[논문]가정용 리튬배터리 ESS를 고려한 태양광 발전 하이브리드 PCS 특성에 관한 연구

황락훈; 나승권; 최병상

doi:10.12673//jant.2022.26.1.35

가정용 리튬배터리 ESS를 고려한 태양광 발전 하이브리드 PCS 특성에 관한 연구
A Study on Characteristic of Hybrid PCS for Solar Power Generation Considering on a Residential Lithium Battery ESS. 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.1, 2022년, pp.35 - 45

황락훈 (세명대학교 전기공학과) , 나승권 (한국폴리텍대학 원주캠퍼스 전기제어학과) , 최병상 (한국폴리텍대학 원주캠퍼스 의료공학과)

초록
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본 논문에서는 PV 시스템에서 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 확인하고자 한다. 이를 위해 이중층 커패시터(EDLC:Electric double-layer capacitors )를 사용한 순간전압강하 보상장치가 개발되어 적용되고 있다. 따라서 태양광 발전의 ESS(Energy Storage System)를 고려한 PCS(Power Conditioning System)를 제안하여 부하평준화를 통한 전력의 안정적인 공급을 확인한다. 본 논문에서는 순간전압강하 보상장치(DVR :Dynamic Voltage Restorer)에 사용되는 전기 이중층 커패시터에 비해 동일 사이즈 대비 에너지 밀도가 높은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)를 적용하는 연구를 하였고, 단상 3[kW] 계통 연계형 태양광 전력변환기를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we modeled the devices used easily in PV system circuits. In addition, for full operation of the photovoltaic system, a complete operation system for the DC-DC buck-boost converter and the MPPT control system was modeled and simulated to confirm good operation. we were constructed an actual system with the same conditions in the simulation and experimented. The purpose is to confirm the stable power supply through the load leveling by presenting the PCS considering ESS of photovoltaic power generation. we will do study to apply hybrid capacitors that have high energy density to the same size compared to the EDLC to DVR. As a result, we proposed a single-phase 3 kW grid-connected solar power converter.

주제어

표/그림 (27)

그림 그림 1. PCS 전력변환 시스템 도 Fig. 1. PCS power conversion system diagram
그림 그림 2. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로 Fig. 2. PSPICE equivalent of PV module.
그림 그림 4. 부하를 가진 PV전지와 등가회로 Fig. 4. PV cell with a load and its simple equivalent circuit
그림 그림 5. 단락회로와 개방회로 Fig. 5. Short circuit and open circuit
그림 그림 3. 배터리의 전류 및 전압 시뮬레이션 파형 Fig. 3. Simulation of current and voltage waveform by battery
그림 그림 6. 태양전지 모델 Fig. 6. PV cell model
그림 그림 7. 태양전지의 등가회로 Fig. 7. Equivalent circuit of PV
그림 그림 8. 태양전지 모듈의 PSPICE 등가회로 Fig. 8. PV module PSPICE equivalent circuit
그림 그림 9. 전력변환기의 구성도 Fig. 9. Construction power converter
그림 그림 10. 전압형 컨버터의 교류 측 벡터도 Fig. 10. The AC side vector of the voltage-type converter
그림 그림 11. 전압형 컨버터의 벡터도 Fig. 11. Vector diagram of voltage converter
그림 그림 12 PCS 구성도 Fig. 12 PCS configuration Diagram
그림 그림 13. 전압형 컨버터의 등가회로 Fig.13 Equivalent circuit of voltage type converter
그림 그림 14. 양방향 DC-DC 컨버터의 배터리 충·방전 알고리즘 Fig. 14 Battery charge/discharge algorithm of a bidirectional DC-DC converter
그림 그림 15 PCS의 양방향 컨버터 및 DC-AC 인버터 제어 블록도 Fig. 15 Bidirectional converter and DC-AC inverter control block diagram of PCS
그림 그림 16. PWM 컨버터 추종제어시스템 Fig. 16 PWM converter tracking control system
그림 그림 17. PWM 출력 파형 생성 Fig. 17 PWM output waveform generation
그림 그림 18. 전력변환 시스템 블록도 Fig. 18 Block diagram of power transfer system
그림 그림 19. DC-DC 벅 부스트 컨버터 시뮬레이션 회로 Fig. 19 Simulation circuit of DC-DC buck boost converter
표 표 1. 시뮬레이션 모듈의 기능 Table 1. Features of simulation module
그림 그림 20 3[kW] 충·방전 시뮬레이션 결과 파형 Fig. 20 3[kW] charge · discharge simulation result waveform
그림 그림 21. PV 시스템의 시뮬레이션 파형 Fig. 21 Simulation waveform of PV system
그림 그림 22. 전력변환기 시험 장치의 구성 Fig. 22 Configuration of electric power converter test equipment
그림 그림 23. 전력변환기 출력 특성 시험 Fig. 23 Power converter output characteristic test
그림 그림 24. 변조파형 시험 결과 Fig. 24 Modulation waveform of test result
그림 그림 25 배터리 전력 1[kW] 시, 충·방전 전류에 따른 계통전류 실험 결과 파형 Fig. 25 Experimental result waveform of gird current according to charge · discharge current at battery power 1[kW]
그림 그림 26 3[kW] 충·방전 실험 결과 파형 Fig. 26 3[kW] charge and discharge experimental result waveform

