이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

닛신(日新)전기㈜_미노와 요시후미(蓑輪義文)
나가세 타다오(長瀬只雄)
마쓰가와 미쓰루(松川 満)
후지프림(Fujipream)㈜_키타 유타로(北 祐太朗)

개요

최근 지구 환경에 대한 문제의식이 높아지는 가운데 재생 가능 에너지의 이용, 그 중에서도 태양광발전 시스템 보급이 눈부시다. 그러나 앞으로 태양광 발전 시스템이 집중적으로 도입되다 보면 배전계통의 전력품질에 여러 가지 악영향을 미칠 것으로 염려된다. 이를 위한 해결책으로 시스템 내부에 축전기능을 장착하는 것이 가장 효과적인 대책으로 거론되고 있다. 그러나 축전 기능의 부가는 비용 상승의 요인이 되어 시스템 설치자에게는 큰 이점을 가져다주지 못하는 것이 일반적이다.
본 개발은 비용 상승의 단점을 야간 전력 활용으로 보충하면서 시스템 설치자 및 전력회사 양쪽 모두에게 이점이 있는 '태양광 · 축전지 하이브리드 시스템'을 구축해 실행한 기본 성능 검증을 다음과 같이 보고한다.

태양광 · 축전지 하이브리드
파워컨디셔너 시스템

1. 시스템 적용 이점

본 시스템은 태양광발전과 야간 전력 축전 두 기능을 함께 갖춘 파워컨디셔너 시스템이다. 태양광 발전 전력을 최대한 이용하면서, 전력요금이 저렴한 야간 전력을 주간의 수요가 소비전력에 유효 활용하려고 하는 것이다. 날이 맑을 때에는 수요가 소비전력으로 다 소비하지 못한 태양광발전의 잉여전력을 배전계통으로 역조류함으로써 수요가는 전력회사로부터 역조류 전력 판매 수익을 얻을 수 있다.
흐리거나 비 오는 날과 같이 태양광발전 전력을 기대할 수 없을 때에는 대부분의 수요가 소비전력을 야간 전력으로 조달한다. 또한 전력회사에서는 주간 전력 수요의 평준화를 기대할 수 있게 된다. 이처럼 본 시스템의 적용을 통해 수요가의 전기요금 저감과 주 · 야간 전력 평준화가 양립되어 수요가 및 전력회사가 함께 이점을 창출하는 것이 가능하다.

 

2. 시스템 구성

<그림 1>은 시스템 구성을 나타낸 것이다. 본 시스템은 정격용량 5㎾의 계통연계 인버터(INV), 3㎾의 태양광발전 전압 상승 초퍼(CHOP), 2㎾의 야간 전력 충 · 방전용 컨버터(BC2), 1㎾의 태양광발전 전력출력 변동 제어용 컨버터(BC1), 기계식 개폐기(SW1) 및 수전 전력 감시 시스템으로 구성되어 있다.
수전전력 감시 시스템은 계통연계 보호 기능, 역조류 감시 기능, 수전전력 계측 기능 및 데이터 통신 기능을 가지고 있다. 또한 수요가의 소비전력 및 역조류 전력을 계측하고, 각 변환기에 구매전력 최소 제어나 BC2 운전/정지 제어 등의 토털 매니지먼트(Total Management)를 위한 정보를 제공한다.
본 시스템은 태양광발전 전력 출력 변동 제어용 축전장치(Batt1)와 야간 전력 유효 활용 축전장치(Batt2)를 분리해 두 가지 축전 시스템을 가지고 있는 것이 특징이다. 또한 두 축전장치에는 고성능 · 긴 수명의 리튬폴리머 전지를 채용했다.

3. 시스템 운용 형태

야간 전력을 축전하는 시스템으로는 보통 주간 요금 시간대에 야간 전력을 역조류 하는 것이 불가능하다.
본 시스템에서는 '태양광발전전력 > 수요가 소비전력'일 때 태양광발전 잉여전력만을 역조류한다. 이때 수전전력 감시 시스템의 역조류 계전기(RPR) 동작에 의해 BC2 정지와 함께, SW1을 개방한다. 따라서 Batt2로부터의 방전전력이 없어 역조류가 있는 태양광 발전시스템으로서 운용이 가능하다. 한편, ' 태양광발전 전력 < 수요가 소비전력'일 때에는 수전전력 감시 시스템으로 수전전력을 감시하면서 수요가의 수전전력(구매전력) 최소 제어를 한다.
이들 시퀀스에 의해 태양광발전 이용과 야간 전력의 유효 활용을 양립시켰다.
또한 리튬폴리머 전지 운용에 있어서는 독자 배터리 매니지먼트 시스템을 개발해 전지 셀 전압 균등화 충전 제어 및 각종 보호 기능에 따른 안전성 향상을 도모했다.

