Ru-Min Chao, 전자기계 연구소, 국립 성공대학교
태양광 (PV) 배열의 최대전력점을 찾고 추적하며, 다양한 환경에서 태양 전지로부터 효율적으로 전력을 전송하는 전력 전자 제어 시스템 개발.
다양한 환경에서 최대 전력 출력을 달성하는 실시간 태양광 전지 측정 및 제어 시스템 개발.
태양 전지에는 최대전력점으로 알려진, 전지에서 전달되는 전력이 최적화되는 지점이 있습니다. 이 최대전력점은 온도 및 태양광의 양과 같은 환경 조건에 따라 다릅니다. 태양광 배열은 출력 전압이 고정되면 최대 전력 출력을 지속적으로 달성할 수 없습니다. 우리는 최대전력점 추적 (MPPT) 알고리즘으로 DC-DC 변환기를 사용하여 배열의 전압 출력을 조절함으로써 연속적으로 최대전력점을 찾고 추적하여 전체 발전 효율을 높입니다. MPPT 기술은 주어진 양의 출력 전력을 얻는 데 필요한 태양 전지판의 수를 줄임으로써 PV 배열 시스템 비용을 절감합니다.
태양광 전지 MPPT의 제어 설계를 개선하기 위해 우리는 셀의 전력-전압 곡선을 나타내는 2차 방정식을 계산하고 그 2차 함수의 최대값을 계산하여 최대전력점을 찾는 MPPT 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 고속 펄스 폭 변조 (PWM) 신호를 생성하여 전압 변환기를 제어하고 고속 데이터 수집을 제공해야 합니다. 또한 우리는 향후 어플리케이션에 설치할 수 있도록 휴대용 임베디드 최대전력점 계산 시스템도 개발하고자 했습니다.
우리는 NI CompactRIO를 NI LabVIEW FPGA Module과 함께 사용하여 안정적이고 효율적인 통합 시스템을 개발했습니다. 전력 소비를 최소화하기 위해 이 CompactRIO 시스템에는 타이머로 제어되는 전원 스위치도 포함되어 있습니다. 우리는 아날로그 측정과 실제 테스트 결과를 사용하여 MPPT 컨트롤러를 개발하는 시스템의 타당성을 검증했습니다.
우리는 사용자 인터페이스 개발과 새로운 알고리즘 생성에 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 태양 에너지 MPPT 디바이스를 설계했습니다. LabVIEW FPGA Module을 사용하여 고속 신호를 수집하고 DMA 데이터 전송 기능으로 프로세서로 전송했습니다. 또한 LabVIEW Real-Time Module을 사용하여 프로세서가 MPPT 알고리즘을 실행하도록 프로그래밍하고, CompactRIO 임베디드 시스템을 사용하여 더 느린 태양 전지 전류 (I) 및 전압 (V) 값을 얻고 계산을 위해 데이터를 리얼타임 프로세서에 전송했습니다. 그 후에는 FPGA가 강압 벅 컨버터 회로에 PWM 듀티 사이클 신호를 전달하여 최대전력점에서 출력 전압을 생성합니다. 추가로, 이 시스템을 사용하면 배터리 전원 공급 장치 및 모터와 같은 다른 로드에 대해서도 실시간 MPPT 계산을 수행할 수 있습니다.
25W 태양 전지와 강압 벅 컨버터가 전기 에너지를 공급하며, 이는 그림 2의 시스템 아키텍처 다이어그램에 표시된 것처럼 충전 가능한 6V, 10AH 납 축전지 셀과 부하가 가해진 모터에 저장됩니다. 부하가 가해진 모터에서 우리는 NI 9474 고속 소싱 C 시리즈 디지털 출력 모듈에서 제공하는 PWM 스위치 신호를 사용하여 컨버터 입출력의 전압을 조정했습니다. NI 9221 C 시리즈 모듈을 사용하여 태양광 셀 출력 전력을 측정하고 NI cRIO-9101 4-슬롯 1M 게이트 재구성 가능 임베디드 섀시로 데이터를 수집한 후, NI cRIO-9002 임베디드 리얼타임 컨트롤러는 수집된 데이터를 사용하여 MPPT 계산을 위한 전력-전압 커브를 계산하고 필요한 PWM 명령 신호를 계산하여 최대 태양광 셀 출력을 얻었습니다.
그림 3과 같이 이 알고리즘은 2차 방정식을 사용하여 최대전력점을 계산합니다. 우리는 MPPT 계산에서 얻은 듀티 사이클이 태양광 조도 수준에서 최대전력점인지 확인하기 위해 셀의 특성 전압-전류 곡선을 매핑했습니다. 그런 다음 MPPT를 수행하고 두 듀티 사이클을 비교하여 MPPT 효율성에 대한 전력 차이를 식별했습니다. 이 시스템을 사용하여, 우리는 충전 프로세스를 포함한 실제 MPPT 성능을 이해했습니다.
다른 하드웨어 플랫폼과 비교하여 CompactRIO를 사용한 개발은 훨씬 시간적으로 효율적이었습니다. 개발된 시스템은 VHSIC (Very High-Speed Integrated Circuit) 하드웨어 설명 언어 (VHDL)로 구현된 다른 시스템과 비슷하지만 LabVIEW FPGA 도구는 복잡한 많은 단계를 단순화합니다. 우리는 MPPT 계산에 필요한 20kHz PWM 출력 신호와 전압/전류 측정을 제공하기 위해 내장 40MHz 주파수를 사용했습니다. 또한 사용자 참조를 위해 화면 표시 및 녹음과 같은 기능을 동기화했으며 cRIO-9002 임베디드 리얼타임 컨트롤러는 실시간 계산 기능을 제공하고 MPPT 시스템 작동의 안정성을 더욱 강화했습니다.
어플리케이션 개발이 완료된 후에도 우리는 NI 어플리케이션 엔지니어의 서비스를 계속 받았습니다. 유지보수와 기술적 문제에 도움을 구했으며, 연간 포럼 및 무료 강의도 도움이 되었습니다. NI 제품과 지원을 통해 우리는 리얼타임 태양광 전지 계산을 위한 MPPT 시스템을 성공적으로 개발하여, 다양한 주변 환경 조건에서 최대 전력 출력을 달성할 수 있도록 했습니다. 이 MPPT 계산 방법은 향후 다른 태양광 발전 시스템의 전력 추적에 적용할 수 있습니다.
Ru-Min Chao
전자기계 연구소, 국립 성공대학교