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 문제점들을 고려하여 전압 변동율이 심하거나 전원 불 평형 시에도 안정적으로 동작이 가능하며 고효율과 단위역률로 제어가 가능한 시스템을 제안하고자 하며, 복잡한 태양광발전장치의 전원 공급 과정을 최소화 하고자 전력변환기와 접속반을 일체화하여 원가 절감 및 효율 향상을 하고자 한다. 따라서 이러한 문제점을 원칙적으로 해결하고자 원가 경쟁력 확보를 위하여 전력변환기의 제어기를 프로그래밍을 통한 제어 기술을 적용하여 주간에 배터리 에너지를 태양광 발전전력과 함께 계통으로 공급함으로써 전력 공급의 유연성을 확보하게 해준다.

제안 방법

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, 출력 측 기준전압은 절연 증폭기를 이용하여 검출하였으며 DC 310[V]로 일정하게 유지하도록 하였다.
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. EDLC 보다 하이브리드 커패시터가 소형, 경량화에 적용 될 수 있을 것으로 기대한다.
EDLC 보다 하이브리드 커패시터가 소형, 경량화에 적용 될 수 있을 것으로 기대한다. 또한, DC-모듈형 태양광발전시스템을 제안하였으며 제안된 시스템의 검증을 위해 3[kW]급 PCS를 제작하여 실험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

성능/효과

(1) 제안된 5단계의 동작 모드 알고리즘을 적용한 PCS시스템이 일사량과 부하의 전력요구량 및 배터리의 충전상태에 따라 충/방전 모드 동작 제어함으로써 부하평준화 동작이 가능하였다.
(2) 제안된 제어시스템을 통해 태양전지 출력의 MPPT 제어가 가능하였고, 전압형 인버터의 출력전압이 입력전압과 부하변화에 관계없이 일정전압으로 유지되었다.
그림 21은 실제 제어기를 구동하여 나타난 출력 파형이다. PV시스템의 출력은 다양한 데이터 처리 및 저장을 위해 LabView를 이용하여 PC상에 구현한 오실로스코프 파형으로 시뮬레이션 결과와 같이 약 50[ms]정도의 과도시간 후에 정상적인 최대 출력을 나타내는 양호한 실험 결과를 얻을 수 있었으며 시뮬레이션이 정확하게 수행된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 PSPICE 라이브러리를 이용한 시뮬레이션을 새로운 시스템 개발 및 성능 평가에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 높일 수 있었다.
PV시스템의 출력은 다양한 데이터 처리 및 저장을 위해 LabView를 이용하여 PC상에 구현한 오실로스코프 파형으로 시뮬레이션 결과와 같이 약 50[ms]정도의 과도시간 후에 정상적인 최대 출력을 나타내는 양호한 실험 결과를 얻을 수 있었으며 시뮬레이션이 정확하게 수행된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 PSPICE 라이브러리를 이용한 시뮬레이션을 새로운 시스템 개발 및 성능 평가에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 높일 수 있었다.
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

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. EDLC 보다 하이브리드 커패시터가 소형, 경량화에 적용 될 수 있을 것으로 기대한다. 또한, DC-모듈형 태양광발전시스템을 제안하였으며 제안된 시스템의 검증을 위해 3[kW]급 PCS를 제작하여 실험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

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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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