실제 날씨 환경에서 퍼지로직과 P&O 제어방식의 MPPT 동작 성능 분석

엄현상,양혜지,안현준,권용성 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.10

태양광(PV, Photovoltaic) 시스템의 발전량은 일사량 및 기온 등 날씨 변수에 따라 변동한다. 특히 일사량 변화에 민감하게 반응하는 PV 시스템의 출력 특성은 최대 전력 점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 변화하는 기상 환경에서도 효율적이며 안정적으로 최대 전력을 생산할 수 있다. 본 논문에서는 PV 시스템의 전력 생산 효율 개선과 안정성을 높이기 위해 퍼지 로직 기반의 MPPT 제어 방법을 제안한다. 제안한 방법의 성능 검증을 위해, 동일 기상 조건하에서 기존의 대표적인 MPPT 제어방식인 P&O(Perturb and Observe)와 새로 제안한 퍼지 로직의 효율과 안정성을 실증적으로 비교 및 평가한다. 더욱이 하드웨어의 안정도 및 신뢰도 향상을 위해 설계한 회로를 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)으로 제작하여 실험을 진행했다. 특정 기간동안 prototype으로 진행한 실험 결과를 통해, 본 논문에서 제안한 퍼지 로직 기반의 MPPT가 기존의 P&O MPPT 대비 4.4% 이상의 효율 개선과, 최대 전력 점에서 변동 폭의 39.7% 이상 감소가 확인된다. The power generation of a PV system changes according to the weather variables, such as solar radiation and temperature. In particular, the output characteristics of photovoltaic systems, which are sensitive to changes in solar radiation, can be produced effectively and reliably in various weather conditions through MPPT (Maximum Power Point Tracking) control. This paper proposes a fuzzy-based MPPT control method to improve the efficiency and stability of the power production from a solar system. To verify the performance of the proposed method, under the same weather environment, the efficiency and stability of the newly proposed fuzzy logic were compared and evaluated empirically with P&O (Perturb and Observe), a representative algorithm of MPPT control. Furthermore, the circuits designed to improve the reliability and reliability of the hardware were manufactured from Printed Circuit Boards (PCB) to conduct experiments. Based on the results of the experiment during a certain period, the fuzzy-based MPPT proposed in this paper improved the efficiency by more than 4.4% compared to the MPPT based on the existing P&O algorithm and decreased the fluctuation width by more than 39.7% at the maximum power point.

퍼지 로직 기반의 위성용 MPPT 개발 및 EBA를 통한 성능검증

염승용(Seung-Yong Yeom),박기연(Ki-Yun Park),김홍래(Hong-Rae Kim),장영근(Young-Keun Chang) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.9

저궤도 위성이 제한된 전력 내에서 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 효율적인 전력생산이 중요하다. 이를 위해 저궤도 소형위성의 전력계에서는 주로 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 방식을 사용하여 태양전지에서 생산되는 전력을 조절한다. 본 연구에서는 소형 큐브위성(KAUSAT-5)에 적용될 퍼지 로직 기반의 MPPT 알고리즘을 제안하며, 제안된 방법의 유용성을 확인하기 위해 MATLAB/Simulink와 STK (Systems Tool Kit)를 연동하여 시뮬레이션을 수행하였다. Simulink와 STK를 이용하여 위성 궤도와 자세에 따른 태양 광량과 운용모드에 따라 변하는 부하용량에 대해 KAUSAT-5의 두 가지 지향모드에서 EBA(Energy Balance Analysis)를 수행하였고, 이를 통해 제안된 퍼지 로직 기반의 MPPT 알고리즘의 성능을 확인하였다. 제안된 퍼지 로직 기반의 MPPT는 가장 일반적인 방법의 하나인 P&O (Perturbation & Observation)와 성능을 비교하여 유용성을 확인하였다. The satellite should generate electric power efficiently to perform the mission successfully within limited power. For this reason, the electrical power system of LEO satellites usually regulates the power which is generated from the solar cells using MPPT (Maximum Power Point Tracking) method. This paper proposes advanced MPPT algorithm based on the fuzzy logic applied to small CubeSat satellite. The simulation has been performed to confirm the validity of the proposed method by interlocking between MATLAB/Simulink and STK (Systems Tool Kit). The EBA(Energy Balance Analysis) has also been performed at two different pointing modes of KAUSAT-5 for solar irradiation according to the satellite orbit and attitude, and load capacity varied with operation modes by Simulink and STK. The performance of fuzzy logic-based MPPT algorithm was verified through the EBA. The validity of the proposed MPPT algorithm based on the fuzzy logic was also confirmed by comparing with P&O (Perturbation & Observation) algorithm that is general in the MPPT.

