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문제 정의
- 본 논문에서는 그림 1과 같은 저궤도 인공위성을 위한 비 조절식 태양전력 조절기의 설계에 관한 것으로 다음의 세 가지 동작 모드를 제시하고 이에 대한 동작 원리와 해석 그리고 실험 결과를 보여준다.
- 첫 번째는 태양광 발전 효율을 극대화하기 위한 최대 전력점추적 기법에 관한 것이다. 타 전장품에 대한 의존도를 낮추고 자체의 신뢰성을 높이기 위하여 아날로그 회로로 구성된 최대 전력 점 추적 기법을 제안한다.
- 이러한 기존 방식을 개선하여 태양전력 조절기의 정격 용량 범위에서 최대의 전력을 생산하기 위하여 전력 제한 기법을 제안하였다. 제안한 방식은 태양전력조절기의 출력 전압과 출력 전류를 이용한다.
- 본 논문에서는 저궤도 인공위성을 위한 450W급 태양전력 조절기의 새로운 운영방법과 최적화를 위한 방법을 제시하였다. 또한, 버스에 배터리가 연결됨으로써 기존의 벅 컨버터와 다른 해석의 필요성을 확인하고, 이를 반영한 모델을 확립하였다.
제안 방법
- 기법에 관한 것이다. 타 전장품에 대한 의존도를 낮추고 자체의 신뢰성을 높이기 위하여 아날로그 회로로 구성된 최대 전력 점 추적 기법을 제안한다.
- 최근에는 인공위성에도 충방전 특성이 좋은 리튬이온 배터리를 사용한다. 기존에는 PPT 회로와 별도의 정전압 제어 회로를 이용하여 배터리가 과충전 되지 않도록 구현하였지만 본 논문에서는 제안한 최대 전력 점 추적 회로를 이용하여 간단하게 과충전을 방지하는 방법을 제안한다.
- 이러한 단점은 태양전지 배 열기의 출력 전압을 높이고 강압형 컨버터를 사용함으로써 보완될 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 강압형 컨버터인 벅 컨버터를 이용하여 태양전력 조절기를 구성하였다. 표 1은 본 연구에 사용되는 컨버터의 사양을 보여준다.
- 가변 범위가 넓어짐을 나타낸다. 이러한 넓은 입출력 가변범위에서 태양전력 조절기가 안정적으로 동작함을 해석과 실험으로 3절과 4절에서 검증하였다.
- 이러한 이유로 인공위성에서는 아날로그 회로로 구성된 방식이 많이 사용된다. 본 연구에서도 타 전장 박스의 영향 없이 독립적이며 안정적으로 전력을 생산할 수 있도록 아날로그 회로로 구성하였다. 최대전력점 추적기의 최대전력점 추종 성능에 대한 요구 조건은 표 2와 같다.
- 제안된 최대 전력점 추적기의 하드웨어 구성은 홀딩 된 전압과 현재 전압을 비교하는 전압 비교기, 홀딩 된 전류와 현재 전류를 비교하는 전류 비교기, 각 비교기 출력을 이용하여 레퍼런스 신호를 생성하고 샘플링 및 홀딩을 위한 신호를 제공하는 플립플롭, 이산화된 플립플롭 출력을 선형화시키는 적분기로 구성된다. 최대 전력점 추적 제어기는 적분기의 출력과 태양전지 배열기의 출력 전압을 이용하며, PWM 신호를 벅 컨버터에 제공하여 스위치의 듀티를 제어하게 된다.
- 태양력 조절기의 변환 용량을 증가시키지 않기 위하여 기존에는 DET 기법을 적용하였다. 즉, 태양전지 배열기의 온도를 설정하여 태양전력 조절기의 용량을 초과하는 전력이 생산될 온도조건에서는 MPPT 동작을 수행하지 않고, 강압형 컨버터의 듀티를 1로 설정함으로써 태양전지 배열기의 동작점을 버스전압과 동일하게 하여 생성전력을 감소시켰다. DET방식은 구현이 간단하지만 태양전력 조절기의 변환 용량에 훨씬 못 미치는 전력을 생산함으로 전력 생산 측면에서 손실이 크다[5].
- 제안한 방식은 태양전력조절기의 출력 전압과 출력 전류를 이용한다. 출력 전력 계산을 위한 곱셈기의 구현 대신, 출력전압을 기준과 감산하여 출력 전압이 높아질 때 전류와 비교되는 레퍼런스를 낮게 함으로써 일정 전력 이상일 때 신호를 발생하도록 하였다.
- 제안한 방식은 태양전력조절기의 출력 전압과 출력 전류를 이용한다. 출력 전력 계산을 위한 곱셈기의 구현 대신, 출력전압을 기준과 감산하여 출력 전압이 높아질 때 전류와 비교되는 레퍼런스를 낮게 함으로써 일정 전력 이상일 때 신호를 발생하도록 하였다. 이 신호는 최대 전력점 추적기의 전압 비교기 출력과 OR 연산하도록 하였다.
