1. 서 론

태양광 발전 시스템은 일사량과 온도에 따라 발전 효율이 변동하게 된다. PV 어레이에 건물의 그림자나 이물질 등에 의해 부분 음영이 발생하고, PV 스트링 간에 그리고 PV 어레이 간에 부정합이 발생한다. 이러한 문제점으로 인해 전체적인 태양광 발전 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 따라서 PV 패널의 발전 효율을 유지하기 위해 발전 효율 보상기인 PV 옵티마이저가 필요하다. PV 옵티마이저는 DC-DC 전력변환 장치로써 마이크로 컨버터 방식을 적용하여 각 모듈에서 개별적으로 MPPT를 수행한다. 본 논문에서는 N-벅 컨버터를 이용하여 PV 모듈과 인버터 사이에 전력 보상기로서 활용되는 PV 옵티마이저 회로 소자들의 최적 값을 설계하고 검증하였다.

2. N-벅 컨버터 회로 설계

2.1 N-벅 컨버터

N-벅 컨버터의 회로 동작은 일반적인 벅 컨버터의 동작과 유사하다. 반면에 능동 스위치인 MOSFET을 아래 부분으로 위치해 bootstrap을 위한 구동회로가 따로 필요하지 않아 회로를 간단히 구성할 수 있어 안정성과 가격 경쟁력을 갖출 수 있다. 또한 인덕터의 이상 유･무시 부스트 컨버터와 달리 출력 과전압이 나타나지 않는다⁽¹⁾.

그림. 1. N-벅 컨버터 등가 회로

Fig. 1. Equivalent circuit of N-Buck converter

그림 1은 N-벅 컨버터의 등가회로를 나타내고 그림 2는 PV 모듈과 인버터 사이에서의 인터페이스로 사용된 N-벅 컨버터를 나타내었다. $V_{pv}$는 PV 모듈 전압이고 $V_{out}$는 인버터의 입력 전압이자 컨버터의 출력 전압이다. 듀티비 $D$는 0~1의 값을 가지며 $D$를 가변함으로써 $V_{out}$의 크기 제어가 가능하다. $I_{pv}$는 PV 모듈의 출력전류이고, $I_{out}$는 인버터의 입력 전류이고 컨버터의 출력 전류이다. $R_{i n}$는 컨버터의 입력 저항, $R_{out}$은 부하 저항을 의미한다. 다이오드는 인덕터의 에너지를 환류 시키는 환류 다이오드이고 $C_{f}$는 $L_{f}$와 더불어 필터 역할을 하는 필터 커패시터를 나타낸다. 듀티비 $D$에 따라 패널의 IV 곡선에서 동작 영역과 MPPT 영역을 구분할 수 있다. 이러한 내용을 정리하여 표 1에 나타내었고, 그림 3에 컨버터의 MPPT 동작 특성을 나타내었다⁽¹⁾.

그림. 2. N-벅 컨버터 인터페이스

Fig. 2. N-Buck converter interface

표 1. N-벅 컨버터 동작특성

Table 1. Operational characteristics of N-Buck converter

	$V_{pv}$	$I_{pv}$	$R_{i n}$	$\theta_{R_{i n}}$
D=0	∞	0	∞	0
D=1	$V_{out}$	$I_{out}$	$R_{out}$	$\tan^{-1}\dfrac{1}{R_{out}}$

그림. 3. N-벅 컨버터의 MPPT 특성

Fig. 3. MPPT characteristics of N-Buck converter

표 2. PV 옵티마이저의 설계 사양

Table 2. Design specifications of PV Optimizer

설계 항목	사양
정격 용량	430[W]
스위칭 주파수	48[kHz]
입력 동작 전압	10~50[V]
최대 입력 전류	12[A]

PV 옵티마이저의 각 소자들의 조건과 계산식을 통해 최적 설계값을 도출하기 위한 설계 사양은 표 2와 같다. PV 모듈은 physical model 특성 등을 고려하여 ㈜신성 이엔지 430[W] 제품인 SS-DM430 모듈을 사용하였고, STM32F091을 사용하여 P&O 알고리즘으로 MPPT를 수행하였다.

