[논문]PPT 기반 MPPT 컨버터에 의한 태양광 발전시스템의 효율 개선

이은철; 이성룡

문제 정의

그러므로 본 논문에서는 특별한 소자의 부가나 가격의 증 가 없이 기존 태양광 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 태 양전지모듈의 특성을 분석, 부하 용량별 최적의 모듈 수 및 연결 방법을 제안하였고, MPPT 컨버터의 효율을 고려한 적 정 모듈 전압을 제시하였으며, 병렬 전력전달 (ParaUel Power Transfer, PPT) 기반 MPPT 컨버터를 채택한 태양광 발전시스템을 제안하였다. 이의 효율 향상 효과를 이론적으 로 해석하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨버터와 특성을 비교 분석하였다.
3[%]로 매우 낮은 편이며, 태양광 발전시스템의 초기 설치비 중 54[%]가 태양전지에 사용된다[1], [3]. 그러므로 태 양전지의 수요는 최소화 하고 전체 시스템의 효율은 극대화 할 수 있는 최적 연결 방법에 대한 논의가 필요하며, 본 논문에서는 DC 48[V] 부하로 연결되는 태양전지의 최적 연결 방법을 제시하였다. 표 2는 본 논문에서 제안한 태양전지의 병 .
본 논문에서는 기존의 태양광 발전 시스템의 효율 향상과 시스템 설치비용을 저감시키기 위하여, 태양전지모듈의 특성을 분석하고, 부하 용량에 따라 조합 가능한 태양전지의 모듈 수 및 연결 방법을 제시하였으며, 이에 따른 MPPT 컨버터의 전력변환 효율을 비교 분석하였다. 또한, PPT 기반 MPPT 컨버터를 제안하여 이의 효율 향상 효과를 이론적으로 해석 하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨 버터와 특성을 비교 분석한 결과, 벅 컨버터에 비하여 특별한 소자의 부가나 가격의 증가 없이 전력변환 효율을 제어전압 전 범위에서 개선 할 수 있음을 보였다.
태양광 발전시스템의 효율은 크게 태양전지의 발전효율, 케이블 전송 효율, MPPT 컨버터 등의 전력변환 효율에 의하여 결정된다. 여기서 태양전지의 경우, 발전효율이 제조공정 에 의해 결정되고, 케이블 전송효율의 경우, 태양전지와 부하 가 일정 거리 이상 떨어져 설치되는 경우가 많아 선로 내부 저항에 의한 손실을 피할 수는 없지만 이는 적정설계를 통해 약 94[%1 이상의 효율을 얻을 수 있기 때문에[2], 본 논문에서는 이들을 논외로 하고 논문 전개의 편의상 DC 부하 또는 배터리에 전력을 공급하는 DC 48[V] 전원공급용 태양광 발 전시스템에 한정하여 논의하고자 한다. 이에 따라 시스템 효 율은 태양전지에서 발생한 전력을 최대한 이용하기 위한 MPPT 컨버터의 전력변환 효율에 의해 결정되는데, 일반적으로 컨버터는 강압모드로 동작할 때 상대적으로 전력변환 효 율이 높기 때문에 태양전지의 전압을 높게 설계하는 경향이 있다.

