KR101723831B1

KR101723831B1 - Pv 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템

Info

Publication number: KR101723831B1
Application number: KR1020160093581A
Authority: KR
Inventors: 박형달
Original assignee: 지투파워 (주)
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-04-06

Abstract

본 실시 예는 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 태양광 발전 시스템에서 발생하는 아크를 디지털 아크 감지기를 이용하여 검출하기 위한 아크 검출 기술에 관한 것이다.
본 발명인 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템의 디지털 아크 감지기는 적어도 하나의 PV 모듈과 인버터 사이에 형성된 접속반에 형성되어 상기 태양광 발전 시스템 내에 통합 설계되고; PV 모듈로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D변환부(110); 상기 A/D변환부로부터 출력된 디지털 신호의 주파수 범위의 1/4를 가지는 프랙탈 하위 세트로 여과하여 출력하는 FIR필터부(120); 상기 FIR필터부로부터 출력된 모서리 주파수를 통계적인 신호 분산을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력하는 FIR예측부(130); 상기 출력된 분산 신호를 입력받아 이동 평균화하여 이동 평균치를 출력하는 이동평균치계산부(140); 상기 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하여 아크 유무를 검출하기 위한 아크검출비교부(150); 고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 잡음인지를 분석하고 아크의 허위 탐지를 방지하도록 하기 위한 허위탐지방지부(170)를 포함하는 태양광 발전 시스템을 제공한다.
상기와 같은 본 실시 예는 디지털 아크 감지기를 통해 PV 모듈에서 발생된 아크를 검출할 수 있으며, 또한 모든 PV 모듈과 함께 디지털 아크 감지기를 경제적인 비용으로 통합시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템{SOLAR POWER GENERATING SYSTEM HAVING ARC DETECTOR FUNCTION OF PV MODULES}

본 실시 예는 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 발전 시스템에서 발생하는 아크를 정밀하게 검출할 수 있는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

기존 아크 감지기는 아크를 검출함에 있어서 여러 방식이 있다.

첫 번째, 기존의 아크 감지기는 태양광 발전 시스템에 구비된 PV 모듈로부터 출력되는 주파수 중 특정 주파수에 동조되는 공진 회로를 통해 특정 주파수를 모니터링 함으로써, PV 모듈로부터 아크를 검출할 수 있다.

이 검출 방식은 인버터와 같은 소스로부터 나오는 소음 신호에는 이 주파수가 없어야 한다는 것으로서, 그렇지 않은 경우에는 아크 감지기가 우발적으로 작동되는 문제점이 있다.

두 번째, 기존의 아크 감지기는 PV 모듈로부터 첫 번째 순간의 특정 전류 및 전압을 감지하거나 주파수 반응의 유효 측정을 수행함으로써, PV 모듈로부터 아크를 검출할 수 있다. 그러나, 이 방식의 아크 감지기는 각 PV 모듈 속으로의 통합에 대해서는 적합하지 않은 것으로 보이는데 그 이유는 비용과 여러 감지기들 사이의 간섭 때문이다.

세 번째, 기존의 아크 감지기는 PV 모듈로부터 출력되는 전류 신호의 전력 스펙트럼 밀도를 계산하고 분석하여 PV 모듈로부터 아크를 검출할 수 있다.

여기서, 전력스펙트럼 밀도 계산은 전류 신호의 자기 상관 함수의 푸리에 변환을 통해 획득될 수 있다. 그러나, 이 아크 감지기는 채택되지 않는데, 그 이유는 이 작동에 대한 성능 및 메모리 요건이 저 전력, 저 비용 마이크로 제어기상에서는 맞지 않기 때문이다.

더불어, 전술한 아크 감지기들은 모두 아날로그 방식의 아크를 검출하고, PV모듈과 통합되지 않고 인버터에 통합되면, 아크 검출에 대한 제한이 따르고 제작 비용이 증가되는 문제점이 있었다.

한국공개특허 : 제2013-0081697호(2013.07.17.) 한국공개특허 : 제2015-0073870호(2015.07.01.)

