편집자 주

산업혁명 이후 지속적으로 대량의 온실가스가 대기로 배출됨에 따라 지구 대기 중 온실가스 농도가 증가해 지구의 지표온도가 과도하게 증가되는 지구온난화 현상이 최근 전 세계의 화두가 되었다. 이에 따라 각국은 지구온난화 현상을 막기 위해 이산화탄소의 배출을 줄이는 노력을 기울이고 있다. 이것은 지구 환경의 문제뿐만이 아니라 탄소배출권을 통한 자국의 이익 증가를 목적으로 하고 있으며, 세계 각국은 탄소배출량을 줄이기 위한 경쟁으로 신재생에너지에 대해 관심을 집중하고 있다.

그 중에서 청정 자원인 태양광에너지는 운전과 유지, 보수가 용이하고 발전용량의 선택이 자유로운 장점이 있다. 또한 설치가 쉽고, 관리비가 매우 저렴하고 피크 전력 소비 시간대에 생산량이 최대이기 때문에 전력 계통과 연계 운전시에 전력수급에 도움을 줄 수 있어 다른 신재생에너지에 비해 더욱 중요시 되고 있다. 그러나 태양에너지는 에너지 밀도가 낮고, 태양광에너지의 변환효율이 비교적 낮으며, 오랜 연구기간에 비해 시장에 널리 보급되기 시작한 것이 최근이기 때문에 전체 에너지 비중에 대해 태양광에너지가 차지하는 비중은 비교적 적은 편이다.

그림 1은 2000년 이후 세계의 에너지 비전을 제시한 것으로, 현 시점에서의 태양광에너지가 전체 에너지에서 차지하는 비율은 미비한 정도에 불과하지만, 향후 화석에너지의 고갈과 탄소 배출권 확보를 위한 각국의 노력에 의해 2050년에는 20%, 2100년에는 전체 에너지의 70%까지 태양광에너지가 차지할 전망이다. 이는 풍력, 원자력 등의 에너지 생산량을 능가하는 양이다.

태양광 인버터

태양광 인버터를 용량별로 구분할 때, 소규모 발전사업자를 위한 10kW급 이하의 태양광 인버터와 대규모 발전사업자를 위한 10kW급 이상 태양광 인버터로 크게 나눌 수 있다. LS산전에서 개발한 태양광 PCU는 태양전지로부터 발전된 직류 전력을 교류 전압으로 변환해 상용 계통에 전달하는 전력변환 장치로서, 태양광 PCU(Power Conditioner Unit)라고 표기한다.

LS산전에서 기존에 개발한 태양광 PCU는 단상 220V 계통에 연결되는 가정용 3kW급 제품이었으며, 태양전지에서 발생한 전력을 계통에 공급하기 위해서 변압기를 사용하지 않는 무변압기(Transformerless) 방식이다. 그러나 이번에 개발한 50kW 태양광 PCU는 3상 380V 계통에 연결 가능하며, 출력 측에 변압기를 두어 전기적으로 절연이 되어 있다.

50kW 태양광 PCU의 주요한 특징은 다음과 같다.

상용 주파수 변압기 방식 채용

상용주파수의 변압기를 통해 전력용 반도체와 계통을 전기적으로 절연한다.

넓은 입력전압범위

PV Cell 입력 전압 범위가 370~800V로써 국내외에서 판매되는 제품에 비교했을 때 높은 직류 전압과 넓은 전압 범위를 자랑한다.

EMC Filter 내장

10kW를 초과하는 태양광 PCU에 대한 국내 인증 규격은 제정되지 않았지만, 해외 수출을 겨냥해 EMC Filter를 내장 가능하도록 한다.

IP21 등급의 외함

수직으로 낙하하는 물에 대해서 보호가 가능한 IP21 등급으로 기구설계되었다.

높은 최대 효율

태양광 PCU의 최대 효율 96% 이상을 달성했다.

94% 이상의 유로효율

다양한 발전량 조건에서 태양광 PCU의 이용 효율인 유로효율을 94% 이상 달성했다.

단독운전방지기능 내장

Passive Method와 Active Frequency Method를 적용한 Anti-islanding 기법을 적용했다.

낮은 THD

전체 THD(Total Harmonic Distortion) 5% 이하 및 각 차수 3% 이하의 THD를 기록했다.

낮은 대기 전력 설계

대기상태에서의 소비전력을 100W 이하로 설계해 낭비전력을 최소화했다.

시스템 모니터링

모니터링 프로그램인 하이페리온과 통신을 통해 PCU의 상태를 확인할 수 있다. 또, RTU와의 통신을 통해 태양광 PCU의 발전량을 에너지관리공단에 통보한다.