제안 방법

식 (3)에서 전체 효율을 개선하기 위해서는 태양전지의 에너지 변환 효율을 높이고, 케이블 전송 효율과 MPPT 컨버터 의 효율을 향상시켜야 함을 알 수 있다. 그러나 태양전지의 에너지 변환 효율은 제조 공정에 의해 결정되고, 케이블 전송 효율은 적정설계를 통해 94[%] 이상의 효율을 얻을 수 있기 때문에[2], 본 논문에서는 이들을 논외로 하고 논문 전개의 편의상 DC 부하 또는 배터리에 전력을 공급하는 DC 48[V] 전원공급용 태양광 발전시스템에 한정하여 논의한다.
그림 14는 PPT 기반 MPPT 컨버터의 실험 결과 파형으로 파형 측정은 Tektronix사의 4채널 디지털 스코프인 TDS3054B 를 사용하였고, 효율 측정은 Voltech사의 PM3000A 전력분석 기를 이용하였다.
본 연구에서 제안한 PPT 기반 MPPT 컨버터가 기존의 컨 버터와 마찬가지로 태양광의 MPPT를 수행할 수 있는지를 확인하기 위하여 PSIM 시뮬레이션을 수행 하였는데 이를 그림 11과 12에 보였다. 그림 11에서 태양전지는 DLL 파일로 Visual C++ 프로그램을 사용하여 식 (4)와 표1의 파라미터를 기준으로 작성하였으며, 케이블의 내부저항은 L4[Q] 이고, MPPT 알고리즘으로는 IncCond 방법을 사용하였다[7].
이에 따라 제안된 PPT 기반 MPPT 컨버터의 효율과 설치비용 및 부하용량을 고려한 태양전지 모듈 수를 종합적으로 고려한 시스템 설계 방안을 제시하였다. 이들 제시된 이론 및 토폴로지를 보다 구체적으로 입증하기 위하여, 본 논문에서는 태양전지 모듈 PWX750 (80[Wp], Vmpp=17.3[V])< 14개 조합 (1120[Wp], Vmpp=12Ll[V])와 PPT 기반 MPPT 컨버터를 적용한 부하전 압 DC 48[V], l[kW] 전원공급용 태양광 발전 시스템을 설계 하고 구성하였다. 실험결과 제안된 시스템이 동일 조건일 때 기존의 벅 컨버터에 의한 시스템 보다 최대 2.
또한, PPT 기반 MPPT 컨버터를 제안하여 이의 효율 향상 효과를 이론적으로 해석 하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨 버터와 특성을 비교 분석한 결과, 벅 컨버터에 비하여 특별한 소자의 부가나 가격의 증가 없이 전력변환 효율을 제어전압 전 범위에서 개선 할 수 있음을 보였다. 이에 따라 제안된 PPT 기반 MPPT 컨버터의 효율과 설치비용 및 부하용량을 고려한 태양전지 모듈 수를 종합적으로 고려한 시스템 설계 방안을 제시하였다. 이들 제시된 이론 및 토폴로지를 보다 구체적으로 입증하기 위하여, 본 논문에서는 태양전지 모듈 PWX750 (80[Wp], Vmpp=17.
그러므로 본 논문에서는 특별한 소자의 부가나 가격의 증 가 없이 기존 태양광 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 태 양전지모듈의 특성을 분석, 부하 용량별 최적의 모듈 수 및 연결 방법을 제안하였고, MPPT 컨버터의 효율을 고려한 적 정 모듈 전압을 제시하였으며, 병렬 전력전달 (ParaUel Power Transfer, PPT) 기반 MPPT 컨버터를 채택한 태양광 발전시스템을 제안하였다. 이의 효율 향상 효과를 이론적으 로 해석하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨버터와 특성을 비교 분석하였다. 마지막으로 이들 제안된 이론을 기본으로 DC 48[V] 전원공급용 태양광 발전 시스템을 설계하고, 구성한 다음 PSIM 시뮬레이션을 통해 시스템의 효율 향상 효과와 유용성을 입증하였고, 실험을 통해 그 타당성을 증명하였다.
제안된 DC 48[V] 시스템의 용량별 태양전지의 최적 연결 방법에 의해 산출되어진 태양전지의 출력 전압을 각각의 고 전압 운용이 가능한 컨버터의 입력 전압으로 했을 경우 효율 과 입 . 출력 전류 및 전압의 특성을 PSIM을 이용하여 시뮬 레이션 하였다.
제안된 DC 48[V] 시스템의 용량별 태양전지의 최적 연결 방법에 의해 산출되어진 태양전지의 출력 전압을 각각의 고 전압 운용이 가능한 컨버터의 입력 전압으로 했을 경우 효율 과 입 . 출력 전류 및 전압의 특성을 PSIM을 이용하여 시뮬 레이션 하였다. 시뮬레이션 조건은 표 3과 같다.
표 3의 조건에 만족하는 출력 전류 및 입력 전류리플을 5[%] 이내로 줄이기 위해 출력 인덕터 값을 300I11HI로 정하 고, 입력 필터 인덕터 값은 150[pH] 하였으며, 출력 커패시 턴스의 값을 220[pF], 입력 필터 커패시터 값을 130[μF]으로 정하였다.
여기서, Ipv는 태양전지의 출력전류, Vpv는 태양전지의 출 력전압, Rs는 내부직렬저항, Rsh는 내부병렬저항 Iph는 광 발 생전류, los는 온도 특성 계수, q는 전하량, k는 볼쯔만 상수, A는 qn접합 재료 계수, T는 태양전지 온도이다. 한편 본 논문에서는 시뮬레이션 및 실험을 위하여, 태양전지 시뮬레이터 를 구성하여 사용하였으며 이에 적용된 태양전지 파라미터는 표 1에 보였다.

