태양광 발전 효율 높이는 기술 – 인버터 MPPT 기능

태양광 발전 효율을 높이는 인버터 MPPT 기능에 대해 알아봅니다. MPPT란 무엇이고, 여러 개의 MPPT가 있는 이유, 그리고 스트링 인버터는 뭔지와 스트링(String)과 MPPT 연결 등 인버터의 핵심 기술인 MPPT를 설명해드립니다.

MPPT(Maximum Power Point Tracker)란?

• MPPT는 인버터 내부에 있는 “최대 전력 추적 장치” 또는 “회로”입니다
• 태양광 패널은 온도, 일조량 등의 주변 환경 조건이 변할 때마다 발전하는 전압(V)과 전류(A)가 계속 변하는데, 이러한 환경 조건의 결과로 인해 가장 많은 전기를 생산할 수 있는 최적의 작동 전압과 전류 값(최대 전력점) 또한 계속 바뀝니다.
• MPPT는 이 중에서 가장 많은 전력(kW)을 생산할 수 있는 지점(최대 전력점)을 실시간으로 찾아내어 발전 효율을 극대화하는 역할을 합니다.

즉, MPPT는 태양광 발전 시스템의 효율을 최대로 끌어올리는 인버터의 두뇌 역할을 하는 가장 중요한 기술

🚗 쉬운 비유: 자동차의 기어(Gear) 변속

인버터 MPPT의 역할을 가장 잘 설명해 주는 것은 자동차의 자동 변속기와의 비유입니다.

1. 태양광 패널 (엔진): 태양광 패널은 자동차 엔진과 같습니다. 햇빛이 강하면 힘(출력)이 세지고, 약하면 힘이 약해집니다.
2. 인버터 (운전자): 인버터는 엔진의 힘을 받아서 바퀴(계통)를 굴리는 운전자입니다.
3. MPPT (자동 변속기):
   • 평지를 달릴 때 (맑은 날), MPPT는 높은 효율을 위해 고단 기어(높은 전압)를 선택하여 빠르게 달립니다.
   • 오르막을 오를 때 (흐린 날 또는 낮은 온도), MPPT는 힘이 부족해지자 즉시 저단 기어(낮은 전압, 높은 전류)로 변속하여 엔진의 힘을 짜내 가장 효율적으로 오르막을 넘게 해줍니다.

즉, MPPT는 외부 환경(햇빛, 온도)이 바뀌는 순간마다 패널의 출력을 실시간으로 측정하여 가장 큰 힘을 낼 수 있도록 전압과 전류의 조합(기어)을 끊임없이 바꿔주는 장치입니다.

MPPT가 여러 개인 이유 (다중 MPPT)

위 이미지는 굿위 인버터 GW110K-GT-KR 모델인데요. 이 인버터에 MPPT 6개를 가지고 있는 이유는 무엇일까요?

이는 태양광 패널의 환경 요인을 극복하고 발전 효율과 유연성을 가진 발전소 설계를 위해서입니다.

① 그림자 및 환경 요인 극복 (핵심 이유)

MPPT는 스트링(태양광 패널 직렬 연결 그룹)별로 독립적인 ‘차선’ 역할을 합니다.

상황	MPPT가 하나만 있다면?	다중 MPPT가 있다면?
나무 그늘	하나의 스트링(전체 차선)에 그늘이 지면, 전체 시스템의 전력 생산이 그늘진 가장 약한 모듈 수준으로 떨어집니다 (도미노 현상).	그늘진 스트링은 그 스트링의 MPPT만 효율이 떨어집니다. 다른 MPPT에 연결된 스트링은 영향을 받지 않고 최대 효율을 유지합니다.
설치 방향 차이	모든 패널의 방향이나 각도가 다르면(예: 일부는 동쪽, 일부는 서쪽), 전체 시스템의 효율이 가장 비효율적인 방향에 맞춰집니다.	MPPT 1은 동쪽 스트링의 일출 효율을, MPPT 2는 서쪽 스트링의 일몰 효율을 개별적으로 최적화하여 전체 발전량을 늘립니다.

부연 설명하면, 인버터 MPPT 수가 많고, MPPT당 스트링을 여러 개 연결할 수 있으면 시스템 설계 유연성이 높아집니다.

