에너지 저장장치를 적용한 부스트 양방향 컨버터 직렬형 태양광 발전 시스템 :Cascaded-type Power Conditioner of Boost and Bidirectional Converters with Energy storage for Photovoltaic System

이화석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이화석 (숭실대학교, 숭실대학교 일반대학원)

지도교수: 박종후

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

에너지 저장장치를 적용한 부스트 양방향 컨버터 직렬형 태양광 발전 시스템

이화석 전기공학과(일원) 2014.01 학위논문

2012

태양광 발전용 에너지 저장장치를 포함하는 고효율 전력조절기

이화석 , 김석희 , 박종후 전력전자학회 학술대회 논문집 2012.11 학술대회자료

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전 세계적인 에너지 요구 증가와 환경문제를 해결하기 위한 방법으로 신재생 에너지 발전이 주목 받고 있다. 2011년 통계청 자료에 따르면 전체 신재생 에너지 보급량 43,470[천toe] 중 풍력발전이 41,253[천toe], 태양광발전이 1,331[천toe]로 약 98%의 비중을 차지 할 정도로 풍력발전과 태양광발전이 각광을 받고 있다. 풍력발전의 경우, 넓은 부지가 필요하며 또한 소음이 크다는 문제가 있어 도심 부근에 설치하기에 많은 제약이 따른다. 반면, 태양광 발전은 이러한 문제에 제약이 없어 도심에서도 쉽게 설치 가능하다는 장점이 있다. 신재생 에너지의 공통적인 단점 중 하나가 주변 환경 요인에 민감하다는 것인데, 이러한 단점으로 전력이 불안정하게 된다. 이를 보완하기 위해서 에너지 저장장치 사용이 필수적이다. 또한 전력 효율을 사용하기 위해 전력조절장치(Power Conditioning System, PCS)가 필요하다.
본 논문은 에너지 저장장치를 적용하여 안정한 전력을 공급함과 동시에, 전력 효율이 높이기 위한 전력조절장치를 제안한다. 이 전력조절장치는 에너지 저장장치를 부스트컨버터와 양방향 컨버터 사이에 직렬로 연결한 구조이다. 부스트컨버터는 100[V] 정도의 낮은 전압승압을 하며 이 낮은 전압 동작 때문에 낮은 쇼트키다이오드를 사용할 수 있다. 그리고 양방향컨버터는 400[V]로 승압을 한다. 쇼트키다이오드의 사용과 양방향컨버터의 사용으로 전력손실을 줄일 수 있다. 추가적인 장치가 필요 없기 때문에 기존의 전력조절장치와 비교해도 경제적이다.
제안된 전력조절장치에 대해 소신호 모델링을 적용하여 closed loop 제어를 하였으며, 이를 350W 태양광 발전 시스템에서 최적 설계와 시뮬레이션을 통해 전력손실과 효율을 확인하였다. 마지막으로 실험을 통해 이를 확인하였다.

Due to increasing energy demand and environmental problems, development of renewable energy sources becomes more important issue. According to the document of National Statistical Office, energy contribution of renewable energy sources in Korea is 43,470,000[toe]. This renewable energy source supply in korea is mainly from wind power generation (41,253,000[toe]) and solar energy generation(1,331,000[toe]). Wind power generation and solar energy generation need more attention, as they are accounted for 98% of the whole supply power. However, due to the fact that the wind power generation plant occupies large area and produces much noise. they have several limitations and preferably installed away from the city side. Whereas, solar energy generation is free from any kind of limitation in site selection as they don’t produce noise. However, the main disadvantage of PV based renewable energy sources is due to fact that the energy generation of PV based energy source can be highly influenced by the environmental changes. Due to the uncertainty of the environmental conditions, energy supply from PV based power generation system also cannot be guaranteed. Due to the unreliability of energy supply from solar based energy sources, solar energy sources are installed with energy storage devices and Power Conditioning System(PCS).
In this paper, energy storage using to make the output power stable and an efficient energy storage scheme for photovoltaic systems is proposed with power conditioning system. This scheme is using an energy storage connected between boost-converter and bidirectional-converter in cascade. first stage, the boost-converter makes a voltage boosting around 100[V]. Because of the low voltage-rating, we can use a schottky diode. In second stage, a bidirectional-converter makes a voltage boost up to 400[V]. Using a schottky diode and a simple bidirectional-converter can reduce the power-loss significantly. Compared to conventional energy storage systems, the proposed system is relatively cost effective.
The small-signal model for the proposed system is developed. The closed loop controller is designed for the proposed system. Then, a 350[W] computer simulation prototype and real hardware prototype are developed. Finally, the performance of the proposed scheme is studied and the results are presented.

