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1. 정의
태양광 발전은 태양광을 전기에너지로 바꾸어 주는 태양광(Photovoltaic ; PV) 패널을 사용한다.
태양광 패널은 일사량, 표면 온도와 같은 주변 환경으로 인해 P-V의 관계가 비선형 곡선 형태를 갖는 특성이 있다.
태양전지로 구성된 PV패널은 주로 저전압 직류전기를 발전하기 때문에 일반적으로 직렬구조로 연결되어 구성된다.
이는 직렬로 연결되어있기 때문에 주 회로로 나오는 전류량은 같아야 한다.
만약 PV 패널에 그늘짐 현상이 발생하여 P-V특성이 변화할 때도 직류 전류가 같아야하기 때문에 모든 PV 패널이 그늘짐을 받는 패널의 전류에 맞춰진다.
이러한 이유로 PV 패널에 대하여 직렬 연결시 모든 PV 패널이 최대전력을 생산할 수 없게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 PV 패널과 전력변환장치(DC/ DC Converter)가 1:1로 부착된 구조인 모듈통합 컨버터(Module integrated converter ; MIC)구조가 사용되어 왔다.
이러한 MIC 구조는 일부 패널에 그늘짐 현상과 같은 환경변화가 주어지더라도 모든 태양광 패널의 최대전력점(Maximum Power Point ; MPP)을 추종할 수 있으므로 직렬로 연결된 태양광 시스템의 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 MIC 구조는 각 PV 패널이 생산하는 모든 전력이 1:1로 부착되어 있는 전력변환장치를 거치기 때문에 전력변환장치의 손실에 의해 출력 전력이 감소하게 된다.
이러한 문제점을 완화시키기 위해 다양한 태양광 발전 시스템의 전력변환기 구조가 제안되었다.
그 중 차동전력조절기(Differential Power Processing ; DPP)는 PV 패널과 병렬로 연결하여 패널 간의 생산 전력 차이가 발생할 때만 동작하는 구조이다.
이는 PV 패널 간의 전력 불균형을 완화시키고 전력변환장치를 거치면서 발생하는 손실을 최소화하여 태양광 발전 효율을 향상시킨다는 장점이 있다.
2. 전력흐름 동작 방식 [MIC vs DPP]
MIC 구조와 DPP 구조는 환경변화가 주어지더라도 최대전력점추종(Maximum Power Point Tracking ; MPPT)제어를 수행할 수 있는 특징을 갖고 있다.
(1) MIC
1. 동작 방식
MIC 구조는 PV 패널마다 1:1로 전력변환장치가 연결되어있으며 각 PV 패널의 생산 전력이 1:1로 연결되어있는 전력변환장치를 통해 메인 컨버터/인버터로 전달되는 구조다.
모든 패널의 생산 전력이 자신의 전력변환장치를 통해 전달되기 때문에 전력 생산 효율이 전력변환장치의 손실에 많은 영향을 받는 단점이 있다.
2. 전력흐름
태양광 발전시스템에서의 MIC 구조는 각 PV 패널마다 직접 연결된 DC/DC 컨버터와 계통으로 연계되는 메인 컨버터/인버터로 구성되어 있는 그림과 같은 구조이다.
PV1의 생산 전력이 5[W], PV2는 10[W]를 생산하며 전력변환장치의 효율을 90[%]로 가정하였을 때의 전력 흐름을 나타낸다.
PV 패널에서 생산되는 전력은 P_G.k 컨버터의 효율을 η_c, 메인 컨버터/인버터의 효율을 η_M.c로 정의한다. 이때 MIC에 의해 발생하는 손실 P_L.k을 식 (1)로 나타낼 수 있다. 출력 전력 P_T는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며 이에 따라 출력 전력은 12.15[W]이고 생산 전력은 15[W]이므로 MIC 구조의 효율은 81[%]라는 결과를 얻을 수 있다.
(2) DPP
1. 동작 방식
DPP 직렬 구조는 (a) MIC 구조와 다르게 PV 패널과 병렬로 전력변환장치가 연결되어있으며 PV 패널의 생산 전력량이 다를 시 PV 패널 간의 전력 차이만 DPP를 통해 메인 전력변환장치로 전달되고 나머지 전력은 메인 컨버터/인버터로 바로 전달되기 때문에 전력변환장치로 인해 발생하는 손실을 최소화할 수 있으며 MIC 구조의 단점을 보완할 수 있다.
동작 방식에 따라 두가지 방식으로 나뉘는데, 두 방식의 차이는 메인 회로로 흐르는 I_string이 전력 생산량이 많은 PV 패널의 전류를 기준으로 흐르는지 아닌지에 따라 구분된다.
- Feed forward
피드포워드 방식은 PV 패널 중 그늘짐 현상 조건에 놓인 PV 패널의 생산 전류가 I_string의 기준으로 동작한다.
그림과 같이 전력 생산량이 상대적으로 적은 PV1의 I_string을 기준으로 동작하여 I_string은 0.5[A]가 되고 PV2의 남은 0.5[A]는 DPP2를 통해 부하로 전달된다.
- Feed back
피드백 방식은 최대 일사량 조건에 놓인 PV 패널의 생산 전류가 I_string의 기준이 되도록 동작한다.
그림과 같이 전력 생산량이 더 많은 PV2의 생산 전류가 I_string의 기준이 되어 I_string은 1[A]가 되고 DPP와 연결된 곳에서 DPP1을 통해 PV1로 0.5[A]를 보상하게 된다.
2. 전력흐름
태양광 발전시스템에서의 MIC 구조는 각 PV 패널마다 직접 연결된 DC/DC 컨버터와 계통으로 연계되는 메인 컨버터/인버터로 구성되어 있는 그림과 같은 구조이다.
PV 패널에서 생산되는 전력은 P_G.k, 컨버터의 효율은 η_c, η_M.c는 메인 컨버터/인버터의 효율이다.
DPP의 손실은 P_DPP.L.k이며 이는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있고 총 출력 전력 P_DPP.T는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
이에 대한 결과로 출력 전력은 13.05[W]이며 생산 전력이 15[W]이므로 DPP 구조의 효율은 87[%]라는 결과를 얻을 수 있다.
위와 같이 가정했을 때 DPP 구조가 MIC 구조에 비해 전력변환기에 의해 발생하는 전력 손실을 최소화하여 전체 손실을 약 68.4[%] 감소할 수 있다는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
+출처
http://journal.auric.kr/kiee/XmlViewer/f385545#bib1
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