KR20180097963A

KR20180097963A - 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법

Info

Publication number: KR20180097963A
Application number: KR1020170024811A
Authority: KR
Inventors: 장봉석
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-09-03

Abstract

스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법이 제공된다. 상기 최대 전력점 추적 방법은 발전소에서 현재 측정한 현재의 전력값을 입력받는 단계; 상기 현재의 전력값과 상기 발전소에서 이전에 측정한 이전의 전력값 간의 차이값을 계산하는 단계; 및 상기 차이값의 크기에 따라 적어도 두 단계로 구분하여, 각 단계별로 상기 발전소의 최대 전력점을 추정하기 위한 듀티값을 다르게 조정하는 단계를 포함한다.

Description

스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법{Method for tracking maximum power point by using stepping control technique}

본 발명은 소형 발전기에서의 최대 전력점 추적 방법에 관한 것으로, 특히, 최소평균자승법과 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법에 관한 것이다.

소형 풍력 발전기는 10kW 이하 풍력발전기를 의미한다. 소형 풍력발전기는 특히 바람속도에 발전효율이 많이 영향 받는다.

풍력의 특성상 시간에 따른 전력(P)과 전압(V) 발생이 지속적으로 변한다. 잘 알려진 바와 같이, 전력은 'P(전력)=V(전압)×I(전류)'로 표현될 수 있다.

발생된 P와 V를 통한 최대 전력점 추정(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 현재 발전량 P(n)이 바로 이전 발전량 P(n-1) 비해서 증가하면, duty cycle(DC 저장장치 및 독립형 발전장치에 주로 사용)를 증가시키며, 반대인 경우는 duty cycle(D)를 감소시키는 방식으로, 최대 전력점을 추정한다. 이러한 추정방식을 위해, P&O(Perturbation & observation) 알고리즘이 가장 보편적으로 사용되고 있다.

도 2는 종래의 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘을 적용하여 3.5Kw 소형 발전기에서 변화되는 풍속에 따른 시간구간(Time Duration)에 대한 발전량 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 풍속의 급작스런 변화에 의해서 발전량 저하가 감지된다. 종래의 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘에 따른 최대 전력점 추정 방식을 3.5kW 소형 풍력발전기에 적용한 경우, 풍속이 일정 속도로 유지되면 발전량 또한 유지되며, 풍속의 급감에 따른 발전량이 급감함을 알 수 있다.

그러므로 P&O 알고리즘 경우, 입력 값의 변화가 크지 않는 경우는 최대 전력점을 효율적으로 추적하지만, 입력 값의 변화가 큰 경우는 추적 효율이 감소한다. 추적 효율이 감소하면, DC 인버터에서의 전력발생 효율이 감소한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 입력 값의 변화량에 관계없이, 최대 전력점(Maximum Power Point)을 효율적으로 추적할 수 있는 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법은 발전소에서 현재 측정한 현재의 전력값을 입력받는 단계; 상기 현재의 전력값과 상기 발전소에서 이전에 측정한 이전의 전력값 간의 차이값을 계산하는 단계; 및 상기 차이값의 크기에 따라 적어도 두 단계로 구분하여, 각 단계별로 상기 발전소의 최대 전력점을 추정하기 위한 듀티값을 다르게 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 소형 풍력발전소에서, 최대 전력점 추적함에 있어, 최소평균자승법과 스텝핑 기법을 적용함으로써, 입력 값의 변화량에 관계없이, 최대 전력점(Maximum Power Point)을 효율적으로 추적할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 최대 전력점 추정 방법을 설명하기 위한 전압에 대한 전력 변화를 나타내는 그래프와 종래방식에 따른 듀티 사이클을 나타내는 파형도이다.
도 2는 종래의 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘을 적용하여 변화되는 풍속에 따른 발전량 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 발전기에서의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 종래의 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘이 적용된 최대 전력 추적방법에 따른 풍력 발전량에 대한 시뮬레이션 결과와 본 발명의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에 따른 풍력 발전량에 대한 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력점 추적 방법은, 발전소에서 현재 측정한 현재의 전력값을 입력받는 단계와, 상기 현재의 전력값과 상기 발전소에서 이전에 측정한 이전의 전력값 간의 차이값을 계산하는 단계 및 상기 차이값의 크기에 따라 적어도 두 단계로 구분하여, 각 단계별로 상기 발전소의 최대 전력점을 추정하기 위한 듀티값을 다르게 조정하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력점 추적 방법은 3.5kW 소형 풍력발전소에서 적용됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력점 추적 방법에서, 상기 조정하는 단계는, 상기 차이값이 제1 조건을 만족하는지를 판단하는 제1 단계와, 상기 차아?이 제2 조건을 만족하는지를 판단하는 제2 단계 및 상기 제1 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값과 상기 제2 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값을 다르게 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력점 추적 방법에서, 상기 제1 조건은 상기 차이값이 제1 기준값보다 큰지를 판단하는 조건이고, 상기 제2 조건은 상기 차이값이 상기 제1 기준값보다 작거나 같고, 상기 제1 기준값보다 작은 제2 기준값보다 큰지를 판단하는 조건일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력점 추적 방법에서, 상기 제1 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값은 상기 제2 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값보다 작은 것임을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 발전기에서의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법을 나타내는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법은 적어도 프로세서 및 메모리를 포함하도록 구성된 전자 장치에 의해 수행될 수 있다. 전자 장치는 소형 발전소에 연결되어, 소형 발전소에서 측정된 다양한 입력값을 수신하여, 수신된 입력값을 기반으로 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점을 추적한다. 메모리에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에 대한 알고리즘이 저장될 수 있으며, 프로세서는 메모리에 저장된 알고리즘을 읽어와 아래의 각 단계를 수행하여 듀티값을 제어하도록 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에 대한 알고리즘을 실행할 수 있다. 따라서, 아래의 각 단계의 수행 주체는 프로세서로 가정한다.

