KR101677925B1 - 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 어레이의 표면 온도는 비접촉 방식으로 검출하여 태양광 발전 시스템의 누설전류를 검출할 수 있는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템은 태양광 접속반은 누설전류 감지장치와 어레이 상태 감지장치를 포함하여 구성되고, 상기 누설전류 감지장치는 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 각각의 전력선에 설치되는 스위칭 모듈; 상기 스위칭 모듈의 2차측에 연결되어 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 상기 인버터의 1차측 전력선 각각에 구비되어 전류를 검출하는 전류센서; 상기 전류센서에서 각각 검출된 전류값에 따라 누설전류를 검출하는 누설전류 검출부; 아크 발생을 검출하는 아크검출부; 및 상기 누설전류 검출부에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 또는 상기 아크검출부에서의 아크 검출결과 아크가 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 스위칭 모듈을 선택적으로 제어하는 차단부를 포함하여 구성되며, 상기 어레이 상태 감지장치는 상기 태양전지 어레이의 표면온도 및 출력 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템은 태양광 접속반은 누설전류 감지장치와 어레이 상태 감지장치를 포함하여 구성되고, 상기 누설전류 감지장치는 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 각각의 전력선에 설치되는 스위칭 모듈; 상기 스위칭 모듈의 2차측에 연결되어 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 상기 인버터의 1차측 전력선 각각에 구비되어 전류를 검출하는 전류센서; 상기 전류센서에서 각각 검출된 전류값에 따라 누설전류를 검출하는 누설전류 검출부; 아크 발생을 검출하는 아크검출부; 및 상기 누설전류 검출부에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 또는 상기 아크검출부에서의 아크 검출결과 아크가 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 스위칭 모듈을 선택적으로 제어하는 차단부를 포함하여 구성되며, 상기 어레이 상태 감지장치는 상기 태양전지 어레이의 표면온도 및 출력 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 검출하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 어레이의 표면 온도는 비접촉 방식으로 검출하여, 태양광 발전 시스템의 태양전지 어레이를 개별적으로 감시할 수 있는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로서, 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지 모듈과 상기 태양전지 모듈에서 생산된 직류전원을 교류전원으로 바꾸어주는 인버터를 포함하여 구성된다.
상기 태양광 발전 시스템의 구성을 좀 더 상세히 설명하면, 수광된 태양광에 상응하는 직류 전원을 공급하는 태양전지 모듈과 이를 직렬로 연결한 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하는 태양광 접속반, 태양전지 어레이에서 발전된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터 및 발전된 전력을 소비하는 부하로 구성된다.
상기 태양광 접속반은 태양전지 어레이에서 고장이 발생할 경우 고장 범위를 최소로 축소시켜 사고를 방지하고, 고장점을 찾기 쉽도록 구성된다. 또한, 태양전지 어레이 구성과 용량에 따라 적정한 어레이의 병렬군을 접속하여 태양전지 어레이별 케이블을 인버터까지 연결해주고, 다수의 태양전지 어레이의 접속을 알기 쉽게 정리하여 보수점검 시에 회로를 분리하여 점검 작업을 용이하게 한다. 이러한 태양광 접속반에는 직류출력 개폐기, 피뢰소자, 역류방지소자, 단자대 및 퓨즈(또는 개폐기) 등을 포함하여 구성되고, 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.
특히, 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반에는 예상하지 못한 급격한 전압이나 전류가 발생하는 전자 쇼크에 의해 회로가 손상되는 문제점과, 주위 환경 변화와 같은 기타 요인에 따른 집광판의 발전 특성 불균형 등을 방지하기 위한 여러 가지 보호 장치들이 구비된다. 아울러, 상기 보호 장치에는 역방향으로 흐르는 전류를 차단하여 입/출력단의 회로를 보호하는 역전압 방지용 다이오드로 이루어진 역전압 방지 수단과, 태양 전지판을 통해 생성된 전력 전압과 전류를 검출하여 발전 상태의 정상 여부를 감시하는 전압 및 전류 측정 센서와, 과전류를 차단하여 회로를 보호하는 과전류 보호용 퓨즈 등이 구성된다.
한편, 태양광 발전 시스템을 감시하기 위한 기술로서, 등록특허공보 제10-1434803호에는 단일 지그비 통신에 기반한 다채널 태양광 모듈 별 감시 및 누설전류 감시 기능을 가지는 태양광 발전 시스템이 개시되었다.
