나병훈 헥스파워시스템 에너지변환연구소 수석연구원

경남대학교 전기공학 박사학위를 취득하고 전기공사 특급 기술자 자격을 획득한 필자는 헥스파워시스템 에너지변환연구소의 수석연구원으로 현재 연구개발실장을 맡고 있다.

최근 전 세계 태양광발전소 시장은 각 국가마다 고유한 정책으로 발전차액제도(FIT : Feed In Tariffs), 신재생에너지 의무할당제도(RPS : Renewable Portfolio Standard), 재생에너지 관련 세금 감면제도(PTC : Production Tax Credit), 신재생에너지 발전 의무비율 면제권(REC : Renewable Energy Credit)과 같은 다양한 지원책을 내놓아 급성장의 추세를 걷고 있다.

태양광발전소 프로젝트가 설치용량 면에서 하루를 멀다하고 최대용량 기록을 갈아치우고 있는 시점에서 대용량, 아니 초대용량 태양광발전소의 경우 수 MW급으로부터 수백 MW급에 이르는 프로젝트가 생겨나고 있다. 주로 1~3MW급 대용량 발전소에서는 주로 100~250kW급 정도의 인버터가 적용되고, 그 이상의 대용량, 초대용량 발전소에서는 주로 500kW급 이상의 대용량 인버터가 사용되고 있다.

본 기사에서는 국내에서 개발되고 있는 단일용량 500kW급 인버터 2대를 병렬로 운전해 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 멀티-센트럴(Multi-Central) 방식 MW급 태양광 계통연계형 인버터 기술개발에 대해 설명하고자 한다.

태양광발전용 계통연계형 인버터

태양광발전 시스템은 독립형과 계통연계형으로 나눌 수 있는데, 독립형은 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이와 안정된 전기 공급을 위한 전력조절기 혹은 인버터, 축전지 등의 주변장치(BOS : Balance of System)로 구성된다. 그리고 계통연계형 시스템은 축전지를 사용하지 않고 직접 상용전원에 연결해 부하변동에 따라 계통선과 전력을 상호 교류할 수 있도록 구성된다.

계통연계형 태양광발전 시스템은 태양전지를 전원으로 직류전력을 발전해 직·교류 전력변환장치 즉, 계통연계형 인버터를 통해 상용 전력계통과 병렬 접속하기 때문에, 배·전선의 상태변화에 대한 추종성이 양호함과 동시에 계통의 주파수나 전압변화에 대한 운용능력, 계통사고 시에 적절히 대응하는 기능 및 자체적으로 발생하는 고조파로 인한 통신유도 장애가 발생하지 않도록 하는 능력을 보유해야 한다. 또한, 계통연계형 태양광발전 시스템이 배전선과의 연계운전 시에 계통의 정전 또는 사고 발생 시 태양광 시스템의 발전출력의 역충전에 의해 일부 계통에 부분적인 단독운전을 방지할 수 있는 보호검출 회로가 필요하다. 이러한 전력조절 기능을 갖추었다고 해 계통연계형 인버터를 PCS (Power Conditioning System)라고도 한다.

최근 태양광발전 시스템은 MW급 용량을 대규모로 설치하는 추세로, 이러한 추세에 따른 계통연계형 인버터 또한 고용량화, 고효율화 및 고성능화가 요구되고 있어, 그림 3과 같이 여러 가지 태양광시스템의 설치조건에 따라 계통연계형 인버터도 여러 가지 토폴로지로 개발, 보급되고 있다.

태양광인버터의 유형은 표 1에 나타낸 것과 같이 태양전지 모듈 및 어레이의 조합과 유형에 따라 MIC(Mo dule-Integrated Converter), 스트링, 센트럴, 멀티-스트링, 멀티-센트럴로 분류할 수 있으며 유형별로 장·단점을 가지고 있다.

MIC는 각 모듈별 인버터를 부착하는 형태로 별도의 DC 라인 배선이 필요치 않아 설치가 용이하며, 최대 에너지 수확(Harvest)이 가능하다는 장점이 있으나 대용량 구현 시 비용 부담이 크고 효율이 낮다는 단점이 있다.

스트링(String) 방식은 모듈 직렬군당 DC/AC 인버터를 사용하는 방식으로 스트링별 MPPT 제어가 가능하며, 부분적인 그늘에 대해 효과적으로 에너지 수확은 좋은 편이나 대용량 발전소에 적용할 때는 인버터의 개수가 너무 많아 유지보수 비용이 증가하며, 인버터의 중앙 제어가 되지 않아 단독운전 방지와 같은 계통 보호 측변에서는 다소 부적합하므로 이와 같은 방식의 인버터는 중용량 태양광발전 시스템에 적합하다.

