KR101743908B1 - 태양광 발전장치의 pv 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전에 설치되는 PV 모듈에 대하여 고장 및 불량모듈을 검출하여 태양광 발전이 정상적인 효율과 동작이 지속적으로 이루어지게 하는, 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 관한 것으로서, 직렬로 연결되는 다수의 PV 모듈로 구성되는 태양광 발전장치; 상기 PV 모듈 각각에 설치되어 상기 PV 모듈을 바이패스시키는 바이패스 회로로 구성되는 바이패스모듈; 상기 PV 모듈 각각에 설치되어, 해당 PV 모듈의 전력을 측정하는 전력센서, 해당 PV 모듈에 발열되는 온도를 측정하는 온도센서, 및, 상기 PV 모듈에서 발생되는 과도접지전압(TEV)을 검출하는 TEV센서로 구성되는 센서모듈; 및, 상기 센서모듈로부터 검출값을 수신하여, 상기 전력의 검출값으로 해당 PV 모듈의 전력을 산출하고, 검출된 전력, 온도, 및, 과도접지전압의 확률분포를 구하고, 전력, 온도, 및 과도접지전압의 검출값이 상기 확률분포에서 소정의 범위 내에 속하면 해당 바이패스모듈을 바이패스시켜 제외시키도록 상기 바이패스모듈로 명령을 전송하되, 상기 검출된 전력값이 전력의 확률분포에서 소정의 범위 이하이면 바이패스시키고, 상기 온도 및 과도접지전압의 검출값이 소정의 범위 이상이면 바이패스시키는, 제어장치를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 태양광 발전 시스템에 의하여, 각 광전지 모듈(PV 모듈)을 감시하여 고장 및 불량모듈을 검출하고 바이패스함으로써, 실시간으로 고장 및 불량모듈의 감시와 교체를 통해 관리할 수 있다.
상기와 같은 태양광 발전 시스템에 의하여, 각 광전지 모듈(PV 모듈)을 감시하여 고장 및 불량모듈을 검출하고 바이패스함으로써, 실시간으로 고장 및 불량모듈의 감시와 교체를 통해 관리할 수 있다.
Description
본 발명은 태양광 발전을 위한 태양광 발전장치의 PV 모듈들에 대하여 고장 및 고장 및 불량여부를 검출하여 바이패스시킴으로써, 태양광 발전이 정상적인 효율과 동작이 지속적으로 이루어지게 하는, 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 각 PV 모듈의 출력 전력, 발열 온도, 아크 방전에 의한 과도접지전압(TEV, Transient Earth Voltage)을 검출하고, 이들 검출값에 의한 각 모듈의 편차가 다른 모듈의 편차와의 상대적인 차이를 판단하여 고장 및 불량모듈임을 판정하는, 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 관한 것이다.
신재생 에너지에 대한 관심의 증가와 투자는 태양 에너지 산업의 급속한 발달을 초래했다. 즉, 지난 수십 년 동안, 신재생 에너지에 대한 수요는 화석 연료의 단점과 온실 효과 때문에 현저하게 증가되었다. 신재생 에너지원의 각종 유형 중 태양 에너지는 전력 전자 기술에서의 발전으로 인하여 가장 유망하고 매력적이게 되었다. 광전지(PV) 전원은 정비와 오염이 없다는 이점으로 현재 많은 응용에서 사용된다.
태양광발전시스템은 통상 20년 이상 장기간에 걸친 자연환경 하에서 운용되는 발전설비이며, 이에 따라 장기 신뢰성을 유지하고 사고 리스크를 회피할 필요가 있게 된다. 특히, 이상상태가 발생하여도 즉시 조치가 이루어지지 않는 경우 발전량 저하 및 경제적 손실이 발생할 수 있으므로, 손실을 줄일 수 있는 기술을 개발할 필요성이 있다.
그러나 PV 모듈의 높은 초기비용과 한정된 수명으로 인하여 그에 따른 지속적인 관리가 필요로 하지만 한정된 인적 물적 자원으로는 실시간으로 각 모듈 단위의 관리를 하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 실시간으로 각 모듈을 감시하여 고장 및 불량모듈의 감시와 교체를 통한 관리가 필요로 하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 고장 및 불량모듈을 바이패스할 수 있는 태양광 발전 시스템이 개발되었다[특허문헌 1,2]. 상기 선행기술들은 태양전지 모듈 중에서 조도량 또는 전압 등을 감지하여 이들이 기준치 보다 작으면 고장 및 불량모듈로 판정하여 바이패스한다.
또한, 각 태양전지 모듈 내에는 발생 전력에 의하여 모듈 내부의 온도가 올라가거나 아크 방전 등이 발생될 수 있다. 또한, 높은 온도나 아크 방전 등에 의하여 PV 모듈 내의 절연물들이 열화되거나 부식되는 등 파괴되는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 특정 PV 모듈이 이상 고온이나 방전이 발생되는 경우, 해당 태양전지 모듈도 태양광 발전장치에서 제외시켜야 한다. 따라서 PV 모듈의 발열 온도나 방전 전압 등이 소정의 기준치를 넘게 되면, 이들 PV 모듈을 고장 및 불량 모듈로 판정하여 바이패스 한다.
