1. 서 론
세계적으로 환경문제가 대두되고 있는 현 시점에서, 천연가스는 석유 및 석탄에 비하여 연소 시 발생하는 공해물질의 함량이 적어 사용량이 급격히 증가하고 있다. 천연가스의 사용량 증가에 따라 이를 운반하는 선박의 제조 및 연구가 활발히 이루어지는 추세이며[1], 이에 국내 조선업계 역시 유럽 및 일본 등에서 수입에 의존하던 고부가가치 Liquid Nature Gas Carrier(LNGC)의 조선기자재와 핵심 기술들을 국산화하는 노력을 하고 있다.
핵심 기술 중에 선박용 시뮬레이터의 국산화 연구도 포함된다. 선박의 제조 과정 중 실제 제작에 앞서 선박에서 발생할 수 있는 수많은 시나리오들에 대해 미리 시뮬레이션을 하고, 이를 대비한 설계가 이루어져야 한다. Power Management System(PMS)는 선박의 통합 자동화 시스템의 일부로써 전력계통을 원격에서 제어 감시하는 기능을 한다[2]. PMS의 개발에 앞서 Hardware-in-the-Loop(HIL) 테스트를 수행하여 설계단계에서 전력계통의 시스템 시퀀스 동작 확인, Parameter 설정, Alarm표시, 시스템 오류 등의 문제 요소들을 찾아내어 개발/시운전 비용을 절감할 수 있다. 선박 및 해양 산업에서 HIL 테스트를 수행하는 업체가 독점적으로 존재하고 있어 과도한 비용, 촉박한 테스트 수행일정 등의 문제점을 안고 있어, 이를 해결하기 위한 방안으로 PMS의 HIL 시뮬레이터의 국산화 개발이 필수적이다.
본 논문에서는 LNGC용 PMS의 검증을 위한 시뮬레이터의 국산화 개발을 위해 MATLAB/SIMULINK 기반에서 LNGC용 전력 계통의 주요 부품들인 발전기, 디젤 엔진 및 가버너, 변압기, 차단기, 3상 부하들의 모델링을 수행하고, 모델링 된 주요 부품들을 기반으로 PMS 시뮬레이터 모델링을 수행한다. 또한 MATLAB/Graphical User Interface(GUI) 기반으로 LNGC용 PMS 시뮬레이터의 제어와 모니터링을 위한 Human Machine Interface(HMI)를 구현한다. LNGC용 PMS 시뮬레이터는 특성해석 시퀀스에 따라 시뮬레이션을 수행하고, 각 시퀀스에 따른 예상 시뮬레이션 결과와 특성해석 결과의 비교 검토를 통해 LNGC용 PMS 시뮬레이터 모델링의 신뢰성을 검증한다.
2. LNGC용 PMS 시뮬레이터
PMS는 선박의 전력 생산 및 배분을 관리하고 감시하는 시스템으로 전력 시스템을 제어하고 관리하는데 필수적이다. 선박에서 사용되는 전력 시스템의 주요 부품으로는 발전기, 엔진, 변압기, 차단기, 기타 부하 등으로 구성되어있다[3].
PMS의 기본적인 역할에는 전력시스템의 감시와 발전기의 auto start/stop, 부하량에 따른 발전기의 start/stop 제어, Load Sharing제어를 포함한 발전기용 엔진 제어, 대량 부하 차단 등을 포함하고 있다[4].
Load Sharing 제어는 발전기 단일 용량을 초과하는 전체 부하를 공유하기 위해 병렬 연결된 발전기들을 구동하는 엔진 가버너 및 발전기 계자전압을 제어하는 것이다. Load Sharing 은 발전기의 속도와 전압 droop 특성을 통해 조절하는데, 유효전력의 부하 분담은 발전기의 속도로 제어하고, 무효전력의 부하 분담은 전압여자 제어를 통해 제어한다. 이를 이용하여 각 상황에 따른 발전기들 사이의 Load Sharing 제어를 수행하는 모델링을 구현한다.
