전력 서지로부터 EV 및 태양광 시스템 보호

전기 자동차 충전 시스템과 태양광 PV 설비는 기존의 전기 부하와 다른 서지 위험 프로파일에 직면해 있습니다. 양방향 전력 흐름, 빈번한 DC-AC 변환 및 고밀도 전력 전자 장치로 인해 이러한 시스템은 외부 그리드 교란과 내부적으로 생성된 과도 현상 모두에 민감하게 만듭니다. 효과적인 보호는 단일 방어 지점에 의존하지 않고 DC 및 AC 구역에서 서지 보호 장치를 조정하고 계층적으로 사용하는 데 달려 있습니다.

EV 및 태양광 시스템이 더 높은 서지 위험에 직면하는 이유

태양광 PV 시스템은 대부분의 전기 설비가 아닌 방식으로 DC 측에서 노출됩니다. 긴 PV 스트링 케이블은 빠르게 상승하는 과전압을 위한 안테나 역할을 하는 반면, 높은 DC 작동 전압은 과도 응력이 나타날 때 오류 마진을 줄입니다. 직접적인 번개 관련이 없어도 유도 및 스위칭 관련 서지는 손상 수준에 도달할 수 있습니다.

인버터는 이러한 위험의 중심에 있습니다. 고주파 전력 반도체를 사용하여 DC 입력과 AC 출력을 지속적으로 전환합니다. 이러한 장치는 효율적이지만 용서할 수 없습니다. 반복 전압 스파이크는 절연 마모를 가속화하고 반도체 접합부를 저하시키며 치명적인 고장이 발생하기 훨씬 전에 수명을 단축시킵니다.

EV 충전기는 또 다른 취약점 계층을 추가합니다. 그리드의 관점에서 볼 때 EV 충전기는 수동 부하가 아닙니다. 정류기, DC 링크 커패시터, 제어 로직 및 통신 인터페이스가 있는 제어된 전력 변환 시스템입니다. 그리드 전환 이벤트, 유틸리티 결함 또는 근처의 대형 부하 작업은 이러한 민감한 단계로 직접 전파되는 방해를 주입할 수 있습니다.

결정적으로, 많은 피해를 주는 사건은 극적이지 않습니다. 일상적인 스위칭, 커패시터 뱅크 참여 또는 인버터 정류는 시간이 지남에 따라 스트레스를 축적하는 서지를 생성할 수 있습니다. 이 알림은 보호 전략이 드문 극단적인 상황뿐만 아니라 빈번하고 온건한 과도 현상을 해결해야 하기 때문에 중요합니다.

태양광 시스템을 위한 서지 보호 전략

태양열 설치의 서지 보호는 개별 구성 요소가 아닌 시스템 구역에서 접근해야 합니다. 각 구역에는 다른 노출 프로파일이 있으며 특정 보호 역할이 필요합니다.

PV 스트링과 인버터 간의 DC 측 보호

PV 시스템의 DC 측은 일광 동안 지속적으로 활성화되며 종종 수백 또는 수천 볼트에서 작동합니다. PV 어레이와 인버터 사이에 설치된 적절하게 선택된 DC SPD는 과도 에너지가 인버터 입력에서 벗어나도록 제어된 경로를 제공합니다.

고려해야 할 핵심 사항 :

• DC 회로는 지속 전압을 경험하므로 SPD는 DC 동작을 위해 특별히 설계되어야 합니다.
  
• 케이블 길이와 라우팅은 유도 과도기에 노출을 증가시킵니다.
  
• 인버터에 가까운 보호는 민감한 전자 장치에 도달하는 잔류 전압을 제한합니다.
  

A 서지 보호 장치 태양 전지판 회로의 경우 서지를 중지하는 것이 아니라 인버터가 반복적으로 견딜 수 있는 수준으로 전압을 제한하는 것입니다.

인버터 출력 시 AC측 보호

전력이 AC로 변환되면 인버터 출력이 그리드에서 발생하는 교란에 노출됩니다. 업스트림, 유틸리티 결함 또는 인근 산업 부하를 전환하면 인버터 쪽으로 다시 이동하는 서지가 발생할 수 있습니다.

인버터 출력 또는 주 분배 인터페이스에 설치된 AC SPD는 이러한 과전압을 인버터의 출력단과 내부 DC 링크에 스트레스를 주기 전에 클램핑하는 역할을 합니다. 이는 작동 조건에 따라 전력이 양방향으로 흐르는 그리드 연결 시스템에서 특히 중요합니다.

