KR100886891B1 - Control system of solar cell generation using genetic algorithm and neuro fuzzy controller - Google Patents
Control system of solar cell generation using genetic algorithm and neuro fuzzy controllerInfo
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Abstract
Description
본 발명은 태양광의 입사 조건에 따른 MPPT 제어를 수행하는 시스템에 관한 것으로서, 특히 태양광 발전 시스템의 최대 전력 추종을 위한 유전자 알고리즘에 의해 제어되는 뉴로퍼지 제어기를 이용하여 태양광 모듈이 위치한 환경조건의 변화에 대해 최대의 전력을 얻을 수 있도록 제어하는 태양광 발전 제어시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for performing MPPT control according to the incident conditions of solar light, and in particular to the environmental conditions in which the solar module is located by using a neurofuge controller controlled by a genetic algorithm for tracking the maximum power of the solar power generation system. The present invention relates to a photovoltaic control system that controls maximum power for change.
일반적으로, 태양광발전(PhotoVoltaic power generation, Photovolatics)은 발전기의 도움없이 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 방식으로서, 태양전지를 이용하여 실제 수요부하에 맞게 구성한 발전 시스템이다.In general, photovoltaic power generation (Photovolatics) is a power generation system that converts light directly into electrical energy using a solar cell without the aid of a generator, and is a power generation system configured according to actual demand load using a solar cell.
이는, 태양전지, 축전지, 인버터와 같은 전력변환장치로 구성되며, 태양빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 조사되면, 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(Hole)과 전자(Electron)가 발생한다.It is composed of power converters such as solar cells, storage batteries, and inverters. When sunlight is irradiated on a solar cell in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are bonded together, holes are generated in the solar cell by energy of the sunlight. ) And electrons are generated.
이때, 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위치가 발생하면 전류가 흐르게 되며, 이를 받아 인버터는 발생된 직류 전력을 상용 주파수, 전압의 교류로 변환하여 전력 계통에 연계함과 동시에, 시스템의 직류 및 교류측의 전기적인 감시 및 보호한다.At this time, holes are gathered toward the P-type semiconductor and electrons are gathered toward the N-type semiconductor, and when a full position occurs, current flows. In response, the inverter converts the generated DC power into AC of commercial frequency and voltage to connect to the power system. At the same time, electrical monitoring and protection of the DC and AC side of the system.
여기서, 태양전지의 출력 특성은 일사량, 동작 전압 및 온도 등에 따른 변수로 최대 전력점이 변하기 때문에, 태양광 발전의 효율을 극대화시키기 위해서는 항상 최대 전력점에서 동작되도록 최대전력 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 MPPT 라 칭함) 제어를 해야한다. Here, the output characteristics of the solar cell change the maximum power point by a variable depending on the amount of solar radiation, operating voltage and temperature, so in order to maximize the efficiency of photovoltaic power generation, maximum power point tracking (Maximum Power Point Tracking) Called MPPT).
이때, MPPT란 인버터에서 일사량 변화에 따른 최대 전력을 생산하기 위한 제어 방식으로서, 일사량이 변하게 되면 직류 전압의 크기가 변하게 되므로 전압의 증감으로 인한 인버터의 효율이 낮아지게 되고, 이를 개선할 목적으로 다양한 방법의 MPPT 알고리즘이 이용되고 있다.At this time, the MPPT is a control method for producing the maximum power in accordance with the change in the amount of insolation in the inverter, the magnitude of the DC voltage is changed when the amount of insolation changes, the efficiency of the inverter is lowered due to the increase or decrease of the voltage, to improve the various The MPPT algorithm of the method is used.
도 1은 태양광 셀의 전압 및 전류에 의한 최대 출력 지점을 도시한 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일사량과 표면 온도의 변화에 따라 가변하는 태양 전지의 최대 출력점(Maximum power point)을 추정한다.1 is a graph showing the maximum output point by the voltage and current of the solar cell. As shown in FIG. 1, the maximum power point of the solar cell, which varies with the amount of solar radiation and the surface temperature, is estimated.
여기서, 일사량과 표면 온도가 일정한 경우의 태양 전지 출력은 전류-전압 곡선(I-V Curve)을 따라 움직이며, 최대 출력을 발생시키는 동작점을 최대 출력점(Maximum Power Point: 이하, MPP라 칭함)이라 하는데, 상기 동작점을 제어하기 위해 MPPT제어가 요구되는 것이다.Here, the solar cell output when the solar radiation and the surface temperature are constant moves along the current-voltage curve (IV Curve), and the operating point that generates the maximum output is called the maximum power point (hereinafter referred to as MPP). MPPT control is required to control the operating point.
여기서, 공개특허공보 제2007-0043746호에서는 MPPT 제어방법으로 섭동/관측 방법과 컨덕턴스 증가방법이 가장 대표적으로 사용되고 있으며, 각각 장단점이 있지만 공통적인 특징은 전력량의 증분을 계산하여 이를 MPP 판단의 기초로 삼고 있기 때문에, 전력량의 증분을 상시적으로 감시해야 하며 연산량도 많은 편에 속하여 제어에 부담이 되고 있다.Here, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0043746, the perturbation / observation method and the conductance increasing method are most typically used as the MPPT control method. Because of this, it is necessary to constantly monitor the increase in the amount of power, and the amount of calculation is also a heavy burden on the control.
또한, MPP에 접근하는 수렴 속도 및 정확성에 있어서도 안정적인 방안을 제시하고 있지 못하고 있으며, 경험에 의존한 수식을 제시하고 있을 뿐이다.In addition, it does not suggest a stable method in terms of convergence speed and accuracy in approaching MPP, and only suggests an equation based on experience.
