빛으로부터 전기를
ABB 코리아㈜
드라이브 & 모터 사업부/부장 이완주, 조신현
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개요
태양광 에너지 산업은 실제로 대단한 성장을 보이고 있다. 오늘날, 대략 4,500MW의 태양광 발전 설비가 해마다 전 세계에 시설되고 있다. 1996년의 100MW 이하의 설치 용량과 비교해 볼 때, 태양광 산업의 지속적인 성장은 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이러한 현상은 주로 Feed-in tariffs(신재생 에너지 고정가격 구매 제도)라고 불리는 국가 지원 정책에 의해서 힘을 받고 있다.
환경과 산업정책의 영향으로 태양광 시장은 계속 성장하고 있으며, 그 결과 태양광 발전 모듈과 관련 부품의 가치는 하향되고 있다. 태양광 에너지 발전은 현재 전력 계통의 전력 가격과 같은 수준으로 빠르게 근접하고 있다. 태양광 에너지 발전의 kWh당 가격은 기존의 자원(석탄, 석유)으로 생산된 전력의 가격과 비슷해지고 있다.
태양광 발전 플랜트는 보통 두 가지 형태로 나눠진다. 하나는 독립형(Stand-alonesystem)의 시스템이고, 다른 하나는 계통에 연결된 플랜트형(Grid-connected plants)이다.
독립형 시스템은 주로 전력 네트워크 계통에 비 연계된 유틸리티에 주로 전기를 공급하는 것을 말한다. 이러한 시스템은 계통에 접근하기 어렵거나 에너지 소비가 너무 작아 계통에 연결하기 힘든 곳에 주로 사용된다. 이 시스템에서 태양광 패널에 의해서 생산된 전기는 밤에도 지속적으로 전기를 공급하고, 태양이 뜨지 않은 상황에서도 에너지를 공급할 수 있도록 배터리(Battery)에 저장(charging) 되어야 한다. 이러한 시스템에는 모두 직류의 전류가 인가된다. 따라서 교류 전력을 얻기 위해서는 인버터가 필요하다.
계통에 연계된 플랜트형 태양광 발전은 에너지를 공급하기 위하여 각각 병렬로 전력 네트워크에 연결된다. 그래서 각각의 시스템이 작은 발전소 역할을 함으로써 공공 전력, 산업현장, 개인 빌딩의 에너지 소비를 전부 충당하거나, 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 이 계통 연계형 태양광 발전은 다수의 태양광 모듈이 인버터에 전력을 공급하는 특별한 장치들로 서로 연결되어 있다. 인버터는 태양광 발전 전력 에너지를 단상이든 삼상이든 상관없이 계통의 네트워크 표준에 맞게 조절한다.
예전의 태양광 발전 어플리케이션은 전형적으로 오프-그리드 어플리케이션에 에너지를 공급했지만, 태양광 패널의 넓은 어레이가 계통에 에너지를 공급하기 위해 더욱더 건설되고 있는 추세이다. 이에 따라 태양광 발전 계통 연계에 사용되는 인버터는 효율성, 신뢰성, 가격 경쟁력이 중요한 요인이 된다.
ABB의 새로운 태양광 인버터인「PVS800 시리즈」인버터①는 광범위한 지면 장착형 태양광 발전 플랜트와 상업용, 산업용 빌딩에 설치되는 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있도록 개발되었다. 모듈형 인버터는 태양광 발전 모듈에서 받은 DC를 계통에 적합한 AC로 전환시킨다. 현재 「PVS800」인버터는 100, 250, 500kW의 3가지 정격 출력을 가지고 있다.
태양광 발전 어플리케이션은 광범위한 수요 시장을 보여주고 있다. 가격과 신뢰성이 이러한 시장에서 성공의 중요한 부분이기 때문에, 인버터는 최고 수준의 신뢰성을 바탕으로 공급되어야 할 뿐만 아니라, 에너지 효율, 콤팩트한 디자인, 지속성, 설치 용이성 등의 요구조건을 갖추어야 한다. 뿐만 아니라 열악한 환경 조건, 높은 온도와 습도에서도 운전이 가능해야 한다.
1. The 250kW PVS800 central inverter, showing its compact and slim design
인버터는 계통으로 전력을 공급하기 위해서 엄격한 요구사항을 만족해야 한다
ABB는 성공적이고 널리 사용되는 다양한 산업용 드라이브 제품군 및 다양한 경험과 검증된 기술을 기반으로 전력 공급에 필요한 여러 가지 요구사항들을 충족시켜왔다.
「PVS800」 인버터는 풍력 발전 어플리케이션에서 사용되는 드라이브이다. 산업용 드라이브는 전형적으로 DC 링크에 의해서 두 개의 컨버터가 연결되지만, 태양광 인버터는 단지 하나의 인버터만을 사용하기 때문에 인버터의 제어와 보호 방식들이 다르다.
ABB 인버터는 ABB 제품의 검증된 유지보수 성능과 서비스 정신으로 적어도 20년 동안은 안정적인 운전이 가능하도록 제작된다.
