KR101881411B1 - 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템, 그리고 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법 - Google Patents

태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템, 그리고 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법 Download PDF

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Abstract

태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템과, 이러한 태양광 발전 시스템이나 태양광발전 에너지 저장 시스템에 적용할 수 있는 아크 검출 및 차단 방법을 개시한다. 본 발명의 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템은 별도의 센서의 부가 없이 시스템의 제어에 필요한 입출력 전압, 전류 측정 회로를 이용하여 DC 아크를 효과적이고 안정적으로 검출하고 또한 아크 발생 또는 아크 발생의 우려가 있는 반도체 스위칭 소자의 파손을 감지하여 전력을 자동으로 차단하고 통보할 수 있다.

Description

태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템, 그리고 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법{ARC DETECTION AND SHUTDOWN METHOD IN PV SYSTEM AND PV ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템과, 이러한 태양광 발전 시스템이나 태양광발전 에너지 저장 시스템에 적용할 수 있는 아크 검출 및 차단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 센서나 장치 없이 시스템의 제어에 필요한 입출력 전압, 전류 측정 회로를 이용하여 DC 아크를 검출하고 또한 아크 발생 시 전력을 차단할 수 있는, 태양광 발전 시스템 또는 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법에 대한 것이다.
전력 생산을 위한 태양광 발전 시스템은 발전의 주체가 되는 다수의 태양전지(Solar Cell)들로부터 전력을 생산한 뒤에는, 이를 직류전류(DC)로 변환한다. 이는 상기 태양전지들이 생성하는 전력들을 저장할 수 있는 수단이 없으므로, 생산과 동시에 직류전류로 변환되어, 배터리 또는 기타 전기 저장장치와 같은 에너지 저장 시스템에 분산되거나, 부하에 의해 분산된다. 이렇게 생산된 전력 에너지는 다시 교류전류(AC)로 변환되어, 상업 전력망(Power Grid)에 전송되어 실제로 사용된다.
상기와 같이 태양광 발전을 통하여 생성된 전력 에너지는 필요에 따라 직류에서 교류로의 전환, 또는 교류에서 직류로의 전환이나 전압의 승압 또는 강하 등의 필요성이 생기는데, 이때 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 직류전류의 승압을 실시하는 컨버터부나 또는 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터부의 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transister) 또는 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transister) 등의 반도체 소자의 경우, 노후화 또는 기타 외부 환경의 영향으로 인하여 파손된 상태에서는 상기 승압 또는 변환 동작 중 아크(Arc)를 발생시킬 수 있고, 이러한 아크는 화재발생의 원인이 된다.
상기와 같은 아크는 화재 발생의 주요 원인이 되므로, 일반적으로 상기와 같은 태양광 발전 시스템에는 아크를 미연에 감지하기 위하여 아크 감지기를 설치하여 직류전류의 차단을 실시하거나 또는 화재감지기 등을 발생하여 화재를 미연에 방지하게 된다. 상기 화재감지기는 다양한 형태로 개시되어 있는 일반적인 기술이며, 상기 아크 감지기 역시 다양한 센서를 이용하여 구현 및 개시되어 있다. 예를 들어 KR등록특허 10-1358092호에서는 UV(자외선)센서를 이용하여 상기 아크를 검출하고자 하며, KR등록특허 10-1456137호에서는 과도대지전압 검출 센서를 이용하여 아크나 코로나 방전을 검출하는 기술이 개시되어 있고, KR등록특허 10-1515478호에서는 자기센서를 이용한 아크검출 방법이, KR등록특허 10-1573234호에서는 광 변환 방식에 의한 광섬유 아크 검출 센서에 대한 기술이 개시되어 있다.
상기와 같이 센서를 이용하는 아크 검출 방식은 아크를 미연에 감지하여 직류전류를 차단할 수 있기에 아크의 발생을 원천적으로 차단할 수 있다는 장점이 있지만, 아크의 검출을 위하여 별도의 센서를 다수 개 추가적으로 필요로 한다는 점에서 비경제적이고 별도의 유지 및 관리비용이 발생하며, 또한 상기 아크 검출 센서가 고장이라도 나면 아크를 검출할 수 있는 별도의 수단이 없어져 무방비상태가 된다는 단점이 발생한다.
또한 화재감지기를 이용한 방식 역시 화재감지기의 설치 및 유지보수를 위한 별도의 비용이 발생하고, 또한 아크를 원천적으로 검출 및 전류 차단하는 것이 아닌 사후처리 이상의 기능을 기대할 수 없으므로, 실질적인 효율이 떨어진다는 단점이 발생하게 된다.
