2.1. 기본적인 DPP 시스템의 구성

태양광 DC전력에서 전력변환 효율 증대를 위한 기본적인 차동전력조절 방식(power differential processing : DPP)은 태양광 패널마다 1:1 대응으로 DC/DC 컨버터가 부착된다. 이에 대한 간략한 회로도는 다음과 같다.

그림 1은 DPP 구조를 태양광 발전 시스템에 적용하였을 때의 간략화된 회로도를 나타낸다. 여기서 DPP 구조는 크게 두 가지의 회로로 나뉘어 설명할 수 있는데 주 전류(main current)가 흐르는 메인 회로와 보조 전류(sub current)가 흐르는 보조 회로로 나눈다. 여기서 메인 회로는 태양광 패널이 생성하는 전력을 DC/AC 인버터 1차측에 직접적으로 공급하는 회로를 의미한다. 태양광 패널은 이러한 메인 회로에 모두 직렬로 연결되어 있다.

이에 반해 보조 회로는 메인 회로에 병렬로 구성되어 있고 이에 사용되는 DC/DC 컨버터는 태양광 패널의 1:1 대응으로 연결되어 있으며 대응하는 태양광 패널의 MPPT와 차동전력조절을 동시에 진행한다. DC/DC 컨버터는 각 태양광 패널의 수와 동일하게 배치되며 DC/DC 컨버터의 2차측 또한 병렬 형태로 묶어 DC/AC 컨버터 2차측과 연결된다.

이러한 DPP 구조는 직렬로 연결된 태양광 패널 중 낮은 전력을 생산하는 패널의 스트레스를 최소화 시킬 수 있으며 한 패널의 환경적, 물리적 손상으로 인해 태양광 시스템 전체가 마비되는 상황을 예방할 수 있다. 또한 생산된 전력 중 DC/DC 컨버터를 거치는 전력을 최소화시켜 전체적인 태양광 DC발전 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다.

2.2. 태양광 패널 제어를 위한 기본적인 MPPT 기법

태양광 패널을 효율적으로 사용 즉 전력생산의 효율을 최대화 하기 위하여 기본적으로 최대전력점을 추종(maximum power point tracking : MPPT)할 수 있는 제어 기법이 필요하다. 태양광 패널은 온도, 일사량에 따라 전압과 전류 사이의 변화가 비선형적으로 나타나는데 이러한 특성은 태양광 패널의 $V-I$특성 곡선에 나타나며 기본적인 선형 제어로는 높은 효율의 전력을 생산할 수 없는 이유가 된다.

여기서,

$P_{mpp}$ $\enspace$ $[W]$ $\enspace$ 태양광 패널이 생산할 수 있는 최대 전력

$V_{mpp}$ $\enspace$ $[V]$ $\enspace$ 최대 전력점에서의 전압

$I_{mpp}$ $\enspace$ $[A]$ $\enspace$ 최대 전력점에서의 전류

$V_{ma x}$ $\enspace$ $[V]$ $\enspace$ 태양광 패널이 공급할 수 있는 최대 전압

$I_{ma x}$ $\enspace$ $[A]$ $\enspace$ 태양광 패널이 공급할 수 있는 최대 전류

그림 2는 태양광 패널의 일반적인 $V-I$ 특성 곡선을 나타낸다. 여기서 태양광 패널이 생성할 수 있는 $P_{mpp}$는 결코 $V_{ma x}$와 $I_{ma x}$에 선형적이지 않다는 것을 알 수 있다. $P_{mpp}$는 곧 $V_{mpp}$와 $I_{mpp}$와 연관되어 있다는 것을 알 수 있으며 이에 따라 $P_{mpp}$에 맞는 $V_{mpp}$,$I_{mpp}$를 기준으로 하여 제어를 실시하여야 한다.

3.1. MPPT에 사용되는 기본적인 P&O 알고리즘의 문제점

태양광 DC전력 생산구조에서 하드웨어적으로 높은 효율은 보이는 DPP 구조에 비해 소프트웨어적으로 사용되는 MPPT 제어에는 단점이 존재한다. 기존의 MPPT를 수행하기 위하여 일반적으로 P&O(perturb and observe) 기법이 사용되는데 이에 대한 그림은 다음과 같다.

그림 3은 MPPT를 위한 P&O 기법의 과정을 보여주는 그림이다. 이 기법은 전압 레퍼런스 값에 외란을 주고 이에 따라 변화하는 태양광 패널의 전력과 전압을 지속적으로 감시하고 비교하여 $P_{mpp}$를 찾아가는 기법을 의미한다. 이러한 P&O 기법은 지속적으로 $\Delta P$와 $\Delta V$를 비교해야 하는데 $V_{mpp}$에 도달하여도 전압 레퍼런스에 지속적인 변화를 주어야 한다.

이는 정상상태에서도 레퍼런스 변화량 만큼의 리플이 발생하는 것이다. 즉, 전압 레퍼런스의 변화량이 높은 MPPT는 정상상태에서도 지속적인 높은 리플을 발생시키며 이는 곧 제어의 시스템 면에서 안정성이 있다고 볼 수 없다. 이에 따라 리플을 줄이기 위하여 전압 레퍼런스 변화량을 낮게 준다면 $V_{mpp}$에 도달하는 시간이 길어지게 된다. 이에 대한 관련 식은 식 (1)에 나타내었다.

여기서,

$T_{total}$ $\enspace$ $[s]$ $\enspace$ $V_{mpp}$까지 도달하는데에 걸리는 시간

$\Delta T_{ref}$ $\enspace$ $[s]$ $\enspace$ 설정한 $\Delta V_{ref}$의 변화 시간

$\Delta V_{ref}$ $\enspace$ $[V]$ $\enspace$ 설정한 전압 레퍼런스 변화량

$V_{c}$ $\enspace$ $[V]$ $\enspace$ 현재 측정된 전압

식 (1)은 $V_{c}$에서 $V_{mpp}$까지의 예상 도달하는 시간을 알 수 있는 식이다. 위와 같이 정상상태의 리플을 줄이기 위하여 $\Delta V_{ref}$를 낮게 한다면 $T_{total}$과는 반비례 관계이므로 $T_{total}$이 길어질 수 밖에 없다. 즉 $V_{mpp}$에 도달하기까지의 $T_{total}$은 곧 태양광 패널의 전력 생산 효율과 밀접한 관계가 있으므로 빠르게 $V_{mpp}$를 추적하는 것이 좋다. 하지만 이에 따라 $\Delta T_{ref}$를 현저하게 낮춘다면 변화하는 빈도수가 급격히 많아짐에 따라 시스템의 안정성을 보장할 수 없기에 적절한 $\Delta T_{ref}$와 $\Delta V_{ref}$의 설정을 통하여 MPPT가 이루어져야 한다.

이에 따라 본 논문에서는 적절한 $\Delta T_{ref}$를 갖는 MPPT 제어 임에도 불구하고 현저히 빠르게 $V_{mpp}$를 추적하여 태양광 패널의 발전 효율을 극대화 시키는 방안을 제안하는 것이다.

3.2. 제안하는 근사 추적 기법

본 논문에서는 태양광 패널의 $V-I$ 특성 곡선에서 나타는 특징과 bypass 회로를 이용하여 근사 $I_{mpp}$를 계산적으로 예상할 수 있는 ‘근사 $I_{mpp}$ 측정 기법’을 제시한다. 이러한 기법을 MPPT 제어에 적용할 경우 낮은 $\Delta V_{ref}$와 적절한 $\Delta T_{ref}$임에도 불구하고 빠르게 $P_{mpp}$에 도달할 수 있다. 이는 곧 태양광 시스템에서의 높은 발전 효율을 가능하게 만들며 근사 $I_{mpp}$에 대한 관련은 식 (2)의 표현과 같다.

식 (2)는 근사 $I_{mpp}$를 계산할 수 있는 식을 나타낸 것으로 여기서 $k$는 고정된 상수를 의미하며 태양광 패널마다 보유하고 있는 데이터 시트나 몇 번의 테스트를 통하여 $k$값을 계산할 수 있다. 식 (2)에 따르면 근사 $I_{mpp}$와 $I_{ma x}$간에 오직 고정된 $k$와의 관계만이 존재하므로 측정한 $I_{mpp}$에서 $I_{ma x}$를 나눔으로써 $k$를 간편하게 측정할 수 있다. 이 때 $k$는 고정된 상수이므로 $I_{ma x}$에 $k$ 상수를 오직 곱함으로써 변화하는 일사량에도 근사 $I_{mpp}$를 지속적으로 측정할 수 있다.

그림 4는 제안하는 근사 $I_{mpp}$ 추적 기법을 이용한 MPPT 제어 알고리즘의 순서도를 보여준다. 제안하는 알고리즘은 크게 Stage 1과 Stage 2로 나뉘어진다. 여기서 Stage 1은 근사 $I_{mpp}$를 추적하는 단계를 의미한다. 그림 4와 동일하게 bypass 회로를 작동시켜 태양광 패널을 메인 회로에서 분리한 후 $I_{ma x}$를 측정함으로써 근사 $I_{mpp}$를 예상하고 추적한다.

이 단계에서 bypass 회로의 동작과 $I_{ma x}$의 측정은 오직 1회만 실행하며 $I_{pv}$가 근사 $I_{mpp}$에 도달할 때까지 제어를 실시한다. $I_{pv}$가 $I_{mpp}$와 동일하게 맞추어지면 Stage 2의 단계로 넘어간다. 이 단계는 기본적인 P&O 알고리즘이 적용되며 평상시에는 Stage 2의 단계가 지속적으로 이루어지게 된다.

3.3. 근사 추적을 위한 bypass 회로의 적용

하지만 $I_{ma x}$를 안정적이고 정밀하게 측정하기 위해서는 태양광 패널이 메인 회로와 확실한 절연 상태여야 하나 DPP 시스템에서 태양광 패널의 확실한 절연은 거의 불가능으로 볼 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 DPP 시스템에 제안하는 근사 $I_{mpp}$를 적용하기 위하여 ‘bypass 회로’를 적용한 DPP 시스템을 추가적으로 제안한다.

그림 5는 기본적인 DPP 시스템에서 bypass 회로가 적용된 회로도를 보여준다. 여기서 bypass 회로는 각각의 태양광 패널과 메인 회로 사이에 위치한다. 평소에 bypass 회로는 일반적인 DPP 시스템과 동일하게 전류가 흐를 수 있도록 A-B점이 연결되어 있다. 여기서 외부적인 요인에 의해 어떠한 태양광 패널의 전력 생산량이 급격히 떨어지게 되면 해당하는 bypass 회로가 작동하여 태양광 패널과 메인 회로와의 완전한 절연 후 $I_{ma x}$를 측정할 수 있게 한다.

그림 6은 첫 번째 태양광 패널에서 외부적인 요인에 의하여 bypass 회로가 작동하였을 때의 모습을 나타낸다. 그림 6와 같이 bypass 회로가 작동하게 되면 A-B점에 연결되어 있던 회로가 A-C점으로 변경된다. 이에 따라 첫 번째 태양광 패널은 메인 회로에서 완벽히 분리되어 안정적이고 정밀하게 $I_{ma x}$를 측정할 있는 환경이 만들어진다. 이후 $I_{ma x}$를 측정하여 $I_{mpp}$가 추적된다면 bypass 회로는 A-B점으로 다시 되돌아가며 첫 번째 태양광 패널의 전류가 $I_{mpp}$까지 도달할 수 있도록 1:1 대응으로 부착된 DC/DC 컨버터를 이용해 제어를 실시한다.

여기서 중요한 점은 그림 6과 같이 첫 번째 태양광 패널이 메인 회로에서 분리 되더라도 메인 회로에 흐르는 전류 흐름에는 영향을 미치지 않는다는 것이다. 두 번째 태양광 패널에서 생산된 전력은 첫 번째 태양광 패널의 DC/DC 컨버터를 통하여 메인 회로를 루프하게 되므로 서로간의 영향을 거의 주지 않는다. 이는 근사 $I_{mpp}$를 추적함에 있어 DPP 시스템의 안정도를 무너뜨리지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, DPP 시스템에서 $I_{mpp}$를 추적함에 있어 bypass 회로의 적용은 적절하며 실현 가능할 것이라고 판단된다.