KR102272533B1 - 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전설비의 다수의 태양광 모듈의 집합체인 스트링단위별로 누설 및 지락전류를 검출하도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 스트링별 발전전류에 저주파 파형을 확인파로 인가하여, 접속반에서 지락전류가 발생되는 경우에 어느 스트링에서 지락이 발생되었는지를 확인파를 통해 파악할 수 있도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템에 관한 것이다.

Description

확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템{The earth fault current surveillance system of the sunlight generation facilities using in identification wave}
본 발명은 태양광 발전설비의 다수의 태양광 모듈의 집합체인 스트링단위별로 누설 및 지락전류를 검출하도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 스트링별 발전전류에 저주파 파형을 확인파로 인가하여, 접속반에서 지락전류가 발생되는 경우에 어느 스트링에서 지락이 발생되었는지를 확인파를 통해 파악할 수 있도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템에 관한 것이다.
태양광발전은 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 발전하는 것이고, 태양전지에 빛에너지를 쪼이면 전지에서 전자가 흐르면서 전기가 생산되는 원리이다.
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 직류전선로는 넓은 지역에 걸쳐 시공되고 있고, 직사광선 및 야외에 노출되어 있기 때문에 시공의 불량과 시간의 흐름에 따른 노후화와 절연열화로 지락사고의 문제를 야기할 수 있다.
직류회로에서 절연열화 등의 이유로 누설전류가 발생하면, 전력공급 효율이 저하되며 장시간 방치할 경우 화재위험의 우려가 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 송전계통 설비들의 정상 동작 중단으로 태양광 발전 및 송전이 중단되어 경제적인 손실은 물론 송전설비의 고장으로 인한 위험까지도 초래할 수 있기 때문이다.
도 1은 국내공개특허공보 제10-2009-0129775호에 공개된 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 발생하면, 비교부(17)의 출력을 통해 지락 발생 유무를 확인하도록 하고 있다.
그러나, 태양광 발전 시스템의 경우, 태양광모듈은 하나가 아닌 다수의 태양광모듈의 복합으로 이루어져, 각각의 태양광모듈의 집합단위인 스트링별로 발전되는 직류전류를 복수로 병렬로 연결하여 합계하여 목표전력을 얻는 방식이다.
따라서, 이러한 방식으로는 다수의 태양광모듈이 구성되는 태양광 발전설비에서 지락전류가 발생하는 경우에, 어느 위치의 스트링으로부터 생산되어 흐르는 전류에서 지락전류가 발생하는지를 판단하는 것은 어렵다는 문제점이 있다.
특허문헌 1: 국내공개특허공보 제10-2009-0129775호(공개일: 2009.12.17) 특허문헌 2: 국내공개특허공보 제10-2011-0101336호(공개일: 2011.09.16) 특허문헌 3: 국내공개특허공보 제10-2020-0050840호(공개일: 2020.05.12) 특허문헌 3: 국내공개특허공보 제10-2020-0065290호(공개일: 2020.06.09)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 다수의 태양광모듈이 구성되는 태양광 발전설비에서 어느 위치의 태양광 스트링에서 지락전류가 발생되는 지를 검출할 수 있도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템을 제시하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전설비에서 지락전류가 발생하여 접지회로로 흐르는 경우에, 접지회로에서 귀로하는 지락전류를 검출하여 어느 위치의 태양광 스트링에서 발생된 지락전류인지를 확인할 수 있도록 구성된 태양광 발전설비 누설 및 지락전류 감시시스템을 제시하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 태양광 모듈을 이용하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 다수의 태양광모듈이 직렬로 연결되면서 합산된 발전전류를 생성하는 스트링이 다수로 구성된 태양광 어레이; 상기 각각의 스트링별로 합산된 발전전류가 인가되는 접속반; 상기 접속반과 직렬로 연결되면서, 상기 스트링별 합산된 발전전류가 인가되는 인버터; 상기 스트링별 발전전류에 각각 다른 주파수를 갖는 확인파를 인가시켜 중첩시키는 주파수 전송부; 상기 주파수 전송부에서 스트링별로 전송되는 확인파의 주파수 및 해당 주파수가 인가된 스트링의 ID가 저장되는 제어장치; 상기 접속반 내에 흐르는 스트링별 합산된 발전전류에 지락이 발생하면서 발생된 지락전류가 접지로 흐른 경우에, 상기 접지를 통해 귀로하는 지락전류에 포함된 확인파의 주파수를 검출하도록 접지와 연결되는 주파수 감지부;를 포함하여 구성되며, 상기 주파수 감지부에서 검출된 확인파의 주파수는 상기 제어장치로 전송되도록 구성된 것을 특징으로 하는 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템을 제시한다.
상기 주파수감지부에는 상기 접지에서 귀로하는 지락전류에 포함된 주파수를 분석하는 주파수 분석기가 구성된다.
또한, 상기 주파수감지부에는 상기 접지에서 귀로하는 지락전류를 일정시간 샘플링하여 지락전류에 포함된 주파수별 파형을 분리하도록 FFT 퓨리에 변환 알고리즘이 포함된 주파수 변환기가 구성된다.
본 발명인 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템을 통해 다음과 같은 효과를 달성할 수 있다.
본 발명은 다수의 태양광모듈이 구성되는 태양광 발전설비의 태양광 스트링별 발전전류에 저주파 파형을 확인파로 인가하여, 접속반에서 지락전류가 발생되는 경우에 어느 스트링에서 지락이 발생되었는지를 확인파를 통해 파악할 수 있도록 구성함으로써, 어느 스트링에서 누설 또는 지락전류가 발생되는지를 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 스트링별 발전전류에 저주파 파형을 확인파로 인가하면서 다수의 스트링에서 지락전류가 발생이 되더라도, 저주파감지부의 FFT 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 지락이 발생된 다수의 스트링을 모두 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 직류전선로의 지락 검출장치가 포함된 태양광 발전시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 지락전류 감시시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 지락전류 감시시스템의 동작구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템의 동작구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 변환기의 사용상태도를 도시한 것이다.
