병렬 아크 검출·소호 및 MPP 특성 추출 기능을 갖춘 스마트 PV 접속함에 관한 연구 = A Smart PV Combiner Box With Parallel Arc Fault Detection/Extinguishing and MPP Characteristic Extraction

국문 초록 (Abstract)

태양광(PV; Photovoltaic) 시스템은 전력 생산의 효율성과 친환경성 측면에서 큰 장점을 지니고 있어 전 세계적으로 급속히 확산되고 있다. 특히 시스템의 구조적 특성상 여러 개의 스트링이 병렬로 연결되는 태양광 접속함(Combiner Box)은 다 양한 전기적 고장이 발생할 수 있는 취약 지점이자 핵심 구성 요소이다. 이 중 병렬 아크 고장은 고온의 플라즈마를 수반하여 화재로 이어질 수 있는 심각한 안전 위협 요소로 간주되며, 조기 탐지와 신속한 차단이 중요하다. 그러나 병렬 아크는 전류의 변화가 불규칙하고 비주기적이며 정상 전류에 중첩되어 나타나기 때문에, 기존의 직렬 아크 중심 AFCI(Arc Fault Circuit Interrupter) 보호 방식으로는 효과적인 감지와 차단이 어렵다. 이에 본 논문에서는 단일 차동 전류 센서를 기반으로 한 병렬 아크 실시간 감 지 및 능동 차단 회로를 제안한다. 본 시스템은 각 PV 스트링의 양극(+) 및 음 극(−) 도체 간 전류 차이를 분석하여 주파수 영역 분석 없이도 고장을 신속하게 감지할 수 있도록 설계되었으며, 고주파 특성에 의존하지 않아 비정형적인 병렬 아크 신호에도 강인한 탐지 성능을 제공한다. 또한 센서 수를 최소화한 단순한 하드웨어 아키텍처를 채택하여 설치 비용을 절감하고 시스템의 신뢰성과 실시간 대응성을 향상시킨다. 병렬 아크 고장이 감지되면 IGBT 및 SCR로 구성된 스위칭 네트워크를 통해 해당 스트링만 선택적으로 소호함으로써, 비정상 스트링의 안전한 차단과 나머지 정상 스트링의 연속 발전이 가능하도록 구현된다. 이는 전체 발전 효율 저하를 방지하면서 빠른 대응과 유지관리 효율성까지 확보할 수 있다. 아울러 본 연구에 서는 비발전 시간대(예: 일출 전, 일몰 후)에도 스트링 상태를 진단할 수 있도록, PV 스트링의 커패시터 충전 특성을 활용한 최대 전력점(MPP; Maximum Power Point) 추정 기법을 추가로 제안한다. 이를 통해 발전이 이루어지지 않는 시간에 도 출력 특성 및 성능 저하 여부를 정량적으로 분석하고, 장기적으로는 모듈 노 화 및 이상 징후를 사전 감지할 수 있다. 실험을 통해 제안된 시스템은 병렬 아크 고장을 1ms 이내로 정확하게 감지하 고, 최대 25ms 이내에 안정적으로 차단할 수 있음을 입증하였다. 또한, 제안된 MPP 추정 기법은 비정상 스트링을 통계적으로 식별하여, 고장 가능성이 높은 스 트링을 유지보수 대상으로 지정하는 기능까지 제공한다. 본 연구는 병렬 아크 보 호와 스트링 성능 진단을 통합적으로 수행할 수 있는 스마트 태양광 접속함 구 조의 실현 가능성과 확장성을 뒷받침하며, 향후 고신뢰성·고안전성 태양광 시스 템 구현에 핵심 기술로 기여할 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 및 동향 1
• 나. 국내외 연구동향 4
• 다. 논문의 구성 7
• 2. 태양광 병렬아크 검출에 대한 고찰 8
• 가. 병렬 아크에 대한 신속한 검출 및 차단 필요성 8
• 나. 병렬 아크 결함에 대한 기존 감지 및 보호 방법의 한계 10
• 3. 제안하는 태양광 접속함 13
• 가. 차동전류센서 기반의 병렬 아크 검출 및 차단 전략 13
• 나. R-C회로 기반의 스트링 단위 MPP 추정 기능 21
• 다. 스트링 성능저하 판별을 위한 MPP 분석 22
• 4. 실험 및 결과 25
• 가. 실험 장치구성 및 방법 25
• 나. 실험결과 27
• 5. 결론 35
• 참고문헌 36
• Abstract(영문초록) 41