[논문]태양광발전시스템의 효율적 운용과 관리를 위한 모니터링 및 제어 시스템

빈재구; 강필순; 김철우

doi:10.6109/jkiice.2007.11.3.532

문제 정의

본 논문에서는 분산형 태 양광 발전 시스템의 효율적관리 와 운용을 위한 LabVIEW 기 반의 실시간 모니 터 링및 제어 시스템을 제안한다. 제안된 시스템을 계통연계형 태양광 발전시스템에 적용하고 실험을 통해 제안된 시 스템의 타당성을 검 증한다.
본 논문에서는 분산형 태양광발전시스템의 설치 이후의 효율적인 시스템 관리와 운영을 위해서 LabVIEW 기반의 원격 모니터링 및 제어 시스템을 제안하였다. 모니터링 PC와 태양광 인버터의 DSP 제어기의 상호보완적인 설계를 통해 원격제어 및 모니터링이 가능한 효율적인 인터페이스를 구성하였다.
본 절에서는 모니터링 및 제어 대상인 계통연계형 태양광인버터의 구조에 대하여 설명한다. 제어 대상인 태양광인버터와 제어기에 대한 이해는 모니터 링 및 제어시스템 설계에 있어 매우 중요하다.

제안 방법

일부를 나타낸다. Global 변수인 PSC DATA로부터 Index 기능을 이용하여 해당 데이터를 불러오고 XYchart를 이용하여 그래프를 도시하였다. 시스템의 성능 저하를 최소화하기 위해서 Buffer를 통해 누적 데이터를 관리하도록 설계하였으며 모든 데이터는 현재 시간을 기준으로 관리 된다.
표시 되는 서브 화면을 보여준다. 각 서브 화면은 그래프를 통해 해당 데이터의 시간적인 변화량을 알 수 있도록 구성하였으며 표2에 주어진 경계값을 벗어나는경우 지시계 테두리의 LED를 점등하여 사용자가 쉽게 인지하도록 구성하였다. 경계값은 블록다이어그램의 소스코드를 변경하여 쉽게 변경할 수 있도록 구성하였다.
그러나 이러한 분산형 전원시스템을 오프라인으로 관리할경우, 발전시스템의 이상동작, 인버터 관리 등에 있어 시간적, 경제적으로 비효율적이다. 따라서 제안하는 모니터링 및 원격제어 시스템에서는 RS232 직렬 통신을 통해 DSP 제어기와 Monitoring PC 간의 인터페이스를 형성하였다. 특별한 명령이 모니터링 PC로부터 입력되지 않는 경우에 DSP는 매 5초당 1번씩 태양광 인버터의 주요 파라미 터 값을 모니 터 링 PC로 전송하게 된다.
모니터링 PC와 태양광 인버터의 DSP 제어기의 상호보완적인 설계를 통해 원격제어 및 모니터링이 가능한 효율적인 인터페이스를 구성하였다. 지령치에 따라 계통연계형 태양광인버터가 정확히 제어됨을 실험을 통해 확인하였다.
블록다이 어 그램을 보여준다. 모든 데 이 터 는 모니 터링 PC가 구동되는 시점부터 사용자가 지정한 위치에 시간에 따라 엑 셀 파일로 저 장되며 저장 간격은 사용자가 설정할 수 있도록 구성하였으며, 필요할 경우 특정 구간을 지정하여 저장된 데이터를 불러올 수 있도록 구성하였다.
풀-브리지 인버터를 통해 공급되는 전압과 계통전압과의 동위상 조건을 만족시키기 위해서 Capture 기능을 사용하여 계통의 위상을 검출하여 전류제어기의 제어 파라메타로 입력한다. 변압기 2차측 DC 전압을 ACDIN₃을 통해 검출하여 command 전압 (Vcon2)과 비교하여 전류제어기 입력으로 사용하였다. 전류 제어기는 PWM1-4를 통해 풀-브리지 인버터 스위치 의 제어신호를 출력 하게 된다.
본 시스템 에서 는 DSP에서 Fault 신호가 발생 될 경우, 태양전지의 발전전력이 경계치 이하인 경우 자동으로 계통으로 유입되는 전력이 차단되도록 구성하였으며, 이외의 경계치에 해당하는 값에서는 LED 알람을 통해 사용자에 게 경 고하는 방식 을 적용하였다.
Global 변수인 PSC DATA로부터 Index 기능을 이용하여 해당 데이터를 불러오고 XYchart를 이용하여 그래프를 도시하였다. 시스템의 성능 저하를 최소화하기 위해서 Buffer를 통해 누적 데이터를 관리하도록 설계하였으며 모든 데이터는 현재 시간을 기준으로 관리 된다.
제어기의 포화방지를 위해서 PI제어 기 내부에 Anti-windup 기능을 추가하였으며 Duty limit를 사용하여 벅-컨버터가 안정적으로 동작하도록 설계하였다. 연속의 출력전류를 형성하기 위해 푸시-풀 컨버터의 제어신호는PWM7과 PWM9 를 이용하여 입력전압과 상관없이 50%의 도통비를 가지도록 구성하였다. 풀-브리지 인버터를 통해 공급되는 전압과 계통전압과의 동위상 조건을 만족시키기 위해서 Capture 기능을 사용하여 계통의 위상을 검출하여 전류제어기의 제어 파라메타로 입력한다.
제안된 모니 터 링 및 제어 시스템 이 RS232 직렬통신을 통해 정확히 제어되는지를 계통연계형 태양광 인버터를 이용한 실험결과를 통해 증명 한다. 그림 15는 별도의 지령치가 없는 경우 표 1에 있는 데이터 패킷을5초당 1번 수신하는 파형과 수신되는 패킷을 확대한 파형을 보여준다.
제어 시스템을 제안한다. 제안된 시스템을 계통연계형 태양광 발전시스템에 적용하고 실험을 통해 제안된 시 스템의 타당성을 검 증한다.
이 제어 전압은 S/H (Sample and Hole) 블록을 통해 PI 제어기의 입력값으로 주어져 벅-컨버터의 제어신호를 DSP의 PWM11 을 통해 발생시 킨다. 제어기의 포화방지를 위해서 PI제어 기 내부에 Anti-windup 기능을 추가하였으며 Duty limit를 사용하여 벅-컨버터가 안정적으로 동작하도록 설계하였다. 연속의 출력전류를 형성하기 위해 푸시-풀 컨버터의 제어신호는PWM7과 PWM9 를 이용하여 입력전압과 상관없이 50%의 도통비를 가지도록 구성하였다.
DSP는 TI사의 TMS320F2812를 적용하였다. 최대출력점제어(Maximum Power Point Tracking: MPPT)를 수 행 하기 위해 태양전지의 전압과 전류를 검출하여 AD 변화기를 거쳐 Calculation 블록의 입력 으로 사용한다. ADCIN0은 태양전지의 전압, ADCIN₁ 은 전류를 검출하도록 구성하였다.
연속의 출력전류를 형성하기 위해 푸시-풀 컨버터의 제어신호는PWM7과 PWM9 를 이용하여 입력전압과 상관없이 50%의 도통비를 가지도록 구성하였다. 풀-브리지 인버터를 통해 공급되는 전압과 계통전압과의 동위상 조건을 만족시키기 위해서 Capture 기능을 사용하여 계통의 위상을 검출하여 전류제어기의 제어 파라메타로 입력한다. 변압기 2차측 DC 전압을 ACDIN₃을 통해 검출하여 command 전압 (Vcon2)과 비교하여 전류제어기 입력으로 사용하였다.

