홍경진
(Kyung-Jin Hong)
1†iD
-
(School of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
PV System, Desert, Extreme environments, Safety test, IEC 62109
1. 서론
설치장소에 따라 태양광발전시스템은 공장, 창고, 빌딩과 같은 건물 위 태양광발전시스템과 농지, 임야 등 노지형 태양광발전시스템 형태로 발전해 오고
있다. 특히 노지형 태양광발전시스템의 경우 대규모 산림훼손과 같은 자연환경 파괴의 부정적인 이미지로 인식되어 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는
저수지나 다목적댐 등 수면위에 설치하는 수상형 태양광발전시스템과 일사량은 매우 좋으나 사람이 살기 힘든 불모지와 같은 사막지역에 설치하는 사막형 태양광발전시스템이
각광을 받고 있다.
특히 일반 환경 이외의 사막(중동 지방), 고원(중앙아시아) 등과 같은 악조건의 특수 환경에 적합한 태양광발전시스템의 필요성이 증가하며 고온, 건조,
높은 일사량, 넓은 평원을 보유하고 있는 지역의 국가에서 신재생에너지원에 대한 관심이 고조되어 맞춤형 태양광발전시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다.
또한 선진국에서는 태양광발전시스템 건설에 필요한 대규모 부지확보 개발비용을 저감하기 위해 일반 환경 이외의 수상, 사막, 극지방 등의 특수 환경과
같은 악조건 환경에 적합한 태양광발전시스템 개발이 증가하고 있으며 국내 태양광 산업도 이러한 선진국과 대등한 관계 및 기술 선진화를 위해 특수 환경
태양광발전시스템 개발 및 관련 비즈니스 모델의 필요성이 증대되고 있다.
일반 환경 이외의 수상, 사막, 극지방 등의 특수 환경과 같은 악조건 환경에 적합한 태양광 인버터(PCS)의 요구사항으로 유럽의 경우 자체적인 계통연계
규정 발표를 통해 신재생에너지 발전설비들에 대한 계통협조 의무 강조, 계통전압과 주파수의 안정도에 따라 유효전력, 무효전력 제어를 의무화 하고 있다.
또한 일시적 과도한 전력생산에 대한 문제해결과 안전성에 관한 기술기준을 필수로 적용시키고 있는 상황이다. 또한 극한의 환경에서도 태양광 발전의 성능향상을
위해 환경적 요소(온도, 진동, 내열, 내습, 분진, 일사량 등)에 대응할 수 있는 기술개발과 특수 환경 태양광발전에 대한 장기적인 신뢰성 확보와
표준, 인증, 검증 기술개발, 환경조건과 수용자의 요구사항에 부합하는 태양광 인버터들이 제품화되고 있다.
고온 사막기후 환경에 적합한 태양광 인버터 기술을 개발함으로써 현재 급격한 시장 성장에 부합하는 비즈니스 모델의 창출과 다양한 환경에서의 태양광 특수발전시스템의
기본적인 표준화가 필요하다. 또한 다양한 환경적 요소에 적합한 태양광 인버터의 관련 부품에 대한 적합성을 평가함으로써 특수발전시스템의 최종성능을 확인할
필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 사막형 및 특수 환경에 적용되는 태양광 인버터의 안전성 평가 및 표준화에 요구되는 사항에 대해 IEC 62109
표준을 기반으로 안전성시험의 시험 방법 및 평가기준에 대해 살펴본다.
2. 국내외 환경시험 기술기준[1-5]
태양광 인버터의 안전성과 관련된 환경시험 기술기준으로 국제기술기준인 IEC 62109와 국내기술기준에서는 KS C 8564(소형 태양광발전용인버터,
10kW 이하)와 KS C 8565(중대형 태양광발전용인버터, 250kW 이하)가 있고 군사용 환경시험 기술기준으로는 MIL–STD-810F를 들
수 있다.
표 1은 KS C 8564 및 KS C 8565에서 언급된 국내 태양광 인버터 환경시험 기술기준 내용으로 국내규격에서는 실내형 경우 IP시험(International
Protection: 방수방진시험)은 최소 IP20, 실외형 경우 최소 IP44이상의 등급을 받아야 하며 온도상승시험의 경우 각 부품에 대해 제조자의
규정온도 이내의 온도를 허용하고 있으며 온도시험 및 습도시험의 기술기준을 보여주고 있다.
