[논문]멀티스트링 태양광 인버터용 인터리브드 부스트 컨버터의 설계 및 제어

강영주; 차한주

doi:10.5370/kiee.2011.60.3.538

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, design and control of an interleaved boost converter for multi-string PV Inverter are discussed. Interleaved Boost converter can reduce current ripples at input and output side by cancelling an each phase of inductor currents. Therefore, it contributes to increase efficiency and downs...

In this paper, design and control of an interleaved boost converter for multi-string PV Inverter are discussed. Interleaved Boost converter can reduce current ripples at input and output side by cancelling an each phase of inductor currents. Therefore, it contributes to increase efficiency and downsize the whole system volume, cost. One of the advantages of the multi-string system is easy to expand power capacity by connecting the converter modules in parallel. In order to reduce current ripples, the inductor currents on each phase are controlled independently in the converter module, and communication between the converter modules is required for further ripple current reduction. Current control algorithm for the balance of the each phase ripple currents and synchronization of the converter modules based on communication are proposed and implemented in the DSP programming. 10kW prototype of the multi-string converter module is assembled and experimental results are presented to verify the proposed ripple current reduction methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 지금까지 다상 인터리브드 방식을 적용한 멀티스트링 방식의 컨버터 시스템은 발표되지 않았으며, 본 논문은 인터리브드 방식을 태양광 PCS (Power Conditioning System)의 부스트 컨버터에 적용하였다. 따라서 본 논문은 10kW 급의 DC-DC 컨버터를 단위 모듈로 하는 3상 부스트 컨버터의 해석과 2개의 모듈을 병렬 구성한 듀얼 시스템의 원리 및 연계, 동작 방법에 대해 제시하고 실험을 통해 그 특성을 확인, 개발의 타당성을 다룬다.
본 논문에서는 멀티 스트링 태양과 인버터의 전단에 사용 되는 10kW DC-DC 부스트 컨버터의 설계 및 제어에 관하여 논하였다. 각 부스트 컨버터는 3상 인터리브드 방식을 적용하여 리플 전류가 서로 상쇄하여 감소되었으며, 스위칭 주파수의 증가 효과로 인덕터와 커패시터의 크기를 줄일 수있었다.

가설 설정

그림 12는 입력전류 기준치를 5A에서 10A로 변화 (Step-up) 시킨 후, 그에 따른 입력전류의 변화 속응성을 관찰하였다. 약 800uS 의 상승시간을 갖으며, 기준치를 추종하고 있음을 보이며, (a)의 확대 파형인 (b)의 파형에서 나타나듯이 기준치 변화 시에도 상전류의 균형은 유지된다.

