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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 69, No. 7, p.970-977

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 29 February 2020Revised : 12 June 2020Accepted : 23 June 2020

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2020.69.7.970

Design Method for DC Wiring of PV Generation System by Expansion of Low-Voltage Range

저압범위 확대에 따른 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

현동근 (Dong-Geun Hyun) ¹iD 김동규 (Dong-Kyu Kim) ²iD 이현명 (Hyeon-Myeong Lee) ²iD 김재언 (Jae-Eon Kim) ^†iD

(Electrical, Electronics and Information Standards Division, KATS, Korea)
(School of Electrical Engineering, Chungbuk National University, Korea)

^†Corresponding Author : School of Electrical Engineering, Chungbuk National University, Korea

E-mail : jekim@cbnu.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

The Korea Electro-technical Code (KEC) established in 2018 extended the DC low-voltage range under 750 V to 1,500 V. Accordingly, it is expected that there will be some changes in the domestic photovoltaic industry. In Korea, most of PV generation systems have been operated under 750 V for cost and regulatory reasons. If KEC is implemented from 2021, PV generation system is expected to improve power generation efficiency by constructing under 1,500 V. However, in order to apply the new low- voltage range in PV generation system, it seems to be prepared more concretely. Especially, KEC currently deals with regulations for low-voltage cables and PV generation system, but the impact on PV generation system and existing cables by applying the expansion of DC 1,500 V is not considered. And the rated voltage 1 kV cable currently used is not appropriate to PV generation system expected to be constructed under 1,500 V from 2021. In addition, due to the characteristics of PV generation system, it is necessary to regulate the use of cable for PV generation system rather than using general cables at 1,500 V. Therefore, this paper proposes a revision plan of KEC applied in 2021 and a design method to prepare DC wiring for PV generation system applicable to DC 1,500 V.

Key words

PV generation system, DC wiring, Expansion of Low-Voltage range, cables for photovoltaic

1. 서 론

2017년 12월, 산업통상자원부는 “재생에너지 3020 이행계획”을 발표하며 국내에 신재생에너지 산업 성장을 위한 시작을 본격적으로 알렸다 ⁽¹⁾. 그 결과, 2018년에는 보급목표의 172%에 해당하는 2,989 MW의 재생에너지설비가 신규 보급되었으며, 약 68%인 2,027 MW가 태양광 설비로 확인되었다 ⁽²⁾. 그리고 국제에너지기구(IEA: International Energy Agency)에서 발간한 World Energy Outlook 2018 에너지 전망시나리오에 따르면 2000년 1 TWh 수준이었던 전 세계 태양광 발전량이 2017년에는 435 TWh로 확대됨에 따라 앞으로도 태양광발전에 대한 수요는 국내외적으로 지속될 것으로 전망하고 있다 ⁽³⁾.

이듬해 산업통상자원부는 2018년 3월 9일, 한국전기설비규정(KEC, Korea Electro-technical Code)을 제정하며 본격적인 시행을 21년으로 고시하였다 ⁽⁴⁾. KEC의 주요 제정사항 중 한 가지는 저압범위규정이 직류 750 V에서 1,500 V로 확대가 된 것이다. 이는 태양광발전에 직접적인 영향을 주는 것으로, 태양광발전설비에 있어 모듈의 직렬 개수를 증가시킬 수 있고 기존의 용량증대를 위해 병렬 모듈 증가와 이로 인한 발전 손실 및 직류배선수가 증가하던 단점이 보완될 것으로 기대할 수 있다.

그러나 현재 PV발전설비의 직류배선에 주로 사용되는 케이블은 정격전압 1 $kV_{ac}$의 일반 옥외용 케이블로 향후 확대될 1,500 V에 사용하기에는 장기적으로 옳지 못하다. 특히 KEC에서는 5장 태양광발전설비(이하 PV발전설비)를 통해 전기배선에 대한 요구사항으로 바람, 결빙, 온도, 태양방사와 같은 외부 영향을 견디도록 시설하도록 명시하고 있지만 전기적 특성에 대한 언급은 적어 변경될 전압범위 대한 구체적인 대응은 미흡한 상황이다 ⁽⁴⁾. 즉, 향후 PV발전설비 운영에 있어 현재 사용되는 케이블을 통해서는 일반적으로 알려진 기대수명인 25 ~ 30년을 충족시키기 어렵다는 의미이다 ⁽⁵⁾.

