WO2016182115A1 - 선박 및 그 전력 운용 방법 - Google Patents

선박 및 그 전력 운용 방법 Download PDF

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강윤태
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삼성중공업 주식회사
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the present invention relates to a ship and a method for operating the power thereof, and more particularly to a ship including a large capacity battery and a method for operating the power.
  • Rechargeable secondary battery technology is advancing and decreasing in size relative to capacity.
  • ESS energy storage system
  • a vessel performing a dynamic position operation uses thrusters, which are auxiliary power means, to balance the vessel against dynamic changes in the position and angle of the vessel over time.
  • thrusters which are auxiliary power means, to balance the vessel against dynamic changes in the position and angle of the vessel over time.
  • the operation of the thruster for the dynamic position operation of the ship corresponds to the dynamic change of the position and angle of the unspecified ship, it may cause the instantaneous load fluctuation for the load consumed or generated in the ship.
  • the generator in the vessel In order to cope with such fluctuations in the swinging instantaneous load in the vessel, the generator in the vessel must have a margin of supplyable load, for example, to supply a load above the average load consumed by the vessel, Either have a sufficiently large power supply compared to the average load, or additional generators should be generating at minimum load supply.
  • the generator in order to cope with the fluctuation of the instantaneous load, the generator must maintain a power generation state that supplies a relatively low load compared to its capacity, which may cause a fuel economy of the generator.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a vessel including a generator with improved fuel economy.
  • the ship is a power grid; At least one generator connected to the power grid and supplying electricity to the power grid; A large battery connected to the power grid and discharged to receive electricity from the power grid or to discharge power to supply the power grid; A plurality of load elements coupled to the power grid; Receive generator load information from the at least one generator, sense the voltage of the power grid to calculate the current load and the average load, the average load is controlled to the generator to bear, the current load and the average load of The differential load includes a controller for controlling the large capacity battery to bear.
  • the controller controls to discharge the large capacity battery during a time interval in which the current load is larger than the average load, and controls to charge the large capacity battery during a time interval in which the current load is smaller than the average load.
  • the large capacity battery includes a super capacitor.
  • the control unit monitors a first deviation between the amplitude of the voltage of the power grid and the specific amplitude or a second deviation between the frequency of the voltage of the power grid and the specific frequency, wherein the control unit is based on the first deviation or the second deviation.
  • the difference between the current load and the total operating load of the plurality of generators is further calculated.
  • the controller generator load control unit for transmitting a generator control signal to a plurality of generators and receives generator load information from the plurality of generators;
  • a load calculator configured to receive generator load information from the generator load controller and calculate an average load and a current load based on the voltage of the power grid detected by the sensor;
  • a battery control unit which transmits a battery control signal to the large capacity battery and receives information on the current charge level, the number of charge / discharge cycles, the charge and discharge duration of the large capacity battery from the large capacity battery; And providing generator control signals to the respective generators through the generator load control unit to control whether each generator is operating and operating load, and providing a battery control signal to the large capacity battery through the battery control unit to charge or discharge the large capacity battery. It includes a central control unit for controlling.
  • the controller may further include a navigation information DB in which information about sailing scheduling of the ship is recorded, and the central control unit receives information about sailing scheduling of the ship from the navigation DB to set an additional charging time interval of the large capacity battery. do.
  • the central control unit receives the flight information from the flight information DB, calculates the remaining time until arrival on the basis of the received flight information, calculates the average load and the amount of power required during the operation, the average load and charge during the operation Based on the amount of power required, when the at least one generator is operated at the maximum efficiency load, the charging period required to fully charge the large capacity battery is calculated, and the calculated charging period is recorded in the operation information DB to control additional charging of the large capacity battery.
  • the controller sets the charging time interval of the large-capacity battery based on the information about the sailing scheduling of the vessel.
  • the ship is a power grid; First and second generators connected to the power grid and supplying electricity to the power grid; A large battery connected to the power grid and discharged to receive electricity from the power grid or to discharge power to supply the power grid; A plurality of load elements coupled to the power grid; Receiving generator load information from the first and second generators, sensing the voltage of the power grid to calculate a current load and an average load, and controlling the average load so that the first and second generators bear the
  • the difference load between the current load and the average load includes a controller which controls the large capacity battery to bear, wherein the controller starts the second generator when the average load is greater than the maximum efficiency load of the first generator.
  • the controller When the average load is greater than the maximum efficiency load of the first generator, the controller maintains the operating load of the first generator to correspond to the maximum efficiency load of the first generator, and the operating load and the first generator of the first generator.
  • the first generator and the second generator are controlled such that the sum of the operating loads of the second generator corresponds to the average load.
  • the controller maintains the operating load of the first generator to correspond to the maximum efficiency load of the first generator when the average load is greater than the maximum efficiency load of the first generator, and also the operating load of the second generator. Maintain the maximum efficiency load of the second generator.
  • the ship determines the average load and the current load based on the generator load information and the voltage of the power grid, and compares the average load and the maximum efficiency load,
  • the result includes running an additional generator, wherein the current load compares the average load and, accordingly, charges or discharges a large capacity battery.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an exemplary power system of a ship according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating in more detail exemplary configurations of a controller for a power system of a ship according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph showing exemplary current loads of a cruising vessel.
  • FIG. 4 is an enlarged graph of a portion of the graph of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a graph illustrating an example of a running load when an additional generator for the current load shown in the graph of FIG. 4 is started.
  • FIG. 6 is a graph showing the current load shown in the graph of FIG. 4 together with the operation load of the generator of the ship and the charge / discharge load of the large capacity battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing fuel consumption per unit power for the operating load of one generator.
  • FIG. 8 is a graph exemplarily illustrating a change in load over time in an exemplary sailing schedule of a ship according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exemplary diagram illustrating setting a charging period by a controller of a ship according to an embodiment of the present invention with reference to the sailing schedule according to FIG. 8.
  • FIG. 10 is a flow chart illustrating a process in which a controller of a ship according to an embodiment of the present invention sets a charging period with reference to sailing scheduling according to FIG. 8.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a charge / discharge control processor of a controller of a ship according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph illustrating aspects of operating load variation of a plurality of generators of a vessel according to another embodiment of the present invention, with respect to load variation over time of an exemplary vessel.
  • 17 is a view showing a container ship according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view showing an LNG carrier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an exemplary power system of a ship according to an embodiment of the present invention.
  • a ship according to an embodiment of the present invention includes a power grid 100, a plurality of generators G1 to Gn or 500 connected to the power grid 100, and a large capacity battery connected to the power grid 100. 400, a plurality of load elements 600 and a controller 200 connected to the power grid 100.
  • the power grid 100 may correspond to one or more electrical nodes through the power system in the vessel.
  • the power grid 100 may refer to a collection or network of one or more electrical cables capable of forming one or more electrical nodes to power a load element.
  • the power grid 100 is illustrated as forming an AC grid to which an AC voltage is applied.
  • the present invention is not limited thereto, and the power grid 100 may form, for example, a DC grid to which a DC voltage is applied.
  • the plurality of generators G1 to Gn may be connected to the power grid 100 and supply electricity to the power grid 100.
  • the plurality of generators G1 to Gn may be configured of, for example, diesel generators capable of generating a large amount of power of 200KW or more.
  • the generator may also be a gas engine generator which is an internal combustion engine using gaseous fuels such as coal gas, generated gas, liquefied gas (LPG), natural gas and the like.
  • Each generator may generate an AC voltage having a particular voltage level and frequency, and may be self regulated to maintain that particular voltage level and frequency.
  • a diesel generator can self regulate the amount of fuel it consumes to provide an AC voltage with 440V and 60Hz, thereby maintaining the voltage and frequency provided to the power grid 100 at 440V and 60Hz. .
  • the plurality of load elements 600 may be connected to the power grid 100 and may receive power from the power grid 100 to perform corresponding functions of the plurality of load elements 600.
  • the load of the power grid 100 may be interpreted as increased, and the plurality of generators G1 to Gn may be adjusted to provide an operating load corresponding to the increased load. Specifically, when the load of the power grid 100 is increased, the plurality of generators G1 to Gn increase the amount of fuel consumed, thereby increasing the amplitude and frequency of the AC voltage at a specific level and frequency, for example, 440V. And 60 Hz to increase the operating load provided to the power grid 100.
  • the plurality of generators G1 to Gn may receive the generator control signal CS_G from the outside, and the plurality of generators G1 to Gn generate power in response to the received generator control signal CS_G.
  • the operating load corresponding to the amount of power supplied to the power grid 100 may be adjusted.
  • the plurality of generators G1 to Gn may operate in an externally controlled manner to adjust the operating load of the generators G1 to Gn according to an external generator control signal CS_G.
  • the amount of power load generated independently of the instantaneous voltage fluctuation of the power grid 100 network may be maintained externally.
  • the plurality of load elements 600 in the vessel may be various application devices and appliances that connect to and perform functions in the onboard power system.
  • the plurality of load elements 600 may be connected to the power grid 100 through a transformer, and the transformer decompresses or boosts the voltage of the power grid 100, for example, 440V, to the operating voltage of each load element to thereby provide a plurality of load elements. It can be provided to the load element 600 of.
  • the plurality of load elements 600 may include, but are not limited to, onboard device / mechanical loads L0 and a plurality of thrusters L1 to Lm.
  • the onboard appliance / instrument load L0 may be a conventional appliance / instrument operated using electricity in a vessel, and may be, for example, a control system, a household appliance, a lighting, or the like.
  • the plurality of thrusters L1 to Lm may be a combination of an electric motor and a screw providing auxiliary propulsion force in addition to the ship's main propeller, for example, in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the ship at the head of the ship. It may be a bow thruster that provides propulsion or an azimuth thruster that can provide propulsion across all directions.
  • the ship may be a ship that performs a dynamic position operation. That is, the ship according to an embodiment of the present invention uses the thrusters L1 to Lm as auxiliary power means to maintain the equilibrium of the ship with respect to the dynamic change of the ship's position and angle over time. You can control the operation.
  • the plurality of generators G1 to Gn in the vessel must have sufficient margin of the load that can be supplied. For example, in order to supply a load above the average load L_A consumed by the ship, one generator has a power supply capacity large enough compared to the average load L_A, or an additional generator generates at minimum load supply. It must be maintained. For example, among the plurality of generators G1 to Gn, even if the maximum load that the first generator (for example, G1) can supply is equal to or greater than the average load L_A consumed in the ship, it is unspecified for dynamic position control.
  • the second generator (eg G2) needs to remain in the standby state. At this time, the second generator (G2) must maintain a power generation state that supplies a relatively low load compared to its capacity, which may cause a fuel economy of the generator.
  • the large capacity battery 400 may be used to actively cope with the instantaneous load change without using a generator maintaining a standby state.
  • the large capacity battery 400 may be connected to the power grid 100 through a DC to AC transformer or an AC to DC transformer, and may serve as an auxiliary power supply means for the power system in the ship.
  • the large capacity battery 400 may receive power from the power grid 100 to be charged or discharged to supply power to the power grid 100.
  • the large capacity battery 400 may be a lithium ion battery or a super capacitor.
  • the large capacity battery 400 may be one or more of a lithium ion battery and a super capacitor is mounted in the ISO container.
  • the large capacity battery 400 may repeat charging or discharging to maintain or follow a predetermined charging value.
  • the large capacity battery 400 may be self-regulated so as to start charging when the battery 400 is discharged below a predetermined lower charge level and discharge when charged above the predetermined upper limit charge value.
  • the large capacity battery 400 may be self-regulated so as to follow a predetermined charge / discharge target value that varies with time.
  • the large capacity battery 400 may switch the charging or discharging state of the large capacity battery in response to the external battery control signal CS_B. For example, when the battery control signal CS_B corresponding to the charge start signal is applied to the large capacity battery 400, the large capacity battery starts charging.
  • the large capacity battery 400 may be controlled externally so that the large capacity battery 400 starts discharging when the battery control signal CS_B corresponding to the discharge start signal is applied.
  • the plurality of generators G1 to Gn may transmit generator load information L_G about whether each of the generators G1 to Gn is operating and an operating load to the outside, for example, to an external controller 200.
  • the large capacity battery 400 may transmit information regarding the current degree of charge, the number of charge / discharge cycles, the charge and discharge duration of the large capacity battery 400 to the outside, for example, to the external controller 200.
  • the controller 200 may provide a generator control signal CS_G to each generator to control whether the generators G1 to Gn are operated and the degree of the operating load.
  • the controller 200 may provide a battery control signal CS_B to the large capacity battery 400 to control whether the large capacity battery is charged or discharged.
  • the controller 200 may be connected to the power grid 100 through a sensor, and detect the voltage of the power grid 100 by the sensor.
  • the controller 200 receives the generator load information (L_G) from the plurality of generators (G1 ⁇ Gn) and detects the voltage of the power grid 100 to the current load ( L_C) and the average load L_A may be calculated, and the operating load and the charge / discharge of the large capacity battery of each generator may be controlled based on the calculated current load L_C and the average load L_A.
