Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 12 pp. 6006-6012, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.12.6006 박대수 1, 오성철 1* 1 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 Development of Solar Power System of Driving a Hybrid LED Streetlight Dae-Su Park 1 and Sung-Chul Oh 1* 1 School of Electrical, Electronics & Communication Engineering, Korea University of Technology and Education 요약태양광가로등시스템에사용되는전원장치는배터리충전을위한충전기와 LED Lamp를구동하기위한 LED 드라이버로구성되어있는데일반적인시스템에서는별도의전원장치로구성되어있다. 본연구에서는충전기와 LED 드라이버를한개의전원장치로구성하였다. 특히장치의효율을높이기위하여계통연계형태양광발전시스템에적용하는최대전력추적 (Maximum Power Point Tracking: MPPT) 방식을충전기에적용하였다. LED 드라이버에필수적인정전류방식은충전기의전류제어루틴을사용하여구현하였다. Abstract General solar street light system needs two separate power supply for charging the battery and driving LED Lamp. In this study, one power supply is used for both charging battery and driving LED lamp. In particular, in order to increase the efficiency of the equipment, (maximum power point tracking:mppt) was applied which is widely adopted in grid-connected solar systems. LED driver embodied using current control routine of charger into Essential constant current system. Key Words : MPPT, battery charger, LED driver 1. 서론 기존의독립형태양광가로등시스템은태양전지에서발전된전력을배터리에축전한후야간에가로등의전원으로이용하는시스템으로구성되어있다. 이시스템의장점으로서는 1) 신재생에너지도입을통한에너지저감 2) 전력인프라가갖춰지지못한지역에저비용으로신속한대처가가능 3) 에너지절약과환경보호의환경을제공하고이에따른제고효과를들수있다. 그러나이시스템의단점으로서는 1) 일조조건에의존한안정적동작에대한불확실성 2) 불확실한기상조건에대비한시스템 의거대화 3) 높은초기비용 4) 잦은고장으로인한높은유지보수비용 5) AC 조명에따른전력효율저하를들수있다. 본논문에서는독립형태양광가로등시스템의배터리충전기와 LED 드라이버로사용이가능한전원장치를개발하였다. 특히충전효율향상을위해서최대동작점을추종하도록제어하여최대전력을얻는 MPPT를사용하였으며그중에서도계통연계형장치에서사용되는 Two-mode MPPT 알고리즘을이용하였다. 이알고리즘을 Buck converter에적용하였으며, 제어방식은 AVR인 ATMega128를이용하여구현하였다. 본논문은한국기술교육대학교연구과제로수행되었음. * Corresponding Author : Sung-Chul Oh (Korea University of Technology and Education) Tel: +82-41-560-1165 email: scoh@koreatech.ac.kr Received July 9, 2012 Revised (1st November 7, 2012, 2nd December 4, 2012) Accepted December 6, 2012 6006
