고효율 태양광 발전을 위한 고속 최대전력추종기법 적용의 차동전력조절 시스템 = Differential Power Processing System using Fast Speed MPPT for High Efficiency PV System

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장. 서 론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구의 동향 5
• 1.3 연구의 내용 및 구성 9
• 제2장. 태양광 시스템의 차동전력조절방식 11
• 2.1 태양광 시스템의 차동전력조절방식 11
• 2.2 차동전력조절방식을 적용한 태양광 시스템의 분석 22
• 제3장. 태양광 시스템의 최대전력점추종 39
• 3.1 태양광 패널의 제어 39
• 3.2 다양한 MPPT 기법 41
• 제4장. 제안된 고속 MPPT 추정기법을 적용한 태양광 시스템 51
• 4.1 기존의 MPPT 기법의 한계점 51
• 4.2 제안하는 고속 MPPT 추정기법의 적용을 위한 회로도 52
• 4.3 고속 MPPT 추정기법 54
• 제5장. 고효율 태양광 발전을 위한 고속 MPPT 추정기법의
• 모의실험 검증 63
• 5.1 과도상태의 모의실험 64
• 5.2 가변 일사량 하에서의 모의실험 74
• 제6장. 시스템 구현 및 결과의 검증 88
• 6.1 실험 세부 소자 선정 88
• 6.2 과도상태의 실험 92
• 6.3 가변 일사량 환경에서의 하드웨어 실험 106
• 제7장. 결론 119
• 참고문헌 121
• ABSTRACT 129