표 1. 국내 태양광 인버터 환경시험 기술기준
Table 1. Domestic PCS environment technical standard
|
Rating
|
outdoor
(실외형)
|
Indoor, Conditioned
(실내형, 지정장소)
|
|
IP
(방수방진시험)
|
Min. IP44
|
Min. IP20
|
|
온도시험(챔버)
|
-10℃ ~ +65℃
|
-
|
|
습도시험
|
90 ~ 95%, 24시간 × 5회
|
+40℃, 90 ~ 95%, 48시간
|
|
온도상승시험
|
40±5℃, 제품 규정온도 이내
|
표 2는 IEC 62109에서 명시한 환경시험 기술기준으로 실외형, 실내형(조건이 구비되지 않은 실내, 조건이 구비된 실내) 태양광 인버터로 구분하여 각각의
형태에 따라 IP (International Protection : 방수방진시험), 온도, 습도, 온도상승시험과 관련된 규정을 보여주고 있다. 국내
태양광 인버터 기술기준은 실내형에 대한 온도시험은 없지만 IEC 62109 기술기준은 실내형 구비조건에 따른 온도시험 기술기준을 명시하고 있음을 알
수 있다. 또한 온도상승시험 역시 국내기술기준보다는 IEC 62109 기술기준에서 온도시험기준이 훨씬 높게 기준 되어 있는 것을 확인할 수 있다.
표 2. IEC 62109 환경시험 기술기준
Table 2. IEC 62109 environmental technical standard
|
Rating
|
outdoor
(실외형)
|
Indoor, Unconditioned
(실내형, 지정장소)
|
Indoor, Conditioned
(실내형, 지정장소 X)
|
|
IP
|
Min. IP34
|
Min. IP20
|
Min. IP20
|
|
온도시험 (챔버)
|
-20 ~ +50℃
|
-20 ~ +50℃
|
+0 ~ +40℃
|
|
습도시험
|
4 ~ 100%
|
5 ~ 95%
|
5 ~ 85%
|
|
온도 상승시험
|
(최대동작온도-실험실내온도)+측정온도 < 최대온도
|
표 3은 군사용 환경시험 기술기준에서 고온시험의 내용으로 전 세계 기후를 권역별로 구분하여 나누고 각 그룹에서의 대표적인 고온온도(주변공기 온도) 및 유도온도(밀폐공간
온도)등을 제시하고 있다. 따라서 시험 온도, 시험 시간, 시험 절차 등을 저장시험 및 운영시험으로 구분하여 다음과 같이 정리할 수 있으며 그림. 1은 고온(Hot) 지역의 고온온도 주기시험에 대한 그래프를 보여주고 있다.
표 3. MIL-STD-801F 고온시험(Hot, Method 501.4-II)
Table 3. MIL-STD-801F high temperature test
|
온도 유형
|
위치
|
주변공기 (℃)
|
유도공기 (℃)
|
|
기본고온 (Basic Hot)
|
미국, 멕시코, 아프리카, 아시아 및 호주, 남아프기카, 남스페인 및 서남 아시아의 고온 범주로부터 확장되는 세계의 많은 부분
|
30~43
|
30~63
|
|
고온 (Hot)
|
북아프리카, 중동, 파키스탄 및 인도, 미국 남동부와 멕시코 북부
|
32~49
|
33~71
|
그림. 1. Hot 지역의 고온온도 주기시험
Fig. 1. MIL-STD-810F Temperature and Humidity Test Graph
그림. 1은 표 3에서 열거한 MIL-STD-801F(Hot, Method 501.4-II) 고온시험에 대한 주기시험 그래프로 저장시험과 운영시험으로 구분되며 시험방법은
다음과 같이 정리할 수 있다.