열전발전을 위한 DC-DC Converter의 입력측 전압 · 전류 센서없는 최대전력점 추적방식

김태경(Tae-Kyung Kim),박대수(Dae-Su Park),오성철(Sung-Chul Oh) 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.3

최근, 화석연료 고갈과 온실 가스 배출에 대한 우려가 높아지면서 신 · 재생 에너지 기술에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 휴대용 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 수요가 증가하고 IT기기들이 소형화되면서 배터리의 크기, 사용시간 등의 한계를 극복하기 위한 기술로 에너지 하베스팅이 있다. 본 논문에서는 열전소자의 V-I 특성곡선과 내부저항을 분석하고, 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O제어방식은 열전소자의 전압, 전류를 측정하기 위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 경제적으로 비효율적이다. 따라서 본 논문에서는 출력전압 조절을 위한 센서1개만을 이용하여 MPP를 추적하는 새로운 MPPT제어방식을 제안한다. 제안하는 MPPT제어방식은 duty ratio와 부하의 출력전압의 관계를 이용하였으며, DC-DC Converter의 출력전압을 주기적으로 샘플링하여 duty ratio를 증가 또는 감소시켜 최적의 duty ratio를 찾아 MPP를 유지하도록 제어된다. DC-DC Converter는 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded boost-Buck Converter를 이용하여 회로도를 설계하였다. 제안된 MPPT 제어방식은 PSIM 시뮬레이션을 이용한 모의실험을 통하여 검증하였고, 그 결과 열전소자의 V-I 특성곡선으로부터 얻어지는 MPP에서 전압 · 전류 및 전력값(V=4.2V, I=2.5A, P=10.5W)과 일치함을 확인하였다. Recently, research on renewable energy technologies has come into the spotlight due to rising concerns over the depletion of fossil fuels and greenhouse gas emissions. Demand for portable electronic and wearable devices is increasing, and electronic devices are becoming smaller. Energy harvesting is a technology for overcoming limitations such as battery size and usage time. In this paper, the V-I characteristic curve and internal resistance of thermal electric devices were analyzed, and MPPT control methods were compared. The Perturbation and Observation (P&O) control method is economically inefficient because two sensors are required to measure the voltage and current of a Thermoelectric Generator(TEG). Therefore, this paper proposes a new MPPT control method that tracks MPP using only one sensor for the regulation of the output voltage. The proposed MPPT control method uses the relationship between the output voltage of the load and the duty ratio. Control is done by periodically sampling the output voltage of the DC-DC converter to increase or decrease the duty ratio to find the optimal duty ratio and maintain the MPP. A DC-DC converter was designed using a cascaded boost-buck converter, which has a two-switch topology. The proposed MPPT control method was verified by simulations using PSIM, and the results show that a voltage, current, and power of V=4.2 V, I=2.5 A, and P=10.5 W were obtained at the MPP from the V-I characteristic curve of the TEG.

다이나믹 MPPT를 적용한 최대전력지점추종 알고리즘

고석환(Ko Suk-Whan),정영석(Jung Young-Seok),소정훈(So Jung-Hun),황혜미(Hwang Hye-mi),주영철(Ju Young-Chul) 한국태양에너지학회 2014 한국태양에너지학회 논문집 Vol.34 No.6

The efficiency of the maximum power point tracking(MPPT) of inverter which is used in grid-connected photovoltaic systems is changed according to dynamic environment conditions. Hence, this paper evaluates the performance of the proposed method and other MPPT algorithm on the basis of European Efficiency Test(EN50530). The modeling of MPPT algorithm is made by the Matlab & Simulink. In the result of simulation, the more control period is shorter, the more MPPT efficiency is higher. Also, the Proposed MPPT algorithm has higher performance than other MPPT algorithm with no regard to control period.

MPPT제어 알고리즘 고찰 및 효율시험 평가법

유권종,김기현,정영석,김영석 전력전자학회 2001 전력전자학회 논문지 Vol.6 No.2

본 논문에서는 대표적인 MPPT(Maximum Power Point Tracking)제어 알고리즘인 일정전압제어, P&O(Perturbation and Observation)제어, IncCond(Incremental Conductance)제어에 대하여 서술하고, 그 효율성을 검토해 보았다. 이를 위하여 시뮬레이션 및 효율시험을 통하여 정상상태 및 과도상태에 대한 각 알고리즘별 특성 및 효율을 분석하였다. 또한, MPPT 제어의 고효율화를 위하여 기존의 제어 알고리즘을 개선한 Two-Mode 제어법을 제안하였으며, MPPT 효율측정을 위한 회로구성 및 측정 방법을 제시하였다. This paper describes common MPPT(Maximum Power Point Tracking) control algorithm; Constant Voltage Control, P&O(Perturbation and Observation), IncCond(Incremental Conductance), and investigated it\`s efficiency. Though simulation and efficiency evaluation, the steady/transient states characteristics and efficiency of control algorithms are analyzed respectively. Also, two-mode MPPT control to improve on the existing control algorithm. Moreover, is proposed for high efficiency this paper suggests a topology for MPPT measuring efficiency and a method of examination.

