태양광 발전용 마이크로인버터 기술...

태양광 발전용 마이크로인버터 기술 동향_25

태양광 발전용 마이크로인버터

기술 동향

숭실대학교 | 박종후 교수

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 27

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 29

1. 국내 동향 ··································································· 29

2. 해외 동향 ··································································· 31

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 33

<참고문헌> ········································································· 33


태양광 발전용 마이크로인버터의 기술 동향

숭실대학교 | 박종후 교수

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개요

태양광 발전시스템(Photovoltaic, PV)은 태양광을 전기에너지로 변환하는 시스템으로 에너지

변환과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템 구조가 단순하여 유지 보수가 간단하고

수명이 20년~30년 정도로 길며 환경 친화적이다. 또한 발전 규모를 수 kw급의 소용량부터 수백

kw급에 이르는 용량 시스템까지 다양하게 적용할 수 있어서 신재생에너지 분야에서 각광받고

있다. 태양광 발전으로 생산된 전력을 계통에 전송하기 위해서 직류를 교류로 변환하고 태양광

패널의 최 전력동작 전압을 추종할 수 있는 전력조절기가 필요하다. 전력조절기는 앞단의

직류(DC)-직류(DC) 컨버터와 후단의 직류(DC)-교류(AC) 인버터로 구성된다. 기존의 태양광

발전시스템은 제조비용을 절감하기 위해 여러 개의 태양전지 패널을 하나의 전력조절기에 연계

하였는데, 이러한 경우에는 부분적으로 태양광 발전량이 감소했을 때 전력조절기 전체의 발전량이

급격히 저하된다. 최근 건물 일체형 태양광 발전시스템(Building Integrated Photovolataic,

BIPV)이 주목을 받게 되면서, 도심형 태양광 발전에서 문제가 될 수 있는 부분 그늘짐(Partial

Shading) 현상에 한 비책이 필요하게 되었다. 이에 따라 최근 태양전지 모듈 하나당 한 개의

인버터가 설치되는 새로운 소형 인버터 방식이 주목받고 있다. 태양광 발전용 인버터 시장에서

미국시장을 중심으로 새롭게 등장한 것이 마이크로인버터(Microinverter)이다. 마이크로인버터는

어레이(array) 전체에서 모아진 전기를 DC에서 AC로 전환하는 중앙집중식이 아닌 개별 모듈에서

각각의 인버터를 설치해 모듈 단위로 직류를 교류로 전환하는 분산 시스템이다.

기존의 인버터를 개선한 마이크로인버터는 개별 모듈에 전용 DC-DC 컨버터를 사용해 태양전지

모듈 당 더 많은 에너지를 변환할 수 있다. 개별 모듈은 각각의 모듈이 최 전력점추종(MPPT)

제어기능을 갖추고 있어서 부분 음영 및 기기 노화 등의 문제를 개선하였다.

<그림 1>은 부분 그림자 발생 시 나타나는 태양전지의 전압-전력 곡선이다. 부분 그늘짐은

태양광 발전시스템을 사용하는 주택 또는 빌딩 등의 주변 환경에 의해 태양전지에 그늘이 생겨서

일반적인 최 태양광 발전 동작점이 둘 혹은 그 이상으로 분산되는 현상이다. 이렇게 되면 태양

전지에 연결되는 단일 전력조절기가 최 전력점을 추적하지 못하거나 최 전력점이 분산되므로

발전량이 급격히 저하된다.

28_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

자료 : IEEE, “Improved Energy Capture in Series String Photovoltaics via Smart Distributed Power Electronics”, 2009

<그림 1> 부분 그늘짐(partial shading)에 의한 태양전지의 전압-전력 곡선

기존의 중앙 집중식 전력조절기의 구조는 <그림 2>에 나타내었다. 이러한 문제점을 해결하기

위해서는 그늘짐이 발생한 모듈 별로 각각의 독립적인 전력조절기를 설치해야 한다. 독립적인

전력조절기를 설치하여 그늘짐이 발생한 태양전지의 최 전력점이 그늘짐이 발생하지 않은 태양

전지와 분리되어 각각의 전력점이 개별적으로 동작하게 되는데, 이러한 구조를 <그림 3>에 나타

내었다.

자료 : IEEE, “Improved Energy Capture in Series String Photovoltaics via Smart Distributed Power Electronics”, 2009

<그림 2> 기존의 중앙집중식 전력조절기 구조 <그림 3> 분산 모듈형 컨버터 구조

각각의 전력조절기들이 연결된 태양전지 모듈의 최적 상태에서 작동하여 최 발전 전력을 생산

할 수 있다. <그림 3>의 분산 모듈형 컨버터 구조는 인버터 내부의 승압형 DC-DC 컨버터가

인버터와 분리되어 태양전지 모듈 내에 포함한 구조라고 볼 수 있다. 이렇게 각각의 태양전지

Power vs. voltage


모듈에 전력조절기가 포함되므로 설치비용이 증가하지 않고 일반 주거형 태양광 발전시스템의

발전효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내외 태양광 인버터 기술력에 해서는 업계 부분이 ‘ 동소이’하다고 평가하고 있기 때문에

차별화된 전략으로 위기를 극복할 필요가 제기되었다. 기술력의 차이가 일정 수준 이상 도달한

상황에서 국내 업체들은 신속하고 안정적인 사후관리를 표방하면서 차별화 전략을 추진하고 있다.