그러나 태양광 발전은 일조량에 따라 발생 전력에 큰 차이가 난다. 특히, 계절, 시간대, 구름과 같은 대기의 상태에 따라 태양광의 일조량이 급속하게 변동한다. 이와 같이 일조량이 변동되는 상황에서 기준치를 고정적으로 설정하면 너무 과도하게 또는 너무 적게 태양전지 모듈을 고장 및 불량으로 검출하는 문제점이 있다.
또한, PV 모듈의 발열 온도나 방전 전압 등도 사전에 기준치를 고정적으로 설정하면, 일조량이 많거나 대기가 건조하는 등 대기 환경에 따라 전체적인 발열온도나 방전 전압도 변화될 수 있다. 따라서 기준치를 고정하면, 너무 과도하거나 적게 태양전지 모듈을 고장 및 불량으로 검출할 수 있는 문제점이 역시 발생한다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각 PV 모듈의 출력 전력, 발열 온도, 아크 방전에 의한 과도접지전압(TEV)을 검출하고, 이들 검출값에 의한 각 모듈의 편차가 다른 모듈의 편차와의 상대적인 차이를 판단하여 고장 및 불량모듈임을 판정하는, 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 각 PV 모듈에 전력, 발열 온도, 방전에 의한 과도접지전압의 검출값을 수신하여 검출값의 확률분포를 구하고, 상기 검출값이 상기 확률분포에서 소정의 이탈 범위에 속하면 해당 PV 모듈을 바이패스시키도록 제어하는, 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 관한 것으로서, 직렬로 연결되는 다수의 PV 모듈로 구성되는 태양광 발전장치; 상기 PV 모듈 각각에 설치되어 상기 PV 모듈을 바이패스시키는 바이패스 회로로 구성되는 바이패스모듈; 상기 PV 모듈 각각에 설치되어, 해당 PV 모듈의 전력을 측정하는 전력센서, 해당 PV 모듈에 발열되는 온도를 측정하는 온도센서, 및, 상기 PV 모듈에서 발생되는 과도접지전압(TEV)을 검출하는 TEV센서로 구성되는 센서모듈; 및, 상기 센서모듈로부터 검출값을 수신하여, 상기 전력의 검출값으로 해당 PV 모듈의 전력을 산출하고, 검출된 전력, 온도, 및, 과도접지전압의 확률분포를 구하고, 전력, 온도, 및 과도접지전압의 검출값이 상기 확률분포에서 소정의 범위 내에 속하면 해당 바이패스모듈을 바이패스시켜 제외시키도록 상기 바이패스모듈로 명령을 전송하되, 상기 검출된 전력값이 전력의 확률분포에서 소정의 범위 이하이면 바이패스시키고, 상기 온도 및 과도접지전압의 검출값이 소정의 범위 이상이면 바이패스시키는, 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 있어서, 상기 바이패스모듈은 설치되는 PV 모듈의 출력을 인접한 PV 모듈과 직접 연결시키거나 바이패스(bypass)시키는 바이패스 회로, 및 상기 바이패스 회로를 스위칭 시키는 계전기를 구비하여, 상기 주제어부로부터 명령을 수신하여 상기 바이패스 회로의 계전기를 제어함으로서 상기 PV 모듈의 직접 연결 또는 바이패스 연결을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 있어서, 상기 제어장치는 마이크로프로세서를 구비하고, 상기 센서모듈과 RS-485통신에 의해 전송된 각 PV 모듈의 전력, 온도, TEV 전압을 수신하여, 각 PV 모듈의 고장 및 불량 여부를 판단하는 프로그램을 구비하고, 상기 고장 및 불량모듈 판단 프로그램을 마이크로프로세서에 의해 수행하게 함으로써 고장 및 불량 모듈 검출 및 바이패스 작업을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 있어서, 상기 제어장치는 각 PV 모듈의 전력, 온도, TEV 전압의 평균값과 표준편차를 구하고, 상기 평균값과 표준편차를 이용하여 정규분포를 따른 확률밀도함수를 구하고, 상기 확률밀도함수에 의해 표현되는 정규분포곡선에서 소정의 값 이하를 가지는 고장 및 불량범위를 구하고, 상기 고장 및 불량범위에 들어가는 전력, 온도, TEV 전압로 검출되는 PV 모듈을 고장 및 불량 모듈로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 있어서, 상기 제어장치는 PV 모듈의 전력 Pi가 상기 고장 및 불량 범위에 들어가고 해당 PV 모듈의 전력 Pi가 평균값의 절반 mp/2보다 작을 경우, 해당 PV 모듈을 고장 및 불량으로 판단하고, PV 모듈의 온도 Ti 나 TEV 전압 Ui가 상기 고장 및 불량 범위에 들어가고 해당 PV 모듈의 온도 Ti 나 TEV 전압 Ui가 평균값의 절반 mt/2 또는 평균값의 절반 mu/2 보다 작을 경우, 해당 PV 모듈을 고장 및 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 의하면, 각 광전지 모듈(PV 모듈)을 감시하여 고장 및 불량모듈을 검출하고 바이패스함으로써, 실시간으로 고장 및 불량모듈의 감시와 교체를 통해 관리할 수 있고, 이를 통해 태양광 발전이 정상적인 효율과 동작이 지속적으로 이루게하는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 의하면, 각 PV 모듈의 전력, 온도, 방전 전압의 편차를 이용하여 고장 및 불량모듈을 판정함으로써, 계절, 시간대, 구름, 습도, 기온과 같은 대기의 상태에 따라 태양광의 일조량의 급속한 변동이나 주변 환경에 따라 PV 모듈의 내부 온도 상승, 방전 전압 증대 등이 발생되더라도 고장 및 불량모듈을 보다 정확하게 검출할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MCU의 회로도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 모듈의 회로 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센서모듈의 구성에 대한 블록도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전력센서의 