KR102166324B1 - 태양광 발전장치의 주파수 분석에 의한 아크 검출 방법 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템 - Google Patents

태양광 발전장치의 주파수 분석에 의한 아크 검출 방법 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치는, 상기 태양광 발전장치로부터 생성되는 직류 전류를 수신하는 입력부, 상기 직류 전류를 접속된 인버터로 전달하는 출력부, 상기 직류 전류를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하고, 상기 변환 결과에 기초하여 기본파 성분 및 고조파 성분을 추출하고, 추출 결과에 기초하여 특정 고조파 성분의 비율이 상기 기본파 성분 대비 기 설정된 비율 이상인 경우 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1 감지 신호를 생성하는 제1아크 검출부, 상기 직류 전류의 노이즈를 제거하고, 상기 직류 전류 신호를 DSP(Digital Signal Processor) 또는 MPU(Micro Processor Unit)에서 처리 가능한 디코딩 신호로 변환하는 파형 정형 회로부, 상기 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할하고, 상기 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 판단하여 제2 감지 신호를 생성하는 제2아크 검출부, 전력 차단 신호를 수신하여, 상기 입력부에서 수신되는 직류 전류를 선택적으로 차단하는 차단부 및 상기 제1 감지 신호 및 상기 제2 감지 신호를 수신하여, 상기 차단부에 전력 차단 신호를 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

태양광 발전장치의 주파수 분석에 의한 아크 검출 방법 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템{ARC DETECTION METHOD BY FREQUENCY ANALYSIS OF PV SYSTEM AND A PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM}
본원은 태양광 발전장치에서 생산된 태양광 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다. 특히, 본원은 주파수 분석에 의한 푸리에 변환을 기반으로 아크를 검출하는 태양광 아크 검출 장치 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
도 1은 아크 발생(결함)에 의한 태양광 발전(Photovoltaics System, PV) 시스템의 PV 어레이에서 아크가 발생할 수 있는 위치의 예를 나타낸 도면이다. 도 2는 아크 발생(결함)에 의한 PV 시스템의 손상 예를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로 PV 시스템(1)은 복수 개의 태양광발전 패널(PV panel, PV 모듈)(1a)이 직렬 및 병렬로 전선(Wire, 1b)과 커넥터(connector, 1c)에 의해 연결되어 있다. 각각 병렬로 연결된 PV 패널(1a)은 태양광 접속함(태양광 접속반, Combine Box, 1d)에 공통으로 연결되어 인버터(Inverter, 1e)에 전력을 공급할 수 있다.
PV 시스템(1)에서의 아크(Arc, 전기 아크)는 직렬 결함 또는 병렬 결함으로 발생할 수 있다. 즉, PV 시스템(1)에서는 직렬 아크(Series Arc) 결함과 병렬 아크(Parallel Arc) 결함이 발생할 수 있다. 이러한 아크 결함은 화재, 충격 위험 및 시스템 고장을 유발할 수 있으며, 대규모 태양광 설비뿐만 아니라 소규모 주거용 설비에도 존재하므로 안전에 중대한 위협이 될 수 있다.
아크 결함 중 특히 직렬 아크 결함은, PV 패널들 사이를 연결하는 커넥터(1c)의 연결부위가 열화 또는 진동으로 인해 불안전한 체결 상태가 되거나 전선(1b) 연결이 느슨해지는 경우(지지되지 않아 느슨해진 전선이 커넥터에 부담을 주게 되는 경우) 등에 의해 발생될 수 있다. 직렬 아크 결함은 병렬 아크 결함에 비해 사고로 인한 부하 전류의 변화가 소폭에 불과하여 검출이 더욱 어려운 측면이 있다.
이에 따라, 보다 효과적으로 직렬 아크 결함을 검출할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있으나, 현재까지는 이러한 요구를 충족시킬 만한 마땅한 기술이 없는 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1244877호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양광 발전 시스템 내에서 발생하는 직렬 아크 결함을 보다 효과적으로 검출할 수 있는 푸리에 변환(Fourier Transform) 주파수 분석 기반의 아크 검출 장치를 포함하는 태양광발전시스템을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치는, 상기 태양광 발전장치로부터 생성되는 직류 전류를 수신하는 입력부, 상기 직류 전류를 접속된 인버터로 전달하는 출력부, 상기 직류 전류를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하고, 상기 변환 결과에 기초하여 기본파 성분 및 고조파 성분을 추출하고, 추출 결과에 기초하여 특정 고조파 성분의 비율이 상기 기본파 성분 대비 기 설정된 비율 이상인 경우 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1 감지 신호를 생성하는 제1아크 검출부, 상기 직류 전류의 노이즈를 제거하고, 상기 직류 전류 신호를 DSP(Digital Signal Processor) 또는 MPU(Micro Processor Unit)에서 처리 가능한 디코딩 신호로 변환하는 파형 정형 회로부, 상기 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할하고, 상기 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 판단하여 제2 감지 신호를 생성하는 제2아크 검출부, 전력 차단 신호를 수신하여, 상기 입력부에서 수신되는 직류 전류를 선택적으로 차단하는 차단부 및 상기 제1 감지 신호 및 상기 제2 감지 신호를 수신하여, 상기 차단부에 전력 차단 신호를 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 특정 고조파 성분은, 제2 고조파 성분 및 제4 고조파 성분이고, 상기 기 설정된 비율은, 상기 기본파 성분 대비 소정의 퍼센트 비율일 수 있다.
또한, 상기 제2아크 검출부는, 상기 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0인 경우, 해당 시간 구간에서 아크가 발생하지 않은 정상 상태로 판별하고, 상기 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0이 아닌 경우, 해당 시간 구간의 인접한 시간 구간에서 발생한 펄스 수와 비교하여, 기 설정된 오차 범위 내에 있는 경우 노이즈 발생 상태로 판별하고, 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 아크 발생 상태로 판별하여 상기 제2 감지 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 감지 신호를 수신하지 않은 경우에 상기 제2감지 신호가 수신된 경우, 상기 제1아크 검출부에 아크 재검출 요청 신호를 전송하고, 상기 제2감지 신호를 수신하지 않은 경우에 상기 제1감지 신호가 수신된 경우, 상기 제2아크 검출부에 아크 재검출 요청 신호를 전송할 수 있다.
