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title: New Introduction 260508_Shore_Power_Inverterandcharger_Concept
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published: true
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date: 2026-05-08T10:46:15.298Z
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dateCreated: 2026-05-08T09:09:41.031Z
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# 논문 배경 서술 + Contribution (최종안)
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## 배경
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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- **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.
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- **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.
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- **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.
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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)
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**Q1. 통신 기반 제어보다 전압 기반 제어가 우월한가?**
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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.
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**Q2. 전압 히스테리시스 밴드 설정 근거는?**
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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.
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**Q3. 인버터 겸용 시 하드웨어 분리는 어떻게 하는가?**
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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.
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**Q4. 통신 없이 각 모듈의 배터리 SOC 평준화가 가능한가?**
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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
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> ⚠️ **확인 필요** 표시된 문헌은 실제 제목·저자·출판 정보를 직접 검증할 것.
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| 내용 | 인용 문헌 | 확인 |
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| 전기추진선박 분류 | KR, *Guidance for Electric Propulsion Ships*, 2016 | ✅ |
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| 전원 이중화 의무 | IMO, SOLAS Ch. II-1, Reg. 40–41 | ✅ |
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| 전기추진 설계 요건 | IEC 60092-501:2013 (or 2025) | ✅ |
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| 국내 안전기준 | 해양수산부, 「전기추진 선박기준」 고시, 2024 | ✅ |
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| Shore Power 표준 | IEC/IEEE 80005-1:2019 | ✅ |
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| DC 배전 설계 가이던스 | KR, *Guidance for DC Distribution Systems*, 2022 | ⚠️ 확인 필요 |
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| Shore Power 약계통 문제 | Voltage Drop Estimation during Shore Connection, MDPI Processes 2023 | ⚠️ 확인 필요 |
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| Voltage Sag Ride-Through | IEEE 1668-2017 | ✅ |
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