기호 및 약어 설명

R : 저항(Ω)

L : 선로길이(m)

A : 도선의 단면적(m²)

I : 도선에 흐르는 전류(A)

그리스 기호 설명

ρ : 구리의 비저항(20℃에서 1.68 × 10^-8 Ω․m)

1. 서 론

탄소중립 및 기후변화에 대응하기 위한 신재생에너지 설비의 보급이 증가 추세에 있다. 신재생에너지원 중에서도 태양광발전 설비의 보급량이 가장 큰 증가 추세를 보인다. 태양광발전 설비는 빛을 받아 전기에너지로 변환하는 태양광 모듈로 구성된 DC 어레이와 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 인버터로 구분할 수 있다. MW급 태양광발전소의 구축 시 과거 중앙집중식 인버터를 주로 적용하였으나 최근에는 스트링 인버터를 적용하는 빈도가 높아지고 있다. 스트링 인버터는 중앙집중식 인버터와 비교하였을 때, 스트링마다 최대전력 지점 추종(MPPT)^1,2)하는 기능이 있어 시스템 손실률³⁾이 낮은 특징을 갖는다. 이러한 이유로 수 MW급 이하의 태양광발전소에서도 100 kW급 스트링 인버터 여러 대를 설치하게 된다. 스트링 인버터 적용하는 발전소가 증가함에 따라 또 다른 문제가 발생하고 있다. 그것은 관리자의 편의 및 계통연계를 위한 수․배전 설비 등의 공사 비용 절감을 위해 발전소의 한곳에 스트링 인버터를 집합적으로 위치시켜 설치한다. 한곳에 집중되어 설치되면 일부 스트링 인버터는 태양광 DC 스트링으로부터 인버터까지 연결되는 DC 선로가 길어지게 된다. DC 선로가 길어지면 선로 저항이 증가하고, 이로 인한 선로 전력손실이 발생한다. 인버터는 선로 저항을 인지하지 못하고 입력되는 태양광 스트링의 전압-전류 특성의 최대전력 동작지점에서 동작하게 되는데, 이에 따라 시스템 손실이 발생한다. 태양광발전 설비는 전기설비규정(KESC)⁴⁾에 따라 설계․시공된다. DC 케이블은 모듈이 직렬로 연결이 되는 구조를 갖기에 모듈의 두께와 같게 설계되는 사례가 많다. 스트링 인버터가 단독으로 설치되는 경우 DC 선로길이는 20 ~ 30 m 이내에 설치하는 것이 가장 올바르다. 그러나, 전력 계통연계로 인해 스트링 인버터가 모듈 부와 떨어져 설치되는 경우가 있다. 이런 경우 DC 선로에 길이가 길어짐에 따른 에너지 손실이 커질 수가 있는데, 큰 손실을 방지하기 위한 관련 기준이 존재하지 않는다. 신재생에너지 설비시공 기술기준⁵⁾에는 안전과 에너지 손실 방지를 위한 기준을 안내하고 있으나, 스트링 인버터 DC 선로 이격거리에 관한 내용은 없었다. 일부 발전소 현장에서는 DC 스트링의 길이가 1 km 이상 길어지는 상황이 발생하고 시스템 손실 저하가 발생한다. 일부 발전소 현장에서는 손실을 줄이기 위해 인버터의 위치를 변경하는 공사를 실시하기도 한다. 본 논문에서는 스트링 인버터의 DC 선로가 길어짐에 따라 발생하는 시스템 손실에 대한 분석에 대한 상관관계를 분석하였고, 신재생에너지 설비시공 기술기준의 개정을 제안하고자 한다.

2. 실험 및 고찰

2.1 DC 스트링 선로에 따른 태양광 모듈 출력 특성

DC 스트링의 선로 저항에 따른 태양광 모듈의 최대전력 변화 특성을 실험하기 위해 Pasan PV 시뮬레이터를 이용하여 아래와 같이 선로의 길이를 변화시키면서 모듈의 출력 특성을 측정하였다. 태양광 모듈의 출력 케이블은 4 mm² 또는 6 mm² 두께를 갖는데, 해당 두께 케이블의 저항은 아래의 식으로 산출이 가능하다.

4 mm² 구리 선 100 m에 대한 저항은 0.42 Ω이고, 6 mm² 구리 선 100 m의 저항은 0.28 Ω이다. 500 W급 태양광 모듈 제품의 경우 대부분 4 mm²의 구리 선이 적용된다. 스트링이 4 mm² 구리 선 1 km로 연결되면 선로 저항은 4.2 Ω이 된다.

