최근 반도체 및 정밀기기 등 고품질·고부가가치 제품의 제조라인이 증가하고 있어 순간적인 전압 저하(이하,「순저」로 기재) 및 단시간 정전 대책에 대한 요구가 높아지고 있다. 일반적인 순저·정전대책으로서 무정전 전원장치 및 순저보상장치가 다수 도입되어 있다. 여기에서는 일본의 주부전력㈜과 ㈜메이덴샤(明電舍)가 공동으로 개발한 전기이중층 커패시터식 순저보상장치와 현재 실증시험 중인 리튬이온 커패시터식 단시간 정전보상장치에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
전기이중층 커패시터식 순저보상장치
전기이중층 커패시터란
전기이중층 커패시터의 원리를 [그림 1]에 나타냈다. 두 전극의 표면에 형성되는 전해액의 분자가 늘어선 매우 얇은 층을 전기이중층이라고 한다. 이것이 콘덴서의 절연물과 같은 기능을 함으로써 등가적으로 전극간 거리를 수십nm로 매우 작게 할 수 있으며, 또 전극에 다공질의 활성탄을 이용함으로써 전극 표면적을 수십㎡/g으로 넓게 할 수 있다. 그 때문에 기존의 전해 콘덴서의 약 100배가 되는 전기 에너지를 저장할 수 있게 되었다.
장치의 개요
장치의 사양을 [표 1]에 나타낸다. 보상을 순저만으로 한정시켜 소형화 및 저코스트화를 도모하고 있다. 저압기의 기본회로 구성을 [그림 2]에 나타냈다. 상시는 상용전원에서 전환 스위치를 통해 직접 부하에 전력을 공급한다. (상시 상용급전 방식) 순저·정전이 발생하면 상용전원측을 즉시 분리하여 전기이중층 커패시터에서 부하에 전력을 공급한다. 상용전원이 복구되면, 상용전원에서 부하로의 급전을 재개함과 동시에 변환기(쌍방향 인버터)는 전기이중층 커패시터로의 충전을 개시한다. 저압기는 [사진 1]과 같이 전기이중층 커패시터 모듈을 수납한 커패시터반, 전환 스위치, 쌍방향 인버터, 입출력 단자 및 바이패스 스위치를 수납한 변환기반으로 구성되어 있다. 고압기는 전환 스위치에 고속 대용량의 반도체 소자 GTO(게이트 턴오프 사이리스터)를 채용하여 저압기와 같은 상시 상용급전 방식을 취함으로써 상시 운전효율을 98~99% 이상을 실현하였다.
장치의 특징
본 장치의 특징을 아래에 설명한다.
① 전기이중층 커패시터의 순저보상장치로의 적용
저압기에서는 전기이중층 커패시터의 채용으로 전해 콘덴서에서는 0.1초 정도였던 보상시간을 1~2초 정도로 연장했다. 또 고압기에서는 병렬수 증가에 의해 대출력·대용량화를 도모함으로써 공장의 순저대책을 일괄적으로 시행할 수 있는 6600V, 10000kVA까지의 고압 대용량 장치를 실현했다.
② 유지보수 불필요 및 장수명화
전기이중층 커패시터의 적용에 의해 축전부는 15년간 교체 및 정기적 유지보수가 불필요하다. 그 때문에 상시의 효율 향상에 따른 운전 코스트의 저감과 더불어 기존의 납축전지형과 비교해 장치의 유지비용을 대폭적으로 절감할 수 있다. 또 중금속을 사용하지 않기 때문에 폐기 시의 회수처리 등도 불필요하다.
③ 대기 시 손실의 대폭적인 저감
순저보상장치의 도입에 있어서는 장치의 대기상태에서의 경제성도 함께 고려할 필요가 있다. [그림 3]에 나타난 바와 같이 기존의 무정전 전원장치의 대부분에 채용되어 있는 상시 인버터 급전방식은 상시 2대의 변환기를 통해 부하에 급전하기 때문에 손실이 커지는 결점이 있었다. 그리하여 순저·정전 시 전원측에서 변환기측으로 전환하는 전환 스위치에 고속 반도체 스위치 소자(저압기는 IGBT: 절연 게이트형 쌍극성 트랜지스터(바이폴라 트랜지스터, Bipolar Transistor), 고압기는 GTO: 게이트 턴오프 사이리스터)를 채용함으로써 1/8사이클(2ms)의 고속전환을 실현하고, 거의 무순단(無瞬斷)에서의 순저·정전보상을 가능하게 했다. 그 결과, 상시 상용급전 방식을 채용할 수 있게 되어 상시 운전효율은 저압기에서 97% 이상, 고압기에서 98~99% 이상을 실현하며, 기존과 비교해 운전 손실을 약 1/5로 대폭적인 절감을 도모할 수 있었다.
④ 연속순저에 대한 대응
전기이중층 커패시터는 방전 후의 재충전도 고속으로 실행 가능하다. 재충전 중에 순저가 발생해도 보상동작 우선의 제어방식을 채용하고 있어 다중뢰(多重雷) 등에 의한 순저의 반복에도 대응 가능하다.
