[논문]선박 평형수 처리용 Phase Shift Full Bridge Converter 출력 제어 알고리즘

이상리; 김학원; 조관열; 정호철; 김종혁; 박귀철

doi:10.6113/tkpe.2013.18.6.530

선박 평형수 처리용 Phase Shift Full Bridge Converter 출력 제어 알고리즘
An Output Control Algorithm for Phase Shift Full Bridge Converter for Ballast Water Treatment 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.6, 2013년, pp.530 - 539

이상리 (Dept. of Control & Instrumentation Engineering, Korea Nat'l Univ of Transportation) , 김학원 (Dept. of Control & Instrumentation Engineering, Korea Nat'l Univ of Transportation) , 조관열 (Dept. of Control & Instrumentation Engineering, Korea Nat'l Univ of Transportation) , 정호철 (Power Research Lab. DongAh Elecomm) , 김종혁 (Power Research Lab. DongAh Elecomm) , 박귀철 (Power Research Lab. DongAh Elecomm)

Abstract ▼ AI-Helper

In large vessels, proper water level must be maintained with a balance for right and left equilibrium by absorbing or draining sea water in ballast water tank. However, this ship's ballast-water can be drained marine organisms to local sea area by world trade and this can be a source of ecological disturb. In order to solve these problems, marine organisms must be removed in accordance with the international covenant for the emission of microorganisms. By this reason, the seawater electrolysis rectifier of low-voltage high-current rectifiers with excellent ability for microbial treatment is required. In this paper, PSFB converter will be discussed for the seawater electrolysis rectifier. Furthermore, a new output control method with the power limit operation under the limited maximum voltage condition is proposed for this rectifier. The simulation for the proposed current control method for PSFB Converter is shown using MATLAB/SIMULINK. Finally the usefulness of the proposed control method is presented by the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

6[kW]로 정전압 출력 제어를 위한 V_max를 36[V]로 설정할 수 있다. 만약 PSFB 컨버터가 최대 부하 조건으로 운전한다고 가정하여 제안된 전류 명령 발생부의 동작을 살펴보자. 최대 부하 운전 조건의 경우 출력 전압 34[V] 미만으로 정전류 제어기의 전류 명령이 가장 작은 값을 갖는다.
PSFB의 소신호 모델은 참고문헌 [5]에서 벅 컨버터를 기본으로 하여 도출된 바 있다. 본 논문에서는 PSFB 컨버터의 소신호 모델에 대하여 검토하고, 선박 평형수의 전기 분해를 위한 정전류, 정전력, 정전압 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 MATLAB/SI MULINK를 사용하여 PSFB 컨버터를 모델링(Modeling)하여 모의해석을 실시한다.
본 논문에서는 부하 조건에 따른 전류 명령, 전력 명령, 및 전압 명령을 추종하는 출력 제어 알고리듬을 제안하였다. 선박 평형수는 해수의 양과 염도에 따라 달라지는 부하 조건으로 인하여 특정 전류로 제어하게 되면, 과도한 출력 전압으로 인하여 시스템의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.
본 논문에서는 선박 평형수의 미생물처리에 우수한 능력을 가지며 뛰어난 살균 효과와 지속적이 살균이 가능한 해수 전기분해용 정류기에 대해 논하며 정류기는 저전압 대전류 정류기 방식의 PSFB 컨버터의 제어기에 대해 다룰 것이다. PSFB의 소신호 모델은 참고문헌 [5]에서 벅 컨버터를 기본으로 하여 도출된 바 있다.
그러므로 선박 평형수 속 미생물을 전기 분해하기 위해서는 부하 조건에 따라 정전류, 정전압, 정전력으로 각각 제어하여야한다. 본 장에서는 PSFB 컨버터의 제안된 출력 제어기와 제안된 출력 제어기를 위한 전압제어기와 전류제어기의 설계 방법에 대해 논한다.

