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재생 가능 에너지를 배터리에 공급하기

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글/빌 슈웨버(Bill Schweber), 전자 엔지니어

에너지 저장 시스템(ESS)을 넓은 관점에서 보면 에너지 저장 방식이나 위치에 관계없이 세 가지 주요기능적 역할을 수행해야 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 그 역할은 1) 에너지원과 에너지 저장 장치(주로 배터리 에너지 저장 시스템(BESS), 다른 형태도 가능) 사이의 경로, 2) 에너지 저장 장치와 중앙에서의 관리, 3) 에너지 저장 장치와 부하(최종 사용자 또는 그리드) 사이의 DC/AC 인버터이다(그림 1). 많은 장치에서의 에너지원은 태양열 및 태양광(PV) 셀을 기반으로 하는 재생 가능 에너지 또는 풍력 기반 방식으로부터 비롯된다.

모든 ESS는 그 에너지와 전력 흐름을 파악하는 것이 중요하다. ESS는 재생 가능 에너지든 기존 에너지든 사용 가능한 에너지를 축적해 두었다가 필요할 때 부하에 전력으로 분배한다. ‘에너지’와 ‘전력’은 일상적인 맥락에서 종종 같은 의미로 사용되지만, 이 둘은 상당히 다르다는 점을 유의해야 한다. 물리학적 관점에서 에너지는 유용한 작업을 수행할 수 있는 능력을 나타내며 줄 또는 와트시 단위로 측정되는 반면, 전력은 에너지가 축적되거나 사용되는 시간(와트)을 의미한다. 에너지는 전력의 시간 적분인 반면, 전력은 에너지의 시간 미분이라는 점에서 수학적으로 관련되어 있다.

태양광이나 풍력과 같은 재생 가능 에너지원의 경우, 에너지원은 간헐적이고 제어할 수 없는 반면 부하와 사용자의 전력 수요는 보다 일관되고 예측 가능하다. 즉, 전원과 부하 사이에 위치한 에너지 저장 배터리와 관리 시스템은 수집된 에너지의 양을 조정하여 부하의 전력 수요를 충족할 수 있어야 한다.

용량에 따라 결정되는 아키텍처

에너지는 어떻게 소스에서 배터리 기반 저장 시스템으로 이동한 다음 부하로 전달될까? 이는 에너지원의 특성과 크기(와트시 및 간헐성), 전력 수요(와트 및 사용 주기)를 비롯한 여러 요소에 따라 다르기 때문에 정답은 없다. 또한, 가장 일반적인 재생 에너지원인 태양광 발전과 풍력 발전의 세분화는 그 그룹이 서로 다르다.

태양광의 경우 널리 사용되는 세분화 방식에는 세 가지가 있다.

• 주거용: 개인용 공간의 경우, 최대 10kW의 전력이 필요

• 상업용: 사무실 및 공장의 경우 최대 5MW의 전력 제공

• 유틸리티 규모: 현장에 설치된 5MW 이상의 전력 규모

이와는 대조적으로 상업용 풍력 시스템은 세분화 방식이 다르다. 이는 일회성 주거환경과 같은 ‘개인용’ 프로젝트로서 소규모 풍력 시스템을 구축할 수는 있지만, 풍력 시스템은 주로 규모가 작을수록 경제성이 떨어지거나 기술적으로 효율적이지 않기 때문이다. 초기 자본 비용은 높아도(타워형, 좌식형) 물리학적으로 블레이드 크기에 따라 효율성이 기하급수적으로 높아지기 마련이다. 실제로 기본 단일 타워 및 터빈 풍력 시스템의 정격은 1 ~ 5MW이며, 더 큰 장치는 5MW 이상으로 지정할 수 있다.

태양광 발전 시스템의 경우, 더 높은 전력 수준으로 확장하는 것은 중복 장치를 단순하게 병렬로 추가하는 것과는 다르다. 이러한 접근 방식은 효과적이고 실행 가능하지만 다른 여러 요인에 의해 결정되는 어느 수준까지만 가능하며, 이 시점에서는 다른 토폴로지가 필요하다.

