Ⅰ. 서론
신재생에너지원 중 가장 활발하게 보급되고 있는 에너지원이 풍력과 태양광에너지이다. 국내에서도 이러한 관점에서 풍력과 태양광에너지의 보급에 주력하고 있다.
대부분의 연구에서 실험에 앞서 제안한 이론을 입증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하는 단계가 필수적이다. 태양광 발전 시스템의 설계에 있어서도 시뮬레이션이 반드시 필요한 단계로 C-언어나 전기회로 전용 시뮬레이터인 PSPICE, PSIM, Matlab 등을 사용한다. 시뮬레이션을 C-언어로 수행하면 세부적이고 정밀한 시뮬레이션은 가능하나 일반적으로 사용하기에는 전문적인 지식이 필요하고, 시스템의 변경이나 추가 등에 따라 많은 수고가 따르게 된다.[1]-[3] PSPICE는 사용 하기는 편리하지만 세부적인 설정이나 새로운 소자 등의 파라미터 적용에 한계가 있다. 또한 PSPICE에서 태양전지의 시뮬레이션을 수행하기 위하여 대부분 범용 다이오드를 이용하여 시뮬레이션 하는데 개략적인 동작 특성은 나타나지만 세부 파라미터 값 등의 설정이 용이 하지 않아서 온도 특성 등은 무시하고 진행하게 되어 실제 시스템의 구축에서 적지 않은 시행착오가 있다.[4]-[7] 논문에서는 범용적인 시뮬레이터인 PSPICE를 이용하여 태양전지와 제어기 등을 모델링하고 라이브러리화 하였다. 모델링은 등가회로를 이용하여 구성하였으며 라이브러리화 함으로써 태양광 발전 시스템을 시뮬레이션 하는데 변수 설정 등을 손쉽게 하여 사용하는데 편리하게 하였다. 이 라이브러리를 이용하여 태양광시스템의 기본적인 설계 문제나 크기, 해석 등을 해결하는데 사용할 수 있다. 본 논문에서 구축한 라이브러리의 타당성을 입증하기 위하여 온도, 공간 복사의 변화에 대해 시뮬레이션을 수행하여 동작특성을 확인하였다. 이와 연계하여 전체 시스템 구동을 위해 DC-DC 벅-부스트 시스템과 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 시스템을 모델링하여 전체 태양광 발전 시스템의 구동 특성을 시뮬레이션하고 라이브러리화 하였으며, 시스템 변수 등의 변화에 대해 손쉽게 가변하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 시뮬레이션의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 조건하에 하드웨어를 구성하고, DSP(Digital Signal Processing)를 이용한 제어기를 구현하여 실제 시스템에 대한 실험을 수행하고 결과를 확인 하였다. 전력용 반도체로 구성된 컨버터, 인버터, 쵸퍼 등 전력전자 기술 분야는 다이리스터(대전력 스위칭소자)가 개발되면서 특성이 우수한 여러 반도체 전력변환장치들이 개발 및 보급되기 시작하였다.[8]-[12] 또한 전력용 반도체 기술의 발달로 소자 정격의 증대와 최근 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 등 새로운 소자들이 개발되어 여러 전력변환장치들에 이용되고 있으며, 마이크로프로세서의 도입으로 과거 적용되지 못했던 제어기술들이 실현 가능해짐으로써 전력변환기술 및 제어방법 역시 크게 발전하고 있다. 전력회생이 가능한 펄스 폭변조 (PWM : Pulse-Width Modulation) 컨버터의 출현은 정류 회로의 입력전류를 정현파로 하고 출력 직류전압과 입력측의 역률제어와 전력회생이 가능한 펄스 폭 변조 (PWM) 컨버터의 연구가 널리 진행되고 있으며 직류 측의 평활용 콘덴서의 용량을 저감하여 장치의 소형화 및 경량화가 기대되고 있다.
