[논문]태양광 시뮬레이터와 PCS를 이용한 배터리 방전시스템 구성

정다움; 박성민; 박성미; 박성준; 문승필

doi:10.21289/ksic.2020.23.3.491

태양광 시뮬레이터와 PCS를 이용한 배터리 방전시스템 구성
Battery Discharge System Configuration using Photovoltaic Simulator and PCS 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.3, 2020년, pp.491 - 498

정다움 (전남대학교 전기공학과) , 박성민 (주식회사 엘탑) , 박성미 (한국승강기대학교 승강기공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과) , 문승필 (한국전력공사 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, In the production line of batteries, charge and discharge tests are essential to verify battery characteristics. In this case, the battery charging uses a unidirectional AC/DC converter capable of output voltage and current control, and the discharge uses a resistive load. Since this method consumes energy during discharge, it must be replaced with a bi-directional AC/DC converter system capable of charging and discharging. Although it is difficult to replace the connected inverter part of the bi-directional AC/DC converter system due to the high cost, the spread of the solar-connected inverter rapidly increases as the current solar supply business is activated, and thereby the solar-connected type Inverter prices are plunging. If it can be used as a power converter for battery discharge without program modification of the solar-powered inverter, it will have competition. In this paper, propose a new battery discharge system using a combination of a photovoltaic DC/DC simulator and photovoltaic PCS using a battery to be used as a power converter for battery discharge without program modification of a low-cost photovoltaic inverter. In addition, propose an optimal solar characteristic curve for the stable operation of PCS. The validity of the proposed system was verified using a 500[W] class solar DC/DC simulator and a solar PCS prototype.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Photovoltaic Module Equivalent Circuit
그림 Fig. 2 Photovoltaic Module Characteristic Curve
그림 Fig. 3 PV-PCS System
그림 Fig. 4 PV-PCS Simulator
그림 Fig. 5 Simulator Characteristic Curve with a Constant Current Reduction Rate
그림 Fig. 6 Current Characteristics of the Simulator according to the Change of Short Circuit Current
그림 Fig. 7 Power Characteristics of the Simulator according to the Change of Short Circuit Current
그림 Fig. 8 Simulator Characteristic Curve with a Constant Power Reduction Rate
그림 Fig. 9 Current Characteristics of the Simulator according to the Change of Maximum Power
그림 Fig. 10 Power Characteristics of the Simulator according to the Change of Maximum Power
그림 Fig. 11 Simulator Characteristics with Monotone Decreasing Current
그림 Fig. 12 Simulator Characteristics with Monotone Decreasing Power
그림 Fig. 13 Experimental Result Waveform with Monotone Decreasing Current
그림 Fig. 14 Experimental Result Waveform with Monotone Decreasing Power

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 방전 시험 시 배터리에 축적된 에너지를 저항 부하를 통해 열로 소모하는 시스템을 구축하고 있어, 생산업체에서는 배터리 충전 시 발생하는 전기 요금이 많은 부담으로 적용되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 태양광 DC/DC 시뮬레이터와 태양광 PCS를 이용한 새로운 배터리 방전시스템을 제안한다.
본 논문에서는 저가형 태양광 연계형 인버터를 용도 변경 없이 배터리 방전용 전력변환기로 사용 하기 위하여, 태양광 DC/DC 시뮬레이터 및 태양 광 PCS의 조합에 의한 새로운 배터리 방전시스템을 제안한다. 또한, 제안하는 시스템에서 PCS의 안정적인 동작을 위하여 최적의 태양광 특성곡선을 제안한다.

