[논문]태양광발전 시스템의 모델링 및 MPPT 제어

송호빈; 백동현; 조문택

doi:10.5370/kieep.2010.59.4.405

태양광발전 시스템의 모델링 및 MPPT 제어
Modelling of PV System and MPPT Control 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.59 no.4, 2010년, pp.405 - 410

송호빈 ((주)휴스컴 연구개발팀) , 백동현 (경원대학교 전기소방공학부 소방방재공학) , 조문택 (대원대학 전기전자계열)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the simulation of solar system was used to facilitate PSPICE. Solar cells, Controller, MPPT system, DC-DC system modeling, and easy to use, made to the library. To prove the validity of the library for the temperature and space radiation were simulated and behavioral characteristics were identified. To prove the validity of the simulation, the hardware was constructed to the same conditions. Implemented using the hardware and the DSP controller for a real system, the results were confirmed by experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로 시뮬레이션을 할 경우 이와 관련된 값들을 정확하게 사용하여야 한다.^[4] 더불어 일반적인 시뮬레이션에서 간과하기 쉬운 온도, 공간방사 등의 영향도 태양전지의 특성에 큰 영향을 미치므로 본 논문에서는 모델링한 태양전지를 이용하여 이 값들의 영향을 확인하기로 한다.
본 논문에서는 범용적인 시뮬레이터인 PSPICE를 이용하여 태양전지와 제어기 등을 모델링하고 라이브러리화하였다. 모델링은 등가회로를 이용하여 구성하였으며 라이브러리화 함으로써 태양광 발전 시스템을 시뮬레이션 하는데 변수 설정 등을 손쉽게 하여 사용하는데 편리하게 하였다.
본 논문에서는 실제 PV 시스템의 제작에 앞서 쉽게 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 모델링하였다. 시뮬레이션 툴은 직관적인 전기회로 시뮬레이션이 가능한 PSPICE를 이용하였다.

제안 방법

"DC/DC“모듈은 2.3절의 벅-부스트 컨버터를 모델링 한 것으로 시비율, L, C 값을 입력할 수 있도록 하였으며, ”Load" 모듈은 부하로써 R, L을 가변하여 사용할 수 있도록 구성하였다.
이 알고리즘의 동작은 기존의 논문에서 입증되었듯이 안정적이며 간단하여 저사양의 프로세서로도 구현이 가능한 장점이 있다. MPPT를 PSPICE로 구현하기 위하여 그림에 나타낸 알고리즘을 기준으로 모델링하여 하나의 MPPT 모듈로 만들어서 주회로의 시뮬레이션에 적용하기 간편하게 하였다.
PSPICE를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션을 수행한 결과의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 시스템을 실제 제작하여 실험하였다. 실험 장치의 전체 구성에 대한 블록도는 그림 11에 나타내었다.
이와 연계하여 전체 시스템 구동을 위해 DC-DC 벅-부스트 시스템과 MPPT 시스템을 모델링하여 전체 태양광 발전 시스템의 구동특성을 시뮬레이션하고 라이브러리화 하였으며, 시스템 변수 등의 변화에 대해 손쉽게 가변하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 시뮬레이션의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 조건하에 하드웨어를 구성하고, DSP를 이용한 제어기를 구현하여 실제 시스템에 대한 실험을 수행하고 결과를 확인 하였다.
또한 한 번의 클릭으로 손쉽게 시비율을 조정하여 승·강압을 변형할 수 있도록 구성하였다.
본 논문에서는 범용적인 시뮬레이터인 PSPICE를 이용하여 태양전지와 제어기 등을 모델링하고 라이브러리화하였다. 모델링은 등가회로를 이용하여 구성하였으며 라이브러리화 함으로써 태양광 발전 시스템을 시뮬레이션 하는데 변수 설정 등을 손쉽게 하여 사용하는데 편리하게 하였다. 이 라이브러리를 이용하여 태양광 시스템의 기본적인 설계문제나 크기, 해석 등을 해결하는데 사용할 수 있도록 하였다.
시뮬레이션 툴은 직관적인 전기회로 시뮬레이션이 가능한 PSPICE를 이용하였다. 모델링한 라이브러리를 이용하여 태양전지의 사용에서 간과하기 쉬운 온도와 공간방사의 영향에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다. 이와 더불어 태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다.
아울러 본 논문에서 구축한 라이브러리의 타당성을 입증하기 위하여 온도, 공간복사의 변화에 대해 시뮬레이션을 수행하여 동작특성을 확인하였다. 이와 연계하여 전체 시스템 구동을 위해 DC-DC 벅-부스트 시스템과 MPPT 시스템을 모델링하여 전체 태양광 발전 시스템의 구동특성을 시뮬레이션하고 라이브러리화 하였으며, 시스템 변수 등의 변화에 대해 손쉽게 가변하여 사용할 수 있도록 하였다.
모델링은 등가회로를 이용하여 구성하였으며 라이브러리화 함으로써 태양광 발전 시스템을 시뮬레이션 하는데 변수 설정 등을 손쉽게 하여 사용하는데 편리하게 하였다. 이 라이브러리를 이용하여 태양광 시스템의 기본적인 설계문제나 크기, 해석 등을 해결하는데 사용할 수 있도록 하였다.
아울러 본 논문에서 구축한 라이브러리의 타당성을 입증하기 위하여 온도, 공간복사의 변화에 대해 시뮬레이션을 수행하여 동작특성을 확인하였다. 이와 연계하여 전체 시스템 구동을 위해 DC-DC 벅-부스트 시스템과 MPPT 시스템을 모델링하여 전체 태양광 발전 시스템의 구동특성을 시뮬레이션하고 라이브러리화 하였으며, 시스템 변수 등의 변화에 대해 손쉽게 가변하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 시뮬레이션의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 조건하에 하드웨어를 구성하고, DSP를 이용한 제어기를 구현하여 실제 시스템에 대한 실험을 수행하고 결과를 확인 하였다.
출력전압 조정을 위해 시뮬레이션에서와 동일한 값을 갖는 DC-DC 벅-부스트 컨버터를 제작하였고, 전체 시스템 제어를 위해 사용되는 제어기는 TMS칩을 이용하여 C-언어로 구현하였다. 제어기 내부는 크게 전압과 전류 검출을 위한 A/D 변환기, 최대 출력점 제어를 위한 MPPT 알고리즘 구현기, 컨버터의 제어 신호 발생을 위한 PWM 신호 발생기로 구성되어 있다.