대상 데이터

이상 시뮬레이션 결과를 통해 검증된 시스템을 그림 13과 같이 DC 48[V], MkW]급 시작품을 제작 실험하였다. 실험조 건은 표 3의 시뮬레이션 조건과 일치하며, 다만 태양전지 모 듈은 표 4에서 도출한 UkW]의 제안 모듈수인 14개의 특성 (개방전압(Voc): 153.3[V], 단락전류(Isc): 10[A])을 DC 파워서 플라이 DHP300-10에 의한 시뮬레이터로 구성하여 사용하였 고, 컨버터의 스위칭 소자와 다이오드는 IGBT 모듈인 2MBI75N-060을 사용하였다.
이상 시뮬레이션 결과를 통해 검증된 시스템을 그림 13과 같이 DC 48[V], MkW]급 시작품을 제작 실험하였다. 실험조 건은 표 3의 시뮬레이션 조건과 일치하며, 다만 태양전지 모 듈은 표 4에서 도출한 UkW]의 제안 모듈수인 14개의 특성 (개방전압(Voc): 153.

이론/모형

본 연구에서 제안한 PPT 기반 MPPT 컨버터가 기존의 컨 버터와 마찬가지로 태양광의 MPPT를 수행할 수 있는지를 확인하기 위하여 PSIM 시뮬레이션을 수행 하였는데 이를 그림 11과 12에 보였다. 그림 11에서 태양전지는 DLL 파일로 Visual C++ 프로그램을 사용하여 식 (4)와 표1의 파라미터를 기준으로 작성하였으며, 케이블의 내부저항은 L4[Q] 이고, MPPT 알고리즘으로는 IncCond 방법을 사용하였다[7]. 그림 12는 커플드 인덕터를 사용한 PPT 기반 MPPT 컨버터의 파 형으로 일사량이 G=l[kW/m2] 일 때 태양전지의 출력 전압이 MPPT 전압인 이며 전류는 9.
그림 15는 PPT 기반 MPPT 컨버터를 사용한 태양광 발전 시스템의 MPPT 운전 시 파형으로 사용된 알고리즘은 IncCond 알고리즘을 적용하였고, 일사량이 G=960[W/m2] 일 때 부하 저항을 50[%]증가 하였다. 실험 결과 부하의 크기가 변해도 태양광 발전 에너지는 최대 전력 점을 추종하는 것을 알 수 있다.

