마이크로인버터를 하이브리드 인버터에 AC 커플링하여 배터리 백업 구성하기

마이크로인버터와 하이브리드 인버터를 함께 쓰게 되는 이유

마이크로인버터는 지붕 위에서 모듈마다 직류를 교류로 변환하므로, 직류는 모듈과 마이크로인버터 (외부 사이트로 연결됩니다) 사이의 짧은 리드선에만 존재하며 그 전압은 래피드 셧다운 규정이 어레이 경계 안에서 허용하는 80 V보다 훨씬 낮습니다. 전력망이 끊기거나 셧다운 스위치를 열면 계통연계형 마이크로인버터는 출력을 멈추고, 어레이 밖으로 나가는 도체에는 전압이 남지 않습니다. 마이크로인버터 시스템이 별도의 셧다운 장치 없이 NEC 690.12를 충족하는 이유가 여기에 있습니다. 규정의 연혁과 작동 원리는 뉴욕의 지붕 이격 거리와 래피드 셧다운 가이드와 인버터 안전 기능의 작동 원리 가이드에서 다룹니다.

한계는 소유주가 배터리를 원할 때 드러납니다. 마이크로인버터 브랜드의 자체 백업 시스템은 그 브랜드 생태계 안에서만 작동합니다. Enphase의 호환성 자료 (외부 사이트로 연결됩니다)에 따르면 Enphase 백업은 자사 시스템 컨트롤러와 IQ Battery를 사용하며, 배터리 없이 정전 중 태양광을 가동하는 Sunlight Backup은 IQ8 또는 IQ9 마이크로인버터가 필요합니다. 더 큰 배터리나 다른 브랜드의 배터리, 또는 향후 전기차 연동을 고려한 시스템을 원하는 소유주는 개방형 하이브리드 인버터를 대안으로 검토하는 경우가 많습니다.

하이브리드 인버터는 배터리 인버터와 태양광 인버터를 하나로 합친 장비입니다. 보통은 자체 MPPT 입력으로 패널을 직접 받는데, 최대 전력점 추종(MPPT) (외부 사이트로 연결됩니다)은 각 스트링의 동작 전압을 조정해 가장 많은 전력을 얻는 기능입니다. 기존 마이크로인버터 어레이를 AC 커플링하면 나중에 패널을 추가하지 않는 한 이 입력은 비어 있게 됩니다. Sol-Ark의 AC Coupling Residential Guide (외부 사이트로 연결됩니다)는 기존 인버터의 개조를 AC 커플링의 가장 흔한 용도로 꼽으며, 이 방식이 모듈 단위 모니터링을 유지한다고 설명합니다. 이 방식을 동일 브랜드 배터리, Powerwall 3와 비교한 내용은 기존 태양광에 배터리 추가하기 가이드에 있으며, 이 가이드는 커플링된 시스템이 실제로 어떻게 동작하는지를 설명합니다.

그리드 팔로잉과 그리드 포밍

계통연계형 마이크로인버터는 그리드 팔로잉(grid following) 방식입니다. 단자의 전압과 주파수를 측정해 동기화한 뒤 전류를 내보냅니다. 따라갈 전력망이 없으면 기동할 수 없고, IEEE 1547-2018이 요구하는 단독운전 방지 기능에 따라 의도하지 않은 단독운전(islanding) (외부 사이트로 연결됩니다), 즉 전력회사 공급이 끊긴 뒤에도 일부 계통에 전기가 계속 공급되는 상태가 발생하면 2초 이내에 출력을 멈춥니다.

배터리로 운전하는 하이브리드 인버터는 그리드 포밍(grid forming) 방식입니다. 전력회사처럼 스스로 전압과 주파수를 만들어 냅니다. 전력망이 끊기면 하이브리드 인버터는 내부 절체 릴레이를 열어 주택을 전력회사 계통에서 분리하고, 백업 회로에 전력을 공급합니다. 발전기 포트나 AC 커플링 포트에 연결된 마이크로인버터는 안정된 전원을 감지하고 자체 재연결 점검을 거친 뒤 발전을 재개합니다. 이 동안 전력회사 선로는 계속 분리되어 있으므로, 이 단독운전은 의도된 것이며 주택 안에 국한됩니다. 두 제어 방식에 대한 일반적인 설명은 인버터 기반 전원(Inverter-based resource) (외부 사이트로 연결됩니다) 항목을 참고하십시오.

Sol-Ark는 모든 AC 커플링 전원이 UL 1741, UL 1741 SA 또는 UL 1741 SB를 준수해야 한다고 명시합니다. 이 인증이 있어야 해당 전원이 Sol-Ark를 그리드 포밍 전원으로 인식하고, Sol-Ark가 출력 제한을 걸 때 분리되기 때문입니다. 같은 가이드는 커플링 전원을 발전기 단자에 연결했을 때 절체 시간을 5 ms로 제시합니다.