• 배치 유연성: 지붕 방향이 다르거나(동, 서, 남), 음영 조건(나무나 건물 그림자)이 다른 구역이 있을 때, 각 구역을 별도의 스트링으로 만들어 다른 MPPT에 연결하면 음영의 영향을 덜 받고 발전량을 최대로 유지할 수 있습니다.
• 시스템 확장: 하나의 인버터로 대용량 시스템을 구축할 때, 많은 패널을 효율적으로 배선하고 관리할 수 있게 됩니다.

여기서 스트링 (String)이란?

• 스트링은 여러 개의 태양광 패널을 직렬(줄줄이)로 연결한 하나의 그룹(덩어리)를 말합니다. (태양광 패널 직렬 연결 그룹, 중앙 집중식)
• 패널들을 직렬로 연결하면 전압이 높아져 인버터가 효율적으로 작동할 수 있는 수준의 전압(200 ~ 950V 범위)이 됩니다.
• 하나의 스트링은 인버터의 DC 입력 단자에 연결됩니다.

MPPT당 스트링 수 (Strings per MPPT)의 의미는?

그러면, 인버터 MPPT당 스트링 수의 의미는 무엇일까요?

MPPT당 스트링 수란 하나의 MPPT(최대 전력점 추적) 회로에 연결할 수 있는 스트링의 개수를 의미합니다.

• 굿위 SMT 시리즈 자료를 보면, “MPPT 당 스트링 수”는 2로 명시되어 있습니다.
• 이는 하나의 MPPT 회로에 최대 2개의 독립적인 스트링을 연결할 수 있다는 뜻입니다.
• 예를 들어, GW50K-SMT-KR 모델은 MPPT가 총 6개이므로 6(MPPT 수) x 2(스트링 수/MPPT) = 총12개의 스트링을 인버터에 연결할 수 있습니다.

여기서 한 가지 의문이 들 수 있는 것은 하나의 MPPT 당 스트링 2개인 경우, 한쪽 스트링에 문제가 있으면 다른 쪽 스트링에 영향을 미치는 가입니다.

결론부터 말하면,

MPPT 당 스트링 2개를 연결하는 것은 인버터 내에서 두 스트링을 병렬 연결하여 하나의 MPPT 회로에 입력하는 것을 의미하는데, 인버터 설계 방식에 따라 영향이 있을 수도 있고 없을 수도 있지만, 최신 고성능 인버터는 대부분 영향이 없도록 설계됩니다.

최신 고성능 상업용 인버터(예: 굿위 SMT)의 MPPT 입력단에는 각 스트링마다 보호용 다이오드(Diode)가 설치되어 있습니다.

상황	원리	결과
스트링 1에 문제 발생 (고장/그늘)	스트링 1에서 전류가 흐르지 않거나 약해집니다.	스트링 2는 다이오드 덕분에 문제가 발생한 스트링 1로 전류가 역류하는 것을 차단합니다.
스트링 2의 발전	스트링 2는 정상적으로 발전하여 전류를 MPPT로 보냅니다.	스트링 2의 발전량에 거의 영향이 없습니다. 다만, MPPT 회로는 전체 전류가 줄어든 것을 감지하고 다시 최적점을 찾습니다.

💡비유를 들어서 설명하면, 쌍둥이 호스 2개가 수도꼭지(MPPT)에 연결되어 있습니다. 한 호스에 구멍이 났을 때, 다른 호스에서 나온 물이 구멍 난 호스로 되돌아가는 것을 역류 방지 밸브(다이오드)가 막아주는 원리와 같습니다.

② 유연한 발전소 설계

인버터 MPPT가 여러 개 있으면, 발전소 설계 시 서로 모듈 개수가 다른 스트링이나 지붕 모양이 복잡한 경우에도 효율적인 연결이 가능해집니다.

예를 들어, 옥상 A 구역은 모듈 18장 스트링 2개, 옥상 B 구역은 모듈 22장 스트링 1개로 구성되어도, MPPT별로 각각 연결하여 모든 스트링을 최대 효율로 운영할 수 있습니다.