  • L_G generator load information
  • the controller 200 may control at least the operating load L_G1 of the first generator (eg, G1) to correspond to the average load L_A consumed in the power system. That is, the average load L_A can be controlled so that the generator can bear it.
  • the controller 200 discharges the large capacity battery 400 for a time interval in which the current load L_C consumed in the current power system is greater than the average load L_A consumed in the power system, and the current load L_C averages.
  • the large capacity battery 400 may be charged for a time period smaller than the load L_A. That is, the difference load between the current load L_C and the average load L_A may be controlled to accommodate the large capacity battery 400.
  • the current load L_C means the total amount (eg, arithmetic sum) of the load applied to the power grid 100 at the present time.
  • the average load L_A means an average of loads applied to the power grid 100 during at least a predetermined time period before the current time point.
  • the average may be a total load divided by a time during a predetermined time interval.
  • the average may be a simple average or a weighted average.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating exemplary configurations of the controller 200 in more detail for the power system of a ship according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the controller 200 includes a generator load control unit 210, a load calculation unit 220, a central control unit 230, a battery control unit 240, operation information DB 250. can do.
  • the generator load control unit 210 may be an interface that transmits the generator control signal CS_G to the plurality of generators G1 to Gn and receives the generator load information L_G from the plurality of generators G1 to Gn.
  • the generator load controller 210 may transmit the received generator load information L_G to the load calculator 220.
  • the generator load control unit 210 may receive the generator control signal CS_G from the central control unit 230 and transmit it to the plurality of generators G1 to Gn.
  • the plurality of generators G1 to Gn may adjust whether or not each of the generators G1 to Gn operates and a load in response to an external generator control signal CS_G.
  • the sensor 300 may sense a voltage (eg, voltage level, amplitude, frequency, etc.) from the power grid 100, and transmit the sensing value V_Sense to the load calculator 220.
  • a voltage eg, voltage level, amplitude, frequency, etc.
  • the load calculator 220 includes the total operating load of the generators G1 to Gn, the average load L_A of the onboard loads, the current load L_C of the onboard loads, and the difference between the current load L_C and the total operating load, and the like. Can be calculated. ,
  • the load calculator 220 may determine the total operating load currently produced by the generators G1 to Gn based on the received generator load information L_G.
  • the load calculator 220 calculates the average load L_A and the current load L_C based on the sensing value V_Sense of the power grid 100 (ie, the voltage level, amplitude, frequency, and the like). . Subsequently, the average load L_A and the current load L_C calculated by the central controller 230 may be provided.
  • the load calculator 220 monitors a deviation (hereinafter, referred to as an "amplitude deviation") between the amplitude of the voltage of the power grid 100 and a specific amplitude, or the frequency of the voltage of the power grid 100.
  • the deviation between specific frequencies (hereinafter referred to as “frequency deviation”) can be monitored.
  • the specific amplitude and the specific frequency may be, for example, values corresponding to total operating loads currently produced by the plurality of generators G1 to Gn.
  • the current load L_C corresponds to the arithmetic sum of all the loads connected to the power grid 100 at the present time.
  • the "amplitude deviation” may correspond to the difference between the current load L_C and the total operating load.
  • the "frequency deviation” may correspond to the difference between the current load L_C and the total running load.
  • the amplitude of the voltage detected from the power grid 100 may be smaller or the frequency of the voltage may be reduced.
  • the amplitude of the voltage detected from the power grid 100 may increase or the frequency of the voltage may increase.
  • the load calculating unit 220 can calculate the difference between the current load L_C and the total operating load based on the "amplitude deviation" and the "frequency deviation".
  • the load calculator 220 may calculate the average load L_A by averaging arbitrary samples of the current loads L_C calculated before the current time point for an arbitrary time interval.
  • the average load L_A represents the average tendency of the fluctuating current load L_C. It should be interpreted that it can be determined in consideration of the tendency of the current loads L_C at the previous time point and the current time point as well as the average of the current loads L_C at the previous time point.
  • the battery controller 240 transmits a battery control signal CS_B to the large capacity battery 400.
  • the battery controller 240 may be an interface for receiving information about the current charge level, the number of charge / discharge cycles, the charge and discharge durations of the large capacity battery 400 from the large capacity battery 400.
  • the battery controller 240 may transfer the information received from the large capacity battery 400 to the central controller 230.
  • the battery controller 240 may receive the battery control signal CS_B from the central controller 230 and transfer it to the large capacity battery 400.
  • the large capacity battery 400 may switch a charging or discharging state in response to an external battery control signal CS_B.
  • the central control unit 230 may provide the generator control signal CS_G to each of the generators G1 to Gn through the generator load control unit 210, and thus the central control unit 230 may operate and operate each generator.
  • the load can be controlled.
  • the central control unit 230 may provide the battery control signal CS_B to the large capacity battery 400 through the battery control unit 240, and the central control unit 230 may charge or discharge the large capacity battery 400. Can be controlled.
  • the central controller 230 determines whether the respective generators G1 to Gn are operated and the operating load based on the current load L_C and the average load L_A received from the load calculator 220. A corresponding generator control signal CS_G can be generated. In addition, the central controller 230 may determine the charge / discharge timing of the large capacity battery 400 based on the current load L_C and the average load L_A and generate a battery control signal CS_B corresponding thereto.
  • the central controller 230 may control the operation load L_G1 of the at least one generator (eg, G1) to correspond to the average load L_A. That is, when the average load L_A is kept constant or increases or decreases at a moderate speed, the central control unit 230 has a running load corresponding to the load produced by the plurality of generators G1 to Gn.
  • the generator control signal CS_G may be generated to provide the generator control signals CS_G to be matched with or close to the generators G1 to Gn.
  • the central controller 230 may compare the current load L_C and the average load L_A, and the battery control signal instructing discharge of the large capacity battery during a time interval in which the current load L_C is larger than the average load L_A.
  • CS_B may be provided to the large capacity battery 400.
  • the battery control signal CS_B indicating the charge of the large capacity battery 400 may be provided to the large capacity battery during a time interval in which the current load L_C is smaller than the average load L_A load.
  • the central control unit 230 controls the operation load produced by the generators G1 to Gn to follow the average load L_A, for example, the current load L_C induced at an unspecified time point by the thruster.
  • the fluctuation of can be compensated by charging and discharging the large capacity battery. A more detailed description in this regard will be described later with reference to FIGS. 3 to 7.
  • the flight information DB 250 may be a database in which information S_I relating to the sailing scheduling of a ship is recorded.
  • the navigation information DB 250 may provide the central control unit 230 with information S_I related to the sailing scheduling of the ship, and the central control unit 230 may add the large capacity battery 400 in consideration of the sailing scheduling of the ship. Charge or discharge time interval can be set.
  • FIG. 3 is a graph showing an exemplary current load of a cruising vessel.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a portion of the graph of FIG. 3.
  • the graph of the ship's current load L_C over time may have a smoothing interval S_P that is maintained at a constant value.
  • the unit of the load (%) on the vertical axis is assuming that the maximum operating load that one generator among the plurality of generators G1 to Gn can produce is 100%, and the horizontal axis is seconds. Time in (sec) units.
  • the graph of the current load L_C of the ship may have a swing period F_P that swings with respect to time during a particular time interval.
  • the maximum value Max_P of the current load L_C of the swinging section is 130% and the minimum value Min_P is illustrated as 60%.
  • the average load L_A of the cruising vessel is illustrated at 80%.
  • the average load L_A of the cruising vessel is 80%, which is within the range of the operating load that at least one generator can produce, only one generator generates power during the smoothing period S_P. Powering the power system may be efficient.
  • the present invention proposes to control charging and discharging of an operating load of a generator and a large capacity battery based on an average load L_A and a current load L_C as another approach for supplying insufficient power in the rocking section F_P. .
  • an average load L_A and a current load L_C as another approach for supplying insufficient power in the rocking section F_P.
  • FIG. 5 is an exemplary graph showing the operating load when an additional generator is started, with respect to the current load shown in the graph of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a graph showing the present load shown in the graph of FIG.
  • FIG. 7 is a graph showing the operating load of a generator of a ship and the charge / discharge load of a large capacity battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating fuel consumption per unit of electric power for the operating load of one generator.
  • the sum of the movable load L_G1 of the first generator G1 and the movable load L_G2 of the second generator G2 may correspond to the current load L_C.
  • the second generator G2 may maintain, for example, 20% of the operational load in order to correspond to the change in the current load L_C in the swinging section.
  • the first generator G1 may have a 60% operating load in the smoothing section, may repeat the increase and decrease of the operating load in the swinging section F_P, and the current load L_C of the rocking section F_P. At the point where D has the maximum value, the first generator G1 may have a maximum operating load Max_P_G1 approaching 100%.
  • the second generator G2 may maintain a 20% operating load state as a standby state, and the second generator may generate a maximum operating load Max_P_G2 of about 30% at a point where the current load L_C of the swing section becomes maximum. Can have
  • the maximum efficiency adverb is the operating load at the point where the fuel economy is maximized.
  • the diesel generator can be seen that the fuel economy increases as the operating load increases closer to the maximum efficiency load.
  • the first generator G1 has an approximately 60% operational load in the smoothing period S_P and the second generator G2 has an approximately 20% operational load in the smoothing period S_P. . That is, as shown in Figure 4, although the average load (L_A) of the on-board power system is 80%, the second generator is about 20% of the operating load to cope with the current load (L_C) fluctuation of the swing section
  • the first generator maintains 60% of the operating load state. For a load that can be supplied to one generator (for example, G1), supplying the operating load by the two generators G1 and G2 is interpreted as reducing the operating load of each of the generators G1 and G2. . That is, referring to FIG. 7, it can be seen that fuel economy of the generators G1 and G2 is reduced.
  • the second generator G2 which maintains the standby state, may have an operating load of approximately 20%, which is the lowest operating load state to maintain starting, and it is understood that this is an operating load that generates the lowest fuel economy from FIG. 7. Can be.
  • the controller 200 of the ship calculates the average load (L_A) and the current load (L_C), the operating load (L_G1) of the first generator (G1) May be controlled to correspond to the average load L_A. That is, as shown in FIG. 6, when the average load L_A is 80%, the first generator G1 may have an operating load L_G1 of 80%, which is the flat section S_P and the rocking section. Maintained at (F_P)
  • the controller 200 discharges the large capacity battery 400 during the time interval in which the current load L_C is greater than the average load L_A, and the large capacity battery (for the time interval in which the current load L_C is less than the average load L_A).
  • the large capacity battery can be controlled to charge 400).
  • the operating load of the operating load L_G1 of the first generator G1 is maintained at an 80% level close to the average load L_A.
  • the large capacity battery may be discharged to supply power to the power system during a time period (+) in which the current load L_C is greater than the average load L_A.
  • the large capacity battery may be charged and supplied with power from the power system during the time interval ( ⁇ ) in which the current load L_C is smaller than the average load L_A.
  • the remaining generator G2 may not be driven.
  • One generator G1 may bear the average load L_A, and the remaining load may be handled by a large capacity battery. Thus, the remaining generator G2 does not need to be driven with a low operating load of approximately 20%.
  • the vessel according to an embodiment of the present invention can secure sufficient margin for any load requirement without the start of an additional generator, with respect to the average load (L_A) within the maximum operating load range of one generator, the additional generator It is possible to avoid the reduction of fuel consumption due to the use of.
  • At least one generator (eg G1) has a running load corresponding to the average load L_A. Therefore, it is possible to suppress the sudden acceleration / deceleration of the generator since it has a change in the operating load which is constant with time or has a low inclination with time. This can be expected to suppress the aging of the generator.
  • the vessel when the vessel performs a dynamic position operation, it is very important that the generator is responsible for the average load L_A, and that the large capacity battery is responsible for the difference load between the current load L_C and the average load L_A. Can be effective.
  • the dynamic position operation is to maintain a position even under the influence of tidal currents, wind, and digging so that ships such as drillships can anchor in the sea's working area, for example. This is because, in dynamic position operation, the average load L_A is empirically constant, and instantaneous loads are often generated by sudden tidal currents, winds, and waves.
  • a large capacity battery may use a supercapacitor. This is because, in the dynamic position operation, the energy storage capacity does not have to be large, but the instantaneous output has to be large.
  • the ship according to an embodiment of the present invention it is possible to install a generator (G1) whose operating load corresponds to the average load (L_A) measured in advance during normal cruise.
  • G1 whose operating load corresponds to the average load (L_A) measured in advance during normal cruise.
  • at least one of the generators during cruising may be close to the maximum efficiency load at which its operational load is possible, thereby improving fuel economy of the ship's operation.
  • FIG. 8 is a graph exemplarily illustrating a change in load over time in an exemplary sailing schedule of a ship according to an embodiment of the present invention.
  • 9 is an exemplary diagram illustrating setting a charging period by a controller of a ship according to an embodiment of the present invention with reference to the sailing schedule according to FIG. 8.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a process in which a controller of a ship according to an embodiment of the present invention sets up a charging period with reference to information about navigation scheduling according to FIG. 8.
  • the horizontal axis is a time axis and a unit is day.
  • the vertical axis represents the total load consumed in the power system of the ship and the unit is%. At this time, 100% represents the maximum load that one generator of the ship can produce.