이는 교류 측 입력 전류분을 정현파에 가깝게 하여 고조파 성분을 감소시키고, 부하에 관계 없이 고 역률 운전이 가능하며 필요에 따라 진상 및 지상 운전이 가능하며, 전력의 흐름이 양방향으로 가능하여 구동 및 회생 운전이 가능하여 인버터 등의 전압원으로 사용 된다.[13]-[14]
기존의 태양광발전시스템이 갖는 단점의 개선 방안으로 직류 차단기가 요구되지 않고 유지 보수 및 용량 증설이 용이한 병렬 DC-모듈형 전력변환시스템을 제안한다. 태양광에너지를 대상에 맞는 전력형태로 변환하려면 인버터(DC-AC), 컨버터(DC-DC)등을 포함한 PCS(Power Conditioning System)가 요구 된다. 일반적으로 상용계통과 연계한 PV시스템은 인버터의 특성과 소형의 고효율, 고역률, 고신뢰성, 태양전지의 최대출력운전, 낮은 고조파 출력, 저비용 등 계통연계 된 PCS의 장점이 요구된다. 태양광 발전시스템의 PCS는 PV(photo voltaic) 에너지를 단방향 형태로 계통 또는 부하로만 전달하였으나 최근에는 ESS(Energy Storage System)를 이용한 예비 전력과 잉여 태양광에너지를 저장하기 위한 양방향 형태의 PCS 연구가 활발히 진행되고 있다.[15]-[18]
본 논문에서는 이러한 문제점들을 고려하여 전압 변동율이 심하거나 전원 불 평형 시에도 안정적으로 동작이 가능하며 고효율과 단위역률로 제어가 가능한 시스템을 제안하고자 하며, 복잡한 태양광발전장치의 전원 공급 과정을 최소화 하고자 전력변환기와 접속반을 일체화하여 원가 절감 및 효율 향상을 하고자 한다. 따라서 이러한 문제점을 원칙적으로 해결하고자 원가 경쟁력 확보를 위하여 전력변환기의 제어기를 프로그래밍을 통한 제어 기술을 적용하여 주간에 배터리 에너지를 태양광 발전전력과 함께 계통으로 공급함으로써 전력 공급의 유연성을 확보하게 해준다. 또한 수요 예측의 신뢰성 확보를 통해 전력공급자가 효율적인 발전을 기획할 수 있는 차별성을 가지도록 한다.
Ⅱ. PV전지 모델링과 태양광발전 시스템
2-1 PV 배터리와 PCS 전력 변환시스템
그림 1은 리튬폴리머 배터리 기반의 PCS의 구성을 나타내었으며 태양전지어레이, 리튬폴리머 배터리팩, 가정용 부하, 계통, 부스트컨버터, 양방향 컨버터, 계통 연계형 인버터로 구성된다. 부스트컨버터는 태양전지의 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 수행하며 계통연계형 인버터는 DC-link제어 및 PLL(Phase Locked Loop)을 통한 계통연계를 담당한다. 또한 양방향 컨버터는 리튬폴리머 배터리의 충전/방전 시 전류제어를 수행한다.[16]∼[18]
그림 1. PCS 전력변환 시스템 도
Fig. 1. PCS power conversion system diagram
그림 2에 나타낸 PCS 전력변환시스템은 태양전지의 출력을 하나의 대용량 전력변환장치에 연결하므로 단위 용량당 발전 시스템의 단가가 감소하고, 구조가 간단한 장점이 있다. 그러나 태양광어레이 전체의 MPPT를 하나의 대용량 전력변환장치가 수행하기 때문에 태양전지간의 전력 부정합 문제 및 태양전지 모듈의 주변 환경에 따른 부분 음영의 발생에 의해 각각의 태양 전지모듈이 MPPT를 수행하지 못하는 단점을 갖는다.
그림 2. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로
Fig. 2. PSPICE equivalent of PV module.
PV(Photovoltaic)전지의 모델은 그림 2와 같이 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로로 나타나며 이상적인 다이오드와 병렬로 연결된 이상적인 전류원을 가진 등가회로 나타낼 수 있다. 전류원은 광자에 의해 발생된 전류이다. 배터리와 부하에 대한 PV 시스템은 3개의 소자들은 병렬로 연결되었다. 키르히호프의 전류법칙(KCL)에 의해 식 (1)과 같다.
Imod = Ibat + Iload (1)
여기서, Imod : PV시스템의 출력전류, Ibat : 배터리로 흐르는 전류, Iload : 부하에 흐르는 전류 리툼이온 전지배터리 모델
그림 2에 의한 전압과 전류 시뮬레이션 파형을 그림 3과 같다.
