KR102042142B1

KR102042142B1 - 분배 커패시터를 이용하는 지락 검출 장치

Info

Publication number: KR102042142B1
Application number: KR1020180108316A
Authority: KR
Inventors: 이경수; 봉우근; 이상혁
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단; 봉우근
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-11-27

Abstract

분배 커패시터를 이용하는 지락 검출 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 분배 커패시터를 이용하는 지락 검출 장치는, 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로 중에서 제1 전선로와 접지와 연결된 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제1 커패시터와, 상기 복수의 전선로 중에서 제2 전선로와 상기 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제2 커패시터와, 상기 접속 노드와 상기 접지 간의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기초하여 지락(ground fault) 여부를 검출하기 위한 지락 검출 회로를 포함한다.

Description

분배 커패시터를 이용하는 지락 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING GROUND FAULT USING DIVIDED CAPACITOR}

아래 실시예들은 분배 커패시터를 이용하는 지락 검출 장치에 관한 것이다.

신재생 에너지 분야는 최근 화석 연료 고갈 및 환경 문제의 대응책으로 점점 관심이 커지고 있는 분야이다. 특히 신재생 에너지 분야 중에서 태양광 발전 시스템 산업은 국내는 물론이고 세계적으로도 매년 두 자릿수 이상의 성장을 유지할 정도로 경쟁력이 있는 산업으로 발전하였다.

태양광 발전으로 인하여 태양전지 모듈에서는 직류 전기가 출력된다. 태양전지 모듈에서 출력되는 직류 전기를 전력 변환 장치(PCS, power conditioning system)를 통해 교류 전기로 변환하여 일반 상용계통에 연계한다. 전력 변환 장치를 구성하는데 있어서 지락(ground fault) 사고를 대비한 보호 회로는 고가의 태양광 발전 시스템을 보호하기 위해 필수적이다.

실시예들은 직류 전선로 사이에 분배 커패시터를 접속하여 전압을 분배하고 분배된 전압을 측정함으로써, 지락 검출 불감대를 제거할 수 있고, 전력 손실을 저감할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.

일 실시예에 따른 지락 검출 장치는, 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로 중에서 제1 전선로와 접지와 연결된 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제1 커패시터와, 상기 복수의 전선로 중에서 제2 전선로와 상기 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제2 커패시터와, 상기 접속 노드와 상기 접지 간의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기초하여 지락(ground fault) 여부를 검출하기 위한 지락 검출 회로를 포함한다.

상기 지락 검출 회로는, 상기 접속 노드와 상기 접지 사이에 연결되어 전압을 측정하는 전압 측정부와, 기준치 전압과 상기 측정된 전압의 비교를 통해 지락 발생 여부를 판단하고, 지락이 발생된 것으로 판단한 경우 지락 발생 신호를 생성하는 지락 검출부와, 상기 지락 발생 신호에 따라 차단 신호를 생성하는 게이트 드라이버(gate driver)와, 상기 복수의 전선로에 접속하며, 상기 차단 신호에 따라 상기 복수의 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 스위치부를 포함할 수 있다.

상기 스위치부는, 상기 제1 전선로에 접속하여 상기 차단 신호에 따라 상기 제1 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 제1 스위치와, 상기 제2 전선로에 접속하여 상기 차단 신호에 따라 상기 제2 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, 전력반도체 소자인 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), SCR(Silicon Controlled Rectifier), GTO(Gate Turn Off Thyristor) 및 IGBT(Insulated/Isolated Gate Bi-polar Transistor) 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다.

상기 지락 검출 장치는, 상기 복수의 전선로에 연결되어 직류 전원을 입력 받으며, 상기 게이트 드라이버가 작동하는 전압 및 상기 지락 검출부가 작동하는 전압을 각각 출력하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.

도 1은 분배 저항을 이용한 지락 검출 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분배 커패시터를 이용한 지락 검출 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 지락 검출 장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 지락 검출 회로의 구체적인 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 스위치부를 구체화한 지락 검출 회로의 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 지락 검출 방법의 순서도이다.
도 7은 도 5에 도시된 지락 검출 장치가 태양광 발전 시스템에 구현되는 일 예를 나타낸다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 분배 저항을 이용한 지락 검출 회로를 나타낸 도면이다.

태양광 발전 시스템은 직/병렬로 연결된 태양전지 모듈과, 태양 전지 모듈로부터 발생된 직류 전기를 상용 계통에 연계할 수 있도록 교류 전기로 변환하는 전력 변환 장치로 구성될 수 있다. 또한, 태양 전지 모듈과 전력 변환 장치를 연결하는 직류 전선로가 존재할 수 있다.

