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영진 강
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 11 pp , 이용미 1, 박정민 1* 1 한국폴리텍대학전기과 The Arch Type PV System Performance Evaluation of Multi Controlled Inverter for Improve the Efficiency Mi-Yong Lee 1* and Jeong-Min Park 1* 1 Dept. of Electricity, Korea Polytechnics 요약태양전지를실제적인건물의한구성요소로이용하는건물일체형태양광발전 (BIPV : Building Integrated Photovoltaic) 시스템은기존의건물재료를대체하여재료비용및건설비용의절감효과를가져다주며건물의미적인가치를높여주는장점을가지고있다. BIPV에대한연구가유럽및미국, 일본등의나라에서오래전부터활발히수행되고있으며, 시장성또한무한확대되고있다. 아치형 PV 시스템은 PV 어레이의직병렬연결상태및아치각에따라효율특성이상이하지만이에관한분석은미흡하며, 아치형 PV 시스템을설계함에있어서미적인요소만고려하고이러한발전효율에관한요소는전혀고려되지않은채설계되고있다. 본논문에서는아치형 PV 시스템의효율에관한파라미터인위도와경도, 온도및일사량, 아치각, 시스템구성에따른각종손실등이에대한세부적인기술검토와각장비들의특성을정합시켜아치형 PV 시스템의최적화를이루어효율을개선시키고자한다. 아치형 PV 시스템의효율개선을위하여다중제어인버터방식을제안하고시뮬레이션툴인 Solar Pro를이용하여평판형및다양한아치형 PV 시스템을구성하여운전특성을비교분석하였다. Abstract It is saving material cost and construction cost by replacing conventional building materials, and It has advantages for aesthetic value. In the Europe, the United States, Japan and other country research about BIPV is actively being carried out and marketability is also being infinity expanding. Arch type PV systems efficiency characteristics is different depending on PV array's directly connection, parallel connection and arches angle, but is a lack of analysis on this nowadays. When the arch type PV system design up, they consider about aesthetic value and they didn't consider about generation efficiency. In this paper, we try to improve the efficiency through optimization of arch type PV system and estimation of the efficiency parameters of the arch type PV system, such as latitude, longitude, temperature, insolation, arch angle and each kind loss from system organization. For improving Arched PV system efficiency, proposed multiple control inverter system, and using simulation tool of Arched PV system "Solar pro", flat-plate type and many arch type PV system configuration the driving characteristics were compared and analyzed. Key Words : Photovoltaic, BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 1. 서론 태양전지를실제적인건물의한구성요소로이용하는 * Corresponding Author : Jeong-Min Park Tel: pvkorea@kopo.ac.kr 접수일 12 년 08 월 16 일수정일 12 년 09 월 11 일게재확정일 12 년 11 월 08 일 건물일체형태양광발전 (BIPV : Building Integrated Photovoltaic) 시스템은기존의건물재료를대체하여재료비용및건설비용의절감효과를가져다주며건물의미 5452

