1. 서 론

최근 태양광 발전설비의 설치가 증가하고 있다. 또한, 건물일체형 태양광 발전시스템(Building integrated photovoltaic system; BIPV), 도로적용 태양광 발전시스템(Road integrated photovoltaic system; RIPV) 등 다양한 형태의 구조물에 태양광 발전설비를 접목시킨 다양한 형태의 태양광 발전시스템이 설치되고 있다^[1-3].

이러한 형태의 태양광 발전시스템은 구조물의 형태를 활용하므로 최적의 설치 각도로 설치할 수 없으며, 아치형태 등 다양한 구조로 설치되어 여러 각도를 갖는 형태로 설치될 수 있다. 또한, 태양광 발전시스템의 인근 건물 수목 등에 의한 그림자 영향이 발생된다. 다양한 태양광 모듈 설치 각도와 그림자 영향은 스트링 내 모듈 간 전력 미스매치를 발생시키며, 전력 손실을 가져온다^[4].

미스매치에 의한 태양광 발전시스템의 전력 손실을 완화하기 위해 태양광 모듈 단위 전력변환장치(Module level power electronics; MLPE)를 활용할 수 있다. 태양광 발전시스템의 어레이 구성은 중앙집중식 인버터, 스트링 인버터, MLPE를 활용하여 구성할 수 있다. 중앙집중식 인버터는 구조가 간단하며, 하나의 인버터로 제어할 수 있다는 장점이 있지만, 일부 모듈에 영향을 미치는 경우에도 시스템 전체에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다. MLPE는 마이크로 인버터와 옵티마이저가 있으며, 모듈 단위로 전력변환장치를 부착하는 방식으로 모듈 단위의 제어를 통해 모듈에서 문제가 발생 된 경우 출력저하를 완화할 수 있다^[5].

최근에는 MLPE에 Rapid shutdown 기능과 같은 안전기술을 통해 안전한 사고대응을 할 수 있도록 하고 있다. Rrapid shutdown 기능은 태양광 모듈로 부터 회로를 분리할 수 있는 기능으로 호주, 미국, 독일 등의 해외 국가에서는 건물 일체형 태양광 발전시스템에 대해서 rapid shutdown 기능을 반드시 포함하도록 되어있다. 미국 NEC 690에서는 사고시 감전사고의 위험을 방지하기 위해 급속차단시 1ft 이내에서 어레이로부터 모든 방향으로 80V 이하로 떨어지도록 규정하고 있다. 한국전기설비규정은 급속차단기능에 대한 내용은 포함하지 않으며^[6-7], 과전류 및 지락보호장치의 설치에 대해서 다음 표 1과 같이 규정한다.

기존 논문에는 그림자 영향에 의한 태양광 발전시스템의 미스매치에 의한 발전성능 저하를 완화하기 위한 MLPE의 설치를 통한 발전효율 및 성능 향상에 대한 연구가 이루어졌다. ^[8-9] 하지만, BIPV 태양광발전시스템의 설치 확대와 MLPE를 이용한 급속차단 기능 등 안전성 향상을 위한 기술에 대한 관심의 증가하고 있어 관련 규정에 대한 제개정이 요구될 것으로 판단된다. 본 논문에서는 아치형 구조에 의해 모듈간 미스매치를 갖는 태양광 발전시스템에서 단락 및 지락사고가 발생 했을 때의 전기적 특성을 실험을 통해 확인하였다. 이를 통해 MLPE를 포함하는 태양광 발전시스템의 사고시 동작 특성을 확인하였다.