이러한 국내사정과 달리 해외에서는 보다 일찍이 1,500 V에 대한 대응을 해오고 있다. 독일의 시험인증기관인 TUV는 2007년부터 직류 1,500 V용 PV발전설비 직류배선 전용 케이블에 대한 표준과 인증을 도입하였다. 국내에서는 정부정책에 힘입어 태양광발전 산업이 지속적으로 커져가는 상황에도 PV발전설비 직류배선 전용 케이블 표준과 인증은 아직 존재하지 않는다. 허나 최근에는 산업계에서 PV발전설비 직류배선 전용 케이블에 대한 중요성을 인식하여 한국산업표준(KS)의 제정 요구가 있는 만큼 국내에서도 PV발전설비 직류배선 전용 케이블의 도입을 검토할 필요가 있다 ⁽⁶⁾.

따라서 본 논문에서는 저압의 범위 확대에 따라 예상되는 PV발전설비 직류배선 설계상의 문제점과 이를 해결하기 위한 KEC의 개정안을 살펴보고, 직류배선 전용 케이블을 활용한 설계방법을 제안하고자 한다.

2. 저압범위 확대에 따른 PV발전설비 직류배선 설계상의 문제점

2.1 국내외 PV발전설비 직류배선 케이블 표준 분석 및 문제점

국내에서는 KS C IEC 60502-1, 해외에서는 IEC 62930을 각각 PV발전설비 직류배선 케이블에 사용하고 있다. 국내에 적용중인 표준은 정격전압 1 $kV_{ac}$의 일반 옥외용 절연케이블인 반면, 해외에서 적용중인 표준은 1.5 $kV_{dc}$의 정격전압을 갖는 태양광발전시스템 전용 직류배선 케이블이라는 점에서 차이가 있다. KS C IEC 60502-1에서는 케이블의 수명을 언급하지 않고, 절연체 및 시스에 따라 다른 요구사항을 다루고 있다. 반면 IEC 62930에서는 케이블의 수명을 최소 25년으로 명시하나 절연체나 시스를 종류별로 다루고 있지는 않다 ⁽⁷⁾⁽⁸⁾.

두 표준에서 공통적으로 다루고 있는 시험항목 중 PV발전설비 직류배선에 요구되는 시험은 저온, 고온, 환경 및 전기 특성이 있다. 특히 IEC 62930은 부식, 기후/자외선 저항성, 내산성 및 직류전압에 대한 절연저항을 추가적으로 다루고 있으며, 공통으로 다루고 있는 항목은 KS C 60502-1에 비해 가혹한 조건에서 시험을 진행함을 확인할 수 있다.

따라서 기존 국내에서 사용중인 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블을 차후 확대될 저압범위에서 지속적으로 사용할 경우, 수명, 정격전압의 불일치 및 배선비용의 증가와 같은 문제점이 발생할 수 있다.

2.1.1 수명

일반적으로 PV발전설비의 기대수명은 25년 내외로 알려져 있고, 이를 위해 태양광모듈 제조사는 최대 30년의 출력 보증을 제공하고 있다 ⁽⁹⁾. 그러나 국내 PV발전설비 전용 직류배선에 사용중인 F-CV 케이블의 수명에 대한 보증은 없고, 25년 이상 사용이 가능할지 확신할 수 없다. 태양광발전 특성상 외부환경에 노출될 수밖에 없는 상황이기 때문에 빗물, 자외선, 해충 등으로 인해 기대수명은 더욱 짧아질 것이다. 일본전선공업사에서 작성한 기술자료 제107호에 따르면 옥외에서 사용하는 가교폴리에틸렌절연 비닐시스 케이블 및 비닐절연비닐시스 케이블과 같은 저압케이블의 일반적인 내용 연수는 15년에서 20년 사이로 정의하고 있어, PV발전설비를 25년간 운전할 경우에는 추가적인 직류배선 교체가 요구될 수 있고 케이블의 정격전압보다 높은 전압이 인가될 경우 이 기대수명은 더욱 단축될 것이다 ⁽⁵⁾.

2.1.2 정격전압의 불일치

향후, 저압이 1,500 $V_{dc}$로 확대될 경우 현재 사용중인 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블을 계속적으로 사용하는데 한계가 있다. KS C IEC 60502-1에서는 정격전압을 1 $kV_{ac}$로 정의하지만, 이를 뒷받침할 시험항목은 별도로 존재하지 않는다. 반면, IEC 62930에는 절연체 직류장기 저항성 시험을 통하여 최대사용전압인 1.8 $kV_{dc}$에 대한 내구성을 검증하고 있다. 즉, 현재 사용중인 정격전압 1 kV F-CV 케이블은 1 $kV_{ac}$를 초과하는 전압을 지속적으로 인가할 경우, 1.5 $kV_{dc}$ 태양광용 케이블에 비해 수명단축과 절연파괴 등으로 인한 사고발생 가능성이 높아질 수밖에 없다.

