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100-kW 전력망 연계형 PV 배열의 상세 모델

이 예제에서는 DC-DC 부스트 컨버터와 3상 3레벨 VSC를 통해 25-kV 그리드에 연결된 100-kW 배열의 상세 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 '증분 컨덕턴스 + 적분 레귤레이터(Incremental Conductance + Integral Regulator)' 기법을 사용하는 Simulink® 모델을 통해 부스트 컨버터에 구현됩니다.

또 다른 예제(PVArrayGridAverageModel 모델 참조)는 DC-DC 컨버터와 VSC 컨버터에 대한 평균 모델을 사용합니다. 이 평균 모델에서 MPPT 제어기는 '섭동 및 관측(Perturb and Observe)' 기법을 기반으로 합니다.

상세 모델에는 다음 컴포넌트가 포함되어 있습니다.

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

  • 5-kHz DC-DC 부스트 컨버터: PV 고유 전압(최대 전력에서 273V DC)에서 500V DC로 전압을 증가시킵니다. 스위칭 듀티 사이클은 '증분 컨덕턴스 + 적분 레귤레이터(Incremental Conductance + Integral Regulator)' 기법을 사용하는 MPPT 제어기에 의해 최적화됩니다. 이 MPPT 시스템은 최대 전력을 추출하는 데 필요한 전압을 생성하기 위해 듀티 사이클을 자동으로 변경합니다.

  • 1980-Hz 3상 3레벨 VSC: VSC 컨버터는 500V DC 링크 전압을 260V AC로 변환하고 단위 역률을 유지합니다. VSC 제어 시스템은 2개의 제어 루프를 사용합니다. 즉, DC 링크 전압을 +/- 250V로 조정하는 외부 제어 루프와 Id 그리드 전류 및 Iq 그리드 전류(유효 전류 성분 및 무효 전류 성분)를 조정하는 내부 제어 루프입니다. Id 전류 기준은 DC 전압 외부 제어기의 출력입니다. Iq 전류 기준은 단위 역률을 유지하기 위해 0으로 설정됩니다. 전류 제어기의 Vd 전압 출력 및 Vq 전압 출력은 PWM 생성기에서 사용하는 3가지 변조 신호 Uabc_ref로 변환됩니다. 제어 시스템은 PLL 동기화 장치뿐만 아니라 전압 제어기 및 전류 제어기에도 100마이크로초의 샘플 시간을 사용합니다. 부스트 컨버터와 VSC 컨버터의 펄스 생성기는 PWM 파형의 적절한 분해능을 얻기 위해 1마이크로초의 빠른 샘플 시간을 사용합니다.

  • 10-kvar 커패시터 뱅크: VSC에서 생성된 고조파를 필터링합니다.

  • 100-kVA 260V/25kV 3상 결합 변압기

  • 유틸리티 그리드(25-kV 배전 피더 + 120kV 등가 송전 시스템)

100-kW PV 배열은 330개의 SunPower 모듈(SPR-305E-WHT-D)을 사용합니다. 이 배열은 병렬로 연결된 5개의 직렬 연결 모듈로 이루어진 66개의 스트링으로 구성됩니다(66*5*305.2W=100.7kW).

PV Array 블록의 '모듈' 파라미터를 사용하면 NREL System Advisor Model(https://sam.nrel.gov/)의 다양한 배열 유형 중에서 선택할 수 있습니다.

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 블록 메뉴를 사용하면 하나의 모듈에 대한 I-V 특성 및 P-V 특성과 전체 배열에 대한 I-V 특성 및 P-V 특성을 플로팅할 수 있습니다.

PV Array 블록에는 2개의 입력이 있습니다. 따라서 태양 일사량(입력 1, 단위: W/m^2)과 온도(입력 2, 단위: 섭씨도)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=0.05초까지, 부스트 컨버터와 VSC 컨버터로의 펄스가 차단됩니다. PV 전압은 개방 회로 전압에 대응됩니다(Nser*Voc=5*64.2=321V, PV 스코프에서 Vmean 추적 확인). 3레벨 브리지는 다이오드 정류기와 DC 링크 커패시터가 500V 넘게 충전되면 동작합니다(VSC 스코프에서 Vmean 추적 확인).

t=0.05초에서 부스트 컨버터와 VSC 컨버터의 차단이 해제됩니다. DC 링크 전압은 Vdc=500V에서 조정됩니다. 부스트 컨버터의 듀티 사이클은 고정됩니다(PV 스코프에 표시된 대로 D= 0.5).

t=0.25초에서 정상 상태에 도달합니다. 따라서 결과로 생성되는 PV 전압은 V_PV = (1-D)*Vdc= (1-0.5)*500=250V입니다(PV 스코프에서 Vmean 추적 확인). PV 배열 출력 전력은 96kW(PV 스코프에서 Pmean 추적 확인)인 반면 1000W/m^2 일사량을 통한 지정된 최대 전력은 100.7kW입니다. 25kV 버스에서의 위상 A 전압 및 전류가 위상(단위 역률)에 있는지 Scope Grid에서 관찰합니다. t=0.4초에서 MPPT가 활성화됩니다. MPPT 레귤레이터는 최대 전력을 추출하기 위해 듀티 사이클을 변화시키면서 PV 전압을 조절하기 시작합니다. 듀티 사이클이 D=0.454일 때 최대 전력(100.4kW)이 얻어집니다.

t=0.6초에서, PV 모듈 사양에서 예상한 대로(Nser*Vmp=5*54.7=273.5V) PV 배열 평균 전압은 274V입니다.

t=0.6초부터 t=1.1초까지 태양 일사량은 1000W/m^2에서 250W/m^2으로 감소합니다. MPPT는 최대 전력을 계속 추적합니다.

t=1.2초에서 일사량이 250W/m^2으로 감소했을 때 듀티 사이클은 D=0.461입니다. 대응하는 PV 전압과 PV 전력은 Vmean= 268V와 Pmean=24.3kW입니다. MMPT는 이처럼 일사량이 빠르게 변화하는 동안에도 최대 전력을 계속 추적합니다.

t=1.2초에서 t=2.5초 사이에 태양 일사량이 1000W/m^2으로 다시 복원되고 온도 상승의 영향을 관측하기 위해 온도는 섭씨 50도로 증가합니다. 온도가 섭씨 25도에서 섭씨 50도로 증가하면 배열 출력 전력은 100.7kW에서 93kW로 감소합니다.

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.