KR등록특허 10-0512194호 KR등록특허 10-0725482호 KR등록특허 10-1194708호 KR공개특허 10-2012-0039036호 KR등록특허 10-1334306호 KR등록특허 10-1406291호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 해결하여, 직류전류를 능동적으로 차단하는 능동형 스위치 없이 DC차단기인 MCCB만을 사용하고, 단락전류가 정격전류보다 크지 않은 시스템에서는 이를 보완하기 위하여 트립코일을 부가적으로 포함하여 직류전류를 차단할 수 있는, 태양광 발전 시스템과 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 태양광모듈과 생산 완료된 교류전력이 저장 또는 공급되는 계통전원부 사이에 위치하는 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템으로서.
상기 태양광모듈이 생산한 전력을 제어하고 차단여부를 결정하는 제어부;
태양광발전에 사용되는 에너지 저장장치 및 전력변환장치를 포함하는 ESS/PCS부;
상기 태양광 발전 시스템의 동작 현황을 가시적으로 확인하고 또한 조작할 수 있는 하나 이상의 인터페이스를 포함하고 있는 디스플레이부 및 하나 이상의 단말기를 포함하고,
상기 태양광모듈과 ESS/PCS부 사이에는 DC차단기가 설치되고, 상기 ESS/PCS부와 계통전원부 사이에는 마그넷컨택터와 AC차단기가 설치되어 있는 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템을 제공한다.
상기에서, 제어부와 DC차단기 사이에는 트립코일이 설치되어 DC차단기를 동작시키도록 한다.
상기에서, 제어부는 DC차단신호송신기능; PV전압, 전류 감지 및 제어기능; DC링크전압, 전류감지기능; DC/AC변환제어기능; AC전압, 전류감지기능; 그리고 AC차단신호송신기능을 포함한다.
상기의 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템에서 아크를 검출하고 차단하는 방법으로서, 태양광모듈전압(SV), DC링크전압(DCV), 반도체스위칭소자 전류(SwI), DC전압파 진폭(DCV-A), DC전류파 진폭(DCI-A)을 측정하는 감시단계(S1); 상기 감시단계(S1)에서 상기 태양광모듈전압(SV), DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm) 미만으로 측정될 때, 상기 태양광 발전 시스템에서의 이상상황을 파악하는 이상상황 감지단계(S2); 상기 이상상황 감지단계(S2)에서 상기 ESS/PCS부 내에서 아크가 발생하였다고 판단될 시 상기 DC차단기(112)동작시켜 DC전류를 차단하는 DC차단단계(S3); 상기 DC차단단계(S3)가 실시되어 전력이 차단되었음을 상기 디스플레이(300) 및 상기 하나 이상의 단말기(400)를 통해 제공하는 통보단계(S4)를 포함하여 아크를 검출하고 차단하도록 한다.
상기에서, 이상상황 감지단계(S2)는 저전압 에러를 인지 및 대처하고 사용자에게 통보하는 DC저전압 에러감지단계(S21); 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초(sec) 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되는지를 확인하는 절반전압 검출단계(S22); 상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부 내부에 설치되어 있는, 반도체 스위칭 소자 또는 게이트 드라이버(Gate Driver)에서 과전류가 발생하고 있는지를 판단하는 반도체 과전류 감지단계(S23); 상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부에서의 변환된 AC전류에 과전류가 유입되고 있는지를 확인하는 AC과전류유입 감지단계(S24); 상기 단계(S24)에서 과전류가 유입되었다면 AC 과전류 유입 경보를 사용자에게 통보하는 과전류 경보발생 단계(S25); 상기 단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 2ms이상 지속되는지를 확인하는 절반전압 확인단계(S26); 그리고 상기 단계(S26)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 2ms이상 지속되거나, 상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초를 초과한 시간 간격으로 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 하강하여 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부(200) 내부의 DC전류 및 전압의 파형을 확인하는 파형감시단계(S27)를 포함하여, 아크를 검출하도록 한다.
상기에서, DC저전압 에러감지단계(S21)에서는 상기 ESS/PCS부 내 반도체 스위치 소자에 대한 스위칭(Switching)을 실시하기 위하여 송출하던 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 정지하고, 상기 AC차단신호송신기능을 통하여 상기 마그넷컨택터 및 AC차단기를 동작시켜서 AC전류를 차단시키도록 하는 것이 바람직하다.
상기에서, 반도체 과전류 감지단계(S23)에서는 상기 ESS/PCS부 내 반도체 스위칭 소자에 흐르는 반도체스위칭소자 전류(SwI)가 미리 입력된 반도체 스위칭 소자 정격전류 값의 5배 이상이 되는 경우, 과전류가 발생된 것으로 판단한다.
