김 응 상 한국전기연구원 신재생에너지시스템연구센터 팀장

숭실대학교대학원 전기공학과에서 석·박사학위를 취득한 필자는 이후 1991년부터 한국전기연구원에서 분산전원 계통연계 기준 및 중대형 태양광인버터 기술기준 제정에 참여했다. 현재는 계통연계기술 및 성능평가분야에 전념하고 있다.

국제 인증제도 동향

현재 태양광 분야는 국제인증 시스템이 구축되어 있으며, 국제전기기기인증기구(IECEE : IEC System for Conformity Testing and Certification of Electrotechnical Equipment)에서 국제적합성 평가 즉, IECEE-CB 제도를 운영하고 있다. IECEE-CB 제도는 회원국 사이에 전기기기의 안전에 관해 어느 한 회원국에서 시험 인증된 제품을 다른 회원국에서도 인정하는 제도로, 국가별로 중복되던 시험을 배제하고 나라마다 다른 기술 기준을 IEC 표준에 부합시켜 기술적인 무역 장벽을 제거하는 것이 목적이다.

태양광발전 분야의 적합성 평가를 관장하는 IECEE는 산하에 여러 위원회를 두고 있다. 먼저 CMC (Certification Management Committee)는 IECEE 내에서 인증관리를 맡은 위원회로, FIC(Factory Inspection Committee), AAG (Assess ment Advisory Group), CTL(Committee of Testing Laboratories)의 지원을 받는다.

두 번째로 NCB(National Certifi cation Body)는 국가에서 승인된 적합성 인증서를 발급하는 인증기관으로, IECEE-CB 제도의 멤버가 되기 위해서는 내부 품질관리 시스템, 기술적인 전문성, 제품인증기관에 대한 요구사항(ISO/IEC Guide 65)과 IECEE가 지정한 절차에 따라 평가 등의 요건을 갖춰야 한다. NCB의 책임은 제품 시험과 시험 요구양식(TRF) 리뷰, 국가 간의 규격 차이에 따른 시험과 리뷰, 공장 감시감독 수행, CB 시험 인증서 발급, 타 기관 발급 인증서 인정, 자체 인증서 발급과 마크 사용 인가 등이 있다.

세 번째로 CTL(Committee of Testing Laboratories)은 IECEE의 기술적인 부분을 담당하는 기술 전문가들의 포럼 협의체로, 65개의 NCB와 264개의 CBTL을 대변한다. 주요 목적은 시험 결과의 재현성을 확보하고 시험기관 간의 긴밀한 협력을 도모하는 것이다. CTL의 과제는 시험기관들의 시험숙련도 프로그램(PTP : Proficiency Testing Program), 시험 규격과 관련된 시험 장비의 설계와 사용 일치, IEC/ TC에 관련 규격의 개선에 대한 권고이다.

ETF(Expert Task Force)는 CTL 산하에서 전문가 그룹으로 구성된 태스크포스(Task Force)로 현재 11개의 ETF가 있다. IEC 규격의 해석과 적용 통일화, 시험 절차의 일치, 태양광 담당 ETF(IECEE ETF-9) 등이다.

IECEE-CB 제도에서 태양광발전 분야 회원국은 현재 9개국이며, 각 회원국별로 NCB, CBTL을 단수 또는 복수로 두고 있다. 우리나라에서는 에너지관리공단 신재생에너지센터가 NCB로, 산업기술시험원(KTL)과 에너지기술연구원(KIER)이 CBTL로 지정되어 있다. 인버터 등의 태양광발전 시스템의 요소기기와 시스템 자체에 대해서도 시험 방법 등에 대한 논의가 계속되고 있기 때문에, 각 나라별로 IEEE 1547 시리즈 규격 등을 참조해 자체의 규격을 정하고, 성능평가기관을 지정해 개별적인 성능평가 및 인증을 수행하고 있다.

국외 성능평가기관 현황

태양광발전용 인버터의 IEC 규격은 현재 IEC TC 82 산하 WG 3 & 6에서 매년 2회씩 회의를 통해 규격을 제정 중에 있다. 실질적으로는 각 나라별로 자체의 규격을 정해 성능평가기관을 지정하고 개별적으로 성능시험 및 인증을 수행하고 있으며, 국내에서도 KS 및 기술기준을 마련해 공인시험을 수행 중에 있다. 해외의 대표적인 태양광인버터 성능평가기관으로는 , UL, NREL, Sandia National Lab 등이 있다.

독일 TUV

일반적으로 가장 널리 알려진 신재생에너지 설비 인증은 독일 다. 태양광의 경우 는 전 세계 인증시장의 80%( 자체 자료)를 장악할 정도로 막강한 영향력을 발휘하고 있다. 실제로 우리나라의 모든 태양광 업체들도 를 통해서 유럽시장에 진출하고 있다.

