KR102635785B1 - 태양광 발전시스템의 아크 검출 및 급속 차단용 스트링레벨 안전 장치 - Google Patents

태양광 발전시스템의 아크 검출 및 급속 차단용 스트링레벨 안전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전시스템용 스트링 레벨 아크 검출 차단 장치에 관한 것으로, 태양광발전 스트링들과, 태양광발전 스트링들에서 생산된 직류 전력을 수집 후 교류로 변환하는 멀티 스트링 인버터와, 상기 태양광발전 스트링들 각각과 상기 인버터 사이를 전기적으로 연결하는 복수의 스트링 케이블들과, 상기 각각의 스트링과 스트링 케이블에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출부와, 아크가 검출(발생)되면, 아크가 발생한 스트링을 인버터에서 분리(차단)하는 차단부를 포함하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치이다.
본 발명은 태양광발전 스트링에서 아크가 검출되면 자동 차단에 의해 아크를 소멸시켜 화재 발생을 사전에 방지하는 아크 검출 차단 기능과, 화재 발생 등의 비상시 또는 발전 계통의 점검 시 소방원과 작업자의 감전사고를 방지하기 위한 급속차단(Rapid Shutdown) 기능을 포함하는 안전 장치에 관한 것이다.

Description

태양광 발전시스템의 아크 검출 및 급속 차단용 스트링레벨 안전 장치{String level safety device for Arc fault detection and Rapid shutdown of Photovoltaic power system}
본 발명은 태양광발전시스템용 아크 검출 차단 및 급속 차단을 위한 스트링레벨 안전 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 접속함 일체형 멀티스트링 인버터를 사용하고, 별도의 접속함을 사용하지 않는 태양광발전 시스템과 건물형태양광(BIPV, BAPV) 발전 시스템의 각 스트링에 장착하여, 전기 화재의 가장 큰 원인으로 알려져 있는 아크가 태양광 발전 스트링에서 검출되면 자동 차단에 의해 아크를 소멸시켜 화재를 사전에 방지하는 아크 검출 차단 기능과, 화재 발생 등의 비상시와 발전 계통의 점검 시 감전사고를 방지하기 위한 급속차단(Rapid Shutdown) 기능이 있는 안전 장치에 관한 것이다.
태양광을 이용하는 태양광 발전은 환경 오염이 없고, 소규모 발전이 가능하며, 상용 교류 전기가 공급되지 않는 도서, 오지 등에 설치하여 전기를 이용할 수 있다. 또한, 정부의 장려와 지원책에 힘입어 주택, 공장, 지역 등에 소규모 또는 대규모 발전 설비들이 많이 보급된 상태이며 현재도 태양광 발전 설비들이 활발하게 시공되고 있다.
태양광 발전 시스템은 태양광에 의해 발전된 직류 전력을 인버터를 사용하여 교류로 변환하여 사용하는 형태로 구성된다. 송전과 변전 설비를 제외하면 대부분 실제 사용 전압이 440V 이하인 상용 교류 전기 계통에서 전기 화재가 적지 않게 발생하고 있다. 태양광 발전 시스템의 스트링 전압은 대부분이 500~1400V 정도이므로 아크의 발생 가능성이 상용 교류보다 더 크고, 태양광 발전의 직류는 교류처럼 주기적으로 전압이 제로(0V)가 되는 순간들이 없으므로 아크가 발생하면 소호(消弧)가 매우 어렵다. 따라서 태양광 발전 시스템은 구조적으로 아크 등에 의한 화재 위험이 상용 교류보다 더 크다.
특히, 건물형태양광(BIPV, BAPV) 발전 시스템은 태양광발전 모듈을 건물의 지붕, 벽면, 창호나 발코니 등에 부착하는 건물부착형(BAPV, Building Attached Photovoltaic)과 건축물의 외면을 구성하는 건축 자재와 태양광발전 모듈이 일체형인 건물일체형(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)이 있다.
건물형 태양광발전시스템에서 아크(電弧)나 지락(地絡) 등에 의해 화재가 발생하는 경우, 건물 전체의 화재로 진행될 가능성이 크기 때문에 화재 예방을 위한 기술적 방지 수단이 필요하다.