상기의 기술은 하나의 지그비 모듈을 사용해 태양광 어레이 상의 복수의 태양광 모듈을 모니터링하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양광 어레이, 상기 태양광 어레이 일측에 설치되는 지그비 모듈을 포함하고, 상기 지그비 모듈은 복수의 태양광 모듈 각각의 전압을 계측하는 전압계측부 및 상기 전압계측부에 의해 계측된 상기 복수의 태양광 모듈 각각의 출력 전압치를 사용하여 상기 태양광 모듈을 진단하는 간이판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 종래의 기술은 태양광 어레이에서 출력되는 전압을 이용한 태양광 어레이의 발전량에 대해서만 검출할 수 있는 구성으로서, 태양광이 구름에 의해 일시적으로 차단된 상태에서도 이를 통지하게 되는 단점이 있다.
한편, 노후로 인한 전력선 피복의 탈피, 조작자의 오동작 및 곤충(동물) 등의 침입에 의한 외부 요소와 전자기기의 노이즈, 선로와 대지간의 정전용량, 지락, 순환전류 및 불평형 부하전류에 의해서 누설전류가 발생되며, 이러한 누설전류에 의해 아크가 발생될 수 있다.
아크가 발생되면, 15 ~ 25㎳ 이내의 시간에 온도와 압력은 최대치에 도달되게 되고, 아크 화재의 원인이 된다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량초과, 타물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 태양광 패널 및 스트링 또는 접속반 내부의 전선이 과열되고, 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장부위에서 전력선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적으로 아크를 반복 발생시키게 된다.
이에 따라 상기 종래 기술은 누설전류에 의한 아크 화재를 검출할 수 없는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 태양전지 어레이의 표면온도를 비접촉으로 검출하여 태양광 발전 상태를 감시할 수 있는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 태양광 접속반 내부에서 발생된 누설전류뿐만 아니라 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이와 태양광 접속반 사이의 전력선에서 발생된 누설전류에 의한 아크를 검출하여 고장이 발생된 태양전지 어레이를 계통에서 신속히 분리하여 아크에 의한 화재를 방지할 수 있는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이로부터 생산된 직류전원을 취합하여 교류전원으로 출력하는 태양광 접속반을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 태양광 접속반은 누설전류 감지장치와 어레이 상태 감지장치를 포함하여 구성되고, 상기 누설전류 감지장치는 상기 태양전지 어레이에 출력되는 각각의 전력선에서 설치되는 스위칭 모듈; 상기 스위칭 모듈의 2차측에 연결되어 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 상기 인버터의 1차측 전력선 각각에 구비되어 전류를 검출하는 전류센서; 상기 전류센서에서 각각 검출된 전류값에 따라 누설전류를 검출하는 누설전류 검출부; 아크 발생을 검출하는 아크검출부; 및 상기 누설전류 검출부에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 또는 상기 아크검출부에서의 아크 검출결과 아크가 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 스위칭 모듈을 선택적으로 제어하는 차단부를 포함하여 구성되며, 상기 어레이 상태 감지장치는 상기 태양전지 어레이의 표면온도 및 출력 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 검출하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 아크검출부는 상기 태양광 접속반, 상기 태양전지 어레이 및 상기 태양전지 어레이와 상기 태양광 접속반 사이에 배치된 전력선에서 발생되는 아크를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아크검출부는 상기 태양광 접속반의 내부 전력기기를 경유하도록 배치되는 제1 광섬유와 상기 태양전지 어레이와 상기 접속반 사이에 배치된 전력선을 경유하도록 배치되는 제2 광섬유를 포함하는 광섬유; 상기 광섬유로 광신호를 송출하는 광송신 유닛; 상기 광송신 유닛에서 송출된 후 상기 광섬유를 통과하여 입력되는 광신호를 수신하는 광수신 유닛; 및 상기 광송신 유닛에서 송신된 광신호와 상기 광수신 유닛에서 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호 변환 여부를 검출하는 광신호 처리유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 어레이 상태 감지장치는 상기 태양전지 어레이 표면의 온도를 검출하고, 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전압을 검출하는 어레이 상태 검출부; 및 상기 어레이 상태 검출부에서 검출된 온도 및 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 진단하는 MMI를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 MMI는 수신된 온도 및 전압의 추이를 진단하는 진단 에이전트(221); 선택된 일자에 대한 온도 및 전압을 분석하는 분석 에이전트(222); 상기 수신된 온도 및 전압에 근거하여 경보를 발생하는 경보 에이전트(223); 및 상기 관리서버(300)와 통신을 수행하기 위한 통신 에이전트(224)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 태양전지 어레이의 표면온도 및 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 원격에서 확인할 수 있는 장점이 있다.
또한, 인버터에 인가되는 전력선에서 누설전류를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 복수 개의 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이와 태양광 접속반 사이의 전력선에서 발생된 누설전류에 의한 아크를 검출하여 전력선 누설전류를 검출할 수 있다.
또한, 태양전지 어레이에서 누설전류의 발생을 아크로 검출할 수 있고, 누설전류가 발생된 태양전지 어레이만을 계통에서 분리시킬 수 있으므로, 전력 공급의 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템이 적용된 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 홀소자를 이용한 전류센서의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에서의 광송신 유닛에 대한 회로도(a) 및 광수신 유닛에 대한 회로도(b).