이하 본 발명인 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
지락과 누설은 거의 같은 개념으로서, 본 발명은 지락전류 또는 누설전류에 모두 사용될 수 있는 감시시스템이다.
태양광 발전 시스템은 각각의 태양광 모듈의 집합단위인 스트링별을 병렬로 연결하면서 각각 발전되는 직류전류를 합계하여 목표전력을 얻는 방식이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 지락전류 감시시스템의 개념도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 지락전류 감시시스템의 동작구성도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템의 동작구성도이다.
도시된 바를 참조하면, 본 발명에는 다수의 태양광모듈이 구성된 태양광 어레이(10)가 구성된다.
상기 태양광 어레이(10)에는 태양광복수의 태양광모듈(100)간은 각각 직렬로 연결되어 스트링을 이루면서, 각각의 스트링별로 합산된 발전전류를 생성하게 된다.
부연하면, 복수로 구성되는 스트링은 개별 태양광모듈이 일정개수로 직렬연결되어 합산전류를 생성하도록 구성된 단위를 의미한다.
상기 각각의 스트링은 서로 병렬로 연결되면서 스트링별 합산된 발전전류는 접속반(20)으로 인가된다.
상기 접속반(20)은 태양광 모듈에서 발전되는 DC전류을 한곳으로 모아 인버터(30)에 전달하는 분전반 형태의 판넬이다.
또한, 상기 접속반(20)과 직렬로 연결되면서, 개별 스트링들의 합산된 발전전류가 인가되는 인버터(30)가 구성되며, 상기 인버터(30)는 생성된 직류전류를 교류전류로 바꿔서 전력계통으로 보내는 역할을 하는 장치이다.
즉, 복수의 태양광모듈은 스트링 단위로 직렬로 연결되며, 각각의 스트링은 병렬로 연결되면서 생성된 발전전류를 인버터(200)로 인가되면서, DC에서 AC로 변환하고 이를 승압변압기를 통해 승압시켜 발전소 전력망에 계통연계를 통해 전력을 전송하게 된다.
이와 같이, 태양광 발전설비는 스트링 말단에 접속반이 설치되고 접속반 후단에 인버터가 연결되는 구조인데, 태양광 모듈의 양극(+)과 음극(-)으로부터 접지저항으로 흐르는 지락전류를 전류센서를 통해 검출하여 지락사고발생여부를 판단하는 종래기술의 누전 또는 지락 판단 방식으로는 어느 스트링에서 지락이나 누전이 발생했는지 확인이 불가능하다.
본 발명에는 상기 스트링별 생산된 발전전류에 각각 다른 주파수를 갖는 확인파를 인가시켜 중첩시키는 주파수 전송부(100)가 구성된다.
상기 주파수 전송부(100)에서 전송되는 확인파는 저주파 전류가 인가되도록 하는데, 누설 및 지락확인을 위해 저주파 전류를 인가하는 이유는 고주파 인가시 파형 왜곡으로 인한 계통 안전성을 해칠 우려가 있기 때문이다.
또한, 본 발명에는 상기 주파수 전송부(100)에서 스트링별로 전송되는 확인파의 주파수 및 해당 주파수가 인가된 스트링의 ID가 저장되는 제어장치(200)가 구성된다.
도 3을 참조하여, 부연 설명하면, 주파수 전송부(100)에서 다수의 스트링 중에서 어느 스트링에서 지락 또는 누설 발생시 확인방법으로서, 이를 테면 스트링 no1에 N Hz(예:3 Hz)의 주파수를 갖는 확인파를 인가하고, 스트링 no2에 [N+6Hz](예:3 Hz) 주파수 인가하게 된다. 또한, 스트링 no3에는 [N+9Hz](예:3 Hz) 주파수를 갖는 확인파를 인가하며, 스트링 noN에는 [N+(3*N)Hz](예:3 Hz) 주파수를 갖는 확인파를 인가한다.
상기 제어장치(200)는 스트링별로 전송되는 확인파의 주파수 및 해당 주파수가 인가된 스트링의 ID가 저장되는데, 이를테면, 스트링 no1에는 N Hz의 주파수와 스트링 no1 이라는 ID가 저장된다.
또한, 본 발명에는 상기 접속반 내에 흐르는 스트링별 합산된 발전전류에 지락이 발생하면서 발생된 지락전류가 접지(400)또는 접지회로로 흐른 경우에, 상기 접지(400)를 통해 귀로하는 지락전류에 포함된 확인파의 주파수를 검출하도록 접지와 연결되는 주파수 감지부(300)가 구성된다.
지락 또는 누전이 발생되는 경우에, 접지(400)로 흘러들어간 누설 또는 지락전류는 접지에서 귀로하게 되는데, 주파수 감지부(300)에서 접지(400)를 통해 귀로하는 전류의 주파수를 감지하면, 상기 주파수 감지부(400)에서 검출된 확인파의 주파수는 상기 제어장치(200)로 전송되도록 구성된다.
예를 들어, 스트링 no3 에서 지락 또는 누설이 발생하였다고 가정하면 [N+9Hz]의 주파수를 갖는 누설전류는 잡지(400)를 통해 귀로하고, 주파수 감지부(300)에서 귀로하는 주파수의 특성을 분석하고 분석된 정보를 제어장치(200)로 송신하면, 제어장치(200)에서 누설 또는 지락이 발생한 스트링을 특정할 수가 있게 된다.
다시말해, 본 발명은 스트링별로 생산되는 발전전류의 회로에 서로 다른 저주파를 갖는 확인파를 인가 후 접지(400)를 통해 귀로하는 해당주파수를 주파수 감지부(300)에서 회수하여 분석하고, 제어장치(200)를 통해 누설 또는 지락이 발생한 스트링을 특정하도록 구성하는 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 주파수감지부(300)에는 상기 접지(400)에서 귀로하는 지락전류에 포함된 주파수를 분석하는 주파수 분석기(300a)가 구성된다.
상기 주파수 분석기(300a)는 파형의 주파수를 감지하는 장치로서, 지락 또는 누전이 발생되어 접지(400)를 통해 귀로하는 스트링별로 인가된 확인파의 주파수를 회수하여 분석하게 된다.
또한, 상기 주파수감지부(300)에는 상기 접지(400)에서 귀로하는 누설 또는 지락전류를 일정시간 샘플링하여 지락전류에 포함된 주파수별 파형을 분리하도록 FFT 퓨리에 변환 알고리즘이 포함된 주파수 변환기(300b)가 구성된다.
태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템에 있어, 스트링별로 지락 또는 누전을 검출하는 경우에, 둘 이상의 스트링에서 지락 또는 누전이 발생할 수도 있다.
이런 경우에, 상기 주파수 변환기(300b)는 다수의 스트링에서 지락전류가 발생이 되는 경우에, FFT 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 지락이 발생된 다수의 스트링을 모두 검출하면서, 어느 스트링들에서 지락 또는 누전이 발생되었는지를 분석하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 주파수송신부 200: 제어장치
300: 주파수감지부 400: 접지

