KR102174451B1 - 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템은 태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하는 태양전지모듈; 상기 태양전지모듈에서 생산되는 직류전기를 교류전기로 변환하기 위한 전력변환장치; 및 상기 태양전지모듈에서 발생하는 지락사고를 검출하기 위한 지락검출장치;를 포함하여 구성되고, 상기 지락검출장치;는: 상기 태양전지모듈의 음극과 양극 양단의 전압을 분압하기 위한 제 1분압저항 및 제 2분압저항; 일단이 상기 제 1분압저항과 제 2분압저항 사이의 공통중성점에 연결되고, 타단이 접지점에 연결되는 접지저항; 상기 접지저항의 양단전압을 검출하는 접지저항전압검출부; 및 상기 접지저항전압검출부로부터 검출된 상기 접지저항의 양단전압과 기준전압값을 비교하여 지락사고 발생여부를 판단하기 위한 기준전압비교부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전압을 검출하여 지락전류를 센싱하는 방식을 사용함으로써 전류센서를 사용하는 지락검출장치에 비해 회로구조가 간단하고 작은 크기로 설계가 가능하기 때문에 작은 용량의 태양광인버터에서부터 큰 용량의 태양광인버터에 널리 사용이 가능하다는 장점이 있다.

Description

지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템{Solar power unit having the function of ground fault detection}
본 발명은 태양광발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에 관한 것이다.
태양광발전은 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 발전하는 것이고, 태양전지에 빛에너지를 쪼이면 전지에서 전자가 흐르면서 전기가 생산되는 원리이다. 태양광발전은 인공위성의 전력공급용으로 본격적으로 시작되었지만, 처움에는 비용이 높았기 때문에 20세기 말까지는 전력망이 들어가기 어려운 곳에서 이루어졌지만, 그후 기술개발과 대규모 생산으로 가격이 낮아지고 각국의 지원정책에 따라 규모가 큰 발전시설도 건설되기 시작했다. 특히 고갈되지 않고 온실가스도 내뿜지 않는 재생가능 에너지로서 지붕에도 소규모로 설치할 수 있고 외부의 전기를 공급받지 않고 전력자립을 할 수 있다는 장점 때문에 관심을 끌고 있다.
계통연계형 태양광 인버터는 가격 및 제품 크기 감소를 위해 무변압기 방식을 선호하는데, 이러한 무변압기 방식의 경우 계통과 전기적으로 절연되어 있지 않기 때문에 태양전지의 DC측 지락사고 발생시 사용자의 안전문제 및 시스템의 고장 등의 원인이 될 수 있다.
또한, 태양광 발전소의 용량은 지속적으로 증가하여 현재 수 MW의 태양광 발전소가 상업적으로 건설되고 있고, 태양전지의 전압도 1,000V의 높은 전압이 사용되고 있으며, 따라서, 태양광 패널의 연결을 위해 사용되는 직류 전선로는 넓은 지역에 걸쳐 시공되고 있고, 직사광선 및 야외에 노출되어 있기 때문에 시공의 불량과 시간의 흐름에 따른 노후화로 지락사고의 문제를 야기할 수 있다.
이러한 이유로 통상적으로 태양전지와 상용 전력계통을 연결하는 직류선로의 지락(ground fault)을 검출하기 위한 검출회로장치가 제공된다. 지락 발생시 적절한 대응을 수행하지 못하면 상용 전력계통에 연결된 시스템이 정지될 수 있고, 전력변환을 위해 구성된 승압회로 및 인버터 등에 손상을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 송전계통설비들의 정상 동작 중단으로 태양광 발전 및 송전이 중단되어 경제적인 손실은 물론 송전설비의 고장으로 인한 위험까지도 초래할 수 있기 때문이다.
