최근 전 세계적으로 지구 온난화 방지를 위해 각 국가들은 연도별 온실가스 감축 목표를 설정하고 있다. 조선 해양산업에서도 4차 산업혁명과 환경 규제에 대한 규정이 강화됨에 따라 이를 만족하기 위한 대안으로 기계추진선박을 전기추진선박으로 대체 및 선박의 에너지 효율 향상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1]-[3]. 에너지 효율 향상을 위해 고성능의 추진기 및 전력변환장치를 대체하는 방법과 선박 내에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 재사용하는 방법이 있다. 항해 중이거나 항구에 정박된 소형 선박들은 파도의 영향으로 횡동요 운동을 하게 된다. 횡동요에 의한 선박의 안정성 확보를 위해서 안정화 시스템이 요구되며 세차운동의 원리를 이용한 자이로 안정기 방식이 적용되고 있다[4][5]. 자이로 안정기는 짐벌의 세차운동을 응용하여 선체 횡동요 방향과 반대의 모멘트를 발생시켜 횡동요를 경감시키는 장치이다[6]. 생성된 모멘트로 인해 각속도와 토크가 발생하게 되고 이를 영구자석형 동기 발전기에 체결하면 발전기는 회전하게 되어 에너지를 발생시킬 수 있으므로 선박 내에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 재사용이 가능하다. 전기 에너지를 이용하여 자이로 안정기의 제어 방식 중 수동형 방식인 플라이휠 구동용 전동기 시스템에 전력을 공급할 수 있다[7]. 발생된 전기 에너지를 선박 내 계통연계나 AC 부하에 공급하기 위해서는 전력변환기가 필요하며 전력변환기를 안정적으로 동작시키기 위한 제어 알고리즘이 요구된다. 그러므로 본 논문에서는 발전기의 과토크 발생을 방지하고 속도 변화에 따른 발전기의 기전력 변동을 고려하여 출력 제어 및 안정적인 전력공급을 위한 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 제어 알고리즘에 대해 제안한다. 제안된 제어 알고리즘은 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 입증한다.

Figure 6은 PSIM을 이용한 시뮬레이션 회로도를 나타낸다. 자이로 안정기의 모델링은 정격속도 1000rpm, 8kW 유도전동기와 기어박스 100:1을 이용하여 토크 제한 벡터 제어를 이용하여 10rpm, 6032Nm를 모사하였다. 1:20 증속기가 발전기에 체결되고 발전기의 출력단은 전력변환기와 결선된다. 부스터 컨버터의 제어블록은 동작범위제어, 지령전류 계산기 및 전류 PI 제어기로 구성되며 단상인버터의 제어블록은 PLL 블록, 전압 PI 제어기와 전류 PI제어기 및 스위칭 블록으로 구성하였다.

Figure 6: 
Simulation circuit of Gyro wave power generation system

Figure 7은 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Figure 7 (a)는 과도 상태에서 발전기의 선간전압, 상전류, 속도, 토크와 부스터 컨버터의 입력 전압과 입력 전류, DC 링크 전압을 나타낸다. 발전기의 속도가 0rpm, 200rpm, 150rpm, 175rpm, 100rpm, 50rpm, 125rpm, 175rpm 순으로 동작함에 따라 선간전압은 기전력 상수에 따라 변동하게 되고 3상 다이오드 정류기에서 정류된 전압 또한 변동하게 된다. 이때 부스터 컨버터는 지령 전류 제어 알고리즘에서 계산된 지령 전류에 따라 동작하여 발전기의 전류를 제어하며 발생 토크와 출력을 조절한다. Figure 7 (b)는 과도 상태에서 단상 인버터의 출력 전압, 출력 전류 및 출력을 나타낸다. 부스터 컨버터에서 제어된 출력은 DC 링크단에 전달되며 단상 인버터는 DC 링크 전압을 420V를 유지하기 위해 계통 연계를 통해 전류 제어로 동작한다.

