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  1. (Dept. of Electrical Engineering, Gachon Univerity, Korea.)
  2. (DS Engineering Co., Ltd, Korea.)



ESS, Photovoltaic, Push-pull Converter, Single Phase DC/AC Inverter, Stand-alone Power Device

1. 서 론

최근 환경오염에 따른 심각성이 부각되면서 친환경적인 재생 에너지를 이용한 발전 시스템의 관심이 전세계적으로 증가하고 있다. 우리나라에서는 산업통상자원부가 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에서 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20%까지 늘리겠다는 발표를 함으로써 재생에너지 보급 증대에 긍정적인 의사를 표현하기도 하였다(1).

재생에너지 3020 이행계획안을 살펴보면 2030년에 예상되는 재생에너지 보급 목표 63.8[GW] 중 태양광 에너지가 36.5[GW]로써 전체 원별 재생 에너지 중 가장 큰 57[%]의 비율을 차지하는 모습을 볼 수 있다. 즉, 태양광 에너지에 대한 발전 시스템의 보급이 지속적으로 늘어날 것이라고 예상되며 이에 따라 태양광 발전 시스템의 효율적인 운용을 위해 다양한 시스템의 구조와 효율적인 제어 방안까지 많은 연구가 진행되어왔다(2-4).

태양광 패널이 발전하는 전력과 전력을 저장할 수 있는 ESS의 배터리는 DC 전원의 특성을 보유하고 있다. 태양광 패널이 변화하는 일사량에도 지속적인 최대발전량을 유지하고 배터리에 전력을 충·방전 하기위해 DC/DC 컨버터가 부착되기도 하며 DC 전원을 상용 AC 전원으로 변환하여 사용하기 위하여 DC/AC 인버터(Inverter)라는 전력변환장치를 이용하고 있다.

하지만 인버터 자체의 기능에는 입력 전압을 승압시킬 수 있는 기능을 보유하고 있지 않다. 따라서 태양광 패널이나 배터리의 전압을 상용 AC 전압에 필요한 전압 크기만큼 승압시킬 필요가 있으며 DC/DC 컨버터를 이용해 승압을 수행한다.

그림. 1. 태양광-ESS 시스템의 블록도

Fig. 1. Block diagram of PV-ESS System

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그림 1처럼 DC/DC 컨버터로 승압된 전력은 ESS 배터리에 충전되거나 계통이나 부하에 상용 AC 전원으로 변환시켜 전력을 공급할 수 있도록 DC/AC 인버터로 이동된다. 이처럼 전력 컨버터는 태양광-ESS 발전 시스템에 필수적인 요소임에 따라 전력변환 효율을 높이기 위해 설계 용량 및 사용처에 따라 적합한 소자들을 선정해 독립형 전원장치를 설계하게 된다.

이에 따라 본 논문에서는 독립형 전원장치를 구성하는 주요 소자 중 인덕터가 인버터에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 태양광 DC 전압을 승압시키기 위한 컨버터로 푸쉬풀(Push-pull) 컨버터를 이용하였다. 일반적으로 인덕터는 변압기 2차측에 존재하며 흐르는 전류의 모드에 따라 인덕터의 용량을 산정해 설계를 진행한다. 하지만 본 논문에서는 오직 변압기 2차측에 설계되는 인덕터 유무에 따라 인버터에 미치는 효율의 영향에 대한 비교·검토를 실시하였다(5-9).

제작된 푸쉬풀 컨버터 기반 독립형 전원장치를 이용해 실험을 진행하였으며 인덕터가 존재할 때가 존재하지 않을 때보다 최대 2.2[%]의 높은 전력 변환 효율을 보였다. 이의 결과는 푸쉬풀 컨버터 2차측의 인덕터의 유무에 따라 전력 효율에도 영향을 줄 수 있다고 판단되며 단순히 효율만을 고려하는 저가격형 독립형 전원 장치를 설계할 경우에는 이의 결과가 중요한 요소로 고려될 수 있다고 예측된다.

