KR20240061631A - 직류 추진 선박용 발전 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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김상현
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김재우
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에이치디한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 직류 전력 기반의 직류 추진 선박용 발전 장치 및 이의 제어 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치는 교류 전압을 발생시키는 동기 발전기, 상기 동기 발전기의 출력단에 연결되어 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터, 및 상기 동기 발전기의 고정자의 자속이 일정 자속으로 유지되도록 계자 전류를 제어하는 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)를 포함하고, 상기 동기 발전기의 회전 속도를 측정하는 센서가 생략될 수 있다.

Description

직류 추진 선박용 발전 장치 및 그의 제어 방법{POWER GENERATION DEVICE FOR DIRECT CURRENT PROPULSION SHIPS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 직류 추진 선박용 발전 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박 등의 다양한 전기 장치에 의해 소비되는 전기 에너지를 생산하기 위해 발전기를 포함한 전기 추진 시스템이 사용된다.
생성된 전기 에너지는 선박의 추진 및 선박 작동과 관련된 다양한 부품 및 시스템에 전원을 공급하는데 필요한 장치에 사용된다. 또한 여객선에서 승객은 전기 장비로 직접 또는 간접적으로 보드에 있는 편의시설을 사용하여 막대한 양의 전기 에너지를 소비한다.
원동기에 연결된 발전기로 AC 전력을 생산하여 선박에 전기 에너지를 공급하는 것이 알려져 있다. 원동기는 디젤 연료 및 연료 오일과 같은 다양한 에너지 원을 사용하여 발전기의 회전 운동을 생산한다. 생산된 AC 전력은 상이한 목적을 위해 적절한 전압 레벨로 변환된다.
최근 들어, 친환경 이슈와 연료효율 증대를 위해 발전엔진 가변속 운전이 가능한 직류기반 전기추진시스템이 적용되고 있다.
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-194895호
본 발명은 AFE 컨버터를 활용한 직류 추진 선박용 발전 장치 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 AFE 컨버터 및 FCR 모드의 AVR을 이용하여 필터 및 자속 추정 센서 없이 계자 전류를 제어하여 동기 발전기의 자속을 고정하는 장치 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 직류 추진 선박용 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치는 교류 전압을 발생시키는 동기 발전기, 상기 동기 발전기의 출력단에 연결되어 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법은 동기 발전기가 교류 전압을 생성하는 단계, 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터가 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 필터 및 인코더 없이도 AFE 컨버터 및 FCR 모드의 AVR을 이용하여 계자 전류를 제어하여 동기 발전기의 자속을 고정할 수 있다.
도 1a는 종래의 교류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 1b는 종래의 직류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 직류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 시스템의 구성도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 계자 전류를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 컨버터가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 종래의 직류 추진 선박의 발전단의 일 예를 도시한다.
도 1a는 종래의 교류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 1a를 참조하면, 종래의 교류 추진 선박(1)은 엔진(14), 가버너(Governor, GVR)(15), 발전기(11), 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(13), 전력 및 에너지 관리 시스템(Power and Energy Management System, PEMS)(16), 컨버터(17), 인버터(18), 및 모터(19)를 포함할 수 있다.
일반적으로 종래의 선박은 주배전으로 교류전압을 사용하였기 때문에, 발전기(11)에서 출력된 교류 전압을 스위치보드에 전달하기 위하여 별도의 컨버터를 사용할 필요가 없었다. 따라서, 발전기(11)에서 생성된 교류 전압은 AC 스위치보드에 바로 연결되어 부하단 또는 추진 모터 단에 전압을 공급하였다. 이 때, 에너지 효율을 높이기 위해 추진 모터 단에 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(AFE 또는 DFE)(17), 및 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(18)를 함께 사용할 수 있었다. 또한, AVR(13)은 발전기(11)가 생성한 교류 전력의 전압을 안정화하는 기능을 수행할 수 있다.
