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[태양광 산업의 기술 및 동향 ③] 태양광 발전 시스템과 축전 시스템

김대근 기자
입력 2013.10.02 00:00

[태양광 산업의 기술 및 동향 ③]
태양광 발전 시스템과 축전 시스템

스마트 그리드 시대가 오면서 태양광 발전 및 축전 시스템도 다양하게 변모되고 있다. 특히 축전기술의 역할이 더욱 강조되면서 태양광 발전과 축전 설비의 조합을 통한 다양한 구성 시스템들이 마련되고, 대량 도입 시 계통 안정화에 대한 대책도 논의되고 있다. 여기서는 독립형 태양광 발전 시스템, 방재형·피크컷 시스템, 축전지 병설형 태양광 발전 시스템 및 PV 대량 도입 시 계통 안정화 대책 기술의 활용안에 대해 살펴본다.

번역·정리 김대근 기자

일본에서는 저탄소 사회 실현을 위해 주택을 중심으로 2020년에 2800만㎾, 2030년에 5300만㎾의 태양광 발전을 도입한다는 목표를 내걸고 있다. 태양광 발전과 풍력 발전 등 신재생 에너지는 발전 출력이 기후에 좌우되기 때문에 주파수 변동과 배전선의 전압 상승 등 배전계통에 크고 작은 영향을 미친다. 또한 대량 도입 시 적절한 계통 안정화에의 대책이 필요하다. 태양광 발전용 파워 컨디셔너에 축전지를 조합함으로써 발전 전력의 평준화와 전압상승 방지 등이 계통안정화의 대책이 되며, 부하의 고조파나 무효전력을 흡수하는 액티브 필터 기능도 가능하다. 또 전력수요 피크 시(주간)에 축전지 방전으로 일조하는 피크컷 시스템, 재해에 의한 정전 시에 중요 부하에 전력을 공급하는 방재형 태양광 발전 시스템 등 갖가지 용도에 적용할 수 있다. 아래에 태양광 발전에 축전지를 조합한 시스템의 실용례를 나타냈다.

독립형 태양광 발전 시스템

상용전력계통이 없는 산악 지대 및 모든 섬 지역에서는 전력 배전선과 연계하지 않은 독립형 시스템이 사용된다. 소규모로는 가로등이나 방재무선시스템, 도로정보표시판 등에도 채용이 되고 있다. 독립형 태양광 발전 시스템은 태양전지, 충전 컨트롤러, 축전지, 인버터 등으로 구성된다. 상용계통의 지원이 없기 때문에 부하소비전력량은 태양광 발전력량 이하로 제한된다. 연속 강우 시에는 태양전지의 발전량이 0이 되기 때문에 축전지의 방전으로 부하급전을 하며, 몇 일간분의 축전지를 설치할 지를 결정해둔다. 이 불량 일조 일수의 상정이 부하의 전력공급 신뢰성을 좌우하는 중요한 핵심이 된다. 일반적으로 불량 일조 일수 상정을 길게, 축전지 용량을 크게 하면 신뢰성은 높아지지만 축전지의 코스트는 증대한다. 납 축전지를 사용한 경우 SOC(축전지 충전 상태)가 중간 정도의 상태에서 사용되므로 설페이션Sulfation에 의한 용량 저하가 발생하기 쉽다. 축전지의 선정에 세심한 주의가 필요하다.

방재형·피크컷 시스템

피크컷 시스템·LL운전은 쌍방향 전력 변환이 가능한 파워 컨디셔너를 사용해 전력수요 증가 시에 축전지를 계통연계 운전하고, 전력 디맨드를 경감·조정하는 시스템이다. 디맨드를 감시해 축전지의 충방전 타이밍과 방전량을 결정하는 EMS의 지령치에 의해서 동작한다. 계통정전 시에는 다른 계통의 자립 출력으로부터 중요 부하에 전력을 공급하는 방재형 전원으로서도 기능한다. 방재형을 같이 겸한 경우는 주간의 피크컷 방전 후에 재해 시 부하를 백업할 수 있는 비교적 대용량의 축전지가 필요하다.

