KR101223611B1

KR101223611B1 - 가변 전압 증분을 이용한 섭동 및 관측 방법을 이용하여 최대 전력을 추정하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법

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Publication number: KR101223611B1
Application number: KR1020120069384A
Authority: KR
Inventors: 채광식; 김대현
Original assignee: 채광식; 우현전기 주식회사
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-01-17

Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템의 P&O MPPT 시스템 및 방법에 관한 것으로, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하여 출력하는 태양광 어레이 모듈, 상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전압에 가변 전압 증분(ΔV_n)을 가감하여 상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전력이 최대화되도록 제어하는 제어회로, 상기 태양과 어레이 모듈의 후단에 구비되며, 상기 제어회로의 제어에 따라 동작하되, 입력전압을 가변적으로 승압하는 부스터 컨버터로 구성되되, 상기 가변하는 전압 증분(ΔV_n)은,
ΔV_n=(x*ΔV_n _-1,0<x<1)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)
ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)
ΔV_n=-ΔV_n _-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)
ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)
와 같이 산출되되, ΔP_pv 및ΔV_pv는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 출력변화량 및 전압변화량이며, ΔV_n _-1 및ΔV_n는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 이전 가변 전압 증분 및 현 가변 전압 증분인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 가변 증분을 채택하여 MPP를 추종함으로써, 고정 증분을 채택한 경우보다 출력전압 변동폭이 감소하여 보다 빠르게 최대전력점(MPP)에 근접하게 되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 가변 증분을 제어하는 알고리즘 또한 간단하여 계산량이 많지 않으므로 MPP를 신속하게 추종할 수 있으며, 종래 기술에 의한 고정 증분에 의한 알고리즘을 채택한 경우보다 보다 근접하게 MPP를 추종할 수 있어 발전의 효율이 증대되는 효과가 있다.

Description

가변 전압 증분을 이용한 섭동 및 관측 방법을 이용하여 최대 전력을 추정하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법{Control System Of Solar Cell Generation Using Pertubation and Observation Method Tracking Maximum Power Point and Thereof Method Using Variable Voltage Increment}

본 발명은 태양광 발전 시스템의 P&O MPPT 시스템 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 가변 전압 증분을 이용한 태양광 발전 시스템의 P&O MPPT 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

태양광 시스템에 대한 MPPT 제어에 대한 전체흐름도는 도 2와 같다. 구체적으로 살펴보면, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하기 위해, 태양광에 따른 DC 신호를 출력하는 PV 어레이, 상기 DC 신호를 입력받아 AC 또는 DC 전압으로 변환하는 전력변환부, 상기 태양광 어레이(PhotoVoltaic Array, 10)의 출력전압과 전류를 측정하여 MPP를 추정하는 MPP 추정부와, MPP의 변화에 따라 자동적으로 MPP를 추정하고 제어하는 MPPT 제어부로 구성되어 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 제어한다.

한편, MPPT 추정부에서 사용하는 MPPT 추정알고리즘으로써 간단하고 구현이 쉬운 P&O(Perturbation and Observation) 제어 기법, InCond(Incremental Conductance) 제어 기법 및 Hill Climbing 제어 기업이 일반적으로 많이 사용된다.

P&O(Perturbation and Observation)제어 기법은 태양전지 어레이의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고, 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는 방법이고, IncCond(Incremental Conduction) 제어 기법은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방법이며, Hill Climbing 제어는 듀티비의 가감을 통해서 최대전력점을 추종하는 방법이다.

이 중에서 P&O 제어 기법은 제어가 복잡하지 않지만, 상기 제어 기법으로는 특정 전압 값에 대하여 전압 증분 값의 가감이 가능하므로 최대전력점 근방에서 전력 값에 진동이 발생하여 전력손실이 발생되는 문제점이 있었다.

그러나, 종래 기술에 의한 P&O 제어 기법에 의하면 기준전압 변동 폭의 크기(ΔV)에 따라 특성이 변한다는 것이다. ΔV가 큰 경우, MPP 추종 속도는 증가하나 출력전압 변동폭이 넓어지는 문제점이 발생된다. 반대로 ΔV가 작은 경우, MPP추종 속도는 감소하지만, 출력전압 변동폭이 좁아진다는 장점을 갖는다.

