1. 서 론

최근 국제적인 선박 배출 가스에 대한 환경 규제가 점차 강화됨에 따라 선박용 직류배전시스템에 대한 관심이 증대 되고 있다. 선박용 직류배전시스템에 대한 안전 및 성능에 대한 검증 및 시험의 중요성이 요구되고 있으며 해외 선급 에서는 직류배전 시스템을 탑재한 선박의 상업화를 위해 선 사, 조선소 및 기자재 업체들과의 공동 연구를 통해 직류배 전에 대한 선박탑재, 시험 인증규정 개발을 통해 향후 선박 시장 환경에 대응하고 있다.

본 연구에서는 선행연구(Park, 2019)를 통해 개발된 가변 속 발전기를 활용하여 정속발전기와 가변속발전기의 에너 지 절감을 비교하기 위하여 선박에서 사용하는 부하를 기준 으로 60 ~ 100% 부하에 따라 엔진속도를 가변하여 전력을 공급해 줌으로써 연료를 절감할 수 있는 시스템을 구현하 여 시험 하였다. 가변속엔진(1100 ~ 1800rpm)을 적용한 발전 기는 AC전력을 공급하게 되는데 가변속에 따른 전압변동 (250 ~ 440V), 주파수 변동(34 ~ 60Hz)이 발생되어 이를 AFE정 류기(AC/DC Converter)를 통해 DC전력(750VDC)으로 공급 하 도록 구성 하였으며, 가변속 발전기에 따른 부하변동 시험 을 위해 직류배전시스템, 부하설비(추진드라이브 및 모터, 부 하기), 발전 및 배전시스템을 제어하기 위한 DC-PMS(Power Management System) 적용하여 Fig. 1과 같이 테스트베드를 구 성 하였다.

2. 직류배전 테스트베드 구성

2.1 직류배전 테스트베드 설계 및 제원

가) 디젤발전기(Diesel Generator)

디젤엔진을 원동기로 사용한 발전기를 말하며, 영구자석 을 이용한 회전계자형 발전장치이며, 이러한 발전기의 엔진 속도를 조절하여 가변속에 따른 전력을 공급하도록 구성된 발전기로 정격용량은 440VAC, 400kW, 60Hz로 Fig. 2와 같이 구성 하였다.

나) 정류기(Rectifier, AC/DC Converter)

가변속 디젤발전기에서 공급되는 교류전압(245 ~ 440V)을 직류전압(750V)으로 변환하여 전력계통에 공급하는 전력변 환장치로서 1차측 240 ~ 490VAC, 2차측 750VDC, 용량은 400kW 이다.

다) 직류배전반(DC Switch Board)

직류차단기, 직류전압/전류 계측기 등으로 구성된 직류배 전반으로 가변속 발전용 정류기, 배터리시스템, 부하장치 등 을 연결하도록 Fig. 2와 같이 구성된 배전반이다.

라) 직류 전력관리시스템(DC Power Management System)

디젤발전기의 엔진속도를 제어하고 가변속에 따른 AC전 력을 제어하고 이 AC전력을 정류기를 통해 DC전력을 계통 에 안정적으로 공급하도록 각 장치들을 모니터링 하고 부하 에 따라 직류배전시스템이 안정적으로 운영되도록 관리하 는 시스템이다.

마) 통합 전력관리시스템(Integrated Power Management System)

Fig. 3은 발전원(발전기, 배터리시스템 등), 배전시스템 등 각 장치들의 상태 및 전력을 감시 제어하기 위한 시스템이 며, 선박의 부하 환경을 모의하여 부하 장치를 운전하고 전 력 데이터를 분석하기 위한 시스템이다.

바) 모터 드라이브(VFD : Variable Frequency Driver)

전원 공급의 주파수와 전압을 변환하여 전기모터를 구동 하는 모터 제어기로서 1차측 750VDC, 2차측 440VAC, 정격용 량 400kW로 구성되어 있다.

사) 유도 전동기(Induction Motor)

고정자가 만드는 회전 자계에 의해 전기 전도체의 회전자 에 유도 전류가 발생해서 회전하도록 구성된 모터로 전기추 진용 모터를 모의해서 시험하기 위해 구성된 장치이다.

아) 부하 저항기(DC Load Bank)

발전기, ESS 등 전력원들을 시험하기 위해 전기부하를 제 공하도록 구성된 저항 성분의 부하장치이며, 440VAC, 1.1MW 용량으로 구성되어 있다.

자) 직류배전 테스트베드

Fig. 4는 테스트베드 구축에 따른 시스템 배치도이다. 동 력실에는 발전기, 추진용 모터, 로드뱅크를 구성하였고 전력 시험실은 직류배전시스템을 설치하였고 별도의 제어실에서 시스템 제어 및 모니터링 하도록 구성하였다.

