있으므로, 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
한편, 제2 컨버터부(120)는 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)로부터의 교류 전력과 별개로, 상기 입력단으로 입력된 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
일례로, 제2 컨버터부(120)는 제1 저압 컨버터부(121) 및 제2 저압 컨버터부 (122)를 포함할 수 있다.
일례로, 제1 저압 컨버터부(121)는 풀 브리지 방식으로 구성된 복수의 추가 서브모듈로 구성될 수 있으며, 각각의 추가 서브모듈은 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)의 각 상부 암(UA1, UA2, UA3)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 각 상부 암(UA1, UA2, UA3)과 직렬로 연결되어 있는 각각의 추가 서브모듈은 서로 병렬 연결될 수 있다. 이때, 제1 저압 컨버터부(121)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
일례로, 제2 저압 컨버터부(122)는 풀 브리지 방식으로 구성된 복수의 추가 서브모듈로 구성될 수 있으며, 각각의 추가 서브모듈은 제1 컨버터부(110)의 각 레그(L1, L2, L3)의 각 하부 암(LA1, LA2, LA3)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 각 하부 암(LA1, LA2, LA3)과 직렬로 연결되어 있는 각각의 추가 서브모듈은 서로 병렬 연결될 수 있다. 제2 저압 컨버터부(122)는 상기 입력단으로부터의 직류 전력을 제1 컨버터부(110)에서 출력되는 교류 전력의 전압 레벨 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
이에 따라, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 저압의 교류 전력과 고압의 교류 전력을 동시에 공급할 수 있다. 즉, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 다중 출력단(제1 출력단 및 제2 출력단)을 가질 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 제어부(130)를 더 포함할 수 있으며, 제어부(130)는 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부(110, 120)의 전원 변환 동작을 제어할 수 있다.
일례로, 제어부(130)는 제2 컨버터부(120)의 제1 저압 컨버터부 및 제2 저압 컨버터부(121, 122)의 스위칭 동작을 제어할 수 있으며, 제1 저압 컨버터부 및 제2 저압 컨버터부(121, 122) 각각의 스위칭 회로는 제어부(130)의 제어에 따라 스위칭 동작 하여 해당 상부암 또는 하부암의 전력을 상기 제1 컨버터부(110)의 교류 전력보다 낮은 전압 레벨을 갖는 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리로 구성될 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 4b는 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 개략적인 구성도이다.
도 4b를 참조하면, 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 제1 컨버터부(210), 제2 컨버터부(220) 및 제어부(230)를 포함할 수 있다.
일례로, 도 4b에 도시된 제1 컨버터부(210)는 도 4a에 도시된 제1 컨버터부(110)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 가령, 제1 컨버터부(210)는 양방향 컨버터일 수 있다. 제1 컨버터부(210)가 양방향 컨버터인 경우, 발전기로부터의 고압 교류 전력이 도 4a에서의 출력단으로 입력되면 제1 컨버터부(210)는 도 4a에서의 입력단으로 고압 직류 전력을 출력할 수 있다. 저압 직류 전력은 1500V 미만인 직류 전력을 의미할 수 있고, 고압 직류 전력은 1500V이상이고 100kV미만의 직류 전력을 의미할 수 있다.
즉, 도 4a에서의 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)는 직류 전력을 입력 받아, 제1 출력단을 통해 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 교류 전력을 출력할 수 있으며, 도 4b에서의 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)는 교류 전력을 입력 받아, 제1 출력단(도 4a의 입력단에 대응되는 위치)을 통해 직류 전력을 출력하고, 제2 출력단(도 4a의 제2 출력단에 대응되는 위치)을 통해 교류 전력을 출력할 수 있다.
이외의 제1 컨버터부(210), 제2 컨버터부(220) 및 제어부(230)의 구성 및 동작은 도 4a에서의 설명과 중복되므로 생략하도록 한다.
도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
일례로, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템은, 도 4c에 도시된 바와 같이 종래의 변압기 없이도, 보조 출력단을 통해 저압 교류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 교류 전력을 공급할 수 있다.
