KR20080092747A - Apparatus and method for tracking maximum power point in solar photovoltaic system - Google Patents

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Abstract

An MPPT(Maximum Power Point Tracking) apparatus and an MMPT method in a photovoltaic system are provided to track a maximum power point stably by using a voltage error signal inside a voltage control loop. A voltage sensor(206) measures an output voltage of a boost chopper(202). A voltage error calculator(208) calculates a voltage error value between the voltage measured by the voltage sensor and a preset voltage estimation value. A variable PI(Proportional-Integral) controller(210) generates a PI control signal for the voltage error value with an integral gain for increasing the output voltage of the boost chopper when the voltage error value exceeds a preset voltage error permissible range value and generates a PI control signal for the voltage error value with an integral gain for reducing the output voltage of the boost chopper when the voltage error value does not exceed the preset voltage error permissible range value. A PWM(Pulse Width Modulation) signal generator(212) generates a PWM signal for controlling a switching operation of a semiconductor switch constituting the boost chopper according to the PI control signal.

Description

태양광 최대전력추적 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRACKING MAXIMUM POWER POINT IN SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM}Maximum solar power tracking device and method {APPARATUS AND METHOD FOR TRACKING MAXIMUM POWER POINT IN SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM}

도 1은 종래 제안된 리미트 사이클 최대전력추적 방식에 따른 태양광 발전 시스템을 도시한 도면,1 is a view illustrating a solar power generation system according to a conventionally proposed limit cycle maximum power tracking method;

도 2는 본 발명에 따른 1단 전력 변환 단을 구비한 태양광 발전 시스템에서 태양광 최대전력추적 장치를 도시한 도면,2 is a view showing a maximum solar power tracking device in a photovoltaic system having a single stage power conversion stage according to the present invention,

도 3은 도 2에 도시된 가변 PI 제어기의 세부 구성을 도시한 도면,3 is a view showing a detailed configuration of the variable PI controller shown in FIG.

도 4는 도 2에 도시된 태양광 발전 시스템에서 VBat 신호의 변화를 도시한 도면, 및 4 is a view showing a change in the V Bat signal in the photovoltaic system shown in FIG.

도 5는 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 방법을 도시한 흐름도이다. 5 is a flowchart illustrating a solar maximum power tracking method according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols for main parts of the drawings

100,200 : 태양전지 102,202 : 승압 Chopper100,200: solar cell 102,202: boosted chopper

104 : DC Link 106 : PWM 인버터104: DC Link 106: PWM Inverter

108 : MPPT 제어기 110 : 전류 제어기108: MPPT controller 110: current controller

204 : 납 배터리 206 : 전압 센서204: lead battery 206: voltage sensor

208 : 전압 오차 산출기 210 : 가변 PI 제어기208: voltage error calculator 210: variable PI controller

212 : PWM 신호 발생기212: PWM signal generator

본 발명은 태양광 최대전력추적(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 장치 및 방법에 관한 것으로, 1 단의 전력 변환 단으로 구성되는 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있는 새로운 리미트 사이클(Limit Cycle) 태양광 최대전력추적 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a maximum power point tracking (MPPT) apparatus and method for solar power, and a new limit cycle solar maximum that can be applied to a photovoltaic system composed of a single stage power conversion stage. A power tracking device and method.

최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.Recently, with the depletion of natural resources and the problems of environment and stability for thermal power and nuclear power generation, researches on solar and wind, which are representative environmentally friendly green energy, are being actively conducted. In particular, photovoltaic power generation is attracting considerable attention from the point of view of infinite and clean energy, and is widely used not only for vehicles, toys, residential power generation and street lamps, but also for unmanned lighthouses, clock towers, and communication devices that are far from grid lines.

이러한 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 일반적인 태양전지는 전기에너지원과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다. 또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조 건에서도 항상 안정한 시스템으로 동작한다. 즉 선형 전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수가 있다.These solar cells convert the light energy of the sun into electrical energy, the general solar cell has a significantly different electrical characteristics from the electrical energy source. Since the existing electric energy has a characteristic of a linear voltage source, even if a load of linear or non-linear load is applied, it always maintains a constant voltage and operates stably. In addition, because it has only one operating point, it always operates as a stable system in any input / output condition. That is, when using an electrical energy source having a linear voltage source, it is possible to obtain a desired operating condition regardless of the load conditions.

그러나 태양전지는 기존의 전기에너지와는 완전히 다른 전기적인 특성을 가지고 있는 대표적인 비선형소스로 구분되어, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하조건에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 이것은 태양전지를 효율적으로 이용하고자 하는 측면에서 큰 의미를 지닌다.However, solar cells are classified into representative non-linear sources having electrical characteristics completely different from existing electrical energy, and the power generated from solar cells has a characteristic of varying in size depending on load conditions. This has great meaning in terms of using solar cells efficiently.