멀티-스트링 방식은 모듈 직렬군당 인버터 또는 DC/DC 컨버터를 사용하는 방식으로 스트링 방식과 센트럴 방식의 장점을 모아놓은 형태이나 2중의 전력변환기를 사용하므로 시스템의 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

센트럴 방식은 모든 모듈의 직·병렬 조합으로 에너지 수확이 다소 낮다는 단점이 있으나 변환기의 효율이 우수하고, 출력 용량대비 단가가 저렴하다는 장점이 있어 대용량 산업용 인버터 방식으로 주로 사용되고 있다.

이와 같은 센트럴 방식은 단일 인버터 사용으로 계통보호가 유리하며, 유지보수 비용이 적다는 장점은 있으나 단일 인버터를 사용하므로 인버터 고장 시 전체 시스템이 작동하지 못하는 단점을 가지고 있다. 최근 이와 같은 단점을 보완하기 위한 방법으로 대용량 센트럴 인버터를 병렬 연결해 하나의 대용량 인버터 시스템을 구현하는 방식인 멀티-센트럴 방식이 많이 개발되고 있다.

멀티-센트럴 방식 태양광인버터

멀티-센트럴 방식 인버터는 센트럴 방식의 인버터를 병렬 연결한 구조로, 발전 시스템 구성 시 1개의 인버터가 아닌 여러 대의 인버터로 구성되어 있어 일출, 일몰 및 에너지가 낮은 조건에서 최소의 인버터 구동으로 시스템 전체적으로 최대의 효율성을 확보함으로써 태양광발전 설비에 대한 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한 시스템 내의 각 인버터 가동 시간을 모니터링해 모든 인버터의 가동시간을 동일하게 운전하게 하는 순환 방식 인버터 운전(Rota ting Concept)을 통해 전체 인버터 시스템 중 사용 수명을 연장시킬 수 있고, 인버터 시스템 중 하나의 인버터에서 문제가 발생하는 경우에도, 다른 인버터는 높은 에너지 레벨에서 발전을 지속할 수 있어 장애상태로 인한 에너지 손실이 매우 낮다. 뿐만 아니라 대용량 계통연계의 경우 저압 변압기를 사용하지 않고, 우리나라의 22.9kV와 같은 고압 계통선에 변압기 1차측을 다권선 변압기를 채용해 직접 연계할 수 있는 장점을 가지고 있다.

해외 멀티-센트럴 방식 인버터 제품

멀티-센트럴 방식의 인버터는 독일의 SMA사 및 지멘스사가 개발해 상용화했으며, 그 대표적인 모델로는 SMA사의 MV 모델과 지멘스사의 SINVERT 모델이 있다.

지멘스 SINVERT 모델은 그림 4에서 나타낸 바와 같이 최대 4대의 SINVERT420을 조합해 MW급 출력이 가능하도록 구현한 방식으로 마스터-슬레이브(Master-Slave) 방식의 제어를 통해 인버터 효율 및 수명을 개선하도록 구성하고 있으며, 동일 용량의 태양광발전소 운전시 단일 센트럴 인버터를 사용해 운전의 경우 최대 입력전력의 8% 이상일 때 90% 이상의 효율로 운전이 가능하지만, 마스터-슬레이브 방식인 멀티-센트럴 방식의 인버터 시스템으로 운전하게 되면 최대 입력전력의 2.3% 이상일 때 90% 이상의 효율로 운전이 가능하므로 단일 인버터로 구동시보다 높은 에너지 수확률을 확보할 수 있다.

한편, SMA사의 SC1000MV 인버터 모델은 그림 5에 나타낸 바와 같이 500kW SC500HE 인버터 2대와 중압 변압기를 이용해 구성한 방식으로 에너지 카운터를 포함, 중압 송전선로에 연결을 위한 모든 장비를 포함하고 있다. ‘써니 팀(Sunny Team)’이라는 방식을 도입해 멀티-센트럴 인버터 시스템을 구현했으며, 효율 특성 그래프에서 보여주는 바와 같이 낮은 출력에서 한 대의 인버터만 동작시켜 효율을 향상시킬 수 있도록 시스템을 구성하고 있다. 특히, SMA사는 중압 변압기 멀티-센트럴 방식을 도입해 기존의 2중 변압기를 상용하는 방식에 비해 전반적으로 약 2% 이상의 효율을 상승시켰으며, 써니 팀 방식을 이용해 낮은 에너지 출력 시 효율을 최대 3% 이상 향상시킬 수 있게 하고 있다.

