최용은
(Yong-Eun Choi)
1iD
윤용호
(Yong-Ho Yoon)
2iD
김재문
(Jae-Moon Kim)
†iD
-
(Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation,
Korea.)
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
PV Inverter, DC Link Capacitor, Capacitance Change, Reliability, Lifespan, Diagnosis, Deterioration
1. 서 론
세계적으로 기후 문제와 지속 가능한 에너지에 대한 관심으로 태양광 발전시스템이 대두되고 있으며, 기술 발달과 경제성 향상으로 인해 기존 전원에 대비하여
경쟁력이 증가하고 있다(1,2). 또한, 최근 전기 부하 설비들은 대부분 전력용 스위칭 소자에 의존하며 전력변환시스템으로 대체되는 추세이다.
태양광 발전시스템의 하나의 구성요소인 태양광 인버터는 DC/DC 컨버터 및 DC-AC 인버터 구성으로 계통연계형 구조로 이루어져 있다. 이러한 태양광
인버터의 입력단인 DC-Link 커패시터는 DC 전압에 대한 충방전, 평활 및 ripple을 평활 시키는 역할을 한다. 이러한 커패시터는 가격이 저렴하며,
비교적 충/방전이 빠른 특성으로 대부분 알루미늄 전해 커패시터가 사용된다(3). 하지만 DC-Link단 커패시터는 사용 시간 증가에 따른 노후 및 열화 진행에 따른 전해액 분출 및 폭발 등으로 인한 사고가 일어나지만 태양광
인버터 제조사는 사용 시간에 따른 상태정보를 제공하지 않고, 관련된 회로설계가 반영되어 있지 않다(4-6).
본 논문에서는 DC-Link단 커패시터의 용량 변화에 따른 태양광 인버터의 입출력 상태를 살펴보기 위해 커패시터의 열화 발생을 모의할 수 있는 회로를
제안하였다. 제안된 회로를 통하여 태양광 인버터의 커패시터 용량값을 가변시켜 현재 회로의 상태를 진단할 수 있도록 구성하였다(2). DC-Link단 커패시터의 용량 변화에 따른 노후 및 열화 진행으로 태양광 인버터의 현재 상태를 진단함으로써 태양광발전시스템의 고장 및 화재에
따른 사고를 사전에 예방할 수 있다(6). 또한 열화 진행에 따른 커패시터의 상태를 감시하여 부속품에 대한 수명 예측과 유지보수를 위한 교환 시기 등의 적절한 정보를 확보하여 신재생에너지
설비의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 연구내용을 제안하였다.
2. 열화 발생 모의회로가 적용된 태양광 인버터
그림 1은 DC-Link단 커패시터의 용량변화에 따른 태양광 인버터의 입출력 상태를 살펴보기 위해 커패시터의 열화 발생을 모의할 수 있는 회로가 반영된 태양광
인버터를 보여주고 있다(5,6). 또한 커패시터 용량의 가변에 따른 출력용량(전압, 전류), 효율, THD, MPPT 효율 등의 정보를 감시하여 현재의 태양광 인버터 상태를 진단할
수 있도록 모니터링 시스템을 구성하였다(2).
설계된 커패시터 열화 발생 모의 회로는 DC-Link단 커패시터의 노후 및 열화 진행을 단계적으로 10%~100%의 변화를 주기 위해 구성된 커패시터들을
그림 1과 같이 병렬구조로 설계하였다. 본 논문에서 사용된 태양광 인버터의 사양은 표 1과 같이 단상 3.5kW, DC-Link 커패시터 용량값 1,980[㎌]으로 열화 발생 모의회로에서는 100[㎌]×20EA로 커패시터를 구성하였다.
