[논문]태양광 발전시스템의 컨버터 고장에 따른 보상운전기법

박태식; 허용호; 이광운; 문채주; 곽노홍

doi:10.7836/kses.2016.36.4.031

[국내논문] 태양광 발전시스템의 컨버터 고장에 따른 보상운전기법
Fault tolerant control scheme for a converter in a photovoltaic system 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.36 no.4, 2016년, pp.31 - 40

박태식 (목포대학교 전기 및 제어공학과) , 허용호 (한국전력공사) , 이광운 (목포해양대학교 전자공학과) , 문채주 (목포대학교 전기 및 제어공학과) , 곽노홍 (목포대학교 전기 및 제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The demands for photovoltaic systems on a large scale have grown dramatically and require new technologies to get the high efficiency and reliable operations of power conversion systems. These needs can be realized by the cost-effective and high performance digital revolutions and faster semiconductor switching devices. However, the new power systems have been more sophisticated and their reliability becomes critical issues. In this paper, a new fault-tolerance power conversion scheme for the photovoltaic systems is proposed. The proposed fault-tolerant scheme is able to supply energy from solar panels to loads intermittently in spite of a front boost converter open failure, and its voltage and current controllers are designed to improve the transient performance by using an average model design scheme. The proposed approach is verified both by simulations. The results will enable more timely and wide usage of alternative/renewable energy systems resulting in increased energy security.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

연계형 인버터의 고장운전 방식은 다양한 접근 방법이 적용되고 있으며 4 스위치 인버터^[1]와 같이 스위치 고장시 최소한의 인버터 성능을 유지하기 위한 방법이 다수 연구되고 있고, DC-DC 컨버터의 경우 기존 스위치 고장시 대응방안은 복작한 토폴로지를 적용하거나, 컨버터의 병렬운전 또는 인터리빙 운전 등의 형태를 보이고 있으며, 이러한 방식들은 추가의 스위치를 사용하고 있고 구성이 복잡해 고장의 확률을 증가시키는 문제가 있다.^[2][3] 이에 본 논문에서는 태양광 전력변환장치의 개방형 스위치고장에 대한 운전신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 고장운전기법을 제안하며 동작점 변화에도 우수한 전류 및 전압제어 특성을 가지기 위한 새로운 제어기 설계기법을 제안한다. 제안된 방식은 새로운 양방향 컨버터의 토폴러지를 태양광 시스템에 적용한 것으로서, 고장이 감지된 부스트컨버터의 기능을 중단시키고, 후단에 연결된 기존의 양방향 컨버터의 기능에 부스트컨버터의 기능을 수행하는 방식으로서 최소한의 추가적인 구성을 가지며 구조가 간단하여 유지보수 또한 용이하다.
본 논문에서는 태양광 발전시스템의 부스트 컨버터 개방형 스위치고장에 따른 고장운전기법을 제안하였다. 제안된 방식은 양방향 컨버터에 고장시 부스트 모드에 대한 운전이 가능하도록 하였으며 새로운 전압 및 전류 제어기를 제안함으로서 고장시 과도응답 특성을 향상시켰다.

가설 설정

또한, 실제 승압된 전압은 연계형 인버터를 통해 계통에 연계되나 본 모의시험에서는 연계형 인버터는 제외하고 양방향 컨버터의 고장운전을 수행하였다. 그림 11에서와 같이 1초에서 부스트 컨버터의 고장이 발생된다고 가정하였으며, 고장이 검출된 직후 양방향 컨버터가 고장운전 모드로 진입하여 부스트 컨버터 모드로 수행하도록 하였다. 그림11에 승압운전영역에서와 같이 부스트 컨버터의 고장발생시 양방향 컨버터는 부스트 컨버터 모드로 진입하여 고장대응 운전을 수행하고 고장이 발생하여도 중단없는 에너지 변환과 공급이 가능함을 알 수 있다.

