docs: create Thesis/Master_Thesis/260512/chapter4

Thesis/Master_Thesis/260512/Paper.md

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+title: Chapter 1
+description: 
+published: true
+date: 2026-05-12T08:58:11.875Z
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+dateCreated: 2026-05-12T08:58:11.875Z
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+
+# 1. 서론
+
+## 1.1 연구 배경
+
+국제해사기구(IMO)는 2050년 탄소중립을 목표로 온실가스 감축 전략을 강화하고 있으며, 국내에서도 「환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(친환경선박법)」의 시행에 따라 전기추진선박의 도입이 빠르게 확산되고 있다. 전기추진선박은 기존 디젤 기관을 전동기와 전력변환 장치로 대체함으로써 배출가스를 저감하고 연료 효율을 향상시킬 수 있어, 차세대 친환경 선박의 핵심 기술로 평가받고 있다 [1].
+
+선박의 전력망은 외부 계통의 지원 없이 독자적으로 전력을 생산·공급·제어해야 하는 고립형 마이크로그리드(Isolated Microgrid)로 운용된다. 항해 중 전력 공급이 중단될 경우 추진력과 조타 능력을 즉각 상실하여 인명 안전에 심각한 위협이 된다. 이에 따라 SOLAS(국제해상인명안전협약)는 발전기 1기 상실 시에도 추진·조타 전력이 즉시 유지 또는 복구될 것을 규정하고 있으며 [2], IEC 60092-501 및 KR 강선규칙 제6편은 이를 추진용 컨버터·인버터를 포함한 핵심 추진설비 전체의 이중화(Redundancy) 요건으로 구체화하고 있다 [3][4]. 국내에서도 해양수산부 「전기추진 선박기준」 고시(2024)를 통해 이러한 이중화 설계를 법적으로 의무화하고 있다 [5].
+
+현행 전기추진 시스템은 통합 시스템 단위의 형식승인 구조를 따르고 있어, 구성 소자의 변경이나 용량 증설 시 제어 로직의 재설계와 통합 재검증이 불가피하다. 이러한 폐쇄적 구조는 선종별 맞춤형 설계에 대한 비유연성(Inflexibility) 문제를 야기한다. 이를 해결하기 위한 모듈화 접근이 연구되어 왔으나, 기존 연구들은 모듈 간 협조 제어를 위해 복잡한 통신 인터페이스나 중앙집중식 제어에 의존하는 경우가 많아 통신 장애 시 시스템 신뢰성이 저하되는 한계가 있었다 [X]. 따라서 별도의 통신 선로 없이 DC 버스 전압을 모듈 간 인터페이스로 활용하여 각 장치가 독립적으로 동작하면서도 시스템 전체의 확장성과 신뢰성을 동시에 확보하는 접근이 요구된다.
+
+(XXX 그림: 기존 통합형 시스템과 본 연구의 모듈형 시스템 구조 비교도)
+
+모듈화된 전력변환 시스템이 실제 선박 환경에 적용되기 위해서는 인증 효율화뿐 아니라, 가변적이고 불안정한 선박 전원 환경에서도 안정적으로 동작해야 한다. 선급 규정(IEC 60092-501, IEC 60092-101)은 정상 상태 AC 전압에서의 고조파 왜곡(THD) 요건만을 명시하고 있으나 [3][6], 실제 선박 발전기나 육상 전원(Shore Power)은 부하 변동에 따른 전압 강하와 왜곡이 빈번한 약계통(Weak Grid) 특성을 가진다 [7]. 비정상적인 AC 입력 전압의 고조파 왜곡(V-THD)은 정류부의 전류 파형을 왜곡시켜 전류 고조파(I-THD)를 악화시키며, 이는 배터리 및 전력 기기의 수명 단축과 오작동을 초래할 수 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 비정상 AC 입력 환경에서의 I-THD 억제에 대한 구체적인 제어 전략은 현행 규정 및 선행 연구에서 미비한 실정이다.
+
+(XXX 그림: 선박 약계통에서 V-THD가 I-THD에 미치는 영향 파형 개념도)
+
+## 1.2 연구 목적 및 내용
+
+본 연구는 위에서 제시한 두 가지 기술적 과제를 해결하기 위해, DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 각 1기로 구성된 640VDC DC 링크 기반의 모듈화 전력변환 시스템을 제안한다. 이를 위해 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 플랫폼을 구축하여 시스템의 동작 특성을 실험적으로 검증한다. 본 연구의 주요 내용은 다음과 같다.
+
+첫째, 간소화된 모듈식 전력변환 시스템을 설계한다. DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 두 모듈만으로 시스템을 구성하여 부피와 중량을 절감하고, DC 버스 전압을 모듈 간 인터페이스로 활용하여 통신 없이 동작하는 제어를 설계한다. 이를 통해 통신 장애 시에도 기본 동작이 유지되는 강건성을 확보하며, 모듈 단위 독립 형식승인이 가능한 구조로 선급 인증 효율화에 기여한다. 또한 단일 모듈의 병렬 확장으로 법적 이중화 요건을 충족하는 구조를 시뮬레이션으로 검증한다.
