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.

(A) modified perturb and observe sliding mode maximum power point tracking method for stand-alone hybrid systems operating under partially shaded conditions

함제훈 Graduate School, Yonsei University 2016 국내박사

Energy-Efficient Energy Harvesting Interface and Low-Dropout Regulator Using Switched-Capacitor Networks

Hyunjin Kim 고려대학교 대학원 2025 국내박사

Switched-capacitor (SC) architectures have emerged as a key enabler in the design of DC-DC converters due to their inherent ability to deliver high power density and energy efficiency within compact form factors. Unlike traditional inductive converters, SC-based designs eliminate the need for bulky inductors, making them well-suited for applications requiring tight on-chip integration, particularly in advanced CMOS processes. This is especially critical for modern systems such as IoT devices, where stringent form factor and weight constraints demand highly integrated, efficient power management solutions. In high-performance computing applications, the shift toward lower supply voltages further requires the low-dropout (LDO) regulators to operate with enhanced power density and high efficiency, along with low supply voltage operation. Switched-capacitor networks are also advantageous for such LDO regulators, offering not only high power density but also fast transient response and low energy consumption, even under demanding low-voltage conditions. As a result, this dissertation explores and presents SC-based DC-DC converter topologies, demonstrating superior power conversion efficiency and transient response, thereby addressing the growing need for high-performance, energy-efficient power delivery systems in both IoT and high-performance computing environments. In the first research, a continuously scalable-conversion-ratio (CSCR) SC energy harvesting interface that extracts power from a thermoelectric generator (TEG), regulates a 0.75 V output load, and manages a 1.2–1.45 V battery is introduced. The structure employs the proposed CSCR SC converter to improve the power conversion efficiency up to 7.9% higher than that of the conventional converter. Moreover, the structure utilizes a proposed SC-based pulse frequency modulation (PFM) maximum power point tracking (MPPT) method to extract power from a TEG with an MPPT efficiency above 98.15%. Additionally, the proposed interface adopts a flying capacitor sharing scheme for the dual-mode operation of the SC interface to increase both the peak end-to-end efficiency and maximum output power. With a 180 nm CMOS process, the proposed interface achieves a peak end-to-end efficiency of 85.4% and maximum output power of 20.8 mW. This dissertation also presents a four-phase time-based switched-capacitor low-dropout (SCLDO) regulator that regulates an output load voltage (VOUT) of 0.35–0.95 V with an input voltage (VIN) of 0.45–1 V. The regulator employs a four-phase time quantizer, which enables high proportional gain control and short transient response time with relatively low quiescent current. In addition, the proposed SCLDO employs a 9.6 pF coupling capacitor (CC) that is connected to the gate voltage of the pass transistor and VOUT node, thereby reducing the VOUT voltage drop during the load transition. Because the SCLDO utilizes capacitor components when charging and discharging CC, it provides robustness to process and temperature variations even at low-VIN conditions. Therefore, the proposed time-based SCLDO achieved a VOUT settling time of 4.4 ns at VIN = 1 V and 13 ns at VIN = 0.5 V condition. Fabricated in a 28 nm CMOS process, the proposed time-based SCLDO achieves a maximum IOUT of 400 mA and a novel figure of merit (FoM) of 11 ps, with an active area of 0.021 mm2.

Maximum power point tracking of the PV array under partial shading condition

Muhammad Fayyaz Kashif 서울대학교 대학원 2012 국내석사

Photovoltaic technology has been playing an important role as a clean source of energy. However, electrical power from a PV system can be varying depending on local weather conditions, i.e., irradiation and temperature. Therefore a maximum power point tracking (MPPT) method is needed to consistently generate maximum power from the PV system. Many MPPT algorithms had been proposed. Perturb & Observe and Incremental Conductance methods are most commonly used in practice. PV arrays are subject to partial shading in many practical situations due to nearby trees, buildings and PV panels. Multiple peaks can exist on the resulting P-V curve of the PV array under partial shading conditions. This may disturb the efficient MPPT operation as conventional MPPT methods can converge to local peaks. In this paper, effects of different shading conditions on the characteristics of the PV array have been investigated. Based on the results and observations, a simple MPPT technique is proposed to circumvent the trappings into the local peaks. Effectiveness of the proposed method has been verified by computer simulations.

