1. 서 론
2. 실험방법
3. 단락사고실험
3.1 스트링 고장(역류 방지 다이오드 포함)
3.2 스트링 고장(역류 방지 다이오드 미포함)
3.3 스트링 고장(역류 방지 다이오드 미포함)
3.4 어레이 고장
4. 결 과
5. 결 론
1. 서 론
전세계적으로 기후 변화에 따른 위기에 대응하기 위해 신재생에너지 보급정책이 활발하게 이루어지고 있다. 태양광발전시스템은 다른 대체에너지 활용 기술과 달리 시스템 구성이 간단하고 모듈 수명이 길어 신재생에너지 발전원으로 각광받고 있으며 2020년 기준 전세계 태양광 설치량은 누적 약 760 GW로 이는 세계 전기 수요의 4%를 생산할 수 있는 수준에까지 도달했다1). 하지만 태양광발전시스템 설치용량이 증가함에 따라 사고사례도 함께 증가하고 있으며 국내 화재사고 통계를 집계하는 국가화재정보시스템에 따르면 국내 태양광발전설비 화재건수는 2017년도 45건에서 2021년도에는 81건으로 화재발생 사고가 증가하는 추세에 있다2). 태양광발전시스템은 구조적으로 전기안전 위험성을 내포하고 있으며 모듈, 접속함, 인버터 등 단위 설비에서의 사고 또한 현장에서 빈번하게 발생한다3). 국내 태양광발전시스템의 화재 사고의 경우 자체 소화되거나 진화되는 경우에 사고 통계시스템에 잡히지 않아 실제 현장에서 발생되는 태양광 사고는 통계보다 더욱 많을 것으로 추측됨에 따라 국내 태양광 사고 통계 건수를 통해 태양광발전시스템의 전기적 안전성에 대하여 판단하는 것은 적절하지 않은 것으로 판단된다. 또한 최근 분산전원 활성화 노력에 따라 건물과 같이 태양광발전시스템의 입지 다변화 사례가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 이 경우 인명피해와 같은 중대 사고로 이어질 수 있어 태양광발전시스템의 안전성에 대한 중요성이 강조되고 있다.
태양광발전시스템은 태양전지 모듈, 모듈과 모듈 사이를 연결하는 커넥터, 케이블, 접속함, 인버터, 수배전반 등으로 구성되는데 이는 다양한 고장의 대상이 된다. 이러한 고장으로 인해 엄청난 양의 에너지 손실을 야기할 수도 있으며 화재 및 감전과 같은 안전에 위험을 줄 수 있는 사고를 유발할 수 있다. 태양광발전시스템의 구조적 안전 위해성으로 인한 고장들로 부터 발생할 수 있는 위험성을 줄이기 위하여 태양광발전시스템에서 일어나는 다양한 고장들을 예측하여 시스템 효율 및 안전성을 확보하려는 노력들이 다양한 연구를 통해 제시되어 왔다4,5,6). 태양광발전시스템 스트링 및 어레이와 같은 직류 전로에서 발생할 수 있는 전기적 고장은 개방(Open Circuit) 고장, 지락(Line to Ground) 고장 , 단락(Line to Line) 고장 세 가지로 분류할 수 있다7). 개방 고장은 주로 스트링 퓨즈 단선, 커넥터 접속 불량 등에 의해 발생하며 해당 스트링의 출력 저하를 가져온다. 지락 고장은 전기설비의 절연불량으로 직류 전선로 중 한 선이 대지(Ground)와 연결되는 고장으로 시스템 접지 방식에 따라 지락 고장 검출을 위한 절연감시장치(IMD), 잔류전류검출장치(RCD)를 통한 검출이 이용된다. 단락 고장은 태양광 직류 전선 중 한 선이 대지(Ground)와 낮은 임피던스로 연결된 상황에서 또 다른 한 선이 대지(Ground)와 연결됨에 따라 2중 지락사고로 이어지거나 태양광 직류 전로의 양극(+)과 음극(-)이 낮은 임피던스로 연결되어 발생한다. 태양광발전시스템 직류 전로에서의 단락고장은 전류가 0점을 기준으로 교번하는 교류와 달리 직류는 일정한 값을 유지하기 때문에 아크(Arc) 발생에 따른 자기소호가 어려워 이로 인하여 화재사고로 발전할 가능성이 높다8,9,10).
