최근, 전 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 증가됨에 따라 친환경적이고 무한한 태양에너지를 이용하는 태양광전원의 설치가 급증하고 있다. 이러한 태양광전원은 주변 환경에 따라 출력이 크게 좌우되는데, 예를 들어 구름 또는 건물의 음영으로 인한 일부 모듈의 문제로 인해서 해당 스트링이 출력을 발생하지 못할 수 있다. 즉 기존의 제어방식에서는 모듈이 직렬로 연결된 스트링이 인버터에 연계되어 있으므로, 일부 모듈에 음영이 발생할 경우 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 미만으로 되어 해당 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 각각의 스트링마다 전압을 제어하는 DC-DC 전압 레귤레이터를 이용하여, 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점을 개선하는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 또한, 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 정전압 제어 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기반의 3상 인버터의 모델링을 수행하였다. 이 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 부분적으로 음영이 발생하는 모듈을 가진 스트링이 인버터에서 탈락하는 현상을 개선함으로써 태양광전원의 운용효율이 향상됨을 확인하였다.
최근, 전 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 증가됨에 따라 친환경적이고 무한한 태양에너지를 이용하는 태양광전원의 설치가 급증하고 있다. 이러한 태양광전원은 주변 환경에 따라 출력이 크게 좌우되는데, 예를 들어 구름 또는 건물의 음영으로 인한 일부 모듈의 문제로 인해서 해당 스트링이 출력을 발생하지 못할 수 있다. 즉 기존의 제어방식에서는 모듈이 직렬로 연결된 스트링이 인버터에 연계되어 있으므로, 일부 모듈에 음영이 발생할 경우 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 미만으로 되어 해당 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 각각의 스트링마다 전압을 제어하는 DC-DC 전압 레귤레이터를 이용하여, 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점을 개선하는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 또한, 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 정전압 제어 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기반의 3상 인버터의 모델링을 수행하였다. 이 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 부분적으로 음영이 발생하는 모듈을 가진 스트링이 인버터에서 탈락하는 현상을 개선함으로써 태양광전원의 운용효율이 향상됨을 확인하였다.
Recently, the installation of photovoltaic (PV) systems has been increasing due to the worldwide interest in eco-friendly and infinitely abundant solar energy. However, the output power of PV systems is highly influenced by the surrounding environment. For instance, a string of PV systems composed o...
Recently, the installation of photovoltaic (PV) systems has been increasing due to the worldwide interest in eco-friendly and infinitely abundant solar energy. However, the output power of PV systems is highly influenced by the surrounding environment. For instance, a string of PV systems composed of modules in series may become inoperable under cloudy conditions or when in the shade of a building. In other words, under these conditions, the existing control method of PV systems does not allow the string to be operated in the normal way, because its output voltage is lower than the operating range of the grid connected inverter. In order to overcome this problem, we propose a new control method using a DC-DC voltage regulator which can compensate for the voltage of each string in the PV system. Also, based on the PSIM S/W, we model the DC-DC voltage regulator with constant voltage control & MPPT (Maximum Power Point Tracking) control functions and 3-Phase grid connected inverter with PLL (Phase-Locked Loop) control function. From the simulation results, it is confirmed that the present control method can improve the operating efficiency of PV systems by compensating for the fluctuation of the voltage of the strings caused by the surrounding conditions.
Recently, the installation of photovoltaic (PV) systems has been increasing due to the worldwide interest in eco-friendly and infinitely abundant solar energy. However, the output power of PV systems is highly influenced by the surrounding environment. For instance, a string of PV systems composed of modules in series may become inoperable under cloudy conditions or when in the shade of a building. In other words, under these conditions, the existing control method of PV systems does not allow the string to be operated in the normal way, because its output voltage is lower than the operating range of the grid connected inverter. In order to overcome this problem, we propose a new control method using a DC-DC voltage regulator which can compensate for the voltage of each string in the PV system. Also, based on the PSIM S/W, we model the DC-DC voltage regulator with constant voltage control & MPPT (Maximum Power Point Tracking) control functions and 3-Phase grid connected inverter with PLL (Phase-Locked Loop) control function. From the simulation results, it is confirmed that the present control method can improve the operating efficiency of PV systems by compensating for the fluctuation of the voltage of the strings caused by the surrounding conditions.
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문제 정의
기존 제어방식에 의한 태양광전원 운용효율 저하를 개선하기 위하여, 본 논문에서는 DC-DC 전압 레귤레이터를 이용한 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 새로운 제어방식의 유효성을 확인하기 위하여, 전압 레귤레이터의 안정화 회로 특성 및 MPPT 제어 특성, 정전압 제어 특성, 인버터 출력 특성을 분석하였다.
기존 태양광 제어방식의 운용효율 저하를 개선하기 위하여, 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 각 스트링별로 DC-DC 전압 레귤레이터(DC-DC Voltage Regulator)를 기존 제어방식에 추가하는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안한다. 이 제어방식은 전압 레귤레이터와 계통연계 인버터로 구성되며, 전자는 MPPT 제어기능과 정전압 제어기능을 수행하고, 후자는 전류제어 기능과 PLL 제어기능을 수행한다.
