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KR-20260060643-A - Propulsion Control System of Electric Propulsion Ship Driven by Multi Power Generation Source

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Abstract

본 문서는 복합발전원 구동 전기추진선의 추진제어시스템에 대한 것이다. 제안하는 전기추진제어시스템은, 전력관리시스템으로부터 상기 복합 발전원 각각의 활성화 정보를 수신하고, 상기 활성화 정보에 기반하여 단위시간당 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되며, 상기 최대 토크 변동 허용량에 기반한 토크 제어 정보를 추진 드라이브(VFD)에 제공하여, 상기 추진 드라이브(VFD)가 부하의 속도 제어 또는 토크 제어를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 김재우
  • 박우재
  • 장순식
  • 백준식

Assignees

  • 에이치디한국조선해양 주식회사
  • 에이치디현대중공업 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (13)

  1. 복합 발전원으로 구동되는 전기추진선의 전기추진제어시스템에 있어서, 전력관리시스템으로부터 상기 복합 발전원 각각의 활성화 정보를 수신하고, 상기 활성화 정보에 기반하여 단위시간당 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되며, 상기 최대 토크 변동 허용량에 기반한 토크 제어 정보를 추진 드라이브(VFD)에 제공하여, 상기 추진 드라이브(VFD)가 부하의 속도 제어 또는 토크 제어를 수행하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 최대 토크 변동 허용량은 단위시간당 전력 변동량에 기반하여 산정되며, 상기 토크 제어 정보는 직전 단계의 토크에 상기 최대 토크 변동 허용량을 가감하여 산정되는, 전기추진제어시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전기추진제어시스템은, 상기 활성화 정보에 기반한 발전량 대비 배터리 램프 적용 조건을 고려하여 램프율을 산정하도록 구성되는 램프율 산정 모듈; 및 상기 램프율 산정 모듈의 램프율에 따라 상기 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되는 토크 제한 리미터를 포함하는, 전기추진제어시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 제어 스테이션으로부터 레버지령을 수신하고, 상기 레버지령에 기반하여 상기 부하의 속도 지령을 제공하도록 구성되는 속도 지령 변환기를 추가적으로 포함하는, 전기추진제어시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 속도 지령 변환기의 상기 속도 지령을 입력받아 초기 토크지령을 상기 토크제한리미터에 제공하도록 구성되는 속도 또는 전력 제어기를 추가적으로 포함하는, 전기추진제어시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 추진 드라이브는, 상기 토크 제한 리미터로부터 입력 받는 토크 지령에 기반하여 구동하는 토크 제어기를 포함하는, 전기추진제어시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 추진 드라이브는, 상기 속도 지령 변환기로부터 상기 속도 지령을 입력받아 토크 지령을 출력하는 속도 제어기; 및 상기 토크 지령 및 상기 토크 제한 리미터의 상기 최대 토크 변동 허용량에 기반하여 구동하는 토크 제어기를 포함하는, 전기추진제어시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 램프율 산정 모듈은, 상기 배터리 램프 적용 조건으로써, 배터리의 SoC (State of Charge), 상기 배터리의 출력 크기, 또는 상기 배터리의 가동 여부 중 하나 이상을 고려하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 램프율 산정 모듈은, 상기 배터리 램프 적용을 발전기 엔진 램프에 우선적으로 고려하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 램프율 산정 모듈은, 사용자의 선택에 따라 배터리 램프가 ON되는 경우, 상기 배터리 램프의 ON 상태에서 사용 조건 만족 여부에 따라 상기 배터리 램프의 적용을 제어하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 램프율 산정 모듈은, 사용자의 선택에 따라 배터리 램프가 선택되고, 사용 조건을 만족하는 경우에 한하여, 상기 배터리 램프를 ON시켜 상기 배터리 램프를 적용하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 램프율 산정 모듈은, 제 1 조건을 만족하는 상태에서 사용자의 선택에 따라 배터리 램프가 선택되고, 상기 배터리 램프가 ON되는 경우, 제 2 조건 만족 여부에 따라 상기 배터리 램프를 적용하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 토크 제한 리미터는, 현재 상기 부하의 속도, 및 현재 토크 또는 전력 을 고려하여 상기 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되는, 전기추진제어시스템.

