Solar inverter[태양광 인버터]

1. 정의

인버터는 모듈에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 전력변환 장치를 의미한다.

태양광 인버터는 태양전지 패널에서 발생한 가변 직류(DC)를 전력 주파수 교류 직류(AC)로 변환하는 장치이다.

태양광 인버터라고 말하는 제품의 공식 명칭은 “계통연계형 태양광 인버터”인데, 나누어서 생각하면 인버터라는 전력변환 장치에 “태양광”에 대한 기능과 “*계통연계”에 대한 기능이 추가된 것으로 생각할 수 있다.

‘태양광’이라는 수식어가 의미하는 것은 태양광 모듈의 출력 특성이 선형적이지 않음을 의미한다. 

 

예를 들어, 선형이라면 전압이 작을 때는 전류가 작고, 전압이 클 때에는 전류가 커야 하는데 아래 그림과 같이 태양광 모듈은 전압이 가장 클 때 전류가 ‘0’이고, 전류가 가장 클 때 전압이 ‘0’인 특성을 가지고 있어, 최대전력을 추종하는 기능이 필요하다.

‘계통연계형’이라는 수식어가 의미하는 것은 교류계통을 쓰는 모든 나라가 가지고 있는 계통연계 기술기준(Grid Code)에 부합하다는 것이다.

그러므로 태양광 인버터는 태양광 모듈에서 발생되는 직류전력의 최대 값을 교류전력으로 변환하여 전력계통으로 보내는 전력 변환 장치로 정의할 수 있다.

*계통연계: 태양광 인버터와 같은 분산형 전원이 전력계통과 연결되어 전력을 보내는 것

 

2. 특징

태양광 인버터의 기능은 ‘태양광 모듈 관련 기능(입력)’, ‘계통연계 관련 기능(출력)’그리고 ‘안전 관련 기능’으로 분류할 수 있다. 태양광 모듈의 출력은 일사량과 온도에 의해서 변화되므로 매 순간 최대 전력을 변환하기 위하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력 점 추종) 기능을 수행하여 최대 전력을 전력계통으로 보내는 기능을 수행한다. 

 

전력계통은 일반적으로 정상 범위의 전압과 주파수를 유지하지만 이상 상황(급격한 부하 증가, 급격한 전력 공급의 감소 등)이나, 정전 또는 사고에 의해 전압과 주파수가 정상 범위를 벗어나는 상황이 발생하는 경우 태양광 인버터는 정해진 시간 내에 정지해야 한다.

그리고 단독운전(Islanding, 정전이 발생하였는데 분산전원에 의해 전원이 공급되는 현상)이 발생하게 되면, 단독운전을 검출하여 정지해야 한다.

전력계통의 안정도 향상을 위해서는 전력계통의 조건에 따라 전력회사의 요구에 의해 무효전력(Reactive power)을 만드는 기능을 수행해야 한다.

그리고 전력계통에 연계하여 운전할 때 전류 고조파를 5%미만으로 발생(출력 전류 변형률) 시켜야 한다. 

 

안전 관련 기능은 태양광 인버터의 내부 온도 또는 특정 부분(스위칭 소자 또는 방열판)의 온도가 안전 범위를 벗어나는 경우 출력 전력을 감소시키거나(Derating) 정지해야 한다. 또한, 입력과 출력에서 과도한 전류가 흐르는 경우, 입력 측(태양광 어레이)의 *절연저항이 매우 낮은 경우, 출력 전류의 벡터(Vector) 합이 ‘0’이 아닌 경우, 출력 전류에 직류 전류 성분이 정해진 범위를 벗어나는 경우 정지해야 한다.

그리고 전자기적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC) 요구 사항을 만족해야 한다.

이러한 기능들은 태양광 모듈에서 발생한 최대 직류 전력을 전력계통으로 안전하게 보내기 위해 구현되어야 하는 기능으로 볼 수 있다.

 

마지막으로 태양광 인버터는 태양광발전에서 소비자에게 태양광발전 상황을 알리는 기능을 가지고 있고 모니터링을 통해 언제라도 확인할 수 있다. 모니터링이 발전량과 직접적인 관련이 없다고 생각할 수 있겠지만, 태양광 인버터가 태양광 모듈에 쌓인 눈, 계통 차단기 OFF, 퓨즈 **용단 등과 같은 원인으로 운전이 정지되었을 때, 적절한 대처를 위해 가장 먼저 필요한 것은 사용자가 태양광 인버터의 운전 정지를 인식하는 것이다. 그리고 태양광 인버터 제조사에 A/S를 신청하면 된다.

