KR102224181B1

KR102224181B1 - 태양광발전용 dc 전원 차단장치

Info

Publication number: KR102224181B1
Application number: KR1020200118303A
Authority: KR
Inventors: 이상원; 권우현
Original assignee: 주식회사 디케이
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-03-09
Also published as: WO2022059976A1

Abstract

본 발명은 복수의 태양광발전모듈과 각각의 상기 태양광발전모듈로부터 생성된 전기를 모아 인버터로 전달해주는 접속반 사이에 설치되어 이상 상황 감지시 상기 태양광발전모듈에서 상기 접속반으로 흐르는 전류를 아크 발생없이 차단시키는 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이에 연결된 스트링에 설치되어 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이를 개폐시키는 기계식스위치; 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 기계식스위치 사이에 연결되어 태양광 발전시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 차단시키고, 상기 이상 상황 감지시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 도통시키는 반도체스위치; 접속반으로 유입되는 이상 전류와 접속반 내에서 발생하는 섬광 및 접속반의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 이상 상황을 감지하고 상기 반도체스위치와 상기 기계식스위치를 컨트롤하는 제어부;를 포함하며, 상기 반도체스위치와 상기 기계식스위치는 턴온(turn-on) 상태에서 이상 상황 감지시 상기 반도체스위치를 턴오프(turn-off)시킨 후 상기 기계식스위치를 턴오프(turn-off)시키는 것을 특징으로 하는 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것이다.

Description

태양광발전용 DC 전원 차단장치{DC CIRCUIT BREAKER FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM}

본 발명은 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것으로서, 특히, 일반적인 교류 차단기 구조에 반도체 스위치를 추가하여 아크 발생없이 발전 전류를 차단할 수 있도록 구성한 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 태양광발전 시스템의 구성을 나타낸 개념도이다.

태양광발전에 사용되는 접속반은 많은 스트링(케이블)이 모이는 장소이다. 즉, 고전압, 고전류가 흐르는 곳이라서 접속불량이나 이물질 등으로 아크나 열이 발생할 수 있다. 특히, 직류 전류원으로 동작을 하므로 교류 전원과는 달리 전류가 '0'이 되는 지점이 없어 단 한번의 문제 발생도 치명적인 위험 요인이 될 수 있다. 즉, 태양 빛이 있으면 태양전지판은 발전을 계속하므로 입력 계통에서 문제가 발생한 경우 비록 출력을 개방시켜도 문제가 해결되지 않으므로 화재로 이어지는 경우가 발생될 수 밖에 없으며, 이는 지속적인 사회적 문제가 되고 있다.

기존의 태양광발전 시스템에서 화재를 막기 위한 다양한 방법들이 개발되었고, 상품화도 되었지만, 대다수가 접속반에서 인버터로 나가는 출력을 차단하여 전류 흐름을 끊는 방식이나 소화액을 뿌리는 방식이다. 하지만, 앞서 서술한 바와 같이 발전 입력을 차단하지 않으면, 태양빛이 있는 상태에서는 계속 발전이 일어나므로 근본적인 위험 요인이 제거되지 않는다. 따라서, 태양광발전 시스템에서 발생되는 화재를 완벽하게 해결하기 위해서는 근본적으로 발전을 중지시키는 방안을 강구해야 한다. 즉, 접속반의 입력측에 스위치를 두고 문제가 발생될 가능성이 예측되면 스위치를 차단시켜 발전 전기가 접속반 내부로 들어오는 것을 막아야 한다.

그러나, 전류가 흐르고 있는 상태에서의 강제적인 차단은 아크(arc)를 수반하므로 물리적으로 접점 사이에 충분한 이격 거리를 확보하지 않으면 불가능하다.

도 2는 직류 전원과 접점 사이의 코로나, 불꽃(스파크), 글로우 및 아크 발생 형태를 나타낸 도면이다.

교류 전원과는 달리 직류 전원의 경우 전류영점이 없으므로 소호가 대단히 어렵다. 따라서, 근본적으로는 접점 사이의 이격 거리 더 넓게 만들어야 할 뿐만 아니라, 아크 소호 능력을 증가시키기 위해서 교류에서 사용하는 하기의 방법들(a ~ e)이 적용된다. 즉,

(a) 접점 사이의 이격 거리를 늘려 아크(arc)를 길게 늘리고 arc voltage를 높이고, 전류를 적게 하여 소호하는 방법

(b) arc를 자계로 구동시켜 냉각판 내에서 냉각하는 방법

(c) 상기 (a), (b)를 조합하는 방법

(d) 고압의 가스(gas)를 arc에 불어 넣어 냉각하는 방법

(e) 진공 중에서 전류영점에 있어서 plasma의 확산을 이용하는 방법

등이 사용된다.

