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Transformerless Type PCS, PV DC Simulator, Fault Analysis, Test Facilities

1. 서 론

국내 신재생에너지설비 KS 인증품목 및 규격 중 KS C 8564(소형태양광발전용인버터), KS C 8565 (중대형태양광발전용인버터) 에서는 태양전지 모의 직류전원장치 (PV DC Simu- lator)는 “태양전지 어레이의 출력 전압-전류 특성을 모의할 수 있는 직류전원장치”로 규정하고 있다 (1-2). 또한, 참고문헌 (3) “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems”에서는 태양전지 어레이 출력 특성을 모의하는 것이며, 임의의 일사 강도와 소자 온도에 상당하는 태양전지 어레이의 전류-전압 특성을 출력할 수 있으며, 태양광발전용인버터 (PCS: Power Control System)의 과입력 내량에 상당하는 출력 전력을 얻을 수 있는 전원 장치로 정의를 내리고 있다 (3).

KS C 8564, KS C 8565에서 계통연계형 태양광발전용인버터의 시험구성도를 그림 1과 같이 제공하고 있다. 이러한 시험구성도에서 태양전지 모의 직류전원장치, 모의계통 전원장치 (AC simulator), 측정기 (Power meter, Analyzer 등), 부하 장치 (RLC dummy load) 등의 시험설비를 이용하여 계통연계형 태양광발전용인버터의 정상특성시험, 보호기능시험 등을 수행할 수 있다. 따라서 그림 1과 같이 계통연계형 태양광발전용인버터 시험회로를 구성하기 위해서는 우선적으로 장치와 장치를 연결하여 하나의 시스템을 구성하여 장치 간의 상호연동 할 수 있는 절연 보호가 필요하다.

그림 1 계통연계형 태양광발전용인버터 시험회로

Fig. 1 Photovoltaic grid-connected inverter test circuit

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태양광발전용인버터는 과거 60Hz 변압기형 (Transformer type)으로 크기가 크고 무게가 무겁고 효율이 낮았으나 1990년대는 고주파 변압기 방식으로 발전하여, 크기와 무게, 효율이 중간급으로 발전되었다. 그리고 최근에는 발전효율을 높이고 무게, 크기 감소 및 발전시간을 증가시킬 수 있는 무변압기형 (Transformerless type)이 개발되어 보편화 되어있다. 이러한 무변압기형의 태양광발전용인버터는 내부적으로 변압기의 기본 역할인 절연기능이 반영되어 있지 않다. 따라서 그림 1과 같은 시험회로에서 무변압기형의 인버터를 적용 시 장치 간의 절연파괴와 상호 간섭을 통한 비정상적인 동작이 일어날 수 있으며 때로는 시험장비 (태양전지 모의 직류전원장치, 모의계통 전원장치 등)에 중대한 고장을 미칠 수 있다.

따라서 본 논문에서는 무변압기형의 태양광발전용인버터를 그림 1과 같이 장치와 장치를 연결하여 하나의 시스템을 구성하여 장치 간의 상호연동 구성 시 발생하는 문제점을 기반으로 고장분석을 통한 시험설비 보호 및 해결방안을 실험을 통해 제안하고자 한다.

2. 태양전지 모의 직류전원장치 전원부

무변압기형 태양광발전용인버터 연동시 태양전지 모의 직류전원장치에 상호 간섭을 통한 비정상적인 동작과 중대한 고장을 일으킬 수 있는 문제점을 분석하고 해결하기 위해 본 논문에서 사용된 태양전지 모의 직류전원장치는 해외 A社에서 제조된 Major급 제품으로 그림 1은 설계된 내부 전원부 블록 다이어그램을 보여주고 있다.

제조된 제품의 내부는 1,000Vdc(출력) 전원부와 400Vac(입력) 전원부로 2개의 벌크 전원 공급 장치로 구성되어 있고 입력, 출력 전원부 각각이 절연설계가 되어있는 구조로 이중 절연으로 설계돼 있다. 따라서 사용된 태양전지 모의 직류전원장치 입력 부분에 절연 변압기가 필요하지 않은 구조이다.

