[논문]전기추진선박의 전력품질 개선을 위한 리튬-이온 배터리 에너지저장시스템 적용

구현근; 서혜림; 김장목

doi:10.6113/tkpe.2015.20.4.351

전기추진선박의 전력품질 개선을 위한 리튬-이온 배터리 에너지저장시스템 적용
Lithium-ion Battery Energy Storage System for Power Quality Improvement in Electrical Propulsion Ships 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.4, 2015년, pp.351 - 355

구현근 (Dept. of Electrical Engineering, Pusan National University) , 서혜림 (Dept. of Electrical Engineering, Pusan National University) , 김장목 (Dept. of Electrical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper explained the application of a lithium-ion battery energy storage system to electric propulsion ships. The power distribution in electric propulsion ships has low power quality because of the variation in the power consumption of the propulsion motor. For proper operation of the ship, the power quality needs to be improved, and the battery energy storage system is used to solve power-quality problems. The simulation models of electric propulsion ship and battery energy storage systems are constructed on MATLAB/Simulink to verify the improvement in power quality. The proposed system is applied in various scenarios of the propulsion motor state. The power quality achieved by using the battery energy storage system in both voltage and frequency satisfies the standards set by IEC-60092/101.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 전기추진선박에 리튬-이온 배터리를 이용한 에너지 저장시스템을 투입함으로써 선박 계통에서 발생되는 전력품질 저하 문제를 해결하였다.

제안 방법

2 와 같은 Matlab/Simulink 시뮬레이션 모델을 완성하였다. Fig. 2의 시뮬레이션 모델에 메인 선박의 운전 조건 중에서도 AC 계통의 전압 및 주파수 맥동이 크게 발생되리라 판단되는 2대의 발전기 중 한 대의 발전기가 탈락하는 상황에 대한 운전 시나리오를 적용하였다.
이는 발전기가 1대 탈락하는 시점에서 전력관리시스템이 작동하여 발전기 1대의 전력을 고려한 추진부하전력을 제한시킴에도 불구하고 전력관리시스템의 투입이 1대의 탈락보다 시간적으로 늦기 때문에 순간적으로 나머지 한 대의 발전기로는 계통에 인가되는 부하전력에 충분히 전력을 공급하지 못함으로써 발생된다. 따라서 안정적인 전압 및 주파수 전력품질을 위하여 리튬-이온 배터리를 이용한 에너지 저장시스템을 투입하여 동일한 시나리오에 따른 전압 및 주파수를 Fig. 5에서 검토하였다.
발전시스템은 원동기, 거버너, 발전기 및 여자기로 구성되며 각각은 Matlab/simulink에서 제공하는 preset 모델을 기반으로 크기와 용량만 변경하여 시뮬레이션 모델을 완성하였다. 추진시스템의 추진전동기는 3상 영구자석 동기 전동기 모델을 이용하였고 전동기 구동을 위한 인버터와 DC 전원생성을 위한 정류기는 일반적인 3상 인버터와 다이오드 정류기를 모델링하였다.
선박 전력 계통은 적용 분야와 용량에 따라 국 내·외적으로 다양한 기준이 정립되어 있으며 본 논문에서는 업용 규격인 IEC-60092/101에서 제시하는 전압 및 주파수 허용 범위를 기준으로 하여 전력품질 안정성 및 개선 여부를 판별한다[8].
에너지 저장시스템을 포함하는 Fig.2의 전기추진선박 시뮬레이션 모델에 발전기가 1대 탈락하는 Fig. 3의 운전 시나리오를 적용하여 전기추진선박에서의 전력계통의 결과를 살펴보고 IEC-60092/101 규격에 부합하는지의 여부를 판별하여 에너지 저장 시스템을 추가하여 개선 가능성을 살펴본다.
추진시스템의 추진전동기는 3상 영구자석 동기 전동기 모델을 이용하였고 전동기 구동을 위한 인버터와 DC 전원생성을 위한 정류기는 일반적인 3상 인버터와 다이오드 정류기를 모델링하였다. 에너지저장시스템에 이용되는 배터리 모델은 Matlab/simulink의 preset 모델의 파라미터 변경을 통해 모델링하였고, 전력변환장치로는 Buck-boost DC/DC 컨버터와 3상 인버터를 구성하였다. 전력부하시스템은 단상과 3상의 서비스부하 및 전력변환기기로 구성되며 전력관리시스템인 소프트웨어로 구성된다^[9].
에너지저장장치의 종류로는 울트라커패시터, 연료전지, 플라이휠 및 배터리 등이 있으며, 본 논문에서는 제한된 선박 공간에서 적은 부피와 무게로 높은 에너지밀도와 효율, 장수명 및 안전성을 가지는 리튬-이온 배터리를 이용하여 에너지저장시스템을 구성하였고, 이는 최근 미 해군에서 선박의 수명 대비 운용비용등을 고려하였을 때 충분히 적용 가능성을 인정받아 DDG-51급 함정에 실제 적용되는 사례가 존재하였다^[7].
. 이러한 합리적 절차의 의미는 선박의 운항모드에 따른 부하율을 예상하여, 가속/정속/감속의 구간별 운전 시에 발전기의 정격 용량을 넘거나 부족한 양을 계산하여 에너지 저장장치의 용량을 결정해야 하며, 본 논문에서는 에너지 저장장치의 용량을 과도상태 시의 메인 AC 계통의 전압 및 주파수의 개선효과를 보기 위해 전체 시스템 용량의 5%정도로 결정하였다.
전기추진선박 및 리튬-이온 배터리 에너지 저장시스템은 MATLAB/Simulink를 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였고, 개발된 시뮬레이션 모델에 발전기의 상태 변동 시나리오를 적용하였다. 적용된 시나리오에 따른 시뮬레이션 결과를 통하여 전력품질의 저하 문제를 해결하고 개선 효과를 확인하였다.
발전시스템은 원동기, 거버너, 발전기 및 여자기로 구성되며 각각은 Matlab/simulink에서 제공하는 preset 모델을 기반으로 크기와 용량만 변경하여 시뮬레이션 모델을 완성하였다. 추진시스템의 추진전동기는 3상 영구자석 동기 전동기 모델을 이용하였고 전동기 구동을 위한 인버터와 DC 전원생성을 위한 정류기는 일반적인 3상 인버터와 다이오드 정류기를 모델링하였다. 에너지저장시스템에 이용되는 배터리 모델은 Matlab/simulink의 preset 모델의 파라미터 변경을 통해 모델링하였고, 전력변환장치로는 Buck-boost DC/DC 컨버터와 3상 인버터를 구성하였다.

