2.1 태양광 플라이백 컨버터의 구조 및 동작 원리

태양광 응용에서 플라이백 컨버터는 단일 스위치와 변압기 권선비 조정을 통해 저전압 태양광 출력을 고전압으로 승압할 수 있으며 절연과 승·강압을 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한 구조가 단순하여 저비용·소형화에 유리함하다. 그림 1은 이러한 플라이백 기반 전력 변환 구조 및 그에 따른 제어부를 나타낸 것이며 스위칭 동작에 따른 에너지 전달 과정은 MOSFET의 ON/OFF 두 구간으로 구분하여 해석할 수 있다.

그림 1. 태양광 플라이백 컨버터의 회로도 및 제어부

Fig. 1. Circuit diagram and control block of the PV-flyback converter

그림 2의 (a)는 MOSFET이 ON일 때 이다. 1차 측에 PV 전압이 인가되면 자화 인덕턴스 에 에너지가 저장되고 권선 극성에 의해 2차측 정류 다이오드는 역바이어스되어 2차 측으로 전류가 흐르지 않는다. 이때 1차 측 전류 는 선형적으로 증가한다. 이때 가 부하에 단독으로 전력을 공급하게 되는데 이 전력은 MOSFET OFF일 때 에 저장된 에너지이다.

그림 2의 (b)는 MOSFET이 OFF일 때 이다. MOSFET이 OFF로 전환되면 1차 경로가 끊기면서 태양광은 평활 커패시터를 충전하여 입력 전압을 유지한다. 동시에 1차 자화 인던턴스에 저장되어 있던 에너지는 역기전력이 발생하여 방출되므로 권선 양단 도트 지점이 반전되고 2차 측 정류 다이오드에 순방향 바이어스를 형성하여 변압기 2차 전류가 출력 커패시터와 부하로 유입된다^{[3- 4]}.

그림 2. 태양광 플라이백 컨버터의 동작 (a) MOSFET ON일 때, (b) MOSFET OFF 일 때

Fig. 2. Operation of the PV-flyback converter: (a) MOSFET ON, (b) MOSFET OFF

2.2 태양광 플라이백 컨버터에 사용된 MPPT 기법

제어는 그림 1 (b)와 같이 구성한다. 전압·전류 센서로 PV 단의 전압·전류 값을 측정하고 MPPT를 통해 기준 전압 $V_{ref}$과의 오차를 계산한다. 생성된 기준 전압과 측정 전압의 오차는 PI 제어기를 통해 오차를 보상하여 PWM을 통해 Duty ratio를 산출하고 게이트 드라이버를 통해 스위치를 구동한다. 이때에는 MPPT를 통해 생성하며 간단한 연산으로 안정적으로 최대 전력을 추적할 수 있도록 MPPT 기법은 그림 3과 같은 Perturb-and-observe(P&O) 기법을 사용하였다.

그림 3. P&O 기법의 최대 전력점 추적

Fig. 3. Maximum power point tracking using the P&O method

P&O 기법은 MPP 좌측 영역에서는 전압 증가에 라 출력 전력이 증가하므로 $\Delta P > 0, \Delta V > 0$ 조건에서 $V_{ref}$를 증가시키고 반대로 MPP 우측 영역에서는 전압 증가 시 출력 전력이 감소하므로 $\Delta P < 0, \Delta V > 0$ 조건에서 $V_{ref}$를 감소시킨다. 이러한 반복적인 과정을 통해 목표 전압이 MPP 부근으로 수렴하게된다^[5].

3.1 슈퍼커패시터 기반 보상 기법

그림 4는 제안된 슈퍼커패시터 기반 부하 측 전압 보상 알고리즘의 흐름도를 나타낸다.

알고리즘은 주기적으로 부하 전압 $V_{Bus}$를 계측하고 기준 전압 $V_{ref}$와의 비교를 통해 부하 급변에 따른 전압 강하 발생 여부를 판단한다. 먼저 $V_{Bus} \ge V_{ref}$ 인 경우에는 부하 측 전압이 목표 수준에서 안정적으로 유지되고 있다고 보고 보상 동작을 수행하지 않는다. 반대로 $V_{Bus} < V_{ref}$ 조건이 성립하면 부하 측 전압 강하가 발생한 것으로 판단할 수 있으나 단순 비교만으로는 스위칭 노이즈나 순간적인 측정 오차에 의해 불필요한 보상 동작이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 실제 구현을 고려하여 전압 강하 판단 임계값 $\Delta V_{th}$, 최소 지속시간 $T_d$, 슈퍼커패시터 최소 허용 전압 $V_{sc,min}$을 함께 고려하였다. $V_{Bus} < V_{ref} - \Delta V_{th}$ 조건이 $T_d$ 이상 지속될 때에만 이를 실제 부하 급변에 의한 전압 강하로 판단하고 보상 동작의 진입 여부를 결정한다.