태양 전지 모듈이 출력하는 전압을 전력 변환 장치의 입력 전압 범위에 맞추기 위해 태양 전지 모듈을 직렬로 연결할 수 있다. 또한 전류 용량을 늘리기 위해 직렬 연결된 여러 개의 태양 전지 모듈을 병렬로 연결할 수 있다. 이처럼, 직렬 연결된 여러 개의 태양 전지 모듈을 병렬로 연결하는 개수는 필요 전류 용량에 따라 증가할 수 있다.

지락(ground fault)은 지락 전로와 대지 사이가 아크 방전(arc discharge) 또는 도전성 부분에 의해 서로 연결되어 전로 또는 장치의 외부에 매우 큰 전압이 나타나거나, 매우 큰 전류가 흐르는 현상일 수 있다. 예를 들어, 사용하던 전선이 갑자기 땅으로 떨어져 전류가 대지로 흐르게 되고, 대지로 흐르는 전류가 계통의 절연 부분으로 흐르게 되어 지락 사고 전류의 귀로가 형성되는 등의 현상일 수 있다. 지락은 가정용 전기 기구에서 누전이 발생하는 것과는 비교할 수 없는 큰 용량의 전류가 흐르므로 화재 등의 위험한 상황이 벌어질 수 있다.

태양광 발전 시스템에 지락 사고가 발생할 경우, 지락 전로와 태양광 발전 시스템의 절연 부분의 연결로 지락 사고 전류의 귀로를 형성하여 태양광 발전 시스템에 화재를 일으킬 수 있다. 직렬 연결된 여러 개의 태양 전지 모듈을 병렬로도 여러 개 연결하기 때문에 지락이 발생하였을 경우 지락 발생 사실 및 발생 위치를 파악하기가 곤란하다. 이에 따라 지락 검출 장치를 직렬 연결된 여러 개의 태양전지 모듈과 전력변환기 사이에 설치하여 지락을 검출한다.

도 1의 (a)에서, 분배 저항을 이용한 지락 검출 회로는 직류 전원 회로에서 양극 전선로에 연결되어 있는 분배 저항 R1 및 R2의 접속 노드(N)와 접지 사이의 전압 센서(S)를 통해 지락 발생 여부를 감지할 수 있다. 분배 저항을 이용하는 지락 검출 회로는 지락이 발생하지 않은 정상 상태에서도 분배 저항 R1과 R2쪽으로 전류가 흘러 전력 손실이 야기될 수 있다.

도 1의 (a)의 전압 센서(S)쪽에 연결된 접지는 노출된 도전성 부분일 수 있다. 지락 사고 발생 시 지락 저항 Rg와 노출된 도전성 부분이 연결되어 지락 사고 전류의 귀로를 형성할 수 있다.

지락 사고가 발생하면 도1의 (b)와 같이 분배 저항 R2와 지락 저항 Rg가 병렬 저항으로 구성될 수 있다. 이때, 전압 센서(S)에 측정되는 전압의 변화를 감지함으로써 지락 여부를 판단하여 지락 사고를 예방할 수 있다.

분배 저항을 이용하는 지락 검출 회로는 지락 저항 Rg가 무한히 0에 수렴하는 완전 지락이 발생하게 되면 지락 저항 Rg쪽의 전선로가 단락(short)되는 효과가 발생되므로 접속 노드(N)에서 전압 검출이 불가능한 검출 불감대가 형성될 수 있다.

예를 들어, 저압 태양광 발전의 경우 분배 저항 R1과 R2의 크기를 1kΩ 이상으로 구현하게 되면 완전 지락이 발생하는 경우 접속 노드(N)에서 전압 검출시에 검출 불감대가 형성될 수 있다. 검출 불감대가 존재하는 경우, 초기에 지락을 발견하지 못하여 지락 사고에 대비하지 못한다면 지락이 발생한 계통뿐만이 아니라 다른 계통에도 피해가 발생하는 2차 지락 사고가 발생할 수 있다.

검출 불감대 형성을 방지하기 위하여 분배 저항을 1kΩ 이하로 사용하게 될 경우 지락 발생 검출시에 전력 손실이 발생할 수 있다.

또한, 분배 저항을 이용하는 지락 검출 회로는 전류 감지를 통해 지락을 검출하게 될 경우 전압 감지를 통해 지락을 검출하는 회로보다 단가가 상승할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 분배 커패시터를 이용한 지락 검출 회로를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, (a)와 같이 커패시터(capacitor)가 직류 전선로에 연결되면, 커패시터가 연결된 양극 전선로에는 전류가 흐르지 않을 수 있다. 다만, 커패시터에 전압은 걸릴 수 있다.

