최종용
(Jong-Yong Choi)
1
이현재
(Hyun-Jae Lee)
1
박대전
(Dae-Jeon Park)
2
손진근
(Jin-Geun Shon)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea.)
-
(E&H Corporation, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Flyback converter, MPPT, Photovoltaic generation system, PV panel, P&O control method
1. 서 론
현재 전 세계적으로 여러 문제점 중에서 대표적으로 뽑을 수 있는 것은 바로 환경오염과 자원 고갈로 인한 문제를 뽑을 수 있다. 이러한 문제점을 해결하고자
전 세계적으로 자원 고갈 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지인 재생에너지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다[1]. 다양한 재생에너지 중에서 일상생활에서 쉽게 에너지를 얻을 수 있는 태양광에 대한 연구가 많이 이루어지고 이에 따른 다양한 정책들이 전 세계적으로
시행되고 있다. 태양광 에너지를 가정에서 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환될 때 태양광 발전시스템을 이용하여 변환시킨다. 또한 변화하는 기상조건
및 그늘짐 현상에서도 PV 패널에서 항상 최대 전력을 생산할 수 있도록 PV 패널에서 전력 생산 증대를 위해 다양한 연구가 이루어져 왔다. 전력 생산
증대를 위해 구조적인 방식과 제어적인 방식으로 나뉘어지는데 본 논문에서는 제어적인 부분에 대해 알아보고자 한다. 태양광 발전시스템에서 전력 생산 증대를
위해 PV 패널이 항상 최대전력을 생산 할 수 있도록 하는 제어 방식을 MPPT 제어 방식이라 한다[2]. 다양한 MPPT 제어 방식에는 P&O 방식, InC 방식, FSCC 방식, 가변 스탭 사이즈 방식 등 다양한 제어 방식이 연구되었다[3-6]. 이 중 P&O 제어 방식은 현재 전압과 전력 값을 이전의 전압과 전력 값을 비교하여 MPP 지점을 찾아가는 제어 방식이다. 하지만 P&O 제어
방식은 전압 레퍼런스 변동값에 따라 전력 손실이 발생하게 된다[7-8]. 이를 보완하고자 적절한 전압 레퍼런스 변동값을 통해 제어를 실시해야지 전력 손실을 최소로 줄일 수 있다.
본 논문에서는 P&O 제어 방식에서 전압 레퍼런스 변동값에 따라 전력 손실을 줄이는 Double band 제어 방식을 제안한다. Double band
제어 방식은 2개의 전압 레퍼런스 변동값을 통해 MPP 지점을 찾고, MPP 지점을 찾았을 경우 변동값을 가산하지 않고 유지하면서 제어하는 방식이다.
또한 2개의 변동값을 통해 찾은 MPP 지점에 일정한 상수값을 곱하여서 Band 지점을 만들어서 해당 지점을 벗어 났을 경우에만 MPPT 제어를 실시하는
방식이다. 제안하는 Double band 제어 방식을 검증하고자 모의실험을 통해 P&O 제어 방식과 비교분석하였다.
그 결과 Double band 제어 방식을 이용하여 MPPT 제어를 실시하였을 때 P&O 제어 방식보다 더 많은 전력을 생산할 수 있는 것을 검증하였다.
2. 태양광 발전시스템의 제안하는 MPPT 제어 방식 적용을 위한 P&O 제어 방식 분석
태양광 발전시스템에서 사용되는 PV 패널을 통해 얻은 에너지를 전기에너지로 변환하고 효율을 높이고자 최대전력점추종(Maximum Power Point
Tracking : MPPT) 제어 방식이 사용된다. 그늘짐과 변화하는 외부환경에서도 PV 패널이 항상 최대 전력을 생산할 수 있도록 다양한 MPPT
제어 기법들이 연구되었다. 그 중에서 본 절에서는 가장 많이 사용되는 P&O 제어 기법에 대해 알아보고 P&O 제어 기법의 문제점에 대해 알아보고자
한다.
2.1 P&O 알고리즘 및 제어 방식
P&O(Perturb & Observe) 제어 방식은 다른 MPPT 제어 방식에 비해 그림 1과 같이 간단한 알고리즘을 사용하여 최대전력점(Maximum Power Point : MPP)을 찾아가는 제어 방식이다. 기본적으로 PV 패널 출력단에
전압과 전류 센서를 기반으로 현재 전압과 전력값을 이전의 전압과 전력값을 비교하여 MPP 지점을 찾아가는 방식이다.
