선박 전력 시스템

  • 글/ 필립 르 브르똥(Philippe Le Breton)/SEMIKRON
  • 2016-02-25 오전 7:42:46



선박 전기 시스템 구축의 전력 스택 사용이 복잡한 전기 아키텍처 요구에 해답이 될 수 있다.


다른 여러 분야와 마찬가지로 선박 분야 역시 환경 규제에 대처할 수밖에 없다. 전력전자공학은 에너지 관리 최적화의 주요 기술로서 모터, 발전기, 배터리 저장 및 육상전력 운영에 필요한 변환을 가능하게 한다. 복잡한 전력전자시스템의 대표적인 예로는 AC/DC, DC/AC, DC/DC, AC/AC 등과 같은 변환 블록의 상호접속이 있다. 이는 시스템을 한 눈에 보여주는 것으로는 좋지만, 여기에는 컨버터 설계자가 처리해야 하는 수많은 기술적 문제가 숨어 있다. 컨버터 설계는 여전히 전문가만이 할 수 있는 분야로 제한돼 있지만 스택의 등장으로 시스템 구축 간소화에 한 발짝 더 나아갈 수 있게 됐다. 선박 분야에 복잡한 전기 아키텍처가 등장함에 따라 높은 신뢰성 및 간편한 유지보수 요건을 갖춘 전력 컨버터의 필요성이 높아질 전망이다.

장치에서 컨버터까지

전력 컨버터 구축은 항상 가용 전력반도체 스위치, 컨버터 토폴로지, 시스템 요구조건 간의 타협 작업이었다. 기술 솔루션으로 프로젝트 목표가 달성되는 경우는 특히 높은 출력의 컨버터를 사용할 때이다.

전력반도체 제조업체들은 전력손실은 낮되, 전압과 전류 용량은 높은 완벽한 스위치를 찾고 있다. 반도체 소재 및 공정 개선(실리콘 기반의 사이리스터, GTO, MOSFET, IGBT, IGCT)은 물론, 다중 셀 또는 스위치를 사용하는 컨버터 토폴로지에서 그 해답을 찾고자 한다. 수명, 신뢰성, EMI 및 비용에 대한 시스템 요건이 보다 엄격해짐에 따라 컨버터 상의 전력 장치 구동이 더욱 복잡해졌다. 신소재(예: 탄화규소)의 등장이 컨버터와 전력 시스템 설계에 큰 변화를 가져오리라 예상한다.
단 전력전자공학의 기본은 유지하면서 상호보완을 위한 새로운 방법이 모색되어야 한다.
IGBT는 현재 산업 분야에서 확실히 자리가 잡힌 상태이다. 600~6,500V의 제품 종류는 중간 전압은 물론, 저전압까지 아우르고 있다. 1,200V 기술을 가진 산업 모터 드라이브가 성공한 이후 풍력산업은 1,700V급에도 박차를 가함으로써 견고함과 손실감소 측면에서 칩 성능을 개선했다.


[그림 1] 우측: 전압의 용량은 접지 연결부 양측에 컨버터를 설치해서 높일 수 있다.
좌측: Semikron SKiiPX IPM의 특징은 출력 밀도 증가와 내환경성 강화이다.

 

