태양광 발전 시스템의 구성 요소 - 전력변환장치(인버터)

신재생에너지 발전설비 기사

태양광 발전 시스템의 구성 요소

전력변환장치(인버터)

전력변환장치는 태양광 발전 시스템에서 생산된 직류(DC) 전력을 가정이나 산업용으로 사용할 수 있는 교류(AC) 전력으로 변환하는 장치로, 인버터(Inverter)라고도 불립니다. 전력변환장치는 태양광 발전 시스템의 효율성과 안정성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 하며, 발전된 전기를 효율적으로 사용할 수 있도록 다양한 기능을 수행합니다.

 

전력변환장치는 효율 향상, 다기능화, 에너지 저장 시스템과의 연계성을 중심으로 발전하고 있습니다. 특히 스마트 인버터는 실시간 모니터링과 자동 제어를 통해 발전량 최적화 및 에너지 관리 기능을 향상시키고 있으며, AI 기술과 빅데이터를 활용하여 기상 변화와 전력 소비 패턴에 맞춘 최적의 전력 관리를 목표로 합니다.

 

에너지 저장 및 분산형 전력망이 발전하면서 하이브리드 인버터와 ESS 연동 인버터의 수요도 증가하고 있으며, 이를 통해 자가 소비율을 높이고, 전력망의 부담을 줄이며, 친환경적 에너지 사용을 촉진할 수 있는 방향으로 진화하고 있습니다.

전력변환장치의 주요 역할

1. DC-AC 변환: 태양광 모듈에서 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 가정이나 상업용 설비에서 사용할 수 있도록 합니다. 이 과정은 인버터 내부의 전력변환 소자를 통해 이루어지며, 변환 효율은 전반적인 시스템 효율에 큰 영향을 미칩니다.
2. MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추적): 태양광 발전의 전력 생산은 일조량과 패널 온도에 따라 변동되므로, 전력변환장치는 최대 전력을 추출할 수 있는 지점을 실시간으로 추적하여 출력 효율을 최적화합니다. MPPT 기능은 특히 일조량이 변하는 환경에서 발전 효율을 높여 줍니다.
3. 계통 연계: 계통연계형 시스템에서는 전력변환장치가 발전된 전기를 전력망(grid)에 연계할 수 있도록 전력 품질을 제어합니다. 여기에는 전압, 주파수 조정이 포함되며, 전력망과 동기화를 통해 안전하게 연계가 이루어지도록 합니다.
4. 전력 품질 제어: 인버터는 출력 전력의 전압과 주파수를 안정적으로 제어하며, 필요한 경우 역률 보상 기능을 통해 전력 품질을 유지합니다. 이를 통해 과전압, 저전압, 과부하 등의 전력 품질 문제를 방지할 수 있습니다.
5. 안전 기능: 전력변환장치는 이상 발생 시 시스템을 보호하기 위한 다양한 안전 기능을 갖추고 있습니다. 과전류, 과전압, 단락, 역전류 방지, 접지 누설 등의 상황에서 시스템을 보호하는 장치를 내장하고 있으며, 전력망과 연결된 시스템에서는 고장 시 자동 차단 기능도 제공합니다.

전력변환장치의 종류

1. 중앙형 인버터 (Central Inverter): 대규모 태양광 발전 시스템에서 사용되며, 여러 개의 태양광 모듈을 하나의 중앙 인버터에 연결하여 변환하는 방식입니다. 설치와 유지보수가 용이하지만, 한 곳에서 문제가 발생하면 전체 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 스트링 인버터 (String Inverter): 중소형 태양광 발전 시스템에 적합하며, 패널 여러 개를 스트링으로 묶어 인버터에 연결합니다. 각 스트링이 독립적으로 작동할 수 있어 고장이 발생해도 전체 시스템에 미치는 영향이 적습니다.
3. 마이크로 인버터 (Micro Inverter): 각 패널에 개별적으로 인버터를 설치하여, 각 패널이 최적의 전력 변환을 할 수 있게 합니다. 음영이 많은 설치 환경이나 다양한 각도로 설치된 패널에 적합하며, 유지보수와 모니터링이 용이합니다. 단, 초기 비용이 높은 편입니다.
4. 하이브리드 인버터 (Hybrid Inverter): 배터리와 연계하여 에너지 저장 시스템(ESS)을 통합할 수 있는 인버터로, 태양광 발전 전력의 저장과 사용을 최적화할 수 있습니다. 태양광 발전 외에도 배터리 충전과 방전을 제어하여 전력 자급률을 높이고 에너지 사용 효율을 극대화합니다.

