[논문]VS-PO 방법을 이용한 태양광 발전의 MPPT 제어

고재섭; 정동화

doi:10.5207/jieie.2015.29.3.045

VS-PO 방법을 이용한 태양광 발전의 MPPT 제어
MPPT Control of Photovoltaic using VS-PO Method 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.3, 2015년, pp.45 - 53

고재섭 (Dept. of Electrical Control Engineering, Sunchon National University) , 정동화 (Dept. of Electrical Control Engineering, Sunchon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

A I-V and P-V characteristic of solar cell is changed to nonlinear by radiation and temperature. Therefore, to use efficiently PV system, operating point of PV system is must operate at maximum power point always. A performance of conventional the PO and the IC method is depend on the step size. So it has weakness which is must select optimal step size. Also, MPPT control applying PI and fuzzy control is not expected satisfactory performance, because of PI controller has fixed gain and fuzzy control has cumulative error by an integral calculus. Therefore, this paper proposes the VS-PO(Variable Stepsize - Perturbation & Observation) MPPT control that is automatically adjusted the step size according to the operating conditions. The VS-PO MPPT method proposed in this paper analyzes control characteristic about condition of radiation and compares with conventional methods. The validity of this paper proves using this results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

오차가 작게 나타났다. 따라서 본 논문에서 제시한 방식의 타당성을 입증하였다.
그러나 이러한 방식들은 고정된 스텝 크기를 가지고 있기 때문에 과도상태와 정상상태에서의 응답특성을 모두 만족시키는데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 P-V 곡선에서 전력의 변화가 최대전력점에 가까울수록 줄어드는 특성을 이용하여 PO MPPT 방법에 사용되는 스텝크기를 자동으로 조절할 수 있는 VS-PO 방법을 제시한다. 본 논문에서 제시한 방식은 종래의 PO 및 IC 방식과 비교를 통해 타당성을 입증한다.
큰 스텝 크기는 추적속도는 향상되지만 추적의 정확도가 낮아지며 작은 스텝 크기는 추적의 정확도는 높지만 추적속도가 느려지는 단점을 가진다. 따라서 본 논문에서는 고정된 스텝 크기를 가진 MPPT 방식의 문제점을 해결하기 위하여 VS-PO MPPT 방식을 제시한다. 스텝 크기는 PV 어레이의 ΔP(k) 와 ΔV(k) 에 따라 자동으로 조절되고 스텝 크기는 최대전력점 부근에서 C_p(k)가 작아지기 때문에 아주 작은 값을 가지게 된다.
따라서 본 논문에서는 태양광 발전시스템의 전력변화분과 전압변화분을 이용하여 스텝 크기를 자동으로 조절하는 가변 PO 방식을 제시한다. 최대전력점에서 먼 곳에 있는 구간에서는 스텝값을 크게하여 추적속도를 향상시키고 최대전력점에 가까운 곳에 있는 구간에서는 스텝값을 작게하여 정확도를 개선한다.
본 논문은 태양광 발전시스템의 MPPT 제어를 위한 VS-PO 방식을 제시한다. 태양광 발전의 효율을 향상시키기 위하여 일반적으로 MPPT 제어방식을 사용한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 최대전력점에 가까울수록 전력의 변화가 감소되는 특성을 이용하여 PO MPPT 제어에 사용되는 스텝의 크기를 다음식과 같이 결정한다.
최대전력점에서 먼 곳에 있는 구간에서는 스텝값을 크게하여 추적속도를 향상시키고 최대전력점에 가까운 곳에 있는 구간에서는 스텝값을 작게하여 정확도를 개선한다. 본 논문에서 제시한 방식은 일사량 변동에 대하여 종래의 PO 및 IC 방식과 비교 분석한다. 본 논문에서 제시한 가변 PO 방식은 종래의 방식에 비하여 과도상태에서 상승속도가 종래의 PO 및 IC 방법에 비하여 각각 33%, 30% 개선되었으며 정상상태 오차는 방법에 비하여 빠르게 나타났으며 정상상태에서는 최대 오차가 종래의 방법인 PO 및 IC에 비해 60%, 52% 개선되어 나타났다.
따라서 본 논문에서는 P-V 곡선에서 전력의 변화가 최대전력점에 가까울수록 줄어드는 특성을 이용하여 PO MPPT 방법에 사용되는 스텝크기를 자동으로 조절할 수 있는 VS-PO 방법을 제시한다. 본 논문에서 제시한 방식은 종래의 PO 및 IC 방식과 비교를 통해 타당성을 입증한다.
그림 6은 본 논문에서 제시한 VS-PO 방법의 알고리즘을 나타낸다. 전압과 전류를 이용하여 전력을 계산하고 전력과 전압의 변화값을 이용하여 최대전력점 추적을 위한 스텝값을 출력한다. 전력 및 전압의 변화방향에 따라 지령전압의 크기를 스텝값으로 조절하여 최대전력점을 추적하는 방법이다.

대상 데이터

그림 13은 MPPT 제어 특성 분석을 위해 사용된 실험장치를 나타낸다. 제어기는 TI 사의 DSP 중 C2000계열의 TMS320F2406을 사용하였고 스위칭소자는 SEMIKRON사의 SK45GH063를 사용하여 구성하였다.