본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 PV 모듈과 통합되어 디지털 방식의 아크를 감지하는 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 태양광 발전 시스템 및 그의 아크 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 아크가 검출될 경우에 차단기를 트립하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 태양광 발전시스템에서 발생되는 고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 발생시, 아크 잡음인지를 분석하여 아크의 허위 탐지를 방지하도록 하는데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서, 디지털 아크 감지기는 적어도 하나의 PV 모듈과 인버터 사이에 형성된 접속반에 형성되어 상기 태양광 발전 시스템 내에 통합 설계되고; PV 모듈로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D변환부; 상기 A/D변환부로부터 출력된 디지털 신호의 주파수 범위의 1/4를 가지는 프랙탈 하위 세트로 여과하여 출력하는 FIR필터부; 상기 FIR필터부로부터 출력된 모서리 주파수를 통계적인 신호 분산을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력하는 FIR예측부; 상기 출력된 분산 신호를 입력받아 이동 평균화하여 이동 평균치를 출력하는 이동평균치계산부; 상기 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하고 아크 유무를 검출하기 위한 아크검출비교부; 고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 잡음인지를 분석하여 아크의 허위 탐지를 방지하도록 하기 위한 허위탐지방지부를 포함하는 태양광 발전 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 FIR필터부는 밴드패스 필터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 디지털 아크 감지기를 통해 PV 모듈에서 발생된 아크를 검출할 수 있으며, 또한 모든 PV 모듈과 함께 디지털 아크 감지기를 경제적인 비용으로 통합시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

또한, 본 실시 예는 태양광 발전 시스템의 PV 모듈의 각 부위마다 발생되는 아크를 보다 정확히 검출할 수 있으며, 아크 검출시 즉각적으로 제어하도록 하여 화재를 사전에 방지할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

도 1 및 도 2는 일 실시 예에 따른 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 블럭도.
도 3은 도 1 및 도 2의 디지털 아크 감지기의 구성을 예시적으로 나타낸 블럭도.
도 4는 일 실시 예에 따른 도 3의 비교기에 의해 검출되는 아크의 위치를 도식화하여 나타낸 위치도.
도 5는 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 아크 검출 방법의 일례를 예시적으로 나타낸 순서도.
도 6은 다른 실시 예에 따른 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템의 제어 블럭도.
도 7 및 도 8은 각각 일 실시 예에 따른 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템의 아크검출조작처리부 상세 블럭도 및 허위탐지방지부 상세 블럭도.
도 9는 일 실시 예에 따른 디지털 아크 감지기를 적용하여 아크를 감지하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이하의 실시 예에서 개시되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "이루어지다" 등의 용어들은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것으로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 구비하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이하의 실시 예에서 개시되는 태양광 발전 시스템은 적어도 하나의 PV 모듈 및 인버터 등을 구비하여 태양광을 전기 에너지로 변환할 뿐만 아니라, PV 모듈에서 발생하는 다양한 형태의 아크를 검출하여 연속적 시스템 파괴를 방지하기 위하여 발생된 아크를 소멸시키기 위한 제어를 위하여 적어도 하나 이상의 PV 모듈에 통합된 디지털 아크 감지기를 제공한다.

이하에서는, 디지털 아크 감지기를 구비하여 PV 모듈로부터 아크를 검출하기 위한 태양광 발전 시스템과 그의 아크 감지 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

도 1 및 도 2는 일 실시 예에 따른 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 블럭도이며, 도 3은 도 1 및 도 2의 디지털 아크 감지기의 구성을 예시적으로 나타낸 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템(1000)은 태양광모듈(100A), 상기 태양광모듈(100A)에 연결된 접속반(100B) 및 상기 접속반(100B)에 연결된 인버터(100C)를 포함한다.

상기 태양광모듈(100A)은 적어도 하나의 PV모듈(101)이 PV 어레이 형태로 형성될 수 있다.

상기 PV 어레이는 적어도 하나의 PV 모듈(101)들이 직렬로 스트링에 연결되고, 스트링들은 병렬로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

상기 접속반(100B)은 태양광 모듈(100A) 또는 각 PV 모듈(101)로부터 아크를 직접적으로 검출할 수 있는 적어도 하나의 디지털 아크 감지기('DSC'라 지칭하기도 함, 100)를 구비할 수도 있다.

예를 들면, 디지털 아크 감지기(100)는 태양광 모듈(100A)과 인버터(100C) 사이에 형성된 접속반(100B) 내부에 구비되어 하나의 모듈로 형성됨으로써, 태양광 발전시스템(1000)내에 통합 설계될 수 있다는 것이다.

그러나, 디지털 아크 감지기(100)는 전술한 위치에 한정되지 않는다.

예를 들면, 디지털 아크 감지기(100)는 도 2에서와 같이 접속반(100B)에 형성되되, 인버터(100C)와 적어도 하나의 PV 모듈(101) 사이마다 형성될 수 있다는 것이다.

