1. 서 론
국내 태양광시스템의 설치량이 증가하면서 시스템 관리 및 운영 미비에 따른 고장과 화재가 발생하고 있으며1), 태양광발전설비 화재사고는 물적 손해뿐만 아니라 화재 전이 시 추가적인 피해를 발생시킬 수 있다2). 대부분의 화재사고는 접속함 결함, 인버터 과열, 전선 단선 등 전기적 요인에 의해 발생한 것으로 조사되었다3). 가장 많이 화재가 발생한 접속함 발화의 주요 원인으로 역류방지 다이오드의 방열 문제 와 접속함의 방수 방진 등급 미달에 따른 내부 전기회로 결로현상 등으로 추정되고 있다. IEC TS 62257-7-1:2010의 기준에 따르면 계통연계형 태양광시스템에서 역류방지 다이오드는 고장원인 및 전력 손실원이 될 수 있으므로 사용을 지양하도록 되어 있다4). 유럽 및 미국 등 선진국에서는 역류 방지 다이오드를 시스템에 적용하지 않고 있으며, 이와 같은 이유로 최근 태양광 접속함 KS C 8567 기준이 개정되었다. 변경 된 KS 기준의 주요 변경사항 중 하나로서 계통연계형 태양광 시스템의 접속함 내 역류방지 다이오드 설치 의무 사항이 제외되었다5). 역류방지 다이오드 설치가 의무 사항이 아니게 되면 이로 인한 열 발생 및 손실은 획기적으로 줄어들지만, 미설치 조건에서 어레이 내 DC 스트링에 역방향 전류가 흐를 가능성이 있다.
본 논문에서는 태양광 접속함 KS C 8567의 기준안 변경 전 · 후에 대한 전기적 특성을 비교분석하였다. Fig. 1은 기준이 변경되기 전 · 후의 어레이 구성도를 나타낸다. 변경 전 Fig. 1(a)는 반드시 역류 방지 다이오드가 적용되었으나, 변경 후 Fig. 1(b)는 선택적으로 적용하도록 권고하고 있다5). 태양광시스템은 태양전지 모듈을 발전 용량에 맞게 직 · 병렬로 연결한 어레이, 발생된 전력을 한 곳으로 모으는 접속함, 통합된 직류 전력을 교류전력으로 변환하는 인버터 및 전력계통에 연계하는 수 · 배전설비로 이뤄진다. 시스템 중 여러 스트링들이 병렬로 구성된 어레이에 음영 상태, 태양전지 모듈의 정션박스 내부에 설치된 바이패스 다이오드 고장이 발생할 경우 어레이 내부에서 스트링 간의 전위차가 발생하여 병렬 미스매치 현상이 발생될 수 있다6,7,8,9). 본래 바이패스 다이오드는 태양전지의 핫스팟으로 인한 화재 예방 및 음영에 따른 출력 손실을 줄이기 위해 사용된다10,11). 하지만 정션박스 내부의 열 배출이 원활하지 않은 상태로 인해 고온에서 반복 동작할 경우 누설전류가 커지는 등 내구 수명에 악영향을 끼쳐 단락 고장이 발생한다는 선행 연구가 보고되어있다12). 이와 같이 바이패스 다이오드 고장이 발생하면 DC 스트링 간 미스매치에 의한 발전 손실이 크게 발생할 것으로 예상되며13,14,15), 이로 인해 발생되는 과전류는 시스템 회로의 퓨즈를 소손시키는 원인이 될 수 있다. 또한 이전 연구 결과에 따르면, 음영과 정션박스 내부 바이패스 다이오드 고장은 전기회로 상태는 유사하지만 결과적으로 큰 차이가 있다고 보고되었다. 전력변환장치가 동작할 때와 동작하지 않는 경우에 따라 바이패스 다이오드에서 큰 열이 발생되어 모듈의 구성소재인 정션박스의 소재를 녹일 수 있을 만큼의 열이 발생된다는 것이다16). 이와 같은 모듈의 바이패스 다이오드 단락 고장이 발생하면 발전 손실이 커질 것이며, 병렬로 연결된 스트링 간의 전위차로 인해 어레이 내부에 미스매치 전류가 흐를 것이다.
