전해 커패시터 없이 전력 디커플링이 가능한 DC/DC 컨버터 및 600W급 PV 마이크로인버터 구현 = Design and Implementation of a Power-Decoupling DC/DC Converter and a 600W PV Microinverter Without Electrolytic Capacitors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a method of designing and controlling a photovoltaic microinverter capable of power decoupling with only a small-capacity film capacitor. Existing photovoltaic microinverters use electrolytic capacitors to resolve the input/output power imbalance. However, the electrolytic capacitor has a problem of reducing its life due to its own loss due to current ripple and deterioration characteristics in a high-temperature environment. Therefore, removing the electrolytic capacitor of the microinverter can contribute to improving the life and reliability of the system. Therefore, various circuit structures and control methods have been proposed in existing studies to solve this problem. Among them, the capacitance was significantly reduced by dividing the ripple power borne by the capacitor through the decoupling power stage. However, there is a limitation that as the number of elements increases, losses and costs increase. Therefore, this paper proposes a design direction to replace the electrolytic capacitor with a film capacitor through the operation mode and control method of the circuit while maintaining the existing Two-Stage structure without adding a power stage.
In this paper, first, the capacitor required capacity and energy flow according to the power decoupling position were analyzed by comparing the existing single-stage structure with the two-stage structure, and a circuit structure advantageous for reducing the capacitor capacity was selected. After that, the effect of the DC-Link capacitor capacity reduction on the input current was analyzed, and the power decoupling effect according to the operation mode of the boost converter was compared and analyzed. Through this, a method of implementing PV-side power decoupling only by control and the operation mode of the proposed DC/DC stage without an additional circuit configuration was proposed. In the DC/AC stage, a control method was proposed to stably maintain the DC-Link voltage through a control strategy and to ensure the quality of the output current. Finally, simulations and experiments on 600W class prototypes were conducted. Through this, it was verified that a design and control plan for implementing a PV microinverter that can be decoupled with only a small film capacitor is presented.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 소용량 필름 커패시터만으로도 2ω(120 Hz) 리플 전력을 완화할 수 있는 태양광 마이크로인버터의 설계 및 제어 기법을 제안한다. 일반적인 태양광 마이크로인버터는 PV 입력 전력과 계통으로 주입되는 AC 출력 전력 사이의 순간적인 전력 불일치를 보상하기 위해 대용량 전해 커패시터를 사용한다. 그러나 전해 커패시터는 리플 전류에 따른 내부 손실과 고온 환경에서의 열화로 인해 기대 수명이 감소하여, 시스템 수명과 신뢰성을 제한하는 요인으로 작용한다. 전해 커패시터를 제거하면 시스템 수명과 신뢰성 향상에 기여할 수 있으므로, 선행 연구에서는 디커플링 전력단을 추가하여 리플 전력을 분담함으로써 커패시턴스를 유의미하게 감소시키는 다양한 회로 구조와 제어 방식이 제안됐다. 다만 이러한 방식은 소자 수 증가에 따른 손실 및 비용 상승, 제어 복잡도 증가라는 한계를 동반한다. 따라서 본 논문에서는 추가 디커플링 전력단 없이 기존 2단(Two-Stage) 구조를 유지하면서, 전력단의 동작 모드 및 제어 방식 최적화를 통해 전해 커패시터를 필름 커패시터로 대체할 수 있는 설계 방향을 제시한다.
본 논문에서는 먼저 기존 단일단 구조와 2단 구조를 비교하여 전력 디커플링 위치에 따른 커패시터 요구 용량과 에너지 흐름을 분석하고, 커패시터 용량 저감에 유리한 회로 구조를 선정하였다. 이후 DC-Link 커패시터 용량 저감이 입력 전류에 미치는 영향을 분석하고, 부스트 컨버터의 동작 모드에 따른 전력 디커플링 효과를 비교·분석하였다. 이를 통해 추가적인 회로 구성 없이 제안 DC/DC 단계의 동작 모드와 제어만으로 PV측 전력 디커플링을 구현하는 방안을 제시하였다. DC/AC 단계에서는 제어 전략을 통해 DC-Link 전압을 안정적으로 유지하고 출력 전류의 품질을 확보할 수 있는 제어 방식을 제안하였다. 마지막으로 이에 대한 시뮬레이션과 600W급 시제품에 대한 실험을 수행하였다. 이를 통해 소용량 필름 커패시터만으로 디커플링이 가능한 PV 마이크로인버터 구현을 위한 설계 및 제어 방안을 제시함을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 개요 4
• Ⅱ. 제안 마이크로인버터의 구조와 전력 디커플링 방안 5
• 2.1. 제안 마이크로인버터의 구조와 에너지 경로 5
• 2.1.1. 단상 계통 연계 시 전력 흐름과 디커플링 커패시터 5
• 2.1.2. 단일단 및 두단계 마이크로인버터의 구조 비교 10
• 2.1.3. 제안 마이크로인버터의 디커플링 커패시터 설계 13
• 2.2. 제안 마이크로인버터의 전력 디커플링 방식 16
• 2.2.1. 부스트 컨버터 동작 모드 및 에너지 평형 17
• 2.2.2. CCM 전력 디커플링 특성 20
• 2.2.3. DCM 전력 디커플링 특성 23
• 2.2.4. CRM 전력 디커플링 특성 26
• Ⅲ. 제안 QBC 기반 DC/DC 컨버터의 설계 및 제어 29
• 3.1. 제안 QBC 기반 DC/DC 컨버터의 구조 29
• 3.2. QBC의 동작 모드 및 전압 이득 특성 31
• 3.2.1. CCM/CCM 구성에서의 기본 전압 이득 31
• 3.2.2. 전력 디커플링을 위한 CCM/DCM 구성의 동작 특성 33
• 3.2.3. 제안 DC/DC 컨버터의 정상상태 전압 이득 (CCM·DCM) 39
• 3.3. 전력 디커플링을 고려한 QBC 설계 41
• 3.4. QBC 제어 방법 및 구현 구조 44
• 3.4.1. QBC 전체 제어 구조 및 제어 목표 45
• 3.4.2 INCC 기반 MPPT 알고리즘 46
• 3.4.3. 전류 제어기 설계 50
• Ⅳ. DC/AC 인버터의 설계 및 제어 52
• 4.1. 제안 DC/AC 인버터의 구조와 동작 특성 52
• 4.2. 제안 DC/AC 인버터의 제어 구조 56
• 4.2.1. SOGI-PLL 기반 계통 동기화 57
• 4.2.2. PR 전류 제어기 설계 58
• 4.2.3. 피드백 선형화 기반 듀티 계산 60
• 4.2.4. DC-Link 전압 제어 루프 설계 61
• Ⅴ. 모의실험 결과 64
• 5.1. DC/DC 컨버터 시뮬레이션 64
• 5.2. 제안 DC/AC 인버터의 제어기 성능 검증 70
• Ⅵ. 실험결과 78
• 6.1. 실험 구성 및 계측 환경 78
• 6.2. 제안 600W급 PV 마이크로인버터 성능 검증 79
• Ⅶ. 결론 84
• Ⅷ. 향후 계획 85
• 참고 문헌 86
• Abstract 88