KR101741924B1 - Method for control hybrid MPPT to mitigate partial shading effects in photovoltaic arrays - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 하이브리드 최대전력추종 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 어레이에 부분음영이 발생할 경우에 어레이를 구성하는 모듈간의 출력 불평형이 발생되어 태양전지의 P-V 특성곡선에 국부적인 최대전력점(Local Maximum Power Point; LMPP)이 발생하는 경우에도 전체 특성곡선의 최대전력점(Global Maximum Power Point; GMPP) 추종을 효율적으로 할 수 있는 최대전력추종 제어방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 LA(Linear Approximation)기법에 적용된 최대전력점(MPP: Maximum Power Point) 커브를 기준으로 좌우측에 일정한 구간을 최대전력 구간으로 설정하고 동작점이 상기 최대전력 구간에 위치하는지 여부를 판단하여, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간을 벗어난 경우 LA기법을 적용하고, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간 이내에 있는 경우 IncCond(Incremetal Conductance)기법을 적용하는 최대전력추종 제어방법에 있어서, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간 안에 도달하면 P-V 커브의 기울기를 계산하는 단계; 상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이하인 경우 IncCond 기법으로 전환하며, 상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이상이면 P-V 커브 스캐닝을 수행하는 단계; 상기 P-V 커브 스캐닝을 통해 GMPP(Global Maximum Power Point)를 추적하여 상기 동작점을 상기 GMPP로 이동시키고 IncCond 기법으로 전환하는 단계; 및 상기 IncCond 기법으로 추종된 최대전력점(MPP)과 상기 LA기법의 최대 전력점 , GMPP와의 전력 및 전압의 차를 비교하여 일정 이상의 차이가 발생하면 LA 기법으로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, IncCond 기법과 LA 기법, P-V curve scanning 기법을 결합함으로써, 속응성과 정상운전 시 안정성을 높이고, 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생하더라도 정확하게 GMPP를 추종할 수 있는 효과를 가진다.More particularly, the present invention relates to a hybrid maximum power follow-up control method, and more particularly, to a hybrid maximum power follow-up control method in which, when partial shading occurs in a solar array, an output imbalance occurs between modules constituting the array, The present invention relates to a maximum power follow-up control method capable of effectively following a global maximum power point (GMPP) of an overall characteristic curve even when a maximum power point (LMPP) occurs. To this end, according to the present invention, a constant interval is set as a maximum power interval based on a maximum power point (MPP) curve applied to a LA (Linear Approximation) technique and whether or not an operating point is located in the maximum power interval And a maximum power follow-up control method of applying an IncCond (Incremental Conductance) technique when the operating point is out of the maximum power period and applying the LA technique if the operating point is within the maximum power period, Calculating the slope of the PV curve when it reaches within the maximum power interval; Performing an IncCond technique when the slope of the PV curve is less than a predetermined angle and performing a PV curve scanning if the slope of the PV curve is greater than a predetermined angle; Tracking the Global Maximum Power Point (GMPP) through the PV curve scanning to move the operating point to the GMPP and switching to IncCond technique; And comparing the power difference between the maximum power point (MPP) followed by the IncCond technique and the maximum power point of the LA technique, GMPP, and switching to the LA technique if a difference of more than a predetermined value occurs, do.
According to the present invention, by combining IncCond technique, LA technique and PV curve scanning technique, it is possible to enhance stability and stability during normal operation, and to accurately follow GMPP even when a large number of LMPPs occur due to partial shading.
Description
본 발명은 하이브리드 최대전력추종 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 어레이에 부분음영이 발생할 경우에 어레이를 구성하는 모듈간의 출력 불평형이 발생되어 태양전지의 P-V 특성곡선에 국부적인 최대전력점(Local Maximum Power Point; LMPP)이 발생하는 경우에도 전체 특성곡선의 최대전력점(Global Maximum Power Point; GMPP) 추종을 효율적으로 할 수 있는 최대전력추종 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid maximum power follow-up control method, and more particularly, to a hybrid maximum power follow-up control method, and more particularly to a hybrid maximum power follow-up control method in which, when partial shading occurs in a solar array, output imbalance occurs between modules constituting the array, The present invention relates to a maximum power follow-up control method capable of efficiently following a global maximum power point (GMPP) of an overall characteristic curve even when a local maximum power point (LMPP) occurs.
최근 전 세계적으로 에너지 사용량의 증가와 화석연료 사용에 따른 환경문제로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 신재생에너지는 친환경적이며 지속가능한 에너지원으로 미래에는 화석연료를 대체할 것으로 평가받고 있으며, 기술 선진국의 주도하에 많은 연구가 진행되고 있다.Recently, interest in renewable energy has been increasing due to the increase in energy consumption worldwide and the environmental problems caused by the use of fossil fuels. New and renewable energy is considered to be an environmentally friendly and sustainable energy source that will replace fossil fuels in the future, and many studies are under way led by technologically advanced countries.
