[논문]Solar Array의 전압-전력 특성을 이용한 MPPT 제어 시스템

권두일; 지상근; 유철희; 한상규; 노정욱; 홍성수

Solar Array의 전압-전력 특성을 이용한 MPPT 제어 시스템
MPPT Control using Power-Voltage Characteristic of Solar Array for Photovoltaic Applications 원문보기

권두일 (국민대학교 전력전자연구소) , 지상근 (국민대학교 전력전자연구소) , 유철희 (국민대학교 전력전자연구소) , 한상규 (국민대학교 전력전자연구소) , 노정욱 (국민대학교 전력전자연구소) , 홍성수 (국민대학교 전력전자연구소)

Solar Array는 일사량 및 온도에 의해 얻을 수 있는 최대전력이 변화한다. 또한 Solar Array의 전압에 따라 출력 전력이 변화한다. 따라서 태양전지의 동작점을 최대 전력점에서 동작하게 하는 최대 전력점을 추적(MPPT:Maximum Power Point Tracking)하는 제어 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 Solar Array의 전압과 전력의 상관관계를 이용하여 최대 전력점을 추종하는 제어 시스템을 제안한다. 이 방식은 빠르게 최대 동작점을 찾을 수 있고 높은 전력 변환 효율을 가지며 다른 방식에 비해 구성이 간단하다. 제안된 제어기법의 타당성을 검증하기 위하여 MPPT시뮬레이션과 실험을 수행하였다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 소용량 시스템에서 실용적으로 구현 가능한 저가의 간단한 Analog 회로로 구성되고, One-chip화가 가능한 새로운 MPPT제어 방식을 제안한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 식(1) 을 식(2) 와 같이 변환한 후 그림 2-3. 과 같이 Sample-and-Hold 기능을 이용하여 전압과 전력의 변화량을 구하는 하드웨어를 구성하였다.
본 논문에서 제안된 MPPT 제어 방식은 메모리를 사용하지 않고 간단한 아날로그 회로를 이용하여 MPPT 제어를 한다. 제안된 방식은 Solar Array 의 전압-전력 특성 곡선으로부터 Duty Ratio의 증감 경향을 결정하여 동작하고, 이를 PSIM Simulation과 실험을 통해서 빠르게 MPP를 추종하고 전력 변환 효율이 높음을 확인하였다.

대상 데이터

PSIM Simulation에서 살펴본 바에 의하면 제안된 MPPT 제어 방식의 성능이 우수한 것으로 판단되고, 이를 실험을 통해 검증하였다. 실험에 사용된 파라미터는 PSIM Simulation과 마찬가지로 표1에 나타낸 파라미터를 사용하였다 또한 . Solar Array Simulator의 파라미터는 표2에 나타내었다.

데이터처리

그림 2-3.과 같이 구성된 하드웨어를 PSIM Simulation을 통해 MPPT Performance를 검증하였다. PSIM Simulation에 사용된 각 부의 파라미터는 표 1에 나타내었다.

성능/효과

PSIM Simulation에서 살펴본 바에 의하면 제안된 MPPT 제어 방식의 성능이 우수한 것으로 판단되고, 이를 실험을 통해 검증하였다. 실험에 사용된 파라미터는 PSIM Simulation과 마찬가지로 표1에 나타낸 파라미터를 사용하였다 또한 .
Power는 MPP지점을 중심을 움직이고 있음을 알 수 있으며, 전압 파형의 차이는 PSIM과 Solar Array Simulator간의 전압-전류 곡선에 차이로 인해 발생하는 것이다. Switching 주파수는 약 57kHz이며, 전력 변환 효율은 약 98.97%로써 앞서 PSIM을 통해 살펴본 바와 같이 MPPT Performance가 우수함을 확인할 수 있다. 여기에서 Switching 주파수를 높이고, Sample-and-Hold의 Sampling 주파수를 높인다면 전력 변환 효율은 더욱 높아질 것으로 예상된다.
본 논문에서 제안된 MPPT 제어 방식은 메모리를 사용하지 않고 간단한 아날로그 회로를 이용하여 MPPT 제어를 한다. 제안된 방식은 Solar Array 의 전압-전력 특성 곡선으로부터 Duty Ratio의 증감 경향을 결정하여 동작하고, 이를 PSIM Simulation과 실험을 통해서 빠르게 MPP를 추종하고 전력 변환 효율이 높음을 확인하였다. 제안된 아날로그 MPPT 방식은 소용량 시스템 및 독립형 시스템에 적용하기에 가격적 측면에서 유리한 것으로 판단되며, 알고리즘에 대한 원리가 간단하기 때문에 DSP를 이용하여 대용량 시스템에서도 기존 제어기법보다 쉽게 구현할 수 있는 장점을 가진다.
제안된 방식은 Solar Array 의 전압-전력 특성 곡선으로부터 Duty Ratio의 증감 경향을 결정하여 동작하고, 이를 PSIM Simulation과 실험을 통해서 빠르게 MPP를 추종하고 전력 변환 효율이 높음을 확인하였다. 제안된 아날로그 MPPT 방식은 소용량 시스템 및 독립형 시스템에 적용하기에 가격적 측면에서 유리한 것으로 판단되며, 알고리즘에 대한 원리가 간단하기 때문에 DSP를 이용하여 대용량 시스템에서도 기존 제어기법보다 쉽게 구현할 수 있는 장점을 가진다.

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