태양광 발전은 신재생에너지 중 가장 친숙한 발전시설로 약 10여 년 전부터 보급이 확대되기 시작해 현재 시점에서는 시스템의 유지보수관리에 대한 해결 및 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히 태양광 발전시스템의 이상 유무 및 부품 교체시기 그리고 시스템의 종합효율을 최대화할 수 있는 대책이 필요하다. 태양광발전시스템의 한 요소인 PV인버터는 전력용 스위칭 소자에 의존하는 전력변환 시스템으로 DC/DC 컨버터 및 DC-AC 인버터 구성에 따른 직류(DC-Link) 커패시터가 사용된다. 이러한 직류 커패시터 역시 장시간 사용에 따른 노후 및 열화로 인해 PV 인버터의 발전량 감소와 전력손실 그리고 고조파(THD, 교류출력전류 종합왜형률) 증가로 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치는 요인으로 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광발전시스템에서 현재 운영 중인 직류 커패시터 용량 상태에 따른 PV 인버터 동작 특성을 고찰함과 동시에 신재생에너지 설비의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 연구내용을 제안하였다.
태양광 발전은 신재생에너지 중 가장 친숙한 발전시설로 약 10여 년 전부터 보급이 확대되기 시작해 현재 시점에서는 시스템의 유지보수관리에 대한 해결 및 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히 태양광 발전시스템의 이상 유무 및 부품 교체시기 그리고 시스템의 종합효율을 최대화할 수 있는 대책이 필요하다. 태양광발전시스템의 한 요소인 PV 인버터는 전력용 스위칭 소자에 의존하는 전력변환 시스템으로 DC/DC 컨버터 및 DC-AC 인버터 구성에 따른 직류(DC-Link) 커패시터가 사용된다. 이러한 직류 커패시터 역시 장시간 사용에 따른 노후 및 열화로 인해 PV 인버터의 발전량 감소와 전력손실 그리고 고조파(THD, 교류출력전류 종합왜형률) 증가로 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치는 요인으로 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광발전시스템에서 현재 운영 중인 직류 커패시터 용량 상태에 따른 PV 인버터 동작 특성을 고찰함과 동시에 신재생에너지 설비의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 연구내용을 제안하였다.
Photovoltaic power generation is the most familiar power generation facility among new and renewable energies, and its supply began to expand about 10 years ago, and at this point, interest in solutions and technologies for system maintenance management is increasing. In particular, it is necessary ...
Photovoltaic power generation is the most familiar power generation facility among new and renewable energies, and its supply began to expand about 10 years ago, and at this point, interest in solutions and technologies for system maintenance management is increasing. In particular, it is necessary to take measures to maximize the overall efficiency of the solar power generation system, whether or not there is an abnormality in the solar power generation system, and when to replace parts. The PV inverter, one element of the photovoltaic power generation system, is a power conversion system that relies on power switching devices, and DC-Link capacitors are used according to the configuration of DC/DC converters and DC-AC inverters. These DC capacitors also affect system safety (Safety) through renewable energy facilities due to the decrease in power generation of PV inverters, power loss, and increase in harmonics (THD, total distortion of AC output current) due to aging and deterioration due to long-term use. factors can be analyzed. Therefore, in this paper, the PV inverter operating characteristics according to the DC capacitor capacity state currently operating in the photovoltaic power generation system were considered, and research contents were proposed to secure the safety and reliability of renewable energy facilities.
Photovoltaic power generation is the most familiar power generation facility among new and renewable energies, and its supply began to expand about 10 years ago, and at this point, interest in solutions and technologies for system maintenance management is increasing. In particular, it is necessary to take measures to maximize the overall efficiency of the solar power generation system, whether or not there is an abnormality in the solar power generation system, and when to replace parts. The PV inverter, one element of the photovoltaic power generation system, is a power conversion system that relies on power switching devices, and DC-Link capacitors are used according to the configuration of DC/DC converters and DC-AC inverters. These DC capacitors also affect system safety (Safety) through renewable energy facilities due to the decrease in power generation of PV inverters, power loss, and increase in harmonics (THD, total distortion of AC output current) due to aging and deterioration due to long-term use. factors can be analyzed. Therefore, in this paper, the PV inverter operating characteristics according to the DC capacitor capacity state currently operating in the photovoltaic power generation system were considered, and research contents were proposed to secure the safety and reliability of renewable energy facilities.