그림 2 태양전지 모의 직류전원장치 (PV DC simulator) 전원부

Fig. 2 Hall sensor signal and 6-pulse

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무변압기형 태양광발전용인버터 연동시 태양전지 모의 직류전원장치 영향 및 고장분석 (4,5)

3.1 무변압기형 태양광발전용인버터의 공통모드 Switching Noise에 의한 태양전지 모의 직류전원장치 불안정 동작 현상

무변압기형 태양광발전용인버터를 태양전지 모의 직류전원장치와 연동시 공통모드 (common mode) switching noise에 의해 다음과 같은 문제점이 발생하였다.

3.1.1 문제점

태양전지 모의 직류전원장치와 무변압기형 태양광발전용인버터 연동시 main 컴퓨터와의 통신이 자주 끊어지는 현상이 발생하며 인버터 초기 기동시 태양전지 모의 직류전원장치에서 강한 불안정성이 관찰되었다.

그림 3 무변압기형 태양광발전용인버터의 switching noise (샤시접지와 (-) 입력단 측정)

Fig. 3 Switching noise of the transformerless type photovoltaic inverter (measurement of chassis ground and (-) input stage)

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그림 4 무변압기형 태양광발전용인버터의 switching noise (샤시접지와 (+) 입력단 측정)

Fig. 4 Switching noise of the transformerless type photovoltaic inverter (measurement of chassis ground and (+) input stage)

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무변압기형 3kW 단상 태양광발전용인버터의 샤시 (sash) 접지와 (-) 입력단을 측정한 결과 (그림 3), 15.7 kHz 주파수 성분과 dc-ac 전력변환 단계에서 생성된 고조파 성분이 태양전지 모의 직류전원장치 curve generator (VI 특성곡선 생성기)로 입력되고 있다.

그 결과 태양전지 모의 직류전원장치에서는 고주파 노이즈 성분이 섞인 VI 곡선을 생성하여 무변압기형 태양광발전용인버터 제어시스템의 과도상태(불안정성)를 발생시키고 있다.

또한, 샤시 (Sash) 접지와 (+) 입력단을 측정한 결과, (-)입력단을 측정한 결과와 유사한 결과가 발생하고 있다. (그림 4)

3.1.2 고장분석

Switching 전원에서는 상용 전원을 한번 정류한 후, switching 시켜 regulation을 하고 있어서 noise 발생의 원인으로서는 상용 전원의 정류 파형에 기인하는 것과 switching 파형에 기인하는 것이 있다. 이것이 입력측에 누설되면 전도 noise와 복사 noise가 되고 출력측에 누설되면 맥동 문제가 일어난다. 또 전원은, 외부 noise가 전기기기에 침투하기도 하고 전원을 공급하고 있는 부하의 noise를 외부로 유출하는 통로가 된다. 이 때문에 switching 전원의 noise 대책은 입출력측에 커패시터와 인덕터로 구성되는 EMI 필터를 적용하여 공통모드 (common mode) switching noise의 문제점을 해결할 수 있다.

따라서 고장분석에 따른 문제점 해결로 고주파 switching noise 제거용 필터를 설계하였다. 무변압기형 태양광발전용인버터의 (–) 입력단자와 샤시 (Sash) 접지, (+) 입력단자와 샤시(Sash) 접지에 정격 0.1μF, 600V의 커패시터 2개를 각각 연결 후 그림 5와 같이 인버터 입력단에 존재하는 스위칭 노이즈를 줄이는 결과를 보여주고 있다.

그림 5 무변압기형 태양광발전용인버터의 switching noise (고주파 switching noise 제거용 필터 적용시)

Fig. 5 Switching noise of the transformerless type photovoltaic inverter (When applying a filter for removing high-frequency switching noise

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3.1.3 적용

무변압기형 태양광발전용인버터에 고주파 switching noise 제거용 필터를 적용 및 태양전지 모의 직류전원장치와 연동 후 구동시 그림 6과 같이 curve generator (VI 특성곡선 생성기)에 생성된 VI 특성곡선을 통해 최대전력 추적기능이 정상적으로 작동하는 것을 확인할 수 있다. 태양전지 모의 직류전원장치에서 제공하는 태양광발전용인버터의 기동 및 추적 안정성 최적화 설정 프로그램 결과에 따라 무변압기형 태양광발전용인버터의 문제점이 해결되어 정상적으로 구동되고 있다.