이와 같은 필요에 따라, 미국의 NEC 2011년 판의 Article 690.11: Arc-Fault Circuit Protection(Direct Current)에 처음으로 아크에 의한 화재 방지에 관한 규정이 제정된 이후, 수차의 개정이 있었으며, 현재 미국의 대부분 주들(states)에서는 이 규정을 따를 것을 의무화하고 있다.
또, 미국의 NEC 2014년 판의 Article 690.12: Rapid Shutdown of PV Systems on Buildings에 건물형 태양광 발전 계통의 화재 발생 시 소방원의 감전사고를 방지하기 위한 신속정지(급속차단)에 대한 규정이 처음으로 제정된 이후 수 회의 개정이 있었으며, UL과 IEC의 규정에도 아크 검출 차단과 신속 정지에 관한 요건과 규정들이 있다.
따라서, 미국과 유럽, 중국 등의 다수 업체들이 미국 NEC 표준에 부합하는 태양광 인버터와, 아크 검출(Arc-fault detection) 차단 장치, 지락 검출(Ground Fault Detection) 차단 장치, 급속차단(Rapid Shutdown) 장치 등을 개발하여 출시하고 있다.
한국의 경우, 태양광 발전설비의 직류 전로에 지락이 발생했을 때 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하고 그 방법과 성능은 IEC 60364-7-712(2017)를 따르도록 하는 의무화 규정이 2021년 9월 1일부터 시행되었기 때문에, 국내에서 현재 시판되고 있는 대부분의 인버터에는 지락 검출(Ground Fault Detection) 차단 기능이 있다.
그러나, 현재 한국에는 아크 검출 차단 장치와 급속차단 장치에 대한 설치 의무화 규정은 아직 없다. 다만, 국내의 일부 접속함 제작사에서 미국 표준에 근거하여 개발한 아크 감지기(Arc Fault Detector)를 장착된 일부의 접속함들이 시판되고 있으나, 이들 접속함은 센트럴 인버터에 적합한 구조이고, 멀티 스트링 인버터와 사용이 어려운 구조이며, 대략 200kW 이하의 중소형 발전 시스템은 대부분 접속함이 필요 없는 접속함 일체형 멀티 스트링 인버터를 사용하므로, 출시되어 있는 아크 검출 차단 기능이 있는 접속함이 사용될 수 없는 근본적 문제가 있다. 그래서, 중소형 발전소의 대다수에는 아크 차단과 급속 차단 기능이 없는 상태이다.
또한, 제로에너지 건축물 의무화 제도 등에 의해 대형 공공 건물 등에 건물형(BIPV & BAPV) 발전 설비가 시공되고 있으나, 아크 차단장치와 급속 차단장치 등이 건물형 태양광 발전 설비에 설치되지 않고 있다.
이처럼 안전 장치의 보급이 부진한 원인은, 1) 지락 차단장치의 설치는 의무화되어 있지만, 아크 차단장치와 급속차단장치의 설치는 법규에 의해 의무화되어 있지 않으며, 2) 시판되고 있는 일부 옵티마이저(Optimizer)나 마이크로 인버터(Micro-inverter)에 아크 검출 차단과 급속 차단 기능이 포함된 제품들이 출시되어 있으나, 이들은 태양광발전(Photovoltaic) 모듈마다 1개씩 장착해야 하는 모듈레벨(MLPE, Module Level Power Electronics) 장치이므로 적지 않은 비용(부품+시공)이 소요되기 때문이며, 3) 건물의 외벽에 설치하는 건물형 태양광 발전 시스템의 경우, 높은 건물의 외벽에 태양광발전 모듈을 수직으로 고정하고 실리콘 컴파운드(Silicone Compound)를 사용하여 실링(Sealing) 시공을 하는데, 각 모듈의 뒷면에 1개씩 설치되는 MLPE 장치에서 고장이 발생하는 경우, 고장탐구와 교체가 매우 어려워 많은 시간과 비용이 소요되므로 아크 차단 장치와 급속차단 장치가 시공되지 않고 있다.
건물형 태양광 발전의 경우 발전설비의 화재 발생은 건물 전체의 화재로 진행될 가능성이 매우 크므로, 아크 검출 차단 장치와 급속차단 장치의 설치 필요성은 인식하면서도 상기의 3가지 이유로 시공되지 않고 있다.
도 1은 아크 검출 차단 기능이 있는 접속함을 사용하는 기존 방식의 구성 예시도이다.