+
+둘째, 열악한 AC 전원 환경에서의 충전 전력 품질 개선 전략을 제안한다. 선박 발전기 및 Shore Power의 약계통 특성으로 인한 V-THD 변동 문제를 문헌 및 시뮬레이션으로 확인하고, 이러한 환경에서 충전 시 DC 버스 측에 발생하는 문제를 실험으로 확인한다. 이를 바탕으로 I-THD를 억제하는 제어 전략을 제안하고 실험으로 검증하며, 주어진 악조건에서도 IEC 60092-501 및 IEC 60092-101의 THD 요건을 만족함을 확인한다.
+
+본 연구에서는 개념 검증(Proof of Concept)을 위해 640VDC 시스템을 기준으로 설계 및 실험을 수행하였으며, 제안하는 제어 전략과 시스템 구조는 DC 링크 전압 레벨에 독립적으로 적용 가능하여 750VDC를 비롯한 다양한 전압 레벨의 시스템으로 확장될 수 있다.
+
+## 1.3 논문 구성
+
+본 논문의 구성은 다음과 같다.
+
+2장에서는 간소화된 모듈식 전력변환 시스템의 설계와 DC 버스 전압 기반 제어 방법을 기술하고, 다중 모듈 확장 시 이중화 동작을 시뮬레이션으로 검증한다.
+
+3장에서는 선박 AC 전원의 약계통 특성 및 V-THD 문제를 분석하고, 열악한 AC 입력 환경에서의 I-THD 억제 제어 전략을 제안하며 실험으로 검증한다.
+
+4장에서는 제안된 시스템의 실험 환경 구성과 각 챕터의 실험 결과를 종합적으로 제시한다.
+
+5장에서는 본 연구의 결론과 향후 연구 방향을 기술한다.
+
+---
+
+## 참고문헌
+
+[1] 해양수산부, 「환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률」, 2020.
+
+[2] IMO, *SOLAS Consolidated Edition*, Ch. II-1, Reg. 40–41, International Maritime Organization, London.
+
+[3] IEC 60092-501:2013, *Electrical installations in ships – Part 501: Special features – Electric propulsion plant*, IEC, Geneva.
+
+[4] Korean Register (KR), *Rules for the Classification of Steel Ships, Part 6*, 2024.
+
+[5] 해양수산부, 「전기추진 선박기준」, 해양수산부 고시, 2024.
+
+[6] IEC 60092-101, *Electrical installations in ships – Part 101: Definitions and general requirements*, IEC, Geneva.
+
+[7] ⚠️ 선박 발전기 약계통 V-THD 변동 관련 문헌 — 확인 필요.
+
+[X] ⚠️ 기존 모듈화 연구의 통신 의존성 한계 관련 문헌 — 확인 필요.

Thesis/Master_Thesis/260512/chapter2.md

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+title: Chapter 2
+description: 
+published: true
+date: 2026-05-12T08:58:49.397Z
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+editor: markdown
+dateCreated: 2026-05-12T08:58:49.397Z
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+
+# 2. 간소화된 모듈식 전력변환 시스템 설계
+
+## 2.1 시스템 구성
+
+본 연구에서 제안하는 전력변환 시스템은 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 두 모듈로 구성된 간소화된 구조이다. 두 모듈은 640VDC DC 링크를 공유하며, DC 버스 전압을 유일한 모듈 간 인터페이스로 활용한다. 이 구조에서 각 모듈은 상대 모듈의 내부 로직과 무관하게 독립적으로 동작하며, 통신 없이도 DC 버스 전압 상태만으로 필요한 동작을 수행한다. 기존 전기추진 전력 시스템이 발전기, 변환기, 제어기를 통합 설계하는 것과 달리, 본 시스템은 DC 링크를 경계로 두 모듈을 명확히 분리함으로써 각 모듈의 독립적 설계 및 검증이 가능하다.
+
+(XXX 그림: 제안하는 모듈식 전력변환 시스템 전체 구성도)
+
+DC-DC 컨버터는 저압단(500 VDC)과 DC 링크 사이에서 양방향으로 전력 흐름을 제어한다. DC 링크 전압이 기준값보다 낮을 경우 저압단에서 DC 링크로 전력을 공급하는 Boost(방전) 모드로, 높을 경우 DC 링크에서 저압단으로 전력을 회수하는 Buck(충전) 모드로 동작한다. DC-AC 인버터는 DC 링크와 380 VAC 계통 사이에서 양방향으로 전력을 변환한다. 운항 모드(Inverter)에서는 DC 링크로부터 3상 AC 전력을 생성하여 추진전동기 구동 및 선내전원을 공급하며, 충전 모드(Rectifier)에서는 Shore Power를 수전하여 DC 링크를 충전한다. 두 모드의 전환은 인터록 회로를 통해 동시 활성화를 방지한다. 각 모듈의 회로 구성 및 주요 사양은 4장에서 기술한다.