도 6은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 일 실시 예에 따른 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 다른 실시 예에 따른 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 홀소자를 이용한 전류센서의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에서의 광송신 유닛에 대한 회로도(a) 및 광수신 유닛에 대한 회로도(b).
도 6은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 일 실시 예에 따른 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부의 다른 실시 예에 따른 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 인버터에 인가되는 전력선에서 누설전류를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 복수 개의 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이와 태양광 접속반 사이의 전력선에서 발생된 누설전류에 의한 아크를 검출하여 전력선 누설전류를 검출할 수 있는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 과열 및 아크 검출에 의해 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반이 적용된 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(1), 인버터(20)를 포함하는 태양광 접속반(2) 및 부하를 포함하여 이루어진다.
상기 태양전지 어레이(1)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키는 태양전지 모듈의 집합체로서, 상기 태양전지 모듈은 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 모듈은 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다.
대부분의 태양전지 모듈은 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 태양전지 모듈의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지 셀은 복수 개로 사용된다. 즉, 가정에서 사용되는 필요 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여, 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 모듈이 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
상기 태양광 접속반(2)은 태양전지 모듈의 집합체로서 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류전원을 취합하고, 그 내부에 구비된 인버터(20)를 통해 출력하는 장치로서, 태양전지 어레이(1)로부터 발전된 직류전원을 입력받으며, 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등으로 구성되는 주회로 장치(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 태양광 접속반(2)에는 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.
한편, 상기 태양광 접속반(2)은 평상시에는 주회로 장치의 마그네틱 스위치가 투입되어지고, 예비회로장치의 마그네틱 스위치는 개방되어 있어, 주회로 장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 직류전력이 공급된다. 이때, 상기 태양광 접속반 내부 전력기기에 이상이 발생하게 되면, 현장에서 이상이 발생한 주회로장치의 마그네틱 스위치를 개방시킨 후, 예비회로장치의 마그네틱 스위치를 즉시 투입시켜 예비회로장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 지속적인 발전을 할 수 있도록 한다.
상기 인버터(20)는 태양전지 어레이(1)에서 직류전원을 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전원으로 변환하여 출력한다. 상기 인버터(20)에서 출력된 교류전원은 수용가의 부하로 공급된다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성도이다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템은, 크게 누설전류 감지장치(100), 어레이 상태 감지장치(200) 및 관리서버(300)를 포함하여 구성된다.
상기 누설전류 감지장치(100)는 스위칭 모듈(10), 인버터(20), 전류센서(30), 누설전류 검출부(40), 아크 검출부(50), 차단부(60), 표시부(70) 및 통신부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 스위칭 모듈(10)은 상기 태양전지 어레이(1)와 상기 태양광 접속반의 전기적 연결을 단속하는 것으로서, 상기 태양전지 어레이(1)에서 출력되는 각각의 전력선에 설치된다.
상기 인버터(20)는 상기 스위칭 모듈(10)의 2차측에 연결되어 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.
이러한 상기 인버터(20)는 전력변환모듈, 출력필터, 고주파 필터 및 연계형 변압기 등을 포함하여 구성되며, 사용되는 IGBT, MOSFET 및 SCR 등의 스위칭 소자에 따라 구성과 전력변환에 대한 성능이 결정된다.
상기 인버터는 전류형 인버터와 전압형 인버터로 구분되고, 인버터 제어방식과 연계하여 전압형 전류제어 인버터, 전류형 전류제어 인버터 등으로 분류할 수 있다. 공급 전력의 크기에 따라서 50KVA 미만의 중소용량에서는 IGBT를 이용한 전압형 전류제어 인버터가 사용될 수 있으며 그 이상에서는 SCR을 이용한 전류형 전류제어 인버터가 사용될 수 있다.
이때, 상기 태양전지 어레이(1)의 출력 특성은 일사량, 태양전지 전류(PV 전류), 온도 및 습도 등의 요소에 의해 따라 변동하므로, 태양전지 어레이(1)로부터 최대출력을 내기 위해서는 상기 요소의 변동에 따라 태양전지 어레이(1) 동작점을 변화시키도록 최대출력점 추종제어(MPPT, 추종(Maximum Power Point Tracking)가 적용된 인버터가 사용될 수 있다.
