1. 서 론

태양광인버터는 태양광 모듈의 직류(DC)를 가전제품에서 사용하거나 그리드(Grid)에 공급할 수 있는 교류(AC)로 변환하는 장치이다. 이는 모든 태양광발전시스템의 필수 구성 요소이지만 수명이 제한되어 있으며 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있다. 이러한 성능 저하의 주요 요소로 태양광인버터의 입력 전압과 전류는 지속 시간에 영향을 미쳐 전압이나 전류가 높을수록 부품이 더 빨리 마모가 된다. 따라서 부품의 정격이 결정되면 직렬로 연결된 부품의 전압이 너무 높거나 낮아서는 안 되며 특히 직렬로 연결된 부품의 전압은 태양광인버터의 정격전압에 가깝게 유지해야 한다. 결과적으로 태양광인버터의 입력 전압을 권장 범위 내로 유지하면 시스템 오류를 방지하여 수명과 성능을 향상할 수 있다^[1].

또한 태양광인버터의 내부 온도는 작동 성능과 지속 시간에 영향을 미쳐 내부 온도가 높을수록 성능을 저하하고 수명을 단축하는 요인이 된다. 특히 내부의 많은 구성 요소 중 전력용 커패시터는 태양광인버터의 중요한 부품이지만 온도 변화에 민감하며 주변 온도가 10℃ 올라갈 때마다 커패시터의 수명은 절반으로 줄어들 정도로 영향을 많이 받는다^[2].

전력기기의 내부에는 일시적 에너지 저장을 위한 AC/DC 연계(link), 그리고 전압 평활화 등 필터 기능을 위하여 전력용 전해 커패시터(Electroytic Capacitor)를 필수적으로 사용하고 있다. 특히 태양광발전 등 신재생에너지 분야 및 전기자동차의 수요 확대에 따라 전력변환기의 사용이 급증하면서 전해 커패시터의 사용 증가와 더불어 전력변환장치(PCS)의 사고의 대부분을 전해 커패시터가 차지하고 있다.

그림 1은 전력변환시스템의 고장 요소별 분포도로 사용 중인 부품 중 전해 커패시터의 고장률이 다른 부품 요소인 반도체 스위치, 유도성 소자, 다이오드보다 훨씬 높게 발생하고 있음을 “Military handbook 217 F, Reliability of electronic equipment”에서 서술하고 있다^[3]. 이러한 전해 커패시터는 전해액의 증발에 따른 열화, 손실 증대가 가중되면서 폭발로 이어지는 사고가 발생하고 있다. 특히 고조파 리플 전류의 지속적인 유입은 전해 커패시터의 사고를 가속하여 전력변환기기의 중요 부품 중 사고의 가장 큰 요인으로 전해 커패시터가 차지하고 있다.

따라서 본 논문에서는 상용품으로 출시되고 있는 태양광인버터의 전해(전력용) 커패시터에 대해 용량별 열화상태 시험을 통하여 전압 및 정전용량의 상관관계에 대해 분석하였다. 또한 전해(전력용) 커패시터 열화정도를 감지하여 열화를 보상할 수 있는 보상모듈 및 열화진단 알고리즘 연구하였다. 이러한 연구를 통해 전해(전력용) 커패시터의 열화에 따른 보상과 태양광인버터의 지속적인 성능 유지를 기반으로 태양광발전시스템의 안전성을 향상하고자 한다.

2. 전해 커패시터의 고장분석

최근 전력전자 기술의 발달에 따라 전력기기의 사용 증가에 의한 비선형부하의 사용이 증가하고 있다. 운송용 엘리베이터 등의 인버터 사용 급증과 정보통신용 전원, 태양광발전 등 신재생에너지 분야 및 전기자동차의 수요 확대에 따라 전력변환기의 사용이 증대되고 있는데 이들의 장치 내부에는 AC/DC 연계 및 전압 평활화를 위하여 전해 커패시터를 사용하게 된다. 그러나 이러한 전해 커패시터는 전해액의 증발에 따른 열화 및 손실 증대가 가중되면서 폭발로 이어지는 사고가 발생하게 된다.