즉, 디지털 아크 감지기(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 마이크로 프로세서(180)를 통해 제어되는 A/D변환부(110), FIR필터부(120), FIR예측부(130), 이동 평균치계산부(140), 아크검출비교부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 구성은 상기 A/D변환부(110), FIR필터부(120), FIR예측부(130), 이동 평균치계산부(140), 아크검출비교부(150), 허위탐지방지부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성은 상기 A/D변환부(110), FIR필터부(120), FIR예측부(130), 이동 평균치계산부(140), 아크검출비교부(150), 아크검출조작처리부(160), 허위탐지방지부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 A/D변환부(110)는 적어도 하나의 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호를 예컨대 50 kHz의 샘플 속도를 갖는 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.

디지털 아크 감지기(100)에 입력되는 신호는 PV 모듈(101)의 전압 또는 전류이다. 상기 PV 모듈(101)의 일정하지 않은 V/I 특성으로 인하여 전류가 변하면 전압도 변한다.

따라서, PV 모듈(101)의 전압 또는 전류는 태양광 발전 시스템(1000) 안에서 발생하는 아크를 감지하는 데에 충분한 정보를 제공할 수 있게 된다.

이때, 아크 신호의 진폭은 시스템의 어디에서 아크가 발생하는가에 따라서 크게 변한다. 이러한 사실 때문에 넓은 범위의 진폭에서 감지기가 올바르게 작동하도록 만드는 것이 중요한 관계로 A/D변환부(110)는 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 것이다.

상기 FIR필터부(120, infinite impulse response filter)는 A/D변환부(110)로부터 출력된 디지털 신호를 프랙탈 하위 세트로 여과하여 출력시킬 수 있다.

일반적으로, PV 모듈(101)로부터 출력된 신호에 대한 아크 특징을 면밀히 검토하여야 한다.

전기 아크 생성은 혼란스러운 프로세스이며, 아크 전류의 무질서한 주파수 스펙트럼으로 이어질 수 있다. 예를 들면, 아크의 스펙트럼은 DC로부터 전체 무선 주파수 스펙트럼을 거쳐서 초단파 및 광 방사까지 확장된다. 이런 아크의 스펙트럼은 자체 유사성을 가진 프랙탈 하위 세트로 구성할 수 있다.

아크를 감지하기 위한 모든 정보는 이들 프랙탈 하위 세트들 중의 하나에 주어질 수 있다. 이때, 아크 스펙트럼 안에 있는 프랙탈 하위 세트의 대역 폭은 적어도 주파수 범위의 10 대수 주기의 1/4, 즉, (25...50) Hz를 가질 수 있다.

따라서, A/D변환부(110)로부터 출력된 디지털 신호를 해당 범위의 대역으로 제한할 필요가 있다.

이에 따라, FIR 필터부(120)는 PV 모듈(101)로부터 출력된 디지털 신호를 대략 주파수 범위의 1/4를 가지도록 프랙탈 하위 세트로 여과하여 모서리 주파수를 출력시킬 수 있다.

만약, 1/4의 주파수 범위보다 더 좁은 대역을 가지면, 아크 감지에 필요한 정보가 상실되어 디지털 아크 감지기(100)로 하여금 잘못된 감지를 행하는 위험성이 높아질 수 있다.

이런 이유로 인하여 FIR필터부(120)는 FIR 대역 통과 필터를 사용하여 가능한 한 낮은 주파수를 갖는 모서리 주파수로 출력시킬 수 있다.

바람직하게는, FIR필터부(120)는 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호를 가장 낮은 주파수의 프랙탈 하위 세트인 1 kHz 내지 10 kHz의 모서리 주파수로 출력시킬 수 있다.

전술한 FIR필터부(120)는 최대 10 kHz의 모서리 주파수로 필터링하는 FIR 저역 통과 필터를 이용하여 전술한 모서리 주파수를 출력시킬 수 있다.

상기 FIR예측부(130)는 FIR필터부(120)로부터 출력된 모서리 주파수를 통계적인 신호 분산을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력할 수 있다.

예를 들면, FIR예측부(130)는 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호로부터 분석된 모서리 주파수에 대해 아크 측정치를 발견하기 위하여 통계학적인 신호의 분산을 이용할 수 있다.

