KR102518017B1 - Pv 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템 및 이를 이용한 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PV 시스템에 발생하는 단선 고장의 위치를 검출하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PV 시스템에 발생하는 단선 고장의 위치를 검출하는 알고리즘을 포함하는 시스템에 관한 것이다.
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)의 보고서에 따르면 2050년이 되면 에너지 세계는 크게 달라질 것이며, 전 세계 에너지 수요는 현재보다 약 8% 감소하지만, 경제 규모가 2배 이상 성장하고 인구가 20억 명 더 많아질 것으로 예측하고 있다.
또한 발전량의 90% 이상을 재생에너지가 담당할 것이며 이 중 풍력과 태양광의 약 70% 이상을 차지하며 이로써 태양광 발전은 미래에 가장 중요한 에너지원이 될 것이다.
태양전지 및 PV 모듈은 출력이 낮기 때문에 다수의 PV 모듈을 직렬ㅇ병렬로 연결하여 전체 PV 시스템을 구성된다. 따라서 다수의 PV 모듈로 구성되는 PV 어레이 또는 스트링에 발생하는 전기적 단선은 모든 태양광 발전시스템에 공통적으로 나타나는 일반적인 문제점이다.
이러한 전기적 단선은 케이블이나 커넥터의 손상, 커넥터의 부식, 기계적 연결 불량 등으로 인해 발생하며 지락 사고를 발생시킬 수 있으며 PV 어레이 개별 또는 전체 시스템의 매우 큰 전력손실을 발생시킨다.
태양광 발전시스템의 스트링 오류 및 단선을 감지하기 위해 다양한 방법들이 연구되고 있다. 전류 및 전압 모니터링을 이용한 방법은 스트링의 문제를 감지할 수 있지만, 단선의 위치를 쉽게 파악하기 어렵고, 전기발광, 육안 검사 및 무인 항공기와 같은 방식의 적외선 이미지 기술은 모듈 자체의 손상을 찾는 데 유용하지만 모듈 뒷면의 케이블 문제를 확인할 수 없다.
PV 모듈은 전기적으로 연결된 부분과 절연된 부분 사이에 기생커패시턴스를 가지고 있다.
이러한 기생커패시턴스는 누설전류 등과 같은 문제를 유발하고 있어 이를 감소하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.
이러한 기생커패시턴스는 변압기를 사용하지 않는 무변압기 형태의 태양광 시스템에서 나타나는 문제이며, 태양광 발전시스템이 정상적으로 동작하고 인버터의 스위칭에 따른 고주파 성분으로 인해 발생한다.
본 발명에서는 인버터의 스위칭에 따른 고주파로 인해 발생하는 기생커패시턴스를 이용하여 태양광 발전시스템의 단선을 검출하는 방법을 제시한다.
태양광발전시스템을 구성하는 어레이 또는 스트링은 PV 모듈의 프레임을 지지대로 고정하고 누설전류를 대지로 흘리기 위해 접지한다.
PV 어레이 또는 스트링에서 만들어지는 기생커패시턴스는 연결된 모듈의 수에 비례하여 증가하며, 단선이 발생할 경우 연결된 모듈의 수가 감소하여 기생커패시턴스의 크기도 감소한다.
이러한 단선 고장이 직렬로 연결된 스트링에 발생할 경우, 인버터의 허용전압 범위를 벗어나 인버터가 정지되며 큰 전력손실을 유발하게 된다.
따라서 단선에 따라서 나타나는 전압의 변화와 스트링의 +, - 양극과 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정을 통해 단선 고장 및 위치를 찾을 수 있다.
본 발명에서 제시한 방법은 전문 알고리즘으로 단선 위치에 따른 특성을 분석하고 그 결과로 타당성을 입증한다.
또한 전문 알고리즘을 적용한 시스템을 통해 단선 위치에 따른 특성을 분석하고 그 정확한 결과로 본 발명의 타당성을 입증하겠다.
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본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 탄소 중립을 위한 대표적인 대체에너지원인 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 기생커패시턴스가 연결된 모듈에 비례하여 증가 또는 감소하는 특징을 이용하여, 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 실제 PV 시스템 및 연결된 수에 따라 기생커패시턴스가 변화되는 ESS용 배터리 및 다양한 전기적 장치에 적용할 수 있는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 PV 스트링의 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산하는 단계; 상기 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정하는 단계; 인버터를 통해 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 PV 스트링에서 단선이 발생하지 않을 경우 + 또는 -와 접지 사이에 연결된 PV 모듈의 수는 같으므로 수학식 4와 같이 같은 크기의 기생커패시턴스가 형성되는 단계; 중간에 단선이 발생할 경우 PV 스트링의 +및 -와 접지 사이에 연결된 모듈의 수가 변화되며, PV 모듈은 개방상태가 되는 단계;를 포함한다.
