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title: New Introduction 260508_Shore_Power_Inverterandcharger_Concept
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published: true
date: 2026-05-08T10:46:15.298Z
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editor: markdown
dateCreated: 2026-05-08T09:09:41.031Z
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# 논문 배경 서술 + Contribution (최종안)

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## 배경

국제해사기구(IMO)의 온실가스 감축 전략 강화와 국내 「환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(친환경선박법)」 시행에 따라, 전동기와 전력변환 장치를 이용한 전기추진선박의 도입이 가속화되고 있다. 전기추진선박은 기존 디젤 기관 대비 배출가스 저감 및 연료 효율 향상 측면에서 탁월한 성능을 보여 차세대 친환경 선박의 핵심 기술로 평가받고 있다.

선박의 전력망은 외부 계통의 지원 없이 독자적으로 전력을 수급하는 고립형 마이크로그리드(Isolated Microgrid)이다. 항해 중 전력 공급 중단은 추진 및 조타 능력 상실로 직결되어 인명의 안전을 심각하게 위협한다. 이에 따라 SOLAS는 발전기 1기 상실 시에도 추진·조타 전력이 즉시 유지 또는 복구될 것을 규정하고 있으며, 이는 IEC 60092-501 및 KR 강선규칙 제6편을 통해 추진용 컨버터·인버터를 포함한 핵심 추진설비 전체의 이중화(Redundancy) 요건으로 구체화되어 있다. 국내에서도 해양수산부 「전기추진 선박기준」 고시(2024)를 통해 이러한 이중화 설계를 법적으로 의무화하고 있다.

한편 전기추진선박의 보급 확대와 함께, 항만 정박 중 육상 전원(Shore Power)을 활용한 에너지저장장치(ESS) 충전의 중요성이 증대되고 있다. 그러나 전 세계 소규모 항만의 육상 계통은 전압·주파수 불일치, 전압 강하(Voltage Sag), 전압 고조파(V-THD) 등 전력 품질이 열악한 경우가 많아, 이러한 외란 환경에서도 안정적인 충전 성능과 전류 품질을 보장하는 제어 전략이 필수적인 기술적 과제로 남아 있다.

이러한 요구사항을 만족하면서도 시스템을 간소화하기 위해, 본 연구는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 두 모듈만으로 구성된 전력변환 시스템을 제안한다. 이 구조에서 DC-AC 인버터는 운항 중 추진전동기 구동 및 선내전원 공급과 정박 중 Shore Power를 통한 ESS 충전을 겸용하며, DC-DC 컨버터는 DC 버스 전압을 기반으로 운전 모드에 따라 배터리의 충방전을 자율적으로 관리한다. 단일 추진 유닛 내 구성을 최소화하여 신뢰성을 높이고, 이를 병렬 확장함으로써 SOLAS가 요구하는 법적 이중화 요건을 충족하는 구조이다. 그러나 이중화 구성은 동일 장치의 병렬 설치로 인해 시스템 부피와 중량이 증가하는 단점을 수반한다. 이에 본 연구에서는 인버터가 충전기 역할을 겸용함으로써 별도 충전기를 제거하여, 이중화로 인한 부피·중량 증가를 부분적으로 상쇄하는 구조를 제안한다. 이는 선박 설계에서 중요한 요소인 중량 및 설치 공간 절감에도 기여한다. 그러나 단일 장치가 다양한 운전 모드를 처리해야 함에 따라 시스템 복잡도가 증가하고 있으며, 이는 통합 시스템 단위 형식승인의 기술적·비용적 진입장벽으로 작용하여 구성 요소의 변경이나 확장 시 제어 로직의 전면 재설계 및 재검증이 강제되는 비유연성(Inflexibility)의 한계로 이어진다. 이에 본 연구는 DC 버스 전압을 모듈 간 유일한 인터페이스로 활용하는 모듈식 설계를 통해, 각 장치의 독립적 동작과 형식승인을 가능하게 하는 전력변환 시스템을 제안한다.

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## Contribution

본 연구는 이러한 배경 하에, DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 각 1기로 구성된 640VDC DC 링크 기반의 간소화된 모듈화 전력변환 시스템을 대상으로 다음을 제안하고 검증한다. 제안하는 시스템은 DC 버스 전압 기반의 하위 제어 루프가 자율적으로 동작하는 Fail-safe 구조를 지향하며, 통신 장애 시에도 기본 추진 기능이 유지되는 강건성을 확보한다.

