[논문]FPGA를 이용한 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템의 POS MPPT 제어

이효근; 서효룡; 김경훈; 박민원; 유인근

doi:10.5370/kiee.2012.61.1.080

FPGA를 이용한 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템의 POS MPPT 제어
FPGA based POS MPPT Control for a Small Scale Charging System of PV-nickel Metal Hydride Battery 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.1, 2012년, pp.80 - 84

이효근 (창원대 공대 전기공학과) , 서효룡 (창원대 공대 전기공학과) , 김경훈 (창원대 공대 전기공학과) , 박민원 (창원대 공대 전기공학과) , 유인근 (창원대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the small scale photovoltaic (PV) electronic devices are drawing attention as the upcoming PV generation system. The PV system is commonly used in small scale PV applications such as LED lighting and cell phone. This paper proposes photovoltaic output sensorless (POS) maximum power point tracking (MPPT) control for a small scale charging system of PV-nickel metal hydride battery using field-programmable gate array (FPGA) controller. A converter is connected to a small scale PV cell and battery, and performs the POS MPPT at the battery terminal current instead of being at the PV cell output voltage and current. The FPGA controller and converter operate based on POS MPPT method. The experimental results show that the nickel metal hydride battery is charged by the maximum PV output power.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 POS MPPT 제어 방법을 이용하여 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 설계 제작하고 소형 태양광 발전 시스템에서 생산되는 최대 전력을 니켈 수소 전지에 충전하였다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 태양광 셀, DC-DC buck 컨버터, 니켈 수소 전지로 구성되었으며, field-programmable gate array(FPGA)를 이용하여 POS MPPT 제어 방법으로 운전 하였다.

제안 방법

그림 2의 (a), (b)와 같이 POS MPPT 제어는 DC-DC converter 출력 전류를 측정하여, DC-DC converter의 duty rate를 변화를 주어 변화 된 duty rate에 따른 전류를 측정하여 그 값이 최대 전류 점으로 추종 제어한다. 그림 2의 (a)의 제어 알고리즘과 표 1의 방법으로 POS MPPT 제어를 할 경우 그림 2의 (b)와 같이 최대 전력 점으로 추종 제어하게 되며 본 실험은 duty rate는 한 번 동작 시 0.02만큼 변화되고 50 msec 마다 운전하도록 제어 운전 하였다.
본 논문에서는 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 POS MPPT 제어를 FPGA를 이용하여 제어하였다. POS MPPT 제어는 제어 알고리즘이 간략하고 태양광 셀의 출력 전압과 전류를 센서의 사용하지 않고 제어가 가능한 장점을 가지고 있기 때문에 태양광 발전 시스템에 유용하게 쓰이며, 대규모 시스템 보다는 제어 시스템과 센서의 부피와 제작 가격을 많이 차지하는 소형 태양광 발전 시스템에 사용하는 경우에 장점이 더욱 부각 된다.
태양광 셀, FPGA 와 니켈 수소 전지이다. 본 시스템들을 운전하여 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 제작하여 실제 일사량 조건에서 운전 하였다. DC-DC buck 컨버터의 회로의 용량은 그림 4에 나와 있다.
그림 4은 FPGA를 이용한 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템의 POS MPPT 제어 방법을 블록 다이어그램을 보여준다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 FPGA를 통해 운전되며 DC-DC 컨버터 출력 전류를 측정하여 POS MPPT 제어 알고리즘으로 그 값을 비교하여 DC-DC 컨버터 출력 전류 값이 최대가 되도록 MOSFET에 PWM 신호를 보내주어 제어하였다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템이 최대 전력을 생산 충전하기 위해서는 태양광 셀에서 최대 전력을 생산하여야 한다.
본 논문에서는 POS MPPT 제어 방법을 이용하여 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 설계 제작하고 소형 태양광 발전 시스템에서 생산되는 최대 전력을 니켈 수소 전지에 충전하였다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 태양광 셀, DC-DC buck 컨버터, 니켈 수소 전지로 구성되었으며, field-programmable gate array(FPGA)를 이용하여 POS MPPT 제어 방법으로 운전 하였다. 실험 결과는 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템에서 FPGA를 이용하여 POS MPPT 제어가 운전하여 최대 전력을 생산 충전하는 것을 보여준다.
DC-DC buck 컨버터의 출력 전압과 전류는 duty rate로 결정되며, 이 점을 이용하여 태양광 발전 전지 충전 시스템을 제어가 가능하다. 이 시스템에서 DC-DC buck 컨버터 출력 전압은 전지 출력 전압과 같고 전지 전압을 미세하게 변하기 때문에 최대 전류를 생산하도록 운전하여, 최대 전력이 전지에 충전이 가능해 진다.
이런 문제점을 해결하기 위해 방법으로는 PV output sensorless (POS) MPPT 제어 방법을 제안 할 수 있다. POS MPPT 제어 방법은 태양광 발전 시스템의 컨버터 출력 전류만을 측정하여 그 값으로 시스템을 제어하기 때문에 제어 알고리즘이 간단하고 태양광 셀 출력 전압과 전류 센서가 없어도 제어가 가능하기 때문에 태양광 시스템의 전체 가격이 저렴해지고 크기를 소형화 할 수 있다.

