1과목 기획 1장 태양광발전 설비용량 조사_2 태양광발전 설비용량 산정(3)
2 태양광발전 설비용량 산정
2.3 태양광 인버터 선정
(1) 파워컨디셔너 시스템(PCS) 기능
인버터부(직류를 교류로 변환), 계통연계 보호장치(사고 발생 시 계통 보호), 제어회로(최대전력 추종 및 자동운전) 등으로 구성
인버터: 태양전지 어레이에서 발전한 직류전력을 전력력회사에서 공급받는 저력과 동일한 전압과 주파수의 교류전력으로 변환
계통연계 보호장치: 한국전력공사 배전개발처에서 규정한 "분산형 전원 배전계통 연계기술기준"에 따라 과주파수, 저주파수, 과전압, 저전압, 지락, 단독운전, 직류유출 등을 검출하여 분산형 전원으로 인한 전력계통 안정도 저하 방지 및 인명에 대한 안전 확보를 위해 계통 분리기능 수행
(2) 파워컨디셔너 시스템의 구성
인버터 전력변환부: 소용량은 MOSFET 소자 적용, 중/대용량은 IGBT소자 이용하여 PWM 제어방식으로 스위칭
제어장치: 전력변환부를 컨트롤하는 부분, 제어회로로 구성
보호장치: 전자회로로 구성, 내부 고장에 대비한 안전장치
연계보호장치: "분산형 전원 배전계통 연계기술기준"에 규정되어 있는 안전장치. 고장시 태양전지의 직류가 전력회사의 배전선로로 유출되지 않도록
태양광발전시스템에서는 절연변압기를 파워컨디셔너의 출력과 상용전력계통과의 연계되는 중간에 설치. but 무변압기 방식이 높은 효율특성에 의해 일반적으로 사용됨
(3) 태양광 인버터 시스템 방식
- 인버터 시스템의 선정
① 인버터의 입력에 따라 중앙 집중형과 분산형으로 나누어지며 일반적으로 중앙 집중형을 선정하나 경제성, 발전효율, 주변여건을 고려하여 선정
② 스트링을 구성하는 모듈 연결과 스트링의 병렬연결은 인버터에 가장 적합하도록
③ 모듈의 허용오차에 따라, 모듈을 스트링으로 연결할 때 미스매칭의 손실량이 결정
④ 모듈 허용오차에 모듈의 사전 분류에 대한 불일치 손실의 의존성을 계산
⑤ 발전량 허용오차 ±5[%]의 모듈을 분류하지 않은 채 직렬 연결한 경우 미스매칭 손실은 1[%] 정도
⑥ 모듈을 전류에 따라 분류하여 설치하면 미스매칭 손실은 약 0.2[%]로 감소
⑦ 발전량의 변화가 8[%] 이상이면 $I_{mpp}$에 의한 분류가 좋음
⑧ 전체시스템에 대해서는 중앙 집중형 인버터, 스트링에 대해서는 스트링 인버터, 개별 모듈에 대해서는 모듈 인버터로 사용(각 방식의 장담점이 있으며, 방식 선택은 어디에 적용하느냐에 따라 달라진다.)
⑨ 방향과 경사가 서로 다른 하부 어레이들로 구성된 시스템, 부분적으로 음영이 되는 시스템의 경우에는 분산형 인버터 방식이 고려되야 함
- 저전압 방식
① 표준 모듈을 3~5개 직렬 연결하여 스트링 전압을 DC 120[V] 이하로 구성된 것
② 장점: 음영의 영향을 적게 받음. 스트링으로 구성된 모듈 중 가장 음영이 많은 모듈에 의해 전체 스트링의 전류가 제한되기 때문
③ 저전압 방식은 보호등급 Ⅲ에 의해 설계
등급Ⅰ: 장치 접지됨
등급Ⅱ: 보호 절연(이중/강화 절연)
등급Ⅲ: 안전 특별 저전압(AC: 50[V]이하, DC: 120[V]이하)
④ 단점: 중앙 집중형으로 구성 시 높은 전류가 발생. 전류가 높아지면 저항손실($P_R = I^2 R$)이 증가, 저항손실을 줄이기 위해서 굵기가 굵은 케이블 간선을 사용
⑤ 저전압 방식은 일반적으로 건자재 일체형 태양광발전시스템(BIPV)에 주로 적용
- 고전압 방식
① 스트링이 길고 인버터의 입력 전압이 DC 120[V] 초과하는 것. 보호등급Ⅱ를 적용
② 장점: 전류가 낮아 케이블의 굵기를 가능게 할 수 있음
③ 단점: 스트링이 길기 때문에 음영손실이 높음. 인버터 고장시 모듈 인버터 방식이나 저전압 방식에 비해 손실이 매우 큼
④ 국내에서는 고전압 방식 주로 채택. but 설치장소와 현장여건 등을 고려하여 모듈 인버터 방식이나 저전압 방식 채용 검토 필요
- 마스터 슬래브(Master-slave)방식
① 대용량 태양광발전 시스템은 마스터 슬래브 원리를 이용한 중앙 집중형 인버터 방식을 사용
② 여러 개의 소용량 중앙 집중형 인버터를 보통 2~3개 결합하여 구성
③ 인버터 용량 산정은 전체 발전전력량을 인버터 수로 나누어 산출
④ 복사량이 증가하여 마스터 인버터의 전력한계에 도달하면 다음 슬래브 인버터가 자동 연결됨. 마스터 인버터와 슬래브 인버터를 균등 운전 시키려면 주기적으로 마스터와 슬래브 인버터를 교번 운전되도록 함.