그림 1. P&O 제어 방식의 알고리즘
Fig. 1. Algorithm of P&O control method
그림 2는 P&O 방식의 제어 수행 과정을 나타낸다. $\triangle P$와 $\triangle V$의 식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
그림 2(a)와 (b)는 $\triangle P$가 0보다 클 경우 제어 수행 과정을 나타내고, 그림 2(c)와 (d)는 $\triangle P$가 0보다 작을 경우 제어 수행 과정을 나타낸다. 마지막으로 $\triangle V$의 값에 따라 $V_{ref}$값에
전압 레퍼런스 변동값인 $\alpha$라는 값을 가산하여 MPP 지점을 찾아가는 제어 방식이다.
그림 2. P&O 제어 방식의 수행 과정
Fig. 2. Process of P&O control method
2.2 P&O 제어 방식의 문제점
본 논문에서 Double band 제어 방식은 기존의 P&O 제어 방식에서 문제점을 보완하여 효율 증대를 목표로 한다. 이에 P&O 제어 방식의 가장
큰 문제점에 대해 알아보고자 한다.
P&O 제어 방식의 첫번째 문제점으로 $\alpha$값을 이용하여 MPP 지점에 도달한 후에도 지속적으로 $\alpha$값을 이용하여 MPP 지점을
찾는 동작을 수행하는 과정에서 전력 손실을 유발한다.
P&O 제어 방식의 두 번째 문제점으로 그림 3과 같이 $\alpha$값에 따라 전력 손실이 유발된다. $\alpha$값이 클 경우 MPP 지점 도달시간은 단축되지만 MPP 부근에서 전력 변동이
커서 안정성이 떨어진다. $\alpha$값이 작을 경우 MPP 부근에서 전력 변동은 적어져서 안정성이 좋아지지만 MPP 지점 도달시간까지 상대적으로
오랜 시간 소요되는 문제점이 있다.
이에 따라 본 논문에서는 이러한 P&O 제어 방식의 문제점을 보완하여 Double band 제어 방식을 제안한다.
그림 3. 전압 레퍼런스 변동 값에 따른 P&O 제어 방식의 동작 과정 (a) 전압 레퍼런스 변동 값이 클 경우 (b) 전압 레퍼런스 변동 값이 작을
경우
Fig. 3. Operation process of P&O control method according to voltage reference change
value (a) voltage reference fluctuation value is large (b) voltage reference fluctuation
value is small
3. 태양광 발전시스템의 효율 증대를 위한 Double Band 제어 방식과 성능 검증
3.1 효율 증대를 위한 Double Band 제어 방식의 적용
본 논문에서 제안하는 Double band P&O 제어 방식은 기존의 P&O 제어 방식의 가장 큰 문제점인 전압 레퍼런스 변동값인 $\alpha$값에
따른 전력 손실 및 MPP 지점에서 안정성을 보완한 제어 방식이다. Double band 제어 방식은 그림 ?과 같이 1차로 $\alpha$값을 크게
하여서 빠르게 초기 MPP 지점을 찾고 찾았을 경우 MPPT 안정성 판별 검사를 진행한다. MPPT 제어가 안정되었다고 판별되었을 때 $\alpha$값보다
훨씬 더 작은 $\beta$값을 이용하여 정확한 MPP 지점을 찾는다. 마찬가지로 MPP 지점을 찾고 MPPT 안정성 판별까지 진행한다. 최종 MPP
지점을 찾고 안MPPT 제어가 안정되었다고 판별되었을 때 일사량이 변하기 전까지 그림 4의 Point 지점과 같이 전압 레퍼런스 값을 변화하면서 제어를 실시하지 않고 최종 MPP 값으로 제어를 실시한다.