또한, 통상적으로는 arc를 길게 늘려 arc voltage를 높이고, 전류를 줄여 arc를 자계로 구동시켜 냉각판 내에서 냉각하는 방법인 (c)방법이 직류차단능력이 양호하므로 실용 차단기에 많이 이용되고 있다.

결론적으로, 상용 차단기는 교류용과 직류용이 확실히 구분되며, 직류용의 경우가 더 고가이고 부피도 더 클 뿐 아니라 용량도 제한적이나, 교류용 차단기를 직류용에 사용하면 차단기로서의 역할을 수행할 수가 없으므로 부피가 크고 고가인 직류용 차단기를 사용할 수 밖에 없는 실정이다.

(0001) 국내등록특허 제10-1647427호 (0002) 국내등록특허 제10-1913546호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광발전 시스템에서 발전되는 직류 전기를 저렴한 교류 차단기 구조에 반도체스위치를 추가하여 아크 발생없이 안전하게 차단시킬 수 있는 구조를 갖는 태양광발전용 DC 전원 차단장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치는, 복수의 태양광발전모듈과 각각의 상기 태양광발전모듈로부터 생성된 전기를 모아 인버터로 전달해주는 접속반 사이에 설치되어 이상 상황 감지시 상기 태양광발전모듈에서 상기 접속반으로 흐르는 전류를 아크 발생없이 차단시키는 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것으로, 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이에 연결된 스트링에 설치되어 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이를 개폐시키는 기계식스위치; 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 기계식스위치 사이에 연결되어 태양광 발전시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 차단시키고, 상기 이상 상황 감지시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 도통시키는 반도체스위치; 및 접속반으로 유입되는 이상 전류와 접속반 내에서 발생하는 섬광 및 접속반의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 이상 상황을 감지하고 상기 반도체스위치와 상기 기계식스위치를 컨트롤하는 제어부;를 포함하며, 상기 반도체스위치가 턴오프(turn-off)되고, 상기 기계식스위치는 턴온(turn-on)된 상태에서 이상 상황 감지시 상기 반도체스위치를 턴온(turn-on)시킨 후 상기 기계식스위치를 턴오프(turn-off)시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 기계식스위치는, 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이의 (+)스트링 사이를 개폐시키는 제1스위치; 및 각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이의 (-)스트링 사이를 개폐시키는 제2스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반도체스위치는, 트랜지스터(TR), 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 접속반에 설치되어 접속반으로 유입되는 이상 전류와 접속반 내에서 발생하는 섬광 및 접속반의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 이상 신호를 감지하고, 상기 이상 신호가 감지되면 차단신호를 생성시키는 이상신호 발생부; 및 상기 이상신호 발생부로부터 생성된 상기 차단신호를 전송받아 상기 기계식스위치와 상기 반도체스위치로 제어신호를 전달하는 스위치 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 누전 차단기 등과 같은 교류 차단기 구조에 통상적으로 사용되는 반도체스위치를 추가함으로써, 종래 대비 차단기의 부피를 줄일 수 있으며 제작 단가를 절감시킬 수 있다.

또한, 이상 상황 발생시 기계적인 스위치를 이용하여 스트링의 +/- 양 극성을 동시에 차단시킬 경우, 태양광발전모듈과 계통이 물리적으로 완전히 분리되므로 +/- 스트링 중 어느 한 선만을 차단시키는 것보다 안전성이 뛰어나며, 접점 사이의 이격거리를 등가적으로 2배로 만들어 주게 되므로 내압 정격에서도 안전성을 높일 수 있다.

또한, 트랜지스터(TR), 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 모스 전계 효과 트랜지스터와 같은 반도체스위치를 사용함으로써, 턴온(turn on) 및 턴오프(turn off) 제어 동작의 편리성을 확보할 수 있다.

