[논문]리튬이온전지를 이용한 태양광전원의 운용효율향상장치의 제어 알고리즘에 관한 연구

박지현; 김병목; 이후동; 남양현; 노대석

doi:10.5762/kais.2018.19.10.590

리튬이온전지를 이용한 태양광전원의 운용효율향상장치의 제어 알고리즘에 관한 연구
A Study on Control Algorithms of Efficiency Improvement Device for PV System Operation using Li-ion Battery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.590 - 597

박지현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 김병목 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 이후동 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 남양현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 노대석 (한국기술교육대학교 전기공학과)

초록
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최근 전 세계적으로 에너지 고갈과 기후변화 문제로 인하여, 재생 가능하고 친환경적인 태양광전원에 대한 관심이 증가되고 있다. 그러나, 이러한 태양광전원은 주변 환경에 따라 출력이 크게 변동되는데, 일부 모듈에만 음영이 발생하여도 태양광전원의 전체적인 운용 효율이 상당히 저하되는 문제점을 가지고 있다. 즉, 기존의 제어방식에서는 모듈을 직렬로 연결된 스트링들이 인버터에 연계되어 있으므로, 일부 모듈에 부분 음영이 발생하면 해당 스트링의 전압이 인버터의 동작전압범위를 벗어나게 되어, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 음영에 의하여 태양광 스트링이 인버터에서 탈락되는 것을 방지하기 위하여, 태양광스트링에 리튬이온전지를 연결한 태양광전원 운용효율 향상장치의 제어알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광스트링, 리튬이온전지, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 운용효율향상장치의 모델링을 수행하여 운용 특성을 분석한 결과, 직렬로 연결된 리튬이온전지가 부분 음영에 의하여 전압 저하를 발생한 해당 스트링의 전압을 보상함으로서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되는 현상을 개선하여 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the installation of PV systems has been increasing due to the worldwide interest in eco-friendly and renewable solar energy. On the other hand, the output power of PV systems is influenced strongly by the surrounding weather conditions. In addition, the entire operation efficiency of PV systems may be decreased considerably even if only some of the PV modules are in the shade. In other words, the existing control method at which strings with modules in series are connected to an inverter may be not operated in the case that the string voltage in partial shade is lower than the operating range of the grid connected inverter. To overcome these problems, this paper proposes an operation efficiency improvement device of a PV system using a Li-ion battery, which can compensate for the voltage of each string in the PV system when it is partially shaded. In addition, this paper presents the modeling of the operation efficiency improvement device, including PV strings, Li-ion battery and a 3-Phase grid inverter based on the PSIM S/W. From the simulation results, it was confirmed that the proposed control method can improve the operating efficiency of PV systems by compensating for the string voltage with partial shade.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Concept of existing PV system
그림 Fig. 2. Power characteristics of PV system by shadow
그림 Fig. 3. Concept of operation efficiency improvement device in PV system
그림 Fig. 4. Control algorithm of operation efficiency improvement device in PV system
그림 Fig. 5. Modeling of PV string
그림 Fig. 6. Modeling of Li-ion battery
그림 Fig. 7. Modeling of 3-phase inverter
그림 Fig. 8. Modeling of operation efficiency improvement device in PV system
그림 Fig. 9. Operation characteristics of existing method
표 Table 1. Simulation conditions
표 Table 2. Specifications of a PV module
그림 Fig. 10. Operation characteristics of proposed method
표 Table 3. Comparison result

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 태양광스트링이 음영에 의하여 인버터에서 탈락되는 것을 방지하기 위하여, 태양광스트링에 리튬이온전지를 직렬로 연결한 태양광전원 운용효율향상장치의 제어알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광스트링, 리튬이온전지, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 운용효율향상장치의 모델링을 제시한다.
본 논문에서는 음영으로 인해 감소된 스트링의 전압을 리튬이온전지를 연결하여 보상하는 태양광전원 운용 효율향상장치의 제어알고리즘을 제안하고, PSIM S/W를 이용하여 기존 태양광전원의 제어방식과 제안한 태양광전원 제어방식의 운용 특성을 비교 분석하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
5와 같다. 여기서, 태양광모듈의 다양한 특성을 나타내기 위하여, 각 모듈의 출력을 결정하는 일사량 및 온도 제어소자를 구성한다.
여기서는 태양광전원에 발생된 음영이 운용효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 기존 제어방식에 의한 태양광전원 전압 및 출력 특성을 분석하였다. 즉, 스트링에 부분 음영이 발생하는 경우, 전절에서 제시한 모델링을 바탕으로 태양광전원의 전압 및 출력 특성을 나타내면 Fig.

