세계경기가 저성장, 저소비, 높은 실업률, 고위험, 짧은 호황 긴 불황 등을 기록하고 있다. 이에 따라 해운경기가 하락하여 선박 유지비용의 절감이 불가피해지고 있다. 이를 위해 그린 선박, 에코 선박, 스마트 선박과 같은 선박의 에너지를 절감하기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 친환경 선박에서 배터리를 사용하는 전력관리시스템은 중요한 연구분야 중 하나이다. 본 논문에서는 발전기만을 사용하는 일반적인 선박의 전력관리시스템의 중부하 제어를 분석하고 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하를 제어하는 알고리즘을 연구하였다. 이를 위해 배터리 연계형 전력관리시스템의 구성을 제안하고 제안된 시스템을 기반으로 배터리 연계형 전력 시뮬레이터를 구성하였다. 구성된 시뮬레이터를 통해 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하 제어에 따른 배터리의 동작을 정의하고 이를 확인하였다.
세계경기가 저성장, 저소비, 높은 실업률, 고위험, 짧은 호황 긴 불황 등을 기록하고 있다. 이에 따라 해운경기가 하락하여 선박 유지비용의 절감이 불가피해지고 있다. 이를 위해 그린 선박, 에코 선박, 스마트 선박과 같은 선박의 에너지를 절감하기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 친환경 선박에서 배터리를 사용하는 전력관리시스템은 중요한 연구분야 중 하나이다. 본 논문에서는 발전기만을 사용하는 일반적인 선박의 전력관리시스템의 중부하 제어를 분석하고 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하를 제어하는 알고리즘을 연구하였다. 이를 위해 배터리 연계형 전력관리시스템의 구성을 제안하고 제안된 시스템을 기반으로 배터리 연계형 전력 시뮬레이터를 구성하였다. 구성된 시뮬레이터를 통해 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하 제어에 따른 배터리의 동작을 정의하고 이를 확인하였다.
Global economy has recorded low growth, low consumption, high unemployment rate, high risk, short boom and long recession. As a result, maritime economy declines and the reduction of maintenance costs is inevitable. Thus, Studies such as green ship, eco ship, and smart ship are being actively conduc...
Global economy has recorded low growth, low consumption, high unemployment rate, high risk, short boom and long recession. As a result, maritime economy declines and the reduction of maintenance costs is inevitable. Thus, Studies such as green ship, eco ship, and smart ship are being actively conducted to save energy of ship. Power management system that use batteries in green ship is an important research area. In this paper, we analyze the heavy load control of a power management system of a general ship using only a generator, and study a heavy load control algorithm for a battery connected power management system. To study this, a structure of battery connected power management system is proposed and a battery connected power simulator was constructed based on the proposed system. Through the simulator, the operation of the battery according to the heavy load control is defined and confirmed in the battery connected power management system.
Global economy has recorded low growth, low consumption, high unemployment rate, high risk, short boom and long recession. As a result, maritime economy declines and the reduction of maintenance costs is inevitable. Thus, Studies such as green ship, eco ship, and smart ship are being actively conducted to save energy of ship. Power management system that use batteries in green ship is an important research area. In this paper, we analyze the heavy load control of a power management system of a general ship using only a generator, and study a heavy load control algorithm for a battery connected power management system. To study this, a structure of battery connected power management system is proposed and a battery connected power simulator was constructed based on the proposed system. Through the simulator, the operation of the battery according to the heavy load control is defined and confirmed in the battery connected power management system.
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문제 정의
LCS는 BMS과 PMS를 연계한 시스템으로 배터리의 에너지 저장특성을 활용하여 선내 전체 발전효율을 높일 수 있도록 한다. LCS를 사용하여 선내 전체 발전효율을 높이기 위해 발전기 부하가 낮은 상태에서는 배터리를 충전하여 SFC 곡선에 따라 효율이 높고 발전기가 과다 운전되지 않는 지점(약 85%)에서 운전이 가능하도록 하며, 발전기 부하가 높아 병렬운전이 필요할 때 배터리 전력을 버스라인에 공급하므로 발전기 병렬운전 초기에 저부하 가동시간을 최소화하는데 목적을 가진다.
본 논문에서는 선박에서 배터리 연계형 전력관리시스템을 구성하였을 시, 중부하 제어 알고리즘을 제안하고 동작을 확인하였다. 기존 선박의 전력관리시스템의 중부하 제어 기능을 분석하고 이를 바탕으로 배터리 연계형 전력관리시스템에 적합한 중부하 알고리즘을 제안 및 실험하였다.
이러한 선박의 하나로 배터리를 연결하여 선내 부하를 고부하로 유지하여 에너지를 절감하는 배터리 연계형 전력관리시스템이 연구 중에 있다[3-5]. 본 논문에서는 전력관리시스템과 중부하 제어 기능을 소개하고 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하를 제어해야하는 방법 및 관련 실험 결과를 제안한다.
