2.1 독립전원 기반 소형 선박용 방오 시스템 설계

본 논문에서 제안한 독립전원 기반 초음파 방오 시스템의 다이어그램은 그림 1에 나타내며, 제안 시스템의 구성은 독립전원, 전력 공급 컨버터, 배터리 모듈, 전력변환장치 및 초음파 방오 장비로 구성된다. 제안 시스템 중 본 논문에서 제안한 전력 공급 컨버터는 독립전원 모듈이 갖는 비선형적인 특성에서 최적의 동작점을 추종하여 최대 전력을 배터리 모듈에 저장하고, 배터리 모듈의 전력을 전력변환장치를 통해 초음파 방오 장비를 운영할 수 있는 AC 전력을 공급한다.

제안한 시스템을 소형 선박에 적용하기 위해 한국수산회 수산정책연구소에서 발표한 "소형어선의 경쟁력 강화 방안 연구⁽⁴⁾" 자료를 분석하였으며, 해당 연구에 따르면 연안 소형 선박(어선) 연평균 항차수는 161.7회이며, 조업일수는 약 165.5일로 분석된다. 또한, 연안 중소형 선박(어선)의 일일 조업시간 8.4시간(1,387시간 (연평균 조업시간)/165.5일(조업일수)), 평균 1.8시간 이동하는 것으로 분석된다. 제안 시스템의 구성 및 전력 설계를 위해, 분석 자료를 기반으로 1일 평균 약 11시간(조업 및 이동시간 포함) 및 2일 기준으로 하루(조업일수 165.5일)만 선박이 운항한다는 패턴을 적용하여 시뮬레이션을 수행했다.

시뮬레이션은 solar rate를 적용하여 독립전원의 발전량을 계산하였으며, 발전된 전력은 배터리 모듈에 항시 충전하고, 배터리 모듈에 충전된 전력을 전력변환장치를 통해 선박이 정박하는 동안에 초음파 방오 장비가 운영되는 조건을 적용했다. 시뮬레이션 결과는 그림 2에 나타내며, 초음파 방오 장비 1개를 사용하는 소형 선박 기준 약 500W급 독립전원 및 2kWh급 이상의 배터리 모듈이 탑재된다면, 선박이 정박 중 전력을 발생하기 위해 엔진 또는 발전기를 구동하지 않아도 독립전원을 통해 방오 장비를 운영할 수 있을 것으로 예상된다.

2.2 전력 공급 컨버터 설계

독립전원 기반 초음파 방오 시스템 운영을 위한 500W급 전력 공급 컨버터 다이어그램은 그림 3에 나타낸다. 제안 회로는 기존의 PN 접합의 다이오드와 비교하여 순방향 전압 특성이 낮으며, 역 회복 손실(reverse recovery loss)을 감소할 수 있고, 고속 스위칭이 가능한 Schottky Diode⁽⁵⁾ 및 스위칭 속도가 빠르며 고주파수대 영역에서 효율적으로 사용 가능한 N-MOSFET 전력 스위치기반 2상 인터리브드 부스트 컨버터로 설계했다. 그리고 스위치 소자는 보드 아랫면으로 실장 하여, 방열판을 통해 소자에서 발생하는 열을 방열하기 위한 방열 구조로 설계했다. 특히, 2상 인터리브드 부스트 컨버터는 기존의 부스트 컨버터에 추가적으로 스위치, 인덕터와 다이오드를 병렬 연결하여, 2개의 스위치를 180도의 위상차를 두고 동작시킴으로써 입출력 전류의 리플 저감을 통해 커패시터의 용량을 줄일 수 있으므로 회로의 경량화를 가능하게 하고⁽⁶⁾, 또한 식(1)에 따라 전력 손실을 절감할 수 있음으로써 더 높은 효율 달성이 가능하다.

그리고 자체 전원 공급을 위한 컨버터 회로는 FET Driver용 14V, 통신 및 디지털 회로용 5V 및 3.3V LDO(Low Drop Output)를 포함한 전원회로로 설계했다. 또한, 독립전원 모듈이 갖는 비선형적인 특성에서 최대 출력을 추종하기 위하여 효과적인 MPPT 제어 알고리즘 중 구현이 쉽고 구조가 간단한 P&O(Perturb and Observation) 방식을 적용했다⁽⁷⁾.

