[논문]전기적 회로절체 알고리즘에 의한 태양광 어레이의 출력향상 방안에 관한 연구

김병목; 이후동; 태동현; 노대석

doi:10.5762/kais.2020.21.8.9

전기적 회로절체 알고리즘에 의한 태양광 어레이의 출력향상 방안에 관한 연구
A Study on Output Enhancement Method of PV Array Using Electrical Circuit Reconfiguration Algorithm 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.8, 2020년, pp.9 - 17

김병목 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 이후동 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 태동현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 노대석 (한국기술교육대학교 전기공학과)

초록
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전세계적으로 화석연료의 고갈위험과 환경오염에 대한 에너지의 부족 문제를 해결하기 위하여, 신재생에너지에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 우리나라에서도 2030년까지 신재생에너지의 비중을 전체 발전량의 20[%]인 63.8[GW]까지 확대하기 위하여 정책 및 제도가 추진되고 있다. 하지만, 태양의 위치 변화에 따라 주변 고층 건물 및 나무 등에 의하여 태양광 어레이에 음영이 발생하면, 해당 어레이의 출력 손실을 초래할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 음영으로 인한 출력 손실을 개선하기 위하여, 음영이 발생하지 않은 영역의 태양광모듈을 와이어와 스위치에 의해 전기적으로 회로 구성을 변경하는 태양광 어레이의 출력향상 알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 태양광 어레이, 와이어 및 절체스위치, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 태양광전원의 운용 특성을 분석한 결과, 음영이 50%가 발생하면 기존에 방식에서는 출력이 발생하지 않지만 제안한 방식에서는 음영이 발생한 어레이와 발생하지 않은 어레이를 분리시켜, 전압을 246[V]로 회복시키고 지속적으로 출력을 유지할 수 있어, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, RES (renewable energy source) projects have been spreading all over the world as an alternative to solve the shortage of energy and environmental problems caused by fossil fuel consumption. The Korean government also supported the policy and demonstration project to increase the proportion of renewable energy to 63.8[GW] until 2030, which is 20[%] of the total power generation. On the other hand, output loss of a PV array can occur when the surrounding high-rise buildings and trees shade a PV array. Therefore, this paper proposes an algorithm to improve the output loss of a PV array, which electrically changes a circuit configuration of PV modules by wiring and switching devices. Furthermore, this study modeled a PV system based on PSIM S/W, which was composed of a PV array, a circuit configuration device, and a grid-connected inverter. From the simulations results with the modeling and test device, the existing method showed no output when 50% of the shade occurs in PV modules. In contrast, the proposed method could produce the output because the voltage in the PV module could be restored to 246[V], and the operation efficiency of the PV system could be improved by the operation algorithm of the circuit configuration device.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Mismatch characteristics of series-connected in PV modules
그림 Fig. 2. Parallel connected of series-connected PV modules
그림 Fig. 3. Configuration of PV arrays
그림 Fig. 4. Modeling of PV module
그림 Fig. 5. Modeling of 4kW PV array
그림 Fig. 6. Modeling of circuit configuration device
그림 Fig. 7. Modeling of 3-phase grid-connected inverter
그림 Fig. 8. Modeling of entire system
그림 Fig. 9. Modeling of optimal configuration device in PV system
그림 Fig. 10. Modeling of optimal configuration device in PV system using Labview S/W
그림 Fig. 11. Shadow condition from left to right module
그림 Fig. 12. Shadow condition in random way
표 Table 1. Specifications of a PV module
표 Table 2. Specifications of PV Inverter
그림 Fig. 13. Characteristics of voltage and power of PV array
그림 Fig. 14. Characteristics of voltage and power of PV array
표 Table 3. Characteristics of voltage and power of PV array
표 Table 4. Characteristics of voltage and power of PV array
그림 Fig. 15. Characteristics of voltage and power of PV array
그림 Fig. 16. Characteristics of voltage and power of PV array
표 Table 5. Characteristics of voltage and power of PV array
표 Table 6. Characteristics of voltage and power of PV array
표 Table 7. Characteristics of voltage and power of PV array with test device

