[논문]모듈형 계통연계 태양광 PCS

서현우; 권청민; 김응호; 권봉환

모듈형 계통연계 태양광 PCS
Modular Line-connected Photovoltaic PCS 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.2, 2008년, pp.119 - 127

서현우 (포항공대 전자전기공학과) , 권청민 (포항공대 전자전기공학과) , 김응호 (포항공대 전자전기공학과) , 권봉환 (포항공대 전자전기공학과)

초록
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본 논문에서는 모듈형 계통연계 태양광 PCS (photovoltaic power conditioning system)를 제안하였다. 능동-클램프 회로와 듀얼 직렬-공진 정류 회로를 이용하여 높은 입출력 전압 비를 효과적으로 구현하고 효율을 높인 승압형 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 최대 전력점 추종 특성을 개선한 IncCond (incremental conductance) 방식의 MPPT (maximum power point tracking) 알고리즘을 사용하였다. 이 때 DC 전류 센서를 사용하지 않고 태양전지 모듈 (PV module)의 전류를 예측한다. 선형화 기법을 사용한 출력 전류 제어기로 인버터를 제어하여 단위 역률을 실현하였다. 모든 알고리즘과 제어기를 하나의 마이크로컨트롤러로 구현하고 제안된 DC-DC 컨버터와 제어기의 우수성을 실험을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the modular line-connected photovoltaic PCS (photovoltaic power conditioning system) is proposed. A step-up DC-DC converter using a active-clamp circuit and a dual series-resonant rectifier is proposed to achieve a high efficiency and a high input-output voltage ratio efficiently. An IncCond (incremental conductance) MPPT (maximum power point tracking) algorithm that improves MPPT characteristic is used. The PV module current is estimated without using a DC current sensor. By control a inverter using a linearized output current controller, a unity power factor is achieved. All algorithms and controllers are implemented on a single-chip microcontroller and the superiority of the proposed DC-DC converter and controllers is proved by experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모듈형 계통연계 태양광 PCS를 제안하였다. 능동-클램프 회로와 듀얼 직렬-공진 정류 회로를 이용한 승압형 DC-DC 컨버터를 통해 효율을 향상시키고 태양광 모듈 전류를 예측하여 MPPT를 수행하고 모든 제어기와 알고리즘을 단일 마이크로컨트롤러로 구현함으로써 PCS의 가격을 낮추고 회로 구성을 간단히 할 수 있었다.

가설 설정

3) 변압기의 1차 권선과 병렬로 자화 인덕턴스 為이 존재하고 2차 권선과 직렬로 누설 인덕턴스 1众가 존재한다.
5) 공진 커패시터 Gi과 *의 값은 서로 같다. (C 二 C*G )

제안 방법

MPPT 효율은 일사량에 따라 다르게 나타나므로 시뮬레이터로 일사량을 변화시켜 MPPT 효율을 측정하였다. 표 3은 입력 전력에 따른 MPPT 효율을 나타낸다.
전류의 측정을 통한 제어가 필요하다. 본 논문에서는 DC 전류 센서를 사용하지 않고 태양광 모듈의 전류를 예측하여 예측한 전류 값을 MPPT 제어에 이용한다. 계통 전압과 전류는 다음 식과 같다.
DC 전류 센서는 양전원 뿐만 아니라 음 전원도 필요하여, 음 전원을 위한 부가 회로가 필요하다. 본 논문에서는 태양광 모듈 전류 예측을 통해 MPPT 제어를 수행하여 DC 전류 센서를 사용하지 않았다. 따라서 회로 구성을 보다 간단히 하였으며, PCS의 가격을 절감하였다.
제안하는 모듈형 계통연계 태양광 PCS의 모든 알고리즘과 제어기를 소프트웨어로 작성하여 Microchip 사의 dsPIC₃₀F3011 을 이용하여 단일 마이크로컨트롤러로 구현하였고 전체 제어 블록 다이어그램은 그림 6과 같다.
제안하는 승압형 DC-DC 컨버터의 1차 측 능동-클램프 회로는 주 스위치의 전압 스파이크를 감소시키고 보조 스위치의 영 전압 스위칭 (ZVS: zero-voltage switching) 을 제공한다. 그리고 2차 측 듀얼 직렬-공진 정류 회로는 2차 측 다이오드 전압을 출력 전압으로 클램프 시키고 영 전류 스위칭 (ZCS: zero-current switching)을 제공하기 때문에 다이오드의 역 회복 (reverse recovery) 특성으로 인한 손실을 제거한다.
태양광 모듈의 전류를 예측하는 방식, MPPT, 그리고 출력 전류 제어 등은 참고 문헌 [4]에서 제안한 방식을 사용하였으며, 4.1 ~4.3장에 간단한 내용을 나타내었다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 모듈형 계통연계 태양광 PCS의 성능 시험을 위해 IkW급 시제품을 제작하였다. 모듈형 계통연계 태양광 PCS 시제품의 모습은 그림 7과 같고 주요 파라미터는 표 1과 같다.

