2.1 독립형 전원장치의 전력 변환 과정

DC 전력이 AC 전력으로 변환되기 위해서는 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터를 이용해야 한다.

그림 2는 DC 전력이 AC 전력으로 변환되기 위한 간략화된 전력변환장치들의 블록도를 보여준다. 태양광 패널에서 발전되는 전력은 변화하는 외부적인 요소에도 지속적으로 최대전력점을 유지해야 하므로 DC/DC 컨버터를 이용해 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking : MPPT) 제어를 우선적으로 수행한다. 최대생산점에서 생산된 전력은 DC/DC 컨버터 2차측에 구성된 DC link 캐패시터에 충전되며 DC/AC 인버터는 DC link 캐패시터의 전압을 이용해 상용 AC에 필요한 전압 크기 만큼으로 변환시켜 전력 계통이나 독립전원에 전력을 공급시킨다.

그림 3은 승압된 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 블록도를 보여준다. DC 입력 전원을 AC 출력 전원으로 변환하기 위해서는 크게 3가지로 나누어진 회로가 필요하다. 풀브릿 스위칭 회로는 IGBT와 같은 스위칭 소자로 이루어진 주회로를 나타내며 단방향 전원 성질인 DC 입력 전원을 양극성 전원 성질으로 변환시키는 주요 회로이다.

신호부는 스위칭 소자에 AC 입력 전원을 만들기 위한 신호를 생성하고 공급하는 곳으로써 PWM 방식의 신호 파형을 발생시킨다. 아날로그 형식의 신호부는 주로 Op-Amp를 이용하여 PWM 신호를 발생시키며 디지털 형식은 MCU를 사용하여 PWM 신호를 발생시킨다.

LC 필터는 풀브릿지 인버터가 생성한 양극성 전원 성질을 상용 AC 전원 형태로 필터링한다. LC 필터는 L(인덕터)소자와 C(캐패시터)소자를 이용해 회로가 구성된다.

승압된 DC 전압은 컨버터와 인버터 사이에 위치해 있는 DC link 캐패시터에 충전되며 이 전압은 스위칭 소자 4개를 이용해 양방향성을 갖은 파형으로 변화된다. 풀브릿지로 만들어진 파형은 스위칭에 의해 구형파의 모습을 지니고 있으며 인덕터와 캐패시터로 구성된 필터를 거치면 AC 전압으로 변환된다.

2.2 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 회로 설계

본 논문에서는 태양광 발전으로 생선된 전력이 배터리에 충전되었다는 것을 가정하여 12[V]의 배터리 전압이 110[V]의 독립형 AC 전압으로 변환될 수 있는 250[W]급 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치를 설계하였다.

그림 4는 푸쉬풀 컨버터 기반 단상 인버터의 회로도를 보여준다. 입력된 12[V]의 DC 전압은 교차로 스위칭 되는 2개의 MOSFET를 통해 양방향성으로 변압기 2차측에 유기되며 변압기의 권선비와 Q1,Q2의 스위칭 듀티비만큼의 전압 크기로 승압된다.

승압된 양방향성 전압은 다이오드 회로와 DC link 캐패시터에 의해 단방향성 DC 전압으로 변환되며 DC link의 지속적인 충·방전을 통해 인버터 1차측의 전압을 제어하게 된다.

이 때 인버터 설계의 중요한 요소 중 하나는 변압기 2차측 인덕터(L1)의 용량 선정이라고 할 수 있다. L1에 따라 변압기 1차측에 흐르는 전류량이 달라져 Q1, Q2가 발생시키는 스위칭 도통 손실과 스위칭 손실이 달라지기 때문이다.

이에 따라 본 논문에서는 L1의 유무에 따라 입력단과 출력단에 대한 전압, 전류 및 전력을 분석하여 전력변환 효율에 어느정도의 영향을 미치는지에 대한 검토를 목적으로 한다.

2.3 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 소자 선정

푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 소자 용량을 선정하기 위해 다음과 같은 수식을 적용하였다.

인버터 출력 전압($V_{out}$)은 RMS값을 의미하며 $V_{out}$을 110[V]의 크기로 설계함에 따라 식(1)을 통해 DC link 전압($V_{link}$)은 손실적인 여유를 고려하여 약 180[V]가 되도록 설계하였다.

입력전압($V_{i n}$)이 12[V]이고 듀티비($D$)는 0.5로 설정하였음에 따라 식(2)를 이용해 변압기의 권선비($N_{2}/N_{1}$)는 16으로 설정하였다.

인덕터에 흐르는 전류($I_{o mi n}$)는 1[A]로 설정하였으며 스위칭 주파수($1/T_{s}$)는 27.5[kHz]로 설정하였다.

