[논문]계통연계형 3상 태양광 PCS 기술 분석

이상회; 차한주

계통연계형 3상 태양광 PCS 기술 분석
Analysis of Utility Interactive 3-phase Photovoltaic Power Conditioning System 원문보기

이상회 (충남대학교) , 차한주 (충남대학교)

이 논문에서는 멀티스트링 타입 계통연계형 3상 태양광 발전 시스템 개발 과정중 인버터 파트에 필요한 기본적인 기술들을 살펴보고 검증해 보았다. 계통연계에 필요한 위상추종제어 3상 DPLL(Digital Phase Locked Loop)과 DC 링크 전압제어 그리고 계통전류 제어기의 구조와 비간섭전류제어 등을 살펴보고 무변압기형에 사용되는 3상인버터의 L-C-L 필터 설계 방법을 살펴보고 L-C 필터와 비교하여 살펴보았다. 최종적으로 앞에서 언급하였던 제어기와 이론 등을 시뮬레이션으로 검증하였으며 현재 개발 중인 프로토타입 하드웨어 설계에 대해서도 기술하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 3상 태양광 인버터에 사용되는 여러 기술들을 확인하여 보았다. 3상 인버터의 구조와 DPLL의 구현방법 , dc 링크전압제어기 그리고 L-C 필터와 L-C-L 필터의 성능확인 등을 기술하고 시뮬레이션을 통해 확인하고 검증 하였다.
본 논문은 멀티스트링 타입 태양광 인버터 개발에 필요한 기술들을 서술하고 있다. 이 장에서는 앞으로 사용될 하드웨어를 살펴보자 멀티스트링 태양광 인버터는 크게 dc-dc 컨버터와 dc-ac 인버터로 나뉘며 앞에서 언급한대로 인버터만을 기술하겠다.
계통연계 시스템에서는 계통의 주파수와 계통의 위상을 추종하는 기술은 매우 중요하다. 이 절에서는 위상과 주파수를 추종하는 DPLL에 대해 기술하였다. 우선적으로 DPLL은 여러 논문에서 증명과 검증이 되어 있으며 본 논문에서는 사인파를 기준으로 하는 좌표이론을 적용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 3상 태양광 인버터에 사용되는 여러 기술들을 확인하여 보았다. 3상 인버터의 구조와 DPLL의 구현방법 , dc 링크전압제어기 그리고 L-C 필터와 L-C-L 필터의 성능확인 등을 기술하고 시뮬레이션을 통해 확인하고 검증 하였다. 시뮬레이션의 파형으로 보아 이론대로 구현되었으며 이를 DSP 마이크로컨트롤러에 적용해도 무난히 동작할 것으로 기대하며 현재 진행 중인 포로토타입 하드웨어 개발에 적용하여 발표할 계획이다.
태양광 발전 시스템의 PCS는 현재 여러 방면으로 많은 토폴로지와 새로운 기술이 제시되고 있다. 간단히 토폴로지들을 살펴보면 저주파 변압기 방식, 고주파링크방식, 무변압기 방식 등이 주로 이용되고 있으며 각각의 토폴로지는 장단점은 가지고 있지만 본 논문에서는 저주파 변압기를 사용하지 않고 고효율, 소형, 경량화에 유리한 특징을 가지는 무변압기 방식의 토폴로지를 이용하여 시스템을 구현하였다.
앞에서 언급한 3상인버터의 제어방법과 필터설계값을 시뮬레이션을 통해 검증하여 보았다. 시뮬레이션에서는 L₁은 2mH를 L₂는 1.
dc-dc 컨버터부와 dc-ac 인버터 부분으로 구성되며 dc-dc 컨버터 부는 3상 인터리브 타입으로 개발 중에 있으며 dc-ac 인버터 부는 무변압기형으로 개발 중에 있다. 이 중본 논문에서는 인버터 부분에 사용된 여러 기술적인 이론을 시뮬레이션을 통해 분석하여 보고 하드웨어 구성 또한 살펴보도록 하겠다[1].
28335는 플로팅 연산이 되며 ePWM 기능이 탑재되어 태양광인버터개발에 이상적이다. 현 하드웨어는 실 시스템의 알고리즘을 테스트하기위한 프로토타입으로 모든 알고리즘들은 소프트웨어로 작성하고 테스트 할 수 있도록 하였다. 그림 6은 전체제어기의 블록도이다.