특히 태양광에너지는 무한정한 에너지와 저렴한 유지비용 및 설치의 용이함 등의 많은 이점으로 각광을 받고 있으며 이에 따른 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 태양광 발전 시스템은 기상조건이나 설치 장소에 영향을 받으며 설치비용이 높다는 단점도 지니고 있다.In particular, solar energy is attracting attention because of its unlimited energy, low maintenance cost, and ease of installation. However, the PV system is affected by the weather conditions and the location of installation, and also has a disadvantage of high installation cost.
태양전지는 전류-전압 특성곡선 또는 전력-전압 특선곡선이 비선형적이며 온도나 일사강도에 따라 출력이 변동되는 특성을 지니고 있다. 이에 대하여 좀더 살펴보면, 도 1과 같이 태양전지는 등가회로로 나타낼 수 있으며, 이러한 등가회로를 기반으로 태양전지를 수식적으로 나타내면 [수학식 1]과 같다.The solar cell has characteristics that the current-voltage characteristic curve or the power-voltage characteristic curve is non-linear and the output varies according to the temperature or the solar radiation intensity. As shown in FIG. 1, the solar cell can be represented by an equivalent circuit, and the solar cell can be expressed mathematically as
(여기서, V: 태양전지의 출력전압, IPH : 광 발생 전류(A), Iout : 부하에 흐르는 전류(A), RS : 태양전지 외부 출력 저항(Ω), RSH : 태양전지 내부 병렬 저항(Ω), B : 재료계수, k : 볼츠만 상수(1.38*10-23 J*K-1), T 절대온도, q : 전하량(1.6*10-19 C), A: pn접합의 재료 특성이 온도에 따라 결정되는 계수임)(Where, V: the internal solar cell: The output voltage of the solar cell, I PH: the light-generating current (A), I out: current (A), R S through the load: Solar external output resistance (Ω), R SH (1.38 * 10 -23 J * K -1 ), T absolute temperature, q: charge amount (1.6 * 10 -19 C), A: the material of the pn junction The characteristic being a temperature-dependent coefficient)
도 2(a)는 온도에 따른 태양전지의 I-V 특성곡선 그래프를 나타내며, 도 2(b)는 일사강도에 따른 태양전지의 I-V 특성곡선 그래프를 나타낸다. 도 2(a) 및 도 2(b)에서와 같이 태양전지는 온도와 일사강도에 따라 비선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 2 (a) is an I-V characteristic curve graph of a solar cell according to temperature, and FIG. 2 (b) is an I-V characteristic curve graph of a solar cell according to solar cell intensity. As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), it can be seen that the solar cell changes non-linearly with temperature and solar radiation intensity.
태양광 발전 시스템은 다른 신재생 에너지원에 비해 발전효율이 낮기 때문에 태양전지의 특성에 따른 최대전력점을 추종하는 기술이 필수적이다. 여기서 일사강도나 온도의 변화에 따른 최대전력을 출력하기 위해서는 최대전력 동작점에서 출력전압을 유지하여야 하는데, 이러한 제어를 최대전력추종(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 제어라고 한다.Solar power generation system has lower power generation efficiency than other renewable energy sources, so it is essential to follow maximum power point according to characteristics of solar cell. Here, in order to output the maximum power according to the change of the solar radiation intensity or the temperature, the output voltage should be maintained at the maximum power operation point. Such control is called maximum power point tracking (MPPT) control.
태양광 발전 시스템에서 MPPT 제어의 중요도가 높은 만큼 MPPT 제어에 대한 다양한 기법들이 제안되어 왔다. 지금까지 제안된 MPPT 제어 기법들은 수행원리에 따라 각 장단점을 지니고 있다.Various techniques for MPPT control have been proposed as the importance of MPPT control in PV systems is high. The proposed MPPT control schemes have advantages and disadvantages according to the execution principle.
기존 MPPT 제어 기법의 하나인 Perturbation & Observation(이하, 'P&O'라고 함) 기법은 태양전지 어레이의 출력전압을 주기적으로 증가, 감소시킴으로써 이전의 출력 Power와 현재의 출력 Power를 비교하여 최대전력 동작점(MPP)을 찾는 방법이다. P&O 기법은 제어가 간단하여 빠른 응답을 가지는 장점이 있지만, 최대전력점에서 태양전지 출력전압이 연속적으로 미소 진동하여 어레이 출력전력의 손실이 발생하고, 일사량의 변화가 심할 경우 정상적인 제어가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 도 3는 P&O기법의 알고리즘 순서도를 나타내며, 도 4는 P&O 기법의 동작원리를 나타낸다.Perturbation & Observation (P & O) technique, which is one of the conventional MPPT control techniques, periodically increases or decreases the output voltage of the solar cell array to compare the previous output power with the present output power, (MPP). The P & O technique has the advantages of simple control and quick response. However, it is disadvantageous that the output voltage of the solar cell is continuously vibrated continuously at the maximum power point and the output power of the array is lost. Have. FIG. 3 shows an algorithm flow chart of the P & O technique, and FIG. 4 shows an operation principle of the P & O technique.