한편, P&O 제어 기법에 의하면 MPP에 이르렀을 때 자려진동이 발생하며, 그 결과 태양전지 어레이에서 손실이 발생하게 된다. 자려진동은 MPPT효율을 감소시키는 원인이 되므로 작을수록 좋고, MPP 추종속도 역시 MPPT 효율에 영향을 미치기 때문에 빠를수록 좋다.

따라서, 종래 기술에 의한 P&O 제어 기법에 의하면, ΔV를 일정값으로 유지하여 MPPT를 수행하므로 자려진동폭이 크고 MPP와의 차이가 크므로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 종래기술에서 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 MPP를 추종함에 있어서 가변 전압 증분을 이용하여 MPP를 추종하여 MPP 근방에서 자려진동의 폭을 최소로 줄여 MPP에 최대한 근접하게 할 뿐만 아니라 자려진동에 의한 전력의 손실을 최소화하여 발전의 효율을 높일 수 있는 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템은, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하여 출력하는 태양광 어레이 모듈, 상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전압에 가변 전압 증분(ΔV_n)을 가감하여 상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전력이 최대화되도록 제어하는 제어회로, 상기 태양과 어레이 모듈의 후단에 구비되며, 상기 제어회로의 제어에 따라 동작하되, 입력전압을 가변적으로 승압하는 부스터 컨버터로 구성되되, 상기 가변하는 전압 증분(ΔV_n)은,

ΔV_n=(x*ΔV_n-1,-1<x<0)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=-ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)

와 같이 산출되되, ΔP_pv 및ΔV_pv는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 출력변화량 및 전압변화량이며, ΔV_n _-1 및ΔV_n는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 이전 가변 전압 증분 및 현 가변 전압 증분인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 전압 증분(ΔV_n)은, ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, ΔV_n=x*ΔV_n _-1에서 상기 x는 0.4 내지 0.6인것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 전압 증분(ΔV_n)은, ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, 상기 ΔV_n-1가 기 설정된 값(δ) 미만이면,ΔV_n = -ΔV_n-1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 방법은, 태양광 어레이 모듈에서 현재의 전압과 전류를 측정하고, 이를 이전에 측정된 태양광 어레이 모듈의 전압 및 전류 값과 비교하여 전압 변화량(ΔV_pv), 전류 변화량(ΔI_pv) 및 전력 변화량(ΔP_pv=ΔV_pv*ΔI_pv)를 구하는 제1단계, 및 상기 태양광 어레이 모듈의 현재 출력 전압(V_ref)에 상기 전력 변화량(ΔP_pv) 및 상기 전압 변화량(ΔV_pv)에 따라 가변하는 전압 증분(ΔV_n)을 가감하는 제2단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1단계에서, 상기 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전류(I_pv)가 특정 값(ε)보다 커서 정상 작동 범위를 벗어나는 경우에는 이전 가변 전압 증분(ΔV_n-1)의 값이 초기 설정된 가변 전압 증분 값(ΔV₁)으로 대체되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2단계에서, 상기 가변하는 전압 증분(ΔV_n)은,

ΔV_n=(x*ΔV_n-1,-1<x<0)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=-ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)

