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[국내논문] 독립형 태양광 가로등 통합제어기 개발
Development of a stand-alone solar street light controller integrated 원문보기 논문타임라인

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.6, 2014년, pp.641 - 647  

김희철 (광주대학교 컴퓨터공학과)

초록
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독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통 연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구된다. 기존의 대체에너지분야의 이용은 복합발전의 형태보다는 하나의 발전 형태를 주로 채택하고 있으나 태양광/풍력 복합발전시스템을 최적설계하고 배터리능력을 향상시켜 설치가격을 합리화 할 수 있는 통합형 제어시스템이 필요하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stand-alone PV systems and grid-connected distribution lines operating independently with out the advantage that it is simple, and construction equipment, but the advantage of less expensive MPPT converter and production, including the energy stored in the battery charging circuit and battery for ma...

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제안 방법

  • Anti-Windup을 이용한 PI제어기에서는 전압과 전류를 제어하기 위하여 2 중 루프를 이용하였으며 빠른 동적제어를 위한 인덕터 전류제어는 40 [μsec] 마다 제어를 하였다.
  • Anti-Windup을 이용한 PI제어기에서는 전압과 전류를 제어하기 위하여 2 중 루프를 이용하였으며 빠른 동적제어를 위한 인덕터 전류제어는 40 [μsec] 마다 제어를 하였다. PI Gain 값은 프로그램상에서 전력을 구한 후 높은 일사량과 낮은 일사량을 구분하여 Gain 값을 차등 적용하였다. 궤한에 의한 MPPT 제어알고리즘을 적용한 제어기의 블록도는 그림 5와 같다[5].
  • DC-DC 변환기의사용 범위를 넓히기 위해 큰 부하전류에서 유리한 PWM 구동방식을 사용하였다. 그리고 보다 안정적이고 빠른 피드백으로 출력전압의 리플을 줄일 수 있는 전류제어모드를 이용하여 설계하였다. 설계된 전류 제어모드의 PWM 부스터 컨버터의 주요특징이다[6-9].

대상 데이터

  • IncCond 방법은 빠른 환경 변화에 대해 MPPT 성능이 매우 좋은 장점이 있다. 본 연구개발에서는 ATmega128을 적용하였다[1], [3].

이론/모형

  • DC-DC 변환기의사용 범위를 넓히기 위해 큰 부하전류에서 유리한 PWM 구동방식을 사용하였다. 그리고 보다 안정적이고 빠른 피드백으로 출력전압의 리플을 줄일 수 있는 전류제어모드를 이용하여 설계하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
독립형 태양광발전시스템의 장점은 무엇인가? 독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].
전력전자 컨버터는 어떻게 분류할 수 있는가? 전력전자를 적용한 컨버터는 전원의 형태와 요구되는 출력 특성에 따라 기본적으로 DC-AC 컨버터, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-AC 컨버터로 분류한다[4-5].
독립형 태양광 제어기의 단점은 무엇인가? 이는 외기 기후변화에 대한 상대적인 보완성을 가진 두 가지 형태의 에너지변환과정으로 인해 그 이용이 더욱 부각되고 있다. 현재 사용중인 독립형 태양광 제어기는 LED램프를 온오프 할 수 있는 타이머나 CDS 센서를 이용한 온오프제어기, 태양광에서 발전된 전력을 밧데리에 충전하는 충전기가 개별적으로 부착해서 사용함으로 효율이나 설치비용이 많이 드는 단점이 있다[12-13].
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참고문헌 (13)

  1. Y. JUNG, D. KIM, and N. Cho, AVR Atmega128A Bible. BOGDOO 2013, pp. 200-216. 

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    본 연구개발에서는 ATmega128을 적용하였다[1], [3].

    드라이버의 구성은 승압형 컨버터 회로를 구동하기 위한 칩으로 여러 전원을 사용하지 않고서도 MOSFET게이트 신호 구동이 가능한 장점을 가지고 있는 IR2110 IC를 이용한다[1], [11-12].

  2. R. Ruther, A. Montenegro, A. Salamon, and I. Araujo, "The Petrobras 45.5kwp, gridconnected PV System: a Comparative Study of Six Thin-film Module Types Operating in Brazil," Proc. of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. 2002, pp. 1440-1443. 

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    독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].

  3. H. Huh and J. Lee, "A Study on Development of H8 MCU IDB(Integrated development board) for Embedded Education," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 4, no. 1, 2009, pp. 51-57. 

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    독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].

    본 연구개발에서는 ATmega128을 적용하였다[1], [3].

