디지털 에너지 혁명

기술이 디지털화되면 모든 것이 변합니다. 우선 기술 발전 속도가 과거에 비해 매우 빨라집니다.

예로, 인터넷 검색을 한번 생각해보겠습니다. 인터넷 검색 덕분에 정보 발견 방식이 어떻게 변했고, 아울러 소셜 미디어가 뉴스 전달 방식을 어떻게 바꾸어 놓았으며, 전자책이 도서 구입 방식을 어떻게 바꾸어 놓았는지 생각해 보십시오. 기술이 디지털화되면, “도서관”, “신문”, “서점” 등의 단어들의 과거의 유물인 것처럼 들리기 시작할 것입니다.

아날로그에서 디지털로의 전환을 나타내는 특징은 무엇이며, 에너지가 아날로그에서 디지털로 전환된 시기를 어떻게 알 수 있을까요?

첫째, 전기 형태의 에너지를 디지털 방식으로 제어하려면 전압과 전류의 세기를 측정하는 스마트 센서, 기본 측정 값을 의미있는 데이터로 변환해주는 신속한 디지털 신호 처리 과정, 전력을 시스템이 조작할 수 있는 펄스로 전자적으로 나누어주는 특수한 SMPS(Switched-Mode Power Supply) 회로 등이 필수적입니다.

둘째, 디지털 에너지 시스템은 네트워크가 구축되어 있어야 하며, 지속적인 개선과 버그 수정을 지원하는 데이터를 전송하고 서버에서 소프트웨어 업데이트를 다운로드할 수 있어야 합니다.

셋째, 아날로그 회로와 디지털 임베디드 소프트웨어 코드의 연동을 포함하여, 시스템을 매우 정확하고 빠르게 모델링하고 시뮬레이션할 수 있어야 합니다.

시뮬레이션은 안전한 환경에서 개선 부분을 테스트, 최적화 및 검증하는데 중요합니다. 시뮬레이션을 통해 개선 사항을 실제 현장에서 사용하는 임베디드 시스템에 확신을 가지고 배포할 수 있습니다.

아날로그 기술이 디지털화되면 IT 기술이 되고, 이는 결국 소프트웨어 문제로 귀결됩니다. 디지털 에너지 혁명은 강력한 소프트웨어 툴, 충분한 연산력, 안전한 인터넷 망, 특수 임베디드 하드웨어 시스템 그리고 전력전자 기술을 통해 가능합니다.

전자기술로 전력을 제어

전력전자 기술로 더 잘 알려진 전자적인 전력 제어는 많은 양의 전기 에너지를 변환, 제어, 조작 및 전달해주는 파워 트랜지스터를 통해 실현 가능합니다. 이러한 전력 전환 장치, 즉 IGBT와 MOSFET은 메가와트 단위의 전력을 와트당 가격 표시를 위해 나누어줍니다.

에너지 효율은 대략 11년마다 2배 높아지고 있지만 가격은 계속해서 떨어지고 있습니다. 오늘날의 저렴한 인버터 시스템이 통제할 수 있는 전력은 85% 이고, 이는 1980년대의 시스템에 비해서 높은 수준입니다.

또한, 전력을 통제하는 과정에서의 열에 의한 손실도 몇 %에 불과합니다. 따라서, 적은 손실로 메가와트 단위의 전력을 디지털적으로 조작할 수 있는 능력은 진정으로 업계의 판도를 바꿀 수 있는 무기와도 같습니다.

이와 동시에, 임베디드 프로세서와 FPGA(Field-Programmable Gate Array)의 성능도 놀라울 정도로 향상되고 있습니다. 1990대 후반만해도 아날로그 제어 시스템은 달러당 성능이 상당히 높았지만, 무어의 법칙이 진화함에 따라 디지털 제어 시스템이 아날로그 제어 시스템을 빠른 속도로 추월하고 있습니다.

최근에는 미니 하드코어 DSP(Digital Signal Processing)의 기능들이 FPGA에 포함되면서 FPGA가 디지털 에너지 제어 시스템의 확실한 승자임이 기정 사실화되었습니다.

