MPPT는 태양광 발전 시스템에서 사용되는 중요한 제어 기술입니다. MPPT 컨트롤러는 태양광 패널의 전압 출력을 실시간으로 지속적으로 모니터링하여 최적의 전압 및 전류 값을 추적함으로써 시스템이 최대 전력 출력을 달성할 수 있도록 합니다. 이 기술은 태양광 패널과 부하의 작동을 조정하면서 배터리를 효율적으로 충전하므로 태양광 발전 시스템의 '두뇌'라고 할 수 있습니다. 이 가이드에서는 MPPT의 정의, 작동 원리, 제품 선택에 대해 자세히 설명합니다.

 

MPPT란 무엇인가요?

최대 전력점 추적(MPPT)은 태양광 발전 시스템에 사용되는 첨단 기술입니다. 이 기술은 광도 및 온도 변화와 같은 다양한 환경 조건에서 태양광 모듈의 최적의 전력 출력 지점을 지능적으로 식별하고 유지합니다. 이 기술은 태양광 패널이 항상 최대 전력 출력을 낼 수 있도록 하여 시스템의 효율성과 전체 발전량을 향상시킵니다.

 

MPPT의 중요성

태양광 모듈의 전력 출력은 온도, 광도 및 부하와 같은 요소의 영향을 받습니다. 이러한 조건은 모듈의 전류-전압(I-V) 및 전력-전압(P-V) 특성 곡선에 변화를 일으킵니다.

그림과 같이 PV 모듈의 출력 전압과 전류는 I-V 곡선(주황색)과 P-V 곡선(파란색)을 따릅니다. 인버터가 최대 전력을 출력하려면 DC 전압이 빨간색 점에서 작동해야 하며, 이는 Vmp에서 Pmax의 최대 전력 지점을 나타냅니다. Vmp보다 높거나 낮은 전압에서 작동하는 경우 전력은 Pmax 아래로 떨어집니다. 따라서 트래킹이 없으면 인버터가 최적의 전압과 전류를 유지하지 못하여 전체 시스템에 영향을 미치지 않더라도 전력 손실이 발생합니다.

빛의 강도, 온도 및 음영의 변화에 따라 특성 곡선이 변화하기 때문에 최대 전력 지점을 지속적으로 추적해야 합니다. 최대 전력 지점은 오전에는 560V, 정오에는 520V, 오후에는 550V일 수 있습니다. 따라서 MPPT 컨트롤러는 패널이 하루 종일 일관되게 최대 전력을 공급하여 태양 에너지 낭비를 방지할 수 있도록 지속적으로 조정해야 합니다.

 

MPPT 컨트롤러의 작동 원리

MPPT 컨트롤러는 태양광 충전 컨트롤러라고도 하며, 태양광 시스템의 전력 생산을 최적화하기 위해 MPPT 기술을 사용합니다. 태양광 모듈 어레이의 MPPT 제어는 일반적으로 아래 그림과 같이 DC/DC 컨버터 회로에 의해 관리됩니다. 컨트롤러는 메인 루프 DC 전압과 출력 전류를 감지하고 태양광 어레이의 출력 전력을 계산하며 최대 전력 지점을 추적합니다.

구체적으로, 섭동 저항(R)과 MOSFET이 직렬로 연결됩니다. 안정적인 출력 전압 조건에서 저항을 통과하는 평균 전류는 MOSFET의 듀티 사이클을 조정하여 변화하여 전류 섭동을 생성합니다. 이 섭동은 PV 셀의 출력 전류와 전압을 변경합니다. 컨트롤러는 섭동 전후에 PV 셀의 출력 전력 및 전압 변화를 측정하여 다음 사이클의 섭동 방향을 결정합니다. 섭동으로 인해 태양광 패널의 출력이 증가하면 같은 방향으로 계속 진행합니다. 그렇지 않으면 방향을 바꿉니다. 이러한 반복적인 섭동 및 관찰 과정을 통해 태양광 패널이 최대 전력 지점에서 작동하도록 보장합니다.