그러므로 태양전지로부터 최대의 전기 에너지를 발전할 수 있도록 부하조건에 상관없이 항상 최대전력이 생성되는 지점을 동작 지점으로 고정시켜 주는 기술이 필요하다.Therefore, there is a need for a technology that fixes the point where the maximum power is always generated to the operating point regardless of load conditions so that the maximum electric energy can be generated from the solar cell.

최대전력추적 수법들에 대해서는 종래 여러 방식들이 제안되었다.Several approaches have been proposed for the maximum power tracking schemes.

도 1은 종래 제안된 리미트 사이클(Limit Cycle) 최대전력추적 방식에 따른 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a photovoltaic power generation system according to a conventionally proposed limit cycle maximum power tracking method.

특히, 도 1은 전력 변환 단이 승압 초퍼(Chopper)(102)와 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터(106) 2단으로 이루어지는 계통 연계 태양광 발전 시스템에서, 승압 초퍼(102)와 PWM 인버터(106) 중간에 위치한 DC(Direct Current) 링크(Link)(104)의 전압 제어 오차인 리플 성분으로부터 양 전력 변환 단의 상호 전력 밸런스를 관측하면서 최대의 전력이 충전될 수 있게 하는 리미트 사이클 최대전력추적 방식을 나타내고 있다.In particular, FIG. 1 illustrates a step-up chopper 102 and a PWM inverter 106 in a grid-connected photovoltaic power generation system in which a power conversion stage includes two steps of a booster chopper 102 and a pulse width modulation (PWM) inverter 106. Limit cycle maximum power tracking method that allows the maximum power to be charged while observing the mutual power balance of the two power conversion stages from the ripple component, which is the voltage control error of the DC (Direct Current) link 104 located in the middle Indicates.

이러한 리미트 사이클 최대전력추적 방식은 태양전지(100)의 전압, 전류 또는 전력을 직접 이용하는 일 없이 최대전력추적 동작을 수행할 수 있게 하는 점에 서 큰 특징을 지니는 방식이다.The limit cycle maximum power tracking method is a method having a great feature in that the maximum power tracking operation can be performed without directly using the voltage, current, or power of the solar cell 100.

이하, 도시된 태양광 발전 시스템의 동작을 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.Hereinafter, the operation of the illustrated photovoltaic system will be described in more detail.

일조 조건이나 온도에 의하여 변동하는 태양전지(100)의 단자전압을 승압 초퍼(102)는 DC 링크(Link)(104)에 일정 전압 승압하고 PWM 인버터(106)에 의해 계통 연계한다. 이러한 계통 연계에 있어서 태양전지(100)의 단자전압이 변화하여도 항상 DC 링크(104)의 전압이 일정히 유지되도록 MPPT 제어기(108)는 승압 초퍼(102)의 시비율(d*)을 조정한다. 그리고 전류 제어기(110)는 PWM 인버터(106)의 출력 전류를 제어하는 역할을 수행하는데, MPPT 제어기(108)에서 제공하는 전류 추정치(I*)와 PWM 인버터(106)에 출력되는 출력 전류와의 차이를 보상해 주며 서서히 출력 전력을 증가시키게 된다.The step-up chopper 102 boosts the voltage of the terminal of the solar cell 100 that varies depending on the sun condition or the temperature to the DC link 104 and is system-linked by the PWM inverter 106. In this system linkage, the MPPT controller 108 adjusts the application rate d * of the boost chopper 102 so that the voltage of the DC link 104 is always maintained even when the terminal voltage of the solar cell 100 changes. do. The current controller 110 controls the output current of the PWM inverter 106. The current controller 110 controls the output current of the PWM inverter 106 by comparing the current estimate I * provided by the MPPT controller 108 with the output current output to the PWM inverter 106. The difference is compensated and the output power is gradually increased.

그러면, 태양전지(100)의 최대 공급 전력에 도달하였을 시 바로 전력 공급 균형이 깨지며 DC 링크(104) 전압이 일정히 유지되지 않는 현상이 발생하게 되고, 이 같은 현상이 발생되는 시점, 즉 전력 평형/불평형의 경계점에서 리미트 사이클을 동작시키어 DC 링크 전압을 허용범위 내에서 최대로 유지되도록 해 주어 최대전력추적이 이루어지게 한다.Then, when the maximum supply power of the solar cell 100 is reached, the power supply balance is broken and a phenomenon in which the voltage of the DC link 104 is not maintained constantly occurs, and at this point, that is, power Limit cycles at the equilibrium / unbalanced thresholds allow the DC link voltage to remain at maximum within the permissible range for maximum power tracking.