LNGC용 PMS 시뮬레이터는 크게 두 개의 파트로 구성되어 있는데, 전력 시스템을 구현하여 시뮬레이션이 가능한 모델링 파트와 시뮬레이션을 모니터링하고 제어하는 HMI 파트로 나뉜다. 모델링 파트는 전력계통의 주요 부품인 발전기, 변압기, 부하에 대해 각각 모델링을 수행하고, 모델링 된 주요 부품을 기반으로 전력 계통을 모델링한다. HMI에는 선박용 전력시스템의 주요 부품들과 부품들의 연결을 보여주는 버스 선, 그리고 현재 전력시스템의 상태를 모니터링 할 수 있는 결과 확인 부분으로 나누어져 있으며, 시뮬레이션의 동작을 제어하는 시뮬레이션 제어부로 구성되어 있다.
3. LNGC용 PMS 시뮬레이터 모델링
3.1 LNGC용 전력계통 주요 부품 모델링
1) 발전기 시스템
LNGC용 PMS에서 가장 중요한 부품중의 하나로 선박에 공급하는 전력을 생성하는 발전기와 발전기에 기계적 동력을 공급하 는 엔진부가 있다. 본 논문에서는 이를 총칭하여 발전기 시스템이라 하겠다. 그림 1은 발전기 시스템의 구성도를 나타내며, 이는 동기발전기와 디젤 엔진 시스템, 발전기 시스템 스위치, 주파수 계산 파트로 크게 4가지로 구성되어 있으며, 동기발전기와 디젤엔진, 발전기 시스템 스위치는 각각의 역할을 수행하는 서브시스템으로 이루어져있다. 동기발전기는 선박용 대형 발전기로 주로 사용되며, 기계적 동력을 입력 받아 선박의 전력을 생산하고, 이를 계통에 공급하는 역할을 한다. 디젤 엔진 시스템은 동기발전 기에 공급되는 기계적 동력 Pm(Mechanical Power)과 계자 전압 Vf(Field Voltage)를 제어한다. 발전기 시스템 스위치는 발전기 시스템의 on/off 기능을 담당하는 서브시스템으로 외부의 신호를 입력 받아 기능을 수행한다. 주파수 계산 파트는 발전기 시스템의 주파수를 계산하는 역할 및 출력을 수행하는데, 발전기의 회 전 속도에 의거하여 주파수를 계산하고, 이를 외부 단자를 통해 출력한다.
그림 1발전기 시스템 구성도 Fig. 1 Block Diagram of Generator System
표 1발전기 시스템 구성 및 역할 Table 1 Composition and role of Generator System
2) 동기발전기
동기발전기는 발전기 시스템에서 가장 중요한 부분으로 기계적 동력과 계자 전압을 입력 받아 계통에 전압과 전류를 출력한다[5]. 그림 2는 동기발전기의 모델링을 보여주는데, Powersysdomain, Electrical Model, Mechanical Model, Measurement List로 구성되어 있다. Powersysdomain은 발전기 모델에서 생성된 전류 및 전압 을 계통 라인에 출력하는 기능을 하는 서브시스템이다. Electrical Model은 전압, 계자 전압, 회전자의 각속도와 전류 위상각을 입력받아 전류 및 토크를 출력하는데, 이는 d,q 축 등가회로 기반의 수식으로 모델링 되어있다. Mechanical Model은 회전자 기계모델을 모델링 한 것으로 토크와 기계적 동력을 입력 받아 회전자의 각속도, 전류 위상각과 전력을 출력한다. Measurement List는 Electrical Model과 Mechanical Model의 출력 가능한 값들을 리스트화하여 출력 값들을 선택하여 확인 가능하게 만든 서브시스템이다.
그림 2동기발전기 구성도 Fig. 2 Block Diagram of Synchronous Generator
표 2동기발전기 구성 및 역할 Table 2 Composition and role of Synchronous Generator
동기발전기는 계산의 단순화와 계산 속도를 향상시키기 위해 d, q축 등가회로를 이용한다[6].
표 3동기발전기 모델링 수식 Table 3 Equation of Synchronous Generator Modeling
위 수식에서 아래첨자 d는 d축, q는 q축, fd는 d축 계자, kq1은 q축 댐퍼 1, kq2는 q축 댐퍼 2를 나타낸다. V는 전압, i는 전류, Φ는 쇄교자속, R은 저항, L은 인덕턴스를 나타낸다.