■ 고온 저장시험 : 고온에서의 저장이 제품이 어떠한 영향을 미치는지를 평가
1. 일정온도시험 : 저장온도에 안정된 후 2시간 유지
2. 주기온도시험 : 7주기
3. 작동온도 또는 표준대기온도에서 작동점검
■ 고온 운영시험 : 고온상태에서 제품작동이 잘 되는지를 평가
1. 일정온도시험 : 저장온도에 안정된 후 2시간 유지
2. 주기온도시험 : 3주기
3. 작동온도에서 작동점검
MIL-STD-810F의 저온시험도 고온시험과 동일하게 저장 및 운영시험으로 분리하여 시험을 수행하며 이에 대한 규격은 다음과 같이 정리할 수 있다.
■ 저온 저장시험 : 24시간 @-52℃ / 시험품 비운영중 시험
■ 저온 운영시험 : 4시간 @-30℃ / 시험품 운영중 시험
또한 온습도의 규격은 다음과 같이 정리할 수 있으며 시험 그래프는 그림. 2와 같다.
그림. 2. MIL-STD-810F 온습도시험
Fig. 2. MIL-STD-810F temperature and humidity test
1. 온 도 : 20 ~ 60℃±2℃
2. 습 도 : 95±3\% RH
3. 시험시간 : 240시간 (5Cycle, 1Cycle=48시간)
4. 시험품 조건 : 운영
3. 사막형및 특수 환경에서의 태양광 인버터 특성
사막형 및 특수 환경에 적용되는 태양광 인버터는 사막과 같은 특수 환경 속에 하절기에 평균 40℃ 이상 되는 대기온도와 계절적으로 부는 모래 폭풍
등 이물질 등의 환경에 제약을 받는다. 이와 관련하여 관련부품들은 설치되는 환경에서 적용가능 해야 하며, 미세먼지 등을 고려하여 오염도 3에 따라
PCB 상에서 또는 충전부와 인접 도전부 사이의 연면거리, 공간거리를 충분히 확보하여 설계가 되어야 한다.
또한 높은 대기온도로 인한 태양광 인버터 내부온도 상승에 따른 출력저하가 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 내부온도를 효과적으로 관리할
수 있는 냉각팬 및 냉각시스템에 대한 발열설계가 필요하며 추가적으로 단일 고장시험을 통한 태양광 인버터의 성능 확인이 필요하다.
독일 SMA사의 사막형 및 특수 환경에 적용할 수 있는 태양광 인버터의 환경시험을 적용한 사례를 살펴볼 수 있다. 시험과 관련된 주 내용은 운영온도
-40℃~+90℃, 습도시험 95\% 이상 및 운영시간 1,000시간 이상의 시험을 하였으며 또한 1.5m/s~20m/s의 풍속에서 모래 및 먼지시험을
통하여 제작한 인버터의 성능이 가혹한 환경에서 정상적으로 문제없이 동작하고 있다고 보고하고 있다[6,7]. 따라서 본 논문에서는 사막형 및 특수 환경에 적용되는 태양광 인버터를 이용하여 국제규격 IEC 62109-1의 환경시험 기술기준을 적용하여 태양광
인버터의 동작특성 및 시험방법, 평가기준에 대해 살펴본다.
3.1 고온시험
그림. 3은 본 논문에서 사막형 태양광 특수발전시스템 환경을 고려하여 표 2에서 설명한 IEC 62109 환경시험 기술기준과 같이 온도(고온)시험 및 습도시험을 하기 위해 사용된 챔버내부의 온도 45℃, 습도 10RH 데이터를
보여주고 있다.
그림. 3. 챔버 내부의 온도 및 습도 (고온시험)
Fig. 3. Temperature and humidity in the chamber
그림. 4, 그림. 5는 그림. 3에서 보여준 챔버 내부의 온도 및 습도를 가지는 환경에서 3시간 연속 동작시 태양광 인버터의 입출력 특성에 대한 실험결과를 보여주고 있다. 실험에
사용된 태양광 인버터는 실외형, 입력전압 642Vdc, 입력전류 160Adc, 입력전력 102kW, 출력사양은 출력전압 220Vac, 출력전류 152Aac,
출력전력 100kW로 고온 45℃에서 3시간 연속 운전시 정력입출력 대비 실제 태양광 인버터의 입출력전력이 2시간 이후부터 약 3~5 kW 저감되는
현상을 보여주고 있다. 이는 고온에서 운전하고 있는 태양광 인버터 내부 각소자의 발열 및 정상상태 범위를 넘어서는 과도상태 특성동작의 영향으로 해석이
된다. 따라서 사막형 및 특수 환경에 적용되는 태양광 인버터의 주요 부품들에 대한 온도특성 및 동작을 고려한 설계가 중요한 요소로 해석이 된다.