또 다른 방법으로는 태양광 모듈의 전기적 특성을 사전에 파악하여 외부 조건의 변화에 대한 MPP의 변동 범위를 미리 입력하여 그 범위 내에서 최적점을 수렴해 나가는 방법도 제시되고 있는데, 이는 수렴 속도를 다소 상승시킬 수는 있지만 수렴 방법에 있어서는 상기 방법을 모두 벗어나지 못하므로 동일한 문제점을 가진다.As another method, a method of grasping the electrical characteristics of the photovoltaic module in advance and inputting the variation range of the MPP with respect to the change of external conditions in advance to converge the optimal point within the range is proposed. Although it can be raised somewhat, the convergence method has the same problem because it does not deviate from the above method.
종래 기술에 따른 PO(Perturbation and Observation)제어 기법은 태양전지 어레이의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고, 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는 기법이다.The conventional technique of perturbation and observation (PO) control is to increase or decrease the output voltage of the solar cell array periodically and to find the maximum power operating point by comparing the previous output power with the current output power.
이때, PO 제어 기법은 알고리즘은 간단하지만, 일사량이 급변할 경우에는 순간적으로 태양전지 어레이의 출력전압이 최대전력 동작점에서 전압과 같지 않기 때문에, 최대전력 추종제어를 벗어나는 단점이 있다.In this case, the PO control technique is simple, but when the amount of insolation changes suddenly, the output voltage of the solar cell array is not equal to the voltage at the maximum power operating point.
한편, 종래 기술에 따른 IncCond(Incremental Conduction) 제어 기법은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방법인데, 이는 최대 전력점 도달시에 일사량이 급변할 경우에도 최대전력 동작점으로 추정하는 장점이 있지만, 낮은 일사량에 대해서는 효율이 높지 않다는 단점이 있다.On the other hand, IncCond (Incremental Conduction) control technique according to the prior art is a method of finding the maximum power operating point by comparing the conductance and incremental conductance of the solar cell output, which is the maximum power operation even when the solar radiation suddenly changes when the maximum power point is reached Although there is an advantage to be estimated as a point, there is a disadvantage that the efficiency is not high for low solar radiation.
그리고, 뉴로퍼지(Neuro-Fuzzy) 제어기는 언어적 애매함을 정량적으로 표현하기 위해 퍼지 집합의 사고 방식을 기초로 하는 퍼지 이론(Fuzzy Theory)과, 인간의 두뇌가 이루고 있는 신경 구조를 모방한 신경망을 상호 융합한 지능형 제어기이다.In addition, the Neuro-Fuzzy controller uses a fuzzy theory based on the fuzzy set idea to express linguistic ambiguity, and a neural network that mimics the neural structure of the human brain. It is an intelligent controller fused with each other.
여기서, 퍼지 이론이란 애매하고 불분명한 상황에서 여러 문제들을 두뇌가 판단하고 결정하는 과정에 대하여 수학적으로 접근하려는 이론으로서, 각 대상이 어떤 집합에 속한다 또는 속하지 않는다는 이진법 논리로부터, 각 대상이 그 집합에 속하는 정도를 소속 함수(Membership Function)로 나타냄으로써 수학적으로 표현하는 퍼지 집합을 기초로 한다.Here, fuzzy theory is a theory that tries to mathematically approach the process of the brain judging and deciding various problems in an ambiguous and unclear situation, from the binary logic that each object belongs to or does not belong to each set. It is based on a fuzzy set mathematically expressed by expressing the degree of belonging as a membership function.
다시 말하면, 기존의 집합 이론(Crisp Set)은 원소 x가 집합 A에 속할 때에는 1의 값을 가지고, 속하지 않는 경우에는 0 의 값을 가지는, 즉 경계가 분명한 집합으로 구성된다.In other words, the existing set of crisps consists of a set of elements having a value of 1 when the element x belongs to the set A and a value of 0 when not belonging to the set A, that is, a definite set.
반면에, 퍼지 집합에서는 원소 x가 집합 A에 속하는 정도를 0과 1 사이의 값으로 나타내며, 이때 0과 1 사이의 값, 즉 [0, 1]으로 나타내는 것을 소속 함수라 하는 것이다.On the other hand, in the fuzzy set, the degree to which the element x belongs to the set A is represented by a value between 0 and 1, and a value between 0 and 1, that is, [0, 1] is called a membership function.
한편, 신경망 이론(Neural Network Theory)은 인간의 뇌 구조를 이용하여 모델링된 알고리즘으로서, 인간의 신경계에서 정보가 전달되는 과정을 모방한 지능형 알고리즘이다.Neural Network Theory is an algorithm modeled using the human brain structure and is an intelligent algorithm that mimics the process of information transfer in the human nervous system.
상기 신경망은 반복적으로 입력된 정보에 대하여 각 입력 신호의 가중치를 목적에 맞도록 변화시킴으로써 학습(훈련)을 할 수 있으며, 학습을 수행한 신경망 컴퓨터는 입력된 정보를 기억할 수 있으며, 인간 두뇌와 같이 비결정적인 특성을 가지고 있기 때문에, 약간 틀리거나 비슷한 입력을 인식할 수 있다.The neural network can learn (training) by repeatedly changing the weight of each input signal with respect to the input information for the repeatedly input information, the neural network computer performing the learning can store the input information, like the human brain Because of its nondeterministic nature, it can recognize slightly wrong or similar inputs.