제안 방법

인터리브드 부스트 컨버터 자체의 정상상태 소신호 모델링 분석과[5] 연속 및 불연속 전류 모드에서의 컨버터 분석에 [6]-[7] 관한 연구를 비롯하여 인터리브드 방식을 적용한 역률 보상회로[8]-[9], 하이브리드 자동차[10]-[11], 태양광 시스템[12] 등 다양한 범위에서의 응용과 그 성능이 문헌들에서 제시되고 있다. 그러나 지금까지 다상 인터리브드 방식을 적용한 멀티스트링 방식의 컨버터 시스템은 발표되지 않았으며, 본 논문은 인터리브드 방식을 태양광 PCS (Power Conditioning System)의 부스트 컨버터에 적용하였다. 따라서 본 논문은 10kW 급의 DC-DC 컨버터를 단위 모듈로 하는 3상 부스트 컨버터의 해석과 2개의 모듈을 병렬 구성한 듀얼 시스템의 원리 및 연계, 동작 방법에 대해 제시하고 실험을 통해 그 특성을 확인, 개발의 타당성을 다룬다.
3상 인덕터 전류 합은 입력전류가 되므로 입력전류의 기준치를 만족시킬 수 있다. 비례-적분 제어를 사용하였으며 상의 인덕터 전류기준치와 동일 상의 현재 인덕터 전류 I_L의 차이로 비례-적분 제어의결과 값을 산출 후, 현재의 입력전압 V_pv과의 합을 DC 링크단 전압 V_dc 로 나누어서 듀티비를 발생시키고, 이를 삼각파와 비교하여 PWM 신호를 내보낸다.
각 부스트 컨버터는 3상 인터리브드 방식을 적용하여 리플 전류가 서로 상쇄하여 감소되었으며, 스위칭 주파수의 증가 효과로 인덕터와 커패시터의 크기를 줄일 수있었다. 아울러, 각 상전류가 정상 상태와 과도 상태에서 균등하게 분배되도록 각 상에 독립적인 전류제어기를 설치하였으며, 시뮬레이션과 실험으로 그 성능을 확인하였다. 위의 3상 인터리브드 부스트 컨버터를 단위 모듈로 하여, 두 개의 컨버터를 병렬로 연결하여 운전하는 듀얼 모드를 구성하였다.
아울러, 각 상전류가 정상 상태와 과도 상태에서 균등하게 분배되도록 각 상에 독립적인 전류제어기를 설치하였으며, 시뮬레이션과 실험으로 그 성능을 확인하였다. 위의 3상 인터리브드 부스트 컨버터를 단위 모듈로 하여, 두 개의 컨버터를 병렬로 연결하여 운전하는 듀얼 모드를 구성하였다. 각 컨버터 모듈 간의 동기화를 CAN 방식을 바탕으로한 브로드캐스팅 방법을 적용하여, 각 모듈 간에 위상차를 발생시킴으로써 리플전류를 보다 더 저감할 수 있었으며, 이를 실험으로 증명하였다.
컨버터 모듈 간에는 출력 버스를 공유하므로 모듈 내의 인터리브드 방식으로 인해 감소된 리플크기가 컨버터 모듈을 확장시킬수록 다시 증가하는 오류를 피하기 위해서는 모듈 간 위상 발생이 필요하다. 이를 위해 모듈간의 PWM 동기화가 필요하며 이때 모듈간의 물리적 거리를 고려하여 신호의 전달을 외부 노이즈에 강한 CAN 통신의 라인 드라이브 방식을 택하였다. 동기화 신호의 전달 체계에 있어서 모듈을 마스터와 슬레이브로 나누었으며, 동기화 신호는 마스터 측의 컨버터에서 슬레이브 측 컨버터로 전달된다.
입력 및 각 상의 인덕터 전류와 입·출력 전압을 측정하여 이들의 스케일 변환을 거친 후 A/D 변환을 시행한다.

대상 데이터

태양광 PCS에서 인터리브드 방식의 다상 구조는 PV 어레이와 컨버터 사이의 입력 전류의 리플을 감소시켜 DC 링크단의 전압 및 전류의 리플이 감소하여 효율 상승을 유도하고, 부가적으로 능동 소자의 용량과 사이즈를 줄일 수 있는 효과를 얻는다. 다상구조에 사용된 상의 수는 출력 측이 갖는 전력 품질을 고려하여 설계 및 계획 시 요구 성능을 만족하는 범위에서 결정하며, 본 논문에서 상의 수는 3상으로 구성하였다. 3상 인터리브드 방식의 동작은 각 상의 위상을 2/N 만큼 (N : 상의 개 수) 차이가 나도록 하여 이에 맞추어 스위치를 ON, OFF하며 결국 각 상의 전류에 120〫위상 차이를 발생시킨다.
멀티스트링 방식의 특징은 각각의 스트링을 개별적으로 동작 및 제어시킬 수 있고, 스트링 마다 각각의 최대 전력점을 추종할 수 있다는 점, 사용자는 초기에 소수의 PV 모듈로 시설을 구축하여 발전하고, 추후 확장이 필요 하면 기존 플랫폼에 추가 모듈을 연결하면 쉽게 용량을 증설할 수 있다는 장점이 있어 높은 효율성과 설계의 융통성을 갖는다. 본 논문에서는 10kW급의 컨버터를 1개의 모듈로 제작, 듀얼 구성하여 20kW 용량을 구성하였다.