상기에서, AC과전류유입 감지단계(S24)에서 ESS/PCS부에서의 변환된 AC전류에 정격전류의 1.3배 이상의 과전류가 유입되고 있다면, 과전류가 발생된 것으로 판단한다.
상기에서, 반도체 과전류 감지단계(S23)에서 과전류가 발생하고 상기 과전류의 발생이 10㎲ 이상 지속되면, 아크가 발생하였거나 발생 위험이 있으므로 상기 DC차단단계(S3)를 실시한다.
상기에서, AC과전류유입 감지단계(S24)에서 과전류가 발생하고 상기 과전류의 유입이 5ms 이상 지속되면, 아크가 발생하였거나 발생 위험이 있으므로 상기 DC차단단계(S3)를 실시한다.
상기에서, 파형감시단계(S7)에서 DC전압파의 파장(DCV-A) 및 DC전류파 파장(DCI-A)의 마루값이 정해진 최대값의 80% 이상으로 측정되며, 골의 값이 정해진 최소값의 20% 이하로 측정되고, 상기와 같이 측정된 파장(DCV-A, DCI-A)의 주기가 2회 이상 반복되는 경우, 아크가 발생하였거나 발생 위험이 있으므로 상기 DC차단단계(S3)를 실시한다.
본 발명에 의하면, 기존에 사용하고 있던 일반적인 태양광 발전 시스템 또는 태양광발전 에너지 저장 시스템에서도 별도의 센서의 설치 없이 시스템의 제어에 필요한 입출력 전압, 전류 측정 및 분석을 통하여 DC 아크를 검출하므로, 기존의 센서 의존적인 아크 검출 방법에 비해 더 신속하고 안정적인 아크 검출을 보장한다. 또한 아크 발생 또는 아크 발생이 우려되는 반도체 스위칭 소자의 파손을 감지하게 되면 즉시 전력을 차단하여 아크의 발생을 효과적으로 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 태양광 발전 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 아크 검출 및 차단 방법 순서도.
도 3은 본 발명의 아크 검출 및 차단 방법에 따른 전류 및 전압 파형 그래프.
이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 실시와 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 구조도이다. 이하에서는 도 1을 통하여 본 발명의 아크 검출 및 차단방법을 구현하기 위한 태양광 발전 시스템의 구성에 대하여 설명한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)은 실제로 발전을 실시하는 태양광모듈(11)과 생산 완료된 교류전력이 저장 또는 공급되는 계통전원부(12) 사이에 위치하며, 상기 태양광모듈(11)이 생산한 전력을 제어하고 차단여부를 결정하는 제어부(100)와, 태양광발전에 사용되는 에너지 저장장치(Energy Storage System; ESS) 및 전력변환장치(Power Conditioning System; PCS)를 포함하는 ESS/PCS부(200), 그리고 상기 제어부(100)와 유선 또는 무선으로 연결되어 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 동작 현황을 가시적으로 확인하고 또한 조작할 수 있는 하나 이상의 인터페이스를 포함하고 있는 디스플레이부(300)와, 상기 제어부(100)와 무선으로 연결되어 원거리에서 상기 제어부(100)가 제공하는 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 동작 현황을 가시적으로 확인할 수 있는 하나 이상의 단말기(400)를 포함한다.
그리고 상기 태양광모듈(11)과 ESS/PCS부(200) 사이에는 전력공급을 차단할 수 있는 DC차단기(112)가 설치된다. 그리고 상기 제어부(100)와 상기 DC차단기(112) 사이에는 트립코일(111)이 설치된다. 상기 트립코일(111)은 차단기를 개로할 경우에 트립 기구를 동작시키기 위한 일반적인 트립코일(Trip Coil)을 사용하면 되며, 상기 제어부(100)에 의하여 동작한다. 그리고 상기 ESS/PCS부(200)와 계통전원부(12) 사이의 AC전원이 전송되는 부분에는 마그넷컨택터(113) 및 AC차단기(114)가 설치된다.
또한 상기 ESS/PCS부(200)에는 추가적으로 배터리부(210)가 연결되어 사용될 수도 있다 상기 배터리부(210)가 연결되면, 태양광 발전으로 인하여 생산된 전력을 저장하는 에너지 저장 시스템이 된다.