새로운 인버터 제품의 주요 기능
ㆍ높은 신뢰성과 장기간 운전 가능한 검증된 기술 기반
ㆍ좁은 공간에도 설치할 수 있는 콤팩트한 모듈형 디자인, 쉽고 빠른 제품 설치
ㆍ최첨단 산업 디자인으로 최고의 효율성을 자랑
ㆍ광범위한 현장, 원격 통신
ㆍABB의 글로벌 서비스 네트워크를 통한 Life-cycle 서비스, 전 세계 어디서나 신속한 서비스
2. Design and grid connection in a system consisting of two ABB central inverters. The inverters can handle input voltages of up to 900V.
인버터 설계
인버터의 일반적인 설계는 위의 그림②와 같다. 계통에 전력을 공급하기 위해서 인버터의 설치는 엄격한 요구사항을 만족해야 한다. 따라서 AC와 DC 측면과 역률 보상에 대한 인버터의 안전과 보호 특징이 내장되어 반영 되었다. 또한 인버터는 AC와 DC 양 측면에 서지 보호 장치 및 국가별로 요구하는 사양들을 만족하는 계통-모니터링 기술이 적용 되어있다. 그리고 ABB의 인버터는 현재 계통의 요구사항을 만족시킬 뿐만 아니라, 무효전력 역률 보상, 전력 손실, LVRT(저전압 보상 방법)의 기능에 관한 요구사항을 만족시켜준다. 일례로 이러한 기능들은 네트워크가 불안정한 상황에도 계통의 지원을 가능케 한다. 인버터의 필드버스 인터페이스(Modbus, PROFIBUS, CANopen, Ethernet)는 현장, 원격 제어 및 감시를 가능하게 한다.
태양광 발전에 사용되는 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘은 태양광 시스템의 효율을 높이기 위한 알고리즘으로 태양광 모듈에서 항상 최대 전력 에너지를 계통으로 전달하기 위해 사용된다. 태양광 에너지(전력 P)의 특성 곡선(전류/전압)은 태양광 셀에 도달하는 빛의 양과 온도 등에 따라서 변화하기 때문에 MPPT 알고리즘이 필요하다. MPPT 알고리즘은 어떠한 조건이든 상관없이 항상 그 상황에서 최대 전력을 추종하도록 수행된다.
계통 연계
작은 규모의 태양광 발전인 경우, 전력은 보통 저전압의 계통으로 직접 공급된다. 큰 규모의 플랜트의 경우 전형적으로 변압기와 스위치기어③(ABB 공급제품)를 사용하여 중전압의 계통으로 연결된다. 몇몇의 어플리케이션의 경우, ABB의 인버터 기술로 같은 변압기를 사용하여 몇 개의 인버터를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이는 비용 절감의 중요한 핵심 요소이다.
3. Data communication and connection of the ABB central inverter
밝은 전망
환경에 대한 인식과 비용의 하락은 태양광 발전 시장의 지속적인 성장을 가져왔을 뿐만 아니라, 새로운 여러 나라로 확장을 해 나가고 있다. 많은 국가의 정부들이 Feed-in tariffs(신재생 에너지 고정가격 구매 제도)를 통하여 태양광 에너지의 확산을 지원을 하고 있다. 이러한 제도는 신재생 에너지에 대한 투자를 더욱 매력적이게 만들고, 태양광 에너지 시장의 규모를 확대하고 있고 시장 규모를 확장시키고 제품 생산의 가격을 낮추고 있다. 이러한 접근 방식은 매우 성공적이었다. 일사량이 많거나, 피크 수요 전기 요금이 비싼 캘리포니아나 이탈리아와 같은 지역에는 5년 이내에 그리드 패리티에 도달할 것으로 추정된다. 그리드 패리티란 신재생 에너지원에 의해 생산된 전력의 가격이 화석에너지로 생산된 전력의 가격과 같아지는 수준을 의미한다.
작은 규모의 태양광 발전인 경우, 전력은 보통 저전압의 계통으로 직접 공급된다. 큰규모의 플랜트의 경우 전형적으로 변압기와 스위치기어를 사용하여 중-전압의 계통으로 연결된다.
일단 그리드 패리티에 도달하게 되면, 태양광 발전 시장은 대단한 호황기를 누릴 것이다. 이러한 현상은 탄소 배출과 탄소 의존도를 감소시키는 관점에서 바람직하지만, 태양광 발전 전기의 계통 유입은 전력 네트워크와 계통을 제어함에 있어서 과제를 안겨주었다. 좀 더 고급화되고 앞서 가는 제어 기술이 필요할 것이다. 정답은 스마트 그리드이다. 이 스마트 그리드는 발전의 분권화, 양방향으로 작용하는 전력의 흐름, 수요와 공급을 최적화, 향상된 측정, 감시,제어 시스템 등에 대하여 조화를 이룰 수 있어야 한다. ABB는 고급화되고 진보된 신제품 개발에 앞장서고 있으며, 이전의 그리드에서 스마트 그리드로의 변화를 가져올 기술을 적극적으로 지원하고, 그것을 가능하게 한다. 물론 ABB의 태양광 인버터는 스마트 그리드에 호환된다.