이는, 입력측, 은닉층, 출력층의 3층 구조로 구성되는데, 은닉층과 출력층은 다수개의 노드(node)를 포함하고, 입력층은 입력 데이터를 받아 은닉층으로 전달한다.It is composed of a three-layer structure of an input side, a hidden layer, and an output layer. The hidden layer and the output layer include a plurality of nodes, and the input layer receives the input data and delivers it to the hidden layer.
그리고, 은닉층과 출력층 내의 노드에는 활성 함수가 있는데, 상기 활성 함수는 통상적으로 시그모이드 함수가 이용되며, 신경망은 오류 역전파 알고리즘을 사용하여 입력층의 노드와 은닉층의 노드, 은닉층의 노드와 출력층의 노드 사이의 연결 가중치를 학습시킨다.In addition, the nodes in the hidden layer and the output layer have an activation function. The active function is typically a sigmoid function, and the neural network uses an error backpropagation algorithm, and the node of the input layer and the hidden layer, the node of the hidden layer, and the output layer. Learn the weights of the connections between nodes.
한편, 유전자 알고리즘은『적자 생존』의 생물학 원리에 바탕을 최적화 기법중 하나로서, 자연계의 생명체 중 환경에 잘 적응한 개체가 더 많은 자손을 남길 수 있다는 자연선택과정과, 자연계의 생명체 설계도와 같은 유전자의 변화를 통해 좋은 방향으로 발전한다는 자연 진화 과정인 자연계의 유전자 매커니즘에 바탕을 둔 탐색 알고리즘이다.Genetic algorithms, on the other hand, are one of the optimization techniques based on the biological principle of “deficit survival,” such as natural selection process, in which natural organisms that are well-adapted to the environment can leave more offspring. It is a search algorithm based on the genetic mechanism of the natural world, which is a natural evolutionary process that develops in a good direction through the change of genes.
여기서, 유전자 알고리즘은 탐색하고자하는 해를 염색체로 표현하여 개체를 형성하는데, 다양한 염색체를 형성하여 하나의 집단을 만들게 되며, 집단 내의 염색체는 선택, 교배, 돌연변이, 평가를 반복적으로 수행함으로써 최적의 해를 찾아간다.Here, the genetic algorithm expresses the solution to be searched by chromosome to form an individual, and various chromosomes are formed to form a group, and the chromosomes in the group are optimized by repeatedly performing selection, crossing, mutation and evaluation. Go to
따라서, 태양광 발전의 MPPT 제어시스템은 뉴로퍼지 시스템을 이용하여 퍼지 시스템의 장점인 추론 기능과 신경망의 장점인 학습 기능을 융합한 지능형 제어 알고리즘의 적용이 요구된다.Therefore, the MPPT control system of photovoltaic power generation requires the application of an intelligent control algorithm that combines the inference function of the fuzzy system and the learning function of the neural network using a neurofuge system.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 외부 조건의 변화에 의해 MPP가 변할지라도, 자동으로 MPP를 추정하고 뉴로퍼지 제어기를 이용하여 MPP를 제어할 수 있는 유전자 알고리즘에 의해 제어되는 뉴로퍼지 제어기를 이용한 태양광 발전 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and even if the MPP changes due to a change in external conditions, the neuron is automatically controlled by a genetic algorithm capable of estimating the MPP and controlling the MPP using a neurofuge controller. An object of the present invention is to provide a photovoltaic power generation control system using a fuzzy controller.
본 발명의 다른 목적은 학습능력을 가진 지능형 알고리즘인 뉴로퍼지 제어기를 이용함으로써, 태양광 발전기의 특성이 비선형적으로 변할지라도 효과적으로 MPPT 제어를 수행할 수 있는 유전자 알고리즘에 의해 제어되는 뉴로퍼지 제어기를 이용한 태양광 발전 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to use a neurofuge controller, which is an intelligent algorithm with learning ability, using a neurofuge controller controlled by a genetic algorithm that can effectively perform MPPT control even if the characteristics of the solar generator are nonlinear. It is an object to provide a solar power generation control system.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양광 발전의 MPPT 제어시스템에 있어서, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하기 위해, 태양광에 따른 DC 신호를 출력하는 태양광 어레이; 상기 DC 신호를 입력받아 AC 또는 DC 전압으로 변환하는 전력 변환부; 상기 태양광 어레이의 출력전압과 전류를 측정하여 MPP를 추정하는 MPP 추정부와, 상기 전력 변환부의 출력 전압과 상기 MPP 추정부에서 추정된 전압을 입력받아 두 전압 간의 오차가 최소가 되도록 상기 전력 변환부를 구동하는 제어 신호를 출력함으로써, MPP의 변화에 따라 자동적으로 MPP를 추정하고 제어하는 뉴로퍼지 제어기로 구성된 MPPT 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a MPPT control system for photovoltaic power generation, comprising: a solar array configured to output a DC signal according to sunlight to receive sunlight and convert it into electrical energy; A power converter which receives the DC signal and converts the signal into an AC or DC voltage; An MPP estimator for estimating the MPP by measuring the output voltage and the current of the solar array; and the power conversion so that an error between the two voltages is minimized by receiving the output voltage of the power converter and the voltage estimated by the MPP estimator; By outputting a control signal for driving the unit, it includes an MPPT control unit composed of a neuro-fuge controller for automatically estimating and controlling the MPP in accordance with the change of the MPP.
