독립형 태양광 발전 시스템의 최적 용량 선정 및 단상 계통연계 인버터의 LCL 필터 최적화 방안에 관한 연구 :A study on the optimal system sizing of standalone photovoltaic power generation system and optimal design of L-C-L filter for single phase grid-tie inverters

김기영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김기영 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 최우진

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

독립형 태양광 발전 시스템의 무정전 전력공급을 위한 시스템 용량 최적 선정에 관한 연구

김기영 , 최우진 전력전자학회논문지 2018.04 학술저널

독립형 태양광 발전 시스템의 최적 용량 선정 및 단상 계통연계 인버터의 LCL 필터 최적화 방안에 관한 연구

김기영 전기공학과 2018.01 학위논문

2017

독립형 태양광 발전 시스템의 무정전 전력공급을 위한 시스템 용량 최적 선정에 관한 연구

김기영 , 최우진 전력전자학회 학술대회 논문집 2017.07 학술대회자료

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당시의 경제와 사회의 변화에 영향을 미치던 2차 산업혁명 이후 인간 활동에 의한 온실가스의 배출이 증가하였으며, 그에 따른 환경문제가 뒤이어 야기되고 있었다. 본 문제에 대한 심각성이 대두되면서 1992년에 유엔기후변화협약(UNFCCC; United Nations Framework Convention On Climate Change)을 채결하였다. 또한 기후변화협약 관련 최고 의사결정 기구로서 당사국들이 협약의 이행방법 등 주요 사안을 전반적으로 검토하기 위해 1년에 1회 개최하는 기후변화 당사국 총회(COP; Conference Of the Parties)가 출범하게 되었고, 온실가스 감축 대안으로 신재생에너지원에 대한 정책 등의 돌파구를 찾게 되었다.
여러 에너지 발전 방식 중 태양광 발전 시스템은 크게 계통 연계형과 독립형 시스템으로 나뉜다. 이 때 독립형 태양광 발전 시스템은 계통 연계형보다 시스템 구성이 간단하기 때문에 공사비 절감과 설치 기간 단축이라는 측면에서 매우 유용하며, 소형화 및 계통과 접속이 어려운 도서산간지역 등에도 부하에 전력을 공급할 수 있는 장점으로 인해 그 사용이 확대되고 있다.
그러나 신재생 에너지는 불규칙한 에너지원이며, 독립형 태양광 시스템에서 안정적인 전력 공급, 즉 정전 없이 시스템을 구동하기 위해서는 시스템 가동 정지 시간과 시스템 설치비용 사이에서 최적의 결정을 하여야 하는 문제가 발생하게 된다. 즉, 시스템 정지 시간을 줄이기 위해서는 상대적으로 큰 태양전지모듈 및 에너지 저장장치를 설치하면 문제가 해소되나 이는 시스템의 가격을 상승시켜 경제성을 악화시키게 되며, 시스템 가격을 낮추기 위해 적은 용량으로 시스템을 설계하면 시스템 정지 시간이 늘어나는 문제가 생기게 된다.
따라서 본 논문의 1장에서는 부하의 패턴을 명확하게 파악하고 과거 기상 데이터를 바탕으로 하여 최적 시스템의 용량 선정 및 설계방법을 제시한다.
본 논문의 후반부에서는 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서는 태양전지모듈로부터 발전된 전력을 계통에 주입하기 위한 5[kW] 계통 연계형 인버터에 대하여 기술한다. 이 때 인버터 출력의 전고조파 왜곡률(THD)을 만족시키기 위해 크기 대비 성능이 우수한 LCL 필터를 널리 쓰고 있다. 따라서 LCL 필터의 설계에 있어 공진 주파수의 선정과 전고조파 왜곡률을 고려하여야 하며, 공진에서 피크의 감소를 위한 적절한 댐핑 또한 필요하다.
논문의 2장에서는 공진 주파수와 계통 측의 인덕턴스의 반비례 관계를 이용하여 LCL 필터의 크기를 감소한다. 그리고 수동 댐핑 저항(Passive Damping Resistor)을 감소하여 소비전력을 저감하는 방안을 제안하였다. 제안하는 LCL 필터 최적화 방안의 유효성을 MATLAB과 PSIM Simulation을 통해 검증하였다.