회로도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 온도센서의 회로도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 과도대지전압의 파형 및 크기를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 회로도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 용량성 프로브의 구조도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 등가회로도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 PV 모듈의 고장 및 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하는 흐름도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전력, 발열온도, TEV 전압 각각에 대한 정규분포곡선 및 고장 및 불량 범위를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MCU의 회로도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 모듈의 회로 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센서모듈의 구성에 대한 블록도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전력센서의 회로도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 온도센서의 회로도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 과도대지전압의 파형 및 크기를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 회로도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 용량성 프로브의 구조도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서의 등가회로도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 PV 모듈의 고장 및 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하는 흐름도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전력, 발열온도, TEV 전압 각각에 대한 정규분포곡선 및 고장 및 불량 범위를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기위한 태양광 발전 시스템은 PV모듈(11)로 구성되는 태양광 발전장치(10), 각 PV 모듈(11)을 바이패스(bypass)시키거나 직접 연결시키는 바이패스회로(21)로 구성되는 바이패스모듈(20), 각 PV 모듈(11)에 설치되어 해당 PV 모듈(11)의 전력, 온도, 과도접지전압을 측정하는 센서모듈(30), 및, 센서모듈(30)에서 측정된 값을 분석하여 고장 및 불량모듈을 검출하고 바이패스모듈(20)의 바이패스를 제어하는 제어장치(40)로 구성된다. 또한, 태양광 발전장치(10)의 출력은 접속부 또는 인버터에 연결되어 구성된다.
태양광 발전장치(10)는 다수의 PV 모듈(태양전지 모듈)(11)로 구성된다.
각 PV 모듈(11)은 기존의 태양전지 모듈과 동일하게 다수의 태양전지 셀(미도시)로 구성된다. 각 태양전지 셀은 태양광이 인가되면, 광 기전력 효과에 의해 전력을 생성하고, 다수의 태양전지 셀로 구성된 PV 모듈(11) 각각은 태양전지 셀들에서 발생된 전력을 병합하여 출력한다.
PV 모듈(11)은 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 PV 모듈(11)은 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 PV 모듈(11)은 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. PV 모듈(11)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양광 발전장치(10)가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
다음으로, 바이패스모듈(20)은 다수의 PV 모듈(11)에 대응하여 구비되는 다수의 바이패스 회로(21)와, 바이패스 회로(21)를 스위칭하는 계전기(22)로 구성된다. 제어장치(40)가 각 PV 모듈(11)의 정상 여부를 판별하여 정상이면, 다음 단의 PV 모듈(11)로 누적된 전력을 공급하고, 비정상이면, 바이패스하여 다음 단의 바이패스 회로(21)로 누적된 전력을 공급한다.
즉, 바이패스 회로(21)는 각 PV 모듈(11)에 대응되도록 구비되는 회로로서, 각 PV 모듈(11)을 인접한 PV 모듈(11)과 직접 직렬로 연결시키거나 바이패스시키는 회로이다. 바이패스 회로(21)는 제어장치(40)에 의해 제어되어, 직접 연결 또는 바이패스 연결을 선택적으로 제어된다. 선택적 제어는 계전기(또는 릴레이)의 스위칭에 의해 동작된다. 즉, 제어장치(40)는 계전기(22)를 제어하여, 바이패스 회로(21)가 직접 연결 또는 바이패스시키도록 제어한다.
다음으로, 센서모듈(30)은 PV 모듈(11) 각각에 설치되어, 해당 PV 모듈(11)의 전력, 온도, 과도접지전압 등을 측정한다. 즉, 하나의 PV 모듈(11)에 하나의 센서모듈(30)이 대응된다. 센서모듈(30)은 전력, 온도, 과도접지전압 등을 검출하는 회로들로 구성된다. 센서모듈(30)에서 측정된 전력, 온도, 과도접지전압 등은 제어장치(40)로 전송되어, 해당 PV 모듈(11)의 고장 및 불량 여부를 검출하는데 이용된다.