이에 본 논문에서는 태양광 접속함 KS 기준 변경사항 중 역류방지 다이오드 설치 유무에 따라 어레이 내 미스매치를 발생시키는 두가지 경우의 전기적 특성을 분석하였다. 실험 결과 역류방지 다이오드가 있는 회로 구성에서는 미스매치에 의해 발생되는 역전류가 검출되지 않았다. 하지만 역류방지 다이오드가 없는 회로 구성에서 바이패스 다이오드 단락 고장을 모의한 상황에서는 역전류가 검출되었으며, 단락 상태의 모듈 개수가 증가할수록 전류값이 커지는 것을 확인하였다.
2. 실험 및 고찰
본 논문에서는 태양광 모듈이 직병렬로 연결된 어레이에서 전압 미스매치가 발생되었을 때, KS C 8567 기준 변경 전 · 후의 회로에서 어떤 특성이 발생되는지 실험을 통해서 비교분석하였다. 태양광 시스템의 발전 도중 바이패스 다이오드 고장 또는 음영으로 인해 전압 미스매치가 발생할 가능성이 있는데, 만약 역류방지 다이오드가 없을 경우에는 정상적으로 발전하는 어레이 내 스트링들이 병렬로 연결되어 있기 때문에 상호간의 전압 차이에 의해 전위가 낮은 스트링 방향으로 전류가 흐르게 된다. 본 논문은 이러한 현상을 모의하기 위해 인버터가 동작하지 않는 상황에서 15직렬 × 4병렬로 구성된 태양광 어레이에 음영상태, 바이패스 다이오드 고장상태의 I-V 출력 특성 및 미스매치에 따른 전류 값을 측정하고 전기회로를 분석하였다. 실험에 사용된 태양전지모듈의 특성 및 어레이 구성은 Table 1과 같다.
Table 1 PV 6array specification
| Item | Specification | |
| PV module | Open voltage | 45.0 V |
| Short current | 9.1 A | |
| Maximum operating voltage | 37.5 V | |
| Maximum operating current | 8.6 A | |
| Array configuration | 15 series × 4 parallel | |
2.1 전압 미스매치 상태의 I-V 특성곡선 실험
본 절에서는 전압 미스매치가 생기는 음영과 바이패스 다이오드 단락 고장 상태에서 어레이 내 스트링의 I-V 특성곡선의 차이를 알아보기 위해 어레이 I-V 측정 장치를 사용하였다. 옥외에서 태양광 어레이의 출력을 측정 할 경우 온도와 일사량 같은 외부 조건이 유동적으로 변하기 때문에 여러 개의 어레이들을 동시에 측정할 수 있는 장비가 필요하다. 실험에 사용된 장비는 Dewetron社에서 개발된 다채널 태양광 어레이 I-V 테스터이며 주요 Spec은 Table 2와 같다. Fig. 2는 4병렬 어레이를 갖는 태양광시스템을 나타낸다. 실험은 동일한 스트링에서 음영을 가진 모듈 1개 있을 경우와 단락 모듈이 1개 있을 경우에 I-V 특성곡선 차이를 비교분석하기 위해 실시하였다. 태양전지모듈의 단락은 모듈 내부 정션박스의 바이패스 다이오드에 단락 고장을 의미한다.
