[논문]독립형 태양광 인버터의 병렬 운전 기법

정구인; 권정민

doi:10.7836/kses.2015.35.6.009

독립형 태양광 인버터의 병렬 운전 기법
Parallel operating technique for the stand alone PV PCS 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.6, 2015년, pp.9 - 15

정구인 (한밭대학교 전기공학과) , 권정민 (한밭대학교 전기공학과)

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In this paper, a parallel operating technique for the stand alone photovoltaic (PV) power conditioning system (PCS) is proposed. The proposed parallel operating technique can increase the power rating of the system easily. Also, it provide three-phase connection function. The proposed technique does not separated master and slave system. Also, it does not use the separated synchronization line. Therefore, the PCS can supply continuous power even if one of the PCS breaks down. This technique is composed of a phase locked loop (PLL) control, droop control, current limit control and etc. Experimental result obtained on 2-kW prototype to verify the proposed technique.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 독립형 태양광 발전 시스템에서 사용하는 인버터의 새로운 병렬운전 기법을 제안했다. 제안된 병렬운전 기법을 사용하는 인버터는 병렬로 연결되어 인버터의 용량을 늘릴 수 있으며, 3개의 인버터를 연결하여 3상 인버터를 만들 수 있다.
⁶⁾ 병렬운전을 위해 동기 신호선을 사용하는 경우, 이 신호선이 끊어지거나 연결이 불량할 경우도 오동작 할 수 있다. 본 논문에서는 인버터 간 동기 신호선을 사용하지 않는 병렬운전 기법을 제안한다. 제안한 제어 방식은 순환 전류를 억제하고 병렬로 연결된 인버터가 같은 전력을 분담할 수 있도록 했다.

제안 방법

7)따라서 두 인버터 사이의 동기화는 필수적이며 본 연구에서는 인버터의 출력에서 측정된 전압과 전류를 이용해 두 인버터를 병렬 운전 했다. 개발된 인버터는 출력에서 측정된 전압이 없는 경우, 병렬 연결된 인버터가 없는 것으로 판단하고 독립적으로 동작한다.
이를 방지하기 위해 전류 제한 제어방식을 적용하였다. 가격 절감을 위해 추가적인 회로를 사용하지 않고, 제어 알고리즘만을 이용하였다. 사용된 전류 제한 제어는 부하에 과전류가 흐를 경우, 출력 전압을 줄여 부하로 공급되는 전류를 제한한다.
계산된 시점과 과거에 최댓값에 도달한 시점을 이용하여 병렬 연결된 인버터의 주기와 위상을 계산한다. 또한, 제어 주기마다 발생하는 실제 위상과 계산된 위상의 오차(∆wt)를 다음과 같이 계산한다.
다음으로 두 인버터 사이의 출력 전압 및 전류 균형을 위해 인버터의 출력전류를 기준으로 전압을 조정하는 방식의 드룹제어 방식을 사용했다. 그림 4는 드룹제어와 PLL을 포함하는 인버터의 제어 블록다이어그램이다.
일반적으로, 개발도상국에서는 48[V] 이하의 배터리 전압을 많이 사용하는 점을 고려하여 벅컨버터를 이용하여 최대전압추종(MPPT) 제어를 하며, 태양광 전력을 배터리와 인버터에 전송한다. 또한, 현지에서 인버터 수리가 힘든 점을 고려하여, 신뢰성이 높은 변압기형 인버터를 적용하였다.
인버터의 출력에 커패시터 성분이 큰 부하가 접속되는 경우, 인버터에 순간적으로 과전류가 흐르게 되며, 이 과전류로 인한 스위치 소자의 손상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 전류 제한 제어방식을 적용하였다. 가격 절감을 위해 추가적인 회로를 사용하지 않고, 제어 알고리즘만을 이용하였다.
이것은 인버터의 생산에 있어 한 종류의 인버터만 대량 생산하여 단상, 삼상, 대용량 단상, 대용량 삼상 인버터를 필요에 따라 만들 수 있으므로 인버터의 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 인버터 제어에는 드룹제어를 이용하여 인버터 병렬연결 시 두 인버터 사이의 전압을 맞춰 두 인버터 사이의 순환 전류를 억제하고 각 인버터가 동일한 전력을 부담하도록 했다. 또한, 전류 제한 제어를 사용하여 인버터에 순간적으로 과전류가 흐르는 것을 막아 인버터를 보호했다.
제안된 병렬 운전 기법을 사용하는 인버터는 기준 전압을 측정하여 위상을 120°또는 240° 이동시켜서 이것을 출력할 파형의 위상으로 사용한다.
본 논문에서는 독립형 태양광 발전 시스템에서 사용하는 인버터의 새로운 병렬운전 기법을 제안했다. 제안된 병렬운전 기법을 사용하는 인버터는 병렬로 연결되어 인버터의 용량을 늘릴 수 있으며, 3개의 인버터를 연결하여 3상 인버터를 만들 수 있다. 또한, 병렬운전 기능과 3상 운전 기능을 사용하여 대용량의 3상 인버터로서 동작할 수 있다.
본 논문에서는 인버터 간 동기 신호선을 사용하지 않는 병렬운전 기법을 제안한다. 제안한 제어 방식은 순환 전류를 억제하고 병렬로 연결된 인버터가 같은 전력을 분담할 수 있도록 했다. 또한, 일부 인버터가 고장 날 경우, 고장 난 인버터만 멈추고 다른 인버터가 전력을 공급할 수 있다.