Since the Second Industrial Revolution, which has affected the economic and social changes of the time, the emission of greenhouse gases by human activities has increased and environmental problems have been caused. As the seriousness of this problem arises, The United Nations Framework Convention on Climate Change(UNFCCC) has been launched In 1992. In addition, The Conference of the Parties(COP) is the chief decision-making body on climate change agreements, which is held once a year in order to review the main issues, also was established, They found a breakthrough in policies for renewable energy sources as an alternative to greenhouse gas reductions.
Among the various energy generation methods, The photovoltaic power generation system is classified into the Grid-connected and Stand-alone system. The stand-alone photovoltaic power generation system is more useful to reduce the cost and installation time because it has a simpler system configuration than grid-connected type. It can supply power to the loads in mountainous area, which are difficult to connect with the grid.
However, the renewable energy is an irregular energy source. In order to supply stable power in a stand-alone system, there is a problem that an optimal decision that should be made between power failure time and the cost of installation.
Therefore, Chapter 1 of this paper clearly analysis the load pattern and proposed the optimal system capacity selection and design method based on past weather data.
In the second part of this paper, a 5kW grid-connected inverter for injecting power generated from a solar cell module into a grid is described in a grid-connected PV system. In order to satisfy the THD (Total Harmonic Distortion) of the inverter output, LCL filters achieve excellent performance in terms of size are widely used. Therefore, it is necessary to consider the resonance frequency selection and the total harmonic distortion rate in the design of the LCL filter, and appropriate damping for the reduction of the peak in the resonance is also needed.
In the Chapter 2, Not only the size of the LCL filter is reduced by using the inverse relationship between the resonant frequency and the grid side inductance but also proposed a method to reduce passive damping resistor and reduce power consumption. The validity of the proposed LCL filter optimization method is verified through MATLAB and PSIM simulation.

국문초록 ⅵ
영문초록 ⅷ
제 1 장 무정전 전력공급이 가능한 독립형 태양광 발전 시스템의 최적 용량 선정에 관한 연구 1
1.1 연구배경 1
1.2 미세먼지 신호등 부하 분석 5
1.3 과거 기상정보에 기반한 경사면 일사량 계산 7
1.4 기존 독립형 태양광 발전시스템의 태양전지 모듈 및 배터리의 용량 선정 방법 9
1.5 기존 방식에 의해 설계된 독립형 태양광 발전시스템의 배터리 누적 충전상태 13
1.6 제안하는 방식을 이용한 독립형 태양광 발전시스템의 태양전지 모듈 및 배터리의 용량 선정 방법 16
1.7 기존 및 제안하는 방식의 시스템 수명주기비용(LCC; Life Cycle Cost) 비교 24
1.8 Labview Simulation 26
1.9 결론 27
제 2 장 5kW 단상 계통 연계 인버터의 LCL 필터 최적화 방안에 관한 연구 29
2.1 연구배경 29
2.2 기존 방식을 이용하여 5kW 단상 계통 연계 인버터의 LCL 필터 설계 30
2.2.1 인버터 측의 인덕턴스 선정 32
2.2.2 필터 커패시턴스 선정 32
2.2.3 공진 주파수 설정 및 계통 측의 인덕턴스 선정 33
2.2.4 수동 댐핑 저항 선정 34
2.3 제안하는 방식을 이용하여 5kW 단상 계통 연계 인버터의 LCL 필터 설계 36
2.4 기존 및 제안하는 방식의 LCL 필터 비교 분석 39
2.4.1 스위칭 주파수 영역에서 기존과 제안하는 방식의 FFT 비교분석 40
2.4.2 기존과 제안하는 방식의 공진 영역에서 피크값에 대한 비교분석 43
2.5 PLL(Phase Lock Loop) 및 전류 제어기 설계 44
2.6 동작 실험 및 결과 48
2.6.1 기존 및 제안하는 방식의 FFT와 THD 측정 48
2.6.2 PLL을 통한 인버터의 출력전압과 계통전압의 동기화 결과 51
2.6.3 전류제어기의 Step 응답속도 결과 52
2.6.4 수동 댐핑 저항에서의 손실 및 시스템 효율 측정 53
2.6 결론 57
참고문헌 58

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