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제안 방법
- 는 K.(1+T3.s)/(1+T1.s+T1.T2.s^2)와 같이 나타낼 수 있으며, Regulator Gain K와 Regulator 시간 상수를 변화 시키면서 Generator 출력을 조정하였다. Generator의 Actuator 전달 함수인 Fa는 (1+T4.
- Diesel Engine 및 Governor는 MATLAB/SIMULINK에서 제공하는 기본 모델을 사용하였으며, 모델에 적용되는 파라미터 값은 LNG 선박에 사용되는 Generator 사양을 적용하고, 세부 출력 파라미터 값을 수정하여 구현하였다. Generator에 인가되는 계자전압은 아래 그림과 같은 Excitation System 모델을 이용하여 구성하였으며, Synchronous Machine에서 피드백되는 Mechanical 데이터 중 Synchronous Machine의 3상 전압을 축 변환하여 도출된 q axis 전압과 d axis 전압을 이용하여 Diesel Engine에서 생산되는 계자전압을 Synchronous Machine에 인가하였다.
- Diesel Generator는 아래의 그림과 같이 Diesel Engine and Governor, Synchronous Machine, System Switch 등의 부품으로 구성되며, Diesel Generator의 각 부품은 MATLAM/ SIMULINK를 이용하여 모델링 하였다.
- Diesel Engine 및 Governor는 MATLAB/SIMULINK에서 제공하는 기본 모델을 사용하였으며, 모델에 적용되는 파라미터 값은 LNG 선박에 사용되는 Generator 사양을 적용하고, 세부 출력 파라미터 값을 수정하여 구현하였다. Generator에 인가되는 계자전압은 아래 그림과 같은 Excitation System 모델을 이용하여 구성하였으며, Synchronous Machine에서 피드백되는 Mechanical 데이터 중 Synchronous Machine의 3상 전압을 축 변환하여 도출된 q axis 전압과 d axis 전압을 이용하여 Diesel Engine에서 생산되는 계자전압을 Synchronous Machine에 인가하였다.
- 시뮬레이션에 사용된 Synchronous Machine은 MATLAB/ SIMULINK 모델을 사용하여 구성하였으며 Parameter 설정은 다음과 같다. LNG 선박에 사용되는 Generator 사양과 동일하게 3.45MW, 6,600V, 60Hz로 Synchronous Machine Parameters를 설정하였으며, Reactances, Time constants, Stator Resistance 등의 Synchronous Machine 변수는 SIMULINK 모델 기본 설정을 사용하고, d-axis 조건은 Short-circuit, q-axis 조건은 Open-circuit으로 적용하였다. Synchronous Machine의 Generator type은 PV 모델을 적요하여 Active Power generation을 목표 모델인 3.
- Power Generator 모델의 MATLAB/SIMULINK 기반 시뮬레이션 조건은 실시간 시스템과 유사한 조건을 인가하기 위하여 SIMULINK의 Configuration Parameters에서 시뮬레이션 조건을 설정하였다.
- Turbine Engine 및 Governor는 MATLAB/SIMULINK에서 제공하는 기본 모델을 사용하였으며, Diesel Generator와 같은 방법으로 모델에 적용되는 Parameters 값은 LNG 선박에 사용되는 Generator 사양을 적용하고, 세부 출력 Parameters 값을 수정하여 구현하였다.
- Turbine Generator는 아래의 Fig. 7과 같이 Turbine Engine and Governor, Synchronous Machine, System Switch 등의 부품으로 구성되며, Turbine Generator의 각 부품은 MATLAM/SIMULINK를 이용하여 모델링 하였다.
- servo motor Gain은 100으로 설정하고, Gate opening limit 값을 ±10%, Permanent droop 변수와 Governor regulator 값을 Rp = 0.05, Td = 0.01, Kp = 1.163, Ki = 0.105, Kd = 0로 설정하여 실제 모델과 유사한 출력을 도출하기 위해 둔감한 제어 모델로 설정하고, LNG 선박의 초기 안정화 시간이 5초 이내에 Generator 출력이 안정화 되도록 Parameters를 설정하였다.
- 상기 Excitation System Model은 SIMULINK에서 제공하는 모델을 사용하였으며, Table 4의 Excitation System Parameters를 구성 모델에 적합하게 변수를 수정하였다. 계자전압 지령값에 따른 Vd, Vq 전압을 Low-pass filter를 통해 필터링하고 Regulator 전달함수를 통해 도출된 값과 필터링된 Vdq 전압을 이용하여 시스템에 인가되는 계자전압 Vf를 계산하였다
- 동기기를 3상 좌표에서 d-q 좌표로 변환한 등가회로는 아래의 그림과 같다. 동기기 모델의 Vabc 3상 전압 방정식은 해석하는데 많은 시간과 노력이 필요하고 시뮬레이션 구성이 어려우므로, 적용이 간단하고 시뮬레이션 해석이 용이한 d-q 자표 등가회로로 변환하여 시스템 해석에 적용하였다.
