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E-저널 2016년 ISSN 2465-809X(Online)

제11호(05월) | 효율적인 함정 전기추진체계 설계

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Written by 김소연 작성일16-06-07 15:49 조회7,671회 댓글0건

본문

효율적인 함정 전기추진체계 설계

 

김소연(서울대학교, 조선공학박사)

 

Ⅰ. 서  론


    최근 세계 조선업 불황 속에 한국 조선업계도 고전을 면치 못하고 있으나, 대한민국의 조선 능력은 2000년대 이후 명실상부 전 세계 시장에서 절대 우위에 서 있었다. 그 옛날 국가 존폐의 위기에서 우리의 바다를 지켰던 거북선의 전통을 이어 받아 대한민국의 조선업은 다가올 시대에도 혁신적인 변화를 통해 우수한 선박 건조기술을 보유하여 세계 시장을 선도해 갈 것이라 기대해 본다.
    최근 해군 함정의 무기체계가 전자화되고 함정의 전력 수요가 급증함에 따라 전기추진시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 전력반도체(power semiconductor)가 본격적으로 발달하기 시작한 1980년대부터 LNG선이나 크루즈선 등은 전기추진시스템을 폭넓게 도입하여 변화하는 국제해사기구(IMO)의 환경 규제에 적극적으로 대처하고 있으며, 이 외에도 쇄빙선이나 해양 연구조사선 등 다양한 상용선박에서 전기추진시스템을 도입하여 다음과 같은 이점을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. (한국해양연구원, 2011)

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Queen Mary 2 Cruise Ship

     - 취역연도 : 2004

     - 전장 : 345m

     - 중량(GT) : 151,400tons

     - 속도 : 최대 30knots

     - 추진체계

       · Electric Propulsion POD 4

         (21.5MW, 2fixed and 2azimuthing)

      · Dynamic Positioning System 

        

                            <그림 - 1> 전기추진 상용선박


· 발전기 운용 효율 향상 : 선박 운항 조건에 따른 발전기 운전 부하율 최적화 및 선내 전력을 효율적으로 활용 가능, 가용(available) 전력 증대 효과
· 운용비용의 절감 : 기존 추진체계 대비 연료비가 절감되며, 선박 운항을 위한 인력 수요 경감 가능
· 유지보수 비용의 절감 : 단순한 시스템 구성 및 원격 정비 등으로 유지보수 소요 비용 절감 가능
· 설치 기간 및 비용 절감 : 기존 추진체계 대비 경량, 소형이며, 상대적으로 축계의 배치가 짧아 선박 건조기간 단축 및 비용 절감 가능
· 소음 및 진동 저감 : 기존 추진체계 대비 소음, 진동이 대폭 감소하여 승선감 향상
· 제어의 용이성 : 우수한 조종 성능으로 극한 환경에서도 생존성 향상 및 효율적인 운항 가능
· 기관구역 설계 최적화 : 전기적 배선으로 기존 추진체계 대비 기관구역 체적 감소 및 비교적 자유로운 배치 가능, 공간 활용성 증대 효과

    이러한 에너지 효율 향상을 위한 선박 기술은 비단 상용선박 뿐만 아니라 군함에서도 적극적으로 연구개발해야 하는 설계 요건이라 할 수 있다. 선진국의 해군이 그러하듯이 군에서 전략적으로 최첨단 기술을 채택하는 것이 자국 기업의 기술력 향상은 물론 국방 자립화를 촉진하는 원동력이 되기 때문이다. 최근 우리 해군 수상함에서도 전기추진시스템 도입이 적극적으로 검토되고 있는데, 본 기고문에서는 에너지 효율 측면에서 반드시 고려해야하는 몇 가지 설계 요건을 제시하고자 한다. 국내에서 전기추진 선박을 건조한 사례는 많으나 관련 주요 시스템은 설계부터 제작, 설치에 이르기까지 외국 기술에 전적으로 의존하고 있는 실정이다. 대한민국 해군에서 발주하는 전기추진시스템마저 우리의 능력으로 최선의 기술을 채택하지 못한다면, 전기추진 분야의 국내 기술 도약은 매우 먼 이야기가 될 수 있다. 이에 본고에서는 전기추진시스템의 구성과 기본적인 설계 요건, 기술동향에 대해 살펴보고 에너지 효율 측면에서 시스템의 장점을 증대하는 방안에 대해 제안하고자 한다. 