3. 직류배전 출력 모사/성능평가 시험

3.1 출력모사 시험을 위한 부하시나리오 개발

부하시나리오 개발을 위해 4개선종(Shuttle Tanker, LNG carrier, Container, LNG FSRU)을 검토하였고 부하변동이 큰 컨테이너 선박으로 선정하였다. 이 부하시나리오는 선박 운 항 시 부하변동성을 분석하여 테스트베드 용량에 맞도록 스 케일 조정을 통해 개발하였으며, 두 선종(13k TEU Container, 5,500 TEU Reefer Container)의 보조기기에 대한 부하를 분석 하여 시나리오를 개발하였다. 선박의 선종에 따라 사용되는 부하량이 다르기 때문에 부하 변동 구간의 소요시간과 지속 시간을 고려하여 개발을 진행하였으며 선박의 부하 변동이 심한 입․출항 및 하역 구간에 대해 개발된 Load case를 기 반으로 하고, 부하 시나리오를 테스트 베드에 적용하기 위 해 디젤발전기의 운전 특성을 파악하여 각 선종별 및 크기 별 부하 시나리오를 개발하였다.

3.2 선종별 부하 시나리오

3.2.1 13k TEU Container

13k TEU Container의 Electric load를 분석한 결과, 13k TEU Container의 운항은 Normal seagoing, Port In/Out(w/o thruster), Port In/Out(w/ thruster), Load/Unload, Harboring 운전 모드로 구 분할 수 있었다. 테스트 베드 실험 수행을 위해 각 운전 모드 의 출력 Scale 조정하였으며 Fig. 5와 같이 13k TEU Container 부하시나리오를 직류배전시스템에 적용하여 정속 발전 & 가변속 발전에 대한 실험 진행을 위해 동력원의 출력모사 시험 조건을 통합 전력관리시스템에 적용하여 구성된 제어 로직에 따라 부하가 모사될 수 있도록 구성하였다.

3.2.2 5,500 TEU Reefer Container

5,500 TEU Reefer Container의 Electric load를 분석한 결과, 5,500 TEU Reefer Container의 운항은 Normal seagoing(w/o reefer), Normal seagoing(w/ reefer), Port In/Out(w/o thruster), Port In/Out(w/ thruster), Load/Unload의 운전 모드로 구분할 수 있었 다. 테스트베드 실험수행을 위해 각 운전 모드의 출력 Scale 조정하였으며 Fig. 6과 같이 5,500 TEU Reefer Container 부하 시나리오를 직류배전시스템에 적용하여 정속 발전 & 가변 속 발전에 대한 실험 진행을 위해 동력원의 출력모사 시험 조건을 통합 전력관리시스템에 적용하여 구성된 제어 로직 에 따라 부하가 모사될 수 있도록 구성하였다.

3.3 가변속 발전기 단계별(100~400kW) 부하변동 시험

Fig. 7은 가변속 발전기가 부하변동에 따른 전압 변동을 확인하기 위해 100 ~ 400kW를 100kW 단위로 올리면서 전압 변동률을 확인한 그래프이다. 무부하시 정류기 2차측 전압 은 750VDC임을 확인하였고 부하가 서서히 증가함에 따라 전압이 소폭으로 떨어지는 것을 확인하였다. 100kW 부하구 간에서 전압은 평균 745V로 약 5V 정도 떨어지는 것을 확인 하였으며 200kW 구간은 737V, 300kW 구간은 732V, 400kW 구간은 732V 정도 구간별 전압이 떨어지는 것을 확인하였 다. 위 시험을 통해 부하가 증가할수록 전압이 서서히 떨어 지는 것을 확인하였으며, 최대전압은 751.5V이고 최소전압 은 731.4V가 계측되어 전압변동률은 2.7%로 3% 이내에서 안 정적으로 전압이 공급되는 것을 확인하였다.

Fig. 8은 부하변동시 디젤발전기의 연료소모량을 비교한 시험 결과이다. 발전기의 유량을 측정하기 위해 연료공급라 인과 연료회수라인에 각각 유량계를 설치하여 유량값을 계 측하였으며 부하는 100 ~ 400kW 범위 내에서 100kW씩 단계 적으로 올려서 시험하였다. 녹색 부분은 정속발전(1800rpm, 440VAC, 60Hz)시 유량 데이터이며, 보라색 부분은 가변속발 전(1200 ~ 1800rpm, 270 ~ 440VAC)시 유량 데이터를 나타낸다. 100kW 부하구간에서는 정속 발전 대비 가변속 발전이 약 23% 정도 유량이 절감되는 것을 확인하였으며, 300kW 구간 에서는 약 9% 정도 절감되는 것을 확인하였다. 이 시험을 통해 부하가 낮을수록 발전기 엔진 속도가 낮아짐에 따라 유량 감소폭이 높게 나타나고 엔진속도가 증가할수록 정속 발전과 비슷해지는 것을 확인하였다.

