[일본 중전기기 업체별 최신 기술] 메가솔라용 파워컨디셔너

이 원고는 일본《電氣評걩》誌에서 번역 전재한 것입니다.

㈜메이덴샤(明電舍) _ 하세가와 카즈호(長谷川 一穂)

개요

독일에서 발단한 FIT(Feed-in Tariff : 발전차액 지원제도)에 의해 태양광발전은 유럽에서 착실한 보급이 이루어져 왔다. 개인 주택용이 시장의 70%이상을 차지하고 있으며, FIT 제도를 채용하고 있지 않은 일본과 달리 투자 대상이 되기도 하는 FIT제도 아래에서 태양광발전은 메가솔라(1,000㎾ 이상)급이 끊임없이 도입되어 왔다. 한편, 일본에서는 최근 수년 동안 시스템 용량의 대형화 경향이 눈에 띈다.
<그림 1>은 NEDO 필드 테스트 사업에서의 2006년과 2007년 시스템 규모별 건수 비율 그래프로서, 안쪽 원이 2006년, 바깥쪽 원이 2007년도이다.
100㎾급 이상 시스템이 2006년 3.1%에서 2007년 20.3%까지 크게 늘어났음을 알 수 있다. 또한 2008년 7월 토야코(洞爺湖) 정상회담에 맞춰 발표된 '후쿠다(福田) 비전'에서도 메가솔라에 대한 언급이 있어 향후 일본도 메가솔라 시대에 본격적으로 돌입할 것으로 보인다.

대규모 시스템 시장 동향

1. 세계 시장

유럽에서는 5㎿~20㎿급 시스템도 드문 일이 아니다. <그림 2>는 2007년 말까지 공표된 200㎾가 넘는 대형 시스템의 도입량을 나타낸 것으로(출처 : pvresources. Com Annual Report 2007), 2005년 이후 FIT 도입과 함께 급증하고 있음을 알 수 있다. 다만, 2008년 들어 각국이 FIT 내용을 재검토하면서 제도 지원 비중이 저하 경향에 있기 때문에 지금까지처럼 초대형 시스템이 늘어날지는 불투명하다.

2. 일본의 움직임

⑴ 후쿠다 비전에서의 태양광발전
후쿠다 비전에는 태양광발전의 도입 목표와 달성을 위한 시책에 대해 구체적으로 언급되어 있다.
그에 따르면 2020년에는 현재의 10배, 2030년에는 40배로 늘릴 것을 목표로 하고 있으며, 2005년의 설비 도입량인 140만㎾를 기준으로 한다면 2020년에는 1,400만㎾, 2030년에는 5,600만㎾가 된다.
이러한 목표 달성을 위한 시책으로 다음 두 가지가 거론되고 있다.

⑵ 각 전력회사의 방안
일본의 전기사업연합회는 2008년 9월 19일, 메가솔라에 대한 방안을 발표하고, ' 2020년까지 전력 10개사를 합쳐 약 30지점, 14만㎾를 도입'할 것을 표명했다. 2007년 말 시점까지 전력 10개사의 태양광발전 도입량은 4,250㎾ 정도였다.
2008년 11월 말까지 공표된 계획은 다음과 같다.

메가솔라용 파워컨디셔너

1. 태양광발전용 파워컨디셔너(이하 PCS)의 기본 기능

파워컨디셔너는 태양전지가 발전한 직류전력을 교류전력으로 변환해 교류계통에 연계(동기)한 전력을 공급한다. 주로 다음의 제어 기능을 가지며, 또한 상용계통과 연계하기 위해 '전력품질 확보에 관계되는 계통연계 기술요건 가이드라인' , ' 전기설비기술 기준'에 준거한 기능을 가지고 있다.

⑴자동 운전 기능
일사(日射) 강도의 증대로 파워컨디셔너가 운전가능한 조건이 되면 자동으로 발전을 개시하고, 일몰 등 태양전지 출력이 적어지면 자동으로 정지, 대기 상태가 된다.

⑵최대 전력 추종 제어 기능
태양전지 출력은 일사 강도나 태양전지 온도에 따라 변동되지만, 파워컨디셔너는 이 출력이 항상 최대점으로 운전할 수 있도록 직류전압을 일정 간격으로 변동시켜 제어한다. 이것을 최대 전력 추종 제어(MPPT : Maximum Power Point Tracking)라고 한다.