DC링크 전압을 이용한 PMSG MV 해상 풍력 발전기의 유효전력 지령모드 절환

권국민 전북대학교 일반대학원 2016 국내석사

This thesis proposes a command mode transition of active power using dc-link voltage for Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Medium Voltage (MV) offshore Wind Turbines (WT). Benchmarking against the conventional control method is performed based on a neutral point clamped three-level back-to-back type voltage source converter. The ramping rate criterion of complex power is proposed to select the proper switching vector in DPC for a three-level NPC converter. This criterion is to maximize the ramping rate of complex power under the limitation of available switching vectors in a corresponding sector. Using a grid command and MPPT mode, the proposed control method automatically controls the generated output power to satisfy a grid requirement from the hierarchical wind farm controller. Also the proposed control method is compared with the conventional control method in loss and thermal distribution analysis. The command mode transition of active power using dc-link voltage method is confirmed through PLECS simulations based on Matlab. Simulation result shows that proposed control method achieves a much shorter transient time and lower peak junction temperature of generated output power than the conventional control method under a step response and steady-state condition. The proposed control method of VOC and DPC makes it possible to provide a good dynamic performance for PMSG MV offshore WTs in order to generate a high quality output power.

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.

MPPT 기반의 강인성 고장 검출 기법을 적용한 고신뢰성 태양광 발전 시스템의 구현

박세희 가천대학교 일반대학원 2021 국내석사

최근 태양광 발전 시스템에서 다양한 원인으로 인하여 고장 및 화재가 빈번하게 발생되고 있다. 이러한 비선형적인 특징을 지닌 태양광 발전 시스템에 대하여 개선된 최신의 고장 검출 기법을 적용할 경우 고신뢰성의 화재예방 시스템이 실현되어 재산 및 인명피해를 줄일 수 있다고 판단된다. 이러한 목적에 따라 본 논문에서는 MPPT 기반의 강인성 고장 검출 기법을 적용한 고신뢰성 태양광 발전시스템에 대하여 전력변환 토폴로지 및 이의 알고리즘을 적용하여 모의 실험 및 실험을 통하여 타당성을 입증하였다. 기존의 MPPT 기반 고장 검출 기법은 다양한 조건에서의 MPPT 특성을 분석하고 그늘짐에서 나타나는 특성을 반영해 고장 검출을 효율적으로 감지하는 방법이었다. 그러나 지속적으로 고장을 검출하지 못하는 한계로 인해 고장 검출 시스템에 대한 신뢰성이 확보되지 못한 단점이 있다. 따라서 본 논문은 기존의 고장 검출 기법을 개선할 수 있는 강인성 고장 검출 기법을 제안하였다. 이러한 기법은 검출된 고장 신호를 재판별 함으로써 불연속의 고장 검출의 문제점을 지속적으로 고장 검출을 가능하게 하여 고장 검출 알고리즘의 신뢰성을 높이는 기법을 적용한 것이다. 다양한 모의 실험과 실제의 구현 실험을 통하여 제안하는 강인성 고장 검출 기법의 유효성을 검증하였다. 그 결과 기존의 고장 검출 기법보다 제안된 고장 검출 기법을 적용하였을 때 고장 신호를 더 강인하게 검출할 수 있었다.