2. 본론 2.1 시스템의구성 기존시스템의구성은 Fig. 1과같으며, 기존시스템의각장치의기능은다음과같다. 1) 충전컨트롤러 : 태양전지에서발생된전력을축전지충전에알맞은전압과전류로변환 2) AC/DC 컨버터 : AC 전원을 LED 가로등에서사용하는 DC 전력으로변환 3) 스위칭컨트롤 : 축전지의전압을감시하여축전지의과충전및과방전을방지하고축전지방전시전원소스를축전지에서 AC 전압으로전환 LED Lamp 구동을위한 SMPS와충전컨트롤러가별도의장치로구성되어있으며 AC 시스템을백업으로활용하고있다. 제안된시스템의구성은 Fig. 2에서와같이한개의전원장치로배터리충전기, LED 드라이버기능을동시에수행하며태양전지모듈과배터리의용량을충분히크게설계하여 AC 백업시스템의필요성을작게한다. 2.2 변수에따른 MPPT 제어방법 2.2.1 개방회로전압방식 [Fig. 3] 은태양광발전시스템에서최대전력점을추적하는회로를블록도로나타내었다. 개방회로전압방식에서는전지의최대전력점에서의동작전압 (Vop) 이개방회로전압 (Voc) 에선형적으로비례한다는사실을이용하여식 (1) 과같이나타냈었다. Vop=KVoc (1) 개방회로전압방식은태양전지의개방회로전압 (Voc) 를샘플링한후식 (1) 을이용하여동작전압 (Vop) 을구한후이를전압명령 (V*) 으로사용한다. 이전압명령과태양전지의출력전압 (Vop) 를비교하여스위치에듀티신호를인가하므로최대전력점이추종된다. 이제어방식은매우간단한제어회로를가지고서도비교적최대전력점을잘추적한다. 그러나이방식은샘플링이이루어진후다음번샘플링이발생될때까지전압명령 (V*) 이일정하게유지되기때문에태양전지의출력전압이매스위칭주기마다고정된전압명령 (V*) 를추종하게되어있어항상출력전력에상당한오차를갖는문제점이있다. Fig. 3은이방식을설명하는블록도이다. [Fig. 1] Composition of existing system [Fig. 3] Block diagram of an open-circuit voltage system[1] [Fig. 2] Composition of proposed system 2.2.2 P&O MPPT 알고리즘 P&O(Perturbation and Observation) 제어방법은간단한피드백구조를갖으며소수의측정파라미터를갖기때문에널리사용된다. 이는태양전지전압을주기적으로증가, 감소시킴으로써동작하며, 이전의교란주기동안의태양전지어레이출력전력과함께현재어레이출력전력비교에의해최대전력의상태를연속적으로추적하며찾는다. 이방법은 Fig. 4와같은순서도에의해동작한다. 6007
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 전력이증가하면교란은다음주기동안계속해서같은방향으로증가할것이며그렇지않으면교란의방향은반대가된다. 이것은태양전지단자전압이모든 MPPT 주기동안교란된다는것을의미한다. 그러므로 MPP(Maximum Power Point) 에이르렀을때 P&O 알고리즘은일정혹은천천히변하는환경조건에서자려진동 (Self-Oscillation) 할것이며그결과태양전지의손실이발생하게된다. 이문제는 MPP에도달했을때를검출하기위해바로앞의주기동안의두개의파라미터비교와교란부를바이패스하기위한 P&O 알고리즘의개선에의해해결할수있다. 전력손실을줄이기위한다른방법으로는교란스텝의감소가있다. 그러나이방법은환경조건이급하게변할경우 MPP 추적속도가늦어지게되므로스텝의결정이중요하게된다.[2] 사량까지 MPPT 추종및효율특성이양호함을입증한다. [Fig. 5] Two-mode MPPT Algorithm 2.3 충전기설계 2.3.1 전력회로설계 [Fig. 6] Buck converter circuit [Fig. 4] P&O MPPT Algorithm 2.2.3 Two-mode MPPT 알고리즘 Two-mode 제어방법은태양전지어레이의출력전력의효율을극대화하기위하여제안한방법이다. 실험상에서 P&O 방법이낮은일사량에서일정전압제어보다효율이높지않으므로, 특정의낮은일사량에서일정전압제어방법으로제어루틴을변경하는방법이다. 이방법에대한순서도는 Fig. 5와같다. 이알고리즘은일사량센서를이용하거나전력량을가지고일사량값으로바꾸어프로그램상에서제어루틴을변경할수도있으며,[3] 이방식은낮은일사량에높은일 목표사양은다음과같다. - 입력전압 Vs=17.5V - 출력전압 Vo=14V - 출력전류 Io=6A - 스위칭주파수 F=10KHz - 출력전류리플 : 정격의 10%, ΔIo=0.6A - 출력전압리플 : 정격의 10%, ΔVo=1.4V 옴은법칙을이용하여식 (4) 을나타내었으며, 인덕터 전류 은 구간동안상승하고, 구간 동안하강한다. 정상상태에서전류의상승과하강폭은동일하므로다음과같이출력전압의평균값 에대한관 6008
계식을얻을수있다. (2) 정리하면출력전압 는다음과같다. (3) 주어진목표사양을만족하는인덕터 L값과캐패시터 C의값은정상상태에서유도한전류리플과전압리플을이용하여식 (6)~ 식 (7) 과같이나타내었다. [Fig. 8] Input voltage waveform 출력저항 : R = V o/i o=14/6=2.33ω (4) 듀티비 : D = V o/v s=14/17.5=0.8 (5) 인덕터전류 : I L=I o=6a 인덕턴스값 : L = V o(v s V o)/ I o F V s (6) =14 (17.5 14)/ 0.6 10000 17.5 = 466.66uH 캐패시턴스값 : C = 1-D/8L ( V o/v o) F 2 (7) = 1-0.8/8 466.66 10-6 (1.4/14) 10000 2 =5.35uF 2.3.2 전력회로시뮬레이션 Fig. 7은전력회로로사용된 Buck converter의회로도이다. IsSpice에실제구현되는소자와정격이비슷한소자들을적용하여시뮬레이션을실행하였다. 