+
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+
+## 2.2 DC 버스 전압 기반 제어
+
+### 2.2.1 제어 원리
+
+본 연구에서 제안하는 제어의 핵심은 DC 버스 전압을 두 모듈 간 유일한 정보 매체로 활용하는 것이다. 각 모듈은 DC 버스 전압만을 관측하여 현재 시스템의 전력 수급 상태를 판단하고 자신의 동작 모드를 결정한다. 이는 별도의 통신 선로 없이도 두 모듈이 협조 동작할 수 있게 하며, 통신 장애가 발생하더라도 기본 동작이 유지되는 Fail-safe 구조를 형성한다.
+
+DC 버스 전압 기반 제어의 동작 원리는 다음과 같다. DC-AC 인버터는 운항 모드에서 DC 링크 전압을 기준값으로 유지하도록 제어되며, DC-DC 컨버터는 DC 링크 전압 상태에 따라 배터리의 충방전 방향을 결정한다. DC 링크 전압이 설정 범위 내에 있을 경우 DC-DC 컨버터는 대기 상태를 유지하며, 전압이 설정 하한 이하로 강하하면 배터리에서 전력을 공급하는 Boost 모드로 전환하고, 전압이 설정 상한 이상으로 상승하면 배터리로 전력을 회수하는 Buck 모드로 전환한다.
+
+(XXX 그림: DC 버스 전압 레벨에 따른 동작 모드 정의 및 상태 전이도)
+
+### 2.2.2 히스테리시스 밴드 설계
+
+DC 버스 전압 기반 모드 전환에서는 전압 섭동에 의한 불필요한 모드 전환, 즉 채터링(Chattering) 현상이 발생할 수 있다. 이를 억제하기 위해 히스테리시스 밴드를 적용하며, 모드 전환 임계값에 상·하한을 두어 전압이 밴드를 완전히 벗어날 때만 모드 전환이 발생하도록 한다.
+
+히스테리시스 밴드의 상·하한은 다음 조건을 고려하여 설계한다. 첫째, 시스템의 허용 전압 변동률 이내에서 동작하도록 밴드 폭을 결정한다. 둘째, 모드 전환 시 발생하는 DC 링크 전압 오버슈트가 밴드 내에서 수렴하도록 마진을 확보한다. 셋째, 밴드 폭이 지나치게 좁으면 채터링이 발생하고, 지나치게 넓으면 DC 링크 전압 변동이 커지므로 적절한 밴드 폭을 설계한다.
+
+(XXX 그림: 히스테리시스 밴드 설계 개념도)
+
+(XXX 표: 히스테리시스 밴드 설계값)
+
+### 2.2.3 DC-DC 컨버터 제어기 구성
+
+(XXX 그림: DC-DC 컨버터 전압-전류 이중 루프 제어 블록 다이어그램)
+
+#### 전압-전류 이중 루프 제어 구조
+
+본 연구의 3레벨 DC-DC 컨버터는 전압 외부 루프와 전류 내부 루프로 구성된 이중 루프(Dual-loop) PI 제어 방식을 적용한다. 이중 루프 구조는 외부 루프에서 전압 오차를 처리하여 전류 기준값을 생성하고, 내부 루프에서 인덕터 전류를 기준값으로 추종하게 함으로써 전압 제어 응답성과 전류 제한 기능을 동시에 확보하는 구조이다. 내부 전류 루프의 대역폭은 외부 전압 루프보다 충분히 높게 설계하여 전압 루프의 안정적인 동작을 보장한다.
+
+제어 블록 구성은 다음과 같다. 저압단(500 VDC) 전압 기준값(V_ref)과 측정값(V_meas)의 오차가 전압 PI 제어기에 입력되어 인덕터 전류 기준값(i_L,ref)을 생성한다. 이 전류 기준값은 과전류 보호를 위한 리미터를 통과한 후, 전류 PI 제어기에서 실제 인덕터 전류(i_L,meas)와 비교되어 듀티비(D) 신호를 생성한다. 생성된 듀티비 신호는 3레벨 PWM 변조기를 통해 4개의 스위치(S1~S4)에 대한 게이트 신호로 변환된다.
+
+#### 양방향 운전 모드 전환
+
+양방향 운전은 별도의 토폴로지 변경 없이 전류 기준값의 부호 전환만으로 구현된다. Buck 모드(DC 링크 → 저압단 충전)에서는 전압 PI 출력이 양(+)의 전류 기준값을 생성하여 인덕터 전류가 DC 링크에서 저압단 방향으로 흐르며, Boost 모드(저압단 방전 → DC 링크)에서는 외부 명령 또는 DC 링크 전압 편차에 의해 전류 기준값이 음(−)으로 설정되어 전력 흐름 방향이 역전된다. 모드 전환 시 전류 기준값이 0을 통과하므로 인덕터 전류의 연속성이 유지되며, 과도적인 전압·전류 스파이크 없이 부드러운 전환이 이루어진다.
