/태양광/ 13. 건물형 태양광의 전기기술 및 안전

전기분야

전력 변환 및 연결 방식

태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈에서 발생한 직류(DC) 전기를 교류(AC)로 변환하여 일반 전력계통에 공급합니다. 이때 태양광 인버터(PV inverter)가 핵심 장치로 DC 출력을 변동하는 AC로 변환하고 전력망 주파수에 동기화시킵니다.

인버터에는 최대전력점추적(MPPT) 기능과 단독운전 방지(anti-islanding) 보호기능이 내장되어 있어 계통 정전 시 자체적으로 계통으로부터 분리되어 전력을 내보내지 않도록 합니다. 아래 그림은 전형적인 주택용 태양광-계통 연계 시스템을 나타낸 것으로, 태양광 모듈(DC) - 인버터 – 차단기/퓨즈박스 - 전력계통(계량기)의 연결을 보여줍니다.

주택용 태양광 발전 시스템 구성 예시

마이크로그리드 및 분산형 전력망 연계

태양광 발전은 마이크로그리드에서 주요한 분산전원으로 활용됩니다. 마이크로그리드는 로컬 부하와 분산전원(PV, ESS 등)을 포함하며, 메인 계통과 연계되거나 독립 운전이 가능합니다. 태양광 인버터는 스마트인버터 기능을 통해 마이크로그리드의 전압/주파수를 유지하며, 필요 시 배터리 등과 함께 섬모드(독립운전)로도 전환됩니다. 분산형 전력망에서는 다수의 소규모 태양광이 배전선로에 연결되는데, 이때 각 인버터는 전압 변동이나 주파수 변동에 대응하여 출력 조절을 수행함으로써 계통 안정화에 기여합니다.

특히 기존 인버터는 일정 범위를 벗어나면 즉시 정지했지만, 스마트 인버터는 설정값을 유연하게 조정하여 계통에 더 오래 연결되고 지속적으로 전력을 공급함으로써 계통 안정에 도움을 줍니다. 스마트 인버터는 이통신을 통해 중앙 관리시스템(DERMS)의 명령을 받아 출력, 역률 등을 실시간 제어할 수 있습니다

BIPV/BAPV 연계

전기적 연계 측면에서 BAPV든 BIPV든 출력은 인버터를 통해 건물 내부 배전반 또는 계통에 연계됩니다. 다만 BIPV의 경우 건물 외장재 역할을 겸하기 때문에 시공 방식이나 접지 설계 등이 건축 요소와 통합적으로 고려되어야 합니다. BIPV 모듈은 건축자재로서 기밀성, 구조적 강도와 함께 전기적 성능을 만족해야 하므로 전용 인증 및 규격에 따라 제작․설치됩니다. 아래 사진은 독일 Freiburg 시청사 건물에 적용된 커튼월 BIPV 사례로 외벽 자체가 태양광 패널로 이루어져 건물에 전기를 공급함과 동시에 외장재 기능을 수행합니다.

건물일체형 태양광(BIPV) 적용 건물 외벽 PV모듈을 통해 발전

전기 설비 규정 비교 및 안전 기준

국내 KEC와 IEC/NEC 규격

한국은 2021년부터 한국전기설비규정(KEC)을 시행하여 IEC 등의 국제표준을 반영한 새로운 전기설비 기준을 적용하고 있습니다. 예를 들어, 종전까지 국내 저압의 기준은 교류 600V 이하, 직류 750V 이하였으나 KEC에서는 IEC 기준에 맞춰 교류 1000V 이하, 직류 1500V 이하까지를 저압으로 확대하였습니다.

이는 태양광 모듈의 직류 시스템 전압을 최대 1500V까지 활용할 수 있게 되어 대규모 발전소의 효율적 설계가 가능함을 의미합니다. 또한 KEC는 IEC 60364 등 국제 전기설비기준을 토대로 작성되어 접지방식, 절연협조, 과전류 보호 등에서 국제 호환성을 높였습니다.

