3.2 전력 관리 시스템
3.2.5 통합 기관 제어 시스템
Fig. 3.11 Block diagram of battery linked PMS(without hysteresis control)
Fig. 3.12 Block diagram of hysteresis control
⚫ 선내 중-부하 사용 등의 갑작스러운 부하 증가로 인한 여유 전력 부족 문제를 응 답 속도가 빠른 배터리를 활용하여 강인한 대응이 가능하다.
⚫ 정속도 항해 중 주 추진기관의 출력을 이용하여 축 발전기를 운용하여 선내 전력 공급이 가능하므로 발전기의 운전 대수 및 시간을 줄이는 한편, 주 추진 기관의 저 -부하 운전을 부분적으로 개선할 수 있다.
⚫ 입항 및 출항 등 저속으로 운항하는 구간에서 발전기-추진 전동기 또는 배터리-추진 전동기를 활용하여 배출가스를 줄일 수 있으며, 디젤엔진과 비교하면 배터리-추진 전 동기는 정-역 제어가 편리하여 선박의 조종성능을 높일 수 있다.
통합 기관 제어 시스템은 기존 기계식 추진 시스템과 구성이 달라지므로 축계에 설 치되는 전동기의 사용 방법에 따라 전력 관리 시스템 및 추진 제어 시스템의 제어 알 고리즘이 변화되어야 한다.
① PTO mode
주 추진기관과 발전기는 선박의 노후화로 인한 저항의 증가 및 경년변화에 따른 출 력 감소 등을 고려하여 별도의 출력 여유율을 계산하여 필요 출력보다 높은 출력을 갖 도록 탑재된다. 이러한 설계로 인해 주 추진기관 및 발전기가 최적 효율 구간에서 운 항 일정과 환경에 따라 운용되지 못하고 있다. 그 결과 저-부하 운전으로 인한 효율저 하 및 경년변화에 취약하다. 이러한 단점을 보완하고 발전기의 운전 대수를 줄이기 위 하여 축 발전기를 탑재하여 개선할 수 있다. PTO mode의 시스템 사양 및 운용 알고리 즘은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
⚫ 축 발전기의 최대 출력은 탑재되는 발전기의 최대 출력과 유사하도록 한다.
⚫ 축 발전기는 선박이 최소 10knot 이상의 축계 회전속도를 가질 때 전력을 생산할 수 있으며, 그 이하의 속도에서는 운용하지 않는다.
⚫ 축 발전기는 선박이 항해 모드일 때만 동작하도록 하며, 정박 또는 입항 및 출항 때는 동작하지 않는다. 이때의 발전기 운용은 이상적인 전력 관리 시스템의 발전기 부하분담 운전/정지 운용 알고리즘에 따른다.
⚫ 선박이 항해상태일 때 축 발전기만으로 모든 전력 부하에 전력 공급이 가능할 경 우 추가의 발전기를 운용하지 않고 축 발전기만으로 선내 전력을 공급할 수 있다.
Fig. 3.13 Block diagram of PTO mode
Fig. 3.14 Flowchart of PTO mode
② PTO mode(with ESS)
PTO mode에 배터리를 탑재하여 에너지를 보다 유연하게 사용 가능하므로 발전기를 높은 효율 구간에서 사용할 수 있다. PTO mode에 배터리를 탑재할 경우 시스템의 사 양과 동작 알고리즘은 다음과 같다.
⚫ 정박 시 발전기의 운용 부하율이 낮을 경우, 발전기를 이용하여 배터리 SOC의 95%까지 충전할 수 있도록 한다.
⚫ 항해 중일 때 축 발전기만으로 선내 모든 전력부하에 전력 공급 후 출력 여유가 있으면, 배터리의 SOC가 최대 90%까지 충전할 수 있도록 한다.
⚫ 배터리 용량과 충전 및 방전 C-rate는 배터리 연계형 전력 관리 시스템과 같은 사양을 가지도록 한다. 발전기 부하율에 따른 운용 알고리즘은 배터리 연계형 전력 관리 시스템 중 배터리 충전 및 방전에 히스테리시스 제어를 수행하지 않는 알고 리즘을 따르도록 적용한다.
Fig. 3.15 Block diagram of battery linked PTO mode engineering control system
Fig. 3.16 Flowchart of battery linked PTO mode
③ PTO & PTI mode
PTI mode를 적용하게 되면 입항 및 출항할 때 주 추진기관을 대신하여 추진 전동기 를 사용할 수 있으므로 배출가스 저감으로 인한 환경적인 측면에서 많은 이점을 가진 다. 더불어 추진 전동기는 주 추진기관인 디젤엔진 등과는 달리 저-부하에서도 높은 운전 효율을 가지며, 회전의 정-역제어의 적용이 쉽다는 이점을 가진다. 이러한 이점은 축계가 회전 중에도 역 토크를 생성할 수 있으므로 선박의 조종성능을 높일 수 있다.
그러나 주 추진기관과 보조 추진기관을 함께 탑재하는 것은 많은 공간이 필요할 뿐만 아니라 무게 또한 많이 늘어나는 단점을 가진다.
그러나 추진 전동기를 운용할 때, 일부 항해사와 기관사의 경험에 따르면 입항 및 출항 시간은 짧으면 20분, 길면 6시간까지 소요되므로 선박을 안정적으로 항구에 접안 하기 위하여 높은 토크가 필요하므로 충분한 출력을 낼 수 있는 추진기관을 탑재를 고 려해야 한다. PTO & PTI mode의 시스템 사양 및 동작 알고리즘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
⚫ 추진 전동기의 출력은 PTO mode의 축 발전기와 같은 사양을 가진다.
⚫ PTI mode는 입항 및 출항할 때만 사용할 수 있도록 하며, PTI mode에서 추진 전 동기와 주 추진기관의 절환, 또는 그 반대의 경우의 과도 상태는 고려하지 않는다.
⚫ 전력 시스템에 배터리를 탑재하는 경우, 배터리의 용량은 앞서 적용한 배터리 연 계형 전력 관리 시스템과 배터리 연계형 PTO mode의 용량과 같도록 하며, 전력체 계는 직류전력을 적용하는 것으로 한다.
Fig. 3.17 Block diagram of battery linked PTO&PTI mode engineering control system
Fig. 3.18 Flowchart of battery linked PTO&PTI