⑶단독 운전 검출 기능
계통연계 운전 중에 계통 측에서 정전이 발생한 경우, 파워컨디셔너 출력과 부하전력이 평형이면 출력전압 · 주파수가 변화하지 않아 연계 보호 릴레이로 검출이 불가능하다. 현실에서는 상당히 가능성이 낮은 경우이긴 하지만, 만에 하나 이와 같은 단독 운전 상태가 발생하면 계통 측에 위험을 초래할 우려가 있기 때문에 이를 방지하고자 여러 방안이
연구되고 있다.
일본에서는 수동적 방식과 능동적 방식 두 가지를 겸용하는 것을 추구하고 있으며, 일본 국내 제조사 제품에는 표준장비로 되어 있다. 수동적 방식이란 연계 운전 상태에서 단독 운전으로 이행할 때의 전압 파형이나 위상, 주파수 등의 변화를 검출한다. 능동적 방식은 인버터 출력에 무효전력 등의 변동 요인을 평소에 제공해 두는데, 통상의 연계 운전 시에는 계통 측의 파워가 크기 때문에 출력에 나타나지 않고, 단독 운전 시에는 변동 요인이 나타남으로써 검출한다.

2. PCS 회로 구성

PCS 본체의 주회로 구성은 <그림 3>과 같다. 태양전지 측의 직류전압 범위는 DC 225~500V로 하며, 초퍼(Chopper)회로를 사용하지 않고 인버터를 사이에 두어 AC 130V로 해 이것을 상용주파 절연트랜스로 400V계로 승압한다. 표준 탭은 380-400-415V이다. 장치 해열점은 출력 트랜스 상위(계통측)의 마그넷 스위치(52M, 52M1)이지만, 현재 일본의 가이드라인에서는 52M만 가능하다.

⑴ 단기(單機)용량
㈜메이덴샤에서는 2006년에 단기 250㎾ PCS를 시장에 투입해 많은 실적을 보유하고 있다. 메가솔라용이지만 발전전력은 대부분이 자가 소비되는 시스템이며, 단기용량은 크지만 운용은 소규모용 PCS와 같다.
전 세계적으로 보면 3상 출력 PCS는 수 ㎾의 작은 것에서 최근에는 단기 500㎾ 이상급도 등장해, 특히 왕성한 유럽 시장용으로서 요구가 높다. 앞으로는 각국의 FIT 제도 내용에 따라 플랜트 용량의 중심이 다를 것이다. 시스템 전체 용량으로부터 보수 점검, 고장 시 리스크, 이니셜 코스트(Initial Cost) 등의 균형을 고려해 PCS 1대당 용량을 선정하게 된다. 1,000㎾ 시스템의 경우 100㎾×10대의 의견과 250㎾×4대의 의견이 유력하지만, 종합 평가에 있어서 250㎾×4대(1대 25% 부하)가 적당할 것으로 생각된다. 또한 시스템 전체 용량이 5~10㎿ 이상급이 실행되고 있어 단기 500~1,000㎾기(機)에 따른 구성이 기대된다. 대규모 시스템은 그 숫자 크기에서 일단 눈을 사로잡지만, 향후 몇 십 플랜트/년이 또 도입될지는 아무도 모른다. 세계적인 불황의 영향도 있어 현재 상태로는 250㎾기를 기본으로 한 조합으로 대응해 가는 것이 현실적일 것이다. 단기 대형화를 통해 이니셜 코스트의 저감을 기대할 수 있는 것이 사실이지만, 인버터 고장 시 즉시 대응에는 메가 측의 부담도 커지게 된다. 제조사 입장에서 부품의 공통화 및 양산 효과에 따른 비용 절감의 추구는 영원한 과제이며, 어느 정도 라인에서 흐르고 있는 용량이 동일하면 긴급 상황 혹은 짧은 납기에도 융통성을 발휘하게 된다. 이러한 점도 고려해 단기용량을 선정해야 한다.