국내 멀티-센트럴 인버터 기술개발

이러한 선진 태양광인버터 제조사의 멀티-센트럴 방식 제품에 대응하기 위해, 국내에서는 2009년 6월부터 3년간, 주관기관으로 헥스파워시스템과 한국에너지기술연구원, 한국전기연구원 및 경북대학교가 참여하는 산학연 컨소시엄 ‘지식경제기술혁신사업-전력산업원천기술개발사업’의 지원으로 ‘멀티-센트럴 방식 MW급 고효율 인버터 시스템 개발’ 과제를 수행하고 있다. 본 기사에서는 본 과제의 연구개발 목표와 1차년도 연구개발 내용의 일부를 소개하고자 한다.

멀티-센트럴 방식 MW급 고효율 인버터 시스템 기술을 개발함에 있어 핵심 요소기술을 그림 6에 나타냈다.

태양전지 모듈 스트링 입력을 받는 입력부에서는 멀티-센트럴 방식 제어의 핵심기술이다. 500kW급 스트링 입력전력을 커먼(Common)으로 DC 차단기를 ‘On/Off’ 제어해 멀티-센트럴 동작을 하도록 한다. 이 동작은 각각의 인버터를 CAN 통신으로 연결해 서로 교차해 마스터-슬레이브 동작이 가능하도록 구성한다. 또한, 각각의 단일용량 500kW급 인버터는 CPU로 고성능 DSP (Digital Signal Processor)에 의해 제어되며, 전류제어기는 PR 제어기가 적용되며, 고주파 노이즈 저감기술과 고성능 최대출력추종제어(MPPT) 알고리즘이 적용된다. 그리고 인버터 출력측은 0.5초 이내의 고성능 단독운전 방지기술과 계통안정화 제어기술, 출력전류에 있어 총고조파 왜율 저감기술 등이 개발되고, 계통연계시 전력품질 제어기술및 웹모니터링과 연계된 통합 시스템 제어기술이 적용된다.

본 기술개발의 최종 목표는 멀티-센트럴 방식 고효율 인버터 시스템 개발로 그림 7과 같이 국내 최대 단일용량 500kW급 인버터와 멀티-센트럴 방식 1MW(500kW×2EA)급 인버터를 개발하고, 그림 8에 나타낸 것처럼 통합 제어시스템을 개발하는 데 있다.

본 기술개발은 그림 9에 나타낸 것과 같이 주관기관인 헥스파워시스템에서 500kW급 및 멀티-센트럴 방식 1MW(500kW×2EA)급 인버터와 통합 제어시스템을 개발하고, 참여기관인 한국에너지기술연구원과 한국전기연구원에서는 각각 고성능의 MPPT 제어기술 및 단독운전방지 제어기술과 계통연계 보호협조 기술을 개발해 주관기관에서 개발한 인버터에 적용하며, 또한 경북대학교에서는 고전력 품질 전류제어기와 LCL 필터기술을 개발한 인버터에 적용하도록 하는 산학연이 전문분야에 있어 역할 분담을 해 진행하고 있다.

멀티-센트럴 방식 인버터 제어기술

그림 10(a)는 멀티-센트럴 제어 기법을 적용하게 될 인버터의 블록도이다. 2대의 인버터는 각각 태양전지 입력을 가지고 있고, 2대의 인버터의 입력전력을 공유할 수 있도록 멀티-센트럴 유닛이 있다. 그림 10(b)~(d) 마스터-슬레이브 제어동작에 있어 각 모드별 동작 방식을 보여주고 있으며, 그림 11은 인버터 1대가 고장 시 동작 모드를 보여주고 있다. 이러한 동작의 결과는 그림 12에 나타낸 전류 그래프와 같이 동작을 하게 된다.

