[논문]PV모듈의 바이패스 다이오드 단락 고장 시 태양광어레이 회로 특성분석

이충근; 신우균; 임종록; 황혜미; 주영철; 정영석; 강기환; 장효식; 고석환

doi:10.7836/kses.2019.39.6.015

PV모듈의 바이패스 다이오드 단락 고장 시 태양광어레이 회로 특성분석
Electric Circuit Analysis for PV Array on Short-Circuit Failure of Bypass Diode in PV Module 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.6, 2019년, pp.15 - 25

이충근 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 신우균 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 임종록 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 황혜미 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 주영철 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 정영석 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 강기환 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 장효식 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 고석환 (한국에너지기술연구원 태양광연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

As the installation of photovoltaic systems increases, fire accidents of PV system grow every year. Most of PV system fires have been reported to be caused by electrical components. The majority of fire accidents occurred in combiner box, which is presumed to be short-circuit accidents due to dustproof and waterproof failures or heat deterioration of blocking diode. For this reason, the blocking diode installation became optional by revised PV combiner regulation. In this paper, according to the revised regulation, reverse current that generated by voltage mismatch was measured and analyzed in PV array without a blocking diode. The factors that cause voltage mismatch in array are assumed to be shaded PV module and short circuit failure of bypass diode. As the result of experiment, there is no reverse current to flow under shading condition in module, but reverse current flows on the failure of bypass diode in module. According to the module's I-V characteristic curve analysis, open voltage was slightly reduced due to operation of bypass diode in shading. However, it showed that open circuit voltage has decreased significantly in the failure of bypass diode. This indicates that the difference in open voltage reduction of voltage mismatch factor causes reverse current to flow.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Circuit configuration according to KS C 8567 standard
그림 Fig. 2 Experimental circuit diagram for voltage mismatching condition
표 Table 1 PV 6array specification
표 Table 2 Multi PV array I-V tester specification
그림 Fig. 3 Measuring results for I-V characteristic curve
그림 Fig. 4 Combiner box for experiment
그림 Fig. 5 A circuit diagram of voltage mismatching condition in PV array : (a) short circuit, (b) shading
그림 Fig. 6 PV module simulation for each experiment
그림 Fig. 7 Mismatching current according to number of short circuit module
표 Table 3 Results for mismatching current testing
그림 Fig. 8 I-V characteristic curve for diode
그림 Fig. 9 I-V characteristic curve

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 KS C 8567 기준이 변경됨에 따른 DC 스트링의 전압 미스매치 상황에서 발생될 수 있는 전기적 특성을 분석하였다. 개정된 기준에 의해 역류방지 다이오드가 선택적 설치 사항으로 바뀌면서 스트링에 전압 미스매치가 발생하면 미스매칭 전류가 흐를 수 있게 된다.
본 논문에서는 태양광 모듈이 직병렬로 연결된 어레이에서 전압 미스매치가 발생되었을 때, KS C 8567 기준 변경 전 · 후의 회로에서 어떤 특성이 발생되는지 실험을 통해서 비교분석하였다.
본 절에서는 역전류의 차이가 발생한 특성을 분석하고자 한다. 일반적으로 태양전지모듈의 특성분석은 I-V특성곡선을 이용한다.
2는 4병렬 어레이를 갖는 태양광시스템을 나타낸다. 실험은 동일한 스트링에서 음영을 가진 모듈 1개 있을 경우와 단락 모듈이 1개 있을 경우에 I-V 특성곡선 차이를 비교분석하기 위해 실시하였다. 태양전지모듈의 단락은 모듈 내부 정션박스의 바이패스 다이오드에 단락 고장을 의미한다.
이에 본 논문에서는 태양광 접속함 KS 기준 변경사항 중 역류방지 다이오드 설치 유무에 따라 어레이 내 미스매치를 발생시키는 두가지 경우의 전기적 특성을 분석하였다. 실험 결과 역류방지 다이오드가 있는 회로 구성에서는 미스매치에 의해 발생되는 역전류가 검출되지 않았다.

가설 설정

3(a)의 일사량은 931 W/m² , Fig. 3(b)의 일사량은 885 W/m² 이었다. I-V 특성곡선을 비교해 보면, 음영상태 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 정상 스트링과 차이가 없었으나, 단락 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 모듈 1개의 개방전압만큼 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

