[논문]승압 초퍼 기능이 내장된 새로운 태양광 발전용 파워컨디셔너의 개발

문상필; 이수행; 김영문

doi:10.5370/kieep.2014.63.4.361

[국내논문] 승압 초퍼 기능이 내장된 새로운 태양광 발전용 파워컨디셔너의 개발
Development of Boost Chopper with Built New Renewable Energy in Grid-Connected Distributed Power System 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.4, 2014년, pp.361 - 367

문상필 (Dept. of Electrical Engineering, Masan University) , 이수행 (NGP Co., LTD.) , 김영문 (Dept. of Electrical Engineering, Masan University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is related to a new solar power conditioner for a built-in step-up chopper function. In the first step-up chopper proposed solar PV power conditioner for mutually connected in series with the input voltage of the bypass diodes are respectively connected to the positive terminal should install the mutual boosting chopper diode connected in series with the boost chopper switching element between the two power supply and at the same time the first and the second was connected to a second diode and a resonance inductor and a snubber capacitor in series with each other. And the common connection point between the bypass diode and the step-up chopper and the step-up chopper diode common connection point of the switching elements of the input voltage was set to the boost inductor for storing energy. In addition, between the step-up chopper and the step-up chopper diode and a switching element of a joint connection point of the first auxiliary diode and the second common connection point of the auxiliary diode was provided, the resonance capacitor. Between the step-up chopper and the step-up chopper diode and a switching element of a joint connection point and the common connection point of the resonance inductor snubber capacitor and connecting the third secondary diode, between two power supply lines is characterized by configuring the DC link capacitor bus lines in parallel. Therefore, it is possible to suppress the switching loss through, DC link bus lines, as well as there could seek miniaturization and weight reduction of the power conditioner itself by using a common capacitor of the non-polar non-polar electrolytic capacitor having a capacitor, the service life of the circuit can be extended and it is possible to greatly reduce the loss can be greatly improve the reliability of the product and the operation of the product itself.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 계통연계형 소규모 분산형 태양광 발전시 스템의 보급을 위해서 비절연 변압기 리스 방식의 파워컨디 셔너의 새로운 회로 방식과 제어 방식을 제안하였다. 그 중에서도 태양 전지의 낮은 출력 전압을 승압하는 승압 초퍼 방식의 고효율화, 소형화를 목적으로 한 ZVS-PWM 승압 초퍼를 제안했다. 제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너의 동작 원리를 밝히고, 제작 및 실측을 위한 회로정수의 설계, 동작 분석, 손실 분석을 하였다.