  • a general operation schedule of a ship may be classified into a departure port, a cruise ship, and a arrival port based on a change in the consumed load.
  • a plurality of inboard vessels may maintain a total operating state, and thus the consumption load of the ship may be sharply increased. During cruising it can require a relatively constant and low power load.
  • the controller 200 may provide information S_I, information about a charge level of a battery, and an average load L_A of the navigation scheduling of the flight information DB 250. ), An additional charge / discharge time interval of the large capacity battery may be set.
  • any time before the port entry illustrates a time interval, and at this time, the average load L_A of the power system in the ship is illustrated as 60%.
  • the central controller 230 of the controller 200 may receive the flight information from the flight information DB 250 (1210). At this time, the controller 200 may calculate the remaining time until arrival based on the navigation information.
  • the controller 200 may calculate an average load L_A and an amount of power required for charging in operation 1220. Specifically, the controller 200 may calculate the amount of power required for the buffering based on the information on the degree of charge of the battery.
  • the controller 200 may calculate a charging period based on the average load L_A and the amount of power required for the operation (1230). Specifically, the controller 200 may at least based on the amount of power required for the calculated buffer. It is possible to determine the charging period required for full charge when one generator is running at maximum efficiency load.
  • the controller 200 reflects the calculated charger to the navigation information DB 250 to perform additional charge / discharge control (1240). At this time, the controller 200 controls the at least one generator to operate at the maximum efficiency load at a time when at least the determined charging period is not greater than the remaining time until the calculated arrival time based on the remaining time until the calculated arrival time. It can be charged.
  • the ship according to an embodiment of the present invention can perform the charging by operating the generator at the maximum efficiency load in performing the charging of the large-capacity battery required for arrival and departure thereafter, thereby charging the large-capacity battery. Can improve the fuel economy required.
  • 11 is a flowchart illustrating a charge and discharge control process of the controller 200 of the ship according to another embodiment of the present invention.
  • the controller may determine the average load L_A and the current load L_C based on the generator load information L_G and the voltage of the power grid 100 (810). ).
  • the controller 200 may compare the average load L_A with the maximum efficiency load (eg, 80%) (820).
  • the value of the maximum efficiency load (80%) can be changed depending on the generator.
  • the controller 200 compares the magnitude of the average load L_A and the maximum efficiency load, but in another embodiment, the controller 200 is at least one of the average load L_A. You can also compare the generator's maximum operating load.
  • the controller 200 starts additional generators (840). .
  • the controller 200 compares the magnitude of the current load L_C and the average load L_A ( 830).
  • the controller 200 charges the large capacity battery (860). If the current load L_C is greater than or equal to the average load L_A ("Y"), the controller 200 discharges the large capacity battery (850).
  • the process may return to the step of block 810, and the charge / discharge control of the controller 200 may continue to be repeated.
  • FIG. 12 is a graph illustrating aspects of operating load variation of a plurality of generators G1 to Gn of a vessel according to another embodiment of the present invention, with respect to load variation over time of an exemplary vessel.
  • the controller 200 sets the movable load L_G1 of the first generator G1 to the first generator G1. Maintain the maximum efficiency load of.
  • the first generator G1 and the second generator G2 are configured such that the sum of the movable load L_G1 of the first generator G1 and the movable load L_G2 of the second generator G2 corresponds to the average load L_A. Can be controlled.
  • the controller 200 independently of the change in the current load (L_C) over time, the operating load (L_G1) of the first generator (G1) to the maximum efficiency load (about 80% of the first generator (G1)) ) Can be maintained.
  • the controller 200 independently of the change in the current load (L_C) over time, the sum of the operating load (L_G1) of the first generator (G1) and the operating load (L_G2) of the second generator (G2) is averaged.
  • the movable load L_G2 of the second generator G2 may be maintained at (eg, 70%) corresponding to the load L_A.
  • the controller 200 may control the first generator G1 and the second generator G2 such that the operating loads of the first generator G1 and the second generator G2 correspond to the maximum efficiency load, respectively.
  • the controller 200 may control both the first generator G1 and the second generator G2 to operate at 80% operational load.
  • the controller 200 may control the operating load L_G1 of the first generator G1 and the operating load L_G2 of the second generator G2 to be the same. That is, when the average load L_A is 150%, the movable load L_G1 of the first generator G1 and the movable load L_G2 of the second generator G2 may be 75%, respectively.
  • the said operating load is called "split efficiency load.”
  • the controller 200 may discharge the large capacity battery (see 400 of FIG. 2) when the current load L_C is greater than the average load L_A, and the current load L_C may be smaller than the average load L_A. When the large capacity battery 400 can be charged.
  • At least one generator (eg G1) produces power with a maximum efficiency load or split efficiency load, while the other generator (eg G2) has the maximum possible efficiency. Since power is generated by a load close to the load or a split efficiency load, it is possible to improve the fuel economy of the generator of the ship.
  • the power is produced with at least one maximum efficiency load and the sum of the operating loads of at least one generator (eg G1) and the other generator (eg G2) Is maintained to correspond to the average load L_A, i.e., the sum of the operating loads is constant with time or has a low slope with respect to time, thereby suppressing the rapid acceleration and deceleration of the generator, which can suppress the aging of the generator. Can be.
  • 13 to 15 are diagrams showing the sequential operation of the generator in accordance with the change in the average load (Pc).
  • the average load Pc is varied as o-> a-> b-> c-> d-> e, and each generator Pg1, Pg2, Pg3 is changed according to the average load Pc. It shows the operation started and stopped in sequence.
  • the first generator Pg1 starts operation.
  • the first generator Pg1 may perform an operation with a movable load of a predetermined size, and FIG. 13 illustrates that the first generator Pg1 operates with an operating load of 80%. In this case, power generated by the first generator Pg1 may remain, and the remaining power may be accumulated in the large capacity battery 400.
  • the second generator Pg2 When the first reference P1 is exceeded at point a, the second generator Pg2 starts operation.
  • the second generator Pg2 may also perform an operation with a movable load of a predetermined size, and FIG. 13 illustrates that the second generator Pg2 operates with an 80% operating load. In this case, power generated by the second generator Pg2 may remain, and the remaining power may be accumulated in the large capacity battery 400.
  • the third generator Pg3 When the second reference P2 is exceeded at point b, the third generator Pg3 starts operation.
  • the third generator Pg3 may also perform an operation with a movable load of a predetermined size, and FIG. 13 shows that the third generator Pg3 operates with an operating load of 80%.
  • the 80% of the movable load by the first generator Pg1, the second generator Pg2, and the third generator Pg3 may be the maximum efficiency load described above.
  • the third generator Pg3 stops the operation when the average load Pc is maintained without large fluctuation from the point b and falls below the second reference P2 at the point c.
  • the second generator Pg2 stops operation when the average load Pc continuously decreases from the point c and becomes less than the first reference point P1 at the point d. Similarly, between point c and point d, power generated by the second generator Pg2 may remain, and the remaining power may accumulate in the large capacity battery 400.
  • the first generator Pg1 stops operating. Similarly, between the d point and the e point, power generated by the first generator Pg1 may remain, and the remaining power may accumulate in the large capacity battery 400.
  • the start and stop of operation of each generator may be performed according to the scheduling result by the central controller 230.
  • the first generator Pg1 when the average load Pc is less than the first criterion P1, only the first generator Pg1 operates, and when the average load Pc is greater than the first criterion P1, the first load Pc is less than the second criterion P2.
  • the first generator Pg1 and the second generator Pg2 operate, and the average load Pc exceeds the second reference P2, the first generator Pg1, the second generator Pg2, and the third generator ( Pg3) is scheduled to operate.
  • Each generator (Pg1, Pg2, Pg3) can be induced to operate at the maximum efficiency load, thereby maximizing efficiency.
  • the remaining power can be easily responded to instantaneous load fluctuations by charging the battery 400.
  • FIG. 13 shows that the operation stop of the generator is performed in the reverse order of the start of operation. That is, FIG. 13 shows that the first generator Pg1 that started the operation first stops the operation and the third generator Pg3 that started the operation stops the operation first.
  • the operation of the generator may be stopped according to the order of starting the operation or according to the elapsed time of the operation of the generator.
  • the average load Pc is varied as o-> a-> b-> c-> d-> e, and each generator Pg1, Pg2, Pg3 is changed according to the average load Pc. It shows the operation started and stopped in sequence.
  • the first generator Pg1 that has started the operation first stops the operation first
  • the operation start and operation stop of the generator may be performed in any order.
  • the average load Pc is varied as o-> a-> b-> c-> d-> e, and each generator Pg1, Pg2, Pg3 is changed according to the average load Pc. It shows the operation started and stopped in any order.
  • the operation start may be performed in the order of the second generator Pg2-> first generator Pg1-> third generator Pg3 in any order, and the third generator Pg3 regardless of the operation start sequence.
  • -> Start of operation can be performed in the order of the second generator (Pg2)-> first generator (Pg1).
  • the central control unit 230 may schedule operations for the plurality of generators according to an operation start order, operation elapsed time, or an arbitrarily set order of each of the plurality of generators.
  • this scheduling criterion is exemplary and may be performed in more various ways.
  • each generator Pg1, Pg2, Pg3 may not increase any more when the maximum efficiency load (eg, 80%) is reached after starting operation.
  • the average load Pc is changed as o-> a-> b-> c-> d-> e, and each generator Pg1, Pg2, Pg3 operates sequentially according to the average load Pc. It shows the start and stop operation.
  • the first generator Pg1 starts operation. At this time, the first generator Pg1 increases along the average load Pc.
  • the first generator Pg1 When the average load Pc at point a exceeds the first criterion P1, the first generator Pg1 does not increase any more.
  • the first generator Pg1 maintains a maximum efficiency load of 80%. That is, the first generator Pg1 does not operate above the maximum efficiency load.
  • the second generator Pg2 starts its operation.
  • the second generator Pg2 increases along the average load Pc.
  • the third generator Pg3 also starts operation.
  • the second generator Pg2 no longer increases.
  • the second generator Pg2 maintains a maximum efficiency load of 80%. That is, the second generator Pg2 does not operate above the maximum efficiency load.
  • the third generator Pg3 may be adjusted along the average load Pc.
  • the third generator Pg3 stops operating.
  • the second generator Pg2 also begins to decrease along the average load Pc.
  • the second generator Pg2 stops operating.
  • the first generator Pg1 also begins to decrease along the average load Pc.
  • the first generator Pg1 When 0 is reached at point e, the first generator Pg1 also stops operating.
  • the start and stop of operation of each generator may be performed according to the scheduling result by the central controller 230.
  • each of the generators Pg1 to Pg3 may not operate in the maximum efficiency section.
  • at least some of the generators Pg1 and Pg2 may operate at the maximum efficiency intervals above the specific criteria P1 and P2.
  • the instantaneous load excluding the average load Pc can be accommodated by a large capacity battery.
  • 17 is a view showing a container ship according to an embodiment of the present invention.
  • a ship and a power management system of a ship may be applied to a container ship 1000.
  • the thruster 1006 located in the bow the large capacity battery 1004 located near the center of the hull, the generator 1002 and the propeller 1008 located in the stern, the ship and the ship according to an embodiment of the present invention
  • the configurations of the power management system of may be applied.
  • a configuration such as a large capacity battery 1002 may be arranged on a container located on the deck.
  • FIG. 18 is a view showing an LNG carrier according to an embodiment of the present invention.
  • a ship and a power operating system of the ship according to an embodiment of the present invention may be applied to the LNG carrier 2000.
  • the ship and the ship according to an embodiment of the present invention in the thruster (2006) located in the bow, the large capacity battery (2004) located near the center of the hull, the generator (2002) and the propeller (2008) located in the stern
  • the configurations of the power management system of may be applied.
  • the electric power produced by the generator 2002 and the electric power discharged from the large capacity battery 2004 may be supplied to a load such as a temperature controller for controlling the temperature of the LNG tank or a compressor for reliquefying the BOG vaporized in the LNG tank. have.
  • a ship, a power management system and a power operation method according to an embodiment of the present invention is to produce a variety of power to produce the electric power, such as the above-mentioned container ship 1000 and LNG carrier 2000 and to supply the produced power to the load It can be applied to ships. 17 and 18 are merely an example in which a ship, a power operation system, and a power operation method of the ship according to an embodiment of the present invention may be applied to various ships. The arrangement of can be changed in various designs.

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Abstract

선박 및 상기 선박의 전력 운용 방법이 제공된다. 상기 선박은, 전력 그리드; 상기 전력 그리드에 연결되고 상기 전력 그리드에 전기를 공급하는 적어도 하나의 발전기; 상기 전력 그리드에 연결되고, 상기 전력 그리드로부터 전기를 공급받아 충전되거나 상기 전력 그리드에 전력을 공급하도록 방전되는 대용량 배터리; 상기 전력 그리드에 연결된 복수의 부하 요소; 상기 적어도 하나의 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하고, 상기 전력 그리드의 전압을 센싱하여 현재 부하 및 평균 부하를 산출하여, 상기 평균 부하는 상기 발전기가 감당하도록 제어하고, 상기 현재 부하와 상기 평균 부하의 차이 부하는 상기 대용량 배터리가 감당하도록 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

선박 및 그 전력 운용 방법
본 발명은 선박 및 그 전력 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 배터리를 포함하는 선박 및 그 전력 운용 방법에 관한 것이다.
