2.1 MIC 및 DPP의 구조 비교

MIC 구조와 DPP 구조는 환경변화가 주어지더라도 최대전력점추종(Maximum Power Point Tracking ; MPPT)제어를 수행할 수 있는 특징을 갖고 있다.

그림. 1(a)와 같은 구조는 MIC 구조이며 그림. 1(b)와 같은 구조는 DPP 구조 중에서 DPP 직렬 구조라 칭한다.

그림. 1(a)의 MIC 구조는 PV 패널마다 1:1로 전력변환장치가 연결되어있으며 각 PV 패널의 생산 전력이 1:1로 연결되어있는 전력변환장치를 통해 메인 컨버터/인버터로 전달되는 구조다. 모든 패널의 생산 전력이 자신의 전력변환장치를 통해 전달되기 때문에 전력 생산 효율이 전력변환장치의 손실에 많은 영향을 받는 단점이 있다^[3].

그림. 1(b) DPP 직렬 구조는 (a) MIC 구조와 다르게 PV 패널과 병렬로 전력변환장치가 연결되어있으며 PV 패널의 생산 전력량이 다를 시 PV 패널 간의 전력 차이만 DPP를 통해 메인 전력변환장치로 전달되고 나머지 전력은 메인 컨버터/인버터로 바로 전달되기 때문에 전력변환장치로 인해 발생하는 손실을 최소화할 수 있으며 MIC 구조의 단점을 보완할 수 있다^[7].

본 논문에서는 DPP 구조 중 직렬구조를 사용하였으며 그늘짐 현상으로 인해 생산되는 적은 전류량을 기준으로 제어를 수행하는 피드 포워드 제어 방식을 사용하였다.

2.2 DPP구조에서 두 가지의 동작 방식 비교

DPP 직렬 구조에는 그림. 2와 같이 동작 방식에 따라 피드포워드 방식과 피드백 방식으로 나뉜다. 두 방식의 차이는 메인 회로로 흐르는 $I_{str\in g}$이 전력 생산량이 많은 PV 패널의 전류를 기준으로 흐르는지 아닌지에 따라 구분된다.

피드포워드 방식은 PV 패널 중 그늘짐 현상 조건에 놓인 PV 패널의 생산 전류가 $I_{str\in g}$의 기준으로 동작한다. 그림. 2(a)와 같이 전력 생산량이 상대적으로 적은 PV1의 $I_{str\in g}$을 기준으로 동작하여 $I_{str\in g}$은 0.5[A]가 되고 PV2의 남은 0.5[A]는 DPP2를 통해 부하로 전달된다.

피드백 방식은 최대 일사량 조건에 놓인 PV 패널의 생산 전류가 $I_{str\in g}$의 기준이 되도록 동작한다. 그림. 2(b)와 같이 전력 생산량이 더 많은 PV2의 생산 전류가 $I_{str\in g}$의 기준이 되어 $I_{str\in g}$은 1[A]가 되고 DPP와 연결된 곳에서 DPP1을 통해 PV1로 0.5[A]를 보상하게 된다.

2.3 MIC 및 DPP 구조의 전력흐름 비교

태양광 발전시스템에서의 MIC 구조는 각 PV 패널마다 직접 연결된 DC/DC 컨버터와 계통으로 연계되는 메인 컨버터/인버터로 구성되어 있는 그림. 3과 같은 구조이다^[8].

그림. 3은 PV1의 생산 전력이 5[W], PV2는 10[W]를 생산하며 전력변환장치의 효율을 90[%]로 가정하였을 때의 전력 흐름을 나타낸다.

PV 패널에서 생산되는 전력은 $P_{G.k}$, 컨버터의 효율을 $\eta_{c}$, 메인 컨버터/인버터의 효율을 $\eta_{M.c}$로 정의한다. 이때 MIC에 의해 발생하는 손실 $P_{L.k}$을 식 (1)로 나타낼 수 있다. 출력 전력 $P_{T}$는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며 이에 따라 출력 전력은 12.15[W]이고 생산 전력은 15[W]이므로 MIC 구조의 효율은 81[%]라는 결과를 얻을 수 있다.

그림. 4는 피드포워드 DPP 구조이며 그림. 3과 같은 조건일 때 DPP 구조의 전력 흐름은 나타낸 것이다. PV1과 PV2의 생산 전력 차는 5[W]이므로 패널 간의 전력 차인 5[W]만 DPP를 통해 메인 컨버터/인버터로 전달되고 남은 10[W]는 곧바로 메인 컨버터/인버터로 전달된다.

