Insight
태양광은 거들 뿐!
태양광발전의 만능재주꾼, ‘태양광 인버터’
Jun, 2021











탄력받고 있는 태양광 시장, ‘태양광 인버터’의 성장 궤도 

태양광 인버터와 모듈 시장은 그 생산과 설치를 함께하고 있다. 태양광발전을 위해 태양광 모듈 및 태양광 인버터가 함께 설치된다는 것이다. 다른 말로 하면 태양전지 모듈이 100GWp 용량이 생산되어 설치가 되었다면, 태양광 인버터도 100GW 용량이 생산되어 설치된 것을 의미한다. 즉, 태양광 인버터 시장은 태양광 모듈 시장과 그 성장을 공유하고 있으므로 태양광 모듈 시장의 전망은 태양광 인버터 시장의 바로미터라고 할 수 있다.


국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)의 2020 World Energy Outlook에서 공표 정책 시나리오(Stated Policy Scenario, STEPS)는 2025년 재생에너지 발전 비중이 34%로 석탄의 발전 비중인 32%를 넘어서고, 2030년이면 38%로 확대될 것으로 보고 있다. 향후 10년간 태양광과 풍력의 비중이 가장 빠르게 늘어 2020년 9%에서 2030년 18%로 두배정도 늘어날 것으로 전망하고 있다[1]. 즉, 2030년은 석탄 화력 발전보다 재생에너지 발전 비중이 더 커지는 원년이 될 것으로 보인다.   



<재생에너지 발전 비중, 출처: IEA>


태양광은 2020년 100GW 정도의 신규 보급 시장을 형성하고 있는데, 2030년이면 151GW, 2040년이면 245GW 정도로 향후 20년 내 현재보다 2배 이상 큰 규모의 시장이 형성될 것으로 예상하고 있다.[2] 지역별로는 유럽의 태양광 시장이 다소 축소되고 일본은 시장 규모가 커질 것으로 보이나 그 규모는 크지 않은 수준으로 예상된다. 인도의 태양광 시장은 향후 전망이 매우 좋고, 국가 단위 가장 큰 규모의 태양광 시장을 보유하는 있는 중국 역시 향후 그 규모가 두 배정도 성장할 것으로 보인다. 특징적인 것은 전 세계적으로 태양광이 가격 경쟁력을 가지는 전통적인 시장 이외에 동남아시아, 중동, 아프리카 등 기존에 보급이 잘 이루어지지 않았던 곳에서 높은 성장이 이루어질 것으로 예상된다.



<국가별 태양광 및 풍력 에너지 성장 전망, 출처: IEA>


국내 태양광 시장은 재생에너지3020 이행 계획, 그린 뉴딜 및 탄소중립 정책에 의해 주도되고 있다. 4개 발전사(남부발전, 남동발전, 서부발전, 중부발전)는 2020년에 388MW를 준공하여 운전하고 있으며, 2023년까지 6개 발전사(한수원, 남동발전, 남부발전, 동서발전, 서부발전, 중부발전) 및 2개 공기업(수자원공사, 농어촌공사)의 대규모 태양광 프로젝트가 1.6GW가 진행 중에 있다[2].


정부 정책이 성공적으로 추진되기 위해서는 민간주도가 필요하며 이에 대한 정부의 정책 사항에 대한 보완이 요구된다. 민간주도를 위해서는 적절한 *REC가격의 유지가 필요한데 현재는 2017년 대비 약 1/4 정도의 가격이다[3]. REC를 구매해야 하는 발전사 및 공기업들의 대규모 발전사업 실시와 2018년 이후 급격하게 늘어난 **RPS 물량에 대해서 REC 가격 체계 및 가격 자체에 대한 조율이 필요하다. 정책 당국의 노력과 함께 민간부문에서도 선제적인 고민이 요구되는 시점이다.


*REC(Renewable Energy Certificate): 재생에너지를 이용해 에너지를 공급한 사실을 증명하는 인증서
**RPS(Renewable Portfolio Standard): 공급의무자에게 총 발전량의 일정량 이상을 재생에너지로 공급하도록 의무화한 제도



태양광 인버터의 정의 및 3가지 기능

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


<485W급 실리콘 태양광 모듈의 일사량에 따른 출력 전압-전류 특성>

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 인버터의 기능>



5가지 형태의 태양광 인버터 

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.