도 1을 참조하면 종래 아크 차단 장치는, 다수의 태양광 스트링(100)과 스트링 케이블(110)들을 인버터(300)에 연결하는 접속함(200)을 포함하되, 접속함(200)은 스트링(100)과 스트링 케이블(110)의 아크 발생 여부를 검출하는 아크 검출부(210)와, 아크 검출부(210)의 검출 결과에 따라 스트링(100)들과 스트링 케이블(110)들을 차단하는 차단기(220)를 포함한다.
이와 같은 구조에서, 다수의 태양광 스트링(100)들에서 생산된 직류 전력은 복수의 스트링 케이블(110)들을 통해 인버터(300)로 공급되며, 인버터(300)에서 변환된 교류는 AC 그리드에 연결된다.
접속함(200)의 내에서 상기 다수의 태양광 스트링(100)들의 스트링 케이블(110)들은 모두 통합 연결되며, 각 태양광 스트링(100)들에서 생산된 전력이 합쳐진 후 차단기(220)를 통해 인버터(300)로 공급된다.
접속함(200)에는 다수의 스트링(100)들과 스트링 케이블(110)들이 통합 연결된 전로에서 아크를 검출하는 아크 검출부(210)가 포함되어 있으며, 아크 검출부(210)는 아크가 검출되는 경우 차단기(220)를 개방하여 인버터(300)와 스트링 케이블(110)들의 연결을 차단한다.
이와 같이 접속함 내의 차단기(220)를 이용하여 스트링 케이블(110)들과 인버터(300) 사이의 연결을 차단하면, 직렬 아크는 소호시킬 수 있으나 병렬 아크는 소호시킬 수 없다. 태양광 모듈은 빛이 있는 한 발전을 계속하므로 스트링(100)과 스트링 케이블(110)의 양극배선(111)과 음극배선(112) 사이에서 발생하는 병렬 아크는 차단기(220)가 개방되어도 소호되지 않는다. 이는 시판되고 있는 기존의 아크 검출 차단 기능이 있는 접속함을 사용하는 경우, 직렬 아크는 소호가 가능하지만 병렬 아크에 대하여는 아무런 대책이 없음을 의미한다.
또한, 2022년 1월 1일부터 개정 시행된 한국전기설비규정(KEC)의 “522.1.1. 라” 항에 “직렬 연결된 태양전지 모듈의 배선은 과도과전압의 유도에 의한 영향을 줄이기 위하여 스트링 양극 간의 배선간격이 최소가 되도록 배치할 것”이라는 규정이 추가되었다.
이러한 규정에 따라, 스트링 케이블(110)은 도 1에 도시한 바와 같이, 양극배선(111)과 음극배선(112)의 간격이 최소가 되도록 배치되어야 한다.
따라서, 상기 규정이 추가되기 이전에 비해, 음극배선(112)에 필요한 케이블의 길이가 종전보다 길게 증가하였으며, 양극배선(111)과 음극배선(112)의 간격을 가깝게 설치한다는 것은 이들 두 배선 간에 발생하는 병렬 아크의 발생 가능성이 종전보다 증가하였음을 의미한다. 따라서, 병렬 아크에 의한 화재 예방의 필요성도 증가하게 되었다.
또, 아크 검출 기능이 있는 기존의 접속함(200)을 설치하는 경우, 스트링(100)과 스트링 케이블(110)에서 아크가 검출되면 접속함 내부에 있는 차단기(220)가 개방(차단)되며, 이때, 직렬 아크는 소호된다. 그러나, 태양광이 있으면 스트링은 발전을 지속하고 양극배선(111)과 음극배선(112) 사이에는 발전 전압이 존재하게 된다. 따라서, 병렬 아크는 소멸되지 않고 지속되어 화재로 진행될 가능성이 있다. 도 1에서 번개 표시 부분은 차단기(220)가 차단된 이후에 병렬 아크의 발생이 가능한 위치를 나타낸다.
또한, 기존의 아크 검출 차단 기능이 있는 접속함을 사용하는 경우, 다수의 스트링(100)들과 스트링 케이블(110)중에서 특정한 1개소에서 아크가 발생하는 경우에도 모든 발전 전력을 인버터로 보내는 차단기(220)가 개방되는 구조이므로 모든 스트링(100)들의 전력 생산이 중단되기 때문에 발전 전력의 생산량이 저감되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 직렬과 병렬 아크 모두의 소호가 가능한 아크 검출차단 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 과제는 아크가 검출되어 차단하는 경우, 종전처럼 전체 발전이 중단되는 것이 아니라, 아크가 검출된 스트링만 차단하고, 나머지 정상적인 스트링들은 발전을 계속하여, 전력 생산의 증대가 가능한 아크 차단 장치를 제공함에 있다.