제안한 BPMS 중부하 제어 알고리즘을 적용하여 배터리 연계형 전력 시뮬레이터에서 중부하 제어 기능을 실험 하였다. 실험에서는 중부하 변동 시 발전기에 과부하가 걸리지 않고 배터리가 적합한 제어 동작을 수행하는지 확인하였다. 발전기의 지연시간은 빠른 실험을 위해 3초 이내로 설정하였다.
제안 방법
배터리 연계형 전력관리시스템을 테스트하기 위해 선내 전력 환경과 유사하게 시뮬레이터를 개발하였으며 이를 LCS 시뮬레이터라 칭한다. LCS 시뮬레이터는 발전기 2대를 가동하여 출력전원 AC 220V를 생성하여 구성된 선내 부하의 동작에 따라 LCS의 동작 및 알고리즘을 테스트한다. 발전기에서 생성된 전원소스는 각 부하 앞단의 전자접촉기를 경유하여 부하에 전원을 공급한다.
본 논문에서는 선박에서 배터리 연계형 전력관리시스템을 구성하였을 시, 중부하 제어 알고리즘을 제안하고 동작을 확인하였다. 기존 선박의 전력관리시스템의 중부하 제어 기능을 분석하고 이를 바탕으로 배터리 연계형 전력관리시스템에 적합한 중부하 알고리즘을 제안 및 실험하였다. 실험 결과 배터리 연계형 전력관리시스템에서 새로운 중부하 제어 알고리즘을 사용하였을 때 선박 전력시스템에 과부하를 주지 않고 발전기의 전력이 85% 미만으로 안정적으로 제어되는 것을 확인하였다.
발전기의 SFC는 혼다 발전기의 정격전력에 대해 사용 전력을 %로 환산하여 앞에서 구한 MAN V28/33D의 SFC를 사용하여 값을 구하였다. 그림 5은 구성된 발전기과 배터리의 사진을 나타낸다.
BPMS에서 중부하를 사용하기 위해서는 기존 전력관리 시스템의 중부하 제어에 배터리의 상태에 따른 충방전 제어가 추가되어야 된다. 본 논문에서는 배터리룰 제어하기 위해 배터리의 상태를 대기, 충전, 방전 3가지로 분류하였다. 따라서 BPMS 중부하 제어 알고리즘은 중부하 요청 시 여유전력에 따라 배터리의 상태 제어 및 발전기의 동작을 제어한다.
전력 부하는 중부하 제어 알고리즘의 특성을 보여줄 수 있도록 동작을 조정하였다. 실부하는 실제 장비를 사용하므로 전력이 바로 총 부하에 반영이 되나, 테스트 부하는 일반적인 낮은 부하를 표현하므로 부하조정기에서 시간에 따라 선형적으로 부하를 출력하도록 제어하였다. 그림 12는 배터리의 동작과 부하의 변화를 나타낸 타임차트를 나타낸다.
전력 부하는 중부하 제어 알고리즘의 특성을 보여줄 수 있도록 동작을 조정하였다. 실부하는 실제 장비를 사용하므로 전력이 바로 총 부하에 반영이 되나, 테스트 부하는 일반적인 낮은 부하를 표현하므로 부하조정기에서 시간에 따라 선형적으로 부하를 출력하도록 제어하였다.
제안한 BPMS 중부하 제어 알고리즘을 적용하여 배터리 연계형 전력 시뮬레이터에서 중부하 제어 기능을 실험 하였다. 실험에서는 중부하 변동 시 발전기에 과부하가 걸리지 않고 배터리가 적합한 제어 동작을 수행하는지 확인하였다.
성능/효과
디젤기관이 발전기로 동작 할 때, 발전기의 출력이 증가할수록 SFC가 작아지는 경향을 보이며, 500kW/cyl가 최대 출력이므로 100% 보았을 때, 80%부근인 400kW/cyl에서 SFC가 제일 작고 이후에 약간 상승한다. 따라서 일반적인 발전기에서 동일한 전력을 사용했을 때 선내 부하를 고부하로 유지할수록 연료효율이 좋아질 것이라고 간주할 수 있다[9].
기존 선박의 전력관리시스템의 중부하 제어 기능을 분석하고 이를 바탕으로 배터리 연계형 전력관리시스템에 적합한 중부하 알고리즘을 제안 및 실험하였다. 실험 결과 배터리 연계형 전력관리시스템에서 새로운 중부하 제어 알고리즘을 사용하였을 때 선박 전력시스템에 과부하를 주지 않고 발전기의 전력이 85% 미만으로 안정적으로 제어되는 것을 확인하였다.
중부하 (3번 실부하)의 동작 요청이 입력되었을 때, LCS 제어기에서 여유 전력을 판단한 후, 여유 전력이 부족하다고 판단되어 2번 발전기를 먼저 동작 시켜 전력을 확보한 후 지연시간 이후에 중부하가 투입되는 것을 확인할 수 있다. 그림 10은 동일한 시간에서 발전기의 동작 상황을 나타낸 타임차트이다.
