KR102457471B1 - 스마트 아크 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 아크 차단기에 관한 것으로, 이는 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 직렬 연결되어, 아크 발생을 검출 및 통보하는 적어도 하나의 AFD(Arc Fault Detection); 상기 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 삽입 위치되어, 선로의 차단 여부를 결정하는 적어도 하나의 차단기; 및 상기 AFD가 아크 발생을 검출하면, 상기 차단기를 통해 상기 MPPT 인버터로의 전력 공급을 즉각 차단하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

스마트 아크 차단기{Smart Arc Fault Circuit Interrupters}

본 발명은 태양광 발전 시스템에 적용되며, 아크 검출 기능과 아크 차단 기능을 통합 수행할 수 있도록 하는 스마트 아크 차단기에 관한 것이다.

국내 태양광 발전 시스템의 설치가 폭발적으로 증가하고 있으나 이에 따른 화재 발생도 비례하여 증가 추세에 있다. 특히 건물의 옥상, 외벽 등 화재 2차 피해가 예상되는 곳에 설치가 증가하고 있어 이에 따른 안전 확보가 필요한 시점이며, 대규모 태양광 발전 단지와 ESS 시스템에서도 화재의 발생이 사회적 위험 요소로 대두되고 있다.

국내 전체 태양광 발전 설비 430,622개소 (2018년 상반기) 중 최근 5년 (2013년~2017년) 동안 연평균?? 50건의 화재가 발생하였고 건당 약 295만원의 재산피해가 발생한 것으로 파악된다.?? 주 화재 원인으로는 전선 절연, 인버터 과연, 접속함 결함 등의 전기 관련 설비 및 부품에서 접촉 불량, 습기, 부식, 연결 케이블 손상 및 외함 파손 등의 원인으로 인한 화재사고가 78% (194건)로 대다수를 차지하였다.

세계적으로도 PV 시스템 설치가 활성화됨에 따라 DC 아크 검출 및 차단 관련 기술이 개발되고 있으나, 아직 DC 아크 검출기술이 완벽하지 않아서 외국에서도 오동작으로 인한 화재가 빈번히 발생하고 있으며 (아크 검출 실패율 40%), 이를 방지하고자 2019년 현시점에도 NEC, IEC 규정 등이 새롭게 제정되고 있다.

이에 따라 PV 시스템에서 DC 아크를 검출하여 화재를 예방하고, 또한 오동작을 방지하여 PV 시스템 운영 신뢰성을 높이고 전력 생산 효율을 최적화하는 것이 요구되는 시점이다.

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 태양광 발전 시스템에 적용되며, 아크 검출 기능과 아크 차단 기능을 통합 제공할 수 있도록 하는 스마트 아크 차단기를 제공하고자 한다.

또한 멀티 스트링 방식의 인버터로의 적용을 지원하며, 아크 검출 기능과 아크 차단 기능을 보다 신속하고 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 새로운 방식의 스마트 아크 차단기를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 직렬 연결되어, 아크 발생을 검출 및 통보하는 적어도 하나의 AFD(Arc Fault Detection); 상기 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 삽입 위치되어, 선로의 차단 여부를 결정하는 적어도 하나의 차단기; 및 상기 AFD가 아크 발생을 검출하면, 상기 차단기를 통해 상기 MPPT 인버터로의 전력 공급을 즉각 차단하는 제어기를 포함하는 스마트 아크 차단기를 제공한다,

상기 제어기는 상기 AFD와 상기 차단기가 다수개 구비되는 경우, 상기 AFD 각각의 출력 신호를 순차적으로 수신 및 분석하여 다수의 입력 채널 각각의 아크 발생 상태를 확인한 후, 상기 차단기 각각의 동작을 개별 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는 상기 AFD와 상기 차단기가 다수개 구비되는 경우, 상기 AFD 다수개를 소정개의 그룹으로 그룹핑한 후, 그룹 단위로 아크 발생을 1차 확인한 후, 아크 발생 1차 확인 시에만 아크 발생이 확인된 그룹내 AFD를 통해 아크 발생을 2차 확인하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는 인접 배치된 AFD들끼리 그룹핑한 후, 그룹 중앙에 가장 가까이 위치되는 아크 검출기를 마스터 아크 검출기로 선정하고, 상기 마스터 아크 검출기를 이용하여 아크 발생 1차 확인 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는 상기 차단기가 태양광 패널의 스트링 단위로 다수개 구비되나, 상기 AFD가 그룹 단위로 소정개 구비되는 경우, 소정개의 AFD 소정개를 통해 그룹 단위로 아크 발생을 확인한 후, 아크 발생 그룹에 속한 소정개의 차단기를 통해 그룹 단위의 아크 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스마트 아크 차단기는 아크 검출 기능과 아크 차단 기능을 통합 수행할 수 있도록 한다.