태양광발전시스템은 기존의 교류 발전 장치와 비교하여 태양전지 고유한 특성 및 인버터에 따라 특징지어지기 때문에 교류 기반의 전력시스템의 보호체계를 태양광발전시스템에 적용할 수 없다. 따라서 태양광발전시스템의 올바른 보호기준 정립을 위해선 시스템 관점에서의 사고 특성에 대한 기술적인 이해가 선행되어야 하지만 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 본 논문에서 태양광발전시스템 전로에서 발생할 수 있는 다양한 사례의 단락고장 사고 시나리오를 정립하고 실제 태양광발전시스템에서 실증실험 수행을 통해 태양광 발전시스템의 단락고장 특성을 분석하여 태양광발전시스템의 과전류보호기술에 대하여 고찰하고자 한다.
2. 실험방법
태양광 직류 전로에서의 단락사고에 발생에 따른 태양광 사고 특성 분석을 위해 다양한 사고 사례를 구성하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 직류 전원은 Table 1과 같이 실제 태양광 모듈을 직병렬로 구성된 어레이를 적용하였고 접속함 기능을 포함한 사고시뮬레이터, 인버터는 단일 최대출력추종제어(MPPT)와 내부에 변압기가 포함된 센트럴 타입으로 구성된 시스템을 Fig. 1과 같이 구성하였다. 직류 전로의 사고 모의를 위해서 제작되어진 태양광 사고시뮬레이터를 이용하였으며 해당 사고시뮬레이터는 직류 전로의 1선 지락 및 단락 사고회로를 생성하며 역류 방지 다이오드 포함 및 제거 기능을 포함하고 있다. 사고 시나리오는 사고 위치별로 태양광 직류 전로에서 스트링 중간, 스트링 양극 단말부, 어레이에서의 단락 사고로 선정하였으며 그에 따른 역류 방지 다이오드 유무, 인버터 기동 유무에 따른 사고 특성을 비교 분석하였다. 측정 장비는 Dewetron사의 DEWE-2600을 이용하였다.
3. 단락사고실험
3.1 스트링 고장(역류 방지 다이오드 포함)
태양광 스트링 단락 고장 시나리오는 스트링 전선에서의 단락사고를 모의하였다. 실제 현장에서 쉽게 발생하는 사고로 주로 태양광 모듈 전선과 스트링 전선의 압착 처리에 따른 접속부분의 절연성능저하 및 단자대의 트레킹 등에 의해 발생할 수 있다. 실험을 위해서 2개의 병렬 스트링과 역류 방지 다이오드를 포함하는 태양광 어레이를 구성하고 태양광 인버터가 정지된 상태와 운전 중인 상태로 나누어 스트링 단락 실험을 수행하고 그 결과를 각각 Fig. 2, Fig. 3과 Table 2에 나타내었다. 실험 결과 인버터가 정지된 상태에서는 두 개 스트링 모두 개방상태에서 전류는 흐르지 않는 상태이며 단락사고 발생 후 단락된 스트링에서의 전압 V2만 0에 가깝게 나타났으며 전류I2는 태양모듈전지의 일사량에 따른 단락전류 (Isc)만큼의 전류가 발생하였다. 사고 전류 경로는 단락지점을 통해 스트링 내부로 순환하였으며 다른 정상 스트링의 전압 전류 값의 변화는 나타나지 않았다. 인버터가 운전 중인 상태에서는 최대출력추종(Maximum Power Point Tracking)영역에서 정상적으로 계통으로 발전 전력을 송전하고 있으며, 2번 스트링 단락사고 발생 시 사고가 발생한 스트링 전압V2는 앞선 실험과 마찬가지로 0 V에 가깝게 나타났으며 전류I2는 최대출력추종 영역 보다 약 1.1배 증가한 상태로 단락지점을 통해 스트링 내부로 순환하였다. 사고가 발생하지 않은 스트링 전압 V1, 전류 I1은 스트링 사고와 관계없이 정상적으로 계통으로 발전 출력을 내보내는 것을 확인하였다. 어레이 출력 전류 Isys는 사고가 발생한 스트링 전류I2만큼 출력 전류가 감소한 상태로 계속해서 발전되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 역류 방지 다이오드가 포함된 시스템에서는 스트링 단락사고 발생 시 내부 스트링에서의 순환전류로 인하여 그만큼의 발전력이 손실된 채로 운전되는 것을 확인할 수 있었으며 스트링 단락사고가 발생해도 다른 스트링에서의 역전류 유입을 유발하지 않아 해당 사고가 제거되지 않고 인버터도 정상적으로 동작하기 때문에 장시간 사고가 방치될 가능성이 높아 모듈 열화 및 발전성능저하와 같은 발전손실과 함께 아크(Arc)로 인한 화재 위험성에 노출될 수 있다.