제안 방법

이러한 동작 특성은, 그림 2의 태양광 전압(\(v\))-전류(\(i\)) 특성곡선과 같이, 최대 지점 영역에서 전력변화율이 높으므로 안정 적인 추정이 어려운 경우가 종종 발생한다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 태양광 시뮬레이터는,기존 PCS의 MPPT 알고리즘의 안정화를 고려한 시뮬레이터 특성 기법을 제안한다.
식 (8)에서 알 수 있듯이 태양광 시뮬레이터의 최대 전력은 태양광 모듈의 단락 전류와 개방 전압에 의해 결정되며, 최대 전력 동작 전압은 개방 전압의 절반이 된다. 따라서, 본 태양광 시뮬레이터는, 최대 전력이 되는 전압을 PCS의 정격전압이 되도록 설정하고, 단락 전류를 가변하여 배터리의 방전전력을 제어한다. 그림 6은 단락 전류를 가변할 경우 배터리의 방전 시뮬레이터의 전력 특성을 도식화하였다.
본 논문에서는 배터리를 생산하는 제조 업체에서 배터리의 충전된 에너지를 방전 시험을 진행할 경우, 열에너지로 낭비하지 않고 계통으로 전달하기 위해 고효율 방전시스템을 구축한다. 따라서, 저가형 태양광 연계형 인버터와 태양광 DC/DC 시뮬레이터를 결합한 새로운 방전시스템 구조를 제안하였다.
본 논문에서는 저가형 태양광 연계형 인버터를 용도 변경 없이 배터리 방전용 전력변환기로 사용 하기 위하여, 태양광 DC/DC 시뮬레이터 및 태양 광 PCS의 조합에 의한 새로운 배터리 방전시스템을 제안한다. 또한, 제안하는 시스템에서 PCS의 안정적인 동작을 위하여 최적의 태양광 특성곡선을 제안한다. 마지막으로, 제안된 시스템은 500 [W]급 태양광 DC/DC 시뮬레이터와 태양광 PCS 프로토타입을 적용하여 실험으로 그 타당성을 검증한다.
또한, 제안하는 시스템에서 PCS의 안정적인 동작을 위하여 최적의 태양광 특성곡선을 제안한다. 마지막으로, 제안된 시스템은 500 [W]급 태양광 DC/DC 시뮬레이터와 태양광 PCS 프로토타입을 적용하여 실험으로 그 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 배터리를 생산하는 제조 업체에서 배터리의 충전된 에너지를 방전 시험을 진행할 경우, 열에너지로 낭비하지 않고 계통으로 전달하기 위해 고효율 방전시스템을 구축한다. 따라서, 저가형 태양광 연계형 인버터와 태양광 DC/DC 시뮬레이터를 결합한 새로운 방전시스템 구조를 제안하였다.
그림 6, 7과 같은 태양광 특성곡선에서는 전력 추종 정도는 우수하나 정상 상태에서 전압변동이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 그림 8과 같이 일정 전력감소율을 갖는 시뮬레이터 특성을 제안한다.
제안하는 방전시스템은 태양광 PCS의 전용 프로그램과 하드웨어의 수정을 하지 않고 방전이 필요한 배터리에 적용하여, 태양광 DC/DC 시뮬레이터의 운전 특성에 따라 배터리를 방전할 경우 출력 전력을 제어할 수 있었다
제안하는 시뮬레이터 동작은 태양광 전압에 따른 삼각형 형태의 전력 특성을 유도하고, 그에 따 른 전류 특성을 제어한다.
]급 전력을 발생할 수 있도록 태양광 시뮬레이터를 설정한 경우의 결과 파형이다. 최대 전력 발생 시 전압변동은 없지만, 시뮬레이터의 전압 동작범위를 최소화하기 위해 최대 전력 동작 전압을 기준으로 전류 파형의 변곡점을 형성하여, 2개의 전류감소 기울기를 통해 일정한 전류감소율을 갖도록 제어하 였다.

성능/효과

또한, 태양광 PCS에 내장된 MPPT 추종 알고리즘의 안정성을 개선하기 위해, 태양광 시뮬레이터의 최대 전력 동작 전압에 따른 최적의 전류 특성곡선을 추출 할 수 있었다.

