빠른 글로벌 최대 전력 지점 추적을 위해 최적화된 전압 검색 알고리즘을 갖춘 고효율 다중 입력 DC-DC 컨버터

Abstract

With the increasing installation of renewable energy sources, such as photovoltaic (PV) arrays, the dependency on fossil-based energy resources is reduced in the DC microgrid. Owing to the characteristics of the PV arrays, the generated power is required to harvest maximally. Then, the generated power can be delivered to the load and batteries in PV systems. This dissertation presents a high efficient multiple-input DC-DC converter with optimized voltage search algorithm (OVS) for fast global maximum power point tracking. Based on the characteristics of PV arrays, the OVS is used to search for the global maximum power point (GMPP) under partial shading conditions (PSCs). The proposed algorithm aims to optimize the search areas of the power–voltage curve and can be implemented by determining different search areas during the GMPP tracking. After determining these search areas, the proposed algorithm optimally searches these areas with multiple forward and optional backward processes as required. These multiple forward processes can skip more unnecessary voltage intervals than other maximum power point tracking (MPPT) methods, thereby reducing voltage search intervals and GMPP tracking time. Thus, this method exhibited a shorter tracking time, fewer computational iterations, shorter voltage scanning intervals, and longer voltage skipping intervals than those of the other algorithms under partial shading conditions. After proposing a GMPPT method, this study presents a new multiple-input (MI) soft-switching Ćuk converter to interface between PV arrays and load and batteries. The proposed converter can buck and boost the different voltages of renewable energy sources to produce a constant DC output voltage in PV systems. In the proposed converter, edge-resonant soft-switching modules are used to perform better than the conventional multiple-input Ćuk converter. All switches in the edge-resonant soft-switching modules can realize zero-current switching turn-on and zero-voltage switching turn-off. By using these modules, the proposed converter can achieve lower current stress of the switches, wider soft-switching range, and higher power efficiency than the conventional multiple-input Ćuk converter. These advantages are achieved in the edge-resonant modules, which optimize soft-switching states and costs. In addition, the soft-switching states can be easily achieved because the edge-resonant soft-switching modules have a wide soft-switching range. Furthermore, the proposed converter can independently transfer the generated power from renewable energy sources. In addition, the simulation and experimental results are verified the proposed GMPPT algorithm and MI converter. | DC 마이크로그리드 내에 태양광 어레이와 같은 재생에너지원이 증가함에 따라 화석 기반 에너지 자원에 대한 의존도가 감소되고 있습니다. 태양광 어레이는 특성상 부하와 배터리에 전달하는 발전 전력을 최대화할 수 있는 기술이 필수적입니다. 이 논문은 빠른 전역 최대 전력 지점 추적을 위해 Optimized Voltage Search algorithm (OVS)이 적용된 고효율 다중 입력 DC-DC 컨버터를 제안합니다. 태양광 어레이의 특성에 따라 OVS는 부분 음영 조건에서 Global Maximum Power Point (GMPP)를 검색하는 데 사용됩니다. 제안된 알고리즘은 전력-전압 곡선의 검색 영역을 최적화하는 것을 목표로 GMPP 추적 중 검색 영역을 결정합니다. 검색 영역을 결정한 후 제안된 알고리즘은 필요에 따라 다중 정방향 프로세스와 선택적 역방향 프로세스를 통해 그 영역을 최적화합니다. 이러한 다중 정방향 프로세스는 다른 Maximum Power Point Tracking (MPPT) 방법보다 불필요한 전압 영역을 더 많이 건너뛸 수 있기 때문에 전압 검색 영역과 GMPP 추적 시간을 줄일 수 있습니다. 따라서 제안하는 알고리즘은 부분 음영 조건에서 다른 알고리즘보다 추적 시간이 짧고 계산 반복 횟수가 적으며 전압 검색 영역이 작고 전압 스킵 영역이 더 큽니다. 또한, 본 연구는 태양광 어레이와 부하 및 배터리 사이의 인터페이스를 위한 새로운 (multiple-input) MI 소프트 스위칭 Ćuk 컨버터를 제안합니다. 제안된 컨버터는 태양광 시스템에서 일정한 DC 출력 전압을 생성하기 위해 재생 에너지원들의 다양한 전압을 강압 및 승압할 수 있습니다. 제안된 컨버터에는 edge-resonant 소프트 스위칭 모듈을 적용하여 기존의 MI Ćuk 컨버터보다 우수한 성능을 가집니다. Edge-resonant 소프트 스위칭 모듈의 모든 스위치는 제로 전류 스위칭 턴온 및 제로 전압 스위칭 턴오프 동작이 가능합니다. 따라서, 제안하는 컨버터는 기존의 다중 입력 Ćuk 컨버터보다 스위치의 낮은 전류 스트레스, 더 넓은 소프트 스위칭 범위 및 더 높은 전력 효율을 달성할 수 있습니다. 이러한 이점은 소프트 스위칭 상태 및 비용을 최적화하는 edge-resonant 공진 모듈에서 달성됩니다. 또한, edge-resonant 소프트 스위칭 모듈은 소프트 스위칭 범위가 넓기 때문에 소프트 스위칭을 쉽게 달성할 수 있습니다. 게다가, 제안된 컨버터는 재생에너지원에서 생성된 전력을 독립적으로 전송할 수 있습니다. 제안된 GMPPT 알고리즘과 MI 컨버터는 시뮬레이션 및 실험 결과로 검증됩니다.