본 논문에서는 계통연계형 소규모 분산형 태양광 발전시 스템의 보급을 위해서 비절연 변압기 리스 방식의 파워컨디 셔너의 새로운 회로 방식과 제어 방식을 제안하였다. 그 중에서도 태양 전지의 낮은 출력 전압을 승압하는 승압 초퍼 방식의 고효율화, 소형화를 목적으로 한 ZVS-PWM 승압 초퍼를 제안했다.
본 논문에서는 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 직류 입력전압보다 높은 실효값을 갖는 교류 출력전압을 생성할 수 있도록 하여 전력 변환부의 고효율화와, 고주파화에 의한 고기능화, 소형 및 경량화를 목표로 향후 예상되는 신 에너지를 이용한 계통연계 분산전원 시스템의 실용화와 발전에 기여할 수 있고, 특히 승압 초퍼(Boost Chopper)에서 사용한 승압 초퍼 스위칭 소자에서 펄스 폭 변조(PWM) 동작시킬 때에는 풀-브리지 파워 컨디셔너 제어부의 스위칭 소자를 고정시키고, 입력전압 이하의 출력 전압을 생성할 때에는 승압 초퍼 스위칭 소자는 작동시키지 않음으로써 스위칭 손실을 억제할 수 있고, 또 DC 링크 버스 라인 커패시터로 극성이 있는 전해 커패시터가 아닌 무극성의 일반 커패시터를 사용함으로써 파워 컨디셔너 자체를 소형화 및 경량화를 꾀할 수 있을 뿐만 아니라, 회로의 수명을 연장할 수 있고 손실을 대폭 저감할 수 있어 제품 자체의 상품성과 작동에 따른 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 태양광 발전용 파워 컨디셔너를 개발하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너의 동작 원리를 밝히고, 제작 및 실측을 위한 회로정수의 설계, 동작 분석, 손실 분석을 하였다. 또한 제작한 시제품을 통하여 그 타당성을 확인하고 결과를 얻었다.
0[A]로, 전압원V_DC는 320[V]로 정하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 공진 인덕터에 흐르는 전류의 특성은 공진 인덕터 Lr에 흐르는 전류의 실효값이 최대가 되는 조건에서 V_DC가 최대가 될 때의 전압 V_DC-MAX와 그 때의 전류 I_DC를 선정하여 전류원 I_DC는 8.0[A]로, 전압원 V_DC는 320[V]로 정하여 시뮬레이션 하였다. 그림 5는 스너버 커패시터Cs와 공진 커패시터Cr 그리고 공진 인덕터Lr에 대한 공진 주파수 특성과 dv/dt의 특성, di/dt의 특성, 공진 인덕터 전류의 특성을 나타낸 것이다.
8[A]로, 전압원 V_DC는 235[V]로 정하여 시뮬레이션 하였다. 마찬가지로 승압 초퍼 스위치Sc의 di/dt의 특성은 V_DC가 최대가 될 때의 전압V_DC-MAX와 그 때의 전류I_DC를 선정하여 전류원I_DC는 8.0[A]로, 전압원V_DC는 320[V]로 정하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 공진 인덕터에 흐르는 전류의 특성은 공진 인덕터 Lr에 흐르는 전류의 실효값이 최대가 되는 조건에서 V_DC가 최대가 될 때의 전압 V_DC-MAX와 그 때의 전류 I_DC를 선정하여 전류원 I_DC는 8.
시뮬레이션을 통하여 먼저 승압 초퍼 스위치 Sc의 dv/dt의 특성은 I_DC가 최대가 될 때의 전류 I_DC-MAX와 그 때의 V_DC를 선정하여 전류원I DC는 16.8[A]로, 전압원 V_DC는 235[V]로 정하여 시뮬레이션 하였다. 마찬가지로 승압 초퍼 스위치Sc의 di/dt의 특성은 V_DC가 최대가 될 때의 전압V_DC-MAX와 그 때의 전류I_DC를 선정하여 전류원I_DC는 8.
특히 순간 출력 전압이 입력 전압 Vs보다 낮은 때도 Cc에 높은 전압이 항상 걸려 있어 전해 커패시터를 사용함으로써 회로의 대형화가 되는 단점이 있다. 이에 반해 본 논문에서 제안한 회로 방식은 승압 초퍼 스위치Sc를 항상 PWM 동작시켜 이러한 문제점을 개선하였다.
그림 2는 제안한 태양광 발전용 파워 컨디셔너에 내장되어 있는 SPWM 승압 초퍼 회로를 나타낸 것이다. 제안한 SPWM 승압 초퍼 회로는 승압 초퍼부의 승압 에너지 저장 인덕터 Lc에 흐르는 전류를 전류원으로 한 I_DC, 승압 초퍼 스위치Sc, 승압 초퍼 다이오드Dc, DC링크 버스 라인 커패시터Cc를 전압원으로 한 V_DC와 공진 인덕터Lr, 공진 커패시터Cr, 스너버 커패시터Cs, 보조 다이오드(D₁, D₂, D₃)로 구성된 소프트 스위칭 회로가 함께 구성되어져 있다.
제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너는 직류 입력 전압 Vs보다 높은 실효값을 갖는 교류 출력 전압을 생성하기 위하여 설계된 회로이다. 이 새로운 회로 방식의 특징은 다음과 같다.
그 중에서도 태양 전지의 낮은 출력 전압을 승압하는 승압 초퍼 방식의 고효율화, 소형화를 목적으로 한 ZVS-PWM 승압 초퍼를 제안했다. 제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너의 동작 원리를 밝히고, 제작 및 실측을 위한 회로정수의 설계, 동작 분석, 손실 분석을 하였다. 또한 제작한 시제품을 통하여 그 타당성을 확인하고 결과를 얻었다.