+
+각 운전 모드에 대응하는 제어 목표는 다음과 같다. Buck 모드에서는 저압단 전압을 500 VDC(또는 충전 목표 전압 550 VDC)로 유지하는 것이 제어 목표이며, Boost 모드에서는 DC 링크 전압 또는 방전 전력을 기준으로 제어가 이루어진다.
+
+(XXX 표: DC-DC 컨버터 제어기 파라미터)
+
+### 2.2.4 DC-AC 인버터 제어기 구성
+
+(XXX 그림: DC-AC 인버터 dq 동기좌표계 전류 제어 블록 다이어그램)
+
+#### dq 동기좌표계 전류 제어
+
+본 연구의 3레벨 T-type DC-AC 인버터는 dq 동기좌표계(Synchronous Reference Frame, SRF) 기반의 전류 제어와 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 변조 방식을 적용한다. dq 동기좌표계 제어는 3상 교류 물리량을 회전 좌표계로 변환하여 직류량으로 처리함으로써, PI 제어기를 이용한 정상상태 무차 제어(steady-state zero error)와 d축·q축 전류의 독립적 제어를 가능하게 한다. d축 전류는 유효전력(능동 전력)에, q축 전류는 무효전력에 대응하므로, 두 축의 전류를 독립적으로 제어함으로써 유효전력과 무효전력을 분리 제어할 수 있다.
+
+제어 구조는 다음과 같이 구성된다. 측정된 3상 전류를 Clarke 변환(abc → αβ)을 거쳐 정지 좌표계 성분으로, 이어서 Park 변환(αβ → dq)을 통해 회전 좌표계 성분(I_d, I_q)으로 변환한다. 전류 기준값(I_d,ref, I_q,ref)과 실측값의 오차가 각각의 PI 제어기에 입력되어 전압 지령(V_d,ref, V_q,ref)을 생성하며, 역Park 변환 및 SVPWM 변조기를 통해 최종적으로 각 상의 게이트 신호가 생성된다.
+
+#### SVPWM 변조
+
+PWM 변조 방식에는 크게 정현파 PWM(SPWM)과 공간벡터 PWM(SVPWM)이 있다. SPWM은 정현파 기준 신호와 삼각파 반송파를 비교하여 각 상의 스위칭 신호를 독립적으로 생성하는 방식으로, 구현이 간단하고 제어가 직관적이다. 반면 SVPWM은 3상 전압 벡터를 하나의 공간 벡터로 표현하고, 출력 전압 벡터 공간을 섹터로 분할하여 인접한 전압 벡터들의 시간 평균으로 목표 벡터를 합성하는 방식이다. SVPWM은 SPWM 대비 DC 링크 전압 활용률이 약 15.5% 높고, 동일 스위칭 주파수에서 출력 전압 고조파 성분이 적으며, 영벡터 배분의 자유도를 이용하여 중성점(Neutral Point) 전압 불균형 보정에도 활용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 DC 링크 전압 활용률과 출력 파형 품질을 고려하여 SVPWM을 변조 방식으로 채택하였다.
+
+(XXX 그림: SPWM과 SVPWM의 전압 벡터 공간 및 스위칭 패턴 비교)
+
+**표 2.X.** SPWM과 SVPWM 비교
+
+| 항목 | SPWM | SVPWM |
+|------|------|-------|
+| 변조 방식 | 정현파 기준 신호 vs 삼각파 반송파 | 전압 벡터 공간 분할 및 시간 평균 합성 |
+| DC 링크 전압 활용률 | 1.0 (100%) | 약 1.155 (약 15.5% 높음) |
+| 구현 복잡도 | 낮음 | 상대적으로 높음 |
+| 고조파 특성 | 상대적으로 많음 | 상대적으로 적음 |
+| 중성점 전압 불균형 보정 | 제한적 | 영벡터 배분으로 보정 가능 |
+| 본 연구 채택 | — | ✓ |
+
+#### 양방향 운전 모드 전환
+
+Inverter 모드(DC → AC)와 Rectifier 모드(AC → DC) 간의 전환은 d축 전류 기준값(I_d,ref)의 부호 전환으로 구현된다. Inverter 모드에서는 I_d,ref가 양(+)으로 설정되어 DC 링크로부터 AC 측으로 유효전력이 공급되며, Rectifier 모드에서는 I_d,ref가 음(−)으로 설정되어 AC 측에서 DC 링크 방향으로 전력이 흡수된다. q축 전류 기준값(I_q,ref)은 단위역률 운전을 기준으로 0으로 설정하며, 필요에 따라 무효전력 보상을 위해 조정될 수 있다.