상기와 같이, 태양광모듈(11)과 계통전원부(12) 사이의 구성 및 전력 생성 및 전달 방식 등은, 종래에 이미 잘 알려져 있으므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
그리고 상기 제어부(100)는 일반적인 연산장치인 CPU, MPU 등을 사용할 수 있는 프로세서와 기억장치로 구성되며, 상기 태양광모듈(11) 또는 상기 ESS/PCS부(200)에서의 아크를 검출하기 위하여, 실제로 상기 트립코일(111)을 동작시켜 상기 DC차단기(112)를 차단하도록 신호를 전송하는 DC차단신호 송신기능(110), 태양광모듈(11)의 전압 및 전류를 감지하고 제어하는 PV전압, 전류 감지 및 제어기능(120), ESS/PCS부(200) 내부의 변환된 전압, 전류를 감지하는 DC링크전압, 전류감지기능(130), 상기 ESS/PCS부(200) 내에서, 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)로 변환하는 것을 제어하는 DC/AC변환제어기능(140), 상기 ESS/PCS부(200)와 상기 계통전원부(12) 사이에서의 교류전력에 대한 전압, 전류를 감지하는 AC전압, 전류감지기능(150), 그리고 상기 마그넷컨택터(113) 및 AC차단기(114)에 차단신호를 송신하는 AC차단신호송신기능(160)을 상기 AC을 포함한다.
상기와 같은 기능들은, 상기 제어부(100) 상에서 프로그램의 집합으로 구현되어 실시될 수 있거나 또는 하드웨어를 통하여 구현될 수도 있다. 사용자는 상기 제어부(100) 내의 기능들(110~160)을 구현하기 위한 수단을 선택하여 구현하면 된다.
그리고, 상기 기능들(110~160)의 동작 현황 및 측정한 수치들은 상기 디스플레이(300)를 통하여 사용자에게 가시적으로 전달하게 되어, 사용자는 상기 디스플레이(300)를 통하여 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 동작 현황 등을 확인할 수 있다.
또한 상기 단말기(400)는 원거리에서 상기 제어부(100)를 확인할 수 있는 하나 이상의 스마트폰 및 태블릿PC, 외부의 데스크탑 및 랩탑 등을 모두 포함하며, 이에 따라 상기 단말기(400)는 전용 프로그램 내지는 어플리케이션을 이용하여 상기 제어부(100)가 전송하는 정보를 사용자에게 제공하거나 또는 상기 제어부(100)의 현황을 인터넷 상으로 제공하게 되는 웹 페이지를 상기 단말기(400)가 열람함으로서 확인할 수 있다.
상기 제어부(100)가 상기 태양광모듈(11) 및 ESS/PCS부(200)에서의 아크를 검출하고 상기 DC차단기(112)를 동작시켜 차단하기 위한 동작 순서도가 도 2에 도시되어 있다. 이하에서는 도 2를 통하여 항기 제어부(100) 내에서의 아크 검출 및 차단 방법에 대하여 설명한다.
설명에 앞서, 이하에서 '사용자에게 통보' 하는 것은, 상기 제어부(100)가 각 단계에서 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 상태 및 측정된 수치정보, 처리 현황 등의 정보를 상기 디스플레이(300) 및 단말기(400)를 통하여 제공하는 것을 의미한다.
우선, 상기 제어부(100)는 상기 태양광모듈(11)의 전압인 태양광모듈전압(SV), 상기 ESS/PCS부(200)의 DC링크전압(DCV) 및 내부 반도체 스위칭소자의 전류값인 반도체스위칭소자 전류(SwI), 그리고 상기 ESS/PCS부(200) 내 DC전압 파형의 진폭(DCV-A) 및 DC전류 파형의 진폭(DCI-A)을 측정하는 감시단계(S1)를 실시한다.
상기 감시단계(S1)에서는 상기한 요소들을 측정하면서, 동시에 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm) 이상인 상태를 유지하고 있는지를 실시간으로 확인한다. 만약 상기 태양광모듈전압(SV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 이상을 유지하고, 또한 상기 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 DC링크전압(DCVm)이상을 유지하고 있다면, 상기 제어부(100)는 계속 감시단계(S1) 상태를 유지하면 된다.
그리고 상기 감시단계(S1)에서, 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm) 미만으로 떨어지게 되면, 이는 이상이 발생한 것이므로 상기 제어부(100)는 이상상황 감지단계(S2)를 실시한다. 상기 이상상황 감지단계(S2)에서 제어부는 아크의 발생 및 검출을 실시하고 이상상황의 종류를 판단하여 이를 사용자에게 통보한다.