도 1b는 종래의 직류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
도 1b를 참조하면, 종래의 직류 추진 선박(2)은 발전기(11), 다이오드 프론트 엔드(Diode Front End, DFE) 컨버터(12), 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(13), 엔진(14), 가버너(Governor, GVR)(15), 인버터(18) 및 전력 및 에너지 관리 시스템(Power and Energy Management System, PEMS)(16)을 포함할 수 있다.
발전기(11)는 교류 전압을 생성할 수 있으며, DFE 컨버터(12)는 발전기(11)에서 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 그리고 자동 전압 조정기(13)는 불안정한 전압 변동을 일정하게 자동으로 제어하여 균등한 출력 전압을 공급할 수 있으며 일반적으로는 교류 전압에 사용될 수 있다. 그리고 가버너(15)는 엔진의 회전속도를 제어할 수 있으며, PEMS(16)는 선박의 전반적인 전력 시스템을 제어할 수 있다.
PEMS(16)는 직류 추진 선박(2)의 직류 스위치보드와 연결될 수 있으며, 엔진(14)을 제어하는 가버너(15)에 지시를 전달하여 엔진을 제어할 수 있다.
직류 추진 선박의 발전단에는 발전기(11)에서 생성된 교류 전기를 직류 전기로 변환시키는 컨버터가 필수적이며, 종래의 직류 추진 선박의 발전단(1)은 일반적으로 DFE 컨버터(12)를 사용하였다.
그러나 DFE 컨버터(12)는 회로 구성이 간단하고 가격이 저렴한 장점이 있지만, PEMS(16)가 독립적으로 DFE 컨버터(12)를 제어를 하지 못하기 때문에 정밀제어가 불가하고, 엔진 가변속 제어와 발전기 전압 제어가 커플링되어 있어 제어 방법이 복잡하며, 직류 전압 제어에 한계가 있어 시스템 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박의 발전단의 일 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 직류 추진 선박(3)에 DFE 컨버터 대신 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터(23)를 사용할 수 있다. 그에 따라, 직류 추진 선박(3)은 발전기(21), LCL 필터(22b), 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터(23), AVR(24), 자속 추정 센서(22a)를 포함할 수 있다. 그리고 직류 추진 선박(3)은 엔진(25), GVR(26), 및 PEMS(27)을 더 포함할 수 있다.
AFE 컨버터(23)는 발전단의 역률을 1로 제어하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있으며, 발전기(21)의 자속과 직류 전압을 독립적으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 그에 따라, DFE 컨버터와 달리, AFE 컨버터(23)는 엔진 가변속 제어와 발전기 전압 제어가 디커플링되어 있어 제어 방법이 단순하며, 직류 전압 제어가 용이하여 시스템 안정성이 향상될 수 있다. 또한, DFE 컨버터와 비교하여 AFE 컨버터(23)는 엔진 가동 범위가 증가되므로 가변속을 통한 연료 효율성이 향상될 수 있다.
AFE 컨버터(23)는 PMW 스위칭 동작에 의하여 펄스파를 생성하는데, 종래의 AVR에 적용되는 제어 방식은 AVR 모드(Automatic Voltage Regulator Mode)로, 발전단의 출력 전압이 정현파인 경우에 적용 가능하므로, 펄스파를 정현파로 변환하는 LCL 필터(22b)가 필요하다.
그러나 LCL 필터(22b)를 사용하는 경우 시스템의 부피를 증가시킬 뿐만 아니라 전력손실 및 쿨링(Cooling)에 의한 손실이 발생할 수 있다. 특히, 발전 엔진의 가변속을 통해 효율향상을 기대하는 직류 추진 시스템에서, 주파수와 전압이 엔진 속도에 따라 변하기 때문에 최적의 필터 설계 및 제어가 불가능하다. 따라서, LCL 필터(22b)의 생략이 요구된다.
