Control and Design for Enhanced Transient Response on Shipboard DC grid of All-Electric Ship

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2018. 2. 설승기.전기 추진 선박의 전력 계통은 해상 독립 계통으로, 급격한 부하 변동이나 발전기와 같은 전력 설비의 탈락 및 선로 단락 사고 등의 상황에 대하여 연속적인 전력 공급이 요구된다. 이러한 연속 전력 공급을 위해서는 계통 내 수동 소자(passive element)와 전력 설비들의 제어를 고려하여, 과도 부하 응답을 분석하고 이를 기반으로한 제어기 설계가 요구된다. 최근 활발히 연구되고 있는 DC 계통을 적용한 전기 추진선은 연비 개선을 위한 엔진-발전기의 가변속 운전과 전력 변환 장치에 기반한 빠른 과도 부하를 도입하고 있어, 이를 고려한 선박 DC 계통의 과도 부하 분석이 필요하다. 그러나, 기존의 문헌들은 가변속 운전을 수행하는 엔진-발전기로 구성된 계통의 과도 부하 응답에 대한 분석이 미흡하다. 대부분의 문헌들은 과도 부하에 대한 별도의 수식적 분석이나 설계를 수행하지 않고, 높은 전압 제어 성능을 가진 대용량 슈퍼 캐패시터나 ESS에 의존하는 문제가 있다. 본 논문에서는 과도 부하 응답을 계통 전압 과도와 엔진-발전기의 속도 과도로 분리하여 분석하고, 이러한 분석에 기반하여 과도 부하 응답 개선을 위한 계통 수동 소자 및 전력 설비의 제어기 설계를 수행한다. 본 논문에서 대상으로 하는 선박 DC 계통의 전력 설비는 엔진-발전기-컨버터, ESS, 전기 추진 인버터로, 이들이 주 제어 대상(plant)뿐만 아니라 계통의 과도 부하 응답을 개선하도록 제어기를 설계하였다. DC 계통은 캐패시터에 저장된 에너지를 통해 빠른 과도 부하에 대응하는데, 일반적으로 부하의 크기에 비하여 캐패시터에 저장된 에너지가 작기 때문에, 과도 부하에 의하여 계통 전압이 크게 변동할 수 있다. 이러한 전압 변동을 일정 수준 이하로 제한하기 위하여, 본 논문에서는 과도 부하에 대한 계통 전압 변동을 수식적으로 분석하고 이를 토대로한 과도 전압 제어기를 제안한다. 제안하는 과도 전압 제어기의 설계는 계통 선로 인덕턴스와 캐패시턴스 및 전력 설비를 구성하는 전력 변환 장치의 제어 성능에 대한 고려를 포함한다. 이를 통해, 최악의 과도 부하에 의한 계통 전압의 변동을 일정 수준 내로 제한할 수 있다. 한편, 엔진-발전기의 가변속 운전은 부하율에 따라 최적 연비를 갖는 속도에서 운전되는데, 일반적으로 부하율이 낮아짐에 따라 최적 속도가 낮아지면서 엔진의 순시 최대 출력이 감소한다. 따라서 가변속 운전을 수행하는 선박 DC 계통은, 엔진-발전기의 속도에 따라 순시 최대 출력이 감소하므로, 변화량이 큰 과도 부하에 대하여 연속적으로 전력을 공급하지 못할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 과도 부하 변동이나 계통 내 다른 발전기 탈락 등에 대응하기 위하여, 엔진-발전기가 가능한 빠르게 가속을 수행하여 순시 최대 발전량을 확보하는 속도 과도 제어기를 제안하였다. 제안하는 속도 과도 제어기는 발전기의 가속을 위하여 발전량을 제한하며, 부족한 발전량은 ESS 및 추진 인버터가 공급한다. 제안하는 제어기들은 주제어기와 별도의 통신을 사용하지 않고 동작하도록, 각 계통 설비들의 제어 대역폭 및 역할을 고려하여 설계한다. 