[논문]신재생에너지의 에너지 하베스팅을 위한 DPP시스템의 구성과 효율계산

박승화; 이현재; 손진근

doi:10.5370/kieep.2018.67.3.137

신재생에너지의 에너지 하베스팅을 위한 DPP시스템의 구성과 효율계산
Configuration and Efficiency Computation of the DPP System for Energy Harvesting of Renewable Energy 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.3, 2018년, pp.137 - 142

박승화 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon Univerity) , 이현재 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon Univerity) , 손진근 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon Univerity)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting technology is drawing attention as a means of collecting various eco-friendly energy and accumulating residual energy. Recently, differential power processing (DPP) is being developed as part of energy harvesting. This is being studied as a solution to the loss of power generation between power modules and the problems caused by module small losses depending on the size of power production. In this paper, we propose the necessity of the DPP by comparing and analyzing energy harvesting related module integration system and power supply efficiency of DPP. The power efficiency of the converter and the power difference between the wind power and the photovoltaic power supply have been changed to demonstrate the effectiveness of the proposed system.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1 집적모듈 시스템의 전력회로 구성 Fig. 1 Power circuit configuration of module integration system
그림 그림 2 DPP를 이용한 전력회로의 구성 Fig. 2 Power circuit configuration of DPP system
그림 그림 3 DPP를 이용한 전력제어 흐름 Fig. 3 Power control flowchart of DPP system
그림 그림 4 집적모듈 시스템의 전력 흐름도 Fig. 4 Power flow diagram of module integration system
그림 그림 5 DPP 전력 흐름도 Fig. 5 Power flow diagram of DPP system
그림 그림 6 컨버터 효율이 적용된 집적모듈시스템의 전력흐름도 Fig. 6 Power flow of module integration system with converter efficiency
그림 그림 7 컨버터 효율이 적용된 DPP 시스템의 전력흐름도 Fig. 7 Power flow of DPP system with converter efficiency
그림 그림 8 컨버터 효율 변화 시 출력단의 효율 비교 Fig. 8 Comparison of the total efficiency with the variable converter efficiency (Power Differential ①)
그림 그림 9 컨버터 효율 변화 시 출력단의 효율 비교 Fig. 9 Comparison of the total efficiency with the variable converter efficiency (Power Differential ②)
표 표 1 전력생산의 조건과 가변 컨버터 효율의 선정 Table 1 Setting table of power produce condition and variable converter efficiency
그림 그림 10 생산전력 변화 시 출력 단 효율 비교 Fig. 10 Comparison of the total efficiency with the variable power produce (Converter efficiency 95[%])
그림 그림 11 생산전력 변화 시 출력 단 효율 비교 Fig. 11 Comparison of the total efficiency with the variable power produce (Converter efficiency 85[%])
표 표 2 컨버터 효율 조건과 가변 생산전력의 선정 Table 2 Setting table of converter efficiency condition and variable power produce

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DPP의 필요성과 효율 검토를 위해 집적 모듈 시스템과 DPP에 따른 출력 단 효율을 비교한다. PV패널이 생산하는 전력의 차이가 발생하였을 때와 컨버터의 효율을 변화시키며 출력 단 효율을 비교분석 하였다.
본 논문에서는 태양광 발전 시스템과 풍력 발전 시스템 등 신재생 에너지의 에너지 하베스트 환경에서 DPP의 구성기법을 제시하고 DPP시스템의 구축 유무에 따라 발생하는 효율을 비교 분석하였다. 이는 DC/DC 컨버터 효율에 따른 기존의 전력변환 시스템과 DPP의 전력손실 비교하였고 또한 신재생에너지의 생산 전력 차이에 따라서 집적모듈 시스템과 DPP의 전력손실을 각각 비교하였다.