또한, 아크 검출 시 또는 화재 발생 등의 비상시에 자동 또는 수동으로 긴급차단(Rapid Shutdown)이 가능하게 하여, 소방원과 발전 설비 관리 담당자의 감전사고를 방지할 수 있으며, 접속함 일체형 멀티 스트링 인버터를 사용하는 대다수의 중소형 태양광 발전 시스템과 건물형 태양광 발전 시스템 경우, 현재는 아크 검출과 급속차단 기능이 시공되지 않고 있지만, 본 발명의 스트링레벨(SLPE) 장치는 멀티 스트링 인버터를 사용하는 발전 시스템에 사용이 가능한 구조이며, 모듈레벨(MLPE) 장치에 비해 소요비용이 저렴하고 간단하며, 기존의 발전소에 아크에 의한 화재 방지와 감전 방지 기능의 추가 시공이 용이한 것도 장점이다.
특히, 벽면에 설치하는 건물형 발전 시스템 경우 모듈레벨 장치는 고장 시, 고장탐구(troubleshooting)와 교체 작업이 매우 어렵기 때문에 출시되어 있는 모듈레벨(MLPE) 아크 차단 장치나 급속 차단 장치를 설치하지 않고 있는 실정이다. 그러나, 본 발명의 스트링 레벨 아크 차단 및 급속 차단 장치는 모듈마다 설치하지 않고 스트링 당 하나를 설치하므로 모듈들을 탈 부착할 필요가 없으며, 점검 및 교체가 용이하다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 아크 검출 차단 장치는, 태양광발전 스트링들과, 상기 태양광 스트링들 각각과 인버터 사이를 전기적으로 연결하는 복수의 스트링 케이블들과, 스트링들에서 생산된 직류를 교류로 변환하는 상기 인버터와, 상기 각각의 스트링과 스트링 케이블에서 아크 발생을 검출하고, 아크가 검출되는 스트링을 인버터와 분리 (차단)시키는 스트링 레벨(String Level Power Electronics) 구조의 아크 검출 차단 장치로 구성된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 인버터는, 인버터에 연결되는 다수의 태양광 스트링 각각의 전류와 전압이 다른 스트링들의 입력단으로 역류하거나 영향을 미치지 않도록 블로킹 다이오드(Blocking Diode)를 포함하는 멀티 스트링 인버터를 사용하는 태양광 발전 시스템에 적용하는 스트링 레벨 아크 검출 차단 장치이다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스트링 케이블은, 양극배선과 음극배선을 포함하며, 음극배선은 상기 태양광 스트링을 구성하는 태양광 모듈들의 직렬 연결 배선 경로와 양극배선의 경로에 근접된 경로를 따라 배선간격이 최소가 되도록 인버터의 입력단자까지 배치되어, 한국전기설비규정(KEC) “522.1.1. 라” 항의 요건에 부합하는 태양광발전 스트링들에 장착하는 아크 검출 차단 장치이다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 아크 검출 차단장치는, 태양광발전 스트링과 스트링 케이블에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출부와, 상기 아크 검출부에서 아크가 검출되면 상기 스트링의 양극(+) 측 양극배선을 차단하는 제1차단부와, 음극(-) 측 음극배선을 차단하는 제2차단부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1차단부는, 태양광 스트링과 스트링 케이블에서 발생 아크를 검출하는 아크 검출부와, 아크 검출 시 제1차단부에 있는 개폐(차단)장치를 제어하는 개폐 제어부와, 상기 스트링의 양극(+) 측 양극배선을 차단하는 개폐(차단)장치를 포함하는 제1차단부에 의해, 태양광발전 스트링의 양극(+) 측 양극배선을 개방(차단)한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2차단부는, 상기 제1차단부에 있는 아크 검출부에서 아크를 검출하면 제1차단부에 있는 개폐제어장치가 제1차단부에 있는 개폐장치와 제2차단부에 있는 개폐장치로 차단 동작 명령 신호를 동시에 송출하고, 