즉, 하나의 무작위 변수가 예상 값 μ= E(X)를 갖는다면, X의 분산은 하기의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

Var(X)=E[(X-μ)²] .... 식 (1)

상기 Var(X)는 신호의 분산 정도를 나타내고, 상기 μ= E(X)는 아크의 예상 값을 나타낸다.

신호에 대한 분산이 계산되면, 신호의 무작위성이 증가될 때에 분산 함수는 더 커지게 된다. 일정한 신호에 대해서는 분산이 '0'이 되고, 단일 또는 정현파 주파수의 경우에는 분산이 작아진다. 따라서, FIR예측부(130)는 단순화된 식 (1)의 분산 계산을 사용하고 있는 것이다.

이와 같이, FIR 예측부(130)는 FIR필터부(120)로부터 출력된 모서리 주파수를 전술한 식 (1)을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 바람직하게, FIR예측부(130)는 계산된 아크의 예상 값과 FIR필터부(120)로부터 출력된 모서리 주파수 사이를 제곱하여 전술한 분산 신호를 출력하는 것이 좋다.

아크의 예상 값과 모서리 주파수 사이를 제곱하는 이유는 입력의 작은 무작위 변동 수준까지 반응을 감소시켜 예상치와 아크 기준치 사이의 차이보다 더 큰 가중치를 얻기 위함이다.

한편, 상기 이동평균치계산부(140)는 FIR 예측부(130)로부터 출력된 분산 신호를 입력받아 이동 평균화 기법을 이용한 이동 평균화를 통해 이동 평균치를 출력할 수 있다.

상기 이동 평균화 기법은 통상적으로 널리 알려진 평균화 기법이므로 그 설명은 생략하기로 한다.

이때, 출력된 이동 평균치는 양수 값이며, 태양광 발전 시스템(1000)내에서 아크가 존재하는 확률을 가리킬 수 있다.

상기 아크검출비교부(150)는 상기 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하여 아크 유무를 검출할 수 있다.

일반적으로, PV 모듈(101)에서 측정된 아크 신호의 진폭은 어느 부위에서 아크가 발생하는가에 따라서 다르게 발생할 수 있지만, 아크의 특성상 신속하게 차단하는 것이 무엇보다 중요하다.

이때, 상기 비교를 통해 상기 PV 모듈로부터 발생된 아크를 상기 접속반에서 검출하는 것인데, 만약 아크가 발생한다면 즉각 아크를 처리하는 것이 중요한 것이다.

도 4는 일 실시 예에 따른 도 3의 비교기에 의해 검출되는 아크의 위치를 도식화하여 나타낸 위치도이다.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(1000)은 전형적인 PV 시스템으로서, 적어도 하나의 PV 모듈(101)들이 직렬로 스트링에 연결되고, 스트링들은 병렬로 연결되는 PV 어레이를 포함할 수 있다.

PV 어레이에서 a, b, c 및 d로 표기된 위치에서는 연결 부위에서의 접촉이 상실되면 전술한 바와 같은 아크가 형성된다.

위치 a는 PV 모듈(101)에 있는 2개 전지들 사이의 연결 부위이고, 위치 b는 2개의 PV 모듈(101) 사이의 연결 부위이며, 위치 c 는 몇 가닥인 스트링의 연결 지점(부위)이고, 위치 d는 주 DC 모선의 연결 부위이다.

따라서, 디지털 아크 감지기(100)는 도 1 및 도 2에서 전술한 A/D변환부(110), FIR필터부(120), FIR예측부(130), 이동평균치계산부(140), 아크검출비교부(150)를 통해 a, b, c 및 d의 위치에서 발생한 아크를 정확히 검출할 수 있다.

상기한 위치 이외에도 위치 e, 위치 f에도 발생할 수 있다.

따라서, 디지털 아크 감지기(100)는 도 1 내지 도 3에서 전술한 A/D변환부(110), FIR필터부(120), FIR예측부(130), 이동평균치계산부(140), 아크검출비교부(150)를 통해 e 위치 및 f 위치에서 발생한 아크도 정확히 검출할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 예는 태양광 발전 시스템의 PV 모듈의 각 부위마다 발생되는 아크를 보다 정확하게 검출할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기한 아크를 검출하고, 이에 따라 제어하는 과정을 제공하여 시스템의 심각한 피해를 사전에 방지하고자 하는 것이다.