그리고 상기 이상상황 감지단계(S2)에서 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)의 어느 한 구성요소에서 아크가 발생하거나, 또는 발생하기 직전의 상태임을 감지하였다면 상기 제어부(100)는 상기 트립코일(111)에 신호를 전송하여 상기 DC차단기(112)를 동작시켜 차단하는 DC차단단계(S3)를 실시하고, 상기 DC차단기(112)의 동작을 사용자에게 상기 디스플레이(300) 및 단말기(400)를 통하여 알리는 통보단계(S4)를 실시하여 사용자에게 아크의 발생여부 및 DC차단기(112)의 동작 여부, 이상상황의 종류 등을 사용자에게 알려주고 필요한 조치를 취할 수 있다.
이하에서는 상기 이상상황 감지단계(S2)의 구체적인 단계들에 대하여 설명한다.
우선 상술한 바와 같이, 상기 이상상황 감지단계(S2)는 상기 감시단계(S1)에서 측정된 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm) 미만으로 측정되었을 시에 실시되는데, 상기한 상황은 상기 ESS/PCS부(200)가 저전압 에러가 발생된 상태이므로 우선 상기 제어부(100)는 상기 저전압 에러를 인지 및 대처하고 사용자에게 통보하는 DC저전압 에러감지단계(S21)를 실시한다. 상기 DC저전압 에러감지단계(S21)가 실시되면, 상기 제어부(100)는 상기 DC/AC변환제어(140)에 포함된 기능 중 하나로서, 상기 ESS/PCS부(200) 내 반도체 스위치 소자에 대한 스위칭(Switching)을 실시하기 위하여 송출하던 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 정지하고, 상기 AC차단신호송신기능(160)을 통하여 상기 마그넷컨택터(113) 및 AC차단기(114)를 동작시켜서 AC전류를 차단시킨다. 통상적으로, 상기 AC차단송신기능(160)을 통한 AC전류의 차단에는 10ms~50ms의 시간이 소요된다.
상기와 같이 DC저전압 에러감지단계(S21)를 실시하면서, 상기 측정된 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 떨어지는지를 확인하는 절반전압 검출단계(S22)를 동시에 실시한다. 상기 절반전압 검출단계(S22)에서, 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 떨어지지 않았다면, 상기 DC저전압 에러감지단계(S21) 상태에 머무르게 되어, 사용자의 조치를 기다리게 된다.
그리고 상기 절반전압 검출단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초(sec) 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 하강한다면, 이는 위험한 이상상태라고 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 ESS/PCS부(200) 내의 반도체 스위칭 소자가 실시간으로 파손이 진행 중일 때, 상기와 같은 현상이 발생한다. 따라서, 아래와 같은 단계를 실시한다.
우선, 상기 제어부(100)는 상기 ESS/PCS부(200) 내부에 설치되어 있는, 반도체 스위칭 소자 또는 이를 구동하기 위한 게이트 드라이버(Gate Driver)에서 과전류가 발생하고 있는지를 확인하는 반도체 과전류 감지단계(S23)를 실시한다.
상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서는 상기 제어부(100)가 상기 ESS/PCS부(200)로부터 과전류 에러신호를 수신하였는지를 판단하는데, 상술한 바와 같이 종래의 일반적인 태양광 발전 시스템에서의 구성요소로서 본 발명에서도 사용되는 ESS/PCS부(200)는 동작을 위하여 반도체 스위칭 소자와 이를 구동시키는 게이트 드라이버, 그리고 상기 반도체 스위칭 소자와 게이트 드라이버에서의 과전류를 감지할 수 있는 과전류 감지 회로를 포함하고 있으므로, 상기 ESS/PCS부(200)는 내부에서 과전류가 발생하면 상기 과전류 감지 회로를 통하여 과전류 에러신호를 상기 제어부(100)에 자동으로 전송하도록 되어 있고, 따라서 상기 제어부(100)가 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서 과전류 에러신호의 수신 여부를 판단할 수 있게 되는 것이다.
통상적으로, 상기 과전류 감지 회로는 상기 반도체 스위칭 소자에 흐르는 상기 반도체스위칭소자 전류(SwI)가 미리 입력된 반도체 스위칭 소자 정격전류 값의 5배 이상이 되는 경우, 상기 과전류 에러신호를 송출하게 된다.
이때 상기 제어부(100)는 상기 반도체스위칭소자 전류(SwI)를 직접 상기 감시단계(S1)에서 측정하면서 정격전류와 비교, 과전류의 발생 여부를 능동적으로 파악할 수도 있고 또한 상기 과전류 감지 회로로부터 수신되는 과전류 에러신호를 수신 받을 수도 있다.
상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서, 상기 제어부(100)가 과전류 에러신호를 수신하고, 또한 상기 과전류 에러신호가 10㎲ 이상 지속되면, 이는 반도체 스위칭 소자가 파손되었거나 또는 파손이 예상되며, 이에 따라 아크가 발생할 우려가 있으므로 상기 DC차단단계(S3)를 실시하고 상기 단계(S3)에 따라 DC차단기(112)를 동작시킨 다음 통보단계(S4)를 실시하여 사용자에게 통보하고 조치를 기다리게 된다.