한편, AFE 컨버터(23)는 발전기(21)의 고정자의 자속을 추정하기 위하여 발전기(회전기)의 회전 위치(position) 및 회전 속도(RPM) 정보가 필요하며, 이를 위해 통상적으로 인코더(Encoder)와 같은 센서가 적용된다. 그리고 센서를 이용하여 획득한 발전기의 회전 위치 및 속도 정보는 AFE 컨버터(23)의 입력으로 들어가게 되나, 고주파 영역에서 스위칭하는 컨버터에 있어서 노이즈에 취약한 단점이 있다. 또한 해당 케이블 손실 시 시스템은 운영이 불가능하다. 따라서, 인코더와 같은 자속 추정 센서의 생략이 요구된다.
또한, 중소형 선박의 경우 공간이 협소하기 때문에 인코더와 필터를 제거하여 발전단의 부피를 줄일 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박의 일 예를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에서는 엔진 가변속 제어와 발전기 전압 제어가 커플링되어 있어 제어 방법이 복잡하며, 직류 전압 제어에 한계가 있어 시스템 안정성이 떨어지는 DEF 컨버터 대신, 엔진 가변속 제어와 발전기 전압 제어가 디커플링되어 있어 제어 방법이 단순하며, 직류 전압 제어가 용이한 AFE 컨버터를 이용한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박(4)은 AVR이 AVR 모드가 아닌 FCR 모드(Field Current Regulator Mode) 모드로 동작함으로써, 도 2의 자속 추정 센서(22a)와 LCL 필터(22b)를 생략 가능하다.
도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 AVR이 AVR 모드로 동작하는 경우, AVR은 능동소자의 PWM(pulse width modulaton) 스위칭에 의하여 지령전압을 생성하기 때문에 스위칭에 의한 고조파 성분을 생성하게 된다. 따라서, 노이즈를 제거하여 정현파로 변환하는 LCL 필터(22b)가 필요하다.
반면, AVR(24)이 FCR 모드(Field Current Regulator Mode)로 동작하는 경우, 계자 전류로 지령을 계산하여 AVR로 전달하기 때문에, LCL 필터(22b)를 생략할 수 있다. 그에 따라, 직류 추진 선박의 발전단(2)의 동작 효율성이 향상되고, 발전단의 부피가 감소될 수 있다. 또한, AFE 컨버터(23)가 발전기(21)의 회전자의 각도와 고정자의 자속을 추정하여 자속 제어 신호를 생성함으로써 인코더를 사용하지 않는 센서리스(Sensorless)타입의 시스템을 적용할 수 있다. 그에 따라, 노이즈의 영향이 적고, 케이블 손실에 따른 리스크가 없을 뿐만 아니라, 발전기의 자속을 고정할 수 있는 직류 추진 선박용 발전 장치 및 제어 방법을 제안한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 시스템 (100)은 직류 추진 선박용 발전 장치(110), 부하단(120), 배터리 시스템(130), 모터 부하단(140), 버스-타이(150) 및 직류 스위치보드(160)를 포함할 수 있다.
직류 추진 선박용 발전 장치(110)는 교류 전력을 생성하여 직류 전력으로 변환하고, 직류 스위치보드(160)를 통해 필요한 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다.
부하단(120)은 직류 스위치보드(160)를 통해 직류 전력을 공급받아 사전에 설정된 동작을 수행할 수 있다.
배터리 시스템(130)은 직류 스위치보드(160)를 통해 직류 전력을 공급받아 혹은 제공하여 전력을 충방전할 수 있다.
모터 부하단(140)은 직류 스위치보드(160)를 통해 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하여 선박의 추진 등에 이용되는 모터를 구동시킬 수 있다.
상술한 직류 추진 선박용 발전 장치(110), 부하단(120), 배터리 시스템(130) 및 모터 부하단(140)는 복수개 구비될 수 있으며, 직류 스위치보드(160)는 직류 추진 선박용 발전 장치(110)로부터의 직류 전력을 부하단(120), 배터리 시스템(130) 및 모터 부하단(140)에 각각 공급할 수 있다. 그리고 버스-타이(150)는 직류 스위치보드(160) 사이에 배치되어 고장 등의 이상 상태가 발생되면 전력의 전달을 차단할 수 있다.
