2.1 Photovoltaic Module Characteristic

태양광 패널은 일사량에 따라 그림 2와 같은 P-V, I-V 특성 곡선을 나타낸다. 단일 태양광 모듈은 약 250W의 발전량을 가지며 직, 병렬(N×n)로 주로 구성하여 시스템을 구성한다. 단일 모듈 개방 전압(V_{oc_mod})와 모듈 단락 전류(I_{sc_mod})에 따라 어레이로 구성된 태양광 모듈의 전압(V_{oc_arr})은 직렬로 연결된 태양광 패널 개수(N)에 따라 결정되고 전류(I_{oc_arr})는 병렬로 연결된 패널 개수(n)에 따라 결정되며 수식으로 나타내면 수식(1), (2)와 같다.

그림. 2. RL 부하가 연계된 단상 태양광 발전 시스템

Fig. 2. 3×2 PV Array P-V, I-V Characteristic Curve

그림. 3. P&O MPPT 알고리즘

Fig. 3. P&O MPPT Algorithm

2.2 P&O(Perturbation & Observation) MPPT

태양광 발전 시스템은 발전 효율을 증대하기 위해 위와 같은 태양광 패널의 특성을 이용하여 최대 전력 점 추종 기법(Maximum Power Point Tracking)을 사용한다⁽⁵⁾,⁽⁶⁾.

MPPT 기법에는 다양한 종류의 알고리즘을 통한 여러 기법들이 존재하지만 본 논문에서는 P&O 알고리즘을 이용한 MPPT기법을 사용하였으며 그림 3으로 알고리즘을 나타내었다. 그림 3에서 사용된 약어는 아래에 표기하였다.

그림. 4. 무효 전류 보상 여부에 따른 전류 흐름 (a) 무효 전류 보상이 없는 경우 (b) 무효 전류 보상이 있는 경우

Fig. 4. Current Flow based on Reactive Current Compensation(a) Without Reactive Current Compensation(b) With Reactive Current Compensation

N : 직렬 연결된 패널 개수

V_{oc_mod} : 단일 PV 패널 개방 전압

V_PV, I_PV : PV 전압, 전류

P_PV, P_{PV_old} : 현재 및 이전 PV 전력량

V_PV, V_{PV_old} : 현재 및 이전 PV 전압

△V : PV 전압 지령치 변동량

3.1 Conventional reactive current compensation method

그림 6은 기존의 무효 전류 보상기법이 들어간 단상 태양광 발전 시스템의 제어 과정을 나타낸 것이다. 인버터의 출력 전류를 검출 받아 D-Q 변환 후 제어기를 동작시킨다. 인버터 제어기의 동작과 동시에 RL 부하의 동작 여부에 따라 인버터 제어기의 무효 전류 지령치를 변환하여 출력한다. RL 부하가 동작하는 경우 부하 측 전류 센서에 의해 I_Load가 검출되고 D-Q 변환을 통해 I_{Load_de}를 계산한다. 이때 계산된 I_{Load_de}는 인버터 제어기의 무효 전류 지령치로 사용되어 PI 제어기를 통해 인버터에서 RL 부하에 따라 무효 전류를 보상한다. 인버터에서 보상 동작을 진행하기 때문에 계통 측에서는 RL 부하 동작을 위한 무효 전류를 출력하지 않는다. 따라서 계통 전압과 전류의 위상이 일치하게 된다.

RL 부하의 동작이 없는 경우 I_{Load_de}=0이므로 인버터에서는 무효 전류를 출력하지 않는다⁽⁴⁾.

그림. 7. 단상 PV 발전 시스템의 제안된 무효 전류 보상기법

Fig. 7. Proposed Reactive Current Compensation Method in Single-Phase PV system

그림. 8. 단상 태양광 발전 시스템 시뮬레이션 회로도

Fig. 8. Single-Phase PV System simulation circuit

3.2 Proposed reactive current compensation method

그림 7은 제안된 무효 전류 보상기법이 들어간 단상 태양광 발전 시스템의 제어 과정이다. 기존 무효 전류 보상기법을 사용하는 경우 인버터 제어기에서 인버터 출력 전류를 검출 받아 사용한다. 그러나 제안된 무효 전류 보상기법은 계통 측에서 전류를 검출 받아 사용하게 된다.

RL 부하가 연결되지 않는 경우, I_grid=I_inv이므로 인버터 제어기를 기존과 동일하게 동작시킬 수 있다. 따라서 계통 측 출력 전류를 검출 받아 D-Q 변환을 진행하여 인버터 전류를 제어한다. RL 부하가 동작하는 경우 검출 받는 I_grid는 RL 부하에 의한 무효 전류를 포함하게 된다. 인버터 제어기는 유효 전류와 무효 전류를 D-Q 변환으로 구분하여 PI 제어기를 동작시킨다. 변환을 통해 얻은 I_grid_de는 무효 전류 제어기를 통해 무효 전류 지령치(I_{grid_de_ref})를 0으로 제어한다. I_{grid_de_ref}=0으로 제어하는 경우 계통으로 출력되는 전류의 무효 전류를 항상 0이 되도록 인버터에서 전류를 출력한다. 인버터 출력 전류는 항상 I_grid에 무효 전류가 존재하지 않아야 하므로 RL 부하에서 필요한 무효 전류를 인버터에서 출력하게 된다. 전원 전류만 검출하는 제안된 기법을 사용하는 경우 기존의 인버터전류, 부하 전류를 검출하는 무효 전류 보상기법과 달리 RL 부하의 전류를 검출 받지 않아도 인버터에서 무효 전류 보상 동작이 가능하다.