충전 가능한 2차 배터리 기술은 점점 발전하고 있으며, 용량 대비 그 크기가 감소되고 있다. 현재, 대용량 전력을 저장 및 공급할 수 있는 2차 배터리는 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이라고 명명되어 전력 운용 계통의 보조 공급 전원으로서 상용화가 시도되고 있다.
예를 들어, 다이나믹 포지션(dynamic position) 동작를 수행하는 선박은, 시간에 따른 선박의 위치 및 각도의 동적 변화에 대하여 선박의 평형을 유지하도록, 보조 동력 수단인 쓰러스터를 이용한다.
다만, 선박의 다이나믹 포지션 동작를 위한 쓰러스터의 가동은 불특정한 선박의 위치 및 각도의 동적 변화에 대응하는 것이므로, 선박에서 소모 또는 발전하는 부하에 대하여 요동하는 순시 부하의 변동을 야기할 수 있다.
이와 같은 선박 내의 요동하는 순시 부하의 변동에 대응하기 위하여, 선박 내의 발전기는 공급가능한 부하의 마진을 가지고 있어야 하며, 예를 들어, 선박에서 소모되는 평균 부하 이상의 부하를 공급하기 위하여, 하나의 발전기가 평균 부하에 비하여 충분히 큰 전력 공급 능력을 가지거나, 추가의 발전기가 최소 부하 공급 상태에서 발전 상태를 유지하고 있어야 한다.
즉, 발전기는, 순시 부하의 변동에 대응하기 위하여, 상대적으로 그 용량에 비하여 낮은 부하를 공급하는 발전 상태를 유지해야 하며, 이는 발전기의 연비를 저해하는 원인이 될 수 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연비가 향상된 발전기를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 선박은 전력 그리드; 상기 전력 그리드에 연결되고 상기 전력 그리드에 전기를 공급하는 적어도 하나의 발전기; 상기 전력 그리드에 연결되고, 상기 전력 그리드로부터 전기를 공급받아 충전되거나 상기 전력 그리드에 전력을 공급하도록 방전되는 대용량 배터리; 상기 전력 그리드에 연결된 복수의 부하 요소; 상기 적어도 하나의 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하고, 상기 전력 그리드의 전압을 센싱하여 현재 부하 및 평균 부하를 산출하여, 상기 평균 부하는 상기 발전기가 감당하도록 제어하고, 상기 현재 부하와 상기 평균 부하의 차이 부하는 상기 대용량 배터리가 감당하도록 제어하는 제어기를 포함한다.
여기서, 상기 제어기는 상기 현재 부하가 상기 평균 부하 보다 큰 시간 구간 동안, 상기 대용량 배터리를 방전시키도록 제어하고, 상기 현재 부하가 상기 평균 부하 보다 작은 시간 구간 동안, 상기 대용량 배터리를 충전시키도록 제어한다.
상기 평균 부하가, 상기 복수의 발전기 중 하나의 발전기의 최대 효율 부하보다 작은 경우, 상기 하나의 발전기만 구동되고, 나머지 발전기는 구동되지 않는다.
상기 선박이 다이나믹 포지션(dynamic position) 동작을 수행할 때, 상기 평균 부하를 상기 발전기가 담당하고 상기 차이 부하를 대용량 배터리가 담당한다. 상기 대용량 배터리는 슈퍼 커패시터를 포함한다.
상기 제어부는 전력 그리드의 전압의 진폭과 특정 진폭 사이의 제1 편차 또는 전력 그리드의 전압의 주파수와 특정 주파수 사이의 제2 편차를 모니터링하고, 상기 제어부는 상기 제1 편차 또는 상기 제2 편차를 기초로, 상기 현재 부하와, 상기 복수의 발전기의 총 가동 부하의 차이를 더 산출한다.
한편, 상기 제어기는, 복수의 발전기에 발전기 제어 신호를 전송하고 복수의 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하는 발전기 부하 제어부; 발전기 부하 제어부로부터 발전기 부하 정보를 수신하고 센서를 통해 검출한 전력 그리드의 전압을 기초로 평균 부하 및 현재 부하를 산출하는 부하 산출부; 대용량 배터리에 배터리 제어 신호를 전송하고 대용량 배터리로부터 대용량 배터리의 현재 충전 정도, 충방전 회수, 충전 및 방전 지속 시간 등에 관한 정보를 수신하는 배터리 제어부; 및 발전기 부하 제어부를 통해 발전기 제어 신호를 각각의 발전기에 제공하여 각각의 발전기의 가동 여부 및 가동 부하를 제어하고, 배터리 제어부를 통해 대용량 배터리에 배터리 제어 신호를 제공하여, 대용량 배터리의 충전 또는 방전 여부를 제어하는 중앙 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어기는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보가 기록된 운항 정보 DB를 더 포함하고, 상기 중앙 제어부는 운항 DB로부터 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보를 수신하여, 대용량 배터리의 추가적인 충전 시간 구간을 설정한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 운항 정보 DB로부터 운항 정보를 수신하고, 수신된 운항 정보를 기초로 입항까지 남은 기간을 산출하고, 운항 중 평균 부하 및 충전 필요 전력량을 산출하고, 운항 중 평균 부하 및 충전 필요 전력량을 기초로 적어도 하나의 발전기가 최대 효율 부하로 가동될 때 대용량 배터리의 완충에 필요한 충전 기간을 산출하고, 산출된 충전 기간을 운항 정보 DB에 기록하여 대용량 배터리의 추가적인 충전을 제어한다.
한편, 상기 제어기는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보를 기초로, 대용량 배터리의 충전 시간 구간을 설정한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 양태에 따른 선박은 전력 그리드; 상기 전력 그리드에 연결되고 상기 전력 그리드에 전기를 공급하는 제1 및 제2 발전기; 상기 전력 그리드에 연결되고, 상기 전력 그리드로부터 전기를 공급받아 충전되거나 상기 전력 그리드에 전력을 공급하도록 방전되는 대용량 배터리; 상기 전력 그리드에 연결된 복수의 부하 요소; 상기 제1 및 제2 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하고, 상기 전력 그리드의 전압을 센싱하여 현재 부하 및 평균 부하를 산출하여, 상기 평균 부하는 상기 제1 및 제2 발전기가 감당하도록 제어하고, 상기 현재 부하와 상기 평균 부하의 차이 부하는 상기 대용량 배터리가 감당하도록 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때, 상기 제2 발전기를 가동시킨다.
상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때, 상기 제1 발전기의 가동 부하를 상기 제1 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지하고, 상기 제1 발전기의 가동 부하와 상기 제2 발전기의 가동 부하의 합이 상기 평균 부하에 상응하도록 상기 제1 발전기 및 제2 발전기를 제어한다.
상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때, 상기 제1 발전기의 가동 부하를 상기 제1 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지하고, 상기 제2 발전기의 가동 부하도 상기 제2 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지한다.
상기와 같은 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 양태에 따른 선박은 발전기 부하 정보 및 전력 그리드의 전압을 기초로 평균 부하 및 현재 부하를 결정하고, 상기 평균 부하와 최대 효율 부하를 비교하고, 그 결과에 따라 추가의 발전기를 가동시키고, 상기 현재 부하가 상기 평균 부하를 비교하고, 그 결과에 따라 대용량 배터리를 충전하거나 방전하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력계통을 예시적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력계통에 대해 제어기의 예시적인 구성들을 더 상세히 도시한 블록도이다.
도 3은 순항 중인 선박의 예시적인 현재 부하를 도시한 그래프이다.
도 4는 도 3의 그래프의 일부를 확대 도시한 그래프이다.
도 5는 도 4의 그래프로 도시된 현재 부하에 대한 추가의 발전기가 가동될 때의 가동부하를 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 6은 도 4의 그래프로 도시된 현재 부하에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전기의 가동 부하 및 대용량 배터리의 충방전 부하를 함께 도시한 그래프이다.
도 7은 하나의 발전기의 가동 부하에 대한 단위 생산전력당 연료소모를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 예시적인 항해 스케쥴에서 시간에 따른 부하의 변동을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제어기가 도 8에 따른 항해 스케쥴을 참조하여 충전 기간을 설정하는 것을 예시하는 예시도이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제어기가 도 8에 따른 항해 스케쥴링을 참조하여 충전 기간을 설정하는 프로세스를 예시하는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 제어기의 충방전 제어 프로세서를 도시한 순서도이다.
도 12는 예시적인 선박의 시간에 따른 부하 변동에 대하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 복수의 발전기의 가동 부하 변동의 양상을 도시한 그래프이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전력 그래프를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너선을 나타내는 도면이다.
도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG선을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작 이외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력계통을 예시적으로 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은 전력 그리드(100), 전력 그리드(100)에 연결된 복수의 발전기(G1~Gn 또는 500), 전력 그리드(100)에 연결된 대용량 배터리(400), 전력 그리드(100)에 연결된 복수의 부하 요소(600) 및 제어기(200)를 포함한다.
전력 그리드(100)는 선박 내 전력 계통을 관류하는 하나 이상의 전기적 노드에 대응될 수 있다. 전력 그리드(100)는 하나 이상의 전기적 노드를 형성하여 부하 요소에 전력을 공급할 수 있는 하나 또는 그 이상의 전기 케이블의 집합 또는 네트워크를 의미할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 전력 그리드(100)는 AC 전압이 인가된 AC 그리드를 형성하는 것으로 예시된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 전력 그리드(100)는 예를 들어, DC 전압이 인가되는 DC 그리드를 형성할 수도 있다.
복수의 발전기(G1~Gn)는 전력 그리드(100)에 연결되며 전력 그리드(100)에 전기를 공급할 수 있다. 복수의 발전기(G1~Gn)는, 예를 들어, 200KW 이상의 대용량 전력을 생성할 수 있는 디젤 발전기들로 구성될 수 있다. 또한, 발전기는 석탄 가스, 발생 가스, 액화 가스(LPG), 천연 가스 등의 기체 연료를 사용하는 내연 기관인 가스 엔진 발전기일 수도 있다. 각각의 발전기는 특정 전압 레벨 및 주파수를 갖는 AC 전압을 생성할 수 있고, 그 특정 전압 레벨 및 주파수를 유지하기 위하여 자기 조절(self regulation)될 수 있다. 예를 들어, 디젤 발전기는 440V 및 60Hz를 갖는 AC 전압을 제공하도록 소모하는 연료의 양을 자기 조절할 수 있고, 이에 따라, 전력 그리드(100)에 제공하는 전압 및 주파수를 440V 및 60Hz로 유지할 수 있다.
복수의 부하 요소들(600)은 전력 그리드(100)에 연결될 수 있고 전력 그리드(100)로부터 전력을 공급받아 복수의 부하 요소들(600)의 상응하는 기능들을 수행할 수 있다.
만일, 복수의 부하 요소들(600)이 많은 전력을 소모하여 전력 그리드(100)의 부하가 상승할 경우, 전력 그리드(100)의 AC 전압 진폭은 작아지거나 전력 그리드(100)의 AC 전압의 주파수는 감소할 수 있다. 이 경우, 전력 그리드(100)의 부하가 증가된 것으로 해석할 수 있으며, 복수의 발전기(G1~Gn)는 증가된 부하에 상응하는 가동 부하를 제공하도록 조절될 수 있다. 구체적으로, 전력 그리드(100)의 부하가 증가된 경우, 복수의 발전기(G1~Gn)는 소모하는 연료의 양을 증가시킴으로써, AC 전압의 진폭 및 주파수를 특정 레벨 및 주파수, 예를 들어, 440V 및 60Hz로 조절하여 전력 그리드(100)로 제공하는 가동 부하를 증가시킬 수 있다.
또한, 복수의 발전기(G1~Gn)는 외부로부터 발전기 제어 신호(CS_G)를 수신할 수 있고, 수신된 발전기 제어 신호(CS_G)에 응답하여, 복수의 발전기(G1~Gn)가 전력을 생산하여 전력 그리드(100)에 공급하는 전력의 양에 대응하는 가동 부하를 조절할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서 복수의 발전기(G1~Gn)는, 외부의 발전기 제어 신호(CS_G)에 따라 발전기(G1~Gn)의 가동 부하를 조절하는 외부 조절식으로 동작할 수 있다. 또는, 전력 그리드(100) 망의 순시적인 전압 변동에 독립적으로 생성하는 전력 부하의 양을 외부 조절식으로 유지할 수 있다.
선박 내 복수의 부하 요소(600)은 선박 내 전력 계통에 접속하여 제 기능을 수행하는 다양한 응용 기기 및 기구들일 수 있다. 복수의 부하 요소(600)은 변압기를 통해 전력 그리드(100)에 연결될 수 있고, 변압기는 예를 들어, 440V인 전력 그리드(100)의 전압을 각각의 부하 요소의 운용 전압으로 감압 또는 승압하여 복수의 부하 요소(600)에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 복수의 부하 요소(600)는 선내 기기/기구 부하(L0), 복수의 쓰러스터(L1~Lm)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
선내 기기/기구 부하(L0)는 선박 내에서 전기를 사용하여 운용되는 통상의 기기/기구일 수 있고, 예를 들어, 관제 시스템, 가전 용품, 조명 등 일 수 있다.