그림 4. 슈퍼커패시터의 방전 알고리즘

Fig. 4. Discharge algorithm of the supercapacitor

보상 동작을 통해 슈퍼커패시터 전압이 $V_{sc,min}$ 이상인 범위에서 방전을 허용하여 순간적인 부족 전력을 공급하도록 하였으며 이후 $V_{Bus}$가 기준 전압 근처로 회복되거나 슈퍼커패시터 전압이 최소 허용치에 도달하면 보상 동작을 종료하도록 구성하였다.

이와 같은 알고리즘은 부하 급변 직후 태양광 플라이백 컨버터가 즉시 부족 전력을 감당하지 못해 부하 측 전압 강하가 발생하는 과도구간에서 슈퍼커패시터를 방전시켜 결손 전력을 보조함으로써 전압 최소값을 높이고 회복 시간을 단축시키는 방식으로 동작한다. 따라서 제안 기법은 순간적인 부하 변동에 대한 전압 안정도를 향상시키고 독립형 PV 시스템의 전력 품질 저하를 완화하는 데 기여한다.

3.2 슈퍼커패시터의 전력 보상량 산정

목표 전압을 유지하기 위해 슈퍼커패시터가 보상해야 할 전력 $P_{def}$와 효율 $\eta$을 고려하게 되면 입력 전력 $P_{in}(t)$는 식 (1)과 같다.

식 (2)는 커패시터의 기본 전류-전압 관계식 $i = C \frac{dV}{dt}$ 에 기반하여, 커패시터에서 방전되는 전류를 $I_{sc} > 0$으로 정의한 식이다. 보상 동작 시 커패시터에서 에너지가 방출되므로 전류 방향을 방전 기준으로 설정하게 되면 $\frac{dV}{dt} < 0$ 즉 식 (3)과 같아진다.

식 (4)는 식 (3)을 방전 구간에 대해 적분한 결과로, 방전 시작 시점 $t = 0$에서의 초기 전압을 $V_{max}$로 두고 임의 시점 $t$까지의 전압 변화를 해석하기 위해 정리하게 되면 식 (5)와 같아진다.

슈퍼커패시터가 일정한 보상 전력을 공급한다고 가정할 때 보상 운전을 지속할 수 있는 최대 시간 $T_{max}$는 슈퍼커패시터 전압이 최소 허용 전압 $V_{min}$까지 떨어지는 시점으로 정의할 수 있다. 따라서 식 (6)과 같이 정리된다.

이를 $T_{max}$에 대해 정리하면 슈퍼커패시터가 보상 전력을 유지할 수 있는 최대 보상 시간은 식 (7)과 같이 표현된다^[6].

여기서 $I_{sc}(t)$는 시간 $t$에서의 슈퍼커패시터 방전 전류, $C$는 슈퍼커패시터의 정전용량, $V(t)$는 시간에 따른 커패시터 전압을 의미한다. 또한 $P_{def}$는 보상해야 할 부족 전력, $\eta$는 전력 변환 효율을 나타낸다. $V_{max}$와 $V_{min}$은 각각 방전 시작 시점의 초기 전압과 허용 가능한 최소 전압을 의미하며 $T_{max}$는 슈퍼커패시터가 일정 보상 전력을 유지할 수 있는 최대 보상 시간을 나타낸다.

4.1 모의실험에 대한 조건

모의실험에서 사용된 회로도 및 파라미터는 그림 5, 표 1, 표 2와 같다.

그림 5는 제안하는 슈퍼커패시터 기반 전력 보상 시스템의 전체 구성과 제어 구조를 나타낸 것이다. 상단은 플라이백 컨버터와 슈퍼커패시터가 결합된 전력 회로를 나타내며 하단은 전압 제어 루프와 MPPT 제어 블록으로 구성된 제어 구조이다.

그림 5. 모의실험에 사용된 회로도

Fig. 5. Circuit used in the simulation

본 논문에서의 모의실험은 부하 변동으로 인해 출력 전압이 변동할 경우 전압 제어기에서 생성된 보상 신호에 따라 슈퍼커패시터가 부족 전력을 공급하여 출력 전압을 안정적으로 유지하도록 설계되었다.

실제 독립형 태양광 시스템에 적용하기 위해서는 수 패럿(Farad) 수준의 슈퍼커패시터가 요구되지만 본 논문에서는 제안된 보상 알고리즘의 동작 원리와 부하 측 전압 응답 특성 검증에 초점을 두었다. 본 실험에서의 커패시터는 실제 적용 시 사용될 슈퍼커패시터 축소 모델로 간주하였으며 제어 구조와 전압 변동 특성은 동일하게 유지되도록 하였다.