도 1은 종래의 직류전선로의 지락 검출장치가 포함된 태양광 발전시스템의 전체 구성도이다. 도 1을 참조하면, 태양광 발전을 위해 태양전지가 하나 이상 모듈화된 태양광 모듈(10)이 구성되고, 태양광 모듈(10)은 태양전지의 조합에 따라 수 W에서 수 천 ㎾까지 출력을 제공하고, 상기 태양광 모듈(10)로부터 발전된 직류전력은 전력변환기(11)에 공급된다. 상기 전력변환기(11)는 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 이를 상용전력계통에 출력하는 기능을 수행하고, 이를 위해 전력변환기(11)에는 승압회로 및 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터 등이 구성된다. 상기 태양광 모듈(10)로부터 발전된 직류전력을 전력변환기(11)로 공급하기 위해 상기 태양광 모듈(10)과 전력변환기(11)는 직류 전선로(12)에 연결되고, 상기 직류 전선로(12)에는 직류 전선로(12)의 지락을 검출하기 위해 지락검출장치(13)가 구비된다. 상기 지락 검출장치(13)는 직류 전선로(12)의 P(+)측 또는 N(-)측 중 어느 한 곳에 지락이 발생하더라도 이를 검출할 수 있다. 지락 검출장치(13)는 다음과 같은 구성을 갖는다. 직류 전선로(12)의 P(+)측과 N(-)측 사이에 두개의 분배저항(R1, R2)이 연결된다. 그리고 상기 저항(R1)과 저항(R2)의 공통 접속점에 전류 검출부(14)가 연결된다. 전류 검출부(14)는 직류 전선로(12)에서 지락 사고시 지락 전류를 검출하는 기능을 수행한다. 전류 검출부(14)는 내부 저항(rct)이 연결되고, 접지(ground)된다. 상기 전류 검출부(14)에는 그 전류 검출부(14)에 의해 검출된 지락 전류에서 고주파 성분을 제거하기 위한필터(15)가 연결된다. 상기 필터(150)는 저역 필터가 사용된다. 상기 필터(15)에 의해 제거된 신호를 항상 양(+)의 영역에서 미리 설정된 지락전류 기준값과 비교할 수 있도록 절대값 회로부(16)가 상기 필터(15)와 연결된다. 즉 직류 전선로(12)의 P(+)측 또는 N(-)측에서 지락 발생시 지락 전류의 방향은 서로 반대이기 때문에, (-) 값을 가지는 경우가 발생하지만, 이 경우 (+) 값으로 하여 항상 양의 신호로 검출하기 위함이다. 상기 절대값 회로부(16)에서 출력되는 신호 즉 (+) 신호값과 기 설정된 지락전류 기준값을 비교하는 비교부(17)가 연결된다. 그리고, 상기 비교부(17)의 출력을 통해 지락 발생 유무를 확인하고 상기 전력변환기(11)에 구성된 승압회로 및 인버터 등의 구동을 정지시키도록 제어하는 제어부(18)가 구비된다.
그러나 이러한 종래지락검출장치의회로 구성은 태양광 모듈의 양극(+)과 음극(-)으로부터 접지저항으로 흐르는 지락전류를전류센서를 통해 검출하여 지락사고발생여부를 판단하는 방식을 사용한다.
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하지만, 이처럼 종래의 전류센서를 이용하는 지락검출방식의 경우, 미세한 전류측정이 가능한 전류센서가 필요하고, 이로 인해 상대적으로 가격이 높다는 단점이 있다.
한국등록특허 제 10-1011003호 : 지락 검출장치
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명에 따르면, 지락 전류 검출을 위한 별도의 전류센서를 사용하지 않고, 지락 발생시 태양전지의 양극(+)과 음극(-) 사이에 전압 차이로 발생되는 지락전류를 통해 접지저항에 발생되는 전압으로 이를 검출하는 방법을 사용한다.
본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템은 태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하는 태양전지모듈; 상기 태양전지모듈에서 생산되는 직류전기를 교류전기로 변환하기 위한 전력변환장치; 및 상기 태양전지모듈에서 발생하는 지락사고를 검출하기 위한 지락검출장치;를 포함하여 구성되고, 상기 지락검출장치;는: 상기 태양전지모듈의 음극과 양극 양단의 전압을 분압하기 위한 제 1분압저항 및 제 2분압저항; 일단이 상기 제 1분압저항과 제 2분압저항 사이의 공통중성점에 연결되고, 타단이 접지점에 연결되는 접지저항; 상기 접지저항의 양단전압을 검출하는 접지저항전압검출부; 및 상기 접지저항전압검출부로부터 검출된 상기 접지저항의 양단전압과 기준전압값을 비교하여 지락사고 발생여부를 판단하기 위한 기준전압비교부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전력변한장치는: 스위칭소자를 이용하여 상기 태양전지모듈에서 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위한 전력변환부; 및 상기 전력변환부의 동작제어를 위한 제어부;로 구성되고, 상기 제어부는 상기 기준전압제어부에서 상기 접지저항의 양단전압이 상기 기준전압을 초과하여 지락사고가 발생한 것으로 판단된 경우 태양과발전시스템의 운전을 정지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 지락발생장치를 필요에 따라 선태적으로 연결/해제할 수 있도록 하기 위한 릴레이스위치를 더 포함하여 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 릴레이스위치는 상기 태양전지모듈의 가동여부에 따라 온/오프 제어된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 릴레이스위치는 상기 태양전지모듈의 출력전압 또는 전류에 따라 온/오프 제어된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 릴레이스위치는 일사량정보에 따라 온/오프 제어된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 릴레이스위치는 일몰시간 또는 일출시간에 따라 온/오프 제어된다.