2. 시스템 구성

본 논문에서는 파워 옵티마이저가 부착된 태양광 발전시스템에서의 단락 및 지락 사고 발생 후 동작 특성을 확인하였다. 태양광발전시스템은 각도 및 설치 환경에 따라 발전성능에 큰 영향을 미친다. 그림 1은 실증 실험에 활용한 방음터널형 태양광 발전시스템을 나타낸다. 본 논문에서는 건물형태에 의해 최적의 경사각을 갖지 못하는 경우에 대해 분석하고자, 그림 1과 같이 아치형 구조를 갖는 태양광발전시스템을 구성하였다. 방음터널형 태양광 발전시스템은 아치형 구조에 의해 각 모듈의 경사각 및 방위각의 차이가 있다. 이에 따라, 태양광 모듈로 입사되는 일사량의 차이가 발생하여 구조에 의해 미스매치를 가질 수 있다. 그림 2와 표 2는 분석에 활용한 태양광 발전시스템의 스트링 구성과 구성 조건을 나타낸다.

그림 1. 방음터널 태양광 발전시스템

Fig. 1. A soundproof tunnel PV system

그림 2. 방음터널 시스템 스트링 구성

Fig. 2. Configuration of a soundproof tunnel PV system

각 그림 및 표에서 확인할 수 있듯이 각 시스템은 16직렬 3병렬로 구성되어 있으며, 모듈당 1개의 옵티마이저 1개를 병렬 연결하여 구성되었다. 실증실험에 활용된 태양광 발전 시스템을 구성하는 옵티마이저는 전압 조정 방식의 옵티마이저 이다. 해당 옵티마이저는 안전을 위해 차단기 동작 후 스트링을 구성하는 태양광 모듈의 전압을 1V 이하로 낮추는 안전 기능을 포함하는 모델이다.

3. 실험 방법

3.1 실험 조건

본 논문에서는 태양광 발전시스템에서 단락, 지락(양극지락, 음극지락)이 발생한 상황에 대해 실험을 통해 분석했다. 분석에 활용한 시스템은 여러 방위를 갖는 시스템으로 일사량 입사 조건이 좋은 남동 방위를 갖는 스트링 2에서 발생했다고 가정하였다. 이때, 단락 및 지락사고는 추가적인 사고 발생에 대한 대응을 위해 DC 퓨즈 앞단에서 사고가 난 상황으로 모의했다. 그림 3은 각 시나리오별 사고 발생 위치를 나타낸다. 그림 3(a)는 단락사고 발생 위치를 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이 스트링 단락사고가 발생한 경우로 가정하였다. 그림 3(b)와 (C)는 각각 1선 지락이 발생한 상황을 나타낸다.

그림 3. 사고 발생 위치

Fig. 3. Point of fault occurred

4. 실험 결과

4.1 스트링 단락 사고 실험 결과

태양광 발전시스템의 DC퓨즈 앞단에서 스트링 단락사고가 발생된 경우 스트링 퓨즈가 개방되고 스트링 전압이 하강하는 현상이 확인되었다. 그림 4는 선간단락사고 발생시 회로 구성을 나타내며, 그림 5는 스트링 단락사고 발생 시 전압, 전류 특성을 나타낸다. 전력품질 분석기를 활용하여 전압과 전류를 측정한 결과 사고발생장치 동작시 단락전류는 사고발생 전 스트링 전류와 유사한 5A가 출력되었다. 이때, 스트링 전류에 약 500A 이상의 역전류가 발생되었다. 역전류에의해 퓨즈가 개방되고 인버터간의 통신이 차단됨에 따라 옵티마이저가 모듈의 전압을 각각 1V로 낮춰주는 것을 확인할 수 있었다.

태양광 발전시스템의 등가회로는 다음 그림 6과 같이 나타낼 수 있다. 태양광 발전시스템은 전류원으로써 동작하는 것으로 나타낸다. 이때, Iph는 광포화전류를 나타내며 이상적인 태양광 발전시스템에서는 병렬저항(Rsh)는 무한대의 크기를 갖고 직렬저항(Rs)는 0의 크기를 갖는다.

그림 4. 단락사고 발생에 따른 회로도

Fig. 4. Circuit diagram fwhen short circuit fault occurred

그림 5. 스트링 단락사고 발생시 전압,전류 특성

Fig. 5. Experiment results depending on short circuit fault

그림 6. 태양광 발전시스템 등가회로

Fig. 6. Equivalent diagram of a PV system

태양광 모듈의 단락전류는 모듈의 전압이 0일 때 태양광 모듈이 생성할 수 있는 최대전류로, 정격전류의 약 1.1배로 나타난다. 하지만, 태양광 발전시스템이 계통과 연계 된 경우 계통으로부터의 역전류에 의해 큰 전류가 발생될 수 있을 것으로 확인된다.