가설 설정

그림 1은 집적모듈 시스템으로 태양광발전(PV)과 풍력발전(WP)을 에너지원으로 한 에너지 하베스트 회로의 구성을 나타내고 있다. 각각의 PV는 DC로 전력을 공급하며 발전기 특성상 AC로 전력을 공급하는 WP는 AC/DC 정류기를 통하여 DC로 변환 후 전력을 공급 한다는 것을 가정하고 회로를 구성하였다. WP와 PV에는 각각 DC/DC 컨버터가 연결되어 있으며 DC/DC 컨버터는 각각의 발전 모듈과 직렬로 연결되어 있고 전원부와 DC/DC 컨버터가 1:1로 연결되어 있는 집적 모듈끼리는 서로 직렬로 연결되어 있다.
그림 2는 제안된 DPP가 적용된 시스템으로 태양광발전(PV)과 풍력발전(WP)을 에너지원으로 한 회로 구성도이며 집적모듈 시스템과 같이 PV는 DC로, WP는 정류기를 거쳐 DC로 전력을 공 한다는 것을 가정하고 회로를 구성하였다. PV와 WP같은 전력을 생산하는 전원 부는 서로 직렬로 연결되어 있고 각각의 WP와 PV에는 DPP의 역할을 하는 DC/DC 컨버터가 1:1로 병렬로 연결되어 있다[9, 10].
이는 태양광 최대 전력점 추종(MPPT, maximum power point tracking)을 이용하여 그늘짐 현상에도 최대 전력을 공급할 수 있도록 하며 MPPT로 인한 PV와 WP의 공급 전력 손실이 없다고 가정하였다. 또한 DPP를 사용하였을 때에 각 모듈이 직렬로 연결되어 있는 회로에 흐르는 전류 제어를 하지 않았다고 가정한다. 이 때, PV와 WP가 생산하는 전력을 각각 P_S1,P_S2, P_S3 라고 하였다.
5로 고정된다. 또한 DPP를 사용한 구조에서 각 모듈이 직렬로 연결되어있는 직렬회로에서의 전류 제어를 하지 않았다고 가정하며 전원 모듈이 생산하는 전력 불균형으로 인하여 발생하는 손실이 없다고 가정한다.
특히 PV에서는 그늘짐 현상(Shading Pattern)이며 V-I 곡선에 따라 급격히 감소하는 전력을 안정적으로 공급하기 위한 별도의 제어 기술이 필요하다. 이는 태양광 최대 전력점 추종(MPPT, maximum power point tracking)을 이용하여 그늘짐 현상에도 최대 전력을 공급할 수 있도록 하며 MPPT로 인한 PV와 WP의 공급 전력 손실이 없다고 가정하였다. 또한 DPP를 사용하였을 때에 각 모듈이 직렬로 연결되어 있는 회로에 흐르는 전류 제어를 하지 않았다고 가정한다.
그림 4는 집적모듈 시스템에서 전력이 흐르는 방향을 도시한 그림이다. 집적모듈 시스템에서 생산되는 전력은 모두 직렬 연결된 DC/DC 컨버터를 통과하게 된다. DC/DC 컨버터를 통과하면서 생기는 손실을 각각 P_CL1, P_CL2,P_CL3라고 했을 때 출력단의 전력 P_Total은 식 (1)과 같으며, P_CLk의 식은 식 (2)와 같다.

제안 방법

본 논문에서는 DPP의 필요성과 효율 검토를 위해 집적 모듈 시스템과 DPP에 따른 출력 단 효율을 비교한다. PV패널이 생산하는 전력의 차이가 발생하였을 때와 컨버터의 효율을 변화시키며 출력 단 효율을 비교분석 하였다. 분석 결과 모듈 생산 전력이 100[W], 90[W], 80[W]일 때, 변화하는 컨버터 효율에 따라 DPP 시스템이 최대 46.
본 논문에서는 태양광 발전 시스템과 풍력 발전 시스템 등 신재생 에너지의 에너지 하베스트 환경에서 DPP의 구성기법을 제시하고 DPP시스템의 구축 유무에 따라 발생하는 효율을 비교 분석하였다. 이는 DC/DC 컨버터 효율에 따른 기존의 전력변환 시스템과 DPP의 전력손실 비교하였고 또한 신재생에너지의 생산 전력 차이에 따라서 집적모듈 시스템과 DPP의 전력손실을 각각 비교하였다. 이의결과 컨버터 효율 및 생산 전력 차이에 따른 비교 모두에서 DPP구성의 출력단 효율이 모두 상당히 향상되었음을 입증되어 신재생에너지 모듈의 이점이 극대화 할 수 있음을 기대할 수 있었다.
식 (3)과 식 (5)를 비교해 보면 그림 1의 구조는 모든 전력이 DC/DC컨버터를 통과하는 형태이므로 컨버터의 효율이 모든 전력에 영향을 미치는 것에 반해 DPP 방식은 컨버터 효율이 전력 차 만큼의 전력에만 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 출력 단에 영향을 미치는 컨버터의 효율과 WP와 PV 간의 전력 차를 변화시켜 차동전력 조절기의 유무에 나타나는 출력 단 효율을 비교하였다.