스택 사용

컨버터 블록 구성의 기본은 하프 브리지(half bridge)로 파워 모듈(트랜지스터 및 다이오드) 또는 지능형 파워 모듈(IPM)이 이에 해당한다. 파워 모듈에는 드라이버, 센서, 및 보호 기능이 단일 장치에 통합되어 있다. Semikron SKiiP IPM 또한 자체 냉각 시스템을 갖추고 있다. 완전한 전원장치의 설계로 높은 수준의 사이클 성능(긴 수명)과 우수한 신뢰성이 실현되었다. 통합 드라이버로 통합 센서에 의한 긴밀한 보호가 가능하여 시스템 상의 신뢰성이 높아진다. 절연처리는 산업 절연 요건을 충분히 만족하도록 설계되고 시험 또한 거쳤다.
SKiiP 장치에는 최신 IGBT 칩 기술뿐만 아니라 기타 최첨단 기법(예: 납땜 대신 소결법, 납땜식 접촉 대신 스프링식 단자)이 적용돼 사이클 성능에서 압도적인 우위를 차지하게 되었다. 드라이버는 로직 신호 및 전류, 전압, 온도 측정에 디지털 기반의 신호 전송을 사용해 표준에 부합하는 안전한 전기 절연이 가능하다.
칩과 인접해 있는 내장형 열 센서 및 고속 전류 센서로 인해 합선이 심각해진 경우에도 안전한 작업을 할 수 있다. 또한 CAN 인터페이스가 있어 고장 시 애플리케이션 설정 및 상세 진단이 가능하다.
Semikron에서 이러한 IPM을 활용하여 공급하는 수냉식의 다양한 3상 인버터(스택)는 검증이 완료되어 전력함에서 바로 사용할 수 있다.
본 설계는 모터 드라이브에서 태양열 제품에 이르기까지 광범위하게 국제 표준을 충족할 뿐 아니라 기계, 기후, 생물학, 운송 중 시험, 작동 등 엄격한 환경검증을 통과했다.
 

[그림 2] 우측: 3상 인버터가 직류를 교류에 연결하나 3상 인터리브 벅 부스트 컨버터(Interleaved buck-boost)로 사용될 수 있다.

 

스택 제품은 표준 프레임 크기로 다양한 전기적 특성을 지녀 사용 가능한 제품도 여러 가지다. 직류 연결의 경우 전용 전문 필름 커패시터를 사용하여 공칭 조건에서의 수명이 100kHrs에 이른다. SKiiP이 내장된 센서로 인해 제품 관리에 필수적인 전류, 전압의 매우 정확한 측정 또한 가능하다.
Semikron의 690V AC 인버터 블록인 Semistack RE의 범위는 1MVA~1.5MVA까지다. 최대 출력 전류가 1,400A이고, 직류 연결 작동이 1,250V로 3상 전압원 인버터 및 인터페이스에 필요한 모든 전원 부품을 갖추고 있어 캐비닛 통합, 즉 교직류 전원 연결, 제어 인터페이스, 용수 커플러, 기계식 잠금장치가 편리해졌다. 전력반도체 분야에서 60년 이상, 스택 개발 분야에서 30년의 경험을 보유한 Semikron에서는 완벽한 특정 기능, 대규모 테스팅, UL 인증을 제공한다.
두 개의 스택이 수냉식 du/dt 필터를 갖춘 하나의 캐비닛(600×600×2,200mm)으로 통합된 장치가 그림 4-1에 나와 있다. 제어 보드가 필요한 이유는 IGBT 스위치에 높고 낮은 로직 신호를 제공하고 오류 신호는 물론 각 하프 브리지에서 전류, 전압, 온도 피드백을 모니터링 하면서 이러한 스택을 특정 기능을 가진 컨버터로 변환시켜야 하기 때문이다. 두 컨버터 모두 내부에서 직류 측에 연결되어 있다. 이 두 직류 연결이 양호한 연결이 되려면 스택의 상단 및 하단에 바이폴라(Bipolar) 연결(버스바 구조 활용)을 수행해야 한다.