2 IPV IPV Idcbus I*dc S2 Iinv I*ac 적인가치를높여주는장점을가지고있다. BIPV에대한연구가유럽및미국, 일본등의나라에서오래전부터활발히수행되고있으며, 시장성또한무한확대되고있다.[1-2] 그러나 BIPV 분야의국내기술수준은아직초기단계로주택보급형으로주로많이설치되어있는주택용 3kW급태양광발전시스템이나 10kW급이상의중형시스템들도그방위는정남향이며설치위치는모두옥상에올리거나경사면옥상에덧붙이는초보적인디자인으로되어있다. 건물에적용되는 PV(Photovoltaic) 시스템은어레이의구조설계에따라평판형과미적인효과를고려한아치형으로분류할수있다. 평판형 PV 시스템은최대의전력을생산하기위하여 PV 어레이의각스트링의경사각은최적의경사각으로일정하다. 아치형은 PV 어레이를라운드형태로즉각스트링의경사각을일정하지않게변화를주어서라운드형태로설계하여미적인효과를부각시킨시스템이다.[3] 평판형 PV 시스템은소규모가정용으로부터대규모의발전시스템에이르기까지다양하게설치되어있으며아치형은중규모시스템으로건물에많이적용되어있다. 그러나이러한평판형 PV 시스템에대한운전특성이나설계에관한연구는활발히진행되고있으나아치형 PV 시스템에대한설계나운전특성분석은미흡한실정이다.[4] 아치형 PV 시스템은 PV 어레이의직병렬연결상태및아치각에따라효율특성이상이하지만이에관한분석은미흡하며, 아치형 PV 시스템을설계함에있어서미적인요소만고려하고이러한발전효율에관한요소는전혀고려되지않은채설계되고있다. 인버터는태양전지가최대전력으로발전하도록최대전력점추적 (Maximum Power Point Tracking : MPPT) 제어를하며발전된 DC 전력을 AC로변환해준다. 이러한인버터는 PV 스트링과의접속관계에따라직병렬연결된 PV 어레이의출력을제어하는집중형 (Central inverter), PV 모듈을직렬로연결하여구성된 PV 스트링의출력을제어하는스트링형 (String inverter), 각모듈의출력을제어하는모듈형 (Module inverter) 으로분류된다. PV 모듈의출력을직접제어하는모듈형인버터가효율이가장좋고다음스트링형이지만집중형보다전체부피가커지고비용도증가된다.[5-8] 따라서평판형뿐만아니라아치형등대부분의 PV 시스템은집중형인버터를적용하며아치형의경우효율저하의원인으로된다. 본논문에서는아치형 PV 시스템의효율에관한파라미터인위도와경도, 온도및일사량, 아치각, 시스템구성에따른각종손실등이에대한세부적인기술검토와 각장비들의특성을정합시켜아치형 PV 시스템의최적화를이루어효율을개선시키고자한다.[9-10] 아치형 PV 시스템의효율개선을위하여다중제어인버터방식을제안하고시뮬레이션툴인 Solar Pro를이용하여평판형및다양한아치형 PV 시스템을구성하여운전특성을비교분석하였다. 2. 본론 2.1 다중제어방식인버터제안된다중제어방식은스트링인버터의장점인경사각이서로다른각스트링의출력을각각제어하기위하여각스트링에컨버터를각각적용하여모든태양전지가최적동작을하도록제어한다. 또한각스트링의 DC-DC 컨버터의출력은 DC BUS를통하여하나의 DC-AC 컨버터로입력됨으로서부피를줄일수있다. 그림 1은제안된다중제어방식인버터의제어블록다이어그램을나타내고있다. 3개의스트링컨버터는독립적인 MPPT 제어를통하여병렬로연결되어있다. 계통연계형인버터는 DC BUS로부터직류전력을입력받아풀-브리지방식인버터를통하여 AC로변환하고 LCL 필터를통하여고조파를감소하고저주파변압기를통하여계통과연계된다. PV string1 V PV PV string2 V PV PV string3 V PV I PV MPPT MPPT MPPT Boost converter L SB PWM L SB PWM L SB PWM DC BUS + - S 1 PW M Current Controller PI controller S 3 S 4 Grid connected inverter I ac error - + LCL filter Zero crossing detection Sin e w av e re ference determination Power Transformer [ 그림 1] 다중제어인버터의블록다이아그램 [Fig. 1] Control block diagram of the multi controlled inverter 표 1은다중제어방식인버터의파라미터를나타내고있다. 3개의 DC 입력은정격용량이 1[kW] 인 3개의 DC-DC 부스트컨버터부로입력되어각각개별적으로제어되며각 DC 입력전압범위는 [V] 이고모두 300 [V] 로부스트되어 DC BUS로출력한다. DC-AC 인버터부는정격용량이 3[kW] 이며 300 [V] 의 DC BUS 전압을입력받아상용계통의 220 [V], 60 [Hz] 의 AC로변환하여전력계통과연계된다. Grid 5453

한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 [ 표 1] 다중제어인버터파라미터 [Table 1] Parameters of the multi controlled inverter Parameters Volume Unit DC-AC inverter DC-DC converter AC output power ( ) 3 [kw] AC output

2] Output characteristics of DC-AC inverter 2.2 시뮬레이션 2.2.1 DC-AC 인버터본논문에서는 PV 스트링의경사각이서로다른아치형 PV 어레이의출력특성및제안한다중제어방식의인버터의출력특성과다중제어방식의인버터를적용시아치형 PV 시스템의특성을분석하기위하여 Simulink를이용하여시뮬레이션을하였다.

[ 표 2] 태양전지파라미터 [Table 2] Parameters of Solar Cell Parameter Maximum power (Pmax ) Max. power voltage (Vmp ) Max.