먼저 MPPT를 스트링 또는 어레이 단위로 하는 센트럴 인버터와 스트링 인버터 그리고 모듈마다 MPPT 하는 것을 모듈 레벨(Module Level Power Electronics)이라고 하고 마이크로 인버터(AC modules)와 옵티마이저로 알려진 마이크로 컨버터(DC modules)와 계통연계 인버터 조합이 있다. 

가장 오랫동안 사용된 센트럴 인버터(중앙 집중식)는 MPPT 기능이 1개만 있어 태양광 인버터의 구조가 상대적으로 간단하다는 장점이 있으며 MW급 형태로 사용되고 있다. 스트링 인버터는 센트럴 인버터의 크기가 단지 작아진 것이라고 생각할 수 있다. 예를 들면 1MW 센트럴 인버터 1대 사용하는 곳에 100kW 인버터 10대를 사용하는 것을 의미하며, 이경우 사용된 스트링 인버터 수만큼 MPPT의 수가 늘어나는 효과를 가지게 된다. 일반적으로 동일 용량에서 MPPT의 수가 늘어날 때마다 발전 효율이 증가한다. 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. 센트럴 인버터에서는 태양광 모듈의 직렬 및 병렬 수가 동일해야 했지만 멀티 스트링 인버터의 경우에는 자유롭다.



이 밖에 모듈 단위로 MPPT를 하는 태양광 인버터로는 마이크로 인버터를 사용하는 방식과 파워옵티마이저+계통연계형 인버터 방식이 있다. 

비용에 민감한 태양광 시스템의 특성상 2021년 현재 기술 및 가격 수준에서 가장 적절한 시스템 구성은 멀티 스트링 인버터라고 할 수 있지만, 설치 장소의 특성상 음영이 많고 일정하지 않은 곳은 모듈 레벨방식(파워옵티마이저+계통연계 인버터 또는 마이크로 인버터)이 발전량을 증가시키는 가장 좋은 선택이다.



요즘 태양광 시장에서의 이슈는 양면 모듈(Bifacial PV Module)이다. 태양광 인버터도 양면 모듈에 대응하기 위해서 입력 전류 용량을 키우는 형태로 제품의 사양을 변화시키고 있다. 그리고 양면 모듈에 적합한 태양광 인버터가 어떤 것인지에 대한 고민 없이 기존 시스템에서 모듈만 단면에서 양면으로 바꾸는 경우가 많은 것이 안타까울 때가 있다. 


양면 모듈을 사용할 때에는 바닥면으로 가는 빛의 양을 키우기 위해 기존보다 모듈 간의 간격을 충분히 더 띄워야 하고, 알베도(반사도)를 고려하여 바닥면을 처리할 필요가 있다.  종종 바닥면에 은박지를 까는 경우가 있는데 이는 지역에 따라 항공법에 저촉될 수 있다. 마지막으로 어떤 태양광 인버터를 사용할 것인지에 대한 고민이 필요하다. 특별히 그림자가 많이 지지 않는 경우에는 멀티 스트링 인버터가 가장 적합할 것이고, 1개의 MPPT 당 스트링 입력은 최대 2개를 넘지 않는 것이 효과적일 것으로 생각된다. 


태양광 모듈은 1~2장 문제가 생기더라도 태양광발전은 유지되지만, 태양광 인버터의 경우는 문제가 하나만 발생하여도 태양광발전 자체가 되지 않는다. 그러므로, 태양광 인버터는 태양광발전 그 자체라고 말할 수 있을 것이다. 현재 탄력 받고 있는 태양광 시장의 지속적인 성장에 초석이 될 태양광 인버터의 역할과 발전이 앞으로 더욱 중요하게 여겨지는 이유이다.





[1] IEA. 2020b, “World Energy Outlook 2020”

[2] 에너지경제신문, 2021.05.16, “2030년까지 30조원 규모 태양광사업 추진… 공기업 8사, 3년 내 3조원 사업 준공”

[3] 신재생 원스톱 사업정보 통합포털, https://onerec.kmos.kr/portal/index.do



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