AC/DC, DC/AC, AC/AC 스택 조합

이러한 3상 스택을 사용할 경우 블록의 병렬 연결로 전력이 증가할 수 있다. 인버터 병렬 방식은 특히 주의해야 한다. 동적인 전류 분배가 원활하게 되기 위해서는 인버터 출력장치 간 인덕터가 추가로 필요하다. 이러한 하드 병렬 모드는 로직 신호를 수집하고 센서 신호 크기를 조정하여 인버터 블록과 제어 보드 간 인터페이스를 제공하는 병렬 보드를 사용하면 보다 단순해진다. 다중 권선 발전기 또는 모터를 사용하면 따로 병렬 인덕터를 사용하지 않아도 된다. 다중 제어 보드가 복잡하기 때문에 병렬 작업 또한 가능하다. 이러한 멀티 컨버터 시스템의 경우 수많은 요소를 염두에 두어야 하며 제어 아키텍처는 별도의 인버터 제어장치(예: 중복성을 위한 용도)를 가질 수 있다는 점에서 중요한 요소가 된다.
풍력 분야에 사용되는 컨버터는 3상 인버터 두 대가 나란히 붙어있는 게 특징인데, 한 대는 그리드에, 나머지 한 대는 발전기(AC/DC 및 DC/AC)에 붙어있다. 전력 증가 및 유지보수 비용감소라는 목표에 따른 발전기의 진화로 이중 여자 유도형 발전기(DFIG)가 영구자석(PM) 발전기로 변화하고 있다. 이러한 변화가 사용 중인 토폴로지에 영향을 미치진 않았지만 컨버터의 가호조건(sizing conditions)과 전력 전반(DFIG의 경우 설치 전력의 약 1/3에서 PM 발전기의 경우 전체 전력으로 증가)에 변화를 가져왔다.

 

[그림 3] 3-1(상단): 범위가 4-5MW인 병렬 연결된 AC/AC 컨버터
 3-2(하단): 시스템은 유사하나 대체 배선 구조 적용

 

풍력발전의 증가(총 최대 출력 10MW)와 함께 고출력 컨버터에 대한 요구 또한 계속 증가하고 있다. 다음 예시는 병렬 스택을 사용하여 범위가 4-5MW인 AC/AC 컨버터의 설계 방식 및 블록 배선에 미치는 영향을 보여준다. 첫 번째 구성(그림 3-1)에서, 정류기 기능은 병렬 구조로 된 정류기 스택(RECT)에서 생성되며 인버터(INV)의 경우도 마찬가지다. 각 캐비닛에는 두 개의 스택이 있다. 인버터와 정류기는 동일한 스택을 사용한다는 점에 유의해야 한다. 필터링은 그리드 측 선로 필터링과 모터 측 du/dt 필터링으로 이루어진다. 선로 필터는 컨버터 당 개별 필터를 사용하여 전류를 분배한다.

추가 브레이크 초퍼는 시스템의 일부이다. 결과에 따르면 정류기, 인버터, 필터 기능의 구분이 확실하다. 이렇게 기능을 구분하면 정류기와 인버터 간에 중요한 직류 연결이 구축되어 전체 직류를 처리하게 되고, 직류 퓨즈가 각 컨버터의 공칭 직류를 전달할 수 있는 크기로 조정된다. 두 번째 구성(그림 3-2)은 스택, 전원, 필터, 캐비닛은 동일하나 배선은 다른 유사한 AC/AC 컨버터를 나타낸 것이다. 각 캐비닛에는 정류기 한 대와 인버터 한 대가 나란히 붙어있다.

병렬식 캐비닛은 개별 필터를 사용해 전류 분배를 향상시킨다. 이러한 구조는 고전류 DC 분배 및 해당 고전류 퓨즈의 필요성을 감소시킨다. 이는 에너지가 각각의 병렬 블록을 통해 AC에서 AC로 직접 이동하기 때문이다. DC 퓨즈는 캐비닛 간 불균형한 전류만을 처리하며 과도작동(필요 시 브레이크 초퍼 작동)에 맞게 크기를 조정해야 한다. 캐비닛 간 직류 연결은 하드 병렬 시 제어 용도로서 공통 DC 전압을 보장하기 위해 필요하다.

DC/DC 조합

3상 인버터는 직류를 교류로 변환시키지만 3상 인터리브 벅 부스트 컨버터로 사용할 수 있다. 가역 컨버터로서의 이 3상 인터리브 벅 부스트 컨버터는 배터리의 충전 및 방전이 가능해 삽입에 의한 필터링 최적화 효과가 있다. 3상 구성에 인터리브형 스위치를 사용하면 직류 측(입력 또는 출력)에서 관찰되는 뚜렷한 스위칭 주파수가 그 3배가 되므로 필터의 크기가 감소한다. 인덕터 최적화는 소형 인덕터 전류를 분할하는 방식으로도 개선할 수 있다. 배터리의 리플 전류는 필요에 따라 LC 필터링을 추가해 개선할 수 있다. 시스템 측면에서 보면, 이로 인해 컨버터 블록의 수가 감소해 표준화가 개선되는 것이다.