2.1.3 배선비용의 증가

앞서 살펴본 것처럼 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블은 확대될 저압범위에 적합하지 않기 때문에 향후에는 더 높은 정격전압을 갖는 케이블로 대체되어야 한다. 표 1은 PV발전설비 직류배선에 사용될 수 있는 케이블의 금액을 정격에 따라 정리하였으며, 국내에는 정격전압 3 $kV_{ac}$ 케이블과 TUV인증을 받은 PV발전설비 직류배선 전용 케이블은 국내에서는 취급되고 있지 않아 해외 제품 가격정보를 참고하였다 ⁽¹⁰⁾⁽¹¹⁾.

만약 1 $kV_{ac}$ 케이블의 대안으로 PV발전설비 직류배선 케이블이 아닌 정격전압 3 $kV_{ac}$ 또는 10 $kV_{ac}$ 케이블을 선택할 경우, 케이블 비용이 약 4배 정도 증가하는 것과 더불어 여전히 외부환경에 대한 내구성은 확보되지 않는다는 문제점이 있다.

표 1. 케이블 종류에 따른 단가

Table 1. Unit price by cable type

	정격전압	1C, 4$mm^{2}$ (100m 기준)	1C, 6$mm^{2}$ (100m 기준)
F-CV 케이블	1 $kV_{ac}$	53,900원 ⁽⁹⁾	64,900원 ⁽⁹⁾
	3 $kV_{ac}$	247,000원 ⁽¹⁰⁾	323,000원 ⁽¹⁰⁾
	10 $kV_{ac}$	637,800원(1C, 25$mm^{2}$) ⁽⁹⁾
태양광발전 전용케이블	1.5 $kV_{dc}$	101,000원 ⁽¹¹⁾	135,000원 ⁽¹¹⁾

3. 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

3.1 PV발전설비 직류배선에 대한 규정사항 개정 필요성

국내에서는 PV발전설비 배선에 대한 일반적인 규정사항은 전기설비기술기준의 판단기준을 통해 다루고 있으며 특히, 2021년부터는 KEC가 판단기준을 대체하게 된다. 먼저, 판단기준에서는 제54조(태양전지 모듈 등의 시설)를 통해 전선의 최소 굵기 및 관공사 또는 케이블 공사로 시설하도록 규정하고 있다 ⁽¹²⁾. 판단기준에서는 PV발전설비 직류배선에 사용되는 케이블에 대한 요구사항보다는 관공사와 같은 배선 보호방법을 주로 다루고 있어, 확대된 저압에서의 PV발전설비 직류배선 케이블에 대한 명확한 요구사항을 제시해 주지 못하고 있다.

반면, 전기설비기술기준의 판단기준을 대체할 KEC에서는 5장 분산형전원설비를 신설하여, 향후 수요가 증가될 것으로 전망되는 전기저장장치, PV발전설비 등 신재생에너지를 다루고 있다. 특히, PV발전설비 직류배선에 대한 내용은 KEC 522.1.1에 기술되어 있으나 ⁽⁴⁾, 판단기준과 마찬가지로 2021년부터 적용될 전압범위를 고려한 사항은 없는 상황이므로, 배선에 대한 수명 및 정격전압 불일치에 대한 내용을 고려한 개정안이 마련될 필요가 있다.

3.2 KEC 개정안 제안

표 2. KEC 개정안

Table 2. Revision guideline of KEC

522.1.1 전기배선(신설 제안)

마.직류배선에 사용되는 케이블은 ｢전기용품 및 생활용품 안전관리법｣의 적용을 받는 것 이외에는 KS에 적합한 것으로 사용하여야한다.

바.태양광발전 시스템의 직류전압이 1 kV를 초과하는 경우에는 KS C IEC 62930에 적합한 것을 사용하여야 한다.

사.스트링 및 어레이 배선의 루프면적을 최소가 되도록 하여, 낙뢰 등으로 인해 회로에 유도되는 과도과전압의 크기를 최소화하도록 한다.

122.4 저압케이블(신설 제안)

사. 522.1.1의 "바"에 따른 태양광발전 직류배선 전용 케이블

KEC의 도입으로 인해 저압범위가 확대되고, 그 결과 기존 PV발전설비 직류배선에는 크게 앞서 살펴본 3가지 문제점이 발생할 우려가 있다. 그러므로 KEC 522.1.1 전기배선 관련 규정은 개정을 통해 확대될 저압범위 적용시, 예상되는 문제점을 고려하여, 표 2와 같이 KEC 522.1.1에 마. ~ 사. 항을 신설하는 것을 제안한다.

