전력연구원, 하드웨어・소프트웨어 기술 독자 개발
전력관리 신뢰도 향상 통해 태양광 발전 확대 박차

다중 병렬스택 분할운전 방식의 태양광 발전
다중 병렬스택 분할운전 방식의 태양광 발전

신재생에너지를 이용한 발전 중 대표기술인 태양광 발전은 태양에너지를 전력에너지로 변환해 전력을 생산하는 기술이다. 온실가스 배출이나 환경파괴가 적어 크게 각광받고 있다. 이러한 태양광 발전은 1839년 프랑스에서 광전효과에 대한 발견을 토대로 시작됐다. 1940년 초고순도 단결정 실리콘 제조기술이 개발되면서 상용화가 시작됐다.

태양광 발전 시스템은 빛을 받아 직류전기를 생산하는 태양전지 모듈, 발생한 전기를 저장하는 에너지저장장치, 직류를 교류로 바꾸어 전력계통에 연결하는 PCS 설비로 이뤄진다. 이중 PCS는 다양한 환경에서 태양광 패널의 출력을 최대화해 전력계통에 전기를 공급할 수 있어야 하며, 기술에 따라서 고주파 변압기 방식, 상용주파 변압기 방식, 무변압기 방식 등이 존재한다.

태양광 발전시스템은 기상의 영향을 많이 받는 신재생에너지로, 구름이 없는 맑은 날은 시스템의 최대 출력 구간에서 발전하지만, 일몰, 일출 및 구름 낀 기상에서는 발전량이 줄어들어 시스템의 전체적인 발전 효율이 떨어진다. 특히 정격 발전량 대비 20%이하의 구간, 즉 저출력구간에서는 PCS의 변환효율이 정격 출력보다 많이 낮아진다. 기존 태양광 시장의 PCS 구조는 대용량의 경우 중앙집중형(Central) 방식으로 운영되고 있었으나, 저출력 발전(일출, 일몰, 음영 등) 시 PCS 효율 저하가 발생하고 PCS 고장 발생 시 해당 발전소는 운영이 힘든 큰 문제가 있다.

태양광 발전 시스템의 핵심인 전력변환 기술

국내에서 태양광 발전 설비의 최적운영 및 고효율화를 위한 PCS 개발 연구가 진행 중이지만 국내 태양광 발전의 양적 성장뿐만 아니라 질적 향상을 위한 고성능/고효율 기능의 전력변환 연구가 필요한 상황이다. PCS 설비의 경우 해외 선진 부품 업체로부터 부품을 공급받아 적용하는 경우가 많으며, 이로 인해 생산 비용 및 유지보수 비용 증가, 기술문제 해결 지연 등의 문제가 존재한다. 특히 대규모 태양광 발전시스템의 전력변환 기기는 대부분 외국기업이 시장을 주도하고 있었으나 국내 기업도 꾸준히 성장해 경쟁력을 갖추고 있다.

전력연구원은 이러한 문제를 해소하기 위해 저출력 구간에서의 효율 향상 및 PCS 고장 시 일부 설비가 발전할 수 있다는 다중 병렬스택 분할운전 기술을 개발했다. 다중 병렬스택 분할운전 기술은 대용량 뿐 아니라 중대형 발전단지에도 적용 가능할 것으로 보이며 경제적 수익 증가, 계통 전력품질향상 그리고 시스템 수명 증가에 도움이 될 것으로 기대된다.

다중 병렬스택 분할운전 기술 개발

다중 병렬스택 분할운전 기술이란 1개의 PCS 내부의 스택을 여러 개의 병렬구조로 분할하고 각각의 스택을 능동적으로 On/Off 동작시켜 저출력 구간에서 최적 효율점 운전이 가능하도록 하는 기술이다. 이를 위해서는 능동적으로 각 스택의 On/Off 제어가 가능한 독자적인 운영 기술을 개발이 필요하다.

실시간 제어검증시스템을 통한 다중 병렬스택 분할운전 기술의 모의 및 검증은 HILS (Hardware In-the Loop Simulator)를 기반으로 실제 PCS의 IGBT 등 전력변환 소자와 같은 주요 하드웨어와 태양광 및 계통 전원을 모의하고, 제어를 수행하는 다중 병렬스택 분할운전용 제어보드를 제작해 실제 PCS 구동시 발생 가능한 상황을 실시간으로 동작 및 확인했다. Central PCS와 AOM PCS를 실시간 제어검증시스템으로 구현하고 효율 및 전력품질을 측정해 PCS의 성능을 검증한 결과, 저출력구간에서의 PCS 변환효율이 2% 이상, 20% 발전 시 전력품질은 5% 이상 향상됨을 모의시험을 통해 확인하였다. 또한 전 영역에서 대해서 변환효율은 AOM PCS가 Cental PCS보다 약 1% 이상 향상됨을 모의시험을 통해 확인할 수 있었다.

태양광 발전으로 안정적인 전력공급이 가능해져….

전력연구원이 개발한 다중 병렬스택 분할운전 기술은 국내 도입 시 신재생에너지 자원이 상대적으로 부족하고 안정적인 전력공급이 힘든 국내 태양광 발전이 늘어나는 데 크게 기여할 것으로 예상된다. 특히 높은 수준의 전력변환기술을 확보함으로써 새로운 비즈모델을 통한 수출기반을 마련할 수 있게 되므로 전력산업 분야에 대한 기술적인 파급효과가 기대된다.

특히 전력연구원의 다중 병렬스택 분할운전 기술은 전력연구원이 하드웨어와 소프트웨어 기술 전체를 독자 개발한 기술로써 국내 전력 산업 성장에 크게 기여할 것으로 예상된다. 기술 도입을 통해 신재생에너지 발전원의 고장 등에 의해 발생 가능한 발전 출력저하 상황을 예방해 전력관리 신뢰도 향상이 가능해지므로 태양광 발전의 확대에 박차를 가할 것으로 기대된다.

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