그리고, 상기 뉴로퍼지 제어기는 입력 변수로부터 데이터를 입력받는 제1 레이어; 입력된 값으로부터 소속 함수를 이용하여 각 규칙에 대한 적합도를 산출하는 제2 레이어; 각 입력 변수에 대한 소속 함수를 이용하여 상기 적합도를 정규화하는 제3 레이어; 각 입력 변수에 대한 추론값을 산출하는 제4 레이어; 최종 추론값인 출력을 구하는 제5 레이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.The neurofuge controller may include a first layer configured to receive data from an input variable; A second layer that calculates a goodness of fit for each rule using a membership function from the input value; A third layer normalizing the goodness of fit using the membership function for each input variable; A fourth layer for calculating an inference value for each input variable; And a fifth layer for obtaining an output of the final inference value.
더불어, 상기 뉴로퍼지 제어기는 두 개의 입력 변수(x1, x2)를 입력으로 받고, 각 입력 변수에 대해 5 개의 소속 함수를 사용하며 1 개의 출력 변수를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the neurofuge controller receives two input variables (x 1 , x 2 ) as inputs, and uses five membership functions for each input variable and has one output variable.
또한, 상기 입력 변수(x1)는 MPP의 전압과 전력 변환부의 출력을 측정한 신호의 차로 정의되고, 상기 전력 변환부 구동 회로의 제어 신호는 상기 뉴로퍼지 제어기에서 추론된 값을 이용하는 것을 특징으로 한다.The input variable x 1 is defined as a difference between a voltage of the MPP and a signal measuring the output of the power converter, and the control signal of the power converter driving circuit uses a value inferred by the neuropurge controller. do.
그리고, 상기 뉴로퍼지 제어기는 입력값이 상기 각 레이어를 통과하면서 연산되는 과정을 산출하되, 상기 제1 레이어(Layer 1)는 2 개의 노드로 구성되어 입력을 받아 상기 제2 레이어(Layer 2)로 전달하며, 상기 제2 레이어(Layer 2)는 10 개의 노드로 구성되고, 각 노드에서 경험 및 학습으로 정의된 소속 함수를 이용하여 입력값에 대한 적합도를 제3 레이어(Layer 3)로 전달하며, 상기 제3 레이어(Layer 3)는 10 개의 노드로 구성되어 각 입력 변수에 대한 정규화된 적합도를 상기 제4 레이어(Layer 4)로 전달하고, 상기 제4 레이어(Layer 4)는 2 개의 노드로 구성되어 연결 가중치와 곱해진 값들을 합산하여 상기 제5 레이어(Layer 5)로 전달하며, 상기 제5 레이어(Layer 5)는 최종적으로 연산값을 출력하는 것을 특징으로 한다.The neurofuge controller calculates a process in which an input value is calculated while passing through each layer, but the first layer (Layer 1) is composed of two nodes and receives an input to the second layer (Layer 2). The second layer (Layer 2) is composed of 10 nodes, and transfers the goodness of fit of the input value to the third layer (Layer 3) using a membership function defined by experience and learning in each node, The third layer (Layer 3) is composed of 10 nodes to transfer the normalized goodness of fit for each input variable to the fourth layer (Layer 4), the fourth layer (Layer 4) is composed of two nodes The sum multiplied by the connection weight is added to the fifth layer (Layer 5), and the fifth layer (Layer 5) finally outputs an operation value.
또, 상기 소속 함수의 수는 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화시키는 것을 특징으로 한다.The number of membership functions may be optimized using a genetic algorithm.
더불어, 상기 뉴로퍼지 제어기는 실험 데이터를 이용하여 최적의 성능을 갖도록 학습되되, 상기 학습은 신경망에서 이용하는 오류 역전파 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the neurofuge controller is trained to have optimal performance using experimental data, but the learning is characterized by using an error backpropagation algorithm used in neural networks.
그리고, 상기 오류 역전파 알고리즘은 경사 하강법에 기반되어, 원하는 출력과 시스템의 출력과의 오차를 바탕으로, 상기 오차가 최소화되도록 학습이 이루어지는 것을 특징으로 한다.The error back propagation algorithm is based on a gradient descent method, and the learning is performed to minimize the error based on an error between a desired output and a system output.
또, 상기 학습 성능을 향상시키기 위해, 연결 가중치의 변화량이 커지면, 변화량을 증가시키고, 연결 가중치의 변화량이 작아지면, 변화량을 감소시키는 모멘텀을 더하는 것을 특징으로 한다.Further, in order to improve the learning performance, when the amount of change in the connection weight increases, the amount of change is increased, and when the amount of change in the connection weight decreases, the momentum for reducing the amount of change is added.
바람직하게는, 상기 모멘텀은 현재 연결 가중치와, 이전 연결 가중치의 차이에 의해 결정되되, 상기 모멘텀은 모멘텀 계수와 곱해져 연결 가중치의 조절시에 추가되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the momentum is determined by a difference between a current connection weight and a previous connection weight, wherein the momentum is multiplied by a momentum coefficient to be added when adjusting the connection weight.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 일사량이나 온도 등의 변화에 의하여 MPP가 변하여도 자동적으로 MPP를 추정하고 뉴로퍼지 제어기를 이용하여 MPPT 제어를 할 수 있다. 또한 뉴로퍼지 제어기는 학습능력을 가진 지능형 알고리즘으로써 태양광 발전기의 특성이 비선형적으로 변하더라도 효과적으로 MPPT 제어를 수행할 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.As described above, the present invention having the configuration as described above can automatically estimate the MPP even if the MPP is changed due to changes in solar radiation or temperature, and can control the MPPT using a neurofuge controller. In addition, the neurofuge controller is an intelligent algorithm with learning ability and can effectively perform MPPT control even if the characteristics of the solar generator change nonlinearly.
도 1은 태양광 셀의 전압-전류 특성을 도시화한 참고도.1 is a reference diagram showing the voltage-current characteristics of a solar cell.