또한, 기계식스위치를 차단과 투입 모두 전기적으로 가능한 릴레이로 대치할 경우 개별 스트링 단위로 자동 차단/투입이 가능하므로, 안전성 확보는 물론 발전량 조절이 상시 가능한 태양광발전 시스템을 구축할 수 있으며, 중단없는 발전이 가능하므로 발전량 증대 및 에너지 사용 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 태양광발전 시스템의 구성을 나타낸 개념도,
도 2는 직류 전원과 접점 사이의 코로나, 불꽃(스파크), 글로우 및 아크 발생 형태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치의 일 실시례에 따른 구성 개념도,
도 4는 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치의 일 실시례에 따른 이상신호 발생부에서 이상 상황을 감지하는 구성부를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

먼저, 본 발명은 복수의 태양광발전모듈(1)과 각각의 태양광발전모듈(1)로부터 생성된 전기를 모아 인버터(3)로 전달해주는 접속반(2) 사이에 설치되어 이상 상황 감지시 태양광발전모듈(1)에서 접속반(2)으로 흐르는 전류를 아크(arc) 발생없이 차단시키는 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것이다. 즉, 태양광발전 시스템에서 직류 고전압, 고전류가 흐르는 전선을 아크 발생없이 안전하게 차단시키는 장치에 관한 것이다.

도 3은 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치의 일 실시례에 따른 구성 개념도이며, 이를 참조하여 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치를 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치는 기계식스위치(10), 반도체스위치(20) 및 제어부(30)를 포함하여 구성된다.

일반적으로 태양광발전모듈(1)은 복수의 태양전지판이 직렬 연결되어 구성된다. 태양광발전모듈(1)과 접속반(2) 사이는 (+)스트링과 (-)스트링으로 직렬 연결되며, 복수 개로 구성된 태양광발전모듈(1)은 접속반(2)에 병렬 연결되는 구조를 갖는다. 접속반(2)은 복수의 태양광발전모듈(1)로부터 발전된 전기를 모아 인버터(3)로 전달한다.

본 발명에 사용되는 기계식스위치(10)는 각각의 태양광발전모듈(1)과 접속반(2) 사이에 연결된 (+)스트링 및 (-)스트링에 설치된다. 즉, 기계식스위치(10)는, 각각의 태양광발전모듈(1)과 접속반(2) 사이의 (+)스트링 사이를 개폐시키는 제1스위치(11) 및 각각의 태양광발전모듈(1)과 접속반(2) 사이의 (-)스트링 사이를 개폐시키는 제2스위치(12)로 구성할 수 있다. 기계식스위치(10)는 태양광발전모듈(1)과 접속반(2) 사이를 개폐시켜 태양광발전모듈(1)로부터 생성된 직류 전기를 접속반(2)으로 전달하거나 차단하는 역할을 한다.

그러나, 배경기술에서도 언급한 바와 같이, 현재 시판되고 있는 부피가 크고 고가인 직류 차단기를 사용하지 않는 이상 일반적인 전술한 기계식스위치(10)의 구조만으로 아크(arc) 발생없이 안전하게 차단하는 것은 불가능하다.

기계식스위치(10)는 기본적으로 수동 투입, 자동 차단이 되는 스위치를 사용하는 것이 가장 안전하고 바람직하며, 통상적인 교류 누전 차단기를 기반으로 활용할 수 있다. 물론, 자동 투입과 자동 차단이 되는 기계식스위치(10)를 사용할 수도 있다.

본 발명에서는 태양광발전모듈(1)에서 발전되는 직류 전기를 저렴한 일반 교류 차단기로 차단하기 위한 변형된 새로운 차단기를 제시하고자 한다.

기본 원리는 차단시키려고 하는 전선(스트링)에 흐르는 전류가 '0'이 되도록 한 다음에 기계식스위치(10)를 차단하는 것이다. 즉, 접점에는 전류가 흐르지 않으므로 접점이 떨어지는 순간에도 접점 사이에 아크가 발생하지 않는다. 따라서, 기계적으로 어느 정도 이격만 되면 직류 전압이 다시 가해져도 차단이 지속될 수 있다. 통상적으로 전류가 없는 상태에서의 공기 중의 절연파괴 전압은 30KV/cm 이다. 즉, 접점 사이에 1,000V 전압이 인가 된다고 할 때, 이상적인 조건에서는 수 밀리미터(mm)의 이격 거리만 가지면 된다. 이는 저압 교류 차단기에서 흔하게 구할 수 있는 조건이며, 이를 사용한다면 경제적으로도 큰 부담이 되지 않는다.

이를 위해 본 발명에서는 기계식스위치(10)의 입력단에 반도체스위치(20)를 추가한다.

반도체스위치(20)는 각각의 태양광발전모듈(1)과 기계식스위치(10) 사이에 연결되어 태양광 발전시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 차단시키고, 후술할 제어부(30)에서 이상 상황 감지시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 도통시킨다. 일례로, 반도체스위치(20)를 NPN형 트랜지스터(TR)로 구성시, 도시된 바와 같이 (-)스트링에 이미터(E) 단자가 연결되고, (+)스트링에 콜렉터(C) 단자가 연결되며, 베이스(B) 단자를 통해 제어부로부터 구동제어전류가 유입되는 구조를 적용할 수 있다.

