조선대 자료-태양광 발전시스템 원론

태양광 발전시스템

(Photovoltaic System)

　




태양광발전시스템의 구성은 일반적으로 시스템의 이용처, 부하의 종류, 시스템의 크기, 입지조건 등에 따라 다르지만 그 기본 구성은 다음과 같다. 태양전지 어레이는 태양전지 소자를 직·병렬로 연결하여 직접 DC전력을 발생하기 때문에, 직류부하인 경우에는 DC-DC 변환장치를 이용하여 가장 효율적인 전압으로 출력측에 축전지를 접속하여 사용하며, 또한 교류부하인 경우 DC-AC 변환장치가 필요하고 경우에 따라 축전지를 접속하며 태양광발전시스템에서는 일반적으로 일사조건과 부하 사용시간이 다르고 일사량 또한 시간에 따라 다르므로 발전된 전력을 저장할 수 있는 축전지를 갖는다.

DC-DC변환장치는 태양전지 출력이 일사량, 온도, 기타 주위환경 등에 따라 항상 최대전력점 전압 및 전류가 변하는 특성을 가지고 있다. 그러므로 승압형 초퍼, 강압형 초퍼, 승강압형 초퍼의 듀티비를 제어하여 태양전지 출력이 항상 최대전력점에서 동작할 수 있도록 하며, 또한 DC-DC 변환기의 출력전압을 일정하게 유지하여 축전지나 부하로 공급해 주는 역할을 한다.

DC-AC 변환장치는 UPS, PWM컨버터, 무효전력 보상장치 등에 널리 이용되는 전파브리지 인버터 회로를 주로 사용하며 전압 및 주파수 조정기능을 갖고 있다. 태양광발전시스템에서 이러한 인버터는 전체 시스템의 효율에 큰 영향을 끼치므로 인버터의 스위칭 및 도통손실을 최소화시킴과 동시에 인버터 출력단에 연결된 필터용량을 최소화시켜 무효전력에 의한 손실을 최소화 해야한다. 또한 상용전원과 연계하는 경우는 연계장치가 필요하다. 연계장치는 전력계통의 이상시에 태양광발전시스템과 전환하는 보호제어장치가 필요하고 또한 고조파 억제필터나 전력계통으로부터 서지의 방지 및 전력조류의 방향에 의해 전력량을 계량할 수 있는 전력량계 등이 필요하다.

시스템 구성방식은 태양전지 어레이에서 발전되는 직류전력은 하루중의 일사량이나 기후조건에 따라 크게 변동하기 때문에 전원과 부하사이의 전력을 조화시킬 필요가 있으며 도서 및 산간벽지 등 특수 전원용으로 사용하는 독립형 태양광발전시스템과 상용전력계통과 연계하여 사용하는 계통연계형 태양광발전시스템으로 구분되며 용도별로 구분하면 주택용, 낙도전원용, 대규모 전력공급용 및 기타 특수용으로 분류된다.


　

　

A. 태양광발전시스템의 분류

　

1. 독립형 태양광발전시스템


독립형 PV시스템은 전력계통으로부터 전력을 공급받지 못하는 낙도나 산간벽지, 무인등대, 무인중계소, 인공위성 등에 축전지나 인버터를 이용하여 DC부하 또는 AC부하에 전력을 공급하는 시스템이다.

직류부하용 시스템 구성방식은 부하가 직류전원을 요하는 경우이며 주로 소용량이고 계통선과 원거리에 떨어져 있을 경우에 이용되고 있으며 주로 무인등대, 시계탑, 통신장비용 전원 등에 이용된다. 이 시스템의 구성은 그림 1과 같이 과전압 안정회로를 부착한 축전지 저장방식으로 Regulator내에 과전압 보호장치가 설치되어 있어 항상 일정 전원을 축전지에 공급하여 운전하는 가장 간단한 시스템이다. 그리고 이러한 시스템에 Back-up system을 보완시킨 축전지 저장방식으로 축전지 전력이 떨어질 경우 Back-up system으로 축전지를 충전하여 운전하며, 이 시스템은 태양전지와 축전지를 최악조건에 맞추어 충분하게 설치하지 않아도 되며 직류부하용 시스템으로서는 가장 이상적이고 효율적인 시스템이다.

