[논문]태양광 시스템을 위한 가변 조정계수 기반의 적응형 MPPT 제어 기법

이귀준; 김래영; 현동석; 임춘호; 김우철

doi:10.6113/tkpe.2012.17.5.423

태양광 시스템을 위한 가변 조정계수 기반의 적응형 MPPT 제어 기법
An Adaptive Maximum Power Point Tracking Scheme Based on a Variable Scaling Factor for Photovoltaic Systems 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.5, 2012년, pp.423 - 430

이귀준 (Dept. of Electrical Eng., Hanyang University) , 김래영 (Dept. of Electrical Eng., Hanyang University) , 현동석 (Dept. of Electrical Eng., Hanyang University) , 임춘호 (P-development Team, LG Uplus Corporation) , 김우철 (P-development Team, LG Uplus Corporation)

Abstract ▼ AI-Helper

An adaptive maximum power point tracking (MPPT) scheme employing a variable scaling factor is presented. A MPPT control loop was constructed analytically and the magnitude variation in the MPPT loop gain according to the operating point of the PV array was identified due to the nonlinear characteristics of the PV array output. To make the crossover frequency of the MPPT loop gain consistent, the variable scaling factor was determined using an approximate curve-fitted polynomial equation about linear expression of the error. Therefore, a desirable dynamic response and the stability of the MPPT scheme were maintained across the entire MPPT voltage range. The simulation and experimental results obtained from a 3 KW rated prototype demonstrated the effectiveness of the proposed MPPT scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 가변 조정계수를 이용한 새로운 적응형 MPPT 기법을 제안한다. MPPT 기법에 대한 소신호 모델과 오차에 대한 선형화된 식에 곡선맞춤 기법을 적용하여 가변 조정계수를 해석적으로 설계한다.
본 논문은 가변 조정계수 기반의 적응형 MPPT 기법을 제안하였다. 가변 조정계수는 PV array 의 동작점에 상관없이 MPPT 루프이득의 교차 주파수를 일정하게 유지하기 위해 해석적으로 설계되었다.

가설 설정

한편, 본 논문에서는 해석의 편의상 dvdc 의 부호를 양수로 가정하였는데, 부호가 반대인 경우는 앞으로 전개될 해석이 대칭적이 됨으로 인해 최종 결과에 음의 부호를 추가하는 것으로 충분하다.

제안 방법

따라서, 본 논문에서는 가변 조정계수를 이용한 새로운 적응형 MPPT 기법을 제안한다. MPPT 기법에 대한 소신호 모델과 오차에 대한 선형화된 식에 곡선맞춤 기법을 적용하여 가변 조정계수를 해석적으로 설계한다. 이를 통해, 외부 환경조건에 의한 PV array 의 동작점 변화에 상관없이 동등한 MPPT 성능을 유지하게 된다.
PV array 를 모의하기 위해서는 Regatron 사의 SAS 제어 소프트웨어가 탑재된 10 KW급 DC 전원공급기를 사용하였고, MPP 데이터(Pmpp = 3 KW , Vmpp = 360 V)를 기반으로 P-V 곡선이 자동 생성되는 SAS 곡선을 이용하였다.
본 논문은 가변 조정계수 기반의 적응형 MPPT 기법을 제안하였다. 가변 조정계수는 PV array 의 동작점에 상관없이 MPPT 루프이득의 교차 주파수를 일정하게 유지하기 위해 해석적으로 설계되었다. 고정 조정계수를 이용한 기존의 MPPT 기법과는 달리, 제안된 MPPT 기법은 전 MPPT 전압 범위내에서 만족스러운 정상상태와 과도상태 성능을 이루었으며, 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 제안된 MPPT 기법의 유효성을 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 동작점 변화에 상관없이 Tmppt 의 교차 주파수를 일정하게 유지하기 위한 가변 조정계수 k 를 제안하며, 이는 식 (15)에서 k 와 # 의 곱을 일정한 값으로 유지하는 것을 의미한다.
따라서 설계된 MPPT 성능이 예상 동작점이 아닌 다른 동작점에서는 저하되는 경향이 있으며, 이는 시스템 전체 효율을 감소시키게 된다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위해, 본 논문에서는 동작점 변화에 따른 # 크기 변화를 보상하는 가변 조정계수를 해석적으로 설계하며 디지털 제어기내에서 실시간으로 구현한다.
입력되는 아날로그 신호들은 2차 저역통과필터를 통과하며 14-bit ADC에 의해서 16 kHz로 샘플링된다. 또한 샘플링 노이즈의 영향을 저감시키기 위하여 v_dc 와 i_pv 의 순시값 대신 MPPT 제어주기 동안의 평균값을 사용하였다.
제안된 MPPT 기법의 타당성을 검증하기 위해 표 1과 표 2에 주어진 조건을 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다.
조정계수를 선정하기 위해 우선 플랜트 모델 G 가 결정되어야 하며, 본 논문에서는 G 의 차단 주파수를 표 2의 시스템 사양을 기반으로 50 Hz 로 설계하였다.
그림 1은 일반적인 3상 계통연계형 태양광 인버터 시스템을 보여준다. 최근에 계통연계를 위해 LCL 필터가 널리 사용되지만, 이는 제안된 MPPT 기법 검증에 영향을 미치지 않기 때문에 간단한 L 필터를 사용하였다. 디지털 제어 블록에서는 각종 제어 알고리즘이 수행되며, ADC(Analog-to-Digital Conversion) 와 PWM(Pulse-Width-Modulation) 이 구현된다.

