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Thesis/Master_thesis/DEC_1_2_1_3.md

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+# 1.2 연구 목적 / 1.3 논문 구성
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+## 1.2 논문 서술 초안
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+앞서 기술한 바와 같이 전기추진 선박용 DC 배전 시스템에서는 배터리와 같은 직류 에너지저장장치와 추진 모터 구동 인버터 사이의 양방향 전력 변환이 요구되며, 이를 효율적으로 수행하기 위한 고성능 전력변환 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 특히 3레벨 컨버터 토폴로지는 소자의 전압 스트레스 저감과 출력 파형 품질 향상 측면에서 선박 환경에 적합한 구조로 평가되고 있으나, 단일 컨버터 단위의 연구에 비해 DC-DC 및 DC-AC 컨버터를 연동한 통합 시스템 수준의 실험적 검증 사례는 상대적으로 부족한 실정이다.
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+이에 본 연구에서는 전기추진 선박의 DC 배전 시스템을 모사한 실험 플랫폼을 구축하고, 양방향 3레벨 DC-DC 컨버터와 3레벨 DC-AC 인버터를 DC 링크를 통해 연동한 시스템의 동작 특성을 실험적으로 검증하는 것을 목적으로 한다. 구체적인 연구 목적은 다음과 같다.
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+첫째, 500VDC 전원·부하 시뮬레이터와 380VAC 전원·부하 시뮬레이터를 양 단에 배치하고, 640VDC의 공유 DC 링크를 중심으로 양방향 3레벨 DC-DC 컨버터 및 DC-AC 인버터를 연동한 실험 시스템을 구성한다. 둘째, 발전기-배터리 충전, 배터리-추진모터 구동 등 선박 운전 시나리오에 대응하는 네 가지 운전 모드를 정의하고 각 모드에서의 정상상태 동작을 검증한다. 셋째, 각 컨버터의 개별 효율 및 시스템 전체 효율을 측정하고, 3레벨 동작 확인 파형과 AC 출력 전압·전류의 THD를 분석하여 한국선급 강선규칙의 고조파 왜곡 기준 충족 여부를 확인한다.
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+## 1.3 논문 서술 초안
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+본 논문의 구성은 다음과 같다.
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+제1장에서는 연구의 배경으로서 IMO의 해운 탈탄소화 규제 동향과 국내 친환경선박 정책 현황을 기술하고, 선박 DC 배전 시스템의 필요성을 설명하며, 연구 목적과 논문의 전체 구성을 제시한다.
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+제2장에서는 전기추진 선박의 전력 시스템 구조를 개괄하고, 기존 AC 배전 방식과 DC 배전 방식을 비교하여 DC 배전의 구조적 장점을 분석한다. 또한 DC 배전 시스템을 구성하는 주요 요소와 양방향 전력 흐름의 필요성을 기술한다.
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+제3장에서는 본 시스템에 적용된 3레벨 컨버터 토폴로지를 분석한다. 3레벨 컨버터의 일반적 특징 및 2레벨 대비 장점을 서술하고, NPC형 3레벨 DC-DC Buck-Boost 컨버터와 T-type 3레벨 DC-AC 인버터 각각의 회로 구성, 동작 원리, 주요 설계 파라미터를 기술한다.
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+제4장에서는 각 컨버터의 제어 전략을 설명한다. DC-DC 컨버터 및 DC-AC 인버터의 전압·전류 제어 구조와 양방향 운전 모드 전환 방식을 기술하며, 연동 운전 시 DC 링크 전압 관리 방법을 설명한다.
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+제5장에서는 실험 환경 구축 내용을 기술한다. 전체 시스템 블록도와 하드웨어 사양을 제시하고, 측정 장비 구성 및 채널 배분, 운전 모드별 실험 조건을 설명한다.
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+제6장에서는 실험 결과를 제시하고 분석한다. DC-DC 컨버터 및 DC-AC 인버터의 단독 운전 결과와 연동 운전 결과를 각각 기술하며, 정상상태 파형, 3레벨 동작 확인, 효율, THD 측정값을 포함한 종합 고찰을 수행한다.
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+제7장에서는 연구 결과를 요약하고, 본 연구의 의의와 향후 연구 과제를 제시한다.
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+## 미결 항목
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+없음 — 확정 완료