제2차단부의 개폐장치는 태양광발전 스트링의 음극(-) 측 음극배선을 개방(차단)한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1차단부에 있는 아크 검출부에서 아크 검출 시, 제1차단부에 있는 개폐제어장치가 제2차단부에 있는 개폐(차단)장치를 개방(차단)하기 위한 신호 전달 방법은, 무선 통신 또는 전력선(PLC) 통신, RS485 등의 유선 통신 또는 전선을 사용하는 제어 회로 구성 등의 방법을 사용하여 제2차단부에 있는 개폐(차단)장치를 개방하여, 스트링의 음극(-) 측 음극배선을 차단한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1차단부와 상기 제2차단부에 있는 개폐장치는, 무접점 반도체 소자 또는 유접점 장치로 개폐(차단)할 수 있으며, 무접점 반도체 소자로 구성 경우, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 전계효과 트랜지스터(FET)를 사용할 수 있으며, 유접점 장치로 구성 경우는, 트립코일(Trip Coil)이 있는 차단기 또는 개폐기 또는 직류 고압 계전기(DC High Voltage Relay)를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치는, 태양광발전 설비의 화재 발생 시 진화 작업을 하는 소방원의 감전 사고를 방지하기 위한 급속차단 기능이 부가된 것을 특징으로 하는 아크 검출 차단 장치이며, 급속차단(Rapid Shutdown)을 개시하는 스위치가 제1차단부의 개폐 제어부에 연결된다. 이 기능은 태양광발전 설비의 설치 및 점검 시 작업자의 감전을 방지하는 용도로도 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치에는, 아크가 검출되어 스트링을 자동 차단하는 경우, 차단된 스트링의 번호와 차단 일시 등을 모니터링하거나 이와 같은 이벤트 발생을 지정된 관리자의 모바일 폰으로 알리기 위한 통신 장치를 포함할 수 있다.
본 발명은 각 스트링마다 아크 검출 차단 장치를 배치하되, 각 스트링의 양극(+) 쪽 끝(모듈의 양극 커넥터)에 아크 검출부와 양극 측 개폐장치를 포함하는 제1차단부를 배치하고, 각 스트링의 음극(-) 쪽 끝(모듈의 음극 커넥터)에는, 제1차단부에 있는 아크 검출부의 신호에 의해 작동되는 음극 측 개폐장치를 포함하는 제2차단부를 배치하여, 아크가 검출 시 상기 2개소에서 전로를 차단함으로써, 직렬 및 병렬 아크 모두를 소호시킬 수 있는 효과가 있다.
직렬 및 병렬 아크의 소호(소멸)에 의해 궁극적으로 아크에 의한 화재 발생을 사전에 예방 및 방지할 수 있다.
또, 본 발명은 스트링 레벨(SLPE) 장치이므로, 모듈 레벨(MLPE) 장치에 비해, 장치의 소요 수량이 적기 때문에 설치 및 유지 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 스트링레벨 장치이므로, 특정 태양광 스트링이 아크에 의해 차단되는 경우, 정상적인 나머지 스트링들은 지속적인 전력 생산이 가능하므로, 생산 전력량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 태양광발전 모듈을 건물의 벽면에 설치하는 건물형 발전 시스템 경우, 아크 검출 차단 기능 또는 급속차단 기능이 부가되어 있는 모듈레벨(MLPE) 장치들(optimizer, micro-inverter)이 출시되어 있으나, 이들 장치들은 전력 생산 효율의 증대가 주기능이므로 상대적으로 단가가 비싸며, 모듈 당 하나씩 장착하는 모듈레벨(MLPE) 장치이므로 많은 수량이 필요하므로 소요비용이 적지 않으며, BIPV 등의 건물형 태양광 발전 시스템에 모듈레벨(MLPE) 장치를 시공하는 경우, 고장 발생 시, 고장탐구와 교체 작업이 매우 어렵기 때문에 이들 모듈레벨 장치들은, 화재에 대한 보호가 중요한 건물형 태양광발전 시스템에 전혀 시공되지 않고 있다.