후속연구
본 논문은 배터리 방전을 고려하지 않았으나 추후 알고리즘 개선에 따라 추가 될 수 있다. 이후 선박에서 배터리 연계형 전력관리시스템을 적용할 시, 논문을 통해 전력관리시스템 개발에 도움이 될 수 있으며 결과적으로 선박의 에너지를 절감하기 위한 연구로 사용될 수 있다.
본 논문은 배터리 방전을 고려하지 않았으나 추후 알고리즘 개선에 따라 추가 될 수 있다. 이후 선박에서 배터리 연계형 전력관리시스템을 적용할 시, 논문을 통해 전력관리시스템 개발에 도움이 될 수 있으며 결과적으로 선박의 에너지를 절감하기 위한 연구로 사용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
뉴 노멀이란?
세계 해운산업은 세계경기 침체에 의해 뉴 노멀(new normal)의 격랑으로 빠져 들어가고 있다. ‘뉴 노멀’은 2008년 글로벌 경제위기 이후에 부상한 새로운 경제 질서를 일컫는 말로 저성장, 저소비, 높은 실업률, 고위험, 짧은 호황 긴 불황 등을 의미한다[1]. 이에 따라 운임이 하락하여 선박의 운항비용절감이 불가피해 졌으며 비용절감을 위한 하나의 방안으로 선박의 에너지 절감에 관한 관심이 높아지고 있다.
배터리 연계형 전력관리시스템의 장점은?
이와 더불어 화석연료 사용으로 인한 환경문제를 해결하기 위해 그린 선박, 에코 선박, 스마트 선박 등에 대한 연구가 이루어 있다[2]. 이러한 선박의 하나로 배터리를 연결하여 선내 부하를 고부하로 유지하여 에너지를 절감하는 배터리 연계형 전력관리시스템이 연구 중에 있다[3-5]. 본 논문에서는 전력관리시스템과 중부하 제어 기능을 소개하고 배터리 연계형 전력관리시스템에서 중부하를 제어해야하는 방법 및 관련 실험 결과를 제안한다.
세계 해운 산업이 뉴 노멀화 되면서 발생한 변화는?
‘뉴 노멀’은 2008년 글로벌 경제위기 이후에 부상한 새로운 경제 질서를 일컫는 말로 저성장, 저소비, 높은 실업률, 고위험, 짧은 호황 긴 불황 등을 의미한다[1]. 이에 따라 운임이 하락하여 선박의 운항비용절감이 불가피해 졌으며 비용절감을 위한 하나의 방안으로 선박의 에너지 절감에 관한 관심이 높아지고 있다. 이와 더불어 화석연료 사용으로 인한 환경문제를 해결하기 위해 그린 선박, 에코 선박, 스마트 선박 등에 대한 연구가 이루어 있다[2]. 이러한 선박의 하나로 배터리를 연결하여 선내 부하를 고부하로 유지하여 에너지를 절감하는 배터리 연계형 전력관리시스템이 연구 중에 있다[3-5].
참고문헌 (10)
Hyundai Marine. Shipbuilding crisis, Oversupply complex action due to cost competition in long-term recession [Internet]. Available: http://www.hdhy.co.kr/news/articleView.html?idxno4931.
Green technology center. Green Focus-Korea shipbuilding industry, jump into eco-friendly ship research [Internet]. Available: http://www.gtck.re.kr/frt/center/news/wzinFocus.do?pageModeView&nttId22318.
Electimes. Hyundai Heavy Industries Electric & Electronic System Division [Internet]. Available: http://www. electimes.com/article.asp?aid1475195350137807065.
H. S. Lee and J. S. Oh, "A study on appropriate ship power system for pulse load combine with secondary battery," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 8 , pp. 962-968, Nov. 2013.
So-Yeon Kim, Byung-Geul Cho and Seung-Ki Sul, "Feasibility study of intergrated power system with battery energy storage system for naval ship," in Proceedings of IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Seoul, pp. 532-537, 2012.
DEIF, Designers reference handbook - Protection and Power Management, PPM-3, Denmark, Document no.: 4189340558C.
Ministry of Oceans and Fisheries. "Green Ship Equipment Testing and Certification Center," Operation [Internet]. Available: http://www.mof.go.kr/article/view.do?menuKey376&boardKey10 &articleKey8098.
O. L. Klaus, L. Villetti, J. A. Siqueira, S. N. Souza, R. F. Santos, C. E. Nogueira and C. Rosseto, "Efficiency and fuel specific consumption of an engine running on fish biodiesel," academicJournals, vol. 8, no. 42, pp. 2120- 2122, Nov. 2013.
J. D. Kim, G. S. Jung, J. E. Lee, Y. H. Song, C. H. Jung, and J. S. Choi, "Low load operation of marine auxiliary diesel engines," in Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering 2010 conference, Mokpo, pp. 189-190, 2010.
J. H. Jang and J. S. Oh, "The study on a ship energy management system applied rechargeable battery," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 38 , no. 2, pp. 202-207, Feb. 2014.
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