전류 그래프를 통해 볼 때, 태양광발전 시스템에서 일조가 시작하면 마스터인 #1번 인버터가 발전을 시작해 해당 인버터 정격의 80% 이상 출력이 증가하게 된다. 출력이 80% 이상 일정시간 유지하게 되면 #2번 슬레이브 인버터에 기동명령과 동시에 전류 지령치를 인가하게 된다. 이때, 인버터 #1은 출력이 감소하고 인버터 #2는 출력이 증가해 두 인버터의 같은 출력을 유지하게끔 제어된다. 이때부터 슬레이브 인버터는 마스터 인버터에 의해 MPPT를 하기 위한 지령치를 받게 되는데 일사량의 증감에 따라 두 대의 인버터는 동일한 출력을 유지하게 된다. 일몰 때나 일사량이 감소해 전체 시스템 정격의 40% 이하로 출력이 떨어질 경우 마스터인 #1은 출력을 감소시키고 슬레이브인 #2에 출력을 증가시키라는 지령치를 보내게 된다. 인버터 #2가 모든 출력을 부담하고 인버터 #1은 출력이 0인 상태가 일정시간 유지되면 동작을 정지한다. 일사량이 감소해 해가 완전히 질 때까지 인버터 #2가 끝까지 동작하다가 정지하게 된다. 다음날이 되면 두 인버터는 통신을 통해 각자의 동작시간을 비교해 마스터와 슬레이브를 정해 앞에서 설명한 똑같은 시퀀스로 동작하게 된다.

단일용량 500kW급 인버터 개발

그림 13은 단일용량 500kW급 태양광발전용 계통연계형 인버터의 회로도이다. 그리고 표 2에 인버터의 전기적 사양표를 나타냈다. 500kW급 태양광인버터는 설계부터 CE 안전규격을 고려해 설계했고, CE 규격의 소자를 선정·적용해 대용량 인버터 개발에서 발생할 수 있는 시행착오를 줄일 수 있도록 노력했다. 인버터의 모든 전장부품은 CE 및 UL 안전규격 인증을 받은 제품을 사용했으며, 인버터의 제어에 관련된 메인보드, 센싱보드, 통신보드 등의 PCB류는 CE 규격을 적용해 개발해 제작했다. 그림 14는 개발된 단일용량 500kW급 태양광인버터 제품이다. 제품은 3개의 패널로 구성되어 있으며, 좌측부터 파워-스택(Power-Stack)부, 중간이 인버터 입출력, 제어부 및 필터 리액터, 우측이 변압기부이다.

그림 15와 그림 16은 단일용량 500kW급 인터버와 멀티-센트럴 방식 250kW급 인버터 2대의 병렬운전시의 각각의 효율과 역율을 비교한 그래프이다. 입력 약 30%까지 멀티-센트럴 방식 인버터가 효율 및 역율에 있어 개선되는 결과를 볼 수 있다. 유로효율에 있어서는 0.25%의 차이가 발생했다.

멀티-센트럴 방식 1MW급 인버터 개발

다음 그림 17은 멀티-센트럴 방식 1MW급 태양광발전용 계통연계형 인버터 제품의 개발을 위한 시험장 설치 사진이다. 좌측의 별도 패널은 3권선 변압기로 22.9kV 한전 계통에 직접 연계되도록 구성되어 있고, 우측의 컨테이너 내부에는 500kW급 인버터 2대가 멀티-센트럴로 구성되어 있다. 본 시스템은 개발을 위해 1MW급 수배전반을 통해 전력계통에 보호, 연계되어 있으며, 500 kW급 정류기 2대를 사용해 태양전지 스트링 입력을 모의해 개발을 진행 중에 있다.

단일용량 500kW급 태양광인버터는 현재 CE 안전 규격인증 시험을 진행 중에 있으며, 2011년 5월에 CE 안전규격을 취득할 예정이다.

기술개발의 중요성

대용량 태양광인버터 시장은 2008년 2,000억원 시장을 넘어 2012년에는 1조원 이상의 시장으로 성장할 전망이다. 그러나 현재 해외 상용 대규모 태양광발전소에서 사용되고 있는 태양광인버터는 전량 몇몇의 기술 선진사에 의해 의존하고 있으며, 최근 유럽의 경제침체의 영향으로 태양광인버터용 부품의 공급부족과 수많은 대규모 태양광 프로젝트의 진행으로 인버터의 과수요는 공급기간이 연장되는 결과를 가져오고 있다. 이로 인해 수많은 대형 프로젝트들이 아까운 시간을 허비하며 인버터가 공급되기를 기다리고 있는 실정이다.

이러한 현상은 우리에게는 기회가 될 수 있다. 본 연구개발을 통해 대용량 멀티-센트럴 방식 태양광인버터의 개발이 완료되어 해외시장에 공급된다면 향후 대용량 인버터의 양산화 구축으로 선진 기술 시장에서의 가격경쟁력 확보와 시장 점유율을 확대함으로써 수입 대체 효과 및 수출 증대 효과가 있을 것임에 틀림없다. 또한 국산화를 통해 국내 태양광인버터 관련 부품 수급업체의 매출 증대뿐만 아니라 이로 인한 고용창출 및 인력개발 효과도 크게 나타날 것으로 보인다.

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