전력변환장비 회로방식

1. 상용주파 변압기 절연 방식 (Low-Frequency Transformer Isolation)

• 상용주파(50Hz 또는 60Hz)를 사용하는 변압기를 통해 태양광 발전 시스템과 전력망(또는 부하)을 절연하는 방식.
• 변압기는 주로 인버터 출력부에 설치됩니다.
• 전기적 절연이 완벽히 이루어져, 인버터와 전력망 간의 지락 전류를 방지.
• 감전 및 장비 손상 위험 감소.
• 상용주파수를 사용하기 때문에 변압기의 크기와 무게가 큼.
• 시스템 설치 공간과 비용 증가.
• 변압기의 철손과 동손(에너지 손실)이 발생하여 효율이 상대적으로 낮음.
• 특히, 소규모 시스템에서는 에너지 효율 저하가 두드러짐.
• 주로 초기 태양광 시스템 또는 고전압 안전이 필요한 응용 분야에서 사용.
• 높은 절연 신뢰성.
• 간단한 설계로 유지보수가 용이.
• 크기와 무게가 큼.
• 낮은 효율과 높은 비용.

2. 고주파 변압기 절연 방식 (High-Frequency Transformer Isolation)

• 고주파 스위칭 기술을 활용하여 변압기를 작게 설계.
• 직류 입력을 고주파 교류로 변환한 뒤, 변압기를 통해 절연 후 다시 직류 또는 교류로 변환.
• 상용주파 변압기와 유사하게 전기적 절연을 제공.
• 고주파 스위칭 회로를 활용해 작은 크기로도 절연 가능.
• 고주파 변압기는 상용주파 변압기보다 효율이 높음.
• 스위칭 손실을 줄이는 기술이 적용되면 더 높은 효율 가능.
• 고주파를 사용하기 때문에 변압기의 크기와 무게가 크게 줄어듦.
• 경량화 및 소형화된 설계가 가능.
• 태양광 모듈, 소규모 발전 시스템, 휴대형 에너지 저장 장치 등.
• 소형화 및 경량화 가능.
• 효율이 상용주파 변압기 방식보다 높음.
• 설계와 제작이 복잡하며, 고주파 스위칭 소자와 회로의 품질이 중요.
• 전자기파 간섭(EMI)이 발생할 수 있음.

3. 트랜스리스 방식 (Transformerless Inverter)

• 변압기를 사용하지 않고 직류를 교류로 직접 변환하는 방식.
• 절연이 이루어지지 않지만, 전기적 안정성을 보장하기 위해 별도의 기술이 적용됨(예: 잔류 전류 감지).
• 변압기를 제거하므로 변압기 손실이 없고, 전체 시스템 효율이 높음.
• 일반적으로 98% 이상의 효율을 제공.
• 변압기를 제거하여 경량화 및 소형화 가능.
• 설치와 운송이 용이.
• 직류지락 검출 기능 및 RCD(Residual Current Device)와 같은 보호 장치를 사용하여 지락 전류를 감지 및 차단.
• 고전압 환경에서는 잠재적인 감전 위험이 존재.
• 가정용 및 상업용 태양광 시스템에서 널리 사용.
• 현대 태양광 인버터의 주류 기술.
• 높은 에너지 효율.
• 소형화 및 비용 절감.
• 유지보수가 용이.
• 변압기가 제공하는 전기적 절연이 없어 감전 및 전기적 위험 방지를 위해 추가적인 기술 필요.
• 전력망과의 호환성 문제 발생 가능.