2. 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 설계

2.1 독립형 전원장치의 전력 변환 과정

DC 전력이 AC 전력으로 변환되기 위해서는 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터를 이용해야 한다.

그림. 2. 독립형 전원장치의 간략화된 블록도

Fig. 2. Simplified block diagram of stand-alone power device

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그림 2는 DC 전력이 AC 전력으로 변환되기 위한 간략화된 전력변환장치들의 블록도를 보여준다. 태양광 패널에서 발전되는 전력은 변화하는 외부적인 요소에도 지속적으로 최대전력점을 유지해야 하므로 DC/DC 컨버터를 이용해 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking : MPPT) 제어를 우선적으로 수행한다. 최대생산점에서 생산된 전력은 DC/DC 컨버터 2차측에 구성된 DC link 캐패시터에 충전되며 DC/AC 인버터는 DC link 캐패시터의 전압을 이용해 상용 AC에 필요한 전압 크기 만큼으로 변환시켜 전력 계통이나 독립전원에 전력을 공급시킨다.

그림 3은 승압된 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 블록도를 보여준다. DC 입력 전원을 AC 출력 전원으로 변환하기 위해서는 크게 3가지로 나누어진 회로가 필요하다. 풀브릿 스위칭 회로는 IGBT와 같은 스위칭 소자로 이루어진 주회로를 나타내며 단방향 전원 성질인 DC 입력 전원을 양극성 전원 성질으로 변환시키는 주요 회로이다.

그림. 3. DC/AC 인버터의 전력변환 과정

Fig. 3. Power conversion process of DC/AC inverter

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신호부는 스위칭 소자에 AC 입력 전원을 만들기 위한 신호를 생성하고 공급하는 곳으로써 PWM 방식의 신호 파형을 발생시킨다. 아날로그 형식의 신호부는 주로 Op-Amp를 이용하여 PWM 신호를 발생시키며 디지털 형식은 MCU를 사용하여 PWM 신호를 발생시킨다.

LC 필터는 풀브릿지 인버터가 생성한 양극성 전원 성질을 상용 AC 전원 형태로 필터링한다. LC 필터는 L(인덕터)소자와 C(캐패시터)소자를 이용해 회로가 구성된다.

승압된 DC 전압은 컨버터와 인버터 사이에 위치해 있는 DC link 캐패시터에 충전되며 이 전압은 스위칭 소자 4개를 이용해 양방향성을 갖은 파형으로 변화된다. 풀브릿지로 만들어진 파형은 스위칭에 의해 구형파의 모습을 지니고 있으며 인덕터와 캐패시터로 구성된 필터를 거치면 AC 전압으로 변환된다.

2.2 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 회로 설계

본 논문에서는 태양광 발전으로 생선된 전력이 배터리에 충전되었다는 것을 가정하여 12[V]의 배터리 전압이 110[V]의 독립형 AC 전압으로 변환될 수 있는 250[W]급 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치를 설계하였다.

그림. 4. 제작된 독립형 전원장치의 회로도

Fig. 4. A schematic of stand-alone power device

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그림 4는 푸쉬풀 컨버터 기반 단상 인버터의 회로도를 보여준다. 입력된 12[V]의 DC 전압은 교차로 스위칭 되는 2개의 MOSFET를 통해 양방향성으로 변압기 2차측에 유기되며 변압기의 권선비와 Q1,Q2의 스위칭 듀티비만큼의 전압 크기로 승압된다.

승압된 양방향성 전압은 다이오드 회로와 DC link 캐패시터에 의해 단방향성 DC 전압으로 변환되며 DC link의 지속적인 충·방전을 통해 인버터 1차측의 전압을 제어하게 된다.

이 때 인버터 설계의 중요한 요소 중 하나는 변압기 2차측 인덕터(L1)의 용량 선정이라고 할 수 있다. L1에 따라 변압기 1차측에 흐르는 전류량이 달라져 Q1, Q2가 발생시키는 스위칭 도통 손실과 스위칭 손실이 달라지기 때문이다.