제일 먼저, 마. 항에서는 일반 저압 케이블과 마찬가지로 PV발전설비에 사용되는 케이블 또한 ｢전기용품 및 생활용품 안전관리법｣에 적용을 받거나 KS 표준에 적합한 것으로 명시하여 전선에 대한 법적 일관성을 유지한다. 바. 항에서는 기존 1 kV 케이블로는 직류 및 교류 구분 없이 저압에서 사용가능했으나, 향후에는 직류저압에서는 적합하지 않으므로 1 kV를 초과할 경우에는 KS C IEC 62930에 적합한 케이블을 의무적으로 사용하도록 한다.

그림. 1. 루프면적을 최소화한 스트링 배선

Fig. 1. PV String wiring with minimum loop area

태양광발전 설비의 요구사항을 다루는 IEC 60364-7-712의 521.103에서는 낙뢰와 같은 이상전압으로부터 스트링 및 어레이 회로에 유도되는 과도과전압을 줄이기 위하여, 배선을 도전성 루프의 면적이 최소화가 되도록 배치하는 것을 권장하고 있다 ⁽¹³⁾. 따라서 사. 항을 통해 배선의 루프면적을 그림 1과 같이 최소가 되도록 한다.

그리고 KEC 122.4에서는 1 $kV_{ac}$ 이하의 케이블을 저압케이블로 정의하고, 별도의 예외사항을 명시하고 있는데, 여기에 사. 항을 신설하여 1 $kV_{dc}$를 초과하는 태양광발전 직류배선을 추가하는 것을 제안한다.

3.3 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

전항에서 제안한 KEC의 개정안을 바탕으로 하여, PV발전설비 직류배선에 일반적으로 사용 가능한 직류배선 설계방법을 그림 2와 같이 제안한다.

Step 1에서는 PV발전설비의 전체발전용량($PV_{gen}$), 어레이용량($P_{array}$) 및 스트링 전압(SV)을 결정한다. 특히, 여기에서는 스트링 전압을 1,000 V 이상으로 할 것인지 아닌 지를 결정해야 한다. 왜냐하면, 1 kV 이하인 경우에는 현재 적용중인 일반 옥외용 절연케이블인 반면, 1 kV를 초과하는 경우에는 KS C IEC 62930에 적합한 것을 사용하여야 하며, 그렇지 않을 경우 2장에서 지적한 수명 및 경제적 문제점이 발생할 수밖에 없다.

그림. 2. 태양광발전시스템 직류배선 설계 흐름도

Fig. 2. Flowchart for designing PV generation system DC wiring

Step 2에서는 선정된 모듈의 개방전압($V_{Module, OC}$)으로 스트링전압($V_{system}$)을 나누어 스트링의 직렬모듈수(NM)를 결정하고, 모듈의 최대전력($P_{MPP}$)으로부터 스트링 전력(SP=NM×$P_{MPP}$)을 결정한다. 이로부터 PV발전설비를 구성하는 어레이당 스트링수(NS)와 어레이수(NA)를 표 3과 같이 결정한다.

표 3. 스트링 및 어레이의 구성

Table 3. Calculation for string and array configuration

스트링 내 모듈 직렬수	$NM=\dfrac{V_{system}}{V_{Module ,\:OC}}$
스트링 전력	$SP=NM\times P_{MPP}$
스트링 전압	$SV=NM\times V_{Module ,\:OC}$
어레이당 스트링 수	$NS=\dfrac{P_{array}}{SP}$
어레이 수	$NA =\dfrac{PV_{gen}}{P_{array}}$
총 사용된 모듈 수	$TM=NM\times NS\times NA$
$V_{system}$: 스트링 전압 $V_{Module ,\:OC}$: 모듈 개방전압		$P_{MPP}$: 모듈 최대전력 $P_{array}$: 어레이 용량 $PV_{g en}$: 설비 전체발전용량

Step 3에서는 앞서 결정한 발전용량을 몇 대의 인버터로 구성을 할 것인지는 시스템의 경제성 및 효율을 통하여 결정하고, DC/DC 컨버터가 있는 경우 그 입력전압 최대범위를 SV로, 그 출력전압인 인버터의 입력전압($V_{IR}$)은 접속되는 전력계통의 선간전압(VLL), 즉 인버터 교류출력 선간전압과 PWM방식의 진폭변조율($M_{a}$)을 고려하여 표 4에서와 같이 결정한다. 컨버터는 그 입력전압이 모듈 최대전력출력점의 전압인 $V_{MPP}$을 고려하여 상시 NM×$V_{MPP}$가 되도록 제어하게 된다.