전력회로의스위칭소자의게이트신호는 IsSpice의 pulse generator 기능을통해인가한다. [Fig. 9] Output voltage waveform 2.4 하드웨어의구성하드웨어의구성은 Fig. 10과같다. 제어기로서는저가의 AVR인 ATmega128이사용되었으며주회로방식은 Buck converter를채용했다. [Fig. 10] Composition of hardware [Fig. 7] Circuit diagram of power used in the simulation Fig. 8, Fig. 9는각각입력전압, 출력전압파형이다. 목표사양으로제시된정격의 10% 이내로출력전압리플이유지됨을확인할수있다. 2.4.1 Buck converter 의상세설계 (1) 주스위칭소자의선정주스위칭소자는입력전압이상대적으로낮으므로내압 120V, 정격전류 50A인 Fuji사의 MOSFET 2SK2833-R을선정했다. (2) 다이오드의선정사용되는다이오드는빠른역회복특성을갖는 6009
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 FRD(Fasr Recovery Diode) 인 C10P40F 를선정했다. (3) 인덕터의설계인덕터는정격전력을공급할수있는코어를선정하였으며전기적정격 nh/n2에서턴수를결정하였으며인덕터에사용된코어는 TDK사의 PC30EI30-Z를선정했다. 계산된턴수는 9턴이다. 2.5 소프트웨어의구성 Fig. 11에서는 Interrupt를걸어센서를통해전압과전류를체크하고그것을 A/D 변환을통해 MCU에값을가져오며, 이때 A/D 변환은포트 B 출력설정을하고 PF4-PF7 출력, PF0-PF3 입력을사용한다. MCU에서는 A/D 변환한값을가지고 MPPT를실행한다. MPPT 루틴은 P&O 방식을사용한 2모드방식을채택하였으며전압, 전류제어는 PI 제어기를사용하여오차와잔류편차를줄인다. 마지막으로 PWM은 PE3을사용해서안정적인전력을공급하도록하였다. [Fig. 12] Software block diagram[4] 2.5.1 PI 제어 PI 제어란오차신호를적분 (integral) 하여제어신호를만들어내는적분제어를비례제어에병렬로연결하여사용하는제어말한다. 이를비례적분제어기 (Proportional- Integral Controller) 라고하고, 영문약자를써서 PI제어기라고부른다. Fig. 13의토막선도는플랜트에비례적분제어기를연결해서구성한피드백제어시스템을보여주고있다. 오차신호와제어신호사이의전달함수로표시되는 PI제어기의전달함수는다음과같이나타낸다. (8) [Fig. 13] Feedback control system by pi control [Fig. 11] Software flowchart MPPT의입력은태양전지의출력전압과전류로서 MPPT의출력은전압명령 V* 이된다. 전압명령 V* 은다시출력전압과비교한후그차이를 PI제어기와제한기를통하여전류명령 I* 로변환된다. 전류명령 I* 는다시출력전류와비교한후그차이를 PI제어기와제한기를통하여전압명령 V* 로다시변환하며이를최대전압과비교해서 Buck conveter에사용한스위치의듀티비를출력하게된다. 2.6 실험특성 제어기는 ATMega128로전력회로는 Buck converter로구성되어있다. [Fig. 14] Gate signal waveform 6010
캐패시턴스값 : C = 1-D/8L ( V o/v o) F 2 (14) = 1-0.85/8 519.48 10-6 (1.2/12) 10000 2 =3.61Uf 목표사양을조금상회하지만 LED 드라이버로사용하는데큰지장은없다고판단된다. [Fig. 15] Output voltage waveform Fig. 14는제어기에서출력된게이트신호를나타내며 Fig. 15는전력회로의출력전압파형이다. 1.6V의리플이관측되지만정격 10% 정도의리플을관측할수있다. 2.7.2 실험파형 LED 드라이버의특성을알아보기위하여충전기에서사용한 H/W을이용하여듀티비를변화시켰을때의출력을측정하였다. Fig. 16은변화된듀티비 0.7을나타내며 Fig. 17은이때의출력전압을나타낸다. 2.7 LED 드라이버설계 2.7.1 전력회로앞에서설명한바와같이전력회로, H/W는충전기와같은장치를사용하며 S/W는 MPPT에서사용된전류제어루틴을사용하여정전류제어를할수있다. LED 드라이버의목표사양은다음과같다. -입력전압 V s=14v -출력전압 V o=12v -출력전류 I o=3.3a -스위칭주파수 F=10KHz -출력전류리플 : 정격의 10%, I o=0.33a -출력전압리플 : 정격의 10%, V o=1.2v [Fig. 16] Duty ratio changes waveform 주어진목표사양을만족하는인덕터 L값과캐패시터 C의값은정상상태에서유도한전류리플과전압리플은식 (11) 과 (12) 와같으며, 이식을통하여식 (13) 와식 (14) 과같이나타내었다. 