1. 서 론
신재생에너지 발전 시스템의 증가에 따른 계통 및 태양광인버터(PCS) 안전성에 대하여, 독일과 같이 신재생 에너지 발전 비율이 높은 국가중심으로 지속적인
논의가 있어 왔고 특히 태양광분야의 보급량 증가가 대표적이라 할 수 있는 태양광모듈 및 인버터의 보급과 더불어 성능뿐만 아니라 안전성확보가 절실히
요구되고 있다. 독일, 일본, 미국 등 선진 외국에서는 안전성에 관한 기술기준을 필수적으로 적용하여 태양광산업의 안전성 확보에 만전을 기하고 있는
상태이다. 현재 태양광인버터의 안전성확보에 대한 기술기준이 IEC로부터 채택하게 됨과 동시에 선진 각국에서는 안전성 확보용 기술기준을 적용하고 있으며,
강제(Mandatary) 규격으로 적용하고 있는 상태이다. 또한 IEC 인증관련 규격의 대부분을 인증할 수 있는 자격을 갖추고 있어 자국 제품의 국제
경쟁력 우위를 지원하고 있는 실정이다(1~2).
그러나 국내의 경우 소형태양광발전용인버터(10kW 이하)와 중대형태양광발전용인버터(10kW 초과~250kW)의 인증기준을 가지고 있으나 각 시험항목의
내용을 살펴보면 절연성능, 보호기능, 정상특성, 과도특성, 외부사고, 환경시험 등 성능위주의 특성을 파악하는 시험으로 구성되어 있다. 현재 우리나라는
태양광모듈 및 인버터의 성능평가분야의 기술기준은 적용하고 있지만, 안전성 기술기준은 적용하고 있지 않은 상태로 IEC 규격에 대한 인증 자격을 취득해야하는
시급성을 가지고 있다(3~4). IEC 62109 표준화에 대한 국내기술 적용 및 인증자격 취득은 국내 태양광인버터 생산업체 뿐만 아니라 인증시험 기관이 국제기준에 부합하는 장비
및 시스템 구축, 표준기반 성능평가 기술력 등에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 논문에서는 성능위주의 특성에서 벗어나 사용자의 보호 및 안전성을
중심으로 CE, UL 등의 해외인증에서 요구하는 기준으로 자리를 잡아가고 있는 IEC 62109 표준화에 대한 정확한 기술기준 및 시험방법에 대해
살펴본다.
2. IEC 62109 시험개요 및 사전준비(5~6)
2.1 안전성(Safety) 시험 개요
안전성(Safety)은 전기제품이 일으킬 수 있는 위험요소로부터 사람의 인명과 재산을 보호하기 위해 규정한 규칙으로 현재 전 세계의 Safety(안전성)는
IEC, EN, UL 등이 큰 부류를 이루고 있으며 각 나라들은 IEC 규격을 기준으로 삼아 별도의 규격을 가지고 있다. 이러한 안전성은 1) 사용자의
안전을 위해 갖추어야 할 기능 장치 등에 대한 확인, 2) 사용자에게 시스템의 사양 및 안전한 운전 방법 등에 대한 정보를 제공하는지를 확인, 3)
발생 가능성이 있는 사고를 모의하여 기준에 만족해야 하는 목적성을 가지고 있다.
2.2 시험준비
1. 각 시험항목 검토 및 필요한 시험설비, 계측기, 자재 등을 준비한다.
2. 시험설비는 입력전원장치, 출력전압변동장치 등을 준비한다.
3. 검교정이 완료된 계측기를 사용한다.
4. 시험규격에서 정하는 fuse 등과 같은 부품, 시험조건을 만들어 주기 위한 저항, 단락시험을 위한 케이블, 스위치 등을 준비한다.
2.3 시험조건
■ 환경조건
1. 온도 : 15~40℃ 2) 습도 : 5~75% 3)기압 : 75~106kPa
2. 서리, 이슬, 침투수, 비, 직사광선 등이 없는 공간이어야 한다.