즉, 반도체스위치(20)를 통해서 기계식스위치(10)의 입력을 단락시킬 수 있도록 구성한다. 그리고, 기계식스위치(10)를 동작(차단)시키기 전에 먼저 반도체스위치(20)를 동작시켜 기계식스위치(10)의 입력을 단락시킨다. 이 경우 입력이 일반적인 전원이라면 이론적으로는 무한대의 전류가 흘러서 반도체스위치(20)가 파괴가 될 것이나, 본 발명은 태양광발전모듈(1)로부터 발전되어 나오는 전원이 대상이며, 이 전원은 전류원으로 동작한다. 현재 표준적으로 사용되고 있는 태양광발전모듈(1)은 단락 전류가 10A 이상(최근 고효율 제품은 12.5A인 경우도 있으나, 기본 개념은 동일함) 흐르지 않으므로 10A 이상의 전류 용량을 가지는 반도체 소자로 태양광발전모듈(1)의 (+), (-)출력단을 단락시켜도 아무런 문제가 되지 않는다. 따라서, 반도체스위치(20)를 동작시키면 (+)스트링에서 제1스위치(11)를 따라 흐르는 전류는 콜렉터(C)에서 이미터(E)를 따라 (-)스트링으로 흐르게 된다. 즉, 기계식스위치(10) 입력측의 전압과 전류는 모두 '0'인 상태가 되므로 그냥 차단시켜도 접점 사이에 아크가 발생하지 않는다. 또한, 기계식스위치(10)가 기계적으로 완전히 차단된 상태에서 반도체스위치(20)를 'off' 상태로 만들어 주면 실질적인 차단이 종료된다. 이와 같이 차단이 종료된 상태에서 본 발명에 따른 태양광발전용 DC 전원 차단 장치는 전류가 흐르지 않은 상태이므로 스위치 접점은 전압 내압만 견디면 되기 때문에 교류 차단기로도 충분한 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 반도체스위치(20)로 사용 가능한 반도체 소자는 트랜지스터(TR), 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 실리콘 제어 정류기(SCR) 등이 있다. 사용 편리성 면에서는 SCR은 한번만 제어하면 턴온(turn on) 상태는 자기 유지가 되어 가장 단순하나 '도통 drop' 전압이 비교적 커서 열 발생이 가장 많고, 또한 자체 턴오프(turn off) 능력이 없어서 제어가 불가능한 점이 있다.

반면, TR, TGBT 및 MOSFET(이하, 'TR'류라 함) 등은 턴온/턴오프 모두 가능하여 제어 편리성은 있으나, 제어 전원이 상시 필요하다. 즉, 정리하면,

TR류 : 최대 발열량 1.5V(drop voltage)*10A(스트링 최대전류) = 15W

장점 : 양단전압이 적어서 단락시 소자에서 발생하는 열이 적어 방열 문제가 적음

단점 : 별도의 제어전원이 지속적으로 필요함, 제어 회로 필요

SCR류 : 최대 발열량 2.5V*10A = 25W

장점 : 턴온 제어가 아주 용이하고, 제어 전원 없이 턴온 상태 계속 유지

단점 : 방열이 어려움, 일몰 후 자기 회복 능력이 있음(위험 요소)

이상과 같다.

따라서, 본 발명에서는 동작 제어를 손쉽게 하고 안정성을 확보하기 위해서 교류 누전 차단기에 상기 'TR류'를 추가하는 것이 바람직하다.

그리고, 제어의 편리성을 위해서 상용 교류 누전 차단기를 기계식스위치(10)로 사용하며, TR 구동 게이트 신호를 이용하여 누전 효과가 일어나도록 변형하여 차단기가 스스로 차단(trip)이 되도록 한다. 즉, 기계식스위치(10)와 병렬 연결된 반도체스위치(20)를 동작시킴에 있어서 먼저 반도체스위치(20)를 온(on)시킨 후 바로 기계식스위치(10)가 자동으로 오프되도록 TR 온전류를 누전 차단기의 트립코일을 통과하여 구동되도록 하는 방식을 의미하며, 구체적인 회로는 다양한 방식으로 구현될 수 있을 것이다.

전술한 기계식스위치(10)와 반도체스위치(20)의 동작을 위해 제어부(30)가 구성된다.