상기 PV 스트링의 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스는 각각 연결된 모듈의 수에 따라 수학식6으로 결정되는 단계;를 더 포함한다.
한편 본 발명은 태양전지; 상기 태양전지로 이루어진 PV 모듈의 전기전도성 표면; PV 모듈의 전기전도성 표면 및 태양전지 사이에 정전용량을 형성하는 기생커패시턴스; 상기 기생커패시턴스를 감지하여 단선 고장 유무를 판별한다.
상기 PV 모듈에서 생산된 직류 전력을 교류로 변환시키기 위한 인버터;를 더 포함한다.
상기 인버터의 스위칭에 따라 상기 기생커패시턴스에 의한 임피던스 성분을 감소시키는 고주파 성분이 PV 모듈, 어레이 및 스트링을 통해 누설되는 누설전류;를 측정한다.
또한 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산한다.
또한 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출한다.
또한 PV 모듈의 전기전도성 표면 및 태양전지 사이에 정전용량 형성하는 기생커패시턴스; 상기 기생커패시턴스를 감지하여 단선 고장 위치를 판별한다.
상기 PV스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다.
상기 PV 모듈은 복수개의 레이어로 모듈화되는 태양전지와 면 유리 레이어(Glass Layer)사이의 기생커패시턴스(C1); 상기 태양전지와 양전지 프레임 사이의 기생커패시턴스(C2);를 포함한다.
상기 태양전지셀의 실리콘 레이어(Silicon Layer)와 전기적으로 절연된 태양전지 프레임; 상기 태양전지셀의 실리콘 레이어(Silicon Layer)와 전기적으로 절연되고 태양 전지를 지지하는 지지대;를 더 포함한다.
상기 PV 스트링의 전압(Vs)은 중간에 발생한 단선으로 인해 0(zero)가 된다.
본 발명은 4가지 변수 중에서 
는 상수 값을 가지고, 
은 기생 커패시터를 구성하는 물질에 의해 결정되며 기생 커패시터 두 극판 사이의 거리는 PV 모듈 설계에서 결정되고, 
,
는 제작이 완료된 PV 모듈의 경우 변화하지 않는 상수가 되며, 정전용량의 유효표면적(
)은 연결된 PV 모듈의 수가 증가할 수록 비례적으로 증가하기 때문에 기생커패시턴스는 PV 모듈의 연결수에 비례한다.
상기 PV 스트링의 양극(+, -)과 접지 사이의 커패시터를 나타내는 
, 
는 +(positive) 및 -(negative)가 하나의 전기적 도체이므로 기생 커패시터와의 거리 및 유효 표면적이 같다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 PV 시스템에 발생하는 단선 고장의 위치를 기생커패시턴스 탐지기능이 결합된 인버터를 통해 신속하게 검출하여 추가적인 조치를 취하는 데 용이하다.
또한 본 발명은 단선에 따라서 나타나는 전압의 변화와 스트링의 +, - 양극과 접지 사이의 기생커패시턴스를 기생커패시턴스 탐지기능이 결합된 인버터를 통해 측정하여 단선 고장 및 위치를 찾을 수 있다.
또한 본 발명은 전문 알고리즘을 내장하여 기생커패시턴스 탐지가 가능한 인버터로 단선 위치에 따른 특성을 분석하고 그 결과로 위치 검출의 타당성을 입증할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 1g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단선 위치감지 개념을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 PV 모듈 연결 형태에 따른 기생커패시턴스를 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템의 중간에 단선이 발생할 경우 PV 스트링의 +및 -와 접지 사이에 연결된 모듈의 수가 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 검증하기 위해 사용한 PSIM 회로도를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션에 따른 결과(parasitic capacitance of PV module)를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템에 단선이 발생하지 않았을 때를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템의 S1이 off 되어 단선이 발생한 상태에 대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치 S3가 off 되어 단선 고장이 발생한 상태를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치 S1에서 S5까지 순차적으로 단선 고장이 발생한 경우를 보여주는 도면이다(S1→S2→S3→S4→S5 off).