PV 인버터의 기본 기능 및 역할을 바탕으로 본 절에서는 직류 커패시터 1,980[㎌]으로 설계된 PV 인버터의 정상동작 특성을 확인하기 위하여 태양전지모의직류전원 장치(DC Simulator, EA-PSB91000-40)와 모의계통전원장치(AC Simulator, MX15)를 사용하여 계통연계를 구성하였다. 제조사에서 제공한 PV 인버터 재원과 국내 태양광인버터 규격 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터)를 기준으로 출력용량(전압, 전류), 효율, THD, MPPT 효율 등의 정보들을 측정하여 PV 인버터의 동작 특성을 확인하였다.
이러한 직류 커패시터 역시 장시간 사용에 따른 노후 및 열화로 인해 PV 인버터의 발전량 감소와 전력손실 그리고 고조파(THD, 교류출력전류 종합왜형률) 증가로 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치는 요인으로 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광발전시스템에서 현재 운영 중인 직류 커패시터 용량 상태에 따른 PV 인버터 동작 특성을 고찰함과 동시에 신재생에너지 설비의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 연구내용을 제안하였다.
본 논문에서는 기존 태양광발전소에서 설치 및 운영중인 PV 인버터를 이용하여 직류 커패시터 노후화에 따른 PV 인버터 동작특성을 살펴보았다. 외관상PV 인버터가 정상적으로 동작할지라도 직류 커패시터의 노후 및 열화발생 정도에 따라 KS C 8564 (소형 태양광 발전용인버터) 규격을 기준을 만족하지 못하는 결과들을 보여주고 있다.
제안 방법
PV 인버터의 기본 기능 및 역할을 바탕으로 본 절에서는 직류 커패시터 1,980[㎌]으로 설계된 PV 인버터의 정상동작 특성을 확인하기 위하여 태양전지모의직류전원 장치(DC Simulator, EA-PSB91000-40)와 모의계통전원장치(AC Simulator, MX15)를 사용하여 계통연계를 구성하였다. 제조사에서 제공한 PV 인버터 재원과 국내 태양광인버터 규격 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터)를 기준으로 출력용량(전압, 전류), 효율, THD, MPPT 효율 등의 정보들을 측정하여 PV 인버터의 동작 특성을 확인하였다.
성능/효과
85%의 결과보다 발전량의 변화가 더 크게 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 3(c), 4(c)의 실험 결과를 바탕으로 직류 커패시터 정전용량 23.07%일 때 PV 인버터 동작특성을 표 4에서 보여주고 있으며 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터) 규격에서 제시한 기준을 크게 벗어나고 있음을 알 수 있다. 이는 제조사에서 최초 설계된 정전용량 100%에서 PV 인버터는 장시간 운전에 따른 수명 저하와 직류 커패시터를 포함한 내부 부품들에 대한 이상 유무 및 부품 교체시기를 알려주는 현상으로 해석할 수 있다.
따라서 그림 1과 표 1의 실험 결과값을 바탕으로 직류 커패시터의 노후 및 열화현상이 없는 정상적인 PV 인버터의 경우 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터)에서 제시한 규격을 만족함으로써 태양광발전시스템에서 발전량, 전력손실, 고조파 발생에 따른 계통 안전성(Safety)이 우수함을 유추할 수 있다.