PV 패널에서 생산되는 전력은 $P_{G.k}$, 컨버터의 효율은 $\eta_{c}$, $\eta_{M.c}$는 메인 컨버터/인버터의 효율이다. DPP의 손실은 $P_{DPP.L.k}$이며 이는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있고 총 출력 전력 $P_{DPP.T}$는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

식 (3)에 의해 $P_{G.1}=5[W]$이고 $P_{G.\min}=5[W]$이기 때문에 DPP1의 손실은 $P_{DPP.L.1}=0[W]$이며 $P_{DPP.L.2}=0.5[W]$이다. 이를 식 (4)와 함께 사용하면 DPP의 총 출력 전력인 $P_{DPP.T}$를 알 수 있다.

이에 대한 결과로 출력 전력은 13.05[W]이며 생산 전력이 15[W]이므로 DPP 구조의 효율은 87[%]라는 결과를 얻을 수 있다. 위와 같이 가정했을 때 DPP 구조가 MIC 구조에 비해 전력변환기에 의해 발생하는 전력 손실을 최소화하여 전체 손실을 약 68.4[%] 감소할 수 있다는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

3.1 MIC 및 DPP구조의 전력 생산 변동 시 모의실험 결과

본 논문에서는 MIC 및 DPP 구조에 대한 동작과 효율의 타당성을 입증하기 위하여 전력 생산 변동 과정을 모의실험 하였다. PV 패널을 사용하는 대신 파워서플라이를 사용하여 PV 등가회로를 만들었으며 이에 대한 PSIM 회로도는 그림. 5와 같다.

그림. 5(a)는 MIC 구조의 회로도, 그림. 5(b)는 피드포워드 DPP의 회로도이다. 일사량 변동에 대한 비교분석을 위해 파워서플라이1(Vin1)과 파워서플라이2(Vin2)의 전압을 변동시켜 모의실험을 진행하였다.

그림. 6(a)는 MIC 구조에서 PV1의 모델링을 위하여 사용한 파워서플라이1의 전압(Vin1) 변동(20[V] → 16[V])에 대한 전력 변동의 대체, 즉 일사량 변동에 대한 MPPT 제어의 결과를 나타낸 것이다. 이는 PV 패널1의 등가회로에 대한 전압/전류의 변동으로 이에 알맞은 MPPT 제어 동작에 의한 전력 생산과정을 나타낸 것이다.

그림. 6(b)는 동일한 MIC구조에서 파워서플라이2의 전압(Vin2)을 20[V] → 25[V]로 변동시켰을 때의 제어결과를 나타낸 것이다. 그림. 7(a)와 그림. 7(b)는 DPP구조에서의 전력 변동의 MPPT 제어결과의 양호성을 보여주고 있는 파형으로 위 그림. 6과 유사한 상황이다.

3.2 MIC 및 DPP 구조에서의 효율 결과비교

MIC 및 DPP 구조에 대한 정상상태에서의 효율의 결과 출력을 그림. 8(a), 그림. 8(b)에 나타내었다. 그림. 8(a)는 파워서플라이2의 전압(Vin2)은 변동시키지 않고 파워서플라이1의 전압(Vin1)을 감소(20[V] → 16[V])시킨 후 PV 등가회로에서의 전력 생산량과 부하 측 출력 전력을 나타낸 것이다.

MIC 및 DPP구조 각각에 대하여 출력 전력을 비교한 것으로 PV 등가회로에서의 전력 생산량 13.122[W]의 동일 조건에서 MIC구조의 출력전력은 11.314[W]이고 DPP구조에서는 12.753[W]나타났다.

따라서 MIC구조에서는 전력손실이 1.808[W]이고 DPP구조에서는 전력 손실이 0.369[W]임을 확인하여 DPP구조의 우월성을 입증하였다.

마찬가지로 그림. 8(b)는 파워서플라이1의 전압(Vin1)을 20[V]로 고정하고 파워서플라이2의 전압(Vin2)을 증가(20[V] → 25[V])시킨 후 PV 등가회로에서의 전력 생산량과 부하 측 출력 전력을 나타낸 것이다.