설계 조건에 따라서, 상기 최대출력점 추종제어방식은 도면에 도시하지 않았으나, 출력 전압을 승압하는 대칭 승압 컨버터와 태양전지 어레이의 출력 전력과 이전의 태양전지 출력 전력을 비교하고, 그 비교 결과에 따라 일정한 감소 및 증가 보상량 중 어느 하나를 발생하는 최대 전력점 추종부와, 상기 최대 전력점 추종부로부터의 상기 보상량을 이용하여 기준전류를 조절하는 기준전류 조절부와, 상기 기준전류 조절부로부터의 상기 조절된 기준전류와 A/D 컨버터로부터의 디지탈 광 출력전류에 근거하여 충격계수를 조절하는 충격계수 조절부와 상기 A/D 컨버터로부터의 상기 디지탈 광 출력 전류와 상기 기준전류 조절부로부터의 상기 조절된 기준전류에 근거하여 상기 최대 전력점 추종부의 동작을 제어하는 최고점 전류 제어기 및 상기 충격계수 조절부로부터의 상기 조절된 충격계수에 해당하는 펄스 폭을 가지는 PWM 제어 신호를 발생하고 그 PWM 제어 신호를 이용하여 상기 대칭 승압 컨버터의 스위칭 주기를 제어하는 PWM 제어기로 구성될 수 있다.
상기 전류센서(30)는 상기 인버터(20)의 1차측 전력선 각각에 구비되어 전류를 검출하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 전류센서(30)는 홀소자를 이용한 전류센서로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 홀소자를 이용한 전류센서의 개략적인 구성도이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 상기 홀소자를 이용한 전류센서(30)는 링 형태로 이루어지고 개구부(31a)가 구비되는 코어(31), 상기 코어(31)에 감기는 권선(32) 및 상기 개구부(31a)에 배치되는 홀소자(33)를 포함하여 구성된다. 이때, 검출하고자 하는 전력선(w)은 상기 코어(31)의 중심부를 관통하도록 배치된다.
상기와 같은 구성에서, 상기 코어(31)의 중심부를 관통하는 전력선에 전류가 인가되면, 상기 전력선의 전류에 의해 발생되는 자기장이 개구부(31a)에 집중되고, 상기 발생된 자기장은 홀소자를 통해 전압으로 출력된다.
즉, 상기 홀소자(33)는 상기 코어(31)에 의해 집속된 자기장의 변화에 비례하여 전압을 발생시키고 이 발생된 전압을 전압검출회로로 출력하게 된다. 이때, 상기 코어(31)를 관통하는 전력선의 전류에 비례하여 상기 코어(31)의 자기장이 선형으로 가변되므로, 상기 전압검출회로를 통해 출력되는 전압은 상기 전력선의 전류에 비례하여 도출된다. 이에, 출력되는 전압을 이용하여 전류가 검출될 수 있다.
이와 같이, 상기 전류센서(30)는 상기 인버터(20)에 입력된 전력선들에 각각 설치되어 각 전력선((+) 전력선 및 (-)전력선)에 흐르는 전류를 검출하게 된다.
상기 누설전류 검출부(40)는 상기 전류센서(30)에서 검출된 각각의 전류값에 근거하여 누설전류의 여부를 판단하게 된다.
건전한 전력 계통에서의 전류는 평행을 이루게 된다. 즉, 누설전류가 없는 상태에서는 상기 각 전력선((+) 전력선 및 (-)전력선)에 흐르는 전류는 서로 동일하다. 이에 따라 누설전류가 발생되면, 상기 (+) 전력선에 흐르는 전류와 상기 (-) 전력선에 흐르는 전류는 서로 다르게 도출된다.
즉, (+) 전력선에 흐르는 전류값에서 (-)전력선에 흐르는 전류값을 감산하였을 경우 "0"이 아니면 누설전류가 발생된 것으로 볼 수 있다.
이때, 상기 전류센서(30)에 사용된 소자 등의 특성에 따라 허용 오차를 고려하여 누설전류의 발생여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 부연하면, (+) 전력선에 흐르는 전류값에서 (-)전력선에 흐르는 전류값을 감산하였을 경우의 값이 "0"이 아니더라도 허용 오차 범위에 있는 경우에는 누설전류가 발생되지 않은 것으로 판단되게 구성될 수 있다.
상기 아크 검출부(50)는 아크 발생의 여부를 검출하는 기능을 수행한다.
태양광 발전 시스템에서 사용 기간의 경과에 따라 노후로 인한 전력선 피복의 탈피, 조작자의 오동작 및 곤충(동물) 등의 침입에 의한 외부 요소와 전자기기의 노이즈, 선로와 대지간의 정전용량, 지락, 순환전류 및 불평형 부하전류에 의해서 누설전류가 발생될 수 있으며, 발생된 누설전류는 아크의 발생을 초래한다.
본 발명에서는 태양광 접속반 뿐만 아니라 태양전지 어레이 및 상기 태양전지 어레이와 상기 태양광 접속반 사이를 전기적으로 연결하는 전력선에서 발생되는 아크를 검출하여 누설전류 여부를 검출할 수 있도록 구성된다.