DC와 AC SPD 간의 조정이 중요한 이유

DC 측 및 AC 측 장치는 독립적으로 작동하지 않습니다. 불량한 조정은 고르지 못한 에너지 공유, 한 장치의 과도한 응력 또는 인버터에 도달하는 잔류 전압 상승을 유발할 수 있습니다.

좋은 조정은 다음을 보장합니다.

• DC 측 SPD는 어레이에서 시작된 과도기를 관리합니다.
  
• AC 측 SPD는 그리드에서 시작된 교란을 처리합니다.
  
• 서지가 시스템을 통해 전파됨에 따라 잔류 전압이 점진적으로 감소합니다.
  

태양광 설비에서 서지 보호 장치 유형 2의 역할

대부분의 고정 PV 설치에서 서지 보호 장치 유형 2는 DC 및 AC 위치 모두에 적합합니다. 이러한 장치는 서비스 진입 시나리오를 위해 예약된 극한 방전 용량 없이 스위칭 및 간접 낙뢰 효과와 관련된 반복적인 과도 에너지를 처리하도록 설계되었습니다.

Type 3가 전자 제품에만 다운스트림으로 사용되는 이유

Type 3 장치는 저에너지 잔류 서지를 위한 것으로서만, 유일한 보호 조치로 설치해서는 안됩니다. 태양광 시스템에서는 모니터링 전자 장치 또는 통신 인터페이스를 보호하기 위해 다운스트림으로 사용될 수 있지만, 업스트림 보호가 이미 서지 에너지를 제한하는 경우에만 가능합니다.

전기차 충전 시스템을 위한 서지 보호 전략

EV 충전 시스템은 전력 흐름 관점에서 그리드 연결에서 시작하여 차량 인터페이스에서 끝나는 관점에서 분석해야 합니다.

그리드-배전반-EV 충전기-전환판

서지는 일반적으로 AC 공급 장치를 통해 들어갑니다. EV 충전기에 공급되는 분배 패널의 AC SPD는 들어오는 과도 현상의 진폭을 줄입니다. 이것은 첫 번째 방어 계층이며 충전기가 긴 피더 런 또는 실외 장비에 연결되는 경우 특히 중요합니다.

내부 전력 전자 감도

충전기 내부에서 AC는 DC로 정류되고 DC 링크 단계를 통해 처리되며 고속 스위칭 장치에 의해 규제됩니다. 이러한 단계는 과전압, 특히 시간이 지남에 따라 커패시터와 반도체를 저하시키는 반복적인 스파이크에 민감합니다.

업스트림 전압 제한이 없으면 내부 구성 요소는 처리하도록 설계되지 않은 응력을 강제로 흡수합니다.

통신 및 제어 회로 노출

최신 EV 충전기는 부하 관리, 청구 및 차량 조정을 위한 통신 인터페이스를 포함합니다. 이러한 저전압 회로는 전력 단계를 통과하는 잔류 서지에 매우 취약합니다.

Type 3 장치는 이러한 잔류 전압을 제한하기 위해 내부 또는 제어 회로 인터페이스에서 사용할 수 있지만 올바르게 작동하려면 전적으로 상류 보호에 의존합니다.

유형 2가 필수인 경우

대부분의 EV 충전 설비, 특히 상업 및 차량 환경에서, 서지 보호 장치 유형 2 공급 패널의 장치는 선택 사항이 아닙니다. 빈번한 스위칭, 높은 활용도 및 중요한 가동 시간의 조합으로 인해 예측 가능한 서지 제한이 필요합니다.

주거, 상업 및 차량의 차이

주거용 충전기는 종종 다른 가정용 부하와 패널을 공유하여 내부 스위칭 과도 현상에 대한 노출을 증가시킵니다. 상업용 설치는 더 높은 고장 전류와 그리드 상호 작용에 직면합니다. Fleet Charging은 여러 충전기에서 동시 부하 전환을 도입하여 내부적으로 생성된 교란을 증가시킵니다. 각 컨텍스트는 지역 전자 제품에만 의존하기보다는 조정된 패널 수준 보호의 필요성을 강화합니다.

하이브리드 시스템에서 AC 및 DC SPD 조정

PV 생성, 에너지 저장 및 EV 충전을 결합한 하이브리드 시스템은 독특한 조정 문제를 제시합니다.

AC SPD와 DC SPD는 상호 교환할 수 없습니다. DC 회로는 전압을 지속적으로 유지하고 AC 회로는 제로 교차를 통과합니다. 한 환경을 위해 설계된 장치는 다른 환경에서 미리 고장나거나 예측할 수 없는 동작을 할 수 있습니다.

