편집자 주

태양광에너지 시스템에서 사용되는 계통연계 인버터의 테스트는 고도의 반복적인 AC 파워소스를 위한 주요 어플리케이션으로 주목받기 시작했다. 이러한 파워소스들은 설계단계에서 뿐만 아니라 생산라인 테스트에도 유틸리티 전원 라인에 변화를 견딜 수 있도록 하고 해당 기준에 적합성 증명 확인을 위해 모두 사용된다. 앞서가는 시장조사 회사인 요르(YOLE) 개발은 태양광 인버터 시장이 향후 5년간 시장 예측보다 2배 이상 발전할 것을 예측했다.1)

테스트 이슈는 쉽게 테스트를 할 수 있는 전원 기능뿐만 아니라, 더욱 정확하고 반복적인 기능의 필요성이 요구된다. 또한 전기에너지 소비의 환경과 경제적 손실은 에너지 소비 감소를 위해 상당한 관심이 요구된다. 두 상황 모두는 보다 발전된 전원을 위한 필요조건이다.

오늘날 전원의 요구사항

대다수 선진국의 계통 전력선은 대개 3~5%의 왜곡현상이 나타나는데다 거의 하루를 단위로 10%가 넘는 전압 변동이나 전압 강하가 발생하기 때문에 이런 시험을 할 때는 대체전원이 반드시 필요하다. 전 세계적으로 판매되는 제품의 경우 이런 시험 과정을 더욱 복잡하게 만드는 것은 북미의 120V-60Hz를 비롯해 대부분의 아시아, 남미, 유럽 지역의 220V/230V-50Hz와 일본의 100V-50/60Hz에 이르기까지 다양하게 설정된 계통 전압이다. 때문에 프로그램 기능성(Programmability)이 전원의 기능 속에 꼭 포함되어야 한다.

최종 제품이 작동하는 동안 계통 전력회사로부터 공급되는 전압 레벨, 전압 왜곡, 전압 강하, 전압 차단을 표현해내려면 제품 시험에 쓰이는 전원은 수동 또는 컴퓨터를 사용해서 프로그램 할 수 있는 기능이 있어야 한다. 전원 공급상에 자주 나타나는 문제를 견뎌내는 정도가 이런 시험에서 평가되는 동안 제품 자체에서 생성되는 잡음 전계 강도나 잡음 전력을 측정할 또 다른 시험이 필요하다. 이 두 가지를 충족시키려면 시험하려는 제품에 전원을 공급하고 그 제품으로부터 전원을 받아들일 수 있는 깨끗한 교류 전원(AC Power Sources)이 필요하다. 후자의 요구사항은 회생 전력 시스템을 규정하게 된다(그림 1).

그림 1. 프로그램 가능한 전원의 관계.  고급 파워 소스는 솔라 인버터로부터 전력을 주고 받을 수 있으며, 테스트를 위한 클린 AC 전력을 공급할 수 있다.

회생 모드의 운용

역전류(싱크 전류, Sink Current)가 전원 속으로 흘러갈 수 있도록 만들기 위해서 4상 선형 전원(Four-Quadrant Linear Power Source)이 사용돼 왔다. 이 중 두 개는 전원 전력에 연결되고 나머지 두 개는 싱크 전력에 연결된다. 이 경우 두 번째의 것이 부하처럼 작용해 들어온 에너지를 열에너지 형태로 태운다. 이 열이 생산라인이나 연구실에서 제거되려면 대개 발생된 열과 똑같은 양의 냉각 에너지가 필요하다. 그 결과 낭비되는 에너지는 발생된 열에너지의 두 배가 되고 제품 수명이 다할 때까지 사용하는 데 드는 비용은 매우 증가하게 된다.