또한, 상기 제1아크 검출부는, 상기 아크 재검출 요청 신호를 수신하여, 상기 고조파 성분 중 제3차 고조파의 비율이 나머지 고조파 성분의 비율보다 큰 경우, 상기 제1감지 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제2아크 검출부는, 상기 아크 재검출 요청 신호를 수신하여, 상기 기 설정된 시간 구간을 현재 설정된 시간 구간보다 더 짧은 제2 시간 구간으로 재분할하고, 상기 제2시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 재차 판단하여 제2 감지 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치는, 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류를 취합하여 인버터에 출력하는 태양광 접속반에 구비될 수 있다.
한편, 본원의 일 실 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치가 구비된 태양광 발전 시스템은, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전원을 생산하는 복수의 태양광 패널을 포함하는 태양광 발전장치, 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치가 구비되고, 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전원을 취합하여 출력하는 태양광 접속반 및 상기 태양광 접속반을 통해 취합된 직류 전원을 수신하여 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 푸리에 변환을 이용함으로써 태양광 발전 시스템 내 아크의 발생 여부를 효과적으로 판단할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, PV 시스템 내에서 발생하는 직렬 아크 결함을 보다 효과적으로 검출할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 태양광발전시스템의 PV 어레이에서 아크가 발생할 수 있는 위치의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 아크 발생에 의한 PV 시스템의 손상 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치를 포함하는 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부와 연계된 일 실험예로 저항 소자 부하의 경우의 기본파 대비 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부와 연계된 일 실험예로 LC 전력 전자 부하의 경우의 기본파 대비 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본원의 일 실시예에 따른 파형 정형 회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 본원의 일 실시예에 따른 밴드 패스 필터 적용 후의 스펙트럼 특성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 제2아크 검출부에 의한 아크 검출 방법의 동작흐름도이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치에서 고려되는 적외선 센서의 회로도의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치에서 고려되는 포인트센서의 회로도의 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치에서 고려되는 자외선 감지 센서를 이용한 아크 검출 회로도의 예를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치를 포함하는 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 태양광 발전 시스템(1000)은 태양광 발전장치(10), 본원의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치(100)(이하, '아크 검출 장치(100)'라 한다.), 아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반, 인버터(20), 수전반(30) 및 부하(40)를 포함할 수 있다.
태양광 발전장치(10)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전원을 생산하는 복수의 태양광 패널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전장치(10)는 태양전지 어레이일 수 있다.
아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반은 태양광 발전장치(10)로부터 생산된 직류 전원를 취합하여 출력할 수 있다.
인버터(20)는 태양광 접속반을 통해 취합된 직류 전원을 수신하여 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 아크 검출 장치(100)는, 입력부(110), 출력부(120), 제1아크 검출부(130), 파형 정형 회로부(140), 제2아크 검출부(150), 차단부(160) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
아크 검출 장치(100) 내에서 각 구성들은 네트워크를 통해 연결되어 데이터 송수신이 이루어질 수 있다. 즉, 아크 검출 장치(100)의 제1아크 검출부(130), 제2아크 검출부(150), 차단부(160), 제어부(170) 등은 네트워크 통신을 통해 연결될 수 있다.
네트워크는 일예로 LTE(Long Term Evolution) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), PAN(Personal Area Network), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, NFC(Near Field Communication) 네트워크 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
입력부(110)는, 태양광 발전장치(10)로부터 생성되는 직류 전류를 수신할 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 입력부(110)는 태양광 발전장치(10) 각각으로부터 생성되는 직류 전류를 수신할 수 있도록 복수 개 마련되는 것 일 수 있다.
출력부(120)는 수신된 직류 전류를 접속된 인버터(20)로 전달할 수 있다.
제1아크 검출부(130)는, 직류 전류를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하고, 변환 결과에 기초하여 기본파 성분 및 고조파 성분을 추출할 수 있다. 또한, 제1아크 검출부(130)는, 추출 결과에 기초하여 특정 고조파 성분의 비율이 추출된 기본파 성분 대비 기 설정된 비율 이상인 경우 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1 감지 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 생성된 제1감지 신호는 제1아크 검출부(130)로부터 제어부(170)로 전송될 수 있다.
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)은 푸리에 분석의 일 예로, 원 데이터의 푸리에 변환에서 직접 파워 스펙트럼 밀도를 구하고, 평활화 조작을 반복하여 안정적인 스펙트럼을 단시간에 구하는 기법에 관한 것으로 이해될 수 있다.
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)에 관한 구체적인 설명은 다음과 같다. 고속 푸리에 변환(FFT)는 시간 변화 신호를 주파수 변화 신호로 변환시키기 위한 기법이며, 후술하는 이산 푸리에 변환(DFT)를 보다 고속으로 수행하기 위한 알고리즘으로, 푸리에 변환에 근거하여 근사공식을 이용한 이산 푸리에 변환(DFT)을 계산할 때 연산횟수를 줄일 수 있도록 고안되었다. 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)는 수신된 직류 전류에 대한 FFT 연산을 수행하기 위하여 프로그래머블 DSP(Digital Signal Processor)에 구현된 소프트웨어 또는 전용 FFT 프로세서 등과 연계될 수 있다.
이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT, 디지털 푸리에 변환)에 관한 구체적인 설명은 다음과 같다.
이산 시간 신호인 경우, 데이터 열은
Figure 112019131372146-pat00001
로 정의될 수 있다. 따라서, 수열 x(n)의 이산 푸리에 변환은 주파수 영역에서
Figure 112019131372146-pat00002
의 복소수 값의 시퀀스를 갖는다. 이산 시간 신호에 대하여 이산 푸리에 변환과 역변환은 하기 식 1-1과 같다.