항목	상용주파 변압기 절연방식	고주파 변압기 절연방식	트랜스리스 방식
절연 방식	상용주파 변압기를 통해 절연	고주파 변압기를 통해 절연	변압기 없음 (기타 기술로 보완)
효율	낮음	중간 (상용주파보다 높음)	매우 높음 (98% 이상)
크기와 무게	큼	작음	매우 작음
설계 복잡성	간단	복잡	복잡
안전성	높음	높음	추가 기술 필요
적용	대규모 시스템	중소형 시스템	현대 태양광 시스템 (가정/상업용)

전력변환 장치의 기능

1. 자동운전 정지기능
   • 일사강도가 증대하여 출력을 얻을 수 있는 조건이 되면 자동적으로 운전 시작
   • 운전이 시작되면 태양전지의 출력을 스스로 감지하고 자동적으로 운전
   • 해가 질 때는 출력으로 얻을 수 있는 한 운전을 계속 진행, 일몰 시 해가 완전히 없어지면 정지하게 됨
   • 흐린 날이나 비오는 날에도 운전을 계속할 수 있으나, 태양전지 출력이 적어 출력이 거의 '0'이 되면 대기 상태가 됨
2. 최대 전력추종제어 기능
   태양전지의 출력은 일사강도와 태양전지 표면온도에 따라 변동하며, 이러한 변화 요소에도 태양전지의 동작점이 항상 최대출력점을 추종하도록 변화시켜 태양전지에서 최대출력을 얻을 수 있는 제어를 최대전력추종(MPPT : Maximum Power Point Tracking)제어라 함
   
   
3. 단독운전 방지기능
   태양광발전시스템이 계통과 연계되어 있는 상태에서 계통 측에 정전이 발생한 경우 부하 전력이 인버터의 출력전력과 동일하게 되는 경우에는 인버터의 출력전압 주파수는 변하지 않고 전압 · 주파수 계전기에서 정전을 검출할 수 없음
   단독운전이 발생하게 되면 전력회사의 배전망에서 전기적으로 끊어져 있는 배전선으로 태양광발전시스템에서 전력이 공급되어, 보수점검자에게 위해를 끼칠 위험이있으므로 태양광발전시스템의 운전을 정지시킬 필요가 있지만, 단독운전 상태에서는 전압계전기, 주파수계전기에서는 보호할 수 없다. 그 대책으로 단독운전 방지기능이 설치되어 안전하게 정지할 수 있도록 하고 있다.
   
    - 수동적 방식
   

   종 별	개 요
   전압위상도약 검출방식	• 단독운전 이행 시 인버터 출력이 역률 1 운전에서 부하의 역률로 변화하는 순간의 전압위상의 도약을 검출한다. • 단독운전 이행 시 위상변화가 발생하지 않을 때에는 검출되지 않는다. • 오작동이 적고 실용적이다.
   제3차 고조파 전압급증 검출방식	• 단독운전 이행 시 변압기의 여자전류 공급에 따른 전압 변형의 급변을 검출한 다. • 부하가 되는 변압기와의 조합 때문에 오작동 확률이 비교적 높다.
   주파수 변화율 검출방식	• 주로 단독운전 이행 시 발전전력과 부하의 불평형에 의한 주파수의 급변을 검 출한다.

   - 능동적 방식
   

   종 별	개 요
   주파수 시프트방식	인버터의 내부발진기에 주파수 바이어스를 주었을 때 단독운전 시에 나타나는 주파수 변동을 검출한다.
   유효전력 변동방식	인버터의 출력에 주기적인 유효전력 변동을 주었을 때 단독운전 시에 나타나는 전압, 전류, 또는 주파수 변동을 검출한다. 상시 출력이 변동의 가능성이 있다.
   무효전력 변동방식	인버터의 출력에 주기적인 무효전력 변동을 주었을 때, 단독운전 시 나타나는 주파수 변동 등을 검출한다.
   부하변동방식	인버터의 출력과 병렬로 임피던스를 순간적 또는 주기적으로 삽입하여 전압 또는 전류의 급변을 검출한다.