일반적으로 태양전지모듈의 특성분석은 I-V특성곡선을 이용한다. 따라서 명확한 분석을 위해 정상 태양전지모듈, 1/3의 음영을 주어 1개의 바이패스 다이오드가 동작하는 모듈, 바이패스 다이오드 1개가 단락고장 난 모듈 시료를 준비하여 I-V특성곡선을 분석하였다. Fig.
본 논문에서는 태양광 접속함 KS C 8567의 기준안 변경 전 · 후에 대한 전기적 특성을 비교분석하였다.
본 논문은 이러한 현상을 모의하기 위해 인버터가 동작하지 않는 상황에서 15직렬 × 4병렬로 구성된 태양광 어레이에 음영상태, 바이패스 다이오드 고장상태의 I-V 출력 특성 및 미스매치에 따른 전류 값을 측정하고 전기회로를 분석하였다.
본 절에서는 KS 8567의 기준 변경 전 · 후의 계통연계형 시스템에서 전압 미스매치 상황이 발생될 경우에 전기적 특성 분석을 위해 실험을 실시하였다.
본 절에서는 전압 미스매치가 생기는 음영과 바이패스 다이오드 단락 고장 상태에서 어레이 내 스트링의 I-V 특성곡선의 차이를 알아보기 위해 어레이 I-V 측정 장치를 사용하였다. 옥외에서 태양광 어레이의 출력을 측정할 경우 온도와 일사량 같은 외부 조건이 유동적으로 변하기 때문에 여러 개의 어레이들을 동시에 측정할 수 있는 장비가 필요하다.
개정된 기준에 의해 역류방지 다이오드가 선택적 설치 사항으로 바뀌면서 스트링에 전압 미스매치가 발생하면 미스매칭 전류가 흐를 수 있게 된다. 스트링 간 전압 미스매치 상황을 음영에 의한 바이패스 다이오드 동작과 바이패스 다이오드 고장에 의한 모듈 단락 상황을 인버터가 동작하지 않는 상태에서 모의하여 실험하였다. 음영에 의한 바이패스 다이오드 동작 시에는 역전류가 흐르지 않았지만, 다이오드 고장에 의한 단락 상태에서는 전류가 흘렀다.
5의 구성과 같이 제작하였다. 시험 방법은 역류 방지 다이오드의 유무에 따라 어레이의 한 스트링에 전압 미스매치가 발생되는 상황을 모의하여 이때 흐르는 스트링의 역전류를 측정하였다. 바이패스 다이오드 단락 고장 상태를 모의하기 위해 Fig.
6(b)와 같이 전면에 검은색 보드를 이용하였다. 실험은 동일한 스트링에 같은 조건에서 모듈을 최대 3장까지 추가하여 역전류를 측정하였다. 그 이상 실시하지 않은 이유는 스트링에 흐르는 최대허용전류를 초과하기 때문이다.

이론/모형

옥외에서 태양광 어레이의 출력을 측정할 경우 온도와 일사량 같은 외부 조건이 유동적으로 변하기 때문에 여러 개의 어레이들을 동시에 측정할 수 있는 장비가 필요하다. 실험에 사용된 장비는 Dewetron社에서 개발된 다채널 태양광 어레이 I-V 테스터이며 주요 Spec은 Table 2와 같다. Fig.

성능/효과

3(b)의 일사량은 885 W/m² 이었다. I-V 특성곡선을 비교해 보면, 음영상태 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 정상 스트링과 차이가 없었으나, 단락 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 모듈 1개의 개방전압만큼 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
KS 8567 기준 변경 이전과 같이 역류 방지 다이오드가 설치되어있는 구성에서 실험한 결과 전압 미스매치가 발생될 경우 역전류가 전혀 흐르지 않았다. 그러나 단락모듈을 갖는 스트링의 경우, 테스터기를 이용한 측정전압은 모듈의 개수만큼 개방전압이 감소하는 것을 확인하였다. 역류 방지 다이오드가 설치되지 않은 구성의 실험에서는 역전류 측정결과가 Fig.
이에 본 논문에서는 태양광 접속함 KS 기준 변경사항 중 역류방지 다이오드 설치 유무에 따라 어레이 내 미스매치를 발생시키는 두가지 경우의 전기적 특성을 분석하였다. 실험 결과 역류방지 다이오드가 있는 회로 구성에서는 미스매치에 의해 발생되는 역전류가 검출되지 않았다. 하지만 역류방지 다이오드가 없는 회로 구성에서 바이패스 다이오드 단락 고장을 모의한 상황에서는 역전류가 검출되었으며, 단락 상태의 모듈 개수가 증가할수록 전류값이 커지는 것을 확인하였다.
1절에서는 음영상태와 단락회로 상태에서 어레이의 I-V 특성곡선을 측정하였다. 어레이 테스터기를 이용하여 측정한 I-V 특성곡선으로부터 전기적 특성이 다를 것으로 예측되었고, 2.2절의 실험결과에서 확인한 바와 같이 측정된 역전류 값이 달랐다. 우선 역류 방지 다이오드가 적용된 어레이 구성에서는 전압 미스매치가 발생하더라도 역전류가 흐르지 않았으며, 이는 역류 방지 다이오드가 역방향으로 흐르는 전류를 막고 있기 때문이다.
KS C 8567 기준 변경 이후 역류 방지 다이오드가 제외된 어레이 구성에서의 실험 결과는 상이하게 측정되었다. 음영 상태에서는 전압 미스매치에 의한 역전류가 흐르지 않았으나, 단락 상태의 모듈을 갖는 스트링에서는 역전류가 흘렀으며 단락회로 모듈이 증가할수록 전류 값이 커지는 것을 실험을 통해 확인하였다.
7 및 Table 3과 같이 측정되었다. 음영상태의 모듈이 있는 스트링의 경우에 전압 미스매치는 발생되지만, 음영상태의 모듈 개수를 증가시켜도 역전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 모듈 단락상태를 갖는 스트링에서는 역전류가 흐르는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 단락회로 모듈의 개수를 증가시킬수록 전류 값이 증가하는 것을 보였다.
음영상태의 모듈이 있는 스트링의 경우에 전압 미스매치는 발생되지만, 음영상태의 모듈 개수를 증가시켜도 역전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 모듈 단락상태를 갖는 스트링에서는 역전류가 흐르는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 단락회로 모듈의 개수를 증가시킬수록 전류 값이 증가하는 것을 보였다. 실험당시 일사량은 500 ~ 700 W/m²으로 유동적인 상황이었다.
실험 결과 역류방지 다이오드가 있는 회로 구성에서는 미스매치에 의해 발생되는 역전류가 검출되지 않았다. 하지만 역류방지 다이오드가 없는 회로 구성에서 바이패스 다이오드 단락 고장을 모의한 상황에서는 역전류가 검출되었으며, 단락 상태의 모듈 개수가 증가할수록 전류값이 커지는 것을 확인하였다.