다음으로, Incremental Conductance(이하, IncCond' 라고 함) 기법은 측정된 전압과 전류를 통해 PV 어레이의 출력을 계산하고, 전압의 변화량과 출력전력의 변화량에 따라 동작점을 증감시키며 최대전력점을 추종하는 제어기법이다. 최대전력점에서의 P-V 특성곡선의 기울기는 0이며, [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.Next, the Incremental Conductance (hereinafter referred to as IncCond) technique calculates the output of the PV array through the measured voltage and current, increases or decreases the operating point according to the variation of the voltage and the output power, . The slope of the P-V characteristic curve at the maximum power point is 0, which can be expressed by Equation (2).
상기 수학식 2는 부하 임피던스가 최대동작점에 있어서 태양전지 어레이의 V-I 곡선의 기울기에 동등하다는 것을 나태나고 있다. 도 5는 IncCond 기법의 알고리즘을 나타나며, 도 6는 IncCond 기법의 알고리즘의 동작원리를 나타낸다. IncCond 기법은 최대전력점 도달 시 태양전지의 출력이 안정된 특성을 지닌다. 그러나 연산수행에 비교적 복잡하기 때문에 연산 수행이 가능한 프로세서가 필요하다. 또한 증분 컨덕턴스 계산 시 나누기 연산이 수행되는데 나누기 연산에서 분모는 0이 될 수 없으므로 전압 증분 값 연산 시 제한 값을 설정해주어야 한다.Equation 2 indicates that the load impedance is equal to the slope of the V-I curve of the solar cell array at the maximum operating point. FIG. 5 shows the algorithm of the IncCond technique, and FIG. 6 shows the operation principle of the IncCond technique. IncCond technique has stable characteristics of solar cell output when reaching maximum power point. However, since it is relatively complicated to perform an operation, a processor capable of performing an operation is required. In addition, the division operation is performed in the incremental conductance calculation. Since the denominator in the division operation can not be 0, the limit value should be set in the voltage increment calculation.
또 다른 MPPT 제어 기법으로, Linear Approximation(이하, 'LA'이라 함) 기법이 있는데, LA기법은 일사강도나 온도의 변화에 따른 최대전력점들을 하나의 직선으로 근사화한 후 관측된 전력을 선형화된 선(이하, 'MPP 커브'라고 함)에 대입하여 최대전력점을 추종하는 기법이다. LA 기법에서는 MPP 커브와 P-V 커브가 교차하는 지점을 최대전력점으로 인식하게 된다. LA 기법은 일사강도나 온도의 변화에 따른 최대전력점을 신속히 추종할 수 있는 장점을 지닌다. 도 7은 LA 기법의 알고리즘 순서도를 나타낸다.Another approach is the Linear Approximation (LA) technique. The LA technique approximates the maximum power points of the solar radiation intensity or temperature with a straight line, (Hereinafter referred to as "MPP curve") to follow the maximum power point. In the LA technique, the intersection point of the MPP curve and the P-V curve is recognized as the maximum power point. The LA technique has the advantage of rapidly following the maximum power point according to the solar radiation intensity or temperature. 7 shows an algorithm flow diagram of the LA scheme.
앞서 소개한 각 MPPT 기법들을 비교하면, 연산 수행 복잡성에서는 P&O기법의 알고리즘이 단순하며, IncCond 기법이 가장 복잡하다. 반면 동적 응답속도에서는 LA 기법이 가장 빠르며, 최대전력지점에 도달 시 안정도에는 IncCond 기법이 우수하다. 도 8은 MATLAB/Simulink에서 [표 1]의 파라미터를 가지는 모듈을 5직렬 66병렬로 구성된 100kW 태양광 어레이를 구현하여 각 MPPT 제어 기법을 적용하였을 때 그 특성을 확인한 파형 그래프이다.Comparing the MPPT schemes described above, the algorithm of the P & O scheme is simpler and the IncCond scheme is the most complex in terms of computational complexity. On the other hand, the LA technique is the fastest at the dynamic response speed, and the IncCond technique is superior to the stability at the maximum power point. FIG. 8 is a waveform graph showing the characteristics of a 100 kW photovoltaic array implemented by 5 serial and 66 parallel modules in the MATLAB / Simulink [Table 1] when each MPPT control technique is applied.
태양광 발전 시스템에서는 시스템이 요구하는 전기적 사양을 가지기 위해 태양광 모듈을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 어레이로 구성하여 사용한다. 태양광 어레이의 열을 구성하는 모듈을 증가시킬 경우, 어레이의 출력전류는 증가하지 않고 출력전압이 증가한다. 어레이 열의 병렬연결을 증가시킬 경우, 출력전압은 증가하지 않고 출력전류가 증가한다. 어레이를 구성하는 모듈의 직병렬 연결은 시스템에서 요구하는 사양에 따라 설정된다.In order to have the electrical specifications required by the system, solar modules are connected in series or in parallel to form an array. When increasing the modules that make up the array of solar arrays, the output current of the array does not increase and the output voltage increases. When increasing the parallel connection of the array columns, the output voltage does not increase but the output current increases. The serial-parallel connection of the modules constituting the array is set according to the specifications required by the system.