또한 태양광 패널의 스트링 단위로 다수개 구비되는 AFD와 차단기를 통해 멀티 스트링 방식의 인버터로의 적용을 지원할 수 있도록 한다.

뿐 만 아니라 AFD와 차단기를 그룹핑하여 구동시킴으로써, 아크 검출 동작과 아크 차단 동작에 소요되는 시간이 감소될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 스마트 아크 차단기 시스템(100)은 AFD(Arc Fault Detection, 110), 차단기(120), 및 제어기(130)를 포함하여, 태양광 패널(200)과 MPPT((Maximum Power Point Tracking) 인버터(300) 사이에 삽입 위치된다.

AFD(110)는 MPPT 인버터(300)의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 직렬 연결되어, 아크 발생을 검출 및 통보한다.

보다 상세하게, AFD(110)는 로고스키 코일(RC; Rogowski Coil, 111), BPF(Band Pass Filter, 112), ADC(Analog-to-digital converter, 113) 및 DSP; Digital Signal Processor, 114) 등을 포함하여 구현될 수 있다.

로고스키 코일(111)는 코어가 없는 코일을 통해 도선에 흐르는 전류의 변화량을 감지하여 전압 신호를 발생하는 소자로써, 이는 MPPT 인버터(300)의 입력 라인에 직렬 연결되어 MPPT 인버터(300)의 입력전류 및 아크 노이즈를 센싱하여 전압 신호를 생성 및 출력한다.

BPF(112)는 로고스키 코일(111)의 출력 신호를 필터링하여, 분석 대상 주파수 대역의 신호만이 잔존하도록 한다.

ADC(113)는 BPF(112)를 통해 필터링된 신호를 디지털 변환하여 n(n은 2 이상의 자연수)개의 샘플 신호를 생성 및 출력한다.

DSP(114)는 멀티 레벨 DWT(Discrete Wavelet Transform) 알고리즘을 사전 구비하고, 이를 통해 ADC(113)이 출력하는 n개의 샘플 신호를 분석하여 아크 발생 상태를 파악한 후 제어기(130)에 통보한다.

이때, 멀티 레벨 DWT(Discrete Wavelet Transform) 알고리즘은 m(m은 2 이상의 자연수) 레벨로 DWT 분해하는 것으로, 이는 신호 분석 과정에서 신호의 시간에 대한 정보와 주파수에 대한 정보를 모두 이용할 수 있는 장점이 있으며, 기존의 다른 주파수 분석 방법에 비해 프로그램 연산 시간이 상대적으로 빠른 장점이 있어 신속한 연산을 요구하는 직렬 아크 검출시스템 적용에 적합하다.

예를 들어, 멀티 레벨 DWT 알고리즘은 ADC(113)로부터 1024개의 샘플 신호는 전처리 단계에서 DC offset을 제거한 후, 멀티 레벨 DWT 분해를 통해 레벨 4 하위 신호까지 추출을 수행한다. 그리고 각 레벨의 변이 신호(fluctuation signal)의 절댓값을 취한 후 적분 및 크기 환산을 통해 하나의 변수로 변환하고, 해당 변수를 미리 설정된 기준값과 비교하여 아크 발생 여부를 확인할 수 있다.

차단기(120)는 AFD(110)와 MPPT 인버터(300)의 사이에 삽입 위치되어, 제어기(130)의 제어하에 선로의 차단 여부를 결정한다.

제어기(130)는 AFD(110)가 아크 발생을 통보하면, 이에 응답하여 차단기(120)를 통해 MPPT 인버터(300)로의 전력 공급을 즉각 차단시킨다.

이와 같이 본 발명의 스마트 아크 차단기는 아크 검출 동작과 전력 공급 차단 동작을 일괄 수행할 수 있도록 한다.

도 2은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스마트 아크 차단기를 설명하기 위한 도면이다.

도 2을 참고하면, 본 발명의 스마트 아크 차단기 시스템(100')은 멀티 스트링 방식의 인버터에 적용되는 것으로, 스트링 단위로 설치되는 다수의 AFD(110')와 차단기(120'), 그리고 제어기(130')를 포함하여 구현된다.

이때, 제어기(130')는 다수의 AFD(110')의 출력 신호를 순차적으로 수신 및 분석하여 다수의 입력 채널 각각의 아크 발생 상태를 확인하고 다수의 차단기(120') 각각을 개별 제어하여, 아크 발생이 확인된 입력 채널만을 선택적으로 선로 차단하도록 한다.

즉, 도 2의 스마트 아크 차단기 시스템(100)은 다수 입력 채널의 아크 발생 상태를 통합 모니터링하고, 아크 발생된 입력 채널만을 선택적으로 선로 차단할 수 있도록 한다.

다만, 이러한 경우 AFD(110')의 개수에 비례하여 제어기(130')의 신호 모니터링에 소요되는 시간이 증가하는 문제가 발생한다.

