DC 전원 케이블 크기 조정 방법
이 문서에서 케이블 사이즈 계산은 IEC 표준과 유사한 표준 AS/NZS 3008.1 에 따라 수행됩니다. 이 표준은 일반적인 호주 조건 및 설치 방식에 따른 케이블의 전기적 특성을 정의합니다. 이 표준은 최대 0.6/1.0kV의 교류(AC) 시스템에 적용됩니다. 제목에 "교류 전압"이 포함되어 있지만 이 표준은 직류(DC) 설치에도 적용될 수 있습니다. AS/NZS 3008.1은 전류 전달 용량, 전압 강하 및 단락 온도 제한을 포함한 회로 요구 사항을 충족하는 동시에 전체 태양광(PV) 시스템의 비용을 최소화합니다.
DC 케이블 크기는 PV 시스템의 성능, 총 비용 및 안전에 상당한 영향을 미칩니다. 또한 관련 표준을 준수해야 합니다. 이 문서에서는 DC 케이블의 정격 전류 및 전압 상승 계산을 고려합니다.
DC 케이블과 AC 케이블의 차이점
DC 케이블은 태양광 발전소에서 널리 사용됩니다. 실제로 DC 케이블의 구조는 AC 케이블의 구조와 완전히 다릅니다. 구리는 높은 유연성, 전류 전달 능력 및 열 성능으로 인해 DC 케이블에 사용되는 주요 소재입니다. 또한 DC 케이블에는 피복 효과가 없기 때문에 DC 케이블의 단위 길이당 구리는 AC 케이블과 다르며, 따라서 DC 케이블과 AC 케이블의 전력 배출 능력이 다르므로 DC 전력 배출에 AC 케이블을 사용해서는 안 됩니다. 실제로 DC 케이블은 AC 케이블과 다른 방식으로 전력을 배출합니다. 이 작업은 AS/NZS 3008.1에 따른 PV 시스템 애플리케이션용 DC 케이블의 크기 조정에 중점을 둡니다. 또한 DC 케이블의 두 세그먼트는 어레이 정션 박스(AJB)에 대한 PV 스트링과 인버터에 대한 AJB라고 가정합니다.
명명법
| 아이커블(PV 문자열에서 AJB로) | DC 케이블 정격 전류 - PV 스트링에서 AJB까지 |
| MPP의 IPV 모듈 | 최대 전력 지점에서의 정격 태양광 전류 |
| DF | 감액 계수 |
| 케이블 연결(AJB-인버터) | DC 케이블 정격 전류 - AJB에서 인버터까지 |
| 아이맥스 DC 인버터 입력 | 최대 DC 인버터 입력 전류 |
| ISC 최대 PV 모드 | 최대 단락 PV 모듈 전류 |
| ISC PV 모드 | 태양광 모듈 전류 단락 |
| αi | 단락 PV 모듈 전류의 온도 계수 |
| βv | 개방 회로 PV 모듈 전압의 온도 계수 |
| VOCPVMod | 개방 회로 PV 모듈 전압 |
| Tcell최대 | 최대 셀 온도 |
| VriseDC 케이블 | 모든 DC 케이블의 전압 상승 - 태양광 스트링에서 인버터까지 |
| Vrise문자열을 AJB로 | DC 케이블의 전압 상승 - PV 스트링에서 AJB까지 |
| VriseAJB에서 인버터로 | DC 케이블의 전압 상승 - AJB에서 인버터까지 |
| VPV문자열 | 태양광 스트링의 전압 |
| MPP의 VPV모듈 | 최대 전력 지점에서 태양광 모듈의 정격 전압 |
| NPV/ 문자열 | 스트링의 PV 모듈 수 |
| VMPPT인버터 최소 | 최소 MPPT 인버터 입력 전압 |
| VMPPT인버터 최대 | 최대 MPPT 인버터 입력 전압 |
| VPV모드 최소 | 최대 T셀에서 최소 PV 모듈 온도 |
| VPV모드 최대 | 최대 태양광 모듈 온도(Tcell최소) |
| Tcell최대 | 최대 셀 온도 |
| T셀최소 | 최소 셀 온도 |
| 최소 시간 | 최소 주변 온도 |
| 최대 탬비언트 | 최대 주변 온도 |
| NOCT | 공칭 셀 작동 온도 |
| G | 어레이 조도의 시간당 평균 평면 조도(W/m²) |
| PV 스트링에서 AJB로 케이블 연결 | PV 스트링에서 AJB까지의 DC 케이블 길이 |
| MPP의 이스트링 | 최대 전력 지점에서의 태양광 스트링 전류 |
| L케이블(AJB토인버터) | AJB에서 인버터까지의 DC 케이블 길이 |
| MPP의 Iarray | 최대 전력 지점에서의 태양광 어레이 전류 |
- 전력(W): PV 시스템의 AC 전력입니다.