복수의 쓰러스터(L1~Lm)는 선박의 운항용 메인 프로펠러 이외에 보조적인 추진력을 제공하는 전기 모터 및 스크류의 결합일 수 있고, 예를 들어, 선박의 선두에서 선박의 길이 방향에 수직한 방향으로 추진력을 제공하는 바우 쓰러스터(bow thruster) 또는 전방위에 걸쳐 추진력을 제공할 수 있는 아지무스 쓰러스터(azimuth thruster) 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 선박은 다이나믹 포지션 동작을 수행하는 선박일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은 시간에 따른 선박의 위치 및 각도의 동적 변화에 대하여 선박의 평형을 유지하도록, 보조 동력 수단인 쓰러스터(L1~Lm)를 이용하여 선박의 다이나믹 포지션 동작을 제어할 수 있다.
선박의 다이나믹 포지션 동작을 위한 쓰러스터(L1~Lm)의 가동은 불특정한 선박의 위치 및 각도의 동적 변화에 대응하는 것이므로, 특정되지 않은 시간 구간 동안에, 선박에서 평균적으로 소모하는 부하에 대하여 요동하는 순시 부하의 변동을 야기할 수 있다.
이와 같은 선박 내의 전력 그리드(100)에 인가되는 요동하는 순시 부하의 변동에 대응하기 위하여, 선박 내의 복수의 발전기(G1~Gn)는 공급가능한 부하의 충분한 마진을 가지고 있어야 한다. 예를 들어, 선박에서 소모되는 평균 부하(L_A) 이상의 부하를 공급하기 위하여, 하나의 발전기가 평균 부하(L_A)에 비하여 충분히 큰 전력 공급 능력을 가지거나, 추가의 발전기가 최소 부하 공급 상태에서 발전 상태를 유지하고 있어야 한다. 예를 들어, 복수의 발전기(G1~Gn) 중에서, 제1 발전기(예를 들어, G1)가 공급 가능한 최대 부하가 선박 내에서 소모되는 평균 부하(L_A) 이상일 지라도, 동적 위치 제어를 위하여 불특정한 시간 구간 동안 가동되는 쓰러스터의 가동 부하에 대한 마진을 고려하여, 제2 발전기(예를 들어, G2)는 대기 상태를 유지할 필요가 있다. 이 때, 제2 발전기(G2)는, 상대적으로 그 용량에 비하여 낮은 부하를 공급하는 발전 상태를 유지해야 하며, 이는 발전기의 연비를 저해하는 원인이 될 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 대기 상태를 유지하는 발전기를 사용하지 않고, 대용량 배터리(400)를 이용하여 순시 부하의 변동에 능동적으로 대처할 수 있다.
이러한 대용량 배터리(400)는 DC to AC 변압기 또는 AC to DC 변압기를 통해 전력 그리드(100)에 연결될 수 있고, 선박 내 전력 계통에 대한 보조적인 전력 공급 수단으로 작용할 수 있다. 대용량 배터리(400)는 전력 그리드(100)로부터 전력을 공급 받아 충전되거나 방전하여 전력 그리드(100)에 전력을 공급할 수 있다.
대용량 배터리(400)는 리튬이온 전지 또는 슈퍼 커패시터일 수 있다. 또한, 대용량 배터리(400)는 리튬이온 전지 및 슈퍼 커패시터 중 하나 이상이 ISO 컨테이너에 탑재된 것일 수 있다.
대용량 배터리(400)는 미리 설정된 충전치를 유지 또는 추종하도록 충전 또는 방전을 반복할 수 있다. 예를 들어, 대용량 배터리(400)는 미리 설정된 하한 충전치 이하로 방전될 경우, 충전을 시작하고 미리 설정된 상한 충전치 이상으로 충전될 경우 방전되도록 자기 조절될 수 있다. 또한, 예를 들어, 대용량 배터리(400)는 시간에 따라 변동하는 미리 설정된 충방전 목표값을 추종하도록 충방전이 자기 조절될 수 있다.
나아가, 대용량 배터리(400)는 외부의 배터리 제어 신호(CS_B)에 응답하여 대용량 배터리의 충전 또는 방전 상태를 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 대용량 배터리(400)에 충전 개시 신호에 상응하는 배터리 제어 신호(CS_B)가 인가될 때 대용량 배터리는 충전을 시작한다. 방전 개시 신호에 상응하는 배터리 제어 신호(CS_B)가 인가될 때 대용량 배터리(400)는 방전을 시작하도록, 대용량 배터리(400)는 외부 조절식으로 제어될 수 있다.
복수의 발전기(G1~Gn)는 각각의 발전기(G1~Gn)의 가동 여부 및 가동 부하에 관한 발전기 부하 정보(L_G)를 외부로, 예를 들어, 외부의 제어기(200)에 전달할 수 있다. 또한, 대용량 배터리(400)는, 대용량 배터리(400)의 현재 충전 정도, 충방전 회수, 충전 및 방전 지속 시간 등에 관한 정보를 외부로, 예를 들어, 외부의 제어기(200)에 전달할 수 있다.
제어기(200)는 각각의 발전기에 발전기 제어 신호(CS_G)를 제공하여 각각의 발전기(G1~Gn)의 가동 여부 및 가동 부하의 정도를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(200)는 대용량 배터리(400)에 배터리 제어 신호(CS_B)를 제공하여 대용량 배터리의 충전 또는 방전 여부를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(200)는 센서를 통해 전력 그리드(100)에 접속될 수 있고, 센서에 의해 전력 그리드(100)의 전압을 검출할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 제어기(200)는 복수의 발전기(G1~Gn)로부터 발전기 부하 정보(L_G)를 수신하고 전력 그리드(100)의 전압을 검출하여 현재 부하(L_C) 및 평균 부하(L_A)를 산출하고, 산출된 현재 부하(L_C) 및 평균 부하(L_A)를 기초로 발전기 각각의 발전기의 가동 부하 및 대용량 배터리의 충방전을 제어할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제어기(200)는 적어도 제1 발전기(예를 들어, G1)의 가동 부하(L_G1)를 전력 계통에서 소모되는 평균 부하(L_A)에 상응하도록 제어할 수 있다. 즉, 평균 부하(L_A)는 발전기가 감당하도록 제어될 수 있다. 또한, 제어기(200)는 현재 전력 계통에서 소모되는 현재 부하(L_C)가 전력 계통에서 소모되는 평균 부하(L_A) 보다 큰 시간 구간 동안 대용량 배터리(400)를 방전시키고, 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 작은 시간 구간 동안 대용량 배터리(400)를 충전시킬 수 있다. 즉, 현재 부하(L_C)와 평균 부하(L_A)의 차이 부하는 대용량 배터리(400)가 감당하도록 제어될 수 있다.
본 명세서에서, 현재 부하(L_C)는 현재 시점에서 전력 그리드(100)에 인가되는 부하의 총량(예를 들어, 산술 합계)을 의미한다. 또한, 평균 부하(L_A)는 현재 시점 이전의 적어도 일정 시간 구간 동안에, 전력 그리드(100)에 인가되는 부하의 평균을 의미한다. 평균은 일정 시간 구간 동안의 부하 총량을 시간으로 나눈 값일 수 있다. 한편, 평균은 단순 평균일 수도 있고, 가중 평균일 수도 있다.
이어, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(200)의 예시적인 구성들을 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력계통에 대해 제어기(200)의 예시적인 구성들을 더 상세히 도시한 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 제어기(200)는 발전기 부하 제어부(210), 부하 산출부(220), 중앙 제어부(230), 배터리 제어부(240), 운항 정보 DB(250)를 포함할 수 있다.
발전기 부하 제어부(210)는 복수의 발전기(G1~Gn)에 발전기 제어 신호(CS_G)를 전송하고, 복수의 발전기(G1~Gn)로부터 발전기 부하 정보(L_G)를 수신하는 인터페이스일 수 있다.
발전기 부하 제어부(210)는 수신된 발전기 부하 정보(L_G)를 부하 산출부(220)로 전달할 수 있다. 또한, 발전기 부하 제어부(210)는 중앙 제어부(230)로부터 발전기 제어 신호(CS_G)를 수신하여 이를 복수의 발전기(G1~Gn)에 전달할 수 있다. 복수의 발전기(G1~Gn)는 외부의 발전기 제어 신호(CS_G)에 응답하여, 각각의 발전기(G1~Gn)의 가동 여부 및 가동 부하를 조절할 수 있다.
센서(300)는 전력 그리드(100)로부터 전압(예를 들어, 전압의 레벨, 진폭, 주파수 등)을 센싱하고, 그 센싱값(V_Sense)를 부하 산출부(220)에 전달할 수 있다.
부하 산출부(220)는 발전기(G1~Gn)의 총 가동 부하, 선박 내 부하들의 평균 부하(L_A), 선박 내 부하들의 현재 부하(L_C), 현재 부하(L_C)와 총 가동 부하의 차이 등을 산출할 수 있다. ,
부하 산출부(220)는, 예를 들어, 수신된 발전기 부하 정보(L_G)를 토대로, 현재 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 총 가동 부하를 결정할 수 있다.
또한, 부하 산출부(220)는 전력 그리드(100)의 센싱값(V_Sense)(즉, 전압의 레벨, 진폭, 주파수 등)을 기초로, 평균 부하(L_A) 및 현재 부하(L_C)를 산출한다. 이어서, 중앙 제어부(230)에 산출된 평균 부하(L_A) 및 현재 부하(L_C)를 제공할 수 있다.
부하 산출부(220)는 예를 들어, 전력 그리드(100)의 전압의 진폭과 특정 진폭 사이의 편차(이하, "진폭 편차"라 함)를 모니터링하거나, 전력 그리드(100)의 전압의 주파수와 특정 주파수 사이의 편차(이하, "주파수 편차"라 함)를 모니터링할 수 있다. 여기서, 특정 진폭 및 특정 주파수는 예를 들어, 현재 복수의 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 총 가동 부하에 대응되는 값일 수 있다. 전술한 것과 같이, 현재 부하(L_C)는, 현재 시점에서 전력 그리드(100)에 연결된 모든 부하들의 산술 합계에 대응한다. 따라서, "진폭 편차"는 현재 부하(L_C)와 총 가동 부하의 차이에 상응할 수 있다. 마찬가지로, "주파수 편차"도, 현재 부하(L_C)와 총 가동 부하의 차이에 상응할 수 있다.
예를 들어, 현재 부하(L_C)가 현재 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 총 가동 부하보다 크다면, 전력 그리드(100)로부터 검출된 전압의 진폭은 작아지거나 전압의 주파수는 감소될 수 있다. 반대로, 현재 부하(L_C)가 현재 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 총 가동 부하보다 작다면, 전력 그리드(100)로부터 검출된 전압의 진폭은 커지거나 전압의 주파수는 증가될 수 있다.
정리하면, 부하 산출부(220)는, "진폭 편차"와 "주파수 편차"를 토대로, 현재 부하(L_C)와 총 가동 부하의 차이를 산출할 수 있다.
또한, 부하 산출부(220)는, 현 시점 이전에 산출되었던 현재 부하(L_C)들의 임의의 표본들을 임의의 시간 구간에 대하여 평균함으로써 평균 부하(L_A)를 산출할 수 있다. 다만, 평균 부하(L_A)는 요동하는 현재 부하(L_C)의 평균적인 경향성을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 단지, 이전 시점의 현재 부하(L_C)들의 평균만이 아니라, 이전 시점 및 현재 시점의 현재 부하(L_C)들의 경향성을 고려하여 판단될 수 있는 것으로 해석되어야 할 것이다.
배터리 제어부(240)는 대용량 배터리(400)에 배터리 제어 신호(CS_B)를 전송한다. 배터리 제어부(240)는 대용량 배터리(400)로부터 대용량 배터리(400)의 현재 충전 정도, 충방전 회수, 충전 및 방전 지속 시간 등에 관한 정보를 수신하는 인터페이스일 수 있다.
배터리 제어부(240)는 대용량 배터리(400)로부터 수신된 상기 정보를 중앙 제어부(230)로 전달할 수 있다. 또한, 배터리 제어부(240)는 중앙 제어부(230)로부터 배터리 제어 신호(CS_B)를 수신하여 이를 대용량 배터리(400)에 전달할 수 있다. 대용량 배터리(400)는 외부의 배터리 제어 신호(CS_B)에 응답하여, 충전 또는 방전 상태를 스위칭할 수 있다.
중앙 제어부(230)는 발전기 부하 제어부(210)를 통해 발전기 제어 신호(CS_G)를 각각의 발전기(G1~Gn)에 제공할 수 있고, 이에 중앙 제어부(230)는 각각의 발전기의 가동 여부 및 가동 부하를 제어할 수 있다. 또한, 중앙 제어부(230)는 배터리 제어부(240)를 통해 대용량 배터리(400)에 배터리 제어 신호(CS_B)를 제공할 수 있고, 이에 중앙 제어부(230)는 대용량 배터리(400)의 충전 또는 방전 여부를 제어할 수 있다.