본 발명에 따르면, 전압을 검출하여 지락전류를 센싱하는 방식을 사용함으로써 전류센서를 사용하는 지락검출장치에 비해 회로구조가 간단하고 작은 크기로 설계가 가능하기 때문에 작은 용량의 태양광인버터에서부터 큰 용량의 태양광인버터에 널리 사용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 직류전선로의 지락 검출장치가 포함된 태양광 발전시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에서 전력변환장치의 구성도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에서 지락검출장치의 구성도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템의 회로구성도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서는 태양광발전 시스템의 지락검출을 위해 양극(+)과 음극(-) 사이에 높은값의 저항을 연결하고, 저항의 중성점과 접지저항을 낮은 저항을 연결함으로써, 실제적으로 발생할 수 있는 지락전류의 크기를 높은 저항으로 제한하고, 낮은 저항에 발생되는 전압을 계측함으로써, 전압을 검출하는 것이 아닌 지락전류를 저항을 통해 검출하게 되는 방식을 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에서 전력변환장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에서 지락검출장치의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템의 회로구성도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템은 태양전지모듈(100), 전력변환장치(200) 및 지락검출장치(300)로 구성된다.
상기 태양전지모듈(100)은 태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하고, 상기 전력변환장치(200)는 상기 태양전지모듈(100)에서 생산되는 직류전기를 교류전기로 변환한다.
상기 지락검출장치(300)는 상기 태양전지모듈(100)에서 발생하는 지락사고를 검출한다.
상기 지락검출장치(300)는 제 1분압저항(310), 제 2분압저항(320), 접지저항(330), 접지저항전압검출부(340) 및 기준전압비교부(350)로 구성된다.
상기 제 1분압저항(310) 및 제 2분압저항(320)은 상기 태양전지모듈(100)의 음극과 양극 양단의 전압을 분압하기 위한 것이고, 상기 접지저항(330) 일단이 상기 제 1분압저항(310)과 제 2분압저항(320) 사이의 공통중성점(N)에 연결되고, 타단이 접지점에 연결된다. 상기 접지저항전압검출부(340)는 상기 접지저항(330)의 양단전압을 검출하고, 상기 기준전압비교부(350)는 상기 접지저항전압검출부(340)로부터 검출된 상기 접지저항(330)의 양단전압과 기준전압값을 비교하여 지락사고 발생여부를 판단한다.
정상운전중에는 각 분압저항 양단 전압은 같으며, 분압저항 출력의 공통중성점과 접지 사이의 접지저항(330)에는 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 태양전지 모듈의 DC출력 양극이나 음극이 접지와 도통되는 지락사고가 발생하면 각 분압저항 양단 전압은 편차가 생기며, 분압저항 출력의 공통중성점(N)과 접지 사이에 설치한 접지저항(330)에는 전류가 생기게 된다.
지락사고 발생시 접지저항(330) 양단에 전류가 흐르고, 접지저항(330) 양단에 전압강하가 발생하며, 접지저항(330)의 양단 전압을 계측하여 지락사고 발생여부를 판단한다.
상기 전력변한장치는 전력변환부와 제어부로 구성된다. 상기 전력변환부는 스위칭소자를 이용하여 상기 태양전지모듈(100)에서 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위한 것이고, 상기 제어부는 상기 전력변환부의 동작제어를 위한 것이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 제어부는 상기 기준전압제어부에서 상기 접지저항(330)의 양단전압이 상기 기준전압을 초과하여 지락사고가 발생한 것으로 판단된 경우 태양과발전시스템의 운전을 정지하도록 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 기준전압제어부에서 상기 접지저항(330)의 양단전압이 상기 기준전압을 초과하여 지락사고가 발생한 것으로 판단된 경우 지락사고가 발생하였다는 알람을 표시하도록 상기 태양광발전시스템의 동작을 제어할 수도 있다.
상기 지락발생장치를 필요에 따라 분압저항에서 접지저항(330)으로 구성을 선택적으로 연결/해제할수 있도록 하기 위한 릴레이스위치(360)를 더 포함하여 구성된다. 상기 릴레이스위치(360)는 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 접지저항(330)과 상기 제 1분압저항(310)과 제 2분압저항(320) 사이의 공통중성점(N) 사이에 연결되어 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 릴레이스위치(360)는 접지저항(330)을 상기 공통중성점(N)으로부터 연결하거나 해제하는 방식으로 온/오프 제어되고 이러한 온/오프 제어에 의해 지락발생장치를 연결/해제하여 지락검출기능을 켜거나 끄게 된다.