Thesis/Master_thesis/DEC_2_1.md

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+# 2.1 전기추진 선박의 전력 시스템 구조
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+## 논문 서술 초안
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+### 전기추진 선박의 전력 시스템 개요
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+전기추진 선박의 전력 시스템은 에너지 생성, 변환, 분배, 소비의 네 단계로 구성된다. 에너지 생성 단계에서는 디젤 발전기, LNG 발전기, 연료전지, 또는 배터리 등의 에너지원이 전력을 공급하며, 변환 단계에서는 각 에너지원의 출력 특성에 맞는 전력변환장치가 모선 전압으로 변환한다. 분배 단계에서는 배전반과 모선을 통해 추진 시스템 및 선내 부하에 전력이 공급되고, 소비 단계에서는 추진 모터, 갑판 기계, 항법 장비, 공조 시스템 등의 부하가 전력을 소비한다.
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+### 기존 AC 배전 방식과 한계
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+전통적인 선박 전력 시스템은 AC 배전 방식을 채택하여 왔다. 발전기에서 생산된 3상 교류 전력은 AC 주 배전반(Main Switchboard)을 통해 각 부하에 분배되며, 추진 모터의 경우 AC-DC-AC 형태의 전력변환 과정을 거쳐 가변속 운전이 이루어진다. AC 배전 방식은 오랜 기간 표준으로 자리잡아 기술적 성숙도가 높고, 기존 선박 설계 규범 및 선급 규정과의 적합성이 높다는 장점이 있다.
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+그러나 AC 배전 방식은 구조적 제약으로 인한 여러 한계를 갖는다. 우선 발전기의 출력 주파수가 AC 모선의 주파수(60Hz 또는 50Hz)와 일치하여야 하므로, 발전기는 정격 속도 근방에서만 운전되어야 한다. 이는 선박 추진 부하가 낮은 항만 대기 구간이나 저속 항행 중에도 발전기가 비효율적인 부분 부하 상태로 운전됨을 의미하며, 연료 소비 효율 저하로 이어진다. 또한 배터리, 연료전지, 태양광 패널 등 직류 출력 특성을 갖는 신재생 에너지원 및 에너지저장장치를 AC 모선에 연계하기 위해서는 별도의 DC-AC 인버터가 필요하여 시스템의 복잡도와 변환 손실이 증가한다.
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+### AC 배전과 DC 배전 비교
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+| 항목 | AC 배전 | DC 배전 |
+|------|---------|---------|
+| 발전기 속도 제약 | 정격속도 고정 운전 | 부하에 따라 가변 운전 가능 |
+| ESS/연료전지 연계 | DC-AC 변환 필요 | DC 모선 직결 가능 |
+| 무효전력 관리 | 별도 역률 보상 필요 | 해당 없음 |
+| 시스템 복잡도 | 상대적으로 단순 | 전력변환장치 증가 |
+| 부분 부하 효율 | 낮음 | 높음 |
+| 기술 성숙도 | 높음 | 상용화 진행 중 |
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+## 미결 항목
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+없음 — 확정 완료