반면 미국의 NEC(National Electrical Code)는 북미 환경에 특화된 규정으로 태양광의 경우 아크_fault 차단기(AFD)와 신속 차단(Rapid Shutdown) 등 고유한 요구사항을 갖고 있습니다. 예를 들어 NEC 2017판부터 건물에 설치되는 태양광 시스템은 모듈 단위의 급속 차단(RSD) 장치를 의무화하여 화재 시 소방대원의 안전을 확보하도록 규정하고 있습니다.

유럽 역시 계통안전을 위한 VDE-AR-N 4105, EN 50549-1 등의 규격을 통해 태양광 인버터의 출력 제한과 계통 보호기능을 요구하고 있습니다. 현재 국내에는 NEC 수준의 모듈별 차단 의무는 없으나, 업계에서는 화재 대비를 위해 RSD 도입 필요성이 제기되고 있습니다.

BIPV/BAPV 관련 규정 및 인증

건물형 태양광의 적용에는 전기설비 기준 외에도 건축법 및 제품 인증 기준을 충족해야 합니다. BAPV의 경우 일반 태양광과 동일한 전기 안전규정(접지, 차단기 등)을 따르면 되지만, 건물에 부착되는 만큼 풍하중 등 구조 안전과 방수 처리에 대한 건축기준도 따릅니다. BIPV는 건축물의 구성요소로 쓰이는 만큼 추가적인 인증이 요구됩니다. 국내에서는 KS C 8577 규격을 통해 BIPV 모듈의 성능평가 요건을 제시하고 있는데, 해당 모듈이 건물 외장재로서의 기밀성, 내구성 및 발전 성능을 동시에 충족하는지 시험합니다.

예를 들어 투명 BIPV유리의 경우 안전유리 기준(파괴 시 유해성), 난연성 등을 추가로 검증받아야 합니다. 그러나 현재 화재안전에 관한 BIPV 전용 표준은 미비한 상태입니다. 한국화재보험협회에 따르면 KS C 8577 인증 외에 건물 외장 태양광패널의 화재 위험성을 다루는 표준이나 설치 기준이 사실상 없는 실정이며, 고층건물 화재 확산 등에 대한 우려가 제기되고 있습니다.

국제적으로도 IEC 63092 (Building-Integrated PV 표준) 제정이 진행 중이고, ISO에서는 건축용 접합유리 태양광 모듈의 안전성을 다룬 ISO/TS 18178을 발행하는 등 표준화가 시작되고 있습니다. 따라서 BIPV 시스템을 적용할 때에는 전기설비기준은 물론 건축법상의 외장재 기준, 방수, 화재, 구조 안전요건까지 종합적으로 충족해야 하며, 관련 인증서(예 : BIPV 모듈 성능인증서, 구조안전 증명 등)를 구비해야 합니다.

태양광 전기 안전 및 절연 기준

태양광 설비는 직류 고전압을 다루므로 절연 및 안전 확보가 매우 중요합니다. KEC와 IEC 60364-7-712 등에서는 태양광 시스템의 배선, 차단장치, 접지 등에 대한 상세 기준을 규정하고 있습니다. 예를 들어, 태양광 어레이의 전로에는 시스템 정격에 맞는 DC 차단기나 퓨즈를 설치하여 과전류로부터 보호해야 하고, 여러 개의 스트링이 병렬 연결될 경우 각 스트링에 퓨즈 등을 부착하도록 요구됩니다.

또한 인버터 입력측 배선은 최대 개방전압(V_oc) 및 단락전류 등에 따라 절연 등급과 허용전류를 만족해야 합니다. KEC 개정에서는 양면형 모듈의 후면 발전량 고려, 수상태양광의 염해 대책 등 신기술에 대한 검사 지침도 추가되었습니다.

절연 감시 측면에서는 최근 대부분의 인버터가 비접지형(IT방식)으로 운전되므로 어레이와 대지 사이 절연감시장치를 통해 누설전류나 지락 발생을 탐지하여 사고를 예방하도록 하고 있습니다. 이러한 기능은 보통 인버터 내장형으로 구현되며, 미국 NEC에서는 접지된 시스템의 경우에도 DC 측 지락검출 보호(GFD)를 의무화하여 첫 번째 지락 발생 시 경보 및 회로 차단이 이루어지도록 규정하고 있습니다.