주파수 시프팅과 주파수-출력(frequency-watt) 제어

정전 중 부하가 쓰지 않는 태양광 전력이 갈 곳은 배터리뿐입니다. 배터리가 거의 차면 발전량을 줄여야 하지만, 하이브리드 인버터는 대개 마이크로인버터와 데이터 통신 연결이 없습니다. 그래서 자체 전력망의 주파수 (외부 사이트로 연결됩니다)를 신호로 사용합니다. Enphase와 Victron의 기술 자료 (외부 사이트로 연결됩니다)는 주파수 시프팅이 대부분의 배터리 인버터가 태양광 출력을 제어하는 방식이라고 설명합니다.

마이크로인버터 쪽의 반응은 주파수-출력(frequency-watt) 응답, 다른 말로 주파수 드룹(droop)입니다. 작은 불감대를 넘으면 주파수 상승에 비례해 출력을 줄이고, 과주파수 트립 설정값을 넘으면 분리됩니다. IEEE 1547-2018 (외부 사이트로 연결됩니다)은 주파수-출력 응답을 필수 기능으로 정하고 있으며, UL 1741 SB는 이 기준에 따라 인버터를 시험합니다.

뉴욕주 계통연계 실무그룹에 제출된 뉴잉글랜드 전력회사 설정 문서는 Category III 기본값 (외부 사이트로 연결됩니다)으로 불감대 0.036 Hz, 드룹 5퍼센트, 개루프 응답 시간 5초를 제시하고, 주파수-출력 기능은 끌 수 없다고 명시하며, 과주파수 트립을 61.2 Hz에서 300초, 62.0 Hz에서 0.16초로 정합니다. 드룹 5퍼센트란 불감대를 넘은 뒤 정격 주파수의 5퍼센트, 즉 60 Hz 계통에서 3 Hz만큼 주파수가 오르는 동안 출력이 최대에서 0까지 줄어든다는 뜻입니다.

Sol-Ark는 AC 커플링 전원을 켜고 끌 수만 있을 뿐 출력을 세밀하게 조절할 수는 없다고 분명히 밝히며, 오프그리드 상태에서 충전율 90퍼센트에서 커플링 전원을 끄고 60퍼센트에서 다시 켜도록 권장합니다. 또한 AC 커플링 전력으로는 약 95퍼센트까지만 충전하도록 안내합니다. 100퍼센트까지 충전하려 하면 과충전 위험이 있으므로, 완전 충전은 DC 커플링 패널로 해야 합니다.

마이크로인버터의 그리드 프로파일

그리드 프로파일은 인버터가 적용하는 트립 한계값, 운전 지속(ride-through) 시간, 계통 지원 기능의 묶음입니다. 전력망이 있을 때 하이브리드 인버터는 입력을 출력에 직접 연결하므로, 마이크로인버터는 전력회사 계통 자체를 보게 됩니다. Enphase와 Victron의 자료는 그 결과를 분명히 적고 있습니다. 마이크로인버터는 해당 지역의 계통 규정을 완전히 준수하고 적합한 그리드 프로파일로 운전해야 하며, 계통 운영자가 요구하는 경우 IQ Relay를 갖춰야 합니다. 뉴욕주의 표준 계통연계 요건(SIR) (외부 사이트로 연결됩니다)은 UL 1741 Supplement SB 인증 장비를 전력회사 설정으로 사용할 것을 요구합니다.

하이브리드 인버터 자체의 프로파일도 올바르게 설정해야 합니다. Sol-Ark는 AC 커플링을 활성화하기 전에 그리드 유형을 먼저 설정해야 한다고 안내합니다. 그리드 유형이 단독운전 방지 동작과 주파수 시프팅 한계를 결정하기 때문이며, 잘못 설정하면 제어 불량, 불필요한 정지, 전력회사 및 안전 기준 위반으로 이어질 수 있습니다.

실무적으로 중요한 점은 백업 운전용으로 정한 출력 제한 주파수가 전력회사 프로파일이 허용하는 범위 안에 있어야 하며, 커플링을 쉽게 하려고 마이크로인버터를 전력회사 프로파일에서 벗어나게 해서는 안 된다는 것입니다. 계통연계된 시스템의 운전 모드를 바꾸려면, 예를 들어 배터리 역송전을 허용하려면, 전력회사에 새로 신청해야 합니다.

북미 이외 지역에서는 같은 설계가 50 Hz로 운전됩니다. Enphase 자료는 EN 50549-1, VDE-AR-N 4105, 영국의 G98과 G99 같은 계통 규정을 들고, 국가에 따라 주파수 시프팅 시작점을 50.2~50.5 Hz, 분리점을 51.5~52.0 Hz로 제시합니다.