[식 1-1]
Figure 112019131372146-pat00003
여기서,
Figure 112019131372146-pat00004
이고, k는 변환 요소의 고조파 수를 나타낸다. 또한, 이산 시간 신호에 대한 DFT의 k번째 요소와 k+N번째 요소 사이에는 하기 식 1-2와 같은 성질을 만족한다.
[식 1-2]
Figure 112019131372146-pat00005
이와 관련하여, 본원의 아크 검출 장치는 대역 통과 필터 후 전체 구간에 대한 주파수 대비 피크 레벨 값을 이용하여 고조파 성분 비율과 설정한 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 하여 아크 신호를 검출하도록 동작할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상술한 이산 푸리에 변환(DFT)에 의할 때, n 2 회의 곱셈 연산이 필요하지만, 고속 푸리에 변환(FFT)를 이용하면 n logn회의 곱셈 연산만으로 푸리에 계수를 획득 가능하다는 이점이 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 외에도 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT, 디지털 푸리에 변환), 단기 푸리에 변환(STFT) 등의 푸리에 분석 기법과 연계하여 아크 고장 발생 여부를 판단하는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시에예 따른 단기 푸리에 변환(STFT)에 관한 구체적인 설명은 다음과 같다. 단기 푸리에 변환(STFT)는 시간 변화 신호의 국부 영역의 주파수 및 위상 성분을 결정하기 위한 푸리에 변환으로, 단기 푸리에 변환(STFT)을 수행하는 것은 긴 시간 범위의 신호를 동일한 길이의 작은 세그먼트로 분할한 후, 분할된 세그먼트 각각에 대한 푸리에 변환을 수행하는 것으로 이해될 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 단기 푸리에 변환(STFT)는 하기 식 2에 의해 계산될 수 있다.
[식 2]
Figure 112019131372146-pat00006
여기서, 특정 고조파 성분은 예를 들어 제2고조파 성분 및 제4고조파 성분일 수 있다. 또한, 기 설정된 비율은 예들 들어 추출된 기본파 성분 대비 4%일 수 있다.
이하에서는, 제1아크 검출부(130)에 의해 태양광 발전장치(10)로부터 생산된 직류 전류에 기초하여 아크 검출을 판단하는 과정에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
다양한 원인으로 인한 아크 고장 발생 시, 아크 고장이 발생한 지점의 고장 전압 또는 전류를 이용한 검출 방식은 임의의 지점에서 불규칙적으로 발생하는 아크 고장의 특성상 실효성이 없을 수 있다. 또한, 부하(40) 측의 전압 또는 전류를 기초로 아크 고장을 검출하는 방식은 선로에서 고장이 발생할 경우 해당 아크를 검출하기 못하는 한계를 가진다. 따라서, 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부(130)는 태양광 발전장치(10)로부터 생산된 직류 전류(즉, 전원 측 전류)의 변화에 초점을 맞추어 아크(특히, 직렬 아크 고장)를 검출할 수 있다.
정상 상태의 직류 전류의 파형은 정현 대칭에 해당하므로 고속 푸리에 변환에 기초한 분석 시 몹시 작은 크기의 고조파 성분만이 함유되어 있다. 그러나, 아크 고장이 발생하면 직류 전류의 파형은 매 주기마다 다른 형태를 보임으로써 고속 푸리에 변환에 기초한 분석 시 고조파 성분의 크기가 증가할 수 있다. 따라서, 제1아크 검출부(130)는 특정 차수의 고조파 성분의 변화를 측정함에 따라 아크 고장을 검출하도록 동작하며, 이러한 고조파 성분 변화에 기초한 아크 검출 방식은 시간 영역에서의 아크 고장 검출 방식보다 수월하게 아크를 검출해낼 수 있다.
이하에서는, 도 4 및 도 5에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부(130)와 연계된 실험예를 바탕으로, 부하의 종류에 따라 아크 발생시 직류 전류의 고조파 성분의 변화를 설명하도록 한다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부와 연계된 일 실험예로 저항 소자 부하의 경우의 기본파 대비 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 제1 저항 소자 부하에 대하여 아크 발생 시의 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 것일 수 있다. 또한, 도 4의 (b)는 제2 저항 소자 부하에 대하여 아크 발생 시의 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 것일 수 있다. 여기서, 그래프의 세로축은 기본파(1차) 성분을 100%로하는 각각의 고조파 성분의 크기를 백분위로 나타낸 것일 수 있다.
도면에는 도시하지 않았으나, 정상상태에서의 고조파 성분의 경우, 제1 저항 소자 부하의 경우, 제2차 고조파는 0.02%, 제3차 고조파는 0.42%, 제4차 고조파는 0.02%로 나타나는 등 고조파 성분이 기본파 성분 대비 거의 나타나지 않는 것으로 측정된다. 이와 달리, 도 4의 (a)를 참조하면, 아크 고장 발생 시의 제1저항 소자 부하와 연계된 고조파 성분의 경우, 제2 고조파는 기본파 성분 대비 21.98%, 제3차 고조파는 28.26%, 제4차 고조파는 4.98% 등으로 나타나 정상상태일 때보다 높은 고조파 성분이 검출된다.
