태양광 발전시스템의 출력성능 증대를 위한 변동제한 퍼지추론 MPPT가 적용된 DPP 시스템 : 변동제한 퍼지추론

전효찬 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2024 국내박사

In this study, a DPP system using improved variance-constrained fuzzy-inference MPPT is proposed to improve the output performance of photovoltaic generation system. In order to increase the stability and power production efficiency of photovoltaic generation systems, we looked at the trends in solar power generation system power conversion structures and the characteristics of MPPT control methods that have been studied until recently, and compared the pros and cons of each to construct a solar power generation system. An appropriate power conversion structure and control technique were adopted. In terms of the structure of the solar power generation system, the DPP system, which can control solar panels using only the power difference between solar panels, was adopted to minimize power conversion loss. In terms of controlling the photovoltaic generation system, research was conducted by adopting a fuzzy method that can identify similarities between data and infer conclusions like a human. As a result, an improved variance-constrained fuzzy-inference method, the fuzzy MPPT method based on change limit, was presented. This refers to a method that can prevent the voltage change amount from changing rapidly by comparing the past and current input data of the power change amount within the range of power change amount and voltage change amount and limiting the range close to 0. As a result of performing various simulation experiments with changes in solar radiation, the stability and maximum stability of voltage changes were found when applying the fuzzy MPPT method based on change limit presented in this paper compared to when applying the P&O method and when performing general fuzzy-based MPPT. It showed high system efficiency. As a result of building a solar DPP system and conducting an experiment by applying the variance-constrained fuzzy-inference MPPT method, it was verified that stability could be improved and power loss could be reduced compared to applying the P&O method and general fuzzy-based MPPT. 본 논문에서는 태양광 발전시스템의 출력성능 증대를 위하여 제안하는 변동제한 퍼지추론 MPPT(Maximum Power Point Tracking : 최대전력점 추적)가 적용된 DPP(Differential Power Processing : 차동전력조절) 시스템을 제시한다. 태양광 발전시스템의 안정성 및 전력 생산 효율을 높이기 위하여 최근까지 연구되었던 태양광 발전시스템 전력변환구조의 발전과정과 MPPT 제어 기법의 특성을 살펴보았으며 각각의 장·단점을 비교해 태양광 발전시스템을 구성하는 데에 있어 적합한 전력변환구조와 MPPT 제어 기법을 채택하였다. 태양광 발전시스템의 구조 면에서는 태양광 패널 사이의 전력차 부분만을 이용해 태양광 패널을 제어할 수 있는 DPP 시스템을 채택하여 전력 변환 손실을 최소화 시켰다. 태양광 발전시스템의 제어 면에서는 데이터들 간의 유사성을 파악하여 사람과 같이 결론을 추론할 수 있는 퍼지 기법을 채택하여 연구를 진행하였다. 그 결과 제안하는 퍼지 기법인 변동제한 퍼지추론 MPPT 기법을 제시하였다. 이는 전력 변화량과 전압 변화량의 범위 중 전력 변화량의 과거 입력 데이터와 현재의 입력 데이터를 비교하여 0에 근접한 범위를 제한함으로써 전압 변화량이 급격하게 변화하지 않도록 예방할 수 있는 기법을 의미한다. 일사량이 변화하는 다양한 모의실험을 수행한 결과, P&O 기법을 적용하였을 때와 일반적인 퍼지 기반 MPPT를 수행하였을 때보다 본 논문에서 제안하는 변동제한 퍼지추론 MPPT 기법을 적용하였을 때 전압 변화의 안정성 증대와 가장 높은 시스템 효율을 보였다. 태양광 DPP 시스템을 구축하고 제안하는 변동제한 퍼지추론 MPPT 기법을 적용하여 실험을 진행한 결과, P&O 기법과 일반적인 퍼지 기반 MPPT를 적용하였을 때보다 안정성을 높일 수 있었으며 전력 손실을 줄일 수 있다는 것을 검증하였다.