그림 4. Double band 제어 방식의 동작 과정
Fig. 4. Operation process of double band control method
일사량 변화시 MPPT 제어를 위해 그림 5(a)와 같이 band 지점을 설정해놓고 MPPT 제어를 실시한다. 기존의 $\alpha$와 $\beta$값을 통해 MPPT 제어를 실시하고 안정성 판별
후 구한 MPP 지점에 $k_{-}1$, $k_{-}2$, $k_{-}3$, $k_{-}4$ 상수 값을 곱해줘서 band 지점을 설정한다. 이 후
그림 5(c)와 그림 5(d)와 같이 band 지점을 벗어났을 경우 $\alpha$와 $\beta$값을 통해 MPP 지점을 찾아 제어를 실시한다. 그림 6은 본 논문에서 제안하는 Double Band 제어 방식의 알고리즘을 나타낸다.
그림 5. Double Band 제어 방식의 알고리즘
Fig. 5. Process of double band control method
그림 6. Double band 제어 방식의 알고리즘
Fig. 6. Double Band Control Algorithm
3.2 효율 증대를 위한 Double Band 제어 방식의 성능 검증
태양광 발전시스템에서 Double band 제어 방식의 가능성을 검증하고자 모의실험을 진행하였다. 그림 7 회로도를 기반으로 모의실험을 진행하였고 모의실험에 사용된 PV 패널과 Flyback converter의 파라미터는 표 1과 같이 설정하였다.
그림 7. Double band 제어 방식의 성능 검증 모의 회로도
Fig. 7. Double band control method performance verification simulation circuit diagram
그림 8은 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식의 MPPT 과정 파형을 보여준다. 지점을 추종하는 파형이다. 그림 8(a)는P&O 제어 방식을 통해 MPP 지점 추종 파형이고, 그림 8(b)는 Double band 방식을 통해 MPP 지점을 추종하는 파형이다. 이를 기반으로 일사량 $500[W/m^{2}]$, $750[W/m^{2}]$,
$1000[W/m^{2}]$일 때 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식을 통해 PV 패널에서 얻을 전력량을 비교하였다.
표 1 모의실험에 사용된 다양한 파라미터
Table 1 Summary of the various parameters used in the simulations
|
Parameter
|
Value
|
Units
|
|
$Irradiation$
|
500, 750, 1000
|
$[W/m^{2}]$
|
|
$DC_{-}Link_{-}C$
|
4700
|
$[\mu F]$
|
|
$L_{m}$
|
300
|
$[\mu H]$
|
|
$C$
|
1000
|
$[\mu F]$
|
|
$f$
|
20
|
$[k Hz]$
|
|
$N_{1}:N_{2}$
|
1:4
|
-
|
그림 8. P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식의 MPPT 과정 파형
Fig. 8. MPPT process waveform of P&O control method and Double band control method
그림 9는 일사량이 $500[W/m^{2}]$일 때, 그림 10은 $750[W/m^{2}]$일 때, 그림 11은 $1000[W/m^{2}]$일 때 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식을 통해 PV 패널에서 얻은 전력량을 나타낸다. 그 결과 표 2를 보면 PV 패널에서 P&O 제어 방식보다 Double band 제어 방식을 통해 얻은 전력 생산량이 더 많은 것을 알 수 있다. 일사량이 증가함에
따라 전력 생산량 차이가 증가함을 알 수 있다. 또한 일사량 변화시 전력 생산량 차이를 비교하고자 모의실험을 추가로 진행하였다.
그림 12는 일사량 변화시 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식의 MPPT 과정 파형을 보여준다. 0∼0.3[s]는 일사량 $500[W/m^{2}]$일
때, 0.3∼0.6[s]는 일사량 $750[W/m^{2}]$일 때, 0.6∼1[s]는 일사량 $1000[W/m^{2}]$일 때를 나타낸다.
그림 12(a)를 살펴보면 일사량이 변하여도 MPP 지점을 찾기 위해 $\alpha$값을 통해 꾸준히 제어하는 것을 알 수 있다. 이에 반해 그림 12(b)를 살펴보면 일사량이 변화할때 $\alpha$와 $\beta$값을 통해 MPP 지점을 찾고 MPP 지점을 찾았을때에는 더 이상 $\alpha$와 $\beta$값을
가산하면서 MPP 추종을 하지 않는 것을 알 수 있다.
그 결과 그림 13에서 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식으로 얻은 PV 패널에서의 전력 생산량 차이가 발생하는 것을 알 수 있다.
이에 따라 태양광 발전시스템에서 전력 생산 증대를 위해 Double band 제어 방식을 사용시 P&O 제어 방식보다 충분한 성능을 낼 수 있음을
검증할 수 있었다.