 

Ⅱ. 본  론


  1. 함정 전기추진시스템의 구성과 설계 기본 요건

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<그림 - 2> 함정 통합전력시스템(Integrated Power System, IPS)

 

     함정 전기추진시스템은 추진전동기와 관련 전력변환장치를 통해 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템으로 축 연결된 프로펠러 추진기의 부하(loading) 조건에 따라 적절한 회전수와 토크를 추진기에 전달한다. 일반적으로 전기 에너지의 공급은 함내 일반 전기부하에 공급되는 전원과 공유되도록 동일한 발전기를 사용하기 때문에 전기추진시스템을 탑재한 함정의 전체 전력계통을 통합전력시스템(Integrated Power System, IPS)이라 일컫는다. <그림 - 2>는 함정 IPS의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 것으로, 발전 설비, 배전 설비, 전기추진 설비, 추진을 제외한 작전 및 호텔부하를 위한 구역 배전 설비, 그리고 함 전력계통의 안정적인 운용과 제어를 위한 제반 기능을 수행하는 전력관리(power management) 설비 등으로 구성된다. 전기추진시스템의 설계는 함정의 모든 운항 조건에서 안정적이고 효율적인 시스템 운용이 되도록 단위 구성품의 용량 산정부터 구조, 각 모듈 간의 연동이나 운용 방법에 이르기까지 세심한 분석을 필요로 한다. 시스템 설계 단계에서 다각도의 분석을 통해 최적의 시스템을 채택하지 못하다면 전기추진시스템의 장점을 극대화하지 못하고 오히려 그 효용 가치를 상실 할 수 있다. 어떤 속력에서 경제적인 항해가 보장되어야 하는지, 어떤 운항 모드에서 높은 신뢰성이 요구되는지, 복합식(hybrid) 추진 방식인 경우 전기추진 시스템과 기계식 추진시스템의 전환이 효율적 운용을 보장하는지 등 설계 중점을 명확하게 정립하고 그에 맞도록 설계가 진행되어야 한다. 다음은 함정 IPS의 주요 구성 요소별 기본적인 설계 요건과 고려사항에 대해 제시하였다. (한국선급, 2014)


가. 발전(electric power generation)
IPS의 전원 공급은 일반적으로 디젤 발전기 또는 가스터빈 발전기들의 병렬운전 방식으로 구성된다. 함내 설치해야 하는 총 발전 용량은 전력부하 분석(electric load analysis)을 통해 산출할 수 있는데, 이 때 발전기 개별 용량의 산정이 시스템의 효율 향상을 위해 매우 중요하다. 동형의 발전기를 선정하는 것 보다는 대형, 소형으로 이원화하여 설치하는 것이 연비 향상을 위해서는 좀 더 유리하다. 총 발전 용량 산정 시 필수 요건은 가장 큰 발전기 한 대가 갑작스런 사고로 운전 불가가 되어도 나머지 발전기로 일반 전기부하에 전력을 그대로 공급하면서, 전기추진 최대속력의 1/2 이상 속력이 유지될 수 있도록 확보해야 한다. 이 조건을 만족하면서, 발전기 개별 용량은 수명 향상과 연료 절감을 위해 저부하(일반적으로 40~50% 이하) 운전이 최소화 되도록 설계해야 한다. 시스템 설계자는 최대속력에서 가능한 안정적인 발전기 부하율을 얻는데 중점을 두고 있어 실제적 함 운용 조건을 검토하지 못할 수 있다. 따라서 시스템 운용자가 제반 속력 범위나 특정 운항 모드에서 발전기 운용이 적정하게 이루어지는지 꼼꼼하게 살펴볼 필요가 있다.


나. 배전(electric power distribution)
IPS의 배전 시스템 설계는 적절한 주 전압(main voltage)의 선정과 군용규칙(MIL-Std : Military Standard)를 만족하는 전력 품질(전압 및 주파수 변동, 고조파 왜율 등)의 확보가 매우 중요하다. 함정 소요전력이 증가할수록 기존의 교류 450V 에서 벗어나 고전압 교류 배전을 적용하거나 직류 배전 방식까지 다각도로 검토할 필요가 있다. 특히 직류 배전 방식은 기존의 상용 배전기기를 쓸 수 없다는 단점은 있지만, <그림-3>에서 보는 바와 같이 전력반도체 기반의 전력변환장치를 이용하여 구성되므로 훨씬 빠른 차단 및 보호, 모선전환(bus transfer) 등이 가능하여 배전 계통의 성능을 한 차원 업그레이드하는 계기가 될 것이다. 예를 들어 고전압 모선에서 구역별 부하에 적합한 저 전압으로 강압하기 위해서는 고주파 변압기를 이용한 DC/DC 장치를 사용하는데, 이러한 고주파 변압기는 60Hz 주파수를 사용하는 일반 변압기와 달리 크기가 작고 소음이 적어 기존 배전 방식보다 훨씬 개선된 함내 환경을 제공할 수 있다. 이 외에도 교류 시스템 대비 출력밀도(power density)와 시스템 효율 증대를 기대할 수 있어 선진국의 해군에서도 직류 배전체계를 수상함에 도입하기 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다. (Sudhoff, 2011) 또한 국제 기술표준으로도 이미 IEEE Std-1709(2010) : Recommended Practice for 1kV to 35kV Medium Voltage DC Power System on Ships가 공표되어 선박에서의 직류 배전이 점차 상용화되고 있음을 짐작할 수 있다.
다음으로 계통의 모든 개소에서 전원은 MIL-Std 1399(300B, 고전압인 경우 680)를 만족해야 하는데, 이러한 전력 품질의 검증은 시운전(sea trial)에서 모든 상황을 평가하는 것이 현실적으로 불가능하므로 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최악의 운전 상황(worst case)에서도 계통의 정상상태 조류(power flow)나 사고전류의 크기, 과도 안정도(transient stability), 고조파 등에서 문제가 없는지 시스템을 분석해야 한다. 최악의 상황을 모의하기 위해 가장 취약한 계통 상황을 식별하는 것은 실제 시스템을 운용하는 운용자의 몫이기도 하다. 예를 들어 최근에는 연비 개선을 위해 발전기 단독운전(Single Generator Operation)을 허용하기도 하는데, 이러한 운용 가능한 조건에서 극심한 부하 변동이나 사고를 상정하여 그 결과를 예측하고 대처방안을 모색하는 것이 설계 과정에서 매우 중요하다.

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<그림 - 3> Medium Voltage DC 배전체계 구성(IEEE-1709, 2010)


