[논문]50 kW 인터리브드 멀티스트링 태양광 인버터 해석 및 설계

이상회; 이승구; 안태풍; 차한주

50 kW 인터리브드 멀티스트링 태양광 인버터 해석 및 설계
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이상회 (충남대학교 전기공학과 지능형전력변환 실험실) , 이승구 (충남대학교 전기공학과 지능형전력변환 실험실) , 안태풍 (인텍전기전자) , 차한주 (충남대학교 전기공학과 지능형전력변환 실험실)

본 논문에서는 50 ㎾ 인터리브드 멀티스트링 태양광 인버터의 제어기 설계방법에 대하여 해석하여 보았다. 개발된 태양광 인버터는 5대의 10㎾ 인터리브드 DC-DC 컨버터와 50㎾ 인버터 그리고 L-C-L 필터로 구성되어 있으며 각각의 컨버터와 인버터에는 제안된 제어기법들이 적용되어 있다. 프로토타입 태양광 PCS(Power conditioning system)를 설계 제작하여 각각의 제안된 제어 알고리즘을 실험을 통해 확인하고 검증하였다.

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문제 정의

최근 태양광발전시스템에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 에너지의 원천인 태양에너지로부터 최대한의 발전 효율로 전력을 생산하는데 목적으로 진행되고 있다. 태양광 인버터의 효율을 증대 시키고 다목적 건물에 적용 가능한 멀티스트링 태양광 인버터를 개발하였다. PV시스템에는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 멀티스트링 타입으로 연결된 PV(Photovoltaic)어레이가 존재하고, 3상 인터리브드 타입의 DC-DC 컨버터 5대와 DC-AC 인버터 부로 구분된다.

제안 방법

멀티스트링 태양광 인버터의 제어기를 크게 네 가지 부분으로 구성해보면 컨버터의 전류 제어기와 CMPPT 알고리즘 그리고 DC 링크 제어기, 출력인버터 전류제어기로 구성되어 있다 각각의 제안된 제어기는 그림 4~7과 같으며 그림 8의 프로토타입 PCS에 프로그래밍 하여 각각의 제어기를 구현하였다.
본 논문에서는 50㎾ 3상 인터리브드 멀티스트링 태양광 인버터에 설계와 구성방법을 제안하였으며 3상 인터리브드 부스트 컨버터 , 계통 연계형 3상 인버터 전류제어 방법 그리고 DC링크 전압제어 방식을 제안 적용하여 실험을 통해 각각의 제안된 제어기와 성능을 검증 하였다. 검증결과 50㎾ 파워 발전을 수행할 수 있었다.
본 논문에서는 효율증가를 목적으로 무변압기 방식의 토폴로지를 이용하여 시스템을 그림 3과같이 구현하였다. 3상 스위칭을 위한 IGBT와 L-C-L 필터 그리고 DC 링크 부분으로 나뉘며 동작은 PV 어레이의 DC 전압이 DC-DC 컨버터를 통해서 승압되며 전류 Ic는 Cd DC 링크 커패시터에 전압을 충전한다.
전력의 입력단인 PV어레이로부터 일사량에 따라 발전되는 변동하는 저압의 입력전압을 인버터 출력제어의 용이성을 위해 고정된 고압으로 승압시키는 DC-DC 부스트 컨버터가 필요하여 본 논문에서는 3상의 인터리브드 부스트 컨버터를 적용하였다. 입력전류의 리플을 감소시키고 DC 링크로 전달되는 전압의 리플을 감소시킨다.
PV시스템에는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 멀티스트링 타입으로 연결된 PV(Photovoltaic)어레이가 존재하고, 3상 인터리브드 타입의 DC-DC 컨버터 5대와 DC-AC 인버터 부로 구분된다. 전체적인동작을 실험을 통해 제안된 제어기 등을 검증해 보았다[1].

성능/효과

각각의 제안된 제어기들은 정상적으로 동작되는 것을 확인 할 수 있었다. 50㎾ 발전량에 THD 3.7로 동작되고 있으며 전류형 최대 전력점 추종기법이 제안된 인터리브드 기법과 어울려서 리플이 작아 좀 더 높은 효율을 기대 할 수 있었다. 또한 출력필터를 L-C-L을 사용함에 따라 필터의 크기 또한 현저히 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 50㎾ 3상 인터리브드 멀티스트링 태양광 인버터에 설계와 구성방법을 제안하였으며 3상 인터리브드 부스트 컨버터 , 계통 연계형 3상 인버터 전류제어 방법 그리고 DC링크 전압제어 방식을 제안 적용하여 실험을 통해 각각의 제안된 제어기와 성능을 검증 하였다. 검증결과 50㎾ 파워 발전을 수행할 수 있었다.
7로 동작되고 있으며 전류형 최대 전력점 추종기법이 제안된 인터리브드 기법과 어울려서 리플이 작아 좀 더 높은 효율을 기대 할 수 있었다. 또한 출력필터를 L-C-L을 사용함에 따라 필터의 크기 또한 현저히 줄일 수 있었다.

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