보고서 정보
주관연구기관 |
숭실대학교 Soongsil University |
연구책임자 |
박종후
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-05 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO201800005537 |
과제고유번호 |
1711037257 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2018-05-05
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키워드 |
태양광 발전.통합모듈화.최소전력추종알고리즘.Photovoltaic.Integration.Least power point tracking.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201800005537 |
초록
▼
연구의 목적 및 내용
:태양광 발전의 패러다임 전환을 위한 차세대 전력조절기의 신개념 구조, 제어 알고리즘 개발 및 하드웨어 시작품 제작
- 병렬형 통합 모듈화 가능한 새로운 차동(differential) 전력변환 시스템 아키텍쳐(shuffler, feedback, feed-forward구조) 설계
- 차동전력변환의 장점인 전력용량 최소화를 위한 최소전력점 추종 알고리즘(Anti-MPPT algorithm)을 구현하면서, 동시에 저용량에서 고효율을 유지할 수 있는 고승압형 토폴로지 개발
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연구의 목적 및 내용
:태양광 발전의 패러다임 전환을 위한 차세대 전력조절기의 신개념 구조, 제어 알고리즘 개발 및 하드웨어 시작품 제작
- 병렬형 통합 모듈화 가능한 새로운 차동(differential) 전력변환 시스템 아키텍쳐(shuffler, feedback, feed-forward구조) 설계
- 차동전력변환의 장점인 전력용량 최소화를 위한 최소전력점 추종 알고리즘(Anti-MPPT algorithm)을 구현하면서, 동시에 저용량에서 고효율을 유지할 수 있는 고승압형 토폴로지 개발
- GaN MOSFET 및 SiC / Schottky 다이오드를 이용한 효율 상승 및 사이즈 저감.
- Extra-Element Theorem 및 signal flow graph를 다중 모듈 전력변환기에 적용하여 안정하고 빠른 동특성을 구현하는 다중 루프 피드백 제어기 최적 설계
- 하드웨어 시작품 제작을 통하여 제안된 이론 및 성능분석 검증
연구결과
: 태양광 발전 모듈화를 위한 차세대 병렬형 고효율 차동 (differential) 전력조절기 개발
- 기존의 직렬형이 아닌 병렬 차동형으로 개발함으로써 신뢰성 및 확장성 향상
- 100와트 및 200와트급 차동전력 병렬 모듈형 하드웨어 시작품 개발
- 최대전력추종 알고리즘 효율 99%이상 및 전력조절기 효율 97%이상
- 자화 소자를 결합하여, 소자수가 적고 효율이 높은 차동전력 조절기 회로를 구성하기 위하여 다중권선 변압기형 포워드 및 벅 컨버터를 제안함.
: 목표달성을 위한 방법론은 다음과 같이 연구되었음.
- 모듈형 태양광 발전시스템 구조 중 세계 최초로 차동전력조절기의 MPPT 알고리즘을 포함하는 다중 (multiple) 모듈의 dynamic 동특성 해석, 제어기 설계 및 하드웨어 제작
- 학계 최초로 전자공학의 복잡계 시스템 해석에 사용되던 Extra Element Theorem 및 signal flow graph를 전력전자 차동전력조절기 다중모듈 동특성 해석에 적용함.
- 차동 모듈의 정격 부하 최적화(최소화)를 위한 Anti-MPPT (Anti-maximum power point tracking) 개념 제안. 이는 실시간으로 전력을 감시하여 전력값이 최소화가 되는 방향으로 제어변수를 조절하는 system operation technology (시스템 운용 기술)을 의미함. 연구결과 후 Least-Power-Point Tracking으로 명명함.
- Anti-MPPT 개념을 구체화하기 위한 P&O 알고리즘 개발함.
- 다양한 Feedback, Feed-forward 및 shuffling 토폴로지를 이용한 차동전력조절기 회로를 개발함.
- 기존의 실리콘 반도체 소자를 대체할 차세대 소자로 주목받고 있는 혼성물질 반도체 소자를 적용하여 효율 및 구동 특성 향상. 기존 실리콘 다이오드 대신에 실리콘카바이드(SiC) 다이오드 혹은 쇼트키 다이오드 적용으로 효율 및 방열 특성 개선함.
