Deterioration and Abnormality Condition Diagnosis through Measuring the DC Capacitor Capacity of PV Inverter

태양광 인버터의 DC 커패시터 용량 측정을 통한 열화 및 이상상태 진단

Abstract

DC capacitors used in PV inverters have a relatively short lifespan compared to other power semiconductor devices and have a failure rate of 60%, making them the most vulnerable among the elements that make up a power conversion system (PCS). In addition, the lifespan of the capacitor varies depending on environmental factors, greatly affecting the lifespan and operating conditions of PV inverters and PV power generation systems. Therefore, research is needed on the development of inverter deterioration diagnostic sensor technology optimized for building-integrated and general PV power generation systems and the development of bypass compensation capacitor modules that can maintain the efficiency of the inverter in the event of a failure. Based on this research, the DC capacitor deterioration diagnosis module inside the PV inverter measures the capacity of the actual internal components and can check the trend information of the deterioration state in the long term, enabling rapid response to fires. In addition, it seeks to improve the efficiency of power generation facilities and reduce carbon emissions, and prevents electrical fires, allowing the PV power generation system to be maintained in optimal condition.

태양광 인버터에 사용되고 있는 DC 커패시터는 다른 전력용 반도체 소자 대비 수명이 상대적으로 짧아서 고장 발생 비율이 60%를 차지하여 전력변환장치(PCS)를 구성하는 요소 중 가장 취약하다. 또한 커패시터의 수명은 사용 환경 요인에 의하여 변화하기 때문에 태양광 인버터 및 태양광발전시스템의 수명과 운전상태에 크게 영향을 주고 있다. 따라서 건물 일체형 및 일반 태양광발전시스템에 최적화된 인버터 열화진단센서 기술개발과 고장 발생 시 인버터의 효율을 유지할 수 있는 우회 보상커패시터 모듈 개발에 대한 연구가 필요하다. 이러한 연구를 기반으로 태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 열화 진단 모듈은 실제 내부 부품의 용량을 측정하여, 장기적으로 열화 상태의 추이 정보를 확인할 수 있어 화재 등 신속한 대응을 끌어낼 수 있다. 또한 발전설비의 효율 향상 및 탄소배출 저감을 꾀하고, 전기화재 예방이 가능하여 태양광발전시스템을 최적의 상태로 유지 할 수 있다.

Ⅰ. 서론

태양광발전 사업 실태조사에 의하면 태양광발전시스템의 중요한 기능을 하는 태양광 인버터의 경우 주요 부품별 고장 발생 비율이 66%로 그림 1과 같이 조사되고 있다. 태양광 인버터의 고장 원인을 분석해 보면 태양광 인버터 내의 DC 커패시터 열화에 따른 고장 또는 화재 발생으로 유지보수 비용이 증가하고 있는 거로 파악되고 있다^[1].

그림 1. 주요 부품별 고장발생 비율 (출처 : SOLAR TODAY)

Fig. 1. Failure rate by major component

태양광 인버터에 사용되고 있는 DC 커패시터는 다른 전력용 반도체 소자 대비 수명이 상대적으로 짧아서 고장 발생 비율이 60%를 차지하여 전력변환장치(PCS)를 구성하는 요소 중 가장 취약하다^[2]. 또한 커패시터의 수명은 사용 환경 요인에 의하여 변화하기 때문에 태양광 인버터 및 태양광발전시스템의 수명과 운전상태에 크게 영향을 주고 있다.

이러한 태양광 인버터 고장으로 인해 발생하는 피해액은 보수를 끝내기 전까지 누적 발생하여 2022년 9월 기준 REC(Renewable Energy Certificate, 신재생에너지 설비를 활용해서 에너지를 공급했음을 증명하는 인증서)를 적용한 가중 평균단가인 234.75원으로 100kWh 태양광발전시스템의 생산 가격을 계산 시, 하루에 약 82,162원의 금전적 손해가 발생하고 있다^[3].

따라서 건물 일체형 및 일반 태양광발전시스템에 최적화된 인버터 열화진단센서 기술개발과 고장 발생 시 인버터의 효율을 유지할 수 있는 열화진단 모듈 개발에 대한 연구가 필요하다. 태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 열화진단 모듈은 실제 내부 부품의 용량을 측정하여, 장기적으로 열화 상태의 추이 정보를 확인할 수 있어 화재 등 신속한 대응을 끌어낼 수 있다. 또한 발전설비의 효율향상 및 탄소배출 저감을 꾀하고, 전기화재 예방이 가능하여 태양광발전시스템을 최적의 상태로 유지 할 수 있다.