이하에서는 설명하는 본 발명은 직류 추진 선박용 발전 장치(110) 및 그의 제어 방법 관한 것으로, 직류 추진의 장점을 살리고 엔진의 가변속 운전을 효율적으로 하기 위한 구조 및 제어 방법을 제시한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치(110)는 AFE 컨버터(111), 동기 발전기(112), 및 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(113)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치(110)는 직류 스위치보드(160)의 전압 또는 AFE 컨버터(111)의 출력 직류 전압이 일정하게 유지되도록 피드백 제어할 수 있다. AFE 컨버터(111)는 동기 발전기(112)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 스위치보드(160)에 공급할 수 있으며, AFE 컨버터(111)의 출력 직류 전압은 직류 스위치보드(160)의 공급 전압과 동일할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치(110)는 동기 발전기(112)의 자속을 일정하기 유지하기 위해 피드백 제어할 수 있다.
AFE 컨버터(111)는 동기 발전기(112)의 출력단에 연결되어 역률을 '1'로 제어하여 동기 발전기(112)에서 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다. AFE 컨버터(111)는 일반적인 다이오드 프론트 엔트(Diode Front End; DFE) 타입의 정류기와 다르게 발전기의 자속(Flux)과 직류 전력을 독립적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 AFE 컨버터(111)는 동기 발전기(112)의 고정자(stator)의 자속(flux)를 추정하여, 고정자의 자속을 고정으로 제어하도록 하는 자속 제어 신호를 생성하여 AVR(113)에 전달할 수 있으며, AVR(113)은 자속 제어 신호에 따라 동기 발전기(112)의 계자 전류를 제어할 수 있다. 자속 제어 신호는 계자전류 레퍼런스 값을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, AFE 컨버터(111)가 자속을 추정하고, 자속 제어 신호를 출력할 수 있으므로 동기 발전기의 회전속도(rpm)를 추정하는 센서를 생략할 수 있다. 상기 자속 추정 센서는 동기 발전기의 회전자의 회전 속도를 측정하는 인코더를 포함할 수 있다.
동기 발전기(112)는 기계 동력을 전기 출력으로 변환하는 동기 교류 발전기로서, 고정자와 회전자를 포함할 수 있다. 고정자는 전기자 권선이 되어 있으며, 유기기전력을 얻는 부분일 수 있다. 그리고 회전자는 계자 권선이 되어있으며, 자계를 발생시킬 수 있다. 또한, 동기 발전기(112)는 회전자의 기계적 회전과 고정자의 회전 자계가 같은 회전수를 가지며, 회전 속도는 전기자에 유도되어 흐르는 전류의 주파수에 비례할 수 있다.
일 실시예로, 동기 발전기(112)는 권선형 교류 동기 발전기(Wound Rotor Synchronous Generator; WRSG)로 구성될 수 있으며, 권선형 교류 동기 발전기는 회전자와 고정자가 모두 3상 권선으로 구성된 형태를 가질 수 있다.
자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(113)는 동기 발전기(112)의 자속을 제어하기 위해 계자전류를 제어할 수 있다. AVR(113)은 계자전류 레퍼런스 값을 포함하는 자속 제어 신호에 기초하여 계자 전류를 제어하기 위한 계자 전류 제어 신호를 생성할 수 있다. AVR(113)은 자속을 추정한 결과를 바탕으로 동기 발전기(112)의 자속을 일정하게 유지하고자 계자 전류 제어 신호를 생성할 수 있고, 계자 전류 제어 신호는 계자전류 참조값을 포함할 수 있다. 그 결과 동기 발전기(112)의 고정자의 자속이 일정 자속으로 유지되고 이를 기반으로 전압을 일정하게 제어할 수 있다. 일정 자속은 기 설정된 특정 값일 수도 있고, 기 설정된 범위 내의 값일 수도 있다. 또한, 본 명세서 또는 청구항에서 일정하게 유지하는 것은 일정 범위에서 유지 하는 것을 포함하는 것으로 해석될 수 있다. AVR(113)은 통상적인 교류 발전 장치에서 사용되는 AVR(113)과 동일한 하드웨어로 구성될 수 있다.