1872년 보일러검사협회로 출발해 140여년의 역사를 자랑하는 라인란트는 독일 쾰른에 본사를 두고 있으며, 지난해 매출액이 12억유로에 이른다. 1월 기준 1만3,850명의 직원을 보유하고 있는 는 61개국 490여개 지사를 통해 전 세계에 인증 서비스를 제공하고 있으며, 서비스 영역도 자동차에서부터 항공·에너지·소비재·전기통신·제조업·IT 등 산업 전반에 걸쳐 있다. 특히 태양광 영역을 특화해 박막형·결정형 태양광 모듈과 정션박스·인버터·백시트·건물일체형태양광발전(BIPV) 시스템·집광형모듈 등 태양광 산업의 거의 모든 분야에 대해 인증 서비스를 제공하고 있다. 국내에는 1987년 진출해 서울 본사 테스트센터와 대구·창원에 지사를 두고 있다.

미국 UL

와 함께 세계 인증업계를 양분하고 있는 것이 미국 UL이다. 지난 1894년에 설립해 110년이 넘는 역사를 자랑해온 UL은 매년 7만2,000개의 제조업체에 200억개가 넘는 인증마크를 부착해주고 있다. 6,800명이 넘는 직원이 전 세계 98개국에 인증 서비스를 제공하고 있으며, 한국에는 1996년 지사를 설립했다. 미국 최대 태양광 시장인 캘리포니아주가 보조금 지원 조건에 UL 인증서를 요구하고 있어 미국 시장에 진출하기 위해서는 반드시 이 인증을 받아야만 한다.

일본 JET

일본 전기안전환경연구소(JET) 인증 역시 일본 태양광 시장에 진출하기 위해서는 반드시 획득해야 하는 자격요건이다. JET는 특히 일본 전역에 AS 네트워크를 구축할 것을 요구하고 있어 사실상 국내 업체들에게는 시장진입 장벽으로 작용하고 있다. 우리 업체들은 일본 현지 업체들과 업무협약을 맺는 방법으로 JET 인증 장벽을 뚫고 있다.

미국 NREL

미국의 국립 신재생에너지연구소(NREL : National Renewable Energy Laboratory)는 분산전원(DER : Distributed Energy Resources) 테스트 시설로, 다양한 분산전원(태양광, 풍력, 연료전지, 축전지, 마이크로터빈, 디젤발전기), 전력계통시뮬레이터 및 부하장치(전동기 부하 등)를 구축해 전력변환장치(계통연계형 인버터)의 계통연계 성능시험, 보호기능 시험을 수행한다. 이밖에도 Power Quality, Sag, Swell 및 단독운전방지 기능 등의 다양한 연계시험을 수행한다. 전력변환장치 분야 IEEE 1547 시리즈 및 IEEE Std 929 규격을 개발했으며, 분산전원 계통연계 분야 전문가를 확보하고 있다.

미국 Sandia National Lab

분산전원기술연구소(DETL : Distri buted Energy Technologies Laboratory)는 효율, 전력품질, 계통연계 요구조건 등 태양광인버터 제품에 대한 다양한 개발시험을 수행한다. DETL은 다양한 분산전원, 전력계통시뮬레이터 및 전동기 부하와 같은 부하장치를 구축해 다양한 제조회사들의 계통연계형 인버터의 계통연계 성능시험, 보호기능 등의 다양한 시험을 수행하고 있다. 이밖에도 태양광인버터 인증시험(Certi fication Tests)과 관련해 TC 82 WG 3 & 6에서 IEC 국제 규격 제정을 위한 적극적인 활동을 하고 있으며, 계통연계형 태양광인버터 테스트 프로토콜 개발도 수행하고 있다.

독일 ISET

독일의 태양에너지공급기술연구소(ISET : Institute for Solar Energy Technologies)는 태양광인버터 시험평가기관으로, 세계 최대의 태양광인버터 제조회사인 SMA사의 제품을 주로 시험한다.

국내 성능평가 동향

국내 인증제도 현황

우리나라에서도 산업자원부의 대체 에너지 기술개발 실용화 평가사업으로 성능평가 기술 기준을 제정해 2004년부터 태양광발전용 인버터에 대한 인증제도를 도입했다. 태양광발전 인증기관으로는 에너지관리공단, 시험기관으로는 한국에너지기술연구원(KIER), 한국산업기술시험원(KTL)이 지정되어 있다.

특히 우리나라는 2007년 IECEE-CB 가입을 신청해 2차에 걸친 회원국 심의를 거쳐 2008년 12월 국내 신재생에너지 설비 인증기관인 에너지관리공단을 국가인증기관(NCB)으로 지정했다. 또한 국내 인증제도의 태양광분야 성능검사기관인 한국산업기술시험원(결정질 태양전지 모듈, 태양전지 셀 성능평가)과 한국에너지기술연구원(전력계통 연계)이 해당규격 분야의 국제공인시험기관(CBTL)으로 지정되어 운영되고 있으며, 현재 국내 기술기준은 다음과 같이 운영되고 있다.