    게이트 전압이 0V일 때 소스와 드레인 사이의 채널형성 여부에 따라 공핍형과 증가형으로 구분된다[3-5].

  4. R. Andoubi, A. Mami, and M. Annabi, "Bond Graph Modelling and Dynamic Study of a Photovoltaic System Using MPPT Buck-Boost Converter," IEEE ICS, vol. 3, 2002, pp. 200-205. 

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    독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].

    일사량, 태양전지의 표면온도, 풍속, AM(: Air Mass), 투명도, 혼탁도, 오존층과 수증기층의 두께 등이 효율에 영향을 미치는 파라미터로 작용한다[4].

    전력전자를 적용한 컨버터는 전원의 형태와 요구되는 출력 특성에 따라 기본적으로 DC-AC 컨버터, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-AC 컨버터로 분류한다[4-5].

    표 1은 MPPT 최대출력점을 추적하여 전압지령치로 출력하는 동작을 한다[4-6].

    IncCond 알고리즘은 Hill-Climb 방법에 따른 IncCond MPPT의 특성이며 그림 7과 같이 동작한다[4], [5].

    게이트 전압이 0V일 때 소스와 드레인 사이의 채널형성 여부에 따라 공핍형과 증가형으로 구분된다[3-5].

  5. H. Noh, D. Lee, and D. Hyun, " An Improved MPPT Convertor With Current Compensation Method for Small Scaled PV-Applications, " IEEE IES, vol. 2, 2002, pp. 1113-1118. 

    인용구절

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    독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].

    전력전자를 적용한 컨버터는 전원의 형태와 요구되는 출력 특성에 따라 기본적으로 DC-AC 컨버터, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-AC 컨버터로 분류한다[4-5].

    표 1은 MPPT 최대출력점을 추적하여 전압지령치로 출력하는 동작을 한다[4-6].

    궤한에 의한 MPPT 제어알고리즘을 적용한 제어기의 블록도는 그림 5와 같다[5].

    IncCond 알고리즘은 Hill-Climb 방법에 따른 IncCond MPPT의 특성이며 그림 7과 같이 동작한다[4], [5].

    게이트 전압이 0V일 때 소스와 드레인 사이의 채널형성 여부에 따라 공핍형과 증가형으로 구분된다[3-5].

    디지털 제어에서는 전력값의 이산된 현재값과 이전값의 미소 변동차를 측정하여 스위치 동작을 결정한다[5], [10].

  6. M. Wang, M. Nehrir, and D. Nelson, "A simulink-based model for a stand-alone wind-photovoltaic/fuel cell generating system," In Proc. the NAPS 2001, Texas A&M University, College Station, TX, Oct 2001. 

    인용구절

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    독립형 태양광발전시스템은 배전선로와 계통연계되지 않고 독립적으로 운영된다는 장점이 있어 시공설비가 간단하고 비용이 적게 드는 장점이 있지만 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 포함한 컨버터와 생산된 에너지를 배터리에 저장하기 위한 충전회로 및 배터리 매니징 회로가 요구되고, 통합형 제어시스템이 필요하다[2-6].

    표 1은 MPPT 최대출력점을 추적하여 전압지령치로 출력하는 동작을 한다[4-6].

    설계된 전류 제어모드의 PWM 부스터 컨버터의 주요특징이다[6-9].

  7. F. Franklin, J. David, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems. Prentice Hall, Fourth Edition, 2002, pp. 159-165. 

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    태양전지는 일반적으로 STC(Standard Test Conditions) 상태인 AM 1.5, 일사강도 1,000(W/㎡), 온도 25℃을 표준상태로 측정하여 각종 파라미터를(Voc, Isc, Vmp, Imp, Pmp) 표시한다[7-8].

    설계된 전류 제어모드의 PWM 부스터 컨버터의 주요특징이다[6-9].

  8. N. Mohan and P. Robbins, Power Electronics : Converters, Applications and Design. Willey, Third Edition, 2003 pp. 161-173. 

    인용구절

    인용 구절

    태양전지는 일반적으로 STC(Standard Test Conditions) 상태인 AM 1.5, 일사강도 1,000(W/㎡), 온도 25℃을 표준상태로 측정하여 각종 파라미터를(Voc, Isc, Vmp, Imp, Pmp) 표시한다[7-8].

    설계된 전류 제어모드의 PWM 부스터 컨버터의 주요특징이다[6-9].

  9. J. Im, J. Choi, S. Song, and D. Lee, "The Design of Digital Controller for Boost Converter on Photo-Voltaic System," J. of the Korean Solar Energy Society, vol. 30, no. 6, 2010, pp. 22-27. 