도 2는 뉴로퍼지 제어기를 이용한 태양광 발전기의 MPPT 제어의 블록도.2 is a block diagram of MPPT control of a solar generator using a neurofuge controller.
도 3은 뉴로퍼지 제어기의 내부 구조를 상세하게 도식화한 참고도.3 is a reference diagram schematically illustrating the internal structure of the neurofuge controller.
도 4는 뉴로퍼지 제어기에서 사용하는 소속 함수를 도식화한 참고도.4 is a reference diagram schematically illustrating the membership function used in the neurofuge controller.
도 5는 유전자알고리즘에서 염색체 구성을 도식화한 참고도.Figure 5 is a reference diagram illustrating the chromosome composition in the genetic algorithm.
도 6은 유전자알고리즘의 흐름을 도식화한 참고도.Figure 6 is a reference diagram illustrating the flow of the genetic algorithm.
<도면의 주요 부분에 대한 구성 요소의 간단한 설명><Brief description of components for main parts of the drawing>
10 : 태양광 어레이 20 : 전력 변환부10: solar array 20: power converter
30 : MPPT 제어부 30a : MPP 추정부30: MPPT control unit 30a: MPP estimation unit
30b : 뉴로퍼지제어기 40 : 부하30b: Neuropurge Controller 40: Load
본 발명은 태양광 어레이의 출력전압과 전류를 측정하여 MPP를 구하고, 인버터의 출력전압을 측정하여 MPP와 인버터 출력의 오차가 최소가 되도록 뉴로퍼지 제어기를 이용하여 제어함으로써 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.The present invention is to solve the problem by measuring the output voltage and current of the solar array to obtain the MPP, by controlling the output voltage of the inverter using a neuropurge controller to minimize the error between the output of the MPP and the inverter.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 태양광 발전의 MPPT 제어시스템의 전체 블록도로써 MPPT 제어의 흐름을 도식화한 것이다. 태양광 발전의 MPPT 제어시스템은 태양광 어레이(PhotoVoltaic Array, 10)와, 전력 변환부(20)와, MPPT 제어부(30)와, 부하(40)로 구성되어 있다.2 is a schematic block diagram of the MPPT control system for photovoltaic power generation. The MPPT control system for photovoltaic power generation includes a photovoltaic array 10, a power converter 20, an MPPT controller 30, and a load 40.
상기 전력 변환부(20)는 태양광 어레이의 출력인 DC 신호를 AC나 DC전압으로 변환하는 장치로써, 컨버터나 인버터를 사용할 수 있고 게이트 구동회로를 포함할 수 있다.The power converter 20 is a device for converting a DC signal, which is the output of the solar array, into an AC or DC voltage, and may use a converter or an inverter and may include a gate driving circuit.
상기 MPPT 제어부(30)는 MPP 추정부(30a)와 뉴로퍼지 제어기(30b)로 구성될 수 있다. The MPPT controller 30 may include an MPP estimator 30a and a neurofuge controller 30b.
본 발명에서 제공한 MPPT 제어부(30)는 MPP 추정부(30a)와 퍼지뉴럴네트워크로 구성될 수 있다. MPP 추정부(30a)는 태양광 어레이의 출력인 전압과 전류를 측정하여 MPP를 추정하는 부분으로써, LRCM(Linear Reoriented Coordinate Method)를 이용하여 MPP의 전압(vMPP)을 추정하여 출력한다. 뉴로퍼지 제어기(30b)는 인버터의 출력전압과 MPP 추정부(30a)로부터 구해진 vMPP를 입력받아 입력받은 값의 오차가 최소가 되도록 전력 변환부의 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 출력한다.The MPPT control unit 30 provided in the present invention may be composed of an MPP estimator 30a and a fuzzy neural network. The MPP estimator 30a estimates the MPP by measuring the voltage and the current which are the output of the solar array, and estimates and outputs the voltage (V MPP ) of the MPP using a linear reoriented coordinate method (LRCM). The neuropurge controller 30b receives the output voltage of the inverter and v MPP obtained from the MPP estimator 30a and outputs a control signal for driving the gate of the power converter so that the error of the input value is minimized.
즉, 상기 MPP 추정부(30a)은 태양광 어레이의 전압과 전류를 센싱하여 LRCM(Linear Reoriented Coordinate Method)을 이용하여 수학적 방법으로 구하면 되고, 전류와 전압을 측정할 수 있는 측정부는 마이크로프로세서로 A/D 변환 2채널 이상을 제공하는 것을 사용할 수 있다.That is, the MPP estimator 30a may obtain a mathematical method using a linear reoriented coordinate method (LRCM) by sensing the voltage and current of the solar array, and the measuring unit capable of measuring the current and voltage may be A microprocessor. It is possible to use more than two channels of / D conversion.
여기서, LRCM은 계통연계를 위한 동적 모델을 제시한 "태양광 발전 시스템의 추적식 및 MPPT 제어기 개발"(한국조명전기설비학회 논문지 21호, P54-63)에서도 잘 나타나 있으므로 자세한 내용은 생략한다.Here, LRCM is well represented in "Development of a Traceable and MPPT Controller of Photovoltaic Power Generation System" (P. 21, P54-63), which presents a dynamic model for grid linkage.
뉴로 퍼지 제어기(30b)는 전력 변화부(20)의 출력전압을 측정할 수 있는 측정부가 있으면 되고, 이를 A/D 변환할 수 있는 A/D변환기와, 전력 변환기 쪽의 출력을 위해 만약 PWM을 사용할 경우, PWM 기능이 있는 마이크로프로세서를 사용하면 된다. 또 뉴로퍼지를 쓰면 계산량이 많이 때문에 고속계산을 할 수 있는 기능의 프로세서를 사용하면 좋다. The neuro fuzzy controller 30b needs a measuring unit capable of measuring the output voltage of the power change unit 20, an A / D converter capable of A / D conversion, and a PWM for output of the power converter. If you do, you can use a microprocessor with PWM capability. In addition, neurofuzzy uses a lot of calculations, so it is good to use a processor capable of high-speed calculation.