+
+(XXX 표: DC-AC 인버터 제어기 파라미터)
+
+---
+
+## 2.3 다중 모듈 확장 및 이중화 시뮬레이션
+
+### 2.3.1 다중 모듈 확장 구조
+
+본 연구에서 제안하는 단일 모듈(DC-DC 컨버터 + DC-AC 인버터)을 병렬로 확장함으로써 전기추진 전력 시스템의 법적 이중화 요건을 충족하는 구조를 구성할 수 있다. 각 모듈이 DC 버스 전압만을 인터페이스로 독립적으로 동작하므로, 모듈 수를 증가시키더라도 각 모듈의 제어 로직을 수정할 필요가 없다. 이는 모듈 추가 시 재검증 범위를 최소화하여 시스템 확장성을 높인다.
+
+다중 모듈 구성에서 각 모듈은 DC 버스 전압을 공통 인터페이스로 공유하며, 전압 상태에 따라 독립적으로 충방전을 결정한다. 특정 모듈에 고장이 발생하더라도 나머지 모듈이 DC 버스 전압을 유지하며 동작을 지속함으로써 이중화 요건을 만족한다.
+
+(XXX 그림: 다중 모듈 병렬 확장 구성도)
+
+### 2.3.2 시뮬레이션 조건
+
+단일 모듈 고장 시 나머지 모듈의 이중화 동작 유효성을 시뮬레이션으로 검증한다. 시뮬레이션은 (XXX) 환경에서 수행하였으며, 시스템 파라미터는 실험 시스템과 동일하게 설정하였다.
+
+(XXX 표: 시뮬레이션 파라미터)
+
+### 2.3.3 시뮬레이션 결과
+
+단일 모듈 고장 시뮬레이션에서 고장 발생 직후 DC 버스 전압의 일시적 변동이 관찰되나, 나머지 모듈이 즉각적으로 Boost 동작으로 전환하여 DC 버스 전압을 허용 범위 내로 복원함을 확인한다.
+
+(XXX 그림: 단일 모듈 고장 시 이중화 동작 시뮬레이션 결과 — DC 버스 전압, 각 모듈 전류)
+
+---
+
+## 2.4 소결
+
+본 장에서는 3레벨 NPC DC-DC 컨버터와 T-type 3레벨 NPC DC-AC 인버터로 구성된 간소화된 모듈식 전력변환 시스템을 제안하였다. DC 버스 전압을 모듈 간 유일한 인터페이스로 활용하여 통신 없이 동작하는 제어를 구현하였으며, 히스테리시스 밴드를 통해 채터링을 억제하고 안정적인 모드 전환이 이루어짐을 확인하였다. 또한 단일 모듈의 병렬 확장으로 이중화 요건을 충족하는 구조의 유효성을 시뮬레이션으로 검증하였다.

Thesis/Master_Thesis/260512/chapter3.md

@@ -0,0 +1,107 @@
+---
+title: Chapter 3
+description: 
+published: true
+date: 2026-05-12T08:59:11.347Z
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+editor: markdown
+dateCreated: 2026-05-12T08:59:11.347Z
+---
+
+# 3. 열악한 AC 전원 환경 대응 충전 전략
+
+## 3.1 선박 AC 전원의 약계통 특성 및 전력 품질 문제
+
+### 3.1.1 현행 선급 규정의 한계
+
+IEC 60092-501 및 IEC 60092-101은 선박 전력 계통의 고조파 왜곡에 대해 정상 상태 기준으로 단일 고조파 5% 이하, THD 8% 이하의 요건을 규정하고 있다 [3][6]. 그러나 이는 AC 전원이 정상 상태에서 동작할 때를 기준으로 한 규정이며, 부하 변동이나 약계통 조건에서 발생하는 비정상적인 전압 환경에서의 충전 전류 품질 관리에 대한 구체적인 기준은 존재하지 않는다. 특히 KR 강선규칙에는 고조파 왜곡에 관한 명시적 규정이 부재한 것으로 알려져 있어 [X], 실제 운용 환경과의 괴리가 존재한다.
+
+전기추진선박의 보급 확대에 따라 대용량 전력 컨버터의 사용이 증가하고, 다양한 항만 환경에서의 Shore Power 수전이 일반화됨에 따라 비정상 AC 입력 환경에서의 전력 품질 관리 필요성이 높아지고 있다. 이하에서는 선박 발전기와 Shore Power 각각에서 비정상 전압이 발생하는 양상을 구체적으로 살펴본다.
+
+### 3.1.2 선박 발전기의 전압 특성
+
+선박 전력 시스템은 외부 계통의 지원 없이 독자적으로 운용되는 독립 마이크로그리드(Island Mode)로, 계통 연계 환경과 근본적으로 다른 전압 특성을 나타낸다. 선박 발전기의 과도 리액턴스(X"d)는 동일 용량의 계통 변압기 임피던스 대비 5~100배에 달하는 것으로 알려져 있으며 [X], 비선형 부하가 주입하는 고조파 전류(I_h)는 발전기 단자 전압에 다음과 같이 전압 왜곡을 유발한다.
