주파수 스펙트럼 변화량 기반 DC 직렬 아크 검출에 관한 연구 = A study of DC series arc detection based on frequency spectrum variations

국문 초록 (Abstract)

최근 PV 시스템과 같은 DC 전력망의 확산과 함께, 시스템의 화재 안전 을 위협하는 DC series arc fault(DSAF) 고장에 대한 보호 기술의 중요성이 대두 되고 있다. DSAF는 전류의 영점 교차점이 없어 화재 사고에 취약하다. 또한, PV 시스템의 인버터 스위칭 노이즈는 아크 검출의 신뢰성을 저하시키는 주요 요인 으로 작용한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 주파수 스펙트럼 변 화량 분석에 기반한 새로운 DC 직렬 아크 검출 알고리즘을 제안한다. 제안된 시 스템은 하드웨어적으로 능동 대역 통과 필터를 설계하여 14 kHz 대역을 중심으 로 아크 고유의 고주파 신호를 증폭하고, 주파수 분석 대역 이외의 주파수를 억 제한다. FFT 분석을 수행하고, 정상 상태와 아크 발생시의 스펙트럼 변동성을 정량화 하는 표준편차 기반의 아크 판별 지표를 도입하였다. 제안된 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 3 kW 급 태양광 발전 시스템을 구성하고, 서로 다른 스위 칭 주파수 특성을 가진 두 종류의 인버터 환경에서 실험을 수행하였다. 실험 결 과, 제안된 기법은 인버터의 노이즈 특성이 변화하는 환경에서도 오동작 없이 아 크를 정확히 판별하였으며, 아크 발생 후 평균 15 ms 이내에 고장을 차단하여 UL 1699B 등 국제 표준의 요구 조건을 충족하였다. 본 논문에서 제안한 방식은 연산 복잡도가 낮아 저비용 마이크로프로세서에 실시간 구현이 가능하다. 또한 다양한 노이즈 환경에서도 강건한 검출 성능을 보임으로써 태양광 시스템을 비 롯한 DC 전력망의 화재 안정성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the recent proliferation of DC power grids, such as PV systems, the importance of protection against DC series arc fault (DSAF) faults, which threaten the fire safety of the system, has become critical. DSAF are vulnerable to fire accidents due to the lack of zero crossing of currents. In addition, inverter switching noise in PV systems is a major factor that reduces the reliability of arc detection. To address these issues, a novel DC series arc detection algorithm based on frequency spectrum variation analysis is proposed in this paper. The proposed system hardware designs an active band-pass filter to amplify the arc-specific high-frequency signal centered on the 14 kHz band and suppress frequencies outside the frequency analysis band. An FFT analysis is performed and a standard deviation-based arc discrimination metric is introduced to quantify the spectral variability during steady state and arcing. To verify the performance of the proposed algorithm, a 3 kW photovoltaic system was constructed and experiments were conducted under two types of inverters with different switching frequency characteristics. The experimental results show that the proposed method can accurately identify arcing without errors even in environments where the noise characteristics of the inverter change, and can interrupt the fault within 15 ms on average after the arc occurs, meeting the requirements of international standards such as UL 1699B. The proposed method in this paper has low computational complexity and can be implemented in real-time on low-cost microprocessors. It is also expected to contribute to improving the fire safety of DC power grids, including photovoltaic systems, by showing robust detection performance under various noise environments.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 국내외 연구 동향 2
• 다. 논문의 구성 4
• 2. 이론적 배경 6
• 가. 태양광 발전 설비의 차단 규정 6
• 나. 아크의 정의 및 특징 7
• 3. 스펙트럼 에너지 변화 기반 아크 검출 기법 10
• 가. FFT 주파수 분석 10
• 나. 아크 주파수 추출 18
• 다. 통계적 임계값 설정 22
• 4. 실험 및 결과 26
• 가. 실험 장치구성 및 방법 26
• 나. 실험 결과 27
• 5. 결론 및 향후계획 33
• 가. 결론 33
• 나. 향후계획 33
• 참고문헌 35
• Abstract(영문초록) 40