제안 방법

그림 12의 PSFB 컨버터의 전압 응답을 이용하여 전압제어기를 설계하며, 전압제어기의 대역폭은 전류제어기 대역폭의 1/10주파수인 100[Hz]부근으로 설계한다. PSFB 컨버터의 소신호 전압 응답의 극점이 전압 제어기의 대역폭보다 큰 주파수에 있으므로, 전압 제어기는 PI제어기와 폐루프 대역폭 부근의 개루프 이득을 낮춰 주기 위한 극점을 추가한 형태로 전류 제어기를 설계한다. 식 (6)는 설계된 전압제어기의 전달함수이다.
제안된 제어기는 MATLAB/SI MULINK를 사용하여 PSFB 컨버터를 모델링(Modeling)하여 모의해석을 실시한다. 또한 TI 의 염가형 DSP인 피콜로시리즈의 28035를 활용하여 시스템을 구현하여 제안된 제어기의 성능을 확인한다. 본 논문에서 제안된 출력 제어 알고리듬은 부하 조건에 따른 전류 명령, 전력 명령, 및 전압 명령을 잘 추종하는 것을 모의해석 및 실험 결과를 통해 입증한다.
이런 경우 변압기 외부에 다소 큰 값의 누설 인덕터를 직렬로 연결을 하면 이 문제를 해결할 수 있으나, 이는 시스템의 체적을 증가시키는 문제가 발생된다. 또한 선박 평형수 처리용 PSFB 컨버터의 입력 전압은 3상 380V를 다이오우드 정류한 전압으로 DC 링크 전압이 높아 IGBT를 사용하며, IGBT의 경우 턴 오프 손실에 비해 턴온 손실의 비중이 작아 누설 인덕터 추가로 인한 효율 개선효과가 상대적으로 작아서 적용하지 않았다.
이에 따라 전기 분해 방식의 절연형 컨버터를 PSFB Converter를 설계하여 부하 조건에 따라, 정전류, 정전압, 정전력으로 제어하는 알고리듬을 제안하였다. 본 논문에서 제안된 선박평형수 처리를 위한 PSFB 출력 제어알고리듬을 통해 부하 조건에 따른 전류 명령, 전력 명령, 및 전압 명령을 잘 추종하는 것을 모의해석 및 실험 결과를 통해 입증하였다.
본 논문에서 제안한 선박 평형수를 위한 PSFB 컨버터 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 MATLAB/ SIMULINK와 PSIM을 연동하여 진행하였다.
본 논문에서 제안한 선박 평형수를 위한 PSFB 컨버터 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 MATLAB/ SIMULINK와 PSIM을 연동하여 진행하였다. 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 PSFB 컨버터의 파라미터는 표 1에 나타낸 값과 동일한 파라미터를 사용하였다.
선박 평형수는 해수의 양과 염도에 따라 달라지는 부하 조건으로 인하여 특정 전류로 제어하게 되면, 과도한 출력 전압으로 인하여 시스템의 신뢰성에 영향을 미치게 된다. 이에 따라 전기 분해 방식의 절연형 컨버터를 PSFB Converter를 설계하여 부하 조건에 따라, 정전류, 정전압, 정전력으로 제어하는 알고리듬을 제안하였다. 본 논문에서 제안된 선박평형수 처리를 위한 PSFB 출력 제어알고리듬을 통해 부하 조건에 따른 전류 명령, 전력 명령, 및 전압 명령을 잘 추종하는 것을 모의해석 및 실험 결과를 통해 입증하였다.
본 논문에서는 PSFB 컨버터의 소신호 모델에 대하여 검토하고, 선박 평형수의 전기 분해를 위한 정전류, 정전력, 정전압 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 MATLAB/SI MULINK를 사용하여 PSFB 컨버터를 모델링(Modeling)하여 모의해석을 실시한다. 또한 TI 의 염가형 DSP인 피콜로시리즈의 28035를 활용하여 시스템을 구현하여 제안된 제어기의 성능을 확인한다.
제안한 선박 평형수 처리용 PSFB 컨버터 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 모의해석과 동일한 조건으로 실험을 실시하였다. 그림 19은 실험을 하기 위해 제작된 선박평형수 처리를 위한 PSFB 판넬이다.

대상 데이터

시뮬레이션은 MATLAB/ SIMULINK와 PSIM을 연동하여 진행하였다. 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 PSFB 컨버터의 파라미터는 표 1에 나타낸 값과 동일한 파라미터를 사용하였다. 그림 14는 각각 시간에 따라 부하를 100%, 82%, 26%로 감소 시켰을 경우에 대한 모의해석 결과로 얻어진 전압, 전류, 전력의 실효값을 나타낸 파형이다.

성능/효과

또한 TI 의 염가형 DSP인 피콜로시리즈의 28035를 활용하여 시스템을 구현하여 제안된 제어기의 성능을 확인한다. 본 논문에서 제안된 출력 제어 알고리듬은 부하 조건에 따른 전류 명령, 전력 명령, 및 전압 명령을 잘 추종하는 것을 모의해석 및 실험 결과를 통해 입증한다.
그림 25는 선박 평형수 각 부하별 효율을 나타낸 그래프이다. 부하가 커질수록 효율이 높아지는 것을 알 수 있으며, 정격 최대 부하 조건에서 89%의 효율을 가짐을 알 수 있다.