+
+> V_h = I_h × X"d
+
+동일한 고조파 전류가 흐르더라도 X"d가 클수록 단자 전압 왜곡이 크게 나타나며, 발전기 용량 대비 비선형 부하 비율이 높을수록 V-THD는 급격히 증가한다. 6-pulse 정류기 부하에서 주로 발생하는 고조파 차수는 5, 7, 11, 13차(6k±1 법칙)이며, 이론적 크기는 5차 약 20%, 7차 약 14%에 달한다 [X].
+
+전압 강하(Voltage Sag) 측면에서도 독립 마이크로그리드는 불리하다. 부하 투입 시 초기 강하 구간은 X"d에 지배되며, 계통 단락 용량에 의해 빠르게 회복되는 계통 연계 환경과 달리 발전기 AVR(자동전압조정기) 단독으로 전압을 회복해야 하므로 회복 속도가 제한된다.
+
+(XXX 그림: 선박 발전기 비선형 부하 투입에 따른 단자 전압 및 V-THD 변동 특성)
+
+### 3.1.3 Shore Power의 전력 품질 문제
+
+항만 육상 전원(Shore Power)은 계통에 연계된 전원이지만, 소규모 항만이나 노후 설비에서는 계통 임피던스가 높은 약계통(Weak Grid) 특성을 나타낸다. 약계통에서는 비선형 부하가 주입하는 고조파 전류가 계통 임피던스와 결합하여 PCC(공통 연결점) 전압을 왜곡시킨다. 주목할 점은, 계통 임피던스(Z_grid)가 증가할수록 부하 전류의 고조파 성분(I-THD)은 오히려 감소하는 경향이 있으나, 전압 고조파(V-THD)는 증가한다는 것이다 [X]. 즉 전류 품질이 기준을 만족하는 조건에서도 전압 품질이 저하될 수 있어, 전류 기준만을 규정하는 현행 규정의 한계가 드러난다.
+
+전압 강하 측면에서도, 약계통에서는 부하 투입만으로도 심각한 Sag가 유발될 수 있으며 회복 속도가 느리다. 실제 발생 빈도가 가장 높은 유형은 선간 또는 지락 고장에 의한 비대칭 Sag로, Sag 발생 시 전압 위상각 변화(Phase Angle Jump)를 동반하는 경우가 있어 위상 동기(PLL) 기반 제어에 추가적인 교란을 줄 수 있다 [X].
+
+(XXX 그림: 약계통 Shore Power의 전압 파형 및 V-THD / Voltage Sag 특성 예시)
+
+---
+
+## 3.2 비정상 AC 입력 환경이 DC 버스에 미치는 영향 분석
+
+### 3.2.1 V-THD가 I-THD에 미치는 영향 메커니즘
+
+AC 입력 전압의 고조파 왜곡(V-THD)은 인버터의 AC-DC 정류 동작에서 전류 파형을 왜곡시켜 전류 고조파(I-THD)를 악화시킨다. 정상적인 정현파 전압이 입력될 때 전류 제어기는 정현파 전류 파형을 추종하도록 동작하지만, 입력 전압에 고조파 성분이 포함되면 전압 왜곡이 전류 제어의 기준신호 및 피드포워드 경로에 영향을 미쳐 전류 파형을 왜곡시킨다. 이렇게 왜곡된 전류는 DC 링크로 전달되어 DC 버스 전압 리플을 증가시키고, 결과적으로 배터리 충전 전류의 품질을 저하시킨다.
+
+전압 강하(Voltage Sag)가 발생하는 경우에는, 입력 전압이 낮아진 상황에서 동일한 충전 전력을 유지하려면 더 많은 전류를 뽑아야 하므로 전류 제어기의 부담이 증가한다. 적절한 제어 전략이 없을 경우 충전 전류가 불안정해지거나 충전이 중단될 수 있으며, 제어기가 과도하게 반응하면 I-THD가 악화된다.
+
+(XXX 그림: 정상 AC 입력과 V-THD가 높은 AC 입력에서의 전류 파형 비교 개념도)
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+### 3.2.2 시뮬레이션을 통한 영향 확인
+
+3.2.1에서 기술한 메커니즘이 실제로 문제가 될 수 있는 수준인지 시뮬레이션으로 확인한다. 제어 전략을 적용하지 않은 기본 동작 조건에서 V-THD가 높은 AC 입력 환경 및 Voltage Sag 조건을 인가하여, DC 버스 전압 리플 및 I-THD의 변화를 정량적으로 파악한다. 이 결과는 3.3절에서 제어 전략을 제안하는 근거로 활용된다.
+
+시뮬레이션 조건은 다음과 같다. V-THD는 IEC 60092-101 허용 기준(8%)을 초과하는 수준으로 설정하며, Voltage Sag는 정격 전압의 (XXX)% 수준으로 설정한다.