그림. 9. 기존의 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과

Fig. 9. Simulation result of conventional reactive current compensation method

4.1 Simulation Composition

제안된 기법을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 이용한 회로는 그림 8과 같이 구성하였으며 표 1은 시뮬레이션 및 실험에 사용된 단상 태양광 발전 시스템의 파라미터이다.

4.2 Simulation results of Conventional method

그림 9는 기존의 무효 전류 보상기법을 적용한 단상 태양광 발전 시스템의 시뮬레이션 결과 파형이다. RL 부하가 연결되지 않는 상태에서 0.4초 이후 부하가 연결된다.

그림. 10. 제안된 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과

Fig. 10. Simulation result of proposed reactive current compensation method

이때 계통 전류를 유효 전류와 무효 전류로 변환하여 확인하면 인버터의 무효 전류 보상 동작을 통해 계통에서 무효 전류가 출력되지 않음을 볼 수 있다. 또한, RL 부하에서 인버터의 출력 전류를 소모하므로 계통으로 들어가는 유효 전류가 감소함을 확인하였다. 무효 전류 보상기법이 적용되어 계통 전압과 전류의 위상이 일치하는 것을 확인할 수 있다.

4.3 Simulation results of Proposed method

그림 10은 제안된 무효 전류 보상기법을 적용한 시뮬레이션 결과 파형이다. 그림 9의 시뮬레이션과 동일하게 0.4초 이후 RL 부하를 연결시킨다. 제안된 무효 전류 보상기법은 계통 전류를 검출 받아 사용하지만 RL 부하가 동작하지 않는 경우 I_grid=I_inv이므로 기존과 동일하게 동작하게 된다. 계통 유효 전류(I_grid_qe)는 계통 유효 전류 지령치(I_{grid_de_ref})를 추종하고 계통 무효 전류(I_grid_de)는 부하가 존재하지 않으므로 계통 무효 전류 지령치(I_{grid_de_ref}=0)를 추종한다.

RL 부하가 연결되면 부하 측으로 전류가 흐르게 되므로 계통 유효 전류가 감소하게 된다. 이때 계통 무효 전류의 지령치를 0으로 제어하면 RL 부하의 무효 전류량에 따라 인버터에서 무효 전류를 출력한다. 그림 10의 시뮬레이션 파형과 같이 RL 부하의 동작 이후에도 계통 무효 전류는 항상 0이 되도록 제어하며 그에 맞춰 인버터 출력 무효 전류(I_{inv_de})가 부하 무효 전류(I_{Load_de})만큼 출력되는 것을 확인하였다.

5.1 Experimental Circuit

시뮬레이션을 통한 제안된 기법의 동작을 확인하고 기존의 기법을 적용한 경우의 동작과 비교를 진행하였으며 이후 태양광 시뮬레이터로 단상 태양광 발전 시스템을 제작하고 실험을 진행하였다.

그림 11(a)는 제작한 단상 태양광 인버터 시스템이다. ①은 제어부, ②는 검출 부, ③ MPPT 동작 부, ④ 인버터 부, ⑤ 필터부로 구성되었다. 제작한 시스템의 파라미터는 시뮬레이션과 동일한 파라미터로 구성하였다. 그림 11(b)는 태양광 시뮬레이터로 AMETEK 사의 시뮬레이터 Elgar TerraSAS ETS 600을 사용하였으며 시뮬레이션과 동일하게 3×2 어레이를 구성하였다. 그림 11(c)는 제작한 RL 부하이다. 시뮬레이션 상의 RL 부하와 동일하게 22.8[Ω], 36.14[mH]로 구성하였다.