Claims (3)

  1. 복수의 태양광 모듈을 이용하는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    다수의 태양광모듈이 직렬로 연결되면서 합산된 발전전류를 생성하는 스트링이 다수로 구성된 태양광 어레이;
    상기 각각의 스트링별로 합산된 발전전류가 인가되는 접속반;
    상기 접속반과 직렬로 연결되면서, 상기 스트링별 합산된 발전전류가 인가되는 인버터;
    상기 스트링별 발전전류에 각각 다른 주파수를 갖는 확인파를 인가시켜 중첩시키는 주파수 전송부;
    상기 주파수 전송부에서 스트링별로 전송되는 확인파의 주파수 및 해당 주파수가 인가된 스트링의 ID가 저장되는 제어장치;
    상기 접속반 내에 흐르는 스트링별 합산된 발전전류에 지락이 발생하면서 발생된 지락전류가 접지로 흐른 경우에, 상기 접지를 통해 귀로하는 지락전류에 포함된 확인파의 주파수를 검출하도록 접지와 연결되는 주파수 감지부;를 포함하여 구성되며,
    상기 주파수 감지부에서 검출된 확인파의 주파수는 상기 제어장치로 전송되도록 구성된 것을 특징으로 하는 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주파수감지부에는 상기 접지에서 귀로하는 지락전류에 포함된 주파수를 분석하는 주파수 분석기가 구성된 것을 특징으로 하는 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 주파수감지부에는 상기 접지에서 귀로하는 지락전류를 일정시간 샘플링하여 지락전류에 포함된 주파수별 파형을 분리하도록 FFT 퓨리에 변환 알고리즘이 포함된 주파수 변환기가 구성된 것을 특징으로 하는 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템.
KR1020200123615A 2020-09-24 2020-09-24 확인파를 활용한 태양광 발전설비의 지락전류 감시시스템 KR102272533B1 (ko)

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