이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

파나소닉전공㈜_코신 히로아키(小新博昭)

개요

최근 지구 환경 문제에 대처하기 위해 일반 가정에서의 에너지 절약이 커다란 과제가 되고 있다. 이를 위해 전기기구 제조사는 기기의 전력 손실 삭감 및 운전 제어 방안을 모색하면서 사용전력을 저감하거나 사용하지 않는 상태의 대기전력을 저감하기 위한 대책을 강구하고 있다. 이는 에어컨이나 냉장고의 소비전력 및 텔레비전의 대기전력 추이를 살펴봐도 분명히 알 수 있다.
그러나 쾌적한 공간을 실현하고 편리성을 추구하는 주택설비 내 기기의 종류와 숫자는 매년 증가하고 있으며, 그 결과 실질적인 가정 내 전력 소비는 감소하지 않은 것이 현실이다.
이에 분전반 및 배선기구를 주된 사업으로 하는 파나소닉전공㈜에서는 새로운 배전 형태를 도입함으로써 주택 내 전력 손실을 개선하고, 에너지 절약을 추진하는 시스템을 연구 개발하고 있다.
주택에서 사용하는 대부분의 기기는 상용전원인 교류를 직류로 변환해 동작한다. 따라서 태양전지 등과 같은 에너지 생산기기로부터 얻은 직류전력을 사용하기 위해서는 그 전력을 인버터를 통해 교류전력으로 변환해 상용전원에 공급하고, 이 교류전력을 다시금 기기 내에서 직류전력으로 변환하지 않으면 안 된다.
여기서 소개하고자 하는 파나소닉전공㈜가 개발한 시스템은 주택반 내에 설치한 고효율 컨버터와 태양전지, 그리고 축전지로 구성된 직류배전 시스템에 의해 저압직류를 집중 급전시켜 전력 변환의 단수(段겤)를 줄이고, 고효율의 전력 공급을 가능케 한다. 또한 각 전력원의 동작 상태를 감시 · 제어함으로써 에너지 절약 효과를 더욱 높일 수 있는 시스템을 구축했다. 이 시스템은 시험 제작으로 아직 검토 단계이긴 하지만, 향후 주택 에너지 절약을 촉진하는 새로운 배전 시스템으로서 기대되고 있다.

시스템 구성

이상의 배경으로부터 주택 내 부하기기를 조사, 분류해 직류배전을 도입한 구성을 <그림 1>에 나타냈다. 이 직류배전 시스템에서 가장 중요한 직류 주택반에는 상용 교류전원을 직류로 변환하는 고효율 AC/DC 컨버터와, 높은 효율의 태양전지 출력을 끌어내도록 제어하는 태양전지용 DC/DC 컨버터가 내장되어 있다.
또한 태양전지의 발전전력 변동 및 부하기기의 전력 변동을 평준화하기 위한 축전지 유닛이 직류배전 계통에 접속된다. 이 축전지 유닛은 에너지밀도가 높은 리튬이온 2차전지를 채용했으며, 여러 안전장치와 쌍방향 충 · 방전 제어회로를 탑재하고 있다.
최종적인 직류배전은 <그림 1>과 같이 세 계통으로 갈라진 구성이 될 것으로 보인다.
드라이어나 청소기 등과 같이 비교적 큰 전력이지만 단기간 사용하는 물건과, 바닥 난방 등의 히터 종류 기기는 직류화의 이점이 적기 때문에 기존 교류계통에 접속되는 기기로 존속한다.

 

한편, 디지털기기를 중심으로 한 AV 기기 및 통신기기는 비교적 저전압의 직류로 구동되기 때문에, 각각의 사용전압의 차이는 있지만 서로 간의 협의를 바탕으로 IEC 규격 등에 제시된 안전전압 범위 내에서 전압을 통일시키고, 하나의 계통으로 구축하는 것이 필요하다.
또한 에너지 절약 측면에서 에어컨이나 냉장고와 같은 대형기기는 주택 내 전력 사용의 큰 비중을 차지하고 있어 이러한 기기를 태양전지 등에서 생산된 에너지로 운전하는 것은 상당히 유용하다. 게다가 최근에는 이들 기기 대부분이 인버터회로를 탑재하고 있어 교류 구동 시 필요했던 정류회로나 역률 개선회로가 직류 입력 시에는 필요가 없으며, 기기 자체의 고효율화도 진척시킬 수 있다. 다만 처리하는 전력이 크기 때문에 배전선 손실이나 모터 권선 손실을 생각하면 비교적 고전압의 직류전압을 공급할 필요가 있으므로 앞서 말한 저전압 직류계통과는 분리해 다른 계통으로 취급하는 것이 타당하다고 여겨진다.