■ 주전원 공급장치
1. 전압
-허용오차는 정격전압의 90%에서 110% 까지 취한다.
-시험품이 90%에서 110%까지 전체 범위에 걸쳐 동작하지 않는 경우, 허용오차는 지정된 동작범위에서 취한다.
2. 주파수: 주파수에 대한 허용오차는 고려하지 않는다.
3. 극성: A형 플러그 접속기기의 경우 특별한 시험 결과에 영향을 줄 수 있다면 정역 극성조건 모두에 대한 연결을 고려한다.
4. 과전류 보호장치: 단일고장조건에 있는 시험시 시스템을 보호하기 위해서 동작해야 한다.
■ 태양광발전 전력공급원
1. 비정상 또는 고장상태에서 수행되는 시험은 PCS 정격 최대입력전류(Isc)의 1.25~1.5배의 전류를 입력으로 제공할 수 있는 전원을 가지고
시험을 한다.
2. PV 어레이 특성 고려
-최대전압사용, 전류최소
-최대전류사용, 전압최소
-PV 전원, 전류 모두 최대값에서 시험이 진행되지 않도록 주의한다.
■ 출력포트에 대한 부하조건
3. 교류출력포트는 최대정격출력을 얻기 위해 선형부하를 사용한다.
4. 직류출력포트는 최대정격출력을 얻기 위해 저항성부하를 사용한다.
-연속적인 동작: 정상상태가 확립될 때 까지 시험은 전 전력 하에서 7시간으로 제한한다.
-간헐적인 동작: 정상상태가 확립될 때 까지 정격 ON, OFF 주기로 순환한다.
-단기동작: 정격동작시간 동안 시험을 한다.
■ 접지단자
1. 보호도체단자는 접지와 연결되어야 한다.
■ 유효단락전류
1. 시험 중에 사용된 전원의 단락전류 공급능력을 고려해야 한다.
2. 높은 유효단락전류가 최악의 시험조건일 때 전원의 능력은 PCS에서 평가되는 최대단락전류보다 작지 않아야 한다.
2.4 시험장비
표 1은 IEC 62109(Safety of Power Converters for use in Photovoltaic Power Systems – Part
1 : General Require- ments) 시험을 수행하기 위해 필요한 시험 장비를 나타내고 있으며 2.3 시험조건에서 서술한 내용을 만족하는
장비들을 사용해야 한다.
표 1. IEC 62109 시험장비
Table 1. IEC 62109 test equipment
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No.
|
품명
|
No.
|
품명
|
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1
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온도기록계(40ch 이상)
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13
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Sound level meter
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|
2
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Thermocouple
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14
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20kΩ 지락 발생용 저항
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3
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Thermocouple 용접기
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15
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Ammeter
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4
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Digital Oscilloscope
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16
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단락스위치
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5
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Differential Probe
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17
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단락케이블
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6
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AC/DC Current Probe
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18
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30A fuse
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7
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Power analyzer
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19
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Isopropyl alcohol
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8
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RMS Multimeter
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20
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계통전압 변압기
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9
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Test finger
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21
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환기구 막음 장치
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10
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버니어캘리퍼스
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22
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내전압시험기
|
|
11
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스톱워치
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23
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EMI Receiver
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12
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Touch current 측정회로
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24
|
시험용 변압기
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3. 단일고장조건 시험항목 이해 및 분석(5~8)
3.1 온도상승시험
■ 시험조건
1. DC 최대정격전압, AC 최대전압(정격+10%)에서 PCS를 정격으로 운전한다.
2. 동작온도가 50℃이내 PCS: 50℃에서 시험온도를 -, 동작온도 +한 후 최대온도를 결정한다.
3. 동작온도가 50℃이상 PCS: 최대동작온도의 ±5℃의 환경에서 시험을 수행한다.
