태양광 인버터 구성방식

왜 배우는가: 태양광 발전은 직류(DC)를 계통에 맞는 교류(AC)로 바꾸는 인버터 구성에 따라 발전량, 유지보수, 안전성이 달라진다. 기술사 시험에서는 1교시 용어형과 3교시 논술형에서 인버터 구성방식의 종류와 장단점을 묻는 문제가 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제127회 1교시 8번, 제118회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

태양광 인버터 구성방식은 태양광 모듈의 직류(DC) 출력을 계통용 교류(AC)로 변환하는 장치를 모듈·스트링·어레이 단위 중 어디에 두는지에 따라 분류하는 방식이다.

• 태양광 인버터(PV Inverter): DC를 상용 주파수 AC로 변환하는 장치
• MIC(Module Integrated Converter): 모듈마다 장착하는 소형 인버터 방식
• 스트링 인버터(String Inverter): 직렬 모듈군(스트링) 단위로 연결하는 방식
• 센트럴 인버터(Central Inverter): 여러 스트링을 한 대의 대용량 인버터에 모으는 방식
• 멀티 스트링 인버터(Multi-string Inverter): 스트링 인버터에 MPPT를 2개 이상 둔 방식
• 최대전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT): 모듈의 최대 출력점을 찾아 추종하는 제어
• 계통연계형 인버터(Grid-Tied Inverter, GTI): 전력 계통과 위상·전압·주파수를 맞춰 연계하는 인버터
• 단독운전 방지(Anti-islanding): 계통 정전 시 발전을 멈추는 기능

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 인버터는 모듈이 만든 직류를 집의 전기나 전력망에 쓸 수 있는 교류로 바꾸는 장치다. 인버터는 전력 반도체 스위치의 켜짐·꺼짐을 반복해 직류를 교류 파형으로 만든다. 이때 제어 회로가 구동 펄스를 만들어 출력 전압과 주파수를 맞춘다.

인버터 구성방식은 인버터를 몇 개 두고, 어느 단위에 연결하는지에 따라 나뉜다. 핵심은 MPPT가 어디에서 이뤄지는가이다. MPPT가 모듈 단위에 있으면 모듈마다 최적 출력을 얻는다. MPPT가 스트링이나 어레이 단위에 있으면 여러 모듈의 평균 조건에 맞춰 동작한다.

MPPT 는 모듈 전류-전압 곡선의 최대 전력점을 찾는 제어다. 음영, 오염, 모듈 간 편차가 있으면 한 MPPT가 묶은 모듈들의 출력이 함께 떨어진다. 그래서 구성방식마다 발전 효율 차이가 생긴다.

계통연계 는 인버터 출력을 전력망과 동기화해 연결하는 것이다. 인버터는 계통이 끊기면 발전을 멈춰야 한다. 이 기능을 단독운전 방지 라고 하며 작업자 감전과 설비 손상을 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 태양광 설비는 대용량 센트럴 인버터 한 대에 어레이 전체를 연결하는 방식이 주류였다. 이 방식은 구조가 단순하고 MW급 발전소에 적합하다. 다만 MPPT가 한 개뿐이어서 음영이나 모듈 편차가 생기면 전체 출력이 크게 줄어든다.

태양광 설비가 주택·상업용 옥상으로 확대되면서 소용량 설비의 효율과 설치 유연성이 중요해졌다. 스트링 인버터는 중간 용량에서 MPPT를 늘려 음영 영향을 줄이는 방식으로 등장했다. 모듈 수가 적은 곳에서는 마이크로 인버터처럼 모듈 단위 변환이 발전량을 높이는 방법으로 쓰인다.

인버터 구성방식의 선택은 발전 효율뿐 아니라 유지보수와 화재 안전에도 영향을 준다. 중앙 집중형은 점검 지점이 적어 관리가 쉽다. 모듈 단위형은 고장이 한 모듈에 국한되지만 설치 대수와 통신 관리가 늘어난다. 따라서 설치 장소의 음영 조건, 설비 규모, 유지보수 여건을 함께 고려해 구성방식을 정해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

태양광 인버터 구성방식은 태양광 모듈(PV 어레이)과 계통 사이에서 DC를 AC로 바꾸는 전력변환 장치를 어디에, 몇 대로 배치하느냐에 따라 나뉜다. 구성방식마다 MPPT(최대전력점 추적) 수, 음영 손실 범위, 설치 유연성이 달라진다. 구성요소는 다음 표와 같다.

원리는 다음과 같다. 인버터는 전력 전자 스위치의 온·오프로 DC를 교류로 만든다. 스위치 구동은 제어 회로가 펄스로 조절한다. 계통연계형 인버터는 전압·주파수·위상을 계통과 맞춰 출력하고, 계통이 끊기면 출력을 멈춰 단독운전을 막는다.

인버터 구성방식의 절차(설계 순서)는 다음과 같다.

• 모듈 전압·전류 특성과 어레이 배치(음영 여부)를 확인한다.
• 설치 규모와 음영 조건에 따라 구성방식(중앙·스트링·멀티스트링·마이크로)을 정한다.
• 구성방식별로 MPPT 수와 스트링 직·병렬 조합을 정한다.
• 인버터 용량을 모듈 정격 합계와 비교해 선정한다.
• 보호장치와 계통연계 조건을 확인한다.

직렬 스트링의 전압 조건은 다음 식으로 본다.

$V_{string}=N_s \times V_{mp}$

여기서 N_s는 직렬 모듈 수, V_{mp}는 모듈의 최대전력점 전압(V)이다. 계산된 V_{string}은 인버터의 MPPT 입력전압 범위 안에 들어야 한다.

구성도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

태양광 인버터는 「전기사업법」과 계통 연계 기준에 따라 계통 연계 요건을 만족해야 한다. 한국에서는 한국전기설비규정(KEC)이 저압 연계 설비의 기준이 된다. 인버터 자체의 전기 안전·계통 연계 성능은 국내외 인증 기준을 따른다. 세부 조항 번호는 여기서 다루지 않는다.

기준값 표는 다음과 같다.

표의 수치는 구성방식의 비교 지표다. 중앙형은 MPPT가 1개여서 구조가 단순하다. 스트링형과 멀티스트링형은 MPPT가 늘어나 음영 손실을 줄인다. 마이크로형은 모듈 단위로 최대 효율을 얻지만 설치 장비 수가 많아진다.

개정 동향으로는 2021년 기준 멀티스트링 인버터가 소·중규모 시장의 주류이며, 모듈 레벨 방식(파워옵티마이저 또는 마이크로 인버터)은 음영이 많은 곳에서 채택이 늘고 있다. 이 흐름은 2021년 시점의 웹 자료에 근거한다.

6. 유형과 비교

태양광 인버터는 DC를 AC로 바꾸는 위치와 단위에 따라 중앙집중식(Central), 스트링(String), 멀티 스트링(Multi String), 모듈 레벨(MIC, Module Integrated Converter, 마이크로 인버터 및 파워옵티마이저 + 계통연계형 인버터) 방식으로 나뉜다. 구성 방식의 차이는 MPPT(최대전력점 추적) 수와 인버터 용량 단위에서 생긴다. 먼저 전체 구성을 비교한다.