NI CompactRIO를 이용한 태양광 어플리케이션의 최대 전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 컨트롤러 디자인

"어플리케이션을 완성하고 난 후 NI 어플리케이션 엔지니어의 지속적인 서비스를 받았습니다. 엔지니어에게 유지관리 및 기술적 문제를 상담 받았으며 유용한 연례 포럼과 무료 교육도 받을 수 있었습니다."

- Ru-Min Chao, Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University

과제:

태양전지 어레이의 최대 전력점을 찾고 추적하여 태양전지에서 효율적으로 다양한 환경 조건의 로드로 전송하는 전력 전자 컨트롤 시스템 개발

솔루션:

리얼타임 태양전지 측정 및 컨트롤 시스템을 개발하여 다양한 조건에서 최대 전력 출력을 달성함


태양전지는 최대 전력점(Maximum Power Point)이라고 하는 최적점을 가지고 있으며 이 곳은 전지에서 로드로 전력을 전송하는데 최적점입니다. 최대 전력점은 온도와 일사량과 같은 환경 조건으로 인해 변화합니다. 태양 어레이의 출력 전압이 고정되면 최대 전력 출력은 지속적으로 생성될 수 없습니다. 최대 전력점 추적 (Maximum Power Point Tracking; MPPT) 알고리즘을 이용하여 DC – DC 컨버터를 이용하는 어레이의 전압 출력을 조정함으로써 최대 전력점을 계속하여 찾고 추적하여 전체 전력 생성 효율성을 증가시킵니다. MPPT 기법은 주어진 출력 전력의 양을 획득하는 데 필요한 태양광 패널의 수를 줄여서 PV 어레이 시스템 비용을 줄입니다.

 

태양전지 MPPT의 컨트롤 디자인을 향상시키기 위해 셀의 전력-전압 곡선에 구적 등식을 적용시켜 구적 함수의 최대 값을 계산하여 최대 전력점을 찾는 MPPT 시스템이 개발되었습니다. 본 시스템은 전압 컨버터를 컨트롤하고 고속 데이터 수집을 제공하는 고속 펄스폭 변조 (PWM) 신호를 반드시 생성해야 합니다. 그리고 향후 어플리케이션을 위한 휴대용 임베디드 최대 전력점 계산 시스템을 개발하기 원했습니다.

 

NI CompactRIO와 NI LabVIEW FPGA Module을 이용하여 안정적이고 효율적인 통합 시스템을 개발했습니다. CompactRIO 시스템은 전력 소비를 최소화하기 위해 전원 타이머가 제어하는 전력 스위치를 포함하고 있습니다. 아날로그 측정과 실제 테스트 결과를 이용하여 시스템의 실행 가능성을 검증함으로써 MPPT 컨트롤러를 개발했습니다.

 

 

어플리케이션

사용자 인터페이스 개발과 새로운 알고리즘 생성을 위해 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 태양광 MPPT 디바이스를 설계했습니다. LabVIEW FPGA Module을 이용하여 고속 신호를 수집하고 DMA 데이터 전송을 이용하여 프로세서에 전송하였습니다. 그리고 LabVIEW Real-Time Module을 이용하여 프로세서를 프로그래밍하여 MPPT 알고리즘을 실행하고 CompactRIO 임베디드 시스템을 이용하여 다소 약한 태양전지 전류 (I) 와 전압 (V) 값을 획득하고 데이터 계산을 위한 리얼타임 프로세서에 전송합니다. 그리고 난 다음 FPGA는 step-down buck 컨버터가 최대 전력점에서 출력 전압을 생성하는 PWM 듀티 사이클 신호를 생성합니다. 또한 본 시스템을 이용한 배터리 구동 서플라이와 모터 같은 기타 로드에 대한 리엍타임 MPPT 계산을 수행할 수 있습니다.

 

시스템 아키텍처

25 W 태양전지와 step-down buck 컨버터는 전기 에너지를 공급하고 충전가능한 6 V의 10 AH  납축전지와 로드된 모터에 저장하였는데, 이는 그림 2의 시스템 아키텍처 다이어그램에 나타난 것과 같습니다. 로드된 모터에는 컨버터 입/출력의 전압 확장을 위한 NI 9474 고속 소싱 C 시리즈 디지털 출력 모듈이 제공하는 PWM 스위치 신호를 사용했습니다. NI 9221 C 시리즈 모듈을 사용하여 태양전지 출력 전력을 측정하고 NI cRIO-9101  4-슬롯 1M 게이트 재구성 가능한 임베디드 섀시를 이용하여 데이터를 수집했으며 NI cRIO-9002 임베디드 리얼타임 컨트롤러는 수집한 데이터를 이용하여 MPPT 계산에 대한 전력-전압 곡선을 계산했고 원하는 PWM 명령 신호를 계산하여 최대 태양전지 출력 전력을 획득했습니다.

 

 

 

그림 3에 보이는 것처럼 알고리즘은 구적 등식을 이용한 최대 전력점 계산과 관련이 있습니다. 전지의 특징적인 전압-전류 곡선을 맵핑하여 MPPT 계산에서 획득한 듀티 사이클이 태양 조도 레벨에서 최대 전력점인지 확인했습니다. 그리고 난 다음 MPPT를 수행하고 두 개의 듀티 사이클을 비교하여 MPPT 효율성에 대한 전력 차이를 확인했습니다. 본 시스템을 사용하여 충전 프로세스를 포함한 실제 MPPT 성능을 이해할 수 있었습니다.

 

NI 제품과 지원에 힘입은 성공

기타 하드웨어 플랫폼과 비교하여 CompactRIO를 이용한 개발은 보다 훨씬 시간 효율적이었습니다. 개발된 시스템은 Very High-Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL)에서 생성된 기타 시스템과 거의 동등했습니다. 내부 40 MHz 운영 주파수를 이용하여 MPPT 계산에 필요한 20 kHz PWM 출력 신호와 전압/전류 측정을 제공했으며 사용자 참조를 위한 디스플레이와 기록과 같은 기능들을 합성했으며 cRIO-9002 임베디드 리얼타임 컨트롤러는 리얼타임 계산을 제공하고 MPPT 시스템 운영의 안정성을 보다 강화시켰습니다.

 

 

어플리케이션을 완성하고 난 후 NI 어플리케이션 엔지니어의 지속적인 서비스를 받았습니다. 엔지니어에게 유지관리 및 기술적 문제를 상담 받았으며 유용한 연례 포럼과 무료 교육을 받을 수 있었습니다. NI 제품과 지원을 통해 리얼타임 태양전지 계산을 위한 MPPT 시스템을 성공적으로 개발하여 다양한 주위 환경에서 최대 전력 출력을 달성했습니다. 전력 추적을 위한 본 PPT 계산 방법을 향후 기타 태양 전력 생성 시스템에도 적용할 수 있습니다.

 

 

필자 정보:

Ru-Min Chao
Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University

Figure1. The maximum power (PMAX) of a solar cell occurs when the product of voltage (V) and current (I) reaches its peak.
Figure 2. Hardware System Architecture Diagram
Figure 3. MPPT Process Flow
Figure 4. Charge Test Process Flow
Figure 5. Diagram showing how high speed data is transferred from the CompactRIO FPGA to the real-time processor
Figure 6. Voltage and current waveforms for the solar cell and battery
Figure 7. Solar cell power versus voltage (PV) curve based on experimental measurements under different lighting conditions