이처럼, 추가적인 변압기를 설치하지 않고도 저압의 교류 전력을 저압 부하에 공급이 가능하여 비용이 저감되며, 설비의 무게 및 부피를 절감할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 1에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터와 같이 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다.
참고로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 고압 직류 배전(20) 및 나머지 장치(가령, 발전기, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
만약, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 아닌 일반 컨버터가 사용될 경우, 컨버터가 감당해야하는 전력의 용량이 너무 커지고, 이를 감당하기 위해서는 고사양의 소자가 필요하며, 필연적으로 부품 수급 문제 및 비용 문제가 발생하게 된다.
반면에, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고용량의 전력(배전)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 된다.
따라서, 대용량의 전력을 필요로 하는 추진 모터를 가지는 대형선 전기추진 선박에 모듈형 멀티레벨 컨버터를 사용함으로써 보편적인 사양의 소자들을 사용할 수 있게 되며, 부품 수급 문제 및 가격 측면에서 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 발생하게 된다.
이에 더해, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 상황에 따라 유동적으로 서브모듈을 추가하거나 제거하여 사용할 수 있으므로 확장성 측면에서 유리한 효과가 발생한다.
또한, 대형선 전기추진 선박에 고압 직류 배전을 적용함으로써 다른 에너지원(전력 공급원)들과의 연계가 용이해지며, 시스템 건전성이 높아질 수 있다.
한편, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치되는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 단일 출력단을 가지는 경우, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 교류 배전(LVAC)에 전력을 공급하기 위해서는, 별도의 인버터가 추가로 필요할 수 있다.
일례로, 도 5a에서 도시하는 바와 같이, DC/AC 전력 변환 장치(40)를 통해 고압 직류 배전(20)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 전력을 전달할 수 있다.
다른 예로, 도 5b에서 도시하는 바와 같이, DC/DC 전력 변환 장치(40)를 통해 고압 직류 배전(20)로부터 저압 직류 배전(LVDC)로 1차적으로 전력을 전달하고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 저압 직류 배전(LVDC)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 전력을 공급하는 전력 공급원이 추가로 포함될 수 있는데, 일례로, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 추가로 포함될 수 있다.
일례로, 라지 모터(Large Motor)의 용량(가령, 수백kW~수MW)은 추진 모터의 용량(가령, 10MW 이상)보다 작을 수 있다. 이때, 라지 모터는 선종에 따라 각각 다르게 연결될 수 있다. 만약, 라지 모터를 MVDC와 연결하면 Aft 에서 Fwd로 보낼때 별도로 승압하는 단계를 생략할 수 있다. 이에 따라 대용량 저압 모터보다 대용량 고압 모터의 사이즈가 작은 점을 고려할 때, 고압 모터를 사용할 수 있으므로 모터의 사이즈를 감소시킬 수도 있다.
일례로, 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 고압 직류 배전(20)으로 전달하기 위한 전력 변환 장치가 사용될 수 있다. 이때, 전력 변환 장치는, 도 5a 및 도 5b에서 도시하는 바와 같이 일반적인 인버터, 컨버터가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6c는, 도 5a 및 도 5b를 통해 설명한 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(DG)(60) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기(60)를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 6b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)의 구조 및 동작과 동일/유사할 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다. 참고로, 2권선 변압기의 경우 2기가 필요할 수 있으며, 3권선 변압기의 경우 1기가 필요할 수 있다.
또한, 도 6c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템은 타 전력 계통 시스템과 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함할 수 있다.
일례로, 제1 전력 계통 시스템 및 제2 전력 계통 시스템 사이에는 버스 타이(Bus Tie)가 위치할 수 있으며, 버스 타이(Bus Tie)는 제1 전력 계통 시스템 및 제2 전력 계통 시스템의 연결 및 차단을 제어하기 위한 차단기(Bus Tie Breaker)를 포함할 수 있다. 이때, 차단기는 도 5a 등에 도시된 바와 같이 반도체 차단기(solid state circuit breaker; SSCB)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 기계적 차단기일 수도 있다.
