연료전지를 탑재하는 전기추진선박 MVDC 전력체계의 시뮬레이션 가속 구현 = Implementation of Accelerated Simulation for MVDC Shipboard Power Systems in Fuel Cell based Electric Propulsion Ship

국문 초록 (Abstract)

국제해사기구(IMO)의 온실가스 감축 전략 개정안에 따라, 2050년부터
선박의 온실가스 배출이 금지된다. 선박 온실가스 배출 규제에 대응하여
친환경 선박 관련 연구들이 진행되고 있으며 연료전지와 순수 암모니아
연료 엔진은 친환경 전기추진선박의 발전원으로 주목받고 있다.
대형 전기추진선박의 추진전력은 최대 수십 MW 수준으로 전력전달
시 손실 저감을 위해 10 kV급 DC 배전체계를 기반으로 연구되고 있다.
전기추진선박의 DC 전력체계는 다이오드 정류기, 연료전지 컨버터, 모터
드라이브 등 다수의 전력변환장치가 연계된 마이크로그리드 구조다. DC
전력체계는 단락사고 시 수 μs 이내 고장전류의 최댓값에 도달하게 되어
전력반도체 소자의 열적 파괴를 유발할 수 있다. 따라서, 선박의 DC
전력체계 설계 시 단락사고에 의한 μs 단위의 고장전류 분석이 필요하다.
한편 엔진은 수 ms ~ 수 분 단위의 동특성을, 연료전지는 수 시간
단위의 동특성을 가지므로 DC 전력체계 전력 운용을 위해서 수 시간
단위의 장시간 검토가 필요하다.
본 논문에서는 전기추진선박 MVDC 전력체계의 μs 급 과도상태
분석을 위한 오프라인(Offline) 시뮬레이션 가속 모델과 및 장시간
발전원 운영 검토를 위한 실시간(Real-time) 시뮬레이션 모델을
구현하였다. 오프라인 시뮬레이션 가속 모델은 동기발전기 고정자-
회전자간 상호 인덕턴스 단순화, interleaved LLC 컨버터의 수동소자
등가모델 적용, Modular Multilevel Converter(MMC)의 암 평균 등가모델 등
연산 저감 기법을 적용하여 기존 오프라인 시뮬레이션 모델 대비 50%
이상의 연산시간 단축을 달성하였다. 실시간 시뮬레이션 모델은
오프라인 시뮬레이션 가속 모델을 기반으로 구성된다. 동기발전기,
연료전지 컨버터의 추가적인 단순화와 실시간 시뮬레이터의 병렬 연산을
통해 4 μs 타임스탭(time-step)의 MVDC 전력체계 실시간 모의를
구현하였다.
구현된 시뮬레이션 오프라인 시뮬레이션 가속 모델과 실시간 시뮬레이션을 활용하여 선박의 정전 상태(dead-ship)에서 전력체계의
기동(start-up), DC 단락사고 시 고장전류 분석, 부하 변화에 따른 발전원
운전모드 검토 등을 수행하였다. 또한 선박 긴급정지(crash-stop) 시
회생에너지 소비를 위한 제동저항(Dynamic Braking Resistor) 용량 선정,
선박 추진전동기 부하 토크 모델링 방법에 대해 정리하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The International Maritime Organization (IMO) has adopted a revised greenhouse
gas (GHG) reduction strategy that mandates the elimination of GHG emissions from
ships by 2050. In response, extensive research on environmentally benign ship
propulsion technologies has emerged, with fuel cells and pure-ammonia fuel engines
being regarded as promising power sources for future electric propulsion vessels.
Large electric propulsion ships demand propulsion power on the order of several tens
of megawatts, and 10-kV-class DC distribution architectures have been investigated
to reduce power-transfer losses. The MVDC power system forms a microgrid
comprising multiple power electronic converters, including diode rectifiers, fuel-cell
converters, and motor drives. Under DC short-circuit faults, the fault current can
reach its peak value within several microseconds, posing a significant risk of thermal
failure to power semiconductor devices. Consequently, microsecond-scale transient
fault current analysis is essential in the design of shipboard DC power systems.
Moreover, due to the disparate dynamic time constants of engines (milliseconds to
minutes) and fuel cells (minutes to hours), long-duration simulations extending over
several hours are required to evaluate power-management strategies.