그러나 이러한 리미트 사이클 최대전력추적 방식은 그 동작 원리상 승압 초퍼(102)와 PWM 인버터(106), 이렇게 2 단의 전력 변환 단으로 구성되는 태양광 발전 시스템에서만 적용될 수가 있어 상기 최대전력추적 방식이 적용되는 범위에 제한이 있다. However, the limit cycle maximum power tracking method can be applied only to a photovoltaic system composed of two power conversion stages, such as a booster chopper 102 and a PWM inverter 106. There is a limit to the range.

그러므로 본 발명의 목적은 1 단의 전력 변환 단으로 구성되는 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있는 새로운 리미트 사이클 태양광 최대전력추적 장치 및 방법을 제공하는데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a new limit cycle photovoltaic maximum power tracking device and method that can be applied to a photovoltaic system consisting of a single stage power conversion stage.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은 부하가 급변하게 되면서 전류의 변동폭이 클 경우에도 최대전력추적 동작이 안정적으로 수행되게 하는 전압 제어 루프 내의 전압 오차 신호를 이용하는 리미트 사이클 태양광 최대전력추적 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for limit cycle photovoltaic maximum power tracking using a voltage error signal in a voltage control loop that enables the maximum power tracking operation to be stably performed even when the load fluctuates and the current fluctuations are large. To provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 장치는 승압 초퍼의 출력 전압을 측정하는 전압 센서; 상기 전압 센서에서 측정된 전압과 기 설정해 놓은 전압 추정치 간의 전압 오차 값을 산출하는 전압 오차 산출기; 상기 전압 오차 산출기에서 산출된 전압 오차 값이 기 설정해 놓은 전압 오차 허용범위 값 이상인 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득으로 상기 전압 오차 값에 대한 PI 제어신호를 발생시키고, 그렇지 않은 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득으로 상기 전압 오차에 대한 PI 제어신호를 생성시키는 가변 PI 제어기; 및 상기 가변 PI 제어기에서 생성시킨 PI 제어신호에 따라 상기 승압 초퍼를 구성하는 반도체 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생기;를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the solar maximum power tracking device according to the present invention includes a voltage sensor for measuring the output voltage of the boost chopper; A voltage error calculator for calculating a voltage error value between the voltage measured by the voltage sensor and a preset voltage estimate; When the voltage error value calculated by the voltage error calculator is greater than or equal to a preset voltage error tolerance value, a PI control signal for the voltage error value is generated with an integrated gain that increases the output voltage of the boost chopper. A variable PI controller for generating a PI control signal for the voltage error with an integrated gain that reduces the output voltage of the boost chopper; And a PWM signal generator for generating a PWM signal for controlling a switching operation of the semiconductor switch constituting the boost chopper according to the PI control signal generated by the variable PI controller.

그리고 상기 가변 PI 제어기는, 상기 전압 오차 산출기에서 산출된 전압 오차 값과 상기 전압 오차 허용범위 값의 크기를 비교하여 그 비교 결과에 따른 출력 신호를 발생시키는 비교기; 상기 비교기의 출력 신호에 따라 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득 및 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득 중 어느 한 적분 이득을 선택하여 출력하는 MUX; 상기 MUX에서 출력하는 적분 이득을 이용하여 상기 전압 오차 값에 대한 적분 요소를 계산하는 적분 계산부; 미리 설정해 놓은 비례 이득을 이용하여 상기 전압 오차 값에 대한 비례 요소를 계산하는 비례 계산부; 및 상기 적분 계산부에서 계산된 적분 요소와 상기 비례 계산부에서 계산된 비례 요소를 합산하여 출력하는 합산기;로 구성되는 것을 특징으로 한다.The variable PI controller may include: a comparator configured to compare the voltage error value calculated by the voltage error calculator with the magnitude of the voltage error tolerance value and generate an output signal according to the comparison result; A mux for selecting and outputting an integral gain of increasing the output voltage of the boost chopper and an integral gain of decreasing the output voltage of the boost chopper according to the output signal of the comparator; An integration calculator for calculating an integral component of the voltage error value by using an integral gain output from the MUX; A proportional calculator configured to calculate a proportional factor with respect to the voltage error value using a preset proportional gain; And an adder for summing and outputting an integral element calculated by the integral calculating unit and a proportional element calculated by the proportional calculating unit.