- 전압(V): PV 모듈(정격 및 개방 회로 전압) 및 인버터(최소 및 최대 MPPT 전압)의 전압
- 전류(kW, kVA, A): PV 모듈(정격 및 단락 전류) 및 인버터(최대 입력 DC 전류)의 전류
- 온도(°C): 해당 사이트의 최대 및 최소 주변 온도입니다.
- 거리(m, 피트): 예상 케이블 또는 와이어 길이(미터 또는 피트)입니다.
- 케이블 유형: 케이블의 코어 수입니다. 3상 케이블에서는 중성선 및 접지선을 무시합니다.
- 단열재 유형: 일반적으로 열가소성 수지(PVC) 또는 열경화성 수지(XLPE)입니다. 온도 등급을 올바르게 선택하는 것이 중요합니다.
- 병렬 케이블 수입니다: 일반적으로 하나의 케이블만. 부하가 높은 시나리오에서는 두 개 이상의 케이블을 선택할 수 있습니다. 케이블 유형이 단일 코어인 경우 이 매개변수는 케이블 세트를 의미하며, 예를 들어 '3개의 단일 코어' 유형 케이블에 2개의 병렬 케이블을 선택한 경우 6개의 케이블이 고려됩니다.
- 케이블 설치: 케이블 설치 시 최악의 경우를 고려해야 합니다.
1. 전류 정격 계산
태양광 시스템에는 두 개의 DC 회로가 존재하는데, 첫 번째 회로는 태양광 스트링과 AJB 사이에 있고 두 번째 세그먼트는 AJB와 인버터 사이에 있습니다.
첫 번째 세그먼트에 대한 DC 케이블의 정격 전류는 다음 조건을 고려하여 구합니다:
조건 11: 케이블 정격 전류는 PV 스트링 전류와 같거나 그 이상이어야 합니다,
조건 12: 케이블 정격 선택은 허용되는 주변 및 접지 온도를 기준으로 해야 합니다. 일반적으로 설계 표에서는 주변 온도와 접지 온도를 각각 40°C와 25°C로 사용합니다.
조건 13: 정격 전류의 선택은 케이블 유형, 절연 유형 및 케이블 설치 방법에 따라 결정해야 합니다.
위의 조건과 경우에 따라 설계 표(AS/NZS 3008의 표 22-27)에서 디레이팅 계수(DF)를 고려합니다. DF가 있는 케이블의 경우 조건 11의 케이블 정격 전류 계산을 다음과 같이 업데이트해야 합니다:
따라서 새로운 인버터 전류를 기준으로 적절한 단면적을 선택하려면 조건 12 및 13을 따라야 합니다. 이 단계에서 첫 번째 세그먼트의 초기 단면을 선택할 수 있습니다.
DC 케이블의 두 번째 세그먼트는 AJB와 인버터 사이에 있습니다. 두 번째 세그먼트의 정격 전류는 다음 조건에 따라 얻을 수 있습니다:
조건 21: 케이블 정격 전류는 인버터 AC 전류와 부하 전류의 합보다 크거나 같아야 합니다,
어디에,
조건 22: 케이블 정격 선택은 허용되는 주변 및 접지 온도를 기준으로 해야 합니다. 일반적으로 설계 표에서는 주변 온도와 접지 온도를 각각 40°C와 25°C로 사용합니다.
조건 23: 정격 전류의 선택은 케이블 유형, 절연 유형 및 케이블 설치 방법에 따라 결정해야 합니다.
위의 조건에 따라 경우에 따라 설계 표(AS/NZS 3008의 표 22-27)에서 디레이팅 계수를 고려합니다. DF가 있는 케이블의 경우, 조건 21의 케이블 정격 전류 계산을 다음과 같이 업데이트해야 합니다:
따라서 새 인버터 전류에 따라 적절한 단면적을 선택하려면 조건 22 및 23을 따라야 합니다. 이 단계에서 두 번째 세그먼트(소비자 주전원 DC 케이블)의 초기 단면을 선택할 수 있습니다. DC 케이블의 첫 번째 및 두 번째 세그먼트의 크기를 결정한 후 전압 상승 계산을 수행하여 선택한 DC 케이블이 목표한 DC 전압 상승을 확보하는지 확인해야 합니다.