This thesis develops an accelerated offline simulation model for microsecond-
scale transient analysis of MVDC shipboard power systems and a real-time
simulation model for long-duration operational assessment of onboard generation
units. The offline acceleration model incorporates multiple computational-efficiency
techniques—namely, the simplification of stator–rotor mutual inductance in
synchronous generators, equivalent passive-component modeling of interleaved
LLC converters, and an arm-averaged equivalent representation of modular
multilevel converters (MMCs)—resulting in a computation-time reduction
exceeding 50% relative to the conventional offline model. The real-time simulation
model is constructed on the basis of the accelerated offline framework, with
additional simplification of synchronous generator and fuel-cell converter models
and the utilization of parallelized computation within the real-time simulator, thereby
enabling MVDC system emulation with a 4-µs time step.
The proposed offline and real-time simulation models are employed to analyze critical MVDC system behaviors, including dead-ship start-up sequences, fault-
current characteristics during DC short circuits, and generator operating-mode
transitions under varying load conditions. Furthermore, this thesis presents a sizing
methodology for dynamic braking resistors (DBRs) to dissipate regenerative energy
during crash-stop events and proposes a modeling framework for propulsion-motor
load torque applicable to electric propulsion vessels.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 １
• 1.1 연구의 배경 １
• 1.2 연구의 목적 ５
• 1.3 논문의 구성 ６
• 제 2장 DC 배전체계가 적용된 전기추진선박 ７
• 2.1 기계식 추진선박과 전기추진선박 ７
• 2.2 MVDC 전력체계를 적용하는 전기추진선박 １０
• 2.3 선박 MVDC 전력체계 관련 규정 １４
• 2.4 선박 전력체계의 검증 １５
• 2.4.1 오프라인 시뮬레이션과 실시간 시뮬레이션 １５
• 2.4.2 Hardware-in-the-Loop Simulation(HILS) １７
• 2.4.2.1 Controller HILS １７
• 2.4.2.2 Power HILS １８
• 2.4.3 Land Based Test Site (LBTS) ２０
• 제 3장 전기추진선박의 MVDC 전력체계 ２１
• 3.1 MVDC 선박 전력체계의 구성 ２１
• 3.2 전기추진선박 전력체계의 모델링 ２３
• 3.2.1 내연기관 발전기와 다이오드 정류기 ２３
• 3.2.2 연료전지와 연료전지 컨버터 ２９
• 3.2.3 선내 부하 (Hotel load) ３１
• 3.2.4 추진 부하 (Propulsion load) ３２
• 3.2.5 제동저항(Dynamic Breaking Resistor, DBR) ３６
• 제 4장 선박 MVDC 전력체계 오프라인 시뮬레이션 ３９
• 4.1 시뮬레이션 프로그램의 연산 알고리즘[40], [41] ３９
• 4.2 오프라인 시뮬레이션 모델의 연산 저감 ４０
• 4.2.1 동기발전기 고정자 인덕턴스 단순화 ４０
• 4.2.2 연료전지 컨버터의 수동소자 등가모델 ４２
• 4.2.3 MMC 암 평균 등가 모델 [38] ４５
• 4.3 오프라인 시뮬레이션 가속 모델의 구성 ４７
• 4.4 가속 모델과 기존 오프라인 시뮬레이션 모델 비교 ４９
• 4.4.1 동기발전기 ４９
• 4.4.2 연료전지 컨버터 ５２
• 4.4.3 MMC 드라이브 ５４
• 4.4.4 오프라인 시뮬레이션 소요시간 ５６
• 제 5장 선박 MVDC 전력체계 실시간 시뮬레이션 ５７
• 5.1 실시간 디지털 시뮬레이터 ５７
• 5.2 실시간 시뮬레이션 구현 ５９
• 5.2.1 시뮬레이션 모델 병렬 연산 ６０
• 5.2.2 시뮬레이션 모델 단순화 ６３
• 5.2.2.1 동기발전기 ６３
• 5.2.2.2 연료전지 컨버터 ６５
• 5.3 오프라인 시뮬레이션과 실시간 시뮬레이션 비교 ６６
• 제 6장 결론 ７５
• 6.1 연구 결과 ７６
• 6.2 향후 과제 ７７
• 참고 문헌 ７８
• Abstract ８１