후속연구

그러나 태양광 연계형인 버터를 배터리 방전용 전력변환기로 적용할 경우 입력 전압의 사양 변경이 요구되며, 그로 인한 하드웨어와 프로그램 변경의 어려움으로 한계가 발생한다[3]. 따라서, 태양광 연계형 인버터를 별도의 하드웨어와 프로그램 수정 없이 배터리 방전용 전력변환기로 사용할 수 있다면 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.
따라서, 태양광 PCS의 전력 지령 값은 MPPT에 의 해결정됨으로 외부에서 설정할 수 없다[4]. 이때, 기존 태양광 PCS와 같이 외부에서 전력 지령 값을 설정할 수 있다면, ESS(Energy Storage System, ESS)와 같은 산업계의 다양한 계통 연계 형 시스템을 저가형으로 구성할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬 계열의 2차 전지의 특성은?	리튬 계열의 2차 전지는 우수한 경량화 및 알칼리계의 메모리 효과가 없을 뿐만 아니라, 에너지 밀도가 높아, 모바일 기기에서부터 전기자동차 및 ESS 시스템의 핵심으로 자리 잡고 있다[5]. 이러한 배터리는 생산 초기에 배터리 특성을 검증하기 위하여 충/방전 시험을 시행한다[6].
	단방향 AC/DC 컨버터의 단점을 개선하기 위한 방법은?	이처럼 방전 시 배터리에 충전된 전압을 열에너지로 소비함으로 불필요한 낭비가 발생한다. 이를 개선하기 위해 충/방전이 가능한 양방향 AC/DC 컨버터 시스템으로 교체되어야 하지만, 양 방향 AC/DC 컨버터 시스템에 적용되는 계통 연계형 인버터의 가격이 시중에 매우 높은 금액으로 책정되어있어 교체가 어려운 실정이다[1][2].
	태양광 연계형인 버터를 배터리 방전용 전력전환기로 사용할 경우 나타나는 문제점은?	현재 태양광 보급 사업이 활성화됨에 따라, 태양광 연계형 인버터의 생산량이 급속이 증대되어 가격이 급락하고 있다. 그러나 태양광 연계형인 버터를 배터리 방전용 전력변환기로 적용할 경우 입력 전압의 사양 변경이 요구되며, 그로 인한 하드웨어와 프로그램 변경의 어려움으로 한계가 발생한다[3]. 따라서, 태양광 연계형 인버터를 별도의 하드웨어와 프로그램 수정 없이 배터리 방전용 전력변환기로 사용할 수 있다면 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.

참고문헌 (8)

S. W. Luan, J. H. Teng, D. J. Lee, Y. Q. Huang and C. L. Sung, "Charging / Discharging Monitoring and Simulation Platform for Li-ion Batteries," TENCON 2011 - 2011 IEEE Region 10 Conference, Bali, 2011, pp. 868-872
P. S. Tomar, M. Srivastava and A. K. Verma, "An Improved Bidirectional DC/DC Converter with Split B attery C onfiguration f or E lectric Vehicle Battery Charging/Discharging," 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE), India, 2018, pp. 1-6.
H. Zhang, Y. Chen, D. H. Kim, S. J. Park and S. M. Park, "Bidirectional DC-DC Converter Based on Quasi-Sepic for Battery Charging System," Journal of The Korean Society of Industry Convergence 23(2), 2020.4, 139-147.

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R. H. Ashique, Z. Salam and J. Ahmed, "An adaptive P&O MPPT using a sectionalized piece-wise linear P-V curve," 2015 IEEE Conference on Energy Conversion (CENCON), Johor Bahru, 2015, pp. 474-479.
B. G. Kang, J. H. Na and H. J. Song, "Analysis of a Buck DC-DC Converter for Smart Electronic Applications," Journal of The Korean Society of Industry Convergence 22(3), 2019.6, 373-379.
J. W. Choi and W. G. Jang, "Development of Battery Management System using Multiple Microcontroller," Journal of The Korean Society of Industry Convergence 21(6), 2018.12, 329-335.
J. S. N a and G. C . Song, "A Study O n Th e Voltage transfer compensator for solving mismatch of oldage PV module string," Journal of The Korean Society of Industry Convergence 21(2), 2018.3, 71-78.
Sun-Pil Kim, Hyun-Swok Ko, Se-Min Kim, Seong-Mi Park and Sung-Jun Park, "The DC/DC Converter having the current source applying the new switching pattern," Journal of The Korean Society of Industry Convergence 20(4), 2017.9, 275-284.

저자의 다른 논문 :

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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