[논문]최적 일체형 태양광 발전용 전력변환장치 PCS 특성에 관한 연구

황락훈

doi:10.7471/ikeee.2019.23.3.1003

최적 일체형 태양광 발전용 전력변환장치 PCS 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of PCS Using a Solar Cells Generation of Optimal Integrated 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.3, 2019년, pp.1003 - 1014

황락훈 (Dept. of Electrical Engineering, Semyung University)

초록
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본 논문에서는 PV 시스템에서 사용되는 회로들을 쉽게 해석할 수 있도록 모델링하였다. 시뮬레이션 툴은 직관적인 전기회로 시뮬레이션이 가능한 PSPICE를 이용하였다. 모델링한 라이브러리를 이용하여 태양전지의 사용에서 간과하기 쉬운 온도와 공간방사의 영향에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다. 이와 더불어 태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서와 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행 하였으며 실험의 결과와 시뮬레이션의 결과가 동일한 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 단상 3[kW] 계통연계형 태양광 전력변환기를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we modeled the devices used easily in PV system circuits. Simulation tools use PSPICE to enable intuitive electrical circuit simulations. Simulations were also performed on the effects of temperature and spatial radiation that are easy to overlook when using solar cells using modelled libraries. In addition, for full operation of the photovoltaic system, a complete operation system for the DC-DC buck-boost converter and the MPPT(Maximum Power Point Tracking) control system was modeled and simulated to confirm good operation. In order to verify the operation of the simulation, we constructed an actual system with the same conditions in the simulation and experimented. As a result, we proposed a single-phase 3 kW grid-connected solar power converter.

주제어

표/그림 (31)

그림 Fig. 1. PV cell with a load and its simple equivalent circuit. 그림 1. 부하를 가진 PV전지와 등가회로
그림 Fig. 2. Short circuit and open circuit. 그림 2. 단락회로와 개방회로
그림 Fig. 3. Solar Cell Model. 그림 3. 솔라 셀 모델
그림 Fig. 4. V-I characteristics of PV cell when changing Irradiance. 그림 4. 임피던스 변화 시 PV셀의 V-I 특성
그림 Fig. 5. PV cell model. 그림 5. 태양전지 모델
그림 Fig. 6. V-I curve of PV cell(series resistance). 그림 6. 태양전지 V-I 곡선(직렬저항)
그림 Fig. 7. V-I curve of PV cell(shunt resistance). 그림 7. 태양전지 V-I 곡선(분로저항)
그림 Fig. 8. V-I curve at J₀₂ change of recombination diode. 그림 8. 재결합 다이오드의 J₀₂ 변화 시 V-I 곡선
그림 Fig. 9. V-I curve at temperature change. 그림 9. 온도 변화 시 V-I 곡선
그림 Fig. 10. PSPICE equivalent circuit of PV module. 그림 10. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로
그림 Fig. 11. PV module PSPICE equivalent circuit. 그림 11. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로
그림 Fig. 12. PV module PSPICE equivalent circuit. 그림 12. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로
그림 Fig. 13. Simulation of current and voltage waveform. 그림 13. 전류 및 전압 시뮬레이션 파형
그림 Fig. 14. Construction power converter. 그림 14. 전력변환기의 구성도
그림 Fig. 15. The AC side vector of the voltage-type converter. 그림 15. 전압형 컨버터의 교류 측 벡터도
그림 Fig. 16. Vector diagram of voltage converter. 그림 16. 전압형 컨버터의 벡터도
그림 Fig. 17. Equivalent circuit of voltage type converter. 그림 17.전압형 컨버터의 등가회로
그림 Fig. 18. Current control diagram. 그림 18. 전류 제어도
그림 Fig. 19. Control of the converter. 그림 19. 컨버터의 제어
그림 Fig. 20. Current control diagram. 그림 20. 전류 제어도
그림 Fig. 21. Simulation circuit. 그림 21. 시뮬레이션 회로
그림 Fig. 22. power converter. 그림 22. 전력변환기
표 Table 1. Features of simulation module. 표 1. 시뮬레이션 모듈의 기능
그림 Fig. 23. Block diagram of main system. 그림 23. 전체 시스템 블록도
그림 Fig. 24. Simulation waveform of PV system. 그림 24. PV 시스템의 시뮬레이션 파형
그림 Fig. 25. Configuration of electric power converter test equipment. 그림 25.전력변환기 시험 장치의 구성
그림 Fig. 26. Power converter output characteristic test. 그림 26. 전력변환기 출력 특성 시험
그림 Fig. 27. Modulation waveform test result. 그림 27. 변조파형 시험 결과
그림 Fig. 29. 3 kVA load test. 그림 29. 3 kVA 부하시험
그림 Fig. 28. Load test and Lissajous experiment result waveform. 그림 28. 부하시험 및 리사쥬 결과파형
그림 Fig. 30. Power factor characteristic in single-phase to load test. 그림 30. 단상 부하시험과 부하 시험 시 역률 특성

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 문제점들을 고려하여 전압 변동율이 심하거나 전원 불평형 시에도 안정적으로 동작이 가능하며 고효율과 단위역률로 제어가 가능한 시스템을 제안하고자 하며, 복잡한 태양광 발전장치의 전원 공급 과정을 최소화 하고자 전력 변환기와 접속반을 일체화하여 원가 절감 및 효율 향상을 꾀하고자 한다.

대상 데이터

“P&O MPPT” 모듈은 태양 전지 모듈로부터 입력을 받아 각 시점의 최대 출력점을 DC/DC 컨버터 쪽으로 전달해 주는 역할을 한다. “DC/DC” 모듈은 벅-부스트 컨버터를 모델링 한 것으로 시비율, L, C 값을 입력할 수 있도록 하였으며,”Load" 모듈은 부하로써 R, L을 가변하여 사용할 수 있도록 구성하였다.
태양광발전용 단상 3kW급 저압용 인버터의 기본적인 성능 특성을 시험하고 성능 개선을 도출하기 위하여 다음 그림 25와 같이 시험 장치를 구성하였다. 정격 600[V] / 150[A] IGBT 모듈, 1[mH] 의 인덕턴스, 3000[μF]의 필터 커패시터로 이루어진 10[kVA] 3상 전압형 PWM 컨버터이다. 3상분 전원전압과 전원전류를 각각 검출하여 아날로그 입력 멀티플렉서를 이용하여 샘플 앤 홀드회로를 구성하였으며, 출력측 기준전압은 절연 증폭기를 이용하여 검출하였으며 DC 310[V]로 일정하게 유지하도록 되어있다.

데이터처리

PSPICE를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션을 수행한 결과의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 시스템을 실제 제작하여 실험하였다. 실험 장치의 전체 구성을 그림 22에 나타내었고, 전력변환기에 대한 블록도는 그림 23에 나타내었다.
출력전압 조정을 위해 시뮬레이션에서와 동일한 값을 갖는 DC-DC 벅-부스트 컨버터를 제작하였고, 전체 시스템 제어를 위해 사용되는 제어기는 TMS칩을 이용하여 C-언어로 구현하였다. 제어기 내부는 크게 전압과 전류 검출을 위한 A/D 변환기, 최대 출력점 제어를 위한 MPPT 알고리즘 구현기, 컨버터의 제어 신호 발생을 위한 PWM 신호 발생기로 구성되어 있다.

이론/모형

아울러 본 논문에서 구축한 라이브러리의 타당성을 입 증하기 위하여 온도, 공간복사의 변화에 대해 시뮬레이션을 수행하여 동작특성을 확인하였다. 이와 연계하여 전체 시스템 구동을 위해 DC-DC 벅-부스트 시스템과 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 시스템을 모델링하여 전체 태양광 발전 시스템의 구동특성을 시뮬레이션하고 라이브러리 화 하였으며, 시스템 변수 등의 변화에 대해 손쉽게 가변하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 시뮬레이션의 타당성을 입증하기 위하여 동일한 조건하에 하드웨어를 구성하고, DSP를 이용한 제어기를 구현하여 실제 시스템에 대한 실험을 수행하고 결과를 확인하였다.

성능/효과

따라서, 본 논문에서 수행한 모델링이 정확하게 이루어졌음을 확인할 수 있음은 물론 이를 이용하면 기본적인 태양광 발전 시스템의 시뮬레이션을 수월하게 수행할 수 있으며 나아가 새로운 제어기법 등의 연구에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.
모델링한 라이브러리를 이용하여 태양전지의 사용에서 간과하기 쉬운 온도와 공간방사의 영향에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다. 이와 더불어 태양광 발전 시스템의 완전한 동작을 위해 DC-DC 벅-부스트 컨버터와 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 시스템에 대한 완전한 동작 시스템에 대해 모델링하고 시뮬레이션을 수행하여 양호한 동작을 확인할 수 있었다. 또한 시뮬레이션의 동작을 입증하기 위하여 시뮬레이션에서 동일한 조건의 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 실험의 결과 단상 3[kW] 계통 연계형 태양광 전력변환기를 제안하였으며 IGBT 소자뿐만 아니라 GaN type MOSFET에 이르기까지 용량을 고려하여 다양화 및 대용량화가 가능한 설계 데이터를 확보하였다.

후속연구

향후 태양광 인버터를 이용하여 ESS 부착 시 독립형 시스템으로도 사용이 가능하며, 배터리 전원 측으로 에너지 회생이 가능하여 95% 이상의 효율을 가지고 있으며 에너지 절감효과가 있는 시스템을 구현 할 수 있는 가능성을 확인하였다.

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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