KR20240014457A - 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템 Download PDF

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(주)한빛이노텍
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Abstract

본 발명은 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인하도록 한 것이다.

Description

지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템{Enhanced solar photovoltaic power generation system for blocking earth fault}
본 발명은 태양광 발전 기술에 관련한 것으로, 특히 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템(Solar photovoltaic power generation system)은 태양의 빛 에너지를 태양 전지를 이용하여 직접 전기 에너지로 변환하는 시스템으로, 발전 시 이산화탄소가 발생하지 않고, 반영구적으로 전기를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
도 1 은 통상적인 태양광 발전 시스템을 예시한 도면이다. 도 1 에 도시한 바와 같이 통상적인 태양광 발전 시스템(10)은 다수의 태양광 스트링(11)들과, 적어도 하나의 인버터(12)와, 다수의 접속반(13)들을 포함한다.
다수의 태양광 스트링(11)들은 태양광을 광전 변환하여 직류 전력으로 출력한다. 태양광 스트링(11)은 태양광 패널들이 다수개 직렬로 연결되어 이루어지며, 각 태양광 패널들은 다수의 태양 전지셀들이 직/병렬 연결된다.
적어도 하나의 인버터(12)는 다수의 태양광 스트링(11)들에 의해 출력되어 입력되는 직류 전력들을 변환하여 교류 전력으로 출력한다. 인버터(12)로부터 출력되는 교류 전력은 상용 전력 계통(20)으로 제공되어 부하(주택, 건물, 빌딩 등의 전력 설비)로 공급된다.
다수의 접속반(13)은 다수의 태양광 스트링(11)들 각각의 출력단을 인버터(120) 입력단과 전기적으로 연결한다. 접속반(13)을 통해 다수의 태양광 스트링(11)들이 하나의 인버터(12)에 공통으로 병렬 연결될 수도 있고, 접속반(13)을 통해 다수의 태양광 스트링(11)들이 다수의 인버터(12)에 일대일로 직렬 연결될 수도 있다.
태양광 발전 시스템(10)에서 대지로 전류가 흐르는 지락(Earth Fault)은 태양광 스트링(11)들 출력단, 인버터(12) 입력단 및 인버터(12) 출력단에서 발생하며, 종래의 경우 인버터(12) 출력측에 전류 센서(14)를 설치하여 지락 전류를 검출하여 지락이 발생하면 인버터(12)를 차단하거나, 회로 전체를 차단하였다.
인버터(12)를 차단하거나, 회로 전체를 차단할 경우, 태양광 발전 시스템(10)의 태양광 발전 동작이 멈추게 되어 전기를 생산할 수 없었고, 태양광 발전 시스템(10)의 어느 부위에서 지락이 발생했는지 알 수 없었기 때문에 유지 보수 담당자가 태양광 발전 시스템(10) 전체를 점검하여 지락이 발생한 부분을 알아내야만 하는 불편함이 있었다.
더욱이, 태양광 스트링(11) 출력단과 인버터 입력단에서 지락이 발생하여 인버터에서 지락 차단 장치가 동작시 태양광 스트링(11)과 인버터(12) 입력단 간에 인가되는 높은 개방 전압(인버터가 차단된 상태에서의 태양광 스트링 출력 전압)이 소멸되지 않아 유지 보수 담당자가 이 부분을 점검시 감전 사고가 발생할 우려가 있었다. 또한, 태양광 스트링의 지락 동작 전류 이전의 1차적인 지락에 연이어 본격적인 2차 지락이 발생시 높은 아크 전류 발생으로 인해 화재의 위험도 있었다.
한편, 인버터(12) 출력단에서 지락이 발생한 경우, 상용 전력 계통(20)의 차단 장치(21)를 이용해 차단해야 하나, 상용 전력 계통(20)의 차단 장치(21)는 태양광 발전 시스템(10)의 유지 보수 담당자가 조작할 수 없었기 때문에 상용 전력 계통(20) 관리사의 협조가 필요하여 대응이 불가능하거나 대응이 늦어질 수 밖에 없었다.