성능/효과

태양광 셀에 그림자를 생기게 하여 다양한 일사량 조건에서 실험을 하였고, 장시간 운전 시의 제어 운전 결과를 알 수 있었다. POS MPPT를 증명하기 위해 태양광 셀, DC-DC buck 컨버터 그리고 니켈 수소 이온 전지로 구성 된 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 설계 제작하여 실제 기상조건에서 FPGA를 이용하여 제어 실험한 결과 본 시스템은 최대 전력을 생산하고 전지에 최대 전력을 충전하는 것을 확인했다.
그림 10은 실제 기상 조건에서 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 FPGA를 이용하여 POS MPPT 제어를 30분 동안 운전 시켜 니켈 수소 전지의 단자 전압과 입력 전류 값을 측정한 그래프로 장시간 운전 시 동작을 알아보고 FPGA 컨트롤러가 POS MPPT 제어 운전을 멈춘 후와 동작을 시작한 지점의 전압 차이를 측정하여 니켈 수소 전지가 30분 동안 충전 정도를 알 수 있다. 니켈 수소 전지의 단자 전압은 충전 전류에 비례적으로 증가하며, 니켈 수소 전지의 단자 전압은 30분 경과 후 1.43 V 로 증가하였다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 30분 동안 POS MPPT 제어 운전을 하여 니켈 수소 전지의 전압을 약 0.
43 V 로 증가하였다. 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 30분 동안 POS MPPT 제어 운전을 하여 니켈 수소 전지의 전압을 약 0.05 V 상승시켰고, 니켈 수소 전지의 충전 특성 곡선에 비교해 본 결과 30분 동안 state of charge 값이 약 0.4에서 약 0.7 까지 충전 된 것을 알 수 있었다.
소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템은 태양광 셀, DC-DC buck 컨버터, 니켈 수소 전지로 구성되었으며, field-programmable gate array(FPGA)를 이용하여 POS MPPT 제어 방법으로 운전 하였다. 실험 결과는 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템에서 FPGA를 이용하여 POS MPPT 제어가 운전하여 최대 전력을 생산 충전하는 것을 보여준다.
소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템의 POS MPPT 제어 운전의 결과로 태양광 셀은 일사량에 따른 최대 전력을 생산하고, 생산된 최대 전력은 니켈 수소 전지에 충전 된다. 태양광 셀에 그림자를 생기게 하여 다양한 일사량 조건에서 실험을 하였고, 장시간 운전 시의 제어 운전 결과를 알 수 있었다. POS MPPT를 증명하기 위해 태양광 셀, DC-DC buck 컨버터 그리고 니켈 수소 이온 전지로 구성 된 소형 태양광 발전 니켈 수소 전지 충전 시스템을 설계 제작하여 실제 기상조건에서 FPGA를 이용하여 제어 실험한 결과 본 시스템은 최대 전력을 생산하고 전지에 최대 전력을 충전하는 것을 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템의 장점은 무엇인가?	또한 화석 연료의 가격 상승과 고갈이 우려되는 상황에서 신 재생에너지 자원을 기반으로 하는 산업 개발과 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 태양광 발전 시스템은 태양 에너지를 직접적으로 사용하여 무한대의 에너지원을 가지고 있을 뿐만 아니라, 다른 신 재생에너지 산업에 비해 시스템 유지 및 보수가 쉬우며, 시스템 발전 시 소음이 발생하지 않아 설치 장소에 대한 제약이 적다는 장점을 가지고 있다 [1-2].
	태양광 발전 시스템은 어떻게 구분할 수 있는가?	태양광 발전 시스템은 크게 대규모 태양광 발전 시스템 단지와 일반 주택에 설치된 주택용 태양광 발전 시스템 그리고 소형 전기기기에 사용되는 소형 태양광 발전 시스템이 있다. 특히 소형 태양광 발전 시스템의 경우 휴대가 간편하여 핸드폰이나 LED 조명 기기의 충전 장치에 대한 개발과 연구가 활발하게 진행 되고 있다 [3].
	소형 전기기기에 사용되는 소형 태양광 발전 시스템의 경우 핸드폰이나 LED 조명 기기의 충전 장치에 대한 개발과 연구가 활발하게 진행되는 이유는 무엇인가?	태양광 발전 시스템은 크게 대규모 태양광 발전 시스템 단지와 일반 주택에 설치된 주택용 태양광 발전 시스템 그리고 소형 전기기기에 사용되는 소형 태양광 발전 시스템이 있다. 특히 소형 태양광 발전 시스템의 경우 휴대가 간편하여 핸드폰이나 LED 조명 기기의 충전 장치에 대한 개발과 연구가 활발하게 진행 되고 있다 [3].