출력저항 : R=V o/i o=12/3.3=3.63ω (9) 듀티비 : D=V o/v s=12/14=0.85 (10) 충전기회로를 LED 드라이버를구성했을때예상되는전류, 전압리플은식 (13) 과 (14) 와같이나타내었다. I o=v o(v s-v o)/l F V s=0.6a (11) V o=v o(1-d)/8l C F 2 =1.5V (12) 인덕터전류 : I L=I o=3.3a 인덕턴스값 : L = V o(v s V o)/ I o F V s (13) =12 (14 12)/ 0.33 10000 14 = 519.48uH [Fig. 17] Duty ratio according to output voltage waveform 3. 결론 독립형태양광가로등시스템은태양전지에서발전된전력을배터리에축전한후양간에가로등의전원으로이용하는시스템으로구성되어있다. 이시스템은전력인프라가갖춰지지못한지역에설치시장점이있으나높은초기비용등의단점이있다. 기존의태양광가로등시스템에사용되는전원장치는배터리충전을위한충전기와 LED 등을구동하기위한 LED 드라이버로구성되어있으며, 장치의특성상별도의전원장치로 AC/DC 변환장치가구성될수있다. 그러나본논문에서제시한태양광가로등시스템은충전기는낮시간에구동하고 LED 드라이버는야간에구 6011
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 동것을착안하여충전기와 LED 드라이버를한개의장치로구동하는방식을제안하였다. 즉, LED 드라이버는정전류방식을이용하여구동하고, 충전기는전류제어루틴방식을이용하여구동하였으며, 이방식을제어하기위해 AVR을이용하였다. 결과적으로기존의 DSP를이용한시스템을사용하지않고제안한 AVR 시스템을사용함으로써장치의소형화및가격저감효과를가져올수있다. 특히장치의효율을높이기위하여계통연계형태양광발전시스템에적용하는최대전력추적 (Maximum Power Point Tracking : MPPT) 을충전기에적용하여충전기의효율을약 10% 향상시킬수있었다. References 오성철 (Sung-Chul Oh) [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 서울대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1982 년 2 월 : 서울대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1989 년 5 월 : Univ. of Florida 전기공학과 ( 공학박사 ) 1982 년 ~ 1994 년 : 한국전기연구원선임연구원 1994 년 9 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부교수 < 관심분야 > 전력변환장치설계, 전원장치설계, 전동기제어 [1] Dong-Yun Lee, Hyeong-Ju Noh, Dong-Seok Hyun, An Improved MPPT Converter with Current Compensation Method for Small Scaled PV-Applications, THE KOREAN INSTITUTE OF POWER ELECTRONICS. 2003. 4. [2] Gyu-Yeong Choe, Jong-Soo Kim, Hyun-Soo Kang, Byoung-kuk Lee, Design of Photovoltaic Generation System Using PLECS, THE KOREAN INSTITUTE OF POWER ELECTRONICS. pp. 16-18 2007. 7. [3] Gwon-Jong Yu, Ki-Hyun Kim, Young-Seok Jung, Young-Seok Kim, A Study on the MPPT Control Algorithm and Efficiency Evaluation Method, THE KOREAN INSTITUTE OF POWER ELECTRONICS. 2001. 4. [4] Kyung-Soo Lee, Young-Seok Jung, Jung-Hun So, Gwon-Jong Yu, and Jaeho Choi, A Suggestion of New MPPT Algorithm in the PV system, 2003. 박대수 (Dae-Su Park) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 건양대학교디지털정보제어공학 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학과전기공학전공석사과정졸업예정 < 관심분야 > 전원장치설계, 신재생에너지 6012