컴팩트한 사이즈

이동 및 설치가 용이하도록 최적화된 구조로 제작되었으며, 사이즈는 750(W)×1680(H)×800(D) 이다.

시스템 구성

LS산전의 50kW 태양광 PCU는 크게 PV 입력부, 인버터부, 계통부, 센싱부, 제어 및 디스플레이부로 구분할 수 있으며, 각 부분은 차단기, 인버터, 필터류, 변압기, 퓨즈류, HMI, 그리고 제어기 등 몇 개의 구성품으로 구분할 수 있다. 그림 2에 구성을 간략하게 도시했다.

■인버터부 : 실제 전력변환을 담당하는 부분으로 직류단 커패시터와 반도체 스위치, 게이트 드라이브 등으로 구성

■필터부 : 인버터의 출력에 포함된 고조파를 제거해 계통에 깨끗한 정현파를 공급하는 부분으로 리액터(LF), 커패시터(CF), 그리고 변압기(TR)을 이용해 L-C-L 필터를 구성한다. 변압기는 인버터를 계통으로부터 절연한다.

■HMI : 컬러 터치 LCD로, 태양광 PCU에 대한 모니터링과 태양광 PCU 동작에 대한 지령을 담당한다.

■PV 입력부 : 태양전지의 출력 케이블이 연결되는 부분, 직류 차단기와 퓨즈 등으로 구성된다.

■계통부 : PCU의 계통 연결/차단하는 역할을 하고 발전된 전력을 계통에 공급하는 부분으로 교류 차단기, 자기 접촉기, 그리고 퓨즈 등으로 구성된다.

■제어기 : PCU 각 부분에 대한 데이터 수집 및 제어를 담당한다. 전압과 전류를 수집하는 부분, 접점 상태 수집 및 접점의 온/오프 제어 부분, 그리고 인버터의 스위칭 등 제어 신호를 발생하는 프로세서 부분으로 구성된다.

■센싱부 : 태양광 PCU의 각 부분 전압/전류 정보를 측정해 제어부에 전달한다.

그림 3. 태양광 PCU 디자인.  제품은 패널 형태로 설계되었으며, IP21 등급으로 설계되어 수직으로 낙하하는 물 또는 이물질로부터 PCU 내부가 보호된다.

디자인

LS산전의 태양광 PCU 외형은 그림 3과 같다. 제품은 패널 형태로 설계되었으며, IP21 등급으로 설계되어 수직으로 낙하하는 물 또는 이물질로부터 PCU 내부가 보호된다. 전면에 2개의 도어를 3:2의 비율로 분할/배치했다. 전면 이외의 면에는 도어를 배치하지 않는다.

도어의 개방 순서는 우측 도어를 개방해야 좌측 도어도 개방할 수 있으며, 닫을 경우에는 반대의 순서로 진행한다.

제품의 높이는 1,680mm로, 사용자가 편리하도록 HMI와 이머전시 스톱 스위치(Emergency Stop Switch), 그리고 도어 핸들을 배치했다. 제품의 냉각을 위해서 제품의 전면과 후면 하부에서 공기가 유입되고 제품의 상부로 배출된다.

HMI 메뉴 구성

LS산전의 태양광 PCU는 사용자의 편의성을 최대한 지원하도록 개발되었으며, 사용자의 인식성과 조작성이 편리하도록 그래픽 LCD 터치스크린을 사용했다. 따라서 사용자는 HMI의 화면을 클릭하는 것만으로 태양광 PCU의 각종 동작 정보를 확인할 수 있으며, 동작 지령을 PCU에 전달할 수 있다. 이에 따른 HMI의 각 메뉴 구성은 다음과 같다.

초기 화면

· PCU 최초 기동시 HMI에 나타나는 화면으로 사용자에게 PCU의 현 상태정보를 제공한다.

· 화면 상부에는 현재 날짜와 시간이 표시된다.

· PV 어레이, 인버터, 그리드에 대한 정보가 각 부분을 나타내는 아이콘 아래에 표시되어 현재 태양광 PCU의 입/출력 상태를 확인할 수 있다.

· 총 발전량과 금일 발전량이 표시되어 태양광 PCU가 금일 발전한 발전량과 지금까지 누적해 발전한 발전량을 확인할 수 있다.

· ‘Run’, ‘Stop’의 원형모양의 버튼을 클릭함으로써 PCU의 동작과 정지 지령을 내릴 수 있다.

· 그림 4는 초기 화면의 모습이다.

그림 4. 태양광 PCU의 HMI 초기 화면.  사용자는 HMI의 화면을 클릭하는 것만으로 태양광 PCU의 각종 동작 정보를 확인할 수 있으며, 동작 지령을 PCU에 전달할 수 있다.