고효율 태양광 발전을 위한 고속 최대전력추종기법 적용의 차동전력조절 시스템

백승명 가천대학교 일반대학원 2019 국내박사

본 논문에서는 태양광 시스템을 사용할 때 다양한 일사조건 및 기후변화 아래에서 급격하게 변화하는 태양광 전력 생산에 맞추어 최대전력점 추종을 신속하고 정확하게 수행하여 보다 나은 전력생산량을 가지고 안정된 파형을 가져 총 생산 전력을 늘리고 계통의 안정성을 추구하는 데에 그 목적이 있다. 이의 연구방법으로 신재생 에너지 중 하나인 태양광 발전을 하는 태양광 시스템에서 효율적이고 신뢰성 있는 바이패스 전류를 이용하는 최대전력 점 추종 방법을 통해 제어되는 계통 연계형 차동전력조절방식의 플라이 백 컨버터를 사용하는 것으로 연구를 진행하였다. 태양광 시스템은 지구온난화 및 환경오염으로 인하여 각광받고 있는 새로운 에너지 수확 방법이지만 태양광 시스템에서 전력을 생산하는 역할인 태양광 패널은 일사량과 같은 주변 환경 변화에 민감하다. 일반적으로 태양광 패널에 연결된 컨버터에서 최대전력점 추종을 수행하며 본 논문에서는 태양광 시스템이 차동전력조절방식의 구조로 구성되었을 때에 최대전력점 추종 속도를 개선하는 방법을 제시한다. 제안 된 방법은 모든 그리드에 연결된 컨버터에 적용 할 수 있지만 본 논문에서는 플라이 백 컨버터를 차동전력 조절기로 사용하는 회로에 적용하였다. 제안된 고속 최대전력 추정기법은 근사 최대전력점의 전류의 추정과 작은 스텝 크기를 갖는 P & O 알고리즘 방법의 조합으로 구성된 2 단계 알고리즘으로 구성된다. 기상 조건의 변화에 의하여 근사 최대전력점의 전류 및 태양광 패널 전류의 차이가 지속적으로 모니터링 되도록 하였으며 전류 제한을 사용하여 시스템이 갑자기 변화하는 환경조건에서 최대전력점 (MPP)을 신속하게 추적 할 수 있음을 입증하였다. 제안된 최대전력점 추종 기법은 기존에 구성되어 있던 차동전력조절방식이 있는 태양광 시스템에서 추가적으로 두 개의 스위치만을 구성하여 시스템을 설계할 수 있다. 기존에 태양광 시스템에서 주로 사용되던 P&O 알고리즘의 문제점을 근사 최대전력점의 전류를 추정하여 얻은 근사값을 대입하는 것으로 보완하였고 그에 따른 결과를 모의실험을 통해 검증하였다. 짧은 시간의 추적 및 다양한 일사조건 하에서의 긴 시간 모의실험을 실시하였으며 실제 하드웨어 제작으로 태양광 패널(YL 020 17p)을 사용하여 다양한 기상조건 하에서 제안된 고속 최대전력점 추정기법의 효과를 입증하였다. 본 논문에서의 연구결과는 전 세계적으로 증가하는 태양광 시스템의 동향에 따라 더 나은 전력 생산과 다양한 기후 및 온도변화에도 적응 가능한 태양광 시스템의 저비용 고효율화 적용 확대가 가능하도록 하여 보다 경제적이고 안전성 있는 태양광 시스템의 구축을 가능하게 할 것으로 예상된다. The purpose of this dissertation is to rapidly and accurately trace the maximum power points in accordance with the various irradiations and the rapidly changing photovoltaic power production under climate change to increase the total production power and seek stability of the system by having a stable waveform with a better power output. The research was conducted by using a system-linked type differential power processing flyback converter in a photovoltaic system, one of the renewable energies, controlled by means of a maximum power point tracking (MPPT) technique using efficient and reliable bypass current.   Although photovoltaic systems are a new energy harvesting method that is in the spotlight due to global warming and environmental pollution, PV panels, which are the role of generating power from photovoltaic systems, are sensitive to environmental changes such as irradiation. MPPT is generally performed on converters connected to PV panels and this paper presents a method for improving MPPT tracking speed when the photovoltaic system is constructed with a structure of differential power processing. The proposed method can be applied to converter topology connected to all grids, but in this dissertation the flyback converter has been applied to circuits using as differential power processing. The proposed high-speed MPPT estimation technique consists of a two-stage algorithm consisting of an estimate of the current at the approximate maximum power point and a combination of P & O algorithm methods with a small step size. Differences in current at approximate maximum power points and PV panel currents were continuously monitored according to changes in weather conditions, and use the current limit to quickly track the maximum power point (MPP) under suddenly changing environmental conditions. The proposed MPPT technique allows the system to be designed with only two additional switches for each PV panel in a solar system with differential power processing that was previously configured. The problem of the P&O algorithm, which was previously mainly used in solar systems, was complemented by substituting approximations obtained by estimating the current at the approximate maximum power point, and the results were verified by simulations. Short time tracking and long time simulations under various sun conditions were carried out and PV panels (YL 020 17p) were used to demonstrate the effectiveness of the proposed Fast-Baesd MPPT estimation technique under various irradiation conditions by producing actual hardware prototypes. The research results in this dissertation enable to expand the application of low cost and high efficiency of photovoltaic system which can make better power production in various irradiation and temperature changes according to the increasing trend of the photovoltaic system in the world. Therefore, it is expected that it will be possible to construct a more economical and stable photovoltaic system.