열 생성과 추가적인 냉각 문제를 해결하는 데 우선 선택되는 대안은 스위치 방식의 교류전원이다. 스위치 방식의 전원에서 나온 전력은 전원 전력과 싱크 전력으로 연결될 수 있는데다 회생 전원으로 작동하는 동안에는 최소한의 손실을 내면서 전기 설비의 계통망(Utility Grid)으로 되돌아간다. 탄소 발생량을 적극적으로 줄이려는 회사와 친환경적인 녹색 회사의 인지도가 점차 높아지면서 이 같은 스위치 방식이 아닌 선형 전원은 다양한 이유 때문에 용인하기 어려운 것이 되어버렸다.

충분한 전력이 생산되는 태양광 인버터는 생성된 전력을 전원에 계속 공급할 수 있다. 전력이 부하 요구량을 충족시킬 수 없을 경우 전력의 흐름이 동적으로 바뀔 수 있는데 그것은 반주기(Half-Cycle) 간격에서까지도 가능하다. 인버터는 전력 흐름에 생긴 지속적이거나 간헐적이거나 또는 반주기적인 간격의 이벤트뿐만 아니라 단기간의 이벤트도 해결할 수 있어야 한다.

그림 2. IEEE1547의 규정. 단독운전 방지를 위한 상호접속점 혹은 공통결합 포인트의 특성을 확인할 수 있다.3)

단독운전으로 인해 발생 가능한 문제들

증가하는 전기 수요량을 충족시키기 위해 계통은 태양광 시스템, 소형 발전기, 연료전지, 기타 국소적인 발전 기술에서 나온 잉여 에너지를 공급받을 수 있어야 한다. 그러나 그런 설비를 상호 접속시키는 제품과 그 서비스는 IEEE1547의 요구사항에 따라서 성능, 작동, 시험, 안전성의 기준을 충족시키는 것이어야 한다(Standards Compliance, 표 1). 인버터는 분산자원(DR : Distributed Resource)이 있는 전력 시스템(EPS : Electric Power System), 예를 들어 태양광 전지판의 광발전 인버터의 상호 접속을 모의 시험하는 수단을 제공해야 할 뿐만 아니라 IEEE1547이 요구하는 시험을 반복해서 수행할 수도 있어야 한다(그림 2).

상호 접속이 올바르게 설정되지 않을 경우 발생할 수 있는 문제 가운데 한 가지는 단독운전(Islanding)이라 부르는 상황이다. IEEE1547의 규정대로 단독운전은 ‘어떤 전력 시스템 영역 가운데 한 부분이 해당 연계 지점(PCC : Point of Common Coupling)을 거쳐서 한 개 이상의 국소 전력 시스템(Local EPS)으로부터 에너지를 공급 받는 동안 전력 시스템 영역의 나머지 부분과 전기적으로 분리돼 있는 상태’이다.2) 분산된 전원의 의도하지 않은 단독운전은 전력 품질상의 문제, 계통망 보호 장치의 간섭 외에도 여러 가지 문제를 초래할 수 있기 때문에 단독운전 방지 기능을 추가함으로써 전기적인 단독운전을 감지한 후 전력 시스템으로부터 적절히 분리하는 과정이 꼭 필요하다. 시험에 사용되는 인버터는 이런 사건을 모의 시험할 수 있는 것이어야 한다.

AMETEK사의 시험 솔루션

AMETEK사는 전원과 시험 장비를 포함한 모든 종류의 시험 솔루션을 디자인하고 제조하는 선도 기업으로서 프로그램 가능한 전원의 솔루션 및 요구사항과 관련해서 광범위한 지식을 갖고 있다. AMETEK 프로그래머블 파워(AMETEK Programmable Power) 제품인 캘리포니아 인스트루먼츠 MX 시리즈(California Instruments MX Series)는 회생 모드(Regenerative Mode, 싱크(SNK) 기능은 선택사양)로 작동하며 관련업계의 가장 엄격한 요구사항을 충족시킨다. 그림 1에는 프로그램 가능한 이 전원의 응용 관계가 표시돼 있다.

그림 3. MX의 프론트 패널 화면. 몇몇 파라미터 값들은 MX의 프론트 패널의 회생 컨트롤 파라미터 셋업 화면을 이용해 조정할 수 있다.