전기 충격 보호를 위해서는 시스템 금속 부위를 등전위 본딩하고 접지하여 만일의 고장 시 누전을 대지로 흐르게 해야 합니다. KEC는 인버터와 모듈 금속 프레임 등의 접지, 계통 연계점에서의 보호접지 기준 등을 IEC와 유사하게 규정하고 있습니다. 종합하면, 태양광 설비는 이중 절연된 태양광 전용 케이블 사용, 접지 및 차단기 설치, 절연감시장치 또는 누전차단기(RCD) 적용 등 여러 측면에서 전기 안전을 확보해야 합니다.

배전 계통 연계 기술 및 절차

태양광 발전소를 배전계통에 연결할 때는 계통 보호와 전력품질 유지를 위한 특별한 기술이 요구됩니다. 우선 단독운전 방지가 핵심인데, 계통연계형 인버터는 한전에 공급 중 정전이 발생하면 즉시 출력을 차단하도록 설계됩니다. 인버터는 계통전압이나 주파수 변화로 정전 여부를 감지하는 수동형 검출과, 미세한 출력변화를 주어 응답을 보는 능동형 검출 방식을 사용해 섬모드(islanding)를 인지합니다. 국제 표준 IEC 62116 (KS C IEC 62116)은 이러한 단독운전 방지기능 시험방법을 규정하고 있으며, 인버터가 일정 시간 내에 계통으로부터 분리되는지를 검증합니다.

한편 주파수 및 전압제어 측면에서 과거 인버터들은 계통 이상 시 무조건 정지했으나 최근 계통지원형 인버터(스마트 인버터)는 계통 요구에 반응하여 출력을 조정합니다. 예를 들어 계통 주파수가 기준치보다 높아지면 인버터 출력을 자동으로 감발하는 주파수-출력제어(예 : 드룹 제어)를 수행하고, 계통 전압이 상승하면 무효전력을 소비하거나 출력 역률을 조정하여 전압을 낮추는 기능 등이 있습니다.

또한 저전압 통과(LVRT) 기능을 통해 순간적으로 전압강하가 발생해도 인버터가 일정 시간 동안 계통에 남아 발전을 지속함으로써 대규모 정전 방지를 돕습니다. 이러한 계통 연계 유지기능은 국내에서도 중요해져 한전은 기존 태양광 발전설비의 인버터를 대상으로 LVRT 등 성능개선 사업을 시행하여 계통안정성을 높이고 있습니다.

분산전원 관리시스템(DERMS) 및 스마트인버터

다수의 분산전원이 연결된 계통에서는 분산자원관리시스템(DERMS)을 통해 이들을 통합 제어합니다. DERMS는 배전망 운영자가 실시간으로 각 분산전원의 상태 데이터를 모니터링하고, 필요시 출력을 조정하는 플랫폼입니다. 스마트 인버터가 설치된 태양광 시스템은 이와 양방향 통신이 가능하여 전력회사 명령에 따라 출력제한, 무효전력 공급, 단계별 차단 등을 수행할 수 있습니다.

예를 들어 구름으로 인한 출력저하나 부하변동으로 배전선로 전압이 불안정해질 징후가 보이면 운영자가 DERMS를 통해 해당 구간 인버터들의 출력 임계치를 조정하여 사전 대응할 수 있습니다. DERMS와 스마트인버터를 결합하면 수만개의 소규모 발전원을 마치 하나의 거대 발전원처럼 제어하여 배전계통의 전압강하나 정전 위험을 크게 낮출 수 있습니다.

미국 캘리포니아 등의 전력회사들은 IEEE 1547 규격에 따라 스마트인버터 기능(예 : Volt/VAR 제어, 주파수-Watt 제어)을 요구하고 있으며, 우리나라에서도 향후 분산에너지 활성화에 대비해 이러한 유연제어형 인버터의 중요성이 커지고 있습니다.

한전 계통연계 절차 및 고려사항

국내에서 태양광 발전시설을 한전 전력망에 연결하려면 정해진 절차를 거쳐야 합니다. 첫 단계는 해당 지역 배전망의 연계용량을 확인하는 것입니다. 한전은 변전소와 배전선로별로 수용 가능한 분산전원 용량을 정해 관리하는데, 변압기 용량이 부족한 지역은 접속 대기가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 배전변압기 용량의 50% 이하로 분산전원을 연계하도록 제한되어 있으며, 500kW 미만 저압연계는 이 요건을 만족해야 가능합니다.