그림 3. 배터리의 전류 및 전압 시뮬레이션 파형
Fig. 3. Simulation of current and voltage waveform by battery
2-2 PV 전지 모델링과 최대 출력점 이론
PV전지의 모델은 그림 4와 같이 이상적인 다이오드와 병렬로 연결된 이상적인 전류원을 가진 등가회로 나타낼 수 있다. 전류원은 광자에 의해 발생된 전류이다.
그림 4. 부하를 가진 PV전지와 등가회로
Fig. 4. PV cell with a load and its simple equivalent circuit
2가지 파라미터가 PV셀 특성을 나타내기 위해 자주 사용된다. 그림 5(a)에서 전류를 발생시키는 광자(irradiance)는 단락회로 전류(short circuit current)(Isc)로 셀의 출력으로 흐른다. 따라서, Iph = Isc이다. 그림 5(b)에서 처럼 PV셀이 연결되지 않았을 때(개방회로)전류를 발생시키는 광자는 고유의 p-n 접합 다이오드에 의해 내부적으로 단락이 되어 개방회로 전압(Open Circuit Voltage)(Voc)이 구해진다. PV모듈(PV module)이나 셀 제조업자들은 데이터 시트에 이러한 파라미터들을 제공한다.
그림 5. 단락회로와 개방회로
Fig. 5. Short circuit and open circuit
PV 셀의 전압-전류 관계식은 (2)와 같다. [19]-[20]
\(\begin{aligned}\mathrm{I}=\mathrm{I}_{\mathrm{sc}}-\mathrm{I}_{0}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kT}}}-1\right)\end{aligned}\) (2)
Isc : 단락전류, K는 볼쯔만 상수, q : 전자 1개의 전하, 다이오드 역 포화 전류 Io : 일정한 온도에서 일정하고 그림 5(b)의 개방 회로에서 구할 수 있다. 식 (2)를 사용하여, I = 0로 하면, Io는 식 (3)∼식 (4)로 부터 식 (5)와 같다.
\(\begin{aligned}0=\mathrm{I}_{\mathrm{sc}}-\mathrm{I}_{\mathrm{o}}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{qV}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{kT}}}-1\right)\end{aligned}\) (3)
\(\begin{aligned}\mathrm{I}_{\mathrm{sc}}=\mathrm{I}_{\mathrm{o}}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{qV} \mathrm{V}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{kT}}}-1\right)\end{aligned}\) (4)
\(\begin{aligned}\mathrm{I}_{0}=\frac{\mathrm{I}_{\mathrm{sc}}}{\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{qV}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{kT}}}-1\right)}\end{aligned}\) (5)
실제적인 태양전지에서 저항 손실은 직렬저항 Rs 하나로 묶는다. 이러한 영향은 직렬연결로 구성된 PV 모듈에서 매우 잘 나타나고, 저항의 값은 전지의 수에 따라 증가한다.
다이오드 D1과 D2의 결합으로 식 (6)과 같다.
\(\begin{aligned}I=I_{s c}-I_{0}\left[e^{q\left(\frac{\mathrm{V}+\mathrm{I} \cdot \mathrm{R}_{\mathrm{s}}}{\mathrm{nkT}}\right)}-1\right]-\left(\frac{\mathrm{V}+\mathrm{I} \cdot \mathrm{R}_{\mathrm{s}}}{\mathrm{R}_{\mathrm{p}}}\right)\end{aligned}\) (6)
그림 6. 태양전지 모델
Fig. 6. PV cell model
태양광 모듈 특성은 한 개 태양전지의 V-I 특성 전압 크기로 부터 생긴다. 1개 태양전지의 V-I 특성으로부터 1개 PV모듈에 대한 전류는 식 (7)과 같다.
\(\begin{aligned}\mathrm{I}=\mathrm{I}_{\mathrm{L}}-\mathrm{I}_{0}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{V}+\mathrm{IR}_{\mathrm{s}}}{\mathrm{nV} V_{\mathrm{T}}}}-1\right)-\mathrm{I}_{02}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{V}+\mathrm{IR}_{\mathrm{s}}}{2 \mathrm{~V}_{\mathrm{T}}}}-1\right)-\frac{\mathrm{V}+\mathrm{IR}_{\mathrm{S}}}{\mathrm{R}_{\mathrm{sh}}}\end{aligned}\) (7)
PV모듈의 V-I특성의 기본 방정식으로 그림 7과 같이 등가회로가 되며, 그림 8에 PV모듈에 대한 PSPICE 모델을 나타낼 수 있다.