⑤ 장점: 낮은 복사량에서 한 개의 인버터(마스터)만 작동하여 중앙 집중형 인버터 1대로 구성될 때보다 효율이 높음
⑥ 단점: 중앙 집중형 인버터 1대로 구성할 때 보다 시설 투자비가 증가
- 서브어레이와 스트링 인버터 방식(분산형 인버터 방식)
① 출력이 최고 3[kW]인 시스템은 일반적으로 스트링 인버터로 설치, 대부분의 태양전지 어레이는 한개의 스트링을 형성
② 중간 규모 시스템의 경우 2~3개의 스트링이 인버터에 연결되어 서브어레이 방식으로 구성
③ 서브어레이의 설치 방향과 음영이 다양하므로, 서브어레이와 스트링 인버터방식은 복사량 조건에 따라 전력을 더 잘 조절할 수 있으며 분상형 인버터라고도 함.
④ 인버터는 서브어레이별, 스트링별로 사용.(같은 방향, 각도, 비 차광 조건의 모듈들만이 스트링으로 연결되도록)
⑤ 스트링이 너무 길면 음영에 따른 전력손실이 증가하게 되는데 이는 음영 영향을 가장 많이 받는 모듈 전류가 전체 스트링 전류를 결정하기 때문
⑥ 스트링 인버터를 사용하면 설치가 간편해지고 실치비를 상당히 줄일 수 있음
⑦ 인버터는 태양전지 어레이의 바로 근처에 설치되고 스트링 방식으로 연결.(500~1000[W]의 전력에서 사용 가능)
⑧ 인버터가 모듈 스트링에 직접 연결되므로, 중앙 집중형 인버터 방식에 비해 다음과 같은 장점과 비용 절감 효과가 있음
* 태양전지 접속함 생략 가능
* 일련의 상호 연결에 사용되는 모듈 케이블양의 감소와 DC전원 케이블 생략 가능
- 모듈 인버터 방식(AC모듈)
① 부분 음영이 있는 곳에서도 높은 시스템 효율을 얻기 위해서 인버터를 태양전지 모듈마다 제 각기 연결시키는 것. 즉, 모든 모듈이 제 각기 최대전력점(MPP)에서 작동하는 것
② MPP 일치는 태양전지 모듈과 인버터가 한개의 장치로 구성될 경우 더 효과적.
③ 장점: 모듈 인버터의 태양전지 시스템을 확장하기가 쉽다.
④ 단점: 설비비용이 고가
⑤ 모듈 인버터를 설치할 때에는 고장난 인버터를 쉽게 교체할 수 있도록 해야 함
⑥ 모듈 인버터는 작동 데이터, 고장 신호기록 등을 저장하여 개별 인터버를 감시하는 것이 중요
⑦ 모듈 인버터 형식은 건물 일체형 시스템, 특히 주변 환경 또는 facade자체의 돌출과 벽면에 의해 부분적 음영이 되는 곳에 적용하면 유리
- 병렬 운전 방식
① 인버터의 DC 입력 부분과 AC 출력 부분을 모두 병렬로 접속하는 방식
② 마스터 인버터에 의해 복사량이 최저가 되면 1대만 운전, 복사량이 증가하면 순차적으로 인버터 대수를 늘려서 운전하는 방식
③ 인버터의 운전 효율 증가와 수명을 연장할 수 있으며, 중앙 집중형 인버터에 비해 현저한 출력 증가를 가져올 수 있으나 입력측 차단기 및 보호 방식이 복잡해짐
(4) 태양광 인버터 선정 시 고려사항
- 계통 전기방식과 태양광 인버터
* 연계하는 계통의 전압, 상수, 주파수, 모듈의 특성을 분석하여 가장 적합한 태양광 인버터를 선정
* 무변압기방식의 태양광 인버터 사용 시에는 태양광 인버터의 구성과 연계 계통의 결선방식 일치 필요
* 태양전지는 셀과 프레임 간에 존재하는 정전용량에 의해 직류 측에 대지정전용량이 형성되며, 이 대지정전용량은 모듈의 표면이 젖을수록 증가하여 수 μF 용량까지 증가 될 수 있음
* 직류측에 사용주파 대지 교류전압 성분이 존재하면 이 대지 정전용량을 충방전하는 누설전류($I_c = \omega C E$)가 흐름
* 인버터의 절연방식에 따라 사용주파 절연방식에서는 누설전류가 흐르지 않음
* 무변압기방식에서는 대지 정전용량에 의한 누설전류로 누전차단기의 오동작이 발생 할 수 있으므로 직류 측에 대지 교류전압 성분이 중첩되지 않도록 시스템 구성 필요
* 무변압기방식에서는 출력측 결선을 명확히 구별하여 이에 적합한 태양광 인버터를 적용해야 함
- 태양전지 전압과 태양광 인버터