+
+(XXX 표: 시뮬레이션 조건 및 파라미터)
+
+(XXX 그림: V-THD 조건별 I-THD 및 DC 버스 전압 리플 시뮬레이션 결과 — 제어 전략 적용 전)
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+(XXX 그림: Voltage Sag 조건에서의 충전 전류 및 DC 버스 전압 변동 시뮬레이션 결과 — 제어 전략 적용 전)
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+---
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+## 3.3 I-THD 억제 및 Voltage Sag Ride-Through 제어 전략
+
+### 3.3.1 제어 전략 개요
+
+본 연구에서는 열악한 AC 전원 환경에서의 I-THD 억제 및 Voltage Sag Ride-Through를 위해 PI 컨트롤러를 기반으로 한 변형된 제어 방법을 적용한다. 기존 PI 제어기는 직류 성분의 정상 상태 오차를 제거하는 데 효과적이나, 고조파 성분과 같은 교류 성분의 추종 성능이 제한적이다. 본 연구에서 제안하는 변형된 제어 방법은 이러한 한계를 개선하여 비정상 AC 입력 환경에서도 전류 품질을 유지할 수 있도록 한다.
+
+(XXX 그림: 제안하는 충전 전략 전체 제어 블록 다이어그램)
+
+### 3.3.2 제어기 설계
+
+(XXX 그림: 제안하는 변형 PI 제어기 구조 상세 블록 다이어그램)
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+제어기 설계의 주요 고려사항은 다음과 같다. 첫째, V-THD가 높은 환경에서 전류 추종 성능을 유지하기 위한 대역폭 설계. 둘째, Voltage Sag 발생 시 충전 연속성을 유지하기 위한 전압 강하 감지 및 전류 지령 조정 로직. 셋째, 정상 상태 회복 후 원활한 충전 복귀를 위한 전환 로직.
+
+(XXX 표: 제어기 파라미터 설계값)
+
+### 3.3.3 Voltage Sag Ride-Through 동작
+
+Voltage Sag 발생 시 제어기는 다음과 같이 동작한다. 입력 전압이 설정 임계값 이하로 강하하면 Sag 발생을 감지하고, 전류 지령을 조정하여 DC 링크 전압을 허용 범위 내로 유지한다. Sag 구간에서는 충전 전력을 감소시키더라도 충전 연결을 유지(Ride-Through)하며, 전압이 회복되면 정상 충전 모드로 복귀한다.
+
+(XXX 그림: Voltage Sag Ride-Through 동작 순서도)
+
+---
+
+## 3.4 소결
+
+본 장에서는 선박 발전기 및 Shore Power의 약계통 특성으로 인한 V-THD 문제를 분석하고, 비정상 AC 입력 환경에서 충전 시 I-THD가 악화되고 DC 버스 전압 리플이 증가하는 문제를 시뮬레이션으로 확인하였다. 이를 해결하기 위해 PI 컨트롤러 기반의 변형된 제어 전략을 제안하였으며, 실험 검증 결과는 4장에서 기술한다.
+
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+
+## 참고문헌
+
+[3] IEC 60092-501:2013, *Electrical installations in ships – Part 501: Special features – Electric propulsion plant*, IEC, Geneva.
+
+[6] IEC 60092-101, *Electrical installations in ships – Part 101: Definitions and general requirements*, IEC, Geneva.
+
+[X] ⚠️ 선박 발전기 임피던스 특성 관련 문헌 — 확인 필요.
+
+[X] ⚠️ Shore Power 전력 품질 문제 관련 문헌 — 확인 필요.
+
+[X] ⚠️ KR 고조파 규정 공백 관련 문헌 — 확인 필요.

Thesis/Master_Thesis/260512/chapter4.md

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+title: Chapter 4
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+published: true
+date: 2026-05-12T08:59:35.133Z
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+dateCreated: 2026-05-12T08:59:35.133Z
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+# 4. 실험
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+## 4.1 실험 시스템 구성
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+본 연구에서는 전기추진 선박의 DC 배전 시스템을 모사한 실험 플랫폼을 구축하였다. 500 VDC 전원·부하 시뮬레이터와 380 VAC 전원·부하 시뮬레이터를 양 단에 배치하고, 640 VDC의 공유 DC 링크를 중심으로 양방향 3레벨 DC-DC 컨버터 및 DC-AC 인버터를 연동하여 구성하였다.
+
+(XXX 그림: 실험 플랫폼 전체 구성도)
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+### 4.1.1 3레벨 NPC DC-DC 컨버터
+
+DC-DC 컨버터는 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) Half-bridge 토폴로지를 기반으로 한 양방향 컨버터이다. 3레벨 NPC 토폴로지는 DC 링크의 중성점(Neutral Point)을 클램핑 다이오드를 통해 각 레그에 연결하는 구조로, 스위치에 인가되는 전압 스트레스를 DC 링크 전압의 절반으로 줄일 수 있다. 각 상은 P(양측 DC 버스), O(중성점), N(음측 DC 버스)의 세 가지 스위칭 상태를 가지며, 이를 통해 2레벨 컨버터 대비 낮은 전압 리플과 전류 고조파를 달성할 수 있다 [X].