용량 확보 후에는 한전에 계통연계 신청을 하고 기술검토를 받습니다. 여기서 발전기(인버터)가 한전 계통연계 기술기준(주파수 허용치, 보호협조 등)에 부합하는지 검토합니다. 승인되면 한전과 공급약정 또는 전력구입계약(PPA)을 체결하고, 설비 설치 후 사용전 검사를 받아야 합니다.

한국전기안전공사(KESCO)가 인버터 설치상태, 보호장치 동작, 접지저항 등을 검사를 수행하며, 특히 단독운전 방지 및 계통보호를 위한 설계가 기준에 맞는지 확인합니다. 검사를 통과하면 한전과의 계통연계를 위한 최종 접속 작업을 거쳐 병입 운전을 시작할 수 있습니다. 이때 계통에 접속되는 지점에는 한전 측 보호계전기(과전류계전기, 주파수계전기 등)가 설정되어 있어 고장 시 발전설비를 자동으로 차단하게 됩니다. 추가로 1MW 이상의 대용량 발전소는 전력거래소에도 등록하여 발전량 계량 및 송전계통 접속을 진행해야 합니다. 10kW 이하 소규모 발전은 자가소비+잉여전력 판매(상계거래) 형태로 연계할 수 있고, 그 이상 사업용 발전은 한전에 전량 판매 또는 제3자 PPA 등의 형태를 선택하게 됩니다.

마지막으로 계통연계 후에도 한전은 연계된 분산전원의 출력품질을 모니터링하며, 필요시 출력제어(PV output curtailment) 지시를 내릴 수 있습니다. 발전사업자는 이러한 절차와 운영 요건을 충분히 인지하고 계획을 수립해야 합니다.

보호 장치 및 시스템 안전성

서지 보호(SPD), 접지 및 절연 감시

태양광 발전설비는 낙뢰 등으로 인한 과도전압으로부터 보호하기 위해 서지보호장치(SPD)를 구비해야 합니다. 특히 옥외에 설치된 모듈과 긴 배선은 뇌서지에 취약하므로, DC측 및 AC측에 서지 보호기를 각각 설치하여 번개로 인한 과전압이 인버터 등 주요장치를 파괴하지 않도록 해야 합니다. ABB 등의 제조사는 태양광용 SPD를 별도 라인업으로 제공하며, 600V, 1000V, 1500V DC 등 태양광 어레이의 고전압에 대응하는 서지보호기를 출시하고 있습니다.

SPD는 통상 모듈 스트링과 인버터 사이 직류배선함(Combiner Box)이나 인버터 입력부, 그리고 교류 출력측 분전반 등에 각각 설치됩니다. 한편, 접지는 인체 감전 보호와 기기 보호 양 측면에서 중요합니다. 태양광 모듈의 금속 프레임, 구조물, 인버터 외함 등은 모두 보호접지(PE) 도체로 연결하여 등전위 본딩을 이루어야 하며, 낙뢰로 인한 서지가 대지로 빠르게 방전될 수 있도록 해야 합니다. 태양광 패널 어레이 회로 자체는 인버터의 유형에 따라 접지 방식이 달라집니다.

예전에는 변압기 절연형 인버터의 음극을 접지하는 경우도 있었으나, 현대 태양광 인버터는 대부분 비접지형(비절연형)으로 설계되어 어레이의 어느 극도 접지하지 않고 부유시킵니다. 이 경우 첫번째 지락 사고 시 즉시 차단이 어렵기 때문에 절연감시기(Isolation Monitor)를 통해 어레이와 대지 사이 저항값을 지속 감시하고, 임계치 이하로 떨어지면 경보를 발생시켜 유지보수가 이루어지도록 합니다. 또한 인버터는 누설전류 감지기능(RCMU)을 내장하여 미소한 누설이 지속되면 출력차단을 하여 화재나 감전 사고를 예방합니다.