국문초록 ⅴ
영문초록 ⅶ
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 논문의 구성 2
제 2 장 태양광 발전 시스템 4
2.1 에너지 저장장치를 포함하는 기존 태양광 발전 시스템 4
2.1.1 Front-connection 시스템 4
2.1.2 Middle-connection 시스템 5
2.1.3 Hybrid-connection 시스템 7
2.2 직렬 부스트?양방향 컨버터(BBCC) 태양광 발전 시스템 8
2.2.1 BBCC 태양광 발전 시스템 구조 8
2.2.2 BBCC 태양광 발전 시스템 해석 10
2.2.2.1 부스트 컨버터 해석 10
2.2.2.2 양방향 컨버터 해석 14
제 3 장 BBCC 태양광 발전 시스템 손실 및 설계 18
3.1 BBCC 태양광발전 시스템 도통률 계산 및 전류 계산 18
3.1.1 스위칭 도통률 18
3.1.1.1 부스트 컨버터 스위칭 도통률 18
3.1.1.2 양방향 컨버터 스위칭 도통률 19
3.1.2 인덕터 전류 20
3.1.2.1 부스트 컨버터 인덕터 전류 20
3.1.2.2 양방향 컨버터 인덕터 전류 20
3.1.3 스위치 전류 21
3.1.3.1 부스트 컨버터 스위치 전류 21
3.1.4 다이오드 전류 21
3.1.3.1 부스트 컨버터 다이오드 전류 21
3.1.3.2 양방향 컨버터 다이오드 전류 22
3.2 BBCC 태양광발전 시스템 전력 손실 분석 23
3.2.1 인덕터 손실 24
3.2.1 MOSFET의 손실 24
3.2.1 Diode의 손실 26
3.2.1 IGBT의 손실 27
3.3 BBCC 태양광 발전 시스템 설계 28
3.4 Middle-connection 태양광 발전 시스템 설계 33
제 4 장 시뮬레이션 35
4.1 BBCC 태양광 발전 시스템 제어 설계 35
4.1.1 부스트 컨버터 제어기 설계 35
4.1.2 양방향 컨버터 제어기 설계 36
4.2 BBCC 태양광 발전 시스템 시뮬레이션 37
제 5 장 실험 결과 42
5.1 BBCC 태양광 발전 시스템 실험 43
5.1.1 부스트 컨버터 동작 43
5.1.2 양방향 컨버터 동작 43
5.1.3 전체 시스템 동작 44
5.2 BBCC 태양광 발전 시스템 효율 47
5.2.1 부스트 컨버터 MPPT 동작에서의 효율 47
5.2.2 양방향 컨버터 동작에서의 효율 47
5.2.3 전체시스템 정상 동작에서의 효율 48
5.2.4 배터리 전압에 따른 BBCC태양광 발전 시스템 효율 48
5.3 Middle-connection 태양광 발전 시스템과의 비교 49
5.3.1 Middle-connection 태양광 발전 시스템 효율 49
5.3.2 제안된 BBCC 태양광 발전 시스템과 비교 49
제 6 장 결론 50
참고문헌 51

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