2.1 3-레그 인버터의 토폴리지와 제어 방식

일반적으로 태양광 발전시스템에서 태양광 에너지로 얻은 DC 입력 전원을 AC 출력 전원으로 변환시킬 때 인버터가 사용된다.

그림 1은 3-레그 인버터가 적용된 태양광 발전 시스템의 회로도 회로도를 나타낸다. 기본적으로 PV 패널이 생산하는 전압의 크기는 계통의 전압보다 작다. 이에 PV 패널과 인버터 사이에 전압을 승압시킬 수 있는 컨버터를 구성할 수 있으며 본 논문에서는 그림 1과 같이 플라이백 컨버터를 사용하였다. 이후 회로에는 3-레그 방식의 인버터를 적용할 수 있으며 IGBT 6개가 동작하여 DC 입력 전원을 AC 출력 전원으로 변환시켜준다.

그림 2는 태양광 발전 시스템 제어 중 3-레그 인버터 제어 블록도를 보여준다. 전류 레퍼런스와 측정된 전류의 오차인 $i_{abc_{-}error}$는 PI 제어기를 통해 제어량으로 변환된다. 그 후 PWM 파형을 각각 IGBT에 신호를 보내 인버터가 DC 입력 전원에서 AC 출력 전원으로 전력 변환을 할 수 있도록 한다^[5,6].

2.2 2-레그 인버터의 토폴리지와 제어 방식

인버터의 또 다른 방식 중 하나인 2-레그 방식은 기존의 3-레그 방식에서 사용되는 IGBT보다 2개 적게 사용하지만 3-레그 방식으로 동작하는 인버터와 동일하게 전력을 얻을 수 있다.

그림 3은 2-레그 인버터가 적용된 태양광 발전 시스템의 회로도를 보여준다. 2-레그 방식으로 동작하는 인버터는 3-레그 방식과 다르게 IGBT 4개를 이용해 DC 입력 전원에서 AC 출력 전원을 얻는다. 기존에 사용되던 임의 하나의 상을 DC Link 캐패시터 2개의 중앙에 연결하고 적절한 제어를 수행한다면 3-레그 방식과 동일하게 DC 입력 전원으로부터 AC 출력 전원을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 3개의 상 중 C상의 IGBT가 단락된 것을 가정하였으며 이 때의 제어 블록도는 다음과 같다.

그림 4는 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있는 2-레그 인버터의 제어 블록도를 보여준다. 그림 4를 살펴보면 PI 제어기를 거친 후의 제어량 중 C상의 제어량인 $v_{c}^{*}$가 A상의 제어량 $v_{a}^{*}$와 B상의 제어량 $v_{b}^{*}$에 각각 감산되어 각각 $v_{at}^{*}$, $v_{bt}^{*}$로 변환된다. 이를 사용해 PWM 파형 생성하고 IGBT에 신호를 보내면 인버터가 정상적으로 계통에 전력 변환 및 공급할 수 있다. 이에 대한 각 상의 제어 방식에서의 전압은 아래와 같이 표현할 수 있다^[7,8].

2.3 태양광 발전 시스템에 적용된 MPPT 제어 방식

기본적으로 태양광 발전시스템의 제어는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 중 그림 5의 P&O(Perturb&Observe) 방식의 알고리즘을 사용하였다. P&O 방식은 아래의 식 4와 식 5와 같이 현재 전압($V$)과 전력($P$) 값을 이전의 전압($V_{old}$)과 전력($P_{old}$) 값과 비교하여 임의 값인 $\alpha$만큼 계산하여서 최대전력점을 추종하는 방식이다. 해당 기법은 다른 MPPT 제어 기법에 비해 간단한 알고리즘을 이용한 방식이여서 많이 사용된다. 본 논문에서는 그림 5와 같은 P&O 방식을 기반으로 최대전력추종을 수행한다.

3.1 단락사고 대응을 위한 레그 절체 방안의 적용

본 논문에서 제안하는 레그 절체 방식은 3-레그 방식으로 구동하는 인버터에서 하나의 레그에 해당하는 IGBT에 단락사고가 발생할 경우 그 레그를 절체하여 2-레그 방식으로 인버터 구동 방식을 변환하는 방안을 의미한다.

그림 6은 레그 절체 방식이 적용된 태양광 발전 시스템의 전체적인 회로도를 보여준다. 여기서 레그 절체 방식은 오직 태양광 발전 시스템 중 인버터에만 적용되며 이에 대한 세부적인 회로도는 그림 7과 같다.

그림 7은 레그 절체 방식이 적용된 인버터의 세부 회로도를 보여준다. 기본적으로 IGBT의 단락사고가 발생하면 메인 회로와 분리될 수 있는 회로가 필요하다. 이에 따라 $sw A_{-}b$, $sw B_{-}b$, $sw C_{-}b$를 각 IGBT에 위치시켜 단락사고가 발생된 레그가 메인 회로에서 분리될 수 있도록 하였다. 이러한 스위치는 b접점의 특성을 갖는 스위치로 구성하여 평소에는 언제나 전류가 흐를 수 있도록 하였다.

또한, 단락사고가 발생된 레그에도 정상적으로 전류가 흐를 수 있는 회로가 추가적으로 필요하다. 이에 따라 그림 7과 같이 $sw A_{-}a$, $sw B_{-}a$, $sw C_{-}a$를 추가적으로 설치하고 DC Link 캐패시터 중성점과 각각 연결시킨다. 이 때 사용된 스위치는 a접점의 특성을 갖는 스위치로 구성하여 평소에는 전류가 흐를 수 없도록 하였다.