제안한 전력 공급 컨버터는 하나의 채널(인덕터, 스위치, 다이오드) 기준으로 동작 모드를 분석할 수 있다. 동작 모드는 스위칭 기간 동안 부하에 전달되는 에너지의 양에 따라 연속전도모드(CCM, Continuous Conduction Mode) 또는 불연속전도모드(DCM, Discontinuous Conduction Mode)로 구분할 수 있으며, 그림 4는 각 모드에서 인덕터에 흐르는 전류 파형을 나타낸다. 불연속전도모드의 경우 스위치 및 출력 다이오드의 피크 전류가 큼에 따라 손실이 높은 스위치 및 다이오드를 사용해야하며, 더 큰 피크 전류로 인하여 더 큰 EMI 문제를 야기함에 따라 회로의 소형화가 어렵다. 하지만 연속전도모드의 경우 인덕터 stress가 낮음에 따라 EMI 필터의 저감이 가능함으로써 회로의 소형화가 가능한 장점을 가진다. 또한, 스위치 stress가 낮음에 따라 스위치에서 발생하는 도통 손실 저감이 가능하고, 시스템의 효율을 향상 시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 제안한 회로는 연속도통모드 기반으로 설계했다⁽⁸⁾.

제안한 회로의 시비율은 식(2)~(3)과 같이 계산된다. 식에서 $V_{o}$는 출력 전압, $V_{d}$는 다이오드의 순방향 전압 강하, $V_{(on)}$은 스위치의 문턱 전압, $V_{i(max)}$ 및 $V_{i(min)}$은 각각 최대 입력 및 최소 입력 전압을 나타낸다.

식(4)는 인덕터에 흐르는 평균 전류 관계식이며, 제안 회로는 인덕터 2개를 사용하므로 각 인덕터에 흐르는 평균 전류는 전체 전류에 절반이 된다.

식(5)는 2상 인터리브드 부스트 컨버터 구현을 위하여, 위상당 필요한 인덕턴스를 계산하는 관계식이다.

제안 전력 공급 컨버터의 세부 사양은 식(2)~(5)를 기반으로 설계되었으며, 세부사양은 표 1과 같다.

제안 회로는 독립전원 모듈이 갖는 비선형적인 특성에서 최대 출력을 추종하기 위해 효과적인 MPPT 제어 알고리즘을 적용해야 한다. 그 중 구현이 쉽고 빠른 응답을 가지며, 구조가 간단한 P&O 방식을 적용했다. P&O 방식은 독립전원 모듈의 출력 전압과 전류를 검출하여, 이전의 출력 전력과 현재의 출력 전력을 비교하여, 최대 전력 동작점을 찾는다. 또한, 일사량이 서서히 변하는 상황에서는 최대 전력점이 안정되어 태양전지 어레이의 손실을 최소화할 수 있게 한다. 식(6)~(9)에 따라 현재 출력 전력 $P_{(n)}$과 이전의 출력 전력 $P_{(n-1)}$을 비교하여 제어하며, 독립전원 모듈의 전압과 전류를 피드백 받아 전력을 계산하고, 전력과 전압의 변화에 따라 시비율을 제어한다. 그림 5는 본 논문에서 제시한 회로에 적용한 P&O 방식의 MPPT 알고리즘을 나타낸다⁽⁹⁾.

독립전원 기반 소형 선박용 초음파 방오 시스템을 구성하는 초음파 방오 장비의 세부사양은 표 2와 같으며, 하나의 초음파 트랜스듀서 구동 드라이브에는 2개의 초음파 트랜스듀서가 연결되어 운영된다.

독립전원 기반 소형 선박용 초음파 방오 시스템을 구성하는 각 시스템별 설계사양은 앞에서 설명한 바 있으며, 시스템에 구성되는 배터리 모듈 세부사양은 표 3과 같다. 배터리는 LiFePO4를 선정하였으며, 총 12개의 셀을 직렬로 연결한 2개의 모듈을 직렬로 연결하여, 총 배터리 모듈 용량이 76.8V, 30Ah, 2.3kWh가 되도록 설계했다.