II. 태양광 인버터 내부 DC 커패시터 및 세부사양 분석

태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 열화진단에 대한 연구를 수행하기 위해 본 논문에서는 상용품으로 출시되고 있는 A, B사의 제품에 대한 사양분석을 하였다. 그림 2와 3은 3kW급 각 사(社)의 인버터 내부에 설치된 DC 커패시터로 각각 1,980uF, 1,320uF의 용량을 사용하고 있다. 이러한 용량을 기준으로 DC 커패시터의 열화정도에 따른 태양광 인버터의 성능 및 운전특성을 파악하기 위해 각 사의 인버터의 세부사양 표 1과 같다.

표 1. DC 커패시터 용량측정 비교

Table 1. DC capacitor capacity measurement comparison

그림 2. A사(社) 인버터 내부 커패시터 (1,980uF)

Fig. 2. Company A inverter internal capacitor (1,980uF)

그림 3. B사(社) 인버터 내부 커패시터 용량 (1,320uF)

Fig. 3. Company B inverter internal capacitor (1,320uF)

III. 실험결과

1. 태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 용량 측정_1차 열화진단 모듈

DC 커패시터는 사용 시간 증가에 따라 노후 및 열화 진행이 발생하며 이러한 증상으로 교류 출력전류 종합왜형률(THD)이 기술기준을 만족하지 못하는 현상이 발생하고 있다^[4]. 이러한 현상으로 태양광 인버터의 전력품질이 저하되어 신재생에너지 설비를 통한 계통 안전성(Safety)에 영향을 미치고 있다^[5].

따라서 태양광 인버터 제조사에 의해 설계 및 적용된 상용품의 DC 커패시터에 대한 상태 및 용량 측정을 위해 ATMEGA 32 MCU를 이용하여, 전원부, 커패시터 용량 측정부 및 통신부로 구성된 1차 열화진단 모듈을 그림 4와 같이 제작하였다^[6].

그림 4. DC 커패시터 용량 측정을 위한 1차 열화진단 모듈

Fig. 4. 1st deterioration diagnosis module for measuring DC capacitor capacity

태양광 인버터 내부에 설치된 DC 커패시터의 열화 정도에 대한 상태를 분석하기 위해 제작한 열화진단 모듈을 이용하여 그림 5와 같이 커패시터의 용량 측정실험을 진행하였다. 제작한 열화진단 모듈을 통해 측정된 값의 정확도 및 오차율을 검증하기 위해 기준 측정장비를 이용하여 각 측정값에 대한 결과를 표 2에서 확인할 수 있다.

표 2. DC 커패시터 용량측정 비교

Table 2. DC capacitor capacity measurement comparison

그림 5. 1차 열화진단 모듈을 이용한 DC 커패시터 용량 측정실험

Fig. 5. DC capacitor capacity measurement experiment using 1st deterioration diagnosis module

DC 커패시터의 용량별 기준 측정장비 대비 개발한 열화진단 모듈의 측정값은 2.9~4.6%의 오차율을 보이면서 측정의 정확도가 떨어지는 결과를 보여주고 있다. 따라서 개발한 1차 열화진단 모듈의 경우 태양광 인버터의 사용 시간 증가에 따라 DC 커패시터의 노후 및 열화에 대한 정확한 상태분석 및 진단이 불가능하다. 따라서 본 논문에서 정확도의 오차율을 줄이기 위해 Arm core를 이용한 2차 열화진단 모듈을 연구 개발하였다.

2. Arm core를 이용한 태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 용량 측정_2차 열화진단 모듈

2차 열화진단 모듈 설계는 커패시터 용량 계측, 태양광 인버터 활선 상태에서 임베디드 시스템 보호용 릴레이, 보상 모듈 제어용 릴레이, 4.3인치 HMI 화면 제어기능을 포함하여 설계 제작하였다.

1차 열화진단 모듈을 이용하여 태양광 인버터 내부의 DC 커패시터 열화정도에 대한 상태를 실험한 그림 5와 동일한 방법으로 개발한 2차 열화진단 모듈을 이용하여 그림 6과 같이 DC 커패시터 용량 측정실험을 하였다. DC 커패시터 용량 측정실험 결과 3,000uF 이하에서는 1% 이내의 오차율을 보이고 3,000~5,000uF 사이 측정은 3% 이내의 오차율을 나타내어, 1차 열화진단 모듈의 용량 측정 정확도 보다 향상되었음을 표 3을 통해 확인할 수 있다.