본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 방법은 전압 센서를 이용하여 승압 초퍼의 출력 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 승압 초퍼의 출력 전압과 기 설정해 놓은 전압 추정치와의 전압 오차 값을 산출하는 단계; 상기 산출된 전압 오차 값과 기 설정해 놓은 전압 오차 허용범위 값의 비교를 통해 상기 전압 오차 값이 상기 전압 오차 허용범위 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 전압 오차 값이 상기 전압 오차 허용범위 값 이상일 경우, 적분 이득을 가변시켜 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 PI(Proportional-Integral) 제어신호를 생성하고, 그렇지 않은 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 PI 제어신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 PI 제어신호에 따라 상기 승압 초퍼의 시비율을 조절하는 단계;를 포함하여 이루어진다.Solar maximum power tracking method according to the present invention comprises the steps of measuring the output voltage of the boost chopper using a voltage sensor; Calculating a voltage error value between the measured output voltage of the boost chopper and a preset voltage estimate; Determining whether the voltage error value is greater than or equal to the voltage error tolerance value by comparing the calculated voltage error value with a preset voltage error tolerance value; As a result of the determination, when the voltage error value is greater than or equal to the voltage error tolerance value, a PI (Proportional-Integral) control signal is generated to vary the integral gain to increase the output voltage of the boost chopper, otherwise the boost chopper Generating a PI control signal for reducing an output voltage of the signal; And adjusting the ratio of the boost chopper according to the generated PI control signal.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail. However, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명에 따른 1단 전력 변환 단을 구비한 태양광 발전 시스템에서 태양광 최대전력추적 장치를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a solar maximum power tracking device in a photovoltaic power generation system having a single stage power conversion stage according to the present invention.

여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예로, 종래 승압 초퍼 단과 PWM 인버터 단으로 2 단의 전력 변환 단을 가지는 태양광 발전 시스템에서 상기 2 단 사이에 위치하는 DC 링크의 전압 오차를 이용하는 것과는 달리, 승압 초퍼(202)의 출력 전압 제어 루프 내의 전압 오차 신호를 이용하는 것으로 전력 변환 단이 1단인 발전 시스템에서 리미트 사이클 최대전력추적을 수행하는 태앙광 최대전력추적 장치를 제시하고 있다.Here, Figure 2 is an embodiment of the present invention, unlike the conventional step-up chopper stage and PWM inverter stage using a voltage link of the DC link located between the two stages in the photovoltaic power generation system having two stages of power conversion stage By using the voltage error signal in the output voltage control loop of the step-up chopper 202, a angular light maximum power tracking device for performing a limit cycle maximum power tracking in a power generation system having one power conversion stage is proposed.

그에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 전압 센서(206)를 통해 승압 초퍼(202)의 출력 전압으로 납 배터리(Lead Acid Battery)(204)에 충전되는 전압(VBat)을 측정한다.Accordingly, as shown in FIG. 2, the voltage V Bat charged to the lead acid battery 204 is measured using the output voltage of the boost chopper 202 through the voltage sensor 206.

여기서, 납 배터리(204)에 충전시키는 전압 설정치(VBat -ref)는 고정된 값으로 미리 설정되어 있다. 그래서 전압 오차 산출기(208)는 상기 미리 설정된 전압 설정치(VBat -ref)와 전압 센서(206)에서 측정된 전압(VBat) 간의 전압 오차 값(Ve)을 산출하는 역할을 수행한다.Here, the voltage set value (V Bat -ref ) to charge the lead battery 204 is preset to a fixed value. So voltage error estimator 208 is responsible for calculating the predetermined voltage set point (V Bat -ref) and a voltage error between the voltage sensor 206. The voltage (V Bat), measured from the value (V e).

가변 PI(Proportional-Integral) 제어기(210)는 전압 오차 산출기(208)에서 산출한 전압 오차 값(Ve)과 미리 설정해 놓은 전압 오차의 허용범위 값(ΔVlimit)을 비교한다. 그리고 전압 오차 값(Ve)에 대한 비례적분(PI) 요소를 산출할 시, 비례 요소는 기 설정된 고정 비례 이득(Kp)을 이용하여 산출하되, 적분 요소는 상기 비교 결과에 따라 적분 이득(Ki)을 가변시켜 산출하며 상기 전압 오차 값(Ve)에 대한 PI 제어신호를 생성 및 출력한다.The variable proportional-integral (PI) controller 210 compares the voltage error value V e calculated by the voltage error calculator 208 with a tolerance value ΔV limit of the preset voltage error. When calculating the proportional integral (PI) element with respect to the voltage error value (V e ), the proportional element is calculated using a predetermined fixed proportional gain (K p ), but the integral element is calculated based on the comparison result. K i ) is calculated by varying and generates and outputs a PI control signal for the voltage error value (V e ).

