솔라 인버터 - 태양광 전력 시스템을 안전하고 효율적으로 그리드에 연결한다
화석 연료를 사용하여 발전하는 설비들은 내구성 및 신뢰성이 뛰어나지만, 많은 비용이 들며 복잡하다는 단점도 갖고 있다. 그러나 태양광 전력 시스템의 경우, 운용 비용이 낮고 효율이 높으며 탄소 배출량도 낮아 사용 범위가 늘어나고 있으므로 화석 연료의 의존도를 줄일 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.
화석 연료 전력 발전 설비들은 1세기 이상 뛰어난 내구성과 신뢰성을 보유한 에너지 소스로 검증되었다. 그러나 일반적으로 석탄 혹은 천연 가스로 움직이는 이러한 발전 설비들은 크고 복잡하며 짓는 데 엄청난 비용이 든다. 또한 최소한의 탄소 배출 및 환경 영향력으로 운영하려면 많은 비용과 문제가 수반된다.
이와는 반대로, 최신 태양광(PV) 전력 시스템은 화석 연료 전력 발전에 있어서 지속 가능한 대안을 제공하고 있다. PV 시스템은 중앙 전력 발전 시설과 비교했을 때 낮은 장기 운영 비용, 모듈식 확장성, 고효율 및 크게 낮아진 탄소 배출을 제공한다.
PV 솔라 인버터란?
PV 전력 시스템은 태양광을 전기적 모듈로 변환하는 PV 패널, 기계적 및 전기적 연결 및 실장, 그리드에 태양 발전 전력 전달을 위해 필수적인 태양열 인버터와 같이 다수의 부품으로 구성되어 있다.
PV 패널은 햇빛을 DC 전압으로 변환시킨다. 이것은 고전압 AC를 변환시키는 것으로, 라인 손실을 최소화하고 더 멀리까지 전력을 전송할 수 있도록 한다. DC에서 AC로 변환할 때 필수적인 작업을 실행하는 것 외에도, 솔라 인버터는 PV 시스템이 불연속 유틸리티에 전력을 제공하는 것을 방지하기 위해 그리드 불연속 성능도 제공한다.
그리드 불연속 기간 동안 온라인으로 남아있는 인버터 또는 신뢰할 수 없는 접속을 통해 전력이 공급되는 인버터는 PC 시스템에 백 피드 로컬 유틸리티 변형을 일으킬 수 있으며, 유틸리티 폴(pole)일 때 수천 볼트를 생성시켜 시스템과 유틸리티 작업자 모두를 위험에 빠뜨린다. 재접속함에 따라, 인버터는 5분 동안 정격 유틸리티 전압과 주파수 결합을 찾을 때까지 전력을 공급할 수 없게 된다.
또한 인버터는 전력 출력에 영향을 미치는 환경 조건을 보상한다. PV 패널 출력 전압 및 전류는 온도 및 셀 유닛 면적당 광 밀도(‘방사 조도’로 알려진)의 변화에 매우 취약하다. 셀 출력 전압은 셀 온도에 반비례하며, 셀 전류는 방사 조도에 정비례한다. 이러한 변수들의 큰 변화폭은 최적 인버터 전압/전류 동작점을 크게 변화시킨다.
인버터는 이러한 문제를 해결하기 위해 제품 전압 및 전류가 자체 최고값을 갖는 최대 전력 지점(MPP ; Maximum Power Point)에서 동작을 유지하기 위한 폐쇄 루프 제어를 사용한다.
인버터는 수동 및 자동 입/출력 차단을 지원하여 서비스 동작, EMI/RFI 유도 및 방사 억제, 접지 오류 차단, PC 호환 가능 통신 인터페이스 및 기타 기능도 제공한다. 견고한 패키지로 디자인된 이 인버터는 실외에서 25년 이상 동작할 수 있다.
PV 시스템 집중 분석
그림 1에 나타난 단상 PV 인버터는 PWM 풀브릿지 컨버터를 구동하기 위해 디지털 전력 컨트롤러와 한 쌍의 하이 사이드/로우 사이드 드라이버를 사용한다. 풀브릿지 토폴로지는 스위치 모드 토폴로지 중 최고의 전력 전송 능력을 제공하므로 인버터 애플리케이션에 일반적으로 사용된다. PWM 전압 스위칭 동작은 풀브릿지 출력에서 개별 60Hz 전류 파형을 합성한다. 고주파수 잡음 부품들은 유도 필터링되며 적절히 낮은 진폭의 60Hz 사인파를 생성한다.
PV 인버터 설계는 잘못된 트레이드오프(Trade-off)가 생성된 경우 설계자를 곤경에 빠뜨리는 설계 트레이드오프로 가득 차 있다. 예를 들어, PV 시스템은 최소 25년 이상 안정적으로 동작해야할 뿐만 아니라 완벽한 정격 출력 제공해야 하며 가격 경쟁력 또한 갖춰야 한다. 따라서 이와 같은 도전과제는 설계자에게 비용/신뢰성 트레이드오프 조율의 어려움을 안겨준다. PV 시스템은 효율이 낮은 주요 부품보다 더 차갑게 하고 오래 동작하는 고효율 인버터를 필요로 한다.