3.4 13k TEU Container 부하변동 시험

Table 1은 앞서 개발된 Load Scenario를 바탕으로 부하를 설정하였으며 기존 선박의 전력소모량 대비 약 5.6%의 비율 로 scale 조정을 진행하였다.

Fig. 9는 13k TEU Container 선박의 Load Scenario를 이용하 여 부하변동 시험을 진행한 그래프이다. 부하변동시 디젤발 전기의 연료소모량을 비교한 시험 결과를 나타낸다. 부하는 최소 120kW에서 최대 390kW로 부하 가변 범위에 따라 발전 기의 출력이 제어되도록 설정되었다. 녹색 부분은 정속발전 (1800rpm, 440VAC, 60Hz)시 유량 데이터이며, 보라색 부분은 가변속발전(1200 ~ 1800rpm, 270 ~ 440VAC)시 유량 데이터이 다. 100kW 부하구간에서는 정속발전 대비 가변속 발전이 약 23%정도 유량이 절감되는 것을 확인하였으며, 300kW 구간 에서는 약 9%정도 절감 되는 것을 확인 하였다. 이 시험을 통해 부하가 낮을수록 발전기 엔진속도가 낮아짐에 따라 유 량 감소폭이 높게 나타나고 엔진속도가 증가할수록 정속발 전과 비슷해지는 것을 확인 하였다.

정속 발전의 경우 약 57.6kg, 가변속 발전의 경우 50.4kg으 로 약 7kg의 연료 절감을 확인하였으며, 정속발전 대비 가변 속 발전의 연료소모량이 12.5% 절감되는 것을 확인하였다.

3.5 5,500 TEU Reefer Container 부하변동 시험

Table 2는 앞서 개발된 Load Scenario를 바탕으로 부하를 설정하였으며, 기존 선박의 전력소모량 대비 약 9%의 비율 로 scale 조정을 진행하였다.

Fig. 10은 5500 TEU Reefer Container 선박의 Load Scenario를 이용하여 부하변동 시험을 진행한 그래프이다. 부하변동시 디젤발전기의 연료소모량을 비교한 시험 결과를 나타낸다. 부하는 최소 128kW에서 최대 374kW로 부하 가변 범위에 따 라 발전기의 출력이 제어되도록 설정 되었다. 보라색 부분 은 정속발전(1800rpm, 440VAC, 60Hz)시 유량 데이터이며, 녹 색 부분은 가변속발전(1200 ~ 1800rpm, 270 ~ 440VAC)시 유량 데이터이다. 128kW 부하 구간에서는 정속 발전 대비 가변속 발전이 약 20% 정도 유량이 절감되는 것을 확인하였으며, 374kW 구간에서는 약 5%, 193kW 구간에서는 13%, 347kW 구 간에서는 7%, 334kW 구간에서는 8% 정도 절감 되는 것을 확인하였다. 이 시험을 통해 부하가 낮을수록 발전기 엔진 속도가 낮아짐에 따라 유량 감소폭이 높게 나타나고 엔진속 도가 증가할수록 정속발전과 비슷해지는 것을 확인하였다.

정속 발전의 경우 약 73.4kg, 가변속 발전의 경우 66.8kg으 로 약 6.5kg의 연료 절감을 확인하였으며, 정속 발전 대비 가 변속 발전의 연료소모량이 8.9% 절감되는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서 구축하여 시험을 진행한 직류배전시스템 테 스트베드는 기존 선박에서 사용하고 있는 교류전력계통의 발전시스템(정속발전, 440VAC/60Hz 고정)을 직류배전용 발 전시스템(가변속 발전, 245 ~ 440VAC/34 ~ 60Hz 가변)으로 구 성 하였으며, 직류배전시스템은 가변속발전기, 정류기(AC/DC Converter)를 이용하여 교류전력을 직류전력으로 변환후 전 력계통에 공급해 주도록 구성하여 부하변동에 따른 특성을 시험 하였고 아래와 같은 결과를 도출하였다.

따라서, 본 연구에서는 구간별로 연료절감률은 다르지만 최대 23% 이상 연료절감이 가능하고, 한 사이클을 운전 하 였을 때 정속발전기를 활용할 때 보다 가변속 발전기를 적 용 하였을 때 약 5%정도 에너지 절감이 가능한 것으로 확인 하였다. 이러한 결과를 통해 부하변동성이 큰 선박의 추진 이나 보기류에 적용되는 발전원에 이러한 가변속발전시스 템을 적용하게 되면 연료절감 및 선박의 배기가스 배출물질 도 낮출 수 있을거라 기대된다.