AVR(113)은 제어 방법에 따라 FCR 모드(Field Current Regulator Mode)와 AVR 모드(Automatic Voltage Regulator Mode)로 나뉠 수 있다. AVR 모드는 자동으로 발전기의 전압을 제어하는 모드이고, FCR 모드는 수동으로 발전기의 전류를 제어하는 방법을 의미할 수 있다. AVR 모드는 발전기의 단자 전압을 제어하는 모드이고, FCR 모드는 발전기의 계자 전류를 제어하는 모드를 의미할 수 있다. 통상적으로는 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR 모드가 적용될 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서는 발전기의 계자 전류를 제어할 수 있는 계자 전류 조정(Field Current Regulator; FCR) 제어 모드가 적용될 수 있다. AVR(113)은 계자 전류를 컨트롤할 수 있는 FCR 제어 모드를 이용하여 동기 발전기(112)의 자속을 일정하게 제어하고, 전압을 일정하게 제어할 수 있다. AVR(113)이 FCR 제어 모드로 동작함에 따라 계자 전류를 이용하여 자속을 제어하기 때문에, 출력 단자 전압과 계자 전류를 독립적으로 제어할 수 있다.
도 6을 참조하면, AFE 컨버터(111)는 전압 제어기(111a), 전류 제어기(111b), 위상 고정 회로(Phase Locked Loop, PLL)(111c), 자속 제어기(111d), PWM 제어기(111e), 및 자속 추정기(111f)를 포함할 수 있다.
전압 제어기(111a)는 AFE 컨버터(111)의 출력단의 직류 전압을 일정 전압으로 유지하기 위한 전류 레퍼런스 값()을 계산할 수 있다. AFE 컨버터(111)의 출력단은 직류 스위치 보드(도 4의 160)를 의미할 수 있다. 전류 레퍼런스 값()은 레퍼런스 전압()과 직류 스위치 보드(도 4의 160)의 전압()을 이용하여 계산될 수 있다. 레퍼런스 전압()은 직류 스위치 보드(도 4의 160)가 일정하게 유지되어야 하는 목표 전압일 수 있다. 전류 레퍼런스 값()은 고정 기준 좌표계(Stationary reference frame)의 Q축 전류 레퍼런스 값일 수 있다.
전류 제어기(111b)는 전류 레퍼런스 값()과 동기 발전기(112)의 출력단의 실제 전류 값()을 이용하여 전압 레퍼런스 값()을 계산할 수 있다. 전압 레퍼런스 값()은 직류 스위치 보드(도 4의 160)의 전력을 제어하기 위해 요구되는 값일 수 있다. 전류 제어기(111b)에서 이용되는 동기 발전기(112)의 출력단의 실제 전류 값()은 위상 고정 회로(111c)에서 추정된 회정자의 각도를 반영하여 변환된 값일 수 있다.
위상 고정 회로(111c)는 동기 발전기(112)의 회전자의 각도를 추정할 수 있다. 위상 고정 회로(111c)는 자속 추정기(111f)가 추정한 자속을 이용하여 회전자의 각도를 추정할 수 있다. 예를 들어, 위상 고정 회로(111c)는 추정한 자속을 회전 변환하여 회전자의 각도를 추정할 수 있다. 위상 고정 회로(111c)는 추정한 회전자의 각도를 자속 추정기 (111f)에 입력할 수 있다.
자속 추정기(111f)는 전류 제어기(111b)로부터 전압 레퍼런스 값()을 입력받을 수 있다. 자속 추정기(111f)는 전압 레퍼런스 값()에 위상 고정 회로(111c)가 추정한 회전자의 각도를 적용하여 위상각 적용 전압()을 산출할 수 있다. 자속 추정기(111f)는 위상각 적용 전압()을 abc상으로 변환할 수 있고, 변환된 위상각 전용 전압()을 PWM제어기(111e)에 입력할 수 있다.