그림 1 열화발생 모의회로가 적용된 태양광 인버터
Fig. 1 PV inverter with deterioration simulation circuit applied
표 1 열화발생 모의회로가 적용된 태양광 인버터 사양
Table 1 Specifications of PV inverter with deterioration simulation circuit applied
|
Type
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Max. Input Voltage
|
500Vdc
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|
MPPT Voltage range
|
100Vdc~500Vdc
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Rated Power AC
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3.5kW
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Rated Output Frequency
|
60Hz
|
|
Rated Output Voltage
|
220Vac
|
|
Rated Output Current
|
15.9A
|
3. DC-Link단 커패시터의 노후 및 열화 발생에 따른 태양광 인버터 특성
DC-Link단 커패시터의 노후 및 열화 발생에 따른 태양광 인버터 특성을 살펴보기 위해 “2절 열화발생 모의회로가 적용된 태양광 인버터”에서 설명한
커패시터 열화발생 모의회로를 이용하여 다음과 같이 실험 결과들을 분석할 수 있다(2).
본 실험에 사용된 태양광 인버터의 입력값은 표 1과 같이 MPPT (Maxium Power Point Tracking ; 최대 전력점 추적) 제어 범위내에서 VMP=350V, IMP=10A 값을
입력값으로 하여 태양전지모의직류전원장치(DC Simulator, EA-PSB91000-40)를 사용하였다. 또한 그림 2와 같이 모의계통전원장치(AC Simulator, MX15)를 사용하여 태양광 인버터의 계통연계를 구성하였으며 DC-Link단 커패시터의 용량 변화에
따른 인버터의 특성을 감시하기 위하여 실험구성도에서 보여준 전력분석기(WT 1800)를 사용하였다.
그림 2 DC-link단 커패시터 용량 변화에 따른 태양광 인버터 입출력 특성 실험구성
Fig. 2 PV inverter experiment diagram according to the variation of DC-Link capacitor
capacity
3.1 DC-link 커패시터 용량 100%(1,980 ㎌) 실험결과
그림 1에서 보여준 커패시터 열화 발생 모의회로에서 DC-Link 커패시터 용량값을 1,980[㎌]으로 설정 및 그림 2에서 보여준 실험구성도를 바탕으로 태양광 인버터의 동작 특성에 대한 결과를 그림 3에서 보여주고 있다.
그림 3 DC-link 커패시터 용량 100%시 태양광 인버터 입력동작 특성
Fig. 3 PV inverter input operation characteristics (DC-link capacitor capacity is
100%)
실험에 사용된 태양광 인버터 MPTT 제어 범위내에서 VMP= 350V, IMP=10A 값을 입력값으로 하여 입력용량 3.5kW 일 때 최대출력 동작전압(VMP),
최대출력 동작전류(IMP), 최대출력 전력(PMP) 의 실험결과 값들은 태양전지 모의 직류전원장치를 통해 정상적으로 동작하고 있음을 확인할 수 있다.
그림 4 태양광 인버터 출력전류, 츨력전압(계통전압) 특성(100%시)
Fig. 4 PV inverter output current, output voltage (grid voltage) characteristics
그림 5 태양광 인버터 입출력에 따른 동작특성 결과(100%시)
Fig. 5 Result of operation characteristics according to input/output of PV inverter
이러한 DC-Link단 커패시터의 열화 발생이 정상상태일 때 그림 4는 태양광 인버터의 출력전류 및 전압(계통전압)파형으로 계통연계를 통해 정상적으로 발전이 되고 있음을 알 수 있다.
