[논문]실제 날씨 환경에서 퍼지로직과 P&O 제어방식의 MPPT 동작 성능 분석

엄현상; 양혜지; 안현준; 권용성

doi:10.5762/kais.2020.21.10.291

실제 날씨 환경에서 퍼지로직과 P&O 제어방식의 MPPT 동작 성능 분석
Performance Analysis of MPPT Techniques Based on Fuzzy Logic and P&O Algorithm in Actual Weather Environment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.10, 2020년, pp.291 - 298

엄현상 (한동대학교 기계제어공학부) , 양혜지 (한동대학교 기계제어공학부) , 안현준 (한동대학교 기계제어공학부) , 권용성 (한동대학교 기계제어공학부)

초록
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태양광(PV, Photovoltaic) 시스템의 발전량은 일사량 및 기온 등 날씨 변수에 따라 변동한다. 특히 일사량 변화에 민감하게 반응하는 PV 시스템의 출력 특성은 최대 전력 점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 변화하는 기상 환경에서도 효율적이며 안정적으로 최대 전력을 생산할 수 있다. 본 논문에서는 PV 시스템의 전력생산 효율 개선과 안정성을 높이기 위해 퍼지 로직 기반의 MPPT 제어 방법을 제안한다. 제안한 방법의 성능 검증을 위해, 동일 기상 조건하에서 기존의 대표적인 MPPT 제어방식인 P&O(Perturb and Observe)와 새로 제안한 퍼지 로직의 효율과 안정성을 실증적으로 비교 및 평가한다. 더욱이 하드웨어의 안정도 및 신뢰도 향상을 위해 설계한 회로를 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)으로 제작하여 실험을 진행했다. 특정 기간동안 prototype으로 진행한 실험 결과를 통해, 본 논문에서 제안한 퍼지 로직 기반의 MPPT가 기존의 P&O MPPT 대비 4.4% 이상의 효율 개선과, 최대 전력 점에서 변동 폭의 39.7% 이상 감소가 확인된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The power generation of a PV system changes according to the weather variables, such as solar radiation and temperature. In particular, the output characteristics of photovoltaic systems, which are sensitive to changes in solar radiation, can be produced effectively and reliably in various weather conditions through MPPT (Maximum Power Point Tracking) control. This paper proposes a fuzzy-based MPPT control method to improve the efficiency and stability of the power production from a solar system. To verify the performance of the proposed method, under the same weather environment, the efficiency and stability of the newly proposed fuzzy logic were compared and evaluated empirically with P&O (Perturb and Observe), a representative algorithm of MPPT control. Furthermore, the circuits designed to improve the reliability and reliability of the hardware were manufactured from Printed Circuit Boards (PCB) to conduct experiments. Based on the results of the experiment during a certain period, the fuzzy-based MPPT proposed in this paper improved the efficiency by more than 4.4% compared to the MPPT based on the existing P&O algorithm and decreased the fluctuation width by more than 39.7% at the maximum power point.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Current state of solar energy market in Korea [8].
표 Table 1. HR-SP10B Parameter(Criterion: 1000W/m²)
그림 Fig. 2. V-I Characteristic Curve with constant Load line. From the line at the top, it shows the V-I characteristic curve for various irradiation as it decreases. The black line represent experimental data of current and respective voltage from fixed resistor (35Ω ).
그림 Fig. 3. V-P Characteristic Curve with constant Load line. The lines represents the possible power output for different voltages and irradiation.
그림 Fig. 4. PV System Block Diagram
그림 Fig. 5. Boost Converter Circuit Diagram
그림 Fig. 6 PCB Connected with MCU and Load Resister
그림 Fig. 7. P&O Flow Chart
그림 Fig. 8. P&O Voltage-Current experiment data
그림 Fig. 9. P&O Duty Cycle-Resistor experiment data
그림 Fig. 10. Fuzzy logic flow-chart
그림 Fig. 11. Membership function of E, CE, D
표 Table 2. Rules Table of Fuzzy Logic
그림 Fig. 12. FUZZY V-I experiment data
그림 Fig. 13. P&O Duty cycle - Resistor
그림 Fig. 14. V-I Comparison data. The blue points represent P&O Data where there are great oscillation. The red points represents Fuzzy Data that has comparably less oscillation.
표 Table 3. PV Panel Output Voltage Standard Deviation
그림 Fig. 15. P&O V-P Experiment data. Black line represents the RAW Data. Red line represents the Data collected by applying P&O method. Blue line shows the Data collected by applying FUZZY MPPT.
표 Table 4. Relative Power Efficiency of May 13, 2020
표 Table 5. PV Panel Output Voltage Average Standard Deviation from May 13, 2020 to May 19, 2020
표 Table 6. Relative Power Efficiency from May 13, 2020 to May 19, 2020