이론/모형

DC-AC 인버터는 단상 풀-브릿지로 구성되어 있으며 단극성 PWM 방식을 사용한다. 단극성 PWM 방식은 양극성 PWM 방식에 비해 유효 스위칭 주파수가 두 배가 되고 출력 리플 전류가 적어 단위 역률 제어에 유리한 장점을 지닌다⑸ 계통 전압 陽가 양의 값을 갖는 반 주기 동안 스위치 &는 항상 턴-온 상태로 설정하고 스위치 &와 &를 이용하여 PWM 파형을 만든다.
MPPT를 위해 MPP 추종 특성을 개선한 IncCond 방식의 MPPT 알고리즘을 사용하였다. DC 전류 센서는 양전원 뿐만 아니라 음 전원도 필요하여, 음 전원을 위한 부가 회로가 필요하다.
IncCond 방식은 태양광 모듈의 전력 기울기를 구하여기준 전압 변동량을 조절하기 때문에 빠른 MPPT 성능을 보인다. 본 논문에서는 MPP 추종 특성을 개선한 IncCond 방식의 MPPT 알고리즘을 사용한다(4) 태양광 모듈의 전력 기울기 8는 태양광 모듈의 전압 변화량과 전류 변화량 eVpv, 로부터 다음과 같이 구할 수 있다.

성능/효과

4) 입력 커패시터 G와 클램프 커패시터 G의 값이 크기 때문에 입력 전압 μ所와 클램프 커패시터 전압 乙는 일정하다.
8(b)와 같다. MPPT 효율 98.5%를 확인하였다.
능동-클램프 회로와 듀얼 직렬-공진 정류 회로를 이용한 승압형 DC-DC 컨버터를 통해 효율을 향상시키고 태양광 모듈 전류를 예측하여 MPPT를 수행하고 모든 제어기와 알고리즘을 단일 마이크로컨트롤러로 구현함으로써 PCS의 가격을 낮추고 회로 구성을 간단히 할 수 있었다. lkW급 시제품을 제작하여 실험을 통해 제안하는 모듈형 계통연계 태양광 PCS의 성능을 확인하였으며 정격 전력에서 92.7% 이상의 전력변환 효율과 98% 이상의 MPPT 효율을 확인하였다.
기존의 능동-클램프 회로 (active-clamp circuit)# 이용한 플라이백 (flyback) 컨버터는 누설 인덕턴스에 저장되는 에너지의 재활용이 가능하고 스위치의 전압 스트레스를 저감하는 장점을 지니지만 높은 내압을 갖는 출력 다이오드로 인한 효율 감소, 변압기의 높은 권선 비로 인한 누설 인덕턴스 등 변압기의 기생 성분으로 인한 효율 감소 등의 단점을 지닌다(3) 본 논문에서 제안하는 능동-클램프 회로와 듀얼 직렬-공진 정류 회로 (dual series-resonant rectifier)를 이용한 컨버터는 변압기의 권선 비를 낮추고 출력 다이오드에 최대로 인가되는 전압을 출력 전압으로 제한하기 때문에 전력 변환 효율이 높다는 장점을 지닌다. MPPT를 위해 MPP 추종 특성을 개선한 IncCond 방식의 MPPT 알고리즘을 사용하였다.
능동-클램프 회로와 듀얼 직렬-공진 정류 회로를 이용한 승압형 DC-DC 컨버터를 통해 효율을 향상시키고 태양광 모듈 전류를 예측하여 MPPT를 수행하고 모든 제어기와 알고리즘을 단일 마이크로컨트롤러로 구현함으로써 PCS의 가격을 낮추고 회로 구성을 간단히 할 수 있었다. lkW급 시제품을 제작하여 실험을 통해 제안하는 모듈형 계통연계 태양광 PCS의 성능을 확인하였으며 정격 전력에서 92.
보조 스위치의 영 전압 스위칭, 다이오드의 영 전류 스위칭이 이루어져 전력 변환 효율을 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다
표 2는 태양광 모듈 전압과 출력 전력에 대한 전력변환 효율을 나타내며 lkW 정격 전력에서 92.7% 이상이었으며, 최대 전력 변환 효율은 93.9%이었다. MPPT 효율은 다음과 같이 정의된다.

참고문헌 (5)

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Bor-Ren Lin, Huann-Keng chiang, Kao-Cheng Chen, David Wang, "Analysis, design and implementation of an active clamp flyback converter", Power Electronics and Drives Systems, International Conference on, Vol. 1, pp. 16-18, 2006, Jan.
Jung-Min Kwon, Kwang-Hee Nam, Bong-Hwan Kwon, "Photovoltaic Power Conditioning System With Line Connection", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 53, pp. 1048-1054, 2006, June

상세보기
S. Halasz, G. Csonka, A.A.M. Hassan, B.T. Huu, "Analysis of the Unipolar PWM Techniques", Electrotechnical Conference, 1996. MELECON '96., 8th Mediterranean, Vol. 1, pp. 13-16, 1996, May

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