PWM 신호 발생기(212)는 가변 PI 제어기(210)가 출력하는 상기 전압 오차 값(Ve)에 대한 PI 제어 신호에 따라 승압 초퍼(202)를 구성하는 반도체 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호를 발생시킨다.PWM signal generator 212 is a PWM signal for controlling a switching operation of the semiconductor switch constituting the step-up chopper 202, according to the PI control signal for the voltage error value (V e) and outputting a variable PI controller 210 Generate.

그에 따라, 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 장치는 상기와 같이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit)을 이용한 리미트 사이클(Limit Cycle)이 동작되는 구성을 가지며, 승압 초퍼(202)의 출력 전압이 전압 설정치(VBat -ref) 근처에서 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 이내에 존재하도록 승압 초퍼(202)의 시비율(d*)을 조절해 주어 최대전력점을 유지시킨다.Accordingly, the solar maximum power tracking device according to the present invention has a configuration in which a limit cycle using a voltage error tolerance value ΔV limit is operated as described above, and the output voltage of the boost chopper 202 is increased. The ratio c * of the boosted chopper 202 is adjusted to be within the voltage error tolerance value ΔV limit near the voltage set value V Bat −ref to maintain the maximum power point.

도 3은 도 2에 도시된 가변 PI 제어기(210)의 세부 구성을 도시한 도면으로, 살펴보면 비교기(300)와, 멀티플렉서(MUX)(302)와, 적분 계산부(304)와, 비례 계산부(306)와, 합산기(308)로 구성된다.FIG. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration of the variable PI controller 210 illustrated in FIG. 2. The comparator 300, the multiplexer (MUX) 302, the integral calculating unit 304, and the proportional calculating unit are described. 306 and a summer 308.

비교기(300)는 전압 오차 산출기(208)가 산출한 전압 오차 값(Ve)과 전압 오 차 허용범위 값(ΔVlimit)을 입력받아 두 값의 크기를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 '하이' 신호 또는 '로우' 신호를 출력한다. 그에 따라, 비교기(300)는 전압 오차 값(Ve)이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 이상인 경우 '하이' 신호를, 전압 오차 값이 전압 오차 허용범위 값 미만인 경우 '로우' 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.The comparator 300 receives the voltage error value Ve calculated by the voltage error calculator 208 and the voltage error tolerance value ΔV limit , and compares the magnitudes of the two values. Outputs a 'signal or a' low 'signal. Thus, the comparator 300 is the voltage error value (V e), the voltage tolerance value (ΔV limit) outputs a "low" signal when a "high" signal, less than the voltage error value, the voltage tolerance value of not less than It can be configured to.

멀티플렉서(MUX)(302)는 두 적분 이득(Kid, Kiu) 중 어느 한 적분 이득을 비교기(300)의 출력 신호 레벨에 따라 출력한다. 여기서 멀티플렉서(302)에 입력되는 두 적분 이득(Kid, Kiu)은 승압 초퍼(202)의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득(Kiu)과 승압 초퍼(202)의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득(Kid)이다.The multiplexer (MUX) 302 outputs the integral gain of either of the two integrated gains K id and K iu according to the output signal level of the comparator 300. Wherein both the integral gain (K id, K iu) input to multiplexer 302 is the integral gain for reducing the output voltage of the integral gain (K iu) and the step-up chopper 202, which increases the output voltage of the step-up chopper 202 (K id ).

그래서 멀티플렉서(302)는 비교기(300)로부터 '하이' 신호를 입력받을 경우, 즉 전압 오차 값(Ve)이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 이상인 경우, 승압 초퍼(202)의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득(Kiu)을 선택하여 출력하고, 비교기(300)로부터 '로우' 신호를 입력받을 경우, 즉 전압 오차 값(Ve)이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 미만인 경우, 승압 초퍼(202)의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득(Kid)을 선택하여 출력한다.Thus, when the multiplexer 302 receives the 'high' signal from the comparator 300, that is, when the voltage error value V e is greater than or equal to the voltage error tolerance value ΔV limit , the multiplexer 302 outputs the output voltage of the boost chopper 202. When the integral gain K iu to increase is selected and outputted, and a 'low' signal is input from the comparator 300, that is, when the voltage error value V e is less than the voltage error tolerance value ΔV limit , the voltage is increased. The integral gain K id for reducing the output voltage of the chopper 202 is selected and output.