(a)의 전압 센서(S)쪽에 연결된 접지는 노출된 도전성 부분일 수 있다. 지락 사고 발생시 지락 저항 Rg와 노출된 도전성 부분이 연결되어 지락 전류의 귀로를 형성할 수 있다. 지락 사고 발생시 노출된 도전성 부분을 통해 지락 전류가 생성될 수 있다.

(b)와 같이, 지락 사고 발생시 C2와 Rg가 병렬 임피던스로 구성될 수 있다. 전압 센서(S)는 지락 사고 발생시에는 Rg 값에 상관없이 개방 상태로 접속 노드(N)의 전압만을 검출하여 지락을 검출할 수 있다.

커패시터가 연결된 직류 전선로에는 전류가 흐르지 않으므로 완전 지락 발생시 지락 저항인 Rg가 무한히 작아져도 전압 센서(S)는 항상 전압을 측정할 수 있어 검출 불감대가 형성되지 않을 수 있다. 또한, 커패시터가 연결된 직류 전선로에 전류가 흐르지 않아 지락이 발생하지 않은 정상 상태에서 전력 손실이 발생하지 않을 수 있다.

분배 커패시터를 이용하여 전압을 검출함으로써, 전류 감지를 통해 지락을 검출하는 장치보다 지락 검출 장치(10)의 단가가 낮아질 수 있다. 이에 따라 지락 검출 장치를 태양광 발전 시스템의 태양광 모듈 스트링(string)마다 설치하여 지락 사고를 감시할 수 있다. 또한, 지락 검출 장치를 태양광 모듈 스트링 마다 설치함으로써 지락 발생시 지락 사고 위치를 파악할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 지락 검출 장치의 개략적인 도면이다.

도 3을 참조하면, 지락 검출 장치(10)는 제1 커패시터(capacitor, 100), 제2 커패시터(capacitor, 200) 및 지락 검출 회로(300)로 구성된다.

제1 커패시터(100) 및 제2 커패시터(200)는 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로 사이에 접속하여 전압을 분배할 수 있다.

제1 커패시터(100)는 제1 전선로(20)와 접지와 연결된 접속 노드(40) 사이에 접속하여 전압을 분배할 수 있다.

제2 커패시터(200)는 제2 전선로(30)와 접지와 연결된 접속 노드(40) 사이에 접속하여 전압을 분배할 수 있다.

지락 검출 회로(300)는 접속 노드(40)와 접지 간의 전압을 측정하고, 측정된 전압에 기초하여 지락 여부를 검출할 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 지락 검출 회로의 구체적인 블록도이다.

도 4를 참조하면, 지락 검출 회로(300)는 전압 측정부(310), 지락 검출부(320), 게이트 드라이버(gate driver, 330), 스위치부(340)를 포함할 수 있다. 지락 검출 회로(300)는 전원공급부(350)를 더 포함할 수 있다.

전압 측정부(310)는 접속 노드(40)와 접지 사이에 연결되어 전압을 측정할 수 있다. 전압 측정부(310)는 측정된 전압을 지락 검출부(320)로 전송할 수 있다.

지락 검출부(320)는 기준치 전압과 전압 측정부(310)에서 측정된 전압의 비교를 통해 지락 발생 여부를 판단할 수 있다. 기준치 전압은 전압 측정부(310)가 측정한 지락이 발생하지 않은 정상 상태의 전압 값과 다른 전압 값으로 설정될 수 있다.

지락 검출부(320)는 지락이 발생된 것으로 판단한 경우 지락 발생 신호를 생성할 수 있다. 지락 검출부(320)는 지락 발생 신호를 게이트 드라이버(330)에 전송할 수 있다.

게이트 드라이버(330)는 지락 발생 신호에 따라 차단 신호를 생성할 수 있다. 차단 신호는 스위치부(340)를 동작하게 하는 신호일 수 있다. 게이트 드라이버(330)는 차단 신호를 스위치부(340)에 전송할 수 있다.

스위치부(340)는 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로에 접속하여 복수의 전선로에 흐르는 직류를 차단할 수 있다. 스위치부(340)는 게이트 드라이버(330)에서 전송된 차단 신호를 수신하고, 차단 신호에 따라서 전선로에 흐르는 전류를 차단할 수 있다.

스위치부(340)는 전력반도체 소자인 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), SCR(Silicon Controlled Rectifier), GTO(Gate Turn Off Thyristor) 및 IGBT(Insulated/Isolated Gate Bi-polar Transistor) 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다. 지락 발생 검출 시에 직류 전선로에 흐르는 전류를 기계식 스위치로 차단하는 방법은 아크 발생에 따라 화재가 일어날 수 있다. 따라서, 지락 검출 장치(10)에 전력반도체 소자를 사용하여 전자식 스위치를 적용함으로써, 아크 발생을 억제할 수 있고, 지락 검출 장치(10)의 부피를 줄일 수 있다.

