신경회로망을 이용한 선박용 직류배전 가변속엔진 동기발전기의 기준전압 제어에 관한 연구

Abstract

최근 선박으로부터 배출되는 대기오염물질로 인한 이상기후변화를 억제하고 대기환경을 보호하기 위해 선박 배기가스의 배출규제가 강화되고 있으며, 따라서 친환경선박 도입에 대한 필요성이 증가하고 있다. 친환경선박은 대기오염물질의 배출량이 정해진 기준에 적합해야 하고, 기존 선박에 비해 에너지효율이 높아야 한다. 이러한 친환경선박의 한 가지 종류로써 가변속엔진 발전기를 이용한 전기추진선박용 직류배전시스템의 적용이 증가하고 있으며, 이에 대한 추가적인 연구개발이 지속적으로 진행되고 있다. 직류배전시스템은 발전기 후단에 교류를 직류로 변환하는 전력변환장치를 설치한 직류기반의 전력배전방식이며, 이 시스템은 가변속엔진 발전기를 동력원으로 적용하는 것이 가능하다. 따라서 선박의 부하변화에 따라 가변속엔진의 회전속도를 증감함으로써 엔진이 가지는 연료소모 특성에 따른 최적 연료소모 구간에서의 운전이 가능하므로 저부하 시 연료소비량 감소 및 대기오염물질 배출저감의 효과를 얻을 수 있다. 하지만 부하변동에 따라 발전기엔진의 속도 변경 시 발전기 기준전압을 변경하지 않고 일정하게 유지하는 경우 계자권선에 충분한 여자전류를 공급해도 출력전압이 기준전압을 추종하지 않고 저하되는 현상이 발생하며, 과자속 및 과여자 현상일 발생하여 발전기권선이 과열되고, 최악에는 내부 권선의 손상을 유발할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 가변속엔진 동기발전기가 적용된 직류배전시스템에서 속도변화에 따른 기준전압의 조정을 위해 신경회로망을 이용하여 자동전압조정장치의 외부단자에 입력되는 가변저항의 크기를 조정하는 기준전압 제어방식을 제안하였다. 이를 위해 자동전압조정장치 외부단자에 입력되는 가변저항 출력용 전위차계를 설치하고, 속도변화에 따라 전위차계에서 출력되는 가변저항의 크기를 제어하기 위해 전력관리장치 제어부에 신경회로망을 이용하여 전위차계에 입력되는 전류값을 조정하는 제어기를 적용하였으며, 시뮬레이션과 실험장치를 사용한 실제 실험을 통하여 제안하는 시스템의 타당성을 검증하였다.

In recent years, emission control of ship exhaust gas has been strengthened to suppress abnormal climate changes caused by air pollutants emitted from ships and protect the atmosphere. For this reason, the need for the introduction of eco-friendly ships is increasing. Eco-friendly ships must meet the criteria for the emission of air pollutants, and must be accompanied by performance conditions that require higher energy efficiency than existing ships. As one kind of eco-friendly ship, an electric propulsion system using a DC power distribution system using a variable speed engine generator has been developed and applied as a propulsion system for ships, and further research and development is continuously underway. The DC distribution system means a system that distributes electricity based on DC by installing a power converter that converts AC into DC at the rear end of the generator, and this system is applicable to a variable speed engine generator. Therefore, by increasing or decreasing the rotation speed of the variable speed engine according to the load change of the ship, it is possible to operate in the optimum fuel consumption section according to the fuel consumption characteristics of the engine. Thus, the effect of reducing fuel consumption and reducing air pollutant emissions at low loads can be obtained. However, if the generator reference voltage remains constant when the speed of the generator engine changes according to the load change, even if sufficient excitation current is supplied to the winding, the output voltage not follows the reference voltage but decrease. In addition, the excitation current is excessively supplied, which may cause the generator winding to overheat and, at worst, damage to the windings. For this reason, this paper proposed a reference voltage control method that adjusts the size of the variable resistor input to the external terminal of the automatic voltage regulator using a neural network for adjusting the reference voltage according to the speed change in the DC power distribution system with variable speed engine generator applied. To this end, a potentiometer for variable resistance output that was input to the external terminal of the automatic voltage regulator was installed. Also, in order to control the size of the variable resistance output from the potentiometer according to the speed change, a controller that adjusted the current value input to the potentiometer using a neural network was applied to the power management device control unit. The validity of the proposed system was verified through simulation and experimental setup.