한편, 상용 전력 계통(20) 관리사의 협조하에 상용 전력 계통(20)의 차단 장치(21)를 이용해 지락을 차단할 경우, 상용 전력을 사용하는 부하(주택, 건물, 빌딩 등의 전력 설비)들 중 일부가 전력을 공급받지 못할 수도 있어 전력 수용가에 피해가 발생할 우려도 있었다.
따라서, 본 발명자는 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인한 태양광 발전 시스템에 대한 연구를 하였다.
대한민국 등록특허 제10-2283826호(2021.08.02 공고)
본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인한 태양광 발전 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템이 태양광을 광전 변환하여 직류 전력으로 출력하는 다수의 태양광 스트링들과; 다수의 태양광 스트링들에 의해 출력되어 입력되는 직류 전력들을 변환하여 교류 전력으로 출력하는 단일의 인버터와; 다수의 태양광 스트링들 각각의 출력단을 단일의 인버터 입력단과 전기적으로 공통으로 병렬 연결하는 접속반과; 다수의 태양광 스트링들과 접속반 사이에 설치되되, 태양광 스트링들 각각의 (+) 출력단에 연결되는 제1스위치와, 태양광 스트링들 각각의 (-) 출력단에 연결되는 제2스위치와, 이웃하는 두 태양광 스트링들의 출력단 간에 연결되되, 하나의 태양광 스트링의 (-) 출력단과 다른 하나의 태양광 스트링의 (+) 출력단 간에 연결되는 제3스위치를 포함하는 매트릭스 스위치와; 매트릭스 스위치의 스위치 절환 제어를 통해 인버터 기동 및 지락 차단 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제어부가 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 이웃하는 두 태양광 스트링들 중 하나의 태양광 스트링의 제2스위치와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치를 오프(Off)시키고, 제3스위치를 온(On)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제어부가 매트리스 스위치에 의해 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서 인버터 입력 전압이 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 될 경우, 오프(Off) 상태의 하나의 태양광 스트링의 제2스위치와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치를 온(On)시키고, 온(On) 상태의 제3스위치를 오프(Off)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결되는 상태로 복귀하더라도 인버터가 정상 동작하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템이 인버터 출력단에 설치되어, 인버터 출력단 전류를 검출하는 제1전류 센서를 더 포함하고, 제1전류 센서에 의해 인버터 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 제어부가 태양광 스트링들 각각의 제1스위치와 제2스위치를 오프(Off)시켜 모든 태양광 스트링의 출력을 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터 출력단 지락을 차단하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템이 다수의 태양광 스트링들 각각의 출력단에 설치되어, 태양광 스트링 출력단 전류를 검출하는 다수의 제2전류 센서들을 더 포함하고, 제2전류 센서에 의해 특정 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출되고, 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결된 상태에서는 제어부가 해당 지락 전류가 검출된 태양광 스트링의 제1스위치와 제2스위치만 오프(Off)시켜 인버터 입력단과 병렬 연결되는 태양광 스트링들 중 지락이 발생한 태양광 스트링의 출력만 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링 출력단 지락을 차단하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제2전류 센서에 의해 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출되고, 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서는 제어부가 온(ON) 상태인 제1스위치와 제2스위치 및 제3스위치 중 적어도 하나를 오프(Off)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서의 태양광 스트링들의 출력이 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링 출력단 지락을 차단하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제1스위치와 제2스위치 및 제3스위치가 기계적인 접점 스위치인 릴레이(Relay) 스위치와, 논리적인 반도체 스위치인 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 스위치 병렬 구조로 구현될 수 있다.
본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인하므로, 안정적인 태양광 발전 시스템 운용이 가능한 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 통상적인 태양광 발전 시스템을 예시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 매트릭스 스위치의 스위칭 제어에 의해 다수의 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 경우의 스트링 출력 상태를 예시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 인버터 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결된 상태에서 특정 태양광 스트링 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 매트릭스 스위치의 스위칭 제어에 의해 다수의 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서 태양광 스트링 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 8 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 스위치 병렬 구조를 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
도 2 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도, 도 3 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 2 및 도 3 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템(100)은 다수의 태양광 스트링(110)들과, 단일의 인버터(120)와, 접속반(130)과, 매트릭스 스위치(140)와, 제어부(150)를 포함한다.