전원 공급부(350)는 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로에 접속하여 전원을 입력 받을 수 있다. 전원 공급부(350)는 입력된 전원을 전압 측정부(310)가 동작하는 전원으로 변환하여 전압 측정부(310)에 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(350)는 입력된 전원을 지락 검출부(320)가 동작하는 전원으로 변환하여 지락 검출부(320)에 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(350)는 입력된 전원을 게이트 드라이버(330)가 동작하는 전원으로 변환하여 게이트 드라이버(330)에 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(350)는 DC/DC 변환기(converter)로 구현될 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 스위치부를 구체화한 지락 검출 회로의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 스위치부(340)는 제1 스위치부(341) 및 제2 스위치부(342)를 포함할 수 있다.

제1 스위치부(341) 및 제2 스위치부(342)는 차단 신호에 따라 직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로 사이에 접속하여 직류를 차단할 수 있다.

제1 스위치부(341)는 제1 전선로(20)에 접속하여 차단 신호에 따라 직류를 차단할 수 있다.

제2 스위치부(342)는 제2 전선로(30)에 접속하여 차단 신호에 따라 직류를 차단할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 지락 검출 방법의 순서도이다.

도 6을 참조하면, 전압 측정부(310)는 제1 커패시터(100) 및 제2 커패시터(200)가 분배한 전압을 측정한다(601).

지락 검출부(320)는 기준치 전압과 측정된 전압을 비교하여 지락 발생 여부를 판단한다(602)

지락 검출부(320)는 지락이 발생된 것으로 판단하면 지락 발생 신호를 생성한다(603).

게이트 드라이버(330)는 지락 발생 신호에 따라 차단 신호를 생성한다(604).

스위치부(340)는 차단 신호에 따라 직류 전원에서 출력된 직류를 차단한다(605).

도 7은 도 5에 도시된 지락 검출 장치가 태양광 발전 시스템에 구현되는 일 예를 나타낸다.

① 지락 검출 장치(10)는 태양광발전용 전력 변환 장치(Power Conditioning System)의 DC converter 입력 단에서 직류 지락 사고를 검출할 수 있다.

② 지락 검출 장치(10)는 태양광발전 어레이 접속함 내부의 DC disconnector에서 직류 지락 사고를 검출할 수 있다.

③ 지락 검출 장치(10)는 EES(electric energy storage, 전기 저장 장치) 인버터 내부의 DC 입력 단에서 직류 지락 사고를 검출할 수 있다.

④ 지락 검출 장치(10)는 배선/분기용 직류전로 및 EV 자동차의 전력 변환 장치에 발생하는 직류 지락 사고를 검출할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims

직류 전원에서 출력된 직류가 흐르는 복수의 전선로 중에서, 제1 전선로와 접지와 연결된 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제1 커패시터;
상기 복수의 전선로 중에서 제2 전선로와 상기 접속 노드 사이에 접속하여 전압 분배를 위한 제2 커패시터; 및
상기 접속 노드와 상기 접지 간의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기초하여 지락(ground fault) 여부를 검출하기 위한 지락 검출 회로
를 포함하고,
상기 지락 검출 회로는,
상기 접속 노드와 상기 접지 사이에 연결되어 전압을 측정하는 전압 측정부;
기준치 전압과 상기 측정된 전압의 비교를 통해 지락 발생 여부를 판단하고, 지락이 발생된 것으로 판단한 경우 지락 발생 신호를 생성하는 지락 검출부;
상기 지락 발생 신호에 따라 차단 신호를 생성하는 게이트 드라이버(gate driver); 및
상기 복수의 전선로에 접속하며, 상기 차단 신호에 따라 상기 복수의 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 스위치부를 포함하고,
상기 복수의 전선로에 연결되어 직류 전원을 입력 받으며, 입력된 직류 전원을 상기 전압 측정부가 동작하는 전압, 상기 게이트 드라이버가 동작하는 전압 및 상기 지락 검출부가 동작하는 전압으로 각각 출력하는 전원 공급부
를 포함하는 지락 검출 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 스위치부는,
상기 제1 전선로에 접속하여 상기 차단 신호에 따라 상기 제1 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 제1 스위치; 및
상기 제2 전선로에 접속하여 상기 차단 신호에 따라 상기 제2 전선로에 흐르는 직류를 차단하는 제2 스위치를 포함하는
지락 검출 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
전력반도체 소자인 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), SCR(Silicon Controlled Rectifier), GTO(Gate Turn Off Thyristor) 및 IGBT(Insulated/Isolated Gate Bi-polar Transistor) 중에서 적어도 하나로 구현되는
지락 검출 장치.
삭제