또한, 제2 저항 소자 부하의 경우, 정상상태에서의 고조파 성분의 경우, 제2차 고조파는 0.05%, 제3차 고조파는 0.66%, 제4차 고조파는 0.05%로 나타나는 등 고조파 성분이 기본파 성분 대비 거의 나타나지 않는 것으로 측정될 수 있다. 이와 달리, 도 4의 (b)를 참조하면, 아크 고장 발생시의 제2저항 소자 부하와 연계된 고조파 성분의 경우, 제2고조파는 9.21%, 제3고조파는 20.67%, 제4고조파는 7.23% 등으로 나타나 정상상태일 때보다 높은 고조파 성분이 검출될 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부와 연계된 일 실험예로 LC 전력 전자 부하의 경우의 기본파 대비 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 LC 전력 전자 부하에 대하여 대하여 정상상태시의 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 것일 수 있다. 또한, 도 5의 (b)는 제2 전력 LC 전력 전자 부하에 대하여 아크 발생 시의 직류 전류의 고조파 성분을 나타낸 것일 수 있다. 여기서, 그래프의 세로축은 기본파(1차) 성분을 100%로하는 각각의 고조파 성분의 크기를 백분위로 나타낸 것일 수 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 정상상태에서의 고조파 성분의 경우, 도 2를 통해 고찰한 저항 소자 부하의 경우와 달리 LC 전력 전자 부하에서는 정상상태에서도 기본파 성분 대비 큰 값의 고조파 성분이 측정될 수 있다. 특히, 홀수차(제3차, 제5차 등) 고조파 성분이 짝수차(제2차, 제4차 등) 고조파 성분보다 크게 측정될 수 있다. 구체적으로, 제2차 고조파 성분은 2.94%, 제3차 고조파 성분은 94.11%, 제4차 고조파 성분은 2.94%, 제5차 고조파 성분은 88.23% 등으로 나타날 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 아크 고장 발생시의 고조파 성분의 경우, 짝수차 고조파 성분이 정상상태시의 고조파 성분 측정에서보다 크게 증가할 수 있다. 구체적으로, 아크 고장 발생시의 제2차 고조파 성분은 54.63%, 제3차 고조파 성분은 77.75%, 제4차 고조파 성분은 50%, 제5차 고조파 성분은 62.04% 등으로 나타날 수 있다.
도 4 및 도 5을 통해 고찰한 본원의 일 실시예에 따른 제1아크 검출부(130)와 연계된 일 실험예의 실험 결과를 종합하면, 저항 소자 또는 전력 전자의 부하 유형 모두에서 아크 고장 발생시 정상상태에서보다 짝수차 고조파 성분이 크게 증가하고, 아크 고장 발생시의 고조파 성분 중 가장 큰 크기를 가지는(즉, 기본파 성분 대비 가장 높은 크기 비율을 가지는) 고조파 성분은 제3 고조파 성분으로 측정될 수 있다.
따라서, 본원의 일 실시예에 따른, 제1아크 검출부(130)는 직류 전류를 고속 푸리에 변환하고, 변환 결과에 기초하여 기본파 성분 및 고조파 성분을 추출하고 기본파 성분 대비 제2차 고조파 성분의 비율 및 기본파 성분 대비 제4차 고조파 성분의 비율이 소정의 퍼센트 비율(예를 들면, 수 %) 이상인 경우, 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1감지 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 고조파 성분의 비율에 대한 소정의 퍼센트 비율은 본원의 태양광 발전 장치가 설치되는 현장 여건에 따라 다양하게 설정할 수 있도록 구현될 수 있다. 다른 예로, 제1아크 검출부(130)는 고조파 성분 중 제3차 고조파 성분의 비율이 나머지 고조파 성분의 비율보다 큰 경우 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1감지 신호를 생성할 수 있다.
다만 전술한 특정 고조파 성분은 제2고조파 성분 및 제4고조파 성분에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 태양광 발전장치(10)의 특성, 부하(40)의 특성 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다. 또한, 기 설정된 비율은 특정 수치로 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 태양광 발전장치(10)의 특성, 부하(40)의 특성 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)는 복수의 고조파 성분의 비율 각각을 기본파 성분과 대비함으로써 아크가 검출된 것을 판단할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)는 복수의 고조파 성분 각각에 대응하는 기본파 성분 대비 기 설정된 비율을 서로 상이하게 결정하여 아크가 검출된 것을 판단할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)가 아크가 검출된 것으로 판단하는 기준이되는 특정 고조파 성분 또는 기본파 성분 대비 기 설정된 비율은 사용자가 아크 검출 감도를 조정하기 위하여 인가하는 사용자 입력에 의해 결정되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130) 가 아크가 검출된 것으로 판단하는 기준이되는 특정 고조파 성분 또는 기본파 성분 대비 기 설정된 비율은 아크 검출 장치(100)의 아크 검출 결과 및 직류 전류 차단 결과를 피드백으로 하여 업데이트되도록 구현될 수 있다.
파형 정형 회로부(140)는, 직류 전류의 노이즈를 1차적으로 제거하고, 노이즈가 제거된 직류 전류 신호를 DSP(Digital Signal Processor) 또는 MPU(Micro Processor Unit)에서 처리 가능한 디코딩 신호로 변환할 수 있다.
도 6a는 본원의 일 실시예에 따른 파형 정형 회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 6b는 본원의 일 실시예에 따른 밴드 패스 필터 적용 후의 스펙트럼 특성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 파형 정형 회로부(140)의 세부 회로도는 도 6a의 (a)를 통해 확인할 수 있고, 파형 정형 회로부(140)에 의해 직류 전류 신호가 DSP 또는 MPU(Micro Processor Unit)에서 처리 가능한 디코딩 신호로 변환된 그래프는 도 6a의 (b)를 통해 확인할 수 있다. 여기서 DSP 또는 MPU(Micro Processor Unit)은 후술할 제2아크 검출부(150)와 연계된 것일 수 있다.
파형 정형 회로부(140)는 먼저 직류 전류의 노이즈를 1차적으로 제거하기 위하여 직류 전류 신호에 저역 통과 필터(Low-Pass Filter, LPF), 대역 통과 필터(Band-Pass Filter, BPF) 또는 고역 통과 필터(High-Pass Filter, HPF) 중 적어도 하나를 적용할 수 있다. 여기서, 저역 통과 필터(Low-Pass Filter, LPF), 대역 통과 필터(Band-Pass Filter, BPF) 또는 고역 통과 필터(High-Pass Filter, HPF) 중 적어도 하나를 적용함에 따라, 직류 전류의 전원 주파수 성분을 제거하는 것일 수 있다.