고효율 DC/DC 컨버터 개발

최근 반도체 디바이스의 성능 향상에 의해 스위칭속도의 향상이 도모되고 있다. 디바이스 스위칭 시에는 스위칭 손실이 발생하며, 특히 플라이휠 다이오드(FWD)의 역회복 기간에 발생하는 손실은 여전히 크다.
이번에 개발한 소프트 스위칭 방식은 보조회로를 일절 부가할 필요가 없는, 경계 모드의 소프트 스위칭 제어에 의해 실현했다.
<그림 2>의 DC/DC 컨버터에서 <그림 3>에 나타난 것과 같이 입력전류 i1in~i3in을 불연속 모드와 연속 모드의 경계 부근에서 동작시킨다. 이를 위해 리액터값 L 및 고속 샘플링에 의해 검출된 입출력 전압값 Vin, Vout를 이용해 FPGA에 의해 반도체 스위칭(SW)의 ON, OFF 시간을 연산해 제어하고 있다.
다이오드 D가 완전히 역회복한 후 스위치를 TURN ON 시킨다. 그 결과 제로 전류 스위칭을 실현해 TURN ON 시에 발생하는 스위칭 손실을 원리상 제로로 했다.
TURN OFF 시에는 스위칭 디바이스의 부유 커패시터에 의해 제로 전압 스위칭이 형성되어 손실은 발생하지 않는다.
컨버터 변환효율은 승압(昇壓) 동작 시 97.8%, 강압(降壓) 동작 시 98.5%이다.

 

시스템 사양과 시험 결과

1. 시스템 사양

<그림 4>에 이번에 개발한 하이브리드 파워컨디셔너의 외관을, <표 1>에 주된 장치 사양을 나타냈다.

 

2. 시험 결과

태양광발전 전력 출력 변동 제어용, 야간 전력 유효 활용 축전장치 두 종류의 리튬폴리머 전지(계 10㎾h) 및 태양전지 모듈(3㎾)과 조합해 필드 시험을 실시했다.
<그림5>는 대표적인 1일 데이터를 게재한 것이다.
태양광발전 전력이 작은 아침 · 저녁 시각에는 태양광발전 전력과 야간에 축전한 전력(이하 야간 충전전력)으로 수요가 부하에 전력을 공급했다. 이 기간에는 수전전력 감시 시스템 지령값을 바탕을 한 구매전력 최소 제어(이번 검증으로는 약 500W)를 실행함으로써 계통으로 전력이 역조류 되지 않는 범위에서 야간 충전전력을 유효 활용했다.
오전 10시경부터는 태양광발전 전력이 부하 소비전력보다 커지지만, 역조류 중에는 RPR이 동작하고 그 동작신호에 따라 BC2 정지와 함께 SW1 '개(開)'동작을 하기 때문에 야간 충전전력이 역조류되는 일이 없는 시퀀스로 되어 있다.
야간 시간대(23:00~7:00)에 부하 전력은 계통에서 제공되는 동시에 야간 전력 유효 활용 축전장치로의 충전이 이루어졌다.
한편, 태양광발전 출력 변동 제어용 축전장치의 충 · 방전 동작에 의한 평활화 효과에 대해서는 지면 관계로 생략한다.

마무리

이번 연구는 일본의 독립행정법인 신에너지 · 산업기술종합개발기구의 공동 연구 업무로 실시되어 태양광 · 축전지 하이브리드 파워컨디셔너 시스템을 개발했다. 본 시스템 적용을 통해 태양광발전 전력과 야간 전력을 좋은 효율로 이용할 수 있으며, 이로써 전력회사는 야간 전력의 소비량 증대에 따른 부하 평준화가, 수요가는 전기요금 저하 효과가 기대된다.
또한 축전지를 병용하고 있기 때문에 역조류 기간 중 배전계통의 전압 상승 억제 대책도 용이하게 할 수 있으며, 집중 연계에서 나타나는 여러 문제를 해결할 수 있는 하나의 대안으로서도 기대할 수 있다.
향후 본 시스템이 널리 보급되기 위해서는 코스트 웨이트(Cost Weight)가 큰 축전지나 태양전지의 지금보다 더 낮은 저비용화 및 리튬계 배터리의 신뢰성 · 안전성 향상이 필요할 것으로 보인다.

 

리튬폴리머 전지 가볍고 전기화학적 표준 전위가 높은 리튬을 활물질로 이용해 전지전압과 큰 에너지밀도를 갖도록 만든 전지이다. 양 · 음극 및 세퍼레이터(Separator)를 일체형으로 제작하고 전해액을 폴리머 매트릭스의 미세 다공 속에 함침시켜 누액의 염려가 없다.

<Energy News>