본 발명의 스트링 레벨 장치는 스트링 당 하나씩 설치하는 구조이므로, BIPV 등의 건물형 태양광발전 시스템에 아크 검출 차단 기능 또는 급속차단 기능이 있는 모듈레벨(MLPE) 장치들(optimizer, micro-inverter)이 사용되지 않는 상기 요인들을 모두 해결하거나 완화시킬 수 있는 효과가 있다. 예를 들면, 스트링 레벨(SLPE) 장치는 소요 수량이 적기 때문에 설치 및 유지 비용이 저렴하고, 장치의 고장 시 점검 및 교체를 위해 모듈을 탈ㆍ부착할 필요가 없으므로, 점검 및 수리가 용이하며, 아크 검출 차단과 급속차단 기능만을 구현한 저렴한 장치는 화재와 감전사고 방지를 위해 실효적인 기여가 가능하다.
도 1은 종래 태양광 발전 설비에 적용된 아크 검출 차단 기능이 있는 접속함 사용 경우의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 검출 차단 장치의 구성도이다.
도 3은 아크 검출 차단 장치의 상세 블록 구성도이다.
이하, 본 발명의 아크 검출 차단 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 아크 검출 차단 장치의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 아크 검출 차단부(40)는, 복수의 태양광발전 스트링(10)과, 상기 스트링(10) 각각과 멀티 스트링 인버터(30)를 연결하는 복수의 스트링 케이블(20)과, 상기 태양광 스트링(10)과 스트링 케이블(20)에서 발생하는 아크를 검출하고, 아크 검출 시 아크가 발생한 스트링(10)과 스트링 케이블(20)을 인버터에서 분리(차단)하는 아크 검출 차단부(40)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 아크 검출 차단 장치의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 태양광발전 스트링(10)은 요구되는 출력 전압을 얻기 위해 태양광 발전 모듈들이 직렬로 연결되어 있는 회로 부분이다.
본 발명은 다수의 태양광발전 스트링(10)을 포함하는 태양광발전 시스템에 적용되며, 특히 건물일체형(BIPV) 태양광 발전 시스템처럼 멀티 스트링 인버터를 사용하는 시스템에 적용되는 스트링 레벨 장치이다.
태양광발전 스트링(10)은 다수의 태양광 모듈이 직렬로 연결된 구조이며, 태양광발전 스트링(10)의 양쪽 끝에는 스트링 케이블(20)이 연결된다.
도 2에서 태양광발전 스트링(10)은 5개 모듈 x 2개의 그룹으로 연결된 것처럼 도시되어 있다. 이는 10개 모듈을 1개 그룹으로 직렬 연결한 스트링과 전기적으로는 동일하지만, 모듈들의 배치에 따라 인버터에 연결되는 스트링 케이블(20)의 양극배선(21)과 음극배선(22) 경로가 달라질 수 있으며, 특히 음극배선(22)의 경로가 많이 달라진다.
2022년 1월 1일부터 개정 시행된 한국전기설비규정(KEC) “522.1.1. 라” 항에 추가된 “직렬 연결된 태양전지 모듈의 배선은 과도과전압의 유도에 의한 영향을 줄이기 위하여 스트링 양극 간의 배선간격이 최소가 되도록 배치할 것”이라는 규정에 따라, 음극배선(22)은 스트링을 구성하는 모듈들을 직렬 연결한 배선 경로와 양극배선(21)의 경로에 근접한 경로를 따라 배선간격이 최소가 되도록 인버터의 입력단자에 연결되어야 하며, 스트링의 음극(-) 측 끝에서 최단 경로로 직접 인버터의 입력단자에 연결할 수 없다.
이와 같은 한국전기설비규정(KEC)의 요건에 의한 근접된 배선은 병렬 아크의 발생 가능성을 증가시키는 결과가 된다.
멀티 스트링 인버터(30)는 역류 방지용 블로킹 다이오드(Blocking Diode)가 내장되어 인버터의 입력단자에 연결되는 스트링(10)들 각각의 발전 전류가 다른 스트링들의 입력 단자로 역류하지 않고, 각 스트링(10)들의 전압도 다른 스트링들의 입력 단자에 영향을 미치지 않도록 설계된 멀티 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 채널을 갖는 멀티 스트링 인버터를 의미한다.
즉, 본 발명의 아크 검출 차단 장치는 별도의 접속함 설치가 필요 없는 접속함 일체형 멀티 스트링 인버터를 사용하는 발전시스템에 적용되며, 태양광발전 스트링(10)들은 스트링 케이블(20)들을 통해, 멀티 스트링 인버터(30)의 입력단자에 연결되며, 태양광발전 스트링(10)의 양쪽 끝과 스트링 케이블(20)의 사이에 아크 검출 차단부(40)가 배치된다.