다음으로, 제어장치(40)는 센서모듈(30)로부터 측정값들을 수신하고(또는 가져오고), 측정값들을 이용하여 각 PV 모듈(11)의 고장 및 불량 여부를 판단한다. 즉, 제어장치(40)는 센서모듈(30)에서 측정된 전력, 온도, 과도접지전압 등을 받아온다. 그리고 제어장치(40)는 전력, 온도, 과도접지전압에 대한 분포를 구하여 소정의 분포 범위에 벗어나는 PV 모듈(11)을 고장 및 불량으로 검출한다.
또한, 제어장치(40)는 고장 및 불량으로 판정된 PV 모듈(11)을 바이패스시키도록, 바이패스모듈(20)로 명령한다. 즉, 제어장치(40)는 고장 및 불량의 PV 모듈(11)의 바이패스 회로(21)를 바이패스하도록 제어하여, 해당 PV 모듈(11)을 직렬 연결에서 제외시킨다. 구체적으로, 판별 결과, PV 모듈(11)이 고장 및 불량 모듈인 것으로 판별하면, 태양광 발전장치의 다수의 PV 모듈(11)의 연결에서 해당 PV 모듈이 제외되도록 바이패스 경로를 형성한다. 해당 PV 모듈(11)이 정상적으로 동작하고 있는 것으로 판별하면, 인접하여 배치된 태양전지 모듈과 직렬로 연결되는 전기적 연결 경로를 형성한다.
즉 제어장치(40)는 판별 결과에 따라 각 PV 모듈(11)을 인접한 PV 모듈(11)과 전기적으로 연결하거나, 인접한 PV 모듈(11)과 연결되지 않도록 바이패스 경로를 제공하도록, 바이패스모듈(20)을 제어한다.
다음으로, 태양광 발전장치(10)로부터 출력, 즉, 직류 전류는 접속반(미도시)에서 취합하여, 인버터(미도시)로 출력된다.
접속반(미도시)는 다수의 태양광 발전장치(10)를 직렬 또는 병렬로 연결하기 위해 구비된다. 또한, 접속반에는 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등 안전한 전력 전달을 위한 장치들이 구비될 수 있다.
인버터(미도시)는 태양광 발전장치(10)에서 병렬군으로 입력받은 직류전력을 하나의 직류전력으로 통합한 후 이를 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력한다. 인버터에서 출력된 교류 전력은 전력계통 또는 수전반 등을 통해 수용가의 부하로 공급된다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 제어장치(40)의 구성에 대하여 도 2 내지 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 제어장치(40)는 센서모듈(30)로부터 측정된 데이터 또는 검출값들을 수신하는 센서수신부(41), 바이패스모듈(20)의 계전기(22)에 제어신호를 전송하는 제어신호부(42), 수신한 검출값 또는 측정값을 이용하여 각 PV모듈(20)의 고장 및 불량여부를 판단하는 MCU 등 제어부(43)로 구성된다. 추가적으로 태양광 발전장치의 현재 상태 또는 경고, 알람 등을 화면에 표시하는 표시부(44), 또는 현재 상태 등을 원격의 서버 또는 관리자의 단말로 전송하는 데이터 전송부(45)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
센서수신부(41)는 각 PV 모듈(11)의 전력, 온도, 과도접지전압을 수신한다. 이때, 센서수신부(41)는 RS-485통신 등 통상의 시리얼 통신 방식을 이용하여, 전력, 온도, 과도접지전압 등을 수신한다.
또는 제어신호부(42)는 각 바이패스회로(21)의 계전기(22)에 신호선으로 연결되어, 각 제어신호를 각 계전기(22)로 전송한다. 제어신호는 온/오프의 신호로서, 각각 계전기를 온 또는 오프 시키는 신호이다.
MCU(43)는 프로그램에 따라 수행하여 제어기능을 수행하는 프로세서로서, MCU 등 마이크로컨틀로러, 마이크로프로세서로 구성된다. MCU(43)는 고장 및 불량모듈 판단 프로그램을 ROM, 플래시 메모리 등 저장매체에 저장하고, 해당 프로그램을 수행하여, 각 PV 모듈의 고장 및 불량여부를 판단한다.
즉, MCU(43)는 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서를 구비하고, 각 PV 모듈의 전력, 온도, 과도접지전압을 취합하여 고장 및 불량모듈의 유무를 판단하는 프로그램을 구비한다. 그리고 제어장치(40)는 상기 고장 및 불량모듈 판단 프로그램을 마이크로프로세서 등 MCU(43)에 의해 수행하게 하여, 고장 및 불량모듈 검출 및 바이패스 작업을 수행한다.
또한, MCU(43)는 고장 및 불량모듈의 발생 시 바이패스모듈(20)의 바이패스로 계전기의 작동을 명령하고 외부로 경보를 발생시켜 관리자로 하여금 그에 따른 조치를 취할 수 있게 한다.