그런데 고층건물이나 구름 등의 원인으로 태양광 어레이에 부분음영이 발생할 경우, 어레이를 구성하는 모듈간의 출력 불평형이 발생되며, 도 9과 같이 태양전지의 P-V 특성곡선에 다수의 국부적인 최대전력점(Local Maximum Power Point; 이하, 'LMPP'라고 함)이 발생될 수 있다. LMPP가 발생할 경우 일반적인 MPPT 제어 방식으로는 전체 특성곡선의 최대전력점(Global Maximum Power Point; 이하, 'GMPP'라고 함)추종이 어렵다. 앞에서 설명한 세 가지 MPPT 제어 기법들 역시 부분음영에 취약한 문제를 가지고 있다. 도. 10(a)는 10%의 부분음영 발생 시 P-V 특성곡선 그래프이며, 도 10(b)는 10%의 부분음영 발생 시 기존 P&O기법, IncCond기법 및 LA기법 별 출력 비교 파형 그래프이다. 이를 통해, 기존의 MPPT 제어 기법들은 부분음영에 취약하다는 것을 확인할 수 있다.However, when partial shading occurs in a solar array due to a high-rise building or cloud, an output imbalance occurs between the modules constituting the array. As shown in Fig. 9, the PV characteristic curve of the solar cell has a plurality of local maximum power points Local Maximum Power Point (LMPP)] may be generated. When LMPP occurs, it is difficult to follow the global maximum power point (hereinafter referred to as 'GMPP') of the overall characteristic curve in the general MPPT control method. The three MPPT control schemes described above are also vulnerable to partial shading. Degree. 10 (a) is a P-V characteristic curve graph when 10% of partial shadows are generated, and FIG. 10 (b) is a graph of output comparison waveforms of conventional P & O technique, IncCond technique and LA technique when 10% As a result, it can be confirmed that the conventional MPPT control techniques are vulnerable to partial shading.
기존 MPPT 기법 중 부분음영을 고려한 방식으로 Power Curve Slope 기법(A. Bidram, A. Davoudi and R. S. Balog, "Control and Circuit Techniques to Mitigate Partial Shading Effects in Photovoltaic Arrays", IEEE J, Photovoltaics, Vol. 2. No. 4, pp 532-546, Oct. 2012. 참고) 및 Scanning type의 기법 등을 들 수 있다. Power Curve Slope 기법은 P-V 특성곡선 중 하강에서 상승하는 변화를 감지할 경우 이를 특이점으로 인지하여 LMPP를 검출하는 방식으로 각 LMPP를 비교하여 최대전력점을 추출한다. Scanning type의 기법은 P-V 특성곡선 또는 I-V 특성곡선을 전압 또는 전류를 일정한 크기로 가변시키며 스캐닝하는 방식으로 최대전력점을 추출한다.In the conventional MPPT technique, a partial curve is considered, and a power curve slope technique (A. Bidram, A. Davoudi and RS Balog, "Control and Circuit Techniques to Mitigate Partial Shading Effects in Photovoltaic Arrays", IEEE J. Photovoltaics, Vol. No. 4, pp 532-546, Oct. 2012.) and a scanning type technique. The power curve slope technique detects the rising change of the P-V characteristic curve and identifies it as a singular point. The LMPP is detected and the maximum power point is extracted by comparing each LMPP. The scanning type technique extracts the maximum power point by scanning the P-V characteristic curve or the I-V characteristic curve by varying the voltage or current to a predetermined magnitude.
그러나, Power Curve Slope 기법은 급격하게 변하는 부분음영 상태에서는 만족스러운 성능을 얻기 어려우며, Scanning type의 기법은 최단거리로 최대전력점을 추종하지 못하고 동작점 전체구간의 출력을 확인 후에 최대전력점을 얻을 수 있다는 면에서 비효율적이라는 문제점을 지니고 있다.However, the Power Curve Slope technique is difficult to obtain satisfactory performance in a rapidly changing partial shaded state, and the Scanning type technique fails to follow the maximum power point with the shortest distance. After checking the output of the entire operating point, And it is inefficient in terms of being able to do so.
이에, 본 발명은 기존 MPPT 기법들을 상황에 따라 조합하여 부분음영에 의해 국부적인 최대전력점(Local Maximum Power Point; LMPP)이 발생하는 경우에도 전체 특성곡선의 최대전력점(GMPP) 추종을 효율적으로 할 수 있는 최대전력추종 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, the present invention combines existing MPPT techniques according to the situation, so that even when a local maximum power point (LMPP) occurs due to partial shading, the maximum power point (GMPP) And to provide a maximum power follow-up control method that can be used.