도 3은 아크 검출 차단부(40)의 상세 구성 예시도이다.
도 3을 참조하면, 아크 검출 차단부(40)는 각 태양광발전 스트링(10)의 양극(+) 쪽 끝과 스트링 케이블(20)의 양극배선(21) 사이에 설치되는 제1차단부(41)와, 상기 스트링(10)의 음극(-) 쪽 끝과 스트링 케이블(20)의 음극배선(22) 사이에 설치되는 제2차단부(42)를 포함한다.
상기 제1차단부(41)는 아크 검출부, 개폐 제어부, 개폐장치로 구성되며, 아크 검출부에서 아크가 검출되면 개폐 제어부는 제1차단부에 있는 개폐(차단)장치를 개방시켜 태양광발전 스트링(10)의 양극(+) 쪽 끝과 양극배선(21) 사이를 개방함과 동시에 제2차단부(42)에 있는 개폐장치에 개방 명령 신호를 송출한다.
상기 제2차단부(42)는 제1차단부(41)의 개폐 제어부로부터 개방 명령 신호가 입력되면, 제2차단부(42)에 있는 개폐(차단)장치가 태양광발전 스트링(10)의 음극(-) 측 끝과 음극배선(22) 사이를 개방한다.
이때 제1차단부에서 제2차단부로 차단 명령 신호를 송출하는 방법은 무선통신 또는 RS485, 전력선통신(Power Line Communication) 등의 유선통신 방법이거나 전선을 사용하는 제어 회로를 구성할 수도 있다.
상기 제1차단부(41)와 제2차단부(42)에 있는 개폐(차단)장치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전계효과 트랜지스터(FET), SSR(Solid State Relay) 등의 무점점 반도체 소자일 수도 있고, 직류용 고전압 계전기(DC High Voltage Relay) 또는 트립코일(Trip Coil)이 있는 직류 배선용 차단기(Circuit Breaker) 또는 배선용 개폐기(Circuit Switch) 등의 유접점 개폐장치를 사용할 수도 있다.
상기 제1차단부(41)에 있는 아크 검출부에서 아크가 검출되면, 개폐 제어부에 의해 제1차단부(41)와 제2차단부(42)에 있는 개폐(차단)장치는 동기화되어 동시에 차단 동작을 하며, 태양광발전 스트링(10)의 양극(+) 쪽 끝과 양극배선(21) 사이를 개방함과 동시에 상기 스트링(10)의 음극(-) 쪽 끝과 음극배선(22) 사이를 개방한다.
상기와 같이 태양광발전 스트링의 전로에 있는 2개소를 개방하면 직렬 아크와 병렬 아크 모두에 대한 소호(아크 소멸)가 가능하다. 만약 상기의 2개소가 아니라 1개소만 차단 경우는 직렬 아크는 소멸되지만 병렬 아크는 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 태양광발전 스트링의 양극(+) 측과 음극(-)측 2개소를 차단(개방)함에 따라 직렬 아크의 소호는 물론이고, 같은 경로로 근접 배치된 전로 사이에서 발생하는 병렬 아크도 소호가 가능하여, 궁극적으로 아크에 의한 화재 발생을 사전에 예방 및 방지할 수 있다.
본 발명은 스트링 레벨(SLPE) 장치이므로, 고장 발생 시, 점검과 교체를 위해 태양광발전 모듈을 탈부착할 필요가 없으므로 건물 일체형(BIPV) 태양광 발전 시스템에도 사용할 수 있으며, 모듈 레벨(MLPE) 장치에 비해, 장치의 소요 수량이 적기 때문에 설치 및 유지 비용을 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아크가 발생되는 태양광발전 스트링(10)만을 선택적으로 시스템에서 분리하기 때문에 정상적인 다른 태양광 스트링(10)들에서 생산되는 전력은 멀티 스트링 인버터(30)로 공급되므로, 전력 생산량의 증대가 가능하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
예를 들어, 아크가 검출되어 태양광발전 스트링을 자동 차단하는 경우, 차단된 스트링의 번호와 차단 일시 등을 모니터링하거나 이와 같은 이벤트의 발생 시 지정된 관리자의 모바일 폰으로 SMS(Short Message Service)를 전송하기 위한 통신 장치를 포함할 수 있다.