제어부(30)는 접속반(2)으로 유입되는 이상 전류와 접속반(2) 내에서 발생하는 아크 또는 섬광 검출 및 접속반(2)의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 이상 상황을 감지하고 반도체스위치(20)와 기계식스위치(10)를 컨트롤한다.

제어부(30)는 이상신호 발생부(31) 및 스위치 제어부(32)로 구성할 수 있다.

먼저, 이상신호 발생부(31)는 접속반(2)에 설치되어 접속반(2)으로 유입되는 이상 전류와 접속반(2) 내에서 발생하는 아크 또는 섬광 검출 및 접속반(2)의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 이상 신호를 감지한다. 또한, 상기 이상 신호가 감지되면 차단(트립)신호를 생성하여 스위치 제어부(32)로 전달한다.

도 4는 본 발명인 태양광발전용 DC 전원 차단장치의 일 실시례에 따른 이상신호 발생부에서 이상 상황을 감지하는 구성부를 나타낸 도면이다.

도 3과 함께 도 4를 참조하면, 접속반(2) 내부의 이상 상황을 감지하기 위한 구성부는 전류감지수단과 처리부를 포함하여 구성되며, 선택적으로 온도감지수단과 광감지수단을 더 구비할 수 있다.

전류감지수단은 태양광발전모듈(1)로부터 접속함으로 연결되는 스트링 각각에 설치되며, 각 스트링에 대한 발전전류량과 아크전류를 센싱한다. 전류감지수단은 발전전류감지수단, 제1아크전류감지수단 및 제2아크전류감지수단을 포함하여 구성된다.

발전전류감지수단은 큰 전류가 흐르는 전선의 접속부를 최대한 줄이기 위하여 별도의 결선이 필요없는 홀센서가 내장된 관통형 직류 전류센서를 사용한다. 발전전류감지수단을 통해 발전전류를 측정하고, 처리부는 발전전류감지수단에서 측정된 측정값을 통해 각 스트링을 감시한다.

제1, 2아크전류감지수단은 채널(스트링) 단위에서 접속불량에 의해서 발생되는 아크성분 전류를 감지하기 위한 것으로 높은 주파수 성분 전류를 검출할 수 있는 고주파 검출센서로 특수 코어를 사용하는 관통형 전류센서이다. 검출 대상이 되는 주파수 영역은 100khz 이하의 성분을 검출한다.

전류감지수단과 연결된 처리부에서 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 상대적 차이가 발생한 스트링에 아크가 발생한 것으로 판단한다.

일례로, 4개의 스트링(채널) 한 그룹을 감시할 경우, 본 발명에 따른 전류감지수단과 처리부에 의하면 다음과 같이 수행된다.

CH1 : 발전전류감지수단 => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH1 : 제1, 2아크전류감지수단 => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B'절대 크기 검출

CH2 : 발전전류감지수단 => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH2 : 제1, 2아크전류감지수단 => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

CH3 : 발전전류감지수단 => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH3 : 제1, 2아크전류감지수단 => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

CH4 : 발전전류감지수단 => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH4 : 제1, 2아크전류감지수단 => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

아크 전류는 일종의 코로나 방전이므로 Mhz대의 높은 주파수 성분을 가지며, 이상적으로는 전자파 감지(TEV) 센서를 이용하여 일반적인 부하가 만들어내는 주파수 성분을 초월하는 100Mhz대의 주파수 성분을 분석하면 비교적 절대적인 수치로 아크 발생 유무를 판단할 수 있으며, 전용 검사 장비도 개발되어 있는 상태이다. 하지만 Mhz대 이상의 신호를 다루는 것은 장비 자체가 너무 고가이며, 장비의 조작 및 운영에도 별도의 숙련된 전문가가 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 범용 디지털신호처리기(DSP)로서 처리 가능한 주파수 대역 신호처리를 위해서 낮은 주파수 분석을 통한 아크 전류를 감지하고자 한다. 이때, 문제가 되는 것은 아크 센서에서 검출되는 신호가 아크 성분 뿐만 아니라 인버터나 부하에서 발생되는 주파수 성분과 중첩된다는 것이다. 하지만, 논문(주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법 : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 66P, No. 3, pp. 144 ~ 149, 2017) 등의 자료에 의하면, 인버터에서 발생되는 고주파 잡음을 최소화하는 적절한 주파수 대역, (본 발명의 경우 25Khz와 50Khz 대역이나, 구체적인 수치는 인버터 종류에 따라서 달라질 수 있음)을 선정하고, 선정된 대역의 에너지를 구한다.