전해 커패시터의 고장은 열화에 의하여 전해액이 증발하여 정전용량의 감소 및 ESR(Equivalent Serial Resistance, 등가 직렬 저항)의 증가를 가져오는 것이 가장 크다. 또한 고장 모드는 크게 단락 및 개방회로, 그리고 커패시턴스의 감소 및 ESR의 증가와 누설전류의 증가 등 전기적 성능 악화로 나눌 수 있다. 단락 및 개방회로는 주로 기계적 스트레스에 의하며 단락 시에는 산화막의 유전 파괴가 있을 수 있으나 이는 산화막의 신속한 복귀 성능 때문에 전류의 집중이 거의 일어나지 않아 단락 회로의 형성은 매우 드물다.

그러므로 전해 커패시터의 고장은 대부분 전기화학적 반응으로 나타나게 되는데 이는 전해액의 감소 및 전해액 증기분출, 양극과 음극에서의 커패시턴스 감소로 나타나게 되며 이의 요인으로는 온도 및 전압 그리고 맥동전류 등의 초과로 발생한다. 특히 온도는 전해액 성능과 직접 관련이 있으며 기타 맥동전류의 증가로 온도 상승을 가중하고 있음을 알 수 있다. 따라서 전해 커패시터의 고장 및 열화의 메커니즘은 온도 상승에 따른 전해액의 증발이 가장 큰 요인이며, 이에 따라 정전용량의 감소 및 ESR의 증가를 초래한다고 할 수 있다.

3. 커패시터 열화 요인과 열화진단 방법

태양광인버터에 사용되고 있는 DC 커패시터는 다른 전력용 반도체 소자 대비 수명이 상대적으로 짧아서 고장 발생 비율이 60%를 차지하여 전력변환장치를 구성하는 요소 중 가장 취약하다^[2]. 또한 커패시터의 수명은 사용 환경 요인에 의하여 변화하기 때문에 태양광인버터 및 태양광발전시스템의 수명과 운전상태에 크게 영향을 주고 있다. 따라서 커패시터의 열화요인 및 열화진단에 대해 다음과 같이 분석 및 정리할 수 있다.

4. 커패시터 용량별 열화상태 시험

“3. 커패시터 열화 요인과 열화진단 방법”에서 서술한 내용을 종합하여 볼 때 커패시터의 열화진단 방법은 정전용량을 측정하여 처음 용량 대비 현재의 정전용량을 측정하는 방법이 가장 현실적인 방법으로 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 전압 및 정전용량 상관관계 분석을 위해 커패시터의 용량별 열화상태를 시험하였으며 그림 2와 같이 각각의 커패시터 허용전압의 약 1.7 배의 전압을 인가 및 2분 후 정전용량 및 전압의 크기 변화를 측정하였다. 전압 및 정전용량 상관관계에 따른 실험 결과들을 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) 16V, 1,000uF 커패시터는 허용전압의 약 1.7 배 전압 28V 인가 시 1차 14%(실험 전 946uF, 실험 후 819uF), 2차 13% (실험 전 975uF, 실험 후 851uF) 정전용량 감소, 1차 5.5% (실험 전 15.78V, 실험 후 16.66V), 2차 5.7%(실험 전 15.75V, 실험 후 16.65V)의 전압 크기가 증가함.

(2) 25V, 3,300uF 커패시터는 허용전압의 약 1.7 배 전압 43.75V인가 시 1차 10%(실험 전 3,227uF, 실험 후 3,326uF), 2차 7%(실험 전 3,326uF, 실험 후 3,095) 정전용량 감소, 1차 6%(실험 전 32.13V, 실험 후 34.2V), 2차 6%(실험 전 32.09V, 실험 후 34.18V)의 전압 크기가 증가함.

