KR101571369B1 - 태양광 발전의 ｐｖ모듈 스트링 또는 어레이의 누전감시 장치 - Google Patents

태양광 발전의 ｐｖ모듈 스트링 또는 어레이의 누전감시 장치 Download PDF

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Abstract

태양광 발전 PV모듈 스트링 또는 어레이의 누전감시 장치가 개시된다. 복수의 태양광 발전 PV 모듈 스트링(photovoltaic module string); 상기 태양광 발전 PV모듈 스트링의 PV전압을 측정하는 PV전압 센서 모듈; 상기 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로부터 실부하로 연결되는 출력 케이블의 누설 전류(leakage current)를 측정하는 누설 전류 센서 모듈; 상기 누설전류 센서 모듈에서 측정된 누설전류를 마이크로프로세서의 연산을 통해 정형화하고 이를 RS-485 MODBUS 통신프로토콜에 의해서 디스플레이 장치로 전송, 표시하는 디스플레이를 포함하고, 상기 누설 전류 센서 모듈은, 자기 회로의 포화 상태를 검출하여 누설 전류를 측정하는 플럭스게이트 영상 변류기(fluxgate zero current transformer)로 구성된다. 상술한 태양광 발전 PV모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템에 의해서, PV모듈의 스트링이나 어레이 또는 절연케이블의 누설전류를 측정, 사용자에게 인지시켜줌으로써 태양광발전시스템에의 전기화재 및 작업자의 안전을 사전에 예방할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양광 발전의 ＰＶ모듈 스트링 또는 어레이의 누전감시 장치{ELECTRIC LEAKAGE MONITORING APPARATUS OF PHOTOVOLTAIC MODULE STRING OR ARRAY OF SOLAR POWER GENERATION}
본 발명은 태양광 PV(photovoltaic) 모듈에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양광 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전감시 장치에 관한 것이다.
태양광 PV(photovoltaic) 모듈은 그 발전량을 늘릴 수 있도록 여러 개의 스트링(string)을 직렬로 연결하고 이 스트링을 병렬로 연결하여 어레이를 구성한다.
태양광 PV 모듈 스트링은 부하까지 직접 전력 케이블이 연결되는데 종종 케이블의 누전으로 인해 불필요한 전력 소모가 심각하게 누적되는 문제점이 있다.
케이블의 경우 피복이 벗겨지거나 오염에 의해 피복이 손상되는 경우가 비일비재하며 이로 인해 화재도 발생하는 예가 많이 있다.
그러나, 태양광 발전 모듈은 그 특성상 태양광의 정상적인 발전 프로세스나 전력 케이블의 누전 등의 상태를 실시간으로 모니터링하기가 쉽지 않다.
이러한 태양광 전기의 누설이나 손실을 막고 이를 제대로 활용할 필요가 있다.
대한민국 등록특허 제1225547호(2013.01.23.)
본 발명의 목적은 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링의 누전 감시 시스템은, 복수의 태양광 발전 PV 모듈 스트링(photovoltaic module string); 상기 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로부터 실부하로 연결되는 출력 케이블의 누설 전류(leakage current)를 측정하는 누설 전류 센서 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 누설 전류 센서 모듈은, 자기 회로의 포화 상태를 검출하여 누설 전류를 측정하는 플럭스게이트 영상 변류기(fluxgate zero current transformer)로 구성될 수 있다.
그리고 상기 플럭스게이트 영상 변류기는, 380μH의 외부 인덕턴스(inductance)를 갖는 H 브릿지(bridge)에 의해 3.3 V 및 400 kHz의 전압 신호를 100 kHz의 2개의 상반되는 구형파 전압 신호로 출력하며, 출력된 3.3 V의 구형파 전압 신호로부터 삼각파 전류 여자 신호를 생성하는 여자용 신호 처리 회로부; 상기 생성된 여자 신호의 2차 고조파(harmonics)를 동기 검파하여 출력하는 검출용 신호 처리 회로부를 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 누설 전류 센서 모듈에서 측정된 누설 전류를 디스플레이하는 사용자 단말을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 누설 전류 센서 모듈에서 측정된 누설 전류를 실시간으로 RS-485 케이블을 통해 상기 사용자 단말로 송신하는 송신 모듈을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 사용자 단말은, 상기 누설 전류 측정 모듈에서 측정된 누설 전류가 소정 임계치 이상인 경우 경보를 발생하도록 구성될 수 있따.