후속연구

일반적으로 100 kW급 접속함은 20회로 이상의 DC 스트링이 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 만약 100 kW급 태양광발전 시스템에서 바이패스 다이오드 고장에 의해 전압 미스매치가 발생하는 경우에는 본 실험에서 측정된 역전류보다 더욱 큰 전류 값이 검출될 것이다.
이에 따라 바이패스 다이오드가 단락고장 난 모듈 수가 증가할수록 미스매칭 전류 값이 커짐을 알 수 있었으며, 큰 미스매칭 전류가 흐르는 경우에는 접속함 내부의 퓨즈 소손을 일으켜 시스템 출력 손실을 일으킬 수 있다. 태양광 접속함 기준 개정 이후에 역류 방지 다이오드를 채택하지 않는 태양광접속함의 경우, 바이패스 다이오드 고장과 퓨즈 소손에 대한 모니터링 설비 등을 추가하여 해당 고장을 즉시 점검할 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 화재사고는 무엇에 의해 발생하는가?	국내 태양광시스템의 설치량이 증가하면서 시스템 관리 및 운영 미비에 따른 고장과 화재가 발생하고 있으며1) , 태양광발전설비 화재사고는 물적 손해뿐만 아니라 화재 전이 시 추가적인 피해를 발생시킬 수 있다2) . 대부분의 화재사고는 접속함 결함, 인버터 과열, 전선 단선 등 전기적 요인에 의해 발생한 것으로 조사되었다3) . 가장 많이 화재가 발생한 접속함 발화의 주요 원인으로 역류방지 다이오드의 방열 문제 와 접속함의 방수 방진 등급 미달에 따른 내부 전기회로 결로현상 등으로 추정되고 있다.
	접속함 발화의 주요 원인은 무엇인가?	대부분의 화재사고는 접속함 결함, 인버터 과열, 전선 단선 등 전기적 요인에 의해 발생한 것으로 조사되었다3) . 가장 많이 화재가 발생한 접속함 발화의 주요 원인으로 역류방지 다이오드의 방열 문제 와 접속함의 방수 방진 등급 미달에 따른 내부 전기회로 결로현상 등으로 추정되고 있다. IEC TS 62257-7-1:2010의 기준에 따르면 계통연계형 태양광시스템에서 역류방지 다이오드는 고장원인 및 전력 손실원이 될 수 있으므로 사용을 지양하도록 되어 있다4) .
	태양광시스템 중 여러 스트링이 병렬로 구성된 어레이에 음영 상태, 정션박스 내부에 설치된 바이패스 다이오드 고장이 발생할 경우 어떠한 현상이 발생할 수 있는가?	태양광시스템은 태양전지 모듈을 발전 용량에 맞게 직 · 병렬로 연결한 어레이, 발생된 전력을 한 곳으로 모으는 접속함, 통합된 직류 전력을 교류전력으로 변환하는 인버터 및 전력계통에 연계하는 수 · 배전설비로 이뤄진다. 시스템 중 여러 스트링들이 병렬로 구성된 어레이에 음영 상태, 태양전지 모듈의 정션박스 내부에 설치된 바이패스 다이오드 고장이 발생할 경우 어레이 내부에서 스트링 간의 전위차가 발생하여 병렬 미스매치 현상이 발생될 수 있다6,7,8,9) . 본래 바이패스 다이오드는 태양전지의 핫스팟으로 인한 화재 예방 및 음영에 따른 출력 손실을 줄이기 위해 사용된다10,11) .

