[논문]선박용 전기추진시스템의 운전조건별 Dynamic 특성 연구

전원; 왕용필; 정상용

doi:10.5916/jkosme.2008.32.8.1296

선박용 전기추진시스템의 운전조건별 Dynamic 특성 연구
Dynamic Characteristic Analysis at Each Operating Condition for Electric Ship Propulsion System 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.32 no.8, 2008년, pp.1296 - 1302

전원 (동아대학교 전기공학과) , 왕용필 (동아대학교 전기공학과) , 정상용 (동아대학교 전기공학과 전자계응용시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with modeling and dynamic characteristic analysis of a large-powered LNG electric ship propulsion system. Basically, we perform to verify the adequacy of system modeling on the sea going mode and LNG unloading mode based on load flow analysis. And then, we observe the dynamic characteristic of system to perform motor starting analysis and transient stability analysis. Particularly, this paper examine analysis results in comparison with the IEEE standard 141 and the class rule. Hence, this paper has evaluated stability of the electric ship propulsion system at static and dynamic conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 대형LNG선을 모델로, 전기추진선박시스템의 전력조류해석(Load Flow Analysis)을 선박의 운전상태(항해시와 LNG Unloading시)에 따라 수행하여 전압제한조건(IEEE Std 141-1993, 5%미만)을 근거로 시스템의 전력특성을 분석한다^[1]. 또한, 선급규정(Class Rule)을 근거로 전동기 기동해석(Motor Starting Analysis)을 수행하여 유도전동기 기동 시 시스템의 전압 변동률 및 발전기의 주파수변화율에 대해 안정성을 검토하고, 선박 항해시 발생할 수 있는 발전기 및 추진전동기의 상태변동을 설정하여 과도안정도해석(Transient Stability Analysis)을 수행하여 시스템의 동적안정성을 분석한다^[2]~[5].
전력시스템에 부하변동이나 선로사고 등과 같은 교란이 발생하면 시스템이 전반적으로 불평형 상태가 되어 발전기 및 전동기가 탈조하거나 전력계통이 붕괴되는 사고가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 선박항해시 발생할 수 있는 상황(Table 4)을 설정하여 부하변동에 따른 발전기 전압강하(Class Rule 85%~120%)와 시스템의 안정화 시간(Class Rule 1.5초 이내에 전압변동 3%미만)에 대해 검토하고자 한다.
유도전동기 기동시 특성상 낮은 역률의 높은 기동전류를 필요로 하기 때문에 시스템의 전압강하를 유발한다. 따라서 본 논문에서는 유도전동기 기동 시 시스템의 전압강하 안정성 여부(Class Rule 204조항, 85%~120%)와 발전기의 속도(주파수) 변동 안정성 여부(Class Rule 206조항, 10%미만)를 검토하고자 한다.
본 논문에서는 선박 항해시와 LNG Unloading 시의 전력조류해석을 수행하여 발전기의 과부하 여부, BUS전압의 안정성, 전력조류방향 등을 검토하여 각 운전조건별 시스템 모델링의 적합성을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 전기추진시스템을 채택한 대형 LNG선에 대한 정․동특성을 검토하고자 항해시와 LNG Unloading시의 Load Flow Analysis, Cargo Pump기동시의 Motor Starting Analysis, 항해시 발생할 수 있는 4가지 설정상황에 대한 Transient Stability Analysis를 수행 하였다. 각 해석에 대해 전압제한조건(IEEE Std 141 -1993) 및 선급규정(Class Rule)과 같은 실제 선박설계 시 고려되는 기준을 근거로 결과를 관찰하였다.
그 결과, 전기추진선박 시스템의 모델링 적합성과 시스템 동적 운전시 및 사고발생시 발전기와 시스템 안정성을 검증하였다. 이와 같이 본 논문에서는 선박용 전기추진시스템의 정적 및 동적 변동에 대해 전반적인 안정성 검증의 체계를 구축하고자 하였다.