AI 본문요약
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문제 정의

음영이 없는 정상상태에서, 부분음영이 어레이 전체 면적의 약 50[%] 이상 발생하면, 어레이를 구성하는 스트링 전압의 감소로 인하여 인버터가 동작을 정지하여 전체 출력이 0으로 되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 음영이 발생할 경우, 와이어와 스위치를 이용하여 음영이 발생하지 않은 영역의 태양광 모듈이 서로 연결되도록 회로 구성을 변경하는 태양광 어레이의 출력향상 알고리즘을 제시한다. 즉, 음영에 의한 태양광 어레이의 출력 손실을 최소화하여 전체시스템의 출력을 향상시키는 알고리즘은 다음과 같다.
이러한 환경으로 음영이 고정적으로 어레이에 발생하게 되면, 발전 가능한 시간이 적은 태양광 어레이는 큰 출력 손실을 갖게 된다[6]. 따라서, 본 논문에서는 음영으로 인한 출력 손실을 방지하여 출력 효율을 향상시키기 위하여, 회로 변경 스위치와 와이어를 이용하여 음영이 발생하지 않은 영역의 태양광모듈을 서로 연결시키는 태양광 어레이의 출력향상 알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 태양광 어레이, 와이어 및 절체스위치, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 모델링을 제시한다.

제안 방법

[Step 1] 태양광 어레이가 설치된 주변 환경(건물, 나무 등) 및 계절에 따라, 태양광 어레이에 발생하는 음영의 면적과 음영이 발생하는 시간대를 분석한다.
따라서, 본 논문에서는 음영으로 인한 출력 손실을 방지하여 출력 효율을 향상시키기 위하여, 회로 변경 스위치와 와이어를 이용하여 음영이 발생하지 않은 영역의 태양광모듈을 서로 연결시키는 태양광 어레이의 출력향상 알고리즘을 제안한다. 또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 태양광 어레이, 와이어 및 절체스위치, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 태양광전원의 운용 특성을 분석한 결과, 음영이 발생한 어레이와 발생하지 않은 어레이를 분리시켜, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 음영으로 인해 감소된 스트링의 전압을 전기적 회로구성에 의한 태양광 어레이의 출력향상방식을 제안하고, PSIM S/W와 시험장치를 이용하여 기존 태양광전원의 운전방식과 제안한 태양광전원 운영방식을 비교 분석하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