[그림 4] 4-1(좌측): 두 개의 스택이 수냉식 du/dt 필터를 갖춘 하나의 캐비닛(600×600×2,200mm)으로 통합
 4-2(우측): Semikron의 다양한 3상 인버터는 검증된 수냉식 인버터로 전력함 내부에서 바로 사용할 수 있다

 

동작 전압의 증가

메가와트가 감소한다고 여겨질 때 시스템 최적화에서는 동작 전압을 증가시켜(저 전압에서 중간 전압으로) 와이어 게이지와 그에 따른 손실을 줄이려는 경향이 있다. 케이블 연결이 쉬운 경우라면 컨버터 설계, 성능, 냉각, 유지보수와 관련된 여러 가지 문제가 발생한다. 멀티셀 컨버터가 현재 여러 분야에서 널리 사용되고 있지만 해당 분야에서 선택권이 여의치 않을 때를 대비한 대안책이 있다.
스택을 병렬로 연결하면 전류가 증가한다. 스택의 직렬 연결 또한 전압 성능을 높이는 해결책이 될 수 있다. 문제는 절연 처리다. 전압 성능을 높이는 방법 중 잘 알려진 방법은 컨버터를 접지 연결부 양측(양극 및 음극)에 장착하는 것이다. 각 스택의 출력은 직접 연결할 수 없으며 다중 권선 변압기 또는 모터를 사용해야 한다. 다시 강조하건대 관건은 시스템과 부품 간의 상호작용이다. 낮은 스위칭 주파수를 사용하는 전용 고전압 컨버터와 상용 산업 부품 기술 사이에서의 선택은 기술적이라기보다는 산업적 결정에 가깝다.


스택의 장점

하위 부품(subassemblies)의 수가 제한적이고 생산 및 비용의 표준화로 스택 유지보수에 필요한 요구사항이 줄어든다. 차세대 전력반도체 칩 기술은 3~5년마다 새로 등장해 10~15년 후면 구식이 돼버린다. 컨버터 업그레이드는 성능적인 면에서 차세대 칩이 항상 발전한다 하더라도 부품의 단종 때문에 그리 간단한 문제가 아니다. 뒤쳐진 호환성으로 기계, 열, 전기 매개변수 처리뿐 아니라 EMI 등 시스템에 민감한 문제도 해결해야 한다.
IPM에는 전류, 전압, 온도 센서는 물론 드라이버도 갖추어져 있다. 각 회로의 전자 회로 수명은 IPM 자체에 좌우된다.
Semikron에서는 차세대 전력 스택 연구가 이미 진행 중이다. 새로 개발한 SKiiPX IPM을 통해 환경적 요인을 극복함에 따라 전력 밀도가 증가할 것으로 보인다.
새로운 SKiN 기술에 효율적인 수냉식 기술을 더하면 그 성능은 놀라워진다. SKiiPx의 모듈식 구조로 전류 정격에 대한 모듈성이 가능해진다. 내후성 범위 3K4와 오염도 3등급을 자랑하는 하우징으로 열악한 환경에서의 작동이 개선된다. 혁신적 구조에 최적의 열 관리가 더해져 800×600×2,000mm 캐비닛에 꼭 맞는 4분면 컨버터(3MW)가 탄생될 전망이다.
컨버터 제조업체의 경우, 스택과 같은 상위 기능을 구매하면 개발 및 제조에 들이는 노력이 줄어 ‘타임 투 마켓’(time to market, 적기 출시) 및 품질 생산성이 개선되고 수명관리가 수월해진다. 시스템 통합 업체들에게 스택은 혁신적인 파워 시스템 구축 방법의 일환이다. 스택은 단순하면서도 신뢰성 있는 전력 기능을 사용하고, 전원장치 작동에 제약 없이 개발자원 상의 규제를 완화시켜 줄 것이다.

 

 

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