Factor 1.0 규칙에 따른 용량 산정

Victron의 Factor 1.0 규칙 (외부 사이트로 연결됩니다)은 태양광 최대 출력이 인버터/충전기의 25 °C 기준 연속 출력 이하여야 한다고 정합니다. 이유는 시간 차이에 있습니다. 태양광이 최대 출력일 때 큰 부하가 꺼지면, 마이크로인버터는 주파수가 충분히 오를 때까지 계속 발전하고, 그 사이 잉여 전력은 갈 곳이 없어 모두 배터리로 들어갑니다. 배터리가 거의 찬 상태라면 이로 인한 전압 급상승이 배터리 인버터를 트립시키거나 장비를 손상시킬 수 있습니다.

Victron은 연속 정격 2,400 W로 커플링 태양광 2,400 W까지 연결할 수 있는 MultiPlus-II 48/3000과, 정격 6,400 W인 Quattro 48/8000을 예로 듭니다. 기준값은 어레이의 최대 출력과 태양광 인버터 총 정격 중 낮은 쪽입니다. Enphase 자료는 이 규칙을 인버터/충전기의 VA 정격 기준으로 제시해, 8,000 VA Quattro에 최대 8,000 W, 즉 IQ7A 21대 또는 IQ7+ 27대 이하의 마이크로인버터를 허용합니다. 같은 모델에 대해 Victron이 직접 제시한 6,400 W가 더 보수적인 한도입니다. Victron은 또한 AC 커플링 태양광 1.5 kWp당 리튬 배터리 4.8 kWh를 최소 용량으로 정합니다.

Powerwall 3 수치는 테슬라의 AC 커플링 용량 산정 가이드 (외부 사이트로 연결됩니다)에서 가져왔습니다. 다른 브랜드는 제조사 설치 매뉴얼에 나온 한도를 따라야 하며, 온라인 포럼의 수치로 대신할 수 없습니다.

어레이 연결 위치: 발전기 포트, 계통 측, 그리고 부스바

Sol-Ark는 세 가지 연결 위치를 설명합니다. 권장 방식은 발전기(GEN) 단자입니다. 대부분의 인버터 기능이 유지되고, 정전 중에도 커플링 어레이가 계속 운전하며, 발전량이 모니터링 플랫폼에 표시되지만 배터리가 반드시 있어야 합니다. 계통 측 커플링은 배터리 없이도 가능하며 인버터가 역송전량을 측정할 수 있도록 외부 변류기(CT)가 필요하지만, 정전이 되면 커플링 어레이도 멈춥니다. 부하 측 커플링은 지원되지 않습니다.

실무에서는 Sol-Ark의 두 가지 제한이 중요합니다. 주택용 모델의 GEN 단자는 120/240 V 단상 3선식 전원만 받으므로, 120/208 V 3상 서비스를 쓰는 주택은 계통 측으로 커플링해야 합니다. 또한 시스템에 비상 발전기가 함께 있으면 GEN 단자를 마이크로인버터가 사용하므로 발전기는 계통 측에, 경우에 따라 자동 절체 스위치를 거쳐 연결해야 하며, 커플링 전력이 들어오는 동안 인버터는 발전기 입력을 받지 않습니다.

전기 패널(분전반)도 하이브리드 인버터의 출력을 수용할 수 있어야 합니다. NEC 705.12의 부스바 규정, 흔히 120퍼센트 규칙 (외부 사이트로 연결됩니다)이라 부르는 기준에 따르면, 인버터 차단기를 메인 차단기의 반대편 끝에 설치할 경우 인버터 연속 출력 전류의 125퍼센트와 메인 차단기 정격의 합이 부스바 정격의 120퍼센트를 넘을 수 없습니다. 200 A 부스바에 200 A 메인 차단기라면 여유는 40 A이며, 이는 32 A 인버터에 해당합니다. 하이브리드 인버터에서 어떤 전류를 기준으로 삼을지는, 통과 전류를 포함해, 제조사의 계통연계 지침과 일렉트리션의 설계로 정해지며, 조항 번호는 NEC 판마다 다릅니다. 전기 패널이 출력을 수용할 수 없으면 공급 측 연결이나 전기 패널 업그레이드를 검토합니다.