성능/효과

또한 기존의 MPPT 컨버터인 벅 컨버터는 발전된 에너지 를 모두 컨버터의 전력소자를 통해 부하로 전달하게 되므로 전력소자를 통해 발생하는 손실을 피할 수 없고 부하 용량 크 기의 정격용량을 갖는 전력소자를 선정해야하는 부담이 있다. 그러나 본 연구에서 제안한 PPT 기반 MPPT 컨버터를 적 용할 경우 소자의 정격 용량은 감소하고 (태양전지의 전압이 일 경우 (Vi/Vpv)만큼만 컨버터가 담당하므로 소자의 정격 용량은 39.63[%] 감소), 효율은 최대 2.2[%]까지 향상 되는 것을 알 수 있다. 따라서 제안된 PPT 기반 MPPT 컨버터 를 기존의 태양광 발전 시스템에 적용하면, 태양전지 모듈의 수 및 MPP 전압 등이 동일 조건일 경우 별도의 소자나 회로 의 증가 없이 오히려 기존의 벅 컨버터에 비하여 소자 정격용 량을 줄이고 PPT 프로세싱에 의한 MPPT 컨버터의 전력 부 담을 줄여 여기서 발생하는 손실을 줄일 수 있어 태양광 발전 시스템 전체의 효율을 향상을 기대할 수 있다.
그림 14에서 볼 수 있는 것처럼 제안된 시스템의 전류 리 플은 1.25[%], 전압 리플은 0.67[%]로 설계 조건에 부합하고 있으며, 효율은 96.23[%]로 커플드 인덕터를 적용한 PPT 기반 MPPT 컨버터의 시뮬레이션 결과와 근접하고 있음을 알 수 있었다. 다만, Ipv의 스위칭 주기 마다 발생하는 서지는 실험에 사용된 스위치의 턴 온 및 턴 오프시 발생하는 서지의 영향으로 이는 Buck 컨버터에서도 동일하게 나타나는 문제 이다.
1 절에 언급한 바와 같은 이유로 해석의 편의상, 충분히 높고 일정하다고 가 정하고 무시한다. 따라서 PPT 기반 태양광 발전시스템은 그 림에서 볼 수 있는 것처럼 DC/DC컨버터의 입력전압(Vi)이 작을수록 효율이 커짐을 알 수 있고, 이의 효과를 구체적으로 설명하면, DC/DC 컨버터의 전력변환 효율(Eff)이 80%인 경 우에도 그림 4와 같이 PPT 방식을 적용하면 입 . 출력 전압 비(Vpv/Vo)를 1.
이는 성층형 DC 버스 바를 사용하거나 스너버 회로를 사용하여 해결 가능하다. 따라서 실험과 시뮬레이션의 결과를 종합하면 PPT 기반 MPPT 컨버터는 전압 및 전류 리플 을 제안된 조건에 부합하면서 효율은 96.23[%]로 벅 컨버터 에 비해 최대 2.2[%1까지의 효율 향상을 기대 할 수 있다.
2[%]까지 향상 되는 것을 알 수 있다. 따라서 제안된 PPT 기반 MPPT 컨버터 를 기존의 태양광 발전 시스템에 적용하면, 태양전지 모듈의 수 및 MPP 전압 등이 동일 조건일 경우 별도의 소자나 회로 의 증가 없이 오히려 기존의 벅 컨버터에 비하여 소자 정격용 량을 줄이고 PPT 프로세싱에 의한 MPPT 컨버터의 전력 부 담을 줄여 여기서 발생하는 손실을 줄일 수 있어 태양광 발전 시스템 전체의 효율을 향상을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 태양광 발전 시스템의 효율 향상과 시스템 설치비용을 저감시키기 위하여, 태양전지모듈의 특성을 분석하고, 부하 용량에 따라 조합 가능한 태양전지의 모듈 수 및 연결 방법을 제시하였으며, 이에 따른 MPPT 컨버터의 전력변환 효율을 비교 분석하였다. 또한, PPT 기반 MPPT 컨버터를 제안하여 이의 효율 향상 효과를 이론적으로 해석 하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨 버터와 특성을 비교 분석한 결과, 벅 컨버터에 비하여 특별한 소자의 부가나 가격의 증가 없이 전력변환 효율을 제어전압 전 범위에서 개선 할 수 있음을 보였다. 이에 따라 제안된 PPT 기반 MPPT 컨버터의 효율과 설치비용 및 부하용량을 고려한 태양전지 모듈 수를 종합적으로 고려한 시스템 설계 방안을 제시하였다.
이의 효율 향상 효과를 이론적으 로 해석하고, 기존에 널리 사용되고 있는 벅(Buck) 타입 MPPT 컨버터와 특성을 비교 분석하였다. 마지막으로 이들 제안된 이론을 기본으로 DC 48[V] 전원공급용 태양광 발전 시스템을 설계하고, 구성한 다음 PSIM 시뮬레이션을 통해 시스템의 효율 향상 효과와 유용성을 입증하였고, 실험을 통해 그 타당성을 증명하였다.