한편, 접속불량에 의한 아크 발생은 전 스트링에서 동시에 발생하지 않는다. 즉, 인버터(3)나 부하측에서 유입되는 주파수 성분은 모든 스트링에 동일하게 나타나지만, 스트링 단위에서 발생하는 아크 전류는 발생된 스트링에서만 나타난다. 이것은 본 발명이 간접 측정방식이 아닌 스트링에 흐르는 전류를 직접 측정하는 방식을 사용한 이유이며, 저주파 신호 분석으로도 이상 유무를 상대적으로 판단할 수 있는 기준이 된다.

처리부는 전술한 바와 같이, 채널별 발전전류의 흐름을 확인하고, 특정치 이상의 발전전류가 흐르면 채널별 A/발전전류 및 B/발전전류 비를 구한다. 이후 상기와 같이 한 그룹(4개의 채널)의 채널별 A/발전전류 및 B/발전전류 비율 크기를 비교한다. 이때, 비율 크기가 평균 크기에서 특정값, 일례로 ±20% 이상 벗어나면 해당 채널에 미세한 아크가 발생한 것으로 판단하고, 트립신호를 생성하여 스위치 제어부(32)로 전달한다.

본 발명은 검출된 신호를 이용한 구체적인 아크 검출 방식은 절대치 크기 비교가 아니 상대치 비교 검출 방식을 따른다. 먼저 접속반(2)의 접속불량에 의한 아크는 직렬 아크이므로 부하가 있는 경우, 즉 인버터(3)가 가동되어 발전전기가 흐르고 있을 때만 발생한다. 원칙적으로 아크는 부하를 통해서 흐르는 직렬 아크와 +/- 단자간에 직접 흐르는 병렬 아크로 구분할 수 있지만, 태양광발전 시스템에서는 화재의 초기 원인이 되는 것은 대다수가 직렬 아크이다. 특히, 접속반(2)에서 발생하는 아크는 모두 접속불량에 의한 직렬 아크이며, 따라서 부하 전류가 흐르지 않는다면 아크는 발생하지 않는다. 본 발명과 같이 아크 전류를 직접 검출하는 방식에서는 아크가 발생한 스트링에서만 이상전류가 나타나므로, 이는 모든 스트링 전류에서 나타나는 인버터, 부하 등의 잡음에 의한 고주파 성분과는 다른 특성을 보인다.

또한, 태양광발전 시스템은 햇빛의 세기에 따라서 수시로 발전량이 변하기 때문에 단순히 고주파 성분의 크기만을 가지고 아크를 검출하기에는 신뢰성이 보장되지 않는다. 즉, 현재 발전량과 무관한 수치를 가지고 판단되어야 하며, 따라서 본 발명에서는 주파수 그룹으로 구분된 아크 및 고주파 잡음신호(스트링 별로 측정된 A, B 절대 크기)를 현재 각 스트링에 흐르고 있는 직류 발전 전류치로 나누어 발전량과 무관한 상대 크기를 얻는다. 그리고 이 크기들을 상대 비교하여 ±20% 이상 차이가 나는 스트링이 있다면 해당 채널(스트링)을 아크 발생으로 간주하여 차단신호를 생성하고 스위치 제어부(32)로 전달한다.

온도감지수단은 접속반(2) 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 감지한다. 처리부는 상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하고, 차단신호를 생성하고 스위치 제어부로 전달한다.

부스바는 구리판 막대로 여러 곳에서 오는 전기를 모으거나 분배하는 용도로 사용되는 일종의 터미널 역할을 한다. 접속반(2)은 개별 스트링 별로 퓨즈와 역전류 방지용 다이오드를 거쳐서 MCCB와 결합된 부스바와 연결되며, 회로적으로는 모든 스트링 전류가 병렬 연결되어 하나로 모으는 역할을 한다. 즉, 부스바는 여러 전선이 볼트로 결합되므로 이 부위에서도 접속불량이 발생할 수 있다. 하지만, 인화 물질이 직접적으로 위치한 곳이 아니기 때문에 접속불량이 발생해도, 그 즉시 화재로 연결되지는 않을 수 있다. 부스바에서의 접속불량은 열전도가 높은 구리판에서 생기는 것이므로 어느 한 곳에서의 접속불량은 부스바 전체의 온도를 높이게 되며, 부스바에 온도센서를 부착하면 비교적 쉽게 검출이 가능하다. 하지만 이 온도 역시 주변 온도나 발전 전류량 등에 따라서 변동이 심하므로 절대 온도치 만으로는 접속불량 발생 유무를 판단할 수는 없다.