Description

복합발전원 구동 전기추진선의 추진제어시스템{Propulsion Control System of Electric Propulsion Ship Driven by Multi Power Generation Source} 이하의 설명은 배터리를 포함하는 복합 발전원으로 구동되는 전기추진선의 추진제어 시스템에 대한 것이다. 전기추진선의 추진부하(예를 들어, 전동기-축-프로펠러를 포함하는 구동계)의 부하 증가는 발전원의 전력의 증가 속도에 제약을 받는다. 도 1은 발전원의 종류에 따른 출력 증가 속도를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진기반 발전기(예를 들어, 디젤 엔진, LNG 엔진)의 경우, 느린 출력 증가 특성을 갖고 있다. 이에 반해 배터리의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 빠른 출력 증가 특성을 갖고 있다. 복합 발전원을 이용하는 전기추진선에서 부하의 상태에 따라 발전원을 제어하는 시스템에 대해 많은 선행 연구가 존재한다. 예를 들어, 한국특허 제2681535호(선박 엔진 데이터 학습을 통한 선박 운행 제어 방법 및 장치)는 전기추진선박용 발전원 제어 시스템에 관한 것으로, 변동되는 부하율에 따라 기본전력 출력부, 가변전력 출력부의 담당 출력값을 조정함으로써, 연료전지가 안정적인 출력이 이루어질 수 있도록 하는 전기추진선박용 발전원 제어 시스템을 개시하고 있다. 또한, 한국특허 제1431429호 (연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 전력 제어 시스템)은 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 연료전지의 상태에 따라 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템을 개시하고 있다. 다만, 이러한 선행연구들은 부하의 상태에 따라 발전량을 어떻게 제어하는지의 관점에 대해서만 개시하고 있을 뿐, 발전원의 상태에 따라 추진부하의 출력 증가를 어떻게 효율적으로 제어할 것인지에 대해서는 개시하고 있지 않다. 도 1은 발전원의 종류에 따른 출력 증가 속도를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 가동 여부에 따른 최대 토크 변동 허용량 산정 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템의 하위 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 전기추진제어시스템의 사용예에 대한 본 발명의 서로 다른 실시예들에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 전기추진제어시스템과 추진드라이브의 연계 제어 구조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기추진제어시스템의 전력 램프율을 선산하는 구체적인 로직을 도시하고 있다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 전력 램프율 기반 토크 제한 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따라 배터리 램프 모드 적용 방식들을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 전력관리시스템(210; 또는 전력에너지관리시스템)과 연결되어, 전력관리시스템(210)으로부터 복합 발전원 각각의 활성화 정보를 수신할 수 있다. 복합 발전원은 도 2에 도시된 예와 같이 배터리(211), 발전기(212)를 포함할 수 있으나, 이에 제한될 필요는 없다. 전기추진제어시스템(220)은 전력관리시스템(210)으로부터 수신한 발전원의 활성화 정보에 기반하여 단위시간당 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되며, 상기 최대 토크 변동 허용량을 추진 드라이브(230; VFD (Variable Frequency Drive))에 제공하여, 상기 추진 드라이브(230)가 부하(240)의 속도 제어 및 토크 제어를 수행하도록 구성될 수 있다. 부하(240)는 도 2에 예시된 바와 같은 모터, 프로펠러를 포함하는 구동계일 수 있다. 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 가동 여부에 따른 최대 토크 변동 허용량 산정 개념을 설명하기 위한 도면이다. 전력량(P)는 아래 수학식과 같이 토크(T)와 각속도(w)의 곱으로 표현될 수 있다. [수학식 1] P = T * w 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 복잡 전력원의 상태에 따른 전력(P)과 이에 따른 토크(T), 그리고 각속도(w) 중 토크(T)의 변동 제한을 산정하는 부분에 주목하며, 이를 통해 보다 정밀하게 전력원의 상태에 따라 부하의 추진 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 모드 활성(ON)시와 비활성(OFF)시에 따라, 다른 최대 출력 변동 허용량을 적용하는 것(S310)을 제안한다. 