특히, MCU(43)의 일실시예로서, 도 3과 같은 마이크로컨트롤러로 구성될 수 있다. 도 3에서, MCU의 핀 PB0는 외부의 써지인터럽트로 사용하며, 인터럽트 발생시 데이터를 무시하도록 설계된다. 또한, 핀 PA0(TEMP_A/D)는 온도센서(TMP-36) A/D 입력으로 사용된다.
또한, LCD는 OTM803(OPTIMA ENC)으로 -30℃ ~ +80℃ 범위 내에서 사용이 가능하다. 또한, 핀 PK1는 온도경보출력(RED-LED)을 위해 사용되고, 핀 PK2는 TEV경보출력(RED-LED)을 위해 사용된다. 또한, PK3와 PK4는 각각 동작모드 (평상시모드에서 점등 GREEN-LED) 및, 이벤트모드 일 때 점등한다. 미사용포트는 출력포트로 지정하여 사용될 수 있다.
또한, 표시부(44)는 LCD 등 디스플레이로서, 태양광 발전장치(10)의 현재 상태를 표시한다. 예를 들어, 전체 PV 모듈의 전체 개수와, 고장 및 불량모듈의 개수 등을 표시한다. 또는 하나의 PV 모듈을 포인트로 표시하여 전체 태양광 발전장치를 행렬로 표시하여, 정상적인 PV 모듈은 파란색으로 표시하고, 고장 및 불량인 PV모듈은 빨간색으로 표시한다. 즉, 서로 다른 색상으로 고장 및 불량 모듈을 한눈에 파악할 수 있도록 시각적으로 표시할 수 있다.
또한, 데이터 전송부(45)는 측정된 전력, 온도, 과도접지전압 등 검출값이나 각 PV 모듈의 고장 및 불량 상태를 무선 또는 유선으로 전송한다. 또는 데이터 전송부(45)는 PV 모듈의 고장 및 불량 상태 등을 관리자의 이동단말이나 서버 등으로 전송한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 모듈(20)의 구성을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 바이패스 모듈(20)은 일종의 스위치로 동작하는 바이패스 회로(21)와, 스위칭을 동작시키는 계전기(22)로 구성된다. 제어장치(40)의 제어에 의하여 계전기(22)가 동작되고, 바이패스 회로(21)의 스위치가 작동된다. 한편, 제어 신호는 제어장치(40)로부터 전송되는 명령에 의해 구동되는 신호이다.
구체적으로, 계전기에 의하여 스위치가 하단으로 연결되면, 현재 PV 모듈은 바로 인접한 PV 모듈과 직렬로 연결된다. 그러나 계전기에 의하여 스위치가 상단으로 연결되면, 현재 PV 모듈은 인접한 PV 모듈을 바이패스 하게 된다.
제어장치(40)는 센서모듈(30)에서 측정된 전력, 온도, 과도접지전압 등을 수신하여, 전력, 온도, 과도접지전압 등의 분포로부터 각 PV 모듈(11)의 고장 및 불량여부를 결정한다. 즉, 제어장치(40)는 PV모듈의 이상상황이 발생 시 계전기를 통해 바이패스 경로를 확보한다.
바이패스 회로 동작시간은 단자함의 센서 이상상태를 검출하여 바이패스계전기의 동작시간은 0.5초 이하가 되도록 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 센서모듈(30)을 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 센서모듈(30)은 해당 PV 모듈(11)의 전력을 검출하는 전력센서(31), 해당 PV 모듈(11)에서 발생되는 발열의 온도를 검출하는 온도센서(32), 과도접지전압(TEV, Transient Earth Voltage)을 측정하는 TEV 센서(33)로 구성된다. 또한, 추가적으로, 이들 각 센서로부터 측정된 측정값을 제어장치(40)로 전송하는 통신부(35)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
센서모듈(30)은 PV모듈의 단자함의 외부에 센서를 부착하여 온도상승 및 과도접지전압을 검출하고, 전력을 측정하고, 제어장치(40)와는 RS-485통신에 의해 정보를 송수신하게 된다. 센서모듈(30)은 PV 모듈(11) 당 1개씩 모듈 단자함에 부착되며, 기존 PV 단자함과 연결되어 사용한다. 제어장치(40)와 RS-485통신으로 연결되며, 전원(+, -) 통신(D+, D-) 4선으로 연결한다. 각종 센서 등 서브모듈의 동작은 각 PV 모듈의 온도와 전력을 감시한다.
또한, 센서모듈(30)은 평상시는 각 센서(또는 검출회로)를 스캔하고 제어장치(40)와의 통신을 수행하며 OPER_GRN 램프를 점등시킨다.
전력센서(31)는 해당 PV 모듈(11)에서 태양광 발전되어 생성되는 전력을 검출한다. 태양광 발전에 의한 PV 모듈(11)의 전력은 태양의 일사량이나 온도에 영향을 받는다. 즉, 일사량이 많아지면 그에 비례하여 PV 모듈(11)의 전력이 증가한다.
