[논문]변형된 승강압 컨버터의 병렬구동에 의한 태양광발전

이희창; 박성준; 박수식; 문채주; 이만형; 김종달

변형된 승강압 컨버터의 병렬구동에 의한 태양광발전
Photovoltaic Generation by Parallel Driving of Modified Buck-boost Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.9 no.5, 2004년, pp.457 - 466

이희창 (부산대 기계기술연구소) , 박성준 (전남대 전기공학과) , 박수식 ((주)이안테크놀로지) , 문채주 (목포대 전기공학과) , 이만형 (부산대 공대 기계공학부) , 김종달 (동명대학)

초록
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본 논문에서는 태양광 컨버터로서 변형된 벅-부스트 컨버터를 제안하고 분석하며, 출력을 증가시키고 출력전압의 리플을 저감하기 위한 새로운 병렬 구동 기법을 제안한다. 변형된 컨버터의 입ㆍ출력 관계는 기존의 승압형 컨버터인 부스트 컨버터와 동일하지만, 출력단자의 구성을 변형시켜 출력 콘덴서의 동작전압과 커패시턴스 용량을 저감시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한 변형된 컨버터와 전류 제어 기법을 이용하는 제안된 병렬구동 기법은 기존병렬 구동 방식의 전류 분배에 대한 불평등 문제를 해결할 수 있으며, 부가적인 스위칭 손실의 증가 없이 등가 스위칭 주파수를 증가 시킬 수 있어 출력전압 리플 저감에 효과적이다. 제안된 병렬 구동 기법의 타당성을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a modified converter is presented and analyzed to use as a photovoltaic converter. And also a new parallel driving scheme is proposed to increase output power and to reduce the output voltage ripple. The ratio of the output to the input voltage of the modified converter is equal to that of the boost converter. The difference between both converters is the composition of output terminal. Owing to the discrepancy, a working voltage of the output capacitor of the modified converter becomes lower, thus the capacitance value of the capacitor can be smaller than that of the boost converter. The proposed parallel driving is based on the modified converter and a current-mode-control method. It gives a good solution for alleviating the current sharing unbalance problem of conventional parallel operations. It reduces the output voltage ripple by means of increasing the equivalent switching frequency without additional switching losses. The validity of the proposed parallel driving strategy is verified through computer-aided simulations and experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 벅-부스터 컨버터를 변형한 태양광 발전에 적합한 새로운 DC/DC 컨버터 전력회 로를 제안하고, 컨버터의 출력증대 및 특성개선을 위해 DC/DC 컨버터의 병렬운전 기법을 제안하였다. 제안된 병렬운전 기법은 DC/DC 컨버터 간의 파라미터 가 상이하여도 부하분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 기법이다.

가설 설정

3으로 설정하고, 상 스위칭 신호에 위상차를 두지 않은 경우의 시뮬레이션 결과이다. 이때의 스위 칭 주파수는 20 [kHz]로 설정하였으며, 각 컨버터는 동일한 특성을 갖는다고 가정하였다. 그림에서 알 수 있듯이 4조의 컨버터의 스위칭 신호가 동일하게 인가 됨으로 각 컨버터의 인덕터 전류(為 iB, ic, 仍)는 동일한 형태를 취하고 있다.