다. 전기추진(electric propulsion)
연약계통(weak-grid)을 가지는 독립형(stand-alone) 전력시스템인 함정 IPS에서전기추진 설비는 함 전력부하의 상당 용량을 차지하므로 설계의 핵심이라고 할 수 있다. 기본적으로 추진전동기, 그리고 이 전동기에 인가되는 전압과 주파수를 가변시키는 전력변환장치(Inverter)로 구성된다. 최근에는 펄스폭변조(PWM)를 이용한 전압형 인버터 구조가 전기추진 함정에 주로 적용되고 있는데, 비교적 정확한 전압 또는 전류 합성이 가능하여 교류 입력단의 고조파 왜율을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 전압형 인버터는 모선의 교류 전원을 직류로 변환한 후 이를 직류단의 커패시터에 저장하여 다시 가변 전압/주파수의 교류 전원으로 변환하는 장치로서, 모선의 교류 전원이 다이오드 정류기를 통하여 직류 전원으로 변환되는 방식에 따라 DFE(Diode Front End) 방식과 모선의 교류 전원을 능동적으로 제어하여 직류 전원으로 변환하는 AFE(Active Front End) 방식으로 나뉜다. DFE 방식이 구조가 간단하고 제어가 필요 없다는 장점 때문에 흔히 적용되어 왔으나 다이오드 정류기를 사용함으로써 입력 전류의 총고조파왜율(Total Harmonic Distortion)이 커져 계통상에 치명적인 고조파 장애를 일으킬 수 있으므로 반드시 MIL-Std에 따라 THD를 일정 수준 이하로 제한하여야 한다. DFE 방식은 이러한 고조파 문제를 해결하기 위해 위상 치환(phase shift) 변압기를 필수적으로 추가 설치해야 하는데, 고조파 저감용 변압기는 구조가 복잡하고 전체 시스템의 부피와 비용을 증대시키는 결과를 초래한다.
반면 AFE 방식은 교류 입력단의 역률과 직류단 전압을 자유롭게 제어할 수 있으며, 입력 상전류가 정현파에 가깝게 나타나므로 별도의 고조파 저감용 변압기 없이도 고조파 규제치를 쉽게 만족시킬 수 있다. 특히 DFE 방식과 달리 양방향(bi-direction) 전력전달이 가능하므로 추진단을 통해 회생되는 에너지를 역으로 모선에 전달할 수도 있으며, 슈퍼 커패시터(super capacitor)나 배터리, 플라이휠(flywheel)과 같은 에너지 저장 장치로의 전달도 가능하다. AFE 방식의 단점은 정밀한 전류제어를 위해 높은 스위칭 주파수를 쓰는 경우 스위칭 손실의 증가로 인한 전력변환장치의 효율 저하와 고주파 발생이 예상되어 별도의 필터를 추가적으로 설치하여야 하는데, 일반적으로 고주파 필터는 고조파 필터에 비해 크기가 상당히 작게 설계될 수 있다. 다음 절에서는 AFE 전력변환 방식을 이용하여 함정에서 에너지 효율을 증대시키는 방안에 대해 제안하고자 한다.

 

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<그림 - 4> 전력변환시스템 정류 방식 : 12-pulse DFE(위), AFE(아래) 


  2. 에너지 효율을 높이는 전기추진시스템
   위에서 언급한 바와 같이, 양방향 전력전달이 가능한 AFE 방식의 전기추진시스템을 도입하여 얻을 수 있는 두 가지의 에너지 효율 향상 방법에 대해 소개하겠다. 첫 번째는 회생 에너지를 이용하는 것이다. 전기추진 함정의 장점 중에 하나는 추진전동기의 우수한 동특성으로 기계적 추진체계 대비 정밀한 함 속력 제어가 가능하고 선회반경이 작으며 빠른 감속 및 가속이 가능하다는 것이다. 특히 빠른 감속이 가능한 이유는 프로펠러(Fixed Pitch Propeller)에 연결된 추진전동기에 역토크(reverse torque)를 인가하여 프로펠러의 회전을 빠르게 감소시키고 역방향으로 추진함으로써 함정을 단시간 내에 단축된 정지거리로 정지시킬 수 있기 때문이다. <그림 - 5>는 전기추진 선박이 전속(full ahead)에서 정지(crash astern)할 때 프로펠러 속도와 출력 변화를 실측한 예이다. 이러한 일련의 정지 동작 과정 중 일부 구간에서 프로펠러는 정방향으로 회전하는데 역토크가 걸리게 되면 추진전동기를 통하여 운동에너지로부터 전기에너지가 발생되어 함 계통 방향으로 회생 전력(regenerative power)이 유입된다. DFE 방식의 경우 역방향으로 에너지가 전달되지 못하므로 제동저항(Dynamic Braking Resistor)을 설치하여 이 에너지를 모두 열로 태워야 하지만, AFE 방식은 회생 전력을 함내 계통 방향으로 전달할 수 있어 전기 에너지를 필요로 하는 다른 부하에서 즉각적으로 소모될 수 있다. 이는 발전기가 공급해야 하는 전력을 경감해주는 것이므로 연료 절감 효과를 기대할 수 있다. 회생되는 전기 에너지가 함내 전기부하에서 필요로 하는 에너지보다 많을 경우를 대비하여 DFE 방식보다 훨씬 작은 용량의 DBR을 설치하는 것이 가능하다.

