PV Inverter Operation according to DC Capacitor Aging

직류 커패시터 노후화에 따른 PV 인버터 동작

Abstract

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.

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.

Ⅰ. 서론

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. 태양광발전소는 20년 이상 안정적으로 전력을 생산하는 구조로 설계와 시공을 잘 마무리했더라도 유지보수관리가 제대로 이뤄지지 않으면 효율이 급격히 떨어진다. 모듈 크래킹, 모듈 변색과 흙먼지 흡착 등으로 발전량이 감소할 수 있다. 특히 여름철 집중호우가 있는 장마철 이후엔 낙뢰와 비바람으로 인해 설비가 고장 나 효율이 낮아진다.

또한 태양광 발전시스템의 이상 유무 및 부품 교체시기 그리고 시스템의 종합효율을 최대화할 수 있는 대책이 필요하다. 현재 PV 인버터(태양광 인버터)의 효율은 95% 이상으로 성능이 우수하지만, 시스템 내에서 발생하는 발전량 손실률은 5～25%로 매우 크다. 이러한 발전량 손실은 구름 및 건물의 그림자, 오염, 셀 열화 등이 그 원인이 될 수 있다. 추가로 태양광 발전시스템의 수명에 맞게 PV 인버터의 수명 또한 이에 대응하여야 한다. 오랜 시간 태양광에 노출된 태양광 발전시스템은 태양광 모듈의 열화 현상과 인버터를 비롯한 시스템의 성능저하로 인해 지속해서 발전량이 감소한다^[1].

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.

II. PV 인버터 정상동작 특성

PV 인버터는 태양광 모듈 관련 기능(입력), 계통연계 관련 기능(출력), 그리고 안전 관련 기능의 역할을 가지고 있다. 태양광 모듈의 출력은 일사량과 온도에 의해서 변화되므로 매 순간 최대 전력을 변환하기 위하여 MPPT (Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추종) 기능을 수행하여 최대 전력을 전력계통으로 보내는 기능을 수행한다^[2].

전력계통은 일반적으로 정상 범위의 전압과 주파수를 유지하지만, 이상 상황(급격한 부하 증가, 급격한 전력 공급의 감소 등)이나, 정전 또는 사고에 의해 전압과 주파수가 정상 범위를 벗어나는 상황이 발생하는 경우 PV 인버터는 정해진 시간 내에 정지해야 한다. 그리고 단독 운전(Islanding, 정전이 발생하였는데 분산전원에 의해 전원이 공급되는 현상)이 발생하게 되면, 단독운전을 검출하여 정지해야 한다. 전력계통의 안정도 향상을 위해서는 전력계통의 조건에 따라 전력회사의 요구로 무효전력(Reactive power)을 만드는 기능을 수행해야 한다. 그리고 전력계통에 연계하여 운전할 때 전류 고조파를 5% 미만으로 발생(교류출력전류 종합왜형률) 시켜야 한다.

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.

그림 1은 직류 커패시터 1,980[㎌]으로 설계 및 노후 및 열화현상이 없는 PV 인버터를 이용하여 입력동작 특성, 출력전류, 츨력전압(계통전압) 특성, 교류출력전류 종합왜형률(THD) 및 각 차수 결과에 대한 실험 결과를 보여주고 있다. 또한 PV 인버터의 제원 및 실험 결과에 관한 내용을 표 1을 통해 보여주고 있다.

그림 1. PV 인버터 정상동작 특성

Fig. 1. PV Inverter Normal Operation Characteristics

표 1. 정상 동작 중인 PV 인버터 실험 결과

Table 1. PV Inverter Operation Characteristics

직류 커패시터의 노후 및 열화현상이 없는 PV 인버터의 경우 그림 1(a) 입력동작 특성 결과와 같이 안정적인 MPPT 제어를 통해 MPPT 효율 99.77%의 결과를 보여 주고 있다. 또한 그림 1(b)는 출력전류와 전압(계통전압)에 관한 결과로 계통연계에 따른 역률(Power factor) 0.95% 이상의 기준을 제시하고 있는 KS C 8564 (소형 태양광 발전용 인버터) 규격을 만족하고 있으며 5% 미만의 고조파(THD, 교류출력전류 종합왜형률) 역시 그림 1(c)에서 2.74 %로 규격을 만족하는 결과를 보여주고 있다^[3].