또한 그림 5는 태양광 인버터의 입출력에 따른 동작 특성의 결과로 그림 5(a) 교류출력전류 종합왜형률(THD) 및 각 차수 결과, 그림 5(b) 태양광 인버터의 입출력 정보와 효율, 그림 5(c)는 태양전지 모의 직류전원장치를 통한 인버터 입력사양 및 측정된 MPPT 효율(99.77%) 값들을 보여주고 있다. 따라서 그림 5에서 얻은 실험 결과는 표 2 같이 정리하여 볼 수 있으며 교류 출력전류 종합왜형률(THD) 및 각 차수 결과값은 국제규격 IEC 61727과 국내규격 KS C 8564, 8565
기술기준에 근거하여 만족하는 결과를 보여주고 있다. (종합왜형율 5% 이내, 각차수 3% 이내)
IEC 61727 : Photovoltaic (PV) Systems Characteristics of the Utility Interface
KS C 8564 : 소형 태양광 발전용 인버터
KS C 8565 : 중대형 태양광 발전용 인버터
표 2 DC-link 커패시터 용량 100%시 태양광 인버터 동작특성
Table 2 PV inverter operation characteristics (DC-link capacitor capacity is 100%)
|
Parameter
|
|
Parameter
|
|
|
Input voltage[V]
|
351.64
|
Output voltage[V]
|
228.42
|
|
Input current[A]
|
9.92
|
Output current[A]
|
14.59
|
|
Input power[kW]
|
3.49
|
Output power[kW]
|
3.32
|
|
Power factor
|
0.99
|
Frequency[Hz]
|
60
|
|
Efficiency[%]
|
95.34
|
MPPT efficiency[%]
|
99.77
|
|
THD
|
2.74
|
3Th THD
|
1.99
|
그림 6 DC-link 커패시터 용량 50%시 태양광 인버터 입력동작 특성
Fig. 6 PV inverter input operation characteristics (DC-link capacitor capacity is
50%)
3.2 DC-link 커패시터 용량 50%(1,000 ㎌) 실험결과
커패시터 열화 발생 모의회로를 이용하여 DC-Link 커패시터 정격 용량값의 50%인 1,000[㎌]으로 설정 후 3.1절과 동일한 조건으로 실험한
결과를 그림 6에서 보여주고 있다.
열화 진행이 50% 진행된 상황에서 그림 6의 실험결과는 커패시터 용량 100% 시 태양광 인버터 입력동작 특성결과(그림 3)와 비교시 크게 차이 없이 태양광 인버터가 기능적인 정상성능을 보여주고 있다. 따라서 DC-Link단 커패시터는 사용 시간 증가에 따른 노후 및
열화 진행이 발생되고 있지만 본 실험을 통해서 열화 진행이 50%인 1,000[uF] 상태에서도 태양광 인버터는 정격 대비 거의 동일한 성능으로 동작되고
있음을 알 수 있다.
그림 7 태양광 인버터 출력전류, 츨력전압(계통전압) 특성(50%시)
Fig. 7 PV inverter output current, output voltage (grid voltage) characteristics
그림 8 태양광 인버터 입출력에 따른 동작특성 결과(50%시)
Fig. 8 Result of operation characteristics according to input/output of PV inverter
그림 7을 통한 태양광 인버터 출력특성 및 그림 8에서 보여주고 있는 태양광 인버터의 전체 입출력 특성 결과들도 커패시터 용량 100%의 결과와 비슷한 성능의 데이터들을 보여주고 있다. 이러한 결과들을
표 3을 통해 확인할 수 있으며 열화가 50%로 진행이 되었어도 기능적으로 계통연계를 통한 정상적인 발전이 되고 있다.
그러나 그림 8(a)에서 교류 출력전류 종합왜형률(THD) 및 각 차수 결과값들은 국내 및 국제규격에서 제시한 기준을 넘고 있다. 따라서 태양광 인버터가 성능적으로 정상동작을
하고 있지만 전력품질이 저하되면 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치는 요인으로 분석할 수 있다. 신재생에너지 설비의
전력품질 저하는 계통전압의 불안정 및 불평형, 전기화재 등의 사고사례로 이어질 수 있다.