이를 위하여, 본 발명은 LA(Linear Approximation)기법에 적용된 최대전력점(MPP: Maximum Power Point) 커브를 기준으로 좌우측에 일정한 구간을 최대전력 구간으로 설정하고 동작점이 상기 최대전력 구간에 위치하는지 여부를 판단하여, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간을 벗어난 경우 LA기법을 적용하고, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간 이내에 있는 경우 IncCond(Incremetal Conductance)기법을 적용하는 최대전력추종 제어방법에 있어서, 상기 동작점이 상기 최대전력 구간 안에 도달하면 P-V 커브의 기울기를 계산하는 단계; 상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이하인 경우 IncCond 기법으로 전환하며, 상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이상이면 P-V 커브 스캐닝을 수행하는 단계; 상기 P-V 커브 스캐닝을 통해 GMPP(Global Maximum Power Point)를 추적하여 상기 동작점을 상기 GMPP로 이동시키고 IncCond 기법으로 전환하는 단계; 및 상기 IncCond 기법으로 추종된 최대전력점(MPP)과 상기 LA기법의 최대 전력점 , GMPP와의 전력 및 전압의 차를 비교하여 일정 이상의 차이가 발생하면 LA 기법으로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, according to the present invention, a constant interval is set as a maximum power interval based on a maximum power point (MPP) curve applied to a LA (Linear Approximation) technique and whether or not an operating point is located in the maximum power interval And a maximum power follow-up control method of applying an IncCond (Incremental Conductance) technique when the operating point is out of the maximum power period and applying the LA technique if the operating point is within the maximum power period, Calculating the slope of the PV curve when it reaches within the maximum power interval; Performing an IncCond technique when the slope of the P-V curve is less than a predetermined angle, and performing a P-V curve scanning if the slope of the P-V curve is greater than a predetermined angle; Tracking the Global Maximum Power Point (GMPP) through the P-V curve scanning to move the operating point to the GMPP and switching to IncCond technique; And comparing the power difference between the maximum power point (MPP) followed by the IncCond technique and the maximum power point of the LA technique, GMPP, and switching to the LA technique if a difference of more than a predetermined value occurs, do.
또한, 상기 P-V 커브 스캐닝은 상기 동작점의 30～80% 구간에서 일정한 증분값을 가지고 증가시켜 수행할 수 있다.In addition, the P-V curve scanning may be performed with a constant increment value in a range of 30 to 80% of the operating point.
본 발명에 따르면, IncCond 기법과 LA 기법, P-V curve scanning 기법을 결합함으로써, 속응성과 정상운전 시 안정성을 높이고, 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생하더라도 정확하게 GMPP를 추종할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, by combining the IncCond technique with the LA technique and the P-V curve scanning technique, it is possible to enhance the sensitivity and stability in normal operation, and to accurately follow the GMPP even when a large number of LMPPs occur due to partial shading.
도 1은 태양전지 등가회로도.
도 2(a)는 온도에 따른 태양전지의 I-V 특성곡선 그래프.
도 2(b)는 일사강도에 따른 태양전지의 I-V 특성곡선 그래프.
도 3든 P&O기법의 알고리즘 순서도
도 4는 P&O기법의 동작원리를 나타내는 그래프.
도 5는 IncCond기법의 알고리즘 순서도.
도 6은 IncCond 기법의 동작원리를 나타내는 그래프
도 7은 LA기법의 동작원리를 나타내는 그래프.
도 8은 P&O기법, IncCond기법 및 LA기법을 각각 적용한 결과에 따른 특성 그래프.
도 9는 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생함을 보여주는 P-V 특성곡선 그래프.
도 10(a)는 10%의 부분음영 발생 시 P-V 특성곡선 그래프.
도 10(b)는 10%의 부분음영 발생 시 P&O기법, IncCond기법 및 LA기법 별 출력 비교 파형 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 MPPT기법의 알고리즘 순서도.
도 12는 본 발명에 따른 MPPT기법의 동작 원리 설명 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션 모델 회로도.
도 14는 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션의 정상운전 시 설정된 일사강도 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션의 정상운행 시 일사강도 변화에 따른 출력과 LA 기법 출력을 비교한 파형 그래프.
도 16은 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션의 정상운행 시 MPPT 기법의 동작 모드 그래프.
도 17은 부분음영 발생 시, 시뮬레이션에 적용된 본 발명에 따른 MPPT 기법의 출력과 LA 기법 단독 적용 결과에 따른 출력 비교 그래프.
도 18은 부분음영 발생 시 시뮬레이션에 적용된 본 발명에 따른 MPPT 기법의 동작 모드 그래프.1 is a solar cell equivalent circuit diagram.
FIG. 2 (a) is an IV characteristic curve graph of a solar cell according to temperature.
FIG. 2 (b) is an IV characteristic curve graph of the solar cell according to the solar radiation intensity.
The algorithm flow chart of the P & O scheme of FIG. 3
4 is a graph showing the operation principle of the P & O technique.
5 is an algorithm flow diagram of the IncCond technique.
6 is a graph showing the operation principle of the IncCond technique
7 is a graph showing the operation principle of the LA technique.
8 is a characteristic graph according to the result of applying the P & O technique, the IncCond technique, and the LA technique, respectively.
FIG. 9 is a graph of a PV characteristic curve showing that a large number of LMPPs are generated by partial shading. FIG.
10 (a) is a graph of a PV characteristic curve when 10% partial shading occurs.
FIG. 10 (b) is a plot of the output comparison waveforms of the P & O technique, IncCond technique, and LA technique when 10% partial shading occurs.
11 is a flowchart of the algorithm of the MPPT scheme according to the present invention.
12 is a graph illustrating the operation principle of the MPPT technique according to the present invention.
13 is a simulation model circuit diagram using the MPPT technique according to the present invention.
FIG. 14 is a graph of the solar radiation intensity set during normal operation of the simulation using the MPPT technique according to the present invention.
15 is a waveform graph comparing the output of the LA technique with the output of the simulation according to the present invention with the change of the solar intensity during normal operation.