예를 들어, 도 3과 같이 AFD(110')가 6개인 경우, 6개의 AFD(110')의 출력 신호를 9번에 걸쳐 반복 확인해야 하므로, AFD(110')가 1개 경우에 비하여 아크 상태 모니터링에 소요되는 시간이 6배 증가하는 문제가 발생한다.

이에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어기(130')는 도 4에서와 같이 다수의 아크 검출기를 소정개의 그룹으로 그룹핑한 후, 그룹 단위로 아크 발생 위치를 다단 확인함으로써, 아크 상태 모니터링에 소요되는 시간을 전체적으로 감소시킬 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에서는 특정 선로에 아크가 발생하면 주변 선로도 아크에 의한 영향을 받음을 고려하여, 인접 배치된 AFD들끼리 그룹핑한 후, 그룹 중앙에 가장 가까이 위치되는 AFD를 마스터 아크 검출기로 선정하도록 한다. 그리고 마스터 AFD만을 이용하여 그룹 단위로 아크 발생을 1차 확인하되, 특정 그룹의 아크 발생이 1차 확인되면, 해당 그룹에 속한 AFD를 모두 이용하여 가장 큰 아크 값이 검출되는 입력 채널을 2차 확인하도록 한다.

이러한 경우, 아크 미발생시에는 아크 상태 모니터링에 소요되는 시간이 "AFD 개수"에서 "그룹 개수"로 감소되고, 아크 발생시에는 "그룹 개수 + 그룹에 속한 AFD 개수-1"만큼 감소될 수 있다.

예를 들어, 6개의 AFD(110')를 2개의 그룹으로 그룹핑하는 경우, 도 5의 (a)와 같이 아크 미발생시에는 2개의 마스터 AFD를 이용하여 2번의 아크 상태 모니터링만 수행하면 되고, 도 5의 (b)와 같이 아크 발생시에는 2개의 마스터 AFD와 2개의 나머지 AFD를 이용하여 4번의 아크 상태 모니터링만 수행하면 됨을 알 수 있다.

또 다르게는 본 발명에서는 아크 검출 속도의 극대화를 위해, 도 6과 같이 다수의 차단기(120')를 스트링 단위로 개별 설치하되 AFD(110")는 그룹 단위로 설치함으로써, AFD(110")를 통해 그룹 단위로 아크 발생을 확인한 후, 그룹에 속한 소정개의 차단기(120')를 통해 그룹 단위의 아크 차단 동작을 수행할 수도 있도록 한다. 즉, 아크 검출 단위와 아크 차단 단위를 서로 달리할 수도 있도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (5)

1. 태양광 패널이 스트링 단위로 연결된 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 직렬 연결되어, 아크 발생을 검출 및 통보하는 다수의 AFD(Arc Fault Detection);
   상기 MPPT 인버터의 입력 라인쌍 중 어느 하나에 삽입 위치되어, 상기 AFD의 출력 신호에 따라 선로의 차단 여부를 결정하는 다수의 차단기; 및
   상기 다수의 AFD 중 적어도 하나가 아크 발생을 검출하면, 상기 차단기를 통해 상기 MPPT 인버터로의 전력 공급을 즉각 차단하는 제어기를 포함하며,
   상기 제어기는
   상기 다수의 AFD를 소정개의 그룹으로 그룹핑하고, 동일 그룹에 속하는 AFD 중 하나를 마스터 아크 검출기로 선정한 후 마스터 아크 검출기를 통해 그룹 단위로 아크 발생을 1차 확인하되, 아크 발생 1차 확인되는 경우에는 아크 발생이 1차 확인된 그룹에 속한 나머지 AFD 각각을 이용하여 가장 큰 아크 값이 검출되는 아크 발생 위치를 2차 확인하는 것을 특징으로 하는 스마트 아크 차단기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는
   상기 AFD와 상기 차단기가 다수개 구비되는 경우, 상기 AFD 각각의 출력 신호를 순차적으로 수신 및 분석하여 다수의 입력 채널 각각의 아크 발생 상태를 확인한 후, 상기 차단기 각각의 동작을 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트 아크 차단기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는
   인접 배치된 AFD들끼리 그룹핑한 후, 그룹 중앙에 가장 가까이 위치되는 AFD를 마스터 아크 검출기로 선정하는 것을 특징으로 하는 스마트 아크 차단기.
5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는
   상기 차단기가 태양광 패널의 스트링 단위로 다수개 구비되나, 상기 AFD가 그룹 단위로 소정개 구비되는 경우, 소정개의 AFD 소정개를 통해 그룹 단위로 아크 발생을 확인한 후, 아크 발생 그룹에 속한 소정개의 차단기를 통해 그룹 단위의 아크 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 아크 차단기.

Images