빛 에너지 하베스팅을 이용한 MPPT 제어 기능을 갖는 배터리 충전기

윤은정,양민재,유종근,Yoon, Eun-Jung,Yang, Min-Jae,Yu, Chong-Gun 한국전기전자학회 2015 전기전자학회논문지 Vol.19 No.2

본 논문에서는 빛에너지 하베스팅을 이용한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 갖는 배터리 충전기를 제안한다. 제안된 회로는 MPPT를 이용하여 빛 에너지를 PV(photovoltaic) 셀로부터 수확하고, 수확한 에너지를 배터리에 연결하여 충전한다. 배터리 관리 회로에서 출력되는 신호에 따라, 배터리의 충전 상태가 조절된다. MPPT 제어는 PV 셀의 개방회로 전압과 MPP 전압간의 비례관계를 이용하여, 보조(pilot) PV 셀로 하여금 주(main) PV 셀의 MPP를 실시간 추적할 수 있도록 설계하였다. 제안된 회로는 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계하였으며, 모의실험을 통해 성능을 검증하였다. 설계된 회로의 최대 효율은 86.2%이며 칩 면적은 패드를 포함하여$1.35mm{\times}1.2mm$이다. This paper describes a battery charger using photovoltaic energy harvesting with MPPT control. The proposed circuit harvests maximum power from a PV(photovoltaic) cell by employing MPPT(Maximum Power Point Tracking) control and charges an external battery with the harvested energy. The charging state of the battery is controlled according to the signals from a battery management circuit. The MPPT control is implemented using linear relationship between the open-circuit voltage of a PV cell and its MPP voltage such that a pilot PV cell can track the MPP of a main PV cell in real time. The proposed circuit is designed in a $0.35{\mu}m$ CMOS process technology and its functionality has been verified through extensive simulations. The maximum efficiency of the designed entire system is 86.2% and the chip area including pads is $1.35mm{\times}1.2mm$.

전류센서가 없는 열전모듈의 최대전력점 추적방식

김태경(Tae-Kyung Kim),박대수(Dae-Su Park),오성철(Sung-Chul Oh) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.9

최근, 지구온난화 등의 문제로 인해 새로운 에너지 기술의 개발이 화제가 되고 있다. 중규모 이상의 출력을 얻도록 최적화된 태양광 및 태양열, 풍력 발전과 같은 신재생에너지 기술과 다르게 에너지 하베스팅기술은 출력전력이 매우 작아 크게 주목받지 못하고 있다. 하지만 최근 모바일 산업이 활성화 되면서 에너지 하베스팅기술의 활용가치가 재평가 받고 있다. 또한, 최대전력점 추적방식기술 역시 활발히 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 일정한 저항부하를 위한 열전모듈의 새로운 최대전력점추적 제어방식을 제안한다. 열전 모듈(이하 TEM: Thermoelectric Module)의 V-I곡선특성과 내부저항을 분석하고. 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O(Perturbation and Observation)제어방식은 전압, 전류를 측정하기위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 CV제어방식보다 경제성이 떨어지지만 보다 정확히 MPP를 찾는다는 장점을 가진다. CV(Constant Voltage)제어방식은 전압센서 1개만 사용하기 때문에 경제적인 측면에서는 P&O제어방식보다 뛰어나지만, MPP가 정확히 못하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 두 제어방식의 장점만을 가지고 TEM의 최대전력점(MPP)을 추적하도록 설계하였다. 제안된 MPPT 제어 방식은 PSIM 프로그램을 이용한 모의실험으로 확인하였으며, 하드웨어제작을 통해 제안된 MPPT제어 방식을 검증하였다. Recently, the development of new energy technologies has become a hot topic due to problems,such as global warming. Unlike renewable energy technologies, such as solar energy generation, solar power, and wind power, which are optimized to achieve medium or above output power, the output power of energy harvesting technology is very small and has not received much attention. On the other hand, as the mobile industry has been revitalized recently, the utility of energy harvesting technology has been reevaluated. In addition, the technology of tracking the maximum power point has been actively researched. This paper proposes a new MPPT(Maximum Power Point Tracking) control method for a TEM(thermoelectric module) for load resistance. The V-I curve characteristics and internal resistance of TEM were analyzed and the conventional MPPT control methods were compared. The P&O(Perturbation and Observation) control method is more accurate, but it is less economical than the CV (Constant Voltage)control method because it usestwo sensors to measure the voltage and current source. The CV control method is superior to the P&O control method in economic aspects because it uses only one voltage sensor but the MPP is not matched precisely. In this paper, a method wasdesigned to track the MPP of TEM combining the advantages of the two control method. The proposed MPPT control method wasverified by PSIM simulation and H/W implementation.