대상 데이터

3.2 3상 제어

제안된 병렬운전 기법을 사용하는 인버터는 3상 기능을 포함하고 있어 개발된 인버터 3대를 이용하여 3상 인버터를 만들 수 있다. 3상 기능을 사용할 경우, 선행 동작하고 있는 인버터의 전압을 PLL을 통해 측정하고 동기화 한다.
제안된 병렬운전 기법을 사용하는 인버터는 A상 전압 측정을 통해 얻은 위상을 120° 또는 240° 이동시켜 출력 파형의 위상으로 사용할 수 있으며, Fig. 10은 인버터의 3상 기능을 이용하여 출력한 기본파형과 120° 위상차를 갖는 출력 파형을 보여주고 있다.

데이터처리

또한 동기 신호선을 사용하지 않아, 동기 신호선 연결 불량에 대한 위험성이 없다. 제안한 기법의 검증을 위해 2[kW] 시스템을 제작하여 검증하였다.

성능/효과

1) 독립형 태양광 발전 시스템은 수요가 적어 대량생산에 불리해 생산단가가 높다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 병렬연결 운전이 가능한 단일 독립형 인버터만을 생산하고, 필요에 따라 병렬 연결하여 사용하는 방안이 있다.
발생한 순환전류는 인버터의 전류 스트레스를 증가시킬 뿐만 아니라 시스템의 신뢰도를 떨어트린다.^2),3) 병렬 연결된 인버터 중 1개의 인버터만고장이 나도 전체 시스템이 오동작할 수 있다. 고장이 발생한 인버터는 멈추고 나머지 인버터로 부하에 전력 공급이 가능하다면, 좀 더 높은 신뢰도를 가질 수 있다.
고장이 발생한 인버터는 멈추고 나머지 인버터로 부하에 전력 공급이 가능하다면, 좀 더 높은 신뢰도를 가질 수 있다.^4),5) 병렬운전 인버터의 또 다른 요구사항으로는 핫 스왑 기능이 있다. 핫 스왑이 가능할 경우, 다른 인버터가 동작하는 상황에서 출력전압에 영향을 주지 않으면서 인버터를 추가로 연결하거나 분리할 수 있다.
핫 스왑이 가능할 경우, 다른 인버터가 동작하는 상황에서 출력전압에 영향을 주지 않으면서 인버터를 추가로 연결하거나 분리할 수 있다.⁶⁾ 병렬운전을 위해 동기 신호선을 사용하는 경우, 이 신호선이 끊어지거나 연결이 불량할 경우도 오동작 할 수 있다. 본 논문에서는 인버터 간 동기 신호선을 사용하지 않는 병렬운전 기법을 제안한다.
9는 한 대의 인버터(INV1)가 먼저 동작하고 있는 상황에서 다른 인버터(INV2)를 병렬 연결하고 동작시켰을 때의 전류 파형을 보여주고 있다. INV1의 전류 파형이 크기만 변할 뿐 파형의 일그러짐이 없는 것을 볼 수 있으며, 이것은 개발된 인버터의 핫 스왑기능이 정상적으로 동작함을 보여준다. 또한, INV1의 전류 크기가 감소함에 따라 INV2의 전류 크기가 증가함을 볼 수 있고, 전류의 변화는 INV1과 INV2의 전류크기가 같아질 때까지 지속되어 두 인버터가 동일한 전력을 부담함을 알 수 있다.
INV1의 전류 파형이 크기만 변할 뿐 파형의 일그러짐이 없는 것을 볼 수 있으며, 이것은 개발된 인버터의 핫 스왑기능이 정상적으로 동작함을 보여준다. 또한, INV1의 전류 크기가 감소함에 따라 INV2의 전류 크기가 증가함을 볼 수 있고, 전류의 변화는 INV1과 INV2의 전류크기가 같아질 때까지 지속되어 두 인버터가 동일한 전력을 부담함을 알 수 있다.
제안된 제어기법을 사용하는 인버터는 일반 적인 단상 독립 인버터의 기능 외에도 병렬운전기능과 3상 기능을 포함하고 있어, 다양한 상황에 맞게 동작할 수 있다. 예를 들어 부하에서 인버터 정격 이상의 전력을 필요로 하는 경우, 개발된 인버터를 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	독립형 태양광 발전 시스템은 어디에서 어떤 용도로 운용되고 있는가?	독립형 태양광 발전 시스템은 상용전원을 공급받지 못하는 도서지역이나 산간지역 등에서 에너지 저장장치와 복합적으로 운전하여 부하에 전력을 공급하는 용도로 운용되고 있다.1) 독립형 태양광 발전 시스템은 수요가 적어 대량생산에 불리해 생산단가가 높다는 단점이 있다.
	독립형 태양광 발전 시스템의 단점은?	독립형 태양광 발전 시스템은 상용전원을 공급받지 못하는 도서지역이나 산간지역 등에서 에너지 저장장치와 복합적으로 운전하여 부하에 전력을 공급하는 용도로 운용되고 있다.1) 독립형 태양광 발전 시스템은 수요가 적어 대량생산에 불리해 생산단가가 높다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 병렬연결 운전이 가능한 단일 독립형 인버터만을 생산하고, 필요에 따라 병렬 연결하여 사용 하는 방안이 있다.
	독립형 태양광 발전 시스템의 단점을 해결하는 방안은?	1) 독립형 태양광 발전 시스템은 수요가 적어 대량생산에 불리해 생산단가가 높다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 병렬연결 운전이 가능한 단일 독립형 인버터만을 생산하고, 필요에 따라 병렬 연결하여 사용 하는 방안이 있다. 병렬 운전 기능과 삼상 운전 기능을 포함하고 있을 경우, Fig.

참고문헌 (9)

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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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