이에 따라 본 논문에서는 L1의 유무에 따라 입력단과 출력단에 대한 전압, 전류 및 전력을 분석하여 전력변환 효율에 어느정도의 영향을 미치는지에 대한 검토를 목적으로 한다.

2.3 푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 소자 선정

푸쉬풀 컨버터 기반의 독립형 전원장치 소자 용량을 선정하기 위해 다음과 같은 수식을 적용하였다.

(1)
$V_{link}= V_{out}\sqrt{2}$

(2)
$V_{link}= 2V_{i n}\left(\dfrac{N_{2}}{N_{1}}\right)D$

(3)
$L_{1}\ge\dfrac{V_{link}(\dfrac{1}{2}-D_{mi n})T_{s}}{2I_{o mi n}}$

인버터 출력 전압($V_{out}$)은 RMS값을 의미하며 $V_{out}$을 110[V]의 크기로 설계함에 따라 식(1)을 통해 DC link 전압($V_{link}$)은 손실적인 여유를 고려하여 약 180[V]가 되도록 설계하였다.

입력전압($V_{i n}$)이 12[V]이고 듀티비($D$)는 0.5로 설정하였음에 따라 식(2)를 이용해 변압기의 권선비($N_{2}/N_{1}$)는 16으로 설정하였다.

인덕터에 흐르는 전류($I_{o mi n}$)는 1[A]로 설정하였으며 스위칭 주파수($1/T_{s}$)는 27.5[kHz]로 설정하였다.

표 1. 하드웨어의 설계 소자 구성표

Table 1. The table of Hardware design elements

Unit

Value

Unit

Value

Diode

(RHRP8120)

Quantity

4

C1

[$u F$]

940

MOSFET

(RU190N08)

Quantity

2

C2

[$u F$]

3.3

IGBT

(G40N60)

Quantity

4

Turn Ratio

N2/N1

16

L1

[$m H$]

1.12

L3

[$u H$]

1

L2

[$m H$]

1

본 논문에서는 인덕터 유무에 따른 전력변환장치의 전압, 전류 및 출력을 비교·검토함을 목적으로 함에 따라 데드타임을 고려해 $D_{mi n}$을 0.47로 설정하였다.

식(3)에 의해 $L_{1}$은 0.1[mH]로 계산되지만 인덕터의 흐르는 전류의 연속성을 확실하게 보기 위하여 $L_{1}$을 약 1.1[mH]로 설계하였다.

그림 4에 설계된 소자들의 자세한 파라미터들과 제작된 하드웨어의 모습은 다음의 표1그림 5와 같다.

그림. 5. 제작된 하드웨어의 모습

Fig. 5. Hardware appearance

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3. 인덕터 유무에 따른 독립형 전원장치의 효율 특성 비교·검토

3.1 실험을 위한 동일 조건 설정

태양광-ESS 발전 시스템에 적용하기 위한 독립형 전원장치의 인덕터 유무에 따른 특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 동일한 조건으로 실험을 진행하였다.

표 2. 실험을 위한 동일 조건표

Table 2. Same condition table for experiment

Unit

Value

Input Voltage

[V]

12

Input Power

[W]

170

Q1,Q2 Frequency

[kHz]

27.5[kHz]

Q3,Q4,Q5,Q6 Frequency

[kHz]

19[kHz]

입력 전압은 12[V]가 공급되도록 하였으며 인덕터 유무에 따라 공급되는 전력이 동일하도록 입력 전력을 170[W]로 설정하였다. Q1,Q2의 스위칭 주파수는 27.5[kHz]로 동일하게 설정하였으며 Q3,Q4,Q5,Q6의 스위칭 주파수는 19[kHz]가 되도록 동일하게 설정하였다. 이 때 측정된 전압과 전류 및 전력의 파형은 다음과 같다.