다수의 태양광 스트링(110)들은 태양광을 광전 변환하여 직류 전력으로 출력한다. 태양광 스트링(110)은 태양광 패널들이 다수개 직렬로 연결되어 이루어지며, 각 태양광 패널들은 다수의 태양 전지셀들이 직/병렬 연결된다.
단일의 인버터(120)는 다수의 태양광 스트링(110)들에 의해 출력되어 입력되는 직류 전력들을 변환하여 교류 전력으로 출력한다. 인버터(120)로부터 출력되는 교류 전력은 상용 전력 계통(200)으로 제공되어 부하(주택, 건물, 빌딩 등의 전력 설비)로 공급된다.
이 때, 인버터(120)가 최대 전력 추종 제어(MPPT : Power Point Tracking)를 통해 상용 전력 계통(200)으로 안정적인 교류 전력을 제공하도록 구현될 수 있다. 태양광 발전은 기후, 일사량, 온도 등과 같은 외부 조건에 민감하여 태양광 스트링(110)들로부터 출력되는 전압과 전류가 시시각각 바뀌는데, 최대 전력 추종 제어(MPPT)를 통해 상용 전력 계통(200)으로 안정적인 교류 전력을 제공할 수 있다.
태양광 스트링(110)의 출력단이 개방(Open) 상태, 즉 출력단의 저항이 무한대인 상태에서는 태양광 스트링(110)의 양단에 개방전압이 나타나고, 전류가 흐르지 않기 때문에 전달 전력(Power)은 0이 된다.
태양광 스트링(110)의 출력단의 저항이 점점 작아지게 되면, 저항에 전류가 흐르면서 전력이 전달되게 된다. 이 때 태양광 발전 특성상 많은 전류가 흐르게 되면서 전압이 떨어지게 되는데, 어느 정도 이상 저항이 줄어들게 되면 전압은 떨어지지만 더 이상 전류가 늘어나지 않는 지점이 존재하게 된다.
따라서, 외부 상황에 따라 적절하게 부하 조절을 통해 전류와 전압이 최대인 점 즉, 최대 전력을 얻을 수 있는 최대 전력 동작점(MPOP)을 얻을 수 있으며, 최대 전력 동작점(MPOP)은 외부의 조건인 기후, 일사량, 온도 등에 따라서 변하게 된다. 인버터(120)가 최대 전력 동작점(MPOP)을 추종하는 최대 전력 추종 제어(MPPT)를 통해 교류 전력을 출력하면, 상용 전력 계통(200)으로 안정적인 교류 전력을 제공할 수 있다.
한편, 인버터(120)의 교류 전력 출력은 상용 전력 보다 커야 한다. 인버터(120)에서 출력되는 교류 전력이 상용 전력 이하일 경우, 상용 전력 계통(200)의 상용 전력이 오히려 태양광 발전 시스템 측으로 역류하는 현상이 발생하는데, 이를 방지하기 위해 인버터(120)의 입력은 기동 전압 이상이면서 인버터 출력 효율을 위해 최대 동작 전압 이하로 유지되어야 한다.
접속반(130)은 다수의 태양광 스트링(110)들 각각의 출력단을 단일의 인버터(120) 입력단과 전기적으로 공통으로 병렬 연결한다. 예컨대, 접속반(130)을 통해 짝수개의 태양광 스트링(110)들이 단일의 인버터(120) 입력단과 전기적으로 공통(병렬) 연결되도록 구현될 수 있다.
매트릭스 스위치(140)는 다수의 태양광 스트링(110)들과 접속반(130) 사이에 설치되되, 제1스위치(141)들과, 제2스위치(142)들 및 제3스위치(143)들을 포함한다.
제1스위치(141)는 태양광 스트링(110)들 각각의 (+) 출력단에 연결된다. 제2스위치(142)는 태양광 스트링(110)들 각각의 (-) 출력단에 연결된다. 제3스위치(143)는 이웃하는 두 태양광 스트링(110)들의 출력단 간에 연결되되, 하나의 태양광 스트링의 (-) 출력단과 다른 하나의 태양광 스트링의 (+) 출력단 간에 연결된다.