3. 시뮬레이션

그림 4는 설계 결과 값들을 바탕으로 N-벅 컨버터를 사용한 PV 옵티마이저의 PSIM 시뮬레이션 회로를 나타낸다. 여기서, Rad1=1000, Temp1=25[℃], ZOH1=48[KHz], ZOH2=48[KHz], $C\in_{1}$=90[uF], $Lf_{1}$=33[uH], $Cf_{1}$=60[uF] 이다. 그림 5는 그림 4의 PSIM 시뮬레이션 회로의 각 부분 시뮬레이션 파형이다. $V_{g}$는 MOSFET의 스위치 구동 파형으로 1일 때 스위치가 on을 나타내고 0일 때 스위가 off를 나타낸다. $V_{DS1}$는 다이오드의 동작 파형으로 MOSFET 주 스위치가 on이 되면 off가 된다. $ILf1$은 인덕터의 전류 파형으로써 스위치가 on일 때는 선형적으로 증가하고 스위치가 off일 때는 선형적으로 감소한다. $VLf1$은 출력필터 인덕터에 걸리는 전압을 나타낸다.

그림. 4. PV 옵티마이저 시뮬레이션 회로도

Fig. 4. Simulation Circuit of the PV Optimizer

그림. 5. PV 옵티마이저 PSIM 시뮬레이션 파형

Fig. 5. Simulation Waveform of the PV Optimizer

4. 실험 결과 및 고찰

그림 6과 그림 7은 설계된 회로를 바탕으로 제작된 PV 옵티마이저를 나타낸다. 430[W]의 정격 용량으로 인덕터 2개와 MOSFET 2개를 통해 interleave 동작을 하게 되고, 출력단에 연결되는 인버터는 연속적인 PV 에너지를 공급받아 수용가에 출력을 보내게 된다. 좌측에 입력단과 우측에 출력단으로 구성되어 있고, 보조전원을 통해 전원을 공급받아 STM32F091 MCU가 동작하게 된다.

그림. 6. PV 옵티마이저 전면부

Fig. 6. Front part of PV Optimizer

그림. 7. PV 옵티마이저 후면부

Fig. 7. Rare part of PV Optimizer

그림. 8. PV 옵티마이저의 MPPT 제어

Fig. 8. MPPT of PV Simulator

그림 9는 동작 실험 파형을 나타낸다. $V_{G}$는 MOSFET의 게이트 소스 파형, $V_{D}$는 다이오드의 전압 파형이다. $V_{L}$은 인덕터의 전압으로 turn on일 때는 $V_{pv}-V_{out}$만큼 걸리게 되고 turn off일 때는 $V_{out}$이 걸리게 된다. $I_{L}$은 인덕터의 전류 파형으로써 turn on일 때는 선형적으로 증가하고 turn off일 때는 선형적으로 감소한다⁽⁵⁾.

그림. 9. N-벅 컨버터의 실험 파형

Fig. 9. Experimental Waveform of N-Buck converter

5. 결 론

PV 옵티마이저는 태양광 발전 시스템에서 PV 모듈과 인버터 사이에 위치해 인터페이스와 발전 효율 보상기로 사용된다. PV 패널의 음영에 의한 부정합 등으로 인한 발전 효율 감소를 보상한다. 본 논문에서는 PV 옵티마이저의 회로 설계에 대한 최적 설계에 대해 정리하였다. 먼저 회로의 각 소자별 필요조건들과 사양 계산식을 정리하였고 이를 바탕으로 최솟값과 최댓값을 구하여 설계 범위를 정하고 최적 값을 선정하였다. 정격용량 430[W], 동작 전압 10~50[V], 최대 입력 전류 12[A], 스위칭 주파수 48[kHz]에서 인덕터 33[uH], 커패시터 60[uF]를 설계하여 선정하였다. PSIM 시뮬레이션과 입력단에 43.50[V], 8.591[A], 부하단에 5[Ω]의 회로를 구성한 실험을 통해 설계의 타당성을 입증하였다. 실험 결과, MPPT 변환 효율은 99.87[%]로 측정 되었고 입출력 변환 효율은 99.2[%]로 측정되었다.