전력 분배 시스템 document_id A220623035470

통상적인 선박용 전력과 추진 시스템은 전체 전기 추진(full electric propulsion, FEP)을 사용하고 고장 전류 크기-시간 식별은 보호개폐기가 모든 다른 부회로에 최소한의 실질적인 차단을 야기하는 동안 특정 부회로에서 과전류 고장을 차단하는 것이 가능하도록 사용된다. 그러한 FEP시스템은 특정 시간에 발생되는 총부하에 대해 그 당시에 온라인에 있는 발전 용량을 적응시키는 것을 목적으로 하는 "전력 스테이션 원리(power station principle)"를 사용하는 것을 말한다. 이것은 연료 효율성을 최대화하는 이점을 갖는다. 그러한 FEP시스템의 환경설정은 우선순위로 부하를 쉐드(shed)하고 발전기를 작동시키는 권위를 갖는 파워 관리 시스템에 의하여 어느 정도 자동화된다. 교류는 지상 기지(land-based)시스템과 호환성을 유지하기 위하여 중간 전압(medium voltage,MV)으로 FEP시스템을 통하여 분배된다. 도 1은 통상적인 FEP시스템의 한 예를 보여준다. 일련의 터빈(T)과 디젤 엔진(D)은 개개의 발전기(G)를 작동하는데 사용된다. 이것들은 보호개폐기를 장착한 중간 전압(MV) 교류 버스바(busbar) 시스템을 통하여 FEP시스템으로 교류전력을 공급한다. 보호개폐기는 회로차단기들과 연관 제어들로 구성되어 있고 X 심벌로 도 1에 표시된다. 전력 변환기들(PC)은 프로펠러를 조정하는 전력 추진 모터(PM)에 중간 전압 교류 버스바 시스템을 연결하는데 사용되어 진다. 필터들(F)은 또한 중간전압 교류 버스바 시스템에 연결되어 진다. 중간전압 교류 버스바 시스템은 제1중간 전압 교류 버스바와 제2중간 전압 교류 버스바로 나누어져 있고 보호개폐기에 의하여 서로 연결되어 있다. 제1저전압(LV) 교류 버스바는 제1변압기에 의하여 제1중간 전압 교류 버스바에 연결되어 있다. 제2저전압 교류 버스바는 제2변압기에 의하여 제2중간 전압 교류 버스바에 연결되어 있다. 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들은 보호개폐기에 의하여 서로 연결되어 있다. 일련의 명시되지 않은 크고 작은 부하들은 각각, 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들에 연결되어 질 수 있다. 작은 부하들은 제1 및 제2 마이너 저전압 교류 버스바들을 통하여 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들에 연결되어 짐을 도 1로부터 확실히 알 수 있을 것이다. FEP시스템의 여섯 개의 크가-시간 식별 레벨은 도 1의 오른손 방향을 따라서 보여진다. 보호개폐기는 각 식별 레벨마다 X 심벌에 의해 나타내어 진다. 예를 들어, 식별 레벨 6 보호개폐기는 중간 전압 교류 버스바와 각 발전기(G) 사이에 위치한다. 식별 레벨 5 보호개폐기는 중간 전압 교류 버스바와 각 필터들(F) 사이 및 중간 전압 교류 버스바와 각 전력변환기(PC)들 사이에 위치한다. 보호개폐기는 중간 전압 교류 버스바와 각각 제1 및 제2 중간 전압 교류 버스바들을 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들에 연결하는데 사용되어 지는 각 변압기들 사이에 위치한다. 식별 레벨 4 보호개폐기는 각 변압기들과 각각의 저전압 교류 버스바들 사이에 위치한다. 식별 레벨 3 보호개폐기는 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들과 각 큰 부하들 사이에 위치하고 각 공급들과 작은 저전압 교류 버스바들 사이에 위치한다. 식별 레벨 2 보호개폐기는 제1 및 제2 저전압 교류 버스바들과 작은 저전압 교류 버스바들의 연관된 부분들과의 사이에 위치한다. 