참고로, 이하에서 설명하는 내용 중, 도 1 내지 도 6c 등을 참조하여 전술했던 내용과 중복되는 내용에 대해서는 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있으므로 설명을 생략하기로 한다.
도 7a 및 도 7b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다. 이때, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 4a에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(100)와 같이 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다. 또한, 다중 출력단 중 제1 출력단은 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단은 저압 교류 전력을 출력할 수 있다.
참고로, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 저압 교류 배전(Low-Voltage Alternating Current; LVAC)(70), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 이용된 전력 계통 시스템과 달리, 도 7a 및 도 7b에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 교류 배전(70)에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터가 추가로 필요하지 않다. 이에 따라, 전력 계통 시스템을 더 작고 간단하게 구현할 수 있게 되며, 필요 부품의 개수가 감소하여 생산성이 향상되고, 관리 및 유지 보수가 용이하게 된다.
일례로, 고압 직류 배전(20)에 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 이용될 수 있다.
일례로, 에너지 저장 시스템(ESS) 및 연료전지 시스템(SOFC)은 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 직접적으로 생성할 수 있다. 즉, 별도의 교류/직류 변환 과정이 필요하지 않을 수 있다.
다른 예로, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)는 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 간접적으로 생성할 수 있다. 즉, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 별도의 과정이 필요할 수 있다.
또한, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 서비스 부하(70)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는, 도 7a 및 도 7b를 통해 설명한 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 8a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 8b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 8b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 구조와 동일/유사한 구조를 가질 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 도 8c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 LVDC로 1차적으로 전력을 전달되고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 LVDC로부터 LVAC로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 전술한 도 7a 및 도 7b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터는 제1 출력단을 통해 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 저압 교류 전력(LVAC)을 출력하는 반면에, 도 9a 내지 도 9b에 도시된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 제1 출력단을 통해 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하고, 제2 출력단을 통해 저압 직류 전력(LVDC)을 출력할 수 있다. 이에 따라, 별도의 전력 변환 장치가 추가되지 않고도 선내 부하(가령, LED 램프)에 LVDC를 제공할 수 있게 되므로 전력 계통 시스템을 더 작고 간단하게 구현할 수 있게 되며, 필요 부품의 개수가 감소하여 생산성이 향상되고, 관리 및 유지 보수가 용이하게 된다. 저압 교류 전력은 1000V미만의 교류 전력을 의미할 수 있고, 고압 교류 전력은 1000V이상이고 35kV미만인 교류 전력을 의미할 수 있다.
참고로, 도 9a 내지 도 9b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 이용된 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 저압 직류 배전(Low-Voltage Alternating Current; LVDC)(80), 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 전력 계통 시스템과 유사하게, 도 9a 및 도 9b에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하 또는 이에 대응되는 저압 직류 배전(80)에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터/컨버터가 추가로 필요하지 않다.
일례로, 고압 직류 배전(20)에 전력을 공급하는 전력 공급원으로서 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator) 중 적어도 일부가 이용될 수 있다.
일례로, 에너지 저장 시스템(ESS) 및 연료전지 시스템(SOFC)은 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 직접적으로 생성할 수 있다. 즉, 별도의 교류/직류 변환 과정이 필요하지 않을 수 있다.
다른 예로, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)는 고압 직류 배전(20)에 공급하기 위한 직류 전력을 간접적으로 생성할 수 있다. 즉, 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Shaft Generator)에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 별도의 과정이 필요할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는, 도 9a 및 도 9b를 통해 설명한 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 디젤 발전기(DG) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
참고로, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 사용될 수 있는 반면에, 발전기를 제외한 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 및 고압 직류 배전(20) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
먼저, 도 10a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 복수개의 서브모듈을 포함하며, 이에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고용량의 전력(발전기)과 연결되더라도 각 서브모듈이 감당해야하는 용량은 줄어들게 되는 효과가 있다.
