KR100892220B1 - 근사기법을 이용한 태양광 발전의 mppt 제어시스템 - Google Patents

근사기법을 이용한 태양광 발전의 mppt 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광의 입사조건에 따른 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 시스템에 관한 것으로서, MPPT 제어에서 태양광 모듈에서 얻을 수 있는 I-V(전류-전압)곡선을 한번 미분하여 계산되는 직선과 I-V 곡선의 초기치와 최종치로부터 결정되는 선형 전류 방정식을 비교하여 그 값이 같을 때 최대 출력점이 되는 근사기법을 제시한다.
MPPT, 근사기법, Photovoltaic, Tracking Method, Maximum Power

Description

근사기법을 이용한 태양광 발전의 MPPT 제어시스템 {Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic System using Approximation Method}
도 1은 태양광 셀의 전압 전류에 의한 최대출력 지점
도 2는 빛의 강도에 따른 P-V, I-V 곡선
도 3은 근사기법에 의한 P-V, I-V 곡선
도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전의 MPPT 제어시스템 블록도
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1: PV 어레이 2: MPPT 제어
3: PI 제어기 4: PWM 제어
5: 인버터 6: 계통
7: 필터 8: PLL(Phase-Locked Loof)
9: 전류제어기
본 발명은 태양광 발전의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어에 관한 것으로, 태양광 입사조건에 따라 근사기법을 이용하여 최대 출력점 제어를 수행하 는 MPPT 제어시스템에 관한 것이다.
도 1은 태양광 셀의 전압 전류에 의한 최대출력 지점을 나타낸다. 일사량과 표면온도의 변화에 따라 가변 하는 태양전지의 최대 출력점을 추정한다. 일사량과 표면온도가 일정할 때 태양전지의 출력은 I-V(전류-전압) 곡선을 따라 움직인다. 최대 출력을 발생시키는 동작점을 최대 출력점(MPP: Maximum Power Point)이라 하며, 이 동작점을 제어하기 위하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 필요하다.
종래의 MPPT 제어방식에는 CV(Constant Voltage), PO(Perturbation and Observation), IC(Incremental Conduction) 등이 있으며, 낮은 일사량에서는 PO 및 IC 방식은 CV 방식 보다 효율이 높지 않아서 특정의 낮은 일사량에서는 CV 방식을 사용해야 한다. PV 어레이의 상호작용, 제어기 및 인버터 등을 표현해야 하는 동적 모델은 다양한 파라미터에 의하여 매우 복잡하다. 따라서 종래의 동적 모델은 인버터에 의해 발생하는 최적 전압과 최대 전력을 발생시킬 수 없고, 또 직접적으로 전력 흐름 해석을 위한 실용성도 없다.
본 발명은 근사기법을 이용하여 태양광 발전의 MPPT 제어시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적 달성을 위한 본 발명의 MPPT 제어시스템은 최대출력점 계산에 있어 PV 어레이의 I-V 곡선을 한번 미분하여 계산되는 직선과 I-V 곡선의 초기 치와 최종치로부터 결정되는 선형 전류 방정식을 비교하여 그 값이 같을 때 최대출력점이 되는 근사기법을 이용한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에서는 태양광 입사조건에 따른 MPPT 제어를 위하여 근사기법을 채택한다. 본 발명에 따른 근사기법은 PV 어레이의 I-V 곡선을 한번 미분하여 계산되는 직선과 I-V 곡선의 초기치와 최종치로부터 결정되는 선형 전류 방정식을 비교하여 그 값이 같을 때 최대출력점을 나타내는 제어기법이다.
도 2는 빛의 강도에 따른 P-V(전력-전압), I-V(전류-전압)곡선을 나타낸다. 수학식 1은 I-V(전류-전압) 관계식을 나타내고 수학식 2는 P-V(전력-전압) 관계식을 나타낸다. 각 수식에 사용된 변수는 아래 설명과 같다.
[수학식] 1
Figure 112009013417920-pat00041
α : 태양 전지판에 입사되는 빛의 강도 백분율
b : 지수함수 I-V 특성 상수
r : 차광 선형 계수
Figure 112009013417920-pat00042
: 태양 전지판으로부터 얻을 수 있는 최대 전류
Figure 112009013417920-pat00043
: 태양 전지판으로부터 얻을 수 있는 최대 전압
Figure 112009013417920-pat00044
: 현재 전류
[수학식] 2
Figure 112009013417920-pat00045
도 3은 근사기법에 의한 P-V, I-V 곡선을 나타낸다. 수학식 3은 I-V (전류-전압)곡선의 전압에 대한 변화율을 계산하기 위한 수식으로서, 수학식 1을 전압에 대하여 미분하여 계산한다. 수학식 4는 I-V (전류-전압)곡선의 기울기와 비교를 통한 최대전력점 추적을 위한 선형 전류 방정식을 전압에 대하여 미분하여 계산된 식을 나타낸다. 수학식 5는 최대출력점 판별을 위한 식으로서, 수학식 3을 통해 계산되는 값과 수학식 4를 통해 계산되는 값이 조건을 만족할 때 최대 출력점이 된다.
[수학식] 3
Figure 112009013417920-pat00046
[수학식] 4
Figure 112009013417920-pat00047
[수학식] 5
Figure 112009013417920-pat00048
도 4는 근사기법을 이용한 태양광 발전의 MPPT 제어시스템 블록도이다. 태양광으로부터 DC전압(
Figure 112007506438131-pat00014
)을 출력하는 PV 어레이(1), 근사기법을 이용하여 지령DC 전압(
Figure 112007506438131-pat00015
)을 출력하는 MPPT 제어(2), MPPT 제어(2)와 PV 어레이(1)의 출력을 비교하여 그 오차(
Figure 112007506438131-pat00016
-
Figure 112007506438131-pat00017
)를 입력받아 DC 전류(ir)를 출력하는 PI 제어기(3), 상전압(Va,Vb,Vc)를 입력받아 위상을 출력하는 PLL(8), DC 전류(ir)와 위상의 곱을 입력 받아 지령 상전류(
Figure 112007506438131-pat00018
)를 출력하는 필터(7), 상전류(
Figure 112007506438131-pat00019
)와 지령 상전류(
Figure 112007506438131-pat00020
)를 비교하여 그 변화분(
Figure 112007506438131-pat00021
)을 입력받아 PI(Proportional-Integral) 제어기(3)와 PWM(Pulse Width Modulation) 제어기(4)를 통해 계통(6)에 전력을 공급하는 인버터(5)를 포함 한다.
이와 같은 근사기법을 이용한 태양광 발전의 MPPT 제어시스템은 PV 어레이(1)가 태양광으로부터 DC전압(
Figure 112007506438131-pat00022
)을 출력하고 근사기법을 이용한 MPPT 제어(2)를 통하여 지령 DC 전압(
Figure 112007506438131-pat00023
)을 출력한다. MPPT 제어(2)의 출력인 지령 DC 전압(
Figure 112007506438131-pat00024
)과 PV 어레이(1)의 출력인 DC전압(
Figure 112007506438131-pat00025
)을 비교하여 그 오차(
Figure 112007506438131-pat00026
-
Figure 112007506438131-pat00027
)를 PI 제어기(3)는 입력받아 DC 전류(ir)를 출력한다.
PLL(8)은 상전압(Va,Vb,Vc)를 입력받아 위상을 출력하며 필터(7)는 PI 제어기(3)의 출력인 DC 전류(ir)와 PLL(8)의 출력인 위상의 곱을 입력받아 지령 상전류(
Figure 112007506438131-pat00028
)를 출력한다. 필터(7)의 출력인 지령 상전류(
Figure 112007506438131-pat00029
)와 상전류(
Figure 112007506438131-pat00030
)를 비교하여 그 변화분(
Figure 112007506438131-pat00031
)을 입력받아 PI 제어기(3)와 PWM 제어기(4)를 통해 계통(6)에 전력을 공급하게 된다.
이와 같이, 본 발명에서 태양광 발전 시스템의 MPPT 제어는 근사기법을 이용하여 최적의 지령DC전압(
Figure 112007506438131-pat00032
)을 계산함으로 태양광 발전 시스템이 고효율 및 고성능을 가지게 한다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 MPPT 제어를 위해 PV 어레이의 상호작용, 제어기 및 인버터 등을 표현해야 하는 매우 복잡한 동적 모델을 근사기법을 사용하여 반복적으로 나타나는 최적 전압과 최대 전력을 결정하여 MPPT 제어를 수행 하므로 계산 시간을 절약할 수 있고 효용성이 매우 높으며, 이에 따라 태양광 발전의 효율을 높여 에너지 절감에 크게 기여할 수 있다.