가설 설정

본 논문에서 제안한 태양광전원의 운용효율향상장치의 유용성을 확인하기 위하여, PSIM S/W를 이용하여 기존 태양광전원 제어방식과 제안한 태양광전원 제어방식의 운용 특성을 비교 분석한다. 태양광전원 및 리튬이온전지의 운용조건 및 설정치는 Table 1과 같으며, 여기서, 음영이 스트링 면적의 50% 이상 발생하면, 스트링의 전압이 인버터의 동작전압범위를 벗어나는 것으로 상정한다. 한편, Fig.

제안 방법

기존의 제어 방식과 제안한 제어 방식에 의한 태양광 전원의 운용특성을 비교하기 위하여, 음영이 발생된 스트링의 면적과 리튬이온전지의 보상전압을 파라메타로 하여, 태양광전원의 스트링 전압 및 출력특성을 나타내면 Table 3과 같다.
따라서, 본 논문에서는 태양광스트링이 음영에 의하여 인버터에서 탈락되는 것을 방지하기 위하여, 태양광스트링에 리튬이온전지를 직렬로 연결한 태양광전원 운용효율향상장치의 제어알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광스트링, 리튬이온전지, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 운용효율향상장치의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 제안한 태양광전원 운용효율향상장치의 특성을 분석한 결과, 연결된 리튬이온전지는 부분 음영에 의하여 전압 저하가 발생된 해당 스트링의 전압을 보상함으로서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 태양광전원의 운용효율이 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 태양광전원의 운용효율향상장치의 유용성을 확인하기 위하여, PSIM S/W를 이용하여 기존 태양광전원 제어방식과 제안한 태양광전원 제어방식의 운용 특성을 비교 분석한다. 태양광전원 및 리튬이온전지의 운용조건 및 설정치는 Table 1과 같으며, 여기서, 음영이 스트링 면적의 50% 이상 발생하면, 스트링의 전압이 인버터의 동작전압범위를 벗어나는 것으로 상정한다.
상기의 음영에 의하여 발생하는 태양광 스트링의 탈락을 방지하기 위하여, 본 논문에서 제시한 제어 알고리즘과 PSIM S/W 모델링을 바탕으로 리튬이온전지를 이용한 운용효율향상장치의 운용 특성을 나타내면 Fig. 10과 같다. 즉, Fig.
태양광 스트링이 음영에 의하여 인버터에서 탈락되는 것을 방지하기 위하여, 태양광모듈에 리튬이온전지를 직렬로 연결한 태양광전원 운용효율향상장치를 Fig. 3과 같이 제안한다. 이 장치는 리튬이온전지와 충전기로 구성되며, 태양광스트링과 계통연계형 인버터 사이에 삽입되며, 음영에 의하여 전압 저하가 발생한 해당 스트링의 전압을 리튬이온전지가 다단탭 형태로 적정하게 전압을 보상하는 장치이다.
태양광전원 및 리튬이온전지의 운용조건 및 설정치는 Table 1과 같으며, 여기서, 음영이 스트링 면적의 50% 이상 발생하면, 스트링의 전압이 인버터의 동작전압범위를 벗어나는 것으로 상정한다. 한편, Fig. 3과 같이, 정격출력 250[W]의 태양광모듈 8개를 직렬로 연결한 2[kW] 급의 스트링을 2 병렬로 인버터에 연결한 총 4[kW] 급의 태양광전원을 모의하였다. 여기서, 대상으로 한 태양광모듈의 사양은 Table 2와 같다.

