독립형 태양광 발전 시스템을 위한 LC 직렬 공진형 양방향 DC/DC 컨버터 = (A) bidirectional DC/DC converter using a LC series resonant for a stand-alone photovoltaic system
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2011
학위논문사항
학위논문(석사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 태양광시스템공학협동과정 2011. 2
발행연도
2011
작성언어
한국어
주제어
DDC
621.31 판사항(22)
발행국(도시)
서울
형태사항
vii, 61 p. : 삽도, 챠트 ; 30 cm.
일반주기명
지도교수: 원충연.
참고문헌 : p. 51-59.
DOI식별코드
소장기관
A photovoltaic energy have became into the spotlight as a renewable energy due to an energy crisis which occurs with uses of fossil energy resources. With increasing supply of the PV generation system, an technologies of PCS(Power Conditioning System) have been important. The photovoltaic generation system has low efficiency compared to other energy sources. So it is necessary to improve the efficiency of PCS for high efficiency energy transfer. A high efficiency inverter and converter are essential for the PCS.
A stand-alone photovoltaic generation system which is used in the place where grid power is not supplied have the bidirectional DC/DC converter. The converter performs charging/discharging photovoltaic energy to batteries.
Conventional bidirectional DC-DC converters have losses due to hard-switching. In this case, a high frequency switching is hard to adapt to this system and miniaturization and reducing weight of PCS is difficult. To overcome this problems, researches on soft-switching technique have been developed. However, conventional soft switching bidirectional DC-DC converter has disadvantage of complex composition of resonant circuit and auxiliary switch cost.
In this paper, a bidirectional DC/DC converter using LC series resonant for a stand-alone photovoltaic system is proposed. proposed converter is based on a conventional bidirectional DC/DC converter with a soft switching cell that consists of a resonant inductor, a resonant capacitor and a snubber capacitor. By using a resonance circuit, the proposed topology can reduce the switching loss because the switch is turned on and off with zero voltage switching (ZVS).
The proposed converter is controlled through PFM(Pulse Frequency Modulation) to change a voltage gain. The PFM control is performed with constant off time and variable on time.
The proposed converter is verified through simulation and experimental results.
환경 오염과 화석 고갈 등 기존의 화석 연료 에너지를 사용함에 따라 생기는 문제가 크게 대두됨에 따라 신재생에너지인 태양광 에너지가 주목 받고 있다. 태양광 발전 시스템의 보급이 늘어나면서 태양광 에너지의 변환 및 저장을 담당하는 PCS기술의 중요성이 부각되고 있다. 태양광 에너지는 다른 에너지원에 비해 낮은 효율을 가지고 있기 때문에 높은 효율의 PCS를 이용하여 태양광 에너지를 고효율로 변환하는 것이 중요하다. 태양광 발전용 PCS의 효율을 높이기 위해서는 PCS를 구성하는 인버터 및 컨버터의 효율을 개선할 필요가 있다.
태양광 발전 시스템 중 산간 및 벽지 등 계통으로부터의 전력 공급이 어려운 지역에서 사용되는 태양광 발전 시스템들은 불규칙한 태양광 발전 전력을 배터리에 저장했다가 이용하는 형태를 가지고 있다. 이러한 독립형 태양광 발전 시스템용 PCS는 DC-link단 전력을 배터리로 충방전하는 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하고 있다.
기존의 양방향 DC/DC 컨버터의 경우 하드 스위칭으로 인하여 손실이 발생하며, 이로 인해 스위칭 주파수를 증가시키기가 어려워 이를 이용한 독립형 태양광 발전 시스템용 PCS의 소형, 경량화가 어렵다. 이를 극복하고 스위칭 손실을 감소시키기 위하여 여러 가지 소자를 추가하여 소프트 스위칭을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터들이 개발되고 있다. 그러나 종래의 소프트 스위칭을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터들은 공진 조건을 형성하기 위한 회로 구성이 복잡하며, 보조 스위치 등의 사용으로 추가적인 손실 및 가격의 상승을 가져온다.
따라서 본 논문에서는 독립형 태양광 발전 시스템을 위한 LC직렬 공진형 양방향 DC/DC 컨버터를 제안하였다. 제안한 토폴로지는 기존의 양방향 DC/DC 컨버터에 1개의 인덕터와 2개의 커패시터로 구성된 공진 회로를 추가한 형태로, 스위치의 온, 오프 동작시에 스위치 양단 전압이 공진에 의해 영전압 상태가 된다. 따라서 소프트 스위칭을 통해 기존의 컨버터에 비해 낮은 스위칭 손실을 가지며 회로가 간단하여 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
제안한 컨버터는 스위치 오프 구간에서 공진에 의해 스위치의 전압이 게이트 시그널에 관계없이 영전압 상태가 된다. 따라서 스위치의 오프 타임은 공진에 의해 결정되는 시간으로 고정하고 스위치의 도통주기를 가변하는 제어방법이 필요하다.
본 논문에서는 제안하는 컨버터의 동작 및 특성을 분석하고 본 토폴로지에 적합한 제어방법을 구현하여 정전압 출력으로 제어하였다.
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