4. 온도측정은 Thermocouple을 사용하거나 변압기, 리액터 같은 부품은 저항계측법을 사용해도 된다.
■ 시험절차
1. 온도센서가 정상적으로 동작되는지 확인한다.
2. 온도센서의 데이터 기록 및 PCS를 정격으로 운전한다.
3. 모든 센서의 온도가 포화 될 때까지 운전을 한다.
4. PCS 운전을 종료한다.
■ 시험기준
1. 최대동작 온도에서 각 부품의 최대온도 기준을 초과하면 안 된다.
Ex) (최대동작온도-실험실내 온도)+측정온도 < 최대온도
2. 온도센서가 설치되어 있는 각 부품의 최대온도를 확인한다.
- 접근 가능한 부분은 안전온도를 초과해서는 안 된다.
- 기준온도를 초과하면 안 된다.
표 2. IEC 62109 환경시험 기준
Table 2. IEC 62109 environmental test standard
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Rating
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outdoor
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Indoor, Unconditioned
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Indoor, Conditioned
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IP
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Min. IP34
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Min. IP20
|
Min. IP20
|
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온도
(챔버)
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-20℃~+50℃
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-20℃~+50℃
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+0℃~+40℃
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습도
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4%~100%
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5%~95%
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5%~85%
|
|
온도
상승
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(최대동작온도-실험실내온도)+측정온도<최대온도
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그림. 1. 각 부품별 온도시험 데이터
Fig. 1. Temperature test data for each part
표 2는 IEC 62109에서 명시한 환경시험 기준으로 실외형, 실내형(조건이 구비되지 않은 실내, 조건이 구비된 실내) PCS로 구분하여 각각의 형태에
따라 IP(International Protection : 방수방진시험), 온도, 습도, 온도상승시험과 관련된 규정을 보여주고 있다.
그림 1은 모든 센서의 온도가 포화 될 때까지 PCS를 운전하였을 경우 각 부품의 온도 그래프로 부품의 최대온도 확인 확인하여 기준을 초과하는지 살펴본다.
3.2 주요부품 단락시험
■ 시험조건
1. 입력 : MPPT 범위 내에서 DC 입력전압을 인가한다.
2. 출력 : 정격출력으로 PCS를 운전한다.
3. DC Capacitor 단락회로를 구성한다.
4. IGBT Gate-Collector, Collector-Emitter 단락회로를 구성한다.
■ 시험구성
1. IGBT Gate-Collector, Collector-Emitter 단자를 케이블로 인출 및 단락 스위치를 구성한다.
2. DC Capacitor 단자를 케이블로 인출 및 단락 스위치를 구성한다.
■ 시험절차
1. 단락회로 구성 및 PCS를 정격운전으로 운전한다.
2. 단락스위치 close한 후 10분간 대기한다.
3. Pass/Fail을 판별한다.
그림. 2. IGBT Collector-Emitter, Collector-Gate 단락시험
Fig. 2. IGBT C-E(top), C-G(bottom) short-circuit test
■ 시험기준
1. 단락시험 실시 후 다음 사항을 확인한다.
-내전압 실시 후 Pass/Fail을 판별한다.
-화재발생이 없어야 하며, 발생하더라도 확산되지 않고 소화되어야 한다.
-다른 위험 및 파편에 의한 위험이 없어야 한다.
-fuse를 판넬과 접지사이에 연결하고 끊어지면 안 된다.
그림 2는 PCS의 스위칭소자로 사용한 IGBT Collector –Emitter, Collector-Gate 단자사이의 단락시험을 통한 시험결과로 스위칭소자의
소손된 결과를 보여주고 있다. 이때 시험기준과 같이 화재 및 화재 확산이 없어야 하며 정상적으로 동작되는 스위칭 소자로 교체 후 PCS 운전 및 내전압시험을
통한 합격/불합격을 판정한다.
