기획특집 태양광인버터에의한발전효율향상 민준기책임연구원 / 다쓰테크기술연구소 minki@dasstech.com 1. 서론 태양광발전은태양광을전기로변환하는설비에의해전력을발전하는것을의미하며, 영구적이며무한한태양광을사용하여소음과오염이없으며, 편리한유지보수가가능하고, 관리비용이적게소요되며, 자동화되어있으며, 태양전지모듈의경우 25년의장수명을특징으로하고있다. 하지만태양전지모듈에서발생되는전력은직류전력으로직접사용이어려운문제로인해교류전력으로변환하는설비가필요하며, 일반적으로전력계통에연계하는형태로발전해야하기때문에계통연계에관련된기술기준의적용을받는다. 그림 1. 태양광발전설비 기및고압연계설비로구성된다. 태양광발전설비는크게태양전지모듈, 태양광인버터, 그리고전력계통으로나눌수있고, 보다상세히나누면태양전지모듈스트링 ( 직렬및병렬조합 ), 각스트링을모아주는 D 접속반, 계통연계형인버터, 그리고계통연계용량에따라저압연계의경우보호계전기로구성된연계설비또는고압연계의경우보호계전 태양전지모듈의종류는그림 2와같이나눌수있으며, 현재발전용으로상용화되어있는태양전지모듈은결정질실리콘에서단결정과다결정, 그리고화합물반도체중에서 dte 및 IS or IGS가있다. 2012년태양전지모듈의과잉생산및과잉공급에의해서태양전지모듈의가격이급격하게하락하였으며, 태양광발 104 계장기술
태양광인버터에의한발전효율향상 태양전지 Si 계 기판형단결정 (Single rystalline Si) 결정질 Si 다결정 (Poly - rystalline Si) 박막형 (Poly - rystalline Si Thin File) 비정질 Si 박막 (a - Si Thin File) 력전압범위에대한매칭설계가이루어져야한다. 그리고태양광인버터의전력변환효율은일반적으로정격의 60~80% 범위에서최대가되므로스트링설계시이에대한고려가이루어져야한다. 화합물반도체 Ⅱ-Ⅵ족 : dte, IS 등 Ⅲ-Ⅴ족 : GaAs, InP, InGaAs 등기타 : Quantum Dot ell, Dye ell 등 2. 태양광발전시스템관점에서의태양광인버터종류 그림 2. 태양전지모듈의종류전설비의저가화에크게이바지하고있다. 태양전지모듈의출력특성은그림 3과같다. 태양전지모듈은일사량이증가함에따라출력전류가증가하는형태를가지고있으며, 온도가낮을수록발전이잘되는특징을가지고있다. 이러한경우에있어태양광인버터는최대전력점추종 (PPT : aximum Power Point Tracking) 기능이있어태양전지모듈에서발생하는직류전력을최대한받아들이는기능을가지고있다. 그림 3과같이태양전지모듈은온도에따라출력특성이변하게되어, 태양전지모듈의스트링설계에있어온도계수를고려하여, 사용하는태양광인버터의입 태양광인버터를크게나누면스트링 (String) 방식과중앙집중식 (entral) 방식으로나눌수있으며, 두가지특성을강화하는형태로마이크로인버터 (I : odule Integrated onverter), 멀티스트링 (ulti-strin) 과다중집중식 (ulti-entral) 로나눌수있다. 최근에미국시장을중심으로 I의시장이급속하게성장하고있으며, 태양전지모듈 1개에인버터 1개를부착하는방식으로스트링인버터의매우작은형태로볼수있다. 그리고태양전지 1장에대한모니터링이가능하여유지보수가쉽다는장점을가지고있다. 각 I의최대효율은상대적으로낮지만, 태양전지모듈에대해개별로 PPT를하므로, 전체발전량에있어서는스트링인버터이상의발전효율을가지고있 ( 단락전류 ) 3 최대전력동작점 (ell 전류 ) 40 35 2 30 25 ax Power 30도 60도 20 90 도 1 15 10 120도 150도 5 0 0.3 0.6 ( 개방전압 ) 0 0.3 0.3 0.3 0.6 0.3 0.3 0.6 (ell 전압 ) 그림 3. 태양전지특성그래프 2015. 7 105