이러한 분석 및 설계 결과를 시뮬레이션 및 축소 실험을 통하여 검증하며, 수식 분석과 시뮬레이션과 축소 실험 결과에서 과도 전압 변동량의 차이는 정격 전압의 1% 이하임을 확인하였다.제 1장 서론 1 1.1 연구의 배경 1 1.1.1 DC 계통에 기반한 전기 추진선 1 1.1.2 DC 마이크로그리드에 대한 기존 연구와 문제점 11 1.2 연구의 목적 및 내용 18 1.3 논문의 구성 29 제 2장 선박 DC 계통의 설계 및 제어 기준 31 2.1 선박 계통 설계 기준 32 2.1.1 신뢰성 32 2.1.1.1 연속 전력 공급을 위한 전압 영역 33 2.1.2 소형화 / 경제성 37 2.1.3 선박 계통의 에너지 효율 37 2.1.3.1 엔진 가변속과 효율 38 2.1.3.2 전기 추진 체계와 효율 39 2.2 선박 DC 계통의 구성 요소 42 2.2.1 엔진-발전기-컨버터 형태의 발전 장비 42 2.2.1.1 발전기 연계 컨버터의 제어 [99] 44 2.2.1.2 엔진-발전기와 가변속 운전 46 2.2.1.3 가버너의 엔진 속도 제어 [100] 49 2.2.1.4 N-1 Contingency와 발전기 부하율 제한 50 2.2.2 에너지 저장 장치 51 2.2.3 선박 부하 53 2.2.3.1 추진 전동기의 속도 제어 [99] 54 2.2.4 과도 부하 56 2.2.5 보호 계전을 위한 선로 인덕턴스와 차단기 58 2.3 대상 선박 계통도 및 규정 예시 61 제 3장 제안하는 선박 DC 계통의 제어 및 설계 65 3.1 제안하는 제어 전략 및 시나리오 67 3.1.1 제안하는 제어 전략 67 3.1.1.1 제어기 구성 73 3.1.2 제어 대역 분리 80 3.1.2.1 간소화 분석의 필요성 80 3.1.2.2 시간 대역 분할 87 3.1.3 부하 분류와 시나리오 89 3.1.3.1 과도 부하의 분류 90 3.1.3.2 제어 흐름도와 시나리오 94 3.2 전압 과도 대역의 제어기 분석 99 3.2.1 부하와 CLC 회로 100 3.2.1.1 단일 CLC 회로 분석 120 3.2.1.2 다중 CLC 회로 분석 125 3.2.2 과도 전압 제어기 131 3.2.2.1 전압 제어기와 부하 전압 132 3.2.2.2 ESS 전압 제어기 136 3.2.2.3 발전기 연계 컨버터의 전향 전류 보상 149 3.2.2.4 추진 인버터의 능동 댐핑 161 3.2.3 공통 전압 제어 167 3.2.3.1 시뮬레이션과의 비교 173 3.2.3.2 과도 전압 제어기의 발전기 전압 제어 간섭 181 3.3 속도 과도 제어 192 3.3.1 속도 과도 부하와 엔진-발전기 가변속 제어 198 3.3.1.1 저역 동적 제한기(Low Bandwidth Dynamic Limiter) 200 3.3.1.2 가버너 가변속 지령 210 3.3.2 ESS의 속도 과도 제어기 211 3.3.3 추진 인버터의 부하 저감 전압 제어 214 3.4 정상상태 제어 218 3.4.1 엔진-발전기의 가변속과 과도 부하에 대한 예비력 218 3.4.2 발전기 부하율 동등 제어 221 3.4.3 ESS SOC 제어기 224 3.5 설계를 위한 분석 227 3.5.1 부하의 분류 228 3.5.2 속도 과도 대역 및 정상 상태 설계 예시 229 3.5.3 전압 과도 대역 설계 예시 233 제 4장 시뮬레이션 239 4.1 단일 분전반 구조 239 4.2 4개의 분전반(4SWBD) 구조 262 제 5장 축소 실험 273 5.1 실험 장치의 구성 273 5.2 축소 실험 결과 276 제 6장 결론 및 향후 과제 292 6.1 결론 292 6.2 향후 과제 295 참고문헌 297 Abstract 310Docto