3.2 인덕터 유무에 따른 독립형 전원장치의 효율 특성 비교·검토

그림 6은 푸쉬풀 컨버터의 Q1 스위치의 DS 양단전압과 단상 인버터의 Q3 스위치의 CE 양단전압을 나타낸다. 각각의 주파수를 측정하였을 경우 Q1의 주파수는 약 27.5[kHz]로 나타났으며 Q3의 주파수는 약 19[kHz]로 나타났다. 즉, 제작된 하드웨어가 설정한 주파수로 제대로 동작하고 있음을 알 수 있다.

그림. 6. 스위칭 동작 확인을 위한 Q1과 Q3의 스위칭 파형

Fig. 6. Switching waveform to check switching operation

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그림 7은 인덕터가 존재할 때의 스위치 전압 및 L1 line 전류 파형을 보여준다. Q1과 Q2는 27.5[kHz]에서 정상적으로 동작하고 있으며 인덕터가 존재함에 따라 L1의 평균 전류는 1.07[A]로 측정되었으며 연속전도모드(CCM)로 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.

그림. 7. 인덕터가 존재할 때의 스위치 전압 및 L1 line 전류 파형

Fig. 7. Switch voltage and L1 line current waveform with an inductor

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그림 8은 푸쉬풀 컨버터의 변압기 2차측 인덕터가 존재할 때의 입, 출력 파형을 보여준다. 입력단의 전압은 11.89[V]로 나타났으며 입력 전류는 14.35[A]로 나타났다. AC의 출력 전압의 경우 110.2[V]가 측정되었으며 출력 전류는 1.3[A]가 측정되었다. 전력면에서 살펴보았을 때 입력 전력은 170[W] 였으며 출력 전력은 144[W]였음에 따라 84.7[%]의 효율을 보였다.

그림. 8. 인덕터가 존재할 때의 입·출력 전압,전류 파형

Fig. 8. Input·output voltage and current waveform with an inductor

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그림. 9. 인덕터가 존재하지 않을 때의 스위치 전압 및 L1 line 전류 파형

Fig. 9. Switch voltage and L1 line current waveform without an inductor

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그림 9는 인덕터가 존재하지 않을 때의 위치 전압 및 L1 line 전류 파형을 보여준다. Q1과 Q2는 27.5[kHz]에서 정상적으로 동작하고 있으며 인덕터가 존재하지 않아 지속적으로 흐르는 전류의 형태가 아닌 모습을 볼 수 있다. 이에 따라 L1의 평균 전류는 1.1[A]로 측정되었다.

그림. 10. 인덕터가 존재하지 않을 때의 입·출력 전압,전류 파형

Fig. 10. Input·output voltage and current waveform without an inductor

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그림 10은 푸쉬풀 컨버터의 변압기 2차측 인덕터가 존재하지 않을 때의 입, 출력 파형을 보여준다. 입력단의 전압은 11.91[V]로 나타났으며 입력 전류는 14.32[A]로 나타났다. AC의 출력 전압의 경우 114.3[V]가 측정되었으며 출력 전류는 1.274[A]가 측정되었다. 전력면에서 살펴보았을 때 입력 전력은 170.1[W] 였으며 출력 전력은 147[W]였음에 따라 86.42[%]의 효율을 보였다.

그림 8그림 10을 살펴보면 인덕터가 존재하지 않을 때가 인덕터가 존재할 때보다 전력 효율이 약 1.72[%] 높은 결과를 보였다. 입력의 전압, 전류의 크기는 거의 동일했지만 출력단의 전압이 약 4[V] 감소하였고 전류가 약 0.03[A] 증가하였다.

그림. 11. 인덕터 유무에 따른 DC link의 전압 비교 그래프

Fig. 11. DC link voltage comparison graph about inductor

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그림 11은 인덕터 유무에 따른 DC link의 전압을 도시한 그래프이다. 동일한 입력 전력을 기준으로 DC link를 측정한 경우 인덕터가 없을 때의 DC link 전압이 인덕터가 존재할 때 보다 최대 12.1[V] 높게 나타났다.