그리고 상기 누설 전류 센서 모듈은, 상기 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로부터 1 m 이내에 상기 케이블을 관통하여 설치되도록 구성될 수 있다.
상술한 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템에 의하면, 케이블의 전류를 측정하여 누전 전류를 측정함으로써, 케이블의 누전 여부를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
특히, 플럭스게이트 영상 변류기가 자기 회로의 포화 상태를 검출하는 원리를 이용하도록 구성됨으로써, 직류 누설 전류의 검출 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 이러한 누전 감시 기능을 통해 신속하게 유지/보수를 할 수 있음은 물론이며 절연 열화로 인한 화재의 발생이나 인명 피해를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템의 누설 전류 측정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류 센서 모듈의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 모듈의 RS485 마스터 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 모듈의 RS485 슬레이브 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RTC 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CPU 인터페이스 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템의 누설 전류 측정 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 기본적으로 전류 센서를 이용하여 누설 전류를 감시한다.
케이블의 PV+ 단자와 PV- 단자에 전류 센서를 부가하여 케이블의 누설 전류를 측정하여 누설 여부를 감시하도록 구성된다.
태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이로부터 실부하 R로 흐르는 전류가 Ia, 실부하 R로부터 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로 흐르는 전류를 Ib라고 할 때, 키르히호프 전류 법칙에 따라 Ia와 Ib가 같아야 하지만, 누설 전류 Ic가 발생하는 경우에는 Ia와 Ib는 동일하지 않게 된다.
케이블의 중간에 설치된 전류 센서를 이용하여 이러한 누설 전류의 존재 여부를 확실하게 감지할 수 있게 된다. 이러한 누설 전류 테스트는 태양광 발전 프로세스가 진행중이든 그렇지 않든 간에 항상 24시간 상시 테스트가 가능하다는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템(100)은 태양광 발전 PV 모듈 스트링(solar power generation pohovoltaic module string)(110), 누설 전류 센서 모듈(120), 송신 모듈(130), 사용자 단말(140)을 포함하도록 구성될 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)은 복수개가 구비되어 서로 직렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
이러한 태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)이 직렬 연결되어 하나의 태양광 발전 PV 모듈 내지는 태양광 발전 PV 패널을 구성한다.
누설 전류 센서 모듈(120)은 태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)으로부터 실부하(200)로 연결되는 출력 케이블의 누설 전류(leakage current)를 측정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 실부하(200)는 예를 들어 인버터(inverter)가 될 수 있다.
태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)으로부터 먼 거리에 설치되는 경우에는 태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)과 누설 전류 센서 모듈(120) 간의 케이블에 대해서는 누설 전류 테스트가 사실상 불가능하기 때문이다.
누설 전류 센서 모듈(120)은 일별 24시간 상시로 누설 전류를 측정하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다. 즉, 태양광 발전 프로세스의 진행중 여부와 무관하게 누설 전류를 모니터링하도록 구성될 수 있다.
누설 전류 센서 모듈(120)은 출력 케이블의 중간에서 출력 케이블이 누설 전류 센서 모듈(120)을 관통하도록 구성될 수 있다.