구름 또는 건물로 인하여 일부 태양광 모듈에 음영이 발생하면, 태양광전원 전체 운용효율이 상당히 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서, DC-DC 전압 레귤레이터를 이용하는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였으며, 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 각각의 스트링마다 DC-DC 전압 레귤레이터를 추가하여 스트링의 전압이 감소하더라도, 운용효율을 향상시키는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 이 제어방식은 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 정전압 제어 기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기능을 가지는 인버터로 구성된다.
제안 방법
(2) 음영에 의해서 스트링의 전압이 저하되더라도, DC-DC 전압 레귤레이터의 정전압 제어에 의하여 해당 스트링이 인버터에서 탈락하지 않고 지속적으로 운전할 수 있는 제어방식을 제안하였다.
DC-DC 전압 레귤레이터의 정전압 제어 특성을 확인 하기 위하여, 스트링에 연결되어 있는 모듈에 음영을 발생시키면서, 전압 레귤레이터의 출력전압과 출력을 분석 하였다. Fig.
기존 제어방식과 제안한 제어방식에 의한 태양광전원의 운용효율 특성을 비교하기 위하여, 음영이 발생된 모듈의 개수를 파라메타로 하여 태양광전원의 인버터 출력을 분석하였다. 여기서, 음영이 발생된 모듈의 개수는 2가지 Case로 나누었는데, 먼저 Case I은 Fig.
먼저, 태양광 모듈은 Fig. 8과 Fig. 9에 동일하게 적용되며, 정격출력 250[W] 모듈 8개가 직렬로 연결되어 1개 스트링을 구성하고, 2개 스트링이 병렬로 인버터에 연계되도록 모의하였다. 여기서 대상으로 한 태양광모듈은 S사 제품으로 상세 사양은 Table 1과 같다.
기존 제어방식에 의한 태양광전원 운용효율 저하를 개선하기 위하여, 본 논문에서는 DC-DC 전압 레귤레이터를 이용한 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 새로운 제어방식의 유효성을 확인하기 위하여, 전압 레귤레이터의 안정화 회로 특성 및 MPPT 제어 특성, 정전압 제어 특성, 인버터 출력 특성을 분석하였다.
일사량 변동에 따른 MPPT 제어 특성을 확인하기 위하여, 태양광전원 모듈에 인가되는 일사량을 변동시키며 DC-DC 전압 레귤레이터의 출력을 분석하였다. Fig.
제안한 제어방식에 의한 태양광전원 운용효율을 확인 하기 위하여 인버터 출력 특성을 분석하였다. 예를 들어, Fig.
태양광 모듈에 발생된 음영이 태양광전원 운용효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 기존 제어방식에 의한 태양광전원 출력 특성을 분석하였다. 예를 들어, Fig.
데이터처리
기존 태양광전원 제어방식과 제안한 태양광전원 제어 방식의 특성을 Fig. 8과 Fig. 9의 모델 계통을 이용하여 비교 분석한다. Fig.
이론/모형
본 논문에서는 가장 많이 사용되고 있는 P&O 방식을 전압 레귤레이터의 출력 제어방식에 적용한다.
성능/효과
(1) 기존 제어방식이 적용된 태양광전원의 모듈에 음영이 발생하면, 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 범위 미만으로 저하되어, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되므로 태양광전원 전체 운용효율은 0%까지 저하될 수 있음을 확인하였다.
(3) 제안한 제어방식이 적용된 태양광전원 전체효율은 기존 제어방식에 비해 최대 88[%]까지 상승하였다. 즉, 음영이 발생한 모듈의 출력만큼만 인버터의 출력이 저하되므로 기존 제어방식에 비하여 태양광전원의 운용효율을 상당한 폭으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
[STEP 1] 전압 레귤레이터의 목표로 하는 출력전압(Vtarget)을 설정하고, 목표값과 현재 출력전압(Vo(t))을 비교하여 오차분이 허용범위 이내이면, 정전압 제어가 정상적으로 이루어진다고 판단하여 기존의 듀티비(Duty ratio)를 유지한다.
여기서, 일사량이 1,000[W/m2]에서부터 200[W/m2]까지 단계적으로 저하될 때, 2번 스트링의 전압은 240[V], DC-DC 전압 레귤레이터의 출력전압은 700[V]로 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 그러나 일사량 감소로 인한 DC-DC 전압 레귤레이터의 출력은 1,850[W]에서 350[W]까지 저하되어, MPPT 제어가 정상적으로 동작함을 확인하였다.
즉, 음영에 의해서 String 2번의 전압이 저하되더라도, DC-DC 전압 레귤레이터의 정전압 제어에 의하여, String 2번은 인버터에서 탈락되지 않는다. 따라서 Module 8번에 음영이 발생하는 경우, 기존의 제어방식에서는 태양광전원의 운용효율이 50[%] 정도 저하되지만, 제안한 제어방식에서는 6.5[%] 정도의 효율이 저하하게 되어, 새로운 태양광 전원 제어방식의 유효성을 확인하였다.
