2.1 MPPT를 적용한 태양광 발전 시스템

태양광 발전 시스템에서 고효율 전력 생산을 위한 제어 방식은 MPPT기법을 적용하는 것이다. 이는 PV 패널이 생산할 수 있는 전력량은 패널이 보유하고 있는 용량에 따라 전력 생산의 한계가 있다. 전력 생산 한계가 있는 태양광 발전의 경우 그림 1과 그림 2와 같은 I-V 특성 곡선 및 P-V 특성 곡선의 형태를 띄게 된다^[1,2].

그림 1. 태양광 패널의 전력 특성 곡선

Fig. 1. Power characteristic curve of PV panel

그림 2. P&O 알고리즘을 적용한 MPPT의 흐름도

Fig. 2. Flow chart of MPPT Application with P&O Algorithm

그림 1(a)는 태양광 패널의 I-V 특성 곡선을 나타낸 것으로 전압이 증가대비 전류가 일정하다가 어느 전압지점에서 전류가 감소하는 형태인 비선형의 모습이 있다. 이는 태양광 에너지의 특징으로 발전할 수 있는 전압과 전류의 한계가 존재하는 비선형적 특징이다. 이에 따라 전력 발전량을 높이기 위하여 임의의 전압이나 전류를 증가하기보다는 특정한 제어 방식의 도입이 필요하다.

그림 1(b)는 태양광 패널의 P-V 특성 곡선을 보여주는데 이 또한 전압이 증가함에 따라 전력이 비선형적인 모습을 보인다. 그러나 이러한 곡선 중에는 최대전력점(MPP)이 존재하는데 태양광 패널이 받는 일사량에 따라 MPP일 때의 전압이 항상 다른 모습을 볼 수 있다. 예를 들어 $1KW/m^{2}$의 일사량을 받는 경우 약 28.5[V]로 전압을 제어해야지만 MPP를 유지할 수 있고, $0.8KW/m^{2}$의 경우에는 29.3[V]로 전압을 제어하여야 하며, $0.4KW/m^{2}$의 경우 28[V]로 전압을 제어해야지만 MPP를 유지할 수 있다. 이러한 P-V 특성 곡선은 일사량뿐만 아니라 온도, 그늘짐, 먼지 등과 같은 다양한 영향에 따라 곡선이 바뀌게 됨에 따라 각 상황별 MPP를 유지할 수 있는 전압을 특정 지을 수가 없다. 이에 따라 항상 MPP 지점을 유지할 수 있게 하는 MPPT의 제어가 필요하며 전압, 전류를 센싱하고 전력과 비교하여 MPP 지점을 찾아 유지할 수 있는 P&O(Perturb and Observe) 기법을 일반적으로 적용할 수 있다^[5].

2.2 P&O(Perturb & Observe)알고리즘의 MPPT 기법

태양광 발전시스템에서의 MPPT 적용을 위해서는 위해 지속적으로 변화하는 레퍼런스 제어하기 위하여 PI제어가 일반적으로 사용될 수 있고, 태양광 패널의 MPPT를 위하여 다양한 제어 알고리즘이 연구되고 있지만, 최근에도 널리 이용되는 기법은 P&O 알고리즘이다. 이는 태양광 패널의 순시전압 $V(k)$와 순시전력 $P(k)$을 비교하여 전력이 최대점에 도달하도록 전압 레퍼런스를 변화시켜 MPPT 제어를 수행하게 되며, 전압 및 전력의 변화량($\Delta{V}$ and $\Delta {P}$)에 따라 총 4가지의 경우를 산정하여 전압 레퍼런스 ($V_{ref}$)를 가변시켜 다시 MPP 지점을 찾아가게 만들어 주는 것으로 그림 2와 같은 절차에 따라 진행된다.

이러한 P&O 기법은 제어 알고리즘이 간단하고 설계가 용이하여 MPPT 제어에 널리 사용되나 시간 주기나 전압 레퍼런스의 크기 가변에 따라 수렴 속도와 진동이 커질 수 있는 단점이 있을 수 있어 이의 조정이 필요할 수 있고 급격한 외부 환경 변화에 취약하다는 단점이 있을 수 있다.