누설 전류 센서 모듈(120)은 출력 케이블을 통해 출력되어 나가서 돌아오는 전류의 양을 각각 측정하도록 구성될 수 있다.
이때, 누설 전류 센서 모듈(150)은 태양광 발전 PV 모듈 스트링(110)으로부터 근접한 거리 예를 들어 1 m 이내에서 구비되어 케이블을 관통하여 설치되도록 구성되는 것이 바람직하다.
송신 모듈(130)은 누설 전류 센서 모듈(120)에서 측정된 누설 전류를 실시간으로 RS-485 케이블을 통해 사용자 단말(140)로 송신하도록 구성될 수 있다.
송신 모듈(130)은 원격지의 사용자 단말(140)로 이러한 누설 전류와 절연 저항을 실시간 송신하며, 모드버스(MODUS) 프로토콜을 이용하여 송신하도록 구성될 수 있다.
사용자 단말(140)은 누설 전류 센서 모듈(120)에서 측정된 누설 전류를 디스플레이하고 저장하도록 구성될 수 있다.
여기서, 사용자 단말(140)은 누설 전류 측정 모듈(120)에서 측정된 누설 전류가 소정 임계치 이상인 경우 경보를 발생하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류 센서 모듈의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류 센서 모듈(120)은 플럭스게이트 영상 변류기(fluxgate zero current transformer)로 구성될 수 있으며, 여자용 신호 처리 회로부(121) 및 검출용 신호 처리 회로부(122)를 포함할 수 있다.
또한, 여자용 신호 처리 회로부(121)는 DC 바이어스부(121a), 여자 회로부(121b) 및 타이밍 제어부(121c)로 구성될 수 있으며, 검출용 신호 처리 회로부(122)는 필터부(122a), 증폭부(122b), A/D 변환부(122c)로 구성될 수 있다.
누설 전류 센서 모듈(120)은 자기 회로의 포화 상태를 검출하는 원리를 이용하며 직류 누설 전류를 검출하는 데 특히 효과적이다.
플럭스게이트 영상 변류기는 여자 코일과 검출 코일에 감겨져 있는 고투자율 재료로부터 이루어진 검출 소자와 인터페이스 회로로 구성되며, 여자 코일에 의해 코어 내부 자속을 주기적으로 포화시키는 여자용 신호 처리 회로부(121)와 그 검출 코일에 나타나는 출력 전압으로부터 외부 자계에 비례하는 신호 성분만을 검출하는 검출용 신호 처리 회로부(122)로 구성된다.
본 발명에 따른 플럭스게이트 영상 변류기는 여자 신호의 2배의 주파수를 검출하는 제2 고조파 검출 방식을 이용한다. 이러한 검파는 감지 신호를 200 kHz의 구형파로 체배(multiplication)하여 수행될 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
여자용 신호 처리 회로부(121)의 DC 바이어스부(121a)는 3.3V에서 구동되도록 구성된다.
여자용 신호 처리 회로부(121)의 여자 회로부(121b)는 구형파 전압 신호로부터 삼각파 전류 여자 신호를 생성하기 위해 외부의 인덕턴스를 갖는 H 브릿지(bridge)로 구성된다. H 브릿지의 인덕턴스 값은 380μH로 구성될 수 있다.
H 브릿지는 4분주의 주파수 분배 후 3.3 V와 400 kHz의 출력이 100 kHz의 2개의 상반되는 구형파를 갖도록 구동된다.
여자용 신호 처리 회로부(121)의 타이밍 제어부(121c)는 여자와 감지 기능을 위한 제어 신호를 제공하도록 구성된다.
검출용 신호 처리 회로부(122)의 필터부(122a)는 원치 않는 고주파 신호 성분을 제거하도록 구성된다. 필터부(122a)는 550 Hz의 차단 주파수와 0.707 Q값을 갖는 2차 버터워스(butterworth) 전달 함수로 구성될 수 있다.
검출용 신호 처리 회로부(122)의 증폭부(122b)는 DC 신호를 증폭하도록 구성된다.
검출용 신호 처리 회로부(122)의 A/D 변환부(122c)는 12 비트 카운터와 연결되는 차동 적분기 그리고 비교기로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 모듈의 RS485 마스터 회로도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 모듈의 RS485 슬레이브 회로도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기 회로도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RTC 회로도이며 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CPU 인터페이스 회로도이다.
이러한 특정 회로의 구성은 하나의 예시로서, 이러한 세부적인 회로의 구성에 한정되지 않는다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 태양광 발전 PV 모듈 스트링
120: 누설 전류 센서 모듈
121: 여자용 신호 처리 회로부
121a: DC 바이어스부
121b: 여자 회로부;
121c: 타이밍 제어부
122: 검출용 신호 처리 회로부
122a: 필터부
122b: 증폭부
122c: A/D 변환부
130: 송신 모듈
140: 사용자 단말