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.

III. 직류 커패시터 열화 및 노후화에 따른 PV 인버터 특성

PV 인버터 직류 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 직류 커패시터는 사용 시간 증가에 따른 노후 및 열화 진행에 따른 전해액 분출 및 폭발과 PV 인버터의 특성에 영향을 미치고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존 태양광발전소에 설치 및 운영 중인 PV 인버터를 이용하여 직류 커패시터 노후 및 열화 진행 상태^[4] 구분에 따른 인버터의 동작특성에 대해 살펴보았다.

1. 직류 커패시터 정전용량 100%

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.

그림 2. DC-link 커패시터 노후 및 열화에 따른 PV 인버터 입력동작 특성

Fig. 2. PV Inverter Input Operation Characteristics according to DC-link Capacitor Aging and Deterioration

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. 그림 2(a), 3(a), 4(a)의 실험 결과에 대한 전체적인 PV 인버터의 동작 특성을 표 2에서 확인할 수 있다.

그림 3. 직류 커패시터 노후 및 열화에 따른 PV 인버터 출력전류, 츨력전압(계통전압) 특성

Fig. 3. PV Inverter Output Current and Voltage Characteristics according to DC-link Capacitor Aging and Deterioration

그림 4. 직류 커패시터 노후 및 열화에 따른 PV 인버터 효율 특성

Fig. 4. PV Inverter Efficiency Characteristics according to DC-link Capacitor Aging and Deterioration

그림 5. 직류 커패시터 노후 및 열화에 따른 PV 인버터 THD 특성

Fig. 5. PV Inverter THD Characteristics according to DC-link Capacitor Aging and Deterioration

표 2. 직류 커패시터 용량 100%시 PV 인버터 동작특성

Table 2. PV Inverter Operating Characteristics at 100% DC Capacitance

2. 직류 커패시터 정전용량 50%

그림 2(b)는 직류 커패시터 정전용량이 1,300[㎌]으로 설계되었으나 측정된 정전용량값은 700%[㎌]으로 태양광발전소에 설치 및 운영 중인 PV 인버터 입력동작 특성을 보여주고 있다. PV 인버터는 MPPT 제어로 최대전력을 추종하지만 본 실험에서 사용된 인버터의 경우 입력 전압 및 전류의 심한 변동으로 발전량의 변화가 크게 발생하고 있다. 이에 따른 그림 3(b)에서도 출력전류 역시 왜곡된 정현파의 모습을 띠고 있기에 PV 인버터가 안정적이지 못한 상태에서 발전하고 있음을 알 수 있다^[4]. 이러한 결과로 그림 (4b)와 그림 5(b)에서 효율 MPPT 효율, THD, 출력 전력 등의 항목별 내용에서 정상적으로 동작하는 PV 인버터와 비교시 성능저하가 발생하고 있음을 알 수 있으며 표 3을 통해 직류 커패시터 용량 50%시 PV 인버터 동작특성을 정리할 수 있다. 따라서 기존 태양광발전소에 설치 및 운영 중인 PV 인버터가 외관상으로 발전하고 있지만 직류 커패시터의 노후 및 열화로 인하여 발전량 감소 및 계통연계 안전성에 문제를 일으키고 있다^[5].

표 3. 직류 커패시터 용량 53.85%시 PV 인버터 동작특성

Table 3. PV Inverter Operating Characteristics at 53.85% DC Capacitance

3. 직류 커패시터 정전용량 23.07%

그림 2(c)는 설계 용량 1,300[㎌] 대비 300[㎌]으로 측정된 PV 인버터의 실험 결과로 정전용량 100%, 53.85%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 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.

표 4. 직류 커패시터 용량 30%시 PV 인버터 동작특성

Table 4. PV Inverter Operating Characteristics at 23.07% DC Capacitance

IV. 결론

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.