구체적으로, 중앙 제어부(230)는 부하 산출부(220)로부터 수신된 현재 부하(L_C) 및 평균 부하(L_A)를 기초로 각각의 발전기(G1~Gn)의 가동 여부 및 가동 부하를 결정하여 이에 상응하는 발전기 제어 신호(CS_G)를 생성할 수 있다. 또한, 중앙 제어부(230)는 현재 부하(L_C) 및 평균 부하(L_A)를 기초로 대용량 배터리(400)의 충방전 타이밍을 결정하여 이에 상응하는 배터리 제어 신호(CS_B)를 생성할 수 있다
더욱 구체적으로, 중앙 제어부(230)는 적어도 하나의 발전기(예를 들어, G1)의 가동 부하(L_G1)를 평균 부하(L_A)에 상응하도록 제어할 수 있다. 즉, 중앙 제어부(230)는 평균 부하(L_A)가 일정하게 유지되거나 완만한 속도로 증감할 때, 복수의 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 부하에 대응하는 가동 부하가 이러한 평균 부하(L_A)에 일치하거나 근접하도록 하는 발전기 제어 신호(CS_G)를 생성하여 복수의 발전기(G1~Gn)에 제공할 수 있다.
또한, 중앙 제어부(230)는 현재 부하(L_C)와 평균 부하(L_A)를 비교할 수 있고, 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A) 보다 큰 시간 구간 동안 대용량 배터리의 방전을 지시하는 배터리 제어 신호(CS_B)를 대용량 배터리(400)에 제공할 수 있다. 반대로, 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A) 부하 보다 작은 시간 구간 동안 대용량 배터리(400)의 충전을 지시하는 배터리 제어 신호(CS_B)를 대용량 배터리에 제공할 수 있다.
즉, 중앙 제어부(230)는 발전기(G1~Gn)에서 생산하는 가동 부하가 평균 부하(L_A)를 추종하도록 제어하며, 예를 들어, 쓰러스터에 의해 불특정한 시점에서 유발되는 현재 부하(L_C)의 요동을 대용량 배터리의 충방전을 통해 보상할 수 있다. 이와 관련한 더 상세한 설명은 이후 도 3 내지 도 7을 참조하여 기술된다.
운항 정보 DB(250)는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보(S_I)가 기록된 데이터베이스 일 수 있다.
운항 정보 DB(250)는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보(S_I)를 중앙 제어부(230)로 제공할 수 있고, 중앙 제어부(230)는 선박의 항해 스케쥴링을 고려하여, 대용량 배터리(400)의 추가적인 충전 또는 방전 시간 구간을 설정할 수 있다.
도 3은 순항 중인 선박의 예시적인 현재 부하를 도시한 그래프이다.도 4는 도 3의 그래프의 일부를 확대 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 순항하는 선박에서 소모되는 부하는 일반적으로 시간에 따라 큰 변동 없이 일정하게 또는 낮은 기울기로 증감할 것으로 예측될 수 있다. 이에, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 시간에 대한 선박의 현재 부하(L_C)의 그래프는 일정한 값으로 유지되는 평활 구간(S_P)를 가질 수 있다.
참고로, 도 3 및 도 4에서 세로축의 부하(%)의 단위는 복수의 발전기(G1~Gn) 중 하나의 발전기가 생산할 수 있는 최대 가동 부하를 100%로 가정하여 도시한 것이고, 가로축은 초(sec) 단위의 시간이다.
순항 중에 예를 들어, 동적 위치 제어를 위해 쓰러스터와 같은 대용량의 부하를 사용하는 경우, 선박에서 소모하는 부하는 크게 요동할 수 있고, 이에, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 시간에 대한 선박의 현재 부하(L_C)의 그래프는 특정 시간 구간 동안 시간에 대해 요동하는 요동 구간(F_P)를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4에서, 요동 구간의 현재 부하(L_C)의 최대 값(Max_P)은 130%이며 최소 값(Min_P)은 60%로 예시되었다. 또한, 순항하는 선박의 평균 부하(L_A)는 80%로 예시되었다.
즉, 도시된 예시에서, 순항하는 선박의 평균 부하(L_A)는 80%이고 이는 적어도 하나의 발전기가 생산 가능한 가동 부하의 범위 이내이므로, 평활 구간(S_P) 동안 하나의 발전기만이 전력을 생산하여 전력 계통에 전력을 공급하는 것이 효율적일 수 있다.
그러나, 예를 들어, 동적 위치제어 선박에서 쓰러스터를 가동과 같은 특별한 부하 소요가 발생할 수 있으며, 이러한 부하 소요에 대응하기 위하여 복수의 발전기(G1~Gn)는 공급가능한 부하의 마진을 가지고 있어야 한다.
즉, 도 3 및 도 4에서 예시된 바와 같이, 요동 구간(F_P)의 현재 부하(L_C)의 최대 값(Max_P)가 130%일 때, 하나의 발전기의 가동 부하(100%)로는 요동 구간에서의 현재 부하(L_C)의 변동에 대응할 수 없으며, 모자라는 전력을 공급하는 추가적인 전력 공급원이 요구될 수 있다.
요동 구간(F_P)에서 모자라는 전력을 공급하기 위한 가장 쉬운 접근은 추가의 발전기를 더 가동하는 것일 수 있다. 이와 관련하여, 아래에서 도 5를 참조하여 더 상술한다.
본 발명은 요동 구간(F_P)에서 모자라는 전력을 공급하기 위한 다른 접근으로서, 평균 부하(L_A) 및 현재 부하(L_C)를 기초로 발전기의 가동 부하 및 대용량 배터리의 충방전을 제어하는 것을 제시한다. 이와 관련하여, 아래에서 도 6을 참조하여 더 상술한다.
도 5는 도 4의 그래프로 도시된 현재 부하에 대해서, 추가의 발전기가 가동될 때의 가동부하를 예시적으로 도시한 그래프이다.도 6은 도 4의 그래프로 도시된 현재 부하에 대해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 발전기의 가동 부하 및 대용량 배터리의 충방전 부하를 함께 도시한 그래프이다.도 7은 하나의 발전기의 가동 부하에 대한 단위 생산전력당 연료소모를 도시한 그래프이다.
우선, 도 5를 참조하면, 예를 들어, 2대의 발전기(G1, G2)를 사용하는 경우를 설명한다. 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1) 및 제2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)의 합은, 현재 부하(L_C)에 대응될 수 있다.
발전기(G1, G2)가 시동되어 전력을 공급하기 까지 상당한 지연 시간이 있을 수 있기 때문에, 요동 구간(F_P)에서의 현재 부하(L_C)의 변동에 대응하기 위하여, 추가의 발전기가 사용되는 될 때, 추가의 발전기는 항시 시동 상태를 유지해야할 필요가 있다. 즉, 도 5에 예시된 바와 같이, 요동 구간에서의 현재 부하(L_C)의 변동에 대응하기 위하여, 제2 발전기(G2)는 예를 들어, 20%의 가동 부하를 유지할 수 있다.
이 때, 제1 발전기(G1)는 평활 구간에서 60%의 가동 부하를 가질 수 있고, 요동 구간(F_P)에서 가동 부하의 증감을 반복할 수 있고, 요동 구간(F_P)의 현재 부하(L_C)가 최대 값을 갖는 지점에서 제1 발전기(G1)는 100%에 근접한 최대의 가동 부하(Max_P_G1)를 가질 수 있다. 제2 발전기(G2)는 대기 상태로서 20%의 가동 부하 상태를 유지할 수 있고, 요동 구간의 현재 부하(L_C)가 최대가 되는 지점에서 제2 발전기는 약 30%인 최대 가동 부하(Max_P_G2)를 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 일반적으로 하나의 디젤 발전기에서 생산되는 가동 부하가 증가함에 따라 단위 생산전력당 연료소모(g/kwh)는 점진적으로 감소되며, 대략 가동 부하가 80%인 지점에서 단위 생산 전력당 연료 소모가 최소 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
즉, 최대효율부사는 연비가 최대가 되는 지점의 가동 부하이다. 디젤 발전기는 가동 부하가 최대효율부하에 근접하게 증가할수록 그 연비가 증가됨을 확인할 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 제1 발전기(G1)는 평활 구간(S_P)에서 대략 60%의 가동 부하를 가지며 제2 발전기(G2)는 평활 구간(S_P)에서 대략 20%의 가동 부하를 가진다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 선박 내 전력 계통의 평균 부하(L_A)는 80%임에도 불구하고, 제2 발전기는 요동 구간의 현재 부하(L_C) 변동에 대응하기 위하여 약 20%의 가동 부하를 유지하여야 하고, 이에 따라 제1 발전기는 60%의 가동 부하 상태를 유지하게 된다. 하나의 발전기(예를 들어, G1)로 공급 가능한 부하에 대하여, 두 개의 발전기(G1, G2)가 가동 부하를 공급하는 것은, 각각의 발전기(G1, G2)의 가동 부하가 감소되는 것으로 해석된다. 즉, 도 7을 참조하면, 발전기(G1, G2)의 연비가 감소됨을 알 수 있다.
특히, 대기 상태를 유지하는 제2 발전기(G2)의 경우, 시동을 유지하는 가장 낮은 가동 부하 상태인 대략 20%의 가동 부하를 가질 수 있고 이는 도 7로부터 가장 낮은 연비를 생성하는 가동 부하임을 알 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제어기(200)는 평균 부하(L_A) 및 현재 부하(L_C)를 산출하고, 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)를 평균 부하(L_A)에 상응하도록 제어할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 평균 부하(L_A)가 80%일 때, 제1 발전기(G1)는 80%의 가동 부하(L_G1)을 가질 수 있고, 이는 평탄 구간(S_P) 및 요동 구간(F_P) 모두에서 유지된다.
또한, 제어기(200)는 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A) 보다 큰 시간 구간 동안 대용량 배터리(400)를 방전시키고 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A) 보다 작은 시간 구간 동안 대용량 배터리(400)를 충전시키도록 대용량 배터리를 제어할 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)의 가동 부하를 평균 부하(L_A)에 근접한 80% 수준을 유지한다. 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 큰 시간 구간(+) 동안 대용량 배터리는 방전되어 전력 계통에 전력을 공급할 수 있다. 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 작은 시간 구간(-) 동안 대용량 배터리는 충전되어 전력 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
즉, 평균 부하(L_A)가, 복수의 발전기 중 하나의 발전기(G1)의 최대 효율 부하보다 작은 경우, 하나의 발전기(G1)만 구동되고, 나머지 발전기(G2)는 구동되지 않을 수도 있다. 하나의 발전기(G1)로 평균 부하(L_A)를 감당하고, 나머지 부하는 대용량 배터리로 감당할 수 있다. 따라서, 나머지 발전기(G2)가 대략 20%의 낮은 가동 부하로 구동되고 있을 필요가 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은 하나의 발전기의 최대 가동 부하 범위 내의 평균 부하(L_A)에 대하여, 추가적인 발전기의 시동 없이도 임의의 부하 소요에 대한 충분한 마진을 확보할 수 있으며, 추가적인 발전기의 사용으로 인한 연비 감소를 회피할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서, 적어도 하나의 발전기(예를 들어, G1)는 평균 부하(L_A)에 상응하는 가동 부하를 가진다. 따라서, 시간에 대하여 일정하거나, 시간에 대하여 낮은 기울기를 갖는 가동 부하 변동을 가지므로, 발전기의 급감가속을 억제할 수 있다. 이는, 발전기의 노후화를 억제할 것으로 기대할 수 있다.
특히, 선박이 다이나믹 포지션(dynamic position) 동작을 수행할 때, 상기 평균 부하(L_A)를 발전기가 담당하고, 현재 부하(L_C)와 평균 부하(L_A)의 차이 부하를 대용량 배터리가 담당하는 것은 매우 효과적일 수 있다. 다이나믹 포지션 동작은, 예를 들어, 드릴쉽(Drillship)과 같은 선박이 해상의 작업영역에서 정박할 수 있도록 조류, 바람, 파고의 영향에도 위치를 유지할 수 있도록 하는 것이다. 다이나믹 포지션 동작을 할 때, 경험적으로 평균 부하(L_A)가 일정하고, 갑작스런 조류, 바람, 파고 등에 의해서 순간적인 부하가 발생되는 경우가 많기 때문이다. 또한, 다이나믹 포지션 동작을 수행할 때는, 대용량 배터리는 슈퍼 캐패시터를 사용할 수 있다. 왜냐하면, 다이나믹 포지션 동작시에는, 에너지 저장 용량은 크지 않아도 되지만, 순간적인 출력은 커야 하기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은, 가동 부하가 일반적인 순항시의 사전에 측정된 평균 부하(L_A)에 상응하는 발전기(G1)를 설치할 수 있다. 따라서, 순항시 적어도 하나의 발전기는 그 가동 부하가 가능한 최대효율부하에 근접할 수 있으며, 이로써, 선박 운항의 연비가 개선될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 예시적인 항해 스케쥴에서 시간에 따른 부하의 변동을 예시적으로 도시한 그래프이다. 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제어기가 도 8에 따른 항해 스케쥴을 참조하여 충전 기간을 설정하는 것을 예시하는 예시도이다. 도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제어기가 도 8에 따른 항해 스케쥴링에 관한 정보를 참조하여 충전 기간을 설정하는 프로세스를 예시하는 순서도이다.
