KR102670331B1 - Dc 개폐 기능을 가진 태양광 접속반 - Google Patents

Dc 개폐 기능을 가진 태양광 접속반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC(Direct Current) 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 관한 것으로서, 서로 병렬 접속된 복수 개의 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 복수 개의 DC 개폐기; 및 상기 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 DC 어레이로부터 상기 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 어레이 개폐기;를 포함한다.

Description

DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반{Solar panel with DC switch function}
본 발명은 DC(Direct Current) 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 관한 것으로서, 특히 DC 어레이로부터 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속할 수 있고, 모든 DC 스트링의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속할 수 있는, DC(Direct Current) 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광발전시스템은 지락사고 등과 같은 절연고장에 대해 설비의 안전과 인체의 안전 성능을 향상하기 위해 지락사고 발생 시 전력계통과 연계된 태양광 인버터의 운전을 정지하여야만 한다. 이를 위해 인버터의 운전 전과 운전 중에 지락 감지를 위한 설비가 설치되어 운전된다. 지락 사고 발생 시 이를 감지하고 시스템을 안전하게 정지하여야만 하며, 태양광발전용 인버터는 단락, 절연이상 상태를 모니터링하고 안전하게 계통으로부터 분리해야만 한다.
종래의 중앙집중식 태양광 접속반은, 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 DC 스트링이 병렬로 연결된 구조를 갖는다. 여기서 DC측의 +단자와 접지간 연결 저항과 -단자와 접지간 연결 저항은 절연체와 같은 큰 저항이다. 일반적으로 태양광 인버터가 동작하기 전 인버터의 DC측 전압은 개방전압()이다. 지락이 되지 않은 상태에서는 이다[여기서, 및 는 각각+단자와 접지간 전압 및 -단자와 접지간 전압을 나타냄]. 만약, DC 어레이에 있어서 하나의 스트링에 지락이 생기게 되면 상태가 되고, 인버터는 지락을 감지하여 접지 불량(Ground fault) 상태가 되어 시스템이 운전되지 않는다. 그러나, 접지저항이 높으면 접지 불량을 인지하지 못하는 단점이 있다. 이를 방지하기 위해 인버터에 OCGR(Over Current Ground Relay)을 설치해 지락전류()를 감지하여 시스템을 정지시킬 수 있다. 예를 들면 태양광 모듈의 전면 유리파손을 예로 들 수 있다. 초기에 전면 유리가 핫스팟 등의 원인으로 깨지고 절연상태를 유지할 수 있으나, 반복되는 비나 눈으로 인한 수분 침투는 서서히 절연을 저하 시키게 되어 더 큰 화재 사고의 원인이 될 수 있다. 즉, 와 >0 인 상태를 인지하지 못해서 시스템이 운전된다면 큰 사고를 초래할 수 있을 것이다.
종래의 중앙집중식 태양광 접속반은 지락전류를 차단하기 위하여 DC 스트링의 양극 단자 및 음극 단자 측에 퓨즈가 설치된다. 일반적으로 500W급 이하 태양광모듈의 경우 20A의 퓨즈가 설치되는데, 500W급 이상 태양광 모듈에는 25~30A의 퓨즈가 설치된다. 만약 500W급 이상 태양광 모듈을 사용할 경우, 20~30A 이하의 지락전류가 흐르고 있는 상태에서는 퓨즈가 차단되지 않아 지락전류를 차단하지 못하는 상태가 될 수 있다. 만약 이때 인체의 접촉이 발생될 경우 인명피해가 발생될 수도 있다.
한편, 인버터 동작중, 누설전류가 5mA 이내일 경우 KS 인증기준에 적합하다. 그러나, DC 어레이에서의 지락전류가 10mA일 경우 인버터의 누설전류와 중첩이 되고 5mA 이내로 지락전류를 검출하여 시스템을 정지하기 어려울 수 있다.
국내 공개특허 10-2012-0038067호(발명의 명칭 : 태양광 발전용 태양전지 접속반 장치 및 그의 전류센서 옵셋 보정 방법)