경우에 따라서는, 상기 감시단계(S1)에서 직접적으로 상기 과전류 에러신호를 수신받을 수도 있는데, 이러한 경우 상기 제어부(100)는 상기 감시단계(S1)에서 과전류 에러신호를 수신받자 마자 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)를 실시할 수 있다.
그리고 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서, 상기 과전류 에러신호가 수신되지 않는다면, 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 2ms이상 지속되는지를 확인하는 절반전압 확인단계(S26)를 실시한다. 이후의 절차에 대해서는 차후에 설명하도록 한다.
또한 상기 절반전압 검출단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되었을 때, 상기 제어부(100)는 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)를 실시함과 동시에 상기 ESS/PCS부(200)에서의 변환된 AC전류에 정격전류의 1.3배 이상의 과전류가 유입되고 있는지를 확인하는 AC과전류유입 감지단계(S24)를 실시한다.
상기 AC과전류유입 감지단계(S24)에서 과전류의 유입이 확인되면, 우선 상기 제어부(100)는 AC 과전류 유입 경보를 사용자에게 통보하는 과전류 경보발생 단계(S25)를 실시하고, 상기 과전류의 유입이 5ms 이상 유입되고 있는지 확인한다. 만약 상기 과전류의 유입이 5ms 이상 유입되고 있으면 상기 ESS/PCS부(200) 내 반도체 스위칭 소자가 파손되었거나 또는 파손될 예정으로 아크 발생의 우려가 있는 것을 의미하므로 상기 DC차단동작(S3)을 실시한 뒤에 통보단계(S4)를 실시한다.
그리고 상기 과전류유입 감시단계(S24)에서 과전류의 유입은 확인되어 상기 과전류 경보발생단계(S25)가 실시되었으나 과전류의 유입이 5ms 미만으로 유입되었다면, 상기 제어부(100)는 파형감시단계(S27)를 실시한다. 상기 파형감시단계(S27)에 대한 설명은 차후에 하기로 한다..
그리고 상기 AC과전류유입 감지단계(S24)에서 과전류의 유입이 확인되지 않는다면, 상기 절반전압 확인단계(S26)를 실시한다.
만약 상기 절반전압 확인단계(S26)에서, 2ms 미만의 시간 동안에 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이상으로 복귀하게 되면, 상기 DC저전압 에러감지단계(S21)로 복귀하여 사용자의 조치를 기다리게 된다.
그리고 상기 절반전압 확인단계(S26)에서, 2ms 이상의 시간 동안 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하의 상태를 유지하게 되거나, 앞서 설명한 상기 절반전압 검출단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 하강하되 하강하는 시간이 1sec를 초과한 경우, 상기 ESS/PCS부(200) 내부의 DC전류 및 전압의 파형을 확인하는 파형감시단계(S27)를 실시한다.
상기에서 상기 절반전압 검출단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 하강하되 하강하는 시간이 1sec를 초과한 경우에 상기 파형감시단계(S27)를 실시하는 이유는, 상기 절반전압 검출단계(S22)에서 상기 전압(SV, DCV)가 절반값 이하로 하강하였으나, 하강하는 시간이 1sec를 초과하는 경우는 정상적인 범주 안에서의 하강상태임을 의미하며, 만일의 오류 상황이 발생할 수 있으므로 상기 파형감시단계(S27)를 통하여 아크 발생 여부를 검출하고자 하는 것이다.
상기 파형감시단계(S27)에서는 상기 DC전압파의 파장(DCV-A) 및 DC전류파 파장(DCI-A)를 확인하게 되는데, 이때 상기 파장(DCV-A, DCI-A)의 마루가 최대값에 근접하고, 골이 최소값에 근접한 상태의 파장 주기가 2회 이상 반복하게 되면 아크가 발생한 것으로 판단한다.
즉, 상기 파장(DCV-A, DCI-A)의 진폭 중 제일 높은 부분인 마루가 최대로 정해진 부분의 80%이상으로 측정되고, 제일 낮은 부분인 골이 20% 이하로 측정된 상태의 파장 주기가 2회 이상 반복되는 경우, 아크가 발생된 것으로 판단하여 상기 DC차단단계(S3) 및 통보단계(S4)를 실시한다.