성능/효과

제시한 MPPT 제어 알고리즘은 종래의 PO 제어 알고리즘에 비해 정상상태에서 자려 진동의 폭이 매우 작게 나타나고 있으며 이는 제시한 알고리즘이 양호하게 수행되고 있음을 알 수 있다. 또한 작은 진동 폭으로 전력소모가 감소되어 MPPT 제어의 우수한 성능을 확인할 수 있다.
그림 9 (d)는 종래의 PO 및 IC 방법에 사용된 스텝 크기와 본 논문에서 제시한 VS-PO 방법에 사용된 스텝크기를 나타낸다. 본 논문에서 제시한 VS-PO 방법의 스텝 크기는 과도상태에서는 종래의 방법보다 크게 증가하여 추적속도를 개선시키고, 정상 상태에서는 종래의 방법보다 작아져 추적의 정확도를 개선하고 있다.
본 논문에서 제시한 방식은 일사량 변동에 대하여 종래의 PO 및 IC 방식과 비교 분석한다. 본 논문에서 제시한 가변 PO 방식은 종래의 방식에 비하여 과도상태에서 상승속도가 종래의 PO 및 IC 방법에 비하여 각각 33%, 30% 개선되었으며 정상상태 오차는 방법에 비하여 빠르게 나타났으며 정상상태에서는 최대 오차가 종래의 방법인 PO 및 IC에 비해 60%, 52% 개선되어 나타났다. 오차가 작게 나타났다.
그림 11은 일사량이 서서히 변화하는 구간에 대한 응답특성 비교를 나타내고 그림 11 (a)는 PO, 11 (b)는 IC 및 그림 11 (c)는 본 논문에서 제시한 VS-PO 방법의 출력전력을 나타낸다. 본 논문에서 제시한 방법이 종래의 방법에 비하여 출력전력의 리플이 작게 나타나고 있어 우수한 응답특성을 나타낸다.
8V를 나타낸다. 제시한 MPPT 제어 알고리즘은 종래의 PO 제어 알고리즘에 비해 정상상태에서 자려 진동의 폭이 매우 작게 나타나고 있으며 이는 제시한 알고리즘이 양호하게 수행되고 있음을 알 수 있다. 또한 작은 진동 폭으로 전력소모가 감소되어 MPPT 제어의 우수한 성능을 확인할 수 있다.
그림 5 (a)는 일정한 크기(ΔV)로 스텝크기가 변화할 경우 최대전력점에서 멀리 있을 때 전력의 변화(ΔP₁)와 최대전력점에 가까웠을 때 전력의 변화(ΔP₂) 비교를 나타내고, 그림 5 (b)는 스텝 크기기 ΔV₁, ΔV₂로 변화했을 때 최대전력점 부근에서 나타나는 전력의 변화 ΔP₁, ΔP₂를 나타낸다. 최대 전력점을 추적하는 스텝의 크기에 따라 전력의 변화가 다르게 나타나며 최대전력점에 가까울수록 전력의 변화가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 최대전력점 부근에서는 스텝 크기가 작아질수록 전력의 변화가 감소되어 더욱 정밀한 최대전력점추적을 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양에너지의 장점은?	따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 대체에너지 및 신재생에너지 개발에 대한 관심이 급증하고 있다[1-3]. 태양에너지는 친환경적이고 무한한 에너지원이며 또한 태양광 발전 시스템은 발전을 위한 별도의 구동부가 필요 없고 소음이 없으며 유지비가 적게 든다는 장점을 가지고 있다. 이러한 태양광발전 시스템의 출력 효율을 높이기 위하여 MPPT 제어를 이용하고 있다.
	태양광 발전의 최대전력점을 찾기 위한 방식은 무엇이 있는가?	태양광 발전의 최대전력점은 일사량과 온도에 따라서 변화한다. 이러한 최대전력점을 찾기 위한 종래의 방식으로는 PO와 IC방식 등이 있다[4-6]. 그러나 이러한 방식들은 고정된 스텝 크기를 가지고 있기 때문에 과도상태와 정상상태에서의 응답특성을 모두 만족 시키는데 한계가 있다.
	화석연료의 문제점은 무엇인가?	전 세계적으로 산업의 고도성장으로 인하여 에너지 사용이 급증하고 있으며 이에 따라 주요 에너지원인 화석연료의 소비량도 증가하고 있다. 이러한 화석연료는 자원이 유한성을 가지고 있으며 지구온난화, 온실 효과, 오존층 파괴 산성비 등의 환경 문제를 일으키는 주요 원인이 되고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 대체에너지 및 신재생에너지 개발에 대한 관심이 급증하고 있다[1-3].

참고문헌 (8)

K. Kurokawa, "Energy from Desert", 2003.
C. J. Winter, R. L. Sizmann, L. L. Van-Hull, "Solar Power Plants", Springer-Verlag, 1991.
J. S. Choi, J. S. Ko, D. H. Chung, "Comparison study of Maximum Power Point Tracking Control with Changing of Radiation", journal of KIEE, Vol. 9, no. 6, pp. 1011-1085, 2010.
J. S. Choi, J. S. Ko, D. H. Chung, "Development of Improved P&O Algorithm of PV System Considering Insolation variation", Journal of KIIEE, Vol. 24, no. 4, pp. 166-176, 2010.
J. S. Ko, D. H. Chung, "MPPT Control of Photovoltaic using Variable IC Method", Journal of KIIEE, Vol. 26, no. 8, pp. 27-34, 2012.
J. A. Abu-Qahouq, H. Mao, H. J. Al-Atrash, and I. Batarseh, "Maximum efficiency point tracking (MEPT) method and digital dead time control implementation," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 21, no. 5, pp. 1273-1281, 2006.

상세보기
E. Koutroulis, K. Kalaitzakis and N. C. Voulgaris., "Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system", IEEE Trans. Power Electronics., vol. 16, pp.46-54, 2001.
Y.C. Kuo, T. J. Liang, J. F. Chen., "Novel maximum power point tracking controller for photovoltaic energy conversion system", IEEE Trans. Ind. Electronics., vol. 48, pp.594-601, 2001.

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