성능/효과

계통 전압은 정상상태에서 +6%/-10%의 정상상태의 크기 변화, 순간적인 맥동의 크기, 회복 시간 등의 규격을 모두 만족하나, 계통 주파수가 ±5%의 정상상태 맥동을 만족하지 못하는 결과를 보여준다.
에너지 저장시스템을 투입하여 발전기 1대 탈락 시나리오를 전기추진선박에 적용하였을 때의 메인 AC 계통 전압은 에너지 저장시스템 투입 전과 동일하게 IEC-60092/101에서 제시하는 전압 허용범위를 만족함을 확인 할 수 있다.
에너지 저장시스템의 투입으로 추진전동기 기동 및 부하의 증가, 감소에 따라 맥동하는 발전전력이 에너지 저장시스템을 투입하기 전보다 안정적으로 출력되는 것을 확인 할 수 있으며, 이에 따라 주파수의 맥동도 감소하는 것을 확인할 수 있다.
운전 조건과 상황을 기술하면, 발전기 1 대 탈락 시나리오는 함 내 서비스 부하를 ① : 초기 부하로 10초간 인가하여 계통이 정상상태에 도달하였음을 확인 후, ② : 추진전동기 속도를 정격의 80%까지 약 10초간 빠르게 증가 시킨다. ③ : 정상상태 도달을 확인하기 위하여 약 10초간 유지한 뒤 ④ : 2 대의 발전기 중 한 대를 탈락시킨다.
전기추진선박 및 리튬-이온 배터리 에너지 저장시스템은 MATLAB/Simulink를 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였고, 개발된 시뮬레이션 모델에 발전기의 상태 변동 시나리오를 적용하였다. 적용된 시나리오에 따른 시뮬레이션 결과를 통하여 전력품질의 저하 문제를 해결하고 개선 효과를 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기식 추진방식의 장점은?	그러나 전기식 추진방식은 동일한 발전시스템으로 추진부하 및 선박 공급용 전력부하에 전력을 공급 할 수 있는 통합 운용방식의 전력시스템으로 원동기 구동에 의한 발전기의 전기가 추진전동기를 구동시켜 프로펠러를 움직이게 하는 새로운 기술이다. 이 기술은 선박의 공간 활용도 증대와 진동, 소음 감소는 물론 연료 소모량과 배출가스의 감소로 인해 친환경적인 시스템으로 평가받고 있다[3]-[4].
	기존 선박의 기계식 추진방식은 어떠한가?	기존 선박의 기계식 추진방식은 추진부하와 선박 공급용 전력부하에 개별적으로 전력을 공급하였으며, 선박의 추진을 위해 원동기와 샤프트를 통해 프로펠러를 직접 구동 시켰다. 그러나 전기식 추진방식은 동일한 발전시스템으로 추진부하 및 선박 공급용 전력부하에 전력을 공급 할 수 있는 통합 운용방식의 전력시스템으로 원동기 구동에 의한 발전기의 전기가 추진전동기를 구동시켜 프로펠러를 움직이게 하는 새로운 기술이다.
	전기식 추진방식이란?	기존 선박의 기계식 추진방식은 추진부하와 선박 공급용 전력부하에 개별적으로 전력을 공급하였으며, 선박의 추진을 위해 원동기와 샤프트를 통해 프로펠러를 직접 구동 시켰다. 그러나 전기식 추진방식은 동일한 발전시스템으로 추진부하 및 선박 공급용 전력부하에 전력을 공급 할 수 있는 통합 운용방식의 전력시스템으로 원동기 구동에 의한 발전기의 전기가 추진전동기를 구동시켜 프로펠러를 움직이게 하는 새로운 기술이다. 이 기술은 선박의 공간 활용도 증대와 진동, 소음 감소는 물론 연료 소모량과 배출가스의 감소로 인해 친환경적인 시스템으로 평가받고 있다[3]-[4].

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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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