도 1g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단선 위치감지 개념을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 PV 모듈 연결 형태에 따른 기생커패시턴스를 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템의 중간에 단선이 발생할 경우 PV 스트링의 +및 -와 접지 사이에 연결된 모듈의 수가 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 검증하기 위해 사용한 PSIM 회로도를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션에 따른 결과(parasitic capacitance of PV module)를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템에 단선이 발생하지 않았을 때를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템의 S1이 off 되어 단선이 발생한 상태에 대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치 S3가 off 되어 단선 고장이 발생한 상태를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치 S1에서 S5까지 순차적으로 단선 고장이 발생한 경우를 보여주는 도면이다(S1→S2→S3→S4→S5 off).
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1a에 도시된 바와 같이 시스템(PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템)이 PV 모듈에서 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산한다(S101).
상기 PV 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출한다(S102).
상기 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S103).
한편 다른 실시예로서 상기 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S201).
그리고 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템이 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산한다(S202).
기생커패시턴스 성분은 크게 태양전지와 전면유리 사이와 태양전지와 모듈 프레임 사이(C1, C2)의 값을 계산한다(S203).
두 가지 기생커패시턴스는 병렬 연결되어 있어 전체 기생커패시턴스를 수학식 1로 계산한다(S204). 그리고 각각의 기생커패시턴스는 수학식 2로 계산한다(S205).
M 개의 PV 모듈이 연결된 PV 스트링에 대한 기생커패시턴스는 연결된 PV 모듈의 수에 비례하기 때문에 PV 스트링의 기생커패시턴스는 수학식 3과 같다(S206).
도 1c에 도시된 바와 같이 일실시예로서 본 발명은 휴대용 단말기에 알고리즘을 포함하는 메모리와 연산 제어하는 제어부를 갖는 장치를 결합하였다.
상기 휴대용 단말기가 PV 모듈에서 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산한다(S301).
상기 휴대용 단말기가 PV 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출한다(S302).
마지막으로 휴대용 단말기가 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S303).
도 1d에 도시된 바와 같이 일실시예로서 휴대용 단말기가 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S401).
상기 휴대용 단말기가 아래 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산한다(S402).
그리고 휴대용 단말기가 기생커패시턴스 성분은 크게 태양전지와 전면유리 사이와 태양전지와 모듈 프레임 사이(C1, C2)의 값을 계산한다(S403).
상기 휴대용 단말기가 두 가지 기생커패시턴스는 병렬 연결되어 있어 전체 기생커패시턴스를 수학식 1로 계산한다(S404).
그리고 휴대용 단말기가 각각의 기생커패시턴스는 수학식 2로 계산한다(S405).
상기 휴대용 단말기가 M 개의 PV 모듈이 연결된 PV 스트링에 대한 기생커패시턴스는 연결된 PV 모듈의 수에 비례하기 때문에 PV 스트링의 기생커패시턴스는 수학식 3과 같다(S406).
도 1e에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템(또는 시스템)의 PV 모듈은 내부에 태양전지(2; 셀)가 있고 각각의 태양전지는 리본 및 DC 케이블과 연결되어 하나의 도전체를 형성한다.
일실시예로서 본 발명은 인버터에 알고리즘을 포함하는 메모리와 연산 제어하는 제어부를 갖는 장치를 결합하였다.
즉 먼저 인버터의 기생캐패시터 계산 기능으로 PV 모듈에서 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산한다(S501).
그리고 상기 인버터가 PV 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하고 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출한다(S502).
상기 인버터가 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S503).
도 1f에서, 본 발명은 인버터에 알고리즘을 포함하는 메모리와 연산 제어하는 제어부를 갖는 장치를 결합하였다.
상기 인버터가 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정한다(S601).
그리고 인버터로 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산한다(S602).
계속하여 인버터가 기생커패시턴스 성분으로 크게 태양전지와 전면유리 사이와 태양전지와 모듈 프레임 사이(C1, C2)의 값을 제어부를 통해 계산한다(S603).
그리고 인버터가 두 가지 기생커패시턴스로 병렬 연결되어 있는 전체 기생커패시턴스를 수학식 1로 계산한다(S604).
또한 인버터가 각각의 기생커패시턴스는 수학식 2로 계산한다(S605).