Figure 7: 
Simulation results (a) Line to line voltage and phase current of generator and input voltage, input current, DC link voltage of boost converter in transient state (b) Output voltage, output current, output power of sing phase inverter in transient state (c) Line to line voltage and phase current of generator in steady state (d) Input voltage, input current, DC link voltage of boost converter and output voltage, output current of sing phase inverter in steady state

Figure 7 (c)는 정상 상태에서 발전기의 속도와 토크는 312.8Nm와 200rpm으로 입력은 6.5kW에서의 선간전압과 상전류를 나타낸다. 발전기의 선간전압의 최대 크기는 334.8V이며 상전류는 3상 다이오드 정류기의 영향으로 구형파 형태로 출력되며 최대값은 20.1A로 발전기의 출력은 약 6.24kW이다. Figure (d)는 정상 상태에서의 부스터 컨버터의 입력전압, 입력전류, DC링크 전압과 단상 인버터의 출력 전압과 출력 전류를 나타낸다. 입력전압은 DC 318V이며 입력전류는 DC 19.5A이다. DC링크전압은 DC 420V를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 출력은 6.23kW로 목표 출력을 만족한다. 여기서 제어기의 손실은 무시하였다. 시뮬레이션 결과룰 통해 제안된 제어 알고리즘의 안정적인 동작을 확인하였다.

Figure 8은 시뮬레이션 결과를 기반으로 제작한 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 실험 모습을 나타낸다. 발전기는 AC 전원 공급 장치를 이용하여 발전기의 속도에 따른 전압 및 주파수 프로파일을 이용하여 모사하였다. 전력 변환기의 전압 및 전류의 파형은 오실로스코프를 이용하여 측정하고 입력 및 출력의 전력은 전력분석기를 이용하여 측정하였다.

Figure 8: 
Experimental setup

Figure 9는 전력변환기의 특성 곡선을 나타낸다. 발전기의 속도가 낮은 영역에서의 전력변환기의 불안정한 동작을 방지하기 위해 부스터 컨버터의 입력 전압이 160V에서 350V내에서만 발전하도록 설정하였기 때문에 발전기의 선간전압 기준으로는 113V에서 250V내에서 동작하게 된다. AC 전원공급장치의 전압 및 주파수가 변동에 따라 부스터 컨버터의 입력 전압도 변동하게 된다. 전류 지령 제어 알고리즘의 출력값인 전류 지령에 따라 부스터 컨버터의 전류는 변동됨을 확인할 수 있다. 단상 인버터의 출력 전압은 발전기의 속도에 따른 기전력 변동에 따라 계통 전압과 동기화 되어 출력 전류를 계통 연계로 전달함을 확인할 수 있다.

Figure 9: 
Experimental characteristic curves

Figure 10은 출력 6.15kW에서의 전력변환기의 실험 파형을 나타낸다. 발전기 정격 속도 200rpm에서 상전압은 137V이므로 선간전압은 238V로 측정되며 상전류는 3상 다이오드로 인해 구형파 전류로 16.9A로 도통된다. DC링크 전압은 DC링크 커패시터 용량이 작아 리플이 존재하지만 지령전압 420V를 유지하며 부스터 컨버터의 입력 전류는 20.9A로 정전류 제어가 됨을 확인할 수 있다. 단상 인버터의 출력 전압인 계통 전압은 변전에 부하량이 많아 정격전압인 220V보다 2V 낮은 218V이며 출력 전류는 27.7A이며 역율은 0.98이다. 입력 전력은 6.63kW이며 출력 전력은 6.15kW로 효율은 92.7%이다. 결과적으로 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 안정적 출력을 위해 제안한 제어 알고리즘의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.

Figure 10: 
Experimental results at 6kW (a) Line to line voltage and phase current of generator (b) DC link voltage and input current of boost converter and output voltage, output current of single phase inverter

본 논문에서는 자이로 안정기에서 생성된 모멘트로 인한 회전 에너지를 영구자석형 동기 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 제어 알고리즘을 제안하였다. 선행 연구된 자이로 파력 발전 시스템의 구성과 결과를 기반으로 전력 변환기의 구성 및 설계에 대해 설명하였다. 발전기의 과토크를 방지하고 발전기의 회전속도에 따른 출력 제어를 위한 부스터 컨버터를 이용한 전류 지령 제어 알고리즘과 계통연계 혹은 AC 부하에 안정적인 전력 공급을 위한 단상인버터의 제어에 대하여 제안하였다. 제안된 알고리즘은 자이로 안정기의 모델링을 통한 시뮬레이션을 구성하여 발전기의 속도별 출력 특성을 확인하고 전력변환기를 제작하여 실험을 통해 타당성을 검증하였다.