그림 6. 2차 열화진단 모듈을 이용한 DC 커패시터 용량 측정실험

Fig. 6. DC capacitor capacity measurement experiment using 2nd deterioration diagnosis module

표 3. DC 커패시터 용량측정 비교

Table 3. DC capacitor capacity measurement comparison

가. DC 커패시터 상태에 따른 측정부 설계

2차 열화진단 모듈에서는 3kW급 각 사(社)의 태양광 인버터 내부에 설치된 DC 커패시터 전압 400Vdc급을 고려하여 DC 커패시터 상태에 따른 측정부 기능을 반영하였다. 태양광 인버터의 상시전압을 감시하면서, 일정 전압 이하로 전압이 낮아졌을 때(새벽 발전 정지상태) 커패시터 용량 측정회로는 인버터의 커패시터와 연결되어 용량을 측정할 수 있도록 그림 7과 같이 구성하였다.

그림 7. 태양광 인버터 DC 커패시터 상태에 따른 용량 측정

Fig. 7. Capacity measurement according to PV inverter DC capacitor status

나. DC 커패시터 열화진단 알고리즘

DC 커패시터 상태에 따른 열화정도를 측정하기 위해 초기 통신 및 타이며 설정을 통하여 ADC(인버터 전압) 측정 타이머 동작과 함께 현재 태양광 인버터의 전압을 계측할 수 있는 알고리즘을 적용하였다. 이후 계측된 전압이 3V 이하이면, 커패시터에 연결된 릴레이가 동작하여 커패시터 용량을 계측하는 방식으로 되어있다. 또한 커패시터 용량 계측은 MCU에서 일정 전압으로 충전 후 충전 시간 계산으로 용량을 계산하여 기존 용량 대비 설정 알람값에 따라 알람 값을 HMI로 전송한다.

다. DC 커패시터 용량에 따른 상태진단

HMI 메인 화면에서 태양광 인버터의 전압을 상시 감시하며, 일정 이하로 감소 하였을 때 커패시터 용량측정 및 상태진단에 대한 결과를 그림 8에서 보여주고 있다.

그림 8. 태양광 인버터 DC 커패시터 상태에 따른 용량 측정 및 상태진단

Fig. 8. Capacity measurement and status diagnosis according to PV inverter DC capacitor status

그림 8(a)는 태양광 인버터 내부에 사용되고 있는 DC 커패시터의 최초 사용되고 있는 커패시터 용량값 대비 50% 이상 측정 시 정상상태에 해당하는 파란색의 설정값으로 알려준다. 반면에 DC 커패시터의 최초 사용되고 있는 커패시터 용량값 대비 50~25%에 해당하는 1단계의 노란색 알람(그림 8(b)), 25~10% 시 2단계의 주황색 알람(그림 8(c)), 10% 미만은 3단계의 적색 알람(그림 8(d))으로 사용자에게 색상별로 상태진단에 대한 결과를 알려줄 수 있다.

IV. 결론

태양광발전시스템의 중요한 기능을 하는 태양광 인버터의 경우 DC 커패시터 열화에 따른 고장 또는 화재 발생으로 이어지는 빈도가 높아지고 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광 인버터의 DC 커패시터 용량측정을 통한 열화 및 이상상태 진단에 대해 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

(1) 사고 예방 : 열화된 태양광 인버터는 고장 및 화재 등의 사고를 유발할 수 있으며, 실시간 진단 기술을 통해 열화 상태를 빠르게 파악하고 대처할 수 있으므로 사고 발생 가능성을 낮출 수 있다.

(2) 유지 보수 비용 감소 : HMI 정보 시스템을 활용하여 태양광 인버터의 운영을 최적의 상태로 운영하여 가동율이 향상 및 유지 보수 비용을 감소시킨다.

(3) 발전량 최적화 및 발전 수입증대 : 열화 상태에 따라 태양광 인버터의 성능이 저하될 수 있으나, 이를 빠르게 파악 및 대처하여 발전량 최적화를 도모하여 발전에 따른 수입을 증대할 수 있다.

(4) 에너지 효율 개선 : 열화 상태에 따라 태양광 인버터의 전력손실 및 전력 노이즈(THD)를 실시간으로 감시하여 전력 손실을 최소화하여 시스템의 에너지 효율을 개선할 수 있다.