- 출력 전력 계산을 위한 곱셈기의 구현 대신, 출력전압을 기준과 감산하여 출력 전압이 높아질 때 전류와 비교되는 레퍼런스를 낮게 함으로써 일정 전력 이상일 때 신호를 발생하도록 하였다. 이 신호는 최대 전력점 추적기의 전압 비교기 출력과 OR 연산하도록 하였다. 조건에 따라 발생된 전력 제한 신호는 최대 전력점 추적 때보다 먼저 발생되게 되며, 이는 듀티를 감소시킴으로써 태양전지 배열기의 최대전력점 전압까지 낮아지지 않도록 한다.
- 제안한 배터리 보호 기법은 앞서 제안한 최대전력점 추적기를 이용한다. 2.
- 2.3항에 전력제한 회로가 최대 전력 추적기의 전압 비교기의 출력과 OR 되는 것과 마찬가지로 배터리가 만충전 되었을 때, 즉, 버스 전압이 배터리 만충전 전압에 도달하면 신호를 생성하여 OR 되도록 하였다. 배터리는 충전전류가 낮아지면 전압이 낮아진다.
- 제안한 방식은 병렬의 독립적인 정전압 제어기 없이 간단한 출력 전압 비교기를 최대 전력점 추적기에 적용함으로써 버스의 정전압 제어를 가능케 한다. 또한, 제어기도 최대 전력점 추적기제어기를 그대로 사용하므로 추가적인 회로 부담이 없으므로 정전압 제어를 위한 해석이 필요치 않다.
- 배열기의 동작점을 제어해 주어야 한다[1, 2]. 본 장에서는 태양전력 조절기의 안정도 해석을 위하여 태양전지 배열기, 전력변환을 위한 벅 컨버터와 전압 제어기에 대한 소신호 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통하여 안정도 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 전류연속모드만을 고려하였다.
- 본 장에서는 태양전력 조절기의 안정도 해석을 위하여 태양전지 배열기, 전력변환을 위한 벅 컨버터와 전압 제어기에 대한 소신호 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통하여 안정도 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 전류연속모드만을 고려하였다. 이는 인공위성 시스템에서 태양전지 배열기를 이용한 전력원은 배터리 보다 우선하여 버스에 전력을 전달하며, 히터등과 같이 필수적으로 사용되는 부하에 의하여 태양전력 조절기가 전류연속모드에서 동작하기 때문이다.
- 2항에서 수립한 전달함수이며, Fv(s)는 보상기의 전달함수, Fm은 PWM 이득을 나타낸다. 전압제어기는 하나의 적분기와 두 개의 영점, 두 개의 극점을 갖도록 설계하였다. 적분기는 전압 제어기의 직류 이득을 높이기 위함이고 두 개의 영점은 위상 이득을 높이기 위함이다.
- 적분기는 전압 제어기의 직류 이득을 높이기 위함이고 두 개의 영점은 위상 이득을 높이기 위함이다. 또한 두 개의극점은 전압 제어기와 PWM 발생기에 의하여 발생되는 스위칭노이즈를 차단하기 위하여 적용하였다.
- 태양전지 모사장비를 입력원으로 사용하였으며, 출력에는 Li-Ion 계열의 9Ah 배터리와 전자 부하를 연결하여 인공위성 부하를 모사하였다. 그림 13은 인공위성이 식 구간을 탈출하는 상황을 가정한 실험 결과이다.
- 그림 13은 인공위성이 식 구간을 탈출하는 상황을 가정한 실험 결과이다. 실제 환경에서는 온도의 변화와 일사량의 증가가 연속적으로 이루어지지만 실험 장비에서는 연속적으로 변하는 태양전지 배열기 특성을 모사할 수 없으므로 동일 전압 특성에 전류가 병렬 접속되어 태양전력 조절기의 정격 이상의 전력이 인가되도록 설정하였다. 초기에는 MPPT 모드로 동작한 후, 초과 전력이 공급될 때 제안한 전력제한 모드가 동작하여 태양전지 배열기의 동작점을 전압원 영역으로 이동시켜 설정된 전력(400W)까지만 전력이 변환됨을 확인할 수 있다.
- 그림 14는 배터리의 정전압 제어를 검증하는 실험 결과이다. 배터리의 만 충전 근처에서 MPPT 모드로 동작하는 중에 부하 전력을 감소시켰다. 줄어든 부하 전력 때문에 배터리의 충전량이 증가함으로써 배터리 전압은 증가하게 되지만 제안한 정전압 제어 모드가 동작하여 태양전지 배열기의 동작점을 전압원 영역으로 이동시킴으로써 배터리 전압을 일정 전압으로 유지하여 배터리가 과충전 되지 않도록 한다.
