부하 데이터 분석

부하 데이터 분석의 목적은 부하제어 알고리즘의 적용 대상인 전기추진시스템 모델을 도출하는 것이다. 기계식 추진시스템이 적용된 실제 선박의 실측 데이터를 바탕으로 가상의 전기추진시스템을 모델링하기 위해서 엔진 출력 데이터를 전력 추진부하로 변경하고, 선내 전력데이터와 통합하여 분석을 진행한다. 분석 결과를 바탕으로 가상의 컨테이너 선박 전기추진시스템의 발전기와 배터리 용량을 제안한다.

Fig. 11 Energy conversion efficiency of electric propulsion system 3.2.1 엔진 출력 데이터의 전처리

전기추진시스템과 기계식 추진시스템은 시스템 구성과 이에 따른 동력 전달의 관점에서 전달 효율에 차이가 발생한다. 기계식 추진시스템의 경우, 원동기의 출력이 축을 통해 추진기로 직접 전달된다. 반면 전기추진시스템의 경우, 원동기의 출력으로 전력을 생산하여 전력선을 통해 추진전동기로 전달된다.

동일한 출력에 대해서 전기추진시스템이 기계식추진시스템보다 변환 과정을 많이 거치게 되며, 따라서 기계식 추진시스템보다 변환효율이 떨어진다. 데이터를 수집한 대상 선박은 기계식 추진시스템으로 본 연구에서 활용하기 위해서 전력시스템으로 변환하여 분석한다. 다음 Fig. 11에 엔진 출력 데이터 전처리를 위해 엔진 사용 시 효율과 추진전동기 사용 시 효율을 비교하였다[10~11].

엔진 사용 시 효율은 축 효율인 0.97을 적용하였으며, 추진전동기 사용 시 효율은 발전기 효율과 변환기 효율, 추진전동기 효율 및 축 효율을 고려하여 0.89를 적용하였다. 엔진 사용 시 효율을 제하고 추진전동기 사용 시 효율을 적용하여 다음 식 (2)와 같이 나타내었다.

_  ×_×_ (2)

여기서, _는 추진부하(추진전동기) [kW], _는 변환효율 [무차원수]로 0.92를 적용하였으며, _는 추진부하(엔진) [hp]이다.

3.2.2 실측 부하분석

엔진 출력데이터의 전처리를 통해 도출된 추진부하를 포함하는 선박 내 전력부하에 대해서 분석을 진행하였다. 기존 선박 데이터에서 추진부하를 전력부하로 변환하여 포함시켰기 때문에 기존의 전력부하와 추진부하가 포함된 전력부하를 구분하기 위해서 기존의 전력부하를 보조부하로 표현한다. 다음은 본 절에서 사용하는 부하에 대한 의미이다.

① 보조부하(기존 시스템의 전력부하) : 추진부하를 제외한 선내 전력부하를 의미한다.

② 추진부하 : 전력에너지로 운용되는 추진부하를 의미한다.

③ 전체부하 : 선박 내 전력에너지로 운용되는 총 부하로, 보조부하와 추진부하의 합으로 나타낸다.

(1) 보조부하(기존 시스템의 전력부하)

발전기가 1대 이상 운전 중인 상태에 대하여 전력별 사용 비율을 나타내면 다음 Fig. 12와 같다.

Fig. 12 Auxiliary power usage ratio in operation of more than one generator

선박 서비스 부하를 담당하는 발전기는 최소 500 kW에서 최대 4,400 kW 범위에서 운용되었다. 그 중 1,600 kW~1,800 kW 범위에서 높은 비율로 운용되었다.

(2) 추진부하

주 엔진이 운전 중인 상태에 대하여 출력별 사용 비율을 나타내면 다음 Fig.

13과 같다. Fig. 13의 출력은 전력으로 변환한 엔진 출력을 의미한다.

