마이크로그리드는 독립성, 탄력성, 보안 측면에서 유리하고 자체적인 재생 에너지 생산을 극대화한다. 새로운 세대의 반도체 스위치를 사용해서 전력 변환 장비의 크기와 비용을 줄일 수 있다. 그럼으로써 효율을 떨어트리지 않으면서 투자 회수를 앞당길 수 있다.

키워드
마이크로그리드, 유틸리티 전력, 탄력성, 보안, 와이드밴드갭, IGBT, MOSFET, 인버터, 컨버터, 전력

마이크로그리드 개념은 알고 보면 오래 전부터 존재했던 것이다. 20세기 초에 정전 시에 관수 펌프를 돌리거나 집안 전기를 켜기 위해서 디젤 발전기를 사용했던 농부는 ‘마이크로그리드’라는 용어를 알지도 못하면서 마이크로그리드를 구축했던 것이다. 마이크로그리드의 정의는 국가 전력망과 독립적으로 작동하면서 자체적으로 연결된 일련의 부하와 에너지원을 말한다.

마이크로그리드 외에도 비슷한 명칭의 다른 용어들이 사용되고 있다. 매크로그리드는 메인 전력망을 뜻하고, 밀리그리드는 대규모 설비나 일련의 독립적 전력망들이 모인 것을 뜻하고, 나노그리드는 등산을 하면서 스마트폰을 충전하기 위해서 배낭에 달고 다니는 태양광 패널을 예로 들 수 있다.

오늘날 농장, 원격지 공장, 병원, 군사 기지 같은 설비로 마이크로그리드에 대한 관심이 높아지고 있다. 전 세계 마이크로그리드 시장이 2025년에 474억 달러 규모에 이르면서 10% 이상의 CAGR로 성장할 것으로 전망된다[1]. 마이크로그리드는 완벽하게 독립적인 하나의 섬을 형성하고, 메인 전력망으로 정전이 발생되었을 때 백업 전원을 공급하고, 자체적으로 생산한 에너지가 필요보다 많을 때 메인 전력망으로 전력을 돌려보낼 수도 있다.

마이크로그리드를 사용하고자 하는 주된 동기는 유틸리티 인프라를 사용할 수 없는 원격지 장소로 전력을 공급할 수 있고, 메인 전력망 정전에 대비해서 탄력적으로 대응할 수 있고, 수력, 태양광, 풍력, 지열, CHP 같은 재생 에너지원을 유연하게 활용할 수 있고, 환경적 영향을 낮추고 비용을 낮출 수 있기 때문이다. 보안 또한 중요한 문제로 부각되고 있다. 데이터 센터, 병원, 군사 기지 같은 중요 시설로 전력 공급에 대한 사이버 공격은 심각한 결과를 초래할 수 있다.

스마트 마이크로그리드

가정용 마이크로그리드는 그림 1과 같은 모습일 수 있다. 고정형 태양광 패널이 메인 전력망과 동기화된 인버터를 통해서 유틸리티 전력을 완전히 대체하거나 여분의 전력을 전력망으로 돌려보낼 수 있다. 고용량 리튬이온 또는 리튬 인산철 배터리를 충전하고 야간에나 메인 전력 정전이 발생되었을 때 전력을 공급할 수 있다.



조명, 난방, 가전기기 같은 통상적인 가정용 부하와 더불어 전기차 충전이 갈수록 더 이 에너지 믹스로 합류하고 있다. 전기차가 진정으로 ‘녹색’ 딱지를 붙일 수 있기 위해서는 태양광 같은 재생 에너지원을 사용해서 충전하는 것이 바람직하다. 스마트 제어는 마이크로그리드 설비를 개인화하고 태양광 패널로부터 최대의 효율을 끌어내도록 한다. 태양광 패널과 EV 배터리로부터도 여분의 에너지를 자동으로 메인 전력망으로 돌려보낼 수 있다.

공장에서의 마이크로그리드는 다중의 에너지원을 포함하는 좀더 복잡한 구성이다(그림 2). 공장 환경으로 비용 편익 분석은 가정용처럼 단순하지 않다. 정전 시에 가동 중단은 큰 피해로 이어지며, 스마트 환경으로 생산성을 높이고 에너지 비용을 낮추는 것은 큰 이득을 가져올 것이다.



이 그림에서는 어떻게 풍력과 태양광 같은 재생 에너지원을 기존 발전기들과 결합해서 전기나 난방에 있어서 완벽한 독립성을 달성하고 무선 통신을 사용해서 지능적인 제어가 가능한지 알 수 있다. 이 시스템을 산업 4.0이나 산업용 IoT 개념과 통합할 수 있다. 그럼으로써 물리적 생산과 운영을 스마트 디지털 기술, 머신 러닝, 빅데이터와 결합해서 좀더 전일적이고 잘 연결된 에코시스템을 구축하고 제조와 공급 사슬을 더 잘 관리할 수 있다.

하지만 가정용으로나 산업용으로나 원하는 에너지 절감을 달성하기 위해서는 기능성뿐만 아니라 전기 효율과 관련해서 마이크로그리드 아키텍처로 신중한 주의를 기울여야 한다.