제안 방법

② LNG Unloading에 대한 Cargo Pump 기동 시 동특성해석(Motor Starting Analysis)을 한다.
③ 항해시 발생할 수 있는 발전기 및 추진전동기 변동에 대해 동특성해석(Transient Stability Analysis)을 한다.
본 논문에서는 전기추진시스템을 채택한 대형 LNG선에 대한 정․동특성을 검토하고자 항해시와 LNG Unloading시의 Load Flow Analysis, Cargo Pump기동시의 Motor Starting Analysis, 항해시 발생할 수 있는 4가지 설정상황에 대한 Transient Stability Analysis를 수행 하였다. 각 해석에 대해 전압제한조건(IEEE Std 141 -1993) 및 선급규정(Class Rule)과 같은 실제 선박설계 시 고려되는 기준을 근거로 결과를 관찰하였다. 그 결과, 전기추진선박 시스템의 모델링 적합성과 시스템 동적 운전시 및 사고발생시 발전기와 시스템 안정성을 검증하였다.
. 또한, 선급규정(Class Rule)을 근거로 전동기 기동해석(Motor Starting Analysis)을 수행하여 유도전동기 기동 시 시스템의 전압 변동률 및 발전기의 주파수변화율에 대해 안정성을 검토하고, 선박 항해시 발생할 수 있는 발전기 및 추진전동기의 상태변동을 설정하여 과도안정도해석(Transient Stability Analysis)을 수행하여 시스템의 동적안정성을 분석한다^[2]~[5].
따라서, 전력특성해석을 하여 시스템의 정적 안정성과 동적 안전성에 대해 검토하여야 한다. 본 논문에서는 소프트웨어 ETAP(Electrical Transient Analyzer Program)을 사용하여 아래와 같은 순서로 선박용 전기추진시스템에 대한 정특성 및 동특성 해석을 수행한다.
5MW급 발전기 각 한 대씩 Trip시키는 상황이다. 특히, 발전량이 부하량을 감당할 수 있도록 발전기 두 대 Trip후 1초 후에 12MW급 추진전동기 한 대를 를 Trip시켰다. Fig.
항해시(발전기 4대, 추진전동기 2대 기동) 5.5MW급 발전기 한 대가 Trip되는 상황을 Case3으로 설정하여 과도안정도 해석을 수행하였다. Fig.
항해시(발전기 4대, 추진전동기 2대 기동) 추진 전동기 두 대가 Trip되는 상황을 Case2로 설정하여 과도안정도 해석을 수행하였다. 해석결과 (Fig.
항해시(발전기 4대, 추진전동기 2대 기동) 추진 전동기 한 대가 Trip되는 상황을 Case1으로 설정 하여 과도안정도 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

LNG Unloading시 LNG 이송에 사용되는 Cargo Pump는 550kW급 유도전동기로 8대가 시스템에 내재되어 있다. 따라서 11MW급 발전기 1대가 가동되고 있는 LNG Unloading시 Cargo Pump의 기동은 시스템 및 발전기에 전압강하를 유발한다.