16 is a graph of the operation mode of the MPPT scheme during normal operation of the simulation using the MPPT technique according to the present invention.
FIG. 17 is a graph showing the output comparison of the output of the MPPT technique according to the present invention applied to the simulation and the output of the LA technique alone when partial shading occurs. FIG.
18 is a graph of the mode of operation of the MPPT technique according to the present invention applied to simulations when generating partial shading.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 앞서 언급한 각 MPPT 기법 중 LA기법과 IncCond 기법의 장단점을 비교하면, LA 기법은 상기 언급한 MPPT 제어 기법 중에서 태양광 발전 시스템의 정상운전 시 정확성 및 속응성 면에서 특성이 매우 우수하다. 그러나 온도 및 일사강도 외에 성능저하에 따른 특성변화와 같은 출력변동에 원인이 될 수 있는 요소들에 대해 능동적으로 대처하지 못하는 단점을 가지기 때문에 속응성이 요구되는 구간에서 동작되는 것이 적합한 반면 안정도가 요구되는 최대전력점에 근접한 구간에서는 부적합하다.First, comparing the advantages and disadvantages of the LA and IncCond techniques among the MPPT techniques mentioned above, the LA technique is superior in terms of accuracy and quick response in the normal operation of the photovoltaic power generation system among the MPPT control techniques mentioned above. However, since it has a disadvantage that it can not actively cope with factors that may cause power fluctuation such as change in characteristics due to performance degradation in addition to temperature and radiation intensity, it is suitable to operate in an interval where acceleration is required, Lt; RTI ID = 0.0 > power point. ≪ / RTI >
또한, IncCond 기법은 LA 기법에 비해 속응성은 떨어지지만 출력변동에 원인이 될 수 있는 요인들에 대해 어느 정도 능동적으로 반응할 수 있다는 점에서 LA 기법의 안정도 문제를 보완해 줄 수 있는 제어 기법이다.The IncCond technique is a control technique that can compensate for the stability problem of the LA technique in that it can respond to some factors that are less responsive than the LA technique but cause the output fluctuation to some extent.
따라서, 동작점이 최대전력점에 근접한 구간에서는 IncCond 기법을 적용하고 최대전력점으로부터 동작점이 떨어져있을 경우에는 LA 기법을 적용하여 운전하도록 한다면 태양광 발전 시스템의 정상운전 시에는 만족스러운 성능을 얻을 수 있게 된다. 그러나 이 두 기법은 부분음영에 따른 다수의 LMPP 발생시 GMPP를 추종하는데 어려움이 있으므로, 이에 따른 대비가 필요하다.Therefore, if the IncCond technique is applied in the section where the operating point is close to the maximum power point, and if the operating point is separated from the maximum power point, then the LA technique is applied so that satisfactory performance can be obtained in the normal operation of the PV system do. However, these two techniques are difficult to follow the GMPP when a large number of LMPPs are generated according to partial shadows.
따라서 본 발명에서 제시하는 MPPT 제어 알고리즘에는 정상운전 시 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)으로부터 현재의 동작점이 떨어져 있는 경우, 추종속도가 높은 LA 기법을 적용하였으며, 최대전력점 도달 시에는 정상상태에서 안정적인 IncCond 기법을 적용한다. 그리고 부분음영발생에 따른 LMPP 발생 시에 대비하여 동작점을 일정하게 이동시키며 P-V 곡선을 스캐닝하는 방식을 적용한다. 그런데 부분음영 발생 시에만 P-V 곡선을 스캐닝하는 방식을 적용하려면, 부분음영 발생 상황을 검출할 수 있는 방식이 필요하다.Therefore, in the MPPT control algorithm proposed in the present invention, when the current operating point is distant from the maximum power point (MPP) during normal operation, the LA method with high tracking speed is applied. When the maximum power point is reached, To apply a reliable IncCond technique. In addition, a method of scanning the P-V curve by moving the operating point constantly in preparation for the occurrence of LMPP due to partial shadowing is applied. However, in order to apply the method of scanning the P-V curve only when partial shading occurs, a method of detecting the partial shading situation is required.
이에 본 발명에서 제안하는 MPPT 제어 알고리즘의 동작원리는 다음과 같다. LA 기법에 적용된 MPP 커브를 기준으로 좌우측(±)에 최대전력 구간을 설정한다. 설정된 최대전력 구간에서 동작점이 벗어나면, 동작점이 최대전력점으로부터 일정 크기 이상으로 벗어났다고 판단하여 LA기법을 적용하게 되며, LA기법을 통해 동작점이 설정된 최대전력 구간 안에 도달하게 되면 P-V 커브의 기울기를 검사한다. 이때 기울기가 0에 근접한 일정 각도 이하인 경우 현재의 동작점이 최대전력점에 근접하다 판단하고 IncCond 기법으로 전환하지만, 현재의 동작점에서의 기울기가 일정 각도 이상이면 MPP 커브에서 최대전력점이 벗어났다고 판단하고 P-V 커브 스캐닝을 수행한다.The operation principle of the MPPT control algorithm proposed in the present invention is as follows. The maximum power interval is set to the left and right (±) based on the MPP curve applied to the LA technique. When the operating point deviates from the set maximum power interval, it is determined that the operating point deviates from the maximum power point by more than a predetermined magnitude, and the LA technique is applied. When the operating point reaches the maximum power range set by the LA technique, the slope of the PV curve is checked do. At this time, if the slope is less than a certain angle close to 0, it is judged that the current operating point is close to the maximum power point, and the IncCond technique is switched. If the slope at the current operating point is more than a predetermined angle, Curve scanning is performed.