⑤ 과전류 대응
고속 전환 스위치에는 반도체 스위치를 사용하고 있기 때문에 변압기의 여자돌입전류 및 유도전동기의 시동전류 등 과전류에 대한 대응이 과제였다. 채용한 고속 전환 스위치는 반도체와 기계식 스위치를 병용(저압기: IGBT에 사이리스터, 전자개폐기를 병렬 접속, 고압기: GTO에 차단기를 병렬 접속)하여 과전류를 바이패스함으로써 과제를 극복했다.
순저보상동작 시의 파형(예)
고압기에서 실제로 순저가 발생했을 시의 보상동작 파형의 일례를 [그림 4]에 나타냈다. 3선 지락고장에 의해 83ms(5사이클) 간 최대전압 저하폭 45%의 순저가 발생했지만, 부하에는 정상 전압이 계속 공급되고 있다. 전환 시간도 1.2ms로 사양의 2ms 이하를 충분히 만족시키고 있다.
리튬이온 커패시터식 단시간 정전보상장치
아래에 현재 개발 중인 리튬이온 커패시터식 단시간 정전 보상장치에 대해 소개한다.
배경과 목적
앞서 설명한 전기이중층 커패시터식 순저보상장치는 1~2초의 순저에 대한 대응에 특화된 것으로서 이보다 한 단계 더 보상시간을 길게 연장하기 위해 에너지 밀도가 높은 리튬이온 커패시터를 축전부에 이용한 단시간 정전보상장치의 실증기를 ㈜메이덴샤(明電舍)와 공동으로 개발·제작했다. 현재, 제품화를 목적으로 필드 실증시험을 진행하고 있다.
리튬이온 커패시터의 원리와 특징
리튬이온 커패시터는 정극측에 기존의 전기이중층 커패시터의 원리를, 부극측에 리튬이온 전지의 원리를 적용하고 있으며, 쌍방의 특징을 겸비하는 하이브리드 커패시터로 분류된다. 정극에는 활성탄을 이용하여 그 표면에 형성된 매우 얇은 전기이중층을 끼고 전하를 흡착함으로써 정전용량으로서 전하를 저장한다. 한편, 부극에는 충상의 흑연계 탄소를 이용하여 리튬이온을 층간에 흡장하여 전하를 저장한다. 리튬이온 전지의 원리를 조합함으로써 셀 전압은 3.8V 정도로 높고, 전기이중층 커패시터의 약 3배의 에너지 밀도(단위 질량당의 저장 전기 에너지양)를 실현하고 있다.(전기이중층 커패시터는 2.5V 정도, 리튬이온 전지는 4V 정도) 또한, 전기이중층 커패시터와 같은 정도의 출력밀도(단위 시간당 출력 가능한 전기 에너지양)와 10만회 정도의 사이클 수명(충방전 반복 가능 횟수)을 가지고 있다. 단, 하한전압(셀 전압 2V 정도)을 밑도는 과방전을 하면 부극의 층간에 흡장하거나 리튬이온의 석출로 불가역 상태가 되기 때문에 이를 밑돌지 않는 범위 내에서 운용할 필요가 있다. 또한, 이번 실증기에는 JM에너지㈜제의 리튬이온 커패시터([사진 2] 참조)를 채용하여, 이를 수천 개의 오더로 구현해내고 있다.
실증기의 사양과 특징
필드 시험 중인 실증기의 개략적인 사양을 [표 2]에, 그 외관과 리튬이온 커패시터반(실증기의 일부)의 외관을 각각 [사진 3]과 [사진 4]에 나타냈다. 실증기의 특징은 다음 아래와 같다.
① 고압·대용량·장시간 보상
고에너지 밀도의 리튬이온 커패시터를 채용함으로써 6600V, 1000kVA, 600kW×11초 보상의 고압·대용량·장시간 보상을 실현했다. 전기이중층 커패시터식 순저보상장치의 전환 스위치, 변환기의 기술을 적용하여 1000~10000kVA, 보상시간 20초까지 대응 가능할 것으로 기대된다. 단, 이번 리튬이온 커패시터의 적용에 있어서는 전술의 하한전압 관리 등으로 인해 축전부에 직류 차단기를 설치하여 연동제어하는 등 회로구성 및 제어방법에 재검토가 있었다.
② 높은 상시운전효율
커패시터의 충전 제어를 상시 충전 방식에서 간헐 충전 방식으로 하여 상시 운전효율에서는 99% 이상(공조설비의 소비전력 제외)을 실현했다.
③ 고신뢰도 및 취급 용이성
전기이중층 커패시터식 장치와 동일한 고속 대용량 반도체 전환 스위치를 채용하여 순저 및 정전 발생 시 전환시간의 사양치를 2ms 이하로 했다. 또, 이번에 채용한 리튬이온 커패시터(축전부)의 교체는 상온 하에서 15년간 불필요한 것으로 내다보고 있으며, 납 등의 중금속을 사용하지 않기 때문에 폐기 시의 회수처리도 불필요하다.(전기이중층 커패시터식 장치와 동등한 수준 확보) 한편, 리튬이온 전지에서는 내부 단락 시 정극측 금속 산화물에서 방출되는 산소가 열폭주를 일으켜 파열 및 발화 등의 문제점이 있지만, 리튬이온 커패시터에서는 정극에 활성탄을 이용하고 있어 산소원(酸素源)이 되지 않으므로 리튬이온 전지와 같은 현상이 구조적으로 발생될 수 없기 때문에 안전 면에서도 이점이 있다.(전기이중층 커패시터식 장치와 동등)
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