후속연구

제안된 전류 명령 발생부에서 발생한 전류 명령을 실제 전류가 추종하기 위한 전류 제어기와 전류 명령 발생부를 위한 전압 제어기의 설계가 필요하다. 제어기 설계를 위해 선박 평형수를 위한 PSFB 컨버터의 파라미터를 정리하면 표 1과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박 평형수의 미생물처리 방법에는 무엇이 있는가?	유입, 유출된 해양 유기체는 그 지역의 토착 생태계를 교란시켜 생태 환경을 파괴시키기 때문에 이와 같은 문제를 해결하기 위해 선박 평형수를 배출할 때에는 반드시 미생물을 기준에 따라 제거하여 배출하도록 국제 규약이 마련되었다[1],[2]. 한편, 선박 평형수의 미생물처리 방법에는 여과장치, UV 살균, 오존 살균, 열처리, 염소, 전기분해 등여러 가지 처리 기술이 존재하는데 이 중에서도 전기분해 처리 방식이 뛰어난 살균 효과와 지속적인 살균효과에 우수한 것은 잘 알려져 있다[3].
	선박 평형수의 역할은?	선박 평형수는 선박이 바다로 항해 할 때 선박이 뜨지 않고 좌우 평형을 맞추기 위해 선박의 좌측과 우측에 물탱크를 설치하여 바다 속으로 잠기게 해주는 역할을 해주며 좌우 균형을 맞춰 주기 위해 물을 흡수 또는 배수하게 된다. 전 세계 대부분의 물동량은 선박을 통한 것으로, 선박을 통한 수출 또는 수입 시 선박 평형수를 통해 해양 유기체를 타 지역에서 인근 해양으로 또는그 반대로 유입 또는 유출시키게 된다.
	절연 DC-DC 컨버터 방식은 크게 3상위상제어 정류기 방식과 3상 전파정류기 초퍼 방식, PSFB 컨버터 방식 등이 있다, 각각의 특징은?	절연 DC-DC 컨버터 방식은 크게 3상위상제어 정류기 방식과 3상 전파정류기 초퍼 방식, 위상 천이 풀 브리지 (Phase Shift Full Bridge, 이하 PSFB) 컨버터 등이 있다[4]. 3상 위상 제어 정류기 방식과 3상 전파 정류기 초퍼 방식은 입력단에 저주파의 변압기가 필요한 저주파 링크 방식으로, 역률이 좋지 않으며 큰 부피의 변압기가 필요한 단점이 있다. 그에 비해 PSFB 컨버터방식은 변압기의 무게와 부피를 감소시킬수 있으며 제어가 용이한 장점을 가지고 있어 참고 문헌 [4]에서 선박 평형수용 전기 분해용 정류기로 제안된바 있으며 부하에 공급되는 전류를 제어하는 방법에 대하여 기술되어있다. 그러나 해수의 양과 염도에 따라 달라지는 부하 조건으로 인하여 특정 조건에서 특정 전류로 제어하게 되면, 과도한 출력 전압으로 인하여 시스템의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.

참고문헌 (9)

IMO, "Ballast Water Performance Standard," Regulation D-2 1/2, 2004.
IMO, "Guideline for Approval of Ballast Water Managemenet System (G8)," RESOLUTION MEPC.174(58) Adopted on 10 Oct. 2008.
Tae-O Kim, Sun-Kwon Lee, Gyu-Hong Kang, "A Study on the Ballast Water Treatment System for the Laboratory Test," Annual Conference of the KIPE, pp. 136-137, Jul. 2011.
Won-Woo Cho, Jin-Young Kim, In-Dong Kim, Eui-Cheol Nho, Gang-Woo Goh, and Sang-Bum Bae, "Design of High-Current Inverter-type Rectifier for Electronic Disinfection of Ship Ballast Water," The Transactions of Korea Institute of Power Electronics, Vol. 16, No. 5, pp. 451-531, Oct. 2011.
Vlatko Vlatkovic, Juan A. Sabate, Raymond B. Ridely, Fred C. Lee, Bo H. Cho, "Small-signal analysis of the phase-shifted PWM converter," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 7, No. 1, pp. 128-135 Jan. 1992.

상세보기
David J. Hamo, "A 50W, 500kHz, Full-Bridge, Phase Shift, ZVS Isolated DC to DC Converter Using HIP4081A," Intersil Intelligent Power Application No, AN9506, pp. 2, April 1995.
Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics Second Edition," Kluwer Academic Publishers, pp. 331-340, 2001.
http://www.ballastwater-treatment.org/product-list/electro-cleen-system.
Yun-Sung Kim, Min-Hee Jeon, Jong-Hyug Kim, Gwi-Cheol Park, Byoung-Kuk Lee, "Development of a 20kw power su pply module for ballast water treatment systems," Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2012 IEEE.

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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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