[논문]일사량 급변에 따른 태양광시스템의 MPPT 알고리즘 비교 분석

김의종; 유병규; 정영석; 소정훈; 유권종; 차한주

일사량 급변에 따른 태양광시스템의 MPPT 알고리즘 비교 분석
Review of the maximum power point tracking algorithms under rapid irradiance variations for photovoltaic system 원문보기

김의종 (한국 에너지 기술 연구원) , 유병규 (한국 에너지 기술 연구원) , 정영석 (한국 에너지 기술 연구원) , 소정훈 (한국 에너지 기술 연구원) , 유권종 (한국 에너지 기술 연구원) , 차한주 (충남 대학교)

본 논문에서는 기존의 MPPT 기법인 Perturbation-and-Observation(이하 P&O)와 modified incremental conductance(이하 modified InCond)에 대해 Matlab과 PSIM의 인터페이스를 통해 일사량 급변시의 동작을 살펴본다. 기존의 논문에서는 각각의 일사량에 대해 효율 면에서 P&O가 InCond에 비해 높지만 일사량 급변시 과도상태에서는 InCond가 더 효율적으로 발표되었다. 이를 검토해 보기 위해 우선 실제 시판되는 태양전지 모듈에 대해 Matlab을 이용한 모델링을 실시함으로써 보다 정확한 값을 얻는다. 다음으로 PSIM을 이용하여 전력변환부와 제어기를 모델링하고 Matlab의 Simulink를 통해 인터페이스를 실시한다. 마지막으로 일사량 급변 시 과도상태와 급변 후에 MPPT 동작을 살펴본다.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

대표적으로 P&O 기법과 InCond 기법이 간단한 알고리즘과 구현의 용이성으로 가장 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 기존의 P&O기법과 InCond기법을 더욱 간략화 한 modified InCond기법에 대해 Matlab과 Psim의 인터페이스를 통해 일사량 급변시 동작을 살펴본다.

제안 방법

MPPT 제어 기법은 알고리즘이 간단하고 구현이 용이하여 가장 많이 쓰이고 있는 P&O와 modified InCond에 대해 일사량을 50%에서 25%, 50%에서 75%로 급변시켰을 때의 동작을 Matlab과 PSIM의 인터페이스를 통해 시뮬레이션을 실시한다.
병렬 저항은 충분히 크다고 가정하여 무시 하였으며 출력 전류의 정확도를 높이기 위하여 Newton's Raphson method를 사용하였다. Matlab을 이용한 시뮬레이션의 결과와 실제 제품 사양서와 비교하여 전류의 오차 값에 직렬저항의 값을 가변 시켜서 최대한 근접한 값으로 커브 조정을 하였다.
모델링은 25℃ 조건하에 일조량을 0.6, 0.8, 1.0[kw/m2]에서 실시하였으며 다이오드 품질계수는 2로 설정하였고 직렬저항은 제조사에서 제공한 최대 전력 점에서의 전압과 전류를 수식에 넣어 구했다. 병렬 저항은 충분히 크다고 가정하여 무시 하였으며 출력 전류의 정확도를 높이기 위하여 Newton's Raphson method를 사용하였다.
본 모델링에서 MPPT는 부스트 컨버터에서 실시하며 PSIM을 이용하여 구성하였다. Matlab을 이용하여 구현한 태양전지 어레이 측을 Shnulink를 이용하여 PSIM으로 구현한 전력 변환 부 회로와 링크하였다.
앞에서 Matlab을 이용한 어레이구성으로 일사량과 전압 값에 대해 제조사에서 제공한 사양서의 전류 값과 근접한 전류 값을 구하여 일사량 급변시에 두 기법의 시뮬레이션 결과를 살펴보았다. 결론적으로 일사량 급변시에 두 기법의 차이점은 일사량이 50%에서 조건과 50% 이상으로의 급변시에 P&O가 높다는 결과를 얻었다.
태양광 어레이는 9직렬 2병렬로 모듈을 조합 하였다. 최대 전력점에서의 전압은 232.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 모듈은 SHARP의 ND-181U1F로 최대출력은 181W이다. 모델링에 사용된 수식은 다음과 같다.

이론/모형

구성하였다. Matlab을 이용하여 구현한 태양전지 어레이 측을 Shnulink를 이용하여 PSIM으로 구현한 전력 변환 부 회로와 링크하였다.
0[kw/m2]에서 실시하였으며 다이오드 품질계수는 2로 설정하였고 직렬저항은 제조사에서 제공한 최대 전력 점에서의 전압과 전류를 수식에 넣어 구했다. 병렬 저항은 충분히 크다고 가정하여 무시 하였으며 출력 전류의 정확도를 높이기 위하여 Newton's Raphson method를 사용하였다. Matlab을 이용한 시뮬레이션의 결과와 실제 제품 사양서와 비교하여 전류의 오차 값에 직렬저항의 값을 가변 시켜서 최대한 근접한 값으로 커브 조정을 하였다.
태양전지의 등가회로는 Shockley 다이오드 등가 식에 기본을 두고 있으며, 단순화한 등가 회로는 다이오드와 전류원의 병렬구성과 같다. 태양전지 등가 모델에서 다이오드는 태양전지의 I-V특성을 정의한다.

성능/효과

다음으로 짧은 시간동안 일사량이 증가 시에 50%이하에서는 두 기법이 근접하지만 50%이상에서는 P&O 가 높은 효율을 보였다. 결론적으로 위의 결과에서는 P&O가 MPPT효율이 높지만 각각의 기법에 대해 Vef에 증가분 값의 차이라고 생각해볼 수 있다.
급변시에 두 기법의 시뮬레이션 결과를 살펴보았다. 결론적으로 일사량 급변시에 두 기법의 차이점은 일사량이 50%에서 조건과 50% 이상으로의 급변시에 P&O가 높다는 결과를 얻었다. 앞으로 생각해볼 과제는 Matlab에서 온도, 일사량, 저항 값, 그림자 등의 여러 변수의 어레이 조건들을 적용시켜 최대한 실제의 상황과 근접한 데이터를 통해 MPPT 기법을 시뮬레이션 해보고 다양한 변수로서 얻은 I-V곡선에서 MPPT효율을 극대화 시키는 방안을 생각해 보는 것이다.
75%의 일사량에서는 25%일 때와 같은 결과를 얻었다. 다음으로 짧은 시간동안 일사량이 증가 시에 50%이하에서는 두 기법이 근접하지만 50%이상에서는 P&O 가 높은 효율을 보였다. 결론적으로 위의 결과에서는 P&O가 MPPT효율이 높지만 각각의 기법에 대해 Vef에 증가분 값의 차이라고 생각해볼 수 있다.
위의 결과를 토대로 50%의 일사량에서 P&O가 높은 효율을 보였고, 25% 일사량에서는 두 기법이 근접한 결과를 보였다. 75%의 일사량에서는 25%일 때와 같은 결과를 얻었다.

후속연구

결론적으로 일사량 급변시에 두 기법의 차이점은 일사량이 50%에서 조건과 50% 이상으로의 급변시에 P&O가 높다는 결과를 얻었다. 앞으로 생각해볼 과제는 Matlab에서 온도, 일사량, 저항 값, 그림자 등의 여러 변수의 어레이 조건들을 적용시켜 최대한 실제의 상황과 근접한 데이터를 통해 MPPT 기법을 시뮬레이션 해보고 다양한 변수로서 얻은 I-V곡선에서 MPPT효율을 극대화 시키는 방안을 생각해 보는 것이다.

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