3 한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 [ 표 1] 다중제어인버터파라미터 [Table 1] Parameters of the multi controlled inverter Parameters Volume Unit DC-AC inverter DC-DC converter AC output power ( ) 3 [kw] AC output voltage ( ) 220 [V] AC frequency ( ) 60 [Hz] DC output power ( ) 1 [kw] Converter quantity 3 [EA] DC input voltage ( ) [V] DC Output voltage( ) 300 [V] [ 그림 2] DC-AC 인버터의출력특성 [Fig. 2] Output characteristics of DC-AC inverter 2.2 시뮬레이션 DC-AC 인버터본논문에서는 PV 스트링의경사각이서로다른아치형 PV 어레이의출력특성및제안한다중제어방식의인버터의출력특성과다중제어방식의인버터를적용시아치형 PV 시스템의특성을분석하기위하여 Simulink를이용하여시뮬레이션을하였다. 시뮬레이션에서는정격용량이 53 [W] 인 PV 모듈 60 장을 10직렬 2병렬을하나의 PV 스트링으로 3개의 PV 스트링을구성하여정격용량이 3 [kw] 의아치형 PV 어레이를구성하였다. 표 2는태양전지모듈의파라미터를나타내고있다. [ 표 2] 태양전지파라미터 [Table 2] Parameters of Solar Cell Parameter Maximum power (Pmax ) Max. power voltage (Vmp ) Max. power current (Imp ) Open circuit voltage (VOC ) Short circuit current (ISC ) Value 53 [W] 17.4 [V] 3.04 [A] 21.0 [V] 3.35 [A] [ 그림 3] 일사량변화에따른 DC-AC 인버터의출력특성 [Fig. 3] Output characteristics of DC-AC inverter according to variation insolation 아치형 PV시스템의운전특성본논문에서는아치형 PV 시스템의성능분석을위하여시뮬레이션툴인 Solar Pro를이용하여평판형및아치형 PV 시스템에대하여시뮬레이션을수행하였다. 그림4는시뮬레이션구성도를나타낸것이다. 시뮬레이션에서평판형및아치형 PV 시스템은모두경도 , 위도 35.1 에위치하고방위각은정남향으로하였다. 평판형 PV 시스템의경우집중식인버터를적용하였고아치형의경우제안한다중제어방식과집중식인버터를각각적용하였으며집중식및다중제어방식의인버터의효율은모두 92% 로하여출력특성을비교분석하였다. 그림 2는인버터의출력전압, 전류및 PWM 신호를나타내고있고그림 3은 PV 스트링및 DC-DC 컨버터와연결시일사강도에따른인버터출력전압및전류를나타내고있다. 그림 2 및 3에서와같이인버터출력은 220 [V], 60 [Hz] 이며일사강도가증가함에따라 MPPT 제어에의하여출력전류가상승함을알수있다. (b) arch type [ 그림 4] PV 어레이구성도 [Fig. 4] PV array configuration 5454

그림 5는평판형및아치형 PV 시스템의성능비 PR(Performance Ratio) 특성을나타내고있다. 평판형의경우경사각이 30 시 PR이 74.

그러나제안한다중제어방식의인버터를적용할경우아치각이 20 40 시최대로 73.6% 이고다양한아지각에서모두 71% 이상의우수한 PR 특성을나타내고있다. 이는평판형보다는 0.

평판형의경우최적경사각인 20 40 사이에서는 Lc 가 0.8 [h/d] 이하로가장적으며그외에는 0.9 [h/d] 이상으로급격히상승한다.

82 [h/d] 좌우로평판형과큰차이가없음을알수있다. 그림 7은평판형및아치형 PV 시스템의인버터손실인 Ls(System losses) 특성을나타내고있다.

그림 8은평판형및아치형 PV 시스템의 PR, Lc, Ls의백분비특성을나타내고있다. 평판형은경사각이 0 90 까지시스템성능비는 46.16% 70.66%, 어레이손실은 27.8% 49.