(1) 기존 태양광전원의 운영방식에서는 음영이 스트링 면적의 50%가 발생하면 스트링의 전압은 인버터의 최소 동작전압 범위 130[V]를 벗어나, 해당 스트링은 인버터로부터 탈락되어 해당 출력은 0[W]로 감s소함을 PSIM S/W를 이용하여 확인하였다. 따라서 음영으로 인하여 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있었다.
(2) 제안한 태양광전원 운영방식을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 음영이 해당 스트링 면적의 50%가 발생하면, 초기에 스트링 전압 및 출력은 순간적으로 감소되지만, 절체 스위치로 인하여 스트링의 전압은 246[V]로 회복되고, 출력은 2000[W]가 됨을 PSIM S/W를 이용하여 확인하였다. 또한 모듈에 음영이 5까지 발생하여도 인버터 동작범위 안으로 유지되어 태양광 발전이 가능하다.
(3) 전기적 회로구성에 의한 태양광 어레이의 출력향상 시험 장치를 이용하여 PSIM S/W와 동일한 조건으로 시험을 해본 결과 시뮬레이션 결과와 동일함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 태양광전원 운영방식을 이용한다면 지속적으로 출력을 유지하여 태양광전원의 운용효율을 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
또한 모듈에 음영이 5까지 발생하여도 인버터 동작범위 안으로 유지되어 태양광 발전이 가능하다. 따라서 기존의 운영방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있었다.
(3) 전기적 회로구성에 의한 태양광 어레이의 출력향상 시험 장치를 이용하여 PSIM S/W와 동일한 조건으로 시험을 해본 결과 시뮬레이션 결과와 동일함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 태양광전원 운영방식을 이용한다면 지속적으로 출력을 유지하여 태양광전원의 운용효율을 상당히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
(1) 기존 태양광전원의 운영방식에서는 음영이 스트링 면적의 50%가 발생하면 스트링의 전압은 인버터의 최소 동작전압 범위 130[V]를 벗어나, 해당 스트링은 인버터로부터 탈락되어 해당 출력은 0[W]로 감s소함을 PSIM S/W를 이용하여 확인하였다. 따라서 음영으로 인하여 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있었다.
여기서, 기존의 운용방식에서는 4개 이상의 모둘에 음영이 발생하는 경우, 인버터의 최소 동작범위를 벗어나 인버터가 정지하는 문제점이 발생하지만, 제안한 운용방식에서는 4개 이상의 모듈에 음영이 발생하여도 회로변경에 의하여 인버터가 정상적으로 동작함 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제안한 방식은 더 많은 모듈에 음영이 발생하여도 정상적인 인버터의 운전이 가능하여, 태양광 전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
기존의 운용방식과 제안한 운용방식에 의한 태양광발전의 운용효율 특성을 비교하기 위하여, 음영이 발생된 모듈의 개수를 파라메타로 하여, 태양광발전의 출력특성을 나타내면 Table 7과 같다. 여기서, 기존의 운용방식에서는 4개 이상의 모둘에 음영이 발생하는 경우, 인버터의 최소 동작범위를 벗어나 인버터가 정지하는 문제점이 발생하지만, 제안한 운용방식에서는 4개 이상의 모듈에 음영이 발생하여도 회로변경에 의하여 인버터가 정상적으로 동작함 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제안한 방식은 더 많은 모듈에 음영이 발생하여도 정상적인 인버터의 운전이 가능하여, 태양광 전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 전력전자 회로해석 상용 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여, 태양광 어레이, 와이어 및 절체스위치, 계통연계형 인버터로 구성된 태양광전원의 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로 태양광전원의 운용 특성을 분석한 결과, 음영이 발생한 어레이와 발생하지 않은 어레이를 분리시켜, 태양광전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
15(a)는 태양광 모듈 좌측에서 우측으로 1개씩 3개의 모듈까지 음영을 발생시킨 경우, 태양광 어레이의 전압은 246[V]에서 216[V], 185[V], 154[V]까지 감소되고, 4개의 모듈까지 음영을 발생시키면 절체스위치가 동작하여 태양광 모듈이 246[V]로 회복되어, 인버터의 운전이 가능함을 알 수 있다. 즉 기존에 운영방식에서는 인버터의 탈락전압인 130[V] 이하까지 감소되어 인버터가 정지되지만, 본 연구에서 제안한 방식은 인버터의 운전이 지속되어, 태양광 전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, Fig.
16(a)는 태양광 모듈에 임의로 음영을 발생시킨 경우, 태양광 어레이의 전압이 246[V]에서 216[V], 185[V], 154[V]까지 감소되고, 4개의 모듈까지 음영을 발생시키면, 절체스위치가 동작하여 태양광 어레이가 246[V]로 회복되어, 인버터의 운전이 가능함을 알 수 있다. 즉, 기존의 운영방식에서는 인버터의 탈락전압인 130[V] 이하까지 감소되어 인버터가 정지되지만, 본 연구에서 제안한 방식은 인버터의 운전이 지속되어, 태양광 전원의 운용효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광전원의 성능을 좌우하는 요소는 무엇이 있는가?	따라서 태양광전원의 운용효율을 향상하기 위한 다양한 운용기술 개발이 요구되고 있는 실정이다. 한편, 태양광전원은 필요한 발전량을 얻기 위해 태양광모듈을 직병렬로 조합하여 전체 시스템을 구성하는데, 일사량 및 온도에 따라 성능이 크게 좌우된다. 일부 태양광전원은 주변 환경을 고려하지 않고 설치되어, 건물 또는 나무 등으로 인한 음영과 같은 특수한 상황에 의해, 출력 전력의 손실이 발생한다.
	신재생에너지에 관한 연구가 활발하게 진행되는 이유는 무엇인가?	전세계적으로 화석연료의 고갈위험과 환경오염에 대한 에너지의 부족 문제를 해결하기 위하여, 신재생에너지에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 우리나라에서도 2030년까지 신재생에너지의 비중을 전체 발전량의 20[%]인 63.
	태양광 모듈을 직병렬로 조합하여 어레이를 구성했을 때 생길 수 있는 문제는 무엇인가?	태양광전원은 필요한 전력을 생산하기 위하여 태양광 모듈을 직·병렬로 조합하여 어레이를 구성한다. 이러한 어레이 구성으로 인하여 태양광 전원은 운용 중에 어느 한 모듈에 이상이 생길 경우, 전압 및 전류의 불균형이 발생하여, 전체시스템의 전력을 감소시킬 수 있다. 이를 부정합 손실(Mismatch losses)이라 하며 태양광모듈의 동작점, 회로배치, 태양전지 간 다른 특성변수 등에 의해 기인한다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Jeong Ku-In, Kwon Jung-Min, "Parallel operating technique for the stand alone PV PCS", The Transaction of The Korean Solar Energy Society 35(6), pp. 9-15, 2015.12. DOI: https://doi.org/10.7836/kses.2015.35.6.009

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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