자속 추정기(111f)는 동기 발전기(112)의 고정자의 자속을 추정할 수 있다. 자속 추정기(111f)는 위상 고정 회로(111c)가 추정한 회전자의 각도를 이용하여 자속을 추정할 수 있다. 보다 구체적으로 자속 추정기(111f)는 위상 고정 회로(111c)가 추정한 회전자의 각도가 적용된 위상각 적용 전압()을 적분하여 자속을 산출할 수 있다. 자속은 동기 발전기(112)의 고정자의 고정 기준 좌표계(Stationary reference frame)에 대한 D축 자속일 수 있다. 자속 추정기(111f)는 추정된 자속을 위상 고정 회로(111c) 및 자속 제어기(111d)에 입력할 수 있다.
자속 추정기(111f)는 동기 발전기의 출력 전류()에 위상 고정 회로(111c)가 추정한 회전자의 각도를 적용하여 변환하고, 전류 제어기(111b)에 입력할 수 있다. 그에 따라, 전류 제어기(111b)는 추정된 동기 발전기의 회전자의 각도가 적용된 동기 발전기의 출력 전류()를 이용하여 추정된 동기 발전기의 회전자의 각도가 반영된 전압 레퍼런스 값()을 계산할 수 있다.
자속 제어기(111d)는 위상각 적용 전압()에 기초하여 자속 제어 신호()를 생성할 수 있다. 자속 제어 신호()는 동기 발전기(112)의 자속을 일정하게 유지하기 위해 필요한 계자 전류의 레퍼런스 값을 포함할 수 있다. 자속 제어 신호()는 전류 신호일 수 있다. 자속 제어기(111d)는 계자 전류 레퍼런스 값을 포함하는 자속 제어 신호()를 AVR(113)로 출력할 수 있다.
PWM 제어기(111e)는 전류 제어기(111b)에서 출력된 전압 레퍼런스 값 및 위상 고정 회로(111c)에서 추정된 회전자의 각도를 이용하여 직류 전압을 합성할 수 있다. PWM 제어기(111e)는 변환된 위상각 적용 전압()을 직류 전압으로 변환하여 직류 스위치 보드(도 4의 160)로 출력할 수 있다.
도 7을 참조하면, AVR(113)은 계자 전류 제어기(Field Current Regulator)(113a) 및 파일럿 익사이터(Pilot Exciter)(113b)를 포함할 수 있다.
계자 전류 제어기(113a)는 AFE 컨버터(111)의 자속 제어기(111d)로부터 자속 제어 신호를 수신할 수 있다. 자속 제어 신호는 발전기의 자속이 일정 자속으로 유지되도록 하는 계자 전류 레퍼런스 값을 포함할 수 있다. 계자 전류 제어기(113a)는 자속 제어 신호를 파일럿 익사이터(113b)에 전달할 수 있다.
파일럿 익사이터(113b)는 계자 전류 제어기(113a)로부터 수신한 자속 제어 신호에 기초하여 계자 전류 제어 신호를 생성할 수 있다. 계자 전류 제어 신호는 계자 전류 지시 값을 포함할 수 있다. 계자 전류 제어 신호는 동기 발전기(112)의 계자 전류를 제어하기 위한 업/다운 값을 포함할 수 있다. 업/다운 값은 계자 전류의 변화량을 대변하는 값일 수 있다. 파일럿 익사이터(113b)는 동기 발전기(112)의 자속이 일정하도록 동기 발전기(112)에 계자 전류 제어 신호를 출력할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 시스템(100)은 도 4 내지 도 6을 통해 설명된 AFE 컨버터(111), 동기 발전기(112) 및 AVR(113)을 포함할 수 있고, 부하단(120) 및 직류 스위치보드(160)를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 계자 전류를 나타내는 도면이다.