마지막으로 인버터가 M 개의 PV 모듈이 연결된 PV 스트링에 대한 기생커패시턴스는 연결된 PV 모듈의 수에 비례하기 때문에 PV 스트링의 기생커패시턴스는 수학식 3과 같다(S606).
한편 본 발명에 따른 PV 모듈의 프레임(4) 및 전면 유리(1)는 태양전지(2)와 일정한 거리를 두고 필름(3)으로 절연되어 있으며, 지지대를 통해 접지되어 있다.
태양전지(2)를 통해 전압 발전되면 전기전도성 표면 및 태양전지 사이에 정전용량이 만들어지며, 이러한 효과를 기생커패시턴스(C1, C2)라고 한다.
PV 모듈은 직류를 발전하고, 태양전지와 PV 모듈 외부의 프레임과 충분히 절연되어 있기 때문에 PV 모듈 자체의 기생커패시턴스의 영향은 매우 작다.
그러나, PV 시스템은 PV 모듈에서 생산된 직류 전력을 교류로 변환시키기 위해 인버터를 사용하며, 인버터의 스위칭에 따른 고주파 성분은 기생커패시턴스에 의한 임피던스 성분을 감소시킨다.
이로서 PV 모듈, 어레이 및 스트링을 통해 전류가 누설될 수 있고 이러한 누설전류는 기기의 고장 및 감전사고를 유발한다.
도 1g에 도시된 바와 같이 인버터는 사용하고자 하는 제품에 적용할 수 있도록 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치로서, 역변환 장치 라고도 한다. 이러한 인버터 장치 내에는 직류 전력을 교류 전력으로 바꾸기 위한 다양한 인버터 부품 등이 탑재되어 있다.
태양 전지 패널을 포함하는 태양 전지 모듈에 사용되는 일체형 인버터로서, 태양 전지 패널에 연결되는 단자, 그리고 상기 단자에 전기적으로 연결되는 직류-교류 인버터를 포함하는 인버터 부재를 포함하는 회로부; 및 상기 회로부를 수용하는 수용부 를 포함한다.
태양 전지 모듈의 일체형 인버터는 리본에 연결되는 단자 및/또는 우회 경로를 제공하는 바이 패스 다이오드와, 직류 전류를 교류 전류로 전환하는 인버터 부재가 일체화 또는 통합되어 형성된다.
이들을 일체화 하여 형성하는 것에 의하여 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 휴대용 기생커패시턴스 탐지, 감지, 식별, 인식 인버터의 설치 공정을 단순화하고 구조를 간단하게 할 수 있다.
태양광 발전 시스템에서 발생되는 출력 전압 전류의 순간적인 전압 상승, 전압 잡음, 전압 강하 및 순간 정전은 태양광 발전 시스템의 성능 저하 및 장애를 초래한다. 본 발명은, 태양광 발전 시스템의 전압 전류 파형에 대해 정상 상태, 전압 상승, 전압 잡음, 전압 강하 및 순간 정전을 감지하고 디스플레이하며 경보의 기능을 갖는다.
구체적으로, 태양 전지 스트링으로부터 공급되는 전력이 인버터 입력단에 연결되고, 상기 전력은 인버터 구동부의 브리지 회로에 의해 스위칭되며, 각 상(phase) 별 출력 전압 및 전류를 디지털 데이터로 변환하는 A/ D 변환부; 상기 A/D 변환부로부터 제공되는 전압 및 전류 데이터를 제공받아 작업 메모리에 저장하는 콘트롤러; 상기 콘트롤러로부터 공급되는 변환 시작 제어신호에 따라 클락 신호를 상기 A/D 변환부로 공급하여 구동하는 클락 타이머;와 상기 콘트롤러로부터의 처리 결과를 표시하고 경보를 발생시키는 디스플레이; 및 알람부;를 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따라 단선 고장 위치 판별 뿐만 아니라 태양광 발전 시스템에서 발생되는 출력 전압 전류의 순간적인 전압 상승, 전압 잡음, 전압 강하 및 순간 정전을 감시함으로써 태양광 발전 시스템의 성능 저하 및 장애를 미연에 방지할 수 있다.
