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영구자석 발전기와 다이오드 정류기로 구성된 선박용 DC 발전 시스템의 고효율 운전
High-Efficiency Operation of Maritime DC Power System Consisting of Permanent Magnet Generator and Diode Rectifier

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Authors
손영광
Advisor
설승기
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
DC 계통전기 추진 선박영구자석 발전기다이오드 정류기DC gridall-electric shippermanent magnet generatordiode rectifierengine variable speed operation
Description
학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2020. 8. 설승기.
Abstract
전통적으로 선박의 전력 시스템은 AC 배전 형태로 설계되어 왔다. 그러나 최근 점점 더 많은 선박의 전력 시스템들이 DC 배전 형태로 설계되고 있는데, 이는 DC 배전 시스템을 적용하면 선박 연료 비용을 대폭 절감할 수 있기 때문이다. 현재까지 선박용 DC 배전 시스템의 발전부로는 대부분 계자권선 발전기와 다이오드 정류기의 조합이 적용되고 있는데, 본 논문에서는 기존 발전부 구성 대신 영구자석 발전기와 다이오드 정류기로 구성된 발전부 조합을 제안한다. 제안하는 시스템의 장점은 기존 시스템보다 효율과 신뢰성이 높다는 점이다.
제안하는 방식의 발전부 조합이 자세히 연구되지 않았던 주요한 이유는 제안한 방식으로 발전부를 구성하면 직류단 전압을 일정하게 제어할 수 없거나 엔진의 최적효율 운전을 포기해야한다고 여겨졌기 때문이다. 본 논문에서는 현재까지 작성된 대부분의 표준 문서에서 허용하는 정상상태 전압 변동 ± 10%를 고려하여, 제안한 발전부 구성으로도 엔진발전기가 대부분의 부하 영역에서 최적효율 운전점에서 운전될 수 있음을 보였다. 그리고 5MW급 엔진발전기의 경우 연간 70 ~ 90톤의 연료 (45,000 ~ 65,000 달러)를 절감할 수 있음을 보였다.
본 논문에서는 제안한 발전부 회로를 AC 회로로 근사하여 영구자석 발전기의 역기전력, 인덕턴스 등의 제정수 변화에 따른 엔진발전기 운전 가능 영역의 변화 경향을 분석하였고, 시뮬레이션과 축소 실험을 통하여 이론적인 분석의 타당함을 검증하였다. 또한 제안하는 시스템의 보호 계전 방식을 제안하고 이를 시뮬레이션으로 검증하였으며, 과전압 억제를 위한 VPL (Voltage Peak Limiter) 회로, V-P 드룹 방식에 기반한 병렬 운전 제어, PMS 기능 등을 시뮬레이션과 실험으로 검증하였다.
추가적으로 제안하는 발전부 조합에서 직류단 전압이 수십 % 가변할 수 있도록 DC 배전 시스템을 설계한다면 대부분의 운전 시간 동안 부하 컨버터의 효율이 증가할 뿐 아니라 엔진발전기의 가변속 운전폭이 넓어지고 발전기 파라미터에 관계 없이 엔진의 최적효율 운전이 가능해져 추가적인 효율 개선이 가능함을 보였다.
DC grid is emerging as a new electric power distribution concept for several types of vessels due to its higher fuel efficiency compared to the conventional AC grid. Until today, wound rotor generator (WRG) and diode rectifier (DFE) have been applied to the generation part of the onboard DC grid, and this conventional configuration has an advantage of low installation cost. In this dissertation, it was proposed to apply permanent magnet generator (PMG) and DFE intead of the conventional configuration. The advantage of the proposed system is that it is more efficient and reliable than the conventional system.
The main reason why the proposed system has not been studied in detail before despite the advantages of the PMG is that it was considered the optimal-efficient operation of the engine, which is the main advantage of the DC distribution system, must be sacrificed in order to control the DC voltage in the proposed system. In this dissertation, considering that most standard documents regarding the DC distribution system allow ± 10 % tolerance for the steady-state voltage, it has been shown that the engine can be operated along the OOL in most load conditions even with the proposed system. Then, it has been shown that by applying the proposed system the fuel consumption is reduced by about 70 ~ 90 tons per year, which is the same to 45,000 to 65,000 dollars per year in terms of cost, for a 5 MW class genset.
In this dissertation, the proposed system is approximated to an AC circuit to analyze the effect of the generator parameter, such as back EMF and inductance, on the operational area of the genset. And, the validity of the theoretical analysis was verified through computer simulation and small-scaled experimental test. In addition, the protection method of the proposed system was proposed and verified through computer simulation. Also, the voltage peak limiter (VPL) circuit for suppressing overvoltage, parallel operation control based on the V-P droop method, PMS functions such as switchboard synchronization was discussed and verified by computer simulation and small-scaled experimental tests.
Furthermore, it was proposed that the DC power system be designed to allow the DC voltage deviation by several tens of percent while adopting the proposed combination for the generation part (PMG and DFE). Then, it was shown that during most of the operation time, not only the efficiency of the load converter was increased, but also the efficiency of the genset was even more improved since the proposed design resulted in the wider operational speed range of the genset.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/169245

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000162597
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Electrical and Computer Engineering (전기·정보공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._전기·정보공학부)
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