4. 자동전압 조정기능
   태양광발전시스템을 계통에 접속하여 역전송 운전을 하는 경우 전력 전송을 위한 수전 점의 전압이 상승하여 전력회사의 운용범위를 넘을 가능성이 있음
   • 진상무효전력제어
     연계점의 전압이 상승하여 진상무효전력제어의 설정 이상이 되면 역률 1의 제어를 해소하여 인버터의 전류 위상이 계통전압보다 앞서간다. 그에 따라 계통측에서 유입하는 전류가 늦어지는 전류가 되어 연계점의 전압을 떨어뜨리는 방향으로 적용한다. 앞선 전류의 제어는 역률 0.8까지 실행되고 이에 따른 전압 상승의 억제효과는 최대 2~3[%] 정도가 된다.
   • 출력제어
     진상무효전력제어에 따른 전압 억제가 한계에 달하고 그럼에도 불구하고 계통전압이 상승하는 경우에는 태양광발전시스템의 출력을 제한하여 연계점의 전압상승을 방지하기 위해서 동작한다.
5. 직류 검출기능
   인버터는 반도체 스위치를 고주파로 스위칭 제어하고 있기 때문에 소자의 불규칙 분포 등에 의해 그 출력에는 적지만 직류분이 중첩한다. 상용주파 절연변압기를 내장하고 있는 인버터에서는 직류성분이 절연변압기에 의해 어느 정도 줄어들 수 있기 때문
   에 계통 측으로 유출하지 않는다.
   
   
6. 직류 지락 검출기능
   트랜스리스 방식의 인버터에서는 태양전지와 계통측이 절연되어 있지 않으므로 태양전지의 지락에 대한 안전대책이 필요하다. 태양전지에서 지락이 발생하면 지락전류에 직류성분이 중첩되어 보통의 차단기에서는 보호할 수 없는 경우가 있다. 따라서 인버터의 내부에 직류 지락검출기를 설치하여 이를 검출하고 보호하는 것이 필요하다.
   
   
7. 계통연계 보호계전기
   과전압 계전기(OVR), 저전압 계전기(UVR), 고주파수 계전기(OFR), 저주파수 계전기(UFR), 지락 과전류 계전기(OCGR)
   
   
8. 태양전지와 인버터
   인버터의 최대전력 추종제어 범위는 국내와 일본, 북미 등에서는 200~600[V], 유럽 등의 대용량에서는 450~820[V] 정도로 선정되는 경우가 많음.

계통형 발전 시스템의 인버터

중앙 집중형 인버터 방식

저전압 방식	고전압 방식	마스트-슬레이브 방식
- 전압이 낮은 경우 사용하고 몇 개의 모듈만이(3~5개) 직렬로 연결하여 스트링을 이룸 - 낮은 전압에 비해 높은 전류가 발생 -  120V 미만의 전압에서는 보호등륵 3에 따라 설계 -  중앙 집중형 저전압 인버터 방식, 병렬 운전 인버터 방식 등	- 스트링이 길고 인버터 입력 전압이 높은 방식 - 120V 이상의 보호등급 2 - 스트링이 길고 음영의 영향을 많이 받는다.	- 여러 개의 소용량 집중형 인버터가 사용된다. - 낮은 일사량에서는 마스터 인버터만 운전, 일사량이 많아지면 슬레이브 인버터 운전 - 마스트와 슬레이브는 특정 주기로 교변 운전

계통연계형 인버터 효율 및 동작 특성 설명

1. 변환효율 (Conversion Efficiency)

인버터가 태양광 모듈로부터 받은 직류(DC) 전력을 교류(AC)로 변환할 때, 변환된 출력 전력이 입력 전력에 대해 얼마나 효율적인지를 나타냅니다.

 

$ \eta_{\text{변환}} = \frac{\text{출력 전력 (AC)}}{\text{입력 전력 (DC)}} \times 100 $

• 변환효율은 보통 95~99% 수준으로, 효율이 높을수록 손실이 적음.
• 변압기를 제거한 트랜스리스(Transformerless) 방식에서 효율이 특히 높음.

2. 추적효율 (Tracking Efficiency)
인버터의 최대 전력점 추적(MPPT) 기능이 태양광 모듈에서 생성 가능한 최대 전력을 얼마나 효과적으로 추적했는지를 나타냅니다.

 

$ \eta_{\text{추적}} = \frac{\text{실제 추적된 전력}}{\text{이론적 최대 전력}} \times 100 $

• 추적효율이 높을수록 태양광 모듈의 출력이 최대한 활용됨.
• 일반적으로 추적효율은 98~99% 이상 수준.

