[논문]일사량 조건을 고려한 태양광 발전의 새로운 MPPT 제어

정병진; 고재섭; 최정식; 김도연; 장미금; 정동화

일사량 조건을 고려한 태양광 발전의 새로운 MPPT 제어
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정병진 (순천대학교) , 고재섭 (순천대학교) , 최정식 (순천대학교) , 김도연 (순천대학교) , 장미금 (순천대학교) , 정동화 (순천대학교)

This paper proposes a novel maximum power point tracking(MPPT) control algorithm considering insolation to improve efficiency of PV system. The propoed algorithm is composed perturb and observe(PO) method and constant voltage(CV) method. PO method is simple to realize and CV method is possible to tracking MPP with low insolation. Response characteristics of proposed algorithm is compared to conventional PO method with insolation variation. This paper proves the validity of proposed algorithm through the analysis result.

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문제 정의

본 논문에서는 종래의 MPPT 방법의 문제점을 해결하고 효율개선을 위한 새로운 MPPT 방법을 제시한다. 새로운 MPPT 방법은 종래의 MPPT 방법인 PO방법과 CV방법의 장점을 상호 혼합하여 구성한 것으로 고 일사량뿐만 아니라 저 일사량 시에도 MPP를 추적함으로써 발전량을 증대시키고 효율을 향상시킨 새로운 MPPT 제어 방법이다.
본 논문에서는 종래의 MPPT 제어방법의 문제점을 개선하기 위해 PO 방법과 CV 방법을 혼합한 새로운 MPPT 제어방법을 제시하였다. PO 방법은 간단한 피드백 구조를 갖으며 소수의 측정 파라미터를 갖기 때문에 구현이 간단하고, CV 방법은 저 일사량에서도 MPPT 추적이 가능한 제어방법이다.

제안 방법

태양에너지를 전기에너지로 변화하는 PV 모듈과 Boost 컨버터로 구성된다. PV 모듈에서 전압과 전류를 측정하여 전력을 계산하여 일사량 변동에 대하여 MPPT를 수행한다. MPPT에서 나오는 V_ref 을 이용하여 PWM을 통해 Boost 컨버터를 제어한다.
급변하는 일사량의 조건에서 MPPT를 수행하는 알고리즘을 다르게 사용한다. 먼저 일사량이 낮은 경우에는 CV 제어방법을 수행하고, 일사량이 높은 경우에는 기존의 PO 제어방법이 MPP에서 자려진동으로 손실이 발생하는 단점을 개선한 PO 제어방법을 수행한다. 실험상에서 PO나 IC 제어방법이 낮은 일사량에서 CV 제어방법보다 효율이 높지 않으므로, 특정의 낮은 일사량에서 CV 제어방법으로 동작모드를 변경하는 방법이다.
MPPT에서 나오는 V_ref 을 이용하여 PWM을 통해 Boost 컨버터를 제어한다. 본 논문에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 PO 방법과 제시한 새로운 방법의 성능을 비교, 분석하였다..
새로운 제어방법은 일사량 변동에 대하여 태양전지 어레이의 출력전력의 효율을 극대화하기 위하여 제안한 방법이다. 급변하는 일사량의 조건에서 MPPT를 수행하는 알고리즘을 다르게 사용한다.
제안된 방법은 전지 어레이의 출력전력이 MPP에 도달할 때까지 태양전지 출력전압의 레퍼런스를 동일한 방향으로 증가 또는 감소시키며 최대전력(P_max)를 추종한다. 또한 P_max 값에 일정한 α 값(1이하)을 곱하여 최소 출력전력을 결정하고, MPP에 도달한 후 태양전지의 출력전압은 최소출력과 같아질 때까지 추종한다.

데이터처리

PO 방법은 간단한 피드백 구조를 갖으며 소수의 측정 파라미터를 갖기 때문에 구현이 간단하고, CV 방법은 저 일사량에서도 MPPT 추적이 가능한 제어방법이다. 일사량의 변화가 일정할 때와 일사량이 급변하는 조건으로 PSIM을 이용하여 결과를 종래의 PO 방법과 비교, 분석하였다. 제시한 Hybrid MPPT 제어 방법은 종래의 PO 방법에 비해 저 일사량에서도 MPPT 추적이 가능하고 정상상태에서도 출력전력의 자려진동이 감소되어 발전 성능이 향상됨을 알 수 있다.

성능/효과

새로운 MPPT 방법은 종래의 MPPT 방법인 PO방법과 CV방법의 장점을 상호 혼합하여 구성한 것으로 고 일사량뿐만 아니라 저 일사량 시에도 MPP를 추적함으로써 발전량을 증대시키고 효율을 향상시킨 새로운 MPPT 제어 방법이다. 또한 일사량 변동에 대한 실험을 통하여 제시한 새로운 MPPT 제어 방법의 타당성을 입증한다.
그림 6은 일사량 변동에 대한 새로운 제어방법의 오차를 나타내고 있다. 새로운 제어방법은 종래의 PO 제어방법보다 출력오차가 적게 나타나며, 종래의 PO 제어방법은 저 일사량에서 정확한 MPP 추종에 실패하였지만 제시한 제어방법은 저 일사량에서도 MPP를 추종하는 것을 발생된 오차의 비교를 통해 알 수 있다.
제시한 Hybrid MPPT 제어 방법은 종래의 PO 방법에 비해 저 일사량에서도 MPPT 추적이 가능하고 정상상태에서도 출력전력의 자려진동이 감소되어 발전 성능이 향상됨을 알 수 있다. 이로서 본 논문에서 제시한 Hybrid MPPT 알고리즘의 타당성을 입증하였다.
일사량의 변화가 일정할 때와 일사량이 급변하는 조건으로 PSIM을 이용하여 결과를 종래의 PO 방법과 비교, 분석하였다. 제시한 Hybrid MPPT 제어 방법은 종래의 PO 방법에 비해 저 일사량에서도 MPPT 추적이 가능하고 정상상태에서도 출력전력의 자려진동이 감소되어 발전 성능이 향상됨을 알 수 있다. 이로서 본 논문에서 제시한 Hybrid MPPT 알고리즘의 타당성을 입증하였다.
제시한 새로운 방법이 종래의 PO 방법에 대해 정상상태 안정화 시간이 짧고 저 일사량에서도 MPP를 추적할 수 있었으며 이로서 MPPT 제어의 우수한 성능을 나타내고 있다.

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