성능/효과

총 생산된 전력이 100[W], 90[W], 80[W]이고 DC/DC 컨버터의 효율을 95[%]라 하였을 때 두 시스템의 출력 단 전력 손실은 각각 13.5[W], 1[W]이고 따라서 최종적으로 Grid에서의 전력량을 전원 모듈에서 생산된 전력량과 비교하면 집적모듈방식은 (270-13.5)/270×100= 95[%]의 전력이 Grid로 보내졌고 이는 DC/DC 컨버터의 효율과 일치하는 결과를 알 수 있다. DPP 시스템은 Grid로 보내진 전력량이 생산한 전력량의 (270-1)/270×100=99.
분석 결과 모듈 생산 전력이 100[W], 90[W], 80[W]일 때, 변화하는 컨버터 효율에 따라 DPP 시스템이 최대 46.3[%] 높은 효율을 보였으며, 모듈생산전력이 100[W], 70[W], 60[W]인 경우 DPP 시스템이 최대 39.9[%]까지 높은 효율을 가짐을 확인할 수 있었다.
5)/270×100= 95[%]의 전력이 Grid로 보내졌고 이는 DC/DC 컨버터의 효율과 일치하는 결과를 알 수 있다. DPP 시스템은 Grid로 보내진 전력량이 생산한 전력량의 (270-1)/270×100=99.63[%]로 DPP시스템의 전력 손실이 집적모듈방식에 비하여 약 4.63]%] 낮은 것으로 확인된다.
생산하는 전력의 차이가 커질수록DPP의 효율이 다소 감소하지만 여전히 집적모듈 시스템의 효율보다는 높다는 것이 확인되었다. DPP 효율이 집적모듈 시스템보다 최대 39.9[%]까지 높은 것이 확인된다.
그림 8은 모듈생산전력이 Power Differential ①일 때의 출력 단 효율을 분석한 결과이다. 두 시스템의 출력 단 효율을 비교해 보면 DPP의 출력 단 효율이 집적모듈 시스템보다 최소 0[%]에서 최대 46.3[%]까지 높은 것을 볼 수 있다.
이러한 결과에 의하여 집적모듈 시스템은 모듈에서 생산된 전력량이 DC/DC 컨버터의 효율에 의하여 결정되는 것이 확인되었으며 모듈 간 생산전력의 차이가 상이해도 일정한 효율을 나타내었다. 반면 DPP는 전력 차가 낮을수록 높은 효율을 보이며 생산전력과 평균생산전력의 차이만 부담하므로 컨버터효율보다 전체 효율이 항상 높은 것이 확인되었고 컨버터의 효율이 떨어져도 전체 효율이 크게 떨어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한 집적모듈 시스템과 비교하였을 경우 컨버터 효율이 95[%]일 경우 최대 5[%], 컨버터 효율이 85[%]인 경우 최대 15[%]의 효율이 높다는 결과가 나타남을 알 수 있다.
마찬가지로 그림 9는 모듈의 전력생산차이를 더 크게 한 Power Differential ②일 때의 컨버터 효율에 따른 출력 단 효율을 분석한 것이다. 생산하는 전력의 차이가 커질수록DPP의 효율이 다소 감소하지만 여전히 집적모듈 시스템의 효율보다는 높다는 것이 확인되었다. DPP 효율이 집적모듈 시스템보다 최대 39.
이러한 결과에 의하여 집적모듈 시스템은 모듈에서 생산된 전력량이 DC/DC 컨버터의 효율에 의하여 결정되는 것이 확인되었으며 모듈 간 생산전력의 차이가 상이해도 일정한 효율을 나타내었다. 반면 DPP는 전력 차가 낮을수록 높은 효율을 보이며 생산전력과 평균생산전력의 차이만 부담하므로 컨버터효율보다 전체 효율이 항상 높은 것이 확인되었고 컨버터의 효율이 떨어져도 전체 효율이 크게 떨어지지 않는 것을 확인할 수 있다.
이는 DC/DC 컨버터 효율에 따른 기존의 전력변환 시스템과 DPP의 전력손실 비교하였고 또한 신재생에너지의 생산 전력 차이에 따라서 집적모듈 시스템과 DPP의 전력손실을 각각 비교하였다. 이의결과 컨버터 효율 및 생산 전력 차이에 따른 비교 모두에서 DPP구성의 출력단 효율이 모두 상당히 향상되었음을 입증되어 신재생에너지 모듈의 이점이 극대화 할 수 있음을 기대할 수 있었다.
컨버터 효율을 고정하고 모듈 생산전력량을 변화시키는 경우 컨버터 효율이 95[%]일 때 집적모듈 시스템은 전체 효율이 컨버터 효율에 제한되어 95[%]를 나타내었지만 DPP시스템은 전체 시스템 효율이 모듈 간 전력 차이가 가장 크게 발생할 때 98.5[%]로 집적모듈방식보다 약 3.5[%]높았고 컨버터 효율이 85[%]일 경우에는 DPP시스템의 모듈 간 전력 차이가 집적모듈 시스템보다 약 10.4[%] 높은 것이 확인되었다. 이는 DPP 시스템이 전체 전력을 처리하지 않고 전체 전력의 일부만 처리하므로 생기는 이점이며 따라서 각 모듈생산전력과 평균생산전력의 차이만 분담하는 DPP사용시 사용하지 않았을 때보다 허용용량이 낮아지므로 DPP 설계 시 안정성과 가격적인 면에서 이익을 볼 수 있다고 기대하며 공급적인 면에서 효율적인 전력 공급을 이루어 낼 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

