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태양광-배터리 하이브리드 전원시스템의 에너지 효율개선을 위한 규칙기반 협조제어 원리
Rule-based Coordination Algorithms for Improving Energy Efficiency of PV-Battery Hybrid System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.12, 2012년, pp.1791 - 1800  

유철희 (국민대학교 전자공학부) ,  정일엽 (국민대학교 전자공학부) ,  홍성수 (국민대학교 전자공학부) ,  장병준 (국민대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents effective design schemes for a photovoltaic (PV) and battery hybrid system that includes state-of-the-art technologies such as maximum power point tracking scheme for PV arrays, an effective charging/discharging circuit for batteries, and grid-interfacing power inverters. Compare...

주제어

#PV PCS   #BESS   #Grid-connected   #Rule-based   #Coordination algorithms  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 기존에 설치된 태양광-배터리 전원시스템의 단점을 보완하고자 태양광 발전에 최대전력점 추종알고리즘을 적용하였고, 배터리의 자율적인 충방전을 위한 DC/DC 전력변환기를 설계하였다. 또한 태양광-배터리 전원 시스템의 에너지 효율을 높이기 위하여 양방향 조류제어를 위한 계통연계용 단상인버터를 설계하였다.
  • 또한 배터리는 독립적으로 충/방전량을 조절할 수 없어 계통연계형 발전시스템으로서 한계점이 존재한다. 본 논문에서는 앞서 언급한 문제점을 개선하고자 MPPT 기능, 양방향 계통연계형 인버터 제어원리, 배터리 충방전을 위한 별도의 전력변환 회로를 추가로 적용하고자 한다.
  • 태양광 어레이의 정격출력은 1kW이며, 배터리는 정격전압 12V, 정격용량 100Ah의 납축전지 2개가 직렬로 연결된 형태로 구성된다. 본 논문에서는 이러한 태양광-배터리 전원시스템의 효율적인 운영기법에 대해 제안한다. 특히 제안하는 운영기법은 태양광 전원의 최대전력점 추종(MPPT: Maximum Power Point Tracking), 계통연계용 전력변환기의 양방향 전력제어, 배터리의 효율적인 충방전을 가능하게 한다.
  • 본 논문에서는 태양광-배터리 전원시스템 상의 태양광 발전량과 부하의 전력 소모량 및 배터리 충전상태를 측정하여 통합적으로 배터리 충방전을 제어하는 협조제어 알고리즘을 제안한다. 협조제어 알고리즘으로 지능형 제어알고리즘의 하나인 규칙기반 전문가시스템 (Rule-based Expert System)을 적용하였으며 개발한 전문가시스템의 구조는 그림 14와 같다.
  • 본 논문에서는 태양광-배터리 전원시스템의 협조제어를 위해 필요한 입력신호로 태양광 발전시스템의 발전량(PPV), 부하에서 소모하는 전력(Pload), 배터리의 충전상태(SOC) 그리고 전력사용량이 많은 피크부하 시간인지 판단하기 위해 현재 시각(Time)을 선정하였다. 이러한 4개의 입력은 데이터베이스에서 추론에 적합한 데이터로 정규화해서 저장된다.