이는 보트에 10마력짜리 선외 모터가 있는데 더 많은 동력이 필요하다고 판단하는 것과 비슷하다. 동일한 엔진을 추가하여 20마력, 30마력 등으로 올리고 적절한 연료 공급 라인과 전기 시동 전원을 위한 전기 케이블을 연결하여 고도로 모듈화하고 확장하는 셈이다. 원칙적으로는 타당할 수 있지만, 어떤 시점에서는 이러한 엔진이 광범위하게 배치되면 기계적, 상호 연결 및 장착 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이 같은 경우에는 훨씬 더 큰 50마력 또는 100마력의 단일 장치로 바꾸는 게 합리적이다. 

태양광과 풍력: 서로 다른 에너지원

태양광과 풍력 시스템에는 전력 수준 세분화라는 또 다른 근본적인 차이점이 있다. 여러 개의 개별 PV 셀로 구성된 기본 PV 소스(태양광 패널)는 단일 소스나 수십 볼트의 낮은 전압에서는 비교적 낮은 출력 크기를 생성하며, 패널을 직렬로 연결하면 이를 확장하여 더 높은 값을 생성하여 더 효율적으로 사용할 수 있다.

이와는 달리 풍력 발전 시스템에 설치된 기본 발전기는 본질적으로 훨씬 더 높은 전압을 생성한다. 이는 다방면에서 더 효율적이지만, 풍력 시스템의 출력 세분화(스텝 크기)가 훨씬 더 다양하게 이루어질 수 있다는 의미이기도 하다. 그렇기에 두 접근 방식 모두 원칙적으로 모듈식이지만, 태양광 발전 시스템의 스텝 크기는 풍력 발전 시스템보다 훨씬 작다고 할 수 있다. 따라서 태양광 패널을 비롯하여 관련된 회로의 수를 늘리거나 줄임으로써 태양광 시스템의 크기를 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 더 쉽게 조정할 수 있다.

이 글에서는 주거용 및 소규모 상업용 장치를 위한 PV 기반 BESS 시스템에 중점을 둘 것이며, 이는 광범위하고 소규모로 관리 가능하며 확장 가능하고 예를 들기 좋은 시나리오이기 때문이다. 또한 대규모 태양광 발전소를 위한 몇 가지 방향도 제시한다.

배터리 충전부터 시작한다

시스템 목표에 따라 배터리의 에너지는 최대 전력 수요를 지원하거나 긴급 백업을 위해 사용 가능한 그리드 기반 전력과 함께 사용될 수 있다(그림 2). 또한, 시스템에 전기가 들어오지 않거나 그리드를 사용할 수 없는 경우 배터리 에너지가 부하의 유일한 전원이 된다.

그리드 유무 애플리케이션에 관계없이 PV 셀 패널과 충전할 배터리 사이의 전자 인터페이스는 벅, 부스트 또는 벅/부스트 특성을 갖춘 DC/DC 컨버터이다. 어떤 것을 사용할지 결정하는 것은 PV 출력의 상대적인 최대 전압과 배터리 어레이의 최대 전압에 따라 결정된다.

이상적인 환경에서는 모든 태양광 패널의 특성이 동일하고, 태양의 전력이 일정하며, 모든 배터리 화학 물질의 특성이 동일하고, 모든 작동 지점과 매개변수가 고정적이고 정적이므로 최적의 설계를 쉽게 고안할 수 있다.

물론 현실은 상당히 다르며, 태양광 패널의 경우 추가적으로 고려해야 할 사항들이 존재한다. 최대 전력은 PV 셀 출력에서 DC/DC 컨버터로 전송된 다음 소스와 부하가 일치하는 지점, 즉 최대 전력점(MPP)에서 축전지로 전송된다. 태양전지는 개방 회로 전압이 비교적 일정하게 유지되는 동안 태양빛의 양에 비례하여 전류를 생성한다. 최대 전력 출력은 전력 곡선에서 볼 수 있듯이 셀이 정전압 장치에서 정전류 장치로 전환되는 각 곡선의 무릎 부위에서 발생한다(그림 3).

MPP는 태양광 패널의 특정 매개변수와 태양광 패널에 영향을 미치는 태양 에너지, 주변 온도 및 기타 요인에 따라 달라진다. 태양광 패널에서 전력을 효율적으로 추출하는 충전기 설계는 조도 수준이 충전기의 최대 전력 요구 사항을 지원할 수 없는 경우 패널의 출력 전압을 최대 전력점까지 ‘조정’해야 한다.

