[인버터] 태양광 인버터 MPPT 원리 (with. Fill Factor, Duty ratio)

태양광 인버터 MPPT 원리, MPPT란 무엇인가?

안녕하세요. 태양광 윤대리입니다.

오늘은 인버터의 핵심기술 중 하나인 MPPT에 대해서 알아보고자 합니다.

 

 

 

목차

1. MPPT란? 필요성 설명

2. MPPT의 동작원리

3. MPPT의 종류

 

 

 

 

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1. MPPT란? 태양광 인버터에 MPPT가 필요한 이유

MPPT : Maximum Power Point Tracking : 최대전력추종제어기능

 

태양전지 셀에 빛을 받아 발생시킬 수 있는 전력의 최대크기를 '최대전력점(Pmax)' 라고 합니다.

최대전력점을 구하는 식이 단순하게 ' 최대전압 X 동작전류 ' 로 나타나지 않습니다.

왜냐하면 태양전지에는 V-I 동작특성이 존재하기 때문입니다.

 

V-I 동작특성을 나타내는 곡선인자(Fill Factor)에 대해서 이해하고 넘어갈 수 있습니다.

[■ 셀·모듈] - [셀,모듈] Fill Factor

[셀,모듈] Fill Factor

 

더 자세하게 설명하자면,

반도체에 빛을 가하면 광전효과에 의해 전위차가 발생하여 '개방전압(Voc)'이 나타납니다.

개방전압의 조건은 동작전류가 0일 때입니다. 즉 동작하고 있지 않을때죠.

부하가 연결되면 개방전압이 아니라 동작전압(Vmpp)이 나타납니다. 동시에 '동작전류(Impp)'가 발생하게 됩니다.

 

아래 그래프로 설명드리겠습니다.

왼) 전압-전류 특성 // 오른) 전력-전압 특성

좌측은 전류와 전압의 관계입니다.

   - 전류는 일사강도에 비례함을 나타냅니다.

   - 전압은 '한계깂'을 가지고 있음을 나타냅니다.

   - 전압은 온도가 증가함에 따라 그 '한계점'이 낮아집니다. 

   - 전류(일사량)이 높으면 '한계점'은 높아집니다. 

 

우측은 전력과 전압과의 관계입니다.

   - 전력은 전류와 전압의 곱으로 나타냅니다.

   - 이때 최대전류 X 최대전압으로 설정하지 않습니다. 그래프에서도 해석 가능합니다.

   - 전력을 기준으로 Fill Factor (사각형넓이)가 가장 큰 '최대전력점(Pmax)'를 설정합니다.  

   - 최대전력점에서의 전압을 동작전압, 전류를 부하전류라고 합니다.

실제로 보면 전류는 크게 변동하지 않습니다. 변동하는 것은 전압입니다.

 

이제 MPPT에 대해서 설명 드리겠습니다.

셀이 생산해 낼 수 있는 전압과 전류는 한계가 있는데요.

'개방전압'에 가까워지면 전류는 급감합니다.

따라서, 최대전력점을 유지하여 높은 발전량을 내기 위해서는,

전압의 한계점 전에서 동작전압을 설정하여 최대 전력점을 유지하는 것입니다.

더 쉽게 이야기하면 최대전력점이 전압의 한계점으로 생각해도 무방합니다. (전압한계점 ≒ 최대전력점)

 

애초에 전류는 일사량과의 관계에 따른 변수값이지, 인위적으로 전류를 직접 변경하진 않습니다.

따라서, 일사량에 따라 변화하는 전류값에 맞는 최대전력점을 찾기 위해서, MPPT는 전압을 조정한다.

 

정리 ' MPPT의 사용목적

① 전압과 전류가 변동하는 태양광의 특성

② 가시광선을 흡수하여 전력을 생산하는 실리콘 반도체의 특성

두 가지를 극복하기 위하여 MPPT를 사용합니다.

 

인버터 회로 내 MPPT 원리 

1) PWM 알고리즘을 통해 최대전력점을 추종한다.

일정주기(5초)마다 전압, 전류를 센싱하여 최대전력점을 추종하는데,

최대전력점(≒전압한계점)을 넘기면 전압을 낮추고, 최대전력점보다 낮으면 전압을 높인다.

2) 알고리즘의 종류에 따라 변수값 갯수가 다르다. 전류,전압이 기본이고 일사량, 온도가 포함될 수 있다.

3) 실제 전압을 조정하는 소자는

Booster 이다.

 

 

 

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2. MPPT 원리

 

1) MPPT 알고리즘 원리

2) MPPT와 연결된 하드웨어

 

1) MPPT 알고리즘 원리

MPPT는 '최대전력추종제어 기능을 담고 있는 알고리즘'이라고 말하면 될 것 같습니다.

아니면, O&M을 하는 입장에서, MPPT를 알고리즘을 담은 펌웨어 정도로 생각하면 좋을 것 같네요.

