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단상, 240Vrms, 3500W 변압기 없는 전력망 연계형 PV 배열

모델 열기

이 예제에서는 전력 유틸리티 그리드에 연결된 일반적인 변압기 없는 PV(태양광 발전) 주거용 시스템의 동작을 보여줍니다.

PV 배열

SPS PV 배열 모델은 직렬로 연결된 PV 모듈과 병렬로 연결된 PV 모듈로 구성된 PV 배열을 구현합니다. 이 모델을 사용하면 NREL System Advisor Model (Jan. 2014)에서 제공되는 다양한 사전 설정 PV 모듈과 사용자 정의 PV 모듈을 모델링할 수 있습니다. PV Array 블록에는 다양한 태양 일사량(입력 Ir, 단위: W/m^2)과 온도(입력 T, 단위: 섭씨) 데이터를 제공할 수 있는 2개의 입력이 있습니다.

여기에 나온 예제에서 PV 배열은 직렬로 연결된 14개의 Trina Solar TSM-250 모듈로 이루어진 하나의 스트링으로 구성됩니다. 섭씨 25도에서 태양 일사량이 1000W/m2이면 스트링은 3500W를 생산할 수 있습니다.

PV 배열의 + 단자와 - 단자에 연결된 2개의 소형 커패시터는 PV 모듈과 접지 사이의 기생 커패시턴스를 모델링하는 데 사용됩니다.

단상 DC/AC 컨버터

인버터는 PWM 제어 단상 풀 브리지 IGBT 모듈(H-bridge)을 사용하여 모델링됩니다. 그리드 측 필터의 토폴로지는 인덕터가 선로와 중성 분기 사이에 균등하게 분할된 고전적인 LCL 구성입니다.

인버터 제어

제어 시스템은 다음과 같은 5개 주요 Simulink® 기반 서브시스템을 포함합니다.

  • MPPT 제어기: 최대 전력점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어기는 '섭동 및 관측(Perturb and Observe)' 기법을 기반으로 합니다. 이 MPPT 시스템은 PV 스트링에서 최대 전력을 추출하는 DC 전압을 얻기 위해 인버터 VDC 레귤레이터의 VDC 기준 신호를 자동으로 변경합니다.

  • VDC 레귤레이터: 전류 레귤레이터에 필요한 Id(유효 전류) 기준을 결정합니다.

  • 전류 레귤레이터: 전류 기준 Id와 Iq(무효 전류)를 기반으로 레귤레이터는 인버터에 필요한 기준 전압을 결정합니다. 여기에 나온 예제에서는 Iq 기준이 0으로 설정됩니다.

  • PLL 및 측정: 동기화 및 전압/전류 측정에 필요합니다.

  • PWM 생성기: PWM 양극성 변조 방법을 사용하여 IGBT에 시동 신호를 발생시킵니다. 여기에 나온 예제에서는 PWM 반송 주파수가 3780Hz(63*60)로 설정됩니다.

부하 및 유틸리티 그리드

그리드는 일반적인 주상 변압기와 14.4kVrms의 이상적인 AC 소스를 사용하여 모델링됩니다. 변압기 240V 2차 권선은 센터탭되어 있고 중앙 중성선은 작은 저항 Rg를 통해 접지됩니다. 주거용 부하(10kW / 4kvar @ 240Vrms)는 2개의 "핫"(120V) 단자 사이에 균등하게 분배됩니다.

시뮬레이션

시뮬레이션을 실행하고 다양한 스코프에서 결과 신호를 관측합니다.

PV 배열 모델에 대한 초기 입력 일사량은 250W/m2이고 동작 온도는 섭씨 25도입니다. 정상 상태에 도달하면(약 t=0.25초), 424.5V의 PV 전압(Vdc_mean)을 얻게 되며 이 배열에서 추출되는 전력(Pdc_mean)은 856W입니다. t=0.4초에서 태양 일사량은 250W/m^2에서 750W/m^2로 빠르게 증가합니다. MPPT 동작으로 인해 제어 시스템은 PV 스트링에서 최대 전력(2624W)을 추출하기 위해 VDC 기준 전압을 434.2V로 높입니다. 이러한 값은 예상 값과 잘 일치합니다. 이를 확인하려면 PV Array 메뉴의 Plot 버튼을 사용하여 제조업체 사양에 따라 PV 스트링의 I-V 특성과 P-V 특성을 플로팅합니다.

누설 전류(Ig 스코프)를 살펴보면 PV 모듈의 부유 커패시턴스에 전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 사용된 PWM 방법과 필터 토폴로지 때문입니다. 이제 PWM 단극 변조 방법을 선택하고(Inverter control 메뉴 사용) 시뮬레이션을 반복하면 시스템에서 상당한 누설 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있습니다.