FPGA의 달러당 성능은 14개월마다 2배로 향상되는데, 14개월이라는 시간은 엔지니어 15명으로 이루어진 팀이 임베디드 설계를 직접 개발하는 데 소요되는 시간인 12개월~13개월보다 약간 더 깁니다.

기하급수적으로 빨라지는 무어의 법칙의 속도를 따라잡으려고, 엔지니어링 매니저들은 상용 (COTS) 기술에 의존하고 있습니다. 이런 상용 기술에 대한 의존이 새로 출시된 NI Single-Board RIO 범용 인버터 제어 (GPIC) 제품이 개발된 동기라고 할 수 있습니다. 이 제품은 전력 전자 제어를 위한 I/O와 최신 FPGA 및 리얼타임 프로세서 기술을 갖춘 비용 효율적인 상용 보드입니다.

최신 FPGA를 통해 맞춤형의 고주파 디지털 펄스-진폭 변조 (DPWM)와 디지털 제어 회로를 FPGA에 구성할 수 있으므로, 최신 FPGA는 전력 전자 제어 시스템을 위한 이상적인 구조를 제공합니다.

FPGA 고유의 재구성력은 장기 지원, 유지 보수 및 상호운용성의 관점에서, 진화하는 표준 및 통신 프로토콜과 더불어 스마트 그리드 어플리케이션에 특히 유익합니다.

시스템 레벨의 그래픽 기반 프로그래밍 언어 그리고 새로 출시된 NI GPIC 플랫폼과 같은 대량의 상업적 배포에 최적화된 COTS 하드웨어 타겟의 등장은 완전한 맞춤형 하드웨어 개발을 위한 대안을 제공합니다. 재구성이 가능한 COTS 시스템은 대량의 상업적 배포를 위한 주문형 보드 설계와 관련된 비용과 위험을 상당히 줄여줍니다.

전력 전자 기술을 위한 “디자인 V”의 완성

디지털 에너지 기술은 태양열, 풍력 및 에너지 저장 시스템의 성능 향상과 비용 절감에 핵심적인 역할을 담당합니다. NI R&D는 디지털 에너지 혁명에 대비한 포괄적인 툴 체인을 제공하기 위한 투자를 하고 있습니다.

그 비전은 바로 전력 전자 기술을 위한 “디자인 V”의 완성입니다. 자동차와 항공우주 산업 분야에서 들어본 적이 있을 법한 용어인 디자인 V는 제품 설계와 테스트를 위한 통합 과정을 의미합니다.

NI는 V의 각 단계에서 상용 디지털 에너지 제품의 설계, 프로토타이핑 및 배포의 개선에 투자하고 있습니다. (그림3 참조) 디자인 V의 목표는 임베디드 디자인팀의 생산성을 저하시키는 문제를 해결하는 것입니다.

그래픽 기반 시스템의 디자인 접근방식은 통합 시뮬레이션 (co-simulation)으로 시작합니다. 통합 시뮬레이션을 통해 디지털 제어 시스템과 아날로그 전력 전자 기술의 연동을 포착하는 고성능 시뮬레이션 환경 내에서 LabVIEW FPGA 코드를 개발할 수 있습니다.

LabVIEW FPGA와 NI Multisim 전력 전자 회로 시뮬레이터는 시뮬레이션 시간 단계를 자동으로 조절하여, 아날로그 회로의 신속한 순간 응답과 FPGA 기반 제어 시스템과의 상호작용을 포착합니다. 예를 들면, 유도자 내에 전류가 형성되면, 시뮬레이션은 자동으로 속도를 줄여 디지털 제어 시스템에 대한 영향을 포착합니다.

가장 중요한 점은 디자인팀이 시뮬레이션 환경 속에서 실제 LabVIEW FPGA 코드를 개발한 한 뒤에 이 코드를 별다른 노력 없이도 실제 FPGA 타겟으로 이동시킬 수 있다는 사실입니다.

