3.1 태양광 모듈

태양광 모듈은 내부 병렬 저항, 외부 직렬저항, 커패시턴스, 기생 다이오드와 같은 성분으로 Fig. 3의 회로와 같이 등가 모델링 된다.

본 논문에 적용된 태양광 모듈은 하나의 모듈 당 최대 215W를 출력하는 1Soltech 1STH-215-P를 기반으로 모델링 되었다. 따라서 Fig. 3의 등가회로를 직병렬로 구성함에 따라 50kW 출력 용량의 다중 모듈로 구성된 PV 어레이를 구성할 수 있다.

Fig. 3. Equivalent circuit of 50kW PV module

한편 50kW PV 시스템은 HILS 검증시 Plant를 담당하는 RTBOX에서 실시간 동작되는데, 한정된 core에서 실시간 시뮬레이션을 위한 고도의 연산이 이루어지기 때문에, 50kW PV 시스템을 구성하는 약 240 개의 모듈을 실시간 동작하기 위해서는 core의 높은 할당이 요구되며, 장치의 overrun을 초래할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 50kW의 PV 시스템을 하나의 단일 모듈로 등가 모델링하였다. 직병렬 240 개의 태양광 어레이는 각 등가회로의 상수값과 Id에 Ns, Np 계수를 적용함으로써 모델링 되었다. 50kW PV 단일 모듈을 RTBOX에서 단독으로 동작시 요구되는 Core 할당량은 약 35%로 측정된다. 반면 복수개의 모듈로 구성시 Core 할당량은 개수에 비례하여 증가하므로, 단일 RTBOX에서 구동에 한계가 있다. 따라서 제안된 단일 모듈 모델링 방법을 통해 50kW PV 시스템의 HILS 검증시 요구되는 RTBOX의 core의 할당량을 효과적으로 감소시켰다. Table 1은 등가 모델링된 50kW 태양광 모듈의 파라미터를 나타낸다.

3.2 DC-DC converter

50kW 태양광 모듈의 출력 제어를 위해 three-phase interleaved boost converter(IBC)가 사용되었다. 일반 boost converter와 비교하여 각 상에 흐르는 인덕터의 전류 리플은 컨버터의 입력 string에서 서로 120 도의 위상차를 갖고 상쇄되기 때문에, 전류 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이는 태양광 모듈의 출력 특성 및 MPPT 효율 개선이 가능한 장점이 있다. 또한 하나의 스위치 및 인덕터에 흐르는 전류를 ($1/N$)배, 인가되는 전압은 ($1/N^{2}$)배 감소시킬 수 있기 때문에 대용량 DC-DC 컨버터의 토폴로지로 활용된다^[5]. 태양광 모듈 및 three-phase IBC 컨버터 시스템은 Fig. 4와 같이 구성된다. 그러나 interleaved 방식의 경우 각 컨버터의 부하 불평형 문제가 발생할 수 있으며, 이를 고려한 제어기의 모델링이 요구된다.

Fig. 4. System with interleaved boost converter

3.3 제어 모듈

제안된 MPPT 제어를 수행하고 IBC의 부하 불평형을 개선하기 위한 제어 모듈이 Fig. 5와 같이 구성된다. 제어 모듈은 MPPT 제어부와 부하 평형을 위한 인덕터 전류평형 제어부로 구성된다.

제어 모듈은 태양광 모듈의 출력전압과 출력전류, 그리고 각 상의 인덕터 전류를 센싱 받는다. 제안된 MPPT 알고리즘은 C-script를 통해 최대 전력을 출력하기 위한 레퍼런스 전압을 업데이트하여 PV 출력전압과의 오차를 보상하는 형태로 제어하며, 각 상의 인덕터의 전류 센싱값들의 오차는 전류 평형 제어기를 통해 보상되는 형태로 제어된다.

제어 모듈 구성을 위한 ADC 및 PWM 기능은 PLECS에서 제공되는 TI C2000 Target Support library Model이 사용되었다.

Fig. 5. Controller for MPPT and current balancing control

3.4 PLECS 시뮬레이션 결과m

Fig. 6은 모델링 된 태양광 모듈에 500W/$m^{2}$, 1000W/$m^{2}$의 일사량이 입력되는 조건에서, 출력전압을 0V에서 개방전압인 435V까지 주입 시킬 때의 특성 곡선을 나타낸다. 약 348V에서 최대 전력을 출력하고, 이때의 최대 전력점에서의 전류는 146A이다. 또한 개방전압은 약 435V이다.

PLECS 시뮬레이션을 통한 PV 출력전력과 출력 효율, PV 출력 전압과 출력 전류, 그리고 인덕터 전류 파형은 Fig. 7과 같이 나타낸다. 태양광 모듈의 출력전력은 약 25.5kW와 51kW로 최대 동작점에서 동작되는 것을 알수있으며, 이때의 최대 효율은 약 99.6% 이다. 또한 각 상의 인덕터의 전류 평형을 통해 부하간 불평형이 발생하지 않은 것을 알수있으며, 일사량 변화 순간의 MPPT 제어가 안정적으로 동작되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Characteristic curves of 50kW PV module (a) P-V curve (b) I-V curve

Fig. 7. Simulation result of 50kW PV MPPT

4.1 HILS system

PLECS 시뮬레이션을 통해 모델링 된 50kW급 태양광 시스템 및 제어 모듈의 동작 성능을 검증하기 위한 HILS 시스템은 Fig. 8과 같이 RTBOX와 인터페이스 보드, 그리고 TMS320F28379 제어보드로 구성된다. 태양광 모듈과 IBC는 Plant 모델로써 RTBOX에서 동작되며, 제어 모듈은 DSP 보드에서 동작된다. RTBOX와 DSP는 인터페이스 보드를 통해 ADC 센싱값과 PWM 신호를 주고받는다. PC와 제어보드, 그리고 PC와 RTBOX와의 Serial 통신을 통해 Real-time으로 변하는 측정값을 확인하고 MPPT 동작 성능을 검증한다. 50kW PV 단일 모듈 및 IBC 시스템을 RTBOX에서 동작 시 요구되는 Core 할당량은 약 76%로 측정된다.

Fig. 8. Picture of HILS system

4.2 HIL-Simulation 결과

Fig. 9는 일사량 500W/$m^{2}$과 1000W/$m^{2}$이 입력되는 조건에서 제안된 가변스텝 INCCND 알고리즘에 의한 태양광 모듈의 출력전력, 출력전압, 그리고 출력 전류를 나타낸다. 시뮬레이션과 마찬가지로 99% 이상의 출력 전력 효율을 갖으며, 일사량이 급변하는 조건에서 MPPT 제어가 안정적으로 동작되며, 최대 전력점 도달까지의 최대 전력점까지의 추종시간은 약 20ms로 측정된다. 또한 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 각 상의 인덕터 전류 평형을 통해 부하 불평형 문제가 발생하지 않는 것을 검증하였다.

Fig. 9. HILS result of 50kW PV MPPT