먼저, 단계 S301에서, 프로세서가 현재 출력된 듀티값을 보정하기 위해, 현재 출력된 듀티값(이하, 현재의 듀티값)을 피드백받는 과정이 수행된다.

이어, 단계 S303에서, 메모리에 저장된 이전의 전력값(P_old)과, 이전의 전력값(P_old)을 계산하기 위해 메모리에 저장된 이전의 전류값(I_ref) 및 이전의 전압값(V_ref)을 초기화하는 과정이 수행된다.

이어, 단계 S305에서, 발전과정에서 현재 측정된 전압값(V)과 현재 측정된 전류값(I)을 이용하여 현재의 전력값(P_new)을 계산하는 과정이 수행된다.

이어, 단계 S307에서, 현재의 전력값(P_new)과 이전의 전력값(P_old) 간의 차이값(dP = P_new - P_old)을 계산하는 과정이 수행된다.

이어, 단계 S309에서, 상기 차이값(dP)의 절대값(ㅣdPㅣ)이 제1 기준값보다 큰 지를 판단하는 과정이 수행된다. 여기서, 제1 기준값은 설계에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들면, 0.1일 수 있다.

상기 차이값(dP)의 절대값이 제1 기준값보다 크면, 단계 S311에서, 상기 차이값(dP)이 0보다 큰지를 판단하는 과정이 수행된다.

상기 차이값(dP)이 0보다 크면, 단계 S313에서, 현재의 듀티값(duty)에 제1 상수값(constant)을 가산하여 현재의 듀티값을 조정한다. 여기서, 제1 상수값은 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들면, 0.05일 수 있다.

상기 차이값(dP)이 0이하이면, 단계 S315에서, 현재의 듀티값(duty)에 제1 상수값(constant)을 감산하여 현재의 듀티값을 조정한다.

한편, 전술한 단계 S309에서, 상기 차이값(dP)의 절대값(ㅣdPㅣ)이 제1 기준값보다 크지 않으면, 단계 S317에서, 상기 차이값(dP)의 절대값(ㅣdPㅣ)이 상기 제1 기준값보다 작거나 같고, 상기 제1 기준값보다 작은 제2 기준값보다 큰지를 판단하는 과정이 수행된다. 여기서, 제2 기준값은 0(zero)일 수 있다.

상기 차이값(dP)의 절대값(ㅣdPㅣ)이 상기 제1 기준값보다 작거나 같고, 상기 제1 기준값보다 작은 제2 기준값보다 크면, 단계 S319에서, 상기 차이값(dP)이 0보다 큰지를 판단하는 과정이 수행된다.