4 그림 5는평판형및아치형 PV 시스템의성능비 PR(Performance Ratio) 특성을나타내고있다. 평판형의경우경사각이 30 시 PR이 74.1% 로가장우수하고아치형의경우집중식인버터를적용시아치각이 시최대로 66.9% 이고평균 66% 좌우로평판형보다 8% 의성능저하를나타내고있다. 그러나제안한다중제어방식의인버터를적용할경우아치각이 시최대로 73.6% 이고다양한아지각에서모두 71% 이상의우수한 PR 특성을나타내고있다. 이는평판형보다는 0.5% 의미세한성능저하를나타내고있지만집중식인버터적용시보다성능이약 7% 향상됨을알수있다. 그림 6은평판형및아치형 PV 시스템의어레이손실인 Lc(Capture losses) 특성을나타내고있다. 평판형의경우최적경사각인 사이에서는 Lc 가 0.8 [h/d] 이하로가장적으며그외에는 0.9 [h/d] 이상으로급격히상승한다. 아치형의경우집중식인버터를적용시 1 [h/d] 이상으로어레이손실이아주크지만본논문에서제안한경사각이서로다른각 PV 스트링을각각제어하는다중제어방식의인버터를적용시에는 0.82 [h/d] 좌우로평판형과큰차이가없음을알수있다. 그림 7은평판형및아치형 PV 시스템의인버터손실인 Ls(System losses) 특성을나타내고있다. 다중제어방식및집중식인버터의효율을모두 92 [%] 로정하였으므로어레이손실 Lc이증가하면어레이등가가동시간 가감소하며따라서인버터가동시간 도감소하 며인버터손실 Ls 도줄어든가동시간만큼감소한다. 그림 8은평판형및아치형 PV 시스템의 PR, Lc, Ls의백분비특성을나타내고있다. 평판형은경사각이 0 90 까지시스템성능비는 46.16% 70.66%, 어레이손실은 27.8% 49.8%, 시스템손실은 4% 6.4% 로되었고집중형인버터방식의아치형은아치각이 변화에따른시스템의성능비가 66.7% 66.89%, 어레이손실은 19.5% 27.2%, 시스템손실은 5.8% 6.4% 다중제어방식의아치형은아치각이 변화에따른시스템의성능비가 71.27% 73.64%, 어레이손실은 19.95% 22.53%, 시스템손실은 6.2% 6.4% 로나타났다. [ 그림 5] 성능비차이 [Fig. 5] Performance ratio distinctive [ 그림 6] 어레이손실특성 [Fig. 6] Capture losses distinctive 5455

한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 [ 그림 8] 시스템성능비, 어레이손실, 시스템손실특성 [Fig.

5 한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 [ 그림 8] 시스템성능비, 어레이손실, 시스템손실특성 [Fig. 8] System PR, Lc, Ls distinctive 3. 결론 [ 그림 7] 시스템손실특성 [Fig. 7] System losses distinctive 아치형 PV 시스템은기존의집중형인버터를적용시효율저하의원인으로됨을확인하였고본논문에서는다중제어방식의인버터를제안하였으며시뮬레이션을통하여수행한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 평판형및아치형 PV 시스템에대한시뮬레이션을통하여평판형 PV 시스템의경우최적의경사각은 30 이고아치형 PV 시스템의경우최적아치각은 10 30, 임을확인할수있었다. 평판형 PV 시스템의경우최적의경사각에서시스템의성능비 PR은 74.1% 로우수하고아치형 PV 시스템의경우집중형인버터를적용시최적아치각에서 66.9%, 평균 66% 좌우로 8% 의효율저하를나타냈지만제안한다중제어방식의인버터를적용시최적아치각의경우 73.6% 로 0.5% 의차이밖에없으며또한다양한아치각에서 71% 이상의성능비특성을확인할수있었다. 아치형 PV 시스템의효율저하의원인은 PV 어레이의손실 Lc 로나타났으며평판형의경우최적경사각에서는 Lc 가 0.8 [h/d] 이하이고아치형의경우집중식인버터를적용시 1 [h/d] 이상으로어레이손실이아주크지만제안한다중제어방식의인버터를적용시에는 0.82 [h/d] 좌우로평판형과큰차이가없음을확인할수있었다. 다중제어방식의인버터를구성하고시뮬레이션을통하여출력특성을분석한결과경사각이서로다른 PV 스트링을각각제어함으로서 PV 어레이의손실을감소할수있음을확인하였다. 향후제안한다중제어방식의인버터를아치형 PV 시스템에적용하여모니터링시스템을구축하고장기간의운전에따른특성분석에관한연구를진행하고자한다. 5456

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Dec.; 27(12),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Dec.; 27(12), 1036 1043. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.12.1036 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online)