대상 데이터

제어기 블록도를 보여준다. DSP는 TI사의 TMS320F2812를 적용하였다. 최대출력점제어(Maximum Power Point Tracking: MPPT)를 수 행 하기 위해 태양전지의 전압과 전류를 검출하여 AD 변화기를 거쳐 Calculation 블록의 입력 으로 사용한다.

이론/모형

ADCIN0은 태양전지의 전압, ADCIN₁ 은 전류를 검출하도록 구성하였다. P&O (Perturbation and Observation) 방식 을 MPPT 방식으로 사용하였으며, 벅-컨버터로부터 검출된 DC 링크 전압(ADCIN₂)과 비교하여 제어 전입"(Vconl)을 형성한다. 이 제어 전압은 S/H (Sample and Hole) 블록을 통해 PI 제어기의 입력값으로 주어져 벅-컨버터의 제어신호를 DSP의 PWM11 을 통해 발생시 킨다.
그림 7은 그림 6의 소스코드인 블록다이어그램의 일부를 보여준다. Global 변수인 PSC DATA로부터 해당 위치의 값을 표시하기 위해서 그림 7(a)과 같이 Index 방식을 이용하였으며 각각의 데이터 값을 독립적으로 관리하기 위해서 데이터 별로 While 루프를 구성 하였다[5]. 그림 7(b)은 메인 윈도우에 위치한 버튼이 클릭 될 경우 Sub-VI로 화면을 이동시키 기 위한 소스코드를 보여준다.

성능/효과

모니터링 PC와 태양광 인버터의 DSP 제어기의 상호보완적인 설계를 통해 원격제어 및 모니터링이 가능한 효율적인 인터페이스를 구성하였다. 지령치에 따라 계통연계형 태양광인버터가 정확히 제어됨을 실험을 통해 확인하였다.

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