대상 데이터

본 실험에서는 DC-DC 컨버터 및 풀 브리지 파워컨디셔너의 IGBT를 구동시키는데 필요한 게이트 펄스 신호의 생성하기 위해 히타치 SuperH™ 시리즈와 알파 프로젝트 회사의 보드(AP-SH2F-0A)를 사용하였다. 그리고 실험에 이용한 SH-2 마이컴은 장비 임베디드 용도에 최적인 SH7045F를 탑재하고 있어 간단한 RISC 보드 컴퓨터이며, 이를 삼각파 비교 PWM 신호를 발생시키는 데 사용했다.
본 실험에서는 DC-DC 컨버터 및 풀 브리지 파워컨디셔너의 IGBT를 구동시키는데 필요한 게이트 펄스 신호의 생성하기 위해 히타치 SuperH™ 시리즈와 알파 프로젝트 회사의 보드(AP-SH2F-0A)를 사용하였다.

성능/효과

그림 16은 제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너의 손실 비율 그래프로 나타낸 것이다. 그림 16에서 제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너 시스템의 효율은 97[%]로 매우 높은 것을 알 수 있으며, 효율을 더욱 더 높이기 위해서는 손실의 80[%]이상을 차지하는 도통 손실을 낮출 필요가 있다는 것을 확인할 수 있다.
두 실측파형에서 알 수 있듯이 제안한 태양광 발전용 파워 컨디셔너의 스위칭 V-I궤적의 면적이 기존의 태양광 발전용 파워컨디셔너의 스위칭 V-I궤적의 면적이 보다 작다. 이것은 스위칭 V-I궤적의 면적은 스위칭소자 내부에서의 전력손실과 비례하므로 스위칭 V-I궤적의 면적이 적은 제안한 태양광 발전용 파워컨디셔너가 전력손실이 적다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 태양광 발전용 파워컨디셔너 방식의 특징은?	㉠ 승압 초퍼 스위치 Sc는 PWM 동작시에는 파워컨디셔 너부의 스위치를 고정시키고, 입력전압 이하의 출력 전압을 생성할 때에는 승압 초퍼 스위치Sc는 작동시키지 않기 때문에 스위칭 손실을 억제한다. ㉡ DC 링크 버스 라인 커패시터 Cc의 전압을 변화시키 면서 사용하는 것으로, 전해 커패시터를 사용할 필요가 없어 소형화, 회로의 수명 및 손실의 저감 측면에서 특징이 있다.
	태양광 발전만의 독특한 특징은?	이때, 태양광 발전은 태양 에너지로부터 직접 전기를 발생시키는 데 일조를 얻을 수 있는 곳이라면 발전할 수 있다는 장점 외에, 미래의 에너지 자원으로 다른 시스템에서는 생각할 수 없는 몇 가지 독특한 특징을 가지고 있는데, 이를 정리해 보면 다음과 같다. 첫째 소음이 나오지 않고, 둘째 발전 중 CO2를 발생하지 않으며, 셋째 유지가 간단하고 자동 무인운전이 용이하며, 넷째 규모의 대소에 관계없이 일정한 효율로 발전하고, 다섯째 모듈구조로 구성되어 있기 때문에 양산성이 풍부해 규모가 크며, 여섯째 전력 수요 피크시인 주간에 발전을 한다[1-5].
	승압 초퍼를 이용한 태양광 발전용 파워 컨디셔너의 단점은?	종래 대부분의 승압 초퍼를 이용한 태양광 발전용 파워 컨디셔너는 교류 전압을 생성하기 위하여 승압 초퍼를 수시로 PWM 동작시켜 초퍼의 두 출력단자 사에에 설치된 전해 커패시터를 이용하여 전압을 일정하게 유지하면서 풀-브리지(Faul-Bridge) 파워 컨디셔너를 PWM 동작시키며 교류 출력 전압을 만들어 낸다. 그러나 이와 같은 구성을 갖는 종래 승압 초퍼를 이용한 태양광 발전용 파워 컨디셔너에서는 순간 출력 전압이 입력 전압보다 낮은 때도 전해 커패시 터에 높은 전압이 항상 걸려 있는 문제점이 있을 뿐만 아니 라, 전해 커패시터를 사용함으로써 회로가 대형화화 되는 단점이 있다[6, 7].

참고문헌 (7)

Solar Energy Association [eds.], "Design and Construction revised second edition of the power generation system of solar power system", Ohmsha, May 2001
Qun zhao, fengeng Tao, Fred C. Lee Peng Xu and Jia We, "A Simple and Effective Method to Alleviate the Rectifier Reverse-Recoverry Problem in Continuous-Current-Mode Boost Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.16, No5, Sep.2001, pp649-658

상세보기
K. Mark Smith and Keyue Ma Smedley, "A Comparison of Voltage-Mode Soft Switching Methods for PWM Converter", IEEE Transactions on Pawer Electronics, Vol.12, No.12, March. 1997,pp376-386

상세보기
Marn-Go kim and Seung-Ho Baek, "High-Power-Factor Boost Rectifier with a Passive Energy Recovery Snubber", Proceeding og ICPE, Seoul, 1998, pp668-676
Akifusa Hirokazu, original Kenji, Funato Hiroto, Kenzo Kamiyama: "Study on power loss of zero-voltage switching high efficiency rectifier circuit", the Institute of Electrical Engineers Study Group document, June SPC99-69,2000, pp109-113
Chihchiang Hua, Jongrong Lin and Chihming Shen, "Implementation of a DSP-Controlled Photovoltaics System with Peak Pwer Tracking", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.45, No1, feb.1998, pp99-107

상세보기
Yeong-Chau Kao tsorng-Juu Liang and Jiann-fun Chen, "Novel Maximum-Power-Point-Tracking Controller for Photovoltaic Energy Conversion System", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.48, No3,Jn.2001, pp.594-601

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증