이때, 본 발명의 다른 실시예에서는 아크검출비교부(150)를 통해 상기 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하여 아크 유무를 검출하게 되며, 아크검출조작처리부(160)를 통해 상기 검출 결과가 아크인 경우에 해당 태양광 어레이의 차단기를 트립시키게 된다.

상기 아크가 발생한 부위의 해당하는 차단기를 트립하는 기술은 일반적인 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 하겠다.

한편, 아크를 구별하는 것이 어려운데 그 이유는 잡음 특징이 서로 유사하기 때문이다.

또한, 다수의 아크검출기는 스트링 혹은 어레이 레벨에 설치하는 것으로 설계되었으므로 아크 고장이 트립을 야기시킨다면, 이 아크는 소멸되지 않고 더 많은 전류가 아크 고장 경로를 통하여 집중됨으로써 오히려 더 강화될 수도 있다.

따라서, 이에 대한 신속한 조치가 필요하게 된 것이다.

이를 위하여 본 발명의 다른 실시예에서는 아크검출조작처리부를 구성하게 된 것이다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 아크검출조작처리부(160)는 아크검출비교부에서 아크인지를 검출하며, 검출 결과가 아크일 경우에는 차단기를 트립하는 처리 과정을 거치는 것이다.

구체적으로, 상기 아크검출조작처리부(160)는 아크일 경우에 아크가 발생된 해당 태양광 어레이의 차단기를 트립시키기 위한 아크처리모듈(161)과, 아크가 발생된 접속반의 아이디 정보와 아크 정보를 생성하여 관리자단말기로 제공하기 위한 아크발생정보송출모듈(162)을 포함하여 구성하게 된다.

즉, 설계조건에 따라서, 아크가 발생된 접속반의 아이디 정보와 아크 정보를 생성하여 관리자단말기로 제공하기 위하여 아크발생정보송출모듈(162)을 구성할 수 있다.

상기 아크 정보에는 아크의 발생시점, 아크가 발생된 태양광 어레이 정보 등이 포함될 수 있다.

이때, 본 발명의 디지털 아크 감지기(100)는 메모리부(미도시)를 구성할 수 있으며, 마이크로프로세서의 제어에 따라 데이터를 저장하거나 독출할 수 있게 된다. 상기 메모리부에는 바람직하게는 관리자단말기 정보, 접속반 아이디 정보, 아크 정보 등을 저장할 수 있다.

요약하자면, 아크는 전체 시스템에 심각한 타격을 줄 수 있는 원인을 제공하게 되므로 신속한 처리가 가장 중요한 요소이다.

아울러, 본 발명에서는 고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 잡음인지를 분석하여 아크의 허위 탐지를 방지하도록 하기 위한 허위탐지방지부(170)를 더 포함하여 구성할 수 있다.

상기의 허위탐지방지부는 일 실시예 혹은 다른 실시예에 더 포함하여 구성되게 된다.

상기와 같이 허위탐지방지부를 구성하게 될 경우에 상기 아크검출조작처리부(160)는 아크처리모듈(161)에 아크 잡음 신호 정보를 제공하여 아크 생성 주파수를 체크할 수 있도록 하기 위한 아크잡음신호제공모듈(163)을 더 포함하여 구성할 수 있다.

일반적으로 태양광 발전시스템이 설치 구성된 장소는 도심지와 멀리 떨어져 있는 장소가 대부분이다.

따라서, 멀리 떨어진 곳에 위치하고 있는 설비의 경우에는 허위 아크 탐지를 방지하는 기술도 필요하게 되었다. 즉, 허위 아크 탐지 때문에 전체 태양광 어레이가 가동 정지된다면, 이는 기술자를 현장에 파견하여 시스템을 리셋할 수 있을 때까지 전력이 손실됨을 의미한다. 이에 따라, 아크의 탐지에 실패하는 비용이 잠재적으로 크며(예를 들어서, 신체 부상, 장비 손상, 및 비극적인 화재), 아크를 허위로 탐지하는 비용도 역시 크다.

구체적으로 설명하자면, 디지털 신호로 변환된 다음에 디지털 신호는 공칭 전력에서 스펙트럼 소음을 측정하도록 처리되는데, 예를 들어, 아크 생성 이벤트는 40-100 KHz의 범위에 있는 특정 주파수 대역에서 공칭 전력을 변경시킨다.

아크를 탐지하는 하나의 접근 방식은 공칭 전력을 기준선 측정과 비교하고 잡음 레벨이 갑자기 증가되는 때를 기록하는 것이다.