태양전지 어레이(PV-array)로부터 발전되는 DC 전력을 AC로 변환시켜 계통으로 전달하며, 장치 내부의 진동 및 온도를 감지하고, 부품의 수명을 예측하는 전력변환장치; 및 특정 주기 또는 시간대별로 '데이터 취득 요청신호'를 상기 전력변환장치로 전송하고 상기 전력변환장치로부터 해당 특정 주기 또는 시간대별로 취득한 데이터를 수신하는 신호 송수신부, 상기 신호 송수신부를 통해 수신한 데이터를 바탕으로 해당 부품의 이상상태를 판단하는 이상상태 판단부, 그리고 상기 신호 송수신부를 통해 수신 한 데이터를 바탕으로 해당 부품의 수명에 따른 교체여부를 판단하는 교체 판단부를 포함하는 중앙 서버 를 포함한다.
따라서 단선 고장 위치 판별 뿐만 아니라 태양광 인버터를 사전에 진단하지 못하여 시간이 지남에 따라 효율이 떨어지고, 소음 및 진동 발생이 증가할 때까지 유지 관리를 수행하지 못하던 종래와 달리, 태양광 인버터를 통해 취득한 데이터를 바탕으로 유지 보수를 판단하여, 관리자에게 사전에 알려줌으로써, 효율이 떨어지고, 소음 및 발생이 발생하기 이전에 유지 관리할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템(또는 시스템)의 PV 모듈은 내부에 태양전지(2; 셀)가 있다.
기생커패시턴스 성분은 크게 태양전지와 전면유리 사이(C1)와 태양전지와 모듈 프레임 사이(C2)의 값으로 나타낼 수 있다. 그리고 두 가지 기생커패시턴스는 병렬 연결되어 있어 전체 기생커패시턴스는 다음과 같다.
각각의 기생커패시턴스는 일반적인 정전용량을 계산하는 식으로 계산할 수 있으며, 4가지 성분에 따라 변화한다.
여기에서 
: 진공중의 유전율(
), 
: 비유전율, 
: 정전용량의 유효표면적(㎡), 
: 기생 커패시터 두 극판 사이의 거리(mm)
상기 4가지 변수 중에서 
는 상수 값을 가지고, 
은 기생 커패시터를 구성하는 물질에 의해 결정되며 기생 커패시터 두 극판 사이의 거리는 PV 모듈 설계에서 결정된다. 따라서 
, 
는 제작이 완료된 PV 모듈의 경우 변화하지 않는 상수가 된다. 정전용량의 유효표면적(
)은 연결된 PV 모듈의 수가 증가할 수록 비례적으로 증가하기 때문에 결국 기생커패시턴스는 PV 모듈의 연결수에 비례하게 된다.
도 1(a)는 하나의 PV 모듈에 대한 기생커패시턴스이며, 도 1(b)는 M 개의 PV 모듈이 연결된 PV 스트링에 대한 값을 보여준다. 기생커패시턴스는 연결된 PV 모듈의 수에 비례하기 때문에 PV 스트링의 기생커패시턴스는 다음과 같다.
(여기에서,
PV 스트링의 양극(+, -)과 접지 사이의 커패시터를 나타내는 
, 
는 +(positive) 및 -(negative)가 하나의 전기적 도체이므로 기생커패시턴스와의 거리 및 유효 표면적이 같으므로 다음과 같이 같은 값을 가진다.
(+극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스 : 
, -극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스 : 
)
PV 스트링의 양극(+, -)과 접지 사이의 커패시터를 나타내는
(여기에서,
기생커패시턴스를 이용한 단선위치 검출 방법
도 2(b)의 PV 스트링에서 단선이 발생하지 않을 경우 + 또는 -와 접지 사이에 연결된 PV 모듈의 수는 같으므로 수학식 4와 같이 같은 크기의 기생커패시턴스를 가진다.
그러나 도 3과 같이 중간에 단선이 발생할 경우 PV 스트링의 +및 -와 접지 사이에 연결된 모듈의 수가 변화되며, PV 모듈은 개방상태가 되어 도 3(b)와 같이 나타낼 수 있다.
이때, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스는 각각 연결된 모듈의 수에 따라 결정되며, 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
PV 스트링의 전압(Vs)은 중간에 발생한 단선으로 인해 0(zero)가 된다.
여기에서, M개의 전체 모듈 중에서, +극에서 
번째 모듈에 단선고장이 발생할 경우, -극에서 단선고장이 발생한 위치까지 연결된 모듈의 수는 전체모듈수(
)에서 +극에서 단선고장 위치까지 연결된 모듈의 수(
)의 차(
)로 나타낼 수 있고, -극에서 접지 사이에 연결된 기생커패시턴스(
)는 -극에서 단선고장 위치까지 연결된 모듈의 수(
)와 하나의 PV 모듈이 가지는 기생커패시턴스(
)의 곱으로 나타낼 수 있다.