지금까지 높은 인버터 효율을 만들기 위한 연구가 진행됨에 따라 PCB 생성 및 인버터 패키지 열 요건에 영향을 줄 수 있는 설계 트레이드오프를 더 많이 발생시키게 되었다. 또한 노출 태양광량이 변화함에 따라 PV 패널의 출력 전압 변동 폭도 매우 커지므로, 인버터의 입력 전압 범위를 PV 패널의 출력 범위와 일치시키는 것이 유리하다. 이것은 복잡성, 비용 및 효율성에 추가적으로 영향을 미치는 설계 트레이드 오프를 더욱 더 많이 생성하게 된다.
설계에 있어서 까다로운 과제에 대한 제어 측면을 살펴보자. 컨트롤러의 “두뇌”는 일반적으로 디지털 파워 컨트롤러 또는 디지털 시그널 프로세서이다. 펌웨어는 의도하지 않은 무한 루프 입력 실행을 예방하기 위해 비블로킹 코드를 사용, 가장 효율적으로 실행할 수 있는 기계 상태 포맷으로 구현된다. PV 인버터의 경우 일반적으로 절연된 피드백 루프 보상 및 파워 스위치 모듈레이션이 가장 우선시되는 기능이며 그 뒤를 이어 주요 보호 기능, 효율 제어 순으로 우선 순위를 매길 수 있다.
25년간 극심한 열기 또는 극심한 추위에 노출된 PV 인버터는 인버터에 사용된 내장 부품을 고려했을 때 일시 정지될 수 있다. 예를 들어, 명백히 리플을 걸러내는 전해 커패시터나 갈바닉 절연을 제공하는 옵토커플러와 같은 부품은 중간에 수명이 다할 수밖에 없다. 이와 같이 섬세한 부품을 위한 해결 방안은 고가의 필름 커패시터로 전해 커패시터를 대체하거나 현재의 CMOS 절연 부품에서 옵토커플러를 제거하는 것이다.
CMOS 공정 기술은 극단적인 전압 및 온도에서 높은 신뢰성, 비용 효율성, 고속 동작, 작은 사이즈, 낮은 동작 전력 및 동작 안정성을 제공할 뿐만 아니라 다른 여러 가지 장점을 제공한다. 옵토커플러에 사용된 GaAs(Gallium Arsenide) 공정 기술과 다르게, CMOS 디바이스는 본질적으로 마모가 이루어지지 않는다. CMOS 절연 셀은 외부 필드 및 빠른 공통 모드 과도로 유발되는 데이터 오류에 높은 내성을 제공하기 위해 용량성, 완전 차동 및 고도의 최적화가 이루어져 있다. 실리콘 제품 설계와 결합된 CMOS의 장점은 높은 신뢰성(60년 이상의 절연 장벽 수명), 최대 VDD에서 －40℃~＋125℃의 지속적인 동작, 상당한 이득, 소비전력, 보드 영역 절감 및 사용의 용이성을 제공하는 “이상에 가까운” 절연 디바이스가 가능해진다.
PV 인버터를 위한 21세기 부품 솔루션
PV 인버터 아키텍처는 그림 1에 나타난 단상 트랜스포머 기반의 인버터로 제한되지 않는다. 기타 공통 타입은 고주파수, 바이폴라(Bipolar), 3상, 트랜스포머리스 및 배터리 구동 인버터를 포함하고 있다. 이러한 토폴로지는 서로 다르며 흔히 같은 부품 솔루션을 공유한다. 그림 2에 나타난 블록 다이어그램은 트랜스포머 기반의 3상 인버터에서 사용되는 다양한 CMOS 절연 디바이스이다.
이 기본적인 폐쇄 루프 아키텍처에서, 디지털 컨트롤러는 PV 시스템 출력 전압 진폭 및 위상이 그리드와 일치하도록 강제하는 전력 스위치 듀티 사이클을 모듈레이트한다. 이러한 절연 게이트 드라이버는 안전성 인증 갈바닉 절연과 단일 패키지에서 하이사이드 레벨 시프팅 기능을 통합하므로 외부의 절연 디바이스가 필요 없다.
컨트롤러에 대한 전류 피드백은 전류 센싱 트랜스포머와 비교했을 때 광범위한 온도 범위, 높은 정확도 및 신뢰성를 제공하는 단일 CMOS 절연형 AC 전류 센서로 공급된다. 이 센서는 디지털 컨트롤러에 의해 생성되는 기본적인 인버터 게이트 제어 신호를 사용하는 사이클간 주기로 재설정되어 외부 리셋 회로의 필요성을 없애 준다.
PV 시스템의 향후 전망
다른 새로운 기술과 마찬가지로, PV 시스템은 더욱 높은 용량과 낮은 비용, 높은 신뢰성에 대한 시장의 요구를 충족시키기 위해 계속 진화할 것이다. 결국 PV 인버터는 기능적으로 확장될 것이며, 설계자는 CMOS 절연의 추가적인 활용 및 고집적 애플리케이션 스펙 부품 수준의 디바이스를 요구하게 될 것이다. 따라서 PV 전력 시스템은 더욱 광범위하게 사용되고, 궁극적으로 화석 연료에 대한 의존도를 크게 줄일 수 있는 주류 유틸리티의 한 축을 담당하게 될 것이다.
Don Alfano 실리콘랩