본 실험에 사용된 태양광 모듈은 260 W 단결정 실리콘 모듈이다. PV 시뮬레이터를 이용하여 Fig. 1과 같이 모듈의 양의 단자에 4 mm² 케이블 10 m씩 증가시켜 가면서 100 m까지 모듈과 선로가 연결된 상태에서 I-V 곡선을 측정하였다. 측정된 I-V 곡선으로부터 Table 1과 같이 저항이 증가함에 따라 모듈의 최대 출력점에서 전압, 전류, 전력 값, 충진률을 도출하였다. 선로길이에 따른 표준시험조건(Standard Test Condition, STC) 상에서 측정한 전압-전류 특성 곡선은 Fig. 2와 같다. I-V 특성 곡선의 직렬저항 성분의 증가에 따라 최대 출력 동작점에서 개방전압 점까지의 음의 기울기 값이 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 이때 개방전압과 단락전류의 변동은 없었다. 만약 10 m 단위의 케이블을 환형 상태로 연결해 가면서 실험을 하면 케이블의 리액턴스 전압이 유기되어 I-V 특성 곡선 측정 결과가 잘못될 수 있다. 이런 이유로 선로가 겹치지 않게 하여 케이블을 증가시키면서 측정했다. 선로의 길이가 증가함에 따라서 충진률(Fill Factor)이 낮아지는 실험 결과는 Table 1에서 확인할 수 있다. 즉 선로의 길이가 증가 됨에 따라 에너지 효율이 떨어지는 것을 알 수 있다.

Fig. 1.

The configuration for measuring PV module output power under the influence of line resistance

Fig. 2.

Voltage-Current (I-V) characteristic curve due to line length increase

2.2 선로 저항에 따른 태양광발전 시스템 출력 특성

태양광발전 시스템의 선로 저항에 따라 최대전력 동작지점에서 최대 출력 동작전압이 달라지는 결과를 2.1절의 실험에서 확인하였고, 직렬저항이 증가함으로 출력 저하가 생겨 이용률이 저하되리라는 것을 추정할 수 있다. 건물 옥상이나 중대형 태양광발전소에 스트링 인버터 DC 선로길이가 1 km 이상이 되도록 설계하여 건설되는 발전소가 많아지고 있다. 스트링 선로의 두께는 모듈에 사용되는 선 두께와 동일하거나 최대 6 mm²보다 두껍게 설계시공되는 발전소는 없는 상태이다. 스트링 선의 두꺼우면 재료비 증가로 인해 공사비가 증가하기 때문이다. 선로 저항 증가(선로길이 증가)에 대한 시스템 손실을 평가하기 위해 선로의 길이를 고려한 권선저항을 제작하여 모듈별 출력 성능 및 실시간 데이터 저장이 가능한 시스템을 구축했다. 태양광 모듈의 설치는 남향에 경사각 30°로 설치되었다.

태양광 모듈은 표준시험조건에서 정격출력 370 W, 개방전압 47.6 V, 단락전류 10.06 A, 최대출력 동작전압 38.8 V, 최대 동작전류 9.54 A의 모듈 4장을 이용하였으며, 권선저항은 0.5 Ω, 1 Ω, 2 Ω을 이용하여 실험 세트를 Fig. 3과 같이 구성하였고, 각 모듈 정격출력 및 저항값은 Table 2와 같다. 모듈의 양의 단자 출력 선에 저항을 연결하고 마이크로인버터를 이용하여 전력 계통에 연결이 되는 구성이다. 1장의 모듈에는 저항을 연결하지 않았고, 3장의 모듈에는 3종류의 저항을 연결해 가동하고, 가동 시 DC 전압 및 전류, DC 출력, 일사량, 모듈 표면온도를 10분 평균 데이터 세트로 저장하였다. 측정 자료수집 기간은 2024년 11월 19일부터 12월 26일까지이다. 데이터는 고 일사 강도 구간인 700 W/m² 이상의 데이터를 추출하여 분석했다. 저 일사량에서는 저항에 따른 인버터 입력전압이 부족하여 MPPT 동작을 하지 않는 현상이 발생할 수 있어 제외하였다. Fig. 4는 각 모듈의 출력 데이터를 나타낸다.

Fig. 3.

Test-Bed with PV system and winding resistance

Fig. 4.

Output power for PV modules

저항이 0 Ω인 A 모듈이 저항이 2 Ω인 D 모듈 대비 DC 출력이 2배 가까이 높은 것을 확인할 수 있다. 선로 저항에 따른 선로손실은 아래의 식과 같이 도출된다.