 

고전압 직류계통을 실용화하기 위해서는 안전성확보 및 배전 제어기기의 기술적 과제가 많이 남아있기 때문에, 먼저 저전압 직류계통의 보급을 촉진하는 것을 목적으로 한정된 시스템 구성의 기술 개발 및 시험 제작에 임했다.
저전압 직류배전 계통을 도입했을 때의 이점은 다음 세 가지이며, <그림 2>는 그것을 그림으로 나타낸 것이다.

 

① AC 어댑터가 필요 없어 깔끔한 배선 ② 정전 시 백업이 용이 ③ 기기 내부에서 교류전원부를 배제해 소형화가 가능

직류 주택반 내 구성요소 개발

1. 고효율 AC/DC 컨버터

저전압 직류계에 접속되는 기기는 컴퓨터 주변기기 및 통신기기, 조명기구 등 안정적인 전력 공급이 필요한 것들이 많다.
이 컨버터는 일조조건에 좌우되는 태양전지와 즉응성(卽應性)이 떨어지는 연료전지, 잔량에 한계가 있는 축전지를 보완해 전력의 안정 공급을 실현한다. 또한 각 기기에서 AC 어댑터 등으로 전력 변환한 교류계통과 비교해 필요한 직류전력을 한 계통의 전압으로 일괄 공급함으로써 컨버터의 용량을 어느 정도 확보하는 것이 가능하며, 고효율화 설계
에 유리하다. 자사의 계산으로는 당초 이 계통에서의 소비전력은 150W 정도이며, 이 전력 영역에 적용하는 회로 방식이 박형 텔레비전 등에서 채용이 늘어남에 따라 고효율화를 기대할 수 있는 복합 공진형 컨버터에 초점을 맞춰 개발을 진행하고 있다.
개발품의 외관, 전기적 사양, 회로 구성을 <그림 3>에 나타냈다.

 

교류계통에서 보면 이 컨버터도 하나의 부하기기로 간주되기 때문에 각종 규제에 적합할 필요가 있다. 이 때문에 고조파 제어의 PFC 회로와 고효율 DC/DC 변환부 두 단계 구성으로 되어 있다.
이 저전압 직류계통은 안전성 면에서 비접지계로 구성되기 때문에 DC/DC 변환부에 사용하는 트랜스는 1차-2차 사이를 강화절연 한 설계로 되어 있다. 또한 설비계의 전원장치로서 주택반 내 환경조건 및 기대수명을 배려한 설계로 되어 있다.
한편, 이 컨버터에는 교류전원의 정전 검출과, 다른 구성요소와 통신제어를 하는 제어부를 가지고 있으며, 정전 시 축전지 유닛으로부터의 출력을 주된 것으로 하도록 동작 모터의 변환 제어를 비롯해 평상시에도 태양전지 출력 및 부하 변동에 대해 각 구성요소의 출력 균형을 조절하는 등의 제어를 한다.

2. 태양전지용 DC/DC 컨버터

태양전지는 자연에너지를 근원으로 하기 때문에 유지비용이 필요 없고, 직접 직류전력을 추출할 수 있기 때문에 직류배전 시스템에서의 에너지 절약은 빼놓을 수 없다. 단, 일사조건에 의한 출력 변동이 심하기 때문에 단독으로는 사용할 수 없으며, 본 시스템과 같이 AC/DC 컨버터 및 축전지 유닛과의 겸용이 필수적이다.
앞서 논한 저전압 직류계통에서 사용되는 기기 조사 결과에서 이 경우의 태양전지 용량은 200W 정도로 판단하고 <그림 4>와 같은 사양이 됐다. 본 컨버터는 다음으로 논할 제휴제어에 따라 외부 지령값에 대해 출력전류를 가변할 수 있다.
이번 시험 제작에서는 효율 중시와 출력 가변이 용이한 점 때문에 비절연형 초퍼를 선정했으나, 실제 시스템에서는 태양전지 패널이 옥외에 설치된다는 점을 고려해 안전성을 위해 절연형 컨버터를 채용해야 할 것이다. 다만, 효율을 높이는 동시에 입출력 모두 다 넓은 범위를 커버하기 위해서는 제어성이 좋은 소프트 스위칭 방식을 파악할 필요가 있으며, 이는 곧 향후 과제인 셈이다.