적분 계산부(304)는 멀티플렉서(302)에서 출력하는 적분 이득(Kiu 또는 Kid)을 이용하여 전압 오차 값(Ve)에 대한 적분 요소(

Figure 112007028462542-PAT00001
)를 계산한다.The integral calculation unit 304 outputs the integral gain K iu output from the multiplexer 302. Or K id ) for the integral component (V e ) of the voltage error value (V e ).
Figure 112007028462542-PAT00001
Calculate

비례 계산부(306)는 기 설정된 비례 이득(Kp)을 이용하여 전압 오차 값(Ve)에 대한 비례 요소(

Figure 112007028462542-PAT00002
)를 계산한다.The proportional calculator 306 uses a proportional factor (V e ) with respect to the voltage error value V e using a preset proportional gain K p .
Figure 112007028462542-PAT00002
Calculate

합산기(308)는 적분 계산부(304)에서 계산한 적분 요소와 비례 계산부(306)에서 계산한 비례 요소를 합산하여 출력해 준다. 그래서 합산기(308)를 통해 전압 센서(206)에서 측정된 전압(VBat)과 전압 추정치(VBat _ref) 간의 전압 오차 값(Ve)을 이용한 승압 초퍼(202)의 출력 전압을 제어하는 PI 제어 신호가 출력된다.The summer 308 sums the integral elements calculated by the integration calculator 304 and the proportional elements calculated by the proportional calculator 306 and outputs the sums. So to control the output voltage of the step-up chopper 202 with a voltage error value (V e) between summer the voltage measured at the voltage sensor 206, through the (308) (V Bat) and the voltage estimate (V Bat _ref) The PI control signal is output.

도 4는 도 2에 도시된 태양광 발전 시스템에서 VBat 신호의 변화를 도시한 도면이다.4 is a view showing a change of the V Bat signal in the photovoltaic system shown in FIG.

앞서, 도 2 및 도 3을 통해 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 장치는 가변 PI 제어를 통해 승압 초퍼의 출력 전압(VBat)과 전압 추정치(VBat _ref)와의 전압 오차(Ve)가 일정 허용범위(ΔVlimit) 이내로 발생되도록 리미트 사이클이 동작되며 승압 초퍼의 시비율(d*)을 변화시켜 승압 초퍼의 출력 전압을 조절해 줌으로서 최대 전력점을 유지하게 한다.As described above with reference to FIGS. 2 and 3, the apparatus for tracking maximum solar power according to the present invention has a voltage error between the output voltage V Bat of the boosted chopper and the voltage estimate V Bat _ref through the variable PI control. The limit cycle is operated so that e ) occurs within a certain allowable range (ΔV limit ) and the maximum chopper is maintained by adjusting the output voltage of the boost chopper by changing the ratio of the boost chopper (d *).

그에 따라, 도 2에 도시된 태양광 발전 시스템에서 VBat 신호를 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이 전압 추정치(VBat _ref) 근처에서 리플(Ripple) 성분을 가지는 신호 형태를 나타낸다.Accordingly, referring to the V Bat signal in the photovoltaic system shown in FIG. 2, a signal form having a ripple component near the voltage estimate V Bat _ref is shown in FIG. 4.

도 5는 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 방법을 도시한 흐름도이다. 5 is a flowchart illustrating a solar maximum power tracking method according to the present invention.

여기서, 본 발명에 따른 태양광 최대전력추적 방법은 1단으로 전력 변환 단을 구비한 태양광 발전 시스템에 적용되는 것으로 승압 초퍼를 구비한 태양광 발전 시스템의 경우를 예를 들어 설명한다.Here, the maximum solar power tracking method according to the present invention is applied to a photovoltaic power generation system having a power conversion stage in one stage, for example, a case of a photovoltaic power generation system having a boost chopper.

우선, 전압 센서를 이용하여 승압 초퍼의 출력 전압(VBat)을 측정한다(S500).First, an output voltage V Bat of the boosted chopper is measured using a voltage sensor (S500).

그리고 그 측정된 승압 초퍼의 출력 전압(VBat)과 기 설정해 놓은 전압 추정치(VBat _ref)와의 전압 오차 값(Ve)을 산출하고(S502), 상기 산출된 전압 오차 값(Ve)과 기 설정해 놓은 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 비교를 통해 전압 오차 값(Ve)이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 이상인지의 여부를 판단한다(S504).Then, the voltage error value V e between the measured output voltage V Bat of the boosted chopper and the preset voltage estimate V Bat _ref is calculated (S502), and the calculated voltage error value (V e ) and it is determined whether or not the electromotive voltage tolerance values have set (ΔV limit) by comparing the error voltage value (V e) the voltage tolerance value or more (ΔV limit) (S504).