전체 기생커패시턴스는 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 값과 같으며, 이를 통해 다음과 같이 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산할 수 있다.
전체 기생커패시턴스는 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 값과 같으며, 이를 통해 다음과 같이 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산할 수 있다.
(여기에서, PV 스트링에 연결된 PV 모듈이 +극에서
도 4는 단선 위치 검출을 위한 순서도를 나타낸다. PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정하며, 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산한다.
결과 분석
도 5는 본 발명에서 제시한 방법을 검증하기 위해 사용한 PSIM 회로도를 나타낸다.
PV 스트링은 모듈 6개를 이용하여 구성하였으며, 모듈과 모듈 사이는 양방향 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)를 통해 단선 고장을 나타냈다.
도 5의 회로에 사용된 PV 모듈의 사양은 표 1과 같으며, 기생커패시턴스는 도 6와 같이 실제 PV 모듈에서 측정된 값인 225[pF]을 사용하였다.
도 7은 단선이 발생하지 않았을 때를 나타내고 있다. 도 7(a)는 PV 스트링의 전압, 도 7(b)는 +와 접지 사이의 기생커패시턴스(
), -극과 접지 사이의 기생커패시턴스(
)의 크기를 나타낸다. 도 7(c)는 단선 고장을 유도하기 위한 스위치 상태, 도 7(d)는 수학식 7에 의해 계산된 +와 단선 지점까지 연결된 모듈의 수(n)를 나타낸다.
도 4의 단선 위치감지 알고리즘에 의해, 스트링의 전압이 0보다 크기 때문에 단선 고장으로 인식하지 않고, +와 연결된 모듈의 수가 전체 모듈의 수인 6으로 나타나고 있고 도 7(b)의 
의 크기가 PV 모듈 1개의 기생커패시턴스의 약 6배로 단선이 발생하지 않았음을 나타낸다.
표 2는 도 7의 스트링 전압 및 기생커패시턴스의 크기를 나타낸다.
도 8은 S1이 off 되어 단선이 발생한 상태에 대한 결과를 나타내고 있다.
S1이 off 될 경우 +와 접지 사이는 5개의 모듈이 연결된 상태가 된다. 0.002[sec]에 스위치 S1이 off 되어 단선이 발생하면 도 8(a)와 같이 스트링 전압이 0[zero] 되며, 도 4의 단선 위치감지 알고리즘에 의해 
, 
의 값이 도 8(b)와 같이 측정된다. 측정된 기생커패시턴스의 크기는 수학식 7에 의해 +와 연결된 모듈 수인 n이 계산되며, 도 8(d)에 5로 나타나고 있다. 표 3은 도 8의 결과를 나타낸다.
도 9는 스위치 S3가 off 되어 단선 고장이 발생한 상태이며, 측정된 기생커패시턴스 및 수학식7에 의해 +와 연결된 모듈의 수가 3으로 나타나고 있다. 표 4는 도 9에 대한 결과를 나타낸다.
도 10은 스위치 S1에서 S5까지 순차적으로 단선 고장이 발생한 경우를 나타내며, 고장 발생에 따른 위치를 연결된 모듈의 수로 정확하게 나타난다.
표 5는 도 10에 대한 결과이다. 스위치 S1에서 S5가 순차적으로 off 될 때, +와 연결된 모듈의 수가 감소 되기 때문에 
의 값은 감소하며, 
의 값은 증가한다.
이처럼, 연결된 모듈에 따라 변화되는 기생커패시턴스를 통해 PV 시스템에 발생된 단선 고장 위치를 검출할 수 있다.
실시예
본 발명에 따른 PV 스트링에 단선이 발생 했을 때, +극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스인 
, -극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스인 
, 전체 기생커패시턴스인 
+ 
등이 발생한다.
예를 들어 
, 
: 스트링에 연결된 PV 모듈 수(수학식 7 참조)를 적용하여, 
→ +에서 5개의 모듈이 연결상태임으로, 6번째 모듈 단선으로 판정한다.
