태양광 발전 시스템 레포트

본문내용

칭함)는 직류를 교류로 변환시키는 인버터 기능을 갖는 장치로서 인버터의 주회로소자는 최근 IGBT(Insulation Gate Bipolar Transistor)를 주로 사용하며 스윗칭주파수는 가청주파수 이상의 약 20kHz의 동작주파수로 스윗칭 시키고 있다.
- 인버터 기본동작 Signal 생성과정 -
- 인버터 출력 파형 -
- 인버터의 기본구성 -
파워컨의 인버터 구성은 기본적으로 전력변환부의 IGBT(Q1~Q4) 및 휠터(리액터L,콘덴서C), 절연트랜스 등으로 구성되고 있다. 파워컨의 인버터 기능은 직류전력을 교류전력으로 변환하는 것으로 정현파 변조 PWM제어 에 의해 IGBT의 ON, OFF를 반복하여 출력전압 ei를 만들어 내고 있다.
- 주택용 햇빛발전시스템의 트렌스레스방식의 인버터 주회로 Topology -
IGBT의 ON, OFF제어로 얻어진 출력파형 ei는 상용전원의 정현파 파형과는 다르기 때문에 휠터(L,C)에 의해 정현파화 시킨다. ec는 휠터를 통하여 정현파화된 휠터의 출력전압파형이다. 출력전류는 인버터의 전류제어를 하고 있기 때문에 ic와 같이 고조파가 제거되어 깨끗한 정현파로 출력된다. 실제로 개인 주택용 태양광발전시스템에 사용되고 있는 최근의 인버터 회로구성을 아래 그림에 나타내고 있다.
(나) 인버터에 요구되는 기능 및 성능 지표
파워컨의 인버터에는 태양전지의 발전전력을 최대한으로 활용할 것과 일반가정에서 사용하기 때문에 환경유지ㆍ안전성 확보 및 전력회사의 상용계통에 연계운전하기 때문에 전력회사와 협의하여 양질의 전력과 안정성을 고려하여 설치하여야 한다. 계통연계에 있어서 요구되는 사항 중에서 중요한 항목을 정리하여 기술한다.
- 태양전지 출력전압과 출력전류의 특성곡선 -
① 최대전력추종제어기능
태양전지는 일사량 및 온도에 의해 출력특성이 변화하여 최대 전력을 얻을 수 있는 최대전력점도 바뀌게 된다. 그렇기 때문에 최대전력점에서 인버터가 운전할 수 있도록 최대전력점을 언제나 감시하여 응답제어를 하도록 최대전력 추종제어 기능이 요구된다. 아래 그림은 태양전지의 출력전압과 출력전류의 특성을 보여준다.
② 고효율제어
IGBT는 스윗칭 동작 주파수를 고주파 스윗칭을 하게 되면 스윗칭 손실이 증가하게 된다. 스윗칭 손실을 최대한 억제하기 위한 회로방식 및 제어기 필요함과 동시에 제어회로 등의 고정손실도 최대한으로 억제시킬 필요가 요구된다. 또. 야간 등과 같이 햇빛발전시스템이 발전할 수 없을 경우, 즉 무부하 상태의 손실을 최소화하는 것도 총발전량을 많게 하기 위하여 필요로 한다.
③ 소음 저감
주택내 설치를 고려하면 파워컨에서의 소음을 최소화시킬 필요가 있다. 이 때문에 동작 주파수를 약 20kHz로 가청주파수 이상으로 함과 동시에 냉각팬의 사용을 억제하고 자연냉각방식을 채용하는 것도 소음 저감을 위하여 중요한 포인트 중의 하나이다.
④ 직류성분 제어기능
향후 주류를 이룰 트랜스레스방식 파워컨에서는 인버터의 이상에 의해 교류출력에 직류성분이 혼입하여 계통에 유입하면 주상변압기의 편자현상 등에 의해 계통이나 다른 수용가 설비에 고장을 유발할 수 있는 영향을 미칠 염려가 있다. 국내에서는 이에 대한 규제규격이 없지만 외국의 경우는 “파워컨의 정격교류출력전류의 1%이하, 검출시한 0.5초 이내”로 엄격히 규제하고 있다. 계통연계형의 파워컨은 상기의 규제기준 이하로 직류성분의 유출을 억제할 수 있는 제어기능이 요구되고 있다.
⑤ 직류지락검출기능
트랜스레스방식의 파워컨에서는 직류ㆍ교류간이 절연되어 있지 않기 때문에 직류회로에 지락이 발생하면 계통측에서 파워컨을 통하여 지락전류가 흐르게 된다. 지락전류 검출에는 ZCT(영상변류기)를 사용하고 있기 때문에 직류지락전류가 흐르게 되면 ZCT의 자기포화를 일으켜 지락검출불능 상태가 될 가능성이 있다. 누전차단기에서의 검출불능의 가능성을 고려하여 인버터내부에 직류지락검출회로를 추가하여 검출한 경우는 인버터를 정지함과 동시에 계통으로부터 분리되도록 시퀀서를 설계 설치할 필요가 있다.
⑥ 고조파 억제
파워컨으로부터 역조류 된 전류에 포함된 왜율이 크면 계통 및 부하설비에 손실증대와 기기손상 등의 영향을 줄 우려가 있기 때문에 일반적으로 아래의 기준치를 적용하여 개발하는 것이 요구되고 있다. 종합전류왜율 5% 이하, 각차전류왜율 3% 이하 고조파를 억제하기 위하여 인버터는 일반적으로 전류 파형을 양질의 정현파로 만들기 위한 제어를 하게 되며, 부가적으로 휠터를 설치하게 된다.
⑦ 고주파 억제
인버터는 전력용 반도체 스윗칭 소자 IGBT를 고속으로 ON, OFF동작을 반복하기 때문에 고주파 노이즈를 발생하고 있다. 고주파의 노이즈는 TV, 라디오 등의 기기에 불필요한 잡음과 화면의 찌그러짐, 기기의 오동작 등에 영향을 주게 된다. 국내에서는 이에 대한 구체적인 규제기준이 없으나, 외국에서는 계통연계형 햇빛발전용 소형 (10KVA이하)파워컨의 경우 잡음단자전압을 아래의 값으로서 규제하고 있다.
0.5MHz ~ 30MHz이하 : 73dB (㎶) 이하
0.15MHz ~0.5MHz이하 : 79dB (㎶) 이하
국내에서도 분산형 전원용 파워컨을 개발할 경우 상기의 기준치를 적용할 필요가 있으며, 이를 적용함으로서 다른 기기에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다고 사료된다.
⑧ 계통연계 보호기능
인버터의 고장 또는 계통사고 시에 사고의 제거, 사고범위의 극소화를 위하여 파워컨을 정지하고 계통과 분리할 필요가 있다. 일반적으로 아래의 4가지 요소를 검출하여야 한다.
과전압계전기 ( OVR : Over Voltage Relay )
부족전압계전기 ( UVR : Under Voltage Relay )
주파수상승계전기 ( OFR : Over Frequency Relay )
주파수저하계전기 ( UFR : Over Frequency Relay )
⑨ 단독운전방지기능
계통사고 시에 파워컨이 부하용량과 평형을 유지하여 이상현상을 검출하지 못하고 운전을 계속하는 상태를 단독운전이라고 한다. 단독운전이 발생하면 계통이 상위에서 차단되어 있어도 저압측으로부터 전압이 유기되기 때문에 안전 면에서 문제가 발생한다.
- PCS의 요구기능과 기술 동향 -

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