이에 대한 해결책 역시 상대 비교치를 사용하는 방법이다. 즉, 부스바는 동일 조건으로 (+)측과 (-)측으로 최소한 2개가 사용되므로 정상적인 조건에서는 발전량과 무관하게 (+)측과 (-)측에서 측정되는 온도는 비슷한 크기를 가지게 될 것이다. (+)측과 (-)측에서 동시에 접속불량이 발생하지 않는다면, 부스바의 (+)측과 (-)측 사이의 온도 차이는 문제가 있음을 의미하는 것이고, 온도가 높은 쪽이 접속불량이 발생했다고 볼 수 있다. 따라서, 절대적이 크기가 아닌 단순히 두 부스바 사이의 온도 차이 검출 만으로도 신뢰성 있는 접속불량 유무를 검출할 수 있다.

처리부는 온도감지수단을 통해 부스바의 (+)측과 (-)측의 온도 정보를 파악한다. (+)측과 (-)측 부스바 사이 온도차가 발생, 일례로 2도 이내는 정상으로 파악하고, 온도차가 2도 이상 차이가 나면 아크가 발생한 것으로 판단하고, 트립신호를 생성하여 스위치 제어(32)부로 전달한다. 온도 편차 값은 설치 현장에 따라서 조금씩 변동될 수도 있으므로, 이를 고려하여 온도차 범위를 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 부스바의 온도 차이만으로도 부스바 접속부에서 발생된 접속불량을 검출할 수 있으나, 한 겨울 외기 온도가 낮을 경우는 열전도도가 높은 구리판이라고 해도 접속불량 위치와 온도센서 부착 부위 사이의 거리가 떨어지면 작은 아크 상태에서는 온도차가 크게 나지 않을 수 있다. 따라서, 보다 완벽한 아크 검출을 위해서는 아크 불빛을 감지하기 위한 광감지수단도 추가적으로 필요할 수 있다.

광감지수단은 퓨즈 연결부(퓨즈홀더), 부스바 및 배선용차단기(MCCB)에서 섬광이 발생되는지 여부를 감지한다. 처리부는 광감지수단을 통해 감지된 섬광(빛)의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하고, 트립신호를 생성하여 스위치 제어부(32)로 전달한다.

앞의 광감지수단을 통한 아크 감지는 사람 눈으로도 확인 가능한 정도를 찾는 것으로, 주 기능은 모든 스트링(채널) 전류가 합쳐져 흐르는 MCCB 측의 접속불량을 찾는 것이다. 즉, 이 경우는 전체 스트링 단위에서 아크가 발생된 것이므로, 개별 스트링별 비를 이용하는 1단계 아크 검출 기능이 동작하지 않을 수 있으며 따라서 극단적인 상황에서도 불꽃이 감지되면 아크 발생으로 판단하기 위함이다.

본 발명은 MCCB나 부스바 등의 눈에 보이는 곳에서 발생되는 아크를 직접 빛에 대하여 반응하는 광감지 다이오드(photodiode) 또는 광저항 효과소자(CDS) 등과 같은 광감지수단을 사용하여 검출할 수 있다. 이는 MCCB와 부스바가 있는 위치의 뚜껑부에 전술한 광 감지센서와 신호 증폭기를 부착하여, 특정치 이상의 빛이 감지되면 경보 출력을 발생하는 구조이다.

구체적으로는, 광감지수단(photodiode 또는 CDS 등 사용)에서 빛이 감지되면, 감지된 빛의 세기를 전압으로 변환하여 출력한다. 처리부는 이와 같이 변환된 출력전압값을 파악하여 출력전압값이 설정값(경보치) 이하이면 정상으로 판단하고, 출력전압값이 설정값(경보치) 이상이면 트립신호를 생성하여 스위치 제어부(32)로 전달한다.

스위치 제어부(32)는 이상신호 발생부(31)로부터 생성된 트립신호를 전송받는다. 스위치 제어부(32)는 접속반(2)에 구성하거나, 기계식스위치(10) 및 반도체스위치(20)와 함께 태양광발전모듈(1) 근처에 구성할 수 있다. 이때, 스위치 제어부는 두 개 이상의 트립신호(트립신호1, 트립신호2)를 전송받을 수 있으며, 트립신호1을 통해 반도체스위치(20)를 동작시킨다. 즉, 전술한 바와 같이, 베이스(B) 측에 구동제어전류를 인가시키면 (+)스트링에서 제1스위치를 따라 흐르는 전류는 콜렉터(C)에서 이미터(E)를 따라 (-)스트링으로 흐르면서 기계식스위치(10) 입력측의 전압과 모두 '0'인 상태가 된다. 따라서, 이후 기계식스위치(10)를 그냥 차단시켜도 접점 사이에 아크가 발생하지 않는다. 기계식스위치(10)는 트립신호2를 통해 동작시킨다. 또한, 기계식스위치(10)가 기계적으로 완전히 차단된 상태에서 베이스로 인가되는 구동제어전류를 차단시켜 반도체스위치를 'off' 상태로 만들어 주면 실질적인 차단이 종료된다.

