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기획특집

신재생에너지기술과 ABB 솔루션

조조 신신 현현 // ㈜㈜AABBBB코코리리아아 산산업업자자동동화화 사사업업본본부부

shin-hyun.cho@kr.abb.com

개요

기후변화가인류미래에미치는영향이

매우심각하다는경고가잇따르면서, 이산

화탄소배출량이많은기존화석연료를대

체할에너지를찾아국가와기업들에의한

연구및자금의투자가이루어지고있다.

우리나라를비롯한전세계모든나라에

서 그린에너지, 녹색성장, 신재생에너지,

탄소가스저감, 스마트그리드 등의 용어가

자주언론에오르내리며, 새로운비즈니스

를 창출하고 있다. ABB는 이러한 용어의

중심에 있고 핵심 기술을 갖추고 있는 회

사라할수있다.

인간이 전기를만들어내기위해태우는주요에너

지원인석유와석탄은많은탄산가스를배출하며지구

의온도까지변화를시킨다고한다. 반면탄소를배출

하지않고무한정재생할수있는태양광, 풍력, 파력,

연료전지 등 신재생에너지는 무한의 청정에너지이다.

과학자들은지구온난화주원인을화석연료과다사용

이한원인으로판단, 우리나라를비롯한세계각국이

기후변화에대응하기위한노력으로온실가스감축을

위한 정책을 추진하고 있으며, 신재생에너지 개발에

힘을쏟고있다. ABB는 이러한신재생에너지생산을

위한 많은 솔루션을 갖추고 있으며, 이러한 신기술에

대하여소개한다.

118 계장기술

신재생에너지를 활용한 인버터 기술

지금까지 ABB코리아는 신재생에너지 중 태양광에

너지에 대하여 저압제품 사업부를 중심으로 태양광인

버터큐비클에내장되는DC 차단기류, 보호기류및에

대한영업이이루어져시장에접근하고있으며, 산업자

동화사업부에서는PLC의적용및태양광용인버터의

적용에힘쓰고있다. 그리고국내제작분의풍력발전

기및풍력발전컨버터시스템은제품의신뢰성과우수

한품질에힘입어지대한마켓을점유하고있다. 근래

에는국내풍력터빈메이커와해외시장개척을위하여

MOU를맺어공동시장개척을일구어가고있으며, 파

력 발전 또한 국내 연구소의 프로젝트에 참여하여

ABB의신기술을접목시키는작업이진행중이다. 신기

술파력시스템에대하여이미해외유수의연구소에서

실증을완료한상태로, 다양한형태의구조및시스템

에대하여적용이가능한발전기및전력변환컨버터

시스템을갖추고있다. ABB에서는전력시스템및전

력제품, 그리고다양한자동화솔루션을보유하고있

으며, 본 고에서는 ABB의 신재생에너지 관련 기술의

산업자동화사업부의제품에대하여알아본다.

풍력발전

전 세계 수 만대의 풍력발전기에 ABB의 발전기가

설치되어있으며, ACS800은전세계풍력발전의발전

기와드라이브시장의마켓리더인ABB의자부심으로

심혈을 기울여 개발한 기종이다. 풍력 발전은 정속도

식가변속식이있으나, 최근의기술은2MW에서5MW

까지의 용량 대형화와 함께 가변속 방식, 그리고 PM

발전기가주류를이루고있다. ABB는터빈및타워를

제외한모든전기장치의공급이가능하며, 특히최근에

대용량발전기및전력변환컨버터의공급을늘려가고

있다. ABB는 풍력 타워 및 터빈은 제작하지 않지만,

풍력발전에필요한전기자재는대부분갖추고있다. 하

기그림에서보는바와같이풍력타워내에는발전기,

컨버터, 변압기, 각종스위치기어그리고컨트롤부품

등을공급하고있으며, 핵심기자재중의하나인풍력

발전용 ABB 컨버터는 아래와 같이 스마트한 기술을

가지고있다.