도 3 을 참조해 보면, 태양광 스트링(110)들 각각의 양 출력단에 연결되는 제1스위치(141)와 제2스위치(142)들이 온(On)되고, 두 태양광 스트링(110)들의 출력단 간에 연결되는 제3스위치(143)는 오프(Off)되어, 태양광 스트링(110)들의 출력단들이 인버터(120) 입력단에 병렬 연결되어 있음을 볼 수 있다.
제어부(150)는 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환 제어를 통해 인버터(120) 기동 및 지락 차단 기능을 수행한다. 일출 전이나 일몰 후나 날씨가 흐린 경우 각 태양광 스트링(110)들의 출력 전압이 떨어지게 되므로, 인버터(120) 입력 전압이 기동 전압 이하로 떨어져 인버터가 동작하지 않게 된다.
본 발명은 인버터(120) 입력 전압이 기동 전압 이하로 떨어져 인버터가 동작하지 않는 상황에서 제어부(150)가 매트릭스 스위치(140)의 스위치들을 스위칭 제어하여 인버터(120)에 병렬 연결되는 태양광 스트링(110)들을 인버터(120)와 직렬 연결되도록 구현하여 인버터(120) 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시킴으로써 인버터가 기동하여 태양광 발전을 시작하거나 지속할 수 있다.
또한, 본 발명은 인버터 출력단 및 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 제어부(150)가 매트릭스 스위치(140)의 스위치들을 스위칭 제어하여 인버터 출력을 차단시키거나, 지락이 발생한 스트링 출력단 출력을 차단시킴으로써 지락을 차단하여 태양광 발전 시스템을 보호할 수 있다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인하므로, 안정적인 태양광 발전 시스템 운용이 가능하다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제어부(150)가 인버터(120) 입력 전압(120)이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 이웃하는 두 태양광 스트링(110)들 중 하나의 태양광 스트링의 제2스위치(142)와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치(141)를 오프(Off)시키고, 제3스위치(143)를 온(On)시켜 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 직렬 연결되도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터(120) 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터(120)가 기동하도록 구현될 수 있다.
예를 들면, 인버터(120)에 병렬 연결되는 태양광 스트링(110)들의 개방 전압(인버터 연결을 끊고 각 태양광 스트링의 출력을 개방한 상태에서 측정된 전압)은 통상 인버터 입력 정격 전압의 80% 정도가 된다.
예컨대, 본 발명은 일출 전 또는 일몰 후 또는 흐린 날씨에서 측정되는 태양광 스트링(110)들의 개방 전압이 인버터 입력 정격 전압의 65% 정도일 경우, 제어부(150)가 이웃하는 두 태양광 스트링(110)들 중 하나의 태양광 스트링의 제2스위치(142)와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치(141)를 오프(Off)시키고, 제3스위치(143)를 온(On)시키도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어한다.
그러면, 도 4 에 도시한 바와 같이 이웃하는 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 직렬 연결되어 태양광 스트링(110)들의 출력 전압들이 합해져 인버터(120) 입력 전압이 인버터 기동 전압 범위로 상승되어 인버터(120)가 기동되어 태양광 발전이 이루어진다.
도 4 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 매트릭스 스위치의 스위칭 제어에 의해 다수의 이웃된 태양광 스트링들이 매트리스 스위치로 직렬 연결된 경우의 스트링 출력 상태를 예시한 도면이다.
도 4 를 참조해 보면, 이웃하는 두 태양광 스트링(110)들 중 하나의 태양광 스트링의 제2스위치(142)와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치(141)가 오프(Off)되고, 제3스위치(143)가 온(On)되어 이웃하는 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 직렬 연결됨을 볼 수 있다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어질 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제어부(150)가 태양광 스트링(110)들이 직렬 연결된 상태에서 인버터 입력 전압이 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 될 경우, 오프(Off) 상태의 하나의 태양광 스트링의 제2스위치(142)와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치(141)를 온(On)시키고, 온(On) 상태의 제3스위치(143)를 오프(Off)시켜 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되는 상태로 복귀하더라도 인버터가 정상 동작하도록 구현될 수 있다.