도 6과 함께, 도 9 및 도 10을 참조하면, 전류 제어기(111b)의 제어 신호(Vsf dqs)는 다음의 식 1과 같을 수 있다.
(식 1)
여기서, ds 및 qs는 고정 기준 좌표계(Stationary reference frame)에서 D축 전류는 '0'으로 제어하고, Q축 전류는 직류 링크 전압(DC link voltage) 제어를 위해 사용된다.
dsf^-qsf^, de-qe는 추정된 고정자 자속 기준 좌표계(Estimated stator flux reference frame)를 사용하여 고정자(Stator)의 자속(λ^s dqs)을 추정하고 제어할 수 있다.
위상 고정 루프(PLL)(111c)은 발전기의 회전체의 각도(angle)를 추정하는 것으로, 추정된 각도 값으로 자속을 제어할 수 있다.
Ls는 고정자 누설 인덕턴스(stator Leakage inductance)이고, Lm은 상호 인덕턴스(mutual inductanc)로 발전기 파라미터 상수이며 계자전류의 크기를 조절하여 자속을 고정으로 제어할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진용 발전 장치의 컨버터가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상술한 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 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. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 네트워크(1200)을 통하여 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호 접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "컨버터", "액티브 프론트 엔드 컨버터", "전압 제어기", "전류 제어기", "위상 고정 루프(PLL)", "자속 제어기", "PWM 제어기" 및 "주변 회로" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, "컨버터", "액티브 프론트 엔드 컨버터", "전압 제어기", "전류 제어기", "위상 고정 루프(PLL)", "자속 제어기", "PWM 제어기" 및 "주변 회로" 등은 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가변속 범위 확대가 가능하며, 과도상태 응답(response)이 예를 들어 ± 5%로 안정적인 전압 제어가 가능하고, 필터와 엔코더를 제외하여 시스템의 공간 확보가 용이할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, S1010 단계에서, 동기 발전기(112)는 교류 전압을 발생시킬 수 있다.
그리고 S1020 단계에서, 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터는 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다.
또한, S1030 단계에서, AFE 컨버터(111)는 동기 발전기의 고정자의 자속 및 회전자의 각도를 추정할 수 있다.
그리고 S1040 단계에서, 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(113)가 동기 발전기(112)의 고정자의 자속 및 회전자의 각도에 기초하여 고정자의 자속이 일정 자속으로 유지되도록 계자 전류를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법은 전압 제어기(111a)가 AFE 컨버터(111)의 출력단의 직류 전압을 일정 전압으로 유지하기 위한 전류 레퍼런스 값을 계산하는 단계, 및 전류 제어기(111b)가 상기 전류 레퍼런스 값과 동기 발전기(112)의 출력단의 전류 값을 이용하여 전압 레퍼런스 값을 계산하는 단계, 자속 추정기(111f)가 상기 동기 발전기(112)의 고정자의 자속을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 계자 전류를 제어하는 단계는 위상 고정 회로(111c)가 상기 동기 발전기(112)의 회전자의 각도를 추정하는 단계, 자속 제어기(111d)가 상기 동기 발전기(112)의 자속이 일정 자속으로 유지되도록 레퍼런스 계자 전류 값을 포함하는 자속 제어 신호를 생성하여 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(113)에 전송하는 단계; 및 AVR(113)이 상기 레퍼런스 계자 전류 값을 이용하여 상기 동기 발전기(112)의 고정자의 자속이 일정 자속으로 유지되도록 계자 전류를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 직류 추진 선박용 시스템
110: 직류 추진 선박용 발전 장치
111: 액티브 프론트 엔드 컨버터, AFE 컨버터
111a: 전압 제어기
111b: 전류 제어기
111c: 위상 고정 회로(PLL)
111d: 자속 제어기
111e: PWM 제어기
111f: 자속 추정기
112: 동기 발전기
113: 자동 전압 조정기, AVR
113a: 계자 전류 제어기, FCR