본 논문에서는 오직 C상에 위치해있는 IGBT에서 단락사고가 발생한다고 가정하였다. 이에 따라 C상에 위치해있는 IGBT에서 단락사고가 발생한다면 $sw C_{-}b$가 open되어 C상의 IGBT가 메인회로가 분리되며 $sw C_{-}a$가 close되어 C상의 계통회로가 DC Link의 중성점으로 연결될 수 있도록 동작된다.

3.1 단락사고 대응을 위한 레그 절체 방안의 성능 검증

레그 절체 방식으로 동작하는 인버터의 가능성을 검증하고자 모의실험을 진행하였다. 모의실험에 사용된 회로는 그림 8과 같이 제안하는 인버터 회로도를 사용하였으며 태양광 패널과 플라이백 컨버터 및 인버터의 파라미터는 다음 표 1과 같이 설정하였다.

그림 9는 태양광 발전 시스템의 정상 동작 확인을 위한 MPPT 구동 모의실험 결과를 보여준다. 여기서 그림 9(a)는 플라이백 컨버터 1,2차측 전압 파형을 나타내며 그림 9(b)는 MPPT 수행에 따른 PV 패널 생산 전압 파형을 보여준다. 그림 9(a)을 살펴보면 플라이백 컨버터의 변압기의 턴수비를 1:4로 설계했음에 따라 1,2차측 전압이 각각 32.699[V], 130.798[V]가 인가된 것을 볼 수 있다.

그림 9(b)를 살펴보면 P&O 알고리즘을 적용하여 MPPT를 수행하였으며 정상적으로 최대전력에 해당하는 전압을 추종하고 있는 것을 알 수 있다. 이에 따라 태양광 발전 시스템에 레그 절체 방안을 적용하기에 앞서 정상적으로 PV 패널의 제어가 정상적으로 수행하고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 10은 3-레그 방식으로 동작하는 인버터의 단락사고 발생 전의 다양한 파형을 나타낸다. 여기서 그림 10(a)를 살펴보면 단락사고가 발생 전임에 따라 정상적으로 C상의 IGBT 전류인 $I_{sw_{-}5}$, $I_{sw_{-}6}$가 흐르는 것을 볼 수 있다. 또한, $I_{DC_{-}C}$의 전류는 흐르지 않고 있음에 따라 인버터가 3-레그로 동작하고 있음을 알 수 있다.

여기서 그림 10(b)와 그림 10(c)는 각각 인버터가 계통으로 공급하는 3상 전압 및 3상 전류의 파형이며 인버터가 정상적인 전압과 전류를 계통에 공급하고 있음을 알 수 있다.

그림 11은 3-레그 방식으로 동작하는 인버터 중 C상의 단락사고가 발생하여 레그 절체 방안 적용이 적용된 후의 다양한 파형을 나타낸다. 여기서 그림 11(a)를 살펴보면 단락사고가 발생하여 $sw C_{-}b$를 동작시켰으며 C상의 IGBT 전류인 $I_{sw_{-}5}$, $I_{sw_{-}6}$가 차단된 모습을 볼 수 있다. 또한, $sw C_{-}a$를 동작시켜 $I_{DC_{-}C}$의 전류가 흐르고 있는 모습을 볼 수 있다.

여기서 그림 11(b)와 그림 11(c)는 각각 인버터가 계통으로 공급하는 3상 전압 및 3상 전류의 파형이며, 이때 인버터가 공급하는 전압과 전류의 크기가 그림 10(b)와 그림 10(c)와 동일한 것을 볼 수 있다. 즉, 레그 절체 방안을 사용함으로써 IGBT 단락사고에 따른 전력 공급 중단을 회피할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 레그 절체 방안의 성능을 확실히 검증하고자 태양광 발전 시스템에서 3-레그 방식으로 동작 중 C상의 단락사고가 발생했다는 가정하에 2-레그로 동작하는 인버터로 변환하는 모의실험을 추가로 진행하였다.

그림 12는 레그 절체 방안 적용에 따른 인버터 단락사고 발생 전후의 다양한 파형을 보여준다. 본 논문에서는 C상에서 단락사고가 발생하였다고 가정하였으며 그림 12에서는 약 0.525[s]에서 C상의 단락을 발생시켰다.

그림 12(a)를 살펴보면 C상의 단락사고가 발생한 0.525[s]의 전후에 따라 $I_{sw_{-}5}$, $I_{sw_{-}6}$, $I_{DC_{-}C}$의 전류 흐름이 변화한 모습을 볼 수 있다. 0.525[s] 이전에는 $I_{sw_{-}5}$, $I_{sw_{-}6}$의 전류가 흘렀으며 단락사고가 발생한 0.525[s] 이후에는 오직 $I_{DC_{-}C}$의 전류만 흘렀다.

이에 반해 인버터가 생성한 전압 및 전류의 파형인 그림 12(b)와 그림 12(c)를 살펴보면 0.525[s] 전후의 파형들이 모두 동일한 모습을 볼 수 있다. 또한, PV 패널이 생성하는 전압 파형인 그림 12(d)도 지속적인 MPPT가 수행되고 있음을 볼 수 있었다.

즉, 레그 절체 방안으로 동작하는 인버터를 태양광 발전 시스템에 적용할 경우 하나의 상에서 발생하는 단락사고의 전력 공급 중단을 회피하기에 충분한 성능을 낼 수 있음을 검증할 수 있었다.