이를 통해 완전한 양 방향의 개발 경로가 가능해집니다. 프로토타입부터 생산 후의 모든 단계에서 발생하는 소프트웨어의 변경사항은 툴 체인에서 코드가 참조하는 모든 지점에서 자동으로 업데이트합니다.

이런 소프트웨어의 업데이트 목적은 임베디드 시스템 코드를 작성한 후, 개발 과정 내내 코드를 지속적으로 개선하기 위해서 입니다. FPGA 소프트웨어와 자동화 테스트 코드와 병행하여 전력 전자 회로를 설계할 수 있는데, 이런 설계를 통해 에너지 효율, 비용 및 부품 수명 사이의 비선형 설계 트레이드오프 평가에 도움이 됩니다. 어려운 트레이드오프를 감안하더라도, 이를 통해 다중 설계 목표를 동시에 최적화할 수 있는 기회를 얻을 수 있습니다.

생성된 FPGA 코드가 추가적인 수정없이 원하는 기능대로 동작하기 위해서는, 컴파일된 후의 VHDL 코드가 직접 구성한 FPGA 코드와 동일해야 합니다. 또한 디자인 플랫폼은 고정소수점 방식에 대한 연산과 제어, 신호처리 그리고 전력분석 알고리즘의 효율적인 개발을 가능하게 해주는 전력 전자 IP 라이브러리도 포함해야 합니다.

마지막으로 툴 체인은 대량의 상용 디지털 에너지 제품의 특정 제어, I/O, 성능 및 비용 요구를 충족하는 사전에 검증된 COTS 제어판을 목표로 삼아야 합니다.

전력 전자 디자인 V는 복잡한 고전력의 디지털 에너지 시스템을 테스트하는 방법에 대한 과제를 안고 있습니다. 과거에는 확인과 검증을 위한 리얼타임 시뮬레이터가 없다는 것이 가장 큰 문제였습니다.

하지만 이제는 FPGA를 통해 확인과 검증을 해결할 수 있습니다. 그래픽 기반 시스템 디자인 툴은 그리드 연계된 (grid-tied) 전력 전자 시스템의 전반적인 검증을 위한 빠른 리얼타임 HIL(Hardware In The Loop) 시뮬레이터 개발에 적합합니다.

미래를 상상하며

에너지와 관련된 문제를 소프트웨어로 해결하게 된다는 것은 상상하기 힘들겠지만, 에너지를 효율적으로 전환, 조작, 운반 및 저장하기 위한 적절한 알고리즘만 찾아내면 에너지 문제를 해결할 수 있게 될지도 모릅니다.

바로 이런 세상이 디지털 에너지 혁명을 통해 가능해집니다. 그렇다면, 이런 일이 벌어졌는지 어떻게 알 수 있을까요? 만약 시스템이 디지털화하여 디지털적으로 제어, 네트워킹, 현장 재구성, 모델링 및 시뮬레이션이 가능하고, 매년 달러당 성능이 급격하게 향상되고 있다면, 이를 디지털 에너지 기술이라고 부를 수 있습니다.

디지털 에너지 혁명은 엔지니어링의 어떤 커다란 과제를 해결하는 데 효과적일까요? 한 가지는 분명합니다. 이러한 기술들 덕분에 급격한 성능 향상과 비용 절감이 가능하게 되었으며, 이러한 기술들은 재생 가능 에너지, 스마트 그리드 및 전기 자동차 시스템의 핵심이라는 사실입니다.

—Brian MacCleery brian.maccleery@ni.com

Brian MacCleery는 NI의 클린 에너지 제품 담당 매니저이다. 담당 업무는 클린에너지의 가격을 화석 연료의 가격보다 낮추고 클린에너지가 화석 연료보다 더 풍부해지도록 돕기 위해 첨단 임베디드 시스템 기술의 디자인, 프로토타이핑 및 배포를 용이하게 하는 것이다.

아이씨엔 매거진 2012년 08월호