서론 파워일렉트로닉스의 적용분야는 수백 MW급의 직류송전·SVC급과 수 kW~수백 kW급의 가전제품·범용 인버터 등 초대용량과 소용량 2개의 분야로 나뉜다. 하지만 최근 풍력발전·사업소용 전력저장 등 분산형 전원에 있어서의 파워일렉트로닉스 적용이 진행되어 중용량 영역의 MVA급 파워일렉트로닉스의 시장규모가 확대되고 있다 (<그림 1> 참조). 이 글에서는 MVA급 파워일렉트로닉스 장치의 주회로 기술, 제어 기술에 대해 그 동향을 이야기해본다.MVA급 파워일렉트로닉스의 적용분야분산형 전원의 하나인 풍력발전이 급격히 발전하고 있다. 또 야간 전력의 활용·부하평준화의 관점에서 전지에 의한 전력저장도 활발하게 이루어지고 있다. 정보 인프라 설비, 반도체·액정 공장의 전력안정공급을 위해서 UPS와 순저대책장치(瞬低對策裝置)가 필요하다. 파워일렉트로닉스는 이와 같은 기술 분야에 있어서 필수 기술이다. 여기서 MVA급 파워일렉트로닉스 기술 4가지를 소개한다.
1. 풍력발전기용 파워일렉트로닉스풍력발전의 여러 가지 방식 중 파워일렉트로닉스는 그 중 두 가지 방식에 적용된다. 그 첫 번째는 동기발전기용 주파수 변환장치이고, 두 번째는 더블페드(Double-Fed) 풍력발전기의 교류여자용 변환장치이다.2. 풍력발전소용 SVC/STATCOM발전기가 유도기 타입일 경우에는 무효전력변동을 따르기 때문에 그 변동제어용으로 SVC 또는 STATCOM이 설치된다.3. 전력저장설비용 변환기각종 2차 전지, 초전도 코일 등에 의한 전력저장설비는 에너지의 축적형태가 직류이기 때문에 교류계통 간에 교직변환을 행할 필요가 있다.4. UPS 및 순저대책장치정보유통을 위한 서버센터에는 대용량 UPS가 적용되고 있다. 또 공장의 생산 라인도 정보화·전자화가 진행되고 있고, 반도체와 액정은 생산라인이 정지되면 그 영향이 크기 때문에 순저대책장치를 도입하는 공장이 많다. 전 공장의 순저대책을 위한 MVA급 파워일렉트로닉스가 적용된다.풍력발전기용 파워일렉트로닉스풍력발전은 <표 1>에 나타난 것처럼 4개의 방식이 있지만, 그 가운데 DC연계방식, 더블 페드 방식을 이용한 주파수 변환장치의 구성을 설명한다.1. DC연계방식의 주파수 변환장치전력 계통 연계에서 주파수 변환은 FC(Frequency Convertor), 비동기연계(非同期連系)는 BTB(Back To Back)과 같이 구별하는 경우가 많지만, 풍력발전에서는 주파수 변환장치를 BTB로 칭하는 경우가 많다.여기에서는 그 BTB의 구성과 동작을 설명한다. <그림 2> (a)에 DC연계방식 풍력발전의 구성을 나타내었다. 풍력은 항상 변하고 발전기의 회전속도도 계속 변하는 성질이 있어, 발전되는 전력의 주파수도 변동한다. 한편, 전력계통은 50Hz 또는 60Hz의 일정 주파수 시스템으로, 여기엔 주파수 변환기가 필요하다. 주파수 변환기는 풍력발전기의 전력을 일단 직류전력으로 변환하기 위한 컨버터, 직류전력을 일정 주파수의 전력으로 역변환하기 위한 인버터에서 구성된다. 변환기가 서로 등을 맞대어 접속되는 구성이기 때문에 Back To Back, 생략해서 BTB라고 한다. 변환기는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 적용시킨 자려식변환기가 많이 사용되고 있다. 풍력발전용 BTB의 운전파형을 <그림 2> (b)에 나타내었다. <그림 2> (a)의 번호 ①~③은 각각 <그림 2> (b)의 번호에 대응한다.