성능/효과

(b) 상전류의 스위칭 주기는 100μs이며, 각 상은 약 33.3μs 의 120°위상 차를 갖고 스위칭을 하며, 3상 전류의 합, 입력 전류의 주기는 약 33.3μs가 된다.
본 논문에서는 멀티 스트링 태양과 인버터의 전단에 사용 되는 10kW DC-DC 부스트 컨버터의 설계 및 제어에 관하여 논하였다. 각 부스트 컨버터는 3상 인터리브드 방식을 적용하여 리플 전류가 서로 상쇄하여 감소되었으며, 스위칭 주파수의 증가 효과로 인덕터와 커패시터의 크기를 줄일 수있었다. 아울러, 각 상전류가 정상 상태와 과도 상태에서 균등하게 분배되도록 각 상에 독립적인 전류제어기를 설치하였으며, 시뮬레이션과 실험으로 그 성능을 확인하였다.
위의 3상 인터리브드 부스트 컨버터를 단위 모듈로 하여, 두 개의 컨버터를 병렬로 연결하여 운전하는 듀얼 모드를 구성하였다. 각 컨버터 모듈 간의 동기화를 CAN 방식을 바탕으로한 브로드캐스팅 방법을 적용하여, 각 모듈 간에 위상차를 발생시킴으로써 리플전류를 보다 더 저감할 수 있었으며, 이를 실험으로 증명하였다.
입력 및 각 상의 인덕터 전류와 입·출력 전압을 측정하여 이들의 스케일 변환을 거친 후 A/D 변환을 시행한다. 이를 활용하여 비례-적분 제어의 결과가 PWM으로 출력이 되며, 시스템의 보호를 위해 허용 전류 및 전압을 초과하지 않도록 보호회로를 둔다.

후속연구

오늘날 기존의 화석 에너지를 대신 할 수 있는 신재생 에너지의 개발에 대한 투자와 관심의 증가는 계속 증가하고 있다. 풍력, 연료전지, 태양광을 비롯하여 신재생 에너지원은 점차 지속가능한 친환경적인 재료를 활용하는 방향으로 변화되어 가고 있으며, 앞으로는 선택적인 사용이 아닌 필수불가결한 대상이 될 것이라 예상된다. 태양광 발전의 장점에 관해서는 다양한 매체와 자료에 의해 보편적 사실이 될 만큼 널리 알려져 있다.
하지만 전체적인 전력 계통에 있어 석유, 석탄, 가스, 원자력 등 기존 에너지원 발전과 비교해 태양광 발전이 차지하고 있는 부분은 크지 않다. 현 시대적 흐름에 비추어 앞으로 경제적 요소가 보완된다면, 태양광 발전의 효용성은 보다 증대될 전망이다. 발전이라는 응용분야의 특성 상, 효율은 태양광 발전 시스템에 있어 핵심이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인터리브드 방식이란?	따라서 보다 높은 효율을 지향하기 위해 다양한 기법들이 논의 되고 있다[1]-[3]. 인터리브드 방식은 전류 흐름의 다분화와 상의 수 만큼 분배된 위상차 발생으로 전류 간의 리플 상쇄효과에 기인하여 전체 전류 리플크기의 감소와 입·출력 필터의 용량과 체적을 줄일 수 있는 이점을 제공하며[4], 낮은 스위칭 주파수로 높은 스위칭 주파수 효과를 얻을수 있어 스위칭 손실을 줄일 수 있는 방법이다. 인터리브드 부스트 컨버터 자체의 정상상태 소신호 모델링 분석과[5] 연속 및 불연속 전류 모드에서의 컨버터 분석에 [6]-[7] 관한 연구를 비롯하여 인터리브드 방식을 적용한 역률 보상회로[8]-[9], 하이브리드 자동차[10]-[11], 태양광 시스템[12] 등다양한 범위에서의 응용과 그 성능이 문헌들에서 제시되고 있다.
	인터리브드 방식의 다상 구조는 태양광 PCS에서 어떠한 효과를 얻을 수 있는가?	태양광 PCS에서 인터리브드 방식의 다상 구조는 PV 어레이와 컨버터 사이의 입력 전류의 리플을 감소시켜 DC 링크단의 전압 및 전류의 리플이 감소하여 효율 상승을 유도하고, 부가적으로 능동 소자의 용량과 사이즈를 줄일 수 있는 효과를 얻는다. 다상구조에 사용된 상의 수는 출력 측이 갖는 전력 품질을 고려하여 설계 및 계획 시 요구 성능을 만족하는 범위에서 결정하며, 본 논문에서 상의 수는 3상으로 구성하였다.
	멀티스트링 방식은 어떻게 구성되는가?	추후 지향 모델로서 점차 활용되고 있는 방식으로 (c) 멀티스트링 방식이 있다. 이는 각 PV 어레이 군마다 DC-DC 컨버터가 연결되어 있으며, 컨버터 모듈간은 병렬 구성된다. 그 후단에는 전체 컨버터의 용량을 포괄할 수 있는 인버터가 위치한다. 멀티스트링 방식의 특징은 각각의 스트링을 개별적으로 동작 및 제어시킬 수 있고, 스트링 마다 각각의 최대 전력점을 추종할 수 있다는 점, 사용자는 초기에 소수의 PV 모듈로 시설을 구축하여 발전하고, 추후 확장이 필요 하면 기존 플랫폼에 추가 모듈을 연결하면 쉽게 용량을 증설할 수 있다는 장점이 있어 높은 효율성과 설계의 융통성을 갖는다.