또한, 도 10b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 교류 전력 출력)은 서비스 부하(LVAC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 도 10b에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는, 도 4b에 도시된 구조와 동일/유사한 구조를 가질 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 서비스 부하(LVAC)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 도 10c를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)의 메인 출력단(고압 직류 전력 출력)은 고압 직류 배전(20)으로 전력을 전송하고, 보조 출력단(저압 직류 전력 출력)은 서비스 부하(LVDC)로 전력을 전송하는 것을 확인할 수 있다. 일례로, 고압 직류 배전(20) 및 발전기 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 LVDC로 1차적으로 전력을 전달되고, DC/AC 전력 변환 장치를 통해 LVDC로부터 LVAC로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 11a는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(Medium-Voltage Alternating Current; MVAC)(90)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11a에 도시된 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 도 1을 통해 설명한 바와 같이 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 부하(가령, 추진 모터(30))를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 직류 배전이 아닌 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치되어 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 모듈형 멀티레벨 컨버터로 직류 전력을 전달할 수 있다.
참고로, 도 11a에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11b 및 도 11c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(90)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 아닌, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함된 점에 차이가 있다. 즉, 저압 교류 전력을 출력하는 보조 출력단이 추가로 포함된 점에서, 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템의 전력 변환 장치(91)가 없이도 저압 교류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 교류 전력을 공급할 수 있다.
참고로, 도 11b 내지 도 11c에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11a에서 설명한 것과 유사하게, 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템에서의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치될 수 있다.
이때, 사고 방지를 위해, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 서비스 부하(70)는 절연 변압기(Isolation Transformer)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나일 수 있다.
도 11d 및 도 11e는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 고압 교류 배전(Medium-Voltage Alternating Current; MVAC)을 포함하는 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
참고로, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 아닌, 다중 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함된 점에 차이가 있다. 즉, 저압 직류 전력을 출력하는 보조 출력단이 추가로 포함된 점에서, 도 11a에 도시된 전력 계통 시스템의 전력 변환 장치(91)가 없이도 저압 직류 전력이 필요한 저압 부하에 해당하는 저압 직류 전력을 공급할 수 있다. 또한, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템은 도 11b 및 도 11c에 도시된 전력 계통 시스템과 전체적으로 유사하나, 보조 출력단에서 교류 전력이 아닌 직류 전력을 출력하는 점에 차이가 있다.
참고로, 도 11d 내지 도 11e에 도시된 고압 교류 배전(90) 및 추진 모터(30) 사이에는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 정류단(10_1)이 사용되는 반면에, 고압 교류 배전(90) 및 나머지 장치(가령, 에너지 저장 시스템, 라지 모터 등) 사이에는 일반적인 인버터/컨버터가 사용되거나, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수 있다.
도 11a에서 설명한 것과 유사하게, 도 11d 및 도 11e에 도시된 전력 계통 시스템에서의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 고압 직류 전력(MVDC)을 입력으로 받아서 추진 모터(30)를 구동하기 위한 고압 교류 전력을 출력하므로, 전력 계통 시스템에 고압 교류 배전(90)이 포함되는 경우, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 앞단에 정류단(10_1)이 추가로 배치될 수 있다.
또한, 도 11d와 같이 저압 직류 배전(LVDC)으로 저압 직류 전력을 전송할 수 있으나, 도 11e와 같이 저압 직류 배전(LVDC)으로 1차적으로 전력을 전달하고, 인버터를 통해 저압 직류 배전(LVDC)으로부터 저압 교류 배전(LVAC)으로 2차적으로 전력을 전달할 수 있다.
한편, 도 11a 내지 도 11e에 도시된 정류단(10_1)은, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터와 동일/유사한 구조를 가질 수 있으며, 이에 대해 도 12를 통해 설명하고자 한다.