이때 상기 DC전류파 파장(DCI-A)의 파장 최대값(마루값)은 본 발명이 적용되는 해당 태양광 발전 시스템 또는 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 설정된 전류량 최대값을 의미하며, 또한 상기 DC전류파 파장(DCI-A)의 파장 최소값(골값)은 본 발명이 적용되는 해당 태양광 발전 시스템 또는 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 설정된 전류량 최소값을 의미한다.
만약 상기 파형감시단계(S27)에서, 상기 파장(DCV-A, DCI-A)의 확인 결과 파장의 마루 값이 80% 미만으로 측정되거나 골의 값이 20% 초과로 책정되거나, 초과하더라도 주기가 1회 이하로 측정된다면, 상기 DC저전압 에러감지단계(S21)로 복귀한다.
도 3은 본 발명의 태양광 발전 시스템(10)에서 상기 ESS/PCS부(200) 내부에서의 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 동작 1은 정상적으로 동작하는 구간인데, 동작 2에서 반도체스위칭 소자의 단락으로 인한 파손이 발생하여, 정상범위를 벗어난 AC파형을 나타내는데 본 발명의 제어부(100)는 이때 이상상황 감지단계(S2)에 돌입하여, 그 첫 번째 단계로서 상기 DC저전압 에러감지단계(S21)를 실시한다. 이에 따라 상기 DC차단신호송신기능(110) 및 AC차단신호송신기능(160)을 이용하여 상기 DC, AC차단기(114)를 동작시키고 상기 마그넷컨택터(113)를 차단한다. 동작 3 구간에서는 아크가 발생할 수 있는 구간을 나타내는데, 이때의 특징으로는 상기 DC전압파의 파장(DCV-A, 도 3에서는 'PV전압'), DC전류파의 파장(DCI-A, 도 3에서는 'PV전류')가 교차되는 것처럼 표현된다. 상기 파형감시단계(S27)의 조건에서와 같이 상기 파장(DCV-A, DCI-A)의 파장 주기가 2회 반복된다면, 파장 간의 교차도 따라서 2회 반복되는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 3에서의 동작 3 구간은 파장 주기가 12회(즉 12회의 교차)임을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 출원인이 상기 파형감시단계(S27)에서의 조건을 2회가 아닌 12회로 실시하였기 때문이다. 실제로는 아크의 효과적인 발생 억제를 위하여 2회로 하는 것이 바람직하다.
동작 4는 본 발명의 제어부(100)가 상기 이상상황 감지단계(S2) 내에서 아크의 발생을 감지하고 차단신호송신기능들(110, 160)을 통해 실제로 차단이 이루어질 때까지의 구간이다. 일반적으로 차단 신호가 전송되는데 10~50㎳가 소요되므로, 동작 3에서와 같이 DC아크가 발생하다가, 동작 4에서와 같이 상기 DC아크가 일시적으로 정지되고, 동작 5에서와 같이 DC전류가 실제로 차단될 수 있게 된다.
10 : 태양광 발전 시스템. 11 : 태양광모듈.
12 : 계통전원부. 100 : 제어부.
110 : DC차단신호송신기능. 111 : 트립코일.
112 : DC차단기. 113 : 마그넷컨텍터.
114 : AC차단기. 120 : PV전압,전류 감지 및 제어기능.
130 : DC링크전압, 전류감지기능. 140 : DC/AC변환제어기능.
150 : AC전압, 전류감지기능. 160 : AC차단신호송신기능.
200 : ESS/PCS부. 210 : 배터리부.
300 : 디스플레이. 400 : 단말기.
S1 : 감시단계. S2 : 이상상황 감지단계.
S21 : DC저전압 에러감지단계. S22 : 절반전압 검출단계.
S23 : 반도체 과전류 감지단계. S24 : AC과전류유입 감지단계.
S25 : 과전류 경보발생단계. S26 : 절반전압 확인단계.
S27 : 파형감시단계. S3 : DC차단단계.
S4 : 통보단계.