와 같이 산출되되, ΔP_pv 및ΔV_pv는 각각 상기 태양광 어레이 모듈(100)의 출력변화량 및 전압변화량이며, ΔV_n _-1 및ΔV_n는 각각 상기 태양광 어레이 모듈(100)의 이전 가변 전압 증분 및 현 가변 전압 증분인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2단계에서, ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, ΔV_n=x*ΔV_n _-1의 식에서 상기 x는 0.4 내지 0.6인것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2단계에서, ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, 상기 ΔV_n-1가 기 설정된 값(δ) 미만이면,ΔV_n = -ΔV_n-1인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 가변 증분을 채택하여 MPP를 추종함으로써, 고정 증분을 채택한 경우보다 출력전압 변동폭이 감소하여 보다 빠르게 최대전력점(MPP)에 근접하게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 가변 증분을 제어하는 알고리즘 또한 간단하여 계산량이 많지 않으므로 MPP를 신속하게 추종할 수 있으며, 종래 기술에 의한 고정 증분에 의한 알고리즘을 채택한 경우보다 보다 근접하게 MPP를 추종할 수 있어 발전의 효율이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 태양광 어레이 모듈의 전력-전압 곡선에서의 최대전력점을 도시한 그래프이다.
도 2는 태양광 어레이 모듈의 V-P특성곡선을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 MPP 추종 과정을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 3에서 MPP부분을 확대한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 MPP 추종 과정을 설명하는 순서도이다.
도 6는 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 회로도를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 종래 기술에 의한 고정 증분 P&O MPPT의 I_PV의 시간에 따른 변화 및 전압에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 MPP 추종과정을 도시한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 의한 가변 증분 P&O MPPT의 I_PV의 시간에 따른 변화 및 전압에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 MPP 추종과정을 도시한 그래프이다.

본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O(Pertubation and Observation) MPPT(Maximum Power Point Tracking) 시스템 및 방법은 MPP 추종을 위하여 전압 증분 크기를 연속적으로 가변한다. 즉, MPP(Maximum Power Point, 최대 전력점) 추종 시에 MPP 왼쪽에서 추종할 때의 값과 MPP 오른쪽에서 추종할 때의 의 크기를 다르게 하여 빠른 MPP 추종속도를 확보할 뿐만 아니라 MPP 근방에서 발생되는 자려진동 폭을 최소로 줄여 MPP에 최대한 신속하고 가까이 근접하게 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 태양전지 V-P특성곡선을 도시한 그래프이다. 도 2에 도시한 바와 같이, MPP(최대전력점)를 기준으로

가 양수인 부분에서의 근접 직선의 기울기와

가 음수인 부분에서의 근접 직선의 기울기가 차이가 나므로 도 2의 그래프에서

는 MPP의 오른쪽 부분이 MPP의 왼쪽 부분에 비해서 그 값의 변화가 급격하게 이루어진다.

따라서 MPP 주총 시, 오른쪽에서 추종하는 경우의 전압 증분(ΔV)의 값을 MPP의 왼쪽 부분에 비하여 작게 설정(0.4ΔV 내지 0.6ΔV가 바람직하나, 본 발명에서는 설명의 편의상 0.5ΔV로 설명한다.)하여 가변 전압 증분 방식으로 MPP를 추종하게 하면 추종속도는 빨라지고 출력전압 변동폭은 줄어들게 된다. 여기서 가변 전압 증분(ΔV_n)은 도 5에 도시한 알고리즘에서 한 주기 순환하는 동안 일정한 값을 가지며, 상기 알고리즘을 거치면서 특정 조건을 만족하는 경우(ΔP_pv이 음의 값을 갖고, ΔV_pv가 양의 값을 가지는 경우) 다음 전압 증분 ΔV_n ₊₁가 가변(본 발명의 실시예에서는 특정 조건을 만족하는 경우 ΔV_n/2로 가변되는 것으로 설명하였다.)할 수 있으므로 이하에서는 가변 전압 증분이라고 지칭한다.

ΔV₁(초기설정된 가변 전압 증분)을 크게 설정하면 MPP의 왼쪽에서 MPP에 접근할 때 빠르게 MPP에 추종하게 되며 MPP를 지나 MPP의 오른쪽에 도달하게 되면 새로운 가변 전압 증분 ΔV₂=ΔV₁/2에 의해 MPP를 추종하게 된다. 여기서 ΔV₁ 값은 반복된 실험에 의하여 산출된 최적값이거나, 임의로 설정된 특정 값이다.

여기서, 가변 전압 증분(ΔV) 및 전력변화(ΔP)는 하기 수 1 내지 3과 같이 정의된다.

(수 1)

(수 2)

(수 3)

여기서, P_pv[n]은 현재 태양전지 출력 전력, P_pv[n-1]은 이전 태양전지 출력 전력, V_pv[n]은 현재 태양전지 출력 전압, V_pv[n-1]은 이전 태양전지 출력 전압, ΔV_n은 가변 전압 증분을 의미한다.