제안 방법

또한, 양방향 컨버터가 배터리에 에너지를 저장하기 위한 벅 컨버터로 동작하기 위해서는 SW_b를 오프시키고 SW_a에 PWM을 인가하여 구동시킨다. 그러나 본 논문에서는 기존의 양방향 컨버터의 구동방식에 하나의 모드를 더 추가하여 태양전지모듈로부터의 발전된 전압을 승압하는 구성을 가지고 있다. 그림 3은 부스트 컨버터에 개방형 스위치 고장시 SW_a와 SW_b를 위한 PWM 파형이다.
태양전지모듈을 통해 발전된 전압은 부스트 컨버터와 양방향 컨버터를 통해 DC 링크 전압을 형성하고, 제어기는 전압제어와 전류제어를 수행하고 있다. 또한, 실제 승압된 전압은 연계형 인버터를 통해 계통에 연계되나 본 모의시험에서는 연계형 인버터는 제외하고 양방향 컨버터의 고장운전을 수행하였다. 그림 11에서와 같이 1초에서 부스트 컨버터의 고장이 발생된다고 가정하였으며, 고장이 검출된 직후 양방향 컨버터가 고장운전 모드로 진입하여 부스트 컨버터 모드로 수행하도록 하였다.
제안된 태양광 발전시스템의 고장운전 기법은 PSIM을 이용하여 성능 및 특성을 확인하였다. 먼저 부스트 컨버터의 고장시 고장운전기법을 정상상태 운전과 비교하여 성능 및 과도응답 특성을 파악하였다. 그림 10은 전체 모의실험의 블록도를 보여준다.
본 논문에서 제안된 고장운전기법의 구성은 그림 2와 같다. 제안된 방식에서는 양방향 컨버터의 입력단에 인덕터가 추가되고 출력단에 다이오드가 추가되어 있는 구성을 가지고 있으며, 태양전지모듈에서 발전된 전압을 승압하는 부스트 컨버터의 기능을 후단의 양방향 컨버터를 통해 대체하게 된다. 종래 방식과 유사하게 양방향 컨버터가 배터리 전압을 승압하기 위한 부스트 컨버터로 동작을 할 경우 SW_a가 온되고, SW_b에 PWM을 인가하여 구동시킨다.
^[2][3] 이에 본 논문에서는 태양광 전력변환장치의 개방형 스위치고장에 대한 운전신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 고장운전기법을 제안하며 동작점 변화에도 우수한 전류 및 전압제어 특성을 가지기 위한 새로운 제어기 설계기법을 제안한다. 제안된 방식은 새로운 양방향 컨버터의 토폴러지를 태양광 시스템에 적용한 것으로서, 고장이 감지된 부스트컨버터의 기능을 중단시키고, 후단에 연결된 기존의 양방향 컨버터의 기능에 부스트컨버터의 기능을 수행하는 방식으로서 최소한의 추가적인 구성을 가지며 구조가 간단하여 유지보수 또한 용이하다. 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 태양광 발전시스템의 부스트 컨버터 개방형 스위치고장에 따른 고장운전기법을 제안하였다. 제안된 방식은 양방향 컨버터에 고장시 부스트 모드에 대한 운전이 가능하도록 하였으며 새로운 전압 및 전류 제어기를 제안함으로서 고장시 과도응답 특성을 향상시켰다. 제안된 방식은 PSIM을 이용한 모의실험을 통해 고장운전성능을 검증하였으며, 제안된 고장운전 방식은 태양광 발전시스템 뿐만 아니라 다양한 형태의 신재생에너지 적용가능이 매우 높음을 확인하였다.
제안된 태양광 발전시스템의 고장운전 기법은 PSIM을 이용하여 성능 및 특성을 확인하였다. 먼저 부스트 컨버터의 고장시 고장운전기법을 정상상태 운전과 비교하여 성능 및 과도응답 특성을 파악하였다.
따라서 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키기 위해 고장운전을 위한 별도의 제어기가 필요하다. 특히 본 논문에서는 기존의 소신호 모델을 이용한 제어기설계법을 사용하지 않고, 새로운 부스트 컨버터의 제어기 설계기법을 제안한다. 기존의 동작점을 기준으로 부스트 컨버터의 제어기를 설계할 경우 고장시 과도상태 제어가 불완전하게 되며, 특히 동작점 변동시 제어기의 특성이 설계치를 이탈하여 불완전한 제어성능을 보이게 된다.

데이터처리

제안된 방식은 새로운 양방향 컨버터의 토폴러지를 태양광 시스템에 적용한 것으로서, 고장이 감지된 부스트컨버터의 기능을 중단시키고, 후단에 연결된 기존의 양방향 컨버터의 기능에 부스트컨버터의 기능을 수행하는 방식으로서 최소한의 추가적인 구성을 가지며 구조가 간단하여 유지보수 또한 용이하다. 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

기존의 동작점을 기준으로 부스트 컨버터의 제어기를 설계할 경우 고장시 과도상태 제어가 불완전하게 되며, 특히 동작점 변동시 제어기의 특성이 설계치를 이탈하여 불완전한 제어성능을 보이게 된다. 따라서 본 논문에서는 동작점을 중심으로 제어기를 설계하는 것이 아니라 부스트 컨버터의 모델의 전류 평균값을 중심으로 제어기를 설계함으로서 과도응답특성을 향상시킬 수 있으며 컨버터의 동작점이 변동될 경우에도 우수한 제어 성능을 확보할 수 있다.
제안된 방식은 양방향 컨버터에 고장시 부스트 모드에 대한 운전이 가능하도록 하였으며 새로운 전압 및 전류 제어기를 제안함으로서 고장시 과도응답 특성을 향상시켰다. 제안된 방식은 PSIM을 이용한 모의실험을 통해 고장운전성능을 검증하였으며, 제안된 고장운전 방식은 태양광 발전시스템 뿐만 아니라 다양한 형태의 신재생에너지 적용가능이 매우 높음을 확인하였다. 본 방식은 추가로 인덕터와 다이오드가 포함되어 전체 효율이 감소되는 단점이 있으며, 향후 제안된 방식에서 인덕터를 추가하지 않고 부스트 컨버터의 인덕터를 활용하거나, 부스트컨버터의 캐패시터를 제거하여 인덕터의 추가를 회피하는 방안 등의 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

