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독립형 태양광 발전 시스템을 위한 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터에 관한 연구

저자 : 김준구

형태사항 : 115 ; 26cm

일반주기 : 지도교수 :원충연

학위논문사항 : 학위논문(석사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 태양광시스템공학협동과정 2009. 8

발행국 : 서울

언어 : 한국어

출판년 : 2009

주제어 : 양방향 DC-DC 컨버터, 소프트 스위칭, 독립형 태양광 발전 시스템, 태양전지 모델링, 최대전력점 추종기법 (MPT)

소장기관 :

  • 성균관대학교 중앙학술정보관

  • 초록
    • 풍력, 연료전지 등과 함께 친환경 에너지로써 태양광 에너지가 주목받고 있다. 최근 들어 태양광 발전 시스템의 보급이 활발해지면서 PCS기술이 중요하게 부각되고 있다. 태양전지는 다른 에너지원에 비해 비교적 낮은 효율을 가지고 있기 때문에 태양전지로부터 나오는 전력을 고효율로 전달하는 것이 매우 중요하다. 따라서 태양광 발전 시스템에 사용되는 PCS를 구성하고 있는 컨버터 및 인버터의 효율을 개선할 필요가 있다. 특히 독립형 태양광 발전 시스템을 구성 할 경우 에너지 저장장치인 배터리와 인버터 입력단인 DC-Bus단 사이의 전력 이동은 매우 중요하다. 또한 양방향 컨버터를 통한 배터리에서의 충전과 방전은 수명과도 매우 밀접하다. 그렇기 때문에 독립형 태양광 발전 시스템에서는 양방향 DC-DC 컨버터의 역할이 중요하고, 효율 또한 시스템에 큰 영향을 미친다.
      태양전지의 직류 출력을 교류로 변환하여 사용하는 태양광 발전 시스템은 구성 방식에 따라 독립형과 계통 연계형으로 구분된다. 용도별로는 주택용, 낙도전원용, 대규모 전력 공급용 및 기타 특수용으로 분류 할 수 있다. 계통으로부터 전력을 공급 받을 수 없는 도서 및 산간벽지나 계통과 연계시키기 위한 설비비용이 많이 드는 곳에서 사용되는 것이 독립형 태양광 발전 시스템이며, 상용 전력 계통과 연계하여 사용하는 것이 계통 연계형 시스템이다.
      독립형 태양광 발전 시스템은 낙도나 산간벽지, 무인등대, 무인중계소 또는 인공위성과 같이 계통으로부터 전력을 공급받지 못하는 곳에 AC 부하에 전력을 공급하는 시스템이다. 일반적인 독립형 태양광 발전 시스템은 MPPT를 수행하는 DC-DC 컨버터와 부하에 AC 220[V]/60[Hz]를 공급하는 인버터, DC-Bus단 정전압 제어 및 에너지 저장장치의 충전과 방전을 담당하는 양방향 컨버터로 구성되어 있다. 일반적인 시스템에서 3가지의 전력변환장치가 필요한데, 이 중에서 1가지를 사용하지 않고도 같은 역할을 할 수 있다면 시스템 효율이 상승할 것이다.
      본 논문에서는 고효율의 독립형 태양광 발전 시스템을 설계하기 위하여 2가지를 제안하였다.
      첫째로, 일반적으로 많이 사용하는 Half-bridge Type 양방향 DC-DC 컨버터에 공진 커패시터와 공진 인덕터, 전해 커패시터를 추가하여 소프트 스위칭 방식을 사용하였다. 스위치 Turn-ON/OFF 시 ZVS 상태로 ON/OFF 하여 양방향 컨버터의 효율을 높이는 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터 토폴로지를 제안한다.
      둘째로, 일반적인 독립형 태양광 발전 시스템에서 MPPT를 담당하던 DC-DC 컨버터를 사용하지 않고 기존의 시스템과 같은 역할을 하도록 하였다. 위에서 제안한 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터를 사용하여 MPPT 및 에너지 저장장치로의 충전 및 방전을 할 수 있는 시스템을 제안한다.
      위에서 제안한 2가지 사항을 검증하기 위하여 모드 분석을 통한 토폴로지 검증과 제안하는 독립형 태양광 발전 시스템의 Power flow를 통하여 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다. 이 결과를 통하여 시스템의 타당성과 각 상황의 운용에 대해 확인한다.
  • 초록2
    • Photovoltaic(PV) energy have came into the spotlight as a green energy in company with wind power and fuel cell. The power-conditioning-system(PCS) technology was embossed recently due to increasing supply of the PV generation system(PV System). It is very important to transfer the energy from PV module to load with high efficiency because the PV module has low efficiency compared with other energy sources. So, we need to improve the efficiency of PV PCS which consists of converter and inverter. Especially, in the case of stand-alone PV system, the power transportation between battery as a storage device and DC-Bus which is the input of inverter is very important. Also, charging or discharging characteristics of the battery is closely connected with lifetime of the battery. because of that, in the stand-alone PV generation system, the performance of the bi-directional DC-DC converter is very important and efficiency of that is influential with the whole system efficiency.