3) 디젤 엔진 시스템
그림 3디젤 엔진 시스템 구성도 Fig. 3 Block Diagram of Diesel Engine System
디젤 엔진 시스템은 정격 속도와 정격 전압 그리고 발전기 속도를 입력 받아 기계 동력과 계자 전압을 제어하고 발전기로 출력하는 기능을 한다. 디젤 엔진 시스템은 그림 3과 같이 Governor & 디젤 엔진과 Excitation으로 2개의 서브시스템으로 이루어지는데, Governor & 디젤 엔진 서브시스템은 정격 속도와 발전기 속도를 입력 받아 기계적 동력 Pm을 계산하고 출력한다. Excitation은 정격 전압과 발전기의 d, q축 전압을 입력 받아 계자 전압을 제어하고 출력하는 기능을 한다. 디젤 엔진 시스템은 발전기 시스템이 부하의 변동에 따라 필요한 전력을 생산하고 출력할 수 있게 제어 하는 서브시스템이다.
표 4디젤 엔진 시스템 구성 및 역할 Table 4 Composition and role of Diesel Engine System
4) 변압기
변압기는 LNGC용 PMS의 주요 부품 중 하나로 LNGC용 전력계통의 전압을 강압 시키는 역할을 한다. 본 논문에서는 MATLAB/SIMULINK의 SimPowerSystem에서 제공하는 변압기블록 Three-Phase Transformer(Two Windings)를 이용하여 모델링 하였다. 아래 그림 3.14는 6600[V]의 전압을 440[V]로 강압시키는 변압기 모델링을 보여준다.
그림 46600[V]/440[V] 변압기 모델링 Fig. 4 Modeling of 6600[V]/440[V] Transformer
5) Circuit Breaker & Lumped Load
LNGC용 PMS의 주요 부품으로 Circuit Breaker도 포함된다. 샘플 PMS에서 각 주요 부품에 연결되는 3상 계통의 on/off 기능을 담당하고, 나아가 Circuit Breaker를 외부에서 제어함으로써 PMS 시뮬레이터를 구성하는데 중요한 역할을 한다. Circuit Breaker는 그림 3.15에서 볼 수 있는 것처럼 각 상에 각각의 스위치로 구성되어 있으며 외부 입력 단자로부터 on/off를 동시에 제어함으로써 3상 전체의 on/off 기능을 수행한다.
그림 5Circuit Breaker 모델링 Fig. 5 Modeling of Circuit Breaker
Lumped Load는 선박용 전력시스템에서 사용되는 적은 부하들을 하나로 합쳐 PMS의 구성을 심플하게 만들어주는 부품이다. 실제 대형 선박에 들어가는 모든 부하들을 전력시스템 PMS 시뮬레이터에서 고려할 수 없기 때문에 Lumped Load로 몇 개의 큰 부하들로 모델링 한다. 그림 3.16은 Lumped Load 모델링 예시를 나타내며, MATLAB Simulink SimPowerSystem에서 제공하는 3상 부하 모델을 이용하여 500[kW]의 유효전력 부하를 모델링 하였다. 우측 그림에서 보는 것과 같이 정격 전압 6600[V]과 정격 주파수 60[Hz], 유효전력 500[kW], 유도성 무효전력 0[VAR], 용량성 무효전력 0[VAR]을 수치로 입력하여 3상 부하를 설정한다. 이 모델은 유효 전력뿐만 아니라 무효 전력까지 모델링이 가능하며, 이 또한 수치적 입력을 통해 간단히 수행 가능하다.
그림 6Lumped Load 모델링 Fig. 6 Modeling of Lumped Load
3.2 LNGC용 PMS 시뮬레이터 모델링
1) LNGC용 전력시스템 PMS 시뮬레이터 모델링 구성
LNGC의 전체 시스템 구성은 그림 3.17의 Single Line Diagram과 같다. 주요 부품으로는 3.1[MVA]급 DEG(디젤 엔진 Generator) 4대와 1[MVA]급 EG(Emergency Generator) 1대, 500[kW]급 BALLAST PUMP 3대, 2000[kW]급 BOW Thruster 1대, 3000[kW]급 lumped load 2대, 200[kW]급 lumped load 2대, 100[kW]급 Lumped Load 3대, 6600[V]/440[V] 변압기 4대로 구성되어 있다.
그림 7LNGC용 전력계통 - Single Line Diagram Fig. 7 Single Line Diagram of Power System for LNGC
2) Matlab 기반 LNGC용 전력시스템 PMS 모델링
주요 부품 모델링을 기반으로 LNGC용 전력계통을 아래 그림 3.19와 같이 모델링을 수행하였다.