(3) 50V, 470uF 커패시터는 허용전압의 약 1.7 배 전압 84V 인가 시 1차 16%(실험 전 447uF, 실험 후 421uF), 2차 4%(실험 전 448uF, 실험 후 432uF) 정전용량 감소, 1차 3%(실험 전 20.92V, 실험 후 21.51V), 2차 3%(실험 전 20.97V, 실험 후 21.63V)의 전압 크기가 증가함.

(4) (1)~(3)의 실험결과를 기준으로 각각의 전압/용량별 열화시험 진행으로 13~16%의 정전용량 감소와, 3~6%의 전압 크기의 변화가 발생하였으며 각 실험결과를 표 1과 같이 정리 함.

5. 커패시터 열화진단 보상 모듈 및 알고리즘

태양광인버터에 사용되고 있는 전력용 커패시터는 사용 시간 증가에 따라 노후 및 열화 진행이 발생하며 이러한 증상으로 효율저하 및 교류 출력전류 종합왜형률(THD)이 기술기준을 만족하지 못하는 현상이 발생하고 있다^[6]. 따라서 커패시터 열화정도를 감지하여 열화를 보상할 수 있는 보상모듈 및 열화진단 알고리즘 설계하였다.

커패시터의 열화진단 보상 모듈은 3.5kW급 각 사(社)의 태양광인버터 내부에 설치된 DC 커패시터 전압 400Vdc 급을 고려하여 DC 커패시터 상태에 따른 측정부 기능을 반영하였다.

태양광인버터 내부의 커패시터 용량은 A(社)사의 경우 1,980 uF, B사(社)의 경우 1,320uF으로 구성되어 있어 최대 2,000uF를 초과하지 않기에 4,290uF(330uF×13EA)으로 보상 모듈 용량을 선정하였다. 따라서 내부의 커패시터 열화에 의한 용량 감소 알람 시 대체할 수 있는 커패시터 뱅크를 구성하여 관리자의 수동 조작에 의한 필요한 용량만큼 대체 투입할 수 있도록 그림 3과 같이 열화진단에 따른 커패시터 보상모듈을 설계하였다.

또한 그림 4와 같이 태양광인버터 내부의 커패시터 열화상태를 진단하기 위하여 열화진단 모듈의 알고리즘을 다음과 같이 적용하였다.

(1) 초기 통신 및 타이며 설정

(2) ADC (태양광인버터 전압) 측정 타이머 동작을 진행하여 현재 태양광인버터 전압 계측

(3) 계측된 전압이 3V 이하일 경우 커패시터 용량 측정 제어 릴레이부를 동작하여 커패시터 용량 계측 시작

(4) 커패시터 용량 계측은 MCU에서 일정 전압으로 충전 후 충전 시간 계산으로 용량 계산 알고리즘 적용

(5) 커패시터 용량 계산 완료 후 기존 용량 대비 설정 알람값에 따라 알람 값을 HMI로 전송

그림 5는 커패시터 열화진단 모듈 및 보상모듈을 이용하여 태양광인버터 내부 커패시터의 열화상태를 진단 하기 위한 구성도를 보여주고 있다. 태양광인버터와 연결된 열화진단 모듈은 인버터의 상시전압을 감시하면서 일정 전압 이하로 전압이 낮아졌을 때(새벽 발전 정지상태)는 적용한 커패시터 용량 측정 제어 Relay 회로를 통해 커패시터와 연결되어 용량을 측정할 수 있도록 구성하였다.

그림 6은 본 논문에서 연구한 전해 커패시터 열화정도를 감지하여 열화를 보상할 수 있는 보상모듈과 열화진단 알고리즘을 적용한 태양광인버터 성능시험 구성도를 보여주고 있다^[7].