제안 방법

본 논문에서는 태양광 발전에 적합한 전력회로를 위해 입력전압과 직렬형태를 취하여 출력전압을 형성할 수 있는 새로운 변형된 컨버터 제안하였으며, 컨버터 의 출력증대 및 특성개선을 위해 DC/DC 컨버터의 병 렬회로로 구성하였다. 또한 병렬구동 컨버터에서 부하 분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 기법을 제안 하였다. 제안한 병렬구동 컨버터를 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 입증하고 시작품으로 구성하여 시험한 결과, 스위칭 주파수의 증대효과 및 부하분담 특성이 양호한 것으로 나타났다.
제안한 DC/DC 전력회로는 벅-부스 터 컨버터의 기본 토폴로지에서 태양광 발전에 적합하 도록 출력 콘덴서의 접속을 다르게 하여 구성하였으며, DC/DC 컨버터의 특성 개선을 위해 컨버터 4개를 병렬로 구성하여 등가 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있어 출력전압 리플 저감이 가능하다. 또한 병렬로 연 결된 변형된 DC/DC 컨버터에서 부하분담 비율을 우 수하게 하기 위해 전류 피드백에 의한 스위칭 함수를 구현하였다. 제안된 컨버터 및 제어방식의 타당성을 검증하기 위해 L2 [kW]급 시작품을 제작하고 태양전 지 모듈(solar array)을 이용하여 제안된 변형된 컨버 터와 전류제어기법을 이용하는 시스템의 우수한 출력 전압 리플 저감 특성과 전류 불평형 문제를 해결하였 음을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 태양광 발전에 적합한 전력회로를 위해 입력전압과 직렬형태를 취하여 출력전압을 형성할 수 있는 새로운 변형된 컨버터 제안하였으며, 컨버터 의 출력증대 및 특성개선을 위해 DC/DC 컨버터의 병 렬회로로 구성하였다. 또한 병렬구동 컨버터에서 부하 분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 기법을 제안 하였다.
DSP TMS320F2406 은 자체에 2개의 타이머를 갖고 12개의 PWM 출력단 자를 가지고 있다. 본 제어기에서는 타이머 1과 타이 머 2의 값을 90° 위상차를 갖는 값으로 초기화하여 사 용하고, 각 타이머에서 발생되는 정 및 부의 PWM 단 자를 사용함으로 위상차 90°를 갖는 4개의 연속적인 펄스를 발생하게 하여 각 컨버터의 스위치를 온(ON) 하게 하였으며, 각 컨버터의 전류를 피드백하여 지령 전류와 비교하여 각 컨버터의 스위치를 오프(OFF)하 게 하였다. 이때 전류신호에는 스위칭 노이즈에 의한 오동작을 방지하기 위해서 저역통과 필터를 사용하였다.
그림 9는 태양광 발전용 DC/DC 컨버터의 전체 제어 블록도를 나타내고 있다. 우선 DSP의 자체 12-bit AID를 통하여 태양전지의 전압, 출력전압 및 전류를 검출한다. 각 센서로부터 검출된 전압 전류로부터 태 양전지의 동작전압을 제어하여 MPPT가 되도록 제어 한다.
그림 13은 전류제어기에 사용되는 전류센서 및 제어 기의 LPF(low-pass filter)에 대한 특성을 고찰하기 위한 파형을 나타내고 있다. 전류센서의 LPF의 시정수는 시험적으로 스위칭 노이즈를 제거하기 위해서 약 1 [佛]로 설정하였고, 전류 제어기의 시정수는 약 1 [ms] 로 설정하였다. 그림 14는 제안된 병렬 구동 컨버터에서 각 컨버터의 상 스위치 온 신호를 나타내고 있으며, 네 개의 각 스위칭 신호는 정확하게 90。의 위상차 를 갖고 있음을 알 수 있다.
그림 12는 제작된 병렬 컨버터의 시작품 사진을 나타내고 있다. 정격용량이 300 [W]인 인버터 4조를 사용하여 병렬 구동방식으로 구성하였으며, DSP에서 모든 제어를 행하게 하였다. 제작된 시작품의 파라메타 를 표 1에 정리하였다.
또한 병렬로 연 결된 변형된 DC/DC 컨버터에서 부하분담 비율을 우 수하게 하기 위해 전류 피드백에 의한 스위칭 함수를 구현하였다. 제안된 컨버터 및 제어방식의 타당성을 검증하기 위해 L2 [kW]급 시작품을 제작하고 태양전 지 모듈(solar array)을 이용하여 제안된 변형된 컨버 터와 전류제어기법을 이용하는 시스템의 우수한 출력 전압 리플 저감 특성과 전류 불평형 문제를 해결하였 음을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
그림 3(c)는 기존의 벅-부스터 컨버터를 변형하여 태양광 발전에 적합한 새로운 승압형 컨버터이다. 제안된 컨버터는 벅-부스터 컨버터의 입력전압과 출력 전압이 직렬로 연결되도록 출력단자를 인출하였고, 스 위칭 소자의 게이트 전원 신호를 입력전압을 바로 사용할 수 있도록 스위치의 위치를 바꾼 형태를 하고 있다. 이러한 구조로 인하여 출력단의 콘덴서 용량을 부 스터 컨버터에 비하여 적게 할 수 있는 장점을 가진 상태에서 부스터 컨버터와 동일한 특성을 갖는 장점이 있다.

