인버터의 작동 원리:
인버터 장치의 핵심은 인버터 스위치 회로로, 줄여서 인버터 회로라고 합니다. 이 회로는 전력 전자 스위치를 켜고 끄는 방식으로 인버터 기능을 완성합니다.
특징:
(1) 높은 효율이 요구된다.
현재 태양 전지의 가격이 높기 때문에 태양 전지의 활용도를 극대화하고 시스템 효율을 높이기 위해서는 인버터의 효율을 높여야 합니다.
(2) 높은 신뢰성이 요구된다.
현재 태양광 발전소 시스템은 주로 원격 지역에서 사용되고 있으며, 많은 발전소가 무인으로 유지 관리되고 있어 인버터는 합리적인 회로 구조와 엄격한 부품 선택을 요구하며, 인버터는 입력 DC 극성 역전 보호, AC 출력 단락 보호, 과열, 과부하 보호 등 다양한 보호 기능을 갖춰야 합니다.
(3) 입력전압은 보다 넓은 적응범위를 가져야 한다.
태양 전지의 단자 전압은 부하와 일조량에 따라 변하기 때문입니다. 특히 배터리가 노후화되면 단자 전압이 크게 변동합니다. 예를 들어, 12V 배터리의 경우 단자 전압이 10V에서 16V 사이로 변동할 수 있으므로, 넓은 DC 입력 전압 범위 내에서 인버터가 정상적으로 작동해야 합니다.
태양광 인버터 분류：
인버터는 여러 가지 분류 방법이 있습니다. 예를 들어, 인버터에서 출력되는 AC 전압의 위상 수에 따라 단상 인버터와 3상 인버터로 나눌 수 있습니다. 또한 트랜지스터 인버터, 사이리스터 인버터, 턴오프 사이리스터 인버터로 나눌 수 있습니다. 인버터 회로의 원리에 따라 자려 발진 인버터, 계단파 중첩 인버터, 펄스 폭 변조 인버터로 나눌 수도 있습니다. 계통 연계형 시스템 또는 독립형 시스템에서의 응용 분야에 따라 계통 연계형 인버터와 독립형 인버터로 나눌 수 있습니다. 광전자 사용자가 인버터를 쉽게 선택할 수 있도록, 본 연구에서는 인버터를 적용 상황에 따라 분류합니다.
1. 중앙집중형 인버터
중앙집중형 인버터 기술은 여러 개의 병렬 태양광 스트링을 동일한 중앙집중형 인버터의 DC 입력에 연결하는 방식입니다. 일반적으로 고전력에는 3상 IGBT 전력 모듈을, 저전력에는 전계 효과 트랜지스터를 사용합니다. DSP는 컨트롤러를 변환하여 발전 전력의 품질을 향상시키고, 이를 10kW 이상의 대형 태양광 발전소 시스템에 일반적으로 사용되는 사인파 전류에 매우 가깝게 만듭니다. 이 시스템의 가장 큰 특징은 높은 전력과 낮은 비용이지만, 서로 다른 태양광 스트링의 출력 전압과 전류가 완전히 일치하지 않는 경우가 많기 때문에(특히 태양광 스트링이 흐림, 그늘, 얼룩 등으로 인해 부분적으로 차단된 경우) 중앙집중형 인버터가 채택됩니다. 이러한 방식의 변화는 인버터 공정의 효율 저하와 전기 사용자의 에너지 소비 감소로 이어질 수 있습니다. 또한, 태양광 유닛 그룹의 불량한 작동 상태는 전체 태양광 시스템의 발전 신뢰성에 영향을 미칩니다. 최근 연구 방향은 공간 벡터 변조 제어를 활용하고 인버터의 새로운 토폴로지 연결을 개발하여 부분 부하 조건에서 높은 효율을 얻는 것입니다.
2. 스트링 인버터
스트링 인버터는 모듈형 개념을 기반으로 합니다. 각 PV 스트링(1~5kW)은 인버터를 통과하며, DC 측에서 최대 전력 피크를 추적하고 AC 측에서 병렬로 연결됩니다. 시중에서 가장 널리 사용되는 인버터입니다.
많은 대형 태양광 발전소에서 스트링 인버터를 사용합니다. 스트링 인버터의 장점은 모듈 간 차이와 스트링 간 음영에 영향을 받지 않고, 태양광 모듈과 인버터의 최적 작동점 간 불일치를 줄여 발전량을 증가시킨다는 것입니다. 이러한 기술적 장점은 시스템 비용을 절감할 뿐만 아니라 시스템 신뢰성도 향상시킵니다. 동시에, 스트링 간에 "마스터-슬레이브" 개념을 도입하여 여러 태양광 스트링 그룹을 연결하고, 단일 스트링 에너지로는 단일 인버터를 작동시킬 수 없는 조건에서 하나 또는 여러 개의 스트링을 작동시켜 더 많은 전력을 생산할 수 있도록 합니다.