30년의 경험과 함께 ABB는 풍력 발전 사업자 및 풍력터빈 제조자에게 프로세스의 모든 단계를 제공한다. 풍력 발전기 및 전력 시스템 분야의 노하우와 다년간의경험이 ABB를 세계 최고의 풍력 발전 산업 파트너로 만들었다.

<가변속도운전방식의농형유도발전기를이용한풍력발전시스템구성도>

Frequency Converter

ConverterGearbox

Generator

Generator

Asynchronous

Pitch

DriveRotor bearing Wind turbine control

10... 24kV, f=50Hz

Line coupling

Medium

Voltage

Line side Main circuit

side DC

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(1) 최적의그리드코드구현

- 능동전원유닛(Active Supply Unit)

발전된에너지를전원측으로보낼수있는4상한드

라이브는 속도와 토크의 방향을 자유롭게 전환할 수

있는 장치로 입력부를 능동형 전원유니트(Active

Supply Unit ; ASU)라고 한다. ASU는 전원 라인으

로부터 발전기로 전류를 흐르게 하여 발전기를 기동

시키고, 또발전기가풍력에의하여발전을하여발생

된전력에너지를드라이브를통하여전원쪽으로전류

를보내줄수있다. 여기에ASU는고조파전압및고

조파전류왜곡레벨을매우낮게할수있을뿐아니라

각상, 그리고상간의전류와전압파형을거의사인파

에 가깝게 유지한다. 이는 고조파를 적게 함유함으로

써확실한역률을유지할수있어가능하여, ASU 기술

은전류의왜곡율을 5% 이내로제한할수있다. 드라

이브의 입력정류부인 ASU는 드라이브의 출력부분인

Converter부와 거의 똑같은 스위치 배열을 사용하여

동작한다.

반도체 소자는 IGBT(Isolated Gate Bi-polar

Transistor)를 사용하며, 이 능동 스위치는 일반적인

정류기의 역할과 회생 기능을 한다. 전류센서를 사용

하여, 라인에 흐르는 전류를 측정하여 사인파의 부족

분을보완함으로써드라이브로부터의전류흐름은정

현파가되게끔한다. 공급전원의저고조파왜곡은많

은전력손실을줄인다. 퓨즈, 전원케이블과입력변압

기의용량을줄여줄수있으며, 이로인한손실을절감

할수있다. 국제표준G5/4와 IEEE519에따라요구되

는고조파수준에전류왜곡율을5% 이내로가능하며,

이는 국제 표준에서 요구하는 수치 이하이다. 그리고

전체적인시스템의외형크기를줄이는효과를가져왔

으며, 공급전원에서변압기의권선수를줄이는효과

를가져왔다. 이러한능동유니트에의한전원그리드

코드(Grid Code)에 적합한 주파-수로 연결함으로 별

도의역률보상시스템이필요없다.

(2) DTC와 LCL 필터

발전용드라이브로발전되는네트워크전압은능동

적으로 DTC 스위칭에의하여 1kHz 미만의저주파수

범위의고조파를야기하지않으며, LCL 필터와 DTC

의능력의조합으로 ASU는전주파수범위의고조파

없이정현파형발전전류를만들어내는모듈레이션을

한다.

DTC는고정되지않

은 펄스 패턴을 사용

하고, 전원 라인 전류

에 함유된 고조파를

논리적으로 전 주파수

범위에 매끈한 정현파

전류로 평탄화한다.

제어는 어떤 주파수에

서도 개별적인 스파이

크를발생하지않으며, 더구나네트워크에오실레이션

의 위험을 최소화한다. 빠른 제어는 가능한 오실레이

션 현상의 진폭을감쇄가가능하게하여필터설계를

단순화한다.

LCL 필터는 IGBT 전력반도체소자에의한스위칭

전압 리플을 줄여주어, 약한 네크워크에도 뛰어나고

확실한운전이가능하도록도와준다. LCL 필터는3상

공통리액터사이에델타결선된캐패시터두가지요

소로 구성되어 있으며, 필터의 목적은 고차수 전압의

고조파를제한하기위함이며, 필터는라인Con verter

부에 내장되어 있어 작은 외형 사이즈와필터장치를

설치하기위하여추가적인설치공간이필요하지않다.