+
+(XXX 그림: 3레벨 NPC DC-DC 컨버터 회로도)
+
+**표 4.X.** DC-DC 컨버터 주요 사양
+
+| 항목 | 값 |
+|------|----|
+| 토폴로지 | NPC Half-bridge |
+| 정격 전력 | 4 kW |
+| 저압단 전압 | 500 VDC (충전 시 550 VDC) |
+| DC 링크 전압 | 640 VDC |
+| 스위칭 주파수 | 10 kHz |
+| 인덕터 | 1 mH |
+| 스위칭 소자 | Infineon BSM100GB60DLC (600 V Si IGBT) |
+| 운전 방향 | 양방향 (Buck / Boost) |
+
+### 4.1.2 T-type 3레벨 DC-AC 인버터
+
+DC-AC 인버터는 T-type 3레벨 NPC 토폴로지를 기반으로 한다. T-type NPC는 기존 다이오드 클램핑 NPC와 달리 클램핑 다이오드 없이 각 레그의 중성점을 양방향 스위치로 DC 링크 중성점에 직접 연결하는 구조이다. 이를 통해 부품 수를 줄이고, 외측 스위치의 도통 손실을 저감할 수 있다. 특히 중간 스위칭 주파수 영역(6~30 kHz)에서 다이오드 클램핑 NPC 대비 낮은 손실을 나타내는 것으로 알려져 있다 [X].
+
+(XXX 그림: T-type 3레벨 DC-AC 인버터 회로도)
+
+**표 4.X.** DC-AC 인버터 주요 사양
+
+| 항목 | 값 |
+|------|----|
+| 토폴로지 | T-type 3레벨 NPC |
+| 정격 전력 | 4 kW |
+| AC 출력 전압 | 380 VAC (Line-to-Line, RMS) |
+| AC 주파수 | 60 Hz |
+| DC 링크 전압 | 640 VDC |
+| 스위칭 주파수 | 10 kHz |
+| 필터 인덕터 | 4 mH |
+| 필터 커패시터 | 6.8 μF (Y결선) |
+| 스위칭 소자 | Fuji Electric 4MBI400VF-120R-50 (1200 V Si IGBT) |
+| 운전 방향 | 양방향 (Inverter / Rectifier) |
+
+---
+
+## 4.2 실험 결과: 모듈식 시스템 동작 검증
+
+(XXX — 2장 관련 실험 결과)
+
+---
+
+## 4.3 실험 결과: 열악한 AC 전원 환경 대응 충전 전략 검증
+
+3장에서 시뮬레이션으로 문제를 확인하고 제안한 제어 전략의 효과를 실험을 통해 검증한다. 제어 전략 적용 전후를 동일 조건에서 비교하여, 제안 전략이 I-THD 억제 및 충전 연속성 유지에 실질적으로 기여하는지 확인한다.
+
+### 4.3.1 실험 환경 구성
+
+열악한 AC 전원 환경을 재현하기 위해 (XXX) 장비를 활용하여 V-THD 및 Voltage Sag 조건을 인위적으로 생성한다. 실험은 제어 전략 적용 전후를 비교하는 방식으로 진행하며, DC 버스 전압 리플, 입력 전류 파형 및 I-THD를 측정하여 제어 효과를 정량적으로 평가한다.
+
+(XXX 표: 실험 파라미터 및 조건)
+
+(XXX 그림: 실험 환경 구성도)
+
+### 4.3.2 V-THD 환경에서의 I-THD 억제 실험
+
+(XXX) % 수준의 V-THD를 가진 AC 입력 환경에서 충전 실험을 수행하고, 제어 전략 적용 전후의 I-THD 및 DC 버스 전압 리플을 비교한다.
+
+(XXX 그림: V-THD 환경에서 제어 전략 적용 전후 입력 전류 파형 비교)
+
+(XXX 표: V-THD 조건별 I-THD 측정값 및 IEC 60092-101 기준 대비 결과)
+
+### 4.3.3 Voltage Sag Ride-Through 실험
+
+정격 전압의 (XXX)% 수준의 Voltage Sag를 인가하여 충전 연속성 유지 여부를 확인한다. Sag 발생 시 DC 버스 전압 변동, 충전 전류 응답, Sag 회복 후 정상 복귀 동작을 측정한다.
+
+(XXX 그림: Voltage Sag 발생 시 DC 버스 전압, 충전 전류, 입력 전압 파형)
+
+### 4.3.4 선급 THD 요건 만족 확인
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+실험 결과를 통해 열악한 AC 입력 환경에서도 제안하는 제어 전략 적용 시 IEC 60092-101의 THD 요건(단일 고조파 5% 이하, THD 8% 이하)을 만족함을 확인한다.
+
+(XXX 표: 실험 조건별 I-THD 측정값 요약 및 선급 기준 대비 결과)
+
+---
+
+## 4.4 소결
+
+(XXX)