A/S 직원들이 방문하여 태양광 인버터를 운전 상태로 만들 것이다. A/S의 지속가능 여부도 태양광 인버터를 선택하는 중요한 부분이라고 할 수 있다.

*절연저항: 절연물질에 의해서 서로 분리된 도체들 사이의 저항을 의미
**용단: 퓨즈, 전선 등이 대전류에 의해서 녹아 끊어지는 것

 

태양광 발전소에서 생산한 전기를 판매하기 위해선 한전과 연결되어야 하는데, 한전의 송전계통에 연결하기 위해서는 발전소의 가변 직류(DC)를 교류 직류(AC)로 변환하여야 한다.

 

태양광 인버터는 태양전지 모듈에 비해 그 종류가 다양하다. 따라서 분류하는 기준을 계통연계 형태(단상, 3상 또는 저압, 특고압)와 출력 용량(소형, 중형, 대형 등), 태양광 인버터의 내부 구조(중앙 집중식, 스트링, 멀티 스트링, 모듈 레벨 등), 변압기 사용 유무(변압기형, 무변압기형) 및 사용된 변압기의 형태(저주파 변압기, 고주파 변압기 등)와 같이 여러 가지 기준으로 분류할 수 있다.

최근 많이 사용되고 있는 태양광 인버터는 5가지 형태로 분류할 수 있는데 그 분류 기준이 MPPT가 된다.

 

태양광 인버터는 계통(grid)에 의해 크게 세가지로 구분된다.

(1) on grid inverter (grid-tie inverter) <- 대부분의 발전소가 사용하는 방식

(2) off grid inverter

(3) hybrid inverter

 

grid-tie inverter은 설치 방식으로 크게 다섯가지로 구분된다.

(1) Central Inverter(집중형)

(2) String Inverter(분산형)

(3) Multi string Inverter

(4) Micro Inverter(AC module)

(5) Micro Converter + 계통연계 인버터(Optimizer)

3. 발전시스템

(1) on grid solar power system (grid-tie)[계통연계형 태양광 발전시스템]

계통연계형 태양광 발전시스템

현재 가장 널리 쓰이는 발전시스템이다.

태양광패널에서 태양광에너지를 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력 직류 전력을 사용하기 위해서 인버터를 통해 직류 전류를 교류 전류로 변환한다.

 

1. 구성요소

: 태양전지 패널, 인버터

 

2. 장점

- 배터리가 포함되어 있지 않아 설치 비용이 저렴하다

- 설치 용량에 제한없이 수kW급의 가정용부터 수GW급 대형 발전소까지 적용이 가능하다.

 

3. 단점

- 발전량이 일정하지 않아 공급되는 전력의 품질과 안정성이 떨어진다.

- 전력계통과 연결되어야 하기 때문에 시스템 설치에 공간적인 제약이 있다.

 

4. 적용분야

: MW급 대형 발전소 공장 및 가정용 보조 전원 발전 장치

 

(2) off-grid solar power system[독립형 태양광 발전시스템]

독립형 태양광 발전시스템

태양광 전력의 생산과 공급을 전력망에 의존하지 않고 자체적으로 해결할 수 있는 발전시스템

 

1. 구성요소

: 태양전지 패널, 인버터, 배터리, 충전조절기

- 배터리 : 태양전지에서 생산된 전력을 저장

- 충전 조절기 : 태양전지 판과 배터리 사이에 위치

: 배터리의 충전상태를 모니터링

: 충전이 완료되었을 때 태양전지 패널에서 배터리로 전력이 흐르는 것을 방지 -> 배터리 손상 방지

: 배터리에서 태양전지 패널로 전력이 역류하는 것을 방지

 

2. 장점

- 설치에 공간적인 제약을 받지 않아 적용분야가 다양하다.

- 생산된 전력을 배터리에 저장했다가 사용하기 때문에 전력품질이 좋고 안정성이 뛰어나다.

- 낮에 생산된 전력을 저장했다가 밤에 사용할 수 있어 전력 운용의 효율성을 높이 수 있다.