데이터처리

그림 9는 모델링한 태양광 발전 시스템에 DC- DC 벅-부스트 컨버터를 부가하고 일사량과 온도가 각각 1,000[W/㎡], 온도 25[℃]일 경우에 시뮬레이션 한 결과파형으로 MPPT 제어기를 부가한 경우와 없는 경우를 비교하여 시뮬레이션 하였다. 그림에서 보는바와 같이 MPPT 제어기를 부가함으로써 같은 조건에서 약 27[%] 이상의 큰 출력을 얻을 수 있었다.

이론/모형

MPPT 알고리즘은 그림 8의 개선된 P&O MPPT를 이용하였으며 그림 12는 실제 제작한 제어기이다.
그러므로 대부분의 태양광 발전 시스템에서 DC-DC 부스트 컨버터가 최대 출력점 추적에 사용된다.[6] 따라서 제안된 태양광 발전 시뮬레이션 시스템의 응용력을 확장하기 위하여, DC-DC 벅-부스트 컨버터가 태양광 발전 시스템 모델에서 최대 출력점 추적을 위해 사용되었다.
모델링의 타당성을 입증하기 위하여 이 논문에서 사용한 방법은 이전의 여러 가지 최대 출력점 제어 방법 중에서 비교적 간단하고 동작 특성이 좋은 개선된 P&O MPPT 방법을 사용하였다.
본 논문에서는 실제 PV 시스템의 제작에 앞서 쉽게 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 모델링하였다. 시뮬레이션 툴은 직관적인 전기회로 시뮬레이션이 가능한 PSPICE를 이용하였다. 모델링한 라이브러리를 이용하여 태양전지의 사용에서 간과하기 쉬운 온도와 공간방사의 영향에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다.
대부분의 연구에서 실험에 앞서 제안한 이론을 입증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하는 단계가 필수적이다. 태양광 발전 시스템의 설계에 있어서도 시뮬레이션이 반드시 필요한 단계로 C-언어나 전기회로 전용 시뮬레이터인 PSPICE, PSIM, Matlab 등을 사용한다. 시뮬레이션을 C-언어로 수행하면 세부적이고 정밀한 시뮬레이션은 가능하나 일반적으로 사용하기에는 전문적인 지식이 필요하고, 시스템의 변경이나 추가 등에 따라 많은 수고가 따르게 된다.