Thesis/Master_thesis/DEC_2_2.md

@@ -0,0 +1,31 @@
+# 2.2 DC 배전 시스템의 구성 요소
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+## 논문 서술 초안
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+### DC 배전 시스템의 기본 구조
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+DC 배전 시스템은 DC 모선(DC Bus)을 중심으로 다양한 에너지원, 에너지저장장치, 추진 시스템 및 선내 부하가 각자의 전력변환장치를 통해 연계되는 구조를 갖는다. AC 배전 방식과 달리 기기 간 주파수 동기화 요구가 없어 각 서브시스템이 독립적으로 운전될 수 있으며, DC 모선 전압의 안정적 유지가 시스템 전체의 안정 운전을 위한 핵심 요건이다.
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+### 발전기측 (AC-DC 정류단)
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+디젤 또는 LNG 발전기에서 생산된 3상 교류 전력은 AC-DC 정류기를 통해 DC 모선 전압으로 변환된다. DC 배전 환경에서는 발전기의 출력 주파수가 DC 모선과 독립적이므로, 발전기 속도를 부하 상황에 따라 자유롭게 조절할 수 있다. 이를 통해 부분 부하 운전 시 발전기를 연료 최적 효율점 근방에서 운전하는 것이 가능하며, 운전 대수 조절(load sharing)을 통한 추가적인 효율 향상도 기대할 수 있다. 정류단의 전력변환장치로는 다이오드 정류기, PWM 정류기(Active Front End), 또는 다중 권선 변압기 기반의 구성이 사용되며, 전력 품질 요건에 따라 방식이 선택된다.
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+### DC 링크
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+DC 링크(DC Link)는 시스템 내 모든 전력변환장치가 공유하는 직류 모선으로, 에너지 흐름의 중심이 된다. DC 링크 전압은 시스템 안정 운전의 기준으로 기능하며, 전압이 허용 범위 내에서 유지되어야 각 컨버터의 정상 동작이 보장된다. DC 링크에는 대용량 커패시터가 연결되어 전압 리플을 저감하고 단기적인 전력 불균형을 완충하는 역할을 한다. 본 연구 시스템에서 DC 링크 전압은 640VDC로 설정된다.
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+### 에너지저장장치측 (DC-DC 변환단)
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+배터리로 대표되는 에너지저장장치는 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 DC 링크에 연계된다. 배터리의 단자 전압은 충방전 상태(SOC, State of Charge)에 따라 변화하므로, DC-DC 컨버터는 배터리 전압과 DC 링크 전압 사이의 전압 변환을 수행하는 동시에 전력 흐름의 방향(충전/방전)을 제어한다. 본 연구에서는 배터리 측을 500VDC(충전 시 최대 550VDC)로 모사하는 소스·로드 시뮬레이터를 사용하며, 양방향 3레벨 NPC DC-DC 컨버터가 이 변환을 담당한다.
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+### 추진 모터측 (DC-AC 인버터단)
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+추진 모터는 DC-AC 인버터를 통해 DC 링크로부터 전력을 공급받는다. 인버터는 DC 링크 전압을 가변 주파수·가변 전압의 3상 교류로 변환하여 모터의 속도와 토크를 제어한다. 회생제동이나 선박의 감속 구간에서는 모터가 발전기로 동작하여 운동에너지를 전기에너지로 변환하고, 이를 DC 링크로 되돌리는 양방향 운전이 가능하다. 본 연구에서는 추진 모터측을 380VAC 소스·로드 시뮬레이터로 모사하며, 양방향 T-type 3레벨 DC-AC 인버터가 이 역할을 담당한다.
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+## 미결 항목
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+없음 — 확정 완료

Thesis/Master_thesis/DEC_2_3.md

@@ -0,0 +1,27 @@
+# 2.3 양방향 전력 흐름의 필요성
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+## 논문 서술 초안
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+전기추진 선박의 DC 배전 시스템에서 양방향 전력 흐름 기능은 단순한 옵션이 아닌 운용 효율성과 안전성을 위한 필수 요건이다. 선박의 운항 특성상 추진 부하는 항만 입출항, 저속 기동, 고속 항행, 감속 등 다양한 운전 조건에서 급격히 변화하며, 이에 대응하기 위해서는 에너지저장장치와 발전기 사이, 그리고 DC 링크와 추진 모터 사이에서 전력이 양방향으로 유연하게 흐를 수 있어야 한다.
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+### 배터리 충방전 운전
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+배터리는 DC 배전 시스템의 에너지 버퍼로서 핵심적인 역할을 한다. 발전기 출력이 추진 부하를 초과하는 구간, 예를 들어 저속 항행 또는 항만 대기 중에는 잉여 전력으로 배터리를 충전하고, 발전기 출력이 부족한 고부하 구간에서는 배터리가 방전하여 전력을 보완한다. 이를 통해 발전기를 항상 최적 효율점 근방에서 운전하면서도 추진 부하의 급격한 변동에 대응할 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터는 이러한 충방전 전환을 담당하며, 본 연구 시스템의 Buck 모드(DC Link → 배터리 충전) 및 Boost 모드(배터리 방전 → DC Link)가 각각 이에 해당한다.
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+### 회생 제동
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+선박이 감속하거나 정지하는 과정에서 추진 모터는 발전기로 전환되어 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 이 회생 에너지는 DC 링크를 통해 배터리에 저장되거나 다른 선내 부하에 공급된다. AC 배전 방식에서는 회생 에너지를 처리하기 위한 별도의 회생 인버터나 제동 저항이 필요하나, DC 배전 방식에서는 양방향 인버터가 자연스럽게 이 역할을 수행할 수 있어 회생 에너지 활용이 용이하다. 본 연구 시스템의 DC-AC 인버터가 Rectifier 모드로 전환되는 동작이 이에 해당한다.
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+### 전력 조류 제어 및 시스템 안정성
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+양방향 전력 변환 능력은 DC 링크 전압의 안정적 유지에도 기여한다. 부하 급변 시 DC 링크 전압이 상승하면 배터리 측 DC-DC 컨버터가 즉시 충전 방향으로 전력을 흡수하고, 전압이 하강하면 방전 방향으로 전력을 공급함으로써 DC 링크 전압을 허용 범위 내에서 안정시킬 수 있다. 이러한 양방향 에너지 흐름 제어 능력은 발전기 단독 공급 방식에 비해 시스템의 과도 응답 특성을 크게 개선하며, 전압 안정도 측면에서 유리하다.
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+이상에서 살펴본 바와 같이, 배터리 충방전, 회생제동, DC 링크 전압 안정화 등의 기능을 통합적으로 구현하기 위해서는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 모두 양방향 전력 변환 능력을 갖추어야 하며, 이는 본 연구에서 양방향 컨버터 구성을 채택한 핵심적인 이유이다.
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+## 미결 항목
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+없음 — 확정 완료