AC부하용 태양광 발전시스템은 DC부하용 시스템에 직·교류 변환장치를 그림 2와 같이 구성하여 축전지에 저장한 전력을 교류로 변환시켜 직접 교류부하에 사용하는 시스템으로서 비교적 수용전력이 소규모인 곳에 사용된다.

독립형 태양광 발전시스템은 축적설비를 가지고 있으며 계통선과 분리되어 있기 때문에 시스템에서 발생된 무효전력이나 유효전력 그리고 고조파는 전력계통선에 영향을 끼치지 않는다. 그러나 축적설비가 고가이고 넓은 설치공간을 필요로 하며 축전지의 액 보충, 유출, 폭발과 같은 문제점들이 나타난다. 또한 태양전지에 축전지를 직접 병렬로 연결하여 사용하는 경우 축적바테리의 전압동요가 태양전지의 동작점을 이동하게 하여 최대전력을 얻는 것이 불가능하며, 또한 축전지의 충방전 손실이 발생하게 되어 효율이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.






Fig. 1 Block diagram of stand-alone PV system for DC load





Fig. 2 Block diagram of stand-alone PV system for AC load


2. 계통연계형 태양광발전시스템


계통연계형 시스템은 PV모듈과 인버터를 직접 연결함으로서 PV모듈로부터 발생되는 직류전원과 계통선의 교류전원을 균형 있게 유지하여 AC부하에 전력을 공급하는 시스템이다. 이 시스템은 단방향 연결형과 양방향 연결형으로 구분할 수 있으며, 단방향 계통선 연결방식은 주택용, 공장용 전원 등으로 많이 이용되는 시스템으로서 단방향 계통선 연계형 인버터를 사용하여 부하측에 전력을 공급하며 축전지를 사용하지 않고 운전한다. 그리고 계통선에서는 태양전지에서 공급되는 전력의 부족분만을 부하측으로 공급하는 시스템으로서 그림 3에 구성도를 나타내고 있다.

그림 4는 양방향 계통선 연계방식으로 대용량발전소의 경우나 주택용 전원 등에 이용하는 시스템으로 계통선 연계형 인버터를 직접 태양전지와 연결하여 PV모듈로부터 발생된 인버터출력이 부하가 필요로 하는 전력보다 클 경우 그 잉여전력은 계통선으로 공급되며, PV모듈로부터 발생된 인버터출력이 부하가 필요로 하는 전력보다 적을 경우 부족한 전력은 계통선에서 공급된다. 또한 독립형 시스템에서와 같이 고가의 축적설비가 필요 없기 때문에 축전지의 충방전 손실이 없고 효율이 개선되는 장점을 가지고 있다. 그러나 계통연계형 시스템에서 PV모듈의 발생전력은 인버터를 지나 계통선과 직접 연결되어 있기 때문에 인버터 발생고조파와 유효전력과 무효전력의 동요는 직접 전력계통선에 영향을 미치게 된다. 계통선에는 많은 시스템들이 연결되어 있고 시스템의 발생전력과 수요전력이 균등상태에 있다면 계통선에서의 문제들은 찾기가 매우 어렵다. 그러므로 안전성에 관련된 기술적인 문제들이 나타나게 되며, 이러한 기술적인 문제점 해결을 위해 태양전지와 계통선 사이에 전기적인 절연이 필요하며, 시스템의 제어장치가 복잡해진다. 그러나 연계시스템은 보수가 없고 고가의 축적설비가 필요 없으며 시스템효율이 높기 때문에 주택용 PV시스템으로 사용하기 위한 가장 이상적인 시스템 형태라 할 수 있다.



Fig. 3 Block diagram of the one direction utility line connection type




Fig. 4 Block diagram of the bidirection utility line connection type