태양광발전시스템 기술지침⑥ 태양광발전시스템의 과전류보호장치 |
| 1. 태양광발전시스템의 단락사고
태양광발전시스템은 일사량이 증가되면 전압이 증가하지만 어느 정도 이상이 되면 포화하여 더 이상 전압은 증가하지 않는다. 태양광발전시스템의 보호장치 중 가장 중요한 것 중의 하나가 전류보호이다.
태양광발전시스템에서 단락전류는 정격전류의 최대 110% 정도이다. 기존의 교류계통이나 직류계통은 단락사고가 발생하면 큰 고장전류가 흘러 계통에 많은 영향을 미치지만 태양광발전시스템은 단락사고가 발생하여도 정상적인 상황에서 흐르는 최대전류의 110% 정도의 전류만 흐르기 때문에 실제 계통에 미치는 영향은 작다고 할 수 있다.
한편, 이러한 사실은 단락사고로부터 모듈을 보호하는 것이 불가능하다는 것을 의미한다. 왜냐하면 기본 운영 값의 110% 정도의 전류를 빠르게 검출할 수 있는 적절한 보호 장치가 없기 때문이다. 이에 비하여 태양광 모듈은 110% 정도의 전류에 어느 정도 견딜 수 있는 구조로 제작되고 있다. 태양광 모듈은 단지 차단 편광성 반도체 다이오드의 직렬 조합이기 때문에 모듈에서 생성된 단락전류에 의하여 모듈 자체를 손상시킬 수는 없다.
다만, 고려하여야할 사항은 단락사고가 지속되면 모듈, 케이블 등 계통에 영향을 주게 되며, 단락이 제거되는 동안은 전기 생산이 되지 않는다는 것이다. 따라서 태양광발전시스템에서도 단락사고를 최대한 빨리 제거하여야 한다.
가. 소형 태양광발전소(소수의 스트링으로 구성된 경우)
스트링 2개로 구성되는 태양광발전소의 사례를 [그림 1-1]에 나타내었다. 스트링이 건전 상태(U1=U2)에서는 생산된 모든 전력이 인버터를 통하여 전원 측으로 나가지만 스트링1에서 고장이 발생하여 각 스트링의 전압이 다른 경우(U1≠U2)는 건전 스트링에서 고장 스트링으로 전류가 흐르게 된다.
태양광발전소의 모듈이나 스트링에서 단락이 발생하는 이유는 주로 절연파괴로 인한 전기사고이다. 전기사고가 발생하면 다음 두 가지의 상황이 일어난다.
- 고장난 모듈 또는 스트링은 전기를 생산하지 못한다.
- 고장난 모듈 또는 스트링은 도체의 역할을 한다. 한 개의 모듈 또는 스트링이 도체가 되면 이로 인하여 다른 모듈 또는 스트링의 단락을 일으킨다.
- 한 쪽 스트링의 전압이 낮은 값으로 되면 남아있는 스트링에 의한 전압은 고장난 스트링의 임피던스에 의하여 매우 낮은 값으로 제한되기 때문에 출력은 매우 낮게 된다. 또한 어레이의 전압이 인버터의 작동 한계치(working threshold) 이하로 될 수 있어 인버터의 작동을 멈추게 된다.
나. 대형 태양광발전소(다수의 스트링이 있는 경우)
다수의 스트링이 있는 태양광발전소는 소형에서의 문제는 물론이고 그 이외에 다음과 같은 문제를 가지고 있다. [그림 1-2]에 다수의 스트링으로 구성된 중, 대형 태양광발전소의 예를 들었다.
다수의 스트링 중 어느 한 개의 스트링에서 사고가 발생하면 스트링의 전압이 다르게 되어 건전 스트링에서 인버터 쪽으로 전류가 흐르는 것이 아니고 건전 스트링에서 고장 스트링으로 전류가 흐르게 되어 케이블 등이 과전류의 위험에 이르게 된다. 이 전류는 단락전류의 몇 배에 이르는 큰 전류가 흐르게 되어 위험하다.