Claims (11)

  1. 태양광모듈과 생산 완료된 교류전력이 저장 또는 공급되는 계통전원부 사이에 위치하는 태양광 발전 및 태양광발전 에너지 저장 시스템으로,
    상기 태양광모듈이 생산한 전력을 제어하고 차단여부를 결정하며, DC차단신호송신기능; PV전압, 전류 감지 및 제어기능; DC링크전압, 전류감지기능; DC/AC변환제어기능; AC전압, 전류감지기능; 그리고 AC차단신호송신기능을 포함하는 제어부; 태양광발전에 사용되는 에너지 저장장치 및 전력변환장치를 포함하는 ESS/PCS부; 상기 태양광 발전 시스템의 동작 현황을 가시적으로 확인하고 또한 조작할 수 있는 하나 이상의 인터페이스를 포함하고 있는 디스플레이부 및 하나 이상의 단말기를 포함하고, 상기 태양광모듈과 ESS/PCS부 사이에는 DC차단기가 설치되고, 상기 ESS/PCS부와 계통전원부 사이에는 마그넷컨택터와 AC차단기가 설치되며, 상기 제어부와 DC차단기 사이에는 트립코일이 설치되는 태양광발전 에너지 저장 시스템에서의 아크를 검출하고 차단하는 방법으로서,
    태양광모듈전압(SV), DC링크전압(DCV), 반도체스위칭소자 전류(SwI), DC전압파 진폭(DCV-A), DC전류파 진폭(DCI-A)을 측정하는 감시단계(S1);
    상기 감시단계(S1)에서 상기 태양광모듈전압(SV), DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm) 미만으로 측정될 때, 상기 태양광 발전 시스템에서의 이상상황을 파악하는 이상상황 감지단계(S2);
    상기 이상상황 감지단계(S2)에서 상기 ESS/PCS부 내에서 아크가 발생하였다고 판단될 시 상기 DC차단기(112)동작시켜 DC전류를 차단하는 DC차단단계(S3);
    상기 DC차단단계(S3)가 실시되어 전력이 차단되었음을 상기 디스플레이부 및 상기 하나 이상의 단말기(400)를 통해 제공하는 통보단계(S4)를 포함하고,
    상기 이상상황 감지단계는 저전압 에러를 인지 및 대처하고 사용자에게 통보하는 DC저전압 에러감지단계(S21);
    태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초(sec) 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되는지를 확인하는 절반전압 검출단계(S22);
    상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부 내부에 설치되어 있는, 반도체 스위칭 소자 또는 게이트 드라이버(Gate Driver)에서 과전류가 발생하고 있는지를 판단하는 반도체 과전류 감지단계(S23);
    상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초 이내에 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부에서의 변환된 AC전류에 과전류가 유입되고 있는지를 확인하는 AC과전류유입 감지단계(S24);
    상기 단계(S24)에서 과전류가 유입되었다면 AC 과전류 유입 경보를 사용자에게 통보하는 과전류 경보발생 단계(S25);
    상기 단계(S22)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 2ms이상 지속되는지를 확인하는 절반전압 확인단계(S26); 그리고
    상기 단계(S26)에서 상기 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 2ms이상 지속되거나, 상기 단계(S22)에서 태양광모듈전압(SV) 및 DC링크전압(DCV)이 1초를 초과한 시간 간격으로 미리 입력된 최소 태양광모듈전압(SVm) 및 최소 DC링크전압(DCVm)의 절반값 이하로 하강하여 측정되었을 때, 상기 ESS/PCS부(200) 내부의 DC전류 및 전압의 파형을 확인하는 파형감시단계(S27)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
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  6. 제 1항에 있어서, 상기 DC저전압 에러감지단계(S21)에서는 상기 ESS/PCS부(200) 내 반도체 스위치 소자에 대한 스위칭(Switching)을 실시하기 위하여 송출하던 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 정지하고, 상기 AC차단신호송신기능을 통하여 상기 마그넷컨택터 및 AC차단기를 동작시켜서 AC전류를 차단시키는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서는 상기 ESS/PCS부 내 반도체 스위칭 소자에 흐르는 반도체스위칭소자 전류(SwI)가 미리 입력된 반도체 스위칭 소자 정격전류 값의 5배 이상이 되는 경우, 과전류가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 AC과전류유입 감지단계(S24)에서 ESS/PCS부에서의 변환된 AC전류에 정격전류의 1.3배 이상의 과전류가 유입되고 있다면, 과전류가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
  9. 제 1항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 과전류 감지단계(S23)에서 과전류가 발생하고 상기 과전류의 발생이 10㎲ 이상 지속되면, 상기 DC차단단계(S3)를 실시하는 것을 특징으로 하는, 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
  10. 제 1항 또는 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC과전류유입 감지단계(S24)에서 과전류가 발생하고 상기 과전류의 유입이 5ms 이상 지속되면, 상기 DC차단단계(S3)를 실시하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 파형감시단계(S27)에서 DC전압파의 파장(DCV-A) 및 DC전류파 파장(DCI-A)의 마루값이 정해진 최대값의 80% 이상으로 측정되며, 골의 값이 정해진 최소값의 20% 이하로 측정되고, 상기와 같이 측정된 파장(DCV-A, DCI-A)의 주기가 2회 이상 반복되는 경우, 상기 DC차단단계(S3)를 실시하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템에서의 아크 검출 및 차단방법.
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