태양광인버터의 계통연계 및 성능검증을 위해 태양전지 출력특성을 모의하는 태양전지 모의직류전원장치(DC Simulator), 계통전원을 모의하는 모의계통전원장치(AC Simulator), 태양광인버터의 과부하 내량에 상당하는 최대 전력을 소비하기 위한 부하장치(Dummy Load), 태양광인버터 입출력에 대한 전기적 성분에 대한 데이터 수집을 위한 전력분석기, 오실로스코프 및 기타 측정기들이 사용되었다. “5. 커패시터 열화진단 보상 모듈 및 알고리즘”에서 언급한 태양광인버터 내부의 커패시터 용량이 B사(社)의 경우 1,320uF으로 구성되어 현장에서 사용하고 있는 인버터를 그림 6과 같이 구성하여 열화진단 및 인버터의 성능에 대해 살펴보았다.

B사(社)의 태양광인버터는 다음의 사양으로 태양광발전시스템에서 운전 중이며 측정된 커패시터 용량은 초기 커패시터 용량(1,320uF)의 약 20% 수준인 300uF으로 측정되었다. 따라서 커패시터의 열화가 상당히 진행된 상태로 태양광인버터의 효율측정 결과로 그림 7과 같이 약 90.79%의 값을 보여주고 있다. 이러한사용 환경 요인에 의하여 태양광인버터 및 태양광발전시스템의 수명과 성능 및 운전상태에 크게 영향을 주고 있다^[8].

반면에 열화가 진행되어 90.79%의 효율을 보이는 태양광인버터에 연구한 보상모듈 및 열화진단 알고리즘을 적용한 효율 결과를 그림 8에서 보여주고 있다. 측정결과 약 95.35%로 열화진단 및 보상모듈을 통하여 약 4.5%의 효율이 상승한 결과를 확인할 수 있다.

그림 9는 그림 4에서 설명한 커패시터 열화진단 알고리즘을 적용하여 커패시터의 용량 측정을 통한 상태진단에 결과로 커패시터 용량 계측기와 비교 측정하여 정확성을 검증하였으며 실험결과와 관련된 내용을 표 2로 정리하였다. 그림 9(a)는 태양광인버터 내부에 사용되고 있는 전해(전력용) 커패시터의 최초 사용되고 있는 커패시터 용량값 대비 50% 이상 측정 시 정상상태에 해당하는 파란색의 설정값으로 알려준다. 반면에 전해(전력용) 커패시터의 최초 사용되고 있는 용량값 대비 50~25%에 해당하는 1단계의 노란색 알람(그림 9(b)), 25~10% 시 2단계의 주황색 알람(그림 9(c)), 10% 미만은 3단계의 적색 알람(그림 9(d))으로 사용자에게 색상별로 상태진단 결과를 식별할 수 있도록 하였다.

6. 결 론

태양광발전 등 신재생에너지 분야 및 전기자동차의 수요 확대에 따라 전력변환기의 사용이 급증하면서 전해 커패시터의 사용 증가와 더불어 전력변환장치의 사고의 대부분을 전해 커패시터가 차지하고 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광인버터의 전해(전력용) 커패시터에의 열화정도를 감지하여 열화를 보상할 수 있는 보상모듈 및 열화진단 알고리즘 연구하였다.

내부의 커패시터 열화에 의한 용량 감소 시 보상모듈을 통하여 약 4.5%의 효율 상승을 통해 성능 및 안전성 향상을 실험적으로 증명하였다. 또한 사용자가 현재 운전 중인 태양광인버터의 열화상태 진단결과를 표 2의 실험결과와 같이 모니터링하여 최적의 상태로 운영함으로써 가동율 향상 및 유지 보수 비용을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 본 연구를 통해 태양광인버터의 전력손실 및 전력 노이즈(THD)를 실시간으로 감시하여 전력손실을 최소화함으로 시스템의 성능 및 안전성을 향상할 것으로 본다.