성능/효과

이로써 앞서의 시뮬레이션이 정확하게 수행된 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 PSPICE 라이브러리를 이용한 시뮬레이션을 새로운 시스템 개발 및 성능 평가에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 더불어 태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서와 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 실험의 결과와 시뮬레이션의 결과가 동일한 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 본 논문에서 수행한 모델링이 정확하게 이루어 졌음을 확인할 수 있었음은 물론 이를 이용하면 기본적인 태양광 발전 시스템의 시뮬레이션을 수월하게 수행할 수 있으며 나아가 새로운 제어기법 등의 연구에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.
이와 같이 태양광 발전 시스템의 기본 구성 요소들을 모델링하여 라이브러리로 만듦으로써 PSPICE에서 제공하는 기본 라이브러리와 같이 손쉽게 시스템 구성에 적용 할 수 있도록 한 결과, 실제 시스템과 유사하면서도 정확한 동작 특성을 얻을 수 있었다.
모델링한 라이브러리를 이용하여 태양전지의 사용에서 간과하기 쉬운 온도와 공간방사의 영향에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다. 이와 더불어 태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서와 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 실험의 결과와 시뮬레이션의 결과가 동일한 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서와 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 실험의 결과와 시뮬레이션의 결과가 동일한 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 본 논문에서 수행한 모델링이 정확하게 이루어 졌음을 확인할 수 있었음은 물론 이를 이용하면 기본적인 태양광 발전 시스템의 시뮬레이션을 수월하게 수행할 수 있으며 나아가 새로운 제어기법 등의 연구에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템의 설계에서 시뮬레이션 시 어떠한 것들을 이용하는가?	대부분의 연구에서 실험에 앞서 제안한 이론을 입증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하는 단계가 필수적이다. 태양광 발전 시스템의 설계에 있어서도 시뮬레이션이 반드시 필요한 단계로 C-언어나 전기회로 전용 시뮬레이터인 PSPICE, PSIM, Matlab 등을 사용한다. 시뮬레이션을 C-언어로 수행하면 세부적이고 정밀한 시뮬레이션은 가능하나 일반적으로 사용하기에는 전문적인 지식이 필요하고, 시스템의 변경이나 추가 등에 따라 많은 수고가 따르게 된다.
	태양광 발전 기술은 어떠한 장점을 가진 재생 에너지인가?	에너지 고갈의 문제는 전 세계 경제의 지속적인 성장과 발전을 위한 요구를 수용하기 위하여 재생에너지의 빠른 개발을 자극하고 있다. 모든 종류의 재생 에너지 중에서 태양광 발전 기술은 생산 소음, 공기오염, 온실가스 등이 없기 때문에 가장 뛰어난 재생 에너지 중의 하나이다.[1]
	태양광 발전 시스템의 설계에서 C-언어를 이용해 시뮬레이션을 수행하면 어떠한 단점이 존재하는가?	태양광 발전 시스템의 설계에 있어서도 시뮬레이션이 반드시 필요한 단계로 C-언어나 전기회로 전용 시뮬레이터인 PSPICE, PSIM, Matlab 등을 사용한다. 시뮬레이션을 C-언어로 수행하면 세부적이고 정밀한 시뮬레이션은 가능하나 일반적으로 사용하기에는 전문적인 지식이 필요하고, 시스템의 변경이나 추가 등에 따라 많은 수고가 따르게 된다. PSPICE는 사용하기는 편리하지만 세부적인 설정이나 새로운 소자 등의 파라미터 적용에 한계가 있다.

참고문헌 (7)

Y.Yusof, S,Sayuti, M.Latif, and M.Wanik, "Modeling and Simulation of maximum power traker for photovoltaic system.", in Proceedings of Power and Energy Conference, Nov. 2004, pp.88-93
Kyritsis, A.Ch., Tatakis, E.C., Papanikolaou, N.P., "Optimum Design of the Current-Source Flyback Inverter for Decentralized Grid-Connected Photovoltaic Systems", Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume 23, pp.281 - 293, 2008.

상세보기
M.H.Rashid, "Power Electronics Circuits:Devices and Applications, 3rd edition", Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2004
백동현, 송호빈, "비상발전용 전원으로 사용하기 위한 태양전지의 PSPICE 모델링", 한국화재소방학회 논문지, pp.52-57, Vol.24, No.2, 2010
Sahlstrom, Theodore D., Hausgen, Paul E., Guerrero, Jim, Howard, Alex D., Snyder, Neil A., "Ultraviolet degradation testing of space protective coatings for photovoltaic cells", Photovoltaic Specialists Conference, 2008. PVSC '08. 33rd IEEE, pp.1-5, 2008
D.W.Hart, "Introduction to Power Electronics", Upper Sadlle River, NJ:Prentice-Hall, 1997
Fangrui Liu, Shanxu Duan, Fei Liu, Bangyin Liu, Yong Kang, "A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems", Industrial Electronics, IEEE Transactions on Volume 55, pp.2622 - 2628, 2008.

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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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