3. 정격효율 (Rated Efficiency)

• 인버터가 정격 출력 전력에서 작동할 때의 변환효율.
• 정격 효율은 인버터의 정격 출력(예: 5kW)에서 테스트하며, 표준 조건에서의 효율을 측정.
• 제조사 사양에 명시된 대표적인 효율 값.
• 일반적으로 95~99% 범위.

4. 유로효율 (Euro Efficiency)

• 인버터의 변환효율을 다양한 부하 조건에서 가중 평균하여 계산한 효율.
• 유럽 기후 조건을 고려하여 개발된 평가 기준으로, 부분 부하에서의 성능까지 반영.

$ \eta_{\text{유로}} = 0.03 \cdot \eta_{5\%} + 0.06 \cdot \eta_{10\%} + 0.13 \cdot \eta_{20\%} + 0.1 \cdot \eta_{30\%} + 0.48 \cdot \eta_{50\%} + 0.2 \cdot \eta_{100\%} $

$\eta_{x\%}$: 부하 비율에서의 효율.

• 부분 부하 효율이 중요한 중소형 태양광 시스템에서 주로 사용.
• 표준 변환효율보다 실질적인 효율을 반영.

5. 과부하 동작 (Overload Operation)

• 인버터가 정격 출력 전력을 초과하는 전력을 처리할 수 있는 능력.
• 태양광 모듈에서 일시적으로 높은 출력을 제공할 때, 인버터가 안정적으로 동작하는지 평가.
• 일정 시간 동안 **정격 출력의 110~150%**를 처리할 수 있는 설계가 많음.
• 과부하 상태에서 동작 시: 과열 방지 및 손상 방지를 위해 출력 전력을 제한하거나 차단.일부 고급 인버터는 효율적으로 전력을 조절하여 과부하를 처리.
• 과부하를 처리한 후, 정상 부하 상태로 빠르게 복귀하는 것이 중요.

전력변환장치의 성능 지표

1. 변환 효율: DC를 AC로 변환하는 과정에서 손실이 발생하므로, 변환 효율이 중요한 성능 지표가 됩니다. 보통 95% 이상의 변환 효율을 제공하는 인버터가 표준이며, 고효율 인버터는 98% 이상의 효율을 보여줍니다.
2. MPPT 효율: 태양광 발전량을 최대화하기 위해 최대 전력점(MPP)을 추적하는 성능을 의미합니다. MPPT 효율은 대부분 99% 이상이며, 빠르고 정확하게 추적할수록 전력 생산량이 높아집니다.
3. 유럽 효율 (European Efficiency): 다양한 기상 조건에서의 인버터 효율을 종합적으로 평가하는 지표로, 특정 기후 조건에서 인버터가 얼마나 효율적으로 작동하는지 평가합니다.
4. 내구성 및 신뢰성: 전력변환장치는 일반적으로 10~20년 이상 사용해야 하므로, 내구성과 신뢰성이 매우 중요합니다. 많은 제조사들이 장기간의 보증을 제공하며, 환경적 요인에 강한 제품들이 높은 신뢰도를 가지고 있습니다.
5. 원격 모니터링 기능: 실시간 발전량, 전력 상태, 고장 정보 등을 원격으로 모니터링할 수 있는 기능이 있으며, Wi-Fi나 이더넷으로 연결해 스마트폰이나 PC에서 상태를 관리할 수 있습니다.

전력변환장치 설치 및 유지보수 시 고려사항

1. 설치 환경: 인버터는 통풍이 잘 되는 공간에 설치하는 것이 좋으며, 높은 온도에 노출되면 효율이 떨어질 수 있습니다. 방수 기능(IP65 등급 이상)이 필요한 환경에서는 외부 설치가 가능한 인버터를 선택해야 합니다.
2. 정기 점검 및 유지보수: 전력변환장치는 정기적인 점검과 유지보수가 필요합니다. 특히 먼지나 습기에 의한 손상, 냉각 팬의 작동 상태, 케이블 및 접속 상태 등을 주기적으로 확인해야 합니다.
3. 장기적 비용 분석: 초기 비용뿐만 아니라, 효율성, 내구성, 유지보수 비용을 종합적으로 고려하여 장기적인 비용 대비 성능이 높은 인버터를 선택하는 것이 중요합니다.