캐패시터를 활용한 DC 선박 배전 시스템의 퓨즈 보호계전 설계 및 응용에 관한 연구 = Design and Application of Capacitor- Assisted Fuse Protection in DC Shipboard Power Systems

국문 초록 (Abstract)

기존 선박의 DC 배전 시스템에서는 SSCB(Solid-State Circuit Breaker)를 이용한 배전반간 보호계전 방식을 주로 사용해왔다. 이 방식은 빠른 차단 응답을 제공하지만, 고가의 전력 반도체 소자, 복잡한 제어 회로, 그리고 대형 냉각장치가 필요하다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 퓨즈와 추가 캐패시터를 조합한 보호계전 방식을 새롭게 제안하였다. 제안하는 방식은 사고 시 캐패시터의 방전 에너지를 이용하여 퓨즈의 용단을 유도함으로써, SSCB 의 능동 차단 기능을 단순한 수동 회로로 대체하는 개념이다. 추가 캐패시터의 용량은 퓨즈의 용단이 수 ms 이내에 이루어지도록 하고, 동시에 DC 링크 전압이 초기 전압의 80% 이하로 떨어지지 않도록 하는 조건을 만족하도록 설계하였다. 이때 캐패시터의 용량은 퓨즈의 I2t 값과 모선 인덕턴스를 기반으로 계산되며, 운전 조건에 따른 여유계수를 적용하여 안정성을 확보하였다. 본 연구에서는 PLECS 기반의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 민감도 및 선택성 특성을 검증하였다. 우선 최소 단락 전류 조건에서 퓨즈의 용단이 확실히 이루어지는지를 검토하였으며, 모든 분기에서 퓨즈가 안정적으로 동작함을 확인하였다. 또한 배전반 간 부스바 단락, 인버터 단락 등의 사고 상황에서 제안한 방식과 SSCB 기반 방식의 보호 특성을 비교한 결과, 제안한 방식은 SSCB 에 비해 약간의 차단 지연이 있으나, 사고 분기만 선택적으로 차단되고 건전 분기의 전압 강하가 제한되어 시스템 안정성이 유지됨을 확인하였다. 결과적으로, 제안한 퓨즈–캐패시터 기반 보호계전 방식은 기존 SSCB 방식에 비해 단순한 회로 구성, 낮은 비용, 우수한 공간 효율성을 확보하면서도 동등한 보호 성능을 달성하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 방식은 선박용 DC 배전 시스템에서 경제적이면서 신뢰성 있는 보호계전의 대안으로 활용될 수 있음을 입증하였다. 주요어: DC 계통, 전기 추진 선박, DC 보호계전, 퓨즈

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 5
• 1.3 논문 구성 7
• II. 기존 DC 선박 배전 시스템 및 보호 특성 8
• 2.1 선박용 DC 배전 시스템 개요 8
• 2.1.1 대표 계통도 8
• 2.1.2 시스템 주요 구성 요소 및 역할 13
• 2.1.2.1 발전부 13
• 2.1.2.2 선박 부하 16
• 2.1.2.3 보호계전 시스템 17
• 2.1.2.4 에너지 저장 장치 19
• 2.2 단계별 보호계전 체계 20
• 2.2.1 1 단계 보호계전: SSCB 21
• 2.2.2 2 단계 보호계전: 퓨즈 24
• 2.2.2.1 2 단계 보호계전의 차단 원리 26
• 2.2.2.2 최소 단락 전류 28
• 2.2.2.3 최대 단락 전류 31
• 2.2.2.4 민감도 검사 32
• 2.2.2.5 선택성 검사 33
• 2.2.3 3 단계 보호계전: 발전기 여자 소거 35
• III. 제안하는 방안: 퓨즈-캐패시터 기반 1 단계 보호계전 36
• 3.1 제안하는 방안의 개념 및 필요성 37
• 3.2 제안하는 방안의 보호 원리 및 기대효과 39
• 3.3 제안하는 방안의 적용 방법 44
• IV. 시뮬레이션 결과 및 검증 51
• 4.1 적용 대상 계통도 및 모델 구성 51
• 4.2 시뮬레이션 모델링 방법 54
• 4.2.1 발전기 및 정류기 54
• 4.2.2 퓨즈 56
• 4.2.3 인버터 58
• 4.2.4 부하부 59
• 4.2.5 버스바 60
• 4.3 민감도∙선택성 시뮬레이션 결과 분석 61
• 4.3.1 민감도 시뮬레이션 결과 분석 61
• 4.3.2 선택성 시뮬레이션 결과 분석 68
• 4.4 제안 방안 적용 결과 분석 73
• 4.4.1 비교 모델 분석 73
• 4.4.2 추가 캐패시터 용량 산정 77
• 4.4.3 인버터 단락 시 시뮬레이션 결과 82
• 4.4.3.1 최소운용 조건에서의 인버터 단락 82
• 4.4.3.2 최소∙전부하 혼용 조건에서의 인버터 단락 88
• 4.4.4 버스바 단락 시 시뮬레이션 결과 97
• V. 결론 105
• ABSTRACT 112