도 12는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10) 및 그 앞 단에 배치된 정류단(10_1)을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 정류단(10_1)은 도 1을 통해 설명했던 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터와 동일/유사한 구조를 가지는 점을 확인할 수 있다. 즉, 정류단은 입력단을 통해 고압 교류 배전(MVAC)으로부터 고압 교류 전력을 입력 받아 고압 직류 전력(MVDC)으로 변환하여 출력하며, 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 입력단을 통해 정류단(10_1)으로부터 고압 직류 전력(MVDC)를 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 부하단(가령, 모터(Motor))으로 출력하는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 12에서는 편의상 부하의 예시로서 추진 모터를 도시하였으나, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 계통 시스템의 부하가 추진 모터에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 12에 도시된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는, 도 11a와 같이 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 11b 및 도 11c와 같이 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 전력 계통 시스템의 개략적인 구성도이다.
일례로, 도 13a를 참조하면, 전력 계통 시스템은, 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current; MVDC) 배전(20), 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 발전기(60)를 포함할 수 있다. 이때, 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치될 수 있다.
다른 예로, 도 13b 및 도 13c를 참조하면, 전력 계통 시스템은, 고압 직류 배전(20), 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50) 및 발전기(60)를 포함할 수 있다. 이때, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치될 수 있다.
도 13a에 도시된 단일 출력단을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 이용된 전력 계통 시스템과 달리, 도 13b 및 도 13c에 도시된 전력 계통 시스템의 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위한 별도의 인버터가 추가로 필요하지 않다. 이를 통해, 선박의 제한된 공간을 효과적으로 활용할 수 있으며, 유지 보수가 간편한 효과가 있다.
참고로, 도 13b의 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기(60)로부터 교류 전력을 입력받아 고압 직류 배전(20)으로 직류 전력을 출력하고 서비스 부하에 교류 전력을 공급하기 위한 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력(LVAC)을 출력하는 반면에, 도 13c의 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기(60)로부터 교류 전력을 입력받아 고압 직류 배전(20)으로 직류 전력을 출력하고 서비스 부하에 교류 전력을 공급하기 위한 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력(LVDC)을 출력하는 차이가 있다.
고압 직류 배전을 위한 종래의 차단기는 가격이 비싸고 사이즈가 크며 상용 제품이 적다는 문제가 존재하였으나, 도 13a 내지 도 13c에 도시된 바와 같이 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)를 배치할 경우, 차단기가 없는 전력 계통 시스템을 구현할 수 있게 되므로, 상기와 같은 문제점을 극복할 수 있게 된다.
도 14a 내지 도 14j는, 도 13a 및 도 13c를 통해 설명한 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(Prop. Motor)(30) 사이에 추가로 배치된 실시예를 도시하고 있다.
먼저, 도 14a를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 14b를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 14b에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전으로 저압 교류 전력을 전달할 수도 있다.
또한, 도 14c 내지 도 14e를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 14c에서는 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 바, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위해서 별도의 전력 변환 장치(40)가 추가로 필요한 점을 확인할 수 있다.
반면에, 도 14d 및 도 14e에 도시된 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 다중 출력단을 가지므로, 서비스 부하에 전력을 공급하기 위한 별도의 전력 변환 장치가 추가로 필요하지 않은 점을 확인할 수 있다.
참고로, 도 14d에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있는 반면에, 도 14e에서는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있다.
또한, 도 14f 내지 도 14j를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다.
참고로, 전술한 도 14c 내지 도 14e에 도시된 전력 계통 시스템에서 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기로부터 고압 교류 전력을 입력 받아서 고압 직류 전력 및 저압 교류 전력을 출력하는 반면에, 도 14f 내지 도 14j에 도시된 전력 계통 시스템에서 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)는 발전기로부터 고압 교류 전력을 입력 받아서 고압 직류 전력 및 저압 직류 전력을 출력하는 점을 확인할 수 있다.
먼저, 도 14f 및 도 14g를 참조하면, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)가 배치된 전력 계통 시스템에 있어서, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치된 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 14f에서는 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 교류 배전(70)으로 저압 교류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있는 반면에, 도 14g에서는 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 보조 출력단(가령, 제2 출력단)을 통해 저압 직류 배전(80)으로 저압 직류 전력을 전달하는 경우를 도시하고 있다.