그림 9. 일사량 $500[W/m^{2}]$에서 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식으로 얻은 PV 패널에서의 전력 생산량 파형
Fig. 9. Waveform of power generation from PV panel obtained by P&O control method
and double band control method at $500[W/m^{2}]$ irradiation
그림 10. 일사량 $750[W/m^{2}]$에서 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식으로 얻은 PV 패널에서의 전력 생산량 파형
Fig. 10. Waveform of power generation from PV panel obtained by P&O control method
and double band control method at $750[W/m^{2}]$ irradiation
그림 11. 일사량 $1000[W/m^{2}]$에서 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식으로 얻은 PV 패널에서의 전력 생산량 파형
Fig. 11. Waveform of power generation from PV panel obtained by P&O control method
and double band control method at $1000[W/m^{2}]$ irradiation
그림 12. 일사량 변화시 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식의 MPPT 과정 파형
Fig. 12. MPPT process waveform of P&O control method and double band control method
when irradiation changes
그림 13. 일사량 변화시 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식으로 얻은 PV 패널에서의 전력 생산량 파형
Fig. 13. Waveform of power generation from PV panel obtained by P&O control method
and double band control method when irradiation changes
표 2 일사량별 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식에 따른 전력 생산량
Table 2 Electricity production according to P&O control method and double band control
method by irradiation
|
Irradiation
|
P&O
MPPT
|
Double band
MPPT
|
Difference
|
|
$500[W/m^{2}]$
|
145.7$[W]$
|
150.5$[W]$
|
4.8$[W]$
|
|
$750[W/m^{2}]$
|
220.3$[W]$
|
228.5$[W]$
|
8.2$[W]$
|
|
$1000[W/m^{2}]$
|
294$[W]$
|
305.5$[W]$
|
11.1$[W]$
|
5. 결 론
본 논문에서는 태양광 발전시스템에서 전력 생산 증대를 위한 Double band 제어 방식을 적용하고 성능을 검증한다. Double band 제어
방식을 검증하기에 앞서 기존의 P&O 제어 방식과 P&O 제어 방식의 문제점에 대해 서술하였으며 태양광 발전시스템에서 이를 보완할 수 있는 Double
band 제어 방식에 대하여 서술하였다. 이를 검증하기 위하여 P&O 제어 방식과 Double band 제어 방식을 모의실험을 수행하였으며 이의 PV
패널에서 얻을 수 있는 전력 생산량을 분석하였다.
그 결과 Double band 제어 방식으로 MPPT 제어를 실시하였을 경우 기존의 P&O 제어 방식보다 PV 패널에서의 전력 생산량이 증가한 것으로
확인할 수 있었다.
이에 따라 태양광 발전시스템에서 Double band 제어 방식으로 MPPT 제어시 기존의 P&O 제어 방식에서 얻을 수 있는 전력보다 더 많은 전력을
생산할 수 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation
and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic
of Korea (No. 20214000000060).
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저자소개
He is pursuing his M.S. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. His research
interests are Power conversion and Photovoltaic generation system.
E-mail : cjy5730@gachon.ac.kr
He received his M.S. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. currently
he is pursuing his Ph. D. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. His research
interests are Power conversion and Power control.
E-mail : lhj501@gachon.ac.kr
He received his B.H. degree in Soongsil University, Dongjak-Gu, Seoul, Korea. He
is currently working as CEO of E&H Corporation. His research interests are Power conversion
and Power control.
E-mail : thebradpark@gmail.com
He received his B.S., M.S. and Ph. D, degrees in the Department of Electrical Engineering
from Soongsil University in 1990, 1992 and 1997. He was Chief Researcher in Electro-
Mechanical Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd., Gyeonggi-do, Korea,
during 1992-1995. He was a Postdoctoral Researcher in the Department of Electrical
and Electronic Engineering, Kagoshima University, from 2002 to 2003. He was also a
Visiting Scholar in the Power Electronics Laboratory, Michigan State University, from
2009 to 2010. He is currently a Professor at the school of Electrical Engineering,
Gachon University, Korea. His research interests are the power conversion, control
and diagnosis of power utility.
E-mail : shon@gachon.ac.kr