 

3. 단점

- 배터리와 충전조절기가 추가로 설치되어야 해서 발전단가가 계통연계대비 높다.

- 배터리 수명으로 인해 배터리 교체비용이 추가로 발생한다.

 

4. 적용분야 

: 격오지 가정 혹은 마을 전원 공급, 무선기지국 전원 공급, 가로등 전원 공급, 캠핑카 전원 공급, 이동용 화장실 전원 공급

 

4. Inverter

(1) on grid inverter(grid-tie inverter)[계통연계형 인버터]

1. 정의

주 전력망에 연결된 태양광 에너지 시스템이다.

태양광 배터리에 연결하지 않고도 작동할 수 있어 가장 간단하고 효율적이며 대중적인 유형의 태양광 시스템이다.

 

2. 작동방식

grid-tie solar system은 독립형 및 하이브리드 태양광 시스템과 비교할 때 필요한 장비와 레이아웃이 다른 가장 단순한 유형의 태양광 시스템이다.

grid-tie system의 기본 전제는 건물을 주 전력망과 태양열 어레이 모두에 연결해 둘 중 하나 또는 둘 다의 전력을 사용할 수 있도록 하는 것이다.

 

grid-tie system은 에너지 저장 장치가 없기 때문에 즉시 사용되지 않는 태양광 패널에서 생성된 모든 전력이 메인 그리드에 자동으로 공급된다. 

패널의 에너지 생성이 사용량과 일치하기에 불충분한 경우 시스템은 자동으로 메인 그리드에서 전력을 끌어와 부족분을 보충한다.

 

3. 장점

- Cost-effective installation

: 가장 간단한 유형의 태양열 시스템인으로 주로 배터리가 필요하지 않은 유일한 유형의 태양광 시스템이기에 적은 장비로 가동 가능하다.

따라서 독립형 또는 하이브리드 시스템과 같은 다른 옵션보다 설치가 간단하다.

- Flexible, reliable power

에너지 공급 장치를 태양광 패널과 메인 그리드 모두에 연결하면 태양열의 모든 주요 이점(저렴한 전력 및 탄소 발자국 감소)을 제공하면서도 그리드의 안정성을 제공한다.

- Cheaper electricity

: 독립형 시스템에 비해 계통연계형의 큰 장점은 잉여 전기를 그리드에 공급할 수 있다.

이 프로세스는 에너지 공급자로부터 크레딧을 획득해 에너지 비용을 크게 줄일 수 있다.

 

4. 다른 방식과의 차이

선택할 수 있는 태양광 시스템의 주요 유형은 그리드 연결형, 오프 그리드형 및 하이브리드이다.

그리드 연결 시스템은 위에서 다룬 것처럼 태양광 패널과 메인 그리드 모두에 연결된다. 

즉, 패널이나 그리드에서 전력을 끌어올 수 있고 잉여 태양열을 그리드에 자동으로 공급할 수도 있다. 따라서 독립형 시스템에 사용되는 장비와 다른 장비가 사용된다.

독립형 시스템은 주 전력망에 연결되어 있지 않다는 점에서 다르다. 

대신 폐쇄형 시스템으로 작동하므로 그리드 액세스 권한이 없는 지역에 이상적이다. 

전원에 대한 안정적인 액세스를 보장하기 위해 독립형 시스템에는 일반적으로 배터리 시스템과 백업 발전기도 포함된다.

하이브리드 태양광 시스템은 다른 두 시스템의 일부 요소를 결합하여 유연성을 찾는 사람들에게 좋다. 

하이브리드 시스템에는 태양열 패널, 배터리, 그리드 연결 및 경우에 따라 발전기가 포함된다.

이는 사용자가 가격, 에너지 생산 및 에너지 사용량에 따라 에너지원 간에 동적으로 전환할 수 있음을 의미한다.

 

5. 설치 방식

(1) Central Inverter(집중형)

1. 특징

: 1대의 대용량 인버터 설치한다.

 

2. 장점

: MPPT 기능이 1개만 있어 태양광 인버터의 구조가 상대적으로 간단하다.

: 인버터 1대로 발전소 운영이 가능하기에 초기 투자비용이 낮다.

: 변환효율이 높다.