차동전력 PV-BUS 구조에서 새로운 MPPT 제어에 기반한 태양광 발전효율 및 확장성 극대화

이현재 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2024 국내박사

본 논문은 태양광 발전 설비의 발전효율 및 확장성을 극대화하기 위하여 차동전력 PV-BUS 구조 기반의 새로운 MPPT 제어 기법에 대하여 연구하고 적용 및 검증한다. 현재까지 설치되고 있는 태양광 발전 시스템의 경우 어 레이 단위당 하나의 인버터를 설치하거나 스트링 단위당 하나의 인버터를 설치하여 시스템을 구성한다. 이러한 구조의 시스템들은 그늘짐, 오물 등과 같이 외부요인에 의하여 PV 패널간의 전력 불균형이 발생할 수 있으며 전 력생산에 손실을 일으킨다. 이에 전력 불균형이 일어나더라도 시스템 생산 전력 손실을 최소화하기 위해 현재까지 연구된 다양한 시스템 구조를 비교 하고 분석하였다. 전력 불균형으로 일어나는 생산 전력 손실을 최소화하기 위하여 차동전력 조절 방식 중 PV-BUS 구조를 채택하였으며 확장성을 높이기 위하여 통신을 필요로 하지 않는 무통신 MPPT 제어 기법들을 제시한다. 이 중 부스트 컨 버터 측에는 IC-MPPT(Indirect Comparison MPPT) 기법을 제시하고 적용하 였으며 DPP 컨버터 측에는 RU-MPPT(Reference Update MPPT) 기법을 제시 하고 적용하였다. 모의실험을 수행한 결과 PV 패널의 다양한 일사량 변화 조건에서도 통 신 없이 IC-MPPT와 RU-MPPT가 정상적으로 동작함을 검증할 수 있었다. PV 패널에 그늘짐을 발생시켰을 경우 이상적인 회복 전력량 대비 평균 99.46[%]의 전력을 보상할 수 있음을 확인하였다. 실증실험을 수행한 결과 PV 패널의 다양한 일사량 변화 조건에서도 통신 없이 IC-MPPT와 RU-MPPT가 정상적으로 동작함을 검증할 수 있었다. 실증 실험에서는 PV-BUS 구조의 이상적인 회복 전력량 대비 평균 94.02[%]의 전 력을 보상할 수 있음을 확인하였다. 이러한 무통신 MPPT 제어 기법은 이미 설치된 태양광 발전 시스템에서 외부요인으로 인한 전력 손실이 예상치보다 많아진 경우에 적극적으로 사용 될 수 있으며 상대적으로 그늘짐 조건이 많은 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)에 적용하여 전력 생산 효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.