2. 전압 상승 계산
선택한 케이블의 전압 상승은 정격 전류를 사용하여 케이블의 단면을 선택한 후 계산됩니다. PV 스트링에서 인버터까지의 DC 전압 상승(VriseDC 케이블)은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
여기서 VMPPT인버터 최대값과 VPVMod 최소값은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
따라서 다음과 같이 최소 및 최대 주변 온도를 기준으로 셀 온도 방정식을 사용하여 Tcell최소 및최대를 계산할 수 있습니다:
어디에,
어디에,
따라서 DC 케이블의 전압 강하량은 식(7)을 사용하여 계산한 값보다 낮아야 하며, 그렇지 않으면 필요한 전압 상승을 확보하기 위해 PV 스트링에서 AJB까지의 DC 케이블 및/또는 AJB에서 인버터까지의 길이를 늘려야 합니다.
실제 사례에서 표준 방법을 명확히 적용하기 위해 다음 예시가 포함되어 있습니다.
예 1: PV 시스템의 AC 출력 전력은 82.8kW가 필요합니다. 다음 데이터는 사이트에서 사용할 수 있습니다:
- ABB 인버터
- 250Wp의 일반 태양광 모듈
- 위도 = 97, 경도 = 35.91
- 기울어진 표면의 일일 위치 조사량 = 5.93kWh/m²
- DC 케이블의 총 길이 = 70m
- 최대 주변 온도= 40°C
- 최소 주변 온도 = -5°C
이 예제에는 적절한 크기의 DC 케이블이 필요합니다.
솔루션:
- AC 출력 전력은 8kW입니다.
- ABB 인버터의 가용성을 기준으로 이 출력에 결합할 수 있는 적절한 인버터는 3상 인버터인 50kW(TRIO-50.0-TL-OUTD) 및 33kW(PRO-33.0-TL-OUTD)입니다.
- 태양광 모듈의 전력은 250Wp여야 합니다. 따라서 이 예제에서는 Trina Solar TSM-250-PC-PA05A를 사용할 수 있습니다.
- PV 스트링에서 AJB까지의 DC 케이블 = 2m
- AJB에서 인버터까지의 DC 케이블 = 10m
- 두 개의 DC 케이블은 단일 코어 유형입니다.
- 단열재 유형은 열가소성 플라스틱(PVC)
- 케이블 설치는 공기 중 배선 인클로저
1. 전류 등급 계산:
1.1. PV 스트링에서 AJB로
STC에서 PV 모듈의 정격 전류는 8.2A이므로 케이블 전류는 PV 모듈의 정격 전류와 같거나 그 이상이어야 합니다. 따라서
따라서
태양광 모듈의 정격 전류, 케이블 유형 및 설치 조건에 따라 단면적은 AS/NZS 3008.1.1:2017, 표 10, 열 11에서 선택되므로 태양광 스트링에서 AJB까지의 DC 케이블의 적정 단면적은 4mm²입니다.
1.2. AJB에서 인버터까지
두 번째 세그먼트는 AJB를 인버터에 연결합니다. 이 예에서 두 개의 인버터에는 인버터 정격에 따라 두 어레이에서 이 인버터로 연결되는 두 개의 서로 다른 DC 케이블이 필요합니다.
A. 50kW 인버터(TRIO-50.0-TL-OUTD) / 어레이 1
병렬로 연결된 문자열의 수는 다음과 같이 계산됩니다:
태양광 모듈 데이터시트에 따르면,ISC = 8.9 A,Tc의 ISC = 0.053%/°C,TMaxcell 및= 56.060525°C입니다.
따라서,
인버터는 총 용량의 120%를 부하할 수 있으므로 최대 전력은 60kW입니다. 스트링 수를 26개의 PV 모듈/스트링으로 가정할 때 MPP의 총 전압은 793V이므로 최대 전력을 충당하는 데 필요한 전류는 75.7A이므로 병렬로 필요한 스트링 수는 9.22개입니다. 따라서
이 어레이에서는 10개의 스트링이 PV 어레이를 구성합니다. 따라서 입력으로 10mm ×4mm 치수의 AJB를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 AJB의 출력 케이블 단면적은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
따라서,
태양광 모듈의 정격 전류, 케이블 유형 및 설치 조건에 따라 단면적은 AS/NZS 3008.1.1:2017, 표 10, 열 11에서 선택되므로 이 어레이(AJB - DC 스위치)에 적합한 DC 케이블의 단면적은 25mm²입니다.
B. 33kW(PRO-33.0-TL-OUTD)/어레이 2
병렬로 연결된 문자열의 수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
태양광 모듈 데이터시트에 따르면,ISC = 8.9A, Tcof Isc = 0.053%/°C,TMaxcell 및 = 56.060525°C입니다.
