2.1 연구 방법

본 연구를 수행하기 위해서 동일 장소에 다양한 종류의 인버터를 설치 후 각 인버터별 발전량을 확인 및 평가해야 하므로 실제 운영 중인 발전소 중 전남 광양에 위치한 발전소를 선정하여 모니터링을 진행하였다.

첫 번째로 센트럴 타입 인버터와 스트링 타입 인버터의 발전량을 비교 분석하였고, 두 번째로는 하나의 MPPT를 가진 스트링 인버터와 여섯 개의 MPPT를 가진 스트링 인버터의 발전량을 월별(계절별) 기상 상태별 (맑은 날, 구름낀 맑은 날, 흐린 날, 비오는 날) 발전량을 비교 분석 하였다.

2.2 태양광 발전소 현황 및 시스템 구성

실증을 위한 발전소는 전남 광양에 있는 총 6.5 MWp로 건설된 발전소로 2.5MWp, 1MWp, 500kWp 등 다양한 용량으로 구성되어 있다. MW 이상 발전소는 그림 2와 같이 센트럴타입 인버터를 적용하여 발전을 하고 500kW 이하 발전소에서는 스트링타입 인버터를 적용해서 발전을 하고 있다. 스트링타입 인버터를 적용한 발전소는 다시 아래 그림 3과 같이 1개의 MPPT를 가진 스트링 인버터와 그림 4와 같이 6개의MPPT를 가진 멀티스트링 인버터로 나뉜다⁽⁶⁾.

2.3 모니터링 구성 현황

모니터링 시스템은 해당 발전소의 발전량 및 그 지역의 기상 환경, 모듈온도, 일사량까지 실시간으로 확인 할 수 있도록 구성되어 있으며 데이터 수집 방법은 그림 5와 같다.

각 구역별 전체 장비들에 대해 RTU와 각각 RS485 통신을 통해서 데이터를 수집하고 수집된 데이터는 TCP/IP 통신을 통해 인터넷으로 원격에서 확인 할 수 있다. 또한 모든 데이터는 클라우드 서버에 저장되어 언제든지 확인이 가능하도록 했다.

3.1 월별 발전량

월별 발전량 분석은 센트럴인버터로 운영 중인 발전소와 스트링인버터로 운영 중인 발전소의 월간 발전량 데이터를 확인 후 발전량 차이를 비교 분석 하였다. 그림 6은 센트럴인버터를 운영 중인 발전소의 발전량 그래프이며, 그림 7은 스트링인버터로 운영 중인 발전소의 발전량이다.

그림 6 및 그림 7의 그래프를 보면 겨울철에는 상대적으로 발전량이 적고 봄, 가을의 경우에는 발전량이 많은 데 이를 통해 태양광 발전 방식이 날씨의 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다. 그리고 연간 단위로 보면 스트링 인버터의 발전량이 많은 것을 확인 할 수 있는데 이러한 발전량의 차이는 다음과 같이 분석 할 수 있다.

첫째, 하루 동안의 인버터 가동시간의 차이에서 발생하는데 이는 각각의 인버터의 운전 시작 시간과 정지 시간을 나타낸 그림 8과 9를 통해 확인 가능하다. 둘째, 센트럴 인버터의 경우 기상상태에 따라 PV모듈에서의 발전량(입력량)이 적을 경우 발전을 정지하기 때문인데 이러한 이유로 그래프 중간 중간 값이 튀는 현상이 발생하게 된다. 따라서 스트링 인버터의 발전량이 센트럴 인버터의 발전량 보다 연간 40MWh 정도 더 많은 발전을 한 것으로 나타나며 이를 금액으로 환산하면 대략 600백만 원 이상의 차이를 보이게 된다.

3.2 기상 조건별 발전량 분석

스트링인버터에서의 MPPT 개수의 차이가 기상 조건별로 발전량의 차이를 보이는 지에 대한 실증 분석을 수행하였으며 기상 조건은 발전량과 기상 상태의 변화가 가장 많은 7월을 기준으로 맑은 날, 구름 낀 맑은 날, 흐린 날, 비오는 날 등 4가지 경우에 대해서 하루 동안의 발전량 차이 및 효율 특성을 비교 하였다. 먼저 그림 10, 11 및 12, 13은 맑은 날 및 구름 낀 맑은 날 기준 일사량 및 발전량의 비교 그래프이다.

맑은 날의 경사 최대 일사랑은 850[W/㎡]을 넘고 평균 일사량도 300[W/㎡] 이상으로 두 인버터 모두 발전량은 MPPT의 개수에 따른 영향 없이 발전량 및 효율 모두 높다. 그리고 구름 낀 맑은 날의 경우에는 최대 일사량의 차이는 별로 없지만 평균 일사량은 맑은 날 대비 약 50% 정도 줄어든 150[W/㎡]을 기록해서 발전량은 현저히 줄어든 것을 볼 수 있다. 그러나 효율은 각각 97.8%와 98.3%를 기록했으며 두 데이터를 보면 음영 등이 발전량에 미치는 영향이 큰 가를 알 수 있다.

다음은 흐린 날 및 비오는 날의 일사량 및 발전량에 대한 그래프로 그림 14, 15 및 16, 17에 나타내었다. 먼저 흐린 날의 경우 그림 14와 같이 평균 일사량이 50[W/㎡] 미만으로 발전량도 50[kWh]이하로 떨어진 상황이다. 그리고 효율의 차이도 맑은 날 및 구름 낀 맑은 날에서는 0.5~0.7% 정도 차이를 보인데 반해 흐린 날의 경우에는 2.4% 정도로 큰 차이를 보이고 있다. 그리고 6개의 MPPT를 가진 인버터는 97.7%로 높은 효율을 기록하였다.

그림 16, 17은 비오는 날에 대한 일사량 및 발전량에 대한 그래프이다. 다른 기상상태인 경우에 비해 적지만 비가 오는 날에도 발전을 하고 있는 것을 보여주고 있으며 평균 일사량의 경우는 20[W/㎡] 이하로, 맑은 날 대비 5% 미만의 일사량을 기록 했으며 이에 따라서 발전량도 20[kWh] 이하를 보이고 있다. 또한 인버터의 효율도 같이 하락하였으나 상대적으로 MPPT가 적은 인버터의 하락률이 커서 90% 이하로 떨어진 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 인버터의 MPPT 개수가 기상 상태에 미치는 영향에 대해서 확인 할 수 있었으며, 기상 상태가 좋은 맑은 날 보다는 기상 상태가 좋지 않은 날씨에 인버터의 MPPT 개수에 따른 영향이 큰 것을 확인하였다. 취득한 데이터를 종합하여 표 7에 정리하였고, 그림 18과 같이 인버터의 효율 곡선에 평균 부하율을 대입해서 확인해보면 급격한 효율저하가 일어나는 것을 확인 할 수 있다.