무변압기형 태양광발전용인버터의 공통모드 switching noise는 인버터 초기 기동시 강한 불안정성을 발생시킬 수 있으며 이러한 문제점은 고주파 switching noise 제거용 필터를 적용하거나 노이즈 내성이 낮은 CAT-5e 또는 CAT-6 이더넷 케이블을 사용하여 태양광발전용인버터 switching noise로 인한 통신의 불안정성을 보호할 수 있다. 또한, 이더넷 배선을 전원 케이블 (dc 및 ac)에서 가능한 한 멀리 유지하는 것이 필요하다.

그림 6 무변압기형 태양광발전용인버터의 최대전력 추적기능 동작

Fig. 6 Operation of maximum power tracking function of transformerless type photovoltaic inverter

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3.2 무변압기형 태양광발전용인버터의 돌입전류로 인한 태양전지 모의 직류전원장치 불안정 및 고장성 응답 현상

3.2.1 문제점

태양전지 모의 직류전원장치에 연결된 무변압기형 태양광발전용인버터의 초기기동시 발생하는 현상으로 그림 7은 무변압기형 태양광발전용인버터의 입력전압 및 전류 측정결과를 보여주고 있다. 인버터의 내부 제어시스템은 단순히 태양광 어레이 Isc (단락전류)로 측정이 되기 때문에 초기 기동시 발생하는 문제점을 확인할 수가 없다.

반면에 그림 8그림 7과 동일하게 태양광발전용인버터의 초기 기동시 발생하는 현상을 태양전지 모의 직류전원장치에서 측정한 결과로 인버터 초기기동 과도상태 시 돌입전류 (inrush current)가 65A 발생하는 현상을 확인할 수 있다. 실험에 사용된 인버터의 최대 Isc (단락전류)는 40A로 인버터 내부 제어시스템에서는 돌입전류 문제점을 감지하여 보호 기능이 동작하여 정지상태가 된다. 또한, 몇 초 후 태양광발전용인버터는 다시 기동을 위해 같은 동작을 ​​반복 후 내부 제어시스템의 프로세스가 중단되고 인버터는 동작하지 않는 정지상태가 된다.

그림 7 무변압기형 태양광발전용인버터의 초기 기동시 인버터의 입력전압 및 전류

Fig. 7 Output voltage and current of transformerless type photovoltaic inverter during the initial start-up of PCS

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그림 8 태양광발전용인버터의 초기기동시 태양전지 모의 직류전원장치의 출력전압 및 전류

Fig. 8 Output voltage and current of the PV DC simulator during the initial start-up of transformerless type photovoltaic inverter

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3.2.2 고장분석

시험에 사용된 무변압기형 태양광발전용인버터는 기동하기 전과 운전 중에 태양광 어레이 전압 및 전류값을 고속으로 샘플링을 수행할 수 있는 제어시스템이 설계되어 있다. 이러한 제어시스템은 태양광 어레이 성능 문제를 감지 및 결함을 찾고 이상적인 조건 이하에서도 최대전력을 추종할 수 있도록 제어하고 있다. 또한, 태양전지 모의 직류전원장치와 태양광발전용인버터가 연동시 인버터의 동작 상태 점검 및 정상 동작을 할 수 있도록 태양전지 모의 직류전원장치는 내부적으로 모니터링 기능 및 출력단에 충분한 용량을 가지는 저항이 직렬로 설계 제조되어 있어야 한다. 추가로 인버터 초기 기동시 발생하는 돌입전류 (inrush current)는 태양광발전용인버터의 최대 Isc (단락전류) 정격 이하로 제한 것이 중요하다.

본 실험에서는 태양광발전용인버터의 초기 기동시 발생하는 돌입전류 (inrush current)로 인한 태양전지 모의 직류전원장치의 불안정 및 고장성 문제점을 해결하기 위해 태양전지 모의 직류전원장치 출력 필터에 2μF의 커패시턴스를 갖는 고효율 스위칭 전원 공급 장치를 추가로 설계하여 반영하였다.