그림 8MATLAB 기반 LNGC용 PMS 모델링 Fig. 8 PMS Modeling for LNGC based on MATLAB
3.3 Matlab 기반 LNGC용 PMS 시뮬레이터 HMI 구축
1) LNGC용 PMS의 HMI 구성
LNGC 전력시스템 PMS 시뮬레이터의 HMI는 그림 3.20와 같이 시뮬레이션 제어 블록과 CB 제어 블록, Load Sharing 제어블록, Monitoring 블록으로 크게 4가지로 구성되어 있다. PMS로 부터의 명령 외에 local 제어를 수행하기 위해 사용자가 명령하고 모니터링 할 수 있는 HMI(Human Monitoing Interface)를 구현 하였다. 시뮬레이션 제어 블록은 시뮬레이션의 시작, 멈춤, 정지 명령을 수행하며, CB 제어 블록은 주요 부품을 계통에 연결 또는 제거하는 명령을 수행한다. Load Sharing 제어 블록은 사용자의 명령에 의해 각 발전기 시스템의 local load sharing 제어를 수행한다. Monitoring 블록은 PMS 시뮬레이터의 현재 상태를 실시간으로 출력한다. HMI 창 내에서 결과를 확인 할 수 있으므로, 사용자가 시뮬레이터의 전력시스템을 파악하는데 용이하다.
그림 9LNGC용 PMS 시뮬레이터의 HMI 블록 Fig. 9 HMI Block of PMS Simulator for LNGC
그림 10LNGC용 PMS의 HMI Fig. 10 Overall HMI of PMS for LNGC
위를 기반으로 LNGC PMS 시뮬레이터 HMI 구현한 결과를 그림 3.23에서 보여준다. 시뮬레이션 제어 블록과 Load Sharing 제어 블록은 1개씩 구성되어 있으며, CB 제어 블록은 총 43개로 모든 주요 부품의 on/off와 계통과의 연결 및 제거를 수행한다. Monitoring 블록은 총 4개로 발전기 시스템 4대의 결과를 실시간으로 출력한다.
4. LNGC용 PMS 시뮬레이터의 특성해석
4.1 LNGC용 PMS의 특성해석 시퀀스 구성
LNGC용 PMS 시뮬레이터 특성해석 시퀀스는 그림 4.1과 같이 3개로 구성하였다. 아래 그림에서 빨간색 Circuit Breaker들은 opened 상태이고, 녹색 Circuit Breaker들은 Switch closed 상태이다. 발전기 시스템 4대의 Load Sharing과 각 주요 부품의 정상 동작을 검증하기 위해 시퀀스 1과 시퀀스 2를 구성하였다. 시퀀스 1은 발전기세트가 고압 버스단에서 소비하는 전력을 1:1:1:1의 비율로 생산한다. 시퀀스 2는 시퀀스 1에 추가적으로 변압기를 이용해 계통의 전압 강하를 검증한다. 시퀀스 3은 DG1, DG3 두 발전기 세트만 전력을 생산하는 상태에 대해 특성해석함으로써, 발전기 시스템의 개별적인 동작을 검증한다.
그림 11PMS 시뮬레이터의 특성해석 시퀀스 Fig. 11 Sequence of Characteristic Analysis for PMS Simulator
1) 시퀀스 1
시퀀스 1에서는 발전기 4대가 BALLAST PUMP 3대, BOW THRUSTER 1대, 6.6kV 버스 상의 Lumped load 2대에 전력을 공급하며, 표 4.1은 LNGC용 PMS 시뮬레이터의 특성해석 시퀀스 1의 결과를 나타낸다. 부하가 요구하는 총 유효전력은 9500[kW], 무효전력은 7125[kVAR]이며, 발전기가 생산하는 총 유효전력은 9411.3[kW], 무효전력은 7059.2[kVAR]로 예상 결과의 1% 이내의 오차를 가진다. 또한 각 발전기 시스템은 1:1:1:1의 비율로 전력을 생산하는 것을 확인함으로써, Load Sharing기능을 확인한다. 부하의 크기에 따라 출력하는 상전류의 실효값은 258.8[A]이다.
그림 4.2에서 발전기 시스템과 전동기의 특성해석 결과에 대한 모니터링 상태를 나타내는데, 주파수, 상전압, 유효전력, 무효전력, 상전류에 대한 정상상태 결과를 확인할 수 있다.