제안된 방식은 PSIM을 이용한 모의실험을 통해 고장운전성능을 검증하였으며, 제안된 고장운전 방식은 태양광 발전시스템 뿐만 아니라 다양한 형태의 신재생에너지 적용가능이 매우 높음을 확인하였다. 본 방식은 추가로 인덕터와 다이오드가 포함되어 전체 효율이 감소되는 단점이 있으며, 향후 제안된 방식에서 인덕터를 추가하지 않고 부스트 컨버터의 인덕터를 활용하거나, 부스트컨버터의 캐패시터를 제거하여 인덕터의 추가를 회피하는 방안 등의 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부스트 컨버터의 개방형 스위치고장이 발생하면 생기는 단점은?	양방향 컨버터는 배터리에 잉여전력을 저장하고 배터리에 저장된 에너지를 승압하여 부하로 공급하는 기능을 수행하게 된다. 따라서 부스트 컨버터의 개방형 스위치고장이 발생되면 태양전지모듈로부터 발전되는 에너지의 부하로의 공급이 중단되고 배터리에 저장된 에너지만을 부하로 공급할 수 있기 때문에 최소한의 운전만이 가능한 단점이 있다. 일반적으로 스위치 자체의 개방형 고장의 빈도는 낮은 편이나 스위치를 동작시키기 위한 게이트 드라이브의 고장 빈도는 높은 비율을 차지하게 된다.
	태양광 발전시스템의 전력변환장치의 구성은?	신재생에너지 발전시스템은 일반적으로 발전설비와 함께 전력변환장치 그리고 에너지를 저장하기 위한 에너지저장장치 및 전력을 효율적으로 운용하기 위한 관리시스템이 주요 구성을 이루고 있다. 에너지저장장치를 포함하는 태양광 발전시스템의 전력변환장치의 구성을 보면 태양전지모듈로부터 발전된 DC 전압을 고전압으로 변환하기 위한 부스트 컨버터, 발전된 전력을 저장하기 위한 양방향 컨버터와 배터리 그리고 계통 연계형 인버터를 포함하고 있다. 최근 컨버터, 인버터 등의 전력변환장치의 새로운 토폴로지와 제어방식에 대한 연구가 다수 발표되고 있으며 배터리를 포함한 발전시스템 운영에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
	양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키기 위해 고장운전을 위한 별도의 제어기가 필요한 이유는?	태양광 발전시스템의 부스트 컨버터가 고장이 발생되면 양방향 컨버터의 SWa와 SWb가 동시에 온/오프되어 부스트 컨버터의 역할을 대체하게 된다. 따라서 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키기 위해 고장운전을 위한 별도의 제어기가 필요하다.

참고문헌 (7)

Bassem El Badsi, "DTC Scheme for a Four-Switch Inverter-Fed Induction Motor Emulating the Six-Switch Inverter Operation", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.28, No.7, p.3528, 2013

상세보기
Yanming Li, "An Improved Hiccup Mode Short-Circuit Protection Technique with Effective Overshoot Suppression for DC-DC Converters", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.28, No.2, p.877, 2013

상세보기
Michale Gleissner, "Design and Control of Fault-Tolerant Nonisolated Multiphase Multilevel DC-DC converters for Automotive Power systems", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.52, No.2, p.1785, 2016
Shaoyong Yang, "An Industry-Based Survey of Reliability in Power Electronic Converters", IEEE Trans. on Industry Appl. Vol.47, p.1441, 2011

상세보기
조영민, 최주엽, 최익, 이영권, 조상윤, "태양광 연계형 ESS 및 UPS 하이브리드 시스템 설계", 한국태양에너지학회 춘계학술발표회 논문집, p. 22, 2015
K. Kobayashi, H. Matsuo and Y. Sekine "Novel solar-cell power supply system using a multiple-input DC-DC converter", IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 53, p.797, 2006.

상세보기
Nijay Choudhary, "Fault Tolerant Circuit Topology and Control Method for Input-Series and Output-Parallel Modular DC-DC Converters", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.23, No.1, p.402, 2008

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].

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