표 4. 컨버터 및 인버터의 입력전압 계산

Table 4. Calculation of converter and inverter input voltage

컨버터 입력전압($V_{CR}$)

$NM\times V_{MPP}$

인버터 입력전압($V_{IR}$)

$\dfrac{\sqrt{2}\times V_{LL}}{M_{a}}$(단상)

$\dfrac{2\sqrt{2}\times V_{LL}}{\sqrt{3}M_{a}}$(3상)

$V_{MPP}$: 모듈 최대출력전압

$V_{LL}$: 선간전압

$M_{a}$: 진폭변조율

Step 4에서는 스트링별로 흐르는 전류를 계산한다. 상시 스트링전류는 모듈의 최대전력 출력점($P_{MPP}$)에서의 전압($V_{MPP}$)을 고려하여

$I_{MPP}=\dfrac{P_{MPP}}{V_{MPP}}$

와 같이 구해진 전류를 고려하여 직류배선의 굵기를 결정할 수 있으나, 스트링 단락시를 고려하여 모듈단락전류를 고려하여 저압 배선설비 표준인 KS C IEC 60364-5-52의 부속서 B와 모듈 사양서를 통해 전선의 굵기를 결정하도록 한다.

그림. 3. PV발전설비 유도전압 계산식

Fig. 3. Calculation of the induced voltage in PV generation system

Step 5에서는 PV발전설비 직류배선에 사용할 케이블을 결정한다. 즉, 전 단계에서 고려한 전류와 Step 1에서 결정한 스트링 전압을 고려하여 직류 750 V이하에서는 기존과 같이 정격전압 1 kV의 F-CV 케이블로, 직류 1 kV 이상에서는 KS C IEC 62930에 적합한 케이블을 선정하도록 한다.

Step 6에서는 스트링 및 어레이 배선의 배치를 결정한다. 특히, 배선의 개방루프 폭과 길이에 따라 과도과전압이 결정되므로 IEC 60364-7-712에 의거하여 과도과전압이 가능한 최소가 되도록 배선을 배치하도록 한다 ⁽¹³⁾.

4. 태양광발전시스템 직류배선 설계적용 및 고찰

4.1 직류배선 설계방법의 적용대상 선정

그림. 4. OO지역 직류 180 kW 급 PV발전설비 단선도

Fig. 4. Photovoltaic construction site one-line diagram of 180 kW class in a certain area

본 장에서는 OO지역의 전체 시스템 용량 180 kW인 PV발전설비 공사현장의 설계사례를 직류배선 설계방법 적용대상으로 그림 4와 같이 선정하였다. 적용 모듈은 국내 H社의 태양광모듈로 모듈최대전력 $P_{MPP}$ 300 Wp(최대출력점 전압 32.6 V, 전류 9.2 A), 모듈 개방전압 $V_{Module, OC}$=39.9 V, 모듈 단락전류 9.7 A를 고려하였다 ⁽¹⁴⁾.

4.2 직류배선 설계방법의 적용 및 고찰

4.2.1 설계방법의 적용

본 논문에서 제안한 PV발전설비의 직류배선 설계 방법은 그림 2의 설계 흐름도에 근거하여 하기와 같이 6단계로 적용 하였다.

Step 1에서 전체 발전용량은 180 kW, 스트링 전압은 직류전압확대를 고려하여 직류 1,000 V이상으로 결정하였다.

Step 2에서 스트링 전압 SV=NM(36)×$V_{Module, OC}$(39.9)=1,436.4 V, 스트링 전력 SP=36(모듈직렬수)×300=10,800 W, 스트링 최대출력시 전압 1,173.6 V, 스트링 1대당 DC/DC 컨버터 1대(11 kW), 스트링 16병렬, 어레이당 4개의 스트링, 총 4개의 어레이로 구성하였다.

Step 3에서는 컨버터의 입력전압과 인버터의 입력전압을 계산한다. 컨버터의 입력전압은 Step 2에서 구한 스트링 전압을 고려하여 최대 0 ~ 1,500 V로 하고, 컨버터는 스트링 최대출력점에서의 전압인, 스트링 전압 1,173.6 V에서 운전되도록 한다. 출력전압은 연결되는 계통 선간전압과 진폭변조율을 고려하여 689.5 V가 되도록 하고, 60 kW의 용량을 갖는 인버터 3대로 구성하였다.

Step 4에서는 스트링에 흐르는 정격전류는 모듈정격출력 300 W에서의 9.2 A이나, 스트링 단락사고를 고려하면 단락전류 9.7 A를 기준으로 결정하게 된다. 전선의 굵기 선정을 위해 KS C IEC 60364-5-52 내 배선 허용전류 표와 태양광모듈의 사양서를 참고하였다. 허용전류 표에 따르면 1.5$mm^{2}$ 굵기의 전선은 26A까지 허용 가능하여, 1.5$mm^{2}$ 이상의 굵기를 갖는 전선은 9.7 A에서 모두 사용이 가능하며, 주위온도 및 공사방법에 따라 케이블의 허용전류가 최대 60% 가량 감소할 수 있다. 동시에 태양광모듈 사양서에는 4$mm^{2}$를 사용하도록 하고 있는데 이는 앞서 언급한 환경적 요인을 최대한 고려한 수치이며, 이에 따라 설계사례에서도 4$mm^{2}$ 굵기의 케이블을 채택하여 구성하였다.