그림 7. 태양전지의 등가회로
Fig. 7. Equivalent circuit of PV
그림 8. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로
Fig. 8. PV module PSPICE equivalent circuit
2-3 태양전지와 연결된 PCS 전력변환기 설계
태양전지와 전력변환기 전압형 컨버터는 그림 9에서 교류 측에 설치되어 있는 리액턴스의 크기와 리액턴스 양측 전압에 의하여 변환되는 전력량이 결정된다. 또 리액턴스의 양단 전압에 따라 전압형 컨버터의 동작이 달라진다. 이와 같은 리액턴스 양측의 교류 전원전압과 변환기의 교류 측 전압을 V와 E라고 하면 그림 10(a), (b)와 같이 동작 상태로 분류할 수 있다.
그림 9. 전력변환기의 구성도
Fig. 9. Construction power converter
그림 10. 전압형 컨버터의 교류 측 벡터도
Fig. 10. The AC side vector of the voltage-type converter
전원과 변환기 교류 측 전압의 위상각을 α로 한다. 교류 측의 전력은 그림 11과 같은 임의의 전압 벡터일 때에 대하여 산출한다.[21]-[23]
그림 11. 전압형 컨버터의 벡터도
Fig. 11. Vector diagram of voltage converter
IX cos𝜙 = E sinα (8)
IX sin𝜙 = E cosα - V (9)
\(\begin{aligned}I \cos \phi=\frac{E}{X} \sin \alpha\end{aligned}\) (10)
\(\begin{aligned}I \sin \phi=\frac{E_{\cos \alpha}-V}{X}\end{aligned}\) (11)
식 (8)∼식 (11)에 의해서 변환기의 위상 각 α가 (+)일 때는 유효전류가(+)이므로 전원에서 변환기 측으로 전력이 공급되는 구동상태가 되며 α가 (-)일 경우에는 유효전류가 (-)로 되므로 변환기에서 전원으로 전력을 공급하는 회생의 상태가 된다. 변환기의 교류 측 전압에서 전원과 동상 성분의 전압이 클 때에는 무효전류가 (+)가 되며 이때는 진상의 무효전류에 해당한다. 반대의 경우에는 무효전류가 (-)가 되어 전원에는 지상의 무효전류가 흐르게 된다. 전압형 컨버터의 운전에 있어서 유효전류가 (0)이 되면 위상각 α를 (0)이 되어야 하므로 변환기는 전원과 동위상으로 운전하여야 한다. 이때는 변환기의 교류 측 전압의 크기와 전원전압의 크기에 의하여 무효전류를 제어할 수 있다. 즉, 무부하의 전압형 컨버터는 무효전력을 발생하는 특성을 갖고 있다. 무효전류가 0이 되도록 변환기의 교류측 전압과 위상을 제어하는 경우 변환기는 고역률 상태에서 전력변환의 기능을 갖는다. 전력변환은 유효전류가 변환기의 위상 각 α에 의하여 제어됨을 알 수 있다. 또한 유효전류는 변환기의 직류측과 전력을 수수하므로 직류전압을 변화시키게 된다. 따라서 전압형 컨버터는 직류전압이 설정한 일정전압을 유지하도록 전압을 제어하는 변환회로가 필수적으로 변환기는 전압과 위상을 가변 할 수 있는 기능을 가져야 한다.
2-4 계통연계 전압형인버터와 시스템제어 구동 특성
태양전지 셀의 최대출력 전력을 DC-link단의 커패시터 측으로 전달하기 위하여 Boost 컨버터는 Inductor 전류를 제어하며 일정전압제어를 통해 Vcell이 최대 전력점에서 유지되도록 하였다. 인버터는 정현 펄스폭 변조(SPWM : Sinusoidal Phase Width Modulation) 방식을 통해 Vdc로부터 주파수와 크기의 가변이 용이하게 그림 12와 같이 PCS를 구성하였다. 태양전지 셀의 최대 출력(MMPT)을 얻기 위해 태양전지의 전압과 전류를 검출하고 태양전지어레이를 회전을 통해 태양의 위치를 찾아가도록 스테핑모터를 제어하였다.