전술한 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템의 전력변화, 섭동 및 다음 섭동 사이의 관계를 요약하면 다음 표 1과 같다.

Case	전력변화 [ΔP_n]	가변 전압 증분 [ΔV_n]	다음 가변 전압 증분 [ΔV_n ₊₁]
1	Positive	Positive	Positive(ΔV_n)
2	Negative	Positive	Negative( ΔV_n/2)
3	Positive	Negative	Negative(-ΔV_n)
4	Negative	Negative	Positive(ΔV_n)

도 3은 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT의 동작점 추종 동작을 도시한 그래프이며, 도 4는 도 3에서 MPP 근방을 확대한 그래프이다.

도 3에 도시한 바와 같이 동작점은 A₁→A₂→A₃→A₄→A₅→B₁→B₂와 같이 이동하게 되고, MPP 근방에서의 동작점을 추종해보면 도 4과 같이 B₁→B₂→B₁→B₃→B₁→C₁→C₂→C₁→D₁에 따라서 MPP를 추종한다. 즉, 전술한 그래프에서 도시하였듯이 좌측에서 MPP를 추종하는 것보다 우측에서 MPP를 추종하는 전압 증분을 적게 함으로써, 출력전압 변동폭을 더욱 줄일 수 있게 됨과 동시에 MPP에 매우 근접하여 동작됨을 알 수 있다.

한편, 가변 전압 증분(ΔV)이 무한히 작아지면 MPP를 제대로 추종하지 못할 수 있다. 따라서, 가변 전압 증분이 특정 값(δ)이하가 되면, 즉 MPP에 충분히 근접한 경우 ΔV는 더 이상 감소하지 않는 것이 바람직하므로 본 발명에 의한 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)에 의하면 가변 전압 증분(ΔV)의 값을 감소시키기 전에 특정 값(δ)이하인지 먼저 확인하여 상기 수 3과 같이 가변 전압 증분 값을 감소시키며, 자세한 내용은 후술할 순서도에서 설명한다.

또한, 일사량이 서서히 변동할 때는 최종 가변 전압 증분(ΔV)으로 MPP를 추종하도록 하고, 부분음영 등에 의하여 태양광 어레이 모듈(100)의 전류의 변화 ΔI_pv가 일정범위(ε)를 벗어날 때에는 초기 설정된 증분(ΔV₁)으로 복귀하도록 하여 MPP를 추종하도록 하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT의 동작을 순서도로 나타내면 도 5와 같다. 즉, 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전압(V_pv[n]) 및 전류(I_pv[n])을 센싱하여 태양광 어레이 모듈(100)의 출력증분(ΔP_pv) 및 전압증분(ΔV_pv)을 구한다(S100). 이 경우 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전류(I_pv)가 특정 값(ε)보다 커서 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 정상 작동 범위를 벗어나는 경우에는 이전 가변 전압 증분(ΔV_n-1)의 값을 초기 가변 전압 증분 값(ΔV₁)으로 대체한다.

다음으로, 전술한 표 1과 같이 하기 수 4에 따라 태양광 어레이 모듈(100)의 출력변화량(ΔP_pv) 및 전압변화량(ΔV_pv)의 조건에 따라, 이전 가변 전압 증분(ΔV_n _- ₁)을 이용하여 현 가변 전압 증분(ΔV_n)을 산출하고, 태양광 어레이 모듈(100)의 현재 출력전압(V_ref)에 상기 산출된 가변 전압 증분(ΔV_n)을 더하고, 상기 현재 태양광 어레이 모듈(100)의 출력전압(V_ref)을 태양광 어레이 모듈(100)의 이전 출력전압(V_pv[n-1])으로 갱신하고, 마찬가지로 현재 태양광 어레이 모듈(100)의 출력전류 및 출력전력 값을 각각 이전 출력전류(I_pv[n-1]) 및 출력전력(P_pv[n-1])으로 갱신한다.

상기 S100단계 및 S200단계를 반복하여 MPP를 추종한다(S300).