또한, MPP 추정부(30a)와 뉴로퍼지 제어부(30b)를 하나의 프로세서로 구현할 수 있고, 계산 부담을 줄이기 위해서는 두 개의 프로세서를 사용할 수 있다. 두 개의 프로세서를 사용하는 경우, 두 개의 프로세서 간에 통신기능이 요구된다.In addition, the MPP estimator 30a and the neurofuge controller 30b may be implemented as one processor, and two processors may be used to reduce the computational burden. If two processors are used, communication between the two processors is required.
마지막으로, 프로세서는 예를 들어 AVR 중에서 Mega 128을 사용하는 것도 바람직하며, 상기 뉴로퍼지 제어기(30b)를 프로그램시켜 제어할 수 있는 소자면 어느 것이든 가능하다.Lastly, the processor may use Mega 128, for example, among the AVRs. Any processor capable of controlling the neurofuge controller 30b may be programmed.
도 3은 뉴로퍼지 제어기(30b)의 내부 네트워크 구조를 상세하게 도식화 한 것으로써, 입력 변수로부터 데이터를 입력받는 제1 레이어, 입력된 값으로부터 소속 함수를 이용하여 각 규칙에 대한 적합도를 구하는 제2 레이어, 각 입력 변수에 대하여 소속 함수를 이용하여 구해진 적합도를 정규화하는 제3 레이어, 각 입력 변수에 대한 추론값을 구하는 제4 레이어, 최종 추론값인 출력을 구하는 제5 레이어로 구성되어 있다.3 is a diagram illustrating the internal network structure of the neurofuge controller 30b in detail, and includes a first layer that receives data from an input variable and a second suitability for each rule using a membership function from the input value. A layer, a third layer for normalizing the goodness of fit obtained by using the membership function for each input variable, a fourth layer for obtaining the inference value for each input variable, and a fifth layer for obtaining the output as the final inference value.
뉴로퍼지 제어기(30b)는 두 개의 입력 변수를 입력으로 받고 각 입력 변수에 대하여 5개의 소속 함수를 사용하고 1개의 출력변수를 갖는다. 입력 변수를 x1, x2로 정의하였다. x1은 수학식 2처럼 정의되는 MPP의 전압(vMPP)과 전력 변환부의 출력을 측정한 신호(vin)와의 차이고, x2는 x1의 변화량이다. 그리고 각 규칙에 대한 소속 함수는 아래첨자로 표시하여 A11, A12, A13, A14, A15, A21, A22, A23, A24, A25이며, 소속 함수의 소속값은 u11, u12, u13, u14, u15, u21, u22, u23, u24, u25로 정의하고, 출력변수를 로 정의 하였다. 즉 는 뉴로퍼지 제어기에서 추론된 값으로서 전력 변환부의 구동회로의 제어신호로 사용된다.The neurofuge controller 30b receives two input variables as inputs, uses five membership functions for each input variable, and has one output variable. Input variables are defined as x 1 , x 2 . x 1 is the difference between the voltage of the MPP (v MPP ) defined by Equation 2 and the signal (v in ) measuring the output of the power converter, x 2 is the amount of change of x 1 . The membership function for each rule is indicated by subscripts A 11 , A 12 , A 13 , A 14 , A 15 , A 21 , A 22 , A 23 , A 24 , A 25 . u 11 , u 12 , u 13 , u 14 , u 15 , u 21 , u 22 , u 23 , u 24 , u 25, and define the output variable Defined as. In other words Is a value inferred from the neuropurge controller and used as a control signal of the driving circuit of the power converter.
뉴로퍼지 제어기(30b)는 10개의 퍼지규칙으로 표현할 수 있으며 수학식 3은 뉴로퍼지 제어기의 퍼지규칙을 수학적으로 표현한 식이다.The neurofuzzy controller 30b may be represented by ten fuzzy rules, and Equation 3 is a mathematical expression of the fuzzy rules of the neurofuzzy controller.
여기서, Rj는 j번째 규칙이고, xk는 k번째 입력 변수이고, Akc는 k번째 입력 변수에 대한 c번째 소속 함수이고, yj는 j번째 규칙에 대한 출력이고, wkc는 연결 가중치이다.Where R j is the j th rule, x k is the k th input variable, A kc is the c th membership function for the k th input variable, y j is the output for the j th rule, and w kc is the connection weight to be.
즉, 수학식 3은 하기 수학식 5의 10개의 퍼지규칙에 대한 일반식이며, 측정되는 값은 전력 변환기 출력 vin 중의 하나이며, vMPP와의 오차가 x1이 되며, 오차의 변화율이 x2가 된다.That is, Equation 3 is a general formula for the ten fuzzy rules of Equation 5 below, and the measured value is one of the power converter output v in , and the error with v MPP is x 1 , and the rate of change of the error is x 2 . do.
수학식 5 내지 수학식 7은 뉴로퍼지 제어기에서 입력값이 각 레이어를 통과하면서 연산되는 과정을 나타낸다.Equations 5 to 7 illustrate a process in which an input value is calculated while passing through each layer in the neurofuge controller.