MX 시리즈의 회생 모드

교류 전원을 효과적으로 시뮬레이션 하기 위해서 프로그램 가능한 전원 제품인 AMETEK사의 MX 시리즈에는 스위치 방식의 기술이 사용된다. 회생 방식의 경우 MX 시리즈는 그것과 연결된 모든 장비로부터 되돌아오는 싱크 전력을 수용해서 계통망으로 되돌려 보낼 수 있다. 이 전력 재공급 기능은 일시적인 것일 수도 있고 반영구적 상태일 수도 있다.

광범위하게 공급되는 전압 아래에서 이런 일을 효과적으로 처리하기 위해서 싱크 옵션이 추가된 MX 프로그래머블 파워소스에는 사용법을 단순하게 만들어 주는 또 다른 기능이 있다. 전류를 공급할 때의 한계 전류와 달리 프로그램 할 수 있는 싱크 방식의 한계 전류를 사용자가 화면에서 쉽게 설정할 수도 있다. 그림 3에는 회생 조정 화면이 표시돼 있다.

인버터가 전원 속으로 보내는 데 허용된 최대 전류를 제한하는 것 이외에도 사용자는 회생 조정 상태를 ‘켜거나 끄는 것’ 또는 기타 매개 변수를 선택한다. 저전압(Under Volt) 설정은 과전류 상태가 발생할 경우 전원이 초기 상태로 되돌아가는 최저 전압이다. 이와 비슷하게 과전압(Over Volt) 설정은 전원이 인버터로 가는 전력 공급을 강제로 차단하기 전에 가장 높은 임계 전압을 나타낸다. 델타주파수(dFREQ)는 인버터로 가는 전력을 강제로 차단시키는 전원 주파수의 변화를 말한다. 지연시간(Delay)은 과전류가 시작된 시점과 전원 내에 달리 명시된 작동 단계 사이의 시간이다.

싱크 옵션이 추가된 MX의 프로그램 가능한 기능 가운데 한 가지 예를 들면 회생 조정 상태를 끈 상태에서 40A까지 설정할 수 있고, 반면에 회생 조정 상태를 켰을 때 MX에 되돌아오는 최대 전류를 계통에 10A까지 설정할 수 있다. 회생 방식의 경우 한계 전류는 ‘정상적인’ 작동 방식과 정반대로 작동된다. MX는 전류를 제한하기 위해 전압을 줄이는 대신 사용자가 지정한 과전압 한계까지 전압을 증가시킬 것이다.

델타주파수는 또 다른 기능을 제공한다. 사용자가 지정한 지연시간만큼 과전류 상태가 지속될 경우 MX는 델타주파수 값에 따라서 그 주파수를 변경한다. 이 경우 대개 인터버는 강제로 차단된다. 만약 지정된 지연시간(초) 내에 이런 과정이 진행되지 않으면 MX는 전압을 줄일 것이다. 만약 과전류 상태가 지속되고 인버터가 차단되지 않으면 MX는 출력을 끄고 작동을 멈출 것이다. 델타주파수를 ‘0’으로 설정하면 MX는 주파수 단계를 건너뛴 후 과전압과 저전압 한계 지점까지 곧장 이동할 것이다.

그림 4. 인버터의 불균형 부하와 균형 부하의 차이.  불균형과 균형 상태에서 인버터의 접속 분리 여부는 갑작스럽게 일어난 것이냐 서서히 일어난 것이냐의 차이다.

회생 상태에서 MX의 단독운전 방지

싱크 옵션이 장착된 MX는 표준에 의해 요구되는 테스트를 실행할 뿐만 아니라 태양광 패널의 광전지 인버터와 같은 광범위한 자원으로 전기 파워시스템과 상호 연결시킬 수 있는 방법을 제공한다(그림 2).