5[%] 정도의 출력만이 감소하였다. 따라서 제안한 제어방식의 운용효율이 기존의 제어방식에 비해 1.88배 정도 향상됨을 알 수 있 었다. 또한, Case II에 대하여 음영 발생 전을 기준으로, 기존 제어방식에서는 50[%] 정도의 출력이 감소하였지만, 제안한 제어방식에서는 12.
여기서, String 2번의 전압은 음영에 의해 240[V]부터 120[V]까지 단계적으로 감소한 반면, DC-DC 전압 레귤레이터의 출력전압은 700[V]로 일정 하게 유지됨을 알 수 있었다. 따라서, 음영에 의해 String 2번의 전압이 저하되더라도, 정전압 제어가 정상적으로 동작하여 전압 레귤레이터의 출력전압이 일정함을 확인 하였다.
74배 정도 이상 향상됨을 알 수 있었다. 따라서, 제안한 제어방식이 기존 제어방식에 비해, 전체 적으로 태양광전원의 운용효율을 상당한 폭으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이 제어방식은 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 정전압 제어 기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기능을 가지는 인버터로 구성된다. 또한 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 제안한 태양광전원 제어방식을 모델링하고 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 방식에서는 음영으로 인해 스트링이 인버터에서 탈락되는 반면, 제안한 방식에서는 부분적으로 음영이 발생된 모듈을 가진 스트링이 인버터에서 탈락되지 않아서 태양광전원의 운용효율이 상당히 향상됨을 확인하였다.
88배 정도 향상됨을 알 수 있 었다. 또한, Case II에 대하여 음영 발생 전을 기준으로, 기존 제어방식에서는 50[%] 정도의 출력이 감소하였지만, 제안한 제어방식에서는 12.9[%] 정도의 출력이 감소 하였다. 즉, 제안한 제어방식의 운용효율이 기존의 제어 방식에 비해 1.
10 (c)와 같이, 음영으로 인하여 인버터의 전체 출력은 3,720[W]에서 1,850[W]로 감소하여, 태양광전원의 전체 운용효율은 약 50% 정도 저하하게 된다. 즉, 음영으로 인해서 String 2번의 전압이 저하되고, String 2번의 바이패스 다이오드가 작동하여 String 2번은 인버터에서 탈락하게 되므로, 기존의 제어방식은 운용효율 측면에서 개선의 여지가 있음을 확인하였다.
(3) 제안한 제어방식이 적용된 태양광전원 전체효율은 기존 제어방식에 비해 최대 88[%]까지 상승하였다. 즉, 음영이 발생한 모듈의 출력만큼만 인버터의 출력이 저하되므로 기존 제어방식에 비하여 태양광전원의 운용효율을 상당한 폭으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
9[%] 정도의 출력이 감소 하였다. 즉, 제안한 제어방식의 운용효율이 기존의 제어 방식에 비해 1.74배 정도 이상 향상됨을 알 수 있었다. 따라서, 제안한 제어방식이 기존 제어방식에 비해, 전체 적으로 태양광전원의 운용효율을 상당한 폭으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
음영으로 인해 스트링 전체가 인버터에서 탈락하는 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 어떤 태양광전원 제어방식을 제안하였는가?
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 각각의 스트링마다 DC-DC 전압 레귤레이터를 추가하여 스트링의 전압이 감소하더라도, 운용효율을 향상시키는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 이 제어방식은 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 정전압 제어 기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기능을 가지는 인버터로 구성된다.
현재 태양광전원의 문제점은 무엇인가?
이러한 태양광전원은 주변 환경에 따라서 출력이 크게 좌우되는데, 예를 들어 구름 또는 건물로 인하여 일부 모듈에만 음영이 발생하여도 태양광전원 전체적인 운용 효율이 상당히 저하되는 문제점이 발생되고 있다. 즉, 기존의 태양광전원 제어방식에서는 스트링(다수 모듈의 직렬 연결로 구성)이 인버터에 연결되므로, 일부 모듈에 음영이 발생하면 해당 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 미만으로 되어서, 해당 스트링 전체가 인버터에서 탈락하게 된다.
논문에서 제안한 새로운 태양광전원 제어방식은 어떻게 구성되는가?
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 각각의 스트링마다 DC-DC 전압 레귤레이터를 추가하여 스트링의 전압이 감소하더라도, 운용효율을 향상시키는 새로운 태양광전원 제어방식을 제안하였다. 이 제어방식은 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 정전압 제어 기능을 가지는 DC-DC 전압 레귤레이터와 위상동기루프(PLL, Phase-Locked Loop) 제어 기능을 가지는 인버터로 구성된다. 또한 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 제안한 태양광전원 제어방식을 모델링하고 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 방식에서는 음영으로 인해 스트링이 인버터에서 탈락되는 반면, 제안한 방식에서는 부분적으로 음영이 발생된 모듈을 가진 스트링이 인버터에서 탈락되지 않아서 태양광전원의 운용효율이 상당히 향상됨을 확인하였다.
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