2.3 전력 공급 컨버터 시뮬레이션

제안한 500W급 전력 공급 컨버터의 시뮬레이션에 적용된 독립전원 모듈 상세 사양은 표 4에 나타낸다.

시뮬레이션은 독립전원 모듈 전압($V_{pv}$), 전류($I_{pv}$), 전력($P_{pv}$)을 통해 현재 값과 이전 주기 값을 비교하여 나온 전압 지령치 (ΔV)에 따라 제어하고, 일정한 스텝 사이즈로 최대 전력점을 추종하는 P&O 알고리즘을 적용하였으며, 2개의 PV 모듈을 직렬 연결하여 수행했다. 시뮬레이션 결과 최대 일사량 조건(1000W/m²)에서 제안한 회로의 최대 출력인 약 500W의 출력을 검증했고, 이를 통해 MPPT 제어 알고리즘이 적절히 구동됨을 확인했다. 또한, 제안한 전력 공급 컨버터의 2상 인터리빙 동작을 위해 스위치 S1과 S2는 180도의 위상차를 가지도록 구현했고, 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 두 인덕터 및 입력 단에 흐르는 전류 파형을 확인함으로써, 2상 인터리빙 제어 알고리즘이 적절히 구동됨을 확인했다. 그림 6은 독립전원 모듈 직렬 시 시뮬레이션 다이어그램 및 시뮬레이션에 적용된 독립전원의 VI와 VP 커브 정보이며, 그림 7은 제안한 전력 공급 컨버터의 성능 시뮬레이션 결과이다.

2.4 전력 공급 컨버터 실험 및 결과

제안한 전력 공급 컨버터의 타당성을 검증하기 위하여, 독립전원 기반 500W급 컨버터를 제작했다. 제작한 시작품의 사양은 시뮬레이션에서 제시한 사양과 동일하게 설계하였으며, 그림 8과 그림 9는 제작한 500W급 컨버터 시작품 사진 및 성능 평가 구성 사진을 나타낸다.

그림 10과 표 5는 부하 변화에 따른 시작품의 성능을 검증하기 위해 Solar Array Simulator에 독립전원 출력사양을 설정하고, 시작품의 부하를 100W 단위로 변화시켰을 때 전력분석기로 측정한 전력 변환 효율, 입·출력 전류, 전압, 전력 등을 나타낸다.

그림 11은 제안한 독립전원 기반 초음파 방오 시스템에 전력 공급을 위한 컨버터의 독립전원 모듈 일사량 조건에 따른 MPPT 알고리즘 중 P&O 방식을 적용하였을 때, 성능 검증 결과이다. 다양한 일사량 조건을 적용하기 위해 PV Simulator와 TerraSAS 프로그램을 이용하였으며, 일사량 조건을 100% 및 75% 가정하여 IV 그래프에 적용하여, MPPT 제어 성능을 확인했다. 또한, 일사량을 스텝으로 급변시켜 적용하더라도 MPPT 추정 효율은 일사량 75% 조건에서 99.6% 이상을 얻음으로써, 급변하는 일사량 조건에서도 MPPT 제어가 안정적으로 동작하는 것을 확인했다⁽¹⁰⁾.

그림 12는 제안한 독립전원 기반 초음파 방오 시스템에 전력 공급을 위한 전력 공급 컨버터의 정격 출력 상태에서 측정한 성능 검증 파형이며, 독립전원 입력 전압 파형, 전력 공급 컨버터의 출력 전압 파형, 전력 공급 컨버터의 출력 전류 파형 및 전력 공급 컨버터의 구동을 위해 인버팅 게이트 드라이버를 통한 스위치의 게이트 소스 파형을 각각 나타낸다. 또한, 해당 실험을 통해 제안 회로의 500W급 정격 출력 상태에서 입출력 전압, 전류, 스위칭주파수 등 주요 설계 사양을 확인했고, 그림 10, 표 5 및 해당 실험을 통해 제안 회로의 로드 레귤레이션 제어가 안정적으로 동작하는 것을 확인했다.