예를 들면, 일출 전에 태양광 스트링(110)들이 인버터(120)에 직렬 연결된 상태에서 일출이 되면 이후 태양광 스트링(110)들 각각의 전압이 꾸준히 상승하게 되어 태양광 스트링(110)들 각각의 출력 전압이 합해진 인버터(120) 입력 전압 역시 상승한다.
인버터(120) 입력 전압이 상승하여 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 되면, 제어부(150)가 오프(Off) 상태의 하나의 태양광 스트링의 제2스위치(142)와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치(141)를 온(On)시키고, 온(On) 상태의 제3스위치(143)를 오프(Off)시키도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어한다. 그러면, 도 3 에 도시한 바와 같이 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되는 상태로 복귀하여 태양광 발전이 계속 지속된다.
인버터(120) 입력 전압이 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 되면, 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되도록 하는 이유는 인버터(120) 입력 전압이 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 되어야만 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되었을 때 태양광 스트링(110)들의 출력 전압이 인버터 정격 동작 전압 이상이 되어 인버터 기동 전압 보다 커지기 때문이다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 보다 커지면 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되는 상태로 복귀되어 태양광 발전이 계속 지속되게 되므로, 안정적인 태양광 발전이 이루어질 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템(100)이 제1전류 센서(160)를 더 포함할 수 있다. 제1전류 센서(160)는 인버터(120) 출력단에 설치되어, 인버터 출력단 전류를 검출한다.
이 때, 제1전류 센서(160)에 의해 인버터(120) 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 제어부(150)가 태양광 스트링(110)들 각각의 제1스위치(141)와 제2스위치(142)를 오프(Off)시켜 모든 태양광 스트링(110)의 출력을 차단되도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터 출력단 지락을 차단한다.
도 5 는 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 인버터 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 5 를 참조해 보면, 제1전류 센서(160)에 의해 인버터(120) 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 태양광 스트링(110)들 각각의 제1스위치(141)와 제2스위치(142)가 오프(Off)되어, 모든 태양광 스트링(110)의 출력이 차단됨으로써 인버터(120) 입력단에 전압이 입력되지 않으므로, 인버터 출력단(120) 지락이 차단되어 인버터(120) 입력단 및 출력단 위험이 방지됨을 볼 수 있다.
이와 같이 구현할 경우, 상용 전력 계통의 보호장치를 차단하지 않고, 태양광 발전 시스템 측에서 인버터 출력단 지락에 대한 대처가 가능하므로, 상용 전력 계통의 협조가 필요없어 사용자 편의성을 향상할 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템(100)이 다수의 제2전류 센서(170)들을 더 포함할 수 있다. 다수의 제2전류 센서(170)들은 다수의 태양광 스트링(110)들 각각의 출력단에 설치되어, 태양광 스트링(110) 출력단 전류를 검출한다.
예컨대, 다수의 제2전류 센서(170)들에 의해 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 발생하면 먼저 1차로 경고하고, 1차 경고 후에도 지락 전류가 계속 발생하면 2차로 아래와 같은 태양광 스트링(110) 출력단 지락 차단 동작을 수행하도록 구현될 수 있다.
*만일, 제2전류 센서(170)에 의해 특정 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출되고, 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결된 상태에서는 제어부(150)가 해당 지락 전류가 검출된 태양광 스트링의 제1스위치(141)와 제2스위치(142)만 오프(Off)시켜 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되는 태양광 스트링(110)들 중 지락이 발생한 태양광 스트링의 출력만 차단되도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링(110) 출력단 지락을 차단하도록 구현될 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결된 상태에서 특정 태양광 스트링 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 6 을 참조해 보면, 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 병렬 연결된 상태에서 지락이 발생한 특정 태양광 스트링(도 6 에서 맨위의 태양광 스트링) 출력단에 설치되는 제2전류 센서(170)에 의해 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 해당 지락 전류가 검출된 태양광 스트링 출력단에 연결되는 제1스위치(141)와 제2스위치(142)만 오프(Off)되고, 지락이 발생하지 않은 다른 태양광 스트링 출력단에 연결되는 제1스위치(141)와 제2스위치(142)는 온(On)되어, 인버터(120) 입력단과 병렬 연결되는 태양광 스트링(110)들 중 지락이 발생한 태양광 스트링의 출력만 차단하여 지락이 발생한 태양광 스트링의 지락을 차단하고 있음을 볼 수 있다.