3.3 출력단락시험
■ 시험조건
1. PCS를 정격으로 운전한다.
2. PCS의 R상-S상을 단락시킨다.
■ 시험절차
1. PCS를 정격으로 운전한다.
2. PCS의 R상-S상의 연결된 단락 스위치를 On 한다.
3. 단락전류 및 입력에서 발생하는 전류를 측정한다.
■ 시험기준
1. 단락시험 실시 후 다음 사항을 확인한다.
-내전압 실시 후 Pass/Fail을 판별한다.
-화재발생이 없어야 하며, 발생하더라도 확산되지 않고 소화되어야 한다.
-다른 위험 및 파편에 의한 위험이 없어야 한다.
-fuse를 판넬과 접지사이에 연결하고 끊어지면 안 된다.
그림. 3. PCS 출력단 단락시험 구성
Fig. 3. PCS output short circuit test configuration
그림 3은 PCS를 정격으로 운전하는 상태에서 출력단 R상-S상의 단락시험을 하기 위해 구성된 단락회로 및 단락스위치를 보여주고 있다. 그림 2에서 설명한 것과 같이 화재 및 화재 확산이 없어야 하며 정상적으로 동작되는 부품들을 교체 후 PCS 운전 및 내전압시험을 통한 합격/불합격을 판정한다.
3.4 냉각시스템 고장시험
■ 시험조건
1. PCS의 설정에서 과온도 보호기능을 해지한다.
■ 시험구성
1. 냉각공기의 입구를 100% 막는다.
2. Fan 가동을 정지시킨다.
3. DC, AC 판넬내부, 변압기, 리액터 등에 온도센서를 설치한다.
■ 시험절차
1. 냉각공기의 입구를 막는다.
2. PCS를 정격으로 운전한다.
3. PCS가 정지하거나 온도 포화시 시험을 종료한다.
4. 내전압시험을 실시한다.
■ 시험기준
1. 시험 실시 후 다음 사항을 확인한다.
-내전압 실시 후 Pass/Fail을 판별한다.
-화재발생이 없어야 하며, 발생하더라도 확산되지 않고 소화되어야 한다.
-다른 위험 및 파편에 의한 위험이 없어야 한다.
-fuse를 판넬과 접지사이에 연결하고 끊어지면 안 된다.
그림. 4. 냉각시스템 고장시험 결과
Fig. 4. Cooling system failure test result
그림 4는 시험절차에 서술한 내용과 같이 수행 및 냉각시스템 고장시험의 실험결과로 PCS가 정상동작 후 과온도에 의한 정지한 결과로 시험기준에 해당되는 사항들을
확인한다.
3.5 직류전압 역전시험
■ 시험조건
1. PCS DC 입력의 +, -단자를 바꿔서 결선한다.
■ 시험절차
1. PCS DC 입력의 +, -단자를 바꿔서 결선한 상태에서 PCS를 정상 시퀀스에 따라 동작한다.
■ 시험기준
1. PCS 운전시 운전을 시작하지 않고 fault 정보를 발생시킨다.
2. 시험 실시 후 다음 사항을 확인한다.
-내전압 실시 후 Pass/Fail을 판별한다.
-화재발생이 없어야 하며, 발생하더라도 확산되지 않고 소화되어야 한다.
-다른 위험 및 파편에 의한 위험이 없어야 한다.
- fuse를 판넬과 접지사이에 연결하고 끊어지면 안 된다.
3.6 위상, 극성에 대한 오결선 시험
■ 시험조건
1. PCS 출력 R상, S상 T상의 연결을 오결선으로 연결한다.
■ 시험절차
1. 오결선 으로 연결된 상태에서 PCS를 정상 시퀀스에 따라 동작시킨다.
■ 시험기준
1. 출력의 상순이 바뀌었을 경우 PCS가 운전을 시작하지 않고 fault 정보를 발생시킨다.
2. 시험 실시 후 다음 사항을 확인한다.