누설전류뿐만 아니라 태양광 접속반에서의 이상 여부에 따라 발생된 아크는 전자파를 동반하는 데, 전자파는 전자기장을 형성하게 된다.
본 발명에서는 아크에 의해 발생되는 전자기장의 변화를 검출하여 아크를 검출하는 방식이 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부(50)의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 상기 아크검출부(50)는 광섬유(51), 광송신 유닛(52), 광수신 유닛(53) 및 광신호 처리유닛(54)을 포함하여 구성된다.
상기 광섬유(51)는 중심부의 코어(core)와 상기 코어의 외측을 감싸는 클래딩(cladding)으로 구성되고, 코어의 굴절률을 클래드의 굴절률보다 상대적으로 높게 하면 코어에 들어온 광은 코어와 클래드의 경계에서 전반사를 반복하며 코어 내부에서 진행되게 된다.
상기 광송신 유닛(52)은 상기 광섬유(51)로 기본 광신호를 송출하는 기능을 수행하고, 상기 광수신 유닛(53)은 상기 광송신 유닛(52)에서 송출된 후 상기 광섬유(51)를 통과하여 입력되는 광신호를 수신하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 5는 상기 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에서의 광송신 유닛에 대한 회로도(a) 및 광수신 유닛에 대한 회로도(b)를 나타낸 도면이다.
상기 광송신 유닛(52)의 회로도(도 5의 (a))를 참조하면, LD 구동신호가 입력되면, 동작 상태 표시용 LED(D1) 및 레이저 다이오드(LD)에 동작 전류가 공급된다. 이와 같은 동작 전류의 공급에 따라 동작 상태 표시용 LED(D1)가 ON되어 광 전송기의 동작 상태를 표시하게 되고, 레이저 다이오드(LD)는 동작 전류에 대응하는 광신호가 출력되며, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광신호는 광섬유(51)에 입력된다.
상기 광수신 유닛(53)의 회로도(도 5의 (b))를 참조하면, 광섬유(51)를 통해 전송된 광신호는 포토 다이오드(PD)를 통해 검출되고, 전류-전압 변환 및 증폭부에서 증폭되어 PD 증폭신호를 출력한다. 상기 전류-전압 변환 및 증폭부는 PWM(펄스폭 변조) 등 펄스형 전원에 따른 전원 안정화 회로와 감도 조절 회로에 의해 증폭 상태가 제어된다.
상기 아크 검출부(50)는 상기 광섬유(51) 내부를 진행하는 광신호의 특성(빛의 세기, 주파수, 위상 및 편광 등)이 외부 물리량에 의해 변화되는 원리를 이용한 것으로서, 누설전류에 의해 발생된 아크는 상기 광섬유(51)를 경유하는 광신호의 특성을 변화시키게 되는데, 상기 광신호 처리유닛(54)은 상기 광송신 유닛(52)에서 송신된 광신호와 상기 광수신 유닛(53)에서 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호의 변환 여부를 검출한다.
상기와 같은 아크 검출부(50)는 검출하고자 하는 태양전지 어레이(1)의 개수에 따라 복수 개 구비된다.
즉, 상기 태양광 접속반의 내부 주요 전력기기에서 발생된 아크를 검출하는 아크 검출부 및 적어도 하나 이상의 태양전지 어레이(1)와 그 사이(상기 태양전지 어레이(1)와 태양광 접속반(2))를 전기적으로 연결하는 전력선에서 발생된 아크를 검출하는 아크 검출부를 포함하여 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부(50)의 일 실시 예에 따른 구성도이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 상기 아크 검출부(50)는 상기 태양광 접속반(2)의 내부 주요 전력기기에서 발생된 아크를 검출하는 아크 검출부(50a)와 각각의 태양전지 어레이(1b ~ 1e)를 검출하는 아크 검출부(50b ~ 50e)로 구성된다.
상기 아크 검출부(50a)는 상기 태양광 접속반(2)의 내부 주요 전력기기를 경유하도록 배치되는 제1 광섬유(51a)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 아크 검출부(50b)는 태양전지 어레이(1b) 및 상기 태양전지 어레이(1b)와 태양광 접속반(2)을 전기적으로 연결하는 전력선(1bw)을 경유하도록 배치되는 제2 광섬유(51b)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 아크 검출부(50c ~ 50e)도 상기 아크 검출부(50b)와 동일하게 구성된다.
여기서, 상기 제2 광섬유(51b)는 상기 전력선(1bw)에 근접하여 배치되게 구성됨이 바람직하다.