다중채널 태양광시스템의 효율개선을 위한 단일센서기반의 MPPT제어기법

장한상 가천대학교 일반대학원 2020 국내석사

본 논문은 다중채널 태양광시스템의 효율개선을 위한 단일센서기반의 MPPT제어기법을 모의실험을 통하여 그 효과를 검증하였다. 태양광 DPP 시스템에서 단일센서 기반의 MPPT 제어기법을 적용하기 위해 PV 패널을 제어하는 플라이백 컨버터의 스위칭 구간별 전류 흐름도를 고려하여 전류를 계산하는“순시 PV 전류 계산 기법”을 제시하였다. 이는 PV 패널이 태양광 DPP 시스템의 메인 회로에서 독립적으로 폐회로를 이루는 구간에서의 생산 전압의 기울기를 측정해 순시 전류를 계산하는 기법이다. 이러한 기법을 태양광 DPP 시스템에 적용하기 위하여 스위칭 주기 동안 가장 적절한 구간을 나누어 분석하였으며 가장 적절한 구간에서 순시 PV 전류 계산 기법을 적용해 오차를 최소화 하였다. 모의실험 결과, 순시 PV 전류 계산 기법으로 계산한 전류값과 센서로 측정한 전류값와 최대 4[mA]의 오차를 보였다. 이는 순시 PV 전류 계산 기법이 전류 센서를 대신하기에 충분하다고 판단되었다. 또한, 일반 센서를 이용하여 MPPT를 수행한 결과와 모두 동일하게 나타남에 따라 순시 PV 전류 계산 기법이 태양광 DPP 시스템에 적용하기에 적합하다는 것을 검증하였다.

실시간 전류 레퍼런스 모델 기반의 최대전력추종을 적용한 태양광 발전 시스템

이현재 가천대학교 일반대학원 2020 국내석사

본 논문은 온라인 전류 레퍼런스 모델 기반의 최대전력추종을 적용한 태양광 발전 DPP 시스템을 모의실험과 하드웨어를 통한 실험을 통해 그 효과를 검증한다. 태양광 발전 시스템 구조 중 4세대인 차동전력조절(DPP : Differential Power Processing) 구조는 PV 패널의 전력 생산 효율을 높이고 전력변환의 손실을 최소화시키는 장점이 존재한다. 하지만 PV 패널만큼의 추가적인 컨버터가 필요함에 따라 태양광 발전 시스템을 구성하는데에 있어 초기 자본 비용이 높다는 단점이 있다. 이에 따라 본 논문은 태양광 DPP 시스템을 구성하는데에 필요한 전압 센서를 제거함으로써 초기 자본 비용을 낮춤과 동시에 일반적인 P&O 알고리즘을 수행할 수 있는 “유효 듀티 계산 기법”을 제시하였다. 이는 누설 인덕턴스에서 일어나는 전력 손실 고려하고 이를 고려한 수식적인 전개를 통하여 PV 패널의 생산 전압을 효과적으로 계산할 수 있는 기법을 의미한다. 모의실험을 수행한 결과, 전력 손실로 발생하는 듀티비 중 유효 듀티비를 정확히 계산할 수 있다는 것을 검증하였으며 이를 사용해 입력전압을 효과적으로 계산할 수 있었다. 하드웨어를 사용한 실험을 수행한 결과, 고정된 일사량의 조건과 변화하는 일사량 조건에서 각 일사량에 해당하는 MPP 지점을 정상적으로 추적하였으며 일반적인 MPPT 제어와 거의 동일한 성능을 나타내었다. 즉, 유효 듀티 계산 기법을 태양광 DPP 시스템에 적용한다면 전압 센서없이 MPPT를 수행할 수 있으며 이에 대한 초기 자본 비용을 줄임과 동시에 정상적으로 MPPT를 수행할 수 있다. 이러한 유효 듀티 계산 기법은 전력변환장치의 소자를 줄이려는 목적을 갖는 솔루션에 적합한 대안이 될 수 있으며 추가적으로 고장난 전압 센서를 대신하여 전압을 계산함으로써 보수 전까지 발생하는 전력 손실을 효과적으로 줄일 수 있을 것이라고 판단된다.