[논문]고효율을 위한 태양광 마이크로인버터 시스템

이준희

문제 정의

본 연구는 브릿지 리스 인버터가 적용된 마이크로인버터 시스템의 품질 향상을 위한 제어 기법을 제안한다. 제안한 기법은 PFC-DBC(Deadbeat control)로, 브릿지 리스 인버터를 수학적으로 모델링한 후 미래의 전류 상태를 간단하게 계산 및 예측하여 제어하는 방식이다.
일반적으로 마이크로인버터는 PI 제어기를 기반으로 구성된 PFC-PI 제어 방법을 적용하는데, PI 제어기의 대역폭 설정에 따라 제어기의 속응성이 변화되어 제어기가 발산하고, 불안정한 상태가 될 수 있으며 , 계통 전류에 왜곡이 발생하는 단점이 있을 수 있다. 본 연구는 이러한 단점을 보완하기 위한 PFC-DBC 제어방법을 제안하였다. 제안하는 PFC-DBC 제어방법은 시스템의 모델링을 바탕으로 미 래지렁 전류를 예측하기 때문에 속응성이 우今할 뿐만 아니라, 계통 전류의 품질을 개선시킨다.

제안 방법

제안하는 PFC-DBC 제어방법은 시스템의 모델링을 바탕으로 미 래지렁 전류를 예측하기 때문에 속응성이 우今할 뿐만 아니라, 계통 전류의 품질을 개선시킨다. 또한, 잘못된 파라미터 값으로 인 해 발생하는 시스템 모델링의 미스매치를 파라미터 추정 알고리즘을 통해 보상함으로써 시스템 모델링이 잘못되어도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 한다. 제안한 PFC-DBC 제어 방법은 기존 PFC-PI 제어 방법과 실험 결과 비교를 통해 우수한 성능을 검증하였고, 본 연구 결과를 이용하여 마이크로인버티 및 소용량인버터의 계통전류 품질 향상 및 시스템효율 향상에 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서 제안한 PFC-DBC 전류제어기는 브릿지리스 인버터 시스템을 수식적으로 모델링하고, 이를 바탕으로 미래의 값을 예측하여 실제 값이 예측한 값을 추종할 수 있도록 한다. 따라서 시스템을 수식적으로 모델링하는 과정이 반드시 선행되어야 한다.
수식적인 모델링에 사용되는 인덕턴스는 일정한 값이기 때문에 실제 인덕턴스 값과 차이가 발생하면 전류 제어기가 불안정해지기 마련이다. 본 연구에서는 전류 센서를 통해 샘플링된 전류와 모델링에 사용된 인덕턴스로 계산된 평균 전류의 차이를 이용하여 실제 인덕턴스를 추정하는 기법을 사용하였다. 추정된 인덕턴스가 모델링에 사용되는 인덕턴스 파라미터에 적용된 인덕턴스의 불일치로 인한 제어기의 발산을 억제할 수 있다.
제안하는 PFC-DBC 방법은 DCM 듀티 사이클과 CCM 듀티사이클을 항상 계산 및 비교하여 더 작은 값이 적용되도록 하여 모든 구간에서 평균 전류 제어가 되도록 한다. 이를 바탕으로 제안하는 PFC-DBC 방법의 제어 블록 도를 그림 7과 같이 나타내었다.
그림 5는 CCM고} DCM에서 브릿지리스 인버터의 스위칭 상태에 따른 인덕터 전류를 나타낸다. 제안하는 PFC-DBC 방법은 [k+1]번째 전류를 수식으로 나타내고, 식 ⑴에서 모델링한 인덕터 전류의 기울기를 이용하여 [k+1] 번째 전류와 예측 지령 전류의 차이를 0으로 만들어 줌으로써 전류 제어를 수행한다. 각 모드에서의 [k+1]번째 전류와 이를 이용하여 계산한 최적의 듀티 사이클을 표 2에 나타내었다.
제안하는 PFC-DBC 방법은 모델 기반 제어 방법이기 때문에 시스템의 안정도와 정확성을 향상시키기 위해 반드시 파라미터 추정 기법이 적용되어야 한다. 수식적인 모델링에 사용되는 인덕턴스는 일정한 값이기 때문에 실제 인덕턴스 값과 차이가 발생하면 전류 제어기가 불안정해지기 마련이다.
본 연구는 이러한 단점을 보완하기 위한 PFC-DBC 제어방법을 제안하였다. 제안하는 PFC-DBC 제어방법은 시스템의 모델링을 바탕으로 미 래지렁 전류를 예측하기 때문에 속응성이 우今할 뿐만 아니라, 계통 전류의 품질을 개선시킨다. 또한, 잘못된 파라미터 값으로 인 해 발생하는 시스템 모델링의 미스매치를 파라미터 추정 알고리즘을 통해 보상함으로써 시스템 모델링이 잘못되어도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 한다.
품질 향상을 위한 제어 기법을 제안한다. 제안한 기법은 PFC-DBC(Deadbeat control)로, 브릿지 리스 인버터를 수학적으로 모델링한 후 미래의 전류 상태를 간단하게 계산 및 예측하여 제어하는 방식이다. 제안한 기법을 통해 기존 전류 제어기법으로 인해 발생하는 계통 전류의 고조파 성분을 줄일 수 있기 때문에 고효율 및 고품질의 마이크로인버터를 설계할 수 있다.
제안한 기법은 PFC-DBC(Deadbeat control)로, 브릿지 리스 인버터를 수학적으로 모델링한 후 미래의 전류 상태를 간단하게 계산 및 예측하여 제어하는 방식이다. 제안한 기법을 통해 기존 전류 제어기법으로 인해 발생하는 계통 전류의 고조파 성분을 줄일 수 있기 때문에 고효율 및 고품질의 마이크로인버터를 설계할 수 있다.

