이 글은 부분 음영 대응, 100kW 태양광 바이패스 다이오드 도통과 전역 탐색 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 바이패스 다이오드 도통에 따른 다중 피크 I-V 및 P-V 특성 수식 계산, 국부 최대점 트랩 방지를 위한 전역 최대 전력점 탐색(GMPPT) 범위 설계, 맺음말을 설명합니다.
바이패스 다이오드 도통에 따른 다중 피크 I-V 및 P-V 특성 수식 계산
부분 음영이 발생한 스트링에서는 인버터가 요구하는 동작 전류의 크기에 따라 두 가지 발전 영역이 형성됩니다. 첫 번째 영역은 스트링 전류가 음영 모듈의 한계 전류 이하인 구간입니다. 모든 모듈의 바이패스 다이오드가 도통되지 않고 20장의 모듈이 모두 발전에 참여합니다.
식 (4)에 N_unshaded = 15, V_mp_unshaded = 40V, N_shaded = 5, V_mp_shaded = 38V를 대입하면 스트링 전압은 790V가 됩니다. 이때의 전류는 음영 모듈에 제한되어 3.75A가 흐릅니다. 10개 스트링 전체의 국부 최대점(LMPP) 출력은 다음과 같이 계산됩니다.
식 (5)에 따라 계산한 국부 최대점의 총 출력은 790V와 37.5A의 곱인 29625W(29.625kW)가 됩니다.
두 번째 영역은 인버터가 3.75A를 초과하여 정상 모듈의 정격 전류인 12.5A를 인출하는 구간입니다. 음영 모듈의 바이패스 다이오드가 도통되며 음영 모듈은 발전에서 제외되고 순방향 전압 강하가 발생합니다.
식 (6)에 n_d = 3과 V_F = 0.7V를 적용하면 5장의 음영 모듈에서 발생하는 총 다이오드 전압 강하는 10.5V입니다. 따라서 바이패스 도통 시 스트링 전압은 600V에서 10.5V를 뺀 589.5V로 강하합니다. 이때 전역 최대점(GMPP)의 총 출력은 다음과 같습니다.
식 (7)에 따라 589.5V와 125A를 곱하면 전역 최대 전력은 73687.5W(약 73.688kW)에 도달합니다.
식 (8)에서 두 피크 사이의 전력 차이는 44062.5W(약 44.063kW)입니다. 바이패스 다이오드가 도통되는 고전류 영역을 추종하지 못하면 약 59.8%의 발전 출력을 상실하게 됩니다.
국부 최대점 트랩 방지를 위한 전역 최대 전력점 탐색(GMPPT) 범위 설계
종래의 섭동 관측(P&O) 방식이나 증분 콘덕턴스(IncCond) 제어 알고리즘은 현재 동작점 근처에서 미소한 전압 섭동을 주며 출력을 추종합니다. P-V 특성 곡선에 복수의 피크가 형성되면 초기 탐색 시작점에 가까운 국부 최대점(LMPP)에 갇히는 트랩 현상이 발생합니다. 인버터가 개방 전압에서부터 전압을 하강시키며 탐색할 경우 790V의 국부 최대점에서 탐색을 멈추어 막대한 발전 손실이 지속됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 인버터 제어기는 전역 최대 전력점 추종(GMPPT) 알고리즘을 주기적으로 수행해야 합니다. 전역 탐색의 핵심은 인버터가 운전 가능한 전압 스윕 범위를 설정하는 것입니다.
식 (9)에서 계통 연계 인버터의 MPPT 하한 전압 V_min_mppt는 일반적으로 개방 전압의 50% 수준인 480V로 설정하고, 상한 전압 V_max_mppt는 개방 전압의 90% 수준인 864V로 설정합니다. 이 범위 안에서 주기적으로 전압을 넓게 스윕하여 모든 피크의 전력을 스캔합니다.
식 (10)은 전역 전압 스윕을 동작시키는 전력 변동 판정 조건입니다. 상시 운전 중에는 5분에서 10분 간격으로 주기적 스윕을 수행하며, 식 (10)과 같이 급격한 일사 변화나 음영 발생으로 전력이 이전 주기 대비 5% 이상 변동하면 즉시 전역 스캔 루틴을 활성화하여 최적 동작점을 589.5V로 재설정합니다.
맺음말
100kW급 계통 연계 태양광 발전 시스템에서 부분 음영이 발생할 때 바이패스 다이오드의 동작과 전역 탐색 제어 기준을 정량적으로 도출했습니다. 20직렬 10병렬 구조에서 5장의 모듈에 음영이 발생할 경우 바이패스 다이오드 미도통 영역인 790V에서는 29.625kW의 국부 최대점(LMPP)이 형성되고, 다이오드가 도통되어 10.5V의 전압 강하가 발생하는 589.5V에서는 73.688kW의 전역 최대점(GMPP)이 형성됨을 확인했습니다.
단일 피크 추종 방식의 제어기는 790V의 국부 최대점에 고착되어 44.063kW의 손실을 유발하므로 인버터 제어기에 480V부터 864V까지의 MPPT 전압 범위를 주기적으로 스캔하는 전역 탐색(GMPPT) 알고리즘을 반드시 적용해야 합니다.
실무 설계와 유지보수에서는 바이패스 다이오드의 열 설계를 면밀히 점검해야 합니다. 다이오드가 도통되면 12.5A의 전류가 지속적으로 흐르면서 모듈당 약 26.25W의 도통 손실(3 * 0.7V * 12.5A)이 접션 박스 내부에서 열로 방출됩니다. 장시간 부분 음영이 지속되면 다이오드 열화로 인한 단락 고장이 발생할 수 있으므로 방열 설계 기준을 충족하는지 확인하고 주기적인 열화상 진단을 통해 핫스팟과 다이오드 건전성을 점검해야 합니다.
이것으로 시리즈를 마칩니다. 앞선 편들과 함께 읽으면 전체 흐름을 파악할 수 있습니다.