그림. 12. 인덕터 유무에 따른 전력 효율 비교 그래프

Fig. 12. Power efficiency comparison graph about inductor

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그림 12는 인덕터 유무에 따른 전력 효율을 비교한 그래프이다. 인덕터가 없을 경우 최대 전력 효율은 86.42[%] 였으며 인덕터가 있을 경우 최대 전력 효율은 84.7[%]로 나타났다. 두가지의 경우 중에서 인덕터가 없을 때의 경우가 항상 전력 효율이 높았으며 최대 2.2[%]의 높은 효율을 보였다.

4. 결 론

최근 태양광-ESS연계에 의한 신재생에너지의 발전 시스템에 대한 관심이 지대함과 동시에 전력변환 효율을 높이기 위한 설계 기법 및 소형 저가격화에 대한 추세에 따라 이들 장치의 사용처에 따른 적합 소자의 선정과 드라이빙 기술 등에 근거한 독립형 전원장치를 설계에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.

이에 따라 본 논문에서는 태양광-ESS연계를 위한 독립형 전원장치의 구성에 관한 주요 소자 중에서 인덕터가 인버터에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 이는 태양광 DC 전압을 승압시키기 위한 컨버터로 푸쉬풀(Push-pull) 컨버터를 이용하였다.

본 논문은 푸쉬풀 컨버터 기반의 전력 변환기를 이용하여 인덕터 유무에 대한 전압, 전류의 파형 및 효율을 비교·검토 하였다. 설계된 하드웨어를 이용하여 실험을 진행한 결과 전류의 연속모드 특성을 배제하고 단순히 인덕터가 없을 경우에는 최대 전력 효율이 약 86.42[%]로 나타났다. 또한 인덕터가 있을 경우에는 최대 전력 효율이 약 84.7[%]로 나타났음을 확인하였다. 두 가지 경우 중 인덕터가 없을 경우가 항상 전력 효율이 높았으며 최대 2.2[%]의 높은 효율을 보였다. 이러한 결과는 푸쉬풀 컨버터 2차측의 인덕터의 유무에 따라 전력 효율에도 영향을 줄 수 있다고 판단되며 단순히 효율만을 고려 지수로 판단한 경우에의 독립형 전원 장치를 설계할 경우에는 이러한 컨버터의 인덕터는 중요한 요소로 고려될 수 있다고 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20194030202290).

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저자소개

이현재 (Hyun-Jae Lee)
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He received his M.S. degree in Gachon University, Gyeonggi-Do, Korea. currently he is pursuing his Ph. D. degree in Gachon University, Gyeonggi- Do, Korea. His research interests are Power conversion and Power control.

E-mail : lhj501@gc.gachon.ac.kr

전해옥 (Hai-Ok Jeon)
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He is currently a CEO in the DS engineering, South Korea. (www.daidongs.com)

E-mail : ceo@dsengin.com

손성용 (Sung-Yong Son)
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He received the B.S. and M.S. degrees from the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea, in 1999 and 1992, respectively, and the Ph.D. degree in mechanical engineering from the University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA, in 2000. From 2000 to 2005, he worked with the 4DHomeNet and Icross-technology. He was a Visiting Scholar with the Lawrence Berkley National Laboratory (LBNL), in 2014. He is currently a Professor with the Department of Electrical Engineering, Gachon University, South Korea. His main research interests include smart grids, smart homes, and smart cities.

E-mail : xtra@gachon.ac.kr

손진근 (Jin-Geun Shon)
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He received his B.S., M.S. and Ph. D, degrees in the Department of Electrical Engineering from Soongsil University in 1990, 1992 and 1997. He was Chief Researcher in Electro- Mechanical Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd., Gyeonggi-do, Korea, during 1992-1995. He was a Postdoctoral Researcher in the Department of Electrical and Electronic Engineering, Kagoshima University, from 2002 to 2003. He was also a Visiting Scholar in the Power Electronics Laboratory, Michigan State University, from 2009 to 2010. He is currently a Professor at the school of Electrical Engineering, Gachon University, Korea. His research interests are the power conversion, control and diagnosis of power utility.

E-mail : shon@gachon.ac.kr