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본 논문은 태양전지모듈의 특성을 분석하며, 태양전지모듈의 전체 동작 범위에서 고효율로 운전되는 DC/DC 컨버터를 적용한 새로운 대용량 계통연계형 전력변환장치(PCS)를 제안한다. 계통연계 제어 알고리즘 가운데 중요한 위상 동기 알고리즘, 독립운전방지 알고리즘 그리고 최대출력점제어 알고리즘을 제안한다. 제안된 토폴로지와 알고리즘의 우수성을 실험을 통하여 입증하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 진행은 크게 세 단계로 진행되며 각 단계의 세부적인 내용은 다음과 같다. 1. 대용량 집중 배치형 발전 방식에 적합한 계통연계형 고효율 대용량 태양광 발전용 전력변환장치와 발전량 급변 시에 강인한 고효율 ...

본 논문은 태양전지모듈의 특성을 분석하며, 태양전지모듈의 전체 동작 범위에서 고효율로 운전되는 DC/DC 컨버터를 적용한 새로운 대용량 계통연계형 전력변환장치(PCS)를 제안한다. 계통연계 제어 알고리즘 가운데 중요한 위상 동기 알고리즘, 독립운전방지 알고리즘 그리고 최대출력점제어 알고리즘을 제안한다. 제안된 토폴로지와 알고리즘의 우수성을 실험을 통하여 입증하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 진행은 크게 세 단계로 진행되며 각 단계의 세부적인 내용은 다음과 같다. 1. 대용량 집중 배치형 발전 방식에 적합한 계통연계형 고효율 대용량 태양광 발전용 전력변환장치와 발전량 급변 시에 강인한 고효율 MPPT 기법 제안 태양전지에서 주요 입력은 태양광의 빛에너지 량인 조사량과 태양전지 셀의 동작온도이며 태양전지의 출력은 이러한 조사량과 셀의 동작온도에 따라 출력 특성이 달라진다. 태양전지 모델링 수식을 온도와 광량에 따라 출력특성을 살펴보면 같은 온도에서 조사량이 많을수록 태양전지의 출력은 많이 나오게 되며 태양전지의 단자 전압은 올라가게 된다. 태양전지의 동작온도가 올라가게 되면 태양전지의 출력은 줄어들게 되고 태양전지의 양단에 걸린 전압은 내려가게 된다. 또한 같은 조건이라도 단자전압이 얼마냐에 따라 출력의 변화가 크기 때문에 같은 조건에서 최대 출력을 얻기 위해서는 최대출력점의 단자전압으로 유지를 해주어야 하는 특성이 있는데 이런 제어를 최대출력점제어(Maximum Power Point Tracking: MPPT)라고 한다. 본 연구에서는 유효전력에 비례한 MPPT 전압 스텝을 구현하였고 광량 급변 시에도 계통에서 탈락하지 않고 발전할 수 있도록 전향보상제어 기법을 적용하여 고효율 MPPT 알고리즘을 구현하였다. 태양전지를 계통에 연결하기 위해서는 계통전압이상을 발생시킬 수 있어야 계통으로 전력을 공급할 수 있다. 따라서 계통전압이상을 발생시키기 위한 인버터의 최소 입력 직류전압이 존재하게 된다. 태양전지의 특성에서 보면 직류전압이 동작 환경에 따라 계속 변하기 때문에 여러 topology를 동원하여 이를 보상해 주게 된다. 즉 저전압 트랜스포머를 이용하여 승압을 시켜준다거나 컨버터를 이용하여 인버터 입력직류전압을 항상 일정 전압으로 제어를 해준다거나 하는 동작이 필요하게 된다. 본 연구에서는 집중 배치형 태양전지 모듈 출력 특성에 적합하고 계통연계가 가능한 태양전지모듈 전체 전압범위에서 고효율로 동작 할 수 있는 DC/DC 컨버터 토폴로지를 제안하고 이를 계통연계형 PCS에 적용하여 시스템 효율을 증대하는데 목적이 있다. 2. 대용량 계통연계형 전력변환장치의 새로운 계통 연계 알고리즘 제어 기법 제안 계통 연계 운전을 하기 위해서는 반드시 계통의 위상정보를 정확히 측정해야 한다. 위상정보는 전체 시스템 제어에서 계통의 주파수와 위상이 동일한 상태로 전류를 공급하는데 반드시 필요하며, 그러기 위해서는 Phase Lock Loop(PLL) 알고리즘이 필요하다. 일반적인 위상추정은 3상 D-Q 변환을 통하여 D축 또는 Q축에 동위상이 되게 제어기를 구성하여 위상정보를 얻는데 3상이 이상적인 경우에는 항상 평형 상태이지만 센서의 오차나 계통의 단상부하 등으로 인해 완전 평형 상태가 아닐 경우 D-Q 변환된 전압의 성분에 리플이 상당히 섞여 있어 제어기를 안정적으로 튜닝 하는데 어려움이 있다. 본 논문에서는 이런 문제점을 해결하기 위해 지금까지 사용되지 않은 새로운 고조파 분석 방법으로 FFT (Fast Fourier Transform) 알고리즘처럼 신호를 분석하는 방법에 의한 계통위상 추정 알고리즘을 적용하여 일반적인 마이크로프로세서에서 시간적인 문제없이 FFT 할 수 있는 방법과 이를 이용하여 계통의 위상을 번거로운 Gain turning 과정 없이 직접적으로 얻는 방법을 제시한다. 계통 연계 운전에서 필수적인 보호기술은 독립운전방지 기법이다. 독립운전 상태를 알아내기 위한 여러 가지 알고리즘이 지난 십 수 연간 연구되어 왔고 기본적인 이론은 이제 정립단계에 이르렀으며, 기본적인 문제는 해결되었다. 그러나 널리 사용되고 있는 Sandia‘s Active Islanding Method은 주파수변동을 추종하게 하기 위하여 전류의 모양에 왜곡을 주는 형식을 취하게 됨으로 인해 정상상태에서도 전류의 THD를 나쁘게 한다는 단점이 있다.[71] 이러한 독립운전 방지 기법의 단점을 극복할 수 있는 독립운전 방지 알고리즘에 대해서 연구를 하였다. 본 연구에서는 정궤환을 구성하여 유효전력에 비례한 주파수의 변동 방식으로 과전압/저전압 또는 과주파수/저주파수의 형태로 독립운전을 알아내는 방법을 제시한다. 3. 실험을 통한 제안된 대용량 계통연계형 전력변환장치의 우수성 입증 모의실험을 통해 제안된 DC/DC 컨버터 토폴로지의 우수성과 새로운 계통 연계 제어 알고리즘 기법들의 타당성을 분석하고, 고찰한다. 또한 고성능의 DSP(TMS320CF2812)를 사용하여 68kW급 DC/DC 컨버터 4대와 250kW급 인버터로 이루어진 전력변환장치 시스템을 구성하고, 실험을 통해 제안된 DC/DC 컨버터 토폴로지 적용 시 MPPT 전 영역에서 고효율로 운전되고 제안된 계통연계 제어 알고리즘을 통해 전력계통 규정에 부합되고 안정된 동작을 확인함으로써 제안된 기법들의 우수성과 타당성을 입증한다.

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