  

MPPT의 알고리즘 원리는 어떻게 될까요?

가장 보편적으로 사용되고 있는 알고리즘, P&O 모델로 설명드리겠습니다.

<아래 알고리즘 해석본은 티스토리 블로그 '얼죽어여뜨샤'님 내용을 첨부합니다.>

출처 : 티스토리 '얼죽아여뜨샤' 님

 

전력이 떨어졌을 때 예시를 들어보겠습니다.

① 이전데이터의 전력과 비교합니다.

② '이전전력'와 비교해서 '현재전력'이 더 작다면(ΔP= -α), '이전 전압'과 '현재 전압'을 비교합니다.

③ 이전전압에 비해서 현재전압이 더 높다면(ΔV= +α), 현재전압을 낮춥니다.

반대로, 이전전압에 비해서 현재전압이 더 낮다면, 현재전압을 높입니다.

 

 

2) MPPT와 연결된 하드웨어

▽ 아래는 단상 인버터 블록도입니다.

인버터 내 센싱소자가 존재하여 온도,전압,전류 등을 센싱하여 메인보드(DSP)로 전달됩니다.

P&O 알고리즘 기준으로, MPPT에서 데이터를 전달받아 '1) MPPT 알고리즘 원리'대로 전력최대점을 찾은 뒤, Booster를 컨트롤합니다.

위 그림에서 부스터를 확인할 수 있습니다. Booster는 콘덴서, 리액터, PWM 로 구성되어 있습니다.

Booster 동작방법을 간단하게 설명하자면, PWM를 이용하여 '듀티비(duty비)'를 컨트롤하여 전압을 제어합니다.

Booster에서 조정된 전압은 메인 콘덴서에 DC링크 전압만큼 저장됩니다. 이후 IGBT를 통해 교류로 변환되는 원리입니다.

 

*듀티비란?

간단하게 설명하겠습니다. (사실 저도 간단하게 알고 있습니다 ^^)

앞서, Booster는 콘덴서, 리액터, PWM로 구성되어 있다고 했었습니다. PWM를 단순하게 스위치로 생각해보겠습니다.

스위치가 열려있을 때, 리액터에서 에너지를 축적합니다.

콘덴서에서도 에너지를 축적하지만, 저항에 의해서 소멸됩니다.

스위치가 닫혀있을 때, 리액터에 에너지가 이동합니다.

따라서 듀티비가 증가하는 만큼 평균전압이 높아집니다.

[인버터] MPPT와 PWM 차이는 무엇일까?

[인버터] 인버터 회로 센싱소자

 

 

 

 

 

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3. MPPT 알고리즘 종류

MPPT는 크게 직접제어방식, 간접제어방식 두 분류로 나눌 수 있다.

 

1) 직접제어방식

직접제어방식은 말 그대로 MPOP(Maximum power operating point : 최대전력동작점)를 직접 쫓아가는 방식입니다.

MPOP변화를 일으키는 요소인 온도, 일사량, 전압, 전류를 직접 제어합니다.

장단점은 확실합니다.

장점 : 구성이 간단하여, 아주 간단한 프로세스로 동작이 가능합니다.

단점 : MPPT 성능이 가장 떨어집니다.

 

 

2) 간접제어방식

   2)-① P&O방식 (Perturb & Observe)

가장 널리 이용되는 알고리즘입니다.

시간에 따른 전력 변화값을 추출하고, 이에 따른 전압의 증가 또는 감소량을 결정합니다.

장점

└구성이 간단합니다.

└MPPT 기능이 준수합니다.

단점

└전력의 변화량이 클 때 MPOP를 잃어버립니다.

└출력전압의 스윙이 발생하여 전력손실이 존재한다.

    *스윙 : MPPT과정에서 최대전력점을 찾기위해 전압이 일정주기로 변동하는 것을 말합니다.

 

   2)-② IncCond (Incremental Conductance)

컨덕턴스 변화량을 추출하고, 이에 따른 전압의 증가 또는 감소량을 결정합니다.

장점

└어레이 출력전력이 안정적입니다

└MPPT 기능이 우수합니다. 전력이 변화량이 큰 폭이어도 높은 효율을 보입니다.

단점

└알고리즘이 복잡하여 고급연산장치가 필요합니다.

 

   2)-③ Hysterisis-Band

최대전력점과 최소전력점을 추출합니다. 최대전력점을 2개 이상으로 설정이 가능합니다.

음영요소에 의해 스트링 별 출력전력이 각각 다를 경우, 최대전력점을 여러개로 지정하여, 발전량 손실을 최소로 합니다.

장점

└일사량이 잦게 변하는 사이트에서 효율이 높습니다.

단점

└일사량이 일정한 사이트는 효율이 높지 않습니다.

└알고리즘이 복잡합니다.

 

 

 

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이상으로 블로그를 마치겠습니다.

도움이 되셨으면 좋겠습니다.

감사합니다.

 

 

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