10:태양광 스트링 20:스트링 케이블
30:멀티 스트링 인버터 40:아크 검출 차단부

Claims (10)

  1. 태양광 스트링들;
    태양광발전 스트링들에서 생산된 직류를 교류로 변환하는 인버터;
    상기 태양광 스트링들 각각과 상기 인버터 사이를 전기적으로 연결하는 복수의 스트링 케이블; 및
    상기 스트링 각각에서 아크 발생을 검출하고, 아크 발생 시 스트링을 차단하는 아크 검출 차단부를 포함하며,
    상기 스트링 케이블은,
    양극배선과 음극배선을 포함하고,
    음극배선은 상기 태양광 스트링을 구성하는 태양광발전 모듈들의 직렬 연결 경로와 양극배선의 경로에 근접된 경로를 따라 인버터의 입력단자까지 연결되어, 한국전기설비규정(KEC) “522.1.1. 라” 항의 요건에 부합하는 태양광 발전 스트링에 장착되고,
    상기 아크 검출 차단부는,
    태양광발전 스트링과 스트링 케이블에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출부; 및
    상기 아크 검출부에서 아크가 검출되면 상기 스트링의 양극배선을 차단하는 제1차단부와, 음극배선을 차단하는 제2차단부를 포함하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는,
    다수의 태양광발전 스트링 각각의 전류가 다른 태양광 스트링의 입력단자로 역류되지 않도록 블로킹 다이오드를 포함하는 멀티 스트링 인버터를 사용하는 태양광 발전 시스템에 적용하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1차단부는,
    태양광발전 스트링과 스트링 케이블에서 발생 아크를 검출하는 아크 검출부;
    아크 검출 시, 제1차단부에 있는 개폐(차단)장치를 제어하는 개폐 제어부; 및
    상기 태양광발전 스트링의 양극(+) 쪽 양극배선을 차단하는 개폐장치를 포함하는 제1차단부에 의해, 태양광 스트링의 양극(+) 쪽 양극배선을 차단하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2차단부는,
    상기 제1차단부에 있는 아크 검출부에서 아크를 검출하면 제1차단부에 있는 개폐 제어장치가 제1차단부에 있는 개폐장치와, 제2차단부에 있는 개폐장치로 차단 동작 신호를 동시에 송출하며, 상기 제1차단부의 개폐장치는 태양광발전 스트링의 양극(+) 쪽 양극배선을 차단하고, 동시에 제2차단부의 개폐장치는 상기 태양광발전 스트링의 음극(-) 쪽 음극배선을 차단하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1차단부에 있는 아크 검출부에서 아크 검출 시, 제1차단부에 있는 개폐 제어장치가 제2차단부에 있는 개폐장치를 차단하기 위한 신호 전달 방법은,
    무선 통신 또는 전력선(PLC) 통신, RS485 등의 유선 통신 또는 전선을 사용하는 제어 회로 구성 등의 방법을 사용하여 제2차단부에 있는 개폐장치를 개방하고, 스트링의 음극(-) 쪽 음극배선을 차단하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1차단부와 상기 제2차단부에 있는 개폐(차단)장치는,
    무접점 반도체 소자 또는 유접점 장치로 차단 또는 개폐할 수 있으며, 무접점 반도체 소자로 구성 경우, 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 사용하고, 유접점 장치로 구성하는 경우는, 트립코일(Trip Coil)이 있는 차단기 또는 개폐기 또는 직류 고압 계전기를 사용하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치는,
    태양광 발전 설비의 화재 발생 시 진화 작업을 하는 소방원의 감전 사고를 방지하기 위한 급속차단(Rapid Shutdown) 기능이 부가되는 것을 특징으로 하는 아크 검출 차단 장치로써, 급속차단을 개시하는 스위치가 제1차단부에 있는 개폐 제어부에 연결되어, 태양광 발전설비의 설치 및 점검 시 작업자의 감전을 방지하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치에는,
    아크가 검출되어 태양광발전 스트링을 자동 차단하는 경우, 차단된 스트링의 번호와 차단 일시 등을 모니터링하거나 이와 같은 이벤트의 발생 시 지정된 관리자의 모바일 폰으로 SMS(Short Message Service)를 전송하기 위한 통신 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트링 레벨(SLPE) 구조의 아크 검출 차단 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015002606A (ja) * 2013-06-14 2015-01-05 三菱電機株式会社 Ｄｃアーク検知装置
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