연구결과의 활용계획
- 모듈형 태양광 발전 시스템의 장점은 표준화 대량생산을 통한 원가 절감 및 효율향상이므로, 태양광 발전 산업의 산업응용 및 표준화에 대응하는 기본계획 작성의 기초자료 활용가능
- 태양광 보급 사업 및 저탄소 산업화의 활성화를 위한 환경정책에 활용
- 현재 국가적으로 중점 추진 중인 첨단 우주기술 자립화를 추진함에 있어서 인공위성 전원용 독립형 태양광 발전 기술이 필수
- 우주 산업의 전력계 시스템 기술은 고도의 신뢰성과 유연성 (확장성)이 요구됨. 따라서, 모듈화 된 병렬형 구조의 태양광 발전 시스템을 개발함으로써 독자적인 기술력 확보가능.
- 기타, 에너지 하베스팅 이슈와 관련하여, 여타 압전(진동) 하베스팅, 열 하베스팅에 비하여 재료적인 의존도가 덜 한 태양광 에너지 하베스팅 기법이 성공 가능성이 제일 높음.
- 본 연구결과를 이용하여 현재 태양광 프로젝트 수행 중인 산업체를 통한 기술상용화를 추진함으로써, 연구결과의 현장 feedback 및 실용성 제고
- 산학협력단을 통한 기술 이전 및 특허 이전 추진
- 매년 SCI(급) 논문 발표를 통한 신재생분야 학술 발전에 이바지
(출처 : 요약문 4p)
Abstract
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Purpose&contents
: Development of new concept structure, control algorithm and hardware prototype of next generation power conditioner for conversion of paradigm of PV power generation
- Design of a new, parallel, integrated, modular, differential power conversion system architecture (shuf
Purpose&contents
: Development of new concept structure, control algorithm and hardware prototype of next generation power conditioner for conversion of paradigm of PV power generation
- Design of a new, parallel, integrated, modular, differential power conversion system architecture (shuffler, feedback, feed-forward structure)
- Development of a high-power topology capable of maintaining high efficiency at low capacity while implementing the minimum power point tracking algorithm (Anti-MPPT algorithm) for minimizing power capacity, which is an advantage of differential power conversion
- Increase efficiency and reduce size using GaN MOSFET or SiC / Schottky diode.
- Optimal design of multi-loop feedback controller with stable and fast dynamic characteristics by applying Extra-Element Theorem to multi-module power converters
- Proposed theory and performance analysis verification through hardware prototyping
Result
: Development of Next Generation Parallel Type High Efficiency Differential Power Regulator for Modularization of Photovoltaic Power Generation
- Improved reliability and scalability by developing it as a parallel-type instead of a conventional serial type
- A multi-winding transformer-type forward and buck converter is proposed to combine magnetizing elements to construct a high-efficiency differential power regulator circuit.
: The methodology for achieving the goals was studied as follows.
- Dynamic dynamics analysis, controller design and hardware fabrication of multiple module including MPPT algorithm of differential power regulator in the world's first modular PV system structure
- Applied the Extra Element Theorem, which was used for the analysis of the complex system of electronics for the first time in the academic world, to the power module, the differential power modulator, and the multi-module dynamic characteristics analysis.
- Developed P & O algorithm to specify anti-MPPT concept.
- Developed a differential power regulator circuit using various feedback, feed-forward and shuffling topologies.
Expected Contribution
- Advantages of modular photovoltaic power generation system are cost reduction and efficiency improvement through standardized mass production. Therefore, it is possible to utilize the basic data of basic plan preparation corresponding to standardization of PV industry.
- Apply to the environment policy for activation of solar power supply business and low carbon industrialization
- Independent photovoltaic technology for satellite power supply is essential for promoting the independence of high-tech space technology currently being promoted nationally.
- Wattmeter system technology in the space industry requires high reliability and flexibility (scalability). Therefore, it is possible to acquire proprietary technology by developing a modular parallel solar PV system.
- In relation to other energy harvesting issues, solar energy harvesting technique is less likely to succeed than other piezoelectric (vibration) harvesting and thermal harvesting materials.
- Using the results of this study, we are promoting the commercialization of the technology through the industry that is currently conducting the photovoltaic project, thereby improving the field feedback and practicality of the research result
- Technology Transfer and Patent Transfer
- Contributes to the academic development of the new and renewable fields through announcing SCI (annual) thesis
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 19
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 32
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 33
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 35
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 36
- 8. 참고문헌 ... 37
- 9. 연구성과 ... 38
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 44
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 44
- 12. 기타사항 ... 46
- 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 47
- 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 51
- 끝페이지 ... 53
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