그림 12 PCS 구성도
Fig. 12 PCS configuration Diagram
그림 13. 전압형 컨버터의 등가회로
Fig.13 Equivalent circuit of voltage type converter
2-5 PCS 알고리즘과 제어기 설계 특성
배터리의 전류를 제어하는 양방향 DC-DC 컨버터는 전류 지령치의 설정을 위한 알고리즘이 필요하다. 그림 14에 PV 전력, 배터리전력, 부하전력, 계통전력에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 알고리즘을 나타내었다. 사용된 알고리즘은 각부 전압 및 전류를 검출하여 각각의 전력량을 연산하고 PV어레이의 출력이 0인지 아닌지를 구분하여 제안된 5단계의 제어알고리즘에 따른 최종 배터리전력은 식(12)와 같이 계산하게 된다.
그림 14. 양방향 DC-DC 컨버터의 배터리 충·방전 알고리즘
Fig. 14 Battery charge/discharge algorithm of a bidirectional DC-DC converter
PPV ≠ 0인 경우 (12)
PPV의 값과 Pload를 비교하여 배터리 충·방전 전력을 결정하고, 식(13)과 같다.
PPV = 0인 경우 (13)
Pgrid와 Pload를 비교하여 배터리 충·방전 전력을 결정한다. 양방향 컨버터의 동작 모드는 그림 14의 알고리즘에 따라 연산된 배터리의 전력 값에 따라 결정되고 도출된 전류 지령값의 제어를 위해 PWM 신호를 인가하고, 알고리즘에 따라 충·방전 모드로 구분하고, 방전 모드에서 승압 동작을 하며 전류 흐름이 배터리 측으로부터 계통 또는 부하 측으로 형성된다. 전류의 흐름이 계통 측인 경우 계통전압과 전류는 180°의 위상 차이가 나며, 부하 측인 경우는 배터리 전력과 부하 전력의 차이만큼 계통에서 보충하고, 충전 모드에서의 강압 동작을 통해 계통에서 배터리 측으로 에너지가 전달된다.
그림 15는 PCS의 인버터 및 컨버터의 제어블록도이다. DC- AC 인버터는 DC-link의 전압을 제어하고 계통연계를 위한 제어를 수행한다. 단상 계통전압의 크기를 고려한 DC-link 전압은 380[V]가 되도록 제어하며 계통과 동일한 위상과 주파수를 갖는 인버터의 출력은 PLL (Phase Locked Loop)기법을 통해 제어한다.
그림 15 PCS의 양방향 컨버터 및 DC-AC 인버터 제어 블록도
Fig. 15 Bidirectional converter and DC-AC inverter control block diagram of PCS
그림 16은 EV의 타이머 1과 3의 카운팅 모드와 비교기에 설정된 값과 카운트 값과 일치된 순간에 출력되는 PWM 출력 파형을 나타내고 있다. EV에는 4개의 타이머가 있으며 타이머 1과 3은 각각 3쌍의 PWM 출력을 위한 기준 시간을 제공한다. 위상천이 풀-브리지 컨버터의 출력은 각 레그 간의 위상차에 의한 유효 시비율에 의해 결정된다. 각 레그의 위상을 제어하기 위해서는 서로 다른 두 개의 기준 시간이 필요하므로 두 개의 타이머를 이용하였다. 위상차를 얻기 위해 지상 레그 타이머가 진상 레그 타이머 보다 위상차의 시간 만큼 지연 후 카운팅을 시작해야 한다. 이런 출력을 구현을 위해 지상 레그 타이머의 초기 카운트 값을 그림 17과 같이 설정해 주어야 한다. 컨버터의 영전압 스위칭을 위해 MOSFET의 역병렬 다이오드의 도통으로 영전압이 되는 타이밍에 스위칭하기 위한 데드타임이 필요하다. DSP의 EV에는 이러한 데드타임을 위한 기능을 내장하고 있으며 Dead band 설정 레지스터에 원하는 데드타임 값을 입력함으로써 구현할 수 있다.
그림 16. PWM 컨버터 추종제어시스템
Fig. 16 PWM converter tracking control system
그림 17. PWM 출력 파형 생성
Fig. 17 PWM output waveform generation
Ⅲ. 시스템 시뮬레이션 및 실험 고찰
3-1 전체 시스템 블록도와 시뮬레이션 구성
그림 18은 본 연구에서 동작하는 전력변환기 인데 출력전압 조정을 위해 시뮬레이션과 동일한 값을 갖는 DC-DC 벅-부스트 컨버터를 제작하였고, 전체 시스템 제어를 위해 사용되는 제어기는 TMS칩을 이용하여 C-언어로 구현하였다. 제어기 내부는 크게 전압과 전류 검출을 위한 A/D 변환기, 최대 출력점 제어를 위한 MPPT 알고리즘 구현기, 컨버터의 제어 신호 발생을 위한 PWM 신호 발생기로 구성되어 있다. 전체 시스템을 모델링한 시뮬레이션 회로를 그림 19에 나타내고, 각 모듈의 세부 기능은 표 1에 나타내었다.
그림 18. 전력변환 시스템 블록도
Fig. 18 Block diagram of power transfer system
그림 19. DC-DC 벅 부스트 컨버터 시뮬레이션 회로
Fig. 19 Simulation circuit of DC-DC buck boost converter
표 1. 시뮬레이션 모듈의 기능
Table 1. Features of simulation module
그림 20은 PCS의 3[kW] 충·방전 시뮬레이션 결과 파형이다. 그림 20(a)는 충전 모드 시 계통전압과 전류파형으로 계통의 에너지를 배터리 측으로 전달하므로 계통전압과 전류는 동상이 된다. 그림 20(b)는 방전 모드 시 계통 전압과 전류파형으로 배터리의 에너지를 계통 측으로 전달하기 때문에 계통전압과 계통전류는 180[°] 위상차이가 난다. 그림 20(c)는 충전 모드에서 방전 모드로 절환하는 경우의 계통전압과 배터리전류의 파형으로 배터리 완충 후 배터리전류가 감소하여 정상 방전 상황에서 일정한 배터리전류를 유지하고 있다. 그림 20(d)는 방전 모드에서 충전 모드로 절환하는 경우의 계통전압과 배터리전류의 시뮬레이션 결과 파형으로 방전 후 배터리전류가 증가하여 완충 상태가 될 때 배터리전류가 일정하게 유지된다.
그림 20 3[kW] 충·방전 시뮬레이션 결과 파형
Fig. 20 3[kW] charge · discharge simulation result waveform
Ⅳ. PV 전력변환기 실험 장치와 출력파형
그림 21은 실제 제어기를 구동하여 나타난 출력 파형이다. PV시스템의 출력은 다양한 데이터 처리 및 저장을 위해 LabView를 이용하여 PC상에 구현한 오실로스코프 파형으로 시뮬레이션 결과와 같이 약 50[ms]정도의 과도시간 후에 정상적인 최대 출력을 나타내는 양호한 실험 결과를 얻을 수 있었으며 시뮬레이션이 정확하게 수행된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 PSPICE 라이브러리를 이용한 시뮬레이션을 새로운 시스템 개발 및 성능 평가에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 높일 수 있었다.
그림 21. PV 시스템의 시뮬레이션 파형
Fig. 21 Simulation waveform of PV system
태양광발전용 단상 3[kW]급 저압용 인버터의 기본적인 성능 특성을 시험하고 성능 개선을 도출하기 위하여 그림 22와 같이 시험장치를 구성하였다. 정격 600[V] / 150[A] IGBT 모듈, 1[mH]의 인덕턴스, 3000[μF]의 필터 커패시터로 이루어진 10[kVA] 3상 전압형 PWM 컨버터이다. 3상분 전원전압과 전원전류를 각각 검출하여 아날로그 입력 멀티플렉서를 이용하여 샘플 앤 홀드회로를 구성하였으며, 출력 측 기준전압은 절연 증폭기를 이용하여 검출하였으며 DC 310[V]로 일정하게 유지하도록 하였다.
그림 22. 전력변환기 시험 장치의 구성
Fig. 22 Configuration of electric power converter test equipment
전력변환기 설계 및 성능 시험을 실시한 결과 PCS를 통한 전력변환기 출력 파형은 그림 23과 같고, 그림 24와 같이 공간벡터 PWM 변조법에 의해 출력된 파형이며, 스위칭 주파수는 15[kHz]로 포인팅 되었고 전원 측 상전압 파형 및 동기신호 파형을 나타내고 있다.
그림 23. 전력변환기 출력 특성 시험
Fig. 23 Power converter output characteristic test
그림 24. 변조파형 시험 결과
Fig. 24 Modulation waveform of test result
그림 25는 태양광발전이 있는 경우의 PCS의 실험 파형으로 태양광이 약 1.5[kW]로 발전하고 있는 상태에서의 1[kW] 충·방전 시 실험결과 파형이고. 최초 시작 시점에서 A지점 까지는 태양전지 출력만이 계통으로 전송된다. 구간 A-B는 배터리 충전이 시작되어 태양전지의 출력을 배터리에 충전하고 남은 전력만 계통으로 송전된다.
그림 25 배터리 전력 1[kW] 시, 충·방전 전류에 따른 계통전류 실험 결과 파형
Fig. 25 Experimental result waveform of gird current according to charge · discharge current at battery power 1[kW]
구간 B-C는 배터리의충전이 정상상태로 유지되는 구간이며 C점은 배터리의 상태가 충전 모드에서 방전 모드로 절환 되기 시작하는 점으로 방전시작 지령이 주어지는 시점이다. 충전전류에서 방전전류로 절환 되는 D점은 안정적인 절환을 위해 0.5[s]의 Dead Time을 삽입하여 충·방전 전류제어를 제어하였다. 방전전류가 정상상태가 되는 E점은 계통 송전 전력이 태양전지 발전전력과 배터리 방전 전력의 합으로 최대가 된다. 또한 그림 26은 3[kW] 충·방전 시 실험결과 파형을 나타내고 있다.
그림26 3[kW] 충·방전 실험 결과 파형
Fig. 26 3[kW] charge and discharge experimental result waveform
Ⅴ. 결론
태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 실험의 결과 단상 3[kW] 계통 연계형 태양광 전력변환기를 제안하였으며 IGBT 소자뿐만 아니라 GaN type MOSFET에 이르기까지 용량을 고려하여 다양화 및 대용량화가 가능한 설계 데이터를 확보하였다. EDLC 보다 하이브리드 커패시터가 소형, 경량화에 적용 될 수 있을 것으로 기대한다. 또한, DC-모듈형 태양광발전시스템을 제안하였으며 제안된 시스템의 검증을 위해 3[kW]급 PCS를 제작하여 실험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 제안된 5단계의 동작 모드 알고리즘을 적용한 PCS시스템이 일사량과 부하의 전력요구량 및 배터리의 충전상태에 따라 충/방전 모드 동작 제어함으로써 부하평준화 동작이 가능하였다.
(2) 제안된 제어시스템을 통해 태양전지 출력의 MPPT 제어가 가능하였고, 전압형 인버터의 출력전압이 입력전압과 부하변화에 관계없이 일정전압으로 유지되었다.
(3) 태양광 병렬 DC-모듈의 출력 효율을 향상시키기 위해 주 스위치 양단 전압크기에 대응하는 능동 스너버(Snubber) 제어기법을 적용하여 주 스위치 턴 오프 시 주 스위치 양단에 발생하는 전압을 저감하였다.
(4) 태양광에너지 출력에 따른 인터리브드 플라이 백 컨버터(Interleaved Fly-Back Converter) 상제어 기법을 제안하여 배터리 충·방전 전류에 포함된 전류 리플의 크기를 감소시켰다.
(5) 비 반전 양방향 벅-부스트 컨버터를 시스템에 적용하여 벅-부스트 모드 동작은 물론 벅과 부스트의 개별 모드 동작이 가능하게 되어 입출력 전압범위를 증대시키고, 스위칭 손실을 저감하였다.
Acknowledgments
본 연구는 2021학년도 세명대학교 교내학술연구비 지원에 의한 연구로서 관계부처에 감사드립니다.
References
- Y.Yusof, S,Sayuti, M.Latif, and M.Wanik, "Modeling and Simulation of maximum power traker for photovoltaic system," in Proceedings of Power and Energy Conference, Taipei, Taiwan, Nov. pp.88-93, 2014
- A.C. Kyritsis, E.C.Tatakis and N..P. Papanikolaou "Optimum Design of the Current-Source Flyback inverter for Decentralized Grid-Connected Photovoltaic Systems", Energy Conversion, IEEE Trans, on Volume 23, pp.281-293, 2018.