이론/모형

각 센서로부터 검출된 전압 전류로부터 태 양전지의 동작전압을 제어하여 MPPT가 되도록 제어 한다. 이때 태양전지의 전압제어 알고리즘은 P&O (perturbation and observation) MPPT법을 사용하였다 [161. P&O MPPT에서 발생한 전압을 제어하기 위한 전 류 지령치는 비례적분 제어기를 사용하여 전류 지령치 를 발생하였다.

성능/효과

따라서 출력 콘덴서의 동작전압이 기존의 부스터 컨버터에 비해 낮 아져, 동일한 출력전압 리 플율에서 콘덴서 용량이 적 어지는 장점이 있다. 둘째, 적은 출려 콘덴서 용량으로 인하여 기동시 초기 돌입전류가 적 다는 장점이 있다.
이러한 불연속 전류는 일반적인 인버터에서 출력전압 리플을 증가시키는 요인 임으로 DC/DC 컨버터의 약점으로 알려져 있다. 또한 시뮬레이션 결과 각 컨버터 시비율이 다른 상신호가 인가될 경우 전력분담은 시비율이 제일 큰 쪽으로 몰 림을 확인하였다.
그림 17은 일정 전류 제어모드로둔 상태에서 출력전압변동에 따른 출력측 전압 리플율 에 대한 시험결과이다. 입력전압 출력전압 비가 적은 부 분에서는 제안된 인버터의 출력 리플율은 기존의 것과 비슷한 결과를 가지나, 출력전압이 어느 정도 높은 부분 에서는 기존의 인버터 방식에 비하여 제안된 인버터 방 식이 출력전압 리플에서 매우 우수함을 알 수 있다.
제안된 병렬운전 기법은 DC/DC 컨버터 간의 파라미터 가 상이하여도 부하분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 기법이다. 제안한 DC/DC 전력회로는 벅-부스 터 컨버터의 기본 토폴로지에서 태양광 발전에 적합하 도록 출력 콘덴서의 접속을 다르게 하여 구성하였으며, DC/DC 컨버터의 특성 개선을 위해 컨버터 4개를 병렬로 구성하여 등가 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있어 출력전압 리플 저감이 가능하다. 또한 병렬로 연 결된 변형된 DC/DC 컨버터에서 부하분담 비율을 우 수하게 하기 위해 전류 피드백에 의한 스위칭 함수를 구현하였다.
또한 병렬구동 컨버터에서 부하 분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 기법을 제안 하였다. 제안한 병렬구동 컨버터를 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 입증하고 시작품으로 구성하여 시험한 결과, 스위칭 주파수의 증대효과 및 부하분담 특성이 양호한 것으로 나타났다.
그러나 제안된 컨버터는 기존의 부스터 컨버터와 비교하여 다음의 몇 가지 장점을 가진다. 첫째, 기존의 부 스터 컨버터의 출력 전압은 출력 콘덴서 전압을 사용 하나 제안된 컨버터에서는 출력전압이 입력전압과 출 력 콘덴서 전압의 합으로 사용하게 된다. 따라서 출력 콘덴서의 동작전압이 기존의 부스터 컨버터에 비해 낮 아져, 동일한 출력전압 리 플율에서 콘덴서 용량이 적 어지는 장점이 있다.
그림 16은 A상 컨버터의 게이트 신호 및 A상, B상, C상 인덕터에 흐르는 전류파형을 나타내고 있다. 파형 에서 일수 있듯이 각 인덕터 전류는 전기적으로 90°를 유지하면서 형태를 취하고 있어 컨버터의 병렬 운전으 로 인하여 컨버터 출력전류에는 스위칭 주파수의 상승 효과가 나타나며, 각 컨버터의 부하분담 특성은 매우 우수하게 나타났다. 그림 17은 일정 전류 제어모드로둔 상태에서 출력전압변동에 따른 출력측 전압 리플율 에 대한 시험결과이다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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