따라서,
인버터는 총 용량의 120%를 부하할 수 있으므로 최대 전력은 39.6kW입니다. 스트링 수는 27개의 PV 모듈/스트링으로 가정하므로 MPP의 총 전압은 823.5V입니다. 따라서 최대 전력을 충당하는 데 필요한 전류는 48.1A이며 병렬로 연결된 스트링의 수는 5.86개입니다. 따라서
이 어레이에서는 6개의 스트링이 PV 어레이를 구성합니다. 따라서 입력으로 6mm ×4mm 치수의 AJB를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 AJB의 출력 케이블 단면적은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
태양광 모듈의 정격 전류, 케이블 유형 및 설치 조건에 따라 단면적은 AS/NZS 3008.1.1:2017, 표 10, 열 11에서 선택되므로 이 어레이(AJB - DC 스위치)에 적합한 DC 케이블의 단면적은 10mm²입니다.
2. 전압 상승 계산:
AS/NZS 3008.1.1:2017에 따르면, 단면적이 4mm²인 케이블의 전압 강하는 14.3V/A.km입니다. MPP의 PV 모듈 전류가 8.2A이고 스트링에서 AJB까지의 DC 케이블 길이가 2m로 가정되므로 PV 스트링에서 AJB까지의 전압 강하(Vdrop, 스트링에서 AJB까지)는 두 어레이 모두에서 0.235V입니다.
이 예에서 기울어진 표면의 일일 위치 조사는 5.93kW/m²와 동일합니다. 따라서 평균 일사량(𝑆)은 494.17W/m²입니다.
이 사이트의 최소 및 최대 주변 온도는 각각 -5°C와 40°C입니다. 또한 공칭 작동 셀 온도(NOCT)는 46°C입니다. 따라서 최소 및 최대 셀 온도는 다음과 같이 구할 수 있습니다:
또한, VMPP = 30.5V, Tcof voc=-0.32%/°C, 최소 및 최대 셀 온도가 주어지면 MPP의 최소 및 최대 모듈 전압은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
A. 50kW 인버터(TRIO-50.0-TL-OUTD) / 어레이 1
태양광 모듈이 MPPT 전압 범위에 있다고 가정하므로 평균 태양광 스트링 전압은 640V이고 설계 전압 강하는 1.3%입니다.
따라서 스트링의 길이(스트링당 PV 모듈 수)는 다음과 같이 구할 수 있습니다:
따라서,
이 어레이에서 이 어레이용 DC 케이블(AJB - DC 스위치)의 단면적은 25mm²입니다. AS/NZS 3008.1.1:2017에 따르면 25mm² 단면적의 전압 강하는 2.23V/A.km입니다. MPP의 스트링 전류가 8.2A이고 AJB에서 인버터까지의 DC 케이블 길이가 10m이므로 AJB에서 인버터까지의 전압 강하(Vdrop, AJB에서 인 버터까지)는 0.128V입니다.
이 인버터의 경우 스트링당 PV 모듈 수는 26개이고 MPP에서 각 PV 모듈의 전압은 30.5V입니다.
따라서,
따라서,
방정식 (8)은 다음과 같이 각 스트링당 전압 강하를 계산하는 데 사용됩니다:
B. 33kW(PRO-33.0-TL-OUTD)/어레이 2
PRO-33.0-TL-OUTD의 데이터 시트에 따르면 VminMPPT,인버터 = 580V, VminMPPT,인버터 = 850V입니다.
태양광 모듈이 MPPT 전압 범위에 있다고 가정하므로 평균 태양광 스트링 전압은 715V이고 설계 전압 강하는 1.1%입니다.
따라서 스트링의 길이(스트링당 PV 모듈 개수)는 식 (1)을 사용하여 다음과 같이 구할 수 있습니다:
따라서,
이 어레이에서 어레이용 DC 케이블의 단면적(AJB-DC 스위치)은 10mm²입니다. AS/NZS 3008.1.1:2017에 따르면 단면적 10mm²의 전압 강하는 5.46V/A.km입니다. MPP의 스트링 전류가 8.2A이고 AJB에서 인버터까지의 DC 케이블 길이가 10m이므로 AJB에서 인버터까지의 전압 강하(Vdrop, AJB에서 인버터까지)는 0.448V와 동일합니다.
이 인버터의 경우 스트링당 PV 모듈의 수는 27개이고 MPP에서 각 PV 모듈의 전압은 30.5V입니다.
따라서,
방정식 (8)은 다음과 같이 각 스트링당 전압 강하를 계산하는 데 사용됩니다:
