[논문]가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 고효율 MPPT 알고리즘 연구

김봉석; 정가준; 심우식; 조종민; 차한주

doi:10.6113/tkpe.2019.24.1.1

[국내논문] 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 고효율 MPPT 알고리즘 연구
A Study on High-Efficiency MPPT Algorithm Based on P&O Method with Variable Step Size 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.1, 2019년, pp.1 - 8

김봉석 (Korea Electric Power Research Institute) , 정가준 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 심우식 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 조종민 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 차한주 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a maximum power point tracking (MPPT) algorithm based on the perturb and observe (P&O) method with variable step size is proposed to improve the dynamic response characteristic of MPPT, using the existing P&O method. The proposed algorithm, which we verified by simulation and experiment, can track the maximum power point (MPP) through duty control and consisted of three operation modes, namely, constant voltage mode, fast mode, and variable step mode. When the insolation is constant, the voltage variation of the operating point at the MPP is reduced through the step size reduction of the duty in the variable step mode. Consequently, the vibration of the operating point is reduced, and the power generation efficiency is increased. When the insolation changes, the duty and the photovoltaic (PV) voltage are kept constant through the constant voltage mode. The operating point then rapidly tracks the new MPP through the fast-mode operation at the end of the insolation change. When the MPP is reached, the operation is changed to the variable step mode to reduce the duty step size and track the MPP. The validity of the proposed algorithm is verified by simulation and experiment of a PV system composed of a PV panel and a boost converter.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Flowchart of MPPT algorithm using P&O method.
그림 Fig. 2. Flowchart of MPPT algorithm using INC method.
그림 Fig. 3. Flowchart of the proposed MPPT algorithm.
그림 Fig. 4. Variation of characteristic curve of PV module and fast mode operation.
그림 Fig. 5. Possible cases of M according to MPPT operation.
그림 Fig. 6. Simulation circuit of PV system.
그림 Fig. 7. Simulation result when MPPT is operating from initial starting point.
그림 Fig. 8. Simulation results of conventional MPPT method when solar irradiance increases
그림 Fig. 9. Simulation results of proposed MPPT method when solar irradiance increases.
그림 Fig. 10. Configuration of experimental equipment.
그림 Fig. 11. Experimental results when MPPT is operating from initial starting point.
그림 Fig. 12. Experimental results when solar irradiance decreases.
그림 Fig. 13. Experimental results when solar irradiance increases.
표 TABLE 1 PV SIMULATOR PARAMETERS
표 TABLE II BOOST CONVERTER PARAMETERS

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 외부 환경 변화에 따른 특성곡선 변화시 추종속도 및 정상상태 효율 향상을 위해 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 개선된 MPPT 기법을 제안하였다.
본 논문은 PV 시스템의 MPPT 효율을 향상시키기 위해 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 MPPT 알고리즘을 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안된 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 MPPT 알고리즘은 듀티 제어를 통해 전압을 변경하여 PV 모듈의 최대 출력 전력을 추종한다[12] .
.제안된 알고리즘은 3가지 동작 모드로써 정전압 모드, 고속모드와 가변 스텝 모드로 구성되며, 흐름도는 그림 3과 같다^[13].
최대 전력점에 도달하면 가변 스텝 모드로 변경하여 듀티 스텝 사이즈를 다시 감소시킨다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 MPPT 동작 모드의 전환과 듀티 스텝 사이즈의 변화를 확인하였으며 제안된 알고리즘을 검증하였다.