여기서, 제1 레이어에서는 입력을 받는 층이고 2개의 노드로 구성되어 있으며, 입력받은 값들은 제2 레이어로 전달된다. 제2 레이어는 10개의 노드로 구성되어 있고 각 노드에서는 경험이나 학습을 통하여 정의된 소속 함수를 이용하여 입력값에 대한 적합도인 ukc를 구한후 제3 레이어로 전달한다.Here, in the first layer, the input layer is composed of two nodes, and the input values are transferred to the second layer. The second layer consists of 10 nodes, and each node obtains u kc , which is a goodness of fit for the input value, using the membership function defined through experience or learning, and delivers it to the third layer.
그리고, 제3 레이어는 10개의 노드로 구성되어 있으며, 수학식 5를 이용하여 각 입력 변수에 대한 정규화된 적합도를 구한후 제4 레이어로 전달된다. 제4 레이어는 2개의 노드로 구성되어 있고 제3 레이어의 각 노드의 출력값은 제4 레이어과 제4 레이어 사이의 연결 가중치와 곱해진 값들을 입력받은 후 이들 값을 더하여 제5 레이어로 전달된다. 제5 레이어는 출력층으로써 제4 레이어로부터 입력된 값들을 더하여 최종적인 출력을 내보낸다.In addition, the third layer is composed of ten nodes, and after obtaining the normalized goodness of fit for each input variable using Equation 5, the third layer is transferred to the fourth layer. The fourth layer is composed of two nodes, and the output value of each node of the third layer receives values multiplied by the connection weight between the fourth layer and the fourth layer, and then adds these values to the fifth layer. The fifth layer is the output layer and adds the values input from the fourth layer to output the final output.
여기서, ukc는 k번째 이력의 c번째 소속 함수에 대한 적합도이고, g는 k번째 입력 변수에서 사용하는 소속 함수의 수로서 본 발명에서는 소속 함수의 수는 유전자 알고리즘을 사용하여 최적화한다.Here, u kc is a goodness-of-fit for the c-th membership function of the k-th history, g is the number of membership functions used in the k-th input variable, and in the present invention, the number of membership functions is optimized using a genetic algorithm.
여기서, 는 정규화된 적합도이고, wkc는 연결 가중치이다.here, Is the normalized goodness-of-fit and w kc is the connection weight.
여기서, fk는 k번째 입력에 대한 추론값이고, n는 입력 변수의 수로써 본 발명에서는 2이다.Where f k is the inference value for the kth input, and n is the number of input variables in the present invention.
상기의 뉴로퍼지 제어기(30b)는 실험데이터를 이용하여 학습을 해야 한다. wkc는 연결 가중치로써 처음에 랜덤하게 설정한 후 학습 과정을 통하여 뉴로퍼지 제어기가 최적의 성능을 갖도록 설정된다.The neurofuge controller 30b should learn using experimental data. wkc is initially set randomly as the connection weight, and then the neurofuge controller is set to have optimal performance through the learning process.
본 발명에서는 학습알고리즘으로서 신경망에서 보편적으로 사용되는 경사 하강법을 기반으로 한 오류역전파(BP : Back Propagation) 알고리즘을 이용하는데, 이는 원하는 출력과 시스템의 출력과의 오차를 바탕으로 수학식 8의 오차(Ev)가 최소가 되도록 학습이 이루어진다.In the present invention, an error propagation (BP) algorithm based on a gradient descent method commonly used in neural networks is used as a learning algorithm, which is based on an error between the desired output and the output of the system. Learning is done so that (E v ) is minimal.
여기서 Ev는 각 입력 데이터에 대한 오차이고, yv는 목표값 그리고 는 시스템의 실제 출력을 나타낸다.Where E v is the error for each input data, y v is the target value and Represents the actual output of the system.
이때, N개의 입출력 데이터 쌍이 주어진 경우, 뉴로퍼지 제어기의 최종 출력 오차는 수학식 9과 같다.In this case, given N input / output data pairs, the final output error of the neurofuge controller is expressed by Equation (9).
연결 가중치의 조절(학습)은 수학식 10를 이용하여 기존의 값에 오차로부터 구해진 조절량만큼의 변화를 더해주면 된다.The adjustment (learning) of the connection weight may be performed by adding a change of an adjustment value obtained from an error to an existing value by using Equation (10).
오차 Ev를 최소화하기 위한 연결 가중치의 변화량 는 수학식 11과 같이 경사 하강법을 이용하여 구할 수 있다. 여기서 η는 학습률을 의미한다.Variation in connection weights to minimize error E v Can be obtained using the gradient descent method as shown in Equation (11). Where η is the learning rate.
여기서, 수학식 11에 학습시간을 단축시키고, 학습 성능을 향상시키기 위해 모멘텀을 더한다. 모멘텀은 관성이란 뜻으로, 연결 가중치의 변화량이 클 경우에는 좀 더 변화량을 키워주고, 변화량이 작아지면, 여기에 맞춰 변화량을 줄여주는 역할을 한다. 모멘텀은 수학식 12과 같이 현재의 연결 가중치와 그 이전의 연결 가중치의 차이에 의해 결정한다.In this case, momentum is added to Equation 11 to shorten the learning time and improve learning performance. Momentum means inertia, which increases the amount of change if the amount of change in the connection weight is large, and reduces the amount of change according to the amount of change. Momentum is determined by the difference between the current connection weight and the previous connection weight as shown in Equation 12.
모멘텀은 모멘텀 계수 α와 곱해져 연결 가중치의 조절식에 추가된다. 최종적인 뉴로퍼지 제어기의 학습식을 위한 조절량 는 수학식 13로 결정한다.The momentum is multiplied by the momentum coefficient α to add to the adjustment of the connection weight. Adjustment amount for learning of final neurofuge controller Is determined by Equation 13.