도 8에서 가로축은 시간축이며 단위는 일(day)이다. 또한 도 8에서 세로축은 선박의 전력 계통에 소모되는 총 부하를 나타내며 단위는 %이다. 이때 100%는 선박의 하나의 발전기가 생산할 수 있는 최대 부하를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 일반적인 선박의 운항 스케쥴은 소모되는 부하의 변동을 기준으로 출항기, 순항기 및 입항기로 구별될 수 있다.
출항기 및 입항기에서는 특히, 출항 및 접안을 위하여, 선내 복수의 쓰러스터(도 1의 L1~Lm 참조)들이 총 가동 상태를 유지할 수 있고, 이에 따라 선박의 소모 부하가 급격히 상승될 수 있다. 순항기 동안은 비교적 일정하고 낮은 전력 부하를 요구할 수 있다.
출항기 및 입항기에서 많은 전력 소모가 이루어지므로, 선박은 입항기에 앞서서 대용량 배터리를 완충시킬 필요가 있다.
도 9 및 도 10를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(200)는 운항 정보 DB(250)의 항해 스케쥴링에 관한 정보(S_I), 배터리의 충전 정도에 관한 정보 및 평균 부하(L_A)를 기초로 대용량 배터리의 추가적인 충방전 시간 구간을 설정할 수 있다.
구체적으로, 도 9에서는 입항전의 임의이 시간 구간을 예시하고 있으며, 이 때, 선박 내 전력 계통의 평균 부하(L_A)는 60%인 것으로 예시된다.
제어기(200)의 중앙 제어부(230)는 운항 정보 DB(250)로부터 운항 정보를 수신할 수 있다(1210). 이 때, 제어기(200)는 운항 정보를 기초로 입항까지 남은 기간을 산출할 수 있다.
이어, 제어기(200)는 운항중 평균 부하(L_A) 및 충전 필요 전력량을 산출할 수 있다(1220). 구체적으로, 제어기(200)는 배터리의 충전 정도에 관한 정보를 기초로 완충을 위해 필요한 전력량을 산출할 수 있다.
이어, 제어기(200)는 운항 중 평균 부하(L_A) 및 충전 필요 전력량을 기초로 충전 기간을 산출할 수 있다(1230) 구체적으로, 제어기(200)는 산출된 완충을 위해 필요한 전력량을 기초로 적어도 하나의 발전기가 최대 효율 부하로 가동되었을 때의 완충에 필요한 충전 기간을 결정할 수 있다.
이어, 제어기(200)는 산출된 충전기간을 운항 정보 DB(250)에 반영하여 추가적인 충방전 제어를 수행한다(1240). 이 때, 제어기(200)는 산출된 입항까지 남은 기간을 기초로 적어도 결정된 충전 기간이 산출된 입항까지 남은 기간 보다 크지 않은 시점에서, 적어도 하나의 발전기를 최대 효율 부하로 가동하도록 제어하여 대용량 배터리를 충전할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은 입항 및 그 이후 출항에 필요한 대용량 배터리의 충전을 수행함에 있어서, 발전기가 최대 효율 부하로 가동시켜 충전을 진행할 수 있고, 이로써, 대용량 배터리의 충전에 필요한 연비를 개선시킬 수 있다.
이하에서는, 평균 부하(L_A)가 최대 가동 부하 또는 최대 효율 부하를 초과할 때의 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기들의 발전 제어 및 그 양상을 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 제어기(200)의 충방전 제어 프로세스를 도시한 순서도이다.
도 11을 참조하면, 제어기(도 2의 200 참조)는 발전기 부하 정보(L_G) 및 전력 그리드(100)의 전압을 기초로, 평균 부하(L_A) 및 현재 부하(L_C)를 결정할 수 있다(810).
이어, 제어기(200)는 평균 부하(L_A)와 최대 효율 부하(예를 들어, 80%)를 비교할 수 있다(820). 최대 효율 부하의 값(80%)은 발전기에 따라서 변경될 수 있다. 다만, 도 11에 도시된 실시예에서, 제어기(200)는 평균 부하(L_A)와 최대 효율 부하의 크기를 비교하나, 다른 실시예에서, 제어기(200)는 평균 부하(L_A)와 적어도 하나의 발전기의 최대 가동 부하를 비교할 수도 있다.
이어, 만일, 최대 효율 부하가 평균 부하(L_A)보다 작다면, 즉 평균 부하(L_A)가 최대 효율 부하보다 크다면("N"), 제어기(200)는 추가의 발전기를 가동 시킨다(840).
이어, 만일, 최대 효율 부하가 평균 부하(L_A) 이상이거나("Y"), 추가의 발전기가 가동되었다면, 제어기(200)는 현재 부하(L_C)와 평균 부하(L_A)의 크기를 비교한다(830).
이어, 만일 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 크지 않다면("N"), 제어기(200)는 대용량 배터리를 충전시킨다(860). 만일 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A) 이상이라면("Y"), 제어기(200)는 대용량 배터리를 방전시킨다(850).
이후, 블록(810)의 단계로 복귀될 수 있고, 제어기(200)의 충방전 제어는 계속 반복 진행될 수 있다.
도 12는 예시적인 선박의 시간에 따른 부하 변동에 대하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 복수의 발전기(G1~Gn)의 가동 부하 변동의 양상을 도시한 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 선박의 시간에 따른 총 부하가 대략 150%의 평균 부하(L_A)를 가지고 시간에 따라 최대 180% 최소 130%로 변동하는 것이 예시된다.
도 12를 참조하면, 제어기(200)는 평균 부하(L_A)가 제1 발전기(G1)의 최대효율부하보다 클 때, 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)를 제1 발전기(G1)의 최대효율부하에 상응하도록 유지한다. 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)와 제2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)의 합이 평균 부하(L_A)에 상응하도록 제1 발전기(G1) 및 제2 발전기(G2)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어기(200)는 시간에 따른 현재 부하(L_C)의 변동에 독립적으로, 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)를 제1 발전기(G1)의 최대 효율 부하(약 80%)에 상응하게 유지할 수 있다.
또한, 제어기(200)는 시간에 따른 현재 부하(L_C)의 변동에 독립적으로, 제1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)와 제2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)의 합이 평균 부하(L_A)에 상응하도록 제2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)를 유지(예를 들어, 70%)로 유지할 수 있다.
또는, 제어기(200)는 제 1 발전기(G1) 및 제 2 발전기(G2)의 가동 부하가 각각 최대 효율 부하에 상응하도록 제 1 발전기(G1) 및 제 2 발전기(G2)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(200)는 제 1 발전기(G1) 및 제 2 발전기(G2) 모두가 80%의 가동 부하로 동작하도록 제어할 수도 있다.
또는, 제어기(200)는 제 1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1)와 제 2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)가 동일하게 되도록 제어할 수도 있다. 즉, 평균 부하(L_A)가 150%인 경우 제 1 발전기(G1)의 가동 부하(L_G1) 및 제 2 발전기(G2)의 가동 부하(L_G2)는 각각 75%일 수 있는 것이다. 이하, 각 발전기의 가동 부하가 동일한 경우 해당 가동 부하를 "분할 효율 부하"라 한다.
이 때, 제어기(200)는 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 클 때 대용량 배터리(도 2의 400 참조)를 방전시킬 수 있고, 현재 부하(L_C)가 평균 부하(L_A)보다 작을 때 대용량 배터리(400)를 충전시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 발전기(예를 들어, G1)는 최대 효율 부하 또는 분할 효율 부하로 전력을 생산하며, 다른 하나의 발전기(예를 들어, G2)는 가능한 최대 효율 부하에 근접하는 부하 또는 분할 효율 부하로 전력을 생산하므로, 선박의 발전기의 연비를 개선시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 최대 효율 부하로 전력을 생산하며, 적어도 하나의 발전기(예를 들어, G1)와 다른 하나의 발전기(예를 들어, G2)의 가동 부하의 합은 평균 부하(L_A)에 상응하도록 유지되므로, 즉, 가동 부하의 합이 시간에 대하여 일정하거나 시간에 대하여 낮은 기울기를 가지므로, 발전기의 급감가속을 억제할 수 있으며, 이는 발전기의 노후화를 억제할 수 있다.
도 13 내지 도 15는 평균 부하(Pc)의 변화에 따라서 발전기의 순차적 동작을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 평균 부하(Pc)가 o -> a -> b -> c -> d -> e와 같이 변동되고, 평균 부하(Pc)에 따라 각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)가 순차적으로 동작 개시 및 동작 중지된 것을 도시하고 있다.
o 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 증가하기 시작하면 제 1 발전기(Pg1)가 동작을 개시한다. 이 때, 제 1 발전기(Pg1)는 사전에 설정된 크기의 가동 부하로 동작을 수행할 수 있는데, 도 13은 80%의 가동 부하로 제 1 발전기(Pg1)가 동작하는 것을 도시하고 있다. 이러한 경우, 제1 발전기(Pg1)가 생산한 전력이 남을 수 있는데, 남는 전력은 대용량 배터리(400)에 축적할 수 있다.
a 지점에서 제 1 기준(P1)을 초과하면 제 2 발전기(Pg2)가 동작을 개시한다. 제 2 발전기(Pg2)도 사전에 설정된 크기의 가동 부하로 동작을 수행할 수 있으며, 도 13은 80%의 가동 부하로 제 2 발전기(Pg2)가 동작하는 것을 도시하고 있다. 이러한 경우, 제2 발전기(Pg2)가 생산한 전력이 남을 수 있는데, 남는 전력은 대용량 배터리(400)에 축적할 수 있다.
b 지점에서 제 2 기준(P2)을 초과하면 제 3 발전기(Pg3)가 동작을 개시한다. 제 3 발전기(Pg3)도 사전에 설정된 크기의 가동 부하로 동작을 수행할 수 있으며, 도 13은 80%의 가동 부하로 제 3 발전기(Pg3)가 동작하는 것을 도시하고 있다.
여기서, 제 1 발전기(Pg1), 제 2 발전기(Pg2), 제 3 발전기(Pg3)에 의한 80%의 가동 부하는 전술한 최대 효율 부하일 수 있다.
b 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 큰 변동 없이 유지되다가 c 지점에서 제 2 기준(P2) 미만이 되면 제 3 발전기(Pg3)가 동작을 중지한다.
c 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 지속적으로 감소하여 d 지점에서 제 1 기준(P1) 미만이 되면 제 2 발전기(Pg2)가 동작을 중지한다. 마찬가지로, c 지점과 d 지점 사이에서, 제2 발전기(Pg2)가 생산한 전력이 남을 수 있는데, 남는 전력은 대용량 배터리(400)에 축적할 수 있다.
d 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 지속적으로 감소하여 e 지점에서 0이 되면 제 1 발전기(Pg1)가 동작을 중지한다. 마찬가지로, d 지점과 e 지점 사이에서, 제1 발전기(Pg1)가 생산한 전력이 남을 수 있는데, 남는 전력은 대용량 배터리(400)에 축적할 수 있다.
이와 같은 각 발전기의 동작 개시 및 동작 중지는 중앙 제어부(230)에 의한 스케줄링 결과에 따라 수행될 수 있다.
즉, 평균 부하(Pc)가가 제 1 기준(P1) 미만인 경우 제 1 발전기(Pg1)만이 동작하고, 평균 부하(Pc)가가 제 1 기준(P1)을 초과하면서 제 2 기준(P2) 미만인 경우 제 1 발전기(Pg1) 및 제 2 발전기(Pg2)가 동작하며, 평균 부하(Pc)가가 제 2 기준(P2)을 초과하는 경우 제 1 발전기(Pg1), 제 2 발전기(Pg2) 및 제 3 발전기(Pg3)가 동작하도록 스케줄링되어 있는 것이다.
각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)가 최대 효율 부하에서 동작할 수 있도록 유도하여, 효율을 극대화할 수 있다. 게다가, 남는 전력은 배터리(400)에 충전시킴으로써, 순시 부하 변동에 용이하게 대응할 수 있다.
도 13은 동작 개시의 역순에 따라 발전기의 동작 중지가 수행되는 것을 도시하고 있다. 즉, 도 13은 가장 먼저 동작을 개시한 제 1 발전기(Pg1)가 가장 나중에 동작을 중지하고, 가장 나중에 동작을 개시한 제 3 발전기(Pg3)가 가장 먼저 동작을 중지하는 것을 도시하고 있다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이 동작 개시의 순서에 따라 또는 발전기의 동작 경과 시간에 따라 발전기의 동작 중지가 수행될 수도 있다.
도 14을 참조하면, 평균 부하(Pc)가 o -> a -> b -> c -> d -> e와 같이 변동되고, 평균 부하(Pc)에 따라 각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)가 순차적으로 동작 개시 및 동작 중지된 것을 도시하고 있다.