또한, 직류배선 케이블을 결정하는 Step 5에서는 PV발전설비의 전압범위가 직류 1 kV를 초과하므로 직류배선의 안전성을 확보하기 위해 KS C IEC 62930의 적용을 받는 케이블을 채택하였다.

Step 6에서는 IEC 60364-7-712를 따라 배선의 배치를 과도과전압이 최소가 되도록 하고, 전술의 6단계의 결정사항을 바탕으로 직류 1,500 V이하 PV발전설비의 배선도를 구성하면 그림 5와 같다.

그림. 5. OO지역 직류 1,500 V이하 PV발전설비 공사현장 배선도

Fig. 5. PV generation system construction site wiring diagram of DC 1,500 V in a certain area

앞서 표 3 및 표 4에서 살펴본 계산식을 이용하여 설계방법을 적용해보면, 표 5와 같이 구할 수 있다.

표 5. OO 지역 PV발전설비 직류배선 설계방법의 적용 결과

Table 5. Applying the design method to a certain area

절차		결정사항
Step 1	발전용량 결정	$180 k W$
	시스템 전압 결정	$1,\:500 V_{dc}$ 이하
Step 2	스트링 및 어레이 구성	스트링 내 직렬 수	$NM=\dfrac{1,\:500 V}{39.9 V}=36$개
		스트링 전력	$SP=36\times 300\approx 10.8 k W$
		스트링 전압	$SV=36\times 39.9=1,\:436.4 V$
		스트링 수	$NS=\dfrac{50k W}{10.8k W}=4$개
		어레이 수	$NA=\dfrac{200 k W}{50 k W}=4$개
		총 모듈 수	$TM=36\times 4\times 4=576$개
Step 3	컨버터&인버터 정격 및 수량 결정	컨버터 입력전압	$V_{CR}=36\times 32.6 =1,\:173.6 V$ $(0\sim 1,\:500 V 이내)$
		인버터용량 및 수량	$60 k W$, $\dfrac{180 k W}{60 k W}=3대$
		인버터 입력전압	$V_{IR}=\dfrac{2\sqrt{2}\times 380}{\sqrt{3}\times 0.9}=689.5V$
Step 4	스트링 전류 계산	$\dfrac{SP}{SV_{MPP}}=\dfrac{NM\times P}{NM\times V_{MPP}}=\dfrac{36\times 300}{36\times 32.6}=9.2 A$
Step 5	직류배선 케이블 결정	시스템전압이 1 $kV_{dc}$ 초과이므로 KS C IEC 62930에 적합한 케이블사용
Step 6	스트링/어레이 배선배치	IEC 60364-7-712 내 521.103을 따라 배치

한편, Step 1의 단계에서 스트링 전압을 기존의 1,436.4 V에서 1,000 V 이하인 750 V 급으로 설계하게 된다면, PV발전설비의 스트링 직류배선이 그림 5의 기존의 16병렬에서 그림 6의 모습처럼 32병렬로 구성된다.

그림. 6. OO지역 직류 750 V이하 PV발전설비 공사현장 배선도

Fig. 6. PV generation system construction site wiring diagram of DC 750 V in a certain area

4.2.2 고찰

앞서 2장에서 저압 확대에 따라 PV발전설비 직류배선에 발전에 나타날 수 있는 문제점으로 수명, 정격전압의 불일치 및 배선비용의 증가를 도출하였다. 제안된 직류배선 설계방법의 적용을 통해서 이와 같은 문제점을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있었다.

먼저 Step 5에서는 태양광발전 시스템전압이 1 $kV_{dc}$를 초과할 경우, KS C IEC 62930에 준하는 케이블을 의무적으로 사용하도록 하고 있기 때문에 1 $kV_{dc}$를 초과하는 PV발전설비에서 케이블의 수명을 최소 25년 이상 확보할 수 있음은 물론이고, 기존 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블로 인해 발생될 수 있는 정격전압 불일치 문제를 해결할 수 있게 된다. 그 밖에도 Step 3을 통해서 PV발전설비 시스템전압이 직류 750 V를 초과하였을 때, 직렬수를 늘려 스트링 및 어레이에서 접속함까지 사용되는 직류배선을 절감시킬 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 Step 6을 통해서는 시스템전압과 관계없이 이상전압으로부터 태양광발전 설비의 안전성을 추가로 확보할 수 있게 되었다.