안전성 항상을 위해서 이상 상황 발생시 스트링 +/- 입력선을 차단하는 기능은 접속반(2) 내부가 아니라 개별 태양광발전모듈(1)의 스트링 단위로 분산 배치가 가능하도록 단위 블록으로 구현될 수 있으며, 현재의 스위치 동작 상태를 표시하는 LED 등의 표시 장치가 추가될 수 있다.

한편, 기계식스위치(10)를 차단은 물론, 투입이 가능한 릴레이로 사용할 경우, 사용 전력량보다 발전 전력량이 더 커지는 역전력발생시 태양광발전 제반 시스템을 통째로 차단시키는 것이 아니라 개별 스트링 차단을 통해서 발전량을 줄여나가는 방식을 사용할 수 있다. 또한, 역전력이 아닐 경우에는 투입을 통해서 발전량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 사용자 편의성 뿐만 아니라, 궁극적으로는 발전량 증대 및 에너지 사용 효율성까지 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 저렴한 누전 차단기 등과 같은 교류 차단기 구조에 통상적으로 사용되는 반도체스위치를 추가하고 이들을 제어하는 제어부를 구성함으로써, 제작비를 절감시키면서도 아크 발생없이 안전하게 차단시킬 수 있는 태양광발전용 DC 전원 차단장치를 제공할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 태양광발전모듈 2 : 접속반
3 : 인버터
10 : 기계식스위치 11 : 제1스위치
12 : 제2스위치 20 : 반도체스위치
30 : 제어부 31 : 이상신호 발생부
32 : 스위치 제어부

Claims

복수의 태양광발전모듈과 각각의 상기 태양광발전모듈로부터 생성된 전기를 모아 인버터로 전달해주는 접속반 사이에 설치되어 이상 상황 감지시 상기 태양광발전모듈에서 상기 접속반으로 흐르는 전류를 아크 발생없이 차단시키는 태양광발전용 DC 전원 차단장치에 관한 것으로,
각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이에 연결된 스트링에 설치되어 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이를 개폐시키는 기계식스위치;
각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 기계식스위치 사이에 연결되어 태양광 발전시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 차단시키고, 상기 이상 상황 감지시 (+)스트링과 (-)스트링 사이를 도통시키는 반도체스위치; 및
접속반으로 유입되는 이상 전류와 접속반 내에서 발생하는 섬광 및 접속반의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 이상 상황을 감지하고 상기 반도체스위치와 상기 기계식스위치를 컨트롤하는 제어부;를 포함하며,
상기 반도체스위치가 턴오프(turn-off)되고, 상기 기계식스위치는 턴온(turn-on)된 상태에서 이상 상황 감지시 상기 반도체스위치를 턴온(turn-on)시킨 후 상기 기계식스위치를 턴오프(turn-off)시키는 것을 특징으로 하는 태양광발전용 DC 전원 차단장치.
제1항에 있어서,
상기 기계식스위치는,
각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이의 (+)스트링 사이를 개폐시키는 제1스위치; 및
각각의 상기 태양광발전모듈과 상기 접속반 사이의 (-)스트링 사이를 개폐시키는 제2스위치;를 포함하는 태양광발전용 DC 전원 차단장치.
제1항에 있어서,
상기 반도체스위치는,
트랜지스터(TR), 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 중 어느 하나로 구성되는 태양광발전용 DC 전원 차단장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 접속반에 설치되어 접속반으로 유입되는 이상 전류와 접속반 내에서 발생하는 섬광 및 접속반의 온도 중 적어도 어느 하나를 통해 이상 신호를 감지하고, 상기 이상 신호가 감지되면 차단신호를 생성시키는 이상신호 발생부; 및
상기 이상신호 발생부로부터 생성된 상기 차단신호를 전송받아 상기 기계식스위치와 상기 반도체스위치로 제어신호를 전달하는 스위치 제어부;를 포함하는 태양광발전용 DC 전원 차단장치.