[논문]태양광발전 시스템의 다중출력제어를 위한 DC-DC 컨버터 설계

이우희; 이미영; 이준하; 이흥주

태양광발전 시스템의 다중출력제어를 위한 DC-DC 컨버터 설계
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이우희 (상명대학교 컴퓨터시스템공학과, 정보디스플레이연구소) , 이미영 (상명대학교 컴퓨터시스템공학과, 정보디스플레이연구소) , 이준하 (상명대학교 컴퓨터시스템공학과, 정보디스플레이연구소) , 이흥주 (상명대학교 컴퓨터시스템공학과, 정보디스플레이연구소)

독립형 태양광 발전시스템은 태양전지, 배터리, 충 방전 제어기, 컨버터, 부하로 나눌 수 있다. 태양광 발전은 비선형 전압전류 특성을 가지고 있기 때문에 발전효율을 최대한 높이기 위해 최대전력추종제어(MPPT)를 하게된다. 또한 부하가 여러 개일 경우에는 다양한 출력이 요구되는데, 이를 위해 강압 및 승압이 가능한 컨버터가 필요하게 된다. 그러나 다중부하에는 다수의 컨버터와 각각의 컨버터를 제어하기 위한 제어기가 필요하게 되므로 cost가 증가요인이 된다. 따라서 본 논문에서는 승 강압에 의한 다중출력을 갖는 병렬구조의 DC-DC컨버터를 제안하고자 한다. 제안된 컨버터는 입력전압을 승 강압하여 두 개의 출력전압을 갖는다. 강압동작은 일반적인 buck형 컨버터에 커패시터를 추가하여 구성하였고, 승압을 위해서는 리플율이 적은 Coupling inductor를 이용하고 커패시터를 추가하여 두 개의 컨버터를 병렬로 구성하였다. 컨버터의 병렬제어를 위해 제어기를 설계하고 이를 시뮬레이션 하였다.

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문제 정의

또한 독립형 태양광발전 시스템의 경우 부하에 다중출력이 요구되는 경우가 많은 데, 이를 해결하기 위한 대안으로 본 논문에서는 하나의 입력에 대해 두 개의 출력을 동시에 독립적으로 제어하는 컨버터회로를 제안하였다.

제안 방법

제안한 회로는 일반적으로 포워드 컨버터나 플라이백 컨버터에서 볼 수 있듯이 입력측과 출력측을 절연하였다. [7] 또한 입력측에 역전류를 방지하기위해 다이오드를 추가하고 전압리플을 최대한 줄이기 위해 커플링 인덕터를 고려하였다. 변압기 2차측 컨버터들은 buck 컨버터와 boost 컨버터의 입력단에 커패시터를 추가하여 구성하였다.
독립형 태양광발전 시스템의 다중부하요구에 따라 다중출력이 가능한 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터를 제어하기 위해 궤환루프를 갖는 제어시스템을 설계하고, PSCAD tool을 사용하여 모의실험 하였다.
중폭기는 저주파에서 높은 이득을 가져야 하고 고주파수에서는 낮은 이득을 가져야한다. 본 논문에서는 이러한 목적에 적합한 형식 2증폭기를 사용하였다 [4][5].
= 2:1:1로 구성하였다. 입력측 기생 저항 성분을 고려하고, 역전류 방지를 위해 역전류 방지 다이오드를 추가하였다. 그림 6은 1차측과 2차측 코일에 걸리는 전압을 모의실험한 결과이다.
가능한 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터를 제어하기 위해 궤환루프를 갖는 제어시스템을 설계하고, PSCAD tool을 사용하여 모의실험 하였다.
제안한 회로는 태양광발전 시스템에서 일반적으로 배터리 충전전압이나 전광판 출력으로 사용되는 12V와 LED 조명과 같은 저전압 대전류 특징을 갖는 5V출력을 하나의 병렬 컨버터가 내보내도록 설계하였다. 그림 1과 그림 2는 일반적인 buck 컨버터와 boost컨버터의 회로이고, 그림3은 본 논문에서 제안된 병렬컨버터 회로이다.

성능/효과

그림 7은 강압 동작에 의한 출력전압과 전류이고, 그림8은 리플 성분과 PWM파형을 나타낸 것이다. 강압동작 초기에 과도상태 이후에 정상상태에 도달하고, 리플성분은 0.02%이고, 평균 5.2V로 안정적인 전압이 출력됨을 알 수 있다.
그림 6은 1차측과 2차측 코일에 걸리는 전압을 모의실험한 결과이다. 실험결과 1차측에서는 초기 과도상태에서 오버슈트가 발생하지만, 2차즉에는 오버슈트가 현저히 줄어들어 입력측 리플이 줄어든 안정적인 전력을 공급해줌을 알 수 있다.
실험결과 28V입력에 대하여 인덕터를 통해 2차측에 출력으로 각각 5V, 12V의 안정적인 전압이 출력됨을 볼 수 있었다. 전류 리플은 강압동작에서는 0.
전류 리플은 강압동작에서는 0.02%, 승압 동작에서는 0.1%로 안정적인 직류가 출력됨을 확인하였다.
그림 1과 그림 2는 일반적인 buck 컨버터와 boost컨버터의 회로이고, 그림3은 본 논문에서 제안된 병렬컨버터 회로이다. 제안한 회로는 일반적으로 포워드 컨버터나 플라이백 컨버터에서 볼 수 있듯이 입력측과 출력측을 절연하였다. [7] 또한 입력측에 역전류를 방지하기위해 다이오드를 추가하고 전압리플을 최대한 줄이기 위해 커플링 인덕터를 고려하였다.

후속연구

향후 여러가지 제어방법을 더 고려하고, 제안한 컨버터를 독립형 태양광발전시스템에 적용한 실증연구를 통하여 다중출력을 요하는 태양광 응용제품에 전원 장치로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

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