지락전류 차단이 가능한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 차단방법{Apparatus and method of Grid-connected photovoltaic system which is available for detecting ground overcurrent}

본 발명은 지락전류 차단이 가능한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 차단방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 태양전지 단자와 대지 사이의 단락 등의 이유로 지락전류가 발생하였을 경우에서 이를 신속하게 감지하여 지락전류에 의한 인버터의 파손 등을 방지할 수 있는 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 차단방법에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템은 상용 전력계통과의 연계 유무에 따라 독립형(Stand alone type)과 계통연계형(Grid-connected type) 으로 분류될 수 있는데, 계통연계형 태양광 발전 시스템은 주택용 전원이나 대용량 발전소에 적용 가능한 시스템으로, 발전 시스템의 출력이 부하가 요구하는 전력보다 클 정우 잉여전력을 계통에 공급하고, 반대로 발전 시스템의 전력이 더 적은 경우에는 부족한 전력을 계통으로부터 공급 받을 수 있다는 장점을 지닌다.

태양광 발전 시스템에서 지락 사고가 발생하게 된다면, 지락에 의한 전류가 인버터의 출력에 함께 출력된다. 이러한 지락전류가 인버터를 구성하는 스위칭 소자(IGBT)의 정격전류보다 클 경우 스위칭 소자(IGBT)의 파손이 발생하게 되므로 지락전류를 빠르게 검출하여 인버터의 동작을 정지시켜야 한다. 또한 지락전류가 스위칭 소자(IGBT)의 정격 전류보다 크지 않더라도 누설 전류가 지속적으로 흐르게 되는 경우, 인버터의 스위칭 소자(IGBT) 등에 손상을 발생시키게 될 우려가 있으므로 대부분의 태양광 발전 시스템은 지락 사고에 대한 보호 대책을 포함하고 있다.

태양광 발전 시스템의 설치 시 연결에 있어서 대지와 Ground가 분리되지 않은 환경이나 시공자의 작업실수로 인하여 태양전지 단자의 접지가 단락되는 지락 사고가 자주 발생한다.

도 2와 같이 태양전지 단자와 대지가 단락되면 지락전류가 빠르게 상승하여 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 파손시키게 되므로, 통상적으로 제어부(110)에 표시된 것과 같은 방법으로 태양전지 단자 및 계통 단자의 누설 전류를 증폭하여 ADC 변환부(111)에서 아날로그/디지털 변환 후 RMS 변환부(112)에서 실효값을 계산하여 설정 이상의 전류가 흐르면 지락 판단부(113)에서 지락으로 판단하여 PWM 발생부(114)의 Enable 신호를 차단하여 모든 인버터의 스위치 소자(IGBT)를 OFF하여 과전류로부터 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 포함한 전체 시스템을 보호하는 DSP(Digital Signal Processor) 방식이 적용된다.

그러나 태양전지 단자와 대지가 단락되면 지락전류가 순간적으로 급증하므로 실효값을 계산하여 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 OFF하는데 소요되는 시간이 수백 ms 내로 상당히 오래 걸리게 되어 인버터 지락전류에 의해 인버터 스위칭 소자(IGBT) 등이 파손될 우려가 있으며, 도 3과 같이 전류의 방향이 역으로 반전되면 인버터 스위칭 소자(IGBT)의 Q3가 OFF되어도 과도한 역전류가 흐르게 되어 플라이백 다이오드가 파손 되는 심각한 문제점이 있다. 이는 분전반의 순반향 다이오드를 달아주는 기존의 방식으로는 보호되지 않는다. 따라서 기존의 방식보다 더욱 빠른 지락전류 검출 및 보호 방안이 필요하며, 지락전류의 방향이 역으로 반전되었을 경우에도 시스템을 보호할 수 있는 방안이 절실히 필요한 실정이다.

이에, 본 발명은 실효값을 계산을 통해 지락 여부를 판단하는 기존의 방식보다 더욱 신속히 지락전류 검출하기 위하여, 본 발명에서 제안하는 지락전류 검출 회로를 이용하여 DSP를 이용한 계산 과정을 거치지 않고 하드웨어적으로 PWM 발생부에 차단 신호를 보내어 신속하게 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 OFF하여 지락으로 인한 과전류로부터 인버터를 포함한 발전 시스템을 보호할 수 있는 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 차단방법을 제공하는 데 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명은 태양전지에서 출력되는 전력을 병합하여 인버터로 공급하는 배전반 및 상기 배전반에서 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터의 전류를 감지하는 전류감지기; 상기 전류감지기로부터 수신받은 전류값이 일정 값 이상이면 DSP 방식으로 PWM 발생부의 신호를 차단하는 제어부를 포함하는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 전류감지기로부터 설정값 이상의 전류가 감지되면 지락전류로 판단하고 PWM 발생부에 차단 신호를 보내어 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 오프하는 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