      The PV system is classified as grid connected type and stand-alone type according to method of composition. The Stand-alone type is useful for islands which can't be supplied the power from grid. And the grid connected type is used for the load connected with grid.
      The stand-alone PV system transfers the energy to places that can not be supplied the power from grid like remote islands, lighthouses without a person, and artificial satellites. Generally, stand-alone PV generation system consists of DC-DC converter that performs maximum-power-point-tracking(MPPT), inverter which supplies the AC 220[V]/60[Hz] and bi-directional DC-DC converter that performs DC-Bus constant voltage control and charging or discharging of energy storage device.
      In the typical PV system, there are 3 stages to convert the power, but if the number of stage can be reduced, the whole system efficiency will be increased.
      In the proposed system, the DC-DC converter for MPPT is removed, and the bi-directional DC-DC converter is replaced with a resonant soft switching bi-directional converter. proposed bi-directional converter topology is based on the typical half-bridges type bi-directional converter. Only a resonant inductor and two resonant capacitors are added to the typical half-bridge type bi-directional converter topology for soft switching. The MPPT is achieved by bi-directional converter.
  • 목차
    • 제1장 서 론 1
    • 1.1 연구배경 및 필요성 1
    • 1.2 태양광 발전 시스템 5
    • 1.2.1 계통 연계형 태양광 발전 시스템 5
    • 1.2.2 독립형 태양광 발전 시스템 6
    • 1.2.3 태양광 발전 시스템의 문제점 8
    • 1.3 논문의 목표 및 구성 9
    • 제2장 제안하는 독립형 태양광 발전 시스템 11
    • 2.1 기존의 독립형 태양광 발전 시스템 11
    • 2.1.1 DC-DC 컨버터 12
    • 2.1.2 DC-AC 인버터 12
    • 2.1.3 양방향 DC-DC 컨버터 13
    • 2.2 제안하는 독립형 태양광 발전 시스템 14
    • 2.2.1 DC-AC 인버터 15
    • 2.2.2 양방향 DC-DC 컨버터 16
    • 제3장 제안한 양방향 DC-DC 컨버터의 원리 및 특징 17
    • 3.1 Half-bridge Type 양방향 DC-DC 컨버터 18
    • 3.1.1 Boost Mode - 방전 모드 18
    • 3.1.2 Buck Mode - 충전 모드 21
    • 3.1.3 특징 및 장점 23
    • 3.2. 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터 24
    • 3.2.1 동작 모드 분석 - Boost Mode 25
    • 3.2.2 동작 모드 분석 - Buck Mode 34
    • 제4장 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터의 제어 43
    • 4.1 시스템의 Power flow 43
    • 4.2 MPPT 제어기법 48
    • 4.2.1 P&O MPPT 동작원리 50
    • 4.2.2 IncCond MPPT 동작원리 52
    • 4.3 양방향 DC-DC 컨버터 Algorithm 57
    • 4.3.1 Boost Mode 60
    • 4.3.2 Buck Mode 61
    • 제5장 시뮬레이션 결과 63
    • 5.1 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터 63
    • 5.2 MPPT 시뮬레이션 68
    • 5.3 제안하는 독립형 태양광 발전 시스템 70
    • 제6장 실험 결과 77
    • 6.1 하드웨어 구성 78
    • 6.2 제안하는 양방향 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터 실험 82
    • 6.3 전체 시스템 구성 실험 86
    • 제7장 결 론 91
    • 참고문헌 92
    • ABSTRACT 99