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100-kW 전력망 연계형 PV 배열의 평균 모델

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이 예제는 DC-DC 부스트 컨버터와 3상 3레벨 VSC를 통해 25-kV 그리드에 연결된 100-kW 배열의 평균 모델을 보여줍니다.

Pierre Giroux, Gilbert Sybille(Hydro-Quebec, IREQ) Carlos Osorio, Shripad Chandrachood(The MathWorks)

설명

100-kW PV 배열은 DC-DC 부스트 컨버터와 3상 3레벨 전압원 컨버터(VSC)를 통해 25-kV 그리드에 연결됩니다. 최대 전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)은 '섭동 및 관측(Perturb and Observe)' 기법을 사용하는 Simulink® 모델을 통해 부스트 컨버터에 구현됩니다.

또 다른 예제(PVArrayGrid 모델 참조)는 DC-DC 컨버터와 VSC 컨버터에 대한 상세 모델을 사용합니다. 이 상세 모델에서 MPPT 제어기는 '증분 컨덕턴스 + 적분 레귤레이터(Incremental Conductance + Integral Regulator)' 기법을 기반으로 합니다.

평균 모델에는 다음 컴포넌트가 포함되어 있습니다.

  • PV 배열: 1000W/m^2 태양 일사량에서 최대 100kW를 제공합니다.

  • DC-DC 부스트 컨버터(주황색 블록)

  • 3상 3레벨 VSC(파란색 블록).

  • 100-kVA 260V/25kV 3상 결합 변압기

  • 유틸리티 그리드

PV 배열, 컨버터, 그리드 연결에 대한 전체 설명은 PVArrayGrid 모델을 참조하십시오.

상세 모델과 이 평균 모델의 주요 차이점은 DC-DC 부스트 컨버터와 3상 VSC가 모델링되는 방법입니다. 이 평균 모델에서 부스트 컨버터와 VSC 컨버터는 스위칭 주파수의 한 사이클 동안 평균화된 AC 전압을 생성하는 등가 전압원으로 표현됩니다. 이와 같은 모델은 고조파를 표현하지 않지만, 제어 시스템과 전력 시스템의 상호 작용에서 발생한 동특성은 유지됩니다. 이 모델에서는 상세 모델보다 훨씬 더 큰 시간 스텝(50마이크로초 대 1마이크로초)을 사용할 수 있으므로 훨씬 더 빠르게 시뮬레이션할 수 있습니다. 평균 모델에서 PV 배열 모델에는 대수 루프가 포함되어 있습니다. 이 대수 루프는 큰 샘플 시간을 사용할 때 PV 모델의 반복적이고 정확한 해를 구하기 위해 필요합니다. 이 대수 루프는 Simulink로 쉽게 해를 구할 수 있습니다.

'섭동 및 관측(Perturb and Observe)' MPPT 알고리즘은 MPPT Control MATLAB® Function 블록에 구현되어 있습니다.

100-kW PV 배열은 병렬로 연결된 5개의 직렬 연결 305.2-W 모듈로 이루어진 66개의 스트링으로 구성됩니다(66*5*305.2W=100.7kW). 하나의 모듈에 대한 제조업체 사양은 다음과 같습니다.

  • 직렬로 연결된 셀 개수: 96

  • 개방 회로 전압: Voc= 64.2V

  • 단락 회로 전류: Isc = 5.96A

  • 최대 전력에서의 전압 및 전류: Vmp =54.7V, Imp= 5.58A

PV Array 블록에는 2개의 입력이 있습니다. 따라서 태양 일사량(입력 1, 단위: W/m^2)과 온도(입력 2, 단위: 섭씨)를 변경할 수 있습니다. 일사량 프로파일과 온도 프로파일은 PV 배열 입력에 연결되는 Signal Builder 블록에 의해 정의됩니다.

시뮬레이션

모델을 실행하고 스코프에서 다음과 같은 일련의 이벤트를 관찰합니다.

시뮬레이션은 표준 테스트 조건(섭씨 25도, 1000W/m^2)으로 시작합니다.

t=0초부터 t= 0.3초까지 부스트 컨버터의 듀티 사이클은 고정됩니다(PV 스코프에 표시된 대로 D= 0.5). 따라서 결과로 생성되는 PV 전압은 V= (1-D)*Vdc= (1-0.5)*500=250V입니다(PV 스코프에서 V_PV 추적 확인). PV 배열 출력 전력은 96kW(Pmean 추적 참조)인 반면 1000W/m^2 일사량을 통한 지정된 최대 전력은 100.7kW입니다. 25kV 버스에서의 A상 전압과 전류가 동상인지(즉, 역률이 1인지) Grid 스코프에서 관찰합니다.

t=0.3초에서 MPPT가 활성화됩니다. MPPT 레귤레이터는 최대 전력을 추출하기 위해 듀티 사이클을 변화시키면서 PV 전압을 조절하기 시작합니다. 듀티 사이클이 D=0.453일 때 최대 전력(100.7kW)이 얻어집니다.

t=0.3초부터 t=0.5초까지 PV 배열은 표준 테스트 조건(섭씨 25도, 1000W/m^2)에서 작동합니다. 듀티 사이클 D는 0.450과 0.459 사이에서 변화합니다. PV 모듈 사양에서 예상한 대로 PV 전압 = 273.5V(Nser*Vmp=5*54.7= 273.5V)이고 평균 전력 = 100.7kW입니다.

t=0.5초부터 t=1.0초까지 태양 일사량은 1000W/m^2에서 250W/m^2으로 감소합니다. 이 유형의 MPPT 제어기가 일사량이 일정하게 유지되는 동안에만 최대 전력을 추적하는 것을 볼 수 있습니다.

t=1.0초부터 t=1.5초까지 일사량은 일정하게 유지되고 250W/m^2인 경우 듀티 사이클 D는 0.466과 0.474 사이에서 변화합니다. 대응하는 PV 전압과 PV 전력은 V_PV= 265V와 Pmean=24.4kW입니다.

t=1.5초부터 t=6.0초까지 태양 일사량이 1000W/m^2으로 다시 복원되며, 온도의 영향을 관측할 수 있도록 온도는 섭씨 50도와 섭씨 0도 사이에서 변화합니다. 최소 온도(섭씨 0도)에서 최대 PV 출력 전력(107.5kW)이 얻어집니다.

참고 문헌

다양한 MPPT 기법에 대한 자세한 내용은 다음 논문을 참조하십시오.

Moacyr A. G. de Brito, Leonardo P. Sampaio, Luigi G. Jr., Guilherme A. e Melo, Carlos A. Canesin "Comparative Analysis of MPPT Techniques for PV Applications", 2011 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP).

모듈 특성은 NREL System Advisor Model(https://sam.nrel.gov/)에서 추출했습니다.