[논문]태양광 어레이의 출력 특성을 이용한 개선된 전역 최대전력 점 추종 기법

유규현; 이우철

doi:10.6113/tkpe.2020.25.2.111

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The photovoltaic module has the characteristic that the output power varies according to the amount of insolation. If partial shading occurs in an environment composed of an array, a number of local maximum power points (LMPPs) may be generated according to the shading state. Photovoltaic arrays req...

The photovoltaic module has the characteristic that the output power varies according to the amount of insolation. If partial shading occurs in an environment composed of an array, a number of local maximum power points (LMPPs) may be generated according to the shading state. Photovoltaic arrays require global maximum power point tracking due to variations in output characteristics caused by solar radiation and temperature. Conventional algorithms, such as P&O and Incond, do not follow the global maximum power point in a partial shaded solar array. In this study, we propose a technique to follow the global maximum power point by using the correlation of voltage, current, and power in solar arrays. The proposed control technique 2qw validated through simulation and experiments by constructing a 2-kW solar system.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. PV array output waveform.
그림 Fig. 2. PV array output waveform in Partially Shaded State.
그림 Fig. 3. Proposed GMPPT algorithm.
그림 Fig. 4. Proposed GMPPT operation process.
그림 Fig. 5. PV array simulation circuit.
표 TABLE I SIMULATION PARAMETER OF PV ARRAY SYSTEM
표 TABLE II CONDITION FOR SIMULATION
그림 Fig. 6. Simulation results of the proposed GMPPT operation.
그림 Fig. 7. Experimental equipment.
그림 Fig. 8. Experimental results of the proposed GMPPT operation.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 태양광 어레이에서 발생할 수 있는 다양한 형태의 GMPP를 추종하기 위해 넓은 전압 탐색 범 위를 가질 수밖에 없는 GMPPT 기법을 태양광 어레이의 출력 특성을 이용하여 효과적으로 탐색 범위를 줄여 빠르게 추종할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘 에 대한 검증을 위해 2kW 태양광 발전 시스템을 구성하여 PSIM을 통한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

제안 방법

본 논문에서는 태양광 어레이의 전압, 전류와 전력의 상관관계를 분석하고, 무 음영 및 부분 음영 환경과 관계없이 탐색 범위를 효율적으로 줄여 추적 시간을 단축 할 수 있는 MPPT 기법을 제안하였고, 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법을 검증하였다. LMPP의 존재 여부 및 MPP가 존재하는 전압 부근을 판단하는 것에 대한 알고리즘이 간단하고 추가적인 회로 구성이 필요하지 않은 장점이 있어 실제 태양광 인버터에 적용 가능할 것 으로 기대된다.
시뮬레이션을 위해 프로그램은 PSIM을 사용하였고, 회로는 그림 5과 같이 태양광 모듈을 3 X 2로 어레이와 GMPPT 제어를 위한 Boost 컨버터로 구성되었다.
하지만 실제 한국 중부지방의 연간 평균온도 변화는 –20∼40℃로 이므로 실제 태양광 인버터에 적용시 온도에 의한 개방전압의 변화가 고려되어야 하므로 제안된 기법에 온도계수를 추가하고 주변 온도를 입력받아 정확한 개방전압을 추정해야 한다.
현재 제안된 전역 최대전력점 추종 기법은 다양한 부분 음영 상황에서 정확하고 빠르게 전역 최대전력 점 을 찾아내었지만, 모든 조건은 온도를 25도로 통일하여 실험이 진행되었다. 하지만 실제 한국 중부지방의 연간 평균온도 변화는 –20∼40℃로 이므로 실제 태양광 인버터에 적용시 온도에 의한 개방전압의 변화가 고려되어야 하므로 제안된 기법에 온도계수를 추가하고 주변 온도를 입력받아 정확한 개방전압을 추정해야 한다.

대상 데이터

그림 7은 실험 회로와 태양광 어레이를 대신할 AMETEK사의 태양광 시뮬레이터 ETS600X이다. 실험 회로의 구성은 시뮬레이션 회로와 동일하며, 시뮬레이터 는 3 X 2 형태실험 파형은 Tektronix사의 오실로스코프를 사용하여 측정하였다.

데이터처리

본 논문에서는 태양광 어레이에서 발생할 수 있는 다양한 형태의 GMPP를 추종하기 위해 넓은 전압 탐색 범 위를 가질 수밖에 없는 GMPPT 기법을 태양광 어레이의 출력 특성을 이용하여 효과적으로 탐색 범위를 줄여 빠르게 추종할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘 에 대한 검증을 위해 2kW 태양광 발전 시스템을 구성하여 PSIM을 통한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

성능/효과

실제의 모듈과 크게 차이가 나는 이유는 실험에 사용된 태양광 시뮬레이터의 전류 용량 이 8A로 제한적이며, 3X2로 구성된 어레이에서 2kW급 으로 구성하기 위해서 개방전압을 키우고 단락 전류를 줄였다. 그러나 제안된 알고리즘은 최대전력 점에서의 전압이 모듈 개방전압의 80%즈음 인 것을 이용한 것이 고, 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 모듈도 개방전압과 단락 전류의 크기만 다를 뿐 실제 모듈과 같은 성질을 가지고 있어 알고리즘의 타당성을 충분히 검증할 수 있다.
위의 3가지 경우 모두 태양광 어레이가 낼 수 있는 전역 최대전력점을 정확하게 찾아내었고, 제안된 GMPPT 기법이 시뮬레이션 환경에서 전역 최대전력점 추종을 해내었음을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서는 태양광 어레이의 전압, 전류와 전력의 상관관계를 분석하고, 무 음영 및 부분 음영 환경과 관계없이 탐색 범위를 효율적으로 줄여 추적 시간을 단축 할 수 있는 MPPT 기법을 제안하였고, 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법을 검증하였다. LMPP의 존재 여부 및 MPP가 존재하는 전압 부근을 판단하는 것에 대한 알고리즘이 간단하고 추가적인 회로 구성이 필요하지 않은 장점이 있어 실제 태양광 인버터에 적용 가능할 것 으로 기대된다. 추후 연구에서는 저전압 구간의 최대전력 점에서 동작 중에 일사량이 변동할 경우 기존의 GMPPT 기법들이 일사량 변동에 대한 감지가 되지 않아 새로운 GMPP를 찾지 못하는 단점에 대해 보완을 할 것이다.
LMPP의 존재 여부 및 MPP가 존재하는 전압 부근을 판단하는 것에 대한 알고리즘이 간단하고 추가적인 회로 구성이 필요하지 않은 장점이 있어 실제 태양광 인버터에 적용 가능할 것 으로 기대된다. 추후 연구에서는 저전압 구간의 최대전력 점에서 동작 중에 일사량이 변동할 경우 기존의 GMPPT 기법들이 일사량 변동에 대한 감지가 되지 않아 새로운 GMPP를 찾지 못하는 단점에 대해 보완을 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 어레이에서 발생할 수 있는 다양한 형태의 GMPP를 추종을 위해 본 논문에서 제시되고 있는 것은 무엇인가?	본 논문에서는 태양광 어레이에서 발생할 수 있는 다양한 형태의 GMPP를 추종하기 위해 넓은 전압 탐색 범 위를 가질 수밖에 없는 GMPPT 기법을 태양광 어레이의 출력 특성을 이용하여 효과적으로 탐색 범위를 줄여 빠르게 추종할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘 에 대한 검증을 위해 2kW 태양광 발전 시스템을 구성하여 PSIM을 통한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.
	태양광 모듈의 출력 특성의 전압 및 열과 관련된 내용은 무엇인가?	태양광 모듈의 출력 특성은 일사량과 온도의 영향을 받는데, 일사량이 증가하게 되면 태양광 모듈의 단락 전류(I sc_mod)가 증가하고 모듈 개방전압(Voc_mod)이 소폭 상승하게 된다. 온도가 상승할 때는 Voc_mod이 감소하게 되는 특징을 가지고 있다. 이러한 태양광 모듈은 모듈 개방전 압의 80% 부근에서 최대전력 점(Vm)이 발견된다. 태양광 어레이는 태양광 모듈을 직·병렬로 연결하여 구성되므로 모듈이 가지고 있는 특성이 어레이에서도 그대로 적용이 된다.
	태양광 모듈의 특성은 무엇인가?	태양광 모듈은 일사량에 따라 출력 가능한 전력이 변화하는 특성을 가지는데, 어레이로 구성된 환경에서 부분적으로 음영이 발생하면 음영 상태에 따라 다수의 국부 최대전력 점(LMPP: Local Maximum Power Point) 이 생성될 수 있다[3]-[5]. 이와 같은 환경에서 기존의 MPPT 기법으로 많이 사용되는 P&O 및 IncCond 알고리즘은 태양광 어레이의 전역 최대전력 점(GMPP: Global Maximum Power Point)을 정확하게 추종하지 못하는 단점을 가지고 있어 최근에는 GMPP를 추종할 수 있는 MPPT 기법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[6],[7].

참고문헌 (7)

Y. Wang and Y. Li, "High-accuracy and fast-speed MPPT methods for PV string under partially shaded conditions," IEEE Transactions on Industry Electronics, Vol. 63, No. 1, pp. 235-245, Sep. 2016.
X. Li and H. Wen, "Modified beta algorithm for GMPPT and partial shading detection in photovoltaic systems," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 3, pp. 2172-2186, Mar. 2018.

상세보기
M. Mao, L. Zhou, Z. Yang, Q. Zhang, C. Zheng, and B. Xie, "A hybrid intelligent GMPPT algorithm for partial shading PV system," Control Engineering Practice, Vol. 83, No 5, pp. 108-115, Feb. 2019.

상세보기
J. Y. Shi, W. Zhang, Y. G. Zhang, F. Xue, and T. Yang, "MPPT for PV systems based on a dormant PSO algorithm," Electric Power Systems Research, Vol. 123, pp. 100-107, Jun. 2015.

상세보기
B. N. Alajmi, K. H. Ahmed, S. J. Finney, and B. W. Williams, "A maximum power point tracking technique for partially shaded photovoltaic systems in microgrids," IEEE Trans. on Ind. Electron., Vol. 60, No. 4, pp. 1596-1606, Apr. 2013.

상세보기
N. Fermia, D. Granozio, G. Petrone, and M. Vitelli, "Predictive & adaptive MPPT perturb and observe method," IEEE Trans. on Aerosp. and Electron. Systems, Vol. 43, No. 3, pp. 935-950, Jul. 2007.
M. Boztepe, F. Guinjoan, G. V. Quesada, S. Silvestre, A. Chouder, and E. Karatepe, "Global MPPT scheme for photovoltaic string inverters based on restricted voltage window search algorithm," IEEE Trans. on Ind. Electron., Vol. 61, No. 7, pp. 3302-3312, Jul. 2014.

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