성능/효과

(1) 기존 태양광전원의 제어방식에서는 음영이 스트링 면적의 50%가 발생(Case 3)하면 스트링의 전압은 인버터의 최소 동작전압 범위(# :130[V])를 벗어나, 해당 스트링은 인버터로부터 탈락되어 해당 출력은 0[W]로 감소하게 된다. 따라서, 부분 음영으로 인하여 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있었다.
(2) 제안한 태양광전원의 운용효율향상장치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 음영이 해당 스트링 면적의 50%가 발생하면, 초기에 스트링 전압 및 출력은 순간적으로 감소되지만, 제어 장치에 의하여 리튬이온전지가 투입되면 해당 스트링의 전압은 153[V]로 회복되고, 출력도 1,333[W]로 상승하게 된다. 따라서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 기존의 제어 방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있었다.
(3) 제안한 방식에 의하면, 음영이 해당 스트링의 50%가 발생하면 하나의 리튬이온전지 모듈이 투입되어 전압이 보상되고, 62.5%와 75%의 음영이 발생하면, 리튬이온전지 모듈이 2개, 3개로 단계별로 투입되어 전압을 보상하게 된다. 따라서, 제안한 방식은 음영의 정도에 따라 리튬이온전지 모듈의 전압을 단계별로 투입하여, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
Table 3과 같이, 음영이 해당 스트링 면적의 50% 이상이 발생하면, 기존의 제어방식에서는 스트링의 출력이 0[W]로 감소하지만, 제안한 제어방식에서는 스트링의 출력이 약 67%로 개선됨을 알 수 있었다. 여기서, 음영이 태양광 스트링의 50%가 발생하면 하나의 리튬이온전지 모듈이 투입되어 전압이 보상되고, 62.
또한, 음영이 스트링의 면적의 50%가 발생(Case 6)하면, 초기에 스트링 전압 및 출력은 순간적으로 감소되지만, 제어 장치에 의하여 리튬이온전지가 투입되면 해당 스트링의 전압은 153[V]로 회복되고, 출력도 1,333[W]로 상승하게 된다. 따라서, 본 논문에서 제안한 운용효율 향상장치는 음영에 의해 해당 스트링 전압이 순간적으로 감소하지만 리튬이온전지에 의하여 전압이 보상되어, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 기존의 제어 방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있었다.
:130[V])를 벗어나, 해당 스트링은 인버터로부터 탈락되어 해당 출력은 0[W]로 감소하게 된다. 따라서, 부분 음영으로 인하여 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있었다.
즉, 음영이 스트링 면적의 25%가 발생(Case 2)하면 스트링 전압은 183[V], 스트링 출력은 1,590[W]로 저하되고, 음영이 스트링 면적의 50%가 발생(Case 3)하면 스트링의 전압은 인버터의 최소 동작전압범위(# : 130[V])를 벗어나, 해당 스트링 전압은 0[V], 출력은 0[W]로 감소하게 된다. 따라서, 부분 음영으로 인하여 해당 스트링은 인버터로부터 탈락되고, 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있었다.
5%와 75%의 음영이 발생하면, 리튬이온전지 모듈이 2개, 3개로 단계별로 투입되어 전압을 보상하게 된다. 따라서, 제안한 방식은 음영의 정도에 따라 리튬이온전지 모듈의 전압을 단계별로 투입하여, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있으며, 기존의 제어방식에 비하여 상당한 폭으로 운용효율을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
5%와 75%의 음영이 발생하면, 리튬이온전지 모듈이 2개, 3개로 단계별로 투입되어 전압을 보상하게 된다. 따라서, 제안한 방식은 음영의 정도에 따라 리튬이온전지 모듈의 전압을 단계별로 투입하여, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 제안한 태양광전원의 운용효율향상장치를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 음영이 해당 스트링 면적의 50%가 발생하면, 초기에 스트링 전압 및 출력은 순간적으로 감소되지만, 제어 장치에 의하여 리튬이온전지가 투입되면 해당 스트링의 전압은 153[V]로 회복되고, 출력도 1,333[W]로 상승하게 된다. 따라서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 기존의 제어 방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있었다.
또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광스트링, 리튬이온전지, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 운용효율향상장치의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 제안한 태양광전원 운용효율향상장치의 특성을 분석한 결과, 연결된 리튬이온전지는 부분 음영에 의하여 전압 저하가 발생된 해당 스트링의 전압을 보상함으로서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 태양광전원의 운용효율이 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광전원 운용효율향상장치의 특성을 분석한 결과는 어떠한가?	또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광스트링, 리튬이온전지, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 운용효율향상장치의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 제안한 태양광전원 운용효율향상장치의 특성을 분석한 결과, 연결된 리튬이온전지는 부분 음영에 의하여 전압 저하가 발생된 해당 스트링의 전압을 보상함으로서, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 유지하여, 태양광전원의 운용효율이 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
	태양관전원의 음영에 의해 출력 손실은 어떤 과정에 의하여 발생하는가?	또한, 태양광전원은 태양의 위치 변화나 구름 및 나무 등으로 발생하는 음영에 의해 출력 손실이 발생한다. 특히, 일부 모듈에 부분 음영이 발생하면 해당 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 범위를 벗어나 해당 스트링이 인버터로부터 탈락되고, 해당 스트링의 출력은 0[W]로 감소하게 되어, 태양광전원의 전체적인 운용효율이 저하되는 현상이 발생할 수 있다. 여기서, Fig.
	태양광전원에 발생하는 문제점은?	최근 전 세계적으로 에너지 고갈과 기후변화 문제로 인하여, 재생 가능하고 친환경적인 태양광전원에 대한 관심이 증가되고 있다. 그러나, 이러한 태양광전원은 주변 환경에 따라 출력이 크게 변동되는데, 일부 모듈에만 음영이 발생하여도 태양광전원의 전체적인 운용 효율이 상당히 저하되는 문제점을 가지고 있다. 즉, 기존의 제어방식에서는 모듈을 직렬로 연결된 스트링들이 인버터에 연계되어 있으므로, 일부 모듈에 부분 음영이 발생하면 해당 스트링의 전압이 인버터의 동작전압범위를 벗어나게 되어, 해당 스트링이 인버터에서 탈락되는 문제점이 발생할 수 있다.

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표제어: PCR

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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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