에너지 발전에서 사용되기까지. 컨버터의 중요성과 기술동향을 살펴보자.

 원자력에너지의 중단, 환경 오염을 야기하는 각종 화석 연료 사용량의 감소에 따라 신재생에너지 의존율이 높아지고 있다. 얼마나 잘 발전시킬 것인가에 대한 부분도 중요하지만 신재생에너지의 발전량이 충분히 만족스럽지 못한 만큼, 발전한 에너지를 어떻게 잘 운용할 것인가에 대한 문제가 중요시 되고 있다. 에너지 운용에 있어서 큰 부분을 차지하는 것이 전력 변환이다.

 신재생에너지 발전을 통해 생산된 전기가 가정에서 사용되기까지 어떤 전력 변환 과정을 거칠까?

[그림 1. 독립형 태양광 발전 시스템]

출처: 원리로 이해하는 전력전자공학

[그림 2. 계통 연계형 태양광 발전 시스템]

출처: 원리로 이해하는 전력전자공학

 태양광 발전은 전지 모듈에서 DC전원을 생산한다. 생산된 에너지는 독립형 혹은 계통연계형 시스템에 따라 그에 맞는 변환이 필요하다. 독립형 발전시스템인 경우 발전된 전력이 DC-DC 컨버터를 통해 배터리에 맞는 DC전압으로 승강압 된 후 충전이 된다.  계통 연계형 발전시스템인 경우 발전된 전력이 DC-DC 컨버터를 통해 계통에 맞도록 안정적인 DC전원으로 만들어진 후 인버터를 통해 AC전원으로 변환되어 계통에 공급된다.

[그림 3. 동기식 풍력 발전 시스템]

출처: 원리로 이해하는 전력전자공학

[그림 4. 유도식 풍력 발전 시스템]

출처: 원리로 이해하는 전력전자공학

 풍력 발전은 AC전원을 생산한다. 동기 발전기 시스템에서는AC-DC컨버터(정류기)를 통해 AC전원을 DC전원으로 변환한 후 DC-AC컨버터(인버터)를 통해 다시 교류로 변환하여 계통에 연계한다. 유도 발전기 시스템은 AC-AC 컨버터를 통해 AC전원을 계통에 맞는 주파수와 전압을 갖는 AC전원으로 변환하여 계통에 연계한다.

 [그림 5. 가전제품 내부 시스템]

출처: 한국전자통신연구원

 계통을 통해 가정에서 AC로 전력을 공급받으면 대부분의 전자제품은 DC 전원을 사용하기 때문에 또다시 변환이 필요하다. AC-DC컨버터를 통해 DC전원으로 변환하고 DC-DC컨버터를 통해 각종 기기에 맞는 DC전원으로 변환되어 사용된다.

이렇게 발전부터 가정에서 사용되기까지 수많은 전력 변환(AC->DC, DC->AC, DC->DC, AC->AC 변환)이 이루어진다. 따라서 전력 변환을 담당하는 컨버터는 전력 계통 및 시스템에서 심장과 같은 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 컨버터의 성능이 좋아질수록 에너지 산업에 끼치는 영향은 엄청날 것이다. 그렇다면 고성능 컨버터가 되기 위한 기준에는 무엇이 있을까?

1) 공통적으로 전력 변환 효율이 좋아야 한다. 즉 전력 변환 과정에서 전력 손실을 최소화하는 것이 중요하다.

[그림 6. 전력변환 효율 공식]

출처: ODP Corp

2) 전력용 반도체 스위칭소자로 구성된 DC->AC 인버터와 DC->DC 컨버터의 경우, 내부 반도체 소자의 고속 스위칭으로 인해 발생하는 노이즈를 최소화하여 전력의 품질을 높여야 한다.

3) AC전원을 입력으로 받는 경우 AC전류의 고조파 성분을 저감하여 역률 개선을 통해 유효 전력을 최대화하고 무효 전력을 최소화해야 한다.