113b: 파일럿 익사이터
120: 부하단
130: 배터리 시스템
140: 모터 부하단
150: 버스-타이
160: 직류 스위치보드

Claims (15)

  1. 교류 전압을 발생시키는 동기 발전기; 및
    상기 동기 발전기의 출력단에 연결되어 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 추진 선박용 발전 장치는,
    상기 동기 발전기의 자속 또는 상기 AFE 컨버터의 출력 직류 전압을 일정하게 유지하도록 계자 전류를 피드백 제어하는 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)를 더 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터는,
    상기 동기 발전기의 고정자의 자속을 추정하는 자속 추정기; 및
    상기 추정된 고정자의 자속에 기초하여 상기 동기 발전기의 회전자의 각도를 추정하는 위상 고정 회로(Phase Locked Loop, PLL)를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터는,
    상기 AFE 컨버터의 출력단의 직류 전압을 일정 전압으로 유지하기 위하여 필요한 전류 레퍼런스 값을 계산하는 전압 제어기; 및
    상기 전류 레퍼런스 값과 상기 동기 발전기의 출력단의 전류 값을 이용하여 전압 레퍼런스 값을 계산하는 전류 제어기를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자속 추정기는 상기 전압 레퍼런스 값에 상기 추정된 회전자의 각도를 적용하여 위상각 적용 전압을 산출하고, 상기 산출된 위상각 적용 전압을 적분하여 자속을 추정하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 PWM 제어기를 더 포함하고,
    상기 자속 추정기는 상기 위상각 적용 전압을 abc축으로 변환하여 상기 PWM 제어기로 출력하는
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터는 자속 제어기를 더 포함하고,
    상기 자속 제어기는 상기 추정된 고정자의 자속에 기초하여, 레퍼런스 계자 전류 값을 포함하는 자속 제어 신호를 생성하고, 상기 자속 제어 신호를 상기 AVR에 전송하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 AVR은,
    상기 자속 제어 신호에 기초하여 계자 전류를 제어하는 계자 전류 제어 신호를 생성하고, 상기 계자전류 제어 신호를 상기 동기 발전기로 출력하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 계자 전류 제어 신호는 계자 전류를 제어하기 위한 업/다운 신호를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 동기 발전기는,
    권선형 교류 동기 발전기로 구성되는,
    직류 추진 선박용 발전 장치.
  11. 동기 발전기가 교류 전압을 생성하는 단계;
    액티브 프론트 엔드(Active Front End, AFE) 컨버터가 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계; 및
    자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)를 통하여, 상기 동기 발전기의 자속 또는 상기 AFE 컨버터의 출력 직류 전압을 일정하게 유지하도록 계자 전류를 피드백 제어하는 단계를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터가 상기 동기 발전기의 고정자의 자속을 추정하는 단계; 및
    상기 AFE 컨버터가 추정된 고정자의 자속에 기초하여 상기 동기 발전기의 회전자의 각도를 추정하는 단계를 더 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터가 상기 AFE 컨버터의 출력단의 직류 전압을 일정 전압으로 유지하기 위하여 필요한 전류 레퍼런스 값을 계산하는 단계; 및
    상기 AFE 컨버터가 상기 전류 레퍼런스 값과 상기 동기 발전기의 출력단의 전류 값을 이용하여 전압 레퍼런스 값을 계산하는 단계를 더 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 자속을 추정하는 단계는,
    상기 전압 레퍼런스 값에 상기 추정된 회전자의 각도를 적용하여 위상각 적용 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 위상각 적용 전압을 적분하여 자속을 추정하는 단계를 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 AFE 컨버터가 상기 추정된 고정자의 자속에 기초하여 레퍼런스 계자 전류 값을 포함하는 자속 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 AFE 컨버터가 상기 자속 제어 신호를 상기 AVR에 전송하는 단계를 더 포함하는,
    직류 추진 선박용 발전 장치의 제어 방법.
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