대상 데이터

출력필터에는 변압기를 이용하거나 리액터를 사용한다. 본 논문의 PCS 는 무변압기형 3상 태양광 인버터이므로 리액터를 사용하였다. 소용 량의 파워시스템에는 필터를 L 혹은 L-C를 사용하고 대용량으로 증가함에 따라 L-C-L 필터를 사용하게 된다.
3상 태양광 인버터는 현재 개발 중이며 크게 파워부와 제어부로 나누었다. 파워 부는 IGBT IPM 스위치를 사용하였으며 제어 부는 DSP 28335 마이크로 컨트롤러를 사용하여 재작 중에 있다. 28335는 플로팅 연산이 되며 ePWM 기능이 탑재되어 태양광인버터개발에 이상적이다.

이론/모형

인버터전류제어기에서는 비간섭제어가 포함되어 있으며 그림 3과 같다. 그림에서처럼 피드포워드 보상기법을 사용하였으며 d-q 변환을 이용하여 전압과 전류를 제어한다. 전체적으로 동작을 살펴보면 DPLL을 통해 위상과 피크전압을 구하고 전류를 정지좌표변환과 회전좌표변환을 통해 Ide와 Iqe를 구하게 된다.
변압기는 용량이 커짐에 따라 가격이 수직상승 하므로 L-C-L 필터를 사용하여 크기를 줄이면서도 성능을 올리는 연구가 진행되어 왔다 하지만 L-C-L필터를 설계 시에는 계통전류제어에 주의 하여야하며 공진현상 등과 같은 문제점이 있으며 이를 보안하는 방법에는 보드선도를 그려서 확인하여보고 댐핑 저항 등을 달아 θ값을 변경하는 방법이 있다. 여기서는 L-C-L 필터 설계방법을 확인하여 보았다. 수식 (5)는 L1의 값을 결정하는 수식으로 V_g는 rms 상전 압을 나타내며 fs는 스위칭주파수 I_ripple는 계통의 정격전류의 리플 15%로 피크기준이다[5].
이 절에서는 위상과 주파수를 추종하는 DPLL에 대해 기술하였다. 우선적으로 DPLL은 여러 논문에서 증명과 검증이 되어 있으며 본 논문에서는 사인파를 기준으로 하는 좌표이론을 적용하였다. DPLL의 동작과정을 살펴보면 3상 선간전압을 측정하고 이를 상전압으로 변환하여 d-q변환을 통해 동기좌표계로 변환한다.

성능/효과

(C)파형에 비해 클리어 하다는 것을 확인 할 수 있다. 이처럼 시뮬레이션의 파형들로 하여금 앞에서 언급된 여러 기술들이 실제로 구현되어 시뮬레이션에 적용되어 잘 동작하는 것을 확인하였다. 하지만 시뮬레이션과 실제 하드웨어는 이상적인 부분이 배제되어 있으므로 실제로 구현 했을 때는 필터값 선정에 마진 등을 고려할 것이다.

후속연구

3상 인버터의 구조와 DPLL의 구현방법 , dc 링크전압제어기 그리고 L-C 필터와 L-C-L 필터의 성능확인 등을 기술하고 시뮬레이션을 통해 확인하고 검증 하였다. 시뮬레이션의 파형으로 보아 이론대로 구현되었으며 이를 DSP 마이크로컨트롤러에 적용해도 무난히 동작할 것으로 기대하며 현재 진행 중인 포로토타입 하드웨어 개발에 적용하여 발표할 계획이다.

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