이와 같이 구현할 경우, 지락이 발생한 태양광 스트링만 검출하여 지락을 차단할 수 있으므로, 지락 사고 원인 파악과 대처가 신속 용이하고, 직류 전력를 출력하는 태양광 스트링 출력단을 차단함으로써 접속반과 인버터 입력단간에 안가되는 높은 개방전압을 소멸시킬 수 있으므로 감전 범위가 좁아진다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제2전류 센서(170)에 의해 태양광 스트링(110) 출력단 지락 전류가 검출되고, 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 직렬 연결된 상태에서는 제어부(150)가 온(ON) 상태인 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143) 중 적어도 하나를 오프(Off)시켜 인버터(120) 입력단과 직렬 연결되는 태양광 스트링들의 출력을 차단되도록 매트릭스 스위치(140)의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링(110) 출력단 지락을 차단하도록 구현될 수도 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 매트릭스 스위치의 스위칭 제어에 의해 다수의 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서 태양광 스트링 출력단에 지락이 발생한 경우의 매트릭스 스위치의 스위칭 절환 상태를 예시한 도면이다.
도 7 을 참조해 보면, 태양광 스트링(110)들이 인버터(120) 입력단과 직렬 연결된 상태에서 태양광 스트링(110)들 각각의 출력단에 설치되는 제2전류 센서(170)들 중 적어도 하나에 의해 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 제3스위치(143)를 오프(Off)시켜 태양광 스트링(110)들의 출력단의 출력을 차단하여 태양광 스트링 출력단 지락을 차단하고 있음을 볼 수 있다. 이 때, 제3스위치(143) 대신 제1스위치(141) 또는/및 제2스위치(142)를 오프(Off)시켜도 무방하다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143)가 기계적인 접점 스위치인 릴레이(Relay) 스위치(141a)(142a)(143a)와, 논리적인 반도체 스위치인 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 스위치(141b)(142b)(143b) 병렬 구조로 구현될 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템의 스위치 병렬 구조를 예시한 도면이다. 도 8 을 참조해 보면, 열적 손상이 적은 릴레이(Relay) 스위치(141a)(142a)(143a)와, 과도 전압 발생에 의한 접점 손상이 적은 IGBT 스위치(141b)(142b)(143b)를 병렬 연결하여 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143)를 구현하여, 릴레이 스위치와 IGBT 스위치의 장점을 동시에 가진 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143)를 구현하고 있음을 볼 수 있다.
제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143) 온(On)시에는 먼저 과도 전압 발생이 매우 작아 접점 손상이 없는 IGBT 스위치(141b)(142b)(143b)를 온(On)시킨 후 열적 손상이 적은 릴레이(Relay) 스위치(141a)(142a)(143a)를 온(On)시킨 다음 열적 손상에 약한 IGBT 스위치(141b)(142b)(143b)를 오프(Off)시킴으로써 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143)가 릴레이 스위치와 IGBT 스위치의 장점을 동시에 가지게 된다.
한편, 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143) 오프(Off)시에는 과도 전압 발생이 매우 작아 접점 손상이 없는 IGBT 스위치(141b)(142b)(143b)를 온(On)시킨 후 열적 손상이 적은 릴레이(Relay) 스위치(141a)(142a)(143a)를 오프(Off)시킨 다음 열적 손상에 약한 IGBT 스위치(141b)(142b)(143b)를 오프(Off)시킴으로써 제1스위치(141)와 제2스위치(142) 및 제3스위치(143)가 릴레이 스위치와 IGBT 스위치의 장점을 동시에 가지게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하여 태양광 발전이 이루어지도록 하는 동시에 지락 차단에도 강인하므로, 안정적인 태양광 발전 시스템 운용이 가능하다.