축전지 병설형 태양광 발전 시스템

시스템 구성 | <그림 5>에 축전지 병설형 태양광 발전 시스템의 구성을 나타냈다. 본 시스템은 태양광 발전과 전력 저장을 조합한 시스템으로 파워 컨디셔너와 태양전지, 축전지, 축전지 감시 장치(축전지 캐비닛에 내장), 수전전력 검출 장치, 표시 모니터로 구성된다. 본 시스템은 아래와 같은 특장점을 가진다.

① 야간에 충전한 전력을 주간에 이용한다. 단, 부하의 전력공급은 태양전지의 발전전력을 우선시한다.

② 태양전지, 축전지의 쌍방에 대해 최적 또는 필요한 제어를 행하기 위해 파워 컨디셔너에 각각 전용 컨버터를 내장하고 있다.

③ 태양전지의 잉여전력은 역조류시키고, 축전지로부터의 전력은 역조류시키지 않기 때문에(현재는 축전지 방전 전력의 역조류는 허용하지 않는다) 수전점에 수전전력 검출 장치를 설치하여 역조류 방지 제어를 행한다.

④ 외부에 EMS와 같은 관리 시스템을 요하지 않고 전부 다 자동제어를 실행한다.

운전 모드 |

•방전 운전

축전지의 방전전력은 계통으로의 역조류를 방지하기 때문에 부하의 사용 현황에 맞춰 변화시킬 필요가 있다. <그림 6>은 태양전지의 발전전력이 일반 부하의 소비전력을 웃돌고 있는 경우의 전력 흐름이며, 태양전지용 컨버터는 최대전력 추종 제어를 행하여 인버터는 그 전력을 교류전력으로 변환시켜 일반 부하에 전력을 공급한다. 또 잉여전력이 발생한 경우는 계통에 역조류시킨다. 이것은 일반적인 태양광 발전용 파워 컨디셔너와 동일한 동작이다. 이 경우, 축전지 측의 컨버터는 게이트 블록하여 축전지로부터의 방전은 일체 행하지 않는다. <그림 7>은 태양전지의 발전전력에서 일반 부하의 소비전력이 웃돌고 있는 경우의 전력 흐름이며, 태양전지용 컨버터는 최대전력 추종 제어를 행하고, 인버터는 그 전력을 교류전력으로 변환시켜 일반 부하에 전력을 공급한다. 또 부족분의 전력은 축전지의 방전전력으로 보충하지만, 역조류 방지 제어를 통해 축전지의 방전전력이 계통에 흐르지 않도록 방전 전력을 제어한다.

•충전 운전

<그림 8>은 충전 운전 시의 전력 흐름이며, 인버터의 순변환 동작을 통해 축전지용 컨버터에서 정전류 충전을 행한다. 또 충전 운전은 야간에 행하기 때문에 태양전지용 컨버터는 정지해 있다.

•재해 시 자립운전

<그림 9>는 정전이 발생했을 시의 전력 흐름이며, 축전지 급전을 통해 야간과 일조 부족 시에도 중요 부하를 Back Up한다. 재해 시의 라이프라인Lifeline(전원) 확보와 수도시설에서의 비상급수용 전원으로 활용된다.

PV 대량 도입 시의 계통 안정화 대책 기술 활용
파워 컨디셔너와 리튬이온전지를 조합한 시스템은 PV 대량 도입 시 계통전압 상승 제어와 외부 지령에 의한 공급전력 조정에 적용할 수 있다. 태양광 발전 시스템의 출력변동을 축전지의 충방전으로 제어하고 계통전압의 변동을 억제한다. 또 마이크로 그리드 구축 시에 수급 차이를 조정하는 전력 네트워크 제어에 활용된다.

태양광 발전에 축전지를 조합함으로써 다양한 용도의 시스템 구성이 가능하게 되었지만, 향후 더욱 공격적으로 도입될 신재생 에너지의 출력변동을 전원 측에서 보상하는 축전설비의 역할이 더욱더 중요해질 것으로 보인다. 이러한 전력공급 측의 출력 제어뿐만 아니라, 수요 측의 에너지 관리(BEMS, HEMS) 및 ICT 활용의 스마트 미터를 통한 실시간 가격 책정과 적극적인 수요 밸런스의 제어 등 향후 스마트 그리드의 각 국면에서 축전기술이 중요한 핵심 기술로 떠오를 것으로 전망된다.