회생 상태의 MX는 IEEE1547의 균형모드 단독운전 방지(Anti-Islanding)와 또 다른 규격인 UL1741과 CA Rule 21을 만족한다. 회생모드에서 싱크 옵션이 장착된 MX의 출력 릴레이는 전압이 프로그램 된 값에 오면 열린다. 반면에 싱크 옵션이 없는 경우엔 출력 릴레이가 열리기 전 출력 전압을 ‘0’으로 할 것인지를 요구한다. 이런 차이가 계통에 차단됐는지, 서컷브레이크가 집 내부나 정전으로 발생했는지 확인하는 인버터 능력을 테스트 할 수 있게 한다. IEEE1547 또한 파워소스 자체에서 부하가 완벽히 균형을 이뤘을 때 인버터와 차단됐는지를 요구한다. 불균형과 균형 상태의 차이의 특징을 그림 4에서 보여준다.

그림 4의 왼쪽 그림과 같은 상황에서 인버터는 불균형 부하를 나타낸다. 약 반 사이클 내에서 인버터는 파워소스와 계통이 더 이상 나타나지 않고 끊어지지 않는 상황을 감지한다. 오른쪽 그림에서는 소스가 끊어진 후에 인버터가 약 150ms 전압을 취하는 마지막 8~9주기 상에서 단독운전 이벤트를 감지한 후 운전 정지를 위해 점차적으로 증가시킨다.

그림 5. MX의 PC 기반인 MXGUI 화면. 본 화면은 회생 컨트롤 파라미터 값들을 용이하게 선택할 수 있게 한다.

그림 6. 트랜션트 리스트 기능으로 나타난 시스템 상태. 파워소스는 240V에서 195V로 5V 간격으로 내려가도록 프로그램 됐고 인버터가 동기화되고 연결된 후 약 20초간 초기화된다.

GUI 소프트웨어 프로그래밍성

싱크 옵션은 사용자가 재생 가능한 파워시스템의 테스트에 다양한 유연성을 제공한다. 정면 패널 컨트롤뿐만 아니라 MX의 PC 기반인 MX GUI 또한 싱크 옵션을 지원한다. 그림 5에서 보여주는 것처럼 사용자가 광범위한 인버터 시험을 쉽게 실행하기 위한 다양한 요소에 접근하도록 허용한다.

트랜션트 리스트(Tran sient List) 기능으로 전반적인 시스템 상태를 그림 6처럼 나타낼 수 있다. 이 예에서처럼 파워소스는 240V에서 195V로 5V씩 간격으로 내려가도록 프로그램 됐고 인버터가 동기화되고 연결된 후 약 20초간 초기화된다.

MX GUI 트랜션트 리스트 기능을 사용하여 사용자는 델타주파수 시험을 포함하여 다른 측정 항목들도 측정할 수 있다. 이 테스트에서 MX는 정해진 시간과 전압이 설정된 상태로 양방향(+)과 음방향(-)으로 증가함으로 60Hz로부터 일련의 주파수 변화를 프로그램 할 수도 있다.

표 1. 파워시스템의 국제적·국가적인 규격. 올해 말 발표될 것을 예상하는 IEC 61000-3-15 최신 기준을 포함한다.

앞서 보듯이 소프트웨어는 하드웨어 테스트 하는데 중요한 역할을 할 것이고 사용자가 테스트 결과를 나타내는데 시간을 줄여줄 것이다. 싱크 옵션의 MX의 회생 모드 기능은 지역적, 국가적, 국제적인 규격에 요구되는 많은 시험을 실행하기에 필수적이다. 표 1은 2010년 말 발표될 것을 예상하는 IEC 61000-3-15 최신 기준을 포함한 중요한 규격의 일부를 보여준다.

참고문헌

(1) PV Inverter Trends, Octover 1, 2009, Yole Development

(2) 1547-2003 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Sources with Electric Power Systems

(3) IEEE 1547 Interconnection Standards, Tom Basso, Presentated at IEEE PESMeeting, June 9, 2004

본 기사는 비앤피인터내셔널(www.bandp.co.kr)에서 제공한 내용을 토대로 게재되었습니다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

SolarToday 다른기사 보기