서지 에너지도 다르게 전파됩니다. DC 회로에서 에너지는 더 오래 지속되어 구성 요소에 대한 열 스트레스를 증가시킬 수 있습니다. AC 시스템에서 에너지는 위상에 걸쳐 분포되고 파형 제로 교차로에 의해 주기적으로 중단됩니다.

부적절한 조정은 종종 하나의 장치가 의도한 것보다 더 많은 에너지를 흡수하도록 합니다. 이로 인해 시스템 보호에 대한 조기 저하 및 잘못된 신뢰가 발생합니다. 프로그레시브 전압 제한은 단일 장치가 모든 작업을 수행하도록 강요하는 대신 각 SPD 단계가 서지 진폭을 단계적으로 줄여서 이 문제를 해결합니다.

하이브리드 시스템에서는 다음을 의미합니다.

• DC SPD는 어레이 및 배터리 측 방해를 관리합니다.
  
• AC SPD는 그리드 및 부하 측 방해를 관리합니다.
  
• 다운스트림 장치는 저에너지 잔차만 처리합니다.
  

접지, 본딩 및 서지 성능(비코드, 실용)

접지 품질은 서지 보호 장치의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. SPD는 서지 에너지를 제거하지 않습니다. 그것은 그것을 전환합니다. 전환 경로가 높은 임피던스를 갖는 경우 시스템의 다른 곳에서 전압이 상승합니다.

장비 인클로저, 장착 구조물 및 접지 도체 간의 결합이 좋지 않으면 서지 이벤트 동안 고르지 않은 전위가 발생합니다. 이 불균등한 전위는 SPD가 존재하는 경우에도 절연 및 전자 인터페이스를 응력합니다.

실용적인 용어로:

• 짧고 직선 접지 연결은 응답 시간을 향상시킵니다.
  
• 일관된 본딩은 시스템 구성 요소 간의 차동 전압을 줄입니다.
  
• SPD는 잘못 설계된 접지 경로를 보상할 수 없습니다.
  

나중에 생각하지 않고 시스템 설계의 일부로 접지에 초점을 맞추면 모든 보호 레이어의 효율성이 향상됩니다.

비교 표

EV 및 태양열 서지 보호의 일반적인 설계 실수

한 가지 흔한 실수는 전체 시스템을 보호하기 위해 단일 SPD에 의존하는 것입니다. 이 접근 방식은 서지 에너지가 다양한 도체와 전압에 걸쳐 어떻게 분배되는지를 무시합니다.

또 다른 문제는 PV 시스템에서 DC 측 보호를 무시하는 것입니다. AC 출력만 보호하면 인버터가 그리드 인터페이스에 도달하지 않는 어레이에서 시작된 과도 현상에 노출됩니다.

EV 충전기를 단순 부하로 취급하는 것도 문제입니다. 충전기는 전력 흐름을 능동적으로 형성하고 업스트림 전압 제한이 필요한 내부 스위칭 방해를 생성합니다.

마지막으로 업스트림 보호 없이 Type 3 장치를 설치하면 잘못된 보안 감각이 생깁니다. 이러한 장치는 1차 서지 에너지를 처리하도록 설계되지 않았으며 잘못 적용되면 빠르게 저하됩니다.

장기적인 신뢰성 및 유지 보수 고려 사항

SPD는 점차적으로 저하됩니다. 각 서지 이벤트는 에너지를 전환하는 능력을 약간 줄입니다. 이 성능 저하는 정상적이고 예측 가능하지만 시스템 계획 중에 인정되는 경우에만 가능합니다.

EV 및 태양열 설치는 수십 년 동안 작동할 것으로 예상됩니다. 보호 전략에는 검사 간격, 상태 모니터링 및 실패를 기다리는 것이 아니라 노출 수준을 기반으로 계획된 교체가 포함되어야 합니다.

예측 가능한 보호 기능은 예측 가능한 가동 시간을 지원합니다. 이는 다른 많은 전기 응용 분야보다 EV 충전 및 태양열 발전에서 더 중요합니다. 다운타임은 에너지 가용성과 운영 계획에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.

결론

EV 충전 시스템 및 태양광 PV 설치는 시스템 토폴로지와 작동 동작을 반영하는 조정된 서지 보호 전략을 요구합니다. 서지 보호 장치의 효과적인 사용은 정확한 배치, AC 및 DC 환경 간의 조정, 시간 경과에 따른 성능에 대한 현실적인 기대에 달려 있습니다.

이러한 시스템의 보호는 절대적인 예방에 관한 것이 아닙니다. 위험을 제어하고 민감한 전자 장치에 대한 스트레스를 제한하며 사려 깊은 시스템 설계를 통해 장기적인 신뢰성을 지원하는 것입니다.

자주 묻는 질문