전력 변환 효율의 중요성

그림 1과 같이 비교적 간단한 가정용 설비라 하더라도 여러 단계의 전력 변환을 거친다. 태양광 패널이 출력하는 DC를 지능적인 DC-DC 컨버터를 사용해서 저장 배터리 전압으로 변환하고 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 사용해서 최대의 에너지를 끌어내도록 하고, 인버터가 배터리 DC를 AC 라인 전압으로 변환하고, 배터리 차저는 태양광 입력이 없을 때에도 배터리를 최대 용량으로 유지하도록 하고, 양방향 컨버터는 AC를 사용해서 EV 배터리를 충전하고 그러면서 또 야간에는 전력을 거꾸로 돌려보낼 수 있다. 풍력 터빈 같은 또 다른 에너지원은 전력 변환 요구가 또 달라진다. 이 경우에는 유도 발전기가 주파수와 진폭이 가변적인 AC를 출력하고 이것을 유틸리티와 호환 가능한 수준으로 변환해야 한다. 산업용으로는 일이 훨씬 더 복잡해진다.

이러한 모든 변환 단계마다 일부의 에너지를 열로서 낭비한다. 이것은 비용적 손해로 이어지고 투자 회수까지 걸리는 기간을 늦춘다. 그러므로 변환 단계에서의 효율이 매우 중요하다. 경우에 따라서는 열을 회수해서 다른 용도로 활용할 수도 있으나 이러한 가능성은 매우 제한적이다. 열을 빼내고 전자장치들로 스트레스를 가하지 않도록 하기 위해서 냉각 시스템을 필요로 한다는 점에서 추가적인 에너지와 비용을 필요로 한다.

새로운 소재의 반도체를 활용해서 비용, 크기, 에너지 소모 감소

마이크로그리드의 여러 변환 단계로 스위치드 모드 기법을 사용한다. 다시 말해서 반도체 스위치가 입력 DC나 정류 AC 전압을 높은 주파수로 자르고, 뒤이어서 비교적 작은 크기의 트랜스포머를 사용해서 이 전압을 스케일링하고, 정류기를 통해서 다시 DC로 변환하거나 필터를 통해서 AC로 변환한다. 반도체 스위칭 동작의 PWM(펄스 폭 변조)에 의해서 출력을 일정한 DC 또는 50/60Hz AC로 레귤레이션 한다.

최근까지만 하더라도 고전력대로 반도체 스위치로 선택할 수 있는 것이 IGBT로 제한적이었다. IGBT는 허용 가능한 효율을 달성하기 위해서 상대적으로 느린 속도로 스위칭 해야 한다. IGBT는 오프(off)일 때는 전력을 소모하지 않고 온(on)일 때는 약간의 전도 손실만을 발생시킨다. 하지만 이 두 상태 사이에 전이할 때 트랜션트 전력이 수 킬로와트에 이를 수 있다(그림 3).

그러므로 초당 전이 횟수(주파수)가 높을수록 전력 소모가 증가한다. 이러한 이유에서 잘해야 수십 kHz 대의 스위칭 주파수를 사용해 왔으며, 이 때문에 하위 장치들로서 트랜스포머나 필터 같은 자기 부품들을 크기가 큰 것을 사용할 수밖에 없고 그러므로 더 비쌀 수밖에 없다.

그러므로 전력 컨버터 디자이너들은 크기와 비용을 낮추기 위해서 스위칭 주파수를 높이는 것이 중요한 설계 목표였다. 그래서 스위칭 손실이 낮은 다른 반도체 디바이스들을 고려하게 되었다. 그러면서 최대의 경쟁자로 부상한 것이 MOSFET이다. 하지만 MOSFET은 전력 정격이 제한적이고 전도 손실이 IGBT보다 높을 수 있다.

MOSFET의 온 저항은 전류 값의 제곱에 비례하는 전력을 소모한다. 이에 비해서 IGBT는 비교적 일정한 전압 강하를 나타내므로 전력 소모가 전류에 대략적으로 비례하다. 그러므로 MOSFET은 낭비되는 에너지와 더 크고 비싼 냉각이 필요하다는 점을 감안했을 때 높은 전류로 손실이 심해지고 고주파수 동작의 이점이 무효화된다.

새로운 세대의 스위치로서 와이드밴드갭(WBG) 반도체가 등장함으로써 효율을 떨어트리지 않으면서 스위칭 속도를 한 차원 높일 수 있게 되었다. 실리콘 카바이드(SiC)나 갈륨 나이트라이드(GaN) 같은 WBG 반도체는 기존 실리콘에 비해서 훨씬 더 빠르게 스위칭하므로 전이 시의 전력 소모를 최소화한다. 그런데다 온 저항이 극히 낮고 근본적으로 고온을 더 잘 견딜 수 있으므로, WBG 기술을 사용해서 설계된 장비는 크기를 소형화하고 더 높은 효율을 달성할 수 있다.

이것은 디바이스 자체가 크기가 더 작기 때문만이 아니라, 더 높은 스위칭 주파수가 가능함으로써 트랜스포머나 필터 같은 관련 부품을 크기가 더 작은 것을 사용할 수 있기 때문이다. 이러한 모든 점들이 더해져서 획득 비용과 가동 비용을 낮추고, 투자 회수까지 걸리는 기간을 앞당기고, 환경적 영향을 줄이도록 한다. WBG 반도체 분야에서 활발하게 활약하고 있는 회사들로서 CREE, GaN Systems, UnitedSiC, Transphorm 같은 회사를 들 수 있으며, Mouser를 통해서 이들 회사 제품을 구입할 수 있다.

[1] Microgrid Market:
https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/micro-grid-electronics.asp