상기 판단 결과, 전압 오차 값(Ve)이 전압 오차 허용범위 값(ΔVlimit) 이상일 경우, 승압 초퍼의 출력 전압에 대한 PI 제어를 수행하기 위해 필요한 비례 이득과 적분 이득 중, 비례 이득은 기 설정되어 있는 고정값을 이용하되, 적분 이득은 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득으로 기 설정해 놓은 값(Kiu)을 선택하여 그 선택한 적분 이득과 상기 비례 이득을 이용하여 전압 오차 값에 대한 PI 제어신호를 생성시킨다(S506,S510).As a result of the determination, when the voltage error value V e is equal to or greater than the voltage error tolerance value ΔV limit , the proportional gain among the proportional gain and integral gain required for performing PI control on the output voltage of the boosted chopper is preset. Using a fixed value, the integral gain is an integral gain that increases the output voltage of the boost chopper, selects a preset value (K iu ), and uses the selected integral gain and the proportional gain to calculate the PI for the voltage error. A control signal is generated (S506, S510).

이에 반해, 상기 판단 결과, 전압 오차 값이 전압 오차 허용범위 값 미만일 경우, 승압 초퍼의 출력 전압에 대한 PI 제어를 수행하기 위해 필요한 적분 이득을 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득으로 기 설정된 값(Kid)을 선택하고 그 선택한 적분 이득과 상기 비례 이득을 이용하여 전압 오차에 대한 PI 제어신호를 생성시킨다(S508,S510).On the contrary, if the voltage error value is less than the voltage error tolerance value, the integral gain required to perform PI control on the output voltage of the boost chopper is set to an integral gain that reduces the output voltage of the boost chopper. By selecting (K id ) and generating the PI control signal for the voltage error using the selected integral gain and the proportional gain (S508, S510).

그리고, 상기 생성한 PI 제어신호에 따라 승압 초퍼를 구성하는 반도체 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호를 발생시켜 시비율을 조절해 줌(S512)에 따라 승압 초퍼의 출력 전압이 전압 설정치 근처에서 전압 오차 허용범위 값 이내에서 유지되도록 해 준다.According to the generated PI control signal, a PWM signal for controlling the switching operation of the semiconductor switch constituting the boost chopper is generated to adjust the rate of application (S512). As a result, the output voltage of the boost chopper is near the voltage set value. Allow to keep within the tolerance value.

이와 같이 전력 변환 단인 승압 초퍼의 출력 전압을 전압 설정치 근처로 유지시키는 본 발명은 1단의 전력 변환 단을 구비한 태양광 발전 시스템에서 최대전력추적이 보다 간단하면서도 안정적으로 이루어질 수 있도록 해 준다.As such, the present invention, which maintains the output voltage of the booster chopper, which is the power conversion stage, near the voltage setting value, allows the maximum power tracking in the solar power generation system having the power conversion stage of the first stage to be more simple and stable.

또한, 전압 제어 루프 내의 전압 오차 신호를 이용하여 최대전력추적이 이루어지게 함으로써, 부하가 급변하게 되면서 전류의 변동폭이 클 경우에도 최대전력추적 동작이 안정적으로 수행되게 하는 장점을 지닌다.In addition, the maximum power tracking is performed by using the voltage error signal in the voltage control loop, so that the maximum power tracking operation is stably performed even when the load fluctuates and the current fluctuation range is large.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail with reference to exemplary embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.

따라서, 앞서 본 발명이 1단으로 전력 변환 단을 구비한 태양광 발전 시스템 중에도 승압 초퍼를 전력 변환 단으로 구비한 태양광 발전 시스템에 적용된 경우를 실시예로 하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 1단의 전력 변환 단으로 구성되는 다른 태양광 발전 시스템에도 적용될 수 있음은 물론이다.Therefore, although the present invention has been described in the embodiment of the present invention applied to the photovoltaic power generation system having a booster chopper as the power conversion stage even in the photovoltaic power generation system having the power conversion stage in the first stage, but is not limited thereto. Of course, it can be applied to other solar power system consisting of a power conversion stage of.

본 발명은, 1 단의 전력 변환 단으로 구성되는 태양광 발전 시스템에서도 리미트 사이클 태양광 최대전력추적이 동작될 수 있도록 해 주며, 또한 전압 제어 루프 내의 전압 오차 신호를 이용함으로써 부하가 급변하게 되어 전류의 변동폭이 클 경우에도 최대전력추적 동작이 안정적으로 수행될 수 있게 해 준다.The present invention enables limit cycle photovoltaic maximum power tracking to be operated even in a photovoltaic system composed of a single stage power conversion stage, and the load may change rapidly by using a voltage error signal in a voltage control loop. The maximum power tracking operation can be performed stably even when the fluctuation range is large.