- Sahlstrom, Theodore D., Hausgen, Paul E., Guerrero, Jim, Howard, Alex D., Snyder, and Neil A., "Ultraviolet degradation testing of space protective coatings for photovoltaic cells", Photovoltaic Specialists Conference, 2008. PVSC '08. 33rd IEEE, pp.1-5, 2018
- Fangrui Liu, Shanxu Duan, Fei Liu, Bangyin Liu, Yong Kang, "A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems", Industrial Electronics, IEEE Trans, on Volume 55, pp.2622 - 2628, 2008. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.920550
- Xuecheng Zou, Kai Yu, Zheng, Xiaofei Chen, Zhige Zou, Dingbin Liao, "Dynamic Current Limitation Circuit for White LED Driver" IEEE, PP.898~901, 2018
- B. G. Lee, and J. R Yoon, "Preparation and characteristics of Li4Ti5O12 anode material for hybrid supercapacitor," Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 7, No. 2, pp 12-17, 2012.
- B. G Lee and J. R Yoon, "Synthesis of high-performance Li4Ti5O12 and its application to the asymmetric hybrid capacitor," Material of Electrochemistry, Vol. 9, No. 6, pp.112-116, 2013.
- P. Dietrich, F. N. Buchi, M. Ruge, A. Tsukada, G. G. Scherer, R. Kotz, S. Muller, "Fuel cells for transportation - -a pilot fuel cell," in Proceedings of 8th European Automotive Congress, Conference A, Power train Efficiency and Environmental Harmony, Bratislava; Slovakia pp. 308-399, 18-20, June, 2011.
- H. W. Chun and I. K. You, "Marker and technology trend in super capacitor," Electronics and Telecommunications Trend, Vol. l26, No. 5, pp. 122-131, 2014.
- J. K. Lee, and J. R. Yoon, "Effects of Li4Ti5O12 anode electrode thickness on the cell balancing of hybrid super capacitor," Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 15, No. 3, pp. 132-141, 2015.
- E. Koutroulis, K. Kalairzakis and N.C. Voulgaris, "Development of a Microcontroller -Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System", IEEE trans, Power Electronics, Vol. 16, pp. 46-54, Jan. 2011
- Trishan Esram, Patrick L. Chapman, "Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques", IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22. no. 2. June. 2017
- Byung-Duk Min, Jong-Pil Lee, Jong-Hyun Kim, Tae-Jin Kim, Dong-Wook Yoo, and Eui-Ho Song, "A New Topology With High Efficiency Throughout All Load Range for Photovoltaic PCS," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, November. 2019
- Jung-Min Kwon, Bong-Hwan Kwon, Kwang -Hee Nam. "Grid-Connected Photovoltaic Multistring PCS With PV Current Variation Reduction Control", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, November. 2019
- Manoj Datta, Tomonobu Senjyu, Atsushi Yona, Toshihisa Funabashi, Chul-Hwan Kim, "A Frequency Control Approach by Photovoltaic Generator in a PV-Diesel Hybrid Power System", IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 26. no. 2. June. 2011
- Xiaohu Liu, Andreas Aichhorn, Liming Liu, Hui Li, "Coordinated Control of Distributed Energy Storage System With Tap Changer Transformers for Voltage Rise Mitigation Under High Photovoltaic Penetration", IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 3, no. 2, June. 2012
- Zhan Wang, Hui Li, "A soft switching three-phase current-fed bidirectional dc-dc converter with high efficiency over a wide input voltage range,"IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 27, No. 2, pp. 669-684, Feb. 2012 https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2160284
- Junhong Zhang, Jih-Sheng Lai, Rae-young Kim, Wensong Yu, High-power density design of a soft-switching high-power bidirectional DC-DC converter," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, No. 4, pp. 1145-1153, Jul. 2017
- Kyritsis, A. Ch., Tatakis, E.C. Papanikolaou N.P., "Optimum Design of the Current-Source Flyback Inverter for Decentralized Grid-Connected Photovoltaic Systems", Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume 23, pp.281-293, 2008. https://doi.org/10.1109/TEC.2007.895854
- G. M. Masters, "Renewable and Efficient Electric Power Systems," John Wiley & Sons Ltd., 2014.
- R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodriguez, "Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems," John Wiley & Sons inc. 2011.
- H. D. Paulino, P. J. M. Menegaz, and D. S. L. Simonetti, "A Review of the Main Inverter Topologies applied on the Integration of Renewable Energy Resources to the Grid," in Proc. IEEE COBEP, pp. 963-969, 2011.
- S. B Kjaer, J. K. Pedersen, and F. Blaabjerg, "A Review of Single-Phase Grid Connected inverters for Photovoltaic Modules," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 41, issue. 5, pp. 1292-1306, 2015