독립형 태양광 시스템에서 DC-bus 전압의 순시적 보상을 위한 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 및 적정 용량 설계 기법

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 독립형 태양광 시스템의 DC-bus 전압 유지를 위한 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법과 이에 기반한 슈퍼커패시터의 용량 설계 방법을 제안하고 이를 모의실험 및 실험으로 검증한 연구이다. 분산 전원 기반 독립형 구조에서는 계통 지원 없이 전압과 전력을 자체적으로 유지해야 한다. 그러나 부하가 급변하면 DC-bus 전압이 하락하거나 불안정해져 시스템 신뢰성과 부하 기기의 정상 동작에 영향을 미친다. 기존 배터리 기반 에너지 저장 장치는 장시간 전력 보상에는 적합하지만 빠른 전압 변동에 즉각 대응하기에는 반응 속도에 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 슈퍼커패시터의 고속 충·방전 특성을 활용한 Ride-through 보상 제어를 적용하였다. 제안된 방식은 DC-bus 전압을 실시간으로 감시하다가 전압 강하가 발생하면 즉시 감지해 슈퍼커패시터를 방전시키고 부족 전력을 공급하도록 설계되었다. 나아가 결손 전력, 허용 가능한 DC-bus 전압 강하, 슈퍼커패시터 초기 전압을 고려하여 필요한 보상 에너지와 Ride-through 시간을 수식으로 도출하고 이를 통해 슈퍼커패시터의 최소 필요 용량을 정량적으로 산정하는 설계 절차를 제시하였다. 모의실험 결과, 설계 식에 따라 산정된 슈퍼커패시터 적용 시 부하 저항이 급변해도 DC-bus 전압이 기준 전압 근처에서 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 특히 제안된 제어 및 용량 설계 방식은 부하 변동 시 전력 불균형을 효과적으로 보상해 전압 강하를 허용 범위 내로 억제함을 보여주었다. 또한 하드웨어 실험에서도 Ride-through 기법이 정상 동작하고 예측 보상 시간과 측정 보상 시간이 근사하게 일치함을 통해 용량 산정 방법의 타당성을 확인하였다. 본 연구는 독립형 태양광 발전 시스템 및 마이크로그리드에서 전력 품질을 개선하는 효과적인 수단임을 보일 뿐 아니라, 부하 변동 조건과 전압 허용 범위를 반영한 슈퍼커패시터의 Ride-through 용량 설계 기준을 제시했다는 점에서 의의가 있다. 나아가 전기차 충전 스테이션이나 이동형 전원 장치 등 부하 변동이 잦은 응용 분야에서도 실질적인 전력 안정화 효과를 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론1
• 1.1 연구 동향 및 배경1
• 1.2 연구의 필요성3
• 1.3 연구 내용 및 목적4
• 제2장 태양광 시스템 및 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어의
• 이론적 고찰·6
• 2.1 태양광 시스템의 구조 및 DC-bus 전압 불안정 문제 6
• 2.1.1 태양광 시스템에서 사용된 플라이백 컨버터의 동작 원리 6
• 2.1.2 태양광 시스템에 적용된 MPPT 기법8
• 2.1.3 태양광 발전 시스템에서 발생하는 DC-bus 전압 불안정 문제9
• 2.2 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 10
• 2.2.1 슈퍼커패시터의 특징 10
• 2.2.2 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법의 적용12
• 2.2.3 슈퍼커패시터의 Ride-through 적정 용량 산정 수식 검증17
• 2.3 슈퍼커패시터의 적정 용량 설계 검증 운전 시나리오 22
• 제3장 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량
• 설계 검증 모의실험24
• 3.1 모의실험 회로 구성 및 실험에 사용된 파라미터·24
• 3.2 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량 설계 검증
• 모의실험 27
• 3.2.1 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량 설계 검증
• 모의실험 결과 분석36
• 제4장 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량
• 설계 검증 실험38
• 4.1 태양광 컨버터 및 슈퍼커패시터용 양방향 컨터버 설계 및 제작··38
• 4.2 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량 설계 검증
• 실험·42
• 4.2.1 슈퍼커패시터의 Ride-through 제어 기법 및 적정 용량 설계 검증
• 실험 결과 분석53
• 제5장 결 론·55
• Reference57
• ABSTRACT 60