Fig. 13 Propulsion power usage ratio in operation of main engine

추진시스템은 최소 600 kW에서 최대 18,700 kW 범위에서 운용되었으며, 1,300 kW 범위에서 높은 비율로 운용되었다. 항해 중의 사용하는 추진부하의 범위가 넓게 분포하기 때문에 입출항 시 주로 사용하는 1,200~1,300 kW 부하 범위의 사용빈도가 상대적으로 높게 나타났다.

(3) 전체부하

보조부하와 추진부하를 합한 전체부하는 최소 500 kW에서 20,300 kW 범위에서 운용되었으며, 1,300 kW 범위에서 높은 비율로 운용되었다. 이러한 경향은 추진시스템의 운용 전력이 그 외 전력시스템의 운용 전력보다 높기 때문이다. 다음 Fig. 14는 전체부하의 전력구간별 사용 비율을 나타낸다.

Fig. 14 Total power usage ratio in operation

(4) 선속

Fig. 15 Operation ratio of ship speed

Fig. 15는 대상선박의 선속을 나타낸다. 대상 선박은 최대속도가 25 knot이고, 15 knot에서 높은 비율로 운용되었다.

3.2.3 운용모드에 따른 부하 분포

기존 부하제어 알고리즘은 운용모드를 기준으로 중부하 운용 등을 고려하여 여유전력을 확보한다. 선박의 운용모드는 기본적으로는 항해(seagoing), 입출항(harbour), 정박(port)으로 나누어진다. 여기에 컨테이너선의 경우 선․하적(load/unload 또는 cargo handling) 등 선박의 목적과 기능에 따라 운용모드가 추가된다. 운용모드에 따라 개략적으로 다음과 같은 전력 사용 특징을 갖는다.

① 항해 : 총 사용 전력에서 대부분이 추진부하에 해당됨

② 입출항 : 바우스러스터 등의 중부하를 사용

③ 정박 : 육상 전력을 사용가능한 상태로 육상 전력 공급 여부에 따라 선박에서 전력을 공급 하는 앵커링(anchoring)과 AMP(Alternate Maritime Power)등의 육상시설에서 전력을 공급받는 육전연결(shore connection) 상태가 있음

Fig. 16 Example of electric power load analysis

Fig. 17 Distribution of the total load at all state

선박에 따른 운용모드 구분은 설계단계의 부하분석(load analysis)에서 정의하는 모드를 참고한다. 부하분석자료는 선박의 부하에 대해서 선박 내 부하 사용을 부하의 운용율을 나타내는 부하계수(load factor)와 정격부하를 사용하여 나타내며, 선박의 운용모드에 따라 구분되어 발전기 용량선정, 배전반 설계, 전력케이블 크기 선정 등 전력시스템의 설계 자료로 활용된다. Fig. 16은 부하분석표의 예시이다. 앞서 엔진 출력데이터의 전처리를 통해 도출된 추진부하를 포함하는 선박 내 전력부하에 대해서 분석을 진행하였다. 실시간 데이터에서 운용모드는 로그표를 기준을 분류하였으며, 따라서 선․하적 상태는 정박에 포함되었다.

발전기 및 배터리 용량을 설계하기 위해서 전체부하를 추가로 분석하였다.

높은 빈도로 운용되는 부하범위에 발전기를 맞춰 설계한다면 발전기가 높은 비율로 고효율 구간에서 운전되며, 부하분배를 위한 배터리의 용량 또한 감소시킬 수 있다.

Fig. 17은 선박의 모든 운용모드에서 전체 부하의 분포를 나타낸다. 가장 높은 빈도로 운용되는 부하 범위는 1,200~1,300 kW 범위로 선박 운용 기간 중 9 %를 차지한다. 그 외 부하는 범위에 따라 증감을 반복하여 1.25 % 비율로 3,300~3,400 kW에서 운용, 1.21 % 비율로 7,700~7,800 kW에서 운용, 1.26 % 비율로 10,000~10,100 kW 범위에서 운용된다. 이 네 가지 부하범위에 대해서 발전기 용량을 설계하고 시뮬레이션을 통해 배터리 용량을 제안하여 평가하고자 한다.