1 : 전면 유리
2 : 태양전지
3 : 필름
4 : PV 모듈의 프레임
2 : 태양전지
3 : 필름
4 : PV 모듈의 프레임
Claims (20)
- PV 스트링의 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산하는 단계;
상기 PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정하는 단계;
인버터를 통해 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산하는 단계;
상기 PV 스트링에서 단선이 발생하지 않을 경우 + 또는 -와 접지 사이에 연결된 PV 모듈의 수는 같으므로 수학식 4와 같이 같은 크기의 기생커패시턴스가 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법.
[수학식 7]
(여기에서, PV 스트링에 연결된 PV 모듈이 +극에서번째 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우, +극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)와 -극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 합은 PV 스트링의 전체 기생커패시턴스와 같으며, 전체 기생커패시턴스 와 +와 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 비율을 통해 단선 고장이 발생한 PV 모듈의 위치(
)를 계산할 수 있다.
은 전체모듈수이다.)
[수학식 4]
(PV 스트링의 양극(+, -)과 접지 사이의 커패시터를 나타내는,
는 +(positive) 및 -(negative)가 하나의 전기적 도체이므로 기생커패시턴스와의 거리 및 유효 표면적이 같다.)
(여기에서,는 +극에서 접지 사이의 기생커패시턴스를 나타내고,
는 -극에서 접지 사이의 기생커패시턴스를 나타낸다.)
- 제1항에 있어서,
상기 PV 스트링에서 중간에 단선이 발생할 경우 PV 스트링의 +및 -와 접지 사이에 연결된 모듈의 수가 변화되며, PV 모듈은 개방상태가 되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법.. - 제1항에 있어서,
상기 PV 스트링의 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스는 각각 연결된 모듈의 수에 따라 수학식6으로 결정되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법.
[수학식 6]
(여기에서, M개의 전체 모듈 중에서, +극에서번째 모듈에 단선고장이 발생할 경우, -극에서 단선고장이 발생한 위치까지 연결된 모듈의 수는 전체모듈수(
)에서 +극에서 단선고장 위치까지 연결된 모듈의 수(
)의 차(
)로 나타낼 수 있고, -극에서 접지 사이에 연결된 기생커패시턴스(
)는 -극에서 단선고장 위치까지 연결된 모듈의 수(
)와 하나의 PV 모듈이 가지는 기생커패시턴스(
)의 곱으로 나타낼 수 있다.)
- 제1항에 있어서,
상기 PV 스트링의 전압(Vs)은 중간에 발생한 단선으로 인해 0(zero)가 되는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
- PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하고, + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정하며, 인버터로 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산하는 단계; 및
상기 기생커패시턴스 성분은 크게 태양전지와 전면유리 사이와 태양전지와 모듈 프레임 사이(C1, C2)의 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법.
[수학식 7]
(PV 스트링에 연결된 PV 모듈이 +극에서번째 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우, +극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)와 -극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 합은 PV 스트링의 전체 기생커패시턴스와 같으며, 전체 기생커패시턴스 와 +와 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 비율을 통해 단선 고장이 발생한 PV 모듈의 위치(
)를 계산할 수 있다.
은 전체모듈수이다.)
- 제5항에 있어서,
상기 기생커패시턴스는 병렬 연결되어 있어 전체 기생커패시턴스를 수학식 1로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
[수학식 1]
(: 전체 기생 커패시터,
: 태양전지와 전면유리 사이 기생커패시턴스,
: 태양전지와 모듈 프레임 사이 기생커패시턴)
- 제5항에 있어서,
상기 각각의 기생커패시턴스는 아래 수학식 2로 계산되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
[수학식 2]
(: 진공중의 유전율(
),
: 비유전율,
: 정전용량의 유효표면적(㎡),
: 기생커패시턴스 두 극판 사이의 거리(mm))
- 제7항에 있어서,
상기 수학식 2의 4가지 변수 중에서는 상수 값을 가지고,
은 기생커패시턴스를 구성하는 물질에 의해 결정되며 기생커패시턴스 두 극판 사이의 거리는 PV 모듈 설계에서 결정되고,
,
는 제작이 완료된 PV 모듈의 경우 변화하지 않는 상수가 되며, 정전용량의 유효표면적(
)은 연결된 PV 모듈의 수가 증가할 수록 비례적으로 증가하기 때문에 기생커패시턴스는 PV 모듈의 연결수에 비례하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
- 제5항에 있어서,
M 개의 PV 모듈이 연결된 PV 스트링에 대한 기생커패시턴스는 연결된 PV 모듈의 수에 비례하기 때문에 PV 스트링의 기생커패시턴스는 수학식 3과 같은 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
[수학식 3]
,
(여기에서,는 전체모듈수 M개의 PV모듈이 연결된 PV 스트링의 태양전지와 전면유리 사이 기생커패시턴스를 나타내고,
는 M개의 PV모듈이 연결된 PV 스트링의 태양전지와 모듈 프레임 사이 기생커패시턴스를 나타낸다.