표 3 DC-link 커패시터 용량 50%시 태양광 인버터 동작특성
Table 3 PV Inverter Specifications
|
parameter
|
|
parameter
|
|
|
Input voltage[V]
|
350.24
|
Output voltage[V]
|
228.35
|
|
Input current[A]
|
9.96
|
Output current[A]
|
14.59
|
|
Input power[kW]
|
3.48
|
Output power[kW]
|
3.32
|
|
Power factor
|
0.99
|
Frequency[Hz]
|
60
|
|
Efficiency[%]
|
95.40
|
MPPT efficiency[%]
|
99.64
|
|
THD
|
4.11
|
3Th THD
|
3.59
|
3.3 DC-link 커패시터 용량 20%(400uF) 실험결과
3.1~3.2절과 동일한 실험조건을 바탕으로 열화발생 모의회로를 이용하여 DC-link 커패시터 용량값을 정격값의 20%인 400uF으로 설정시 태양광
인버터의 동작결과를 그림 9에서 보여주고 있다.
열화 발생 모의회로를 통해 DC-link 커패시터는 정격값의 20%로 열화가 상당히 많이 진행되어 커패시터 수명에 따른 유지보수가 필요한 상태로 볼
수 있다. 이러한 태양광 인버터의 노후 상태에서 태양전지 모의 직류전원장치를 통한 입력값들은 그림 3의 결과와 비교시 변화되는 범위가 상당히 큰 결과를 보여주고 있다. 태양광 인버터는 MPPT 제어를 통해 최대출력을 발생하는 기능이 있기에 설정된
최대출력 동작전압(VMP), 최대출력 동작전류(IMP), 값으로 운전을 하지만 DC-link 커패시터의 열화로 MPPT 운전범위가 정상상태 대비 매우
넓고, 불안한 운전을 하고 있음을 알 수 있다. 또한 DC-link 커패시터가 정상상태에서 노후화되며, 극한의 용량으로 변하며 DC-Link단의 전압,
전류의 평활상태를 제어하지 못하여 전력의 변동이 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
그림 9 DC-link 커패시터 용량 20%시 태양광 인버터 입력동작 특성
Fig. 9 PV inverter input operation characteristics (DC-link capacitor capacity is
20%)
그림 10 태양광 인버터 출력전류, 츨력전압(계통전압) 특성(20%시)
Fig. 10 PV inverter output current, output voltage (grid voltage) characteristics
그림 10은 계통연계를 통해 태양광 인버터가 발전시 출력전류 및 전압(계통전압)의 결과로 출력전류는 그림 3의 결과와 비교시 정현파의 파형이 왜곡되는 현상을 보여주고 있다. 따라서 이러한 결과를 바탕으로 그림 11에서 입출력에 따른 동작특성 결과의 정보들을 확인할 수 있다. 그림 9를 통해 DC-link 커패시터의 열화로 태양광 인버터 입력단의 리플 및 불안정한 운전이 발생하고 있으며 그림 10과 11을 통해 출력단의 운전특성도 계통연계에 저해되는 불안정한 운전을 하고 있음을 보여주고 있다.
그림 11 태양광 인버터 입출력에 따른 동작특성 결과(20%시)
Fig. 11 Symmetrical defects that cause deterioration in the +, -line (conductor)
표 4 DC-link 커패시터 용량 20%시 태양광 인버터 동작특성
Table 4 PV Inverter Specifications
|
parameter
|
|
parameter
|
|
|
Input voltage[V]
|
371.84
|
Output voltage[V]
|
228.35
|
|
Input current[A]
|
8.92
|
Output current[A]
|
14.62
|
|
Input power[kW]
|
3.21
|
Output power[kW]
|
3.05
|
|
Power factor
|
0.91
|
Frequency[Hz]
|
60
|
|
Efficiency[%]
|
94.99
|
MPPT efficiency[%]
|
92.42
|
|
THD
|
10.05
|
3Th THD
|
5.69
|
그림 11의 실험결과에 대해 표 4에서 정리된 결과들을 살펴보면 역률, 교류 출력전류 종합왜형률(THD) 및 각 차수 결과값들은 국내 및 국제규격 기준에 크게 벗어나는 결과로 계통연계를
통한 전력품질 저하 및 신재생에너지 설비의 안전성을 저해하는 중요한 요소로 작용하고 있다. 결과적으로 커패시터 열화 발생 80% 진행시 태양광 인버터는
기능적인 성능뿐만 아니라 안전성(Safety) 및 신뢰성에도 문제가 발생되고 있음을 알 수 있기에 설비에 대한 유지보수 및 교환 시기 등의 적절한
상태정보가 필요하다.
