고승압용 인터리브드 부스트 방식의 태양광 모듈 집약형 컨버터

Abstract

태양광 모듈은 비선형 출력 특성을 가지며, 일사량과 온도 등의 외부 환경에 의하여 출력이 항상 가변하기 때문에, 태양광 에너지의 효과적인 이용을 위해서는 이에 적합한 전력변환시스템이 요구된다. 지금까지는 다수의 태양광 모듈을 직병렬로 연결하여 대용량 인버터를 통해 계통에 연계하는 방식이 일반적이었지만, 중앙집중형 MPPT 제어로 인한 전력손실이 발생하고 시스템 확장 및 유지, 보수에 어려움을 갖고 있다. 따라서 최근에는 소용량의 모듈 집약형 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 태양광 모듈 마다 독립적인 MPPT 제어가 가능하여 에너지 이용률을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 하지만 태양광 모듈의 출력이 저전압 (20~50 V) 이므로 이를 계통에 연계하기 위하여 고승압 전력변환이 요구되며, 이를 위한 복잡한 회로 구성은 시스템의 효율을 감소시키고 가격을 상승시키는 요인이 된다. 본 논문은 태양광 모듈 집약형 컨버터에 적합한 전력변환 토폴로지를 제안하고, 시스템 모델링을 통한 효과적인 제어를 구현할 뿐만 아니라, 새로운 적응형 MPPT 제어를 제안한다. 제안된 모듈 집약형 컨버터는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터의 2 단계로 구성되며, DC-DC 컨버터는 인터리브드 부스트 컨버터 방식을 적용하여 태양광 모듈의 저전압을 계통연계에 필요한 고전압 (380 V) 로 증폭하고, DC-AC 인버터는 풀브리지 인버터 방식을 적용하여 증폭된 전압을 교류 상용전원 (220 V) 에 연계한다. 적용된 인터리브드 부스트 컨버터는 고주파 변압기와 배전압 정류회로를 사용하여 효과적인 고승압이 가능하며, 추가적으로 능동 클램핑 회로를 적용하여 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 주 스위치 턴-오프 시 발생하는 전압 스트레스를 저감하고, 턴-온 시 영전압 스위칭을 이루어 스위칭 손실 및 정류 다이오드의 역회복 손실을 저감한다. 또한 단상 풀브리지 인버터에는 LCL 필터를 적용하여 고조파 성분을 효과적으로 저감할 뿐만 아니라 필터 크기 및 부피를 저감시키고, 추가적인 댐핑 저항 없이 능동 댐핑 기법을 적용하여 손실을 저감시킨다. 더욱이 각각의 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터의 모델링을 통해 입력전압/전류, DC 링크 전압, 계통전류를 효과적으로 제어하여 시스템의 성능이 개선되고 신뢰성이 확보된다. 제안된 MPPT 방법은 가변 조정계수를 이용하며, 태양광 모듈의 출력이 가변되는 상황에서 일정한 MPPT 성능을 확보할 수 있다. 또한 오차 변수에 나누기 연산이 포함되지 않기 때문에 디지털 제어기 구현 시 연산시간을 감소시킬 수 있고, 특히 태양광 모듈의 기준전압 변동이 작아지는 MPP 에서 안정적인 출력을 얻을 수 있다. 제안된 태양광 모듈 집약형 컨버터의 동작 및 MPPT 제어 방법에 대한 타당성을 검증하기 위해 300W 급 모듈 집약형 컨버터에 대한 실험을 수행하여 증명한다.