ASU 드라이브는고조파를경감하기위한다른복잡

신재생에너지기술과ABB 솔루션

120 계장기술

신재생에너지를 활용한 인버터 기술

하고고비용의어떠한방법보다적합하고호평받는기

술의드라이브이다. 드라이브사용자및유틸리티에서

고조파와저역률에대한폐해에대하여관심이증대되

고 있는 현 상황에, 이 드라이브는 풍력발전시스템의

수요가 증대됨과 같이 증대될 것이다. 필터가 내장된

DTC 제어의전원Converter는국제기준에적합할수

있는최적의효과적인저비용의솔루션이다.

태양광발전

PVS800 Inverter는 태양광 발전 어플리케이션에

서사용되는드라이브다. 산업용드라이브는전형적으

로DC 링크에의해서두개의Converter가연결되지

만, 태양광 Inverter는 단지 하나의 Inverter만을 사

용하기때문에Inverter의제어와보호방식들이다르

다. 새로운Inverter 제품의주요기능은다음과같다

(1) Inverter 설계

계통에전력을공급하기위해서 Inverter의 설치는

엄격한 요구사항을 만족해야 하기 때문에 AC와 DC

측면과 역률보상에대한 Inverter의 안전과 보호특

징이 내장되어 반영되었다. 또한 Inverter는 AC와

DC 양측면에서지보호장치및국가별요구하는사

양들을 만족하는 계통-모니터링 기술이 적용되어 있

다. ABB의 Inverter는 현재 계통의요구사항을만족

시킬 뿐만 아니라, 무효전력 역률 보상, 전력 손실,

LVRT(저전압 보상 방법)의 기능에 관한 요구사항을

만족시킨다. 일례로이러한기능들은네트워크가불안

정한상황에도계통의지원을가능케한다.

Inverter의필드버스인터페이스(Modbus, PROFIBUS,

CANopen, Ethernet)는 현장, 원격 제어 및 감시가

가능하다. 태양광 발전에 사용되는 최대 전력점 추종

(MPPT) 알고리즘은 태양광 시스템의 효율을 높이기

위한 알고리즘으로 태양광 모듈에서 항상 최대 전력

에너지를 계통으로 전달하기 위해 사용된다. 태양광

에너지(전력P)의특성곡선(전류/전압)은태양광셀에

도달하는빛의양과온도등에따라서변화하기때문

에 MPPT 알고리즘이 필요하다. MPPT 알고리즘은

어떠한조건이든상관없이항상그상황에서최대전

력을추종하도록수행한다.

(2) 계통의연계

작은규모의태양광발전인경우, 전력은보통저전

압의계통으로직접공급된다. 큰규모의플랜트의경

우전형적으로변압기와스위치기어(ABB 공급제품)를

사용하여중전압의계통으로연결된다. 몇몇의어플리

케이션의경우, ABB의 Inverter 기술로 같은변압기

Inverter는 계통으로 전력을 공급하기 위해서 엄격한 요구사항을 만족해야 한다. ABB는 성공적이고 널리 사용되는다양한 산업용 드라이브 제품군 및 다양한 경험과 검증된 기술을 기반으로 전력 공급에 필요한 여러가지 요구사항들을 충족시켜왔다.

1212010. 7

를 사용하여 몇 개의 Inverter를 병렬로 연결하여 사

용할수있다. 이는비용절감의중요한핵심요소다.