온도센서(32)는 해당 PV 모듈(11)의 표면 또는 단자함 표면 등에 설치되어, PV 모듈(11)에서 발열되는 온도를 측정한다. PV 모듈(11)에서 발생되는 발열은 PV 모듈(11)의 내부적으로 발생되는 열이다. 즉, PV 모듈(11)의 내부 결함이나 과도한 반응에 의하여 내부적으로 발열되어 온도가 상승할 수 있다. 또한, 내부 발열의 온도는 주위 환경의 온도 또는 태양광의 일사량에 의해 영향을 받는다. 즉, 이러한 각 PV 모듈(11)의 내부 발열은 일사량이나 주위 환경 온도에 따라 더 높아지거나 낮아질 수 있다.
TEV 센서(33)는 해당 PV 모듈(11)에 설치되어, 방전에 의해 PV 모듈(11) 표면 등 외부로 야기되는 표면전류를 측정한다. 특히, TEV 센서(33)는 PV 모듈(11)에서 발생하는 아크 방전에 의해 야기되는 표면전류도 측정할 수 있고, PV 모듈(11) 내부에서 발생하는 부분 방전에 의해 야기되는 전류도 측정할 수 있다. 따라서 TEV 센서(33)는 아크 방전 뿐만 아니라 부분 방전도 함께 검출할 수 있다. 아크 방전 펄스에 의해 자극된 전자기파의 주파수는 수십 MHz에서 수백 MHz대역에 존재한다.
과도접지전압(TEV)은 각 PV 모듈(11)의 단자함 금속 하우징에서 생성되고 표면에 설치된 TEV 센서(33)에 의해 검출될 수 있다. 아크 방전이 단자함의 내부에서 일어날 때, 그 방전에 의한 고주파 전자기파동이 금속 벽 표면에 일어나고, 표면 전류를 야기시킨다. TEV 센서를 단자함의 외부표면에 실장시켜 펄스전압(과도대지전압 신호)이 검출될 수 있다. 따라서 단자함 내부에서 발생하는 아크 방전에 의한 표면 전류에 의해서 발생하는 과도대지전압을 검출한다.
아크 방전에 대한 과도 대지전압이 물체와 접지 사이에 발생하면, 접지 전압은 즉시 그리고 일시적으로 변화한다. 그러므로 과도대지전압 (Transient Earth Voltage:TEV)의 모니터링은 방전을 감지하여 평가하는 것과, 방전에 의해 발생되는 문제 및 위험을 방지하기 위해 효과적 일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전력센서(31)의 구성을 도 6를 참조하여 설명한다.
도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전력센서(31)는 전압을 측정하는 전압센서(31a), 전류를 측정하는 전류센서(31b), 및, 측정된 전압과 전류로부터 전력을 산출하는 전력산출부(31c)로 구성된다.
즉, 전력센서(31)는 개별 PV 모듈(11)의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출한다. 제어장치(40)는 검출된 전력이 다른 모듈에 비하여 상대적으로 작을 경우 모듈의 고장 및 불량으로 판단한다. 그래서 계전기를 절체 시켜 바이패스 경로를 통하여 연결한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 온도센서(32)의 구성을 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7a에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 온도센서(32)는 온도를 검출하는 온도검출 회로를 포함한다. 반도체 TMP-36 센서를 이용하여 PV 모듈의 단자함의 온도를 감지하여 설정 값 이상이 되면 모듈 과열 또는 과방전으로 판단하여 계전기를 절체 시켜 바이패스 경로를 통하여 연결한다.
또한, 도 7b에서 보는 바와 같이, 온도센서(32)는 안정적인 전력 공급을 위하여, 전원공급원으로부터 DC +7.5V를 공급받아 5V로 변환하여 사용한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 TEV 센서(33)의 구성을 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
아크 방전이 PV 모듈(11) 또는 모듈 단자함의 내부에서 일어날 때, 그 방전에 의한 고주파 전자기파동이 금속 벽 표면에 일어나고, 표면 전류를 야기시킨다. TEV 센서를 단자함의 외부표면에 실장시켜 펄스전압(과도대지전압 신호)이 검출될 수 있다.
TEV 신호진폭과 방전원의 시간상수와 관계 곡선은 도 8과 같이 얻을 수 있다. 도 8a로부터, 여기 소스의 시간상수 σ 가 50ns로 증가할 때, TEV 신호 진폭은 175.1mV에서 4.9mV로 급격히 감소한다. 여기 소스 펄스의 시간상수가 증가함에 따라, 펄스 폭이 증가한다. 그러나 감지된 TEV 신호진폭은 감소한다. 부분방전 소스의 빈도가 높으면 높을수록, 단자함 표면의 TEV 신호는 더욱더 세진다. 시뮬레이션을 통해서 도 8의 검출 포인트에서 TEV 신호강도가 방전원의 펄스 전류 진폭에 비례한다는 것을 보여준다. 여기 소스의 펄스 진폭이 높으면 높을수록, 단자함 표면의 TEV 신호가 강해진다.