그림. 4. 고온시험에 의한 태양광 인버터 입력특성
Fig. 4. PCS input characteristics by high temperature test
그림. 5. 고온시험에 의한 태양광 인버터 출력특성
Fig. 5. PCS output characteristics by high temperature test
그림. 6은 그림. 4, 그림. 5의 결과에 의한 태양광 인버터의 효율특성 결과그래프로 온도에 따른 연속 운전시 태양광 인버터의 효율의 변화가 발생됨을 알 수가 있고 실제 사막 및
특수 환경의 장소에 설치시 이러한 고온 및 연속동작에 의한 직접적인 영향을 받으므로 온도에 의한 효율 손실부분을 고려하는 것이 중요하다. 따라서 내부온도
상승에 따른 출력저하가 발생될 수 있고 이러한 문제점을 방지하기 위하여 내부온도를 효과적으로 관리하는 것이 중요할 것으로 사료된다. 또한 고온시험
결과 그림. 4~그림. 6에서 보여준 태양광 인버터의 입출력결과에 대한 시간에 따른 정격출력과 정격효율 특성을 표 4에서 보여주고 있다.
그림. 6. 고온시험에 의한 태양광 인버터 효율특성
Fig. 6. PCS efficiency characteristics by high temperature test
표 4. 고온시험에서의 태양광 인버터 정격출력 & 정격효율
Table 4. Rated output & efficiency of PCS in high temperature test
|
$ \quad \quad \quad \quad $시간
구분
|
1시간 후
|
2시간 후
|
3시간 후
|
|
정격출력(kW)
|
100.12
|
98.62
|
96.77
|
|
정격효율 (%)
|
97.59
|
97.57
|
97.58
|
3.2 저온시험
그림. 7은 고온시험에서 설명한 내용과 동일하게 표 2에서 나타낸 IEC 62109 환경시험 중 저온시험 및 습도시험을 하기 위해 사용된 챔버내부의 온도 –10℃, 습도 3RH 데이터를 보여주고 있다.
그림. 7. 챔버 내부의 온도 및 습도(저온시험)
Fig. 7. Temperature and humidity in the chamber
그림. 8, 그림. 9는 그림. 4, 그림. 5에서 수행한 고온시험과 동일하게 그림. 7에서 보여준 챔버 내부의 온도 및 습도를 가지는 환경에서 3시간 연속 동작시 연속동작시 태양광 인버터의 입출력 동작특성을 보여주고 있다. 고온 연속동작시
나타난 태양광 인버터의 입출력 특성과 비교하여 저온 동작 시에는 정격출력전압 및 전류, 정격출력의 오차의 범위가 크지 않음을 확인할 수 있다. 이는
태양광 인버터에 사용된 내부소자의 저온특성이 –10℃ 및 연속동작에서 정상특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한 저온시험 결과 그림 8~9에서 보여준
태양광 인버터의 입출력결과에 대한 시간에 따른 정격출력과 정격효율 특성을 표 5에서 보여주고 있다.
표 5. 저온시험에서의 태양광 인버터 정격출력 & 정격효율
Table 5. Rated output & efficiency of PCS in low temperature test
|
$ \quad \quad \quad \quad $시간
구분
|
1시간 후
|
2시간 후
|
3시간 후
|
|
정격출력(kW)
|
100.56
|
100.57
|
100.65
|
|
정격효율 (%)
|
97.63
|
97.65
|
97.67
|
그림. 8. 저온시험에 의한 태양광 인버터 입력특성
Fig. 8. PCS output characteristics by low temperature test
그림. 9. 저온시험에 의한 태양광 인버터 출력특성
Fig. 9. PCS output characteristics by low temperature test
3.3 단독운전시험[8]
그림. 10은 그림. 3~그림. 9의 저온 및 고온시험을 수행한 태양광 인버터를 이용하여 단독운전 실험결과로 출력(계통)전압 차단 후 태양광 인버터 출력전류가 약 120ms 이후 소호되는
결과를 보여주고 있다. 단독운전에 대한 판정결과는 국내 기술기준의 경우 0.5초, 국제규격 IEC 61727 Photovoltaic (PV) systems-characteristics
of the utility interface는 2초안에 출력(계통)전압 차단 후 태양광 인버터 출력전류가 차단되어야 하는 규정을 가지고 있다. 따라서
본 논문에서 사막형 태양광 특수발전시스템 환경을 고려하여 제작된 태양광 인버터의 단독운전 실험결과는 국내외 기술기준을 만족함을 알 수 있다.