 

3. 축전지 유닛

주택반과 같은 크기를 수용했으며, 벽 설치 용도로도 이용될 것을 고려해 고용량, 경량의 리튬이온전지를 채용했다. 본 유닛은 이 전지를 직 · 병렬로 조합한 전지 팩을 이용해 온도 상승 및 셀 전압 등에 대한 안전 보호 대책 장비와 고효율 충 · 방전회로를 내장했다. 외관과 사양, 회로 구성은 <그림 5>와 같다.
충 · 방전회로는 함께 동기 정류형 초퍼로 손실 저감을 도모하고, 저전압 직류계통으로부터의 충전 및 이계통에 출력하는 방전동작을 한다. 이들 동작모터의 변환이나 출력전류값의 제어는 전지 상태 및 외부지령을 받아들인 제어회로에 의해 판단, 실행된다.

 

에너지 절약 알고리즘

앞에서 논한 직류 주택반 내 구성요소는 각각 제어부를 가지고 있으며, 서로 통신을 통해 제휴제어를 하고 있다. 여기서의 제어는 정전이 발생하지 않는 평상시 운전에서 전력 공급원의 균형에 의해 에너지 절약이 이루어지는 것을 주된 동작으로 하고 있다. 그 대표적인 상태를 <그림 6>에 나타냈다.
상태 1은 태양광 출력이 충분히 있는 경우로, 태양전지 출력으로 부하전력 및 축전지 유닛의 충전전력을 공급하는 상태이다.
상태 2는 태양전지 출력이 부족하기 때문에 부하전력을 태양전지 출력+축전지 출력으로 공급하는 상태이다.
상태 3은 축전지가 충전을 필요로 하는 상태이면서 태양전지 출력만으로는 부하전력을 공급하지 못해 AC/DC 컨버터 출력과 병용한 상태이다.
상태 4는 태양전지와 축전지의 출력으로 부하전력을 공급하지 못하고 AC/DC 컨버터 출력과 병용한 상태이다.
실제로는 저마다의 상태에서 각각의 구성요소의 출력이 아날로그값으로 제어되며, AC/DC 컨버터를 통해 공급되는 상용전원으로부터의 소비전력을 최소화하고, 에너지 절약 효과를 구현하고 있다.

 

적용 규격

일본의 현행 내선 규정 등 주택 내 배전에 관한 지침으로는 현재 직류배전에 특화한 규제는 없는 상태이다. 또한 앞으로의 직류배전 대응기기의 확대를 고려하면 기존의 약전(弱電)이나 소열력 배선 범주에도 들어가지 않는다. 따라서 현 단계에서 실용화에 이를 즈음에는 강전(强電)과 같은 배선 형태로 시공해야 한다.
그러나 배선부에 쓰이는 재료의 내압 등 사양에 대한 재검토나 교류배선과의 오인을 없애기 위한 전용 규격이나 가이드라인을 정비할 필요가 있다.

마무리

본고에서는 주택 내에서 계속 증가하고 있는 설비 · 통신기기로의 전력 공급에 대해 에너지 절약과 백업의 관점에서 직류배전 시스템을 도입하는 제안을 기술했다. 본 개발의 일부는 일본 환경성으로부터의 위탁사업인 '리튬이온 2차전지를 이용한 가정 등 민생용 에너지 절약 시스템 기술 개발(2007년)'의 성과를 바탕으로 했다.
직류배전 시스템 보급을 위해서는 콘센트 및 전선을 비롯한 배선부 재료와, 축전지 유닛으로 대표되는 주택반 내 구성요소 등에 관한 표준화 및 전용 규격 정비를 진행해 갈 필요가 있다. 이번 보고가 직류 배전 시스템에 대한 논의를 높이고 실용화 추진에 기여하길 기대한다.

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