[논문]태양광 발전 시스템의 노이즈 감소와 상태추정을 위한 비선형 제어기 설계

김일송

태양광 발전 시스템의 노이즈 감소와 상태추정을 위한 비선형 제어기 설계
Nonlinear Controller Design for Noise Reduction and State Estimation in the Photovoltaic Power Generation System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.4, 2009년, pp.261 - 267

김일송 (충주대 전기공학과)

초록
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최대전력점 추적기는 태양광 발전시스템의 대표적인 기능이다. 최대 전력점을 추종하기 위해서는 태양전지의 전압과 전류의 측정을 필요로 한다. 만약 측정 신호에 노이즈가 포함되어 있으면 발생되는 전력이 감소되어 태양광 발전의 효율이 감소하게 된다. 노이즈가 포함된 신호에 확장 칼만 필터 이론을 적용하여 최적의 추정된 신호를 얻어 낼 수 있다. 칼만 필터는 랜덤 노이즈가 포함된 신호에서 최적의 신호를 얻어내는데 사용된다. 또한 칼만 필터의 적용결과로 인덕터 전류와 같은 측정하지 않는 신호도 센서리스 추정이 가능하다. 본 논문에서는 시스템 모델링 방법과 확장 칼만 필터 설계 방법이 소개된다. 실험 결과로서 제안된 제어기의 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the measurement noise or system noise, the performance of photovoltaic power generation system can be degraded. If this noise is contained in the solar array voltage measurement signal, the correct operation of the maximum power point tracker can not be guaranteed. The application of the extended Kalman filter to the photovoltaic system can obtain enhanced states estimation result. The Kalman filter provides a recursive solution to optimally estimate from random noise signals. Additionally, as a consequence of Kalman filter, the unmeasurable state such as inductor current can be estimated without current sensor. The methods for system modeling and extended Kalman filter design are presented and the experimental results verify the validity of the proposed system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 칼만 필터와 같은 상태추정기를 사용하여 외란을 포함한 신호에서 신호대 잡음비를 높이는 기법에 대해 논의한다^[8-12]. 또한 인덕터 전류를 직접 측정하지 않고 상태 추정기에 의해서 알아내는 방법에 대해서도 논의한다.
본 연구에서는 노이즈를 포함한 태양광 시스템에서 신호의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 비선형 제어기 설계 방법을 제시하였다. 시스템 모델링과 확장 칼만 필터 설계 방법이 제시되었고 시뮬레이션과 실험을 통해서 성능을 입증하였다.
또한 뇌우나 계통에서 유입되는 원하지 않는 노이즈 성분들은 시스템 성능을 감소시키고, 동작시 문제를 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 칼만 필터와 같은 상태추정기를 사용하여 외란을 포함한 신호에서 신호대 잡음비를 높이는 기법에 대해 논의한다^[8-12]. 또한 인덕터 전류를 직접 측정하지 않고 상태 추정기에 의해서 알아내는 방법에 대해서도 논의한다.

가설 설정

기존의 모든 연구는 시스템 모델링이 완벽하고 관측 신호에 외란이 존재하지 않는다는 가정 하에서 이루어졌다. 보통 태양전지는 넓은 야외에 설치되고 전력 변환기는 실내에 설치된다.

제안 방법

초기화 후에 칼만 필터는 각 측정간격(k interval)에 두 개의 단계로 수행된다. 먼저 현재의 상태값을 예측(state estimate update) 하고, 다음 실제 측정값을 이용하여 예측된 값을 보정(measurement update)하는 것이다. 주어진 시스템이 비선형이기 때문에 테일러 공식을 이용하여 시스템 행렬 A 를 선형화 하면 선형화된 시스템 행렬을 이용하여 확장 칼만 필터 구성은 다음과 같이 주어진다.
본 연구에서는 노이즈를 포함한 태양광 시스템에서 신호의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 비선형 제어기 설계 방법을 제시하였다. 시스템 모델링과 확장 칼만 필터 설계 방법이 제시되었고 시뮬레이션과 실험을 통해서 성능을 입증하였다. 제안된 제어기는 최적의 MPPT 설계 뿐만 아니라, 센서리스 전류 제어기 설계도 가능하여 시스템의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
기본 동작원리는 다음과 같다. 전류원으로 구성된 8개의 소스를 결합하여 최대 8A의 단락전류(short current)를 생성하고, 제어단에서 주어진 파라미터 값을 만족시킬 수 있도록, 전압에 따라서 제어되는 기준 전류값을 생성한 후, PI 제어기를 사용하여 기준전류와 출력전류가 일치하도록 제어한다.
그림 5에 제안된 제어기의 구성도가 나타나 있다. 제안된 시스템에서는 실제 신호 대신에 칼만필터을 사용하여 S/N비가 향상된 신호인 태양전지 추정 전압과 인덕터 추정 전류를 사용하고 있다.
제안된 시스템의 성능을 입증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 하였다. 표 1에 시뮬레이션과 실험에 사용된 태양전지 파라미터와 회로 시상수들에 대한 값이 표시되어 있다.
칼만 필터의 상관 메트릭스(covariance matrix) S_v 영향을 알아보기 위해 S_v 값을 1에서 1000 그리고 0.001 로 변화시키면서 추정값들을 표시하였다. 아래 그림에서 보는 것처럼, 적절한 S_v의 선정은 추정값들의 정확도를 높이는데 아주 중요한 역할을 하고 있다.

대상 데이터

표 1에 시뮬레이션과 실험에 사용된 태양전지 파라미터와 회로 시상수들에 대한 값이 표시되어 있다. 태양전지의 특성을 모사하기 위한 태양전지 시뮬레이터가 실험에 사용되었다. 태양전지 시뮬레이터(그림 6)는 FET를 이용한 current source와 제어단으로 구성되어 있다.