태양광발전과인버터시너지효과 으며, 대용량보다는소용량에대해장점을가지고있으며, 가장큰장점은태양전지모듈 1장으로도태양광발전을할수있다는것이다. 스트링인버터는다수의태양전지모듈을직렬로연결하여태양광인버터의입력에접속되는경우로가장일반적인형태이며, 중용량태양광발전설비에적합한방식이다. 무변압기방식이일반적이며, 외부설치가가능하여스트링인버터로태양광발전설비를구성할경우별도의전기실이필요하지않다는장점을가진다. 멀티스트링인버터는국내에는일반화되지않은방식이지만, 지붕설치방식에서지붕의여러면에태양전지모듈을설치하는경우일반적인방식으로유럽에많이보급되어있는형태이며, 스트링인버터에비해발전효율이높다. 중앙집중식 (entral) 인버터는중대용량발전설비에적합한방식으로동일용량대비상대적으로가격이저렴하여많이사용되고있으며, 구조가간단하여유지보수가용이하다는장점으로가지고있으며, 1개의 PPT만으로동작하기때문에발전효율이상대적으로낮을수있다. 초기에는실내에설치하는형태가많았으나, 최근국내에서실외형방식이중용량대부터출시되고있다. 다중집중식 (ulti-entral) 방식은중앙집중식과스트링방식의장점을모두가지고있는방식으로제품의재료비가어느정도상승한다는점이있지만, 발전효율은중앙집중식에비해높은편이고, 대용량시스템에적합하다. 구분구조특징설치비용최대효율발전효율 I String ulti-string entral ulti entral A modules 모듈별인버터적용방식모듈별 PPT 제어가능최대수확률획득가능별도의 D 배선불필요소용량시스템적합 String Inverter 군별인버터적용방식군별 PPT 제어가능부분그늘에효과적중용량시스템적합 South East West ulti-string Inverter PV-size 1 PV-size 2 PV-size 3 PPT, D-D PPT, D-D D-A PPT, D-D 군별 D/D 변환기사용단일인버터적용방식군별 PPT 제어가능 2 중전력변환방식효율이비교적낮으며, 설치비용높음산업용시스템적합 entrial Inverter 전체모듈하나군취합중앙에단일인버터사용구조간단, 유지보수용이수확률이비교적낮음산업용시스템적합 entrial Inverter entrial Inverter entral 구조보완시스템효율및성능개선군별 PPT 제어가능변압기 / 주변회로최적설계대규모발전단지작용적합 (94%, 변압기제외 ) (96%, 변압기제외 ) (96%, 변압기제외 ) (98%, 변압기제외 ) (97%, 변압기제외 ) 대용량화유지보수계통보호 표 1. 태양광인버터의종류 106 계장기술
태양광인버터에의한발전효율향상 Limit curve of voltage dip U/Uc 100% Type 2 limit Lower value of voltage band = 90% Uc 70% 45% 30% 15% There is no requiremet for staying connected below the blue curve. 0 150 700 1.500 3.000 Zeit in ms Point in time of fault occurrence 그림 4. LVRT 개념도 3. 태양광인버터의역할태양광발전설비에서태양광인버터의역할은태양전지모듈에서발생되는직류전력을교류전력으로전력변환하여전력계통에연계하는것이다. 태양광발전설비는전력을생산하여전력계통에보냄으로써발전차액을받거나가정의경우발전전력을소비전력과상계하는것이목적이므로전력변환효율은매우중요한점이다. 태양전지모듈에서발생된직류전력을교류전력으로변환하여전력계통에연계하기위해서태양광인버터는전력계통의전압과주파수를검출하여동일한위상 ( 인버터관점에서 ) 으로전류를계통에주입하는형태로발전하게된다. 이를위해서태양광인버터는전력계통의전압과주파수를검출하는회로, 계통위상을정현파함수로연산하는회로, 태양광인버터를제어하는제어회로및전력변환회로가필요하며, 프로세서기반으로동작할수있도록하는제어프로그램의설계및제작 이필요하다. 추가적으로태양광인버터의동작상태를통신기반으로모니터링할수있도록하는통신회로가필요하다. 이러한회로들과제어프로그램이유기적으로결합하여동작함으로써태양광인버터는정상적인동작을할수있다. 전력계통에연계하기위해서는기본적으로전력회사의계통연계기준에서요구하는사항을충복시켜야한다. 계통연계기준은전력계통의이상 ( 과 / 저주파수, 과 / 저전압 ) 이발생했을때태양광인버터와같은분산형전원이이를감지해서계통과분리되는것을요구하고있으며, 추가적으로단독운전 (Islanding) 상태를감지해서전력계통과분리되는것을요구하고있다. 단독운전검출의목적은전력계통정전시태양광인버터와같은분산형전원이동작하고있는경우발생하는문제를최근에유럽, 미국및일본에서는계통연계형태양광인버터에대해능동계통지원 (Active Grid Support) 에대한요구사항이추가되고있으며, 세부적으로 LV RT(Low Voltage Ride Through), HVRT(High Voltage 2015. 7 107