저역 통과 필터(LPF)는 컷-오프 주파수(fc) 이하의 주파수 성분을 통과시키고, 컷-오프 주파수를 초과하는 주파수 성분은 통과시키지 않도록 동작하는 필터이고, 고역 통과 필터(HPF)는 저역 통과 필터(LPF)와 반대로 컷-오프 주파수(f c ) 미만의 주파수 성분은 통과시키지 않고, 컷-오프 주파수(f c ) 이상의 주파수 성분은 통과시키도록 동작하는 필터일 수 있다. 또한, 대역 통과 필터(BPF)는 특정한 두 차단 주파수 사이에 있는 주파수 대역의 신호를 통과시키나 그 외의 주파수 영역에 대해서는 감쇠시키는 필터일 수 있다.
또한, 본원에서의 파형 정형 회로부(140)에 적용되는 필터는 실시예에 따라 Bessel 타입, Butterworth 타입, Chebychev 타입, Sallen-Key 타입 등의 다양한 능동필터로 마련될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니며, 다른 예로, 적어도 하나 이상의 인덕터 또는 커패시터를 포함하는 수동필터로 구비될 수 있다.
또한, 본원에서의 파형 정형 회로부(140)는, 본원이 적용되는 태양광 발전 시스템의 구현예에 따라 필터 차수(Order), 컷-오프 주파수(f c ), 이득(Stage Gain), Ripple 값(dB 단위) 등의 필터 구현을 위한 파라미터들이 다양한 조합으로 설계될 수 있다.
예시적으로, 도 6b를 참조하면, 도 6b에 도시된 밴드 패스 필터를 바탕으로 파형 정형 회로부(140)는 차단 주파수가 139.6MHz 및 139.6MHz인 3차 Butterworth 타입의 대역 통과 필터(BPF)를 적용하여 139.6MHz 이상 252.4MHz 이하의 주파수 성분에 해당하는 신호는 통과시키고, 그보다 미만이거나 초과되는 주파수 성분을 갖는 신호는 제거하도록 동작할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 6a의 (a)를 참조하면, 파형 정형 회로부(140)는 (+)극성 및 (-)극성의 아크 신호를 모두 검출하기 위한 브리지 회로, 기준레벨 이상의 아크 신호만이 디코딩되어 출력되도록 하는 비교기 회로를 포함하는 파형 정형 회로를 포함할 수 있다. 특히, VR1의 값을 조정함으로써 후술할 제2아크 검출부(150)의 아크 검출 감도를 조정할 수 있다. 또한, IA는 파형 정형 회로부(140)에 입력되는 직류 전류이고, IB는 변환된 디코딩 신호를 나타내는 것일 수 있다. 도 6a의 (b)를 참조하면 파형 정형 회로부(140)에 의해 연속적인 값을 가지는 직류 전류는 복수의 펄스 신호를 포함하는 디코딩 신호로 변환되는 것일 수 있다.
제2아크 검출부(150)는, 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할하고, 분할된 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 판단하여 제2 감지 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 생성된 제2감지 신호는 제2아크 검출부(150)로부터 제어부(170)로 전송될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 기 설정된 시간 구간은 수십에서 수백ms로 결정될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제2아크 검출부(150)는 분할된 특정 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0인 경우, 해당 시간 구간에서 아크가 발생하지 않은 정상 상태로 판별할 수 있다. 반대로, 분할된 특정 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0이 아닌 경우, 해당 시간 구간의 인접한 시간 구간에서 발생한 펄스 수와 비교하여, 기 설정된 오차 범위 내에 있는 경우 노이즈 발생 상태로 판별하고, 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 아크 발생 상태로 판별하는 것일 수 있다. 여기서, 아크 발생 상태로 판별되는 경우 제2감지 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 인접한 시간 구간은 해당 시간 구간의 이전 시점에 해당하는 적어도 하나의 시간 구간으로 결정될 수 있다. 인접한 시간 구간의 범위 및 기 설정된 오차 범위는 실시예에 따라 다양한 값으로 결정될 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 제2아크 검출부에 의한 아크 검출 방법의 동작흐름도이다.
도 7을 참조하면, 단계 S710에서 제2아크 검출부(150)는 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할한 경우, 해당 시간 구간의 펄스 수가 0인지를 판단할 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 단계 S710에 선행하여 제2아크 검출부(150)는 디코딩 신호에 대한 입력을 수신(단계 S701)하고, 수신된 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할(단계 S702)할 수 있다.
만일, 단계 S710의 판단 결과 해당 시간 구간에서 펄스 수가 0인 경우(YES), 단계 S731에서 제2아크 검출부(150)는 해당 시간 구간에서 아크가 발생하지 않은 정상 상태로 판별할 수 있다.
반대로, 단계 S710의 판단 결과 해당 시간 구간에서 펄스 수가 0이 아닌 경우(NO), 제2아크 검출부(150)는 단계 S720으로 진행할 수 있다.
단계 S720에서 제2아크 검출부(150)는, 해당 시간 구간의 인접한 시간 구간에서 발생한 펄스 수와 해당 시간 구간에서 발생한 펄스 수를 비교하여, 두 펄스 수의 차이가 기 설정된 오차 범위 내에 있는지 여부를 판단할 수 있다.
만일, 단계 S720의 판단 결과 두 펄스 수의 차이가 기 설정된 오차 범위 내에 있는 경우, 단계 S732에서 제2아크 검출부(150)는 노이즈 발생 상태로 판별할 수 있다.