대상 데이터

실험은 3 KVA급 프로토타입 계통연계형 인버터로 수행하였고 제어기는 TMS320VC33 DSP를 이용하여 구현하였다. 입력되는 아날로그 신호들은 2차 저역통과필터를 통과하며 14-bit ADC에 의해서 16 kHz로 샘플링된다.

데이터처리

이를 통해, 외부 환경조건에 의한 PV array 의 동작점 변화에 상관없이 동등한 MPPT 성능을 유지하게 된다. 제안된 MPPT 기법의 유효성은 3KW 급 태양광 인버터 시스템에 대한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

성능/효과

가변 조정계수는 PV array 의 동작점에 상관없이 MPPT 루프이득의 교차 주파수를 일정하게 유지하기 위해 해석적으로 설계되었다. 고정 조정계수를 이용한 기존의 MPPT 기법과는 달리, 제안된 MPPT 기법은 전 MPPT 전압 범위내에서 만족스러운 정상상태와 과도상태 성능을 이루었으며, 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 제안된 MPPT 기법의 유효성을 검증하였다. 또한 수정된 오차 표현식은 계산시간 감소와 노이즈 간섭에 강인하며 MPP 부근에서의 안정적인 동작을 만족시킬 것으로 기대된다.
9%로 측정되었다. 그러나 일사량 200W/m²에서 제안된 MPPT 기법은 그림 9를 통해 v_dc 가 약 345 V(MPPT 효율 99.9 %) 임을 알 수 있지만, 기존의 MPPT 기법은 그림 8를 통해 v_dc 가 약 350 V(MPPT 효율 99.7 %) 임을 알 수 있다. 이러한 MPPT 효율 0.
1 W 의 PV 출력 차이를 발생시킴을 알 수 있다. 따라서, 제안된 MPPT 기법을 통해 일사량 200 W/m² 에서 MPPT 효율 0.2 % 를 개선시킬 수 있다. 비록, 개선된 MPPT 효율 상승폭이 순시 발전량 측면에서 작을 수 있지만, 태양광 시스템은 아침과 저녁으로 저 일사량 조건에서 운전하기 때문에 10년 이상의 누적 발전량 측면에서는 이를 무시할 수 없다.
일사량 1000 W/m2 에서 두 vdc 값 모두 MPP(= 360 V) 부근에 위치함을 알 수 있었고, 이때 MPPT 효율은 약 99.9%로 측정되었다.

후속연구

고정 조정계수를 이용한 기존의 MPPT 기법과는 달리, 제안된 MPPT 기법은 전 MPPT 전압 범위내에서 만족스러운 정상상태와 과도상태 성능을 이루었으며, 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 제안된 MPPT 기법의 유효성을 검증하였다. 또한 수정된 오차 표현식은 계산시간 감소와 노이즈 간섭에 강인하며 MPP 부근에서의 안정적인 동작을 만족시킬 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MPPT 기법 중에서 P&O(Perturb and Observe) 기법과 IncCond (Incremental Conductance) 기법의 단점은?	현재까지 다양한 MPPT 기법들이 제안되었으며[1],[2] , P&O(Perturb and Observe) 기법[3-5] 과 IncCond (Incremental Conductance) 기법[6],[7] 이 구현이 간단하고 효과적인 추종 성능으로 인해 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 MPPT 기법들은 설치된 태양광 발전시스템에 적합하도록 최적화되어야 하며, MPPT 성능이 기준전압 혹은 기준전류 갱신을 위한 스텝 크기에 크게 좌우되는 단점을 갖고 있다. 고정 스텝 크기를 갖는 MPPT 기법의 경우, 이는 정상상태 진동과 과도응답 성능 사이의 상충관계를 야기한다.
	PV(Photovoltaic) array의 특징은?	PV(Photovoltaic) array 는 전력변환 효율이 낮고 비선형 출력 특성을 가지며, 출력 성능이 일사량과 온도 등의 외부 기상조건에 따라 가변한다. 그러므로 PV array 로부터 최대전력을 얻기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 전력변환시스템에 반드시 탑재되어야 한다.
	DC 링크 기준전압을 입력으로 하는 제어 블록은 어떤 알고리즘을 수행하는가?	이 중, MPPT 블록에서는 측정된 PV array 전류(ipv)와 DC 링크 전압(vdc)를 기반으로 PV array 로부터 최대전력을 얻기 위한 PV array 기준전압에 해당하는 DC 링크 기준전압을 생성시킨다. 한편, DC 링크 기준전압을 입력으로 하는 제어 블록에서는 MPPT 를 제외한 DC 링크 전압 제어, 계통전류(ig) 제어, PLL(Phase-Locked Loop), 단독운전 검출, 고장검출 등의 다양한 알고리즘이 수행되며, 이러한 제어 기법들은 주파수 영역에서 해석적으로 설계될 수 있어 동특성을 합리적으로 예측할 수 있다. 그러나 대부분 MPPT 기법들은 순서도를 기반으로 구현되어 동특성을 파악하기 어렵고, 만족스러운 스텝 크기 혹은 조정계수 선정을 위해 반복적인 튜닝 과정을 요구한다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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