그림 15는 PPT 기반 MPPT 컨버터를 사용한 태양광 발전 시스템의 MPPT 운전 시 파형으로 사용된 알고리즘은 IncCond 알고리즘을 적용하였고, 일사량이 G=960[W/m2] 일 때 부하 저항을 50[%]증가 하였다. 실험 결과 부하의 크기가 변해도 태양광 발전 에너지는 최대 전력 점을 추종하는 것을 알 수 있다.
3[V])< 14개 조합 (1120[Wp], Vmpp=12Ll[V])와 PPT 기반 MPPT 컨버터를 적용한 부하전 압 DC 48[V], l[kW] 전원공급용 태양광 발전 시스템을 설계 하고 구성하였다. 실험결과 제안된 시스템이 동일 조건일 때 기존의 벅 컨버터에 의한 시스템 보다 최대 2.2[%]까지 효율 을 개선 할 수 있음을 보였다.
이상, 시뮬레이션과 실험결과를 종합하면 태양광 발전시스템의 설계 시에 시스템의 효율, 부하 용량, 설치비용 등을 고려하여 종합적으로 판단할 필요가 있고, 이에 따라 태양전 지 모듈로 PWX750 (80[Wp], Vmpp=17.3[V])을 사용할 경우, 부하 용량 300[W]는 태양전지 모듈 4개(320Wp, Vmpp=69.2[V]) 로, 500[W]는 태양전지 모듈 77fl(560[Wp], Vmpp= 121.HV])로, 1[KW]는 태양전지 모듈 14개(1120[Wp], Vmpp=12Ll[V])로 구 성하는 것이 바람직하다.
255. 제어했을 때 변환 효율이 96% 이상으 로 향상됨을 보여준다.
표 4는 표 2에 보인 각 부하 용량별로 조합 가능한 태양 전지 모듈의 수와 그 때의 최대출력전압 (Vmpp) 에 따른 MPPT 컨버터의 전력변환 효율을 기존의 벅 컨버터와 제안 된 컨버터에 대해서 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 표 4에서 알 수 있는 바와 같이 조합 가능한 태양전지 MPP 전압은 전 범위에서 본 연구에서 제안한 PPT 기반 MPPT 컨버터가 기존의 벅 컨버터에 비하여 전력변환 효율이 높고, 최대 2.2[%]까지 효율 개선효과를 가짐을 알 수 있다. 한편, 시스템 설치비용 면에서 보면 조합 가능한 태양전지 모듈의 수가 적을수록 좋기 때문에 각 부하 용량별로 태양전지의 모듈 수가 300[W]에서 4개, 500[W]에서 7개, l[kW]에서 13개일 때 가 최적이지만, 컨버터의 전력변환 효율은 이 경우가 최적이 아님을 알 수 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] PPT 기반 MPPT 컨버터에 의한 태양광 발전시스템의 효율 개선
An Efficiency Improvement of the Photovoltaic Generation System by Using the PPT based MPPT Converter 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] PPT 기반 MPPT 컨버터에 의한 태양광 발전시스템의 효율 개선 An Efficiency Improvement of the Photovoltaic Generation System by Using the PPT based MPPT Converter 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이은철 (1) 이성룡 (19)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] PPT 기반 MPPT 컨버터에 의한 태양광 발전시스템의 효율 개선
An Efficiency Improvement of the Photovoltaic Generation System by Using the PPT based MPPT Converter 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper