고효율 태양광 마이크로인버터 시스템의 제어기 설계

Abstract

본 논문은 소형화 및 고효율에 적합한 태양광 마이크로인버터의 설계 및 제어 방법들을 제안한다. 마이크로인버터는 기존 태양광 인버터의 단점인 그림자 효과로 인한 발전량 저하를 보완할 수 있으며, 태양광 판넬 1장에 대한 모니터링이 가능하여 유지보수가 쉽다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 센서의 개수를 줄여 소형화와 가격 절감의 효과를 얻을 수 있는 센서리스 제어 방법과 고품질의 계통 전류를 통해 고효율의 효과를 얻을 수 있는 브릿지리스 인버터의 제어 방법에 대한 연구가 진행되었다. 첫 번째로 전류 센서리스 MPPT 알고리즘을 제안한다. 마이크로인버터는 크게 DC/DC 컨버터부와 DC/AC 인버터부, 센서부, 제어부로 나뉜다. 일반적으로 모든 회로는 핵심역할을 하는 부품과 주변 회로로 구성되고, 완성품의 가격과 크기는 이 회로들에 의해 결정된다. 본 논문에서는 입력 전류 센서를 사용하지 않는 상태에서 태양광 인버터의 핵심 제어 방법인 MPPT 알고리즘을 사용 가능하게 하는 방법을 제안한다. 제안하는 센서리스 MPPT 알고리즘은 여러 파라미터를 간단한 수식에 대입하여 계산한 입력 전류를 이용한다. 제안하는 방법을 사용할 경우, 비교적 가격이 비싼 전류 센서와 주변 회로를 제거할 수 있기 때문에 마이크로인버터의 가격과 부피를 줄일 수 있게 된다. 두 번째로 고효율의 브릿지리스 인버터가 탑재된 마이크로인버터의 제어 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 모델 기반 제어 방법을 적용한 방식으로, 브릿지리스 인버터를 모델링하고 이를 바탕으로 미래 지령 전류를 예측하여 제어에 사용한다. 일반적으로 사용되는 PFC-PI 제어기는 제어기의 대역폭과 교류 성분 제어의 취약성 때문에 태양광 발전 시 계통 전류의 품질을 저하시킨다. 하지만 제안하는 방법은 제어기의 대역폭이 존재하지 않고, 미래 지령 전류를 예측하여 사용하기 때문에 PFC-PI 제어기 성능보다 뛰어난 특성을 나타낸다. 또한, 제안하는 방법은 시스템 모델링이 정확해야 안정적인 제어 특성을 확인할 수 있는데, 필터 인덕턴스와 같은 파라미터가 정확하지 않은 경우 시스템 모델링이 잘못될 수 있다. 하지만 제안하는 방법은 주기적으로 파라미터 추정 알고리즘을 사용하여 시스템 모델링이 정확하게 이뤄진다. 소형화와 고효율을 위해 제안된 방법들은 시뮬레이션을 통해 성능을 확인 하고, 프로토타입 전류형 마이크로인버터 실험 세트와 300 [W]급 전압형 마이크로인버터 실험 세트에서 최종적으로 적용함으로써 실현 가능성을 검증한다.