또한, 도 14h를 참조하면, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 저압 직류 배전(80)으로 전력이 변환되어 전달되는 점은 공통되지만, 저압 직류 배전(80)으로부터 별도의 인버터를 통해 저압 교류 배전(70)으로 전력이 추가로 전달되는 점에서 차이가 있다. 또한, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템에서는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치되는 반면에, 도 14h에 도시된 전력 계통 시스템에서는 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 추가로 배치되는 차이가 있다.
또한, 도 14i를 참조하면, 도 14f에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 발전기(60) 사이에 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(50)로부터 저압 직류 배전(80)으로 전력이 변환되어 전달되는 점은 공통되지만, 도 14i에서는 저압 직류 배전(80)으로부터 별도의 인버터를 통해 저압 교류 배전(70)으로 전력이 추가로 전달되는 점에서 차이가 있다.
또한, 도 14j를 참조하면, 도 14i에 도시된 전력 계통 시스템과 비교할 때, 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 추가로 배치된 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)가 저압 직류 배전(80)으로 직류 전력을 전달하는 점에서 차이가 있다.
또한, 추진 모터(30)는 대용량의 전력을 필요로 하는데, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따라 고압 직류 배전(20) 및 추진 모터(30) 사이에 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)를 추가로 배치할 경우, 추진 모터(30)에 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 된다.
한편, 도 15a 내지 도 15d는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 필수 부하단(Essential Loads) 및 서비스 부하단(Service Loads)의 그리드가 분리된 전력 계통 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
참고로, 필수 부하단은 선박을 운항함에 있어 필수적으로 사용되는 부하를 의미하며, 서비스 부하단은 상황에 맞게 부하가 가변될 수 있는 부하를 의미한다. 필수 부하단은 전력을 일정하게 공급하고, 서비스 부하단은 전력을 가변적으로 공급할 수 있다.
종래에는 필수 부하단 및 서비스 부하단이 동일한 그리드에 포함되어 있어 서비스 부하단의 제어가 용이하지 않은 문제점이 존재하였다.
반면에, 도 15a 내지 도 15d에서 도시하는 바와 같이 필수 부하단의 그리드(1600) 및 서비스 부하단의 그리드(1700)가 분리될 경우, 서비스 부하단을 용이하게 제어할 수 있게 되므로, 효율적인 전력 관리가 가능해진다.
먼저 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 필수 부하단에 대응되는 제1 그리드(1600) 및 서비스 부하단에 대응되는 제2 그리드(1700)가 전기적으로 분리된 것을 확인할 수 있다.
이때, 제1 그리드(1600)는 고압 직류 배전(1620), 추진 모터(1630) 및 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 그리드(1600)에는 전력을 공급하는 전력 공급원이 추가로 포함될 수 있는데, 일례로, 에너지 저장 시스템(ESS), 연료전지 시스템(SOFC), 디젤 발전기(DG) 및 축 발전기(Large Motor) 중 적어도 일부가 추가로 포함될 수 있다. 이때, 전력 공급원으로부터 공급되는 전력을 고압 직류 배전(1620)으로 전달하기 위한 전력 변환 장치가 사용될 수 있다. 이때, 전력 변환 장치는, 일반적인 인버터, 컨버터 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 출력단 또는 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 사용될 수도 있다. 또한, 제1 그리드(1600)의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)는 도 15b에서 도시하는 바와 같이 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 15a에서 도시하는 바와 같이 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터일 수 있다. 도 15a와 같이 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)가 다중 출력단을 가지는 경우, 추진 모터(30)뿐만 아니라 하위 부하단(1670)에도 동시에 전력을 전달할 수 있게 된다.
또한, 제2 그리드(1700)는 저압 교류 배전(1710), 서비스 부하단(1720) 및 가변속 발전기(1730)를 포함할 수 있다.