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 모든 DC 스트링에 대해서 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정을 위해 사용될 수 있으며, DC 어레이의 절연 불량 시 DC 어레이로부터 태양광 인버터로의 전기 접속을 차단하기 위해 사용될 수 있는 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반은 태양광 모듈에서 생산된 직류 전원을 태양광 인버터에 제공하는, DC(Direct Current) 개폐 기능을 가진 태양광 접속반으로서, 서로 병렬 접속된 복수 개의 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 복수 개의 DC 개폐기; 및 상기 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 DC 어레이로부터 상기 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 어레이 개폐기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반은 상기 복수 개의 DC 스트링의 양극 단자와 상기 DC 개폐기 사이에 설치되어 설정된 전류 이상의 과전류가 흐르는 것을 방지하는 복수 개의 과전류 보호용 퓨즈를 더 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반은 상기 복수 개의 DC 스트링의 음극 단자와 상기 DC 개폐기 사이에 설치되어 지락전류가 흐르는 것을 방지하는 복수 개의 지락전류 보호용 퓨즈를 더 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 있어서, 상기 DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전압 측정시, 전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 개방상태가 되고, 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 음극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단될 수 있다.
상기 실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 있어서, 상기 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정시, 전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 개방상태가 되고, 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 양극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 의하면, 서로 병렬 접속된 복수 개의 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 복수 개의 DC 개폐기; 및 상기 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 DC 어레이로부터 상기 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 어레이 개폐기;를 포함하여 구성됨으로써, 모든 DC 스트링에 대해서 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정을 위해 사용될 수 있으며, DC 어레이의 절연 불량 시 DC 어레이로부터 태양광 인버터로의 전기 접속을 차단하기 위해 사용될 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 중앙집중식 태양광 접속반의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 자료 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 자료 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 자료 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예를 설명하기 앞서, 본 발명에 적용되는 DC 어레이에 대해 설명하면 다음과 같다.
DC 스트링은 복수 개의 태양광 모듈이 직렬 접속된 구성을 갖는다.
DC 어레이는 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 구성을 갖는다.
DC 어레이에서 생산된 직류 전원은 태양광 인버터(I)에 제공되어 DC-AC 변환이 이루어져 교류 전원으로 변환된다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반은, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개의 DC 개폐기(20), 어레이 개폐기(10), 복수 개의 과전류 보호용 퓨즈(30), 및 복수 개의 지락전류 보호용 퓨즈(40)를 포함한다.
복수 개의 DC 개폐기(20)는 각각 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하는 역할을 한다. 여기서 양극 단자로부터 접지로의 전기 접속 경로와 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속 경로는 분리되어 있다. 복수 개의 DC 개폐기(20)는 각각의 DC 스트링에 있어서 양극 단자로부터 접지로의 전압 측정과 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정 시 개폐 동작이 이루어질 수 있다.
어레이 개폐기(10)는 DC 어레이로부터 태양광 인버터로(I)의 전기 접속을 단속하는 역할을 한다. 어레이 개폐기(10)는 DC 어레이에서 절연 불량이 검출되면 개방되어 DC 어레이로부터 태양광 인버터(I)로의 전기 접속이 차단될 수 있다.
복수 개의 과전류 보호용 퓨즈(30)는 각각 DC 스트링의 양극 단자와 DC 개폐기(20) 사이에 설치되어 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우, 개방되어 태양광 인버터(I)로 과전류가 인입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수 개의 지락전류 보호용 퓨즈(40)는 각각 DC 스트링의 음극 단자와 DC 개폐기(20) 사이에 설치되어 지락전류가 흐를 경우, 개방되어 태양광 인버터(I)로 지락전류가 인입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반의 작용을 설명하기로 한다.
[DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전압 측정]
먼저, 전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기(20)는 개방상태가 된다.
다음, 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기(20)는 전압 측정 대상인 DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 전압 측정 대상인 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단된다.
[DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정]
먼저, 전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기(20)는 개방상태가 된다.
다음, 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기(20)는 전압 측정 대상인 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 양극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단된다.
[DC 어레이의 절연 불량 시 어레이 개폐기 동작]
어레이 개폐기(10)는 제어부(미도시됨)에 의해 DC 어레이의 절연 불량이 검출되면, 제어부에 의해 개방되어 DC 어레이로부터 태양광 인버터(I)로의 전기 접속이 차단되어 태양광 인버터(I)를 보호할 수 있다.
[태양광 DC 어레이 관리 방법]
먼저, 제어부가 환경 센서(태양광 발전 시스템에 장착되어 일사량을 측정함) 및 태양광 모듈 표면 온도 센서(태양광 모듈 표면 온도를 측정하기 용이한 위치에 설치됨)에서 일사량 데이터 및 태양광 모듈 표면 온도 데이터를 입력받는다.
다음, 제어부가 입력된 일사량 데이터 및 태양광 모듈 표면 온도 데이터를 Voc 회귀모델인 다음의 [수학식 1]에 입력시켜 개방전압(Voc)을 추론한다.
[수학식 1]
[여기서, 는 선형회귀방법으로 도출된 계수를 나타내며, 은 일사량(W/m2)을 나타내며, 는 개방전압의 온도계수를 나타내며, 은 태양광 모듈 표면 온도임]
다음, 제어부는 추론된 개방전압(Voc)을 2로 나누어 태양광 DC 어레이의 양극 단자 전압을 추론한다.
다음, 제어부는 도 1의 태양광 접속반의 DC 개폐기(20)를 개폐 동작시키면서 모든 DC 스트링의 양극 단자 전압 데이터를 획득한다.
다음, 제어부가 추론된 양극 단자 전압에서 측정된 모든 DC 스트링의 양극 단자 전압을 감산하여 모든 스트링의 양극 단자 전압 차이를 산출한다.
다음, 제어부가 산출된 모든 스트링의 양극 단자 전압 차이 중 설정값 이상되는 것이 존재하는지 여부를 결정한다.
만약, 설정값 이상되는 스트링의 양극 단자 전압 차이가 존재하지 않으면, 제어부가 태양광 DC 어레이의 상태를 정상 상태로 결정한다.
한편, 설정값 이상되는 스트링의 양극 단자 전압 차이가 존재하면, 제어부가 태양광 DC 어레이 절연 불량으로 결정하고, 어레이 개폐기(10)를 작동시켜 태양광 인버터(I)로부터 태양광 DC 어레이 연결을 차단한다.
본 발명의 실시예에 의한 DC 개폐 기능을 가진 태양광 접속반에 의하면, 서로 병렬 접속된 복수 개의 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 복수 개의 DC 개폐기; 및 상기 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 DC 어레이로부터 상기 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 어레이 개폐기;를 포함하여 구성됨으로써, 모든 DC 스트링에 대해서 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정을 위해 사용될 수 있으며, DC 어레이의 절연 불량시 DC 어레이로부터 태양광 인버터로의 전기 접속을 차단하기 위해 사용될 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
I: 태양광 인버터
10: 어레이 개폐기
20: DC 개폐기
30: 과전류 보호용 퓨즈
40: 지락전류 보호용 퓨즈