가설 설정

  • 3kW급 이상적인 PV 어레이의 수학적 모델을 구현하였으며, 모델의 전압-전류, 전압-전력 특성 곡선을 그림 4에 나타내었다. 4개의 병렬 PV 모듈과 540개의 직렬 셀을 연결하였고 일사량은 50, 80, 100mW/cm2 임을 가정하였다.
  • 각 파형은 배터리 전력(Pbat), 배터리 SOC, 계통연계형 인버터의 전력(Pgrid), 일간 부하량 지령치 및 실제 부하로 유입되는 전력량, 태양광 발전량(Ppv) 그리고 직류 버스 전압을 나타내었다. 초기 SOC 값은 50%로 설정하였고 시뮬레이션 시간은 6초를 24시로 가정하여 동작 검증을 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신재생 에너지원을 이용한 발전시스템에 관심이 증가하는 배경은 무엇인가? 최근 환경오염에 의한 이상기후 및 화석연료 고갈 등의 에너지 문제가 화두로 떠오르는 가운데, 이에 대한 해결책으로 태양광 발전, 풍력 발전 등과 같은 신재생 에너지원을 이용한 발전시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 미국, 유럽, 일본 등의 선진국들에서는 각 국가에 맞는 신재생 에너지원을 기반으로 여러 연구들이 진행 중이며 국내에서도 신재생 에너지원을 이용한 발전시스템의 연구개발이 활발히 진행 중이다.
기후, 지역 등의 외부 조건으로 인한 발전시스템의 문제를 해결하기 위해 어떤 방법이 필요한가? 또한 신재생 발전시스템은 기후, 지역 등의 외부 조건에 의해 발전량이 일정하지 않고 변화가 크게 발생하기 때문에 대규모의 신재생 에너지원이 전력계통에 연결될 경우 전압, 주파수의 변동 및 안정도가 저하될 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 에너지 저장장치인 2차 전지 또는 슈퍼 커패시터 등을 연결하여 신재생 에너지 전원의 발전량 변화를 보상하는 기술이 필요하다. 또한 에너지 저장장치에 저장된 에너지는 전력수요가 크게 증가하는 피크 부하 시간 때에 일정 전력을 부담할 수 있어 효율적인 전력 이용을 가능하게 한다 [4-5].
신재생 발전시스템은 일반적으로 어떻게 구분되어 있는가? 일반적으로 이러한 신재생 발전시스템은 전력계통에서 직접 전력을 공급받기 어려운 도서지역 및 산간벽지와 같은 곳에 적용되는 독립형 방식과 계통과 직접 연결되어 신재생 발전시스템에서 생산된 전력을 사고 팔수 있는 구조인 계통연계형으로 구분된다. 또한 신재생 발전시스템은 기후, 지역 등의 외부 조건에 의해 발전량이 일정하지 않고 변화가 크게 발생하기 때문에 대규모의 신재생 에너지원이 전력계통에 연결될 경우 전압, 주파수의 변동 및 안정도가 저하될 수 있다.
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참고문헌 (14)

  1. S. Teleke, M.E. Baran, S. Bhattacharya, and A.Q. Huang, "Rule-Based Control of Battery Energy Storage For Dispatching Intermittent Renewable Sources," IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol.1, no.3, pp.117-124, Oct. 2010. 

    상세보기 crossref

  2. S. Kim, J. Jeon, C. Cho, J. Ahn, and S. Kwon, "Dynamic Modeling and Control of a Grid-Connected Hybrid Generation System With Versatile Power Transfer," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.55, no.4, pp.1677-1688, Apr. 2008. 

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  3. I. Chung, W. Liu, D. Cartes, E. Collins, and S. Moon "Control Methods for Multiple Distributed Generators in a Microgrid System," IEEE Trans. Industry Applications. Vol.46, no.3, May/June 2010. 

  4. C. Yoo, I. Chung, S. Hong, W. Chae, and J. Kim, "A Feasibility Study on DC Microgrids Considering Energy Efficiency", Trans. KIEE, vol. 60, no. 9, pp. 1674-1683, Sep. 2011. 

  5. J. Lee, G. Kwon, B. Han, and H. Cha, "Operational Characteristic Analysis of DC Micro-grid with Detail Model of Distributed Generation", Trans. KIEE, vol. 58, no. 11, pp. 2175-2184, Nov. 2009. 

  6. J. Lee and G. Kim, Solar Cell Engineering, Green, 2008. 

  7. Y. Ji, J. Kim, S. Park, J. Kim, and C. Won, "C-language based PV array simulation technique considering effects of partial shading," IEEE International Conference on Industrial Technology 2009, Feb. 2009. 

  8. S. Piller, M. Perrin, and A. Jossen, "Methods for state-of-charge determination and their applications," Journal of Power Sources, vol. 96, pp. 113-120, Jun. 2001. 

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  9. C.M. Shepherd, "Design of Primary and Secondary Cells," Journal of The Electrochemical Society, vol. 112, pp. 252-257, Mar. 1965. 

    상세보기 crossref

  10. H. Kim, "Filter Design for Utility Interactive Inverters using Single-phase Full-bridge Topology", Trans. KIPE, vol. 12, no. 4, pp.346-353, Aug. 2007. 

  11. Y. Xue, L. Chang, S. B Kjær, J. Bordonau, T. Shimizu, "Topologies of Single-Phase Inverters for Small Distributed Power Generators : An Overview", IEEE Trans. Power Electronics, vol. 19, no. 5, Sep. 2004. 

  12. Michael Negnevitsky, Artificial Intelligence, 2nd Edition, Addision Wesley, 2004. 

  13. A.B. Badiru and J.Y. Cheung, Fuzzy Engineering Expert Systems, with Neural Network Applications, John Wiley & Sons, 2002. 

  14. Korea Power Exchange, Korea Power System Operation Data, Aug. 2011. 

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