4. 결 론
본 논문에서는 DC-Link단 커패시터의 용량 변화에 따른 태양광 인버터의 입출력 상태를 살펴보기 위해 커패시터의 열화 발생을 모의할 수 있는 회로를
제안하였다. 제안된 회로를 통하여 커패시터의 용량값을 가변시켜 정격상태 대비 출력용량 (전압, 전류), 효율, THD, MPPT 효율 등의 정보를
감시하여 현재의 태양광 인버터 상태를 진단할 수 있도록 회로를 구성하였다. 따라서 열화발생 모의회로를 이용하여 DC-Link단 커패시터 용량 변화시
태양광 인버터의 입출력에 대한 실험결과를 바탕으로 다음의 내용들로 정리할 수 있다.
열화 진행이 50% 진행시 태양광 인버터는 계통연계를 통한 정상적인 발전이 되고 있다. 그러나 전력품질이 저하됨으로써 신재생에너지 설비를 통한 계통
안전성(Safety)에 영향을 미치는 요소가 발생하고 있다.
열화 발생 80% 진행시 태양광 인버터는 기능적인 성능뿐만 아니라 안전성(Safety)에도 크게 문제가 발생되고 있기에 설비에 대한 유지보수가 필요하다.
결론적으로 태양광 인버터 사용시간 증가에 따른 커패시터의 상태를 감시하여 부속품에 대한 수명 예측과 유지보수를 위한 교환 시기 등의 적절한 정보를
얻음으로써 신재생에너지 설비의 안전성(Safety) 및 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.
References
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on Solar Power, Journal of Electrical Monthly Magazine, pp. 23-32
Jichan Kim, Hanju Cha, 2021, Comparison of Control Method Characteristics using Transfer
Function of PV System DC-DC Converter, The transactions of The Korean Institute of
Electrical Engineers, Vol. 70, No. 3, pp. 467-474
Jin-Geun Shon, Dong-Joon Kim, 2010, A Simple Capacitance Estimation Method for Failure
Diagnosis of DC Link Electrolytic Capacitor in Power Converters, The transactions
of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 59p, No. 4, pp. 378-383
Ye-Ji Kim, Seok-Min Kim, Kyo-Beum Lee, 2021, Improving DC-Link Capacitor Lifetime
for Three-Level Photovoltaic Hybrid Active NPC Inverters in Full Modulation Index
Range, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 36, No. 5, pp. 5250-5261
H. Wang, P. Davari, H. Wang, D. Kumar, F. Zare, F. Blaabjerg, 2019, Lifetime estimation
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Transactions on Power Electronics, Vol. 34, No. 5, pp. 4064-4078
Bon-Gwan Gu, Kwanghee Nam, 2006, A DC-link capacitor minimization method through direct
capacitor current control, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 42, No.
2, pp. 573-581
저자소개
Graduated from the Department of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University
in 2019.
Graduated from the Department of Transportation System Engineering, Graduate School
of Transportation, Korea National University of Transportation in 2022 (Master).
Currently, the same graduate school, Department of Transportation Policy and Systems
Engineering, Ph.D. Course.
received the Ph.,D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University,
Korea, in 2007.
From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung Thales Company,
Korea, as a senior researcher.
Currently, he has been with Gwangju University, where he is a professor in the School
of Electrical & Electronic Engineering.
His research interests are in the areas of analysis and control of SRM and BLDC motor
and renewable of photovoltaic inverter.
Graduated from Sungkyunkwan University in 1994, Department of Electrical Engineering,
Graduated from the same graduate school (Ph.D. in Engineering) in February 2000,
Professor, Department of Railway Vehicle Electrical, Korea National Railroad College
in 2004-2012,
Present, Professor, Department of Transportation System Engineering, Korea National
University of Transportation.