태양광 발전(PhotoVoltaic, PV) 중심 분산전원(Distributed Generation, DG) 기술 및 연계 현황(2)

PV 중심 DG의 연계 현황(2)

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그렇다면, 태양광 발전설비를 어떻게 분류 할 수 있는 가?

2가지로 분류를 해본다.
1) 전력변환장치(PCS)의 Stage(Level)
2) 변압기의 유무

1) 전력변환장치 구성에 따른 태양광 발전설비 분류

가장 간단한 태양광 발전설비를 들여본다. 하기 사진은 3가지 컴퍼넌트로 이루어져있다.
태양광 어레이, DC-AC Converter, Filter 끝
PCC는 Point of Common Coupling 의 약자로, 태양광 발전설비가 연계되는 '공통 접속점 지점'이 되겠다.
간략하게, PV의 DC 전력을 AC로 변환하여, 높은 전력 품질을 위해 필터를 거친 후, 계통에 전송하는 것이다. 하기 사진은 PCS가 1단계(Stage 또는 Level)로 되어있으므로, Single stage 혹은 Single Level, One stage, One Level 등등.. 난 그냥 Single stage라 배워서 그렇게 부른다.(사실 이게 가장 멋있어 보인다ㅋㅋ)

Single stage 무변압기형 (계통 연계형) 태양광 발전설비 made by 멈추면진다

그럼 Double Stage(Two Level)의 구성은 어찌 되는가
태양광 어레이, DC-DC Conv, DC-AC Conv, Filter로 구성된다. 

Double stage 무변압기형 (계통 연계형) 태양광 발전설비 구성 made by 멈추면진다

구성의 차이는 이렇다.
그렇다면 왜 이렇게 구성하여 사용하는가? 어떠한 장단점이 있는가?

일단, 한국을 사례로 들어보자.
한국은 저압 수용가의 전압 규격은 AC 220/380(상/선간)[V, rms]이다.

단상 AC 220[V]에 전류를 전송하기 위해서는, DC link 단 커패시터 (PV Array와 PCS 입력단의 커패시터)의 전압은 1.7배~2배가 되어야한다. 약 400[V] 정도?, (가장 간단하게 전류가 흐르는 원리에 대해 생각해보라. 전위차가 있어야 전류가 흐른다.)
또한, 단상 AC 220[V]를 만들기 위해서도 (CVCF 제어시) =(직류전압의 스위칭으로 Peak to Peak 220V를 만들기 위해서) 필요한 전압 크기라고 보면 되겠다. 
3상 PV에 대해서는, 보통 Line to Line, 델타에 연계하므로, 380[V]의 1.7배가 최소 마진이라 보면 되겠다.

여기서 문제가 있다. 만약, PV Array의 출력 전압 (Vpv)가 400[V]를 넘지 않는다면 어떻게 되는가?
= 계통으로 전력을 보내지 못한다.
어떻게 해결할 수 있는가? 
= 태양광 발전설비의 PCS를 2단계로 만들어, 앞단에 DC-DC Conv를 사용 > 승압을 시킨다.

어떤 장점이 있는가?
1)PV Array의 전압 레벨의 한계를 극복한다.

단점은?
1) PCS를 2레벨로 사용하므로 크기와 비용이 증가한다.
2) PCS를 2레벨로 사용하므로, 효율이 저하된다. (PV의 DC 발전 전력이 2단계의 PCS 효율로 감소되므로)

제어는 어떻게 되는가?

크게 PV 발전설비는 두 가지 제어를 기본적으로 해야한다. 
1) MPPT(최대 전력 지점 추종)
2) 인버터 전류제어

MPPT는 PV의 발전 출력을 최대로하기 위한, 전압 또는 전류의 지점을 임의로 조절하는 기법이다. = 찾아보면 많다.
인버터 전류제어는 보통, 3상 교류 성분에 Clarke와 Park Transformation을 거쳐 2상 교류 성분으로 바꾸고(알파/베타), 2상 교류 성분을 2상 직류성분 (dq축)으로 바꾸어 제어를 용이하게 한다.

Single stage의 경우 PCS가 인버터 밖에 없으므로, 인버터 전류제어기 전단에 MPPT가 직렬(캐스케이드) 형태로 붙는다.
Double stage의 경우 PCS가 2단, DC-DC Conv 에서 MPPT를 수행, DC-AC Conv에서 DC link단 전압 제어 - 인버터 전류제어를 수행하지

이정도 이상 궁금하다면 논문을 찾아보라. 설명하기 귀찮다.

 

2) 변압기의 유무

태양광 발전설비를 변압기의 유무에 따라 분류할 수 있다. 유변압기형/무변압기형이라는 사족이 붙는다. (뭔가 이름이 길면 멋있지 않은가?)

PV 발전설비에 변압기를 사용하는 이유는 크게 몇가지가 있(었)다.
1) PV와 상위 계통의 고장 영향성 배제(파급 방지)
2) 누설전류(Stray currnet) 차단 / EMI 등의 영향성 배제

안전에 관한 내용이므로 과거에는 많이 쓰였다.
현 추세에는 상기 이유들을 보완하고자, 변압기를 사용하는 것이 아닌, 무변압기형 인버터에 Passive/Active 기법들, 다양한 팔다리를 붙여서 해결하고는 한다. 특히나 인버터의 구조를 바꾸어(H5, H6, Heric 등) 누설전류를 저감하기도 한다.(Common Mode Voltage를 줄이는 기법이다.)
그리고, 변압기를 사용하면 발전 효율이 줄어들며, 발전설비의 크기가 매우 커진다는 단점이 있다.

상기 이유들과 여타 해결방법들을 고려하여, 무변압기형 PV가 보통 쓰이고는 한다.
그림으로 보면 하기와 같다.

유변압기형 태양광 발전설비 구성 made by 멈추면진다

상기 그림에서 두번째 그림이 뭔가 멋있어 보인다.
Flyback 컨버터를 사용하는 태양광 발전설비를 나타낸 것이다. 이는 벅-부스트 컨버터의 절연형인데, 제어 가능한 전압 범위는 넓으나 용량이 작은 단점이 있다고 한다. (직접해보지는 않았고, 랩실 1년 선배와 2년 후배가 열심히 하길래 어깨너머로 보고 배웠다.)

여기까지 PV 발전설비의 기본에 대해서 정리했다.
물론 화공/전력전자 쪽의 관점이 아닌, 계통 관점이다.

다음은 간단한 제어 방법과, PV가 계통에 미치는 영향에 대해서 포스팅한다.