아크가 단자함에서 발생할 때, 생성된 전자기파가 열려진 커넥터 그리고 개폐기의 덮개 및 빈 공간 틈새로부터 금속함의 외부표면에 TEV신호를 자극하면서 발생한다. TEV 신호강도와 아크 방전원의 펄스 특성들과는 밀접하게 연관되어 있다. TEV 신호진폭은 방전 펄스의 진폭에 비례한다. TEV 신호진폭은 방전원 펄스의 여기 빈도가 증가함에 따라 증가한다. TEV 신호는 단자함 표면을 따라 전파되면서 분명한 시간지연을 만들어낸다.
TEV 센서 프로브(Probe)를 이용한 TEV 검출 등가회로는 도 9와 같이 나타낼 수 있으며, 동작원리는 아크 방전 발생에 의해 측정대상 표면의 법선방향으로 형성되는 전계를 용량성 프로브를 이용하여 검출하는 것이다. 방전에 의한 펄스의 크기는 프로브의 단면적과 입사변위전류밀도에 비례하며, 주파수 응답은 검출임피던스 Z와 증폭회로의 입력임피던스 Z'에 의하여 결정된다.
도 9와 같이, TEV 센서(33)는 용량성 프로브, 결합회로망, 저잡음 증폭회로로 구성된다. 검출전극이 금속 표면에 대해 평행으로 설치될 수 있는 도 10의 평판형 용량성 프로브를 설계/제작한다.
TEV 센서(33) 프로브는 두께 0.07 [mm], 면적 56.5 [cm2]의 동판과 유전체로 두께 0.2 [mm], 비유전율 4, 면적 150 [cm2]의 난연성 에폭시 수지를 사용하였다. 검출신호의 전송에는 고주파 특성이 우수하고 특성임피던스가 50 [Ω]인 동축케이블을 사용하였으며 이와의 접속을 위해 BNC 커넥터를 접지전극 면에 부착하였다.
동축케이블의 절연체와 외부도체에 의한 정전용량(90∼100 [pF/m])은 전송신호의 왜곡을 발생시키므로, 이의 영향을 제거하기 위해 동축케이블의 특성임피던스와 같은 50 [Ω]의 정합 저항 Rm과 보상저항 Ri를 도 11과 같이 구성한다.
단자함 금속 표면에서 TEV는 10∼20 [ns]의 상승시간을 갖는 고주파 펄스 형태로 발생하므로 검출임피던스와 증폭회로의 입력임피던스로 구성되는 결합회로망 Av가 필요하며, 여기에 사용되는 RLC 소자는 시험전압 범위에서 소손이나 방전이 발생하지 않는 안정적인 소자를 사용해야 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 제어장치(40)의 PV 모듈의 고장 및 불량 여부를 판단하는 방법을 도 12 내지 10을 참조하여 설명한다.
도 12에서 보는 바와 같이, 먼저, 태양광 발전 시스템에서 n을 PV 모듈(11)의 개수, PV 모듈 i에서 읽어 들인 전력을 Pi, 온도를 Ti, TEV 전압을 Ui라 한다.
다음으로, 전력, 온도, TEV 전압에 대한 평균값을 구한다.
[수학식 1]
여기서, mp, mt 및 mu는 각각 전력, 온도, TEV 전압의 평균값을 나타낸다.
다음으로, 모듈의 평균값과 각 모듈의 전력, 온도, TEV 전압의 편차를 구한다.
[수학식 2]
다음으로, 전력, 온도, TEV 전압에 대한 표준편차를 구한다.
[수학식 3]
다음으로, 정규분포 N(mp,σp 2), N(mt,σt 2), N(mu,σu 2)을 따른다고 하면 확률밀도함수는 다음 수학식과 같이 표현된다.
[수학식 4]
[수학식 5]
[수학식 6]
상기 수학식 4, 5, 6의 정규분포곡선을 표시한 도면이 도 13이다.
도 13에서 표현되는 전력, 온도, TEV 전압에 대한 정규분포곡선에서 색칠한 부분(이하 고장 및 불량 범위)에 속할 확률은 다음 수학식과 같다.
[수학식 7]
상기 고장 및 불량 범위에 들어가고 각 모듈의 전력 Pi가 평균값의 절반 mp/2 보다 작을 경우, 또는, 각 모듈의 온도 Ti, TEV 전압 Ui가 각각 평균값의 절반 mt/2, mu/2보다 클 경우, 모듈의 고장 및 불량으로 주변 모듈에 비하여 현저히 낮은 전력이나, 높은 발열온도 또는 TEV 전압을 출력하는 것으로 판단한다.