그림. 10. 태양광 인버터 단독운전시험
Fig. 10. PCS islanding protection test
3.4 결정전압등급시험
IEC 62109-1의 기술기준 중 전기감전에 대한 보호의 내용으로 사용자가 접촉할 수 있는 단자의 등급을 결정하기 위해 계측하는 전압, 즉 결정전압등급(DVC,
Decisive Voltage Class) 시험항목에 대한 실험결과를 보여주고 있다. 결정전압등급 시험은 태양광 인버터 정격동작시 2개의 임의의 충전부
사이에 지속적으로 일어나는 최고전압을 규정한 시험으로 사용자가 접촉할 수 있는 단자의 전기감전 보호를 목적으로 두고 있으며 본 시험에 대한 조건,
절차, 판정기준은 다음과 같다.
■ 시험개요
1. 사용자가 접촉할 수 있는 단자는 통신포트로 이 단자의 전압계측 및 기록
2. 통신포트 각 선에 대한 전압측정
3. 사용자가 접촉할 수 있는 단자의 등급을 결정하기 위해 계측하는 전압
■ 시험조건
1. 통신단자와 접지사이 전압측정
2. 시스템 정격운전
■ 시험절차
1. 시스템 정격운전
2. 접지와 통신 핀 사이의 전압계측
■ 시험장비
1. Multimeter
2. 오실로스코프
3. Differential probe
■ 판정기준
1. 표 6 동작전압 한계값 만족할 것
표 6. 결정전압등급 한계값
Table 6. Determination voltage classification threshold value
|
결정 전압 등급
(DVC)
|
동작전압 한계값 V
|
|
교류전압 실효치 (r.m.s)
Vrms
|
교류전압 피크치
Vpeak
|
직류전압 평균값
VDCL
|
|
A
|
$\leq$ 25
|
$\leq$ 35.4
|
$\leq$ 60
|
|
B
|
50
|
71
|
120
|
|
C
|
> 50
|
> 71
|
> 120
|
2. DVC-A의 요구사항들을 따르는 회로는 접촉 시 안전한 것으로 고려
3. DVC-B와 DVC-C의 회로는 직접 접촉의 경우 보호에 대한 요구사항들을 따르지 않을 경우, 그 회로들은 접근할 수 없는 것으로 고려된다.
표 7은 제작된 태양광 인버터의 통신 단자에 해당되는 단자(CN23PIN)와 접지사이 전압을 측정한 결과로 통신단자는 IEC 62109-1에서 요구사항에
따르는 DVC-A 회로에 해당이 되며 표 6 결정전압등급 한계값에서 DVC-A의 한계값을 만족하는 것을 볼 수 있다. 따라서 사용된 태양광 인버터는 사용자가 접촉할 수 있는 단자에 대한 전기감전
보호 기준을 만족하며 또한 안전성과 관련된 기술기준을 바탕으로 설계되었음을 알 수 있다.