⑵ 발전소용 PCS의 바람직한 기능
① 직류전압 레벨 : 일본과 세계
PCS는 태양전지와 상용계통 양방을 매칭(Matching)하는 아주 중요한 설비이다. 그러나 시스템 전체에 차지하는 가격 비율은 10% 전후이며, 맡고 있는 책임 비중을 생각한다면 부자연스러운 밸런스를 느낄 때도 있다. 먼저 태양전지와의 매칭에 있어 메가솔라는 그 이름대로 1,000㎾를 넘기 때문에 전류치도 크다. 시스템 설계에서 최대한 직렬 수는 올리고 병렬 수는 줄이는 것이 바람직하다.
일본에서는 DC 750V까지를 저압으로 구분하고 있으며, MCCB 등 전기부품은 그 대부분이 500/600V 적용을 전제하고 있다. 따라서 전력 케이블이나 PCS 내부부품 등도 600V 내압의 것이 선정된다. 이것은 태양전지도 마차가지이며, 일본 국내용 태양전지의 최대 시스템 전압은 DC 500~600V이다.
한편, 일본을 제외한 다른 대부분의 나라에서는 '고압'이라고 하는 분류 체계가 없으며, 저압 위는 특고가 된다. 따라서 직류전압도 높은 경향이 있으며, 시스템 전압 상한을 1,000V급까지 대응 가능한 모듈이 적용된다. 이 경우 PCS에 요구되는 허용전압 범위도 DC 800~1,000V급이 된다. 일본 국내계획으로는 국내시장용 태양전지를 적용하는 데 직류는 저압 구분 내에서 시스템 설계하게 된다.
② 전력 변환효율
시스템 전체의 효율을 높이기 위해 태양전지 레이아웃이나 PCS의 배치 등이 검토되고 있지만, PCS단체(單體)에 있어서의 고효율화는 비용과 함께 영원한 과제이다. ㈜메이덴샤의 250㎾기를 예로 들면, 정격출력 시 94% 이상이 된다. 일본에서는 정격출력 시의 효율을 표기하도록 하고 있으나, 유럽 등에서는 EUROη라고 하는 지정출력 레벨마다의 효율에 중요도를 부과해 계산하는 표현이 있다. 이는 PCS가 정격출력 하는 일이 적으며, 효율 곡선에서 60~70%당(설치 조건에 따라 다름) 최대 효율점이 오는 것이 실제 필드에서는 중요하다는 사실에 입각했다. 또한 효율 표현은 제어 전원이나 출력트랜스 포함 여부에 따라 수치가 크게 바뀌기 때문에 비교할 때는 주의가 필요하다.
③ 원방 감시 제어
지금까지 보급되어 온 자가 소비 메인 시스템은 출력을 컨트롤하지 않고 일사에 비례한 발전전력을 얻을 뿐이다. 그러나 발전소 운용이 되면 다른 발전소까지는 가지 않더라도 그 나름의 감시 제어가 요구될 것으로 예상된다. WEB 감시, PCS의 운전 정지 등을 할 수 있는 것이 바람직하다.
④ 설치 환경
메가솔라는 태양전지의 면적이 확대되며, 설치장소로는 연안 지역의 매립지나 공업단지의 그라운드 면이 예상된다. 이들 지역에서는 중내염(重耐鹽, 평소 비래염분(飛걐鹽分)이 고농도인 지역에서 요구되는 수준) 사양이 필수적이다. 대부분의 태양전지는 중내염 사양이 표준으로 정해져 있지만, 반도체 변환장치인 PCS에 있어서는 혹독한 조건이라 할 수 있다. 염분뿐만 아니라 특수 환경에서의 분진 등을 고려하면 밀폐형 패키지를 적용하거나 건물 내 설치가 바람직하다. 밀폐형 패키지는 에어컨이 필요하며, 그에 따른 소비전력도 추가되기 때문에 이상적인 형태는 아니지만 품질 확보에는 최적이다.
⑤ 단독 운전 검출 기능 마스크
PCS는 앞에서 논한 대로 단독 운전 검출 기능을 표준 장비하고 있다. 이 기능은 제조사에 따라 각기 다른 방식을 취하고 있기 때문에, 동일 뱅크에서 서로 다른 제조사의 PCS 병렬은 현실에서는 불가능하다(가정용의 경우 소용량이기 때문에 실증시험을 통해 확인이 이루어지고 있다). 그러나 태양광발전소로서 특고 연계하는 시스템에서는 계통연계 보호 기능을 특고 수전점에 설치해 그 신호로 당해 차단기를 개방하면 PCS 자체가 가진 계통연계 보호 기능은 없어도 괜찮은 것으로 해석할 수 있다. 따라서 단독 운전 검출 기능(특히 능동적 방식)의 이종(移種) 간에 의한 걱정을 없애기 위해 이 기능을 마스크 함으로써 대응할 수 있다. PCS에는 연계 보호 기능의 유효/무효 선택이 가능한 것이 바람직하다.

⑶ PCS 외관 예
일례로 250㎾ PCS 본체(옥내형)의 외관은 <그림 4>와 같다. 옥외 설치의 증가로 패키지 크기를 작게 하고, 또한 옥내에 설치하는 경우에도 얼마나 작은 공간에서 이루어질 수 있는지의 관점에서 PCS 본체의 소형화도 계속해서 추구되고 있는 테마이다.
그러나 이것이 지나쳐 시공성, 보수성을 해치는 일이 있어서는 안 되므로 균형 잡힌 구조 설계가 필요하다.

메가솔라 기본 단위 1,000㎾ 시스템

메가솔라의 기본 단위인 1,000㎾ 시스템 구성도를 <그림 5>에 나타냈다.
특고 수변전 설비, 1,000㎾ 서브 변전소, 1,000㎾(250㎾×4) PCS군, 감시 제어 장치, 태양전지 어레이, 접속함, 기상계가 기본 기기로 구성되어 있다.
이들을 시스템 규모 및 레이아웃에 의해 블록 수, 조합을 검토하게 된다.

향후 과제

일본은 태양전지 생산량에 있어서는 세계 최고를 다투고 있지만, PCS에 관해서는 세계적인 수준과 차이가 있다. 앞으로는 세계 표준 사양으로서 품질 · 안전성을 더욱 향상시켜 전체 태양광 시스템구축에 일조하도록 해야 한다.