과전류 보호, 화재 예방 및 감전 방지

태양광 발전 시스템에서는 과부하나 단락 시 자동으로 전류를 차단하는 과전류 보호장치가 필수입니다. 직류측 스트링마다 정격 퓨즈 또는 DC 차단기를 설치하여 모듈이나 케이블이 과열되지 않도록 하고, 인버터 출력의 교류측에는 적절한 차단기(두꺼비집 차단기 등)를 두어 계통 고장 시 설비를 보호합니다. 특히 DC 개폐기는 부하전류 차단 시 발생하는 아크를 안전하게 소멸하도록 태양광 전용으로 설계된 것을 써야 합니다. 이는 직류 아크가 교류보다 지속되기 쉬워 화재 위험이 높기 때문입니다.

화재 예방을 위해서는 시스템 설계 단계부터 안전대책을 강구해야 합니다. 모듈과 인버터를 잇는 DC케이블은 가급적 짧게 배선하고 건물 내부보다는 옥외를 경로로 하여, 만일의 아크 발생 시 주변 가연물에 인화되는 위험을 줄입니다. 미국 NEC는 지붕에 설치된 태양광 모듈의 경우 패널 단위로 30V 이하로 신속히 전압을 낮출 수 있는 Rapid Shutdown 시스템을 요구하고 있습니다.

이를 통해 건물 화재 시 소방관이 옥상 패널을 물로 냉각하거나 절단할 때 감전 위험을 최소화합니다. 또한 2011년 NEC부터는 PV발전 회로에 아크_fault 검출 차단장치(AFD)를 의무화하여, 연결부 불량 등으로 발생하는 DC 아크를 초기에 검출․차단함으로써 화재를 예방합니다. 우리나라도 2022년부터 태양광 설비에 대한 화재 안전기준이 강화되어, 지붕형 태양광의 경우 건물 내부 관통부에 방화조치를 하고, 화재 시 전원차단 방법을 쉽게 식별할 수 있도록 안내표지를 설치하도록 요구하고 있습니다.

감전 보호를 위해서는 누전차단기(ELB)의 설치가 중요합니다. 인버터의 교류 출력 측에는 누전차단기를 통하여 지락 시 0.03초 이내 전원을 차단하게 하여 인체에 흐르는 위험한 전류를 차단합니다. 1500V급 대형 PV시스템에서는 누설전류가 커질 수 있어, 구간을 나누어 여러 개의 누전차단기를 단계적으로 적용하기도 합니다.

건축 설비와의 연계성

태양광 발전 설비를 건축물에 설치할 때는 전기적 안전뿐 아니라 건축계획과 조화를 이루어야 합니다. 먼저 배선 경로는 건물의 구조를 고려하여 설치하며, 옥내를 통과하는 DC배선은 금속관 등에 넣어 화재 시 연소확대를 막고 기계적 보호를 해야 합니다. 벽이나 슬래브를 관통하는 케이블에는 내화 충전재를 채워 화재 시 연기와 불길이 다른 구획으로 번지지 않도록 합니다.

인버터와 차단기 등 주요 전기설비를 수용하는 전기실은 환기와 방수가 잘 되도록 설계하고, 화재 위험을 고려해 내화 성능이 확보된 구획에 두는 것이 바람직합니다. 특히 대용량 PCS나 배터리와 함께 설치되는 경우 2시간 이상 내화되는 별도 실에 설치하고 자동소화설비를 갖추도록 권고됩니다. 건물일체형 태양광(BIPV)의 경우, 외장 패널과 건물 벽체 사이에 형성되는 공기층이 단열에는 도움을 주지만 화재 시 굴뚝효과를 유발하여 화염이 급속히 수직확산 될 수 있다는 지적이 있습니다.

따라서 BIPV 설치 시에는 이러한 점까지 고려하여 모듈 배후의 공간을 적절히 구획하거나 방화재를 사용하는 등 수직 연소확산 방지대책을 수립해야 합니다. 마지막으로, 태양광 설비의 유지보수가 용이하도록 동선과 설치공간을 확보하고, 건물과 미관적으로도 조화를 이루도록 배열에 신경 써야 합니다. 이러한 포괄적인 검토를 거친 태양광 시스템 설계는 건물과 전기설비의 통합적인 안전성 확보와 더불어, 향후 재생에너지 설비의 건축물 적용을 더욱 확대하는 기반이 됩니다.