: 태양전지와 전면유리 사이 기생커패시턴스,
: 태양전지와 모듈 프레임 사이 기생커패시턴스)
- 제5항에 있어서,
상기 PV 스트링의 양극(+, -)과 접지 사이의 커패시터를 나타내는,
는 +(positive) 및 -(negative)가 하나의 전기적 도체이므로 기생커패시턴스와의 거리 및 유효 표면적이 같으므로 아래 수학식 4와 같은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘을 이용한 검출 방법..
[수학식 4]
(+극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스 :, -극에서 단선위치까지의 기생커패시턴스 :
)
- 태양전지;
상기 태양전지로 이루어진 PV 모듈의 전기전도성 표면;
PV 모듈의 전기전도성 표면 및 태양전지 사이에 정전용량을 형성하는 기생커패시턴스;를 포함하고,
상기 PV 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우 고주파수의 신호를 주입하여 기생커패시턴스의 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제11항에 있어서,
PV 모듈에서 생산된 직류 전력을 교류로 변환시키기 위한 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제12항에 있어서,
상기 인버터의 스위칭에 따라 상기 기생커패시턴스에 의한 임피던스 성분을 감소시키는 고주파 성분이 PV 모듈, 어레이 및 스트링을 통해 누설되는 누설전류;를 측정하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 PV 모듈에서 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 더한 전체 기생커패시턴스값을 통해 + 또는 - 단자에 연결된 PV 모듈의 수를 계산하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 측정된 크기에 따라 단선 고장이 발생한 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- PV 모듈의 전기전도성 표면 및 태양전지 사이에 정전용량을 형성하는 기생커패시턴스;
상기 기생커패시턴스를 감지하여 단선 고장 위치를 판별하는 인버터;를 포함하고,
상기 기생커패시턴스를 측정하며, 수학식 7을 이용하여 단선 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
[수학식 7]
(PV 스트링에 연결된 PV 모듈이 +극에서번째 모듈에서 단선 고장이 발생할 경우, +극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)와 -극에서 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 합은 PV 스트링의 전체 기생커패시턴스와 같으며, 전체 기생커패시턴스 와 +와 접지사이의 기생커패시턴스(
)의 비율을 통해 단선 고장이 발생한 PV 모듈의 위치(
)를 계산할 수 있다)
- 제16항에 있어서,
상기 PV 모듈을 포함하는 PV 스트링의 + 및 -와 접지 사이의 기생커패시턴스를 측정하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제16항에 있어서,
PV 스트링의 전압 Vs가 0(zero)이 될 경우 단선이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제16항에 있어서,
상기 기생커패시턴스는,
상기 태양전지의 태양전지셀과 전면 유리 레이어(Glass Layer)사이의 기생커패시턴스(C1);
상기 태양전지셀과 태양전지 프레임 사이의 기생커패시턴스(C2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
- 제19항에 있어서,
상기 태양전지셀의 실리콘 레이어(Silicon Layer)와 전기적으로 절연된 태양전지 프레임;
상기 태양전지셀의 실리콘 레이어(Silicon Layer)와 전기적으로 절연되고 태양 전지를 지지하는 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PV 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020220062538A KR102518017B1 (ko) | 2022-05-23 | 2022-05-23 | Pv 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템 및 이를 이용한 검출 방법 |
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| KR1020220062538A KR102518017B1 (ko) | 2022-05-23 | 2022-05-23 | Pv 시스템의 단선 고장 위치를 검출하기 위한 기생커패시턴스 탐지 알고리즘이 포함된 시스템 및 이를 이용한 검출 방법 |
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| KR (1) | KR102518017B1 (ko) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008091828A (ja) * | 2006-10-05 | 2008-04-17 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 太陽電池アレイ故障診断方法 |
-
2022
- 2022-05-23 KR KR1020220062538A patent/KR102518017B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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