그림 5. 태양광 PCU의 HMI Main 화면. 메인 화면은 사용자에게 태양광 PCU의 각 부분의 계측정보를 제공해 태양광 PCU의 각 부분이 정상동작을 하고 있는지를 사용자에게 모니터링 하는 역할을 한다.

메인 화면

· 메인 화면은 사용자에게 태양광 PCU의 각 부분의 계측정보를 제공해 태양광 PCU의 각 부분이 정상동작을 하고 있는지를 사용자에게 모니터링 하는 역할을 한다.

· 초기 화면에서 ‘MAIN’ 버튼을 클릭하면 메인 화면으로 전환된다.

· 메인 화면은 ‘PV ARRAY’, ‘INVERTER’, ‘GRID’ 화면으로 구성되며, 각각의 화면은 PV 어레이의 전압/전류/발전량, 인버터의 전압/전류/주파수/온도, 그리드의 전압/전류/주파수/발전량 정보를 나타낸다.

· 메인 화면에서 좌우 화살표 버튼을 클릭해 ‘PV ARRAY’, ‘INVERTER’, ‘GRID’ 화면으로 화면을 전환할 수 있다.

FAULT 화면

· PCU에서 발생하는 각종 결함 상태에 대해 사용자에게 정보를 제공해 태양광 PCU에서 발생한 문제점 및 결함 현상 파악의 역할을 한다.

· 초기 화면에서 ‘FAULT’ 버튼을 클릭하면 결함 표시 화면으로 전환된다.

· PCU에서 문제가 발생하면 발생한 시간과 결함 내용이 화면에 나타난다.

· 결함 내용은 한 화면에 6개씩 총 60개가 표시되며, 좌우 화살표 버튼을 클릭해 화면을 전환할 수 있다.

그림 6. 태양광 PCU 의 HMI Fault 화면. PCU에서 발생하는 각종 결함 상태에 대해 사용자에게 정보를 제공해 태양광 PCU에서 발생한 문제점 파악의 역할을 한다.

STATISTIC 화면

· 사용자에게 가장 관심사항인 발전량을 나타내는 역할을 한다.

· 초기 화면에서 ‘STATISTIC’ 버튼을 클릭하면 통계 화면으로 전환된다.

· PCU의 발전량을 나타내는 화면으로, 전체 발전량, 연간 발전량, 월별 발전량, 일일 발전량을 그래프를 통해 확인해 발전량의 변화량을 확인할 수 있다.

· 화면의 좌우 화살표 버튼을 클릭해 화면을 전환할 수 있다.

그림 7. 태양광 PCU의 HMI Statistic 화면. 사용자에게 가장 큰 관심사항인 발전량을 나타내는 역할을 한다.

SETUP 화면

· 태양광 PCU의 설치/Setup 시 각종 기본 정보를 설정해 태양광 PCU의 설정값을 정하는 역할을 한다.

· 초기 화면에서 ‘SETUP’ 버튼을 클릭하면 셋업 화면으로 전환된다.

· 셋업 화면은 ‘Date & Time’ 화면과 ‘User Setting’ 화면으로 구성된다.

· Date & Time 화면에서 PCU의 시간을 설정할 수 있다.

· User Setting 화면에서 PCU의 Fault level을 사용자가 설정할 수 있으며, 계통전압의 과부족, 계통 주파수의 과부족, Anti-islanding 항목을 설정할 수 있다.

그림 8. 태양광 PCU 의 HMI Setup 화면. 태양광 PCU의 설치/셋업시 각종 기본 정보를 설정해 태양광 PCU의 설정값을 정하는 역할을 한다.

세계시장 점유율 높이기 위한 기술개발 지속

세계 각국은 신재생에너지 개발에 막대한 비용을 투자하고 있으며, 우리나라도 녹색성장에 매진하고 있다. 국내 태양광 인버터 생산업체는 고효율과 사용자 편의기능에 중점을 두고 태양광 인버터 개발에 힘쓰고 있으며, 향후 해외시장 개척을 통한 국가 위상 재고를 위해 불철주야 노력을 아끼지 않고 있다. 그러나 이러한 노력이 현실화되기 위해서는 세계시장에서 점유율을 높이고 기술적 우위를 점하기 위한 보다 빠른 대응과 끊임없는 연구가 지속되어야 하며, 그에 따른 투자 또한 과감하게 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

(1) German Advisory Council on Global Change

(2) IMS Research, 2010

(3) Sonne Wind & Warme Magazin 5/2009

본 기사는 LS산전(www.lsis.biz) 자동화연구소 파워 컨디셔너 연구팀의 김희중 책임연구원(팀장), 박태범 선임연구원, 김성환 선임연구원, 박주현 연구원이 공동으로 작성한 것입니다.