그리고 저압범위가 1,500 $V_{dc}$로 확대되면 직렬수의 증가로 인해 접속함까지 사용되는 배선이 감소하여, 직류배선에 흐르는 전류 또한 감소하는 장점이 있다. 앞서 설계사례에서 스트링에 흐르는 전류를 9.2 A로 구하였고, $I^{2}R$에 대입하여 발생되는 손실을 계산할 수 있다. 750 V 이하에서는 병렬수가 32개, 1,500 V 이하에서는 16개였으므로 병렬수가 감소함에 따라 각 스트링에서 발생하는 총 손실도 다음과 같이 절반가량 감소한다.

$\dfrac{9.2^{2}\times R\times 16}{9.2^{2}\times R\times 32}\times 100=50%$

발전손실 이외에도 공사비용 및 노무비용에도 표 6 및 표 7에서 보이는 것과 같이 절감효과가 일부 생길 것으로 예상된다.

표 6. PV발전설비 직류배선 케이블의 비용 계산

Table 6. Cost calculation of photovoltaic DC wiring cable

구분	750 $V_{dc}$이하 (KS C IEC 60502-1)	1,500 $V_{dc}$이하 (KS C IEC 62930)
소요량	2 × 40m × 32병렬=2.56km	2 × 40m × 16병렬=1.28km
단가	539원/m	1,010원/m
계산	2,560m × 539원	1,280m × 1,010원
합계	1,387,520원	1,292,800원

배선의 비용은 앞서 표 1에서 살펴본 단가를 바탕으로, 그림 4에 명시된 길이를 적용하여 계산하였다. 직류 750 V이하 사례에서는 모듈에서 접속함까지 사용된 직류배선은 총 2.56km이고, 직류 1,500 V이하 사례에서는 병렬수가 감소하여, 기존대비 절반인 1.28km가 소요되어, 결과적으로 케이블의 비용은 표 6과 같이 계산된다.

사용되는 배선이 감소함에 따라 노무비에도 변화가 생기게 되는데, 2019년 상반기 적용 건설업 임금실태 조사 보고서의 시중 노임단가, 케이블전공 4.62와 보통인부 4.62를 적용하여 표 7과 같이 노무비용을 계산할 수 있다 ⁽¹⁵⁾.

표 7. PV발전설비 직류배선 노무비용 계산

Table 7. Labor cost calculation of photovoltaic DC wiring cable

구분		750 $V_{dc}$이하 (KS C IEC 60502-1)	1,500 $V_{dc}$이하 (KS C IEC 62930)
계산식		케이블전공 × 케이블 길이 × 노임단가
노무비	케이블	4.62 × 2.56km × 235,560원=2,786,015원	4.62 × 1.28km × 235,560원=1,393,007원
	보통 인부	4.62 × 2.56km × 125,427원=1,483,450원	4.62 × 1.28km × 125,427원=741,725원
합계		4,269,465원	2,134,732원

5. 결 론

본 논문에서는 2021년부터 KEC의 도입으로 태양광발전 시스템에 1,500 $V_{dc}$로 확대된 전압이 적용될 경우, 직류배선에 나타날 수 있는 문제점을 살펴보았다. 대표적으로 현재 국내에서 사용되고 있는 직류 케이블을 확대될 전압에서도 사용하게 될 경우 수명, 전압 불일치 및 비용 증가 등의 문제가 있음을 확인하였다.

즉, 이를 해결하기 위한 방안으로 KEC의 개정안과 PV발전설비 직류배선 설계방법을 제안하였다. 또한 OO지역의 PV발전설비 사례에 제안된 설계방법을 적용하여 저압의 범위가 확대되었을 때, PV발전설비 직류배선에 나타나는 설계방법의 변화와 공사비용 절감에 대하여 확인할 수 있었다. 대표적인 변화로는 모듈의 직렬수 증가로 인한 병렬연결 감소 및 배선의 절감효과가 있었고, 그동안 고려하지 않았던 직류 1 kV를 초과하는 태양광발전 시스템에 대해서도 KS C IEC 62930을 적용한 케이블과 과도과전압을 최소화하는 배선의 배치를 통하여 추가적인 안정성을 확보할 수 있게 되었다. 그 외에도 배선 감소에 따른 공사비, 공사시간 및 발전 손실이 감소하게 된다는 점에서 향후 저압범위의 확대는 PV발전시스템에 의미하는 바가 크다고 할 수 있다.

따라서 본 논문에서 제안한 KEC의 개정안과 PV발전설비 직류배선설계 방법을 바탕으로 직류배선 전용 케이블의 중요성이 확산되어 확대될 저압범위를 성공적으로 수용할 수 있는 기반이 마련되기를 기대한다.