상기 릴레이스위치(360)는 상기 태양전지모듈(100)의 가동여부에 따라 온/오프 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 태양전지모듈(100)이 가동하고 있는 동안에는 상기 릴레이스위치(360)를 온 상태로 제어하고, 상기 태양전지모듈(100)이 가동하지 않고 있는 동안에는 상기 릴레이스위치(360)를 오프 상태로 제어한다.
다른 실시예로, 상기 릴레이스위치(360)는 상기 태양전지모듈(100)의 출력전압 또는 전류에 따라 온/오프 제어할 수 있다. 예를 들면, 하고, 태양전지모듈(100)의 출력전압이나 전류가 미리 설정된 일정값 이상이면 상기 릴레이스위치(360)를 온 상태로 제어하고, 태양전지모듈(100)의 출력전압이나 전류가 미리 설정된 일정값 미만이면 상기 릴레이스위치(360)를 오프 상태로 제어한다.
또 다른 실시예로서, 상기 릴레이스위치(360)는 일사량정보에 따라 온/오프 제어할 수 있다. 예를 들면, 하고, 일사량이 미리 설정된 일정값 이상이면 상기 릴레이스위치(360)를 온 상태로 제어하고, 일사량이 미리 설정된 일정값 미만이면 상기 릴레이스위치(360)를 오프 상태로 제어한다.
또 다른 실시예로서, 상기 릴레이스위치(360)는 일몰시간이나 일출시간에 따라 온/오프 제어할 수 있다. 예를 들면, 하고, 일몰시간이나 일출시간이 미리 설정된 일정 범위 내에 해당되면 상기 릴레이스위치(360)를 온 상태로 제어하고, 일몰시간이나 일출시간이 미리 설정된 일정 범위 내에 해당되지 않으면 상기 릴레이스위치(360)를 오프 상태로 제어한다.
100 : 태양전지모듈 200 : 전력변환장치
300 : 지락검출장치 310 : 제 1분압저항
320 : 제 2분압저항 330 : 접지저항
340 : 접지저항전압검출부 350 : 기준전압비교부
360 : 릴레이스위치

Claims (9)

  1. 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템에 있어서,
    태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하는 태양전지모듈;
    상기 태양전지모듈에서 생산되는 직류전기를 교류전기로 변환하기 위한 전력변환장치; 및
    상기 태양전지모듈에서 발생하는 지락사고를 검출하기 위한 지락검출장치;를 포함하고,
    상기 지락검출장치는, 상기 태양전지모듈의 음극과 양극 양단의 전압을 분압하기 위한 제 1분압저항 및 제 2분압저항;
    일단이 상기 제 1분압저항과 제 2분압저항 사이의 공통중성점에 연결되고, 타단이 접지점에 연결되는 접지저항;
    상기 접지저항의 양단전압을 검출하는 접지저항전압검출부; 및
    상기 접지저항전압검출부로부터 검출된 상기 접지저항의 양단전압과 기준전압값을 비교하여 지락사고 발생여부를 판단하기 위한 기준전압비교부;를 포함하며,
    상기 전력변환장치는, 스위칭소자를 이용하여 상기 태양전지모듈에서 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위한 전력변환부;
    상기 전력변환부의 동작을 제어하고, 상기 기준전압비교부에서 상기 접지저항의 양단전압이 상기 기준전압을 초과하여 지락사고가 발생한 것으로 판단된 경우 태양과발전시스템의 운전을 정지하도록 제어하는 제어부; 및
    상기 지락검출장치를 필요에 따라 선택적으로 연결/해제할 수 있도록 하기 위한 릴레이스위치;를 포함하고,
    상기 릴레이스위치는, 상기 태양전지모듈의 출력전압 또는 전류, 일몰시간 또는 일출시간, 상기 태양전지모듈의 가동여부 및 일사량정보 에 따라 온/오프를 제어하고, 상기 접지저항과 상기 공통중성점 사이를 연결하거나 해제하는 방식에 의하여 온/오프 제어하는 것을 특징으로 하는 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템.
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  9. 제 1항에 있어서,
    태양광발전시스템이 가동하지 않는 동안에도 간헐적으로 접지상태를 확인하여 사고여부를 파악하기 위해 상기 지락검출장치가 동작하는 것을 특징으로 하는 지락검출기능을 갖는 태양광발전시스템.

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