본 논문에서는 기존 태양광발전소에서 설치 및 운영중인 PV 인버터를 이용하여 직류 커패시터 노후화에 따른 PV 인버터 동작특성을 살펴보았다. 외관상PV 인버터가 정상적으로 동작할지라도 직류 커패시터의 노후 및 열화발생 정도에 따라 KS C 8564 (소형 태양광 발전용인버터) 규격을 기준을 만족하지 못하는 결과들을 보여주고 있다. 따라서 태양광 인버터 사용 시간 증가에 따른 커패시터의 상태를 감시하여 부속품에 대한 수명 예측과 유지보수를 위한 교환 시기 등의 적절한 정보를 이용하여 신재생에너지 설비의 안전성(Safety) 및 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.
이러한 실험 결과를 바탕으로 제조사에서 설계된 직류 커패시터의 정전용량 1,300[㎌]으로 측정이 되었지만 직류 커패시터의 노후화 및 열화가 발생하고 있음을 유추할 수 있다. 이러한 영향으로 그림 3(a) PV 인버터 출력 전류, 츨력전압(계통전압) 특성, 그림 4(a) PV 인버터 효율, 그림 5(a) THD 특성을 살펴보면 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터) 규격을 만족하지 못하는 결과를 보여주고 있다.
PV 인버터는 전력용 스위칭 소자에 의존하는 전력변환 시스템으로 DC/DC 컨버터 및 DC-AC 인버터 구성에 따른 직류(DC-Link) 커패시터가 사용된다. 이러한 직류 커패시터 역시 장시간 사용에 따른 노후 및 열화로 인해 PV 인버터의 발전량 감소와 전력손실 그리고 고조파(THD, 교류출력전류 종합왜형률) 증가로 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치는 요인으로 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광발전시스템에서 현재 운영 중인 직류 커패시터 용량 상태에 따른 PV 인버터 동작 특성을 고찰함과 동시에 신재생에너지 설비의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 연구내용을 제안하였다.
그림 2(a)는 태양광발전소에 설치 및 운영 중인 PV 인버터의 직류 커패시터 정전용량을 1,300[㎌]으로 설계 및 측정된 정전용량 100%시 PV 인버터 입력동작 특성 대한 결과를 보여주고 있다. 최초 제조사에서 설계된 직류 커패시터의 정전용량 1,300[㎌] 값을 만족하고 있지만 그림 1(a)에서 보여준 정상 동작 중인 PV 인버터와 달리 MPPT 제어를 하기 위하여 전압, 전류값의 변동과 이에 따른 입력 전력값도 실시간으로 변화되고 있음을 보여주고 있다.
후속연구
이는 제조사에서 최초 설계된 정전용량 100%에서 PV 인버터는 장시간 운전에 따른 수명 저하와 직류 커패시터를 포함한 내부 부품들에 대한 이상 유무 및 부품 교체시기를 알려주는 현상으로 해석할 수 있다. 따라서 태양광발전소에 설치된 모니터링 시스템을 통해 주기적인 발전량, 요소별 이상 유무에 대한 점검이 필요하며 PV 인버터 내부에 사용되고 있는 부품별 교체시기를 사용자에게 알려주는 기능들이 적용될 필요가 있다.
참고문헌 (6)
Chan Khon Park, "Study on the Obsolescence?Forecasting Judgment of PV Systems adapted?Micro-inverters," Journal of Korea Multimedia Society?Vol. 18, No. 7, pp. 864-872, 2015.?DOI: http://dx.doi.org/10.9717/kmms.2015.18.7.864
Renewable Energy Equipment KS Certification Guide,?Korea Energy Agency,
KS C 8564, Small Scale Photovoltaic Inverter?(grid-tied type, stand-alone type), 2021.
Kim, Hyun Ho, "A study on the degradation?mechanism and life prediction of supercapacitors,"?Ph. D. thesis KAIST, 2015.?DOI: http://hdl.handle.net/10203/202695
Ye-Ji Kim, Seok-Min Kim, Kyo-Beum Lee, "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,?2021.?DOI: http://10.1109/TPEL.2020.3027670
Jin-Geun Shon, Dong-Joon Kim, "A Simple Capacitance?Estimation Method for Failure Diagnosis of DC Link?Electrolytic Capacitor in Power Converters," Trans. on?KIEE,, vol. 59P, no. 4, pp. 378-383, 2010.
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