P-V 커브 스캐닝을 통해 GMPP(Global Maximum Power Point)를 검출하면 GMPP에서의 전력과 전압의 크기를 기록하고 동작점을 GMPP로 이동시킨 후 동작점이 GMPP로 이동했을 때 IncCond 기법으로 전환하여 MPPT를 수행한다. IncCond 기법으로 추종된 MPP와 기록된 GMPP에서의 전력 및 전압의 크기와 비교하여 일정 크기 이상의 차이가 발생하면 P-V 커브 스캐닝을 수행하였을 때의 상황과 현재 상황이 달라졌다 판단하여 LA 기법으로 전환되어 다시 부분음영 발생여부를 검사한다. 상기 P-V 커브 스캐닝은 동작점의 30～80% 구간에서 일정한 증분값을 가지고 증가시켜 P-V 커브를 스캐닝 한다. 도 11은 본 발명에 따른 MPPT기법의 알고리즘 순서도를 나타내며, 도 12는 본 발명에 따른 MPPT기법의 동작 원리 설명 그래프를 나타낸다.When the GMPP (Global Maximum Power Point) is detected through PV curve scanning, the magnitude of power and voltage in GMPP is recorded, and the operating point is moved to GMPP. When the operating point moves to GMPP, . When the difference between the MPP tracked by the IncCond technique and the power and voltage magnitude of the recorded GMPP is greater than a certain magnitude, the situation of the PV curve scanning is different from the current situation. Check whether partial shading occurs. The P-V curve scanning increases the P-V curve by a predetermined increment value in a 30 to 80% interval of the operating point, thereby scanning the P-V curve. FIG. 11 shows an algorithm flow chart of the MPPT technique according to the present invention, and FIG. 12 shows a graph illustrating the operational principle of the MPPT technique according to the present invention.
본 발명에 따른 MPPT 제어방법을 검증하기 위해 MATLAB/Simulink로 구현한 100kW 급 계통연계 태양광 발전 시스템에 적용하여 그 특성을 확인하였다. 시뮬레이션 모델에서 태양광 어레이의 MPPT 제어는 DC-DC Boost 컨버터에 적용하였으며, Boost 컨버터의 파라미터는 [표 2]와 같다.In order to verify the MPPT control method according to the present invention, the present invention is applied to a 100 kW grid-connected photovoltaic power generation system implemented by MATLAB / Simulink, and its characteristics are confirmed. In the simulation model, the MPPT control of the solar array is applied to the DC-DC boost converter, and the parameters of the boost converter are shown in [Table 2].
시뮬레이션은 정상운전 시와 부분 음영 시를 모의하였으며, 시뮬레이션 초기 과도상태를 고려하여 MPPT 제어를 시뮬레이션 시작하고 0.3초 후에 적용하였다. 시뮬레이션에서 제안된 MPPT 제어기에 적용된 MPPT 기법마다 Flag를 설정하여 MPPT를 동작시켰다.The simulation simulated the normal operation and the partial shade, and MPPT control was applied after 0.3 seconds after starting the simulation considering the initial transient state of the simulation. In the simulation, the MPPT is operated by setting a flag for each MPPT technique applied to the proposed MPPT controller.
도 13은 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션 모델 회로도를 나타낸 것이다.13 is a circuit diagram of a simulation model using the MPPT technique according to the present invention.
도 14는 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션의 정상운전 시 설정된 일사강도 그래프를 나타내며, 도 15는 본 발명에 따른 MPPT기법을 적용한 시뮬레이션의 정상운행 시 일사강도 변화에 따른 출력과 LA 기법 출력을 비교한 파형 그래프를 나타낸다. 도 15에서와 같이 정상운전 시 LA 기법만 단독으로 수행하였을 때와 거의 일치하는 결과를 얻었다. 도 16을 보면 Flag가 1(LA 기법 동작)과 3(IncCond 기법 동작)을 번갈아 가며 동작하였다. 이를 통해 부분음영이 검출되지 않았으며, 주로 일사강도의 가변이 큰 구간에서 LA 기법이 동작되고, 일사강도의 가변이 크지 않은 구간에서 대부분 IncCond 기법이 적용됨을 확인할 수 있다.FIG. 14 is a graph showing a set solar radiation intensity at the time of normal operation of the simulation using the MPPT technique according to the present invention. FIG. 15 is a graph showing the output according to the solar radiation intensity change and the LA technique output during normal operation of the MPPT technique according to the present invention. The waveform graphs are compared. As shown in FIG. 15, the results are almost the same as those obtained when the LA method alone is performed during normal operation. In Fig. 16, the flag operates alternately between 1 (LA method operation) and 3 (IncCond method operation). It can be seen that most of IncCond technique is applied in the section where the LA technique is operated and the variation of the solar radiation intensity is not large.