2. 더블페드 풍력발전 장치더블페드 방식은 기본적으로 가변속 양수발전의 교류여자와 같은 원리이다. 그 구성을 <그림 3>에 나타내었다. 앞에 말한 DC연계방식은 발전한 전력을 모두 변환장치로 통과시키기 때문에 발전기와 같은 용량의 변환장치가 필요하지만, 더블페드 방식에서는 발전 주파수와 계통 주파수의 미끄러진 성분만 공급하면 되므로 발전기의 1/5~1/3 정도 용량의 변환장치로도 좋다. 이러한 이유로 최근 1,000kW정도 이상의 대형기를 중심이 된 방식이 주류가 되었다. 변환기의 하드웨어는 DC연계방식과 같이 IGBT를 적용시킨 BTB구성 변환기가 사용된다.
풍력발전소용 SVC/STATCOM유도발전기를 사용하는 풍력발전에서는 풍력변동에 의해 발전기 전력이 변동되는데다 교류전압이 변동되는 경우도 있기 때문에, 그 변동을 억제하기 위해 무효전력보상장치(SVC : Static Var Compensator) 또는 자려식 정지형(自勵式靜止形) 무효전력보상장치(STATCOM : STATic synchronous COMpensator)를 설치하는 경우도 있다. 사이리스터를 이용한 TCR(Thyristor Controlled Reactor : 사이리스터 제어 리액터), 자려식 변환기를 이용한 STATCOM에 모두 적용한 예가 있다.IGBT 변환기를 적용시킨 3,000kVA의 STATCOM을 소개한다. 장치의 동작파형과 외관을 <그림 4>에 나타내었다. STATCOM은 여러 대의 풍력발전기에서 구성된 풍력발전소 전체의 무효전력을 검출하여, 그 변동을 없애는 무효전력을 출력하여 연계점 전압을 안정하게 유지시킨다.
전력저장설비용 변환기공장과 쇼핑센터 등의 사업소에 전력저장설비를 도입하여 전력의 평준화를 꾀하는 예가 늘고 있다. 2차 전지에 의한 전력 평준화의 개념을 <그림 5>에 나타내었다. 밤에 전지를 충전시켜 부하가 무거운 낮에 방전하여 전력 계통에서 수전하는 전력을 평준화시키는 시스템이다. 교직변환기(이하 PCS : Power Conditioning System, 통칭 파워컨디셔너)로 2차 전지와 교류계통 간에 전력수수(電力授受)한다. 사업소의 전력상황에 따라 전력기준을 PCS로 받고 PCS는 전력과 조류방향을 제어한다. PCS용량은 수 백~수 천kVA으로, IGBT를 이용한 전압형 자려식 변환기가 공장의 배전 계통에 변압기를 사이에 두고 접촉된다. 전력저장용 설비의 예를 <그림 6>에 나타내었다.
UPS와 순저대책장치UPS(Uninterruptible Power System 무정전 전원 시스템)은 전력공급을 배전계통으로 연계하는 컨버터를 통해 배터리를 충전시키고 인버터를 끼고 부하에 급전하는 시스템을 말한다. (<그림 7 (a)>)한편, 순저대책장치는 보통 배전계통의 전력을 부하에 급전하여, 순저발생 시 부하와 계통을 고속 스위치로 해열, 에너지 축적 디바이스(2차 전지, 초전도 코일)에서 PCS를 끼고 부하에 급전하는 구성이 대부분이다.(<그림 7 (b)>) 이 방식에서는 PCS가 상시대기하고 있기 때문에 SPS(Standby Power System)으로도 불린다. <그림 6>의 순저대책기능 부착 전지전력저장설비의 예에서는 고속 스위치로써 사이리스터 스위치가 사용되고 있다. 고속 스위치에 자기소호소자(自己消弧素子)를 이용한 시스템도 실용화되고 있다.