성능/효과

특히, 발전량이 부하량을 감당할 수 있도록 발전기 두 대 Trip후 1초 후에 12MW급 추진전동기 한 대를 를 Trip시켰다. Fig.9의 해석결과를 보면 1초에 발전기 Trip시 발전기의 전압변동률 최소값이 91.3%, 2초에 추진 전동기 Trip시 발전기의 전압변동률 최대값이 103.5%로 Class Rule(전압변동률 최대값 85%~120%)을 만족하였으며, 안정화 정도도 추진전동기 Trip후 1.5초경과시 101.2%가 되어 Class Rule(1.5초 이내에 전압변동 3%미만)을 만족하였다. 따라서 발전기의 Governor가 Case4의 해석상황에서도 적절히 모델링되었음을 알 수 있다.
각 해석에 대해 전압제한조건(IEEE Std 141 -1993) 및 선급규정(Class Rule)과 같은 실제 선박설계 시 고려되는 기준을 근거로 결과를 관찰하였다. 그 결과, 전기추진선박 시스템의 모델링 적합성과 시스템 동적 운전시 및 사고발생시 발전기와 시스템 안정성을 검증하였다. 이와 같이 본 논문에서는 선박용 전기추진시스템의 정적 및 동적 변동에 대해 전반적인 안정성 검증의 체계를 구축하고자 하였다.
셋째, 추진시스템의 소형화로 Cargo 적재 능률 향상을 이룰 수 있다. 넷째, Reliability(신뢰성) 와 Availability(유용성)가 뛰어나다. 다섯째, 선회반경, 급제동 등 Maneuvering 성능이 우수하다.
넷째, Reliability(신뢰성) 와 Availability(유용성)가 뛰어나다. 다섯째, 선회반경, 급제동 등 Maneuvering 성능이 우수하다. 이러한 장점으로 인해 대형 LNG선, 군함, 쇄빙선, 여객선, 화물선등 여러 고부가가치 선박에 적용이 확대되는 실정이다.
첫째, 전기적 제어를 통하여 쉽게 기동 · 정지 · 역전할 수 있기 때문에 운전조작성이 뛰어나다. 둘째, 장비손상에 대한 Redundancy가 우수하다. 셋째, 추진시스템의 소형화로 Cargo 적재 능률 향상을 이룰 수 있다.
둘째, 장비손상에 대한 Redundancy가 우수하다. 셋째, 추진시스템의 소형화로 Cargo 적재 능률 향상을 이룰 수 있다. 넷째, Reliability(신뢰성) 와 Availability(유용성)가 뛰어나다.
아울러, Cargo Pump 기동시 발전기의 속도(주파수) 변동 안정성을 검토하였는데, Fig.5를 보면 Cargo Pump 기동시 속도가 514.3rpm에서 최저 속도 506.6rpm까지 1.5% 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 Cargo Pump 기동시 발전기의 속도 변화량이 Class Rule(10%미만)을 만족하므로 Cargo Pump 기동시 발전기가 안정한 상태임을 알 수 있다.
항해시(발전기 4대, 추진전동기 2대 기동) 추진 전동기 두 대가 Trip되는 상황을 Case2로 설정하여 과도안정도 해석을 수행하였다. 해석결과 (Fig.7) 발전기의 전압변동률 최대값이 103.65%, 1.5초경과 후 안정화 정도는 100.8%가 되어 Class Rule(전압변동률 최대값 85%~120%, 1.5초 이내에 전압변동 3%미만)을 만족한다. 따라서 Case2의 해석상황에서도 발전기의 Governor 가 적절히 모델링되었다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박용 전기추진시스템의 구조는 어떻게 구성되어 있나요?	선박용 전기추진시스템의 구조는 디젤엔진, 발전기, 배전반, 추진변압기, 주파수변환기, 추진전동기, 프로펠러로 구성되는데, 특히 항해 상황에 따라 전력을 적절히 사용할 수 있는 감기운전을 위해 여러 대의 발전기로 구성되며, 추진전동기시스템은 통상 2대로 구성되며, 항해 시 한 대의 추진전동기가 고장 나더라도 나머지 한 대의 추진전동기에 의해 무사히 귀환할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 전기추진시스템의 구조는 전기적 부품간의 상호 연계성이 고려되어 설계되어져 있으므로 다양한 동작 상태에서의 전압 및 전력조류가 허용범위 내인지를 검토하여 시스템의 정적 안정도를 판단하는 것과 시스템의 동적상황에 따라 발전기와 추진전동기의 전압변동률을 검토하여 시스템의 동적 안정도를 판단하는 것은 매우 중요하다.
	전력조류해석은 무엇을 분석하는데 사용되나요?	전력조류해석은 다양한 동작 상태에서 전력시스템의 정상상태 성능해석 및 시스템의 전력특성을 분석하는데 사용된다. 이는 부하의 유효전력과 무효전력, 발전기의 유효전력과 무효전력의 범위를 알고, 이를 통해 각 선로를 통해 흐르는 전력조류 및 타계통과 연결하는 변압기에서의 전력조류, 각 BUS에서의 전압의 크기와 위상각을 산출하는 것이다[8]~[9].
	전기추진시스템이 가지는 장점들은 무엇이 있나요?	전기추진시스템이 가지는 장점들은 다음과 같다. 첫째, 전기적 제어를 통하여 쉽게 기동 ․ 정지 ․ 역전할 수 있기 때문에 운전조작성이 뛰어나다. 둘째, 장비손상에 대한 Redundancy가 우수하다. 셋째, 추진시스템의 소형화로 Cargo 적재 능률 향상을 이룰 수 있다. 넷째, Reliability(신뢰성) 와 Availability(유용성)가 뛰어나다. 다섯째, 선회반경, 급제동 등 Maneuvering 성능이 우수하다. 이러한 장점으로 인해 대형 LNG선, 군함, 쇄빙선, 여객선, 화물선등 여러 고부가가치 선박에 적용이 확대되는 실정이다.

참고문헌 (9)

Won Jeon, Yong-Peel Wang, Jong-Hwa Jeong, Sung-Kak Lyu, Sang-Yong Jung, "Power Characteristic Analysis of Assumed Short Circuit Instance of Electric Ship Propulsion System", 한국마린엔지니어링학회지 제32권, 제2호, pp.323-329, 2008

원문보기 상세보기
J. V. Amy, Jr., "Considerations in the Design of Naval Electric Power Systems", 2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, Vol I, pp.330-335, 2002
Timothy J. Mc Coy, "Trend in Ship Electric Propulsion", IEEE, Vol.1, pp.343-346, 2002
이교성, 장해기, "LNG선박의 최근동향", 한국마린엔지니어링학회지, 제29권, 제4호, pp.341-348, 2005. 5(ISSN 1226-9549)

원문보기 상세보기
Wang, Z. and Liu, Y., "Modeling and Simulation of a Cyclo-converter Drive System for Harmonic Studies", IEEE Trans. on Industrial Electrinics, Vol.47, No.3, pp.533-541, 2000

상세보기
E.J.Lecourt, "Using Simulation to Determine the Maneuvering performance of the WAGB-20", Naval Engineers Journal, pp.171-188, January 1998
S. Woodruff, "Real Time Digital Harmonic Modeling and Simulation:An Advanced Tool for Understanding Power System Harmonics Mechanisms", IEEE Power Engineering Society General Meeting, Vol I, pp.773-776, 6-10 June 2004
R.E.Hebner,"Electric Ship Power System-Research at the University of Texas at Austin", IEEE Electric Ship Technologies Symposium, pp.34-38, 25-27 July 2005
김소연,"Suppression of the Thrust Loss for the Maximum Thrust Operation in the Electric Propulsion Ship", 서울대학교 석사학위논문, 2007년 2월

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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