(수 4)

ΔV_n=(-0.6ΔV_n-1내지-0.4ΔV_n-1)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)(단, ΔV_n-1<δ이면,ΔV_n = -ΔV_n-1이며,δ는 반복된 실험으로 산출되거나 기 설정된 값이다.)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=-ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv<0)

ΔV_n=ΔV_n _-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)

다음은 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT의 회로에 대하여 설명한다. 도 6은 PSIM을 이용한 MPPT 시뮬레이션 회로도이다. 실험에 사용된 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)은 36cell × 30 module이 직렬로 연결된 스트링 1개로 구성되며, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하기 위해, 태양광에 따른 DC 신호를 출력하는 태양광 어레이 모듈(100)과 태양광 어레이 모듈(100)의 출력전압 및 전류와 측정된 일사량에 따라 MPP를 추정하는 한편, 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전압과 상기에서 추정된 전압을 입력받아 두 전압 간의 오차가 최소가 되도록 하여 MPP의 변화에 따라 자동적으로 MPP를 추정하고 제어하되, 가변 전압 증분 MPPT 알고리즘에 의하여 동작되는 제어회로(200)와 부스트 컨버터(300)로 구성된다. (PV) 시스템의 최대 전력은 1.8kW이고 cell의 출력 전류는 3.5A이다.

태양광 어레이 모듈(100)에 연결된 부스터 컨버터는(300)는 제어회로(200)의 제어에 따라 일정 듀티비(D)로 주기적으로 열고 닫히도록 동작되며, 출력전압이 입력전압보다 높은 부스트 변환기가 사용되는 것이 바람직하다.

부스트 변환기를 사용하는 이유는 부분 음영에 의하여 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전류가 낮아져 전체 출력 전력이 감소하는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 출력 전압을 상승시켜 출력 전류의 감소에도 불구하고 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 전체 출력 전력이 일정하게 유지시키기 위함이다.

전술한 부스트 컨버터(300)의 출력전압은 하기 수 5와 같다.

(수 5)

상기 수 5에서 나타난 바와 같이 부분 음영이 발생되지 않아 스위치(SW1)가 항상 개방된 경우이면 듀티비 D가 0이므로 부스트 컨버터(300)의 출력전압은 부스트 컨버터(300)의 입력전압과 같다. 부분 음영이 발생하여 듀티비(D)가 증가하게 되면 상기 수 5의 분모 값(1-D)이 점점 작아져서 출력(V_o)이 입력(V_pv)보다 커지게 된다.

이때, 흐르는 인덕의 평균전류는 하기 수 6과 같다.

(수 6)

상기 수 6와 같이 듀티비(D)를 증가시키면 태양광 어레이 모듈(100)로부터 더 많은 전류를 받을 수 있게 된다. 듀티비(D)가 증가하면 전류가 증가하게 되어 전류-전압 특성곡선 상의 동작점은 왼쪽으로 이동하게 된다. 이 듀티비를 증가, 감소시킴에 따라 최대전력점(MPP)을 추종하게 된다.

다음은 본 발명에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다. 도 7a 및 도 7b는 각각 종래 기술에 의한 고정 증분 P&O MPPT의 I_PV의 시간에 따른 변화 및 전압에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 MPP 추종과정을 도시한 그래프이고, 도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 의한 가변 증분 P&O MPPT의 I_PV의 시간에 따른 변화 및 전압에 따른 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 MPP 추종과정을 도시한 그래프이다.

도 7a에 나타난 바와 같이 종래 기술에 의한 고정 증분 P&O MPPT의 I_PV의 맥동전류는 약 ΔI_PV=0.7A이나, 도 8a에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 가변 증분 P&O MPPT의 I_PV의 맥동전류는 약 ΔI_PV=0.1A로서 맥동 전류가 현저히 감소하였다.

또한, 도 7b에 나타난 바와 같이 종래 기술에 의한 고정 증분 P&O MPPT에서 MPP추종 시 출력 전압의 변동폭이 약 10V이나, 도 8b에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 가변 증분 P&O MPPT에서 MPP추종 시 출력 전압의 변동폭은 약 1.5V로 현저히 감소하였다.