- 태양광발전용 계통연계형 인버터(정격출력 10kW 이하)

- 태양광발전용 독립형 인버터(정격출력 10kW 이하)

- 태양광발전용 계통연계형 인버터(정격출력 10kW 초과 250kW 이하)

- 태양광발전용 독립형 인버터(정격출력 10kW 초과 250kW 이하)

국내 성능평가기관 현황

국내 공인시험기관 현황으로는 10kW 이하 소형 태양광 독립형 및 연계형 인버터에 대해 한국에너지기술연구원과 한국산업기술시험원이 에너지관리공단 신재생에너지센터로부터 지정시험기관으로 지정받아 공인시험을 수행하고 있다. 또한 한국전기연구원(KERI)에서는 250kW급 인버터 성능시험 장비를 갖추고 성능시험기관을 신청한 상태이며, 비공식적으로는 1년 이상 국내 태양광인버터에 대한 성능시험을 수행해 장비의 성능을 충분히 확인한 상태다.

태양광발전용 인버터 개발 방향

대용량 제품에 대한 성능시험 추진

국내에서는 10kW급 이하 태양광인버터에 대한 기술 기준이 제정 및 운영된 이후로 한국산업기술시험원과 한국에너지기술연구원이 공식 시험기관으로 지정 받았다. 이들 기관에서는 10kW급 성능시험 설비를 갖추고 3kW급은 인증하고 있으며, 그 이상의 용량은 성능시험을 수행해 오고 있다. 최근 몇 년 동안에는 발전사업자의 증가로 인해 국내 설치 현장에 250kW급 이상의 태양광인버터가 수천대 이상이 설치되어 운전되고 있다. 이에 대비하고자 250kW급 태양광인버터에 대한 기술기준이 2009년 12월에 제정되었으나 아직 공식 시험기관은 지정되지 않은 채 한국전기연구원에서 성능시험 설비를 갖추고 기관 지정을 추진하고 있는 실정이다. 또한 일부 기업에서는 250kW급은 물론이거니와 500kW급 및 1,000kW급까지 개발하고 있는 추세다. 개발된 제품이 정확한 성능시험을 거쳐서 성능을 확인한 후 전력계통에 연계되어 운전하는 것이 만일의 사고를 대비한 바람직한 방향이므로 그에 대한 대비책이 시급한 실정이다.

일사량에 따른 센트럴방식 제어

기존의 원자력, 화력 등 다른 발전 시스템은 1,000kVA를 설치했을 경우 연료를 지속적으로 주입하게 되면 거의 항상 1,000kW를 출력할 수 있지만, 태양광발전의 경우는 1,000 kW를 설치했어도 일사량의 많고 적음에 따라서 출력이 1,000 kW급 이하에서 수시로 변하게 된다. 즉 일사량이 많으면 1,000kW를 발전할 수도 있고 일사량이 적으면 100kW를 출력할 수도 있다. 만약 1,000kW를 설치했을 경우 일사량이 적어서 100kW만 출력하는 경우는 인버터를 적은 용량으로 가동하게 되면 손실을 최소화할 수가 있다. 따라서 태양광인버터의 정격용량의 한도 내에서 일사량에 따라 인버터의 용량을 유연하게 작동할 수 있으면 더욱 효율적으로 운전이 가능할 것이다. 최근엔 많은 인버터 생산사자들이 용량이 커질수록 일종의 멀티 센트럴 방식으로 많이 개발하고 있는 추세이다.

스마트그리드와의 연계

최근 정부를 중심으로 한국전력, 연구소 및 대학이 공동으로 스마트그리드 개발에 박차를 가하고 있다. 스마트그리드는 기존의 전력계통에 통신을 접목해 지능적인 시스템으로 구현한다. 전기자동차 및 신재생에너지 전원을 접목시킨 시스템 지능형 소비자, 즉 가전기기를 비롯한 각종 부하기기가 통신과 접목해 지능적인 기능을 갖도록 한다. 

이 스마트그리드는 시장개방에 의한 열림 전력시장 운영 등으로 기존의 전력설비가 통신을 바탕으로 수많은 정보를 실시간으로 주고받아야 한다. 물론 아직까지는 그렇게 하고 있지 않지만, 태양광인버터도 통신기반형으로 변경되어 데이터의 송수신에 전력계통과 공동으로 참여해야 한다고 생각한다.

또한 데이터의 송수신을 위한 통신 일체화는 물론이거니와 필요에 따라서는 출력의 예측 및 제어에도 참여할 필요가 있다고 생각한다. 아직까지 태양광이나 풍력발전 등의 입력을 정확하게 제어할 수 없는 신재생에너지 전원에 대해서 출력을 제어할 것인지에 대한 정확한 방향은 결정되지 않았지만 만약 출력 예측제어를 하는 경우에는 인버터가 그와 같은 기능을 보유하도록 기능 개선이 필요할 것으로 판단된다.

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