본 논문은 태양광 발전 시스템의 전력 변환 효율을 극대화하기 위하여, 구조를 단순화한 전문가 추론 기반 제어기를 제안하고 핵심 파라미터를 하이브리드 최적화 알고리즘으로 오프라인 ...

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성남 : 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원, 2026
학위논문(박사) -- 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 , 차세대스마트에너지시스템융합학과 차세대스마트에너지시스템융합전공 , 2026. 8
2026
한국어
경기도
; 26 cm
지도교수: 손진근
I804:41005-200001011136
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본 논문은 태양광 발전 시스템의 전력 변환 효율을 극대화하기 위하여, 구조를 단순화한 전문가 추론 기반 제어기를 제안하고 핵심 파라미터를 하이브리드 최적화 알고리즘으로 오프라인 튜닝하는 새로운 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 방안을 제시한다.
태양광 발전 시스템은 일사량과 온도에 따라 특성이 급변하여 실시간 최대 전력점(MPP) 추적 기술이 필수적이다. 기존 MPPT 기법은 과도 상태 응답 속도와 정상 상태 전력 리플 간의 상충 관계를 극복하기 어려우며, 대안인 전문가 추론 기반 MPPT 역시 설계자의 경험적 직관에 의존하여 특정 운전 조건에서 성능이 저하되는 모호성과 구조적 한계가 존재한다.
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 입력 변수와 멤버십 함수를 축소하여 제어 구조를 3개의 핵심 파라미터(,,)로 간소화하였다. 이후 전역 탐색(HS)과 국소 탐색(GD)을 결합한 하이브리드 최적화(HS-GD)를 적용해 정밀한 최적 해(=12.615, =2.819, =10.0)를 도출하였다. 무거운 최적화 연산은 오프라인으로 분리하고, 실제 제어기 내부에는 다각형 역퍼지화 기반의 대수 방정식을 적용하여 연산 복잡도를 상수 시간으로 고정한 단순화된 전문가 추론 제어기를 탑재함으로써 지능형 제어기의 연산 지연 문제를 근본적으로 해결하였다.
제안 기법의 타당성은 동적 통합 시뮬레이션과 하드웨어 실증을 통해 다각도로 검증하였다. 극단적 일사량 변동 시나리오 기반의 시뮬레이션 결과, 제안 기법은 최신 가변 스텝 P&O 기법의 조기 수렴 한계를 극복하고 0.05초 이내의 고정밀 추종을 달성하여 이론적 극한 성능을 입증하였다. 또한 플라이백 컨버터(Flyback Converter)와 DSP를 결합한 실환경 실험 결과, 과도 상태 최대 전력점 추종 시간을 기존 P&O 기법(142초) 대비 14초로 단축시켜 약 90%의 추종 속도 개선을 달성하였다. 정상 상태의 전력 리플을 3~5W 수준으로 저감하여, 누적 생산 전력을 43.2% 향상시켰다. 나아가, 범용 가성비 MCU(STM32F411) 환경에서 단 11.72 만에 제어 루프를 종료함을 실측하여 고가 DSP에 의존하던 기존의 오버 엔지니어링 한계를 완벽히 타파하였다.
결론적으로 본 연구는 하이브리드 최적화를 통해 전문가 추론 기반 MPPT의 설계 모호성과 휴리스틱 의존성을 제거함과 동시에, 차세대 분산형 전력 변환 시스템인 차동 전력 처리(DPP) 구조 및 단일 모듈 단위 태양광 발전 시스템에 즉시 상용화될 수 있는 비용 효율적인 실무적 해법을 제시한다.
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