Claims (2)

  1. 태양광 발전의 MPPT 제어시스템에 있어서, 태양광으로부터 DC전압(
    Figure 112009013417920-pat00049
    )을 출력하는 PV 어레이, 근사기법을 이용하여 지령 DC 전압(
    Figure 112009013417920-pat00050
    )을 출력하는 MPPT 제어, MPPT 제어와 PV 어레이의 출력을 비교하여 그 오차(
    Figure 112009013417920-pat00051
    -
    Figure 112009013417920-pat00052
    )를 입력받아 DC 전류(ir)를 출력하는 PI 제어기, 상전압(Va,Vb,Vc)를 입력받아 위상을 출력하는 PLL, DC 전류(ir)와 위상의 곱을 입력받아 지령 상전류(
    Figure 112009013417920-pat00053
    )를 출력하는 필터, 상전류(
    Figure 112009013417920-pat00054
    )와 지령 상전류(
    Figure 112009013417920-pat00055
    )를 비교하여 그 변화분(
    Figure 112009013417920-pat00056
    )을 입력받아 PI 제어기와 PWM 제어기를 통해 계통에 전력을 공급하는 인버터를 포함하며, 상기 MPPT 제어를 하기 수학식 1에 의해 계산된 I-V 곡선을 전압에 대한 변화율을 계산하기위해 전압으로 미분한 하기 수학식 3과 I-V 곡선의 초기치와 최종치로부터 결정되는 선형 전류 방정식을 전압으로 미분한 하기 수학식 4를 비교하여 하기 수학식 5의 조건을 만족할 때 최대 출력점이 되는 근사기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전의 MPPT 제어시스템
    [수학식] 1
    Figure 112009013417920-pat00057
    [수학식] 3
    Figure 112009013417920-pat00058
    [수학식] 4
    Figure 112009013417920-pat00059
    [수학식] 5
    Figure 112009013417920-pat00060
    상기 각 수학식에서 α는 태양 전지판에 입사되는 빛의 강도 백분율이고, b는 지수함수 I-V 특성 상수이며, r는 차광 선형 계수이다. 또,
    Figure 112009013417920-pat00061
    는 태양 전지판으로부터 얻을 수 있는 최대 전류이고,
    Figure 112009013417920-pat00062
    는 태양 전지판으로부터 얻을 수 있는 최대 전압이며,
    Figure 112009013417920-pat00063
    는 현재 전류이다.
  2. 삭제
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