- s)]와 같이 나타낼 수 있으며, SIMULINK에서 주어진 모델의 상수값을 사용하였다. 또한 Generator의 신뢰성을 높이기 위해 Engine의 시간 지연과 출력 파워 초기값을 0으로 설정하였으며, 최대 토크 범위는 120% 까지 출력 가능하도록 설정하였다
- 본 연구에서는 LNG 선박에 적용되는 Power Generator(Diesel Generator, Turbine Generator)를 MATLAB/SIMULNK 기반의 전기추진선박용 전력 제어 시스템 모델링을 수행하고 선박의 가상 부하(Ship Lumped Load)에 따라 전력의 사용 현황 및 Power Generator의 동작 상태를 모니터링 할 수 있는 MATLAB 기반 제어 인터페이스를 구현하였다.
- 본 연구에서는 SW융합기술고도화 기술개발사업 선박통합 제어시스템 성능 검증 및 운용 시뮬레이션을 위한 클라우드 기반 솔루션 개발 연구의 일환으로 수행되었으며, MATLAB/SIMULINK 시뮬레이션 기반, 전기추진선박 LNG 선박용 Power Generator의 주요 부품들인 동기발전기, Diesel Generator 시스템, Turbine Generator 시스템, 변압기, 차단기, Ship Lumped Load 3 상부하들 등 LNG 선박에서 사용하고있는 장비의 개별 모델링을 수행하였고, 모델링 된 주요 부품을 기반으로 연구의 적용 대상 및 주 목적이 되는 LNG 선박용 Power Generator 모델링하고 MATLAB 기반으로 전기추진선박용 Generator의 제어 인터페이스를 구현하였다.
- 상기 Excitation System Model은 SIMULINK에서 제공하는 모델을 사용하였으며, Table 4의 Excitation System Parameters를 구성 모델에 적합하게 변수를 수정하였다. 계자전압 지령값에 따른 Vd, Vq 전압을 Low-pass filter를 통해 필터링하고 Regulator 전달함수를 통해 도출된 값과 필터링된 Vdq 전압을 이용하여 시스템에 인가되는 계자전압 Vf를 계산하였다
- MATLAB/SIMULINK 모델링을 위한 LNG 선박용 Turbine Generator의 Parameter 설정은 다음과 같다. 시뮬레이션으로 구현된 Turbine Engine and Governor 모델링은 PID 제어기 Governor를 이용하여 구성하였으며, Synchronous Machine 속도, 속도 지령값, 실제 Synchronous Machine 출력, 속도 편차를 입력받아 PID Governor, servo motor, hydraulic turbine을 통해 기계동력 Pm을 출력하고, 출력된 기계동력은 Synchronous Machine에 전달되어 모델링된 Switch를 통해 부하단으로 인가된다.
- Load Sharing 은 Generator의 속도와 전압 droop 특성을 통해 조절하는데, 유효전력의 부하 분담은 Generator의 속도로 제어하고, 무효전력의 부하 분담은 전압 여자 제어를 통해 제어한다. 이를 이용하여 각 상황에 따른 Generator Load Sharing 제어를 수행하는 모델링을 구현한다.
대상 데이터
- 본 연구에서 구현하고자하는 LNG 선박의 Power Generator는 Diesel Generator와 Turbine Generator 이다. 모델링에 사용된 Diesel Generator와 Turbine Generator의 사양은 아래 표에 나타내었다.
- 본 연구에서 목표로하는 LNG 선박은 140k급 선박으로 3.45MW 급 Diesel Generator 1기, 3.45MW 급 Turbine Generator 2기가 탑재되어 있다. Generator는 아래의 개략도와 같이 구성되어 있으며, Circuit Break를 통해 MSBD (Main Switch Board) 및 PMS에 생산된 전력, 데이터, 제어신호를 전달한다.
데이터처리
- Diesel Generator 시뮬레이션에서 가상을 선박 로드를 인가한 후 Power Generator의 3.45MW 정격 출력에 대하여 전력 Reference 값과 실제 출력을 시뮬레이션하고 비교하였다. Fig.
- Fig. 14 Turbine Generator 출력 그래프에서도 Diesel Generator와 같이 가상을 선박 로드를 인가한 후 Power Generator의 3.45MW 정격 출력에 대하여 전력 Reference 값과 실제 출력을 시뮬레이션과 비교하였다.
- 개발된 전기추진선박 기반 LNG 선박용 Power Generator는 MATLAB 기반 특성해석 시퀀스에 따라 시뮬레이션을 수행하였고, 각 시퀀스의 예상 시뮬레이션 결과와 특성해석 결과의 비교 검토를 통해 전기추진선박용 Power Generator 모델링의 신뢰성을 검증하였다. 향후 본 논문에서 개발된 전기추진선박용 Power Generator 의 Functional Test 연구와 실제 선박용 하드웨어와의 연계 통신부분에 대해 연구하여, LNG 선박용 PMS(Power Management System) HILS(HardwareIn-the-Loop)로 연계 확장 가능할 것으로 기대한다.
이론/모형
- V'kq1, V'kq2, ∅'kq1, ∅'kq2는 q축 댐퍼 1, 2에 대한 전압압과 쇄교자속 변화를 나타낸다. 상기에서 사용된 변환 수식은 MATLAB/SIMULINK 기반의 시뮬레이션 검토를 위해 사용되었으며, 실제 MATLAB/ SIMULINK 모델은 SIMULINK에서 제공하는 모델을 이용하여 구성하였다.
- 시뮬레이션에 사용된 Synchronous Machine은 MATLAB/ SIMULINK 모델을 사용하여 구성하였으며 Parameter 설정은 다음과 같다. LNG 선박에 사용되는 Generator 사양과 동일하게 3.
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