Claims (3)

승압 초퍼의 출력 전압을 측정하는 전압 센서;A voltage sensor measuring an output voltage of the boost chopper; 상기 전압 센서에서 측정된 전압과 기 설정해 놓은 전압 추정치 간의 전압 오차 값을 산출하는 전압 오차 산출기;A voltage error calculator for calculating a voltage error value between the voltage measured by the voltage sensor and a preset voltage estimate; 상기 전압 오차 산출기에서 산출된 전압 오차 값이 기 설정해 놓은 전압 오차 허용범위 값 이상인 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득으로 상기 전압 오차 값에 대한 PI(Proportional-Integral) 제어신호를 발생시키고, 그렇지 않은 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득으로 상기 전압 오차에 대한 PI 제어신호를 생성시키는 가변 PI 제어기; 및When the voltage error value calculated by the voltage error calculator is greater than or equal to a preset voltage error tolerance value, a PI (Proportional-Integral) control signal for the voltage error value is generated with an integrated gain that increases the output voltage of the boost chopper. A variable PI controller for generating a PI control signal for the voltage error with an integrated gain that otherwise reduces the output voltage of the boost chopper; And 상기 가변 PI 제어기에서 생성시킨 PI 제어신호에 따라 상기 승압 초퍼를 구성하는 반도체 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생기;를 포함하여 이루어지는 태양광 최대전력추적 장치.And a PWM signal generator for generating a PWM (Pulse Width Modulation) signal for controlling a switching operation of the semiconductor switch constituting the boost chopper according to the PI control signal generated by the variable PI controller. . 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 가변 PI 제어기는,The variable PI controller, 상기 전압 오차 산출기에서 산출된 전압 오차 값과 상기 전압 오차 허용범위 값의 크기를 비교하여 그 비교 결과에 따른 출력 신호를 발생시키는 비교기;A comparator for comparing the voltage error value calculated by the voltage error calculator with the magnitude of the voltage error tolerance value and generating an output signal according to the comparison result; 상기 비교기의 출력 신호에 따라 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 적분 이득 및 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 적분 이득 중 어느 한 적분 이득을 선택하여 출력하는 멀티플렉서;A multiplexer that selects and outputs an integral gain of increasing the output voltage of the boost chopper and an integral gain of decreasing the output voltage of the boost chopper according to the output signal of the comparator; 상기 멀티플렉서에서 출력하는 적분 이득을 이용하여 상기 전압 오차 값에 대한 적분 요소를 계산하는 적분 계산부;An integrating calculator calculating an integrating factor with respect to the voltage error value by using an integral gain output from the multiplexer; 미리 설정해 놓은 비례 이득을 이용하여 상기 전압 오차 값에 대한 비례 요소를 계산하는 비례 계산부; 및A proportional calculator configured to calculate a proportional factor with respect to the voltage error value using a preset proportional gain; And 상기 적분 계산부에서 계산된 적분 요소와 상기 비례 계산부에서 계산된 비례 요소를 합산하여 출력하는 합산기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 최대전력추적 장치.And a summer for summing and integrating the integral elements calculated by the integral calculation unit and the proportional elements calculated by the proportional calculation unit. 전압 센서를 이용하여 승압 초퍼의 출력 전압을 측정하는 단계;Measuring an output voltage of the boost chopper using a voltage sensor; 상기 측정된 승압 초퍼의 출력 전압과 기 설정해 놓은 전압 추정치와의 전압 오차 값을 산출하는 단계;Calculating a voltage error value between the measured output voltage of the boost chopper and a preset voltage estimate; 상기 산출된 전압 오차 값과 기 설정해 놓은 전압 오차 허용범위 값의 비교를 통해 상기 전압 오차 값이 상기 전압 오차 허용범위 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계; Determining whether the voltage error value is greater than or equal to the voltage error tolerance value by comparing the calculated voltage error value with a preset voltage error tolerance value; 상기 판단 결과, 상기 전압 오차 값이 상기 전압 오차 허용범위 값 이상일 경우, 적분 이득을 가변시켜 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 증가시키는 PI(Proportional-Integral) 제어신호를 생성하고, 그렇지 않은 경우 상기 승압 초퍼의 출력 전압을 감소시키는 PI 제어신호를 생성하는 단계; 및As a result of the determination, when the voltage error value is greater than or equal to the voltage error tolerance value, a PI (Proportional-Integral) control signal is generated to vary the integral gain to increase the output voltage of the boost chopper, otherwise the boost chopper Generating a PI control signal for reducing an output voltage of the signal; And 상기 생성된 PI 제어신호에 따라 상기 승압 초퍼의 시비율을 조절하는 단계;를 포함하여 이루어지는 태양광 최대전력추적 방법.And adjusting the fertilization rate of the boost chopper according to the generated PI control signal.
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