Table 2.
String line-line fault (at the end of the string) results with blocking diode
3.2 스트링 고장(역류 방지 다이오드 미포함)
이번 실험은 역류 방지 다이오드가 포함되지 않은 태양광발전시스템에서의 스트링 단락시험을 수행하였다. 태양광 스트링 단락 고장 실험을 위해서 3개의 병렬 스트링을 태양광 어레이로 구성하고 안전상의 이유로 인버터가 동작 중인 상태에서 수동으로 인버터 기동 정지 후 스트링 단락 실험을 수행하고 그 결과를 Table 3와 Figs. 4와 5에 나타내었다. 단락사고 전 태양광발전시스템의 출력으로 3개의 스트링 전류의 합인 어레이 전류 Isys는 약 17 A로 운전 중에 있었다. Fig. 5과 같이 단락사고가 발생한 스트링을 포함한 모든 스트링 및 어레이 전압이 동일하게 10 V 이하로 낮아졌으며 Isys는 0으로 나타났다. 역류 방지 다이오드가 없는 스트링 단락사고는 Fig. 4와 5 같이 사고가 발생한 스트링으로 다른 병렬 연결된 스트링에서 단락 전류가 역으로 흘러들어왔으며 다른 병렬 스트링 전류의 합인 약 12 A 크기의 Ibackfeed를 발생시켰다. 이 전류는 단락 지점에서 사고 스트링 단락전류와 합쳐져 가장 큰 사고전류 Ifault를 생성하여 태양광 스트링 음극 쪽으로 다시 분배해서 돌아가는 것으로 나타났다. 역류 방지 다이오드가 없는 시스템에서는 단일 스트링에서의 사고가 어레이의 전압에 영향을 끼치며 고장 스트링 방향으로 들어오는 Ibackfeed 발생시킨다. 이러한 특성은 태양광 개별 스트링에서의 최대로 흐를 수 있는 전류는 Ifault로 태양광 케이블 및 모듈의 전기적 정격 선정에 영향을 끼친다. 또한, 실제 스트링의 과전류 보호를 위해 설치되는 스트링 퓨즈는 Ibackfeed가 스트링 퓨즈를 충분히 끊어질 수 있는 정도의 전류가 흘러야만 보호장치가 동작하며 그렇지 않은 경우는 보호장치가 동작하지 않아 사고가 제거되지 않을 가능성이 있다. 따라서 이러한 보호장치의 선정은 반드시 케이블 및 모듈이 스트링 과전류 보호장치가 동작하는 영역 안에 있어야만 한다.
Table 3.
String line-line fault (at the end of the string) results without blocking diode
| Case | L-L Fault | V1 [V] | I1 [A] | V2 [V] | I2 [A] | V3 [V] | I3 [A] | Iback feed [A] | Ifault [A] | Vsys [V] | Isys [A] |
| 2 | before | 541 | 6.0 | 541 | 5.7 | 541 | 5.4 | 0 | 0 | 541 | 17.0 |
| after | 9 | 6.1 | 9 | 6.2 | 9 | 6.1 | -12.3 | 18.5 | 9 | 0 |
3.3 스트링 고장(역류 방지 다이오드 미포함)
앞서 수행했던 스트링 단락실험과 달리 단락사고 지점을 스트링 중간지점에서 단락회로를 구성하여 실험을 수행하고 그 결과를 Table 4에 나타내었다. 실험결과 Fig. 6과 같이 태양광 스트링 단락사고의 경우 스트링 중간위치 즉 모듈과 모듈 사이에서 단락사고가 발생하여도 스트링, 어레이 전압 변화 및 사고전류 경로가 달라질 뿐 생성되는 사고전류에는 큰 변화가 나타나지 않았다. 따라서 스트링 내에서 사고 위치에 따른 단락사고는 사고전류에는 아무런 연관성이 없는 것으로 확인되었다.