도 17은 부분음영 발생 시, 본 발명에 따른 MPPT 기법의 출력과 LA 기법 단독 적용 결과에 따른 출력 비교 그래프이다. 도 13과 도 17의 두 파형을 비교해보면 LA 기법만 단독으로 운전한 경우, GMPP를 추종하지 못하였으나 제안된 MPPT 기법의 경우 GMPP를 수확하여 추종하는 것을 확인할 수 있다. 도 18을 보면 제안된 MPPT 기법은 시뮬레이션이 시작하고 0.3초 후에 MPPT를 수행하여 대략 0.35초까지 LA 기법으로 동작하고, 0.35초에서 dP/dV를 검사하여 부분음영이 발생된 것으로 판단하였다. 그 후 P-V curve scanning 기법으로 전환하여 GMPP를 검출하여 동작점을 이동시키고 IncCond 기법으로 전환하여 MPPT를 수행하였다.17 is a graph showing the output of the MPPT technique according to the present invention and the output comparison graph according to the result of applying the LA technique alone when partial shading occurs. When comparing the two waveforms shown in FIGS. 13 and 17, it can be seen that the GMPP is not followed by the LA technique alone but is followed by harvesting the GMPP in the case of the proposed MPPT technique. Referring to FIG. 18, the proposed MPPT technique operates with the LA technique for about 0.35 seconds after the simulation starts, 0.3 seconds after the start of the simulation, and dP / dV at 0.35 seconds. Then, by switching to the P-V curve scanning method, GMPP was detected, the operating point was shifted, and the MPCT was performed by switching to the IncCond technique.
이를 통해, 본 발명에 따른 MPPT 제어방법은 IncCond 기법과 LA 기법, P-V curve scanning 기법을 결합함으로써, 속응성과 정상운전 시 안정성을 높이고, 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생하더라도 정확하게 GMPP를 추종할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명을 지원한 국가연구개발사업
[과제고유번호] C0299333
[부처명] 중소기업청
[연구사업명] 도약 기술 개발사업
[연구과제명] 신재생에너지원을 이용한 소용량 하이브리드(계통연계형/독립형/ESS) 인버터 개발
[연구관리전문기관] 서울지방중소기업청
[주관연구기관] 광운대학교 산학협력단
[참여연구기관] (주) 다한테크
[연구기간] 2015-06-01 ～ 2016-05-31Accordingly, the MPPT control method according to the present invention improves stability and stability during steady operation by combining IncCond, LA, and PV curve scanning techniques, and can accurately follow GMPP even when a large number of LMPPs occur due to partial shading .
National R & D project supporting the present invention
[Assignment number] C0299333
[Department name] Small and Medium Business Administration
[Research Project Name] Leap Technology Development Project
Development of low capacity hybrid (grid-connected / stand-alone / ESS) inverter using renewable energy source
[Research Management Agency] Seoul Regional Small and Medium Business Administration
[Main research institute] Kwangwoon University Industry-Academy Collaboration Foundation
[Participating Research Institutes] DAHAN TECH Co., Ltd.
[Research period] 2015-06-01 ~ 2016-05-31
Claims (2)
상기 동작점이 상기 최대전력 구간 안에 도달하면 P-V 커브의 기울기를 계산하는 단계;
상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이하인 경우 IncCond 기법으로 전환하며, 상기 P-V 커브의 기울기가 일정 각도 이상이면 P-V 커브 스캐닝을 수행하는 단계;
상기 P-V 커브 스캐닝을 통해 GMPP(Global Maximum Power Point)를 추적하여 상기 동작점을 상기 GMPP로 이동시키고 IncCond 기법으로 전환하는 단계; 및
상기 IncCond 기법으로 추종된 최대전력점(MPP)과 상기 LA기법의 최대 전력점 , GMPP와의 전력 및 전압의 차를 비교하여 일정 이상의 차이가 발생하면 LA 기법으로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대전력추종 제어방법.A predetermined interval is set as a maximum power interval based on a maximum power point (MPP) curve applied to a LA (Linear Approximation) technique, a determination is made as to whether or not an operating point is located in the maximum power interval, And a maximum power follow-up control method of applying an IncCond (Incremental Conductance) technique when the operating point is within the maximum power period,
Calculating a slope of the PV curve when the operating point is within the maximum power period;
Performing an IncCond technique when the slope of the PV curve is less than a predetermined angle and performing a PV curve scanning if the slope of the PV curve is greater than a predetermined angle;
Tracking the Global Maximum Power Point (GMPP) through the PV curve scanning to move the operating point to the GMPP and switching to IncCond technique; And
Comparing the difference between the maximum power point MPP followed by the IncCond technique and the maximum power point of the LA technique and the power and voltage of the GMPP, and switching to the LA technique if a difference of more than a predetermined value occurs; Maximum power follow - up control method.
상기 P-V 커브 스캐닝은 상기 동작점의 30～80% 구간에서 일정한 증분값을 가지고 증가시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 최대전력추종 제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the PV curve scanning is performed by increasing a predetermined increment value in a range of 30 to 80% of the operating point.
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