본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 태양광 발전 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 태양광 발전 시스템
110 : 태양광 스트링
120 : 인버터
130 : 접속반
140 : 매트릭스 스위치
141 : 제1스위치
142 : 제2스위치
143 : 제3스위치
150 : 제어부
160 : 제1전류 센서
170 : 제2전류 센서
200 : 상용 전력 계통

Claims (6)

  1. 태양광을 광전 변환하여 직류 전력으로 출력하는 다수의 태양광 스트링들과;
    다수의 태양광 스트링들에 의해 출력되어 입력되는 직류 전력들을 변환하여 교류 전력으로 출력하는 단일의 인버터와;
    다수의 태양광 스트링들 각각의 출력단을 단일의 인버터 입력단과 전기적으로 공통으로 병렬 연결하는 접속반과;
    다수의 태양광 스트링들과 접속반 사이에 설치되되, 태양광 스트링들 각각의 (+) 출력단에 연결되는 제1스위치와, 태양광 스트링들 각각의 (-) 출력단에 연결되는 제2스위치와, 이웃하는 두 태양광 스트링들의 출력단 간에 연결되되, 하나의 태양광 스트링의 (-) 출력단과 다른 하나의 태양광 스트링의 (+) 출력단 간에 연결되는 제3스위치를 포함하되, 제1스위치와 제2스위치 및 제3스위치가 기계적인 접점 스위치인 릴레이(Relay) 스위치와, 논리적인 반도체 스위치인 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 스위치 병렬 구조로 구현되는 매트릭스 스위치와;
    매트릭스 스위치의 스위치 절환 제어를 통해 인버터 기동 및 지락 차단 기능을 수행하는 제어부를;
    포함하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어부가:
    인버터 입력 전압이 인버터 기동 전압 이하일 경우, 이웃하는 두 태양광 스트링들 중 하나의 태양광 스트링의 제2스위치와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치를 오프(Off)시키고, 제3스위치를 온(On)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터 입력 전압을 인버터 기동 전압 범위로 상승시켜 인버터가 기동하도록 하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제어부가:
    매트리스 스위치에 의해 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서 인버터 입력 전압이 인버터 정격 동작 전압의 2배 이상이 될 경우, 오프(Off) 상태의 하나의 태양광 스트링의 제2스위치와 다른 하나의 태양광 스트링의 제1스위치를 온(On)시키고, 온(On) 상태의 제3스위치를 오프(Off)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결되는 상태로 복귀하더라도 인버터가 정상 동작하도록 하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템이:
    인버터 출력단에 설치되어, 인버터 출력단 전류를 검출하는 제1전류 센서를;
    더 포함하고,
    제1전류 센서에 의해 인버터 출력단 지락 전류가 검출된 경우, 제어부가 태양광 스트링들 각각의 제1스위치와 제2스위치를 오프(Off)시켜 모든 태양광 스트링의 출력을 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 인버터 출력단 지락을 차단하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템이:
    다수의 태양광 스트링들 각각의 출력단에 설치되어, 태양광 스트링 출력단 전류를 검출하는 다수의 제2전류 센서들을;
    더 포함하고,
    제2전류 센서에 의해 특정 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출되고, 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 병렬 연결된 상태에서는 제어부가 해당 지락 전류가 검출된 태양광 스트링의 제1스위치와 제2스위치만 오프(Off)시켜 인버터 입력단과 병렬 연결되는 태양광 스트링들 중 지락이 발생한 태양광 스트링의 출력만 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링 출력단 지락을 차단하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제2전류 센서에 의해 태양광 스트링 출력단 지락 전류가 검출되고, 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서는 제어부가 온(ON) 상태인 제1스위치와 제2스위치 및 제3스위치 중 적어도 하나를 오프(Off)시켜 이웃된 태양광 스트링들이 인버터 입력단과 직렬 연결된 상태에서의 태양광 스트링들의 출력이 차단되도록 매트릭스 스위치의 스위치 절환을 제어함으로써 태양광 스트링 출력단 지락을 차단하는 지락 차단에 강인한 태양광 발전 시스템.
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