이와 달리, 단계 S720의 판단 결과 두 펄스 수의 차이가 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 단계 S733에서 제2아크 검출부(150)는 아크 발생 상태로 판별하여 제2감지 신호를 생성할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S710 내지 S733은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제2아크 검출부(150)는, 검출 결과 표시부(미도시)를 포함할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따른 검출 결과 표시부는 각각 다른 색으로 점등되는 LED를 포함하는 것일 수 있다. 일 예로, 제2아크 검출부(150)의 아크 검출 판단 결과가 정상 상태인 경우 녹색 LED가 점등되고, 노이즈 발생 상태인 경우 황색 LED가 점등되고, 아크 발생 상태인 경우 적색 LED가 점등되도록 구현될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130) 또는 제2아크 검출부(150)는 태양광 발전장치(10) 각각에 대응하여 복수개 마련되는 것 일 수 있다.
차단부(160)는, 전력 차단 신호를 수신하여, 입력부(110)에서 수신되는 직류 전류를 선택적으로 차단할 수 있다. 여기서, 전력 차단 신호는 트립 신호로 달리 지칭될 수 있다.
제어부(170)는, 제1감지 신호 및 제2감지 신호를 수신하여 차단부(160)에 전력 차단 신호를 전송할 수 있다.
즉, 제어부(170)는 제1아크 검출부(130) 및 제2아크 검출부(150) 모두에서 아크가 검출된 것으로 판단되어 제1감지 신호와 제2감지 신호가 모두 수신되는 경우에 차단부(160)에 전력 차단 신호를 전송하는 것일 수 있다. 달리 말해, 본원에서의 아크 검출 장치(100)는 태양광 발전장치(10)로부터 생산되는 전원 전류에 기초하여 아크 발생 상황을 두가지 측면에서 검출하여, 보다 정확한 아크 검출이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
종합하면, 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)는, 전원 플러그의 접속, Surge 입력, 스위치의 온오프 전환 등의 정상적인 동작 상황에서도 아크 발생 시의 직류 전류 신호의 변화와 유사한 고주파 신호가 발생할 수 있는데, 이러한 정상적인 동작 상황을 아크가 발생한 것으로 판별하지 않기 위하여 두 측면에서 적용되는 아크 검출 알고리즘을 마련하여(즉, 제1아크 검출부와 제2아크 검출부를 마련하여) 보다 정확한 아크 검출을 수행할 수 있다.
만일, 제1아크 검출부(130) 및 제2아크 검출부(150)의 아크 발생 판단 결과가 불일치하는 경우(예를 들어, 제어부(170)가 제1감지 신호는 수신하였으나 제2감지 신호는 수신되지 않은 경우 또는 제2감지 신호는 수신하였으나 제1감지 신호는 수신되지 않은 경우), 제어부(170)는 아크가 발생하지 않은 것으로 판단한 제1아크 검출부(130) 또는 제2아크 검출부(150)에 아크 재검출 요청 신호를 전송할 수 있다.
달리 말해, 제어부(170)는 제1감지 신호를 수신하지 않은 경우에 제2감지 신호가 수신된 경우, 제1아크 검출부(130)에 아크 재검출 요청 신호를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 제2감지 신호를 수신하지 않은 경우에 제1감지 신호가 수신된 경우, 제2아크 검출부(150)에 아크 재검출 요청 신호를 전송할 수 있다.
이어서, 아크 재검출 요청 신호를 수신한 제1아크 검출부(130) 또는 제2아크 검출부(150)은 아크 검출 방식 또는 알고리즘을 변경하거나 세분화함으로써 정밀하게 아크 발생 여부를 재차 판단할 수 있다. 즉, 아크 재검출 요청 신호를 수신한 제1아크 검출부(130) 또는 제2아크 검출부(150)는 각각의 아크 검출 진단 기준을 아크 재검출 요청 신호에 기초하여 강화하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 관련하여, 본원의 일 실시예에 따르면, 제1아크 검출부(130)는 제어부(170)로부터 아크 재검출 요청 신호를 수신한 경우, 고조파 성분 중 제3차 고조파의 비율이 나머지 고조파 성분의 비율보다 큰 경우, 제1감지 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 제2아크 검출부(150)는 제어부(170)로부터 아크 재검출 요청 신호를 수신한 경우, 기 설정된 시간 구간을 현재 설정된 시간 구간보다 더 짧은 제2시간 구간으로 재분할하고, 재분할된 제2시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크 발생 여부를 재차 판단하여 아크가 검출된 것으로 판단되는 경우 제2감지 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 시간 구간이 100ms인 것으로 가정할 때, 제2아크 검출부(150)는 제어부(170)로부터 아크 재검출 요청 신호를 수신한 경우, 100ms 보다 짧은 50ms을 제2시간 구간으로 결정할 수 있고, 결정된 제2시간 구간에 따라 디코딩 신호를 재분할하여, 재분할된 제2시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크 발생 여부를 재차 판단할 수 있다.
특히, 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)는 태양광 발전장치(10)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여 인버터(20)에 출력하는 태양광 접속반에 구비되는 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반은 적외선 온도센서, 포인트센서 및 자외선 감지 센서의 광센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, 아크 검출 장치(100)의 제어부(170)는 전술한 전류변환 아크 검출 센서와 각종 광센서의 계측 결과를 수신하여 수신된 계측 결과를 더 고려하여 전력 차단 신호(트립 신호)를 차단부(160)로 전송하는 것일 수 있다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)에서 고려되는 적외선 센서의 회로도의 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반에는 내부의 온도(특히, 접속반 내부의 단자 접속부의 온도)를 검출하기 위한 적외선 센서(미도시)가 구비될 수 있다.
적외선 센서는 단일 엘리먼트에 의한 단일 지점의 온도를 검출하고 또는 선택적으로 멀티 어레이 영역의 온도를 검출할 수 있는 센서 엘리먼트트를 이용하여 다 지점의 온도를 계측할 수 있는 구조로 마련될 수 있으며, 온도를 주파수 변조하여 출력하도록 마련될 수 있다.