상기의 구성에 따르면, 아크 검출부(50)는 태양광 접속반(2)에서 발생된 아크뿐만 아니라 태양광 어레이(1) 및 전력선(1bw)에서 발생된 아크를 검출할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 아크 검출부(50)의 다른 실시 예에 따른 구성도이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 상기 아크 검출부(50)는 상기 태양광 접속반(2)의 내부 주요 전력기기에서 발생된 아크를 검출하는 아크 검출부(50a)와 적어도 2개로 그룹핑된 태양전지 어레이(1b, 1c)을 검출하는 아크 검출부(50f)로 구성된다. 이때, 나머지 아크 검출부(50g)도 상기 아크 검출부(50f)와 동일하게 구성된다.
여기서, 상기 아크 검출부(50f)의 광섬유(51b)는 전력선(1bw), 태양전지 어레이(1b), 태양전지 어레이(1c) 및 전력선(1cw)을 경유하도록 배치된다. 상기의 구성에서 상기 광섬유(51b)는 상기 전력선(1bw) 및 전력선(1cw)의 사이에 배치됨이 바람직하다.
상기의 구성에 따르면, 태양전지 어레이에 대한 개별적인 아크 검출을 수행할 수 없는 단점이 있으나 아크 검출부의 구성을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
차단부(60, 도 2 참조)는 상기 누설전류 검출부(40)에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 또는 상기 아크검출부(50)에서의 아크 검출결과 아크가 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 스위칭 모듈(10)을 선택적으로 제어하는 기능을 수행한다.
즉, 도 2 및 도 6을 참조하면, 상기 누설전류 검출부(40)에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단된 경우 또는 아크 검출부(50a)에서 아크가 검출된 것으로 판단된 경우, 상기 차단부(60)는 상기 스위칭 모듈(10)에 구비된 전부의 스위치를 개방하도록 하여 2차 피해를 방지하도록 구성된다.
또한, 아크 검출부(50b ~ 50e) 중 선택된 하나의 아크 검출부에서 아크가 검출된 것으로 판단된 경우, 해당되는 아크 검출부의 스위칭 모듈(10)만을 개방하여 아크가 발생된 태양전지 어레이를 계통에서 분리시키도록 구성된다.
표시부(70)는 상기 누설전류의 검출 및 아크의 검출을 표시하는 것으로서, 태양광 접속반의 전면 패널에 설치될 수 있고, 태양광 발전량, 발전 전압, 부하 전류 등이 표시되도록 구성될 수 있다. 이때, 누설전류의 검출 및 아크의 검출이 표시되는 경우 경고신호(경고음 및 경광등)도 발생되도록 구성되어 청각적 또는 시각적으로 경보가 표시되게 구성될 수 있다.
통신부(80)는 상기 누설전류 및 아크가 검출되는 경우, 통신망을 통해 상기의 검출정보를 관리서버(300)로 전송하는 기능을 수행하는 것으로서, 통신망은 유/무선 통신망으로 구성될 수 있다.
다음으로, 어레이 상태 감지장치(200)에 대해서 설명한다.
상기 어레이 상태 감지장치(200)는 상기 태양전지 어레이(1)의 표면온도 및 출력 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 검출하는 것으로서, 어레이 상태 검출부(210) 및 MMI(220, Man and Machine Interface)를 포함하여 구성된다.
도 8은 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 어레이 상태 감지장치의 구성도이고, 도 9는 본 발명에 따른 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 표면탄성파 센서의 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 상기 어레이 상태 검출부(210)는 온도검출모듈(211)과 전압검출모듈(212)를 포함하여 구성된다.
온도검출모듈(211)은 클럭 주기에 따라 표면탄성파 센서(201)를 호출하는 호출기와 상기 표면탄성파 센서(201)에서 반사되는 신호를 수신하는 수신기를 포함하여 구성된다.
상기 표면탄성파 센서(201)는 호출신호를 수신하여 표면탄성파로 변환하고 이를 반사하여 반사신호를 송신한다. 이때, 상기 표면탄성파 센서(201)는 온도검출이 요구되는 태양전지 어레이(1)에 설치된다.
첨부된 도 9를 참조하면, 상기 표면탄성파 센서(201)는 발생된 센서 구동신호(sensor activation signal)가 안테나를 통하여 송신되면, 이 신호가 표면탄성파파센서(201)의 안테나(201a)에 수신되어 인터디지털 변환기(201b, Inter Digital Transducer, IDT)에 입력되고, 상기 IDT(201b)에 입력된 고주파 신호에 의해 압전 기판(201c)이 진동하게 되며 이에 따라 압전 기판(201c)의 표면을 따라 전파되는 표면탄성파가 발생되어 지연선(201d, delay line)을 따라 전파하여 반사판(201e)으로 전파되며, 전파된 표면탄성파는 반사판(201e)에서 반사되어 지연선(201d)과 IDT(201b)를 거쳐 안테나(201a)에 의해 다시 송신하는 기능을 수행한다.