MPPT 충전 컨트롤러의 주요 기술 지표

• 추적 효율성: 이 지표는 일반적으로 백분율로 표시되는 최대 전력 지점을 따르는 MPPT 알고리즘의 능력을 측정합니다. 특정 기간 동안 태양광 어레이의 가능한 최대 전력에 대한 MPPT 알고리즘의 전력 출력 비율입니다. 추적 효율이 높을수록 MPPT 알고리즘이 최적의 전력 출력을 유지하는 데 더 효과적임을 나타냅니다.
• 응답 속도: 이 지표는 MPPT 알고리즘이 태양광 어레이의 출력 전력 변화에 얼마나 빨리 반응하는지를 나타냅니다. 응답 속도가 빠를수록 알고리즘이 최대 전력 지점에 빠르게 적응하여 전력 손실을 최소화할 수 있습니다. 응답 속도는 일반적으로 밀리초 단위로 측정됩니다.
• 안정성: 이 지표는 다양한 조건에서 최대 전력 포인트를 일관되게 추적하는 MPPT 알고리즘의 기능입니다. 일사량, 온도, 부하와 같은 요인은 끊임없이 변화하여 태양광 어레이의 출력 전력에 영향을 미칩니다. 안정적인 MPPT 알고리즘은 이러한 변화에 신속하게 적응하여 최대 전력 지점 근처에서 작동을 유지할 수 있습니다.

 

태양광 시스템에서 MPPT를 위한 일반적인 알고리즘

태양광 어레이의 최대 전력점 추적(MPPT) 기술은 전 세계적으로 연구 및 실제 적용 분야에서 다양한 제어 방법의 개발을 이끌어냈습니다. 음영이 없는 조건에서 PV 어레이의 MPPT에 일반적으로 사용되는 제어 방법에는 정전압 추적(CVT), 섭동 및 관측(P&O), 증분 컨덕턴스(INC) 등이 있습니다.

아래는 이 세 가지 알고리즘에 대한 소개와 비교입니다:

1. 정전압 추적(CVT)

정전압 방식의 기본 원리는 다양한 일사량 조건에서 PV 셀의 출력 P-U 곡선에서 최대 전력 지점의 전압이 특정 일정한 값에 가깝게 유지된다는 것입니다. CVT 방식은 PV 셀의 출력 전압을 제어하여 이 일정한 전압을 유지함으로써 셀이 작동 과정 내내 최대 전력 지점 근처에서 작동할 수 있도록 합니다.

• 장점: CVT 방식은 직접 매칭보다 높은 출력을 생성하며 특정 조건에서 MPPT 제어를 간소화할 수 있습니다. 구현이 간단하고 비교적 안정적이며 높은 정확도가 필요하지 않은 안정적인 기후 조건의 지역에 적합합니다.
• 단점: 이 방법은 주변 온도가 변할 때 최대 전력점을 효과적으로 추적하지 못하기 때문에 적응성이 떨어지고 정확도가 낮습니다.

2. 섭동 및 관측(P&O)

P&O 방식은 태양광 셀의 출력 전압을 주기적으로 교란(조정)하고 그에 따른 전력 변화를 관찰하는 방식입니다. 전력이 증가하면 같은 방향으로 조정을 계속합니다. 전력이 감소하면 방향이 반대로 바뀝니다. 이 피드백 루프는 최대 전력 지점에 도달할 때까지 계속됩니다.

• 장점: P&O 방식은 구현이 간단하고 하드웨어에 쉽게 통합할 수 있습니다.
• 단점: 응답 속도가 느리기 때문에 태양광 발전소나 가로등처럼 햇빛의 강도가 서서히 변하는 경우에만 적합합니다. 또한 최대 전력 지점 주변에서 작은 진동이 발생하여 약간의 전력 손실이 발생할 수 있습니다.

3. 증분 컨덕턴스(INC)

INC 방법은 PV 어레이의 P-U 곡선의 1차 미분을 사용하여 최대 전력 지점을 찾습니다. 이 방법은 컨덕턴스의 변화율(G = I/U)과 순간 컨덕턴스 값을 기반으로 다음 조정 방향을 결정합니다.

• 장점: INC 방식은 이전 전압이나 전력에 의존하지 않고 전적으로 컨덕턴스 변화율과 순간 음의 컨덕턴스 값에 의존하기 때문에 P&O보다 정확도가 더 높습니다. 햇빛 강도의 급격한 변화에 빠르게 적응할 수 있어 정확도가 높습니다.
• 단점: 이 알고리즘은 더 많은 하드웨어 센서를 필요로 하므로 비용이 증가합니다. 따라서 더 간단한 P&O 방식이 여전히 널리 사용되고 있습니다.

