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[국내논문] 에너지 저장장치를 포함하는 신재생에너지원용 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항에 따른 제어기 설계 영향 분석
Influence of the Parasitic Inductor Resistance on Controller Design of Boost Converter for Renewable Energy System including an Energy Storage 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.5, 2011년, pp.511 - 520  

박선재 (숭실대 전기공학부) ,  박종후 (숭실대 전기공학부) ,  전희종 (숭실대 전기공학부)

초록
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현재 스마트 그리드 산업으로 인하여 신재생에너지의 활용이 중시되고 있다. 이러한 시점에서 신재생에너지원을 더욱 효율적이고 안정적으로 사용하기 위해서 에너지 저장장치의 필요성이 부각되고 있다. 이러한 경우 신재생 에너지원을 계통에 사용할 수 있도록 만들어 주는 부스트 컨버터와 에너지 저장장치의 에너지 전달을 위한충 방전기를 사용하게 된다. 이 두 가지 전력변환장치의 사용을 위해, 상호 간섭에 의해 각각의 제어기 설계에 어떠한 영향을 미치는지 알아야 한다. 우선 각각의 제어기 설계를 위해 시뮬레이션을 통한 간접적인 결과를 얻어내야 하는데, 이 때 인덕터를 이상적으로 생각하고 시뮬레이션을 할 수도 있고, 실제 하드웨어와 같이 인덕터에 기생하는 저항을 포함하여 시뮬레이션 할 수도 있다. 본 논문에서는 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항이 부스트 컨버터와 충 방전기의 제어기 설계시 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 비교해 봄으로써 시뮬레이션시 인덕터 기생저항 성분을 반드시 고려하여 설계해야 한다는 것을 주파수 영역에서의 MATLAB 시뮬레이션과 시간영역에서의 PSIM 시뮬레이션을 통해 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Nowadays, industry of smart grid is important for practical use of the renewable energy. In this situation, it is important to use the energy storage to make more stable and efficient renewable energy sources. The power conditioning systems consist in a boost converter which makes renewable energy s...

Keyword

#Renewable Energy   #Energy Storage   #Parasitic Resistance   #Boost Converter  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 계통연계시 신재생 에너지원을 효과적으로 사용하기 위해 그림 1과 같이 부스트 컨버터와 충·방전기를 병렬 연결시 부스트 컨버터 인덕터 기생저항의 유무에 따른 제어기 설계결과를 비교하였다.
  • 본 논문은, 에너지의 효율적인 사용을 위한 에너지 저장장치를 사용한 신재생 에너지용 전력변환시스템에서 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항에 따른 제어기 설계 및 충·방전기 제어기 설계에 미치는 영향에 대해서 소신호 모델링 및 MATLAB 시뮬레이션을 통한 보데선도와 PSIM 시뮬레이션을 통한 시간영역에서의 분석을 통해 살펴보았다.

가설 설정

  • 신재생 에너지원에서 발생하는 전력은 저항과 전압원으로서 등가 모델링하여 나타내었다.[7-8] DC-Link 전압인 Vdc는 인버터에 의해 일정하게 유지되고 있다는 것을 가정하여, 전압원으로서 나타낼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스마트그리드 산업에서는 어떤 것의 필요성이 강조되는가? 또한 스마트그리드 산업에서는 신재생 에너지원간의 효율적인 전력사용 및 전력 거래를 위한 에너지 저장장치의 필요성이 강조되고 있다. 따라서 에너지 저장장치의 사용을 위한 충·방전기의 사용이 중요시된다.
대표적인 신재생 에너지원의 종류는? 이러한 시점에서 신재생에너지원을 사용하기 위한 전력변환장치 즉, PCS (Power Conditioning System)의 개발이 적극적으로 진행되고 있다. 대표적인 신재생 에너지원으로 태양광발전, 풍력발전, 그리고 연료전지 등이 있고, 이러한 신재생 에너지원들의 공통된 첫 번째 특징으로는 저전압발전을 한다는 것이다. 그림 1과 같이 신재생에너지원을 계통으로 연결하여 실생활에 사용할 수 있도록 만들기 위해서 저전압으로 발전된 전력을 부스트 컨버터를 이용하여 인버터가 동작할 수 있는 범위까지 승압을 시켜야한다.
본 논문에서는 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항에 따른 제어기 설계 및 충·방전기 제어기 설계에 미치는 영향에 대해 소신호 모델링 및 MATLAB 시뮬레이션을 통한 보데선도와 PSIM 시뮬레이션을 통한 시간영역에서의 분석을 통해 살펴보았다, 이에 대한 결과는? 본 논문은, 에너지의 효율적인 사용을 위한 에너지 저장장치를 사용한 신재생 에너지용 전력변환시스템에서 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항에 따른 제어기 설계 및 충·방전기 제어기 설계에 미치는 영향에 대해서 소신호 모델링 및 MATLAB 시뮬레이션을 통한 보데선도와 PSIM 시뮬레이션을 통한 시간영역에서의 분석을 통해 살펴보았다. 부스트 컨버터의 인덕터 기생저항을 무시하고 설계시, 부스트 컨버터의 제어기 설계가 낮은 감쇠비에 의해 어려워지고 결과적으로 충·방전기의 설계가 어려워진다. 하지만 부스트 컨버터 인덕터 저항을 넣어서 시뮬레이션하면 부스트 컨버터의 제어기 설계 및 충·방전기의 제어기 설계가 가능하다는 것을 알 수 있다. 결론적으로 신재생 에너지를 사용하는 전력변환기와 충·방전기의 연결을 하는 시스템에서 부스트 컨버터와 충·방전기의 제어기 설계시 부스트 컨버터 기생저항을 고려해야 정확한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
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참고문헌 (15)