일반적으로 스트링 인버터에서 사용하는 AC 인버터가 아크 이벤트와 매우 흡사한 소음을 생성한다는 것이며, 이를 구분할 필요가 있다.

따라서, 정확하고 확실하게 아크를 탐지하기 위하여 허위탐지방지부를 구성하게 된 것이다.

상기 허위탐지방지부는 고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 잡음인지를 분석하여 아크의 허위 탐지를 방지하게 된다.

이를 위하여, DC 모선 상에 고주파수 잡음의 진폭 변화를 탐지하여 메모리부에 저장시키기 위한 환경분석모듈(171)과, 온도 및 습도 정보를 감지하기 위한 온습도감지모듈(172)과, 메모리부에 저장된 고주파수 잡음의 진폭 변화 정보를 아크잡음신호제공모듈(163)로 제공하여 아크 잡음인지를 판단할 수 있도록 하기 위한 허위탐지방지모듈(173)을 포함하여 구성되게 된다.

이때, 마이크로프로세서(180)는 시간별 온습도 정보, 고주파수 잡음 진폭 변화 정보를 참조하여 아크 이벤트 예측값을 메모리부에 저장시키되, 아크 이벤트 예측값에 도달하면 관리자단말기로 사전 점검 요청 정보를 송출하는 것을 특징으로 한다.

즉, 시스템이 설치 구성된 주변 환경 변수인 온도 및 습도 정보를 실시간으로 감지하며, 시스템에서 제공하는 고주파수 잡음의 진폭 변화 정보 등을 실시간으로 체크하고 있다가 아크가 발생하게 되면 해당 아크 발생시점의 주변 환경 변수를 참조하여 아크 발생시점의 조건을 메모리부에 저장하고 있다가 해당 조건에 부합되는 아크 이벤트 예측값을 생성하여 저장하게 된다.

이후, 상기 아크 이벤트 예측값에 부합되는 온습도와 고주파수 잡음 진폭 변화가 발생하게 되면 즉각적으로 사전 점검 요청 정보를 제공하게 되는 것이다.

이때, 관리자는 상기한 정보들을 참조하여 아크 이벤트 예측값을 설정하기 위한 주파수 대역, 설정할 한계값 등을 선정하고, 이벤트 발생을 위한 최소 주파수대를 설정하고 가중치를 부여하여 메모리부에 저장시킬 수도 있을 것이다.

도 5는 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 아크 검출 방법의 일례를 예시적으로 나타낸 순서도이다.

도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 아크 검출 방법(200)은 마이크로프로세서(180)를 통해 PV 모듈로부터 아크를 검출하기 위하여 210 단계 내지 260 단계를 포함한다.

먼저, 210 단계에서, 마이크로프로세서는 A/D 변환부를 통해 적어도 하나의 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호를 예컨대 50 kHz의 샘플 속도를 갖는 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.

A/D변환기(110)에 입력되는 신호는 PV 모듈의 전압이다.

상기 220 단계에서, 마이크로 프로세서(180)는 FIR필터부(120)를 이용하여 전술한 210 단계에 의해 출력된 디지털 신호를 프랙탈 하위 세트로 여과하여 출력시킬 수 있다.

즉, 마이크로 프로세서는 FIR필터부(120)를 통해 전술한 210 단계에 의해 출력된 디지털 신호의 대략 주파수 범위의 1/4를 가지도록 프랙탈 하위 세트를 여과하여 모서리 주파수를 출력시킬 수 있다.

만약, 1/4의 주파수 범위보다 더 좁은 대역을 가지면, 아크 감지에 필요한 정보가 상실되어 마이크로 프로세서(180)로 하여금 잘못된 감지를 행하는 위험성이 높아질 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 적용된 마이크로 프로세서는 FIR필터부, 예컨대 FIR 대역 통과 필터를 사용하여 가능한 한 낮은 주파수를 갖는 모서리 주파수로 출력시킬 수 있다.

바람직하게는, 마이크로 프로세서(180)는 PV 모듈(101)로부터 출력된 아날로그 신호를 가장 낮은 주파수의 프랙탈 하위 세트인 1 kHz 내지 10 kHz의 모서리 주파수로 출력시킬 수 있다.

상기 230 단계에서, 마이크로 프로세서는 FIR예측부(130)를 통해 전술한 220 단계에 의해 출력된 모서리 주파수를 통계적인 신호 분산을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력할 수 있다.