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    설계된 전류 제어모드의 PWM 부스터 컨버터의 주요특징이다[6-9].

  10. Y. Jung,"A Study on Generalized Output Capacitor Ripple Current Equation of Interleaved Boost Converter," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 6, 2012, pp. 1429-1435. 

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    DC-DC 컨버터의 종류는 비 절연방식과 절연방식으로 구분하고 비 절연방식으로는 강압형(Buck Type), 승압형(Boost Type), 승-강압형(Buck-Boost Type) 컨버터가 있고, 절연방식으로는 포워드형(Forward Type), 플라이백형(FlyBack Type), 푸시풀형(Push-Pull Type) 컨버터가 있는데, 푸시풀형 컨버터는 센터 탭(Center Tab), 하프 브리지(Half Bridge), 풀 브리지(Full Bridge) 방식으로 분류 된다[10], [12].

    디지털 제어에서는 전력값의 이산된 현재값과 이전값의 미소 변동차를 측정하여 스위치 동작을 결정한다[5], [10].

  11. Y. Jung,"Input Ripple Current Formula Analysis of Multi-Stage Interleaved Boost Converter," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 6, 2011, pp. 865-871. 

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    위의 식으로 부터 전체 PV시스템에 대한 효율을 산정할 때 시스템품질 또는 성능비 PR(Performance Ratio)를 적용하며 식 (8)과 같다[11-12].

    드라이버의 구성은 승압형 컨버터 회로를 구동하기 위한 칩으로 여러 전원을 사용하지 않고서도 MOSFET게이트 신호 구동이 가능한 장점을 가지고 있는 IR2110 IC를 이용한다[1], [11-12].

  12. H. Shin,"Characteristics of AC-DC Converter using Multilayer Piezoelectric Transformer," J. of The Korea Institute of Electronic Communication ciences, vol. 7, no. 6, 2012, pp. 1315-1320. 

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    현재 사용중인 독립형 태양광 제어기는 LED램프를 온오프 할 수 있는 타이머나 CDS 센서를 이용한 온오프제어기, 태양광에서 발전된 전력을 밧데리에 충전하는 충전기가 개별적으로 부착해서 사용함으로 효율이나 설치비용이 많이 드는 단점이 있다[12-13].

    위의 식으로 부터 전체 PV시스템에 대한 효율을 산정할 때 시스템품질 또는 성능비 PR(Performance Ratio)를 적용하며 식 (8)과 같다[11-12].

    컨버터의 스위치로 사용되는 트랜지스터, MOSFET, IGBT, SCR, GTO, 다이오드 등의 반도체 소자는 이상적이지 않으므로 온 · 오프의 스위칭 시 턴온 및 턴오프로 인한 손실이 발생한다[12-13].

    DC-DC 컨버터의 종류는 비 절연방식과 절연방식으로 구분하고 비 절연방식으로는 강압형(Buck Type), 승압형(Boost Type), 승-강압형(Buck-Boost Type) 컨버터가 있고, 절연방식으로는 포워드형(Forward Type), 플라이백형(FlyBack Type), 푸시풀형(Push-Pull Type) 컨버터가 있는데, 푸시풀형 컨버터는 센터 탭(Center Tab), 하프 브리지(Half Bridge), 풀 브리지(Full Bridge) 방식으로 분류 된다[10], [12].

    드라이버의 구성은 승압형 컨버터 회로를 구동하기 위한 칩으로 여러 전원을 사용하지 않고서도 MOSFET게이트 신호 구동이 가능한 장점을 가지고 있는 IR2110 IC를 이용한다[1], [11-12].

  13. S. Kim and K. Lee,"Implementation of Successive Approximate Register typed A/D Converter for a Monitored Battery Voltage Conversion," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 2, 2011, pp. 256-261. 

    인용구절

    인용 구절

    현재 사용중인 독립형 태양광 제어기는 LED램프를 온오프 할 수 있는 타이머나 CDS 센서를 이용한 온오프제어기, 태양광에서 발전된 전력을 밧데리에 충전하는 충전기가 개별적으로 부착해서 사용함으로 효율이나 설치비용이 많이 드는 단점이 있다[12-13].

    컨버터의 스위치로 사용되는 트랜지스터, MOSFET, IGBT, SCR, GTO, 다이오드 등의 반도체 소자는 이상적이지 않으므로 온 · 오프의 스위칭 시 턴온 및 턴오프로 인한 손실이 발생한다[12-13].

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