이와 같이, 가장 먼저 동작을 개시한 제 1 발전기(Pg1)가 가장 먼저 동작을 중지하고, 가장 나중에 동작을 개시한 제 3 발전기(Pg3)가 가장 나중에 동작을 중지할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 임의의 순서에 따라 발전기의 동작 개시 및 동작 중지가 수행될 수도 있다.
도 15를 참조하면, 평균 부하(Pc)가 o -> a -> b -> c -> d -> e와 같이 변동되고, 평균 부하(Pc)에 따라 각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)가 임의의 순서대로 동작 개시 및 동작 중지된 것을 도시하고 있다.
임의의 순서인 제 2 발전기(Pg2) -> 제 1 발전기(Pg1) -> 제 3 발전기(Pg3)의 순서로 동작 개시가 수행될 수 있고, 동작 개시 순서와는 무관하게 제 3 발전기(Pg3) -> 제 2 발전기(Pg2) -> 제 1 발전기(Pg1)의 순서로 동작 개시가 수행될 수 있는 것이다.
이와 같이, 중앙 제어부(230)는 복수의 발전기 각각의 동작 개시 순서, 동작 경과 시간 또는 임의로 설정된 순서에 따라 복수의 발전기에 대한 동작을 스케줄링 할 수 있다. 그러나, 이러한 스케줄링 기준은 예시적인 것으로서 보다 다양한 방식으로 스케줄링이 수행될 수도 있다.
도 13 내지 도 15는 그리드에 구비된 모든 발전기(500)가 동일한 크기의 가동 부하로 동작하는 것을 설명하였으나, 일부 또는 전체 발전기의 가동 부하가 상이하게 설정될 수도 있다. 또는, 평균 부하(Pc)의 크기에 대응되도록 모든 발전기(500)의 가동 부하가 동일하게 설정될 수도 있다.
도 16을 참조하면, 각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)는 동작을 시작한 후 최대 효율 부하(예를 들어, 80%)에 다다르면, 더 이상 증가하지 않을 수 있다.
구체적으로, 평균 부하(Pc)가 o -> a -> b -> c -> d -> e와 같이 변동되고, 평균 부하(Pc)에 따라 각 발전기(Pg1, Pg2, Pg3)가 순차적으로 동작 개시 및 동작 중지된 것을 도시하고 있다.
o 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 증가하기 시작하면 제 1 발전기(Pg1)가 동작을 개시한다. 이 때, 제 1 발전기(Pg1)는 평균 부하(Pc)를 따라서 증가한다.
a 지점에서 평균 부하(Pc)가 제 1 기준(P1)을 초과하면, 제1 발전기(Pg1)은 더 이상 증가하지 않는다. 제1 발전기(Pg1)은 80%의 최대 효율 부하를 유지한다. 즉, 제1 발전기(Pg1)은 최대 효율 부하 이상으로는 동작하지 않는다. 여기서, 제 2 발전기(Pg2)가 동작을 개시한다. 제 2 발전기(Pg2)는 평균 부하(Pc)를 따라서 증가한다.
b 지점에서 평균 부하(Pc)가 제 2 기준(P2)을 초과하면 제 3 발전기(Pg3)도 동작을 개시한다. 제2 발전기(Pg2)은 더 이상 증가하지 않는다. 제2 발전기(Pg2)은 80%의 최대 효율 부하를 유지한다. 즉, 제2 발전기(Pg2)은 최대 효율 부하 이상으로는 동작하지 않는다. 제3 발전기(Pg3)는 평균 부하(Pc)를 따라서 조절될 수 있다.
c 지점에서부터 평균 부하(Pc)가 지속적으로 감소하기 시작하면, 제3 발전기(Pg3)는 동작을 중지한다. 제2 발전기(Pg2)도 평균 부하(Pc)를 따라서 감소하기 시작한다.
또한, d 지점에서 제 1 기준(P1) 미만이 되면 제 2 발전기(Pg2)가 동작을 중지한다. 제1 발전기(Pg1)도 평균 부하(Pc)를 따라서 감소하기 시작한다.
e 지점에서 0이 되면 제 1 발전기(Pg1)도 동작을 중지한다.
이와 같은 각 발전기의 동작 개시 및 동작 중지는 중앙 제어부(230)에 의한 스케줄링 결과에 따라 수행될 수 있다.
이와 같은 방식을 따르면, 평균 부하(Pc)의 증가 단계에서는, 각 발전기(Pg1~Pg3)가 최대 효율 구간에서 동작하지 못할 수도 있다. 하지만, 특정 기준(P1, P2) 이상에서는, 적어도 일부의 발전기(Pg1, Pg2)가 최대 효율 구간으로 동작하도록 할 수 있다. 예를 들어, 평균 부하(Pc)가 특정 기준(P1, P2) 부근에서 장시간 유지될 경우, 적어도 일부의 발전기(Pg1, Pg2)는 최대 효율 구간에서 동작할 수 있다. 또한, 평균 부하(Pc)를 제외한 순시 부하는, 대용량 배터리가 감당하도록 할 수 있다.
도 17는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너선을 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박과 선박의 전력 운용 시스템은 컨테이너선(1000)에 적용될 수 있다. 구체적으로, 선수에 위치한 스러스터(1006)와, 선체의 중앙 부근에 위치한 대용량 배터리(1004)와, 선미에 위치한 발전기(1002) 및 프로펠러(1008)에 본 발명의 일 실시예에 따른 선박과 선박의 전력 운용 시스템의 구성들이 적용될 수 있다. 이와 달리, 갑판에 위치한 컨테이너 상에 대용량 배터리 (1002) 등의 구성이 배치될 수도 있다.
도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG선을 나타내는 도면이다.
도 18를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박과 선박의 전력 운용 시스템은 LNG선(2000)에 적용될 수 있다. 구체적으로, 선수에 위치한 쓰러스터(2006)와, 선체의 중앙 부근에 위치한 대용량 배터리(2004)와, 선미에 위치한 발전기(2002) 및 프로펠러(2008)에 본 발명의 일 실시예에 따른 선박과 선박의 전력 운용 시스템의 구성들이 적용될 수 있다. 또한, 발전기(2002)에서 생산된 전력과 대용량 배터리(2004)에서 방전된 전력들은 LNG 탱크의 온도를 조절하는 온도 조절기나, 상기 LNG 탱크에서 기화된 BOG를 재액화시키는 압축기 등의 부하에 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박, 선박의 전력 운용 시스템 및 전력 운용 방법은 전술한 컨테이너선(1000)과 LNG선(2000) 등 전력을 생산하고 상기 생산된 전력을 부하에 공급하는 다양한 선박에 적용될 수 있다. 다만, 도 17 및 도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박, 선박의 전력 운용 시스템 및 전력 운용 방법이 다양한 선박에 적용될 수 있는 일 예에 불과하며, 선박과 선박의 전력 운용 시스템의 구체적인 구성의 배치는 다양하게 설계 변경될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 전력 그리드;
    상기 전력 그리드에 연결되고 상기 전력 그리드에 전기를 공급하는 적어도 하나의 발전기;
    상기 전력 그리드에 연결되고, 상기 전력 그리드로부터 전기를 공급받아 충전되거나 상기 전력 그리드에 전력을 공급하도록 방전되는 대용량 배터리;
    상기 전력 그리드에 연결된 복수의 부하 요소;
    상기 적어도 하나의 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하고, 상기 전력 그리드의 전압을 센싱하여 현재 부하 및 평균 부하를 산출하여, 상기 평균 부하는 상기 발전기가 감당하도록 제어하고, 상기 현재 부하와 상기 평균 부하의 차이 부하는 상기 대용량 배터리가 감당하도록 제어하는 제어기를 포함하는 선박.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 현재 부하가 상기 평균 부하 보다 큰 시간 구간 동안, 상기 대용량 배터리를 방전시키도록 제어하고,
    상기 현재 부하가 상기 평균 부하 보다 작은 시간 구간 동안, 상기 대용량 배터리를 충전시키도록 제어하는 선박.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 평균 부하가, 상기 복수의 발전기 중 하나의 발전기의 최대 효율 부하보다 작은 경우,
    상기 하나의 발전기만 구동되고, 나머지 발전기는 구동되지 않는 선박.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 선박이 다이나믹 포지션(dynamic position) 동작을 수행할 때,
    상기 평균 부하를 상기 발전기가 담당하고 상기 차이 부하를 대용량 배터리가 담당하는 선박.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 대용량 배터리는 슈퍼 커패시터를 포함하는 선박.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 전력 그리드의 전압의 진폭과 특정 진폭 사이의 제1 편차 또는 전력 그리드의 전압의 주파수와 특정 주파수 사이의 제2 편차를 모니터링하고,
    상기 제어부는 상기 제1 편차 또는 상기 제2 편차를 기초로, 상기 현재 부하와, 상기 복수의 발전기의 총 가동 부하의 차이를 더 산출하는 선박.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제어기는,
    복수의 발전기에 발전기 제어 신호를 전송하고, 복수의 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하는 발전기 부하 제어부와,
    발전기 부하 제어부로부터 발전기 부하 정보를 수신하고 센서를 통해 검출한 전력 그리드의 전압을 기초로 평균 부하 및 현재 부하를 산출하는 부하 산출부와,
    상기 대용량 배터리에 배터리 제어 신호를 전송하고, 상기 대용량 배터리로부터 상기 대용량 배터리의 현재 충전 정도, 충방전 회수, 충전 및 방전 지속 시간 등에 관한 정보를 수신하는 배터리 제어부와,
    상기 발전기 부하 제어부를 통해 발전기 제어 신호를 각각의 발전기에 제공하여 각각의 발전기의 가동 여부 및 가동 부하를 제어하고, 상기 배터리 제어부를 통해 대용량 배터리에 배터리 제어 신호를 제공하여, 대용량 배터리의 충전 또는 방전 여부를 제어하는 중앙 제어부를 포함하는 선박.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제어기는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보가 기록된 운항 정보 DB를 더 포함하고,
    상기 중앙 제어부는 상기 운항 정보 DB로부터 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보를 수신하여, 대용량 배터리의 추가적인 충전 시간 구간을 설정하는 선박.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 중앙 제어부는,
    상기 운항 정보 DB로부터 운항 정보를 수신하고,
    수신된 상기 운항 정보를 기초로 입항까지 남은 기간을 산출하고,
    운항 중 평균 부하 및 충전 필요 전력량을 산출하고,
    산출된 상기 운항 중 평균 부하 및 충전 필요 전력량을 기초로, 적어도 하나의 발전기가 최대 효율 부하로 가동될 때 대용량 배터리의 완충에 필요한 충전 기간을 산출하고,
    산출된 상기 충전 기간을 상기 운항 정보 DB에 기록하여 상기 대용량 배터리의 추가적인 충전을 제어하는 선박.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 선박의 항해 스케쥴링에 관한 정보를 기초로, 대용량 배터리의 충전 시간 구간을 설정하는 선박.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 발전기는 디젤 발전기 또는, 석탄 가스, 발생 가스, 액화 가스(LPG) 또는 천연 가스 등의 기체 연료를 사용하는 내연 기관인 가스 엔진 발전기를 포함하는 선박.
  12. 전력 그리드;
    상기 전력 그리드에 연결되고 상기 전력 그리드에 전기를 공급하는 제1 및 제2 발전기;
    상기 전력 그리드에 연결되고, 상기 전력 그리드로부터 전기를 공급받아 충전되거나 상기 전력 그리드에 전력을 공급하도록 방전되는 대용량 배터리;
    상기 전력 그리드에 연결된 복수의 부하 요소;
    상기 제1 및 제2 발전기로부터 발전기 부하 정보를 수신하고, 상기 전력 그리드의 전압을 센싱하여 현재 부하 및 평균 부하를 산출하여, 상기 평균 부하는 상기 제1 및 제2 발전기가 감당하도록 제어하고, 상기 현재 부하와 상기 평균 부하의 차이 부하는 상기 대용량 배터리가 감당하도록 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때, 상기 제2 발전기를 가동시키는 선박.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때,
    상기 제1 발전기의 가동 부하를 상기 제1 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지하고, 상기 제1 발전기의 가동 부하와 상기 제2 발전기의 가동 부하의 합이 상기 평균 부하에 상응하도록 상기 제1 발전기 및 제2 발전기를 제어하는 선박.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 평균 부하가 상기 제1 발전기의 최대효율부하보다 클 때,
    상기 제1 발전기의 가동 부하를 상기 제1 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지하고, 상기 제2 발전기의 가동 부하도 상기 제2 발전기의 최대효율부하에 상응하도록 유지하는 선박.
  15. 발전기 부하 정보 및 전력 그리드의 전압을 기초로 평균 부하 및 현재 부하를 결정하고,
    상기 평균 부하와 최대 효율 부하를 비교하고, 그 결과에 따라 추가의 발전기를 가동시키고,
    상기 현재 부하가 상기 평균 부하를 비교하고, 그 결과에 따라 대용량 배터리를 충전하거나 방전하는 것을 포함하는 선박의 전력 운용 방법.
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