참고문헌 (10)

Riza M, "A maximum power point tracking for photovoltaic-SPE system using a maximum current controller," Solar Energy Materials & Solar cells, vol. 75, pp. 697-706, Mar. 2003

상세보기
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W. Xiao, M. G. J. Lind, W. G. Dunford, and Am Capel "Real-time identification of optimal operating point in photovoltaic power system," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 4, pp. 1017-126, Jun. 2007
Sang Young Kim, Minwon Park and In-keun Yu "An Effective POS MPPT control Method for PV power Generation," Electrical Machines and system, 2009. ICEMS. International Conference on, Nov. 2009
Sang Soo Park, Minwon Park and In-keun Yu "Hardware Implementation of Optimization Technique based Sensorless MPPT Method for Gird-conected PV Generation System," Electrical Machines and system, 2009. ICEMS. International Conference on, Nov. 2009
L. Egiziano and N. Femia "Design and Optimization of a Maximum Power Tracking controller for a PV battery charger," IEEE Trans. on industry applications, vol. 31, no. 2, Mar/April 2007
W. Xiao, N. Ozog, and W. G. Dunford, "Topology study of photovoltaic interface for maximum power point tracking," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 3, pp. 1696-1704, Jun. 2007

상세보기
N.Mutoh, M. Ohno, and T. Inoue, "A method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 4, pp. 1055-1065, Jun. 2006

상세보기
T. Esram, P. L. Chapman, "Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques" IEEE, Trans. Energy Conversion, Vol. 22, No.2, pp. 439-449, June 2007

상세보기
M. Park, and IK. Yu, "A Novel Real Time Simulation Technique of Photovoltaic Generation Systems using RTDS", IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 19, No. 1, pp.164-169, 2004

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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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