Claims (6)

  1. 복수의 태양광 발전 PV 모듈 스트링(photovoltaic module string);
    상기 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로부터 실부하로 연결되는 출력 케이블의 누설 전류(leakage current)를 측정하는 누설 전류 센서 모듈을 포함하고,
    상기 누설 전류 센서 모듈은,
    자기 회로의 포화 상태를 검출하여 누설 전류를 측정하는 플럭스게이트 영상 변류기(fluxgate zero current transformer)로 구성되며,
    상기 플럭스게이트 영상 변류기는,
    여자 코일에 의해 코어 내부 자속을 주기적으로 포화시키는 여자용 신호 처리 회로부와, 상기 여자 코일에 나타나는 출력 전압으로부터 외부 자계에 비례하는 신호 성분만을 검출하는 검출용 신호 처리 회로부를 포함하도록 구성되며,
    상기 여자용 신호 처리 회로부는,
    3.3 V에서 구동되는 DC 바이어스부와, 380μH의 외부 인덕턴스(inductance)를 갖는 H 브릿지(bridge)에 의해 4분주의 주파수 분배 후 3.3 V 및 400 kHz의 전압 신호를 100 kHz의 2개의 상반되는 구형파 전압 신호로 출력하고 출력된 3.3 V의 구형파 전압 신호로부터 삼각파 전류 여자 신호를 생성하는 여자 회로부와, 여자와 감지 기능을 위한 제어 신호를 상기 여자 회로부로 제공하는 타이밍 제어부로 구성되고,
    상기 검출용 신호 처리 회로부는,
    상기 생성된 삼각파 전류 여자 신호에서 550 Hz의 차단 주파수와 0.707 Q값을 갖는 2차 버터워스(butterworth) 전달 함수를 통해 고주파 신호 성분을 제거하는 필터부와, 상기 고주파 신호 성분이 제거된 삼각표 전류 여자 신호를 증폭하는 증폭부와, 12 비트(bit) 카운터(counter)와 연결되는 차동 적분기 및 비교기에 의해 상기 증폭된 삼각표 전류 여자 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 누설 전류 센서 모듈에서 측정된 누설 전류를 디스플레이하는 사용자 단말을 더 포함하는 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템.
  4. 제3항에 있어서
    상기 누설 전류 센서 모듈에서 측정된 누설 전류를 실시간으로 RS-485 케이블을 통해 상기 사용자 단말로 송신하는 송신 모듈을 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 사용자 단말은,
    상기 누설 전류 측정 모듈에서 측정된 누설 전류가 소정 임계치 이상인 경우 경보를 발생하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 누설 전류 센서 모듈은,
    상기 태양광 발전 PV 모듈 스트링으로부터 1 m 이내에 상기 케이블을 관통하여 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 PV 모듈 스트링 또는 어레이의 누전 감시 시스템.
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KR101470349B1 (ko) * 2014-08-20 2014-12-15 주식회사 코텍에너지 지락 및 누설전류를 검출하는 장치를 구비한 태양광 발전 시스템

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KR102273351B1 (ko) 2021-04-27 2021-07-06 주식회사 유성계전 에너지 저장장치 및 소내 배전반용 초정밀 접지 검출 시스템

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