MPPT 알고리즘 [태양광 제어 시스템]

1. 정의

최대 전력점 추종(MPPT)이란 태양광 일조량, 기온, 부하 등의 조건이 변화할 때 PV 시스템이 PV 패널의 최대 전력점 근접에서 작동하도록 태양광 어레이가 받는 임피던스를 계속적으로 조정하기 위해 태양광(PV) 인버터에 구현된 알고리즘이다.

 

태양전지의 전류-전압 특성 곡선은 위의 두 그림에서 알 수 있듯이 비선형적이며 온도나 일사강도에 따라 출력이 변동된다.

다른 신재생 에너지원에 비해 태양광 발전은 발전량이 적기 때문에 최대 전력점을 추종하는 기술이 필요하다.

이 기술을 최대전력추종, 즉 MPPT라고 한다.

2. 목적

태양광 인버터를 개발하는 엔지니어는 MPPT 알고리즘을 구현하여 PV 시스템에서 생성된 전력을 최대화한다.

알고리즘이 전압을 제어하여, 아래 제시된 것처럼 시스템이 전력전압 곡선에서 '최대 전력점(또는 최대 전압)'에서 작동하도록 한다.

MPPT 알고리즘은 PV 시스템의 제어기 설계에 흔히 사용된다.

이 알고리즘은 변화하는 일조량(태양빛)과 기온과 같은 인자를 반영하여, PV 시스템이 항상 최대한의 전력을 생성하도록 한다.

태양광 시스템의 I-V 및 P-V 특성에 따른 전력전압 곡선

 

3. 종류

(1) Perturb and Observe(P&O)

이 알고리즘은 작동 전압을 섭동시켜 최대 전력을 내도록 한다.

이 알고리즘에는 몇 가지 더 발전되고 최적화된 변형 알고리즘이 있지만, 아래에는 기본 P&O MPPT 알고리즘이다.

먼저 P&O 기법은 태양전지 array의 출력 전압을 주기적으로 증가 또는 감소시키고 이전의 출력전력과 현재의 출력 전력을 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방법이다.

P&O 기법이 플로우 차트는 전력값과 전압값 중 어떤 것을 먼저 고려하냐에 따라 두가지로 나타낼 수 있다.

먼저 이 플로우차트는 전압값을 먼저 고려한 것이고 (애니메이션하기) 이 차트는 전력값을 먼저 고려한 것이다.

전력값을 먼저 고려한 플로우 차트를 기준으로 설명해보면 P(k)와 V(k)는 각각 현재 전력과 전압이고 P(k-1)과 V(k-1)은 과거 전력과 전압이고 델타 V는 전압 증가분이다.

현재 전력과 과거 전력이 같으면 전압을 바꾸지 않고 다르다면 현재 전력과 과거 전력 중 어떤 값이 더 큰지에 따라 나뉜다.

그리고 나서 현재 전압과 과거 전압의 차이값의 부호에 따라 전압을 증가시킬지 감소시킬지 정한다.

(2) Incremental Conductance (INC)

아래에 나타난 이 알고리즘은 PV 시스템에 나타나는 순시 전도도와 증분적 전도도를 비교한다.

그 결과에 따라, 최대 전력점(MPP)에 도달할 때까지 알고리즘이 전압을 높이거나 낮춘다.

P&O 알고리즘과는 달리, MPP에 도달하면 전압이 일정하게 유지된다.

IncCond 기법은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 추종하는 방법, 즉 측정된 전압과 전류를 통해 PV array의 출력을 계산하고 전압의 변화량과 출력전력의 변화량에 따라 동작점을 증감시키며 최대전력점을 추종하는 방법이다.

dP/dV에서 P=I*V이므로 식을 전개하면 I + V*dI/dV가 되고 위와 같은 부등식을 풀면 출력 conductance와 증분 conductance에 대한 부등식이 나온다.

IncCond 방법의 플로우 차트를 설명해보자면, 먼저 전압의 변동이 없을 때 전류의 변동이 있는 경우에서 0보다 크면 dP/dV가 0보다 작다는 것이므로 duty값을 증가시킨다.

반대로 전류의 변동이 0보다 작으면 duty 값을 감소시킨다.

전압의 변동이 있을 때는 dP/dV가 0인 경우에는 최대 전력 지점이므로 skip하고 0이 아닌 경우에는 dP/dV의 부호를 따져 duty값을 증가 또는 감소 시킨다.

전력-전압 곡선에 간단하게 나타내면 dP/dV가 0보다 크면 V를 증가 시키고 0보다 작으면 V를 감소 시킨다.

 

(3) 개회로 전압비(FOCV)

이 알고리즘은 최대전력점 전압이 항상 개회로 전압의 일정한 비율이라는 원리를 이용한다.

태양광 어레이 안에 있는 셀의 개회로 전압을 측정하여 제어기 입력값으로 사용한다.

 

4. 비교

P&O vs IncCond

	P&O	IncCond
장점	- 알고리즘이 간단하다 - 일사량 변화가 느릴 때 최대 전력점이 안정적이므로 태양전지 array 손실이 없다	- 최대 전력점에 도달했을 때 array 출력전력이 안정적이다 - 일사량 변화가 급격할 때 출력 전압이 항상 최대 전력점 전압에 추종하도록 하므로 MPPT 제어에서 벗어나지 않는다
단점	- 일사량 변화가 급격할 때 태양전지 array 출력 전압이 최대 전력점에서의 전압과 같이 않기 때문에 MPPT 제어를 벗어난다.	- 번의 나눗셈으로 인해 계산량이 많다 - 변환 시간이 기존의 제어 방식 이상으로 필요해서 연산 처리를 빨리 할 수 있는 프로세서가 요구된다

 

+추가연구논문

태양광 발전용 마이크로 컨버터 종류에 따른 MPPT 제어 특성 비교.pdf

1.42MB

 

 

+출처

https://kr.mathworks.com/solutions/electrification/mppt-algorithm.html

MPPT Algorithm