최대 전력점 추적에 의한 새로운 태양광 에너지 변환 시스템

Abstract

무공해, 친환경 에너지인 태양전지는 여러 연료 및 열병합 발전이 가능한 미래의 새로운 에너지원으로 기대되고 있다. 태양광 에너지 발전에서 저전압·대전류 출력 특성을 갖는 새로운 전력변환 시스템이 주목받고 있다. 태양광 발전시스템은 PV 모듈의 출력을 최대효율로 변환하고 낮은 출력전압을 높은 직류로 변환하는 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터가 필요하다. 본 논문에서는 태양전지의 발전특성에 기초하여 부스트 컨버터를 이용한 PV 모듈의 최대 전력점 추적(MPPT) 구조를 제안하였으며, 낮은 PV 모듈의 출력전압을 직류 320[V]로 승압하는 직병렬공진 DC/DC 컨버터 및 상용전원에 적합한 교류전원으로 변환하는 인버터를 설계하고 제작하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 첫째로 PV 모듈이 직렬로 연결될 경우 PV 어레이의 전력발생에서 비정상적 조건은 MPPT의 실행을 상당히 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 비정상적인 조건에 의해 PV 시스템에 있어서 전력발생의 감소를 최소화할 수 있도록 PV 모듈에 대한 전력발생 주변회로의 적합한 구조와 PV 특성에 기초한 MPPT의 제어알고리즘이 제안되었다. PV 모듈의 발생전력 제어회로는 PV 모듈의 출력전압, 전류 검출에 의해 최대 전력점을 제어한다. 부스트 컨버터 양단의 출력전압은 DC/DC 컨버터 입력전압으로 낮은 리플 전압을 유지하고 안정된 DC24 [V]를 유지한다. 둘째, DC 24[V]의 부스트 컨버터 출력전압을 DC 320[V]로 승압하는 DC/DC 컨버터가 해석되고 설계되었다. DC/DC 컨버터는 직병렬 공진형이고 정류회로의 출력필터에 1개의 콘덴서를 사용함으로써 회로를 간단히 하고 인버터측에 안정하게 고전압을 공급할 수 있었다. 셋째, 상용교류 전원에 연계하기 위한 전파 브리지 인버터의 해석과 설계 결과를 제시하였다. 단상 인버터는 풀 브리지로 구성되어 있는 4개 IGBT 에 의해 전류 추종제어 되며 출력전압과 전류파형은 정현파이다. 전파 브리지 인버터의 PWM제어에 있어서 스위치 S₁,S₂는 고주파 변조에 의해 동작하고 반면에 는 위상을 결정하고 저주파 변조에 의해 동작한다. 또한 채용한 인버터는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 최대 전력점 추적제어는 부스트 컨버터의 MOSFET로 구성되고 직병렬공진 DC/DC 컨버터는 4개의 MOSFET로 구성되며 단상 인버터는 풀 브리지의 4개 IGBT 스위치에 의해 구성된다. PV에너지의 디지털 제어 단상 변환기들은 DSP제어에 의해 설계되고 구현되었다. DSP를 이용한 저가의 태양광 에너지 변환시스템을 개발하였다. 태양광 인버터의 해석과 설계를 바탕으로 시뮬레이션과 실험을 통하여 다음과 같은 결과가 나타났다. 1) PV 발생전력의 최대 전력점 추적은 TMS320F2812 DSP와 부스트 컨버터를 사용하여 1[kW]급 직류 24[V]의 출력을 갖도록 구현하였으며 양호한 출력특성을 얻었다. 2) 인버터에 직류 320[V]의 고전압을 공급하기 위해 낮은 PV 출력전압 24[V]를 약 15배까지 승압할 수 있고, 기존의 DC/DC 승압컨버터보 다 구현이 간편하고, 대용량에 사용하므로 적합한 새로운 고주파 절 연 공진형 직병렬 컨버터를 설계 제작하였다. 3) SPR 컨버터는 위상천이 PWM 제어법을 이용하여 부분공진에 의한 ZVS를 실현하였으며, 일정스위칭 주파수화 및 스위칭 손실, 피크전압 과 전류를 저감시켰다. 4) 단상 풀-브리지 인버터를 설계, 제작하여 TMS320F2812 DSP 보드와 PWM를 이용한 SPWM 스위칭기법에 의하여 가정용 교류전압을 구 현하였다. 제안한 태양광 에너지 변환 시스템의 효과가 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 타당성을 증명하였다.

The rapid depletion of fossil fuel resources on a worldwide basis has necessitated an urgent search for alternative energy sources to meet to the present day demands. Alternative energy resources, such as solar and wind energies, are clean, inexhaustible, and environment-friendly potential resources of renewable energy options. It is prudent that neither a standalone solar nor a wind energy system can provide a continuous supply of energy due to seasonal and periodical variations. The world's increasing energy demands and environmental pollution are motivating research and technological investments related to renewable energy source. Among the various renewable energy system, PV power generation systems are expected to play an important role as a clean power electricity source since solar energy offer easy installation to end users on roof tops of residences an facades of buildings. A PV(photovoltaic) array with low voltage and high current output characteristics is remarkable for new generation system. It needs both a DC/DC step-up converter and DC/AC inverter to be used in solar cell generation system. The final aims of study have carried out optimization of autonomous hybrid PV/wind energy system, but the aims of this study develope an algorithm to optimize a photovoltaic-array with battery bank for a standalone hybrid PV/wind system. Partially shaded photovoltaic(PV) modules typically exhibit additional difficulties in tracking the maximum power point since their power-voltage characteristics are complex and may have multiple local maxima. This paper presents the three parts, on a new MPPT(maximum power point tracking) method for PV modules with boost converter, a series-parallel resonant converter(SPRC) to boost the PV array voltage 320[VDC] and a PWM inverter with LC filter to convert the DC voltage to single-phase 220[VAC]. First, it illustrated that nonideal conditions considerably downgrade the performance of MPPT, especially when photovoltaic modules are connected in series. To solve this problem, it is proposed an power interface for each photovoltaic module and recommended a structure suitable for the photovoltaic features and MPPT to minimize the performance reduction caused by nonideal conditions. The current controller is employed in the PV energy conversion system to perform a rapid maximum power point tracking. So, the current control is easier than for the voltage control, allowing a simple design. Electrical tracking of the MPPT is achieved through power conditioning boost converter with MOSFET switch. Secondary, for a high-voltage step-up with transformer, the series-parallel resonant converter(SPRC) is used. SPRC shows simple models for the series-parallel resonant topology with a capacitor as output filter. Its dynamics and steady state are studied and constitute an important help for any designer. In the case of the steady state, the model is extremely simple and can be expressed as an easy to use equivalent circuit. It is shown that a series parallel resonant tank type inverter fed DC/DC power converter with high voltage high frequency transformer link, which are designed for the application of the inverter voltage source. It is shown that employing a SPRC(series parallel resonant converter) with four MOSFET's switch in full bridge. and operating above resonance is suitable for the present application. Third, for applied to connected output power of a SPRC, single phase inverter uses predicted current control to control four IGBT's switch in full bridge. The controller of the system is implemented with a 14-bit digital signal processor TMS 320F2812 The effectiveness of the proposed an PV energy conversion system is confirmed experimentally and by means of simulation. Finally, experimental results confirm the superior performance of the proposed method.