본 논문에서는 인덕터 유무에 따른 전력변환장치의 전압, 전류 및 출력을 비교·검토함을 목적으로 함에 따라 데드타임을 고려해 $D_{mi n}$을 0.47로 설정하였다.

식(3)에 의해 $L_{1}$은 0.1[mH]로 계산되지만 인덕터의 흐르는 전류의 연속성을 확실하게 보기 위하여 $L_{1}$을 약 1.1[mH]로 설계하였다.

그림 4에 설계된 소자들의 자세한 파라미터들과 제작된 하드웨어의 모습은 다음의 표1과 그림 5와 같다.

3.1 실험을 위한 동일 조건 설정

태양광-ESS 발전 시스템에 적용하기 위한 독립형 전원장치의 인덕터 유무에 따른 특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 동일한 조건으로 실험을 진행하였다.

입력 전압은 12[V]가 공급되도록 하였으며 인덕터 유무에 따라 공급되는 전력이 동일하도록 입력 전력을 170[W]로 설정하였다. Q1,Q2의 스위칭 주파수는 27.5[kHz]로 동일하게 설정하였으며 Q3,Q4,Q5,Q6의 스위칭 주파수는 19[kHz]가 되도록 동일하게 설정하였다. 이 때 측정된 전압과 전류 및 전력의 파형은 다음과 같다.

3.2 인덕터 유무에 따른 독립형 전원장치의 효율 특성 비교·검토

그림 6은 푸쉬풀 컨버터의 Q1 스위치의 DS 양단전압과 단상 인버터의 Q3 스위치의 CE 양단전압을 나타낸다. 각각의 주파수를 측정하였을 경우 Q1의 주파수는 약 27.5[kHz]로 나타났으며 Q3의 주파수는 약 19[kHz]로 나타났다. 즉, 제작된 하드웨어가 설정한 주파수로 제대로 동작하고 있음을 알 수 있다.

그림 7은 인덕터가 존재할 때의 스위치 전압 및 L1 line 전류 파형을 보여준다. Q1과 Q2는 27.5[kHz]에서 정상적으로 동작하고 있으며 인덕터가 존재함에 따라 L1의 평균 전류는 1.07[A]로 측정되었으며 연속전도모드(CCM)로 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.

그림 8은 푸쉬풀 컨버터의 변압기 2차측 인덕터가 존재할 때의 입, 출력 파형을 보여준다. 입력단의 전압은 11.89[V]로 나타났으며 입력 전류는 14.35[A]로 나타났다. AC의 출력 전압의 경우 110.2[V]가 측정되었으며 출력 전류는 1.3[A]가 측정되었다. 전력면에서 살펴보았을 때 입력 전력은 170[W] 였으며 출력 전력은 144[W]였음에 따라 84.7[%]의 효율을 보였다.

그림 9는 인덕터가 존재하지 않을 때의 위치 전압 및 L1 line 전류 파형을 보여준다. Q1과 Q2는 27.5[kHz]에서 정상적으로 동작하고 있으며 인덕터가 존재하지 않아 지속적으로 흐르는 전류의 형태가 아닌 모습을 볼 수 있다. 이에 따라 L1의 평균 전류는 1.1[A]로 측정되었다.

그림 10은 푸쉬풀 컨버터의 변압기 2차측 인덕터가 존재하지 않을 때의 입, 출력 파형을 보여준다. 입력단의 전압은 11.91[V]로 나타났으며 입력 전류는 14.32[A]로 나타났다. AC의 출력 전압의 경우 114.3[V]가 측정되었으며 출력 전류는 1.274[A]가 측정되었다. 전력면에서 살펴보았을 때 입력 전력은 170.1[W] 였으며 출력 전력은 147[W]였음에 따라 86.42[%]의 효율을 보였다.

그림 8과 그림 10을 살펴보면 인덕터가 존재하지 않을 때가 인덕터가 존재할 때보다 전력 효율이 약 1.72[%] 높은 결과를 보였다. 입력의 전압, 전류의 크기는 거의 동일했지만 출력단의 전압이 약 4[V] 감소하였고 전류가 약 0.03[A] 증가하였다.

그림 11은 인덕터 유무에 따른 DC link의 전압을 도시한 그래프이다. 동일한 입력 전력을 기준으로 DC link를 측정한 경우 인덕터가 없을 때의 DC link 전압이 인덕터가 존재할 때 보다 최대 12.1[V] 높게 나타났다.

그림 12는 인덕터 유무에 따른 전력 효율을 비교한 그래프이다. 인덕터가 없을 경우 최대 전력 효율은 86.42[%] 였으며 인덕터가 있을 경우 최대 전력 효율은 84.7[%]로 나타났다. 두가지의 경우 중에서 인덕터가 없을 때의 경우가 항상 전력 효율이 높았으며 최대 2.2[%]의 높은 효율을 보였다.