이 상황은 기존 회로의 스테이지 간에 최대 전력 전송을 달성하는 것과 거의 유사하다. 이 같은 경우 PV 셀을 제외하고는 두 임피던스가 서로 복잡한 복합체인지 확인하여 부하 임피던스를 소스 임피던스에 ‘일치’시켜야 한다. ‘소스’ 임피던스는 일정하지 않다.

따라서 사용 기간 동안 태양광 패널에서 최대 전력을 추출하려면 MPP를 추적하고 패널에 가해지는 부하를 동적으로 조정해야 한다(그림 4). 이를 최대 전력점 추적(MPPT)이라고 하며, MPP를 결정한 다음 추적하기 위한 전략이나 알고리즘이 필요하다. 이를 위해 일반적으로 두 가지 기술이 사용된다.

최대 전력점 전압(VMP)을 유지하기 위한 가장 기본적인 접근 방식은 제조사에서 지정한 개방 회로 전압(VOC)을 기준으로 패널 전압을 일정한 전압 수준으로 설정하는 것이다.

가장 직관적인 기술은 셀의 데이터시트에서 제공하는 셀 개방 회로 전압(VOC)에 의해 결정되는 일정한 전압 레벨로 패널 전압을 설정하는 것이다. 일반적인 태양광 패널은 순방향 바이어스 p-n 접합을 가진 일련의 셀로, VOC 및 온도 계수(일반적으로 약 2mV/℃) 등 전기적 특성이 p-n 다이오드와 유사하다고 볼 수 있다.

태양광 패널의 최대 전력점 전압(VMP)은 VOC 바로 아래에서 고정 전압으로 나타난다. 접근 방식을 단순화하기 위해 VMP 에서의 온도 계수는 VOC 에서의 온도 계수와 동일하며 예상 온도 범위에 걸쳐 선형이라고 간주한다. 이러한 근사치를 고려할 때 간단한 온도 보상 저항 네트워크를 사용하여 패널 전압을 VMP로 설정할 수 있다.

아날로그 및 전력 제품 라인을 보유한 IC 제조사들은 이 정전압 방식을 사용하는 소형의 저비용 디바이스를 제공하며, 이는 적절한 환경과 제약 조건에서 상당히 효과적이다. 예를 들어, 텍사스 인스트루먼스(Texas Instruments) bq24650 및 아나로그디바이스/리니어 테크놀로지(Analog Devices/Linear Technology) LT3652는 이 정전압 접근 방식을 기반으로 MPPT를 제공한다.

BQ24650 디바이스는 고집적 벅 모드, 스위칭 배터리 충전 컨트롤러로, 3.5 × 3.5mm 16핀 QFN 패키지로 입력 전압 레귤레이션을 제공한다(그림 5). 600kHz 스위칭 주파수에서 작동하는 이 제품은 5 ~ 28V 태양광 패널과 리튬이온/폴리머, LiFePO4 및 납산 화학 물질을 지원한다. 작동 중 입력 레귤레이션 루프는 태양광 패널이 최대 전력 출력을 제공할 수 있도록 충전 전류를 낮춘다. 동시에 충전 ‘부동’ 전압은 단일 저항을 통해 사용자가 프로그래밍할 수 있다.

MPPT에 대한 보다 향상된 접근 방식은 ‘교란 및 관찰(P&O, perturb and observe)’이다. 이는 PV의 단기 및 장기 상황이 변화함에 따라(구름 및 노후화와 같은 다양한 요인으로 인해) 더 간단한 정전압 접근 방식이 최대 효율을 제공할 수 없기 때문에 사용된다. P&O MPPT의 원리는 전압 변화 대비 전력 변화의 기울기(ΔP/ΔV)를 평가하는 것으로, MPP의 왼쪽은 양수, 오른쪽은 음수이다. 이 동적 MPPT 알고리즘은 패널 부하를 공칭 값 주변에서 의도적으로 약간 ‘교란’시킨 다음 출력의 변화를 관찰하여 MPP의 변화를 찾으려고 시도한다.