상기와 같이 본 발명과 같이 가변 증분(ΔV)을 채택함으로써, 고정 증분을 채택한 경우보다 출력전압 변동폭이 감소하여 보다 빠르게 최대전력점(MPP)에 근접하게 됨을 알 수 있다. 즉, 최대전력점에 근방에서 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 출력 전압의 미소 진동이 감소하여 전력 손실이 최소화되어 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템(10)의 발전 효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

10: 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템 100: 태양광 어레이 모듈
200: 제어회로 300: 부스트 컨버터

Claims

태양광을 입력받아 전기 에너지로 변환하여 출력하는 태양광 어레이 모듈;
상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전압에 가변 전압 증분(ΔV_n)을 가감하여 상기 태양광 어레이 모듈의 출력 전력이 최대화되도록 제어하는 제어회로;
상기 태양과 어레이 모듈의 후단에 구비되며, 상기 제어회로의 제어에 따라 동작하되, 입력전압을 가변적으로 승압하는 부스터 컨버터;
로 구성되되,
상기 가변하는 전압 증분(ΔV_n)은,
ΔV_n=(x*ΔV_n-1,-1<x<0)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)
ΔV_n=ΔV_n-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)
ΔV_n=-ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv<0)
ΔV_n=ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)
와 같이 산출되되,
ΔP_pv 및ΔV_pv는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 출력변화량 및 전압변화량이며, ΔV_n-1 및ΔV_n는 각각 상기 태양광 어레이 모듈의 이전 가변 전압 증분 및 현 가변 전압 증분인 것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가변 전압 증분(ΔV_n)은,
ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, ΔV_n=x*ΔV_n _-1에서 상기 x는 0.4 내지 0.6인것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가변 전압 증분(ΔV_n)은,
ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서,
상기 ΔV_n-1가 기 설정된 값(δ) 미만이면,ΔV_n = -ΔV_n-1인 것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 시스템.
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태양광 어레이 모듈에서 현재의 전압과 전류를 측정하고, 이를 이전에 측정된 태양광 어레이 모듈의 전압 및 전류 값과 비교하여 전압 변화량(ΔV_pv), 전류 변화량(ΔI_pv) 및 전력 변화량(ΔP_pv=ΔV_pv*ΔI_pv)를 구하는 제1단계; 및
상기 태양광 어레이 모듈의 현재 출력 전압(V_ref)에 상기 전력 변화량(ΔP_pv) 및 상기 전압 변화량(ΔV_pv)에 따라 가변하는 전압 증분(ΔV_n)을 가감하는 제2단계로 구성되고,
상기 제1단계에서,
상기 태양광 어레이 모듈(100)의 출력 전류(I_pv)가 특정 값(ε)보다 커서 정상 작동 범위를 벗어나는 경우에는 이전 가변 전압 증분(ΔV_n-1)의 값이 초기 설정된 가변 전압 증분 값(ΔV₁)으로 대체되고,
상기 제 2단계에서,
상기 가변하는 전압 증분(ΔV_n)은,
ΔV_n=(x*ΔV_n-1,-1<x<0)(ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0)
ΔV_n=ΔV_n-1(ΔP_pv<0&ΔV_pv<0)
ΔV_n=-ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv<0)
ΔV_n=ΔV_n-1(ΔP_pv≥0&ΔV_pv≥0)
와 같이 산출되되,
ΔP_pv 및ΔV_pv는 각각 상기 태양광 어레이 모듈(100)의 출력변화량 및 전압변화량이며, ΔV_n-1 및ΔV_n는 각각 상기 태양광 어레이 모듈(100)의 이전 가변 전압 증분 및 현 가변 전압 증분인 것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 방법.
제6항에 있어서,
상기 제 2단계에서,
ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서, ΔV_n=x*ΔV_n _-1의 식에서 상기 x는 0.4 내지 0.6인것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 방법.
제6항에 있어서,
상기 제 2단계에서,
ΔP_pv<0&ΔV_pv≥0인 경우에 있어서,
상기 ΔV_n-1가 기 설정된 값(δ) 미만이면,ΔV_n = -ΔV_n-1인 것을 특징으로 하는 가변 전압 증분 P&O MPPT 방법.