그리고 고장 및 불량으로 판단되면, 경보 메시지를 울리고 해당 PV 모듈 Modi에 대한 바이패스 경로의 계전기를 절체 시켜 바이패스 경로로 전류가 흐르게끔 한다. 이러한 현상이 지속적으로 해당모듈에 대하여 발생하는 경우, 해당 모듈을 교체하여 태양광 발전이 지속적으로 안정되게 동작할 수 있게끔 관리할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 태양광 발전장치 11 : PV 모듈
20 : 바이패스모듈 21 : 바이패스 회로
22: 계전기 30 : 센서모듈
31 : 전력센서 32 : 온도센서
33 : TEV 센서 35 : 통신부
40 : 제어장치 41 : 센서수신부
42 : 제어신호부 43 : MCU
44 : 표시부 45 : 데이터 전송부
20 : 바이패스모듈 21 : 바이패스 회로
22: 계전기 30 : 센서모듈
31 : 전력센서 32 : 온도센서
33 : TEV 센서 35 : 통신부
40 : 제어장치 41 : 센서수신부
42 : 제어신호부 43 : MCU
44 : 표시부 45 : 데이터 전송부
Claims (5)
- 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템에 있어서,
직렬로 연결되는 다수의 PV 모듈로 구성되는 태양광 발전장치;
상기 PV 모듈 각각에 설치되어 상기 PV 모듈을 바이패스시키는 바이패스 회로로 구성되는 바이패스모듈;
상기 PV 모듈 각각에 설치되어, 해당 PV 모듈의 전력을 측정하는 전력센서, 해당 PV 모듈에 발열되는 온도를 측정하는 온도센서, 및, 상기 PV 모듈에서 발생되는 과도접지전압(TEV)을 검출하는 TEV센서로 구성되는 센서모듈; 및,
상기 센서모듈로부터 검출값을 수신하여, 상기 전력의 검출값으로 해당 PV 모듈의 전력을 산출하고, 검출된 전력, 온도, 및, 과도접지전압의 확률분포를 구하고, 전력, 온도, 및 과도접지전압의 검출값이 상기 확률분포에서 소정의 범위 내에 속하면 해당 바이패스모듈을 바이패스시켜 제외시키도록 상기 바이패스모듈로 명령을 전송하되, 상기 검출된 전력값이 전력의 확률분포에서 소정의 범위 이하이면 바이패스시키고, 상기 온도 및 과도접지전압의 검출값이 소정의 범위 이상이면 바이패스시키는, 제어장치를 포함하고,
상기 제어장치는 전체 PV 모듈의 전력, 온도, TEV 전압의 평균값과 표준편차를 구하고, 상기 평균값과 표준편차를 이용하여 정규분포를 따른 확률밀도함수를 구하고, 상기 확률밀도함수에 의해 표현되는 정규분포곡선에서 소정의 값 이하를 가지는 고장 및 불량범위를 구하고, 상기 고장 및 불량범위에 들어가는 전력, 온도, TEV 전압로 검출되는 PV 모듈을 고장 및 불량 모듈로 판단하고,
상기 제어장치는 PV 모듈의 전력 Pi가 상기 고장 및 불량 범위에 들어가고 해당 PV 모듈의 전력 Pi가 평균값의 절반 mp/2보다 작을 경우, 해당 PV 모듈을 고장 및 불량으로 판단하고, PV 모듈의 온도 Ti 나 TEV 전압 Ui가 상기 고장 및 불량 범위에 들어가고 해당 PV 모듈의 온도 Ti 나 TEV 전압 Ui가 평균값의 절반 mt/2 또는 평균값의 절반 mu/2 보다 작을 경우, 해당 PV 모듈을 고장 및 불량으로 판단하고,
상기 제어장치는 PV 모듈의 전력 Pi와 온도 Ti, TEV 전압 Ui가 각각 다음 수식 1을 만족할 때 상기 불량 범위에 들어가는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템.
[수식 1]
단, mp 와 mt, mu 는 각각 전체 PV모듈의 전력, 온도, TEV 전압의 평균값이고, σp 와 σt, σu 는 각각 전체 PV모듈의 전력, 온도, TEV 전압의 표준편차이고, k는 0보다 큰 상수임.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스모듈은 설치되는 PV 모듈의 출력을 인접한 PV 모듈과 직접 연결시키거나 바이패스(bypass)시키는 바이패스 회로, 및 상기 바이패스 회로를 스위칭 시키는 계전기를 구비하여, 상기 제어장치로부터 명령을 수신하여 상기 바이패스 회로의 계전기를 제어함으로서 상기 PV 모듈의 직접 연결 또는 바이패스 연결을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제어장치는 마이크로프로세서를 구비하고, 상기 센서모듈과 RS-485통신에 의해 전송된 각 PV 모듈의 전력, 온도, TEV 전압을 수신하여, 각 PV 모듈의 고장 및 불량 여부를 판단하는 프로그램을 구비하고, 상기 고장 및 불량모듈 판단 프로그램을 마이크로프로세서에 의해 수행하게 함으로써 고장 및 불량 모듈 검출 및 바이패스 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치의 PV 고장 및 불량모듈 바이패스 시스템.
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