-내전압 실시 후 Pass/Fail을 판별한다.
-화재발생이 없어야 하며, 발생하더라도 확산되지 않고 소화되어야 한다.
-다른 위험 및 파편에 의한 위험이 없어야 한다.
-fuse를 판넬과 접지사이에 연결하고 끊어지면 안 된다.
그림. 5. 직류전압 역전시험 및 위상, 극성에 대한 오결선 시험결과
Fig. 5. Reverse d.c. connections and mis-wiring with incor- rect phase sequence or
polarity test result
그림 5는 3.5 직류전압 역전시험과 3.6 위상, 극성에 대한 오결선 시험에 대한 시험결과로 PCS DC 입력의 +, -단자를 바꿔서 결선 및 출력 R상,
S상 T상의 연결을 오결선으로 연결시 시험기준과 같이 PCS가 운전을 시작하지 않는 결과를 확인할 수 있다.
3.7 저장된 에너지에 의한 감전위험으로부터의 보호
■ 시험조건
1. DC 커패시터를 최대 입력전압인 상태에서 측정한다.
2. DC 전원을 제거하고 60V 까지 방전되는 시간을 측정한다.
3. 측정시간이 경고마크에 표기사항과 비교한다.
■ 시험구성
1. DC 최대입력전압 인가 및 계통 연결 후 커패시터 방전시간을 측정한다.
■ 시험절차
1. DC 전압을 측정할 수 있도록 오실로스코프를 연결한다.
2. DC 최대입력전압을 인가한다.
3. DC 배선용차단기를 차단시킨다.
4. 커패시터 방전시간을 측정한다.
■ 시험기준
1. 측정된 방전시간이 경고라벨, 매뉴얼에 표기된 시간과 동일한지 확인한다.
그림 6은 저장된 에너지에 의한 감전위험으로부터의 보호시험 결과로 커패시터에 인가된 최대전압 845V 상태에서 DC 입력전압 차단 후 약 33초 후 15V로
커패시터 전압이 방전되는 결과를 보여주고 있다. 시험 종료 후 측정된 방전시간이 경고라벨, 매뉴얼에 표기된 시간과 동일한지 확인을 통해 합격/불합격을
판정한다.
그림. 6. 저장된 에너지에 의한 감전위험으로부터의 보호 시험결과
Fig. 6. Compliance with backfeed test result
3.8 전기적 정격시험
■ 시험조건
1. DC 입력전압 최소, DC 입력전압 최대, AC 380±10% 조건에서 PCS를 정격운전 및 정격의 ±10%이내 출력이 되어야 한다.
■ 시험구성
1. 전력분석기 설치 및, 입출력의 전압, 전류, 전력값을 측정한다.
2. 다음 조건의 입력, 출력 전압값을 인가한다.
-DC 최저전압, AC 380V. - DC 최저전압, AC 342V.
-DC 최저전압, AC 422V. - DC 최고전압, AC 380V.
-DC 최고전압, AC 342V. - DC 최고전압, AC 422V.
■ 시험절차
1. PCS를 정격으로 운전한다.
2. 입력과 출력의 전류, 전압, 전력을 전력분석기를 통해 확인한다.
3. PCS를 정지한다.
■ 시험기준
1. 전압, 전류, 전력이 정격의 ±10% 이내로 출력이 되어야 한다.
그림. 7. 전기적 정격시험결과(DC 최저전압, AC 342V)
Fig. 7. Electrical ratings test result
그림. 8. 전기적 정격시험결과(DC 최고전압, AC 342V)
Fig. 8. Electrical ratings test result
그림 7과 8은 전기적 정격시험 결과로 입력, 출력 전압값을 DC 최저(고)전압, AC 342V로 설정 및 PCS 운전시 출력전압 및 출력전류를 보여주며 시험기준에
명시한 전압, 전류, 전력이 정격의 ±10% 이내로 출력을 보여주고 있다.