다수의 스트링으로 구성되어 있는 경우 스트링에 사고가 발생하지 않았지만 모듈에 눈, 낙엽 등으로 덮이거나 장시간 그림자에 의하여 스트링 간 불평형이 되는 경우에도 전류는 순환되어 과전류의 문제가 발생한다.
다. 블로킹 다이오드
에너지관리공단에서 운영 중인 “신재생에너지 지원 등에 관한 지침”에 의하면 스트링이 2개 이상일 경우 역전류방지다이오드를 접속함에 설치하도록 규정하고 있고 미국 NEC 규정에도 블로킹 다이오드를 사용하도록 규정하고 있다. [그림 1-4 참조] 그러나 IEC, 영국 태양광발전시스템 설치 가이드(Guide to the Installation of Photovoltaic System 2012) 등에는 블로킹 다이오드를 설치하지 않거나 대형 태양광발전시스템에서 보조적으로 설치하도록 규정하고 있다. 이는 블로킹 다이오드가 장, 단점을 모두 가지고 있기 때문이다.
블로킹 다이오드는 스트링에 사고가 발생하였을 때 건전 스트링에서 고장 스트링으로 전류가 흘러들어오는 것을 방지하기 위하여 설치한다. 소수의 스트링으로 구성되어 있는 작은 규모의 계통연계형 태양광발전소는 스트링의 숫자가 적으므로 유입되는 전류가 작고 모듈이 어느 정도의 역전류에 견딜 수 있도록 제작되어 있으므로(IEC 61730-2 및 IEC 60364-7-712.431.101에 의거 2시간 동안 1.35배의 전류에 견디도록 시험되어 있다) 과전류로 인한 위험의 우려가 적어진다.
한편, 블로킹 다이오드는 다이오드 양단의 전압강하로 전력손실의 원인이 되고(전력손실은 전통적인 다이오드에 의하여 일어나는 0.7V 전압강하 대신에 Schottky diode 사용에 의하여 0.4V로 줄일 수 있다) 이 때 발생하는 발열로 또 다른 문제가 발생하기도 하여 주기적인 점검을 필요로 한다. 그래서 IEC에서는 설치하지 않는 것이 일반적이거나 필요할 경우 사용하도록 하고 있다. 그러나 다수의 스트링으로 구성되는 대형 태양광발전소(특히 박막형을 사용하는 발전소)에서는 Isc x 1.25보다 크고 모듈의 역전류 정격보다 작은 퓨즈나 배선용차단기를 설치하는 것이 불가능할 수 있기 때문에 블로킹 다이오드는 스트링 과전류보호장치에 부가하여 사용하는 것이 바람직하다.
블로킹 다이오드 최대역전압은 표준조건에서 스트링 개방전압의 최소 두 배 이상 이어야 한다(IEC 60364-7-712). 정격전류는 외국 규격과 우리나라 규격에 차이가 있다. 영국 태양광발전시스템 설치 가이드(Guide to the Installation of Photovoltaic System 2012)에서는 단락전류 Ioc의 1.4배 이상의 정격을 요구하지만 에너지관리공단의 “신재생에너지 지원 등에 관한 지침”에 의하면 단락전류 Ioc의 2배 이상의 정격을 요구하고 있다.
블로킹 다이오드는 바이패스 다이오드와 혼동하지 않아야 한다. 바이패스 다이오드는 태양광 모듈의 후면에 있는 모듈 정션박스에 내장되어 있다. 바이패스 다이오드는 동작중인 태양전지를 바이패스하는 어떠한 역전류도 허용되어야 한다.
2. 태양광발전시스템의 과전류보호장치
가. IEC 60364-7-712 규격에 의한 과전류보호장치
1개 또는 2개의 스트링으로 구성되어 있는 태양광발전시스템은 과전류 보호장치가 필요하지 않다. 이는 앞에서 언급한 대로 모듈 등은 어느 정도의 과전류에 견디도록 제작되며 케이블 정격도 이러한 전류에 견디는 것을 선정하기 때문이다.