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이, 복잡 전력원 중 배터리 ON/OFF에 따라 가용 전력량의 변화량이 가장 크며, 이에 따라 본 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 배터리 모드 활성화(ON)/비활성화(OFF)에 따른 최대 출력 변동 허용량(ΔPmax, increase, final, ΔP,max, decrease, final)을 먼저 산정(S310)하는 것을 제안한다. 또한, 본 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 도출된 최대출력 변동 허용량을 기반으로 단위시간당 최대 토크 증가/감소 허용량(Tmax, increase /Tmax,decrease)을 아래와 같이 산정(S320)할 수 있다. [수학식 2] Tmax,increase = ΔPmax, increase, final/ωmotor [수학식 3] Tmax,decrease = ΔPmax, decrease, final/ωmotor 이후, 본 실시예에 따른 전기추진제어시스템(210)은 위에서 계산된 최대/최소 토크제한 값 이내의 토크 입력값을 출력하여 추진드라이브(VFD; 230)에 입력할 수 있다(S330). 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 제어기(221)와 토크제한 리미터(222)를 포함하여 구성될 수 있다. 제어기(221)는 운항 제어 정보 등에 기반한 토크 값(Tcon)을 토크제한 리미터(222)에 제공할 수 있으며, 토크제한 리미터(222)는 직전 토크 입력값(Tref(n-1))에 상기 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 따라 산정한 최대 토크 증가/감소 허용량(Tmax, increase /Tmax,decrease)을 가감하여, 현재 토크 입력값(Tref(n))을 VFD (230)에 제공할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은 VFD(230)의 상위 제어기에 대응하며, VFD(230)는 모터의 속도(ωmotor)뿐만 아니라 상술한 토크 입력값(Tref(n))에 기반하여 모터를 포함한 부하를 제어할 수 있다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템의 하위 구성을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진제어시스템(220)은, 복잡 전력원의 활성화 정보 등에 기반한 발전량 대비 배터리 램프 적용 조건을 고려하여 램프율을 산정하도록 구성되는 램프율 산정 모듈(221a), 및 램프율 산정 모듈(221a)의 램프율에 따라 최대 토크 변동 허용량을 산정하도록 구성되는 토크 제한 리미터(222)를 포함할 수 있다. 즉, 최종적인 전력램프 적용을 위해 램프율 산정 모듈(221a)과 토크제한 리미터(222)로 구분 가능하며, 램프율 산정 모듈(221a)은 도 5의 제어기(221)의 하위 구성일 수도, 별도의 구성일 수도 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 램프율 산정 모듈(221a)은 현재 운항상태변수(610), 발전원 선택 정보(620), 운항모드선택 정보(630) 및 배터리램프 가동 조건(640) 등을 입력 받아 램프율을 산정할 수 있다. 이때, 현재 운항상태변수(610)로는 모터속도, 발전기출력, 모터출력, 현재 레버입력 등을 포함할 수 있으며, 배터리램프 가동 조건(640)은 배터리 SOC (State of Charge), 기동 혹은 충방전 여부, 배터리 현재출력 등을 포함할 수 있다. 이에 따라 램프율 산정 모듈(221a)은 램프율을 출력 발전원의 종류, 운항 모드 선택에 기반하여 선정될 수 있다. 운항모드의 경우 사용자에 의해 선택될 수 있으며, 특정 조건에서 시스템이 자동적으로 판단하여 선택할 수도 있다. 예를 들어 운항중 선박 긴급 정지 시에는 크래시스탑(Crashstop) 모드 적용이 가능하며 이에 대한 램프율을 적용할 수 있다. 한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 램프율 산정 모듈(221a)은 배터리 모드 적용 시, 더 우수한 가속/감속 성능을 확인할 수 있는 바, 배터리 램프 적용을 발전기 엔진 램프에 우선적으로 고려하도록 구성될 수 있다. 이때, 램프율 산정 모듈(221a)은 배터리 램프 적용 조건으로써, 배터리의 SoC, 상기 배터리의 출력 크기, 또는 상기 배터리의 가동 여부 중 하나 이상을 고려하도록 구성될 수 있다. 또한, 각 램프율은 사용자가 선박 스펙을 고려하여 사전에 선정할 수도 있다. 이에 따라 선정된 전력상승/하상의 램프율(650)은 토크제한 리미터(222)에 입력될 수 있다. 토크 제한 리미터(222)는 도 6에 도시된 바와 같이 상술한 램프율