여기서, 반사된 신호는 온도검출모듈(211)에서 수신하게 된다. 이때, 압전 기판(201c)은 주변의 상태(온도, 압력 등)에 따라 지연선(2d)을 팽창시키거나 수축시킬 뿐만 아니라 압전 기판의 물성에도 영향을 주며,이에 따라 표면탄성파가 전파시간이 변하거나 공진 주파수가 변하게 되는데, 이러한 특성들의 변화를 검출함으로써 온도(또는 압력)를 측정할 수 있게 된다.
즉, 상기 IDT를 구동하는 외부 입력 고주파 신호는 IDT의 공진주파수에 맞추어져 있으며, 온도변화에 따른 전파 시간차를 측정하거나 전파되는 표면탄성파의 위상이나 공진 주파수 변화를 측정하고 측정된 값을 이용하여 온도를 검출하게 된다.
이때, 상기 온도검출모듈(211)은 기준주파수를 발생시키고, 상기 발생된 기준주파수를 위상동기루프의 제어에 따라 출력하며, 상기 출력된 기준주파수를 계수하여 제1 펄스를 생성하고 상기 제1 펄스에 대해 상대적으로 긴 제2 펄스를 생성하여 출력하며, 상기 출력되는 제2 펄스의 주기에 따라 상기 제1 펄스를 이용하여 호출신호를 생성하고, 생성된 상기 호출신호를 송신하며 상기 송신된 호출신호의 반사신호를 상기 표면탄성파 센서(201)로부터 수신하고, 상기 송신된 호출신호와 수신된 반사신호의 속도 변화를 산출하여 온도를 검출하는 기능을 수행한다.
상기 전압검출모듈(212)은 상기 태양전지 어레이(1)에서 출력되는 전압을 검출한다. 여기서 전압의 검출은 계기용 변압기(PT, potential transformer)를 이용하여 검출될 수 있다.
상기 MMI(220)는 온도검출모듈(211) 및 전압검출모듈(212)에서 각각 검출된 온도 및 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이(1)의 상태를 종합적으로 진단하고, 그 결과를 관리서버(300)에 전송한다.
이에 따라, 상기 MMI(220)에는 수신된 온도 및 전압의 추이를 진단하는 진단 에이전트(221); 선택된 일자에 대한 온도 및 전압을 분석하는 분석 에이전트(222); 상기 수신된 온도 및 전압에 근거하여 경보를 발생하는 경보 에이전트(223); 및 상기 관리서버(300)와 통신을 수행하기 위한 통신 에이전트(224)를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 경보 에이전트(223)에서의 경보 발생은 태양전지 어레이(1)에 대한 온도에 근거하여 출력 전압이 설정값 미만인 경우 이루어진다. 즉, 태양광에 의해 태양전지 어레이(1)의 표면온도는 높은 것으로 검출되었으나 출력전압이 그에 상응하여 출력되지 않은 경우, 상기 태양전지 어레이(1)는 정상적인 기능을 수행하지 못하는 것으로 판단하여 경보를 발생시키게 된다.
상기 관리서버(300)는 상기 누설전류 감지장치(100)의 통신부(80) 및 상기 어레이 상태 감지장치(200)의 MMI(220)와 통신을 수행하여 수신된 정보를 저장 관리하며, 발생된 경보를 사용자의 단말기로 전송하도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 태양전지 어레이의 표면온도 및 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 원격에서 확인할 수 있는 장점이 있다.
또한, 인버터에 인가되는 전력선에서 누설전류를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 복수 개의 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이와 태양광 접속반 사이의 전력선에 발생된 누설전류에 의한 아크를 검출하여 전력선 누설전류를 검출할 수 있다.