이론/모형

2. Flowchart of MPPT algorithm using INC method.

성능/효과

본 논문에서는 외부 환경 변화에 따른 특성곡선 변화시 추종속도 및 정상상태 효율 향상을 위해 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 개선된 MPPT 기법을 제안하였다. 제안된 MPPT 알고리즘에서 추종속도의 향상은 일사량의 증가 또는 감소 조건이 발생한 시점에서 듀티 변화량을 0으로 설정함으로써 전압변동 없이 새로운 특성곡선에서도 동일한 전압지점에 동작점을 위치시키는 정전압 모드 함께 큰 듀티 스텝 사이즈를 통해 최대 전력점으로 동작점을 빠르게 이동시키는 고속 모드를 통해 이뤄진다. 또한, 최대 전력점 부근에 도달 하면 듀티 스텝 사이즈를 일정 비율로 감소시키는 가변 스텝 모드로 동작하여 최대 전력점 지점에서 발생하는 진동의 크기를 감소함으로써 PV 출력특성을 고효율화하는 장점을 갖는다.
제안된 알고리즘에서 MPPT가 초기 시작점에서 동작할 때 또는 고속모드의 트리거 조건이 1이 될 때에는 고속모드에서 동작한다. 고속모드에서 듀티의 스텝 사이즈는 큰 고정 값인 D_fast이며 최대 전력점에 빠르게 도달할 수 있다.
제안된 MPPT 알고리즘은 일사량이 변할 때 정전압 모드에서 동작하고 PV 전압은 변하지 않고, 일사량 변화가 끝난 후 변동된 PV 특성 곡선에서 고속모드를 통해 최대 전력점에 도달하는 시간이 감소된다. 최대 전력점에 도달하면 동작 모드는 가변 스텝 모드로 전환되며 최대 전력점에서의 진동이 감소되고 PV 시스템의 효율이 향상된다.
그림 9(a)는 과도상태 구간으로써 일사량 변화 시 듀티 스텝 △D를 0으로 변경하여 새로운 특성곡선에서 동일한 PV 전압 동작점으로 유지 후 고속모드의 듀티 스텝 D_fast를 통해 최대 전력점 방향으로 빠르게 이동한다. 최대 전력점 부근에서 가변 스텝 모드로 전환하여 듀티 스텝을 MPPT 매 주기마다 지속적으로 감소시켜 최솟값 △D_min으로 동작함에 따라 제안된 알고리즘이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있으며, 추종 시간은 28초이다. 또한 그림 9(b)에서 보이는 바와 같이 일사량 1000W/m²의 최대 전력점에서 PV 전압 변동 폭은 0.
36mA이다. 시뮬레이션 결과 파형으로부터 일사량 증가 조건에서 제안된 MPPT 기법은 기존 방식보다 추종 속도가 빠르고, 최대 전력점 지점의 정상상태 구간에서 PV 전압 및 전류 변동 폭이 약 3.5배 작아짐에 따라 MPPT 추종특성이 향상됨을 검증하였다.
그림 11은 제안된 MPPT 기법의 초기 시작점에서 동작할 때의 실험 결과이다. 듀티의 스텝 △D가 D_fast부터 최솟값 △D_min로 감소하며, MPPT가 고속모드에서 동작하기 시작하고 동작점이 최대 전력점에 도달하면 가변 스텝 모드로 전환하는 것을 확인할 수 있다.
로 감소될 때 제안된 MPPT 기법의 실험 결과이다. 일사량의 감소에 따라 PV 전류가 감소하여 △D가 0으로 변하고 D_fast로 전환한 후 일정 비율로 감소하는 것을 알 수 있다. 제안된 알고리즘에 따라 일사량이 감소된 후 듀티와 PV 전압이 정전압 모드에서 일정하게 유지되며, MPPT가 고속 모드로 전환한 다음에 가변 스텝 모드로 전환하는 것을 확인하였다.
일사량의 감소에 따라 PV 전류가 감소하여 △D가 0으로 변하고 D_fast로 전환한 후 일정 비율로 감소하는 것을 알 수 있다. 제안된 알고리즘에 따라 일사량이 감소된 후 듀티와 PV 전압이 정전압 모드에서 일정하게 유지되며, MPPT가 고속 모드로 전환한 다음에 가변 스텝 모드로 전환하는 것을 확인하였다. 그림 13은 일사량이 500W/m²에서 1000W/m²로 증가될 때 MPPT의 실험 결과이다.
그림 13은 일사량이 500W/m²에서 1000W/m²로 증가될 때 MPPT의 실험 결과이다. 일사량의 증가에 따라 PV 전류가 증가하며, 듀티 스텝 △D의 변화 및 MPPT 동작 모드의 전환이 정상적으로 동작하고 있으며, 제안된 MPPT 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
본 논문은 PV 시스템의 MPPT 효율을 향상시키기 위해 가변 스텝 사이즈를 적용한 P&O 방식 기반의 MPPT 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘에 따라 일사량이 일정한 경우, 가변 스텝 모드에서 듀티의 스텝 사이즈 감소를 통해 최대 전력점에서 동작점의 진동이 감소하여 효율이 증가하며 일사량이 변동한 경우, 정전압 모드에서 듀티와 PV 전압은 일정하게 유지한 다음에 고속모드 동작을 통해 빠르게 최대 전력점으로 추종한다. 최대 전력점에 도달하면 가변 스텝 모드로 변경하여 듀티 스텝 사이즈를 다시 감소시킨다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템에서 PV (photovoltaic) 모듈의 특성 곡선은 무엇과 관련있는가?	태양광 발전은 청결하고 효율적인 특성으로 인해 널리 연구되고 있으며 태양광 발전 시스템에서 PV (photovoltaic) 모듈의 특성 곡선은 일사량 및 온도와 관련이 있다. PV 시스템이 동작할 때, 동작점은 PV 모듈의 특성 곡선을 따라 이동하며 PV 모듈의 출력이 최대 값에 도달하면 이 점을 최대 전력점(maximum power point: MPP) 이라고 한다.
	태양광 발전의 특성은 무엇인가?	태양광 발전은 청결하고 효율적인 특성으로 인해 널리 연구되고 있으며 태양광 발전 시스템에서 PV (photovoltaic) 모듈의 특성 곡선은 일사량 및 온도와 관련이 있다. PV 시스템이 동작할 때, 동작점은 PV 모듈의 특성 곡선을 따라 이동하며 PV 모듈의 출력이 최대 값에 도달하면 이 점을 최대 전력점(maximum power point: MPP) 이라고 한다.
	MPPT 기술 중 가장 보편적인 방식은 무엇인가?	최근 몇 년 동안 연구자들은 MPPT 기술에 대한 연구를 많이 하였으며 다양한 MPPT 알고리즘을 개발하였다. 가장 보편적인 MPPT 방식은 P&O(perturb and observe) 방식 및 INC(incremental conductance) 방식이 있다[1] . P&O 방식은 간단한 구조를 갖고 있으며 PV 모듈의 전압을 변경시켜 출력 전력을 변경하여 다른 전압에서 출력 전력을 비교하여 최대 전력의 동작점 전압을 결정한다.

참고문헌 (13)

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J. Ding, J. Jo, J. Lee, and H. Cha, "A study on high-efficiency MPPT algorithm based on P&O method with variable step size," 2018 KIPE Power Electronics Annual Conference, pp. 120-122, Jul. 2018.

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표제어: PCR

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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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