예를 들면, 마이크로 프로세서는 PV 모듈로부터 출력된 아날로그 신호로부터 분석된 모서리 주파수에 대해 아크 측정치를 발견하기 위하여 통계학적인 신호의 분산을 이용할 수 있다.

상기 240 단계에서, 마이크로 프로세서는 이동평균치계산부(140)를 통해 230 단계로부터 출력된 분산 신호를 입력받아 이동 평균화 기법을 이용한 이동 평균화를 통해 이동 평균치를 출력할 수 있다.

상기 250 단계에서, 마이크로 프로세서는 아크검출비교부(150)를 통해 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하여 아크 유무를 검출할 수 있다.

일반적으로, PV 모듈에서 측정된 아크 신호의 진폭은 어느 부위에서 아크가 발생하는가에 따라서 다르게 발생할 수 있다.

이런 이유로 인하여, 예를 들면, 마이크로 프로세서(180)는 사전에 아크 신호의 진폭 정보를 메모리부에 저장하고 있다가 해당 아크 신호의 진폭 정보와 일치되는 아크 신호의 진폭 정보가 발생하면 아크로 검출하게 되는 것이다.

상기 260 단계에서, 마이크로 프로세서는 아크검출조작처리부(160)를 통해 검출 결과가 아크인 경우에 해당 태양광 어레이의 차단기를 트립시키게 되는 것이다.

이후, 상기 이벤트 정보를 관리자단말기로 제공하게 되는 것이다.

도 9는 일 실시 예에 따른 디지털 아크 감지기를 적용하여 아크를 감지하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프로서, 도 9에 도시된 실험에서는 60V의 전압에서 실시한 측정 결과를 나타낸다.

첨부된 도 9를 참조하면, 60V의 전압에서 실시한 측정 결과 서로 접촉되어 있는 아크 전극을 사용하여 60V의 전압을 만들어내는 회로를 구성하고, 상기 회로에 전술한 디지털 아크 감지기를 연결하여 활성화시켰다.

전극들이 서로 떨어질 때에 약 175㎲ 이내에서 아크 생성 고장이 디지털 아크 감지기에서 감지된 후에 전원이 꺼졌다.

이 결과, 도 9에 도시된 채널 1은 A/D변환부로 향하는 입력 아날로그 신호를 나타내고, 채널 3은 MOSFET에 대한 게이트 신호(높게 올라 감: 아크가 감지되고 꺼짐)를 나타내며, 채널 4는 부하 저항기를 가로지르는 아날로그 신호, 예컨대 전압을 나타낸다.

아크가 연소되는 동안에 아날로그 신호 예컨대 전압이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이 차이가 아크를 가로 질러서 떨어지는 아날로그 신호, 예컨대 전압의 크기를 나타낸다.

만약, 디지털 아크 감지기를 방치시키는 경우에는, 동일한 조건 하에서 소스가 꺼지거나 전극들이 충분히 먼 거리로 서로 떨어질 때까지 안정적인 아크가 점화된 후에 계속 연소되므로, 아크를 감지할 수 없게 된다.

이상에서 설명된 태양광 발전 시스템의 아크 검출 시스템은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다.

컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로세서에 의해 액세스 가능한 임의의 매체일 수 있다. 이러한 매체는 휘발성 및 비휘발성 매체 둘 다, 착탈식과 비착탈식 매체, 통신 매체, 저장 매체 및 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다.

통신 매체는 컴퓨터 판독 가능한 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 반송파 또는 기타 전송 메커니즘 등의 변조된 데이터 신호의 기타 데이터를 포함할 수 있고, 공지된 임의의 기타 형태의 정보 전달 매체를 포함할 수 있다.

저장 매체는 RAM, 플래시 메모리, ROM, EPROM, 전기적으로 소거 가능한 판독 전용 메모리("EEPROM"), 레지스터, 하드 디스크, 착탈식 디스크, 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리("CD-ROM"), 또는 공지된 임의의 기타 형태의 저장 매체를 포함할 수 있다.

컴퓨터 저장 매체는, 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 그 밖의 데이터와 같은 정보를 저장하기 위한 임의의 방법이나 기술로 구현되는 착탈형(removable)과 고정형(non-removable), 및 휘발성과 비휘발성 매체를 포함한다.

이러한 컴퓨터 저장 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리, 다른 고체 메모리 기술, CDROM, 디지털 다용도 디스크(DVD), 또는 다른 광 저장 장치, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 저장 장치 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 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.