도 4는 뉴로퍼지 제어기(30b)의 제2 레이어에서 사용되는 고려 가능한 소속 함수들의 한가지 예를 도식화한 것으로서, 각 입력 변수에 대하여 중첩도가 0.5인 삼각형 타입의 소속 함수를 사용한 경우이다.FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the membership functions that can be considered in the second layer of the neurofuge controller 30b, and a triangle type membership function having an overlapping degree of 0.5 is used for each input variable.
뉴로퍼지 제어기(30b)는 수학식 13에 의하여 학습되지만, 학습률, 모멘텀 계수 그리고 각 입력 변수에 대한 소속 함수의 수와 그때의 소속 함수의 정점의 결정에 의하여 제어성능이 결정된다.The neurofuge controller 30b is learned by Equation 13, but the control performance is determined by determining the learning rate, the momentum coefficient and the number of membership functions for each input variable and the vertex of the membership function at that time.
그러므로 학습률, 모멘텀 계수, 각 입력 변수에 대한 소속 함수의 수와 그때 소속 함수의 정점을 효과적으로 결정해야 한다. 본 발명에서는 최적화 알고리즘인 유전자 알고리즘을 사용하여 상기의 값들을 결정한다.Therefore, we need to effectively determine the learning rate, momentum coefficient, number of membership functions for each input variable, and the vertices of the membership function at that time. In the present invention, the above values are determined using a genetic algorithm which is an optimization algorithm.
도 5는 유전자 알고리즘에서 사용되는 염색체의 형태를 도식화한 도이다. 본 과제에서는 실수 코딩에 기반한 유전자 알고리즘을 사용하였다. 염색체는 학습률, 모멘텀 계수 및 2개의 입력 변수에 대하여 사용할 소속 함수의 수에 대한 값을 갖도록 구성하였다.5 is a diagram showing the shape of the chromosome used in the genetic algorithm. In this task, we used a genetic algorithm based on real coding. The chromosomes were constructed to have values for the learning rate, momentum coefficients, and the number of membership functions to use for the two input variables.
도 6은 유전자 알고리즘의 흐름도를 도식화한 도이다. 유전자 알고리즘은 초기염색체 생성을 포함한 초기집단 생성, 평가, 선택, 교배, 돌연변이 연산을 통하여 염색체가 최적의 해가 되도록 진화시키는 알고리즘이다.6 is a diagram illustrating a flowchart of a genetic algorithm. Genetic algorithms are algorithms that evolve chromosomes to optimal solutions through initial population generation, evaluation, selection, crossover, and mutation operations, including early chromosome generation.
초기집단 생성은 도 5에 도시한 형태의 염색체(개체)들을 랜덤하게 생성하여 하나의 집단을 만든다. 적합도 평가에서는 생성된 개체들을 평가하는 부분으로써 염색체의 값을 이용하여 도 4에서 도시한 뉴로퍼지 제어기의 성능을 평가한다.Initial population generation randomly generates chromosomes (individuals) of the type shown in FIG. 5 to form one population. In the fitness evaluation, the performance of the neurofuge controller shown in FIG. 4 is evaluated by using the chromosome value as a part of evaluating the generated individuals.
이때, 소속 함수의 정점은 c-Means 클러스터링(Clustering) 알고리즘을 사용하여 결정한다. 평가로부터 각 개체에 대한 성능이 구해지며 이는 각 개체에 대한 적합도를 의미한다.At this time, the vertex of the membership function is determined using the c-Means Clustering algorithm. The performance of each individual is obtained from the evaluation, which means the goodness of fit for each individual.
상술한 c-MEANS 클러스터링은 Genetic 알고리즘과 퍼지 c-Means을 이용한 역전파신경망의 패턴인식성능 개선 (Improving the Pattern Recognition Performance of Back Error Propagation Algorithm by using Genetic Algorithm and Fuzzy c-Means, 한국군사운영분석학회지 제21권 1호, P83~93)에도 자세히 기술되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.Improving the Pattern Recognition Performance of Back Error Propagation Algorithm by using Genetic Algorithm and Fuzzy c-Means, Korean Society for Military Operations Analysis Vol 21, No. 1, P83 ~ 93) is described in detail, so detailed description thereof will be omitted.
여기서, 적합도가 계산되면 재생산 부분에서는 초기 생성된 집단으로부터 선택, 교배 및 돌연변이 연산을 통하여 새로운 개체를 생성하게 된다. 본 발명에서는 선택 연산자로서 룰렛 휠 연산자를 사용하였고, 교배 연산자로서 산술 연산자를 사용하였고, 돌연변이 연산자로서 균일 돌연변이 연산자를 사용하였다.Here, when the goodness of fit is calculated, the reproduction part generates new individuals through selection, crossover, and mutation operation from the initially generated population. In the present invention, a roulette wheel operator is used as a selection operator, an arithmetic operator is used as a crossing operator, and a uniform mutation operator is used as a mutation operator.
본 발명에서는 집단 내 개체의 수를 100개를 사용하고 반복 세대수를 300세대를 사용하였다. 상기에 기술한 것처럼 뉴로퍼지 제어기를 사용하여 태양광 발전기의 MPPT 제어 시스템을 구현한다.In the present invention, the number of individuals in the group was used 100 and the number of repeat households was used 300 generations. As described above, the neurofuge controller is used to implement the MPPT control system of the solar generator.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.In the above described exemplary embodiments of the present invention by way of example, the scope of the present invention is not limited only to this specific embodiment, and those skilled in the art within the scope of the claims of the present invention Changes may be made as appropriate.
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