태양광발전시스템에서 단락사고가 발생된 경우 계통으로부터 인버터를 통해 발생할 수 있는 단락전류는 KS C IEC 61660-1을 통해 그림 7과 같이 등가회로도를 나타낼 수 있다.

그림 7. 단락전류 계산을 위한 등가회로

Fig. 7. Equivalent diagram for calculating short circuit current

이때 인버터를 통해 흐르는 단락전류(i1, i2)는 식 (1)-(3)과 같이 정의 된다. 각 변수는 다음과 같이 정의 된다^[10].

ip : 단락전류

IK : 준정상상태 단락전류

tp : 첨두 도달시간

τ1 : 상승시정수

τ2 : 감쇠시정수

(1)

\begin{align*}i_{1}(t)= i_{p}\dfrac{1-e^{-t/\tau 1}}{1-e^{-t_{p}/\tau 1}} \quad 0\le t\le t_{p}\end{align*}

(2)

\begin{align*} i_{2}(t)= i_{p}((1-p)e^{-(t-t_{P})/\tau 2}+p) \quad t_{p}\le t \end{align*}

(3)

$p =\dfrac{I_{k}}{i_{p}}$

정류기의 준 정상상태 최대 고장전류(IKD)와 최대 단락전류( ipD) 는 다음 식 (4), (5)와 같이 근사식으로 나타낼 수 있다. 여기서 c는 전압 factor value, Un은 시스템 공칭 전압, Zac는 AC측 총 임피던스, UrTLV는 변압기 저압측 정격전압, UrTHV는 변압기 고압측 정격전압, λD는 저항값과 리액턴스 값에 따르는 계수를 나타내며 다음 수식 (6)과 같이 계산된다.

(4)

$I_{KD}=\lambda_{D}\times\dfrac{3\sqrt{2}}{\pi}\times{\dfrac{c U_{{n}}}{Z{ac}}}\times{\dfrac{U_{{r TLV}}}{U{r THV}}}$

(5)

$i_{p D}=k_{D}I_{KD}$

(6)

$\lambda_{D}=\sqrt{\dfrac{1+(\dfrac{R_{ac}}{X_{ac}})^{2}}{1+(\dfrac{R_{ac}}{X_{ac}})^{2}(1+\dfrac{2}{3}\dfrac{R_{dc}}{R_{ac}})}}$

위 근사식을 활용하여 스트링 단락 사고에 따라 인버터를 통해 입력될 수 있는 단락전류를 계산하였을 때, 앞서 실험을 통해 측정된 것과 같이 해당 시스템에서 인버터를 통해 최대 647A에 해당하는 단락전류가 유입될 수 있음을 확인하였다.

4.2 지락 사고 실험 결과

본 논문에서는 스트링단에서 1선지락이 발생된 경우를 모의하였다. 그림 8은 양극지락 발생시 회로 구성을 나타내며, 그림 9는 양극지락 발생 시 스트링 전압, 전류를 나타낸다. 지락실험시 태양광 스트링의 양극측 접속점에서 지락이 발생한 경우를 모의하여 실험하였다.

본 실험에서 활용된 인버터는 전류 측정 지락 감시장치를 포함한다. 측정 결과 사고 발생 시 약 2mA 이하의 지락전류가 발생하였으며, 사고 발생 후 지락이 감지되어 인버터가 정지되고 인버터 입력전압인 710V이상의 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있었다. 사고 제거 후 AC 측 차단기가 개방되면서, 옵티마이저에 의해 스트링의 모듈 전압이 1V 미만으로 조정하여 스트링 전압이 16V로 조정되는 것으로 확인되었다.