Table 2 Multi PV array I-V tester specification
| Item | Specification | Remarks | |
| PV input channel | Channel | 24 Channel | |
| Range | Voltage : ± 1200 Vpeak | ||
| Current : ± 50 Apeak | Max : 100 A | ||
| Resolution | 16 bit | ||
Fig. 3은 1개 모듈이 단락상태와 1개 모듈이 음영을 갖는 스트링의 I-V 특성곡선을 측정한 결과이다. I-V 특성곡선 측정 시 Fig. 3(a)의 일사량은 931 W/m2 , Fig. 3(b)의 일사량은 885 W/m2 이었다. I-V 특성곡선을 비교해 보면, 음영상태 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 정상 스트링과 차이가 없었으나, 단락 모듈 1개를 갖는 스트링의 개방전압은 모듈 1개의 개방전압만큼 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
2.2 각 상태의 역전류 측정 시험
본 절에서는 KS 8567의 기준 변경 전 · 후의 계통연계형 시스템에서 전압 미스매치 상황이 발생될 경우에 전기적 특성 분석을 위해 실험을 실시하였다. Fig. 4는 실험을 위해 제작된 역류 방지 다이오드가 있는 4병렬 어레이와 역류 방지 다이오드가 없는 4병렬 어레이 접속함이며, 시험회로는 Fig. 5의 구성과 같이 제작하였다. 시험방법은 역류 방지 다이오드의 유무에 따라 어레이의 한 스트링에 전압 미스매치가 발생되는 상황을 모의하여 이때 흐르는 스트링의 역전류를 측정하였다. 바이패스 다이오드 단락 고장 상태를 모의하기 위해 Fig. 6(a)와 같이 케이블을 연결하여 해당 모듈을 단락 상태로 만들었으며, 모듈의 음영상태를 모의하기 위해 Fig. 6(b)와 같이 전면에 검은색 보드를 이용하였다. 실험은 동일한 스트링에 같은 조건에서 모듈을 최대 3장까지 추가하여 역전류를 측정하였다. 그 이상 실시하지 않은 이유는 스트링에 흐르는 최대허용전류를 초과하기 때문이다.
KS 8567 기준 변경 이전과 같이 역류 방지 다이오드가 설치되어있는 구성에서 실험한 결과 전압 미스매치가 발생될 경우 역전류가 전혀 흐르지 않았다. 그러나 단락모듈을 갖는 스트링의 경우, 테스터기를 이용한 측정전압은 모듈의 개수만큼 개방전압이 감소하는 것을 확인하였다. 역류 방지 다이오드가 설치되지 않은 구성의 실험에서는 역전류 측정결과가 Fig. 7 및 Table 3과 같이 측정되었다. 음영상태의 모듈이 있는 스트링의 경우에 전압 미스매치는 발생되지만, 음영상태의 모듈 개수를 증가시켜도 역전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 모듈 단락상태를 갖는 스트링에서는 역전류가 흐르는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 단락회로 모듈의 개수를 증가시킬수록 전류 값이 증가하는 것을 보였다. 실험당시 일사량은 500 ~ 700 W/m2으로 유동적인 상황이었다.
Table 3 Results for mismatching current testing
| Condition | Number of PV module in string | Remarks | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Shading | 0 A | 0 A | 0 A | 500 ~ 700 W/m2 |
| Short circuit | 3.8 A | 6.4 A | 12.0 A | |
3. 실험에 따른 고찰
일반적으로 여러 스트링들이 병렬로 구성된 어레이에서 음영상태와 바이패스 다이오드의 고장은 정상적인 스트링들과의 전압 미스매치를 발생시킨다. 2.1절에서는 음영상태와 단락회로 상태에서 어레이의 I-V 특성곡선을 측정하였다. 어레이 테스터기를 이용하여 측정한 I-V 특성곡선으로부터 전기적 특성이 다를 것으로 예측되었고, 2.2절의 실험결과에서 확인한 바와 같이 측정된 역전류 값이 달랐다. 우선 역류 방지 다이오드가 적용된 어레이 구성에서는 전압 미스매치가 발생하더라도 역전류가 흐르지 않았으며, 이는 역류 방지 다이오드가 역방향으로 흐르는 전류를 막고 있기 때문이다. KS C 8567 기준 변경 이후 역류 방지 다이오드가 제외된 어레이 구성에서의 실험 결과는 상이하게 측정되었다. 음영 상태에서는 전압 미스매치에 의한 역전류가 흐르지 않았으나, 단락 상태의 모듈을 갖는 스트링에서는 역전류가 흘렀으며 단락회로 모듈이 증가할수록 전류 값이 커지는 것을 실험을 통해 확인하였다.