3개 이상의 스트링으로 구성되는 태양광발전시스템은 과전류보호장치를 정, 부극성 양쪽에 설치하여야 한다. IEC 60364-7-712.431.102 규격에 의거 모듈보호를 위한 과전류보호장치의 정격은 식①과 같이 스트링의 최대단락전류이상이고 역전류 이하이어야 한다. 케이블의 과전류보호는 식②와 같다.
1.1 ISC MAX of the string ≤ In ≤ IRM ①
1.1 ISC MAX of the string ≤ In ≤ IZ ②
계수 1.1은 일반적인 응력조건을 고려한 안전계수이다.
역전류 IRM은 IEC 61730-2에 의거 모든 모듈은 2시간 동안 1.35배의 전류에 견디도록 시험한다.
과전류보호장치는 IEC 60269-6에 따른 gPV형 퓨즈 이거나 IEC 60947시리즈 또는 IEC 60898시리즈에 따른 기타 장치이어야 한다.
나. 영국 태양광발전시스템 설치 가이드[Guide to the Installation of Photovoltaic System 2012]의 2.1.10.1 규정에 의한 스트링 퓨즈 선정
영국 가이드는 최근 IEC 62548에서 도입을 추진 중이며 향 후 IEC 60364 -7-712와 통합을 계획하고 있어 참고하여야 한다.
- 스트링 퓨즈는 정극성(+), 부극성(-) 양쪽에 설치하여야 한다.
- 스트링 퓨즈는 IEC 60269-6에 따라 gPV형 이어야 한다.
- 스트링 퓨즈의 정격전압은 Voc(stc) x M x 1.15에 동작하는 정격이어야 한다. 여기서 M은 병렬 스트링 수 이다.
- 스트링 퓨즈는 1.5 x Isc stc ≤ In ≤ 2.4 x Isc stc에서 동작하는 정격을 선정하여야 한다. 여기서 In은 최대 직렬 퓨즈용량이다.
1) 스트링 퓨즈는 우리나라의 관행과 달리 정, 부극성 양쪽에 설치한다. [그림2-1]은 정, 부극성에 과전류보호장치를 설치하는 도면 및 접속반 사진이다.
2) 퓨즈용량 선정 예
스트링 퓨즈는 1.5 x Isc stc ≤ In ≤ 2.4 x Isc stc에서 동작하는 정격을 선정한다. 자세한 예를 아래 [예 1]에서 설명한다.
[예 1] 다결정 모듈의 정격출력 245Wp, 정격전류 Imp 8.2A, 단락전류 Isc 8.62A인 경우 과전류보호장치의 용량을 구해보자.
가. 배선용차단기를 선택하는 경우
배선용차단기는 EN 60947에 의거 부동작전류(non tripping current) Inf는 1.05 × In(식 1) 이고 동작전류(tripping current) If는 1.30 × In (식 2)이다.
IEC 62548-1의 조건에 따라 다음과 같은 관계를 갖는다.
In ≥ 1.5 × ISC(식 3)
If ≤ 2.4 × ISC(식 4)
위의 (식 3)을 (식 1)에 대입하면
In ≥ (1.5 × ISC)/1.05이 되고
(식 4)를 (식 2)에 대입하면
In ≤ (2.4 × ISC)/1.3이 된다.
이상의 식을 정리하면
(1.5 × ISC)/1.05 ≤ In ≤ (2.4 × ISC)/1.3
12.31 A ≤ In ≤ 15.91 A이다. 배선용차단기는 이 사이의 정격을 고려하여 15A를 사용한다.
나. 퓨즈를 선택하는 경우
퓨즈는 부동작전류(non tripping current) Inf는 IEC 60269-6에 의거 1.13 × In(식 5) 이고 동작전류(tripping current) If는 1.45 × In(식 6)이다.