이러한 국내 인버터 시장에서 슈퍼솔라는 선진국형 마이크로인버터를 개발하여 위기를 극복하고

있다. 국내에서 마이크로인버터 제품을 개발 및 판매하고 있는 업체는 있지만 아직까지 활발한

판매 활동을 하고 있지 않는 것으로 파악되었다. 마이크로인버터는 향후 미국, 영국 등을 중심으로

수요가 증가할 것으로 예상되며, 국내에서도 수요 증가가 예상된다.

국내에서는 DC 링크가 있는 타입, 유사 DC 링크가 존재하는 타입, DC링크가 없는 타입의 마이

크로인버터 연구가 활발하게 진행되고 있다.

가. DC 링크를 포함하는 구조

<그림 4>는 DC 링크를 포함하는 2단 구성의 마이크로인버터 개념도를 나타내었다. DC

링크가 고전압이기 때문에 승압을 위해서 주로 변압기를 사용하게 되며, 이 때문에 변압기

리셋 회로에 의한 효율 저하, 전력밀도 저하가 나타나서 해당 회로의 모듈화가 어려워진다.

자료 : IEEE, “Seires connected forward- flyback converter for high step-up power conversion”, 2011

<그림 4> DC 링크를 포함하는 마이크로인버터 구조


나. 유사 DC 링크를 포함하는 구조

<그림 5>는 DC 링크와 유사한 정현파(Sine) 형태의 링크를 인버터가 입력 받아서 교류로

변환하여 출력하는 2단 구성의 마이크로인버터 개념도이다. 유사 DC 링크가 고전압이기 때문에

승압을 위해서 변압기를 사용하게 되며, 이 때문에 변압기 리셋 회로에 의한 효율 저하, 전력

밀도 저하가 나타난다. DC 링크 타입에 비해서 PCB 면적이 줄어들지만 변환효율도 감소하는

단점이 있다.

자료 : IEEE, “Analysis and design of a single-phase Flyback microinverter on CCM operation”, 2012

<그림 5> 유사 DC링크 마이크로인버터

다. DC 링크가 없는 구조

<그림 6>은 DC 링크가 없는 1단 구성의 마이크로인버터 개념도를 나타내었다. 단일 구성

이므로 회로가 간단하고 크기도 줄어들지만 승압을 위해서 변압기를 사용하기 때문에 변압기

리셋 회로에 의한 효율저하, 전력밀도 저하가 나타나서 해당 회로의 모듈화가 어려워진다. 뿐만

아니라 스위치가 양방향이어야 하므로 스위치 구성 및 구동이 복잡해진다.

자료 : IEEE, “A novel AC photovoltaic module system based on the impedance-admittance conversion theory”, 2001

<그림 6> DC 링크 없는 타입의 마이크로인버터 개념도


2. 해외 동향

<그림 7>은 최근에 개발된 차동 전력조절기의 구조이며, 국내에서는 이에 한 연구 성과가

없는 실정이다. 차동 전력조절기는 크게 태양전지 모듈과 태양전지 모듈 사이에 컨버터가 결선

(Wiring)되어 있는 셔플링(Shuffling) 구조, 태양전지 모듈과 출력 담당 인버터가 결선되어 있는

PV-Bus 비절연형 및 절연형 구조가 있다.

(a)셔플링 구조 (b)PV-BUS 비절연형 구조 (c)PV-Bus 절연형 구조

자료 : IEEE, “Differential Power Processing for Increased Energy Production and Reliability of Photovoltaic

Systems”, 2013

<그림 7> 차동 전력조절기 구조

<그림 8>은 2011년 프랑스 푸아티에 학교에서 발표한 셔플링 구조로 된 스트링 전류의 분류

가감기(Diverter)의 결선도이며, 셔플링 구조의 차동 전력조절기 1개는 태양전지 모듈 2개와

병렬로 연결되어 있다. 차동 전력조절기는 전류의 방향에 따라 벅 모드 혹은 부스트 모드로 동작

하며, 태양전지 모듈간 최 전력점의 전력 차이만큼만 감당하므로, <그림 3>과 같은 태양전지

모듈에서의 출력을 전부 감당하는 기존의 분산형 인버터보다 더 적은 양의 전력을 감당한다. 태양

전지 모듈의 전체 전력에 한 전력 변환 효율이 아니라 태양전지 모듈간 최 전력점의 전력 차이

만큼만 전력 변환 효율의 영향을 받기 때문에 최종적으로 전체 시스템에서의 변환 효율은 증가

한다. <그림 9>는 셔플링 구조의 하드웨어이다.