Table 4.
String line-line fault (in the middle of the string) results without blocking diode
| Case | L-L Fault | V1 [V] | I1 [A] | V2 [V] | I2 [A] | V3 [V] | I3 [A] | Iback feed [A] | Ifault [A] | Vsys [V] | Isys [A] |
| 3 | before | 541 | 6.0 | 541 | 5.7 | 541 | 5.4 | 0 | 0 | 541 | 17.0 |
| after | 273 | 6.0 | 10 | 5.9 | 10 | 5.9 | -11.9 | 17.9 | 273 | 0 |
3.4 어레이 고장
태양광 어레이 고장 실험은 태양광 인버터가 정지된 상태와 운전 중인 상태로 나누어 어레이(접속함 ~ 인버터) 단락실험을 수행하였다. 안전을 위해서 단락전류가 낮은 일몰 시간에 진행하였고 사고전류 감소를 위해 회로를 2 병렬로 구성하였고 단락사고 발생 후 그 즉시 개폐 장치를 통해 사고를 제거하였다. 실험결과 Table 5 Case 4-1과 Fig. 7에서와 같이 인버터가 정지된 상태에서는 단락사고 발생 시 단락된 어레이 전압은 1 V 이하로 감소하였고 어레이 단락전류는 두 스트링 단락전류의 합으로 나타냈으며 사고 전류 경로는 단락지점을 통해 내부로 순환하였다.
다음으로 인버터가 운전 중인 상태에서 어레이 단락사고 모의를 수행하고 그 결과를 Table 5 Case 4-2와 Fig. 8에 나타내었다. 단락사고 발생 전 두 개의 스트링에서 각각 1.5 A, 1.7 A를 나타냈으며 어레이 전류는 약 3.3 A 출력되고 있었다. 사고 발생 후 태양광 스트링 전류는 1.7 A, 1.9 A로 상승하였으며 이 전류는 단락지점을 통해 다시 직류 측으로 순환하였다. 어레이 전압은 수 볼트 이하로 낮아져 인버터는 자체 사고검출 알고리즘에 의해 기동을 정지하였다. 단락지점에 발생한 어레이 단락전류 Isys는 Fig. 8과 같이 파란색 그래프로 보조축을 통해 나타냈으며 사고 후 3.3 A에서 200 A로 상승하였다. 단락전류 Isys 분석결과 단락지점을 기준으로 인버터 측으로부터 순시전류 200 A 이상의 역과전류가 사고지점으로 유입된 것을 확인할 수 있었는데 이 사고전류를 FFT (Fast Fourier Transform)로 분석한 결과 Fig. 9와 같이 상용주파수 성분의 교류 전류가 포함된 것을 확인하였다. 또한, 고장 단락 지점에서의 접촉저항 증가로 아크가 발생하여 이로 인한 접점이 소손된 것을 확인하였다. 실험결과를 통해 어레이 단락 고장은 태양광 전로측에서에서 공급되는 과전류는 정상발전전류와 비슷하여 태양광 접속함에 설치된 과전류 보호장치(직류차단기)를 동작시킬 수 없을 것으로 사료되며 역으로 인버터 측에서 공급되는 상당한 크기의 역전류가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 역과전류의 발생은 인버터 내부 전력변환 소자들뿐만 아니라 사고 경로에 있는 어레이 전선의 허용전류 정격산정에 영향을 미칠 수 있으며 또한 단락 지점에서 발생하는 아크 에너지를 상승시켜 화재사고로 이어질 수 있는 위험성을 가지고 있다.