이상과 같은 방법으로 계산하면
11.44 A ≤ In ≤ 14.26 A
퓨즈는 12A의 것을 선정한다.
다. 미국 NEC 규정에 의한 과전류보호장치 선정
- 태양광발전시스템 태양광 소스회로(스트링)의 최대전류는 NEC 690.8(A)(1)에 의거 모듈 단락전류(Isc)의 125%를 곱한 값으로 한다.
- 과전류보호장치 정격은 NEC 690.9(B)(1)에 의거 위에서 계산된 값의 125% 이상이어야 한다. 결과적으로 단락전류의 156% 이상이 된다. 125%를 곱하는 것은 약간의 여유를 두기 위함이다.
[ 예 1]에서 제시한 제시한 같은 조건을 미국 NEC에 적용하였을 경우 과전류보호장치 정격선정을 [예 2}에 제시하였다.
[예 2] 다결정 모듈의 정격출력 245Wp, 정격전류 Imp 8.2A, 단락전류 Isc 8.62A인 경우 과전류보호장치의 용량을 구해보자.
8.62 x 1.56 = 13.45
과전류차단기는 15A의 것을 사용한다.
라 태양광발전시스템 전용 퓨즈(gPV)
태양광발전시스템에 사용되는 퓨즈는 특별한 요구조건이 적용된다. 이들 퓨즈는 높은 직류 정격전압을 가지고 있고 태양광 모듈과 케이블을 보호하기 위하여 특별하게 설계된 트립 특성을 가지고 있다. 이것을 gPV라 한다. 태양광 퓨즈는 급격하기 변하는 부하전류에 수명이 단축되지 않게 하는 것이 중요하다. 그래서 태양광발전시스템의 운용기간동안 수명을 높게 한다. 이 퓨즈는 높은 온도변동에서 손상 없이 견디어야 한다. 이러한 요구조건을 감안하여 IEC 60269-6을 제정하였다. 미국에서는 UL 2579를 제정하여 운영하고 있다.
그러나 두 규격에는 약간의 차이가 있다. IEC 규격은 표준조건에서 gPV가 1시간 이내에 정격전류의 1.45배(In ≤ 63 A)에 차단되도록 규정하고 있다. 반면에 UL 규격은 정격전류의 1.35배로 정하고 있다.
한편 gPV의 부동작전류(non tripping current) Inf는 [표 2-1]에서와 같이 정격전류의 1.13배이고 동작전류(tripping current) If는 정격전류의 1.35배 이다. 그러나 UL에서는 부동작전류가 1.0배, 동작전류가 1.35배로 하고 있다. 부동작전류가 크다는 것은 상대적으로 큰 전류가 흘러야 동작된다는 것이고 동작전류가 크다는 것은 상대적으로 동작시 온도가 상승하는 문제가 있다. 이러한 것을 개선하기 위하여 부동작 전류 및 동작전류를 낮추는 작업을 하고 있다.
3. 태양광발전시스템의 차단기 선정
직류는 교류와 달리 Zero Crossing이 없고 차단 시 아크가 발생하여 수명이 단축되는 등의 문제점이 있다(5회 개폐장치 연재 참고). 전기설비판단기준 제290조의 규정에 의하여 직류용을 사용하여야 한다.
제290조 (저압 직류과전류차단장치)
①제38조에 의하여 직류전로에 과전류차단기를 설치하는 경우 직류단락전류를 차단하는 능력을 가지는 것이어야 하고 "직류용" 표시를 하여야 한다.
② 다중전원전로의 과전류차단기는 모든 전원을 차단할 수 있도록 시설하여야 한다.
최근에는 직류용 또는 태양광발전 전용이 개발되어 나오고 있지만 교류와 직류를 겸용하는 경우가 대부분이며 이 경우 아래 [그림 3-1]과 같이 계통접지 유, 무 및 방식에 따라 사고 토폴로지가 다르며 차단기 선정에 주의하여야 한다. |
| | | |
--> | ![]() |
| |