AI 본문요약
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문제 정의

P&O는 다른 MPPT 방식보다 제어구조가 간단하고 비교적 구현이 쉽다는 장점이 있으나, 변화하는 날씨에 따라 PV 패널로부터 발생 되는 전압과 전류간의 비선형적 특성으로 인해, 최대전력점(MPP, Maximum Power Point)으로의 추적속도가 느리고 MPP 부근의 동작점에서 변동하는 단점들이 있다. 본 논문에서는 PV 패널의 비선형 요소로 인한 단점들을 개선하기 위해 설계자가 정한 규칙에 따라 제어되는 퍼지로직 기반의 MPPT를 제안한다.
본 논문은 PV 패널의 출력 전력 최대화를 위한 MPPT 제어기법 중 보편적으로 사용되고 있는 P&O 기법과 제안한 퍼지 로직의 성능을 비교한다. Pads Logic 프로그램을 사용하여 설계 조건을 충족하는 부스트 컨버터와 MCU, 센서 연결 회로를 PCB 기판에 제작했다.
기존 논문에서는 시뮬레이션 기반의 비교 및 평가로 인해 실제 날씨 상황들(일사량, 온도, 습도 등) 및 하드웨어 구현 동작 시 발생하는 오차를 고려하기 힘들다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 본 논문에서는 실제 동일 날씨조건에서 퍼지로직과 P&O 기반의 MPPT 동작 성능을 비교·분석하여, 퍼지로직의 우수성을 출력효율과 안정성 관점에서 실증적으로 검증한다. 실험 결과 퍼지로직 기반의 MPPT가 P&O 알고리즘 기반의 MPPT 대비 2% 이상 출력효율이 높았고, 최대 전력 점에서 변동의 폭의 10% 이상 감소가 확인된다.

가설 설정

Fig. 9와 같이 낮은 일사량 범위(I_PV 200mA이하)에서의 동작점들의 출력효율에 미치는 영향이 미미하기 때문에, 본 논문에서는 I_PV가 200mA 이상의 값을 나타내는 동작점들만 고려하기로 한다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 퍼지 로직 기반 MPPT의 성능을 검증하기 위해, 다른 두 비교 대상에 동일한 PV 패널(Haeon Solar Module HR-SP10B)을 사용했으며 PV 패널 특성은 아래 Table 1과 같다. 3개의 PV 패널을 같은 환경 조건에서 실험하기 위하여 동일장소(한동대학교 캠퍼스내)에 설치했다.

성능/효과

상대 효율은 Eq. (6)을 이용하여 구했으며 상대 효율의 평균은 P&O 기법이 24.75%, 퍼지 로직 기법이 29.15%로 P&O 기법 대비 퍼지 로직이 4.4% 더 높다.
Fig. 8의 P&O MPPT 결과와 비교할 때 퍼지로직 MPP 동작점의 변화 폭이 확연하게 감소함을 확인할 수 있다.
5로 실험을 진행하며, 퍼지 로직의 입력 변수로는 E, CE가 사용된다. P&O 기반 MPPT 제어 시, MPPT가 적용되지 않은 PV 패널의 발전량에 비해 특정 기간(2020년 5월 13일 ~ 2020년 5월 29일)의 데이터 기준으로 24.75% 높고, 동작점에서 변동이 많이 발생하는 것을 실험으로 확인된다. 반면, 퍼지 로직 기반 MPPT 제어 시, PV 패널의 발전량은 P&O 기법으로 제어된 PV 패널의 발전량보다 4.
13은 퍼지 로직 기법으로 MPPT 제어된 PV 패널의 D에 따른 R_PV 값을 나타낸다. P&O 기법과 동일하게 D와 R_Load가 반비례 관계를 나타내지만, 퍼지 로직 기법이 적용된 MPPT 동작 결과는 하나의 곡선(D와 R_Load값의 일대일 매칭)으로 MPP 추적이 안정적인 것을 볼 수 있다.
75% 높고, 동작점에서 변동이 많이 발생하는 것을 실험으로 확인된다. 반면, 퍼지 로직 기반 MPPT 제어 시, PV 패널의 발전량은 P&O 기법으로 제어된 PV 패널의 발전량보다 4.4% 높고 변동 폭은 39.7% 감소한다. 효율과 안정성 측면에서 퍼지 로직 기법이 더욱 좋은 성능임을 검증했다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 본 논문에서는 실제 동일 날씨조건에서 퍼지로직과 P&O 기반의 MPPT 동작 성능을 비교·분석하여, 퍼지로직의 우수성을 출력효율과 안정성 관점에서 실증적으로 검증한다. 실험 결과 퍼지로직 기반의 MPPT가 P&O 알고리즘 기반의 MPPT 대비 2% 이상 출력효율이 높았고, 최대 전력 점에서 변동의 폭의 10% 이상 감소가 확인된다. 본 논문에서 제안한 prototype의 결과를 바탕으로 실제 태양광 시스템에 적용할 때, MPPT 운영 효율성 및 신뢰성 개선이 기대된다.
7% 감소한다. 효율과 안정성 측면에서 퍼지 로직 기법이 더욱 좋은 성능임을 검증했다.