또한, 태양전지 어레이에서 누설전류의 발생을 아크로 검출할 수 있고, 누설전류가 발생된 태양전지 어레이만을 계통에서 분리시킬 수 있으므로, 전력 공급의 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
1: 태양전지 어레이 2: 태양광 접속반
10: 스위칭 모듈 20: 인버터
30: 전류센서 31: 코어
32: 권선 33: 홀소자
40: 누설전류 검출부 50: 아크 검출부
51: 광섬유 52: 광송신 유닛
53: 광수신 유닛 54: 광신호 처리유닛
60: 차단부 70: 표시부
80: 통신부
100: 누설전류 감지장치
200: 어레이 상태 감지장치 201: 표면탄성파 센서
210: 어레이 상태 검출부 211: 온도검출모듈
212: 전압검출모듈 220: MMI
221: 진단 에이전트 222: 분석 에이전트
223: 경보 에이전트 224: 통신 에이전트
300: 관리서버
10: 스위칭 모듈 20: 인버터
30: 전류센서 31: 코어
32: 권선 33: 홀소자
40: 누설전류 검출부 50: 아크 검출부
51: 광섬유 52: 광송신 유닛
53: 광수신 유닛 54: 광신호 처리유닛
60: 차단부 70: 표시부
80: 통신부
100: 누설전류 감지장치
200: 어레이 상태 감지장치 201: 표면탄성파 센서
210: 어레이 상태 검출부 211: 온도검출모듈
212: 전압검출모듈 220: MMI
221: 진단 에이전트 222: 분석 에이전트
223: 경보 에이전트 224: 통신 에이전트
300: 관리서버
Claims (5)
- 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이로부터 생산된 직류전원을 취합하여 교류전원으로 출력하는 태양광 접속반을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서,
상기 태양광 접속반은 누설전류 감지장치와 어레이 상태 감지장치를 포함하여 구성되고,
상기 누설전류 감지장치는,
상기 태양전지 어레이에서 출력되는 각각의 전력선에 설치되는 스위칭 모듈;
상기 스위칭 모듈의 2차측에 연결되어 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터;
상기 인버터의 1차측 전력선 각각에 구비되어 전류를 검출하는 전류센서;
상기 전류센서에서 각각 검출된 전류값에 따라 누설전류를 검출하는 누설전류 검출부;
아크 발생을 검출하는 아크검출부; 및
상기 누설전류 검출부에서의 누설전류 검출결과 누설전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 또는 상기 아크검출부에서의 아크 검출결과 아크가 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 스위칭 모듈을 선택적으로 제어하는 차단부;
를 포함하여 구성되며,
상기 어레이 상태 감지장치는,
상기 태양전지 어레이의 표면온도 및 출력 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 검출하도록 구성되되,
상기 어레이 상태 감지장치는,
상기 태양전지 어레이 표면의 온도를 검출하고, 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전압을 검출하는 어레이 상태 검출부; 및
상기 어레이 상태 검출부에서 검출된 온도 및 전압에 근거하여 상기 태양전지 어레이의 상태를 진단하는 MMI;
를 포함하여 구성되고,
상기 MMI는,
수신된 온도 및 전압의 추이를 진단하는 진단 에이전트;
선택된 일자에 대한 온도 및 전압을 분석하는 분석 에이전트;
상기 수신된 온도 및 전압에 근거하여 경보를 발생하는 경보 에이전트; 및
관리서버(300)와 통신을 수행하기 위한 통신 에이전트;
를 포함하여 구성되며,
상기 어레이 상태 검출부는 온도검출모듈과 전압검출모듈을 포함하여 구성되고,
상기 온도검출모듈은,
클럭 주기에 따라 표면탄성파 센서를 호출하는 호출기와 상기 표면탄성파 센서에서 반사되는 신호를 수신하는 수신기를 포함하여 구성되어, 기준주파수를 발생시키고, 상기 발생된 기준주파수를 위상동기루프의 제어에 따라 출력하며, 상기 출력된 기준주파수를 계수하여 제1 펄스를 생성하고 상기 제1 펄스에 대해 상대적으로 긴 제2 펄스를 생성하여 출력하며, 상기 출력되는 제2 펄스의 주기에 따라 상기 제1 펄스를 이용하여 호출신호를 생성하고, 생성된 상기 호출신호를 송신하며 상기 송신된 호출신호의 반사신호를 상기 표면탄성파 센서로부터 수신하고, 상기 송신된 호출신호와 수신된 반사신호의 속도 변화를 산출하여 온도를 검출하고,
상기 표면탄성파 센서는 상기 태양전지 어레이에 설치되며,
상기 전압검출모듈은,
계기용 변압기(PT, potential transformer)를 이용하여 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 아크검출부는,
상기 태양광 접속반, 상기 태양전지 어레이 및 상기 태양전지 어레이와 상기 태양광 접속반 사이에 배치된 전력선에서 발생되는 아크를 검출하는 것을 특징으로 하는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 아크검출부는,
상기 태양광 접속반의 내부 전력기기를 경유하도록 배치되는 제1 광섬유와 상기 태양전지 어레이와 상기 접속반 사이에 배치된 전력선을 경유하도록 배치되는 제2 광섬유를 포함하는 광섬유;
상기 광섬유로 광신호를 송출하는 광송신 유닛;
상기 광송신 유닛에서 송출된 후 상기 광섬유를 통과하여 입력되는 광신호를 수신하는 광수신 유닛; 및
상기 광송신 유닛에서 송신된 광신호와 상기 광수신 유닛에서 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호의 변환 여부를 검출하는 광신호 처리유닛;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160054247A KR101677925B1 (ko) | 2016-05-02 | 2016-05-02 | 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템 |
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|---|---|
| KR101677925B1 true KR101677925B1 (ko) | 2016-11-29 |
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ID=57706239
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| KR1020160054247A KR101677925B1 (ko) | 2016-05-02 | 2016-05-02 | 태양광 어레이의 개별감시 기능을 구비한 태양광 발전 시스템 |
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