4[%] 높은 것이 확인되었다. 이는 DPP 시스템이 전체 전력을 처리하지 않고 전체 전력의 일부만 처리하므로 생기는 이점이며 따라서 각 모듈생산전력과 평균생산전력의 차이만 분담하는 DPP사용시 사용하지 않았을 때보다 허용용량이 낮아지므로 DPP 설계 시 안정성과 가격적인 면에서 이익을 볼 수 있다고 기대하며 공급적인 면에서 효율적인 전력 공급을 이루어 낼 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅이란?	에너지 하베스팅이란 주위환경 중에 다양한 형태로 존재하는 에너지원(태양광, 풍력, 진동, 열에너지 등)을 수확하여 축적한 후 효율적으로 사용하기 위한 일련의 에너지 수집과정을 말한다. 이는 에너지에 대한 관심이 증가하면서 화석연료 에너지 사용으로 인한 환경오염과 전력수요의 급증으로 발생하는 전력난 등의 해소를 위하여 사용되는 기술이다.
	차동전력조절기(DPP)가 최근 사용되기 시작한 이유는?	이러한 구조는 기후 변화 등의 환경변화가 발생해도 각각의 전원부들을 집적 모듈 단위에서 제어하기 때문에 MPPT를 원활히 할 수 있게 한다[3, 4]. 그러나 이런 집적모듈 시스템에서는 각각의 전원부가 생산하는 모든 전력이 DC/DC 컨버터를 지나므로 전체계통의 효율이 DC/DC 컨버터의 효율에 따라 결정되며 또한 DC/DC 컨버터의 소자들의 능력이 전원부에서 생산하는 모든 전력을 부담할 수 있을 정도로 설계해주어야 한다.
	차동전력조절기란 어떻게 전력 불균형을 최소화 시키는가?	따라서 이러한 문제점을 보완하기 위한 방안으로 최근에 차동전력조절기(DPP)가 사용되기 시작하였다[5-10]. 차동전력조절기란 전원부와 병렬로 연결하여 전력 차의 발생 시 전력 간의 불균형으로 생기는 전력 손실 및 발전 모듈의 불균형으로 인한 소자의 용량 저감 및 소손을 감소하기 위하여 모듈 사이의 전력 차 만큼의 전력을 부담하고 공급하여 전력 불균형을 최소화 시키는 전력 조절기를 의미한다.

참고문헌 (10)

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Pradeep S. Shenoy, Katherine A. Kim, Brian B. Johnson, and Philip T. Krein, "Differential Power Processing for Increased Energy Production and Reliability of Photovoltaic Systems," IEEE Transactions On Power Electronics, vol. 28, no. 6, June 2013.

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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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