References

Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017, Renewable Energy 3020 Implementation Plan

Ministry of Trade, Industry and Energy, 2019, Renewable Energy Statistics Press Release

Renewable Energy Center of Korea Energy Agency, 2018, Renewable Energy White Paper

Renewable Energy Center of Korea Energy Agency, 2018, Korea Electro-Technical Code(KEC)

The Japanese Electric Wire & Cable Maker’s Association, 2018, About the service life of wires & Cables, Technical Report 107th

Electronic Times, www.etnews.com/20190829000174

Korea Agency for Technology and Standards, , 2013, KS C IEC 60502-1, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltage from 1 kV up to 30 kV - Part 1: Cables for rated voltages of 1kV and 3 kV

IEC, 2017, IEC 62930, Electric cables for photovoltaic systems with a voltage rating of 1,5 kV DC

2019, Korea Price Information, The Price data of July

LappKorea, https://www.lapp4u.com/nsgafou-1-8-3-kv-1x300-1.html

LappKorea, https://www.lapp4u.com/%C3%B6lflexr-solar-xlr-e.html

Ministry of Trade, Industry and Energy, 2019, Criteria for determining the technical standards of electrical equipment

IEC, 2017, IEC60364-7-712, Low voltage electrical installations-Part 7-712: Requirements for special installations or locations-Solar photovoltaic (PV) power supply systems

greeneng2.dreamforone.co.kr/down/

Construction Association of Korea, 2019, Report on the Survey of Wage Status in Construction applied in the first half of 2019

저자소개

Dong-Geun Hyun

He received the B.S. degree in electro engineering from Dankook University in 2015 and also rececived M.S. degree from Chungbuk National University in 2020.

He was affiliated with KTL as a researcher from 2015 to 2016.

And he has been working at KATS as a International Coordinator since 2017.

His current interests are international standardization of electrical and electronics; system activities in IEC; maintaining the Korean Industrial Standard.

Dong-Kyu Kim

He received the B.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National University, Korea, in 2019.

He is currently working toward his M.S. degree in electrical engineering at Chungbuk National University.

His research interests include operation and design of power distribution systems with distributed generation.

Hyeon-Myeong Lee

He received the B.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National University, Korea, in 2020.

He is currently working toward his M.S. degree is electrical engineering at Chungbuk National University.

His research interests include operation and design of power distribution systems with distributed generation.

Jae-Eon Kim

He received the B.S. and M.S. degrees from the University of Hanyang in 1982 and 1984, respecttively.

He was affiliated with KERI as a researcher from 1984 to 1989; a senior resear- cher from 1989 to 1996; and a team leader of advanced distribution systems and custom power lab from 1997 to 1998.

He received his Ph.D. from Kyoto University, Japan in 1996.

He has been a professor at Chungbuk National University since 1998.

His current interests are design of Distributed Energy Resources; analysis of power quality; operation and design of AC & DC power distribution systems with DER and advanced distribution systems such as microgrid, LVDC and MVDC.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

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저압범위 확대에 따른 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 저압범위 확대에 따른 PV발전설비 직류배선 설계상의 문제점

2.1 국내외 PV발전설비 직류배선 케이블 표준 분석 및 문제점

2.1.1 수명

2.1.2 정격전압의 불일치

2.1.3 배선비용의 증가

3. 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

3.1 PV발전설비 직류배선에 대한 규정사항 개정 필요성

3.2 KEC 개정안 제안

3.3 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

4. 태양광발전시스템 직류배선 설계적용 및 고찰

4.1 직류배선 설계방법의 적용대상 선정

4.2 직류배선 설계방법의 적용 및 고찰

4.2.1 설계방법의 적용

4.2.2 고찰

5. 결 론

References

저자소개

Dong-Geun Hyun

Dong-Kyu Kim

Hyeon-Myeong Lee

Jae-Eon Kim

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

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저압범위 확대에 따른 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

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1. 서 론

2. 저압범위 확대에 따른 PV발전설비 직류배선 설계상의 문제점

2.1 국내외 PV발전설비 직류배선 케이블 표준 분석 및 문제점

2.1.1 수명

2.1.2 정격전압의 불일치

2.1.3 배선비용의 증가

3. 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

3.1 PV발전설비 직류배선에 대한 규정사항 개정 필요성

3.2 KEC 개정안 제안

3.3 태양광발전시스템 직류배선 설계방법

4. 태양광발전시스템 직류배선 설계적용 및 고찰

4.1 직류배선 설계방법의 적용대상 선정

4.2 직류배선 설계방법의 적용 및 고찰

4.2.1 설계방법의 적용

4.2.2 고찰

5. 결 론

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