태양광 발전 시스템의 전력 생산 효율 개선을 위한 머신러닝 기반 손실 저감 기법에 대한 연구

한정원 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2024 국내석사

본 논문은 태양광 발전 시스템의 항시 최대전력을 생산하기 위해 적용되는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기법 중 InC(Incremental Conductance) 제어 기법의 단점과 본질적인 한계점을 해결할 수 있는 방안을 제시한다. 또한 제안한 기법에 대하여 적용 및 검증한다. 태양광 발전 시스템은 일사량, 온도, 음영 또는 먼지와 같은 요인으로 인하여 전력 생산 효율이 상이해진다. 이에 항시 최대전력을 생산하기 위해 MPPT 제어 기법을 사용한다. 그중에서도 대중적으로 사용되고 있는 InC 제어 기법은 기울기의 크기를 기반으로 최대전력점을 추적하며 기울기의 크기는 전압변동값에 결정된다. 이때 기울기가 0일 때 최대전력지점임을 의미한다. 그러나 고정된 전압변동값으로 인하여 과도한 경우에는 최대전력점 추적 정확성이, 작은 경우에는 추적 속도가 저하되는 단점이있다. 이를 해결할 수 있는 방안으로 기존의 InC 제어 기법에 에 상수값 α를 곱하여 전압 변동값의 크기를 가변 시키는 가변형 InC 제어 기법과 같은 제어 기법들이 제안되고 있으나 InC 제어기법과 가변형 InC 제어 기법 모두 초기에 전압변동값을 설정하거나 전압변동값의 크기를 결정하는 α값을 사용자가 지정해야한다. 이때 초기 설정된값에 의해 전력 생산 효율이 결정된다. 이에 따라 적절한 전압 변동값을 선정해야한다. 이에 본 논문에서는 InC 제어 기법보다 MPPT 성능이 개선된 가변형 InC 제어 기법의 전압변동값의 크기를 결정하는 α값을 최적화 하기 위해 머신러닝의 최적화 기법을 도입한 ML InC (Machine Learning Incremental Conductance) 제어 기법을 제안한다. 머신러닝은 목표함수를 최대화 하거나 최소화 하도록 최적화하여 학습시킨 후 현실 문제를 푸는 절차를 의미한다. 본 논문에서 최적화할 목표함수는 전압변동값의 크기를 결정하는 α값이며, 이 목표함수가 오차가 0인 지점 즉, 오차가 가장 작은 지점인 극소점을 찾아가는 경사하강법을 적용하였다. ML InC 제어 기법의 동작과정은 태양광 발전 시스템에서 생산할 수 있는 최대 전력과 MPPT를 수행하였을 때 생산된 전력의 차이를 최소화하는 조건을 설정한다. 이를 통해 α값을 최적화 하였다. ML InC 제어 기법의 성능을 검증하기 위해 모의실험을 진행하였다. ML InC 제어 기법을 통해 α도출된 값과 근사치에 존재하는 α값들의 생산된 누적 전력량을 비교하였다. 모의실험을 통해 얻은 결과 ML InC 제어 기법에서 최적화된 값이 가장 많은 전력을 생산하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 적절한 값이 선정된 것을 알 수 있었다. 이와 더불어 실증실험을 진행한 결과 모의실험과 동일한 결과를 얻을 수 있었으며 ML InC 제어 기법의 성능을 검증할 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 ML InC 제어 기법을 통해 태양광 발전 시스템의 전력 생산 효율이 향상 될 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.

Energy harvesting charger and battery state-of-charge indicator for low-power iot devices

정준원 Graduate School, Korea University 2019 국내박사

Advances in CMOS processes and low-power design techniques have led very low power Internet of Things (IoT) devices. Therefore, harvesting even a small amount of energy can provide a substitute for the batteries in such devices whose battery replacement is difficult. Furthermore, the battery capacity requirements for IoT devices have also been relaxed. At the same time, applications of IoT devices are becoming more varied, often requiring miniaturization of IoT sensor node systems. As a result, small-capacity, miniature IoT batteries are increasingly used by these IoT devices whose power is supplied by the energy harvesting. A high-efficiency charger for low-power thermoelectric energy harvesting with a method for improving the efficiency, which is called the adaptive input ripple (AIR) maximum power point tracking (MPPT) technique, is introduced in this theses. On the basis of the key finding that the end-to-end efficiency (ηE-E) is highly dependent on the amplitude of the input ripple of the charger (ΔVIN) in the low-power region, the proposed AIR MPPT technique adjusts ΔVIN to maximize ηE-E. Moreover, the minimum input power that allows the charger to maintain operation is enhanced by the proposed AIR MPPT technique. The proposed charger is implemented with 180-nm CMOS technology. An improvement of 21% in ηE-E is achieved with the proposed technique. Furthermore, the proposed technique enhances the minimum power by 7.5 μW. The startup power and minimum power of the prototype are 37 and 6 μW, respectively. The maximum ηE-E is 82%. An energy efficient State-of-Charge (SOC) indication algorithm and integrated system for low power wireless sensor nodes with the miniature IoT batteries are also introduced in this thesis. Based on the key findings that the miniature Li-ion batteries exhibit a fast response to the battery current transient, we propose an instantaneous linear extrapolation (ILE) algorithm and circuit system based on the ILE algorithm allowing accurate on-demand estimation of SOC. Due to the on-demand operation, an always-on current integration is avoided, reducing power and energy consumption by several orders of magnitude. Furthermore, the proposed SOC indicator does not require a battery disconnection from the load, ensuring continuous operation of the applications. The system is implemented in a 180-nm CMOS technology. The power consumption is 42 nW and maximum SOC indication error is 1.7%. The minimum applicable battery capacity is as low as 2 μAh.