 

MPPT와 PWM: 주요 차이점 및 장점

MPPT와 PWM(펄스 폭 변조)은 태양광(PV) 시스템에서 사용되는 두 가지 일반적인 제어 전략입니다. 이러한 시스템의 효율적이고 안정적인 작동을 보장하는 핵심 구성 요소인 MPPT와 PWM 컨트롤러는 기능, 효율성 및 적용 가능한 시나리오 측면에서 크게 다릅니다.

1. 작동 원리의 차이

• PWM 컨트롤러: PWM 컨트롤러는 펄스 폭을 조정하여 회로의 전압과 전류를 조절합니다. PWM 신호의 높은 레벨 지속 시간이 길수록 회로의 스위칭 시간이 길어져 부하를 통해 전류가 흐르는 시간이 증가하여 전력 출력을 제어합니다.
• MPPT 컨트롤러: MPPT 컨트롤러는 태양광 패널의 전압과 전류를 실시간으로 모니터링하고 특정 알고리즘을 사용하여 최적의 작동 상태를 결정합니다. 또한 부하 임피던스 또는 작동 전압을 조정하여 패널이 항상 최대 전력 출력으로 작동할 수 있도록 합니다. 이 프로세스는 자동으로 이루어지며 사람의 개입이 필요하지 않습니다.

2. 효율성 및 성능

• PWM 컨트롤러: PWM 컨트롤러는 태양광 패널의 최대 출력을 충분히 활용할 수 없어 상대적으로 효율이 낮아 최대 70-80%의 충전 변환 효율을 달성합니다.
• MPPT 컨트롤러: MPPT 컨트롤러는 전압과 전류를 실시간으로 모니터링하여 최대 전력점(P=U*I)을 추적할 수 있어 훨씬 더 효율적입니다. 그 결과 최대 전력 출력으로 배터리를 충전하여 최대 99%의 추적 효율을 달성하고 전체 시스템 발전 효율은 기존 시스템보다 약 50% 높은 최대 97%를 달성할 수 있습니다.

3. 적용 가능한 시나리오

• PWM 컨트롤러: 이러한 컨트롤러는 비용 제약이 높고 효율 요구 사항이 낮은 시나리오에 적합합니다. 제어 전략이 단순하기 때문에 PWM 컨트롤러는 비용 효율성이 높고 저비용, 소규모 태양광 발전 시스템에 이상적입니다.
• MPPT 컨트롤러: 이러한 컨트롤러는 높은 시스템 효율이 필요한 시나리오에 더 적합합니다. 대규모 태양광 발전소, 분산형 태양광 발전 시스템 및 기타 고효율 요구 사항에서 MPPT 컨트롤러는 장점을 극대화하고 시스템의 전반적인 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

 

MPPT 컨트롤러 선택의 핵심 요소

태양광 발전 시스템을 효율적이고 안정적으로 운영하려면 올바른 MPPT 컨트롤러를 선택하는 것이 중요합니다. 선택 시 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다:

1. 시스템 전압 및 전류

• 입력 전압 범위: MPPT 컨트롤러의 입력 전압 범위가 다양한 조건에서 PV 모듈의 전압 출력을 커버하는지 확인합니다. 일반적으로 컨트롤러의 입력 전압 범위는 PV 모듈의 개방 회로 전압(Voc)보다 높아야 합니다.
• 입력 전류 용량: 컨트롤러의 입력 전류 용량은 최소한 PV 모듈의 단락 전류(Isc)와 같아야 합니다. 안전과 효율성을 위해 최대 단락 전류보다 20~25% 높은 전류 용량을 선택하는 것이 좋습니다.
• 출력 전압 및 전류: 컨트롤러의 출력 전압과 전류가 부하 또는 에너지 저장 장치의 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

2. 전력 등급

• 전력 용량: MPPT 컨트롤러의 정격 전력은 PV 시스템의 총 전력과 일치해야 합니다. 컨트롤러가 최대 전력 지점에서 PV 모듈의 출력 전력을 처리할 수 있는지 확인합니다. 일반적으로 컨트롤러의 전력 용량은 과부하를 방지하기 위해 PV 시스템의 최대 전력보다 높아야 합니다.