이때의 PV 등가회로에서의 전력 생산량은 MIC 및 DPP구조 모두 20.521[W]이고 MIC구조를 사용했을 때의 부하 측 출력 전력은 17.771[W]이며 DPP구조를 사용했을 때의 부하 측 출력 전력은 19.848[W]이다. 이로써 MIC구조의 손실은 2.75[W]이며 DPP 구조의 손실은 0.675[W]로 두 상황 모두 MIC구조에 비해 DPP구조에서의 전력 손실이 약 80[%] 이상 감소함을 얻어낼 수 있다. 표 1은 그림. 8의 내용에 대한 결과로 DPP구조의 효율이 MIC구조보다 약 12[%] 높다는 결과를 알 수 있다.

4.1 DPP구조의 하드웨어 구성

모의실험 결과를 통해 DPP구조의 효율이 MIC구조에 비해 높다는 결과를 도출할 수 있었다.

이 중 DPP 구조가 하드웨어적으로 구현가능하다는 것을 입증하기 위하여 DPP 구조의 하드웨어만의 실험을 진행하였다. 하드웨어 DPP 구성도는 그림. 9와 같이 DSP 기반(TMS320F28335) 및 절연형 플라이백 컨버터로 구성하였으며 이때의 실험 조건은 다음과 같다. $C_{1,\:}C_{2}$는 $680[\mu F]$, $C_{l\in k1,\:}C_{l\in k2}$는 $1000[\mu F]$, 변압기는 1:4로 구현하였으며 이 때의 $L_{m}$은 $500[\mu H]$, 부스트 컨버터의 $L_{1}$은 $600[\mu H]$으로 설정하였다.

이와 같이 설계하여 제작된 DPP 하드웨어 실험광경은 그림. 10과 같으며 실험은 모의실험과 동일 조건의 입력상황을 가정하면서 PV패널을 대신하여 파워서플라이를 사용하였다.

파워서플라이1의 전압(Vin1) 변동(20[V] → 16[V]) 및 파워서플라이2의 전압(Vin2) 변동(20[V] → 25[V])으로 PV 패널의 생산 전력 변화를 가정하였으며 전자부하를 사용하여 부하에서는 일정한 부하전압이 80[V]로 유지되도록 하였다.

4.2 DPP제어에 대한 실험의 결과

그림. 11(a)는 파워서플라이1의 전압(Vin1)을 $t_{1}$에서 20[V] → 16[V]로 변화하였을 때의 PV 등가회로인 PV1의 전압, 전류, 전력을 나타내고 그림. 11(b)는 파워서플라이2의 전압(Vin2)을 $t_{2}$에서 20[V] → 25[V]로 변화했을 때의 PV 등가회로 PV2의 전압, 전류를 나타낸다. 이는 모의실험과 마찬가지로 DPP구조 하드웨어에서도 PV 패널의 생산 전력 변화에 MPPT 제어가 수행됨을 알 수 있다.

그림. 12(a)는 파워서플라이1의 전압(Vin1)을 20[V] → 16[V]로 변화한 후 정상상태의 PV1 및 PV2의 각각의 생산 전력을 나타낸 것으로 합계 생산 전력은 13.08[W]이다. 그림. 12(b)는 이때의 DPP 전체 출력 전력과 부하 전압을 나타낸 것으로 출력 전압이 80[V]일 때 출력 전력은 12[W]로 나타났으며 이의 출력 효율은 91.74[%]이다.

그림. 13(a)는 파워서플라이2의 전압(Vin2)을 20[V] → 25[V]로 변화한 후의 PV1 및 PV2의 생산 전력을 각각 나타낸다. 이에 대한 총 생산 전력은 19.94[W]이다.

그림. 13(b)는 이때의 전체 출력 전력과 부하 전압을 나타내며 목표 출력 전압이 80[V]일 때 출력 전력은 18.01[W]이므로 출력 효율은 90.32[%]로 나타났다.

이와 같은 결과는 스위칭 손실이 고려된 현실 값이 감안되었음을 추정함과 동시에 DPP구조가 모의실험 결과인 80[%]대 후반의 MIC구조 효율 보다 더 출력 효율이 높다는 것을 추정 확인할 수 있다.

표 2는 이와 같이 실험된 피드포워드 DPP 적용에 대한 전체 시스템의 효율을 나타낸 것으로 평균효율은 91.03[%]로 나타났다. 표 1에서의 모의실험 결과 보다는 효율이 약간 떨어지고 있으나 이는 스위칭 손실이 약간 존재하고 있음을 감안하면 그 결과는 거의 일치함을 알 수 있다.