풍력과태양광을중심으로한신재생에너지시대가

본격개막되고있고, 풍력은세계각지에100GW의발

전설비가 설치된 상태다. 태양광의 경우 향후 5년 후

전세계시장규모전망치가2,000억달러에이를정도

로 초고속 성장을 거듭하고 있다. 이처럼 신재생에너

지시장이급속히확대되는가운데에너지전문가들에

게서 풍력과 태양광을 이을 차세대 주자로 주목받고

있는 것이 파력이다. 파력은 풍력보다 뛰어난 에너지

다물의밀도는공기의 800배에달해작은규모의발

전소로더많은전력을생산할수있다. 관련기술만성

숙된다면풍력이상의효용성을제공할잠재력을갖고

있으며, ABB가기술개발에기여하고있다.

2007년 10월초세계최초상용파력발전프로젝트

가유럽전력망에새로운신재생에너지원으로각광을

받기 시작하였다. Pelamis Energy Converter로 알

려져있고, Ocean Power Delivery에의해개발된이

기술은포르투갈북부해변에서 5km 떨어진곳에위

치한 세계 최초의파력 발전단지에설치된시스템으

로, 포르투갈의신재생에너지기업인 Enersis 컨소시

엄에의해운영되는파력발전단지는포르투갈 1,500

가구에전력을공급할수있는2.25MW의그린에너지

를생산하는 750kW Pelamis Converter 3대로구성

되어 있으며, 2단계 프로젝트는 발전단지에 Pelamis

Converter 28대를 추가하여 포르투갈 15,000가구에

전력공급및60,000톤의CO2 배출저감효과를가져

올 수 있는 22.5MW의 전력을 생산할 것이다. 다른

Pelamis 프로젝트로는 4대의 Converter로 구성된

Scottish Power의 3MW 파력발전단지와7대의Con

verter로 구성된 Eon and Ocean Prospect의 5MW

파력발전단지로 각각 스코틀랜드와 잉글랜드 해안에

위치하여지난2010년5월18일에설치되었다.

신재생에너지기술과ABB 솔루션

The 250kW PVS800 central inverter, showing its compact and slim design Design and grid connection in a system consisting of two ABB central inverters. The inverters can handle input voltages of up to 900V.

Data communication and connection of the ABB central inverters

Central inverter Central inverter

Central inverter

Fieldbus

Internet

Local PC

Remote PCCentral inverter

ModbusNETA-01

3-phase 20kV

250 kWp solar array

250 kWp solar array

250 kWp solar array

250 kWp solar array

Medium voltageTransformer

122 계장기술

신재생에너지를 활용한 인버터 기술

새로운기술

Pelamis Converter는 120m 길이와 3.5m 지름을

가진긴실린더구조로기차 4량 정도의크기와비슷

하다. Converter는 250kW의전력을생산할수있는

완벽한전기유압발전시스템을갖춘3개의관절실린

더로구성되어있으며, 각전력생산시스템의중심에

는부하의까다로운요구조건을만족시키기위해제작

된맞춤형전용ABB 발전기가설치되어있다.

Steffi Anderson, Pelamis 전기시스템엔지니어는

“다른발전기공급업체가만족시키지못하는요구조건

을 ABB는 할 수 있었으며, ABB는 합리적인 가격의

Prototype 발전기를 제공하였고 매우 열정적으로 프

로젝트에동참하였다. 그리고ABB와의작업은즐거웠

으며, 우리의 요구조건을 만족시키기 위해 흔쾌히 그

들의제품을설계변경하였다.”라고말했다

ABB는최소전력손실과열손실을통한콤팩트하

고가벼운대용량발전기는영국과핀란드에서설계되

었으며 프레임 크기를 315에서 280으로, 중량을

860kg에서 725kg으로 15% 저감하는 등 혁신적으로

설계하였다. 이는 해상용으로 개발된 방수 실링이 되

어 있으며, 스위치기어와 새로운 전력 연결 방법으로

설계하였다. ABB는크기를줄이고스트레스에강하게

발전기의 효율을 개선하였고, 파력 전력 생산 비용을

최소화하여 경쟁력을 높이는데 초점을 맞췄다. 높은

에너지를 가지고있는 파도는 위 아래와좌우로움직

일때에너지를발전기는흡수한다. 발전기운전을통

해 생산된 에너지는해저케이블을통해해저교차점

을거쳐육상의전력계통에전달된다.