최신 개념은 "마스터-슬레이브" 방식 대신 여러 인버터가 서로 "팀"을 구성하여 시스템 신뢰성을 한 단계 더 높이는 것입니다. 현재는 변압기 없는 스트링 인버터가 주류를 이루고 있습니다.
3. 마이크로 인버터
기존 PV 시스템에서는 각 스트링 인버터의 DC 입력단이 약 10개의 태양광 패널에 직렬로 연결됩니다. 10개의 패널이 직렬로 연결된 경우, 하나의 패널이 제대로 작동하지 않으면 해당 스트링에 영향을 미칩니다. 인버터의 여러 입력에 동일한 MPPT를 사용하면 모든 입력에도 영향을 미쳐 발전 효율이 크게 저하됩니다. 실제 적용에서는 구름, 나무, 굴뚝, 동물, 먼지, 얼음, 눈과 같은 다양한 폐색 요인이 이러한 요인을 유발하며, 이러한 상황은 매우 흔합니다. 마이크로 인버터 PV 시스템에서는 각 패널이 하나의 마이크로 인버터에 연결됩니다. 패널 중 하나에 문제가 발생하면 해당 패널만 영향을 받습니다. 다른 모든 PV 패널은 최적으로 작동하여 전체 시스템의 효율을 높이고 더 많은 전력을 생산합니다. 실제 적용에서는 스트링 인버터에 문제가 발생하면 수 킬로와트의 태양광 패널이 작동하지 않게 되지만, 마이크로 인버터 고장의 영향은 매우 적습니다.
4. 파워 옵티마이저
태양광 발전 시스템에 파워 옵티마이저를 설치하면 변환 효율을 크게 향상시키고 인버터 기능을 간소화하여 비용을 절감할 수 있습니다. 스마트 태양광 발전 시스템을 구현하기 위해, 파워 옵티마이저는 각 태양 전지가 최상의 성능을 발휘하도록 하고 배터리 소비 상태를 상시 모니터링할 수 있도록 합니다. 파워 옵티마이저는 발전 시스템과 인버터 사이에 위치하며, 인버터의 기존 최적 전력점 추적 기능을 대체하는 역할을 합니다. 파워 옵티마이저는 회로를 단순화하여 매우 빠른 최적 전력점 추적 스캐닝을 수행하며, 단일 태양 전지가 파워 옵티마이저에 해당하므로 각 태양 전지가 최적의 전력점 추적을 달성할 수 있습니다. 또한, 통신 칩을 삽입하여 언제 어디서나 배터리 상태를 모니터링하고, 문제 발생 시 즉시 보고하여 관련 담당자가 신속하게 수리할 수 있도록 합니다.
태양광 인버터의 기능
인버터는 직류-교류 변환 기능뿐만 아니라 태양 전지 성능 극대화 기능과 계통 고장 보호 기능도 갖추고 있습니다. 요약하자면, 자동 운전 및 정지 기능, 최대 전력 추종 제어 기능, 반독립 운전 기능(계통 연계 시스템용), 자동 전압 조정 기능(계통 연계 시스템용), 직류 검출 기능(계통 연계 시스템용), 직류 지락 검출 기능(계통 연계 시스템용) 등이 있습니다. 자동 운전 및 정지 기능과 최대 전력 추종 제어 기능에 대해 간략하게 소개합니다.
(1) 자동운전 및 정지기능
아침 일출 후, 일사량이 점차 증가함에 따라 태양 전지의 출력 또한 증가합니다. 인버터가 요구하는 출력 전력에 도달하면 인버터가 자동으로 작동을 시작합니다. 작동이 시작된 후, 인버터는 태양 전지 모듈의 출력을 지속적으로 모니터링합니다. 태양 전지 모듈의 출력 전력이 인버터 작동에 필요한 출력 전력보다 큰 경우, 인버터는 계속 작동하며, 흐리고 비가 오는 날에도 일몰 시 정지합니다. 인버터는 작동할 수 있습니다. 태양 전지 모듈의 출력이 감소하고 인버터 출력이 0에 가까워지면 인버터는 대기 상태가 됩니다.
(2) 최대 전력 추적 제어 기능
태양 전지 모듈의 출력은 일사량과 태양 전지 모듈 자체의 온도(칩 온도)에 따라 달라집니다. 또한, 태양 전지 모듈은 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하는 특성을 가지고 있기 때문에 최대 전력을 얻을 수 있는 최적 동작점이 존재합니다. 일사량이 변하면 최적 동작점도 당연히 변합니다. 이러한 변화에 따라 태양 전지 모듈의 동작점은 항상 최대 전력점에 위치하며, 시스템은 항상 태양 전지 모듈에서 최대 전력 출력을 얻습니다. 이러한 제어를 최대 전력 추종 제어라고 합니다. 태양광 발전 시스템용 인버터의 가장 큰 특징은 최대 전력점 추종(MPPT) 기능을 포함하고 있다는 것입니다.
게시 시간: 2022년 10월 26일