[그림 7. 역률 공식]

출처: ODP Corp

 역률은 왜 개선해야할까? 전력은 유효전력과 무효전력으로 나뉘는데, 그 중에서 무효전력은 실제로는 일을 하지 않고 왔다가 다시 반환되는 전력이다. 따라서 발전소 측에서는 무효전력을 포함하여 불필요하게 전력을 많이 공급 해야하고 그러기 위해선 더 굵은 전력선을 사용해야 한다. 뿐만 아니라 무효전력 역시 전류를 통해 전달되기 때문에 전력선에서 전력의 손실이 발생한다. 그렇기 때문에 역률을 개선하여 무효전력을 최소화 시키는 것은 중요하다.

 위와 같은 target을 두고 고성능 컨버터를 위한 다양한 연구들이 끊임없이 이루어지고 있다. 새로운 제어 알고리즘을 만들거나 새로운 토폴로지 회로 혹은 새로운 반도체 소자를 접목한 컨버터 개발하는 등의 방법으로 보다 더 높은 효율과 안정성을 지닌 컨버터 기술을 개발하고 있다.

•           태양광 인버터의 MPPT제어 (최대전력추종 제어) 알고리즘을 통해 최대 전력을 발생시킬 수 있는 전압을 찾도록 제어하는 기술.

•        전력 품질에 영향을 미치지 않는 특정 구간에 반도체 소자의 동작을 정지시켜 컨버터의 대기전력 손실을 저감하는 불연속 제어 알고리즘 제어 기술.

•        PFC역률보상용 회로를 컨버터에 적용하여 역률을 0.95~0.99까지 개선하는 기술.

•        양방향 DC/DC 컨버터 토폴로지 기술. (양방향 DC/DC 컨버터는 그 쓰임새가 많고 에너지 회복 및 파워시스템 관리에 점점 더 중요한 역할을 할수 있다.)

•        차세대 화합물반도체 소재인GaN전력 반도체가 컨버터에 적용되어 저손실 고속 스위칭이 가능하게 하는 기술. 

     (GaN 전력반도체가 DC-DC 컨버터, 태양광인버터(PV inverter), ESS 연료전지 인버터 등 신재생에너지 시스템의 효율 극대화 에 특화되어 신시장 영역을 확대해 나갈 것으로 예측된다.)

 

 신재생에너지 발전의 확대에 있어서 그 효율이 중요한 만큼 컨버터, 인버터 등을 다루는 전력전자 분야의 기술은 핵심을 차지한다. 뿐만 아니라 전기차나 무선전력전송 등과 같은 분야의 발전에 있어서도 전력변환 기술은 매우 중요하다. 앞으로 4차 산업혁명의 도래와 함께 전력전자 분야의 시장 확대가 지속적으로 성장해 나갈 전망이다.

[참고자료]

1. 한빛아카데미 - 원리로 이해하는 전력전자공학

2. IT BizNews - TI,2kW 양방향 전원 레퍼런스 디자인 발표(http://www.itbiznews.com/news/articleView.html?idxno=2741)

3. 한국에너지공단 블로그 - 대기전력에 대해서 얼마나 아시나?(http://blog.energy.or.kr/?p=7958)

4. O.D.P 홈페이지(http://www.odpcorp.co.kr/index/s3/s2.php#a22)

5. ROHM - DC/DC 컨버터는 왜 필요한가?(http://www.rohm.co.kr/web/korea/dcdc_what3)

6. 파스넷 - [현대모비스 공학교실] 전력제어장치는 친환경차 `심장`…15년·30만㎞ 내구성 필수(http://paxnet.moneta.co.kr/news/mainView?articleId=2017092504035800055)

7. TEXAS Instruments - 양뱡향 DC/DC 컨버터 토폴로지의 비교와 디자인(http://www.ti.com/ww/kr/article/2017/Electronic_Engineering_04.html)

8. ETRI WEBZINE - 차세대 전력반도체 'GaN' 미래전망(http://webzine.etri.re.kr/20170210/sub04.html)

9. 서영테크 홈페이지(http://www.evsmotor.co.kr/kor/product/product_list3.php)