3.2.3 적용

그림 9와 10은 돌입전류 (inrush current)에 대한 고장분석을 적용하여 무변압기형 태양광발전용인버터의 초기 기동시 결과로 인버터의 제어시스템은 태양광 어레이 전류를 두 번 샘플링 및 세 번째 태양광 어레이 전류를 검증 후 정상적으로 인버터를 동작시켜 VI 곡선을 따라 최대전력 추종제어를 하는 결과를 보여주고 있다.

그림 9 고장분석을 통한 무변압기형 태양광발전용인버터의 초기 기동시 운전

Fig. 9 Operation at the initial start-up of transformerless type photovoltaic inverter through failure analysis

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그림 10 태양광발전용인버터의 정상동작시 최대전력 추정 전류 및 전압

Fig. 10 Maximum power estimation current and voltage during normal operation of the photovoltaic inverter

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3.3 무변압기형 태양광발전용인버터의 공통모드 Switching Noise로 인한 태양전지 모의 직류전원장치 Shutdown 현상

무변압기형 태양광발전용인버터를 태양전지 모의 직류전원장치에 연동 후 인버터 기동시 Fault 신호 발생과 태양전지 모의 직류전원장치가 종료되는 문제점이 발생했다.

3.3.1 문제점

그림 11 무변압기형 태양광발전용인버터 과도상태시 fault 발생

Fig. 11 Transformerless type photovoltaic inverter fault occurs during transient

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태양광발전용인버터가 과도상태 영역에서 빠르게 공통모드 전압 (대지 접지과 (-) 입력단)을 발생시 인버터 내부에서 보호 기능이 동작하지만 그림 11의 결과를 보면 작은 양의 전류가(Ch 2) 비정상적으로 흐르고 있는 상황에 대해서는 보호 기능이 동작하고 있지 않은 것을 확인할 수 있다.

Ch 1 = 무변압기형 태양광발전용인버터 입력전압

Ch 2 = 무변압기형 태양광발전용인버터 입력전류

Ch 3 = 무변압기형 태양광발전용인버터 공통모드전압

(대지접지와 (-) 입력단)

또한, 태양전지 모의 직류전원장치가 제 동작을 하여 시험용 태양광발전용인버터가 활성화되면서 두 번째 보호 기능이 발생하며 세 번째 보호 기능은 분당 최대 2개 이상의 이벤트가 발생하여 Fault를 발생시키고 있다. 그림 12, 13은 인버터 공통모드 전압 (대지접지와 (-) 입력단) 확대 파형으로 과도상태에서 약 170V/us 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 12 과도상태에서 공통모드 전압 확대 (200ms/div)

Fig. 12 Expansion of common mode voltage in transient state

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그림 13 과도상태에서 공통모드 전압 확대 (10us/div)

Fig. 13 Expansion of common mode voltage in transient state

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3.3.2 고장분석

과도상태 영역에서 공통모드전압 (대지접지와 (-) 입력단) dv/dt를 줄이기 위해 최대출력전류 (10A), 최대출력전압 (1,000V)의 최소 인덕턴스 20mH 값을 가지는 common mode choke coil을 설계하여 그림 14와 같이 태양전지 모의 직류전원장치 local sense 단에 설치하였다.

Common mode choke coil 회로인 La와 Lb는 공통모드 인덕터로 두 개의 코일은 동일한 코어에 동일한 턴 및 위상 수 (권선 역전)로 감겨 있다. 따라서, 회로의 정상 전류가 공통모드 인덕터를 통해 흐를 때, 전류는 동상 인덕터에서 역전 자계를 생성하고 서로 상쇄된다. 이때, 정상적인 신호 전류는 주로 코일 저항 (및 작은 누출)의 영향을 받으며 공통모드 전류의 방향이 동일하기 때문에, 코일에 흐르는 공통모드 전류가 있을 때 코일에 동일한 자장이 발생하여 코일의 인덕턴스가 증가하여 코일이 고 임피던스를 나타내어 감쇠 효과는 필터링 목적으로 공통모드 전류를 감쇠시킬 수 있다.