  1. B. M Hasaneen, Adel A. Elbaset Mohammed, "Design and Simulation of DC/DC Boost Converter", Proceeding of the IEEE, pp. 335-340, 2008. 

  2. Alberto Reatti, Luca Pellegrini, and M.K. Kazimierczuk, "Impact of Boost Converter Parameters on Open-Loop Dynamic Performance for DCM", Proceedings of the IEEE, pp. 513-516, 2002. 

  3. Fermia, N., Petrone, G., Spagnuolo, G., Vitelli, M., "A Technique for Improving P&O MPPT Performances of Double-Stage Grid-Connected Photovoltaic Systems", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, pp. 4473-4482, 2009, Nov. 

  4. Woo-Young Choi, Jae-Yeon Choi, "High-Efficiency Power Conditioning System for Grid-Connected Photovoltaic Modules", Journal of Power Electronics, Vol. 11 No. 4, pp. 390-619, 2011. 7. 

  5. Rae-Young Kim, "Improved Renewable Energy Power System using a Generalized Control Structure for Two-Stage Power Converters", Verginia Polytechnic Institute and State University, 2009. 

  6. 차한주, 최정완, 윤기갑, "연료전지용 3상 전류형 능동클 램프 DC-DC 컨버터", 전력전자학회 논문지, 제12권, 제 6호, pp. 433-519, 2007. 12. 

  7. 김수석, 김희준, "MATLAB을 이용한 DC-DC 컨버터의 병렬운전 해석 연구", 대한전기학회 논문지, 제47권 제9 호, pp. 1432-1440, 1998. 9. 

  8. 김종원, 정두용, 장수진, 이병국, 원충현, "슈퍼커패시터를 이용한 직류철도 회생에너지 저장장치", 전력전자학회 논문지, 제13권, 제4호, pp 247-256, 2008. 8. 

    원문보기 상세보기

  9. M.G. Villalva. ; T.G. de siqueira ; E. Ruppert ; "Voltage Regulation of Photovoltaic arrays : small-signal analysis and control design", IET Power Electronics, pp. 869-889, 2010, Jan. 

  10. Vorperian, V.; "Simplified analysis of PWM converters using model of PWM switch. Continuours conduction mode", Aerospace and Electonic systems, IEEE Transaction on, pp. 490-496, 1990, May. 

  11. Hasaneen, B.M.; Elbaset Mohammed, A.A.; "Design and simulation of DC/DC boost converter", Power System Conference, 2008. MEPCON 2008. 12th International Middle East, 335-340, 2008, 12-15 March. 

  12. Koutroulis, E..; Kalaitzakis, K.; Voulgaris, N.C.; "Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system", Power Electronics, IEEE Transaction on, pp. 46-54 2001, Jan. 

  13. Kazimierczuk, M.K.; Sathappan, N.; Czarkowski, D.; "Voltage-mode-controlled PWM buck DC-DC converter with a proportional controller", Aerospace and Electronics Conference, 1993. NAECON 1993., Proceedings of the IEEE 1993 National, 1993, 24-26 May. 

  14. Bolduc, P.; Lehmicke, D.; Smith, J.;, "Performance of a grid-connected PV system with energy storage", Photovoltaic Specialist Conference, 1993., Conference Record of the Twenty Third IEEE, 1159-1162, 1993, 10-14 May. 

  15. Jinhui Xue; Zhongdong Yin; Bingbing Wu; Ziping Wu; Jun Li; "Technology Research of Novel Energy Storage control for the PV Generation System", Power and Energy Engineering Conference, 2009. APPEEC 2009. Asia-Pacific, 1-4, 2009, 27-31 March. 

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