Applying Least Mean Square Method to Improve Performance of PV MPPT Algorithm

Poudel, Prasis,Bae, Sang-Hyun,Jang, Bongseog The Basic Science Institute Chosun University 2022 조선자연과학논문집 Vol.15 No.3

Solar photovoltaic (PV) system shows a non-linear current (I) -voltage (V) characteristics, which depends on the surrounding environment factors, such as irradiance, temperature, and the wind. Solar PV system, with current (I) - voltage (V) and power (P) - Voltage (V) characteristics, specifies a unique operating point at where the possible maximum power point (MPP) is delivered. At the MPP, the PV array operates at maximum power efficiency. In order to continuously harvest maximum power at any point of time from solar PV modules, a good MPPT algorithms need to be employed. Currently, due to its simplicity and easy implementation, Perturb and Observe (P&O) algorithms are the most commonly used MPPT control method in the PV systems but it has a drawback at suddenly varying environment situations, due to constant step size. In this paper, to overcome the difficulties of the fast changing environment and suddenly changing the power of PV array due to constant step size in the P&O algorithm, least mean Square (LMS) methods is proposed together with P&O MPPT algorithm which is superior to traditional P&O MPPT. PV output power is predicted using LMS method to improve the tracking speed and deduce the possibility of misjudgment of increasing and decreasing the PV output. Simulation results shows that the proposed MPPT technique can track the MPP accurately as well as its dynamic response is very fast in response to the change of environmental parameters in comparison with the conventional P&O MPPT algorithm, and improves system performance.

MPPT 알고리즘의 주기에 따른 발전 영향 분석

민준기(Joonki Min),최원석(Wonseok Choi) 대한전기학회 2018 전기학회논문지 P Vol.67 No.4

In this paper, we compared power generation characteristics of two MPPT algorithms, P & O and InC, applied to grid-connected solar inverters. The MPPT detects the voltage and current of the solar module string and transfers the power to the DC link. Since the grid is connected by the power conversion circuit, the grid connection control and the MPPT control influence each other. The power generation characteristics were analyzed by Psim simulation according to the MPPT cycle in the weak grid conditions.

일사량 변화를 고려한 PV 시스템의 개선된 P&O 알고리즘 개발

최정식(Jung-Sik Choi),고재섭(Jae-Sub Ko),정동화(Dong-Hwa Chung) 한국조명·전기설비학회 2010 조명·전기설비학회논문지 Vol.24 No.4

태양전지의 출력 특성은 비선형이고 온도와 일사량에 많은 영향을 받는다. 최대전력점 추종 제어는 태양광 발전의 출력을 최대로 하기 위해 사용되는 제어기법이다. 태양광발전 시스템의 출력 및 효율을 증가시키기 위해 더욱 우수한 최대전력점 추종 제어기법이 필요하다. 본 논문에서는 태양광 발전 시스템의 효율을 개선하기 위해 일사량을 고려한 새로운 최대전력점 추종 제어 알고리즘을 제시한다. 제시한 알고리즘은 종래의 P&O방법과 CV 방법을 혼합한 것이며, PSIM 시뮬레이터를 통하여 종래의 MPPT 알고리즘과 다양한 일사량 조건에서 성능시험을 비교하였다. 제시한 알고리즘은 종래의 알고리즘에 비해 출력의 자려진동없이 다양한 일사량에서 우수한 성능을 나타냈다. 이로서 본 논문에서 제시한 HB 방법의 최대전력점 추종 제어 알고리즘의 타당성을 입증하였다. The output characteristics of photovoltaic(PV) arrays are nonlinear and are affected by the temperature and solar insolation of cells. Maximum power point tracking(MPPT) methods are used to maximize PV array output power by tracking maximum power point(MPP) continuously. To increase the output efficiency of PV system, it is important to have more efficient MPPT. This paper proposes a novel maximum power point tracking(MPPT) control algorithm considering insolation to improve efficiency of PV system. The proposed algorithm is composed perturb and observe(P&O) method and constant voltage(CV) method. The proposed method is simulated under varying operating conditions. The effectiveness of these different MPPT methods is investigated thoroughly by PSIM simulation. The simulation results show that this proposed method provides better performance than conventional methods at a variable insolation without self-excited vibration of the power. By the simulation results, the validity of the proposed HB method is proved.