결론적으로, 다중 MPPT는 발전소의 부분적인 문제(그늘, 오염 등)가 전체 발전량에 영향을 미치는 것을 막아주고, 복잡한 환경에서도 최적의 전압-전류 조합을 찾아서 최대 발전 효율을 달성하게 해주는 핵심적인 스마트 기능입니다.

※ MPPT가 ‘최적의 전압-전류 조합‘을 찾았다는 것은, 인버터가 패널에서 그 조합의 전력을 가져와야 한다는 의미입니다. 이 전압과 전류를 조절하는 것은 인버터 내부에 있는 DC-DC 컨버터라는 장치가 담당합니다.

DC-DC 컨버터라는 장치 알아보기

① DC-DC 컨버터 (Buck Converter)

태양광 인버터의 MPPT 회로는 주로 벅 컨버터 (Buck Converter)라는 장치를 사용하여 전압과 전류를 조절합니다.

• 벅 (Buck)의 의미: 영어로 ‘줄이다’라는 뜻처럼, 입력된 직류 전압을 출력 전압보다 낮게 만듭니다.

② ‘전기 펌프’와 ‘밸브’ 비유

DC-DC 컨버터는 물의 흐름을 조절하는 펌프 시스템과 같습니다.

전력 용어	물의 흐름 비유	원리
태양광 패널	저수지 (일정한 물이 들어옴)	직류(DC) 전력을 생산
MPPT 알고리즘	지시 장치	“최대 효율을 위해 800V로 맞춰!”라고 지시
DC-DC 컨버터	전자식 밸브 (스위칭 소자)	인버터 내부의 스위치를 고속으로 켜고 끔으로써 패널이 생산하는 전압을 인위적으로 조정합니다.

③ 전압 조절 과정 알아보기

인버터 MPPT가 “현재 800V일 때 최대 전력이야!”라고 판단했다고 가정합시다.

1. 컨버터의 스위칭 (On/Off): DC-DC 컨버터 내부에는 스위칭 소자(Switching Device)가 있습니다. 이 소자를 매우 빠른 속도(수백 kHz)로 켜고(On) 끄면서(Off) 전기를 잘게 쪼갭니다.
2. 전압의 변화: 이 스위칭의 켜짐/꺼짐 비율(Duty Cycle)을 조절하여 패널 쪽의 전압을 제어합니다.
   • 더 높은 전압이 필요할 때: 켜짐 비율을 높여 더 많은 전기를 가져옵니다.
   • 더 낮은 전압이 필요할 때: 켜짐 비율을 낮춰 전기를 조금만 가져옵니다.
3. 결과: 인버터가 이 스위칭 제어를 통해 패널이 가장 효율적인 800V의 전압을 유지하도록 ‘끌어당기거나(Pull)’ ‘밀어내서(Push)’ 전력 생산을 극대화합니다.

즉, MPPT는 지시를 내리는 두뇌이고, DC-DC 컨버터는 실제로 전압과 전류를 조절하는 손발 역할을 하는 것입니다.

여기서 또 하나의 의문으로 DC-DC 컨버터는 각 MPPT마다 있는 것인가? 입니다.

MPPT가 실시간으로 전압과 전류를 조절하는 역할을 하려면, 그 역할을 수행할 하드웨어 장치인 DC-DC 컨버터가 필요하고, 다중 MPPT 인버터는 MPPT의 개수만큼 독립된 DC-DC 컨버터 회로를 가지고 있습니다.

구분	MPPT가 하나일 때	MPPT가 여러 개일 때 (굿위 SMT)
컨버터 개수	1개	MPPT 개수만큼 (예: 10개)
제어 독립성	없음 (하나의 통일된 제어)	완전한 독립 제어

💡10개의 MPPT는 10개의 독립된 지점에 있는 10명의 개별 운전자(MPPT 알고리즘)와 같습니다. 각 운전자는 자신의 차량(스트링 그룹)을 최적의 속도(최대 전력점)로 주행시키기 위해 자신의 기어 박스(DC-DC 컨버터)를 독립적으로 조작할 수 있습니다.

따라서 굿위 GT 인버터처럼 MPPT가 10개라면, 인버터 내부에는 10개의 독립된 DC-DC 컨버터 회로가 존재하며, 이들이 각각 할당된 스트링 그룹의 전력을 실시간으로 최적화합니다.