식별 레벨 1 보호개폐기는 작은 저전압 교류 버스바들과 각 작은 부하들 사이에 위치한다. FEP시스템의 임의의 특정 식별 레벨에서 단락 회로(short circuit)는 그 레벨에서의 연관된 보호개폐기를 트립(trip)해야 하나 어떤 다른 보호개폐기를 트립하게 해서는 안 된다. 보호 고장 전류 레벨들은 전체적으로 공급 임피던스에 의해 결정되고 보호개폐기는 최대 고장 전류가 지나간 훨씬 후에 고장 전류(즉, 고장 동안 FEP시스템에 흐르는 전류)만을 차단할 수 있다. 그러므로 고장 전류는 일반적으로 라인 전류 반전(line current reversals)에, 또는 그 이후에 잠깐 차단될 뿐이다. 도 1에서 보이는 통상적인 FEP시스템은 다음의 기술적 결점이 있다. 고장 전류의 크기는 공통 결합의 특정 포인트에 온라인상인 발전기(G)들의 수와 타입에 의하여 영향을 받는다; 더 작은 결합한 발전기 임피던스, 더 큰 고장 전류. 예상된 고장 전류에서 다양한 변동이 일어나고 보호 장비 설정이 고장 식별을 보장하기 위하여 지속적으로 조정되어야 할 것이다. 고장 전류의 크기는 분배 전압(즉, FEP시스템에서 다양한 교류 버스바들에 의하여 운반된 전압)이 감소하면서 증가하게 된다. 전체 설비 전력율이 증가함으로써 및/또는 분배 전압이 감소함으로써 결과적인 고장 전류가 이용할 수 있는 보호개폐기의 용량을 초과할 것이다. 중간 전압 전력 분배 시스템은 보호개폐기 제한을 극복하기 위해 사용되는 충분히 높은 분배 전압을 주기 위하여 부하 체강 변압기와 특수한 절연 시스템들의 사용에 의지해야만 할 것이다. 발전기(G)들의 특성들은 시간 종속과 부하 분담을 돕기 위한 교류와 직류 성분들의 최대치에 의하여 크게 변화할 것이다. (자동전압조정장치 (Automatic Voltage Regulator, AVRs)은 부하분담에 도움이 되게 디자인되어 진다.) 더욱이 이 특성들은 발전기에 결합되는 원동기들(예를 들어, 디젤엔진(D) 또는 터빈(T))의 타입에 크게 영향받고 그것들의 결합, 지배, 조정 응답은 중요한 불평등을 겪을 것이다. 한 그룹의 발전기(G)들이 공통결합의 한 지점에 연결되었을 때에 불평등들은 종종 문제를 발생하고, 특히 필터들과 변압기들과 같은 수동 회로들의 스위칭 과정과 부하 과도상태 동안에 그러하다. FEP시스템은 흔히 "아일랜드(islands)"로 일컬어지는 공통결합의 다중 포인트들로 나누어진다. 모든 아일랜드들은 개개의 아일랜드 배열을 위해 병렬로 함께 연결될 수도 있고 (즉, 개개의 엔진 작동을 위하여) 또는 장비고장에 따른 용량의 여분과 여유로운 고장을 제공하기 위하여 떨어져 있을 수도 있다. 개개의 아일랜드들 사이의 동기화와 부하 전송은 복잡하고, 특히 그것들이 다른 고조파 장애 정도를 가질 때 그리고 위에서 언급된 불평등들이 존재할 때에 복잡하다. 추진력은 통상적으로 추진 분배 시스템(Propulsion Distribution System, PDS)의 아일랜드들로부터 야기되고 다른 부하들은 선박 서비스 분배 시스템(Ship Service Distribution System, SSDS)의 아일랜드들에 의해 공급되며 그것의 전력은 PDS로부터 파생된다. 보호 식별과 전원 품질은 보통 가장 큰 발전기(G) 하부로부터 가장 작은 전기 부하로 연장된 공통 계층에 의하여 연관된다. 장비들은 PDS의 상대 로버스트(robust) 전력과 추진 장비의 잠재적인 유해 효과들로부터 상대적으로 민감한 SSDS를 분리하기 위하여 제공되어 져야 한다. 중요한 전기 부하들은 그들 스스로 전용 전력 변환을 가진 국부 무결성 전원들과 PDS로부터 요구되는 디커플링 정도에 이르기 위한 에너지 저장장치를 필요로 할 것이다. 공급되는 이러한 국부 전력을 보통 지역 전력 공급 장비들(Zonal Power Supply Units, ZPUS)이라 하고 그들의 에너지 저장장치를 지역 에너지 저장장치(Zonal Energy Stores, ZES)라고 한다. 상기 FEP시스템은 교류 시스템이고 다수의 변수들이 그것의 디자인에 영향을 줄 수 있다. 이것들은 특히 전압, 주파수, 위상각, 역률, 사이클 스위칭 사고점, 위상 불평등, 정수 그리고 비정수 고조파 왜곡을 포함한다. 