설계 전에 확인해야 할 한계와 질문

• 역송전: Sol-Ark는 AC 커플링 태양광만 있는 경우 Grid Sell을 꺼도 전력이 계통으로 역송될 수 있다고 밝히며, 역송전이 허용되지 않는 곳에서는 AC 커플링을 권장하지 않습니다. 역송전 불가 조건의 계통연계 계약이라면 중요한 사항입니다.
• 오프그리드 복구: 전력망이 없는 상태에서 배터리가 꺼지면 마이크로인버터는 하이브리드 인버터가 만든 전력망이 필요하므로 배터리를 다시 충전할 수 없습니다. 이 때문에 Victron은 오프그리드 및 장시간 백업 시스템에 DC 커플링 태양광 충전기를 요구하며, Sol-Ark도 AC 커플링만으로 구성한 영구 오프그리드 설계를 권장하지 않습니다.
• 효율: 저장되는 태양광 전력은 지붕에서 DC에서 AC로, 배터리용으로 다시 DC로, 부하용으로 또다시 AC로 변환되므로 AC 커플링은 DC 커플링보다 에너지 손실이 다소 큽니다.
• 구형 마이크로인버터: Supplement SA 이전의 UL 1741 인증만 받은 제품은 출력을 줄이지 않고 트립될 수 있어 태양광이 켜졌다 꺼졌다를 반복합니다. Enphase는 자사 IQ Battery와 함께 사용하면서 전력회사가 IEEE 1547-2018을 요구하는 경우 M 시리즈 마이크로인버터를 IQ7, IQ8 또는 IQ9 시리즈로 교체해야 한다고 밝히고 있습니다.
• 제조사 입장: Enphase는 IQ 마이크로인버터를 Victron 배터리 인버터에 커플링하는 방법에 관한 유럽용 기술 자료(2023년 5월)를 공개하고 있습니다. IQ8과 타사 배터리 인버터의 조합을 인정하는 현행 미국용 Enphase 문서는 찾지 못했으므로, 설계 전에 마이크로인버터 제조사의 서면 입장과 보증 조건을 확인해야 합니다.
• 모니터링: 하이브리드 인버터와 마이크로인버터는 서로 다른 시스템으로 데이터를 보고합니다. 두 시스템을 모두 로컬에서 읽는 방법은 RS485와 Modbus를 이용한 개방형 태양광 모니터링 가이드에서 설명합니다.

이 방식이 규정에 맞는 경로인 이유

이 설계의 모든 구성품은 인증을 받을 수 있습니다. UL 1741 SB 인증 마이크로인버터, UL 1741 SB 인증 하이브리드 인버터, 그리고 해당 인버터와 함께 UL 9540 에너지 저장 시스템으로 인증된 배터리입니다. 장비가 인증되어 있고 설정이 전력회사 프로파일을 따르므로 일반적인 승인 절차를 밟을 수 있습니다. 뉴욕시에서는 DOB 퍼밋과 전기 퍼밋, 배터리에 대한 FDNY 승인서(Certificate of Approval)와 규정에 맞는 설치 위치, 그리고 저장장치 추가를 위한 전력회사 Appendix K 신청이 필요합니다. 뉴욕시 배터리 설치 위치 규정은 배터리 추가 가이드에 정리되어 있습니다. 전기 공사는 라이선스를 보유한 협력 일렉트리션이 시공합니다.

같은 하이브리드 인버터는 인증된 양방향 충전기처럼 인증된 경로가 생기면 나중에 차량 연동의 중심이 될 수도 있습니다. 전기차 배터리와 하이브리드 인버터 연동 가이드와 재사용 전기차 배터리의 가정용 저장 가이드에서 다루는 전기차 배터리와 가정용 인버터 사이의 맞춤형 인터페이스는 기술적으로는 가능하지만, 일반적으로 NEC, UL 인증 요건, 전력회사 계통연계 규정, 뉴욕시 소방 규정상 인증되거나 승인된 시스템이 아니며 허가되지 않는 경우가 많습니다. 차량, 배터리, 인버터 보증이 무효가 될 수 있고 보험에도 영향을 줄 수 있습니다. 고전압 직류는 치명적일 수 있고 리튬이온 배터리는 화재로 이어질 수 있습니다. 이런 프로젝트를 검토하기 전에 관할 기관, 전력회사, 제조사, 라이선스를 보유한 전문가와 상의하십시오.

저장장치를 연동할 준비가 된 시스템에는 공익적인 측면도 있습니다. PSEG Long Island의 Battery Storage Rewards 프로그램 (외부 사이트로 연결됩니다)은 참여 가정의 배터리를 하나의 네트워크로 함께 운영해 무더운 여름날 전력망 부담을 덜고 있으며, 보상은 제3자 애그리게이터가 정합니다. 가정, 그리고 장차 차량에 있는 저장장치는 출력 제한으로 버려질 낮 시간대 태양광을 흡수하고 정전 시 가정에 전력을 공급할 수 있습니다. 대신 변환 손실, 배터리 열화, 장비 비용이 따릅니다. 이러한 기여를 안전하고 일상적인 것으로 만드는 것은 인증 제품, 표준 설정, 공개된 인터페이스이며, 자세한 논거는 전기차 배터리 가이드에서 다룹니다.