참고문헌 (12)

Armando Bellini, Stefano Bifaretti "A quasi-resonant ZCS Boost DC/DC Converter for Photovoltaic Applications", IEEE Industrial Electronics 2007.
이현관, 이기식, 강성인, 공영수, 김은수, 김윤호 "태양광 발전시스템을 위한 LLC 직렬공진컨버터 적용 무접점 전원장치" 대한전기학회 전기기기 및 에너지변환 시스템 부문회 춘계학술대회논문집 pp347-350. 2006.4
S.Daher, J.Schmid and F.L.M. Antunes, "Multilevel inverter topologiesfor stand-alone PV systems," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol.55, pp. 2703-2712, Jul. 2008.
John Betten, Robert Kollman, "Interleaving dc/dc converters boost efficiency and voltage", Texas Instruments. EDN, pp78, 84, October, 2005
H.B. Shin, J.G. Park, S.K. Chung, H.W. Lee, T.A. Lipo,"Generalised Steady-state analysis of multiphase interleaved boost converter with coupled inductors", IEE Proc.-Electr. Power Appl, Vol.152, No.3, pp 587-591, May, 2005.
Taewon Heo, Young-dae son, Enrico santi "Analysis of the interleaved type power factor correction(PFC) converter in discontinuous current mode" IEEE industrial electronics society, 2004.
Biswajit Ray, Hiroyuki Kosai, Seana McNeal, Brett Fjodan, James Scofield "Performance Analysis of a Multi-Mode Interleaved Boost Converter" IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2009.
B. A. Miwa, D. M. Otten and M. F. Schlecht, "High efficiency power factor correction using interleaving techniques", Proc. 1992 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition, pp. 557-568.
Kanan H.Y, Marquis A. Al-Haddad K "Small Signal modeling and linear control of a dual boost power factor correction circuit" IEEE, Power Electronics Specialists Conference, 2004.
S. Dwari and L. Parsa, "A novel high efficiency high power interleaved coupled-inductor boost Dc-Dc converter for hybrid and fuel cell electric vehicle," Proc. 2007 Vehicle Power and Propulsion Conference
G.Calderon Lopez, A.J Forsyth, D.R Nuttall "Design and Performance Evaluation of a 10kW Interleaved Boost Converter for a Fuel Cell Electric Vehicle" IEEE International Power Electronic and Motion Control Conference. 2006
Sairaj V. Dhople, Ali Davoudi, Patrick L. Chapman. "Steady-state Characterization of Multi-Phase, Interleaved Dc-Dc Converter for Photovoltaic Applications." IEEE Energy Converter Congress and Exposition, ECCE 2009

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