적외선 센서는 일예로 -30 ℃ 이상 + 500 ℃ 사이의 접속반 내부의 단자 접속부의 온도를 측정할 수 있는 적외선 엘리먼트(element)에 레퍼런스(reference) 출력 1.225 Vdc와 측정된 온도 계수에 따라 온도에 비례하는 단일 또는 다 지점의 온도를 아날로그 출력을 내보내는 회로와 연결될 수 있다.
온도 측정 감도는 15 mV/℃ 일 수 있다. 태양광 접속반에는 적외선 센서의 전원선과 출력 신호선의 4가닥의 선을 2가닥의 선으로 줄인 적외선 센서의 회로도가 적용될 수 있다. 이를 통해, 본원은 다수의 센서 연결선에 대한 태양광 접속반 내 배선의 복잡성을 감소시키고, 그에 따른 외부 노이즈가 감소되도록 할 수 있다. 적외선 센서의 전압 신호는 주파수로 변환되고 전원 라인에 캐리어를 실어 2가닥으로 전송될 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반은 포인트센서(미도시)를 포함할 수 있다. 포인트센서(미도시)는 일예로 태양광 접속반 내 일영역에 구비될 수 있다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)에서 고려되는 포인트센서의 회로도의 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 포인트센서는 반구의 범위 내에서 발생되는 아크를 검출하는 센서일 수 있다. 포인트센서는 약 2m의 반구 범위 내에서 발생된 3KA의 아크를 검출할 수 있다.
포인트센서는 센서 컨트롤러, 동작 다이오드(D6), 포토 다이오드(D7), op-amp 및 출력 트랜지스터(Q2)를 포함하도록 이루어질 수 있다. 포인트센서의 회로도에는 동작 다이오드(D6)와 포토 다이오드(D7), op-amp 및 출력 트랜지스터(Q2)로 이루어지는 증폭회로가 병렬로 마련될 수 있다.
아크가 발생되지 않은 상태에서는 전류가 동작 다이오드(D6)에 인가되고, 인가된 전류에 의해 동작 다이오드(D6)가 점멸될 수 있다. 이때, 센서 컨트롤러에서 인가되는 전류가 동작 다이오드(D6)에 전부 인가되고, 동작 다이오드(D6)는 빠른 속도로 점멸될 수 있다.
한편, 아크가 발생되면, 증폭회로의 포토 다이오드(D7)에 아크가 입사될 수 있다. 입사된 아크의 크기에 비례하여 포토 다이오드(D7)는 도통되고, 도통에 따라 통전전류가 op-amp의 입력단에 전위차를 발생시킬 수 있다. op-amp에 인가된 전위차의 크기가 일정 값 이상으로 증가되면 출력 트랜지스터(Q2)가 동작하게 되며, 출력 트랜지스터(Q2)의 동작에 의해 전류가 증폭회로로 인가될 수 있다.
이때, 동작 다이오드와 증폭회로가 병렬로 연결됨에 따라 동작 다이오드(D6)에 인가된 전류의 일부가 증폭회로로 인가될 수 있으며, 동작 다이오드(D6)는 아크 발생전에 비해 상대적으로 느린 속도로 점멸될 수 있다.
이와 같은 구성에서, 포인트센서의 동작 다이오드(D6)가 점멸되지 않는 경우, 결선 또는 인가 전원의 문제가 있는 것으로 판단될 수 있다. 제어부(170)는 이러한 포인트센서를 이용하여 아크 발생 확률(가능성)을 파악할 수 있다. 아크 발생 확률의 파악을 기반으로 한 아크 검출 장치(100)의 제어 예(예를 들어, 전기신호의 측정 시간 간격 조정 등)는 앞서 설명한 예시와 같이 동일 내지 유사하게 이해될 수 있다. 이러한 포인트센서는 아크 발생이 우려되는 지점에 복수 개 설치될 수 있다.
또한, 아크 검출 장치(100)가 구비된 태양광 접속반은 아크에 의해 발생되는 자외선을 감지하는 자외선 감지 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 자외선 감지 센서는 태양광 접속반 내에서 아크에 의해 발생되는 자외선을 감지할 수 있다. 자외선 감지 센서는 자외선을 감지하는 자외선 포토 다이오드로 이루어질 수 있다.
자외선 감지 센서(미도시)는 태양광 접속반의 일영역에 구비될 수 있으며, 제어부(170)는 자외선 감지 센서(미도시)에 의하여 측정된 자외선 신호의 분석을 통해 아크의 발생 여부를 검출할 수 있다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)에서 고려되는 자외선 감지 센서를 이용한 아크 검출 회로도의 예를 나타낸 도면이다. 즉, 도 13은 자외선 감지 센서로부터 획득된 자외선 신호의 분석을 통해 아크 발생 여부를 검출하는 제어부(170)의 일부 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 자외선 감지 센서(미도시)에서 미약한 자외선 영역의 파장 신호는 U2A(LM2904)로 증폭되고 증폭된 신호는 U2B의 컴퍼레이터(comparator)에 구성된 R7, R8의 레퍼런스 레벨보다 더 큰 신호가 들어올 경우에만 로직 변환 신호가 출력되도록 구성될 수 있다.
U2B의 출력신호(ARC_INT)는 U3(CPU)에 인터럽트 방식으로 입력되어 카운트되게 되며, 아크로 판별될 경우에는 발생된 아크의 카운트수가 보관(저장)될 수 있다. 한편, RS-485로 연결된 데이터라인(D+, D-)으로 HMI에서의 호출이 있을때는 U4(RS-485 CONVERTOR)를 통해 U3(CPU)에 호출됨을 알리고 U3는 현재까지 모아둔 아크 발생 유무의 결과를 RS-485 통신 라인으로 제어부(170)로 전송할 수 있다.