데이터처리

기존 시스템과 제안된 시스템의 최대 전력점 추적능력을 비교 실험하였다. 그림 10에 기존방법과 제안된 방법으로 수행한 시험 결과가 나타나 있다.

성능/효과

효율은 태양전지에서 생성된 전력 대비 가능한 최대전력의 비로 측정된다. 기존 방법은 최대 77%의 추적능력을 보여주고 있는 반면, 제안된 시스템은 98%의 매우 우수한 능력을 보여주고 있다.
제안된 제어기는 최적의 MPPT 설계 뿐만 아니라, 센서리스 전류 제어기 설계도 가능하여 시스템의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다. 실험 결과 기존 시스템에 비해 노이즈가 포함된 환경하에서도 매우 우수한 성능을 가짐을 입증하였다.
최대전력점 추적기는 측정된 태양전지 전압 대신 S/N비가 개선된 추정값을 사용하고 있고, 배터리 충전 제어기는 측정된 인덕터 전류 대신 노이즈가 감소된 추정값을 사용하고 있다. 제안된 제어기 구성은 외란이 존재하는 환경하에서 사용될 수 있으며, 또한 센서리스 시스템 구성이 가능하여 시스템의 저 가격화와 복수의 Redundant 시스템 구성이 가능하여 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
시스템 모델링과 확장 칼만 필터 설계 방법이 제시되었고 시뮬레이션과 실험을 통해서 성능을 입증하였다. 제안된 제어기는 최적의 MPPT 설계 뿐만 아니라, 센서리스 전류 제어기 설계도 가능하여 시스템의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다. 실험 결과 기존 시스템에 비해 노이즈가 포함된 환경하에서도 매우 우수한 성능을 가짐을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Perturb & Observe 방법은 무엇인가?	태양전지의 출력이 온도나 입사량과 같은 외부 환경 요인에 의해서 변화하기 때문에, 변화량을 추적할 수 있는 시스템이 필요하다. 이를 최대 전력 추적기라 하고 동작점을 순차적으로 변화시키면서, 발생되는 전력의 변화를 관찰하는 방식을 Perturb & Observe (P&O) 방법이라 한다. 이 방법은 간단하면서도 신뢰성이 높아 가장 많이 사용되고 있으며 태양전지의 전압과 전류의 측정을 필요로 하게 된다[1-7].
	독립형 태양광 시스템의 제어기는 어떤 기능을 수행하는가?	독립형 태양광 시스템의 가장 일반적인 응용분야는 배터리 충전시스템이고, 회로와 제어기 구성이 그림 3에 나타나 있다. 제어기는 두 기능을 수행하는데1) 태양전지의 최대 전력점을 찾아서 추종하는 기능2) 배터리 충전상태를 유지하기 위한 배터리 충전 제어 기능이다.
	태양전지 셀의 전기적인 등가모델은 무엇으로 이뤄지는가?	태양전지 셀의 전기적인 등가모델은 빛에 의해서 생성된 전류원, 등가 다이오드, 직렬 저항과 병렬저항으로 이루어져 있으며 회로 구성은 그림 1에 표시되어 있다. 셀 단자 전압과 전류 방정식은 아래와 같이 이루어져 있다.

참고문헌 (12)

서현우, 권정민, 권봉환, '무변압기형 3상 계통연계 PV PCS', 전력전자학회 논문집, 제12권, 제5호. pp. 355 -363 2007. 10
J.M Han, B.H. Jeong, J.S. Gho and G.H. Choe: 'Analysis of PWM converter for V-I output characteristics of solar cell', Journal of Power Electronics, Vol. 3, No. 1, pp. 62-67, 2003. 1

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E. Koutroulis, K. Kalaitzakis and et al, 'Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system', IEEE Trans. Power Electronics, Vol.16, No.1, Jan., pp. 46-54, 2001

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지상근, 권두일, 유철희, 한상규, 노정욱, 이효범, 홍성수, 'One switching cycle내에 최대 전력점을 추종하는 태양광 발전의 아나로그 MPPT 제어 시스템', 전력전자학회 논문집, 제14권, 제2호. pp. 89 - 95 2009. 4
I.S.Kim, M.B.Kim and M.J.Youn, 'New maximum power point tracker using sliding-mode observer for estimation of solar array current in the grid-connected photovoltaic system', IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 53 No. 4, pp. 1027-1035, 2006, Aug

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B.M. Ho and H.S. Chung: 'An integrated inverter with maximum power tracking for grid-connected PV systems', IEEE Trans., PE-20, (4), pp. 953-962, 2005
N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo and M. Vitelli:'Optimization of perturb and observer maximum power point tracking method', IEEE Trans., PE-20, (4), pp. 963-973, 2005
K.W.Kim and S.K. Sul, 'A new motor speed estimator using Kalman filter in low-speed range', IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 43, No. 4, pp. 498-504, 1996, Aug

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K.W.Kim and S.K. Sul: 'A new motor speed estimator using Kalman filter in low-speed range', IEEE Trans., IE-43, (4), pp. 498-504, 1996
J.R. Kim, K.B. Shim and J.H. Kim: 'Load modeling of electric locomotive using parameter identification', Journal of Electrical Engineering & Technology, 2,

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G. L. Plette: 'Extended kalman filtering for battery management system of LiPB-based HEV battery packs -Part 1, 2, 3', Journal of Power Source, 134, pp. 252-292, 2004

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H.S Bae, J.H. Yang, J.H. Lee and B.H. Cho: 'Digital state feedback current control using the pole placement technique', Journal of Power Electronics, Vol. 7, No. 3, pp. 213-221, 2007. 7

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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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