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<그림 - 5> 전기추진 함정의 정지(crash astern) 시 발생하는 회생전력

 

   두 번째는 복합식 추진체계에 해당하는 효율 증대방안으로서, 하이브리드 시스템은 저속 모드에서는 전기추진을 하고 고속 모드에서는 기계식으로 추진하는 방식이다. 양방향 전력전달이 가능한 AFE 방식의 전기추진시스템을 적용하면 저속 전기추진 모드에서는 AFE 장점을 그대로 이용하면서, 고속 기계식 추진 모드에서는 추진전동기를 발전기로 동작시켜 추진엔진으로부터 전기를 생산하여 함 내 부하에 공급할 수 있다. 이는 최소 1대의 발전기만 stand-by 상태를 유지한 채 발전기 가동을 최소화할 수 있고, 상대적으로 연비가 우수한 추진엔진의 부하율 향상으로 SFC(Specific Fuel Consumption, 연료소모율)도 크게 개선되어 기존 시스템 대비 연료를 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 한 가지 주의할 사항은 엔진 단독운전을 하다가 갑자기 정지하는 경우 발전기 stand-by 대기만으로는 연속적인(seamless) 전원공급을 보장할 수 없다. 즉 에너지 효율을 높이는 운전을 위해서는 중요부하에 대한 비상전원 공급을 할 수 있도록 에너지 저장 장치나 부하 차단(load shedding) 등의 메커니즘을 신중하게 구축하는 것이 무엇보다 중요하다.

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<그림 - 6> 복합식 추진체계 예(FREMM class CODLOG/CODLAG)

 

 

Ⅲ. 결  론


   육상에서는 전력 수급의 불균형이나 자연재해, 사이버테러 등으로 인한 정전(blackout)이 국가 안보와 경제에 얼마나 치명적인 영향을 주는지 우리는 인지하고 있다. 이러한 비상상황에 능동적으로 대처하기 위해 마이크로그리드(microgrid)라는 독립 전력망을 구축하여 에너지 저장장치와 신재생 에너지원, 디젤발전기 등과 같은 분산전원(distributed resources)을 운용함으로써 에너지 신뢰성 및 안보(security)를 확보하고 공급체계의 취약점을 개선하며 에너지 비용 절감 등을 도모하고 있다. 우리 군함도 하나의 독립 영토로서, 수~수십 메가와트(MW)의 발전량을 탑재하는 함정 전력시스템은 장차 해상 마이크로그리드로서 중요한 기능을 수행할 것으로 예상된다. 따라서 전력 공급의 신뢰성과 안보, 부하 운용의 효율성을 확보할 수 있도록 최선의 시스템을 설계할 수 있는 능력 배양이 무엇보다 중요하다고 하겠다. 지금부터 함정 IPS 설계에 대한 혁신적인 기술 도입으로 한 발 앞서가는 대한민국 해군이 되도록 노력해야 할 때이다.

 

< 참고문헌 >

 

한국해양연구원. 전전기 스마트선 개발 기획연구보고서. 2011.
한국선급. 함정규칙. 2014.
IEEE Industry Applications Society. IEEE Std 1709. 2010.
S.D.Sudhoff. "Current of Change". Power and Energy Magazine, IEEE. 2011.

 

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