3.1 제어성능 개선을 위한 안티-와인드업 기법의 적용

앞 장에서의 설명과 같이 지속적으로 변화하는 레퍼런스 제어하기 위하여 PI제어가 사용될 수 있으며 이의 제어 블록도를 그림 3에 나타내었다. 이러한 PI제어기는 여러 문제들을 발생하는데 그 중에서 오차를 적분하는 과정에서 오차가 누적되는 현상인 적분기 와인드업을 고려할 필요가 있다^[6,7].

그림 3은 원하는 전압 제어 오차 $e(t)$를 제어하기 위하여 비례제어기 값 $p(t)$와 적분제어기 값 $i(t)$를 이용하여 제어하는 방식으로 Limit의 제어값 $limit(t)$ 범위를 설정하게 한다. 또한 $limit(t)$는 시간에 따른 함수로써 실시간으로 변화한다. 그러나 이의 방법은 적분기에서 오차가 누적이 되어서 포화가 발생하는 현상 즉 적분기의 누적이 발생되며 이의 오차 가감에 대한 제어 결과를 그림 4에 나타내었다.

그림 3. 제한값 구조를 갖는 PI제어기의 블록도

Fig. 3. Schematic diagram PI controller with limits structure

그림 4. PI 제어기로 부터의 적분기의 누적 파형

Fig. 4. Integrator windup waveform from PI controller

이렇게 적분기 와인드업이 발생하게 되면 출력이 원하는 값에 가까워졌음에도 불구하고 원하는 값을 벗어나거나 응답시간을 지연시키는 등의 문제점이 발생하게 된다^[6][7]. 이는 최종적인 MPPT 제어를 수행함에 있어서도 발생되며 그 단점은 전력 생산의 효율에도 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 적분기 와인드업 현상을 개선하고자 추종 안티-와인드업 기법을 MPPT 제어 알고리즘에 적용하고자 한다.

3.2 추종 Anti-windup 기법의 적용

그림 5는 그림 4의 PI제어기에서 적분제어기 입력부에 대하여 Tracking값을 Proportional과 Integral의 이득 값을 추가한 회로도를 나타낸 것으로 이의 구조도를 추종 Anti-windup 기법이라 칭한다^[7]. 이와 같은 추종 Anti-windup 기법은 그림 5와 같이 일반적인 PI제어처럼 $limit(t)$ 범위 내에서 제어기가 동작할 때 비례제어기 및 적분제어기가 같이 동작하고 $limit(t)$ 범위 외에서는 적분제어기에 포화가 발생 시 적분 값이 커지지 않도록 적분제어기에 피드백하여 포화가 발생하지 않도록 제어하는 기법이다.

즉 그림 5를 보면 $p i(t)> limit(t)$일 때 적분제어기 입력 쪽에 $limit(t)$ 제한 값을 벗어 난 만큼 Tracking 값을 적분제어기에 피드백하여 적분 제어기에서 수정된 값이 나와 기준 전압을 추종하는 방식으로 이러한 과정이 순환되어 적분기의 값이 포화될 수 있는 경우를 방지할 수 있다^[7]. 또한 추종 안티-와인드업의 이득 값은 Proportional 값 분의 1로 설정하여 진행할 수 있다.

그림 5. 추종 Anti-windup 기법의 제어 블록도

Fig. 5. Control block diagram of tracking anti-windup method

4.1 성능검증 모의실험의 설계조건

추종 안티-와인드업 기법을 적용하여 MPPT 제어의 성능을 검증하기 위하여 그림 6의 PV 패널과 연결된 플라이백 컨버터를 사용했다. 또한 MPPT 제어 방식 중 P&O 알고리즘을 이용하여 패널에서 전압과 전류 센서의 값과 레퍼런스 값을 이용하여 제어를 실시하였으며 PI제어기에서는 추종 안티-와인드업 기법에 패널에서 전압 센서값과 레퍼런스를 적용하여 제어를 실시하였다. 모의실험의 파라미터는 표 1과 같이 사용하여 진행하였다.

그림 6. 태양광 발전시스템의 성능 검증을 위한 제어 블록도

Fig. 6. Control block diagram of effectiveness verification for photovoltaic efficiency

4.2 안티-와인드업 및 MPPT제어 기법의 성능 검증

추종 안티-와인드업 기법을 적용함과 동시에 MPPT 제어 성능의 효과를 비교·검증하기 위하여 모의실험을 진행하였다. 그림 7과 같이 오직 P&O 기법만을 이용하여 MPPT 제어를 수행한 모의실험 회로도를 기반으로 하여 추가적으로 추종 안티-와인드업 기법을 동시에 적용하여 MPPT 제어를 적용한 모의실험 회로도를 그림 8에 나타내었다.