MVA급 파워일렉트로닉스 장치 기술지금까지 소개한 MVA급 파워일렉트로닉스 장치는 모두 IGBT를 적용시킨 자려식 변환기로, 그 기초기술로는 대용량화를 위한 IGBT 병렬기술, 저손실화를 겨냥한 제어기술이다.1. IGBT 병렬기술MVA급 파워일렉트로닉스 장치는 수 백~수 천kVA의 용량을 실현시키기 위해, 모두 IGBT를 병렬접속하여 유니트(unit:단위)를 구성하고 있다. 고속으로 스위칭하는 IGBT를 적절하게 병렬접속하기 위해서 스트레이 인덕턴스(stray inductance) 분포를 미리 분석하여 추정하고 용품배치를 정하는 등 고도의 실장설계기술이 구사되고 있다. 그리고 유니트를 병렬 접속하여 대용량의 변환기를 구성한다. 병렬구성의 한 예로 3,000kVA 자려식 SVC의 구성을 <그림 8>에 나타내었다.
2. 제어 회로MVA급 파워일렉트로닉스 장치는 소형화 IGBT 장치이므로 거기에 알맞은 작은 제어하드가 요구된다. 이 요구에 충족시키기 위해, 빠르게 진화한 디지털 기술을 적극적으로 활용하여 제어용 프린트 기판 개발과 실용화에 만전을 기하고 있다. 전력·전류 제어·펄스 제어를 한 장의 기판에 탑재하고 주회로와 일체시킨 구성이 주가 되고 있다. 3. 저손실화를 위한 제어 기술IGBT는 현재 제 5세대가 실용화되어 있는데, 제 1세대와 비교하면 통신 손실이 1/3정도이다. 소자 특성의 개선과 함께 MVA급 파워일렉트로닉스 장치에서 스위칭 로스를 줄이기 위한 특별한 펄스 발생법이 최근에 여러 개가 제안·실용화되고 있다.대용량 UPS의 예로, 500kVA장치(<그림 7>(a))에서의 제어를 소개한다. 이 UPS 장치에서는 종래의 캐리어신호와 참조신호 비교의 PWM이 아닌 히스테리시스 콤퍼레이터(hysteresis comparator)에 의한 고속전류제어를 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용한 디지털 제어로 실현시켜 고효율을 얻을 수 있게 하였다. 히스테리시스 콤퍼레이터를 이용하면 <그림 9> (a)에 나타난 것처럼, 전류가 큰 기간에서의 스위칭이 적다. 전류 제로 크로스 부근에서 스위칭이 많지만, 전류값이 적기 때문에 스위칭 로스를 절감할 수 있다.
그리고 이 전력계통용 STATCOM과 철강 플랜트용 드라이브 장치에서 저차조파(低次調波)를 억제하는 특별한 펄스 패턴을 이용한 펄스 제어로 펄스 수를 줄이는 연구가 진행되고 있다. 보통의 PMW는 삼각파 캐리어 신호와 정현파(正弦波)의 참조신호를 이용하지만, 이것은 아날로그 회로에서도 비교적 실현하기 쉬워 과거의 자려식변환기 펄스제어는 거의 대부분이 이 방식이었다. 하지만 최근 FPGA와 DSP(Digital Signal Processor)가 대규모화, 고속화되고 있어, 드리프트(drift:이동)가 없는 고정도의 연산과 타이밍 제어가 온라인으로 실현할 수 있게 되었고, 실현이 어려워 과거엔 채용되지 못했던 제어방식도 재검토되어 사용되기 시작하고 있다.맺음말분산형 전원, 순저보상(瞬低補償)에는 파워일렉트로닉스 기술이 필수적이다. 시장의 요구에 응하기 위하여 MVA급 자려식변환기가 개발·적용되고 있으며, 소자로써 IGBT가 적용되어 대용량화를 위한 소자와 유니트의 병렬기술이 개발·실용화되고 있다. 그리고 자려식변환기의 손실 절감을 위해 고성장을 거듭하고 있는 디지털 기술을 적극적으로 활용하여 지금까지의 단순한 PMW와는 다른, 진보한 펄스 제어가 개발·적용되고 있다. 파워일렉트로닉스 기술은 이렇게 여러 가지 사회 인프라를 지탱하는 보편적인 기술이 되었으며, 밝은 미래사회를 향하여 발전성장을 계속하고 있다.
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