표 7. 결정전압등급 실험결과
Table 7. Determination voltage classification test result
|
위치
|
Vrms
|
Vpeak
|
등급
|
결과
|
|
GND ↔ +15
(CN23PIN 1to 6)
|
15.58
|
17.6
|
DVC-A
|
만족
|
|
GND ↔ -15
(CN23PIN 1to 3)
|
15.17
|
13.8
|
DVC-A
|
만족
|
|
GND ↔ +5
(CN23PIN 1to 2)
|
5.08
|
6.1
|
DVC-A
|
만족
|
3.5 절연전압시험[9]
절연전압은 충격내성전압(Impulse withstand voltage)과 절연내력시험(Dielectric strength test)시 인가되는 전압을
의미하며 시스템전압과 과전압범주(OVC, Over Voltage Category)를 통해 결정되어진다. KS C IEC 60664-1 저압기기의 절연협조에
의하여 주회로 측의 충격내성전압 값은 계통전압 220/380V일 경우 OVC Ⅲ등급으로 4,000V가 적용되며 태양광 인버터회로의 최대개방전압이 1,000V일
경우에는 OVC Ⅱ 등급으로 6,000V의 값이 적용된다. 절연내력 시험시 인가되는 전압은 시스템전압의 1,200V를 더한 값으로 시스템전압이 380V일
경우에는 1,580V가 되며 강화절연이 적용된 부분에는 2배인 3,160V가 적용된다.
표 8은 태양광 인버터의 입출력단자와 접지, 태양광 인버터 입출력단자와 절연회로사이의 시험전압 및 임펄스 내전압을 IEC 62109에서 명시한 전압을 인가시
태양광 인버터가 고장없이 정상적으로 동작되는 결과를 보여주고 있다.
표 8. 절연전압 실험결과
Table 8. Insulation voltage test result
|
시험위치
|
시험전압 (Vac)
|
임펄스 내전압(V)
|
결과
|
|
PCS 입력단 - 접지
|
1,100
|
6,000
|
고장 없음
|
|
PCS 출력단 - 접지
|
1,580
|
6,000
|
고장 없음
|
|
PCS 입력단-절연회로
|
2,200
|
8,000
|
고장 없음
|
|
PCS 출력단-절연회로
|
1,580
|
8,000
|
고장 없음
|
4. 결 론
일반 환경 이외의 사막, 고원 등과 같은 악조건의 특수 환경에 적합한 태양광발전시스템의 필요성이 증가하며 고온, 건조, 높은 일사량, 넓은 평원을
보유하고 있는 지역의 국가에서 신재생에너지원에 대한 관심이 고조되어 맞춤형 태양광발전시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 논문에서는 사막형
및 특수 환경에 적용되는 태양광 인버터를 이용하여 안전성 평가 및 표준화에 요구되는 사항에 대해 IEC 62109 기술기준을 중심으로 시험을 통하여
시험방법 및 인버터의 성능에 대해 살펴보았다.
사막과 같은 특수 환경 속에서 사용되는 태양광 인버터의 경우 인버터의 성능이 가혹한 환경에서 정상적으로 문제없이 동작되기 위해 국제규격인 IEC 62109
및 군사용 환경시험 기술기준인 MIL–STD-810F에서 명시한 환경시험 및 안전성 시험에 대한 정확한 시험방법과 규정을 숙지하고 관련된 평가기술을
습득하는 것이 중요하다.
감사의 글
이 연구는 2019년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
References
IEC 62109-1, 2010, Safety of Power Converters for use in Photovoltaic Power Systems–Part
1 : General Require- ments
IEC 6210-2, 2011, Safety of power converters for use in photovoltaic power systems–Part
2 : Particular require- ments for inverters
KS C 8564, 2016, Facilities Evaluation Detailed Standards for New Renewable Energy,
Small Photovoltaic Inverter (Grid-connected, Stand-alone)
KS C 8565, 2016, Facilities Evaluation Detailed Standards for New Renewable Energy,
Medium and Large Photo-voltaic Inverter (Grid-connected, Stand-alone)
MIL-STD-810F, 2012, Environmental Engineering considerations and Laboratory Tests
SMA Report, 2012, PV inverter performance in desert-like locations
SMA Solar Technology AG, 2011, Utility-grade PV applications in extreme environments–Focusing
the example of desert conditions
IEC 61727, 2004, Photovoltaic(PV) systems-Characteristics of the utility interface
IEC 60950-1, 2005, Information technology equipment-Safety-Part 1
저자소개
1989년 전남대학교 전기공학과 졸업(학사)
1991년 동대학원 전기공학과 졸업(석사)
1996년 동대학원 전기공학과 졸업(박사)
1997년~1998년 일본 국립과학기술청 물질연구소 외래연구원
2000년~현재 광주대학교 전기전자공학부 교수