데이터처리

제안하는 PFC-DBC 제어기의 성능을 검증하기 우] 해, 일반적으로 많이 사용되는 PFC-PI 제어기와 실험을 통해 비교하였다. 먼저 그림 8은 제안하는 PFC-DBC 제어 방법 이 적용된 상태 에서 DCM 보상 적용 유무에 따른 계통 전류의 파형을 나타낸다.

성능/효과

제안하는 PFC-DBC는 정확한 모델링에 의해 계산되는 예측 지령 전류를 사용하기 때문에 제어기의 대역폭에 영향을 받지 않아 속 웅성이 빠른 장점을 가지고 있다. PFC-PI 제어 방법과의 성능 비교를 위해 최대 부하 점에서 계통 전류 THD를 측정한 결과 약 4.7 [%] 로 출력되었다.
나타낸다. 계통 전류 파형을 그림 7의 기존 PFC-PT 제어 방법과 비교하였을 때, 계통 전류의 왜곡이 급격히 줄어들었음을 확인할 수 있다. 제안하는 PFC-DBC는 정확한 모델링에 의해 계산되는 예측 지령 전류를 사용하기 때문에 제어기의 대역폭에 영향을 받지 않아 속 웅성이 빠른 장점을 가지고 있다.
일반적으로 계통 전류의 품질을 검증할 때, 최대 부하 점에서 계통 전류의 THD를 측정한다. 본 연구의 마이크로인버터는 300 IW]급이므로, PFC-PI 전류 제어기를 사용했을 때 최대 부하점에서의 THD는 약 11.75 [%로 출력되었다.
마이크로인버터는 개별 태양광 판넬에 각각 인버터를 설치해 모듈 단위로 생산 전력을 분산하는 시스템이다. 이 시스템은 기존의 중앙 집중식 인버터보다 태양광 판넬 당 더 많은 에너 지를 변환할 수 있고, 개 별 모듈은 각각 MPPT 제어 기능을 갖추고 있어 그림자 효과 및 기기 노화 등의 문제를 개선하였다.
그래프를 나타낸다. 제안하는 PFC-DBC 방법 이 모든 측면에서 기존 PFC-PI 제어보다 우수한 성능을 갖추고 있다는 것을 확인하였다.

후속연구

또한, 잘못된 파라미터 값으로 인 해 발생하는 시스템 모델링의 미스매치를 파라미터 추정 알고리즘을 통해 보상함으로써 시스템 모델링이 잘못되어도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 한다. 제안한 PFC-DBC 제어 방법은 기존 PFC-PI 제어 방법과 실험 결과 비교를 통해 우수한 성능을 검증하였고, 본 연구 결과를 이용하여 마이크로인버티 및 소용량인버터의 계통전류 품질 향상 및 시스템효율 향상에 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대한다. 繭

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