4. 결 과
본 논문에서는 실제 태양광발전시스템에 직류 전로에서 발생할 수 있는 단락사고를 다양한 사고사례를 통해 실증실험을 수행하고 그 결과를 보였다. 첫 번째 실험결과 역류 방지 다이오드가 포함된 시스템에서는 스트링 단락사고가 발생해도 다른 스트링에서의 역전류 유입을 유발하지 않아 해당 사고가 제거되지 않고 인버터도 정상적으로 동작하기 때문에 장시간 사고가 방치될 가능성이 크며 이는 성능 감소 및 안전 문제를 유발할 수 있다.
두 번째 실험결과 역류 방지 다이오드가 포함되지 않은 시스템에서는 스트링에서 단락사고로 인해 건전상의 다른 스트링의 전류가 고장 스트링으로 흐르며 이때 스트링 퓨즈가 과전류 보호 기능을 수행한다. 이때 만약 낮은 일사량으로 인해 퓨즈를 단선시킬 만큼의 충분한 전류가 흐르지 않으면 사고는 제거되지 않는다. 따라서 스트링 퓨즈의 선정은 태양광 모듈에서부터 스트링 전선, 접속함 내부 PCB 까지의 허용 전류의 정격을 고려해서 설계하여야 한다. 만약 스트링 퓨즈 정격이 태양전지 모듈의 역전류 허용 정격보다 정격이 높게 산정될 경우 역과전류로 인한 태양전지 모듈, 스트링 배선 및 접속함 등에 화재사고를 유발할 수 있다. 특히 국내의 경우 KS C 8561 에서는 태양광 모듈의 IEC 61730-2 역전류 과부하 시험에 대한 의무화가 되어있지 않아 태양광 발전 시스템의 역전류 과부하 시험 도입에 따른 명확한 데이터를 기반으로 한 과전류 보호장치 선정이 필요하다.
세 번째 실험결과 스트링 내부 단락사고 위치 변화에 따른 사고전류에는 큰 변화가 나타나지 않았다. 네 번째 실험결과 태양광 어레이에서의 단락 사고 발생 시 어레이 단락 고장은 태양광에서 생성되는 과전류는 정상발전전류와 크게 차이가 나질 않아 접속함에 설치된 과전류보호장치(직류차단기)를 동작시킬 수 없을 것으로 판단된다. 단, 사고 순간 인버터 측에서 공급되는 상당한 크기의 역전류가 발생하는 것을 확인하였으며 이는 과전류의 발생은 인버터 내부 전력변환 소자들뿐만 아니라 사고 경로에 있는 어레이 전선의 허용전류 정격산정에 영향을 미칠 수 있으며 아크를 동반한 화재사고로 이어질 수 있는 위험성을 가지고 있다.
5. 결 론
본 연구는 태양광발전시스템 안전성 확보를 위한 태양광 보호 기술 고찰에 관한 것으로 실제 태양광발전시스템에 직류 전로에서 발생할 수 있는 다양한 사례의 단락사고 실증실험을 수행하였다. 본 실험을 통해 사고 위치별, 역류 방지 다이오드 유무, 인버터 동작 여부에서의 태양광 직류 전로의 단락사고 특성을 확인할 수 있었으며 각 사례별 안전 위해성에 대해 분석하였다.
스트링에서의 단락사고 특성은 역류 방지 다이오드에 유무 따라 각각의 안전 위해성이 존재하였으며 특히 역류 방지 다이오드가 없는 시스템에서의 스트링 단락 사고 보호는 반드시 접속함에서부터 태양전지 모듈까지 경로에 존재하는 모든 설비의 전류 허용 정격치를 고려해서 설계하여야 한다. 또한, 어레이 단락사고 특성은 사고지점을 기준으로 태양광 어레이로부터 발생한 단락전류와 인버터로부터 역으로 들어오는 과전류가 존재하였으며 이러한 사고전류가 단락이 발생한 지점으로부터의 강한 아크를 동반한 화재사고에 기여할 것으로 판단된다.
본 연구에서 분석된 내용은 태양광 직류 전로의 과전류 보호 기술에 대하여 제도적 보완 및 태양광 사고조사 업무에 기여할 것으로 판단된다. 향후 국내외 기준분석을 통해 과전류 보호 기준분석 및 추가적인 태양광 인버터(무변압기, 스트링 인버터)에 대한 사고 실증 연구를 추가로 수행할 예정이다.
