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1500VDC 광발전 시스템에서 전력 시스템 설계의 과제 극복

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글/David Carroll, Director of Product Management at CUI Inc.

에너지 효율 향상은 광발전의 재정적 생존 가능성을 보장하는 데 가장 중요하다. 더 큰 셀 스트링으로 전환하여 DC 작동 전압을 높이면 I2R 손실이 감소하고 배포 비용이 절감되지만, 모니터링 및 제어 회로에 전원을 공급하는 보조 공급 장치의 설계가 과제로 남게 된다.

태양 발전 시장 성장

광발전(PV)에 대한 정부 보조금은 변동적인 경향이 있지만 설치되는 용량은 지속적으로 증가하고 있다. 2014년 178GW이었던 세계적 용량은 2019년에 540GW를 달성할 것으로 예상된다. 유럽은 가장 큰 비중을 차지하며 2019년 158GW에 도달할 것으로 예상되지만, 같은 기간에 설치 용량이 각각 4배와 3배로 증가할 것으로 예상되는 중국 및 미국과 같은 다른 나라에서는 더 빠른 성장을 보이고 있다. 태양광 산업의 성공은 2014년 약 5,500만명을 고용하면서 경제적 측면에서도 긍정적 효과가 있다.
태양광 발전이 이러한 예측에 계속 부합하고 더욱 발전하려면 와트당 생산 비용을 계속 낮춰야 한다. 이에 대한 하나의 장벽이 패널 자체의 낮은 효율이다. 오늘날 가장 효율적인 단결정 셀은 효율이 약 25%이며, 이는 이미 기술의 이론적 최대치에 근접한 비율이다.

에너지 절약을 위해 작동 전압 높이기

태양광에서 얻는 에너지는 작더라도 매우 소중하다. 따라서 태양광 모듈의 DC 출력부터 그리드로의 AC 공급에 이르기까지 시스템의 모든 부분에서 손실을 최소화하는 것이 중요하다(그림 1). 여러 모듈을 직렬로 연결하여 고전압 DC 출력을 생성하면 전류가 감소되고 광발전 어레이 및 인버터 사이의 I2R 손실이 감소되므로 손실 최소화에 도움이 된다. 그리드 연결 시스템이 1000VDC로 작동하는 경우는 꽤 많다. 일반적인 시스템에서는 22개 모듈이 직렬로 연결되어 스트링을 구성하고, 90개 셀이 포함된 각 모듈이 약 45V의 전압을 출력한다. 각 스트링은 5.5kW의 피크 전압을 생산할 수 있으므로 2727개의 스트링을 결합하여 15MW 설치를 구성할 수 있다.

[그림 1] 다중 MW 그리드 연결형 PV 발전기의 주요 기능 (이미지 출처: CUI, Inc.)

스트링당 모듈 수를 늘려서 출력 전압을 1500VDC로 늘리면 각 결합으로 들어가는 최대 전류를 1000VDC의 66.6% 수준으로 더 감소할 수 있다. 저항 케이블 손실 역시 이전 값의 44.4%로 줄일 수 있다. 이에 따라 시스템 설계자는 케이블 크기를 줄이고 더 작은 커넥터를 지정하여 설치 비용을 절감하고 에너지 효율을 높일 수 있는 더 높은 유연성을 가지게 된다. 또한 특정 출력 전력에 필요한 스트링 수가 감소하므로 필요한 결합기 박스의 수도 감소한다. 각 박스가 20개의 스트링을 처리한다면 15MW 설치의 경우 1000VDC의 137개에 비해 94개의 박스만 있으면 되므로 31%가 감소한다. GTM 조사에 따르면 10MW 플랜트를 1500VDC로 작동하도록 설계하면 1000VDC 시스템에 비해 약 40만 달러의 배포 비용이 절약된다(그림 2).

[그림 2] 10MW에서 1000V를 1500V로 전환 히 배포 절감(이미지 출처: CUI, Inc.)

1500V의 설계 과제
이러한 잠재적 비용 절감 및 효율 증가는 분명 매력적이지만 시스템 전체의 절연 등급을 높여야 하고 결합기 박스 및 인버터 역시 더 높은 전압에서 작동할 수 있어야 한다. 다행히 이미 적절한 인버터가 출시되어 있으며 이러한 제품 중 일부는 실리콘 기반 제품보다 효율이 더 높은 최신 와이드-밴드갭 반도체를 기반으로 한다.
하지만 1500VDC 시스템 설계의 다른 중요한 측면은, 이러한 PV 결합기 및 인버터는 1500VDC 라인에서 자체 저전압 소스를 가져와 전력 모니터링 및 제어 회로에 공급해야 한다는 사실이다. 하지만 1500VDC에서 작동하는 동시에 200VDC까지 낮아지는 스트링 출력 전압의 저하를 처리할 수 있을 정도의 넓은 입력 전압 범위를 가지는 소형 DC-DC 컨버터는 많지 않다. 이를 위해서는 입력 범위가 최소 7.5:1이어야 하는데 이는 일반적인 사양이 아니다.
그림 3은 추가적인 절연 및 비절연 컨버터를 통해 통신 및 처리/감지 모듈을 제공하는 데 사용되는 24VDC 출력의 입력 범위가 넓은 DC-DC 컨버터가 포함된 태양광 결합기 장치의 전력 아키텍처이다. 메인 고전압 DC-DC 컨버터에는 일반적으로 4000VAC로 사양 지정된 완전 강화 안전 절연이 필요하다.

[그림 3] 태양광 결합기 박스의 내부 전력 아키텍처 (이미지 출처: CUI, Inc.)