- **DC 링크 표준 인터페이스 기반 모듈식 설계**: DC 버스 전압을 유일한 모듈 간 인터페이스로 활용함으로써, 각 모듈이 상대 모듈의 내부 로직과 무관하게 독립적으로 동작할 수 있다. 이는 각 장치의 독립적 형식승인을 가능하게 하며, 재검증 범위를 최소화하고 시스템 유연성을 극대화하여 선급 인증 프로세스의 효율화에 기여한다. 모드 전환 시 과도 현상을 억제하기 위해 히스테리시스 밴드를 적용하였으며, 실험을 통해 안정적인 모드 전환이 이루어짐을 확인하였다.

- **약계통 Shore Power 대응 충전 전략**: 추진용 인버터를 충전기로 겸용하는 선박 특화 환경에서, 별도 충전기를 제거함으로써 중량 및 설치 공간을 절감하는 동시에, 전압 강하(Voltage Sag) 발생 시에도 충전 연속성을 유지하는 Ride-Through 제어와, 전압 고조파(V-THD)가 높은 환경에서 전류 고조파(I-THD)를 능동적으로 억제하는 제어 전략을 제안하고 실험적으로 검증한다.

- **다중 모듈 확장 시 이중화 동작 검증**: 단일 모듈(DC-DC + 인버터) 실험을 통해 제어 알고리즘의 타당성을 선검증(Validation)한 후, 이를 기반으로 복수 모듈로 확장하였을 때의 이중화 동작을 제안하고, 대용량·다중화 시스템에 대한 확장성(Scalability)을 시뮬레이션으로 검증한다.

본 연구에서 채택한 640VDC는 실험 환경의 제약에 따른 것이며, 제안하는 제어 전략과 시스템 구조는 DC 링크 전압 레벨에 독립적으로 적용 가능하여 750VDC를 비롯한 다양한 전압 레벨의 시스템으로 확장될 수 있다.

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## 심사 방어 가이드 (참조)

**Q1. 통신 기반 제어보다 전압 기반 제어가 우월한가?**

통신 지연(Latency) 제거 및 통신 선로 단선 시에도 DC 버스 전압 기반 하위 제어 루프가 자율적으로 동작하여 시스템 셧다운 없이 기본 기능이 유지된다는 점을 강조한다. 통신 장애가 단일 고장점(Single Point of Failure)이 되지 않는 Fail-safe 구조임을 설명한다.

**Q2. 전압 히스테리시스 밴드 설정 근거는?**

시스템의 허용 전압 변동률(통상 ±10% 이내)과 모드 전환 시 발생하는 오버슈트(Overshoot) 및 모듈 간 채터링(Chattering) 방지를 고려한 마진 설계를 논리적으로 설명해야 한다. 히스테리시스 밴드 상·하한을 어떻게 결정했는지 설계 근거를 수치와 함께 준비해둘 것.

**Q3. 인버터 겸용 시 하드웨어 분리는 어떻게 하는가?**

추진 모드와 충전 모드의 전환은 인터록 회로를 통해 동시 활성화를 방지하는 기본 안전 설계를 따른다. 본 연구의 핵심은 인터록 자체가 아니라 모드 전환 시의 DC 버스 전압 안정성 유지 제어에 있음을 강조한다.

**Q4. 통신 없이 각 모듈의 배터리 SOC 평준화가 가능한가?**

DC 버스 전압 기반 하위 제어 루프는 SOC 평준화보다 전압 안정성 유지를 우선한다. SOC 평준화는 상위 EMS(Energy Management System)의 역할로 분리하여 설명한다. 본 연구의 범위는 하위 제어 루프의 자율적 강건성 확보에 있음을 명확히 한다.

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## 주요 인용 문헌

> ⚠️ **확인 필요** 표시된 문헌은 실제 제목·저자·출판 정보를 직접 검증할 것.

| 내용 | 인용 문헌 | 확인 |
|---|---|---|
| 전기추진선박 분류 | KR, *Guidance for Electric Propulsion Ships*, 2016 | ✅ |
| 전원 이중화 의무 | IMO, SOLAS Ch. II-1, Reg. 40–41 | ✅ |
| 전기추진 설계 요건 | IEC 60092-501:2013 (or 2025) | ✅ |
| 국내 안전기준 | 해양수산부, 「전기추진 선박기준」 고시, 2024 | ✅ |
| Shore Power 표준 | IEC/IEEE 80005-1:2019 | ✅ |
| DC 배전 설계 가이던스 | KR, *Guidance for DC Distribution Systems*, 2022 | ⚠️ 확인 필요 |
| Shore Power 약계통 문제 | Voltage Drop Estimation during Shore Connection, MDPI Processes 2023 | ⚠️ 확인 필요 |
| Voltage Sag Ride-Through | IEEE 1668-2017 | ✅ |