그림 8. 양극지락 사고 발생에 따른 회로도

Fig. 8. Circuit diagram when positive ground fault occurred

그림 9. 양극지락 사고 발생시 전압 전류

Fig. 9. Experiment results depending on positive ground faul

태양광 발전시스템은 비접지 시스템으로 구성되지만 모듈 프레임 접지, 인버터 외함 접지 등 보호접지가 되어 있다. 본 실험에서 사용된 인버터는 비절연형 3상 인버터로 양극 지락사고가 제거되면서 인버터 외함접지를 통해 AC측으로 회로가 형성되어 전류의 불균형을 ZCT가 감지하여 AC 차단기가 동작한 것으로 판단되었다.

그림 10은 음극지락 발생시 회로 구성을 나타내며, 그림 11은 음극지락 발생 시 전압전류 그래프를 나타낸다. 음극 지락이 발생된 경우 9A의 역전류가 일시적으로 발생된 후 사고 발생시 4mA이하의 지락전류가 발생되었다. 또한, 인버터의 전압이 약 750V로 출력되는 것이 확인되었다. 사고가 제거되면, 스트링 전압이 730V로 낮아지는 것으로 확인되지만 인버터 입력전압인 710V 이상으로 전압이 유지되는 것이 확인되었다.

그림 10. 음극지락 사고 발생에 따른 회로도

Fig. 10. Circuit diagram when negative ground fault occurred

그림 11. 음극지락 사고 발생시 전압전류

Fig. 11. Experiment results depending on negative ground fault

5. 결 론

태양광 옵티마이저는 모듈의 출력조건을 제어해줄 수 있으므로 사고에 대한 대응이 가능하고 더 나아가 과전류 및 지락 차단장치의 대안으로써 활용될 수 있을 것으로 기대되었다. 본 논문에서는 태양광 발전시스템에 전압조정식 옵티마이저가 부착된 경우의 단락 및 지락 사고시 특성을 실험을 통해 분석하였다.

스트링 단락사고가 발생한 경우 스트링 단락에 의해 500A 이상의 역전류가 확인되었으며 수식을 통해 647A의 단락전류가 유입될 수 있음을 확인하였다. 역전류가 발생함에 따라 스트링 퓨즈가 개방되면서 모듈 전압이 파워 옵티마이저에 의해 모듈당 1V로 제어되었다.

양극에서 1선 지락이 발생 후 지락감지를 통해 인버터 정지 후 스트링 전압이 상승되는 현상이 확인되었다. 사고 제거 후외함접지를 통한 순환전류가 발생하여 AC측 누전차단기가 개방되었으며, 그에 따라 파워 옵티마이저가 동작하면서 스트링 전압을 모듈당 1V로 조정되었다.

반면에 음극에서 지락이 발생된 경우 지락사고의 발생에 따라 옵티마이저와 인버터 사이 통신이 멈추면서 스트링 전압이 인버터 입력전압인 710V를 초과하는 750V 이상의 전압이 출력됨을 확인되었다. 이는 인버터 내의 캐패시터에 의한 전압으로 확인되어진다. 이처럼 태양광발전시스템의 사고 발생에 따라 인버터 입력전압에 초과되는 입력이 지속적으로 입력되어 인버터 및 주변기기의 열화를 가속시켜 사고로 발전될 수 있을 것으로 판단되었다.

옵티마이저가 부착된 시스템은 전압 조정 기능을 통해 사고 대응시 감전에의한 사고를 완화할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 따라 옵티마이저가 기존의 보호기기를 대체할 수 있을 것으로 기대 되어왔다. 하지만, 역전류에 의한 과전류 및 인버터 통신이 단절되어 옵티마이저가 사고에 대한 대응을 하지 못할 수 있다. 따라서, 단락사고와 지락사고의 발생에 대해 이를 보호할 수 있는 기존의 보호기기인 퓨즈와 지락차단기에 대한 적정한 선정이 태양광발전시스템 구성요소의 열화 및 안전성 확보 등을 위해 고려되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 사고 상황에서 신속한 대응을 위한 모니터링이 동반되어야 할 것으로 판단된다.