- 배터리의 만 충전 근처에서 MPPT 모드로 동작하는 중에 부하 전력을 감소시켰다. 줄어든 부하 전력 때문에 배터리의 충전량이 증가함으로써 배터리 전압은 증가하게 되지만 제안한 정전압 제어 모드가 동작하여 태양전지 배열기의 동작점을 전압원 영역으로 이동시킴으로써 배터리 전압을 일정 전압으로 유지하여 배터리가 과충전 되지 않도록 한다.
- 또한, 버스에 배터리가 연결됨으로써 기존의 벅 컨버터와 다른 해석의 필요성을 확인하고, 이를 반영한 모델을 확립하였다. 극심한 온도변화에 따른 태양전지 배열기의 특성 변화를 고려하여 안정성을 확인하고 실험을 통하여 제안한 태양전력 조절기의 동작을 검증하였다.
- 또한, 버스에 배터리가 연결됨으로써 기존의 벅 컨버터와 다른 해석의 필요성을 확인하고, 이를 반영한 모델을 확립하였다. 극심한 온도변화에 따른 태양전지 배열기의 특성 변화를 고려하여 안정성을 확인하고 실험을 통하여 제안한 태양전력 조절기의 동작을 검증하였다.
이론/모형
- 운영을 위하여 사용한다. 태양광 에너지를 이용하는 인공위성은 DET(Direct Energy Transfer) 방식이나 PPT(Peak Power Tracking) 방식을 이용하여 태양광 에너지를 변환한다. [1].
- 전장품의 무게 및 부피에 따라 개발비 상승이 급격히 발생되는 인공위성 사업에서 이러한 사항은 바람직하지 못하다. 태양력 조절기의 변환 용량을 증가시키지 않기 위하여 기존에는 DET 기법을 적용하였다. 즉, 태양전지 배열기의 온도를 설정하여 태양전력 조절기의 용량을 초과하는 전력이 생산될 온도조건에서는 MPPT 동작을 수행하지 않고, 강압형 컨버터의 듀티를 1로 설정함으로써 태양전지 배열기의 동작점을 버스전압과 동일하게 하여 생성전력을 감소시켰다.
- 이러한 이유로 비조절식 버스를 이용하는 인공위성에서는 배터리 만충전 전까지는 최대 전력점 추적기법을 이용하여 태양전지 배열기로부터 최대한 전력을 생산하여 배터리에 제공하고, 배터리가 만충전 전압에 도달하면 정전압 제어를 수행한다. 이를 위하여 기존에는 두 가지 제어 방식을 병렬로 구성하고 버스 전압 조건에 따라 제어기가 선택되는 방식을 사용하였다[8].
성능/효과
- 제안한 방식의 동작에 의한 태양전지 배열기의 동작점 이동 추이는 그림 7에 나타난다. 제안한 방식은 간단한 회로의 구성으로 신뢰성을 확보할 수 있으며 기존의 DET보다 월등한 전력생산을 보장한다.
- 식 탈출 시점에 26Ah 용량의 배터리가 최소 가용 범위 전압 (42V)까지 방전되었다고 가정할 때, 기존의 DET로 동작시 54[Wh]의 전력이 생성되며, 제안된 전력 제한 기법을 적용시 90[Wh]가 생산되어 최대 65%의 전력을 더 생성함으로써 배터리의 충전 시간을 단축시킬 수 있다.
- 또한, 제어기도 최대 전력점 추적기제어기를 그대로 사용하므로 추가적인 회로 부담이 없으므로 정전압 제어를 위한 해석이 필요치 않다. 단, 2.3절의 전력 제한 기법이나 본 절의 배터리 정전압 제어 기법이 태양전지 배열기의전압원 영역을 사용하므로 태양전지 배열기의 개방 전압(Voc) 근처에서의 안정도 해석이 필요하며, 3절에서 안정성을 검증하였다.
- 실제 환경에서는 온도의 변화와 일사량의 증가가 연속적으로 이루어지지만 실험 장비에서는 연속적으로 변하는 태양전지 배열기 특성을 모사할 수 없으므로 동일 전압 특성에 전류가 병렬 접속되어 태양전력 조절기의 정격 이상의 전력이 인가되도록 설정하였다. 초기에는 MPPT 모드로 동작한 후, 초과 전력이 공급될 때 제안한 전력제한 모드가 동작하여 태양전지 배열기의 동작점을 전압원 영역으로 이동시켜 설정된 전력(400W)까지만 전력이 변환됨을 확인할 수 있다. 그림 14는 배터리의 정전압 제어를 검증하는 실험 결과이다.
후속연구
- 두 번째로는 빈번한 낮과 식의 반복에 의한 극심한 온도변화로 태양전지 배열기의 전력생성량이 급변하며, 이로 인한 과도한 태양전력 조절기의 변환 용량 확보를 지양하기 위한 최적화 방안을 제안한다.
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