인버터 스위칭 소자(IGBT) 오프 시 흐를 수 있는 역방향의 지락전류를 방지하기 위하여 역류 방지 다이오드를 상기 배전반에 포함할 수 있고, 이러한 역류 방지 다이오드는 인버터의 태양전지로부터 직류(DC) 전압을 직류(DC)로 변환하는 컨버터부에 포함하여도 같은 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 계통연계형 태양광 발전 시스템의 지락전류 차단방법에 있어서, 제어부가 인버터 전류를 감지하는 전류감지기로부터 전류값을 수신하는 단계; 및 상기 전류값이 일정 이상일 경우, 상기 제어부가 인버터 스위칭 소자를 오프하도록 비교기가 PWM 발생부에 차단 신호를 보내도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 태양전지 단자와 대지 사이의 단락 등의 이유로 지락전류가 발생하였을 경우, 보다 신속하고 정확하게 이를 감지하여 지락에 의한 과전류에 따른 회로 손상 등을 방지하게 됨으로써 인버터를 포함한 발전 시스템의 신뢰성과 안전성이 향상될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 계통연계형 단상 태양광 인버터 회로도.
도 2는 종래의 계통연계형 단상 태양광 인버터의 지락전류 흐름도.
도 3은 종래의 계통연계형 단상 태양광 인버터의 역방향 지락전류 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지락전류 검출 및 보호 회로도.
도 5는 인버터에 다이오드를 설치 시 지락전류 검출 및 보호 회로도.
도 6은 지락전류의 변화 확인을 위한 시뮬레이션 회로도.
도 7은 지락전류 발생 시 도 6의 시뮬레이션 결과 파형.
도 8은 지락전류 발생 시 도 6의 시뮬레이션에 하드웨어적으로 PWM 버퍼에 Enable 신호를 차단한 시뮬레이션 결과 파형.
도 9는 지락전류 발생 시 도 8의 시뮬레이션에 역류 방지 다이오드를 추가한 경우의 결과 파형.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

참고로, 상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 4와 같이, 본 발명은 기본적으로 직류 전압을 생성하고 전류를 발생하는 태양전지(100) 어레이, 상기 태양전지(100) 어레이에서 출력되는 전력을 병합하여 인버터(102)로 공급하는 배전반(101), 상기 배전반(101)에서 공급되는 전력을 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 태양전지(100)의 직류 전압을 사용자가 원하는 전압과 주파수의 교류 전압으로 변환하여 부하 또는 계통으로 공급하는 인버터(102)를 포함하여 구성될 수 있다.

제어부(110)는 태양전지 단자 및 계통 단자의 누설 전류를 증폭하여 ADC 변환부(111)에서 아날로그와 디지털로 변환 후 RMS 변환부(112)에서 실효값을 계산하여 설정값 이상의 전류가 흐르면 지락 판단부(113)에서 지락으로 판단하여 PWM 발생부(114)의 Enable 신호를 차단하여 모든 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 OFF하여 과전류로부터 상기 인버터 스위칭 소자(IGBT) 및 전체 시스템을 보호하도록 한다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 실효값 계산을 통해 지락 여부를 판단하는 종래의 방식에 추가적으로, 보다 신속한 지락전류 검출 및 차단을 위해 증폭부(115) 및 비교기(116)를 추가하여 증폭부(115)에 의해 이상 전류를 증폭시켜 비교기(116)를 통해 차단 신호가 발생하게 된다. 이는 종래의 DSP를 통한 실효값 계산 방식보다 빠르게 PWM 차단부(119)를 작동시켜 DSP를 이용한 계산 과정을 거치지 않고도 하드웨어적으로 PWM 신호를 차단하여 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 OFF함으로 지락으로 인한 과전류로부터 인버터 및 발전 시스템을 보호할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 배전반(101)에 역류 방지 다이오드(120)를 더 포함할 수 있는데, 이를 통해 역방향의 지락전류가 인터버 스위칭 소자(IGBT) Q3의 플라이백 다이오드를 통하여 흐르는 것을 방지할 수 있게 된다. 이러한 역류 방지 다이오드(120)는 도 5와 같이 인버터의 태양전지로부터 직류(DC) 전압을 직류(DC)로 변환하는 컨버터부에 포함하여도 배전반(101)에 포함하는 것과 같은 역할을 할 수 있게 된다.

[실시예]

지락 사고 발생 시 지락전류의 변화에 대하여 알아보기 위하여 전력전자 시뮬레이션 툴인 PSIM을 사용하여 도 6과 같이 태양전지 모듈과 부스트 컨버터 및 단상 인버터를 사용하여 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 또한 지락을 모의하기 위하여 태양전지 단자와 계통 단자 사이에 스위치와 저항을 사용하여 대지라인을 구성하였다.

대지와의 단락 시 발생하는 지락전류를 알아보기 위하여, 계통과 연계하여 정상 동작 중 0.6초에 스위치를 닫아 지락전류를 발생시켰다. 이에 대한 시뮬레이션 결과는 도 7과 같다. 정상 동작 시에는 지락전류가 흐르지 않지만, 스위치를 닫아 대지와 단락되는 순간 최대 400A의 전류가 흐르게 되어 실제로는 인버터 스위칭 등의 소자(IGBT)들의 파손이 발생하게 된다.

따라서 지락 발생 시 신속하게 인버터 스위칭 소자(IGBT)를 OFF 시키기 위하여 앞서 설명한 본 발명에서와 같이 하드웨어적으로 PWM 버퍼에 Enable 신호를 차단하면, 도 8과 같이 지락 발생과 거의 동시에 인버터 스위칭 소자(IGBT)을 OFF 시키는 것을 볼 수 있다. 하지만 도 3을 통하여 설명한 역방향의 지락전류가 Q3의 플라이백 다이오드를 통하여 여전히 흐르는 것을 확인할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 배전반에 역류 방지 다이오드를 추가한 후 결과 파형은 도 9와 같으며, 지락 발생 초기에 약간의 전류가 흐르지만 과도 상태 이후 모든 방향의 지락전류를 차단하는 것을 확인할 수 있다.

100 :태양전지 101 : 배전반
102 : 인버터 103 : 계통
104 : 전류감지기 105 : 접지
106 : 누설전류 110 : 디지털부
111 : ADC 변환부 112 : RMS 변환부
113 : 지락 판단부 114 : PWM 발생부
115 : 증폭부 116 : 비교기
118 : 아날로그부 119 : PWM 차단부
120 : 역류 방지용 다이오드 Q1 ~ Q5: 스위칭 소자(IGBT)