본 절에서는 역전류의 차이가 발생한 특성을 분석하고자 한다. 일반적으로 태양전지모듈의 특성분석은 I-V 특성곡선을 이용한다. 따라서 명확한 분석을 위해 정상 태양전지모듈, 1/3의 음영을 주어 1개의 바이패스 다이오드가 동작하는 모듈, 바이패스 다이오드 1개가 단락고장 난 모듈 시료를 준비하여 I-V특성곡선을 분석하였다. Fig. 8은 PV 시뮬레이터를 이용하여 측정한 I-V 특성곡선이다. 정상모듈 대비 1/3 음영모듈의 개방전압은 약간 감소하였으나, 1개의 바이패스 다이오드 단락고장인 경우에는 모듈 개방전압의 약 1/3이 감소된 것을 확인할 수 있었다17). 태양전지모듈은 일사량이 존재하는 상태에서 다이오드 특성을 갖는다. 즉, Fig. 8과 같이 다이오드는 역방향으로 전류가 흐르기 위해선 역방향전압 이상의 전압이 인가되어야만 된다. 앞서 실험한 결과를 토대로 분석한 결과, 어레이 내 모듈의 음영상태에서는 개방전압이 크게 감소되지 않기 때문에 Fig. 9와 같이 개방전압에 대한 차이가 미미하였다. 하지만 바이패스 다이오드 단락 고장에 의해 단락회로를 갖는 모듈은 개방전압의 감소가 커서, 역방향으로 전류가 흐르기 위한 조건을 만족하여 역전류가 흐른 것이다. 그러므로 음영 상황에서는 병렬 미스매치가 발생하지 않기 때문에 역전류가 흐르지 않는 것으로 판단되며, 바이패스 다이오드 단락 고장이 발생한 경우에는 한 모듈의 개방전압 만큼 저하되므로 어레이 내 병렬 미스매치가 발생되어 역전류가 흐를 수 있게 된다. 일반적으로 100 kW급 접속함은 20회로 이상의 DC 스트링이 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 만약 100 kW급 태양광발전 시스템에서 바이패스 다이오드 고장에 의해 전압 미스매치가 발생하는 경우에는 본 실험에서 측정된 역전류보다 더욱 큰 전류 값이 검출될 것이다.
4. 결 론
본 논문에서는 KS C 8567 기준이 변경됨에 따른 DC 스트링의 전압 미스매치 상황에서 발생될 수 있는 전기적 특성을 분석하였다. 개정된 기준에 의해 역류방지 다이오드가 선택적 설치 사항으로 바뀌면서 스트링에 전압 미스매치가 발생하면 미스매칭 전류가 흐를 수 있게 된다. 스트링 간 전압 미스매치 상황을 음영에 의한 바이패스 다이오드 동작과 바이패스 다이오드 고장에 의한 모듈 단락 상황을 인버터가 동작하지 않는 상태에서 모의하여 실험하였다. 음영에 의한 바이패스 다이오드 동작 시에는 역전류가 흐르지 않았지만, 다이오드 고장에 의한 단락 상태에서는 전류가 흘렀다. 모듈 I-V 특성곡선 분석결과, 바이패스 다이오드 고장은 모듈을 단락회로를 만들어 개방전압을 감소시키고 역전류가 흐를 수 있는 조건을 만든다. 이에 따라 바이패스 다이오드가 단락고장 난 모듈 수가 증가할수록 미스매칭 전류 값이 커짐을 알 수 있었으며, 큰 미스매칭 전류가 흐르는 경우에는 접속함 내부의 퓨즈 소손을 일으켜 시스템 출력 손실을 일으킬 수 있다. 태양광 접속함 기준 개정 이후에 역류 방지 다이오드를 채택하지 않는 태양광접속함의 경우, 바이패스 다이오드 고장과 퓨즈 소손에 대한 모니터링 설비 등을 추가하여 해당 고장을 즉시 점검할 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.