이 알고리즘을 구현하는 IC 제품 중 하나는 0.3 ~ 5.5V의 입력 전압 범위를 지원하는 저전력, 저전압, 모놀리식 승압 컨버터로, 8리드, 3x4.4mm TSSOP8 패키지에 들어 있는 STMicroelectronics SPV1040이다. 해당 제품은 낮은 입력 전압 처리 능력이 중요한 태양 전지(또는 연료 전지)에서 생성되는 에너지를 최대화한다(그림 6).

내장된 MPPT 알고리즘은 발광량, 먼지, 온도 등 다양한 환경 조건에서도 셀에서 수확한 전력을 출력으로 전송하는 데 있어 최대의 효율성을 제공한다. 장치가 시작 모드를 마치면 최대 전력점을 검색하기 위해 MPPT 모드를 시작한다. 교란 및 관찰 알고리즘은 태양 전지가 공급하는 전압 또는 전류를 모니터링하는 것을 기반으로 한다. PWM 신호 듀티 사이클은 입력 전력 추세에 따라 단계적으로 증가 또는 감소한다(그림 7).

[그림 7] SPV1040에 내장된 MPPT 접근 방식은 공칭 작동점 주변의 PV 패널에 대한 전압 특성 변화 대비 전력 변화의 기울기를 평가한다. (출처: STMicroelectronics)

전원 구동 방식

배터리에 에너지를 공급하는 것은 BESS에서 해결해야 할 과제 중 절반에 불과하다. BESS의 핵심은 배터리에서 축적된 전력을 부하(일반적으로 120/240VAC 라인)로 공급하여 다양한 라인 작동 장치 및 시스템에서 사용할 수 있도록 하는 것이다.

이를 위해서는 배터리의 DC 출력을 라인 호환 AC로 변환하는 DC/AC 인버터가 필요하다. 소스와 배터리 사이의 전자 장치와 마찬가지로, 이 인버터는 ‘모든 정격에 사용 가능한’ 장치가 아니다. 인버터의 토폴로지와 설계에는 여러 가지 설계 과제와 절충점을 고려해야 하는 고유한 사항이 있다. 공식적인 정의는 존재하지 않지만, 주로 세 가지 힘과 속성으로 분류한다:

• 마이크로 인버터는 50 ~ 400W 범위의 저전력 구성이다. 각 태양광 패널에 별도의 인버터와 MPP 트래커가 통합되어 있으며 스트링 인버터보다 효율적이다. 최소한의 DC 케이블이 있지만 광범위한 AC 케이블이 필요하다. 일반적으로 이는 소규모에만 적합하며 경제적이다.

• 스트링은 1kW에서 20kW 사이의 중간 전력 구성이다. 이 접근 방식에서는 태양광 패널을 여러 개의 인버터(대부분 스트링당 하나씩)로 직렬(스트링) 연결한다. 이는 모든 스트링이 최대 전력점에서 작동할 수 있기 때문에 효율성이 뛰어나다.

• 중앙 인버터는 20kW 이상에서 작동하는 고전력 구성이다. 여기에서는 여러 개의 스트링(직렬로 연결된 태양광 패널)이 병렬로 연결되어 있으며, 태양광 패널 세트에는 하나의 인버터만 사용된다. 그러나 다양한 스트링 전압을 지원하려면 특수 다이오드가 필요하다. 이러한 다이오드는 손실의 원인이므로 비효율적이며, 모든 태양광 패널이 최대 전력점까지 구동될 수 있는 것은 아니다.

맺음말

많은 시스템이 그렇듯이 개념상으로는 단순해 보이는 것이 실제로는 훨씬 더 복잡하며, 특히 에너지원의 양과 일관성이 종종 예측할 수 없을 정도로 다양하고 시스템 전력 수준이 증가하기 때문에 구현이 더욱 복잡해진다. 단순히 조잡한 컨트롤러를 통해 태양광 패널을 배터리에 연결한 다음 배터리를 사용하여 전력을 공급하는 방식은 일부 상황에서는 작동하겠지만, 성능 저하나 안전 문제, 효율성 문제도 많이 따른다. 대신 에너지원에서 배터리를 저장하고, 관리하기 위한 DC/DC 토폴로지와 부하까지의 DC/AC 인버터를 선택한 후 최적화하여 성능 효율성, 일관성, 수명 등을 보장할 수 있어야 한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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