3. 호환성

• 배터리 유형: PV 시스템에 에너지 저장 장치(예: 배터리)가 포함된 경우 MPPT 컨트롤러가 사용되는 배터리 유형(납산, 리튬 이온, 니켈-카드뮴 등)과 호환되는지 확인하세요.
• 시스템 아키텍처: 독립형, 그리드 연결형, 하이브리드형 등 시스템 아키텍처에 적합한 MPPT 컨트롤러를 선택하세요.

 

상위 6대 태양광 MPPT 컨트롤러 브랜드

태양광 발전의 인기가 높아짐에 따라 태양광 시스템의 수명을 연장하려면 고품질의 적응성 있고 안정적인 태양광 컨트롤러를 선택하는 것이 필수적입니다. 이러한 컨트롤러는 효율적인 작동을 보장할 뿐만 아니라 사용자 편의를 위한 다양한 추가 기능도 제공합니다. 다음은 전 세계 상위 6개의 MPPT 컨트롤러 브랜드입니다:

1. 모닝스타(미국)

1993년 설립된 이래로 Morningstar 제품은 통신 기지국, 현장 모니터링, 섬 전원 공급 장치 및 기타 중급 및 고급 산업 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 신뢰할 수 있고 잘 알려진 브랜드입니다. 예를 들어, 40A 12/24V MPPT 컨트롤러의 가격은 약 $570입니다.

 

2. 빅트론 에너지(네덜란드)

전원 공급 장치 제조 분야에서 40년의 경험을 쌓은 Victron Energy의 제품은 독립형 전원 시스템을 위한 전문적인 선택으로 인정받고 있습니다. 선시커, 페레티, 페어라인과 같은 유명 요트 브랜드는 물론 국내 요트 및 특수 차량 제조업체에서 표준 장비로 사용되고 있습니다. 블루투스가 내장된 30A 12/24V MPPT 컨트롤러의 가격은 약 $170입니다.

 

3. EPEVER(중국)

2007년 베이징에서 설립된 EPEVER는 태양광 컨트롤러, 독립형 인버터 및 하이브리드 에너지 시스템의 R&D, 생산, 판매 및 서비스에 주력하는 태양광 업계의 선도적인 기업입니다. 비용 효율성과 성능으로 잘 알려진 이 회사의 30A 12/24V MPPT 컨트롤러의 가격은 약 $90입니다.

 

4. PHOCOS(독일)

2000년 독일 울름에서 설립된 PHOCOS는 독립형 태양광 발전 시스템용 부품을 제조하는 세계 최대 규모의 제조업체 중 하나입니다. 태양광 충전 컨트롤러, DC 형광등 등을 생산합니다. 예를 들어, 20A 12/24V IP68 방수 컨트롤러의 가격은 약 $90입니다.

 

5. STECA(독일)

STECA는 대규모 태양광 충전 컨트롤러 전문 제조업체입니다. 중소규모 태양광 시스템용으로 설계된 이 회사의 제품은 대부분의 태양광 발전 시스템과 DC 부하 제어에 적합한 6A~140A 범위의 충전 전류와 강력한 기능을 제공합니다.

 

6. Renogy(중국/미국)

2010년 미국에서 설립된 Renogy는 글로벌 소비자 신에너지 분야의 선도적인 브랜드가 되었습니다. 독립적이고 깨끗한 에너지 공급에 전념하는 Renogy는 새로운 에너지 제품 설계, 기술 R&D 및 글로벌 서비스에 중점을 두고 있습니다. 30A 12/24V MPPT 컨트롤러의 가격은 약 $130입니다.

 

최종 생각

MPPT 기술은 태양광 발전 시스템에서 없어서는 안 될 부분입니다. 시스템 효율을 효과적으로 개선하고 발전량을 늘릴 수 있습니다. 그러나 효율적인 MPPT를 달성하는 것은 쉽지 않으며 많은 기술적 어려움을 극복해야 합니다. 앞으로 지능형 알고리즘과 효율적인 하드웨어의 개발로 MPPT 기술은 더욱 개선되어 태양광 산업을 발전시킬 것입니다.