그림 14 태양전지 모의 직류전원장치에 common mode choke coil 설치

Fig. 14 Installation of CM inductor in PV DC simulator

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3.3.3 적용

그림 15는 설계된 common mode choke coil을 설계하여 태양전지 모의 직류전원장치 local sense 단에 설치 후 무변압기형 태양광발전용인버터 기동시 공통모드 전압 (대지접지와 (-) 입력단)이 약 24V/μs로 감소한 결과를 보여주고 있다. 또한, 태양전지 모의 직류전원장치가 Fault 신호 발생 없이 정상적으로 무변압기형 태양광발전용인버터 연동되어 운전되고 있는 결과를 그림 16에서 나타내고 있다.

그림 15 과도상태에서 공통모드 전압 (CM 인덕터 적용시)

Fig. 15 Common mode voltage in transient state (when CM inductor is applied)

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그림 16 무변압기형 태양광발전용인버터의 정상운전

Fig. 16 Normal operation of the transformerless solar power inverter

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4. 결 론

무변압기형의 태양광발전용인버터는 내부적으로 변압기의 기본 역할인 절연기능이 반영되어 있지 않기 때문에 장치 간의 절연파괴와 상호 간섭을 통한 비정상적인 동작이 일어날 수 있으며 때로는 시험장비 (태양전지 모의 직류전원장치, 모의계통 전원장치 등)에 중대한 고장을 미칠 수 있다. 따라서 본 논문에서는 무변압기형의 태양광발전용인버터를 태양전지 모의 직류전원장치와 연결하여 하나의 시스템을 구성하여 장치 간의 상호연동 구성 시 발생하는 문제점 및 현상에 대해 기반으로 고장분석을 통한 시험설비 보호 및 해결방안을 실험을 통해 살펴보았다.

1) 무변압기형 태양광발전용인버터의 공통모드 Switching Noise에 의한 태양전지 모의 직류전원장치 불안정 동작 현상

2) 무변압기형 태양광발전용인버터의 돌입전류로 인한 태양전지 모의 직류전원장치 불안정 및 고장성 응답 현상

3) 무변압기형 태양광발전용인버터의 공통모드 Switching Noise로 인한 태양전지 모의 직류전원장치 Shutdown 현상

위 현상에 대해 발생하는 문제점에 대한 고장분석과 해결방안을 반영함으로써 무변압기형의 인버터를 시험 시 장치 간의 절연파괴와 상호 간섭을 통한 비정상적인 동작으로 인하여 고가의 시험장비 (태양전지 모의 직류전원장치, 모의계통 전원장치 등)의 중대한 고장을 사전에 예방할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

This Study was conducted by research funds from Gwangju University in 2020.

References

1 
KS C 8564, 2016, Small Scale Photovoltaic Inverter (grid-tied type, stand-alone type)Google Search
2 
KS C 8565, 2016, Medium and Large Size Photovoltaic Inverter (grid-tied type, stand-alone type)Google Search
3 
Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríguez, 2011, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems, John Wiley & Sons Ltd.Google Search
4 
Keith Billings, 2010, Switchmode Power Supply Handbook, Third Edition, McGraw-HillGoogle Search
5 
Abraham Pressman, Keith Billings, Taylor Morey, 2013, Switching Power Supply Design, Third Edition, McGraw-HillGoogle Search

저자소개

정성인 (Sung-In Jeong)
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He received B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Dongguk and Hanyang University, Korea, respectively.

And then he was responsible for the development of electrical machine and its drive at Samsung Heavy Industry, Samsung Electronics, and Daewoo Electronics, in order.

After he received Dr.-Ing. degree from Technical University Braunschweig, Germany.

He was in the Daelim Motor, South Korea.

Since March 2018, he has joined Gwangju University, where he is currently a Professor in the Division of IT-Automotive Engineering.

His research and development field and interest included design, analysis and drive of electric machine for electric and smart personal mobilities.

Tel : 062-670-2410

E-mail : si.jeong@gwangju.ac.kr