4.2 전압 강하 완화를 위한 슈퍼커패시터 기반 보상 기법의 모의실험 결과

본 모의실험은 제안된 태양광 시스템에서 부하 급변 시 전압 강하 완화를 위한 슈퍼커패시터 기반 보상 기법의 검증을 평가하기 위해 진행되었다. 커패시터의 용량은 추후에 Lab-scale 규모의 실험을 위한 용량으로 진행하였다.

또한 다양한 부하 변동 조건($60\Omega \rightarrow 40\Omega$, $30\Omega$, $20\Omega$, $10\Omega$)에 대해 동일한 절차로 실험을 수행하였으며 모든 경우에서 유사한 보상 동작 경향을 확인하였다. 본 논문에서는 지면의 효율성을 고려하여 대표적인 완만 부하 변동과 최대 부하 변동 사례를 각각 그림 6과 그림 7에 제시하고 나머지 조건의 정량적 결과는 표 3에 요약하였다.

그림 6은 부하 저항이 $60\Omega$에서 $40\Omega$으로 급변할 때 제안된 슈퍼커패시터 기반 보상 기법의 효과를 비교한 결과이다. (a)는 보상 기법이 없을 때의 부하이고 (b)는 보상 기법이 있을 때의 부하, (c)는 부하에 전력을 보상하는 슈퍼커패시터 전압을 나타낸다.

그림 6. 부하 급변 시($60\Omega \rightarrow 40\Omega$) 부하 전압 파형과 슈퍼커패시터 전압 파형 (a) 보상 기법이 없을 때의 부하 (b) 보상 기법이 있을 때의 부하 (c) 보상하는 슈퍼커패시터 전압

Fig. 6. Load change from ($60\Omega$ to $40\Omega$) Load voltage waveform and supercapacitor voltage waveform (a) load response without compensation, (b) load response with compensation, (c) compensating supercapacitor voltage

보상 기법이 적용되지 않았을 때의 부하 측 전압을 보게 되면 부하가 급변하는 순간 전력 수지 불일치가 그대로 부하 측 전압 강하로 나타난 걸 확인할 수 있다. 반면 보상 기법을 적용한 경우에 전력 보상을 약 $0.310s$ 동안 슈퍼커패시터가 전력을 보상하는 것으로 나타났다. 부하가 급변하는 시점에 설정된 방전 알고리즘에 따라 슈퍼커패시터가 순간적으로 전력을 공급함으로써 전압 강하의 크기가 줄어들었고 부하 측 전압이 기준값을 유지하는 것을 확인했다.

그림 7. 부하 급변 시($60\Omega \rightarrow 10\Omega$) 부하 전압 파형과 슈퍼커패시터 전압 파형 (a) 보상 기법이 없을 때의 부하 (b) 보상 기법이 있을 때의 부하 (c) 보상하는 슈퍼커패시터 전압

Fig. 7. Load change from ($60\Omega$ to $10\Omega$) Load voltage waveform and supercapacitor voltage waveform (a) load response without compensation, (b) load response with compensation, (c) compensating supercapacitor voltage

그림 7은 부하 저항이 $60\Omega$에서 $10\Omega$으로 급변할 때 제안된 슈퍼커패시터 기반 보상 기법의 효과를 비교한 결과이다. (a)는 보상 기법이 없을 때의 부하이고 (b)는 보상 기법이 있을 때의 부하, (c)는 부하에 전력을 보상하는 슈퍼커패시터 전압을 나타낸다. 보상 기법이 적용되지 않았을 때의 부하 측 전압을 보게 되면 부하가 급변하는 순간 전력 수지 불일치가 그대로 부하 측 전압 강하로 나타난 걸 확인할 수 있다. 반면 보상 기법을 적용한 경우에 전력 보상을 약 $0.016s$ 동안 슈퍼커패시터가 전력을 보상하는 것으로 나타났다. 부하가 급변하는 시점에 설정된 방전 알고리즘에 따라 슈퍼커패시터가 순간적으로 전력을 공급함으로써 전압 강하의 크기가 줄어들었고 부하 측 전압이 기준값을 유지하는 것을 확인했다.

부하 저항을 $60\Omega$에서 $40\Omega$으로 변경한 경우 시뮬레이션에서의 부하 측 전압 보상 시간은 $0.310s$, $30\Omega$으로 변경한 경우에는 $0.141s$, $20\Omega$으로 변경한 경우 $0.067s$, $10\Omega$으로 변경한 경우 $0.016s$의 보상을 해주었다.

이러한 전압 강화 완화를 위한 전력 보산량 산정은 독립형 태양광 시스템에서 부하 증가로 인해 결손 전력이 발생할 경우에 대비하여 시스템의 전력 보상량을 예측함으로써 적절한 대응을 할 수 있게 한다. 예측 된 보상량은 슈퍼커패시터의 용량 선정, 제어기 설정, 그리고 외란 발생 시 전압 변동을 허용 범위 내로 유지하는 데 기여한다.