후속연구

실험 결과 퍼지로직 기반의 MPPT가 P&O 알고리즘 기반의 MPPT 대비 2% 이상 출력효율이 높았고, 최대 전력 점에서 변동의 폭의 10% 이상 감소가 확인된다. 본 논문에서 제안한 prototype의 결과를 바탕으로 실제 태양광 시스템에 적용할 때, MPPT 운영 효율성 및 신뢰성 개선이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PV 발전시스템의 문제점은 무엇인가?	1과 같이 매년 꾸준한 성장세를 보인다[6]. 하지만 PV 발전시스템은 날씨에 따른 출력 변동, 초기 설치 단계에서 고비용 및 넓은 면적 확보 등 환경적 의존성이 강하며 상용화된 PV 패널의 출력효율은 최대 20%를 넘지 못한다[7]. 따라서 제한된 환경 내에서 PV 발전시스템의 효과적인 운영을 위해서는 고효율의 MPPT 제어기법이 요구된다.
	태양광(PV, Photovoltaic) 시스템의 발전량에 영향을 주는 변수는 무엇인가?	태양광(PV, Photovoltaic) 시스템의 발전량은 일사량 및 기온 등 날씨 변수에 따라 변동한다. 특히 일사량 변화에 민감하게 반응하는 PV 시스템의 출력 특성은 최대 전력 점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 변화하는 기상 환경에서도 효율적이며 안정적으로 최대 전력을 생산할 수 있다.
	P&O 방식의 장단점은 무엇인가?	현재까지 진행되어 온 많은 MPPT 연구 중, 대표적인 제어기법인 P&O 방식은 특정 시점 n에서의 전력 값과 이전 시점인 n-1에서의 전력 값을 비교해 동작점을 이동시킨다. P&O는 다른 MPPT 방식보다 제어구조가 간단하고 비교적 구현이 쉽다는 장점이 있으나, 변화하는 날씨에 따라 PV 패널로부터 발생 되는 전압과 전류간의 비선형적 특성으로 인해, 최대전력점(MPP, Maximum Power Point)으로의 추적속도가 느리고 MPP 부근의 동작점에서 변동하는 단점들이 있다. 본 논문에서는 PV 패널의 비선형 요소로 인한 단점들을 개선하기 위해 설계자가 정한 규칙에 따라 제어되는 퍼지로직 기반의 MPPT를 제안한다.

참고문헌 (8)

Enerdata, "Global Energy Statistical Yearbook 2020 - World," 2020. [Online]. Available: https://yearbook.enerdata.net/electricity/electricity-domestic-consumption-data.html (accessed Jun. 15, 2020)
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N. I. Kim, K. H. Kim, H. C. Sin, S. Won, Analysis on the impact of electricity market on the measures to reduce emissions of fine dust in the power generation sector, Korea Energy Economic Institute, Korea, pp.25
Y. B. Kim, "Analysis of greenhouse gas emission factors in Korea's energy according to the influence of nuclear power and renewable energy", Korean Energy Economic Review, Vol. 16, No. 1, pp.119-162, Mar. 2107. DOI: http://dx.doi.org/10.22794/keer.2017.16.1.005
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M. C. Kim, S. Y. Ham, D. Cheng, T. A. Wynn, H. S. J, "Adavanced Characterization Techniques for Overcoming Challenges of Perovskite Solar Cell Materials", Advanced Science News, pp.1-26, Jul. 2020. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/aen.m.202001753
S. H. Kang, Solar Energy Industry Report of 2019, Electrical Power of Renewable Energy Report, Export Import Bank of Korea Overseas Economic Research Institute, Korea, pp.18.

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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