또한, R5, R10은 일예로 자외선 감지 센서의 아날로그 신호만 필요할 경우에 사용하기 위해 연결된 신호이며, 디지털 신호 처리 모듈의 CPU 모드로 사용할 때에는 고려되지 않을 수 있다. HMI 연결 케이블은 4선(V+, GND, D+, D-)으로 연결되며, 다양한 환경에서 MOD-BUS 프로토콜로 구성된 통신 프로그램으로 아크 신호의 상태를 판별할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 제어부(170)가 자외선 감지 센서의 신호 분석에 기반한 아크 발생 여부의 검출에 대한 오류를 방지하기 위해, 일예로 R7, R8로 이루어진 레퍼런스 레벨로 입력이 미약한 경우를 제외할 수 있다. 또한, 아크 발생 여부의 검출 오류를 방지하기 위해, 제어부(170)는 아크가 발생한 횟수를 카운팅하여 미리 설정된 횟수(일예로, 5회 등) 이상으로 아크가 발생한 것으로 카운팅되는 경우, 최종적으로 아크가 발생한 것으로 검출할 수 있다.
본원의 일 실시 예에 따른 태양광 발전시스템 내 제1아크 검출부에 의한 아크 검출 방법 또는 제2아크 검출부에 의한 아크 검출 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 태양광 발전시스템 내 제1아크 검출부에 의한 아크 검출 방법 또는 제2아크 검출부에 의한 아크 검출 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 태양광 발전 시스템
100: 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치
110: 입력부
120: 출력부
130: 제1 검출부
140: 파형 정형 회로부
150: 제2 검출부
160: 차단부
170: 제어부
10: 태양광 발전장치
20: 인버터
30: 수전반
40: 부하

Claims (8)

  1. 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치에 있어서,
    상기 태양광 발전장치로부터 생성되는 직류 전류를 수신하는 입력부;
    상기 직류 전류를 접속된 인버터로 전달하는 출력부;
    상기 직류 전류를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하고, 상기 변환 결과에 기초하여 기본파 성분 및 고조파 성분을 추출하고, 추출 결과에 기초하여 특정 고조파 성분의 비율이 상기 기본파 성분 대비 기 설정된 비율 이상인 경우 아크가 검출된 것으로 판단하여 제1감지 신호를 생성하는 제1아크 검출부;
    상기 직류 전류의 노이즈를 제거하고, 상기 직류 전류 신호를 DSP(Digital Signal Processor) 또는 MPU(Micro Processor Unit)에서 처리 가능한 디코딩 신호로 변환하는 파형 정형 회로부;
    상기 디코딩 신호를 기 설정된 시간 구간으로 분할하고, 상기 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 판단하여 제2감지 신호를 생성하는 제2아크 검출부;
    전력 차단 신호를 수신하여, 상기 입력부에서 수신되는 직류 전류를 선택적으로 차단하는 차단부; 및
    상기 제1감지 신호 및 상기 제2감지 신호를 수신하여, 상기 차단부에 전력 차단 신호를 전송하는 제어부,
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1아크 검출부와 상기 제2아크 검출부의 판단 결과가 불일치하면, 아크가 검출되지 않은 것으로 판단한 상기 제1아크 검출부 또는 상기 제2아크 검출부에 아크 검출 알고리즘을 변경하거나 세분화하여 아크 발생 여부를 재차 판단하도록 요청하는 아크 재검출 요청 신호를 전송하되,
    상기 제1감지 신호를 수신하지 않은 경우에 상기 제2감지 신호가 수신된 경우, 상기 제1아크 검출부에 상기 아크 재검출 요청 신호를 전송하고, 상기 제2감지 신호를 수신하지 않은 경우에 상기 제1감지 신호가 수신된 경우, 상기 제2아크 검출부에 상기 아크 재검출 요청 신호를 전송하고,
    상기 제2아크 검출부는,
    상기 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0인 경우, 해당 시간 구간에서 아크가 발생하지 않은 정상 상태로 판별하고, 상기 시간 구간에서 발생하는 펄스 수가 0이 아닌 경우, 해당 시간 구간의 인접한 시간 구간에서 발생한 펄스 수와 비교하여, 기 설정된 오차 범위 내에 있는 경우 노이즈 발생 상태로 판별하고, 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 아크 발생 상태로 판별하여 상기 제2감지 신호를 생성하되,
    상기 아크 재검출 요청 신호를 수신하면, 상기 기 설정된 시간 구간을 현재 설정된 시간 구간보다 더 짧은 제2시간 구간으로 재분할하고, 상기 제2시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 아크가 검출된 것으로 재차 판단하여 제2감지 신호를 생성하고,
    상기 제1아크 검출부가 아크 검출을 판단하기 위한 기준인 상기 특정 고조파 성분의 유형 및 상기 기 설정된 비율 중 적어도 하나는 상기 아크 검출 장치의 아크 검출 결과 및 직류 전류 차단 결과를 피드백으로 하여 업데이트되거나 아크 검출 감도의 조정을 위해 인가되는 사용자 입력에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 아크 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정 고조파 성분은, 제2고조파 성분 및 제4고조파 성분이고,
    상기 기 설정된 비율은, 상기 기본파 성분 대비 소정의 퍼센트 비율인 것을 특징으로 하는, 아크 검출 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1아크 검출부는,
    상기 아크 재검출 요청 신호를 수신하여, 상기 고조파 성분 중 제3차 고조파의 비율이 나머지 고조파 성분의 비율보다 큰 경우, 상기 제1감지 신호를 생성하는 것인, 아크 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류를 취합하여 인버터에 출력하는 태양광 접속반에 구비되는 것인, 아크 검출 장치.
  8. 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전류에 기초한 아크 검출 장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 있어서,
    빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전원을 생산하는 복수의 태양광 패널을 포함하는 태양광 발전장치;
    제1항에 따른 아크 검출 장치가 구비되고, 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 직류 전원을 취합하여 출력하는 태양광 접속반; 및
    상기 태양광 접속반을 통해 취합된 직류 전원을 수신하여 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터,
    를 포함하는, 태양광 발전 시스템.
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