자료 : IEEE, “Centralized MPPT with String Current Diverter for Solving the Series Connection Problem in Photovoltaic Power Generation System”, 2011

<그림 8> 셔플링 차동 전력조절기 <그림 9> 셔플링 구조 하드웨어

<그림 10>의 (a)는 기존의 마이크로인버터가 가진 전력 변환 효율이고 그림 (b)는 제안된

셔플링 구조에서의 전력 변환 효율이다. 태양전지 모듈 전체의 최 전력은 192W이고 기존 전력

조절기에서의 출력 전력은 151W, 셔플링 구조에서의 출력 전력은 182.3W로 각 구조에서의

효율을 보면 태양전지 모듈에서의 모든 출력 전력을 부담하는 기존의 마이크로인버터의 효율

보다 셔플링 구조의 전력조절기의 효율이 16.28% 높다.

(a) 기존 전력조절기 효율 (b) 셔플링 구조 전력조절기 효율

자료 : IEEE, “Centralized MPPT with String Current Diverter for Solving the Series Connection Problem in Photovoltaic Power Generation System”, 2011

<그림 10> 전력조절기 효율


Ⅲ. 향후 전망

최근 도심에서의 태양광 발전과 BIPV형 태양광 발전시스템이 주목을 받으면서 부분 그늘짐에

한 책마련이 시급해졌다. 부분 그늘짐을 해결하기 위해 마이크로인버터를 적용한 시스템

구조의 장단점 및 최근 개발된 차동 전력조절기에 해 살펴보았다. DC 링크가 있는 타입, 유사

DC 링크가 존재하는 타입 및 DC 링크가 없는 타입의 인버터는 모두 태양전지 모듈에서 출력된

전력 전체를 감당해야 하기 때문에 효율과 모듈 면적을 고려하였을 때, 전력 변환 효율이 낮은

단점이 있다. 하지만 차동 전력조절기를 이용해 전력의 편차만을 제어하는 경우, 전력조절기가

부담해야 하는 전력이 줄어들어 전체 태양전지 모듈에서의 전력 변환 효율이 증가하였다. 차동

전력조절기는 최근에 고안된 구조로 기존의 마이크로인버터의 문제점을 보완할 수 있는 방법 중

하나로 부상하였다. 국내에서는 아직 연구 초기 단계인 만큼 해외 차동 전력조절기 개발 동향을

주시하고 적극적으로 개발에 나서야 한다.

<참고문헌>

1. Hui Shao, Chi-Ying Tsui and Wing-Hung Ki, “An Inductor-less MPPT Design for

Light Energy Harvesting Systems”, IEEE APEC, 2009

2. Robert W. Erickson, and Aaron P. Rogers, “A Microinverter for Building-Integrated

Photovoltaics”, IEEE APEC, 2009

3. M. Andersen and B. Alvsten, “200 W low cost module integrated utility interface for

modular photovoltaic energy systems”, in Proc. IEEE IECON, pp.572–577, 1995

4. A. Lohner, T.Meyer, and A. Nagel, “A new panel-integratable inverter concept for

grid-connected photovoltaic systems”, in Proc. IEEE ISIE, pp.827–831, 1996

5. D. C. Martins and R. Demonti, “Photovoltaic energy processing for utility connected

system”, in Proc. IEEE IECON, pp.1292-1296, 2001

6. Riad KADRI, Jean-Paul GAUBERT, Gerard CHAMPENOIS, “Centralized MPPT with

String Current Diverter for Solving the Series Connecteion Problem in Photovoltaic

Power Generation System”, IEEE ICCEP, 2011

7. Cheng-Wei Chen, Kum-Hung Chen, Yaow-Ming Chen, “Modeling and Controller

Design for a Four-Switch Buck-Boost Converter in Distributed Maximum Power

Point Tracking PV System Applications”, IEEE ECCE, 2012

8. Pradeep S. Shenoy, Katherine A. Kim, Philip T. Krein, “Comparative Analysis of

Differential Power Conversion Architectures and Controls for Solar Photovoltaics”

IEEE COMPEL, 2012

9. Kapil Kesarwani, Jason T. Stauth, “A Comparative Theoretical Analysis of Distributed

Ladder Converters for Sub-Module PV Energy Optimization”, IEEE COMPEL, 2012


10. Carlos Olalla, Daniel Clement, Miguel Rodriguez, Dragan Maksimovic, “Architectures

and Control of Submodule Integrated DC-DC Converters for Photovoltaic

Applications”, IEEE Power Electronics, 2013

11. Pradeep S. Shenoy, Katherin A. Kim, Brian B. Johnson, Philip T. Krein, “Differential

Power Processing for Increased Energy Production and Reliability of Photovoltaic

Systems”, IEEE Power Electronics, 2013

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