태양광발전과인버터시너지효과 V R V dc V S B V pv L i i pv + - d L f b + V dc + TOP3 TOP2 TOP1 i BOT5 BOT3 BOT2 BOT1 IGBT oduls DT L o i R i S i T o E I V T B 그림 5. 2 레벨태양광인버터전력회로도 NP 3-Level IGBT D AP. Inductor INPUT FUSE D Switch A E Filter A E Filter D AP. B Filter AP. 그림 6. 3 레벨태양광인버터전력회로도 Ride Through), 무효전력제어, 다수대단독운전검출등이있다. 4. 태양광인버터에의한발전효율향상태양광인버터에서전력변환효율은매우중요한평가지표가되며, 전력변환효율향상을위해여러가지방법이도입되고있는데, 첫번째는태양광인버터에사용되는 IGBT와같은전력용반도체스위치소자에사용되는재료를실리콘에서실리콘카바이드 (Si : Silicon arbide) 로바꾸어다이오드에서발생되는스위칭손실을줄이는방법이고, 두번째는그림 5, 그림 6과같이태 양광인버터내부회로를 2레벨스위칭방식에서 3레벨스위칭방식을사용하여전력변환효율을향상하는것이고, 세번째는기본적으로사용되는인덕터의소재를코아손실이상대적으로적은것을사용하는것이다. 기존태양광발전설비에서발전효율향상을위해서는발전설비관리자의노력이요구된다. 기존의운영계획이나관리계획은문제가생기지않도록하는예방점검의성격이강하고, 개별문제요소에대한점검이기때문에발전효율향상과의관계는적다고할수있다. 태양광발전설비의발전효율향상을위해서첫번째, 태양전지모듈및스트링에대한점검이필요하다. 태양전지모듈관련문제발생이상대적으로적지만, 백화현상, 적화현상및착색과같은경우와먼지, 송화가 108 계장기술
태양광인버터에의한발전효율향상 루및조류의오물이태양전지모듈표면에존재하는경우등과같이태양전지모듈을개별적으로확인해야조치할수있는문제들이기때문이다. 그리고 D 접속반에서각스트링전류를확인함으로써스트링단위의문제를빠른시간에인지하여조치할수있다. 두번째, 태양전지모듈과태양광인버터사이 D 배선에대한주기적점검이필요하다. 일반적으로지상배선덕트로이어지는경우와지중으로배선된경우가있는데, 지상배선덕트인경우주변동물에대한훼손이가능하므로주기적인육안점검이필요하고, 특히배선발열에대한점검이필요하고, 절연저항의경우야간에점검할수있으므로절연저항에점검과동시에볼트및너트의조임에대한점검이필요하다. 세번째, 태양광인버터주변의온도및습도관리가필요하다. 태양광인버터의경우주변온도가상승하면, 온도보호기능이동작하여정지하여발전이정지될수있으므로태양광인버터주변의온도관리가필요하고, 습도가높은경우태양광인버터내부기구물및배선의부식으로인해인버터가정지될수있으며, 제조사별로방열팬이연속동작이거나불연속동작인경우가있는데, 방열팬의동작여부를점검하여동작하지않는경우제조사에문의하는것이필요하다. 마지막으로, 고압연계발전설비의경우수배전설비에대한주기적인이상여부점검과모니터링에의한일별, 월별발전량확인이필요하다. 이상상황발생은낙뢰나서지와같은요인에의해순간적으로발생하는경우가있지만, 전조증상을보이면서진행되는경우가대부분이므로발전량향상을위해서는추가적인노력이필요하다. 5. 맺음말 광발전설비가존재하게되었다. 이러한태양광발전설비의발전효율향상은매우중요하여, 설계설치및운영에있어서발전효율향상을위한노력이필요하다. 이를위해태양광발전설비에대한지식습득및실천이매우중요하며, 지속적인점검및유지보수노력에의해 2~3% 정도의발전효율향상은충분히가능할것으로예상된다. 월간계장기술이참신한원고를받습니다. 소장하고계신원고나, 평소에소개됐으면하는내용을기사로작성하여보내주시면감사하겠습니다. ( 특별기고기술정보연재산업동향 & 전망 / 자세한사항은본지참조 ) 원고게재분양및내용 FA 와 PA 분야의주요품목인 DS, PL, 센서, 유량계, 인버터, 컨트롤밸브, 필드버스 ( 산업통신망 ), 계측및계장기기, 중전기기및발전플랜트와, 이를활용한기술및산업전망계측제어자동화설비 ( 플랜트 ) 분야의산업트렌드와시장전망 원고분량및발송 A4 지 4~10 매 ( 연재는편집부와협의 ) 이며, E-mail 로보내시면됩니다. E-mail 이어려운원고와첨부자료 ( 카탈로그와제품사진등 ) 는우편발송하시면됩니다. 보내실곳서울시영등포구당산로 2 길 12 708 호 ( 문래동 3 가에이스테크노타워, 월간계장기술편집부 ) TEL : (02)2168-8897 / FAX : (02)2168-8895 E-mail : procon@procon.co.kr / lch1248@naver.com 원고마감 : 매월 15 일 원고를받습니다 상용태양광발전설비가한국에설치되기시작한것은 10년이넘지않았지만, 어느순간주변에많은태양 2015. 7 109