안전 고려 사항

안전에 관련하여 해당하는 표준은 최대 1500VDC의 시스템에 적용되는 IEC 62109-1 ‘Safety of Power Converters for use in Photovoltaic Power Systems’이다. 표준의 1부에서는 일반 요구 사항을 지정하며 2부에서는 인버터의 특정 요구 사항을 정의한다. IEC 62109-1의 범위에는 감전, 기계적 위험, 고온, 화재, 화학적 위험 및 기타 잠재적 위험에 대한 보호를 보장하기 위한 설계 및 구성 방법이 포함된다.
또한 표준에서는 IEC 60664 ‘Insulation Coordination for Equipment within Low-Voltage Systems’도 참조한다. DC-DC 컨버터에 관련된 항목은 절연의 마이크로보이드가 고압에서 끊어졌을 때 저하가 초래되어 완전 중지로 이어질 수 있는 부분 방전의 부재를 확인하는 테스트 요구 사항이다. 테스트는 1500VDC 작동 전압과 매우 관련이 높으며 DC-DC 컨버터 절연 장벽의 특별한 구성을 필요로 한다.
IEC 62109-1의 절연 요구 사항은 시스템 전압, 설치 과전압(OV) 범주 및 환경의 오염도(PD)에 따라 다르다. 1500VDC 버스가 적용된 시스템에서 PV 패널 회로에는 OV 범주 II가 사용되며 최소 임펄스 저항은 6000V이다. 그리드 연결 인버터단의 경우에는 OV III가 사용되며 임펄스 저항 요구 사항은 8000V이다.
일부 환경 보호가 적용된 산업 등급 응용 분야의 경우에는 장비에 PD 2가 적용된다. 이에 따라 간헐적 응결, 비전도성 오염만 허용된다. IEC 62109-1에는 이외에도 고려해야 하는 여러 사양이 포함된다.
또한 미국에서는 UL 1741 표준이 적용된다. 이 표준에서는 ‘Distributed Energy Resources’의 더 일반적인 적용을 다루며 컨버터 및 컨트롤러에 대한 요구 사항이 포함된다.

새 보조 전력 토폴로지

이 표준에서는 이 환경에서 작동하는 보조 DC-DC 컨버터에 대한 특정 성능 요구 사항을 적용한다. 매우 넓은 입력 범위와 높은 최대 입력 전압은 표준 플라이백 또는 순방향 컨버터 토폴로지에 매우 까다로운 과제가 된다. 출력 조정을 위해 펄스 폭이 변화함에 따라 증가할 수 있는 매우 높은 내부 피크 전압 및 전류에서도 부품 스트레스를 제한하기 위해 더 복잡한 토폴로지가 필요하다.
일사량이 낮거나 패널에 그림자가 생겨서 입력이 최소값 이하로 내려가서 브라운 아웃이 자주 발생할 때도 컨버터의 지속적인 작동을 보장하기 위해서는 보호도 매우 중요하다. 원격 설치에서 발생할 수 있는 과부하, 단락 또는 과전압과 같은 여러 장애 조건으로 컨버터가 손상되지 않도록 보호해야 한다. 또한 PV 시스템은 에너지 포집 성능을 극대화하기 위해 태양광 도달이 극대화되는 곳에 설치되므로 컨버터는 높은 작동 온도에서도 견딜 수 있어야 한다. 이외에 기관별 절연 등급도 충족해야 한다.
이러한 개별 과제가 결합된 효과를 고려하면 PV 응용 분야를 위한 입력 범위가 넓은 1500VDC DC-DC 컨버터는 쉬운 작업이 아니다.
CUI는 최근 1500VDC에서 작동하는 PV 응용 분야를 위한 AE 계열 DC-DC 컨버터를 발표했다(그림 4). 이러한 컨버터는 태양광 보조 전원 공급 장치에서 사용할 때 필요한 200 ~ 1500VDC 입력 범위를 가지며 5, 10, 15 또는 40W전력 등급으로 사용 가능한다. 출력 전압 옵션은 5, 9, 12, 15 또는 24VDC이다. 이 컨버터는 4000VAC 절연 및 5000미터 고도의 작동 등급으로 IEC 62109-1의 유럽 버전인 EN 62109-1에 승인되었다. 일부 모델은 UL 1741도 충족한다. 캡슐화된 기판 실장, 섀시 실장 또는 DIN 레일 형식을 선택할 수 있으며 컨버터는 부하 경감 없이 최대 70°C에서 작동할 수 있다.

[그림 4] CUI의 AE 계열 DC-DC 컨버터는 200 ~ 1500VDC의 입력 전압 범위에서 작동. (이미지 출처: CUI, Inc.)

1500VDC PV 시스템용 드롭인 보조 전력

GW 수준의 설치를 위한 산업용 PV 발전 시스템을 설계할 때는 에너지 변환 효율의 극대화가 가장 중요한 목표이다. 태양광 어레이 출력 전압을 1500VDC로 올리면 이 목표 달성이 지원되지만, 최고의 성능을 위해서는 포괄적인 제어 및 모니터링이 필요하다. 이러한 기능을 유지하기 위해 사용되는 보조 전원 공급 장치는 신뢰성과 안전 표준을 준수하는 동시에 200VDC부터 최대 1500VDC까지 매우 넓은 입력 전압 범위에서 작동할 수 있어야 한다. 이러한 과제를 충족하기 위한 CUI의 최신 DC-DC 컨버터는 PV 시스템 설계자 및 통합자를 위한 드롭인 솔루션을 제공한다.