Claims (5)

  1. 태양광 모듈에서 생산된 직류 전원을 태양광 인버터(I)에 제공하는, DC(Direct Current) 개폐 기능을 가진 태양광 접속반으로서,
    서로 병렬 접속된 복수 개의 DC 스트링 각각의 양극 단자 및 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 복수 개의 DC 개폐기(20); 및
    상기 복수 개의 DC 스트링이 병렬 접속된 DC 어레이로부터 상기 태양광 인버터로의 전기 접속을 단속하도록 구성된 어레이 개폐기(10);를 포함하며,
    상기 어레이 개폐기는 상기 DC 스트링 중 하나의 DC 스트링에라도 설정값 이상 되는 양극단자 전압이 존재할 경우, DC 어레이 절연 불량으로 결정하고, 상기 태양광 인버터로부터 상기 DC 어레이로의 연결을 차단하며
    상기 DC 어레이를 관리하기 위해,
    일사량을 측정하는 환경 센서;
    상기 태양광 모듈의 표면 온도를 측정하는 태양광 모듈 표면 온도 센서; 및
    상기 환경 센서 및 태양광 모듈 표면 온도 센서에서 일사량 데이터 및 태양광 모듈 표면 온도 데이터를 입력받아 다음 [수학식 1]에 입력시켜 상기 DC 어레이의 개방전압(Voc)을 추론하고, 추론된 개방전압을 2로 나누어 상기 DC 어레이의 양극 단자 전압을 추론하고, 추론된 양극 단자 전압에서 측정된 모든 DC 스트링의 양극 단자 전압을 감산하여 모든 스트링의 양극 단자 전압 차이를 산출하고, 설정값 이상되는 스트링의 양극 단자 전압 차이가 존재하는지 여부를 결정하고, 설정값 이상되는 스트링의 양극 단자 전압 차이가 존재하지 않으면 정상 상태로 결정하는 한편, 설정값 이상되는 스트링의 양극 단자 전압 차이가 존재하면 DC 어레이 절연 불량으로 결정하고 상기 어레이 개폐기를 작동시켜 상기 태양광 인버터로부터 상기 DC 어레이로의 연결을 차단하도록 구성된 제어부;를 포함하는 태양광 접속반.

    [수학식 1]

    [여기서, 는 선형회귀방법으로 도출된 계수를 나타내며, 은 일사량(W/m2)을 나타내며, 는 개방전압의 온도계수를 나타내며, 은 태양광 모듈 표면 온도임]
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 DC 스트링의 양극 단자와 상기 DC 개폐기(20) 사이에 설치되어 설정된 전류 이상의 과전류가 흐르는 것을 방지하는 복수 개의 과전류 보호용 퓨즈(30)를 더 포함하는 태양광 접속반.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 DC 스트링의 음극 단자와 상기 DC 개폐기(20) 사이에 설치되어 지락전류가 흐르는 것을 방지하는 복수 개의 지락전류 보호용 퓨즈(40)를 더 포함하는 태양광 접속반.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전압 측정시,
    전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 개방상태가 되고,
    상기 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링의 양극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 음극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단되는 태양광 접속반.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전압 측정시,
    전압 측정 대상인 DC 스트링을 제외한 나머지 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 개방상태가 되고,
    상기 전압 측정 대상인 DC 스트링에 접속된 DC 개폐기는 상기 전압 측정 대상인 DC 스트링의 음극 단자로부터 접지로의 전기 접속은 유지되고, 양극 단자로부터 접지로의 전지 접속은 차단되는 태양광 접속반.
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KR (1) KR102670331B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120038067A (ko) 2010-10-13 2012-04-23 현대중공업 주식회사 태양광 발전용 태양전지 접속반 장치 및 그의 전류센서 옵셋 보정 방법
JP2014033519A (ja) * 2012-08-02 2014-02-20 Mitsubishi Electric Corp パワーコンディショナ
JP2015032602A (ja) * 2013-07-31 2015-02-16 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 太陽光発電システム及び太陽光発電方法
KR20220131617A (ko) * 2021-03-22 2022-09-29 한국에너지기술연구원 태양광 dc 어레이의 고장 전류 검출 알고리즘을 이용한 회로분리 장치가 적용된 스마트 접속반을 포함하는 태양광 발전 시스템
KR102543338B1 (ko) * 2022-11-30 2023-06-15 (주)에스케이솔라에너지 고장 조기검출을 통해 사고예방이 가능하고 발전효율이 우수한 bipv 태양광시스템

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