전력망 기술: 고신뢰성의 신재생 에너지

원칙적으로 전력망은 제로섬(zero-sum) 게임이다. 전력망에 투입되는 전기 에너지는 또한 반드시 같은 순간에 소비되어야 한다. 그 이상도 그 이하도 아니다. 이론적으로는 간단하게 들리지만 실제는 상당히 다른 경우가 많다. 점증하는 태양광과 풍력 시스템은 망 운영자에게 엄청난 도전이 되고 있다. 전력 소비자들의 자신의 소비 거동은 해가 났는지 바람이 부는지 여부와는 거의 전혀 무관하기 때문이다. 독일 북부 도시 플렌스부르크(Flensburg)에 기반을 둔 WSTECH 회사는 POWERLINK를 이용하여 이러한 도전을 극복할 수 있음을 입증하였다.

B&R’s X20 series
B&R’s X20 series

신재생 에너지를 생산할 때는 독일의 중간 전압 지침(medium-voltage directive)의 법률적 요건을 준수하는 것이 중요하다. 이 법률은 단순히 전력망에 정확한 전압과 주파수를 공급해야 하는 것보다도 훨씬 더 많은 것을 규정한다. 피드인(feed-in) 시스템은 또한 교란을 일으키는 고조파에 관한 상세한 규격도 충족시켜야 하고 게다가 정적 및 동적 전력망 안정화에서 능동적 역할도 수행할 수 있어야 한다. 이러한 작업의 부담은 모두 피드인 시스템의 핵심을 형성하는 인버터에 주어진다. 인버터는 태양광 전지로부터 오는 DC 전압이나 가변적인 주파수로 풍력 발전기로부터 오는 AC 전압을 처리한 다음에 필요에 따라 공급 망에 주입한다.

500에서 6,000 kVA 범위의 강력한 인버터
WSTECH는 독일 북부 도시 플렌스부르크(Flensburg)에서 2001년에 창립된 이후, 약 100명의 직원들과 함께 광범위한 노하우를 습득해왔다. 현재 Siemens AG는 합작 회사를 통해 이 회사의 지분을 보유하고 있다. 그들의 전문 지식에는 컨트롤러 조립체의 개발과 생산이 포함되며, 이 컨트롤러 조립체에서는 그들의 IGBT 모듈을 통해 인버터가 펄스 패턴으로 제어된다. “이 조립체는 당사의 핵심 기술을 대표하며 모든 유형의 장치에서 이용됩니다.” 연구개발 팀장인 Mark Ahmling은 말한다. “조립체는 빠르고 정밀한 제어 루프로 전류가 고조파 없는 정현파 파형으로 전력망에 도달하는 것을 보장합니다.” WSTECH 개발자들은 이의 달성을 위해 이 회사가 이용하는 기술을 수행하기 위해 실질적으로 지터(jitter)가 전혀 없는 고성능 필드버스를 필요로 한다.

최대 동기성(同期性 synchronicity)을 위한 POWERLINK
10 kHz의 고조파를 차후에 필터링하기보다는 복수의 전력 모듈을 정확하게 180 도 위상 반전시킴으로써 상쇄시켜버린다. “이 기술은 요구되는 필터 기술의 양을 감소시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 운전 신뢰성도 현저히 높여줍니다.” Ahmling는 강조한다. 그러나 이것이 작동하기 위해서는 관련된 모든 모듈들이 ±2 μs의 허용 공차 이내로 동기화된 상태로 작동하고 통신해야 한다.

WSTECH 인버터는 최대한의 비용 효율성을 특징으로 한다.
WSTECH 인버터는 최대한의 비용 효율성을 특징으로 한다.

Ahmling의 팀은 적절한 버스 시스템을 찾던 중에 B&R 기술과 그 중에서도 특히 POWERLINK를 발견하였다. 결국 선택된 것은 POWERLINK를 통해 B&R의 2차 컨트롤러, 측정기판 및 그 밖의 컴포넌트에 연결된 X20 시리즈 1차 컨트롤러이다. POWERLINK로부터의 실질적으로 지터가 없는 SoC (= single-chip system: 단일 칩 시스템) 신호는 현재 모든 컴포넌트를 정밀하게 동기화 상태로 유지하기 때문에 성공의 관건이 되었다. 이 버스가 다른 경쟁 제품들과 차별화되는 또 하나의 요인은 실시간으로 교환될 수 있는 광대한 양의 데이터이다.

개방성과 독립성
X20 컨트롤러를 쓰게 되면서 WSTECH에게는 그 밖의 장점 제공되었다. “실시간 기능이 갖춰진 Automation Runtime 운영체계 덕분에 우리는 마이크로소프트로부터 자유로워졌고, 맬웨어(malware)의 위험 부담도 줄었습니다.” 개발 전문가는 설명한다. “동시에 인터페이스에 관해서는 개방성이 핵심적 기준입니다.” 개방성이 요구되는 것은 모드버스(Modbus) 프로토콜을 여전히 표준으로 이용하는 다른 시스템들과 통신을 위한 것이다. 원격 유지보수 또한 Ahmling에게 중요하다. WSTECH 시스템은 전세계에 수출되기 때문이다. 이것은 B&R의 Automation Studio 엔지니어링 환경에서 달성되며, 여기에서는 통합 Visual Components 4 툴과 VNC 서버가 이용된다. 이에 의해 서비스 기술자는 세계의 모든 시스템에 로그온하고, 온라인으로 상태를 분석하고, 필요하면 개입할 수 있다.

미래에도 안정된 전력망 전력 공급을 위해
신재생 에너지의 발전으로 인해 분산된 피드인(feed-in) 지점의 수가 점점 증가하고 있다. 그러나 이 수효가 증가함에 따라 전력망 안정성에 대한 요구도 또한 높아진다. 이를 보장하기 위해, 관련 컴포넌트들은 전력망 관리 시스템으로부터의 제어 명령에 과거 어느 때 보다 더 빠르게 반응하고 더 정밀하게 조절해야 한다.

“특히 풍력 에너지 부문에서, 10에서 40 ms의 통신 주기는 이미 표준이고 장래에 더 단축될 것임이 확실합니다. 그러므로 지금 여기에 대비해 두는 것은 확실히 중요합니다.” Ahmling은 말한다.

또한 WSTECH에 의해 구현된 시스템 개념도 또한 그것을 정확하게 실현하고 있다. 이것은 또한 WSTECH 인버터의 새로운 어플리케이션도 열어주며, 예로서 요구에 따라 여분의 에너지를 동적으로 흡수하고 방출하는 것을 허용하는 배터리 축전 기술을 들 수 있다. 한 가지 사례는 독일 슐레스비히 홀스타인(Schleswig-Holstein) 주(州)에 위치한 야르데룬트(Jardelund) 리튬 이온 배터리 축전 설비이다. 설비의 출력은 48 MW이고 축전 용량은 50 MWh이다. 여기에서는 1초보다 짧은 순간에 에너지의 흐름이 저장되거나 전력망으로 공급될 수 있으며, 높은 전력망 안정성을 보장하는 데 필수적인 요인이다.

보다 높은 수준의 플랜트 통신에는 표준화되고, 실시간 처리 능력을 갖추고, 그리고 무엇보다도 완전히 안정된 IT 네트워크가 요구된다. B&R은 시간 민감형 네트워킹(Time-Sensitive Networking: TSN) 표준을 기반으로 하는 OPC UA와 실시간 이더넷을 이용하여, 이러한 요구 사항들을 완벽하게 지원한다.

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