* 태양광 인버터의 최대전력 추종제어 범위는 태양광 인버터 먼저 선정 후 선정되 태양광 인버터의 직류 입력범위에서 상위 값을 기준하여 태양전지 스트링의 전압을 결정하여야 함
* 스트링전압은 모듈의 개방전압을 기준으로 산정하고 이 전압 값이 태양광 인버터의 입력상위 값을 초과하지 않도록 직렬매수를 결정
* 태양전지 모듈의 스트링은 같은 일조 조건이 되도록 해야 함
* 태양광 인버터의 효율 면에서는 직류전압이 높을수록 효율은 좋지만 음영을 고려하여 스트링 수량을 선정하여 최대 발전량을 얻을 수 있도록 해야 함
* 소 용량의 태양광발전시스템에서는 태양전지 모듈의 직병렬접속의 자유도가 낮기 때문에 태양광 인버터는 직류 입력 전압 범위가 넓은 것을 선정하는 것이 최대 발전출력을 얻을 수 있음
(5) 태양광 인버터 선정의 체크 포인트
태양광 인버터는 태양광발전시스템을 구성하는 중요한 전자기기로 충분한 비교 검토하여 사용하기 편한 기기를 선정할 필요가 있다.
- 종합적인 체크
① 연계하는 계통 측(한전 측)과 전압 및 전기방식이 일치하고 있는가?
② 국내외 인증된 제품인지?
③ 설치는 용이한가?
④ 비상 재해 시에 자립운전이 가능한가?(비상전원으로 사용할 경우)
⑤ 축전지부착 운전은 가능한가?(정전 시에도 사용하고자 할 경우)
⑥ 수명이 길고 신뢰성이 높은 기기인가?
⑦ 보호장치의 설정이나 시험은 간단한가?
⑧ 발전량은 간단하게 알 수 있는가?
⑨ 서비스 네트워크는 완전한가?
- 태양광의 유효 이용에 관하여
① 전력변환효율이 높을 것
② 최대전력 추종(MPPT)제어에 의한 최대전력의 추출이 가능할 것
③ 야간 등의 대기 손실이 적을 것
④ 저부하시의 손실이 적을 것
- 전력품질/공급 안정성
① 잡음(노이즈) 발생 및 직류유출이 적을 것
② 고조파의 발생이 적을 것
③ 기동/정지가 안정적일 것
(6) 태양광 인버터 선정 예
태양광발전시스템에 적용하고 태양광 인버터는 소용량은 10[kW]이며, 공공/산업시설용이나 발전사용자용의 경우는 10~1,000[kW].
다음은 태양광 인버터 선정시 반드시 확이하여야 할 사항이다.
① 태양광 인버터 제어방식: 전압형 전류제어방식
② 출력 기본파 역률: 95% 이상
③ 전류 왜형률: 총합 5% 이하, 각 차수마다 3% 이하
④ 최고효율 및 유료효율이 높을 것
(7) 태양광 발전시스템의 효율의 종류
- 최고효율(변환효율)
전력변환(직류->교류, 교류->직류)을 행하였을 때, 최고의 변환효율을 나타내는 단위.(일반적으로 부하 70[%]에서 최고 변환효율)
$$\eta_{max} = \frac{AC_{power}}{DC_{power}} \times 100 [\%]$$
- 유로효율(Euro Efficiency)
변환기의 고효율 성능척도를 나타내는 단위로서 출력에 따른 변환효율 비중을 둬서 측정하는 단위
예)
$$\eta_{EURO} = 0.03 \cdot \eta_{5\%} + 0.06 \cdot \eta_{10\%} + 0.13 \cdot \eta_{20\%} + 0.10 \cdot \eta_{30\%} + 0.48 \cdot \eta_{50\%} + 0.20 \cdot \eta_{100\%}$$
- 최대전력 추적효율
최대전력 추종시험은 등가 일사 강도를 정격출력 시의 100%, 75%, 50%, 25%, 12.5%한 상태에서 인버터의 입력 전력을 측정하고 다음 식에 따라 최대전력 추종 효율을 산충
$$최대전력 추적효율(\eta_{MPPT}= \frac{P_{INV}}{P_{MAX}}) \times 100 [\%]$$
$P_{INV}$: 인버터가 실제로 받아들이는 전력[W]
$P_{MAX}$: 태양전지 어레이의 I-V특성에서 결정되는 최대전력[W]
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