: MW급 형태로 사용되고 있다.

 

3.단점 

: 모듈에 이상이 생길 경우, 발전소 기동이 정지된다.

: 모듈 불일치 / 인버터 고장으로 인한 손실이 크다.

: 직/병렬 산출기 제약이 있다. -> 온도계수를 고려해야한다.

 

(2) String Inverter(분산형)

1. 특징

: 소용량 인버터 여러 대를 나누어 설치한다.

: 스트링 인버터는 센트럴 인버터의 크기가 단지 작아진 것이라고 생각할 수 있다.

예를 들면 1MW 센트럴 인버터 1대 사용하는 곳에 100kW 인버터 10대를 사용하는 것을 의미한다.

: 마이크로 모듈에 붙어서 별도의 dc배선이 필요 없지만, 군별로 관리하는 스트링 인버터는 거리가 있어 dc배선이 필요하다.

 

2. 장점

: 사용된 스트링 인버터 수만큼 MPPT의 수가 늘어나는 효과를 가지게 된다.

=> 일반적으로 동일 용량에서 MPPT의 수가 늘어날 때마다 발전 효율이 증가한다.

: 1대의 인버터에 이상이 생겨도 다른 인버터의 발전에 영향을 주지 않는다.

: 음영에 강하다.

: 직병렬 조합이 자유롭다.

=> 여러 대가 관리하게 되면 감당 할 수 있는 mppt전압범위도 커지고 이에 비례해 온도계수를 적용해도 직/병렬 조합이 자유롭다.

 

3. 단점

: 설치 비용이 높다.

: 각 스트링마다 DC/AC 변환 시 손실이 일어나기 때문에 센트럴 인버터에 비해 변환 효율이 낮다.

: 전체를 교체하게 되면 부품만 갈면 움직이는 센트럴에 비해 비용이 든다.

: 과전압이 커질 수 있어 신재생 에너지 관련법 44조에 의거 관전압 750V을 넘어 울타리(펜슬)를 쳐야 한다.

: 전선 굵기도 고전압에 맞춰야 한다.

 

(3) Multi String Inverter

1. 특징

: 군별에 하나 하나씩 배치하는 일반 스트링 인버터와는 달리 각 군별(스트링)마다 DC-DC 컨버터를 달고 하나의 인버터에서 전력을 관리하는 인버터이다.

: 스트링 인버터에서 MPPT의 수가 추가된 것이(실제로는 전력 회로의 추가) 멀티 스트링 인버터이다. 

:요즘 500kWp 미만 시스템에서 많이 사용되고 있는 태양광 인버터의 대부분은 멀티 스트링 인버터이다.

=> 스트링 인버터와 멀티 스트링 인버터를 구분하는 기준은 태양광 인버터에 MPPT의 수가 2개 이상이면 멀티 스트링 인버터라고 생각하면 된다.

 

2. 장점

: 효율은 센트럴보다는 좋다.

: 센트럴 인버터에서는 태양광 모듈의 직렬 및 병렬 수가 동일해야 했지만 멀티 스트링 인버터의 경우에는 자유롭다.

 

3. 단점

: 일반 스트링 인버터보다 효율은 좋지 않다.

: DC-DC 컨버터를 넣음으로서 설치 비용이 증가한다.

 

(4) Micro Inverter

1. 특징

: 소용량의 태양광 발전에 주로 사용되는데, 흔히 테라스 또는 베란다에 연결하여 가정용으로 많이들 사용한다.

 

2. 장점

: 모듈 하나에 붙어 직류를 교류로 바꾼다.

즉, 모듈 하나 당 인버터 하나이다.

 

3. 단점

: 대용량에 부적합하다.

 

(5) Micro Converter + 계통연계 인버터(Optimizer)

 

(6) Multi central Inverter

1. 특징

: 센트럴 인버터를 군별로 다는 것이다.

끝에 변압기가 있다.

 

2. 장점

: 전압범위가 넓어져 대용량이다.

: 변압기나 주변회로 최적 설계가 가능하다.

 

3. 단점

:

 

 

 

 

 

 

 

 

+출처

https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=33534103&memberNo=56175015 

https://www.hoymiles.com/resources/blog/what-is-a-grid-tied-solar-system/

https://new-q-cells.com/sub.php?idx=872&division=2&page=1