A 모듈의 선로손실은 저항이 0 Ω이므로 0 W이며, B, C, D 모듈에 연결된 저항값과 흐르는 전륫값을 이용하여 산출된 손실값은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5에서 보인 것과 같이 선로손실은 저항과 전류 제곱의 비로 커지게 된다. 스트링 인버터가 적용되면서 DC 스트링의 선로가 길어지고 있고 이에 따라 선로손실이 증가하는 것이다. A 모듈은 선로손실이 발생하지 않으며, B, C, D 모듈이 연결된 시스템들은 선로손실이 발생한다. Fig. 4에서 D 모듈의 출력은 다른 모듈들과 비교하였을 때 저항 손실 이외 인버터의 최대전력 지점 추종(MPPT) 오류 등으로 시스템 손실이 발생해 흐르는 전류가 저항이 연결 안 된 시스템보다 낮다는 것을 알 수 있었다. 정상상태에서 4장의 모듈 출력이 370 W로 동일할 것이므로 수집된 각 모듈 전압, 전류, 전력 데이터들을 이용하여 B, C, D 모듈이 연결된 시스템의 시스템 손실 도출이 가능한데, A 모듈이 연결된 시스템이 선로손실 0 W, 시스템 손실이 0 W이므로 B, C, D 모듈이 연결된 시스템의 손실은 식(3), (4), (5)와 같이 표현 가능하다.

Fig. 6은 시스템 손실 전력을 A 시스템이 선로손실과 시스템 손실이 각각 0 W로 하여 산출한 결과이다. 선로 저항이 커질수록 시스템 손실이 커지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

Line loss power for PV modules

Fig. 6.

System loss power for PV modules

2.3 시스템 손실에 대한 고찰

태양광발전 시스템이 과거 센트럴 인버터와 접속함, 태양광 모듈로 구성되었으나, 최근에는 스트링 인버터와 태양광 모듈로 구성되어 발전소가 구축된다. 스트링 인버터의 기술 발전과 대량생산에 따른 가격 저가화가 이루어 낸 결과라고 할 수 있다. 센트럴 인버터의 경우 무게가 500 kg에서 수 ton에 달하기 때문에 설치 비용이 더 들고, 접속함의 설치비용도 추가로 들어가게 된다. 이에 반해 스트링 인버터는 가벼운 무게로 설치비가 덜 들어가게 된다. 이러한 이유로 스트링 인버터가 주목받는 것이다. 그러나, 스트링 인버터가 수 MW의 발전소에도 설치되고, 인버터의 관리 사유로 인해 한곳에 밀집해 설치함으로써 스트링 선로 길이가 길어지는 현상이 발생이 되고 있다. 이에 따라 태양광발전 설비의 에너지 손실이 증가하고 있다. 본 절에서는 시스템 손실이 발생하는 원인에 대하여 고찰하고자 한다. 선로손실은 저항과 선로에 흐르는 전륫값으로 산출이 가능하다. Fig. 6에서 저항이 커짐에 따라서 시스템 손실이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 Fig. 7에서 추측이 가능한데 선로 길이 즉 선로 저항이 증가함에 따라 인버터의 MPPT 동작지점이 정상상태의 동작전압보다 낮게 동작하게 된다. Fig. 7은 스트링 선로 4 mm²의 두께를 갖는 0 m와 100 m에 대하여 STC 조건에서 I-V 특성 곡선을 그린 것이다. 선로 저항 0.42 Ω이 커짐에 따라 최대 출력 24 W가 줄어드는 것을 알 수 있다. 선로 저항으로 인한 인버터의 최대전력 지점이 이동하여 발생하는 손실이다. 이 손실은 선로 저항에 의한 손실과는 다른 시스템 손실이라고 할 수 있다.

Fig. 7.

I-V characteristic curve with no resistance (0 m) and 0.42 ohm (100 m)

3. 결 론

본 논문에서는 최근 스트링 인버터가 발전소 현장에 많이 설치되는데, 유지관리의 용이성으로 인해 인버터를 한곳에 설치함에 따라서 스트링 선로의 길이가 길어지고 이로 인한 시스템 손실이 발생하는 원인에 대하여 실험 및 분석을 하였다. 국내 전기설비 기술기준에서는 스트링 인버터의 스트링 케이블에 대한 기술기준이 없고, 전압강하에 대한 기술기준이 존재한다. 스트링의 전압은 인버터에 의해 정해지므로 전압강하에 대한 기준 설정이 어려운 사유이다. 시스템의 손실이 커지는 영향이 저항에 의한 손실이 커지므로, 스트링 인버터를 적용하는 경우 스트링 케이블에 대한 저항값을 기준으로 케이블 두께를 키우는 방법과 스트링 케이블의 거리를 제한함으로써 시스템 손실 방지가 가능할 것이다. 본 연구에 관한 결과는 다음이 같이 요약할 수 있다.

(1) 스트링 인버터의 경우 태양광 모듈로부터 스트링 인버터까지의 DC 선로의 거리가 짧게 설계하여 설치하면 선로손실과 시스템 손실을 최소화할 수 있다.

(2) 선로가 길어질 때 선로 저항을 낮게 설계함으로써 손실 절감이 가능하다. 즉, 전선로의 두께를 키우는 방안으로 설계하여야 한다.

(3) 태양광 시스템의 설계 기술기준이나 시공 기준에 시스템 손실을 고려한 기준과 가이드의 제정이 필요하다.