그림. 11. 단상 태양광 발전 시스템 실험 회로(a) 단상 태양광 발전 인버터 시스템 (b) 태양광 시뮬레이터 (c) RL 부하

Fig. 11. Single-Phase PV system experimental circuit(a) Single-Phase PV inverter system (b) PV simulator (c) RL Load

그림. 12. 기존의 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과 : 계통 전압 및 계통 전류, RL 부하 무효 전류

Fig. 12. Experimental result of conventional reactive current compensation method : grid voltage and current, d-axis load current

그림. 13. 기존의 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과 : 인버터 출력 유/무효 전류 및 지령치

Fig. 13. Experimental result of conventional reactive current compensation method : d-axis and q-axis inverter output current and reference

그림. 14. 제안된 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과 : 계통 전압 및 계통 전류, RL 부하 무효 전류

Fig. 14. Experimental result of proposed reactive current compensation method : grid voltage and current, d-axis load current

5.2 Experimental Result of Conventional method

그림 12는 기존의 무효 전류 보상기법을 적용한 경우의 실험 결과 파형이다. 계통 전압(V_grid)과 계통 전류(I_grid), RL 부하의 무효 전류(I_{Load_de})를 측정한 것이다. 부하의 무효 전류량을 통해 RL 부하가 연결되었음을 확인할 수 있다. 동시에 계통 측으로 흐르는 전류가 부하로 흐르는 전류로 인해 감소함을 확인하였다. 이때 무효 전류 보상기법이 적용되어 인버터에서 무효 전류를 출력하므로 계통 전류와 계통 전압은 동상으로 출력되고 있음을 확인하였다.

그림 13은 그림 12와 동일한 조건에서 인버터 출력 유효 전류(I_{inv_qe})와 무효 전류(I_{inv_de})를 측정한 파형이다. 인버터 출력 유효 전류는 지령치(I_{inv_qe_ref})를 따라 일정하게 출력되며 RL 부하 구동 시에도 정상적으로 지령치를 추종한다.

인버터 출력 무효 전류는 RL 부하가 연결되지 않는 경우 지령치(I_{inv_de_ref})를 따라 0으로 출력된다. RL 부하가 연결되면 인버터 제어기에서 무효 전류 지령치를 검출 받은 RL 부하의 무효 전류로 사용하게 된다. (I_{inv_de_ref}=I_{Load_de}) 이후 PI 제어를 통해 인버터에서 지령치에 맞는 무효 전류를 출력한다. 보상기법이 없는 경우 계통에서 부하로 흘러야 하는 무효 전류를 인버터에서 출력하여 보상 동작을 진행한다.

그림. 15. 제안된 무효 전류 보상기법 시뮬레이션 결과 : 계통 유/무효 전류 및 지령치

Fig. 15. Experimental result of conventional reactive current compensation method : d-axis and q-axis grid current and reference

그림. 16. 무효 전류 보상기법에 따른 계통 전압 및 전류 (a) 기존의 보상기법 (b) 제안된 보상기법

Fig. 16. Grid voltage and current of each reactive current compensation method (a) Conventional method (b) Proposed method

5.3 Experimental Result of Proposed method

그림 14는 제안된 무효 전류 보상기법을 적용하여 실험 결과를 측정한 것이다. 그림 12와 마찬가지로 계통 전압과 전류, RL 부하 무효 전류를 측정하였다. RL 부하가 연결됨을 무효 전류를 통해 확인할 수 있으며 부하 동작 시 계통으로 흐르는 전류가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 제안된 기법이 정상적으로 동작하여 인버터에서 부하로 흐르는 무효 전류를 공급하므로 계통 전압과 전류가 동상으로 출력되는 것을 확인하였다.

기존의 무효 전류 보상기법을 적용한 실험과 동일한 조건에서 제안된 기법은 계통 전류만을 검출 받으므로 그림 15에서 계통 유효 전류(I_{grid_qe})와 무효 전류(I_{grid_de})를 측정하였다.

RL 부하 구동 이전에 계통 유효 전류는 계통 유효 전류 지령치(I_{grid_qe_ref})를 정상적으로 추종한다. RL 부하가 연결되면서 지령치가 감소하게 되고 이에 따라 계통 유효 전류가 정상적으로 감소하는 것을 확인하였다.

마찬가지로 계통 무효 전류도 전류 지령치(I_{grid_de_ref})를 추종하도록 제어된다. 이때 기존의 기법과 다르게 제안된 기법은 계통 전류가 제어의 기준이 되며 인버터의 보상 동작을 위해 검출되는 계통 무효 전류는 항상 0으로 제어되어야 한다. 무효 전류 지령치를 0으로 제어하여 계통 무효 전류가 RL 부하 구동 이후에도 0으로 유지되는 것을 확인하였고 그림 14를 통해 기존의 무효 전류 보상기법과 동일하게 무효 전류가 보상됨을 알 수 있다.

5.4 Comparison of Experimental results

그림 16은 각 무효 전류 보상기법에 따른 출력 계통 전압과 전류를 측정한 파형이다. 그림 16(a)는 기존의 무효 전류 보상기법을 사용한 것으로 인버터 출력 전류와 RL 부하 전류를 검출 받아 사용하였다. 그림 16(b)는 제안된 무효 전류 보상기법을 사용한 것으로 기존과 다르게 계통 전류만을 검출 받고 RL 부하 전류를 검출 받지 않고 실험을 하였다.

인버터에서 무효 전류 보상 동작이 정상적으로 진행되어 측정한 계통 전압과 전류가 그림 16(a), (b) 모두 동상으로 제어되는 것을 확인하였다.