표 5시퀀스 1의 특성해석 결과 Table 5 Sequence 1 Results of Characteristic Analysis
그림 12시퀀스 1의 발전기 특성해석 결과 모니터링 Fig. 12 Monitoring Results of Sequence 1 of Characteristic Analysis
표 6시퀀스 2의 특성해석 결과 Table 6 Sequence 2 Results of Characteristic Analysis
그림 13시퀀스 2의 발전기 특성해석 결과 모니터링 Fig. 13 Monitoring Results of Sequence 2 of Characteristic Analysis
2) 시퀀스 2
시퀀스 2에서는 발전기 4대가 BALLAST PUMP 2대, AC 6.6kV 버스 상의 Lumped load 1대, 440V 버스 상의lumped load 3대에 전력을 공급하며, 표 4.2은 LNGC용 PMS 시뮬레이터의 특성해석 시퀀스 2의 결과를 나타낸다. 부하가 요구하는 총 유효전력은 4400[kW], 무효전력은 3300[kVAR]이며, 발전기가 생산하는 총 유효전력은 4304.1[kW], 무효전력은 3235.6[kVAR]로 예상 결과의 3% 이내의 오차를 가진다. 또한 출력하는 상전류의 실효값은 118.1[A]이다. 440V 버스 상의 lumped load의 부하에 전력을 공급함으로써, 변압기의 모델링이 적절히 된 것을 확인 할 수 있었다. 시퀀스1과 마찬가지로 각 발전기는 1:1:1:1의 비율로 전력을 생산하므로, Load Sharing 기능을 확인 한다.
3) 시퀀스 3
시퀀스 3은 발전기의 개별적 운영에 대해 특성해석을 수행한다. 발전기 2대가 BALLAST PUMP 3대, BOW THRUSTER 1대, 440V 버스 상의 lumped load 5대에 전력을 공급하며, 표 4.3은 LNGC용 PMS 시뮬레이터의 특성해석 시퀀스 3의 결과를 나타낸다. 부하가 요구하는 총 유효전력은 4200[kW], 무효전력은 3150[kVAR]이며, 발전기가 생산하는 총 유효전력은 4077.8[kW], 무효전력은 3070.1[kVAR]로 예상 결과의 3% 이내의 오차를 가진다. 발전기 2대는 off 상태로 출력하는 전력은 모두 0으로 발전기 off에 대한 검증을 수행하였다. 또한 출력하는 상전류의 실효값은 118.1[A]이다. 440V 버스 상의 lumped load의 부하에 전력을 공급함으로써, 변압기의 모델링이 적절히 된 것을 확인 할 수 있었다. 시퀀스1과 마찬가지로 각 발전기는 1:1:1:1의 비율로 전력을 생산하므로, Load Sharing 기능을 확인 한다. 본 특성해석 시퀀스에서는 발전기 시스템의 부분 운전 수행 능력을 검증한다.
표 7시퀀스 3의 특성해석 결과 Table 7 Sequence 3 Results of Characteristic Analysis
그림 14시퀀스 3의 발전기 특성해석 결과 모니터링 Fig. 14 Monitoring Results of Sequence 3 of Characteristic Analysis
5. 결 론
본 논문에서는 LNGC용 Power Management System(PMS) 시뮬레이터 모델링의 국산화 연구 일환으로 MATLAB/SIMULINK 기반에서 주요 부품들인 동기발전기, 디젤 엔진 시스템, 변압기, 차단기, 3상 부하들의 개별 모델링을 수행하였고, 모델링 된 주요 부품을 기반으로 LNGC용 PMS 시뮬레이터 모델링을 개발하였다. 또한 MATLAB/GUI기반으로 PMS 시뮬레이터의 Human Machine Interface(HMI)를 구현하였다. 개발 된 시뮬레이터는 3개의 특성해석 시퀀스에 따라 시뮬레이션을 수행하였고, 각 시퀀스의 예상 시뮬레이션 결과와 특성해석 결과의 비교 검토를 통해 모델링의 신뢰성을 검증하였다. 향후 개발된 LNGC용 PMS 시뮬레이터와 실제 LNGC의 PMS와 연계하여 PMS-HIL(Hardware-In-the-Loop) 테스트를 수행할 예정이다. 이 테스트를 통해 LNGC용 PMS HIL 시뮬레이터의 연계부분과 function과 failure mode에 대한 적절한 기능수행이 가능함을 검증 한다면 시뮬레이터 개발이 완료 될 것으로 예상된다.
References
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