Thesis/Master_thesis/DEC_3_1.md

@@ -0,0 +1,48 @@
+# 3.1 스위칭 주파수 선정
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+## 결정 사항
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+**Fsw = 10kHz**
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+## 논문 서술용 근거
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+> "AC 출력 THD 요구사항을 만족하면서 Si IGBT 소자의 손실 및 열 관리 측면을 고려하여 스위칭 주파수를 10kHz로 설정하였다."
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+## 세부 배경
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+- 시스템이 4kW 실험 스케일 → Si IGBT 스위칭 손실이 감당 가능한 범위
+- 10kHz는 해당 전력 레벨에서 보수적(conservative)인 선택에 가까움
+- THD 측정 결과(실험 후)가 기준을 만족하면 선택이 실험적으로도 검증되는 구조
+- MW급 대형 추진계에서는 열 문제로 2~5kHz가 일반적이나, 본 논문 스케일에서는 해당 없음
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+## 적용 기준 (확정)
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+**한국선급(KR) 강선규칙 2026, 제6편 전기설비 및 제어시스템, 제1장 전기설비, 8절 고조파 왜곡 (2020)**
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+| 항목 | 제한치 |
+|------|--------|
+| 전체 고조파 왜곡 (THD) | **8% 이하** |
+| 단일 고조파 | 5% 이하 |
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+- IEEE 519(5%)보다 완화된 기준 → 10kHz에서 달성 용이, 기준 충족 가능성 높음
+- 실험 후 THD 측정값이 8% 이하로 나오면 KR 기준 만족으로 직접 서술 가능
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+## 논문 서술 예시
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+> 전력변환 시스템의 스위칭 주파수(Fsw)는 출력 전압 및 전류의 고조파 왜곡, 소자의 스위칭 손실, 그리고 필터 설계 등 다양한 요소에 직접적인 영향을 미치는 핵심 설계 파라미터이다. 스위칭 주파수가 높을수록 출력 고조파 성분이 감소하고 필터 인덕턴스를 줄일 수 있는 반면, 소자의 스위칭 손실이 증가하여 열 관리 측면에서 불리해진다. 따라서 스위칭 주파수 선정은 이러한 상충 관계(trade-off)를 종합적으로 고려하여 결정되어야 한다.
+>
+> 선박 전기설비에 적용되는 한국선급(KR) 강선규칙 제6편 제1장 8절에 따르면, 선박 배전시스템의 전압 파형에 대한 전체 고조파 왜곡(THD)은 8%를 초과하여서는 아니 되며, 단일 고조파 성분은 5%를 초과하여서는 아니 된다 [KR 강선규칙 2026]. 본 연구에서 구축된 시스템은 4kW급 실험 검증 플랫폼으로, Si IGBT 소자 기반의 3레벨 컨버터를 사용하며, 전력 규모 대비 소자 정격에 충분한 여유가 확보되어 있다. 이를 고려하여 스위칭 손실 및 열적 부담을 적절히 억제하면서 상기 THD 요구사항을 만족할 수 있는 스위칭 주파수로 10kHz를 선정하였다.
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+## 사용 소자
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+| 컨버터 | 소자 | 전압 클래스 |
+|--------|------|------------|
+| DC-DC 3L Buck-Boost | Infineon BSM100GB60DLC | 600V Si IGBT |
+| DC-AC 3L Inverter | Fuji Electric 4MBI400VF-120R-50 | 1200V Si IGBT |
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+- 두 소자 모두 데이터시트에 권장 Fsw 명시 없음
+- Fsw 정당화는 아래 미결 항목 방향으로 확정 필요
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+## 미결 항목
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+없음 — 확정 완료