그림 7. 추종 안티-와인드업 기법이 없는 MPPT 제어 성능 검증 회로도

Fig. 7. Application control diagram of without tracking anti-windup method based MPPT

그림 8. 추종 안티-와인드업 기법을 적용한 MPPT 제어 성능 검증 회로도

Fig. 8. Application control diagram with tracking anti-windup method based MPPT

그림 9, 그림 10, 그림 11은 일사량의 변화가 각각 $100(W/m^{2})$, $500(W/m^{2})$및 $1000(W/m^{2})$일 때의 추종 안티-와인드업 기법을 적용하지 않았을 때의 제어요소 및 전압 파형과 전력 생산 순시치를 동시에 보여주고 MPP 지점까지 소요 시간을 나타내는 그림이다. 그림 9의 파형을 살펴보면 기존의 P&O 기법만 적용하였을 때는 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.24[s]가 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 그림 10의 파형을 살펴보면 기존의 P&O 기법만 적용하였을 때는 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.09[s]가 걸리는 것을 확인할 수 있었다.

그림 9. 일사량 $100(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 없는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 9. Control wave and power generation without tracking anti-windup method when irradiance is $100(W/m^{2})$.

그림 10. 일사량 $500(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 없는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 10. Control wave and power generation without tracking anti-windup method when irradiance is $500(W/m^{2})$.

또한 그림 11의 파형을 살펴보면 기존의 P&O 기법만 적용하였을 때는 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.07[s]가 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 이때의 과도상태를 살펴보면 적분요소의 제어값이 음의 방향으로 누적이 진행되는 모습을 볼 수 있다.

그림 11. 일사량 $1000(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 없는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 11. Control wave and power generation without tracking anti-windup method when irradiance is $1000(W/m^{2})$.

그림 12. 일사량 $100(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 있는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 12. Control and Power generation with tracking anti-windup method when irradiance is $100(W/m^{2})$.

그림 13. 일사량 $500(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 있는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 13. Control wave and power generation with tracking anti-windup method when irradiance is $500(W/m^{2})$.

마찬가지로 그림 12, 그림 13, 그림 14는 일사량의 변화가 각각 $100(W/m^{2})$, $500(W/m^{2})$및 $1000(W/m^{2})$일 때의 추종 안티-와인드업 기법을 적용하였을 때의 제어요소 및 전압 파형과 전력 생산 순시치를 각각 보여주는 그림이다. 그림 12의 파형을 살펴보면 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.1[s]가 소요된 모습을 볼 수 있다. 이는 P&O기법만을 사용하였을 때보다 약 0.14[s] 빠른 결과이다.

그림 13의 파형을 살펴보면 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.05[s]가 소요된 모습을 볼 수 있다. 이는 P&O기법만을 사용하였을 때보다 약 0.04[s] 빠른 결과이다. 그림 14의 파형을 살펴보면 전압 레퍼런스를 추종하는데 0.05[s]가 소요된 모습을 볼 수 있다. 이는 P&O기법만을 사용하였을 때보다 약 0.02[s] 빠른 결과이다.

그림 14. 일사량 $1000(W/m^{2})$일 때 추종 안티-와인드업 기법이 있는 경우의 제어파형과 전력생산

Fig. 14. Control wave and power generation with tracking anti-windup method when irradiance is $1000(W/m^{2})$.

따라서 표 2처럼 다양한 일사량 조건에서 살펴 보듯이 적분요소 제어 값의 과도상태를 살펴보면 추종 안티-와인드업 기법을 적용하여 적분 제어 값이 음의 방향으로 누적되지 않는 모습을 볼 수 있고 전압 및 전력 생산의 파형도 빠르게 안정적으로 운영됨을 알 수 있다. 즉 MPPT 제어에 추종 안티-와인드업 기법을 적용한다면 변화하는 레퍼런스 전압에 빠른 속응성을 가지는 제어가 가능하다고 판단되고 MPPT 제어 시 안티-와인드업 적용 시 전력 생산 효율을 최대화에 기여할 수 있다고 예상된다.