독창성과에너지

Fred Olsen은 스페인에서석유통이바다에떠있는

것을발견하였고, 이개념을이용한것이FO3라고불

리는파력에너지Converter(Wave Energy Converter,

WEC) 개발의시작점이었다.

WEC 개발은 과거에도 여러 차례 시도되었지만 열

악한환경을극복해야했기에실패하였다. WEC는토

목설계, 전기설계, 제어설계를포함한모든분야를고

려해야했다. 이러한모든분야를고려하지못한프로

젝트는성공할수없었다. WEC 프로젝트의가장어려

운부분은구조설계이다. 이장치는재료와제작비용

은최소로유지하면서매우튼튼해야했다. 이조건을

만족시키기 어렵기 때문에 파력 발전이 아직 상용화

되지못하고있다.

ABB는 WEC 개발을원하는고객으로부터많은제

안을받았지만Fred Olsen의제안이가장매력적이었

다. 오랜 Offshore 경험 덕분에 Olsen의 엔지니어들

은북해의위험한도전에대해많은지식을가지고있

었다. ABB 역시 해상 및 육상 석유와 가스 분야에서

최고의시스템자동화및안전과전력장치공급업체이

다. 좀 더구체적으로Olsen FO3 프로젝트에서ABB

는 전력 변환과 자동화 분야의 노하우를 전수하였으

며, 전력및자동화기기를납품하였다.

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WEC는 전형적이 Rig와 비슷하게 생겼으나, 달걀

모양의실린더가WEC 아래달려있다는것이큰차이

점이다. 실린더가 위 아래로 움직이면서 에너지를 파

도로부터흡수한다. 이런파도의직선및수직운동이

유압시스템에의해회전운동으로전환된다.

초기에는1:20 크기의rig 모델이노르웨이Trondheim

의 Marintek/Sintef 실험실에서 만들어졌다. 테스트

의 결과는 1:3 크기의 연구용 모델인 Buldra 건설로

이어졌다. 이모델의크기는 12m×12m×8m이며, 유

압타워의높이는7m이다. Fred Olsen에따르면최종

크기의모델인경우 9초 주기의 6m 높이의파도로부

터2.52MW의전력을생산할수있다. 이전력은600

가구에 공급하기에 충분하며, 대략 한대의 풍력 발전

과맞먹는다.

노르웨이정부는Fred Olsen에노르웨이서부해안의

Karmoy 섬에파력발전소건설허가를받았다. Fred

Olsen 파력 발전이 경제적으로 타당하다고 가정하여

WEC를생산하게되면ABB는자동화제품과전기제

품에납품에유리한위치에설것이다. 요구되는기술

은 ABB에공급되는풍력터빈과유사하여회사의경

험과 제품 포트폴리오가 잠재적인 WEC 산업의 요구

와맞아떨어진다.

전망

환경에 대한 인식과 비용의 하락은 신재생 에너지

시장의 지속적인 성장을 했을 뿐만 아니라 여러나라

로확장이되었다. 많은국가의정부들이Feed-in tariffs

(신재생에너지 고정가격 구매 제도)를 통하여 신재생

에너지의 확산을 지원을 하고 있다. 제도는 신재생에

너지에대한투자를더욱매력적이게만들고, 시장규

모를확장시키고제품생산의가격을낮추고있다. 이

러한접근방식은매우성공적이었다. 신재생에너지원

에 의해 생산된 전력의 가격이 화석에너지로 생산된

전력의가격과같아지는수준을의미하는그리드패리

티에 도달하게 되면, 신재생에너지 시장은 대단한 호

황기를누릴것이다.

따라서, ABB는 고급화되고 진보된 신제품 개발에

앞장서고기술변화를가져올기술을적극적으로지원

할것이다.

신재생에너지기술과ABB 솔루션

WEC platform concept

Buldra as a 1:3 scale research platform