상기 차이값(dP)이 0보다 크면, 현재의 듀티값(duty)에 상기 제1 상수값보다 작은 제2 상수값을 가산하여 현재의 듀티값(duty)을 보정한다.

상기 차이값(dP)이 0보다 작거나 같으면, 현재의 듀티값(duty)에 상기 제2 상수값을 감산하여 현재의 듀티값(duty)을 보정한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에서는, 현재의 전력값(P_new)과 이전의 전력값(P_old) 간의 차이값의 크기에 따라 2단계로 구분하여, 차이값이 크면, 듀티값을 크게 가변시키고, 차이값이 작으면 듀티값을 작게 가변시키는 방식으로 최대 전력점을 추적함으로써, 입력 값의 변화량에 관계없이, 최대 전력점(Maximum Power Point)을 효율적으로 추적할 수 있다.

도 4는 종래의 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘이 적용된 최대 전력 추적방법에 따른 풍력 발전량에 대한 시뮬레이션 결과와 본 발명의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에 따른 풍력 발전량에 대한 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.

도 4의 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적방법에서는 종래와는 다르게 풍속에 따라 입력값이 급변하는 상황에서도 급변하지 않고, 안정적으로 유지되는 최대 전력점을 추적함으로써, 안정적인 전력발생 효율을 제공할 수 있음 알 수 있다.

한편, 본 발명에서는 스텝핑 기법 이외에 최소 평균 자승법(Least Mean Square, LMS)을 적용한 최대 전력점 추적 방법에 따라, 안정적인 전력발생 효율을 달성할 수 있다.

최소 평균 자승법(Least Mean Square, LMS)을 적용한 최대 전력점 추적 방법은 기존 P&O 알고리즘 경우도 바로 이전 시간의 전력 값의 변화를 추정하여 최대전력점(MPP)을 추적하므로, 이는 LMS 적응형 러닝방법과 유사하다. 그러므로 LMS를 적용하여 새로운 최대 전력점 추적방법을 제안할 수 있다.

즉, LMS 방식이 기존의 P&O 알고리즘 대비 다른 점은, 기존 P&O 알고리즘은 이전 값과 현재 값 추적방향의 상이함에 따른 다음 단계 변화량이 고정된 값으로 변화되는 반면에, LMS는 적응적으로 다음 단계 변화량이 결정되어 추적하게 됨. 그러므로 LMS 경우는 적응시간(러닝타임)이 필요하다. 그러나 본 연구결과 LMS는 매우 신속하게 적응화 됨을 확인할 수 있었다.

이상에서와 같이 본 발명은 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

발전소에서 현재 측정한 현재의 전력값을 입력받는 단계;
상기 현재의 전력값과 상기 발전소에서 이전에 측정한 이전의 전력값 간의 차이값을 계산하는 단계; 및
상기 차이값의 크기에 따라 적어도 두 단계로 구분하여, 각 단계별로 상기 발전소의 최대 전력점을 추정하기 위한 듀티값을 다르게 조정하는 단계;
를 포함하는 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법.
제1항에서, 상기 발전소는,
3.5kW 소형 풍력발전소임을 특징으로 하는 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법.
제1항에서, 상기 조정하는 단계는,
상기 차이값이 제1 조건을 만족하는지를 판단하는 제1 단계;
상기 차아?이 제2 조건을 만족하는지를 판단하는 제2 단계; 및
상기 제1 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값과
상기 제2 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값을 다르게 설정하는 단계
를 포함하는 스텝핑 기법을 적용한 최대 전력점 추적 방법.
제3항에서, 상기 제1 조건은,
상기 차이값이 제1 기준값보다 큰지를 판단하는 조건이고,
상기 제2 조건은,
상기 차이값이 상기 제1 기준값보다 작거나 같고, 상기 제1 기준값보다 작은 제2 기준값보다 큰지를 판단하는 조건임을 특징으로 하는 최대 전력점 추적 방법.
제3항에서, 상기 제1 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값은 상기 제2 조건을 만족하는 경우에서 상기 듀티값을 조정하기 위한 상수값보다 작은 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추적 방법.