100 : 디지털 아크 감지기
101 : PV 모듈
110 : A/D변환부
120 : FIR필터부
130 : FIR예측부
140 : 이동평균치계산부
150 : 아크검출비교부
160 : 아크검출조작처리부
170 : 허위탐지방지부
180 : 마이크로 프로세서

Claims

PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서,
상기 디지털 아크 감지기(100)는,
적어도 하나의 PV 모듈과 인버터 사이에 형성된 접속반에 형성되어 상기 태양광 발전 시스템 내에 통합 설계되고,
PV 모듈로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D변환부(110);
상기 A/D변환부로부터 출력된 디지털 신호의 주파수 범위의 1/4를 가지는 프랙탈 하위 세트로 여과하여 출력하는 FIR필터부(120);
상기 FIR필터부로부터 출력된 모서리 주파수를 통계적인 신호 분산을 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력하는 FIR예측부(130);
상기 출력된 분산 신호를 입력받아 이동 평균화하여 이동 평균치를 출력하는 이동평균치계산부(140);
상기 출력된 이동 평균치와 기 설정된 아크 기준치를 비교하여 아크 유무를 검출하기 위한 아크검출비교부(150);
상기 검출 결과가 아크인 경우에 해당 태양광 어레이의 차단기를 트립시키기 위한 아크검출조작처리부(160);
고주파수 잡음의 진폭 변화를 참조하여 아크 잡음인지를 분석하고 아크의 허위 탐지를 방지하도록 하기 위한 허위탐지방지부(170); 및
아크 이벤트 예측값을 메모리부에 저장시키되, 아크 이벤트 예측값에 도달하면 관리자단말기로 사전 점검 요청 정보를 송출하는 마이크로프로세서(180);
를 포함하여 구성되되,
상기 FIR예측부(130)는,
상기 FIR필터부(120)로부터 출력된 모서리 주파수를 하기의 식 (1)에 적용하여 아크의 예상 값을 포함한 분산 신호를 출력하되, 상기 출력된 아크의 예상 값과 상기 FIR필터부로부터 출력된 모서리 주파수 사이를 제곱하여 상기 분산 신호를 출력하고,
Var(X)=E[(X-ч)²] .... 식 (1)
상기 Var(X)는 상기 모서리 주파수의 분산 정도를 나타내고, 상기 ч= E(X)는 아크의 예상 값을 나타내며, 상기 X는 상기 모서리 주파수에 대한 무작위 변수를 나타내고,
상기 아크검출비교부(150)는,
상기 비교를 통해 상기 PV 모듈로부터 발생된 아크를 상기 접속반에서 검출하고,
상기 아크검출조작처리부(160)는 ,
아크일 경우에 아크가 발생된 해당 태양광 어레이의 차단기를 트립시키기 위한 아크처리모듈(161);
아크가 발생된 접속반의 아이디 정보와 아크의 발생시점 및 아크가 발생된 태양광 어레이 정보가 포함되는 아크 정보를 생성하여 관리자단말기로 제공하기 위한 아크발생정보송출모듈(162); 및
상기 아크처리모듈(161)에 아크 잡음 신호 정보를 제공하여 아크 생성 주파수를 체크할 수 있도록 하기 위한 아크잡음신호제공모듈(163);
을 포함하여 구성되며,
상기 허위탐지방지부(170)는,
DC 모선 상에 고주파수 잡음의 진폭 변화를 탐지하여 메모리부에 저장시키기 위한 환경분석모듈(171);
온도 및 습도 정보를 감지하기 위한 온습도감지모듈(172); 및
메모리부에 저장된 고주파수 잡음의 진폭 변화 정보를 아크잡음신호제공모듈(163)로 제공하여 아크 잡음인지를 판단할 수 있도록 하기 위한 허위탐지방지모듈(173);
을 포함하여 구성되고,
상기 마이크로프로세서(180)는,
아크 발생시점의 온도 및 습도 정보를 참조하여 아크 발생시점 조건의 아크 이벤트 예측값을 생성하여 메모리부에 저장하고, 상기 아크 이벤트 예측값에 부합되는 온도 및 습도와 고주파수 잡음 진폭 변화가 발생하게 되면, 사전 점검 요청 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 FIR필터부(120)는, 밴드패스 필터인 것을 특징으로 하는 PV 모듈의 아크 검출 기능을 갖는 디지털 아크 감지기를 구비한 태양광 발전 시스템.
삭제