참고문헌 (17)

Lee, J. S., Heo, J. P., Kim, S. J., Choi, W. G., Lee, W. J., Lee, S. M., and Jeong, Y. S., The Experimental Study on the Characteristics of the Photovoltaic System Fire, Journal of Fire Investigation Society of Korea, Vol. 9, pp. 15-36, 2018.
Laukamp, H., Bopp, G., Grab, R., Wittwer, C., Haberlin, H., Heeckeren, B., Phillip, S., Reil, F., Schmidt, H., Sepanski, A., Thiem, H., and Vaassen, W., PV Fire Hazard-Analysis and Assessment of Fire Incidents, 26th EUPVSEC, 2013.
Klise, G. T., Lavrova, O., and Gooding, R, PV System Component Fault and Failure Compilation and Analysis, Sandia Report, No. SAND-2018-1743, 2018.
IEC TS 62257-7-1:2010, Recommendations for small renewable energy and hybrid systems for rural electrification - Part 7-1: Generators - Photovoltaic generators.
KS C 8567:2019, Photovoltaic combiner box.
Belhacaht, F. and Larbes, C, Modeling, Analysis and Comparison of Solar Photovoltaics Array Configuration Under Partial Shading Conditions, Solar Energy, Vol. 120, pp. 399-418, 2015.

상세보기
Jung, T. H., Ko, J. W., Kang, G. H., and Ahn, H. K., Output Characteristics of PV Module Considering Partially Reverse Biased Conditions, Solar Energy, Vol. 92, pp. 214-220, 2013.

상세보기
Abete, A., Barbisio, E., Cane, F., and Demartini, P., Analysis of Photovoltaic Modules with Protection Diodes in Presence of Mismatching, 21st IEEE PV Specialists Conference, pp. 1005-1010, 1990.
Alonso-Garcia, M. C., Ruiz, J. M., and Chenlo, F., Experimental Study of Mismatch and Shading Effects in the I-V Characteristic of a Photovoltaic Module, Solar Energy Material and Solar Cells, Vol. 90, pp. 329-340, 2006.

상세보기
Silvestre, S., Boronat, A., and Chouder, A., Study of Bypass Diodes Configuration on PV Modules, Applied Energy, Vol. 86, pp. 1632-1640, 2009.

상세보기
Kim, S. T., Kang, G. H., Park, J. H., Ahn, H. K., YU, G. J., and Han, D. Y., The Electrical Characteristics of Shading Effect in Photovoltaic Module, Journal of the Korean Solar Energy Society, pp. 257-262, 2008.
Shin, W., Ko, S., Song, H., Ju, Y., Hwang, H., and Kang, G., Origin of Bypass Diode Fault in c-Si Photovoltaic Modules: Leakage Current under High Surrounding Temperature, Energies, Vol. 11, p. 2416, 2018

상세보기
Shin, W. G., Jung, T. H., Ko, S. W., Ju, Y. C., Chang, H. S., and Kang, G. H., Analysis on Thermal & Electrical Characteristics Variation of PV Module with Damaged Bypass Diodes, Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 35, pp. 67-75, 2015.

원문보기 상세보기
Jung, T. H., Kang, G. H., & Ahn, H. K., Optimal Design of PV Module with Bypass Diode to Reduce Degradation due to Reverse Excess Current, Transactions on Electrical and Electronic Materials, Vol. 15, pp. 279-283, 2014.

원문보기 상세보기
Petrone, G. and Ramos-Paja, C. A., Modeling of Photovoltaic Fields in Mismatched Conditions for Energy Yield Evaluations, Electric Power Systems Research, Vol. 81, pp. 1003-1013, 2011.

상세보기
Ko, S. W., Ju, Y. C., Hwang, H. M., So, J. H., Jung, Y. S., Song, H .J., Song, H. E., Kim, S. H., and Kang, G. H., Electrical and Thermal Characteristics of Photovoltaic Modules Under Partial Shading and with a Damaged Bypass Diode, Energy, Vol. 128, pp. 232-243, 2017.

상세보기
Ko, S. W., Ju, Y. C., So, J. H., Hwang, H. M., Jung, Y. S., and Kang, G. H., The Characteristics of PV Module Under the Partial Shading Condition and with a Failure of Bypass Diode with Short, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 36, No. 4, pp. 41-47, 2016.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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