왜냐하면 이것은 복잡한 교류 시스템이고 그러한 전력 분배 시스템에 영향을 주는 표유 그리고 고의적인 임피던스들 사이의 피할 수 없는 공진 모드들을 줄이는 것이 매우 어렵다는 것은 잘 알려져 있기 때문이다. 일단 교류 분배 주파수(즉, FEP시스템의 다양한 교류 버스바들에 의하여 옮겨지는 교류 전류의 주파수)가 선택되면 이것은 발전기 토폴로지에 크게 영향을 줄 것이고 마침내 원동기의 축스피드에 제한을 둘 것이다. 많은 경우에 이것은 발전기와 원동기의 크기와 작동에 역으로 영향을 준다. 대다수 통상적인 FEP시스템들은 중간 전압에서 교류 전류를 분배하는 동안(MVAC) 저전압에서 직류 전류를 분배하는 것으로 알려졌다(LVDC). 비록 이러한 LVDC시스템들이 전류가 제한된 파워 일렉트로닉스(electronics)를 통해 MADC 전류 공급체로부터 그들의 직류전류를 얻을지라도, 그것들은 중요한 고장 전류를 차단하기 위하여 직류 회로차단기(DCCB)에 의존한다. 예를 들어, SSDS는 통상적인 MVAC 분배 시스템으로부터 LVDC 분배 전압을 얻기 위하여 위상조정 변압기와 정류기를 사용할 것이다. 병렬 여분 급전선들은 고장 정격 전류 DCCB를 포함하는 배전반들을 통하여 LVDC 분배 전압을 분배한다. 각 ZPSU는 조정 파워 일렉트로닉스와 반 역류 다이오드들의 조정을 통하여 이러한 배전반들의 여분으로부터 공급된다. 또 다른 SSDS는 통상적인 MVAC 전력 분배 시스템으로부터 LVDC 분배 전압을 얻기 위하여 절연변압기와 연속적으로 펄스 폭 변조(pulse width modulated, PWM) 전압원 변환기들(보통 MV/AV 링크 변환기로 일컬어 진다.)을 사용할 것이다. LVDC는 고장 정격 전류 DCCB를 통하여 ZPSU 및 다른 전기 부하들로 여분을 공급하기 위하여 링 메인(ring main)을 사용하여 분배된다. 통상적인 교류 전류 분배 시스템과는 달리, 직류 전류 분배 시스템은 정규 전류 라인 반전을 경험하지 않을 것이다. 그러므로 DCCB는 전기기계적으로 접점을 개방함으로써 고장 전류를 차단해야 하고 그 때문에 접점 사이에서 아크 전압이 발생된다. 아크 전압은 고장 전류를 흐르게 하고 고장 전류의 임의의 감소를 저지하는 전압을 유도적으로 발생하는 전원 장치(power supply) 전압원의 합인 시스템전압과 반대된다. 이것은 아크 전압이 고장 전류를 감소시키기는 것을 허용하고 마침내 완전히 고장 전류를 차단한다. 고장 전류가 최종 차단에 접근함에 따라 아크 전압은 SSDS에 연결되어 있는 스트레스 성분들로 알려진 과도증가를 경험할 것이고 전자방해 (Electromagnetic interference, EMI)를 발생한다. 이 스트레스 성분은 DCCB 과도 아크 전압의 합과 전원 장치 전압원에서 흐르는 고장 전류의 차단으로부터 야기되는 SSDS분배 전압의 회복에 의하여 악화된다. 그것은 과도 아크 전압과 EMI를 줄이기 위하여 그러한 전력 분배 시스템들에 서지 피뢰기(surge arrester)와 스너버 (snubber)를 적용한다고 알려진다. 그것은 또한 직렬로 연결된 전력 전자 스위칭 장비들의 결합과 전기전자적으로 작동하는 전기 부하들을 사용하여 전력 전자 스위칭 장비가 빠르게 스위치오프되고, 서지 피뢰기와 스너버가 합성 전압 과도을 조정하며 전기 접점이 고장 전류의 차단에 따라 개방되는 하이브리드(hybrid) DCCB를 사용하는 것으로 알려졌다. 선형 조정기 직류 전원 장치들은 단락 부하 조건 동안에 조정기 전력 장비 손실을 제한하기 위하여 폴드백(foldback)이라 불리는 기술을 사용한다. 폴드백 시스템은 일반적으로 출력 전압에 의존하는 관계에 있는 출력 전류 제한 조정기를 포함한다. 만약 부하 임피던스가 특정 임계값 아래로 떨어진다면, 전류 제한 조정기의 초기 동작은 출력 전압을 감소시키고, 적당한 작은 레벨로 출력 전류와 전압을 제한하고 조정기 전력 장비 손실을 제한하는 재생 동작을 따른다.