한편, 제2 그리드(1700)에 포함된 가변속 발전기(1730)에 문제가 발생하게 되는 경우 서비스 부하단(1720)에 전력이 공급되지 않는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 기본적으로는 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이 제1 그리드(1600) 및 제2 그리드(1700)를 전기적으로 분리하되, 경우에 따라 도 15c 및 도 15d에 도시된 바와 같이 스위칭 동작을 통해 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)에 보조적으로 전달할 수 있다.
일례로, 도 15c에 도시된 바와 같이, 제1 그리드(1600)의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)의 보조 출력단(제2 출력단) 및 제2 그리드(1700) 사이에 스위치(1640)가 배치되어, 비상시에 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)와 공유할 수 있다. 도 15a의 전력 계통 시스템과 비교할 때, 도 15c의 제1 그리드(1600)의 다중 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)의 보조 출력단 쪽에 스위치(1640)가 추가된 점을 확인할 수 있다. 참고로, 도 15c에서는, 제1 그리드(1600)의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)가 제2 그리드(1700)에 저압 교류 전력을 전달하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 제1 그리드의 모듈형 멀티레벨 컨버터(1610)는 제2 그리드에 저압 직류 전력을 전달할 수도 있다.
다른 예로, 도 15d에 도시된 바와 같이, 제1 그리드(1600)의 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1650) 및 고압 직류 배전(1620) 사이에 스위치(1640)가 배치되어 비상시에 제1 그리드(1600)의 전력을 제2 그리드(1700)와 공유할 수 있다. 도 15b의 전력 계통 시스템과 비교할 때, 도 15d의 제1 그리드(1600)의 고압 직류 배전(1620)에 스위치(1640)가 추가로 연결되고, 해당 스위치(1640) 및 제2 그리드(1700) 사이에 단일 출력단을 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1650)가 추가로 배치된 것을 확인할 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.

Claims (12)

  1. 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터;
    상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력단으로부터 교류 전력을 공급받는 추진 모터; 및
    상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 직류 전력을 공급하기 위한 고압 직류(Medium-Voltage Direct Current) 배전
    을 포함하는 전력 계통 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압 직류 배전으로부터의 직류 전력을 제1 서비스 부하 배전으로 전달하기 위한 전력 변환 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는 제1 전력 변환 장치 및 제2 전력 변환 장치를 포함하고,
    상기 제1 서비스 부하 배전은 제1 직류 서비스 부하 배전 및 제1 교류 서비스 부하 배전단을 포함하며,
    상기 제1 전력 변환 장치는, 상기 고압 직류 배전으로부터의 직류 전력을 변환하여 상기 제1 직류 서비스 부하 배전으로 전달하고,
    상기 제2 전력 변환 장치는, 상기 제1 직류 서비스 부하 배전으로부터의 직류 전력을 변환하여 상기 제1 교류 서비스 부하 배전으로 전달하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압 직류 배전을 통해 상기 제1 모듈형 멀티레벨 컨버터에 공급되는 직류 전력은, 에너지 저장 시스템, 연료 전지 시스템 및 발전기 중 적어도 하나에 의해 직간접적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 발전기 및 상기 고압 직류 배전을 전기적으로 연결하며, 적어도 하나의 출력단을 갖는 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제3 출력단, 및 제2 서비스 부하 배전에 교류 전력을 출력하기 위한 제4 출력단을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제4 출력단 및 상기 제2 서비스 부하 배전은 절연 변압기를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 절연 변압기는, 2권선 변압기 및 3권선 변압기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 모듈형 멀티레벨 컨버터는, 상기 고압 직류 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제5 출력단, 및 제2 서비스 부하 배전에 직류 전력을 출력하기 위한 제6 출력단을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제6 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨은 상기 제5 출력단을 통해 출력되는 직류 전력의 전압 레벨보다 낮은 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압 직류 배전에 연결되어, 타 전력 계통 시스템과 직류 전력을 교환하기 위한 버스 타이를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 시스템.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 하나의 항에 따른 전력 계통 시스템이 적용된 선박.
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