3.1 전력변환장치

본 논문에서 개발된 전력변환장치는 입력 전원으로 태양광과 압전에너지 하베스팅 모듈로 구성되며, 출력단은 배터리와 DC-AC 컨버터가 연결되어 모선(grid power)으로 연결된다. 이를 위해서 전력변환 장치는 DC-DC 컨버터로 설계하되 배터리 충전 및 방전 제어 기능을 포함하여 설계한다.

또한, 2개의 서로 다른 입력 전원(태양광발전 및 압전에너지 하베스팅 모듈)으로부터 배터리가 연계된 구성은 크게 3가지의 경우로 구성할 수 있다. 먼저 하나의 전력변환장치와 별도의 충전회로를 가지는 경우에는 충전회로에서 배터리를 담당하기 때문에 전력변환장치는 입력 전압에 대해서 DC-AC 컨버터가 요구하는 전압을 만족하도록 출력전압 및 전력을 제어하는 동작만을 수행하게 된다. 이때, 태양광과 압전에너지 하베스팅 모듈의 입력은 서로 다른 특성을 가지게 되며, 최대전력 추종점도 서로 다른 특성을 가지게 되어 각 입력 전력을 잘 이용하기 어렵다는 단점이 있다. 다음은 하나의 전력변환장치로 배터리 충전 및 전력변환을 동시에 하게 되는 경우로 회로의 구성이 가장 간단해지는 장점이 있지만, 각 입력의 최대전력을 이용하기 어려운 단점이 있고, 병렬로 구성된 태양광과 압전에너지 하베스팅 모듈의 최대 전압점만 전력변환장치로 전달되므로 각 개별 전원의 전압 리플이 매우 커지는 단점이 있다.

마지막으로는 각 개별 전력변환장치와 별도의 배터리 충전회로로 구성되는 경우로 각 개별 입력 전력을 최대한 이용할 수 있는 장점이 있지만, 구성이 가장 복잡한 단점이 있다^(5,6).

따라서, 본 논문에서는 각 시스템 구성에 따른 장점과 단점을 고려하여 그림 2와 같이 별도의 배터리 충전회로가 없는 대신에 각 개별 입력에 각각의 전력변환장치로 구성하여 각 입력 전원에 가장 적합한 제어 방식이 구현되는 구조를 선택하였다.

그림 3에서 각 전력변환장치는 입력단에 연결된 입력 전원(태양광 및 압전에너지 하베스팅 모듈)에 따라 최대전력추종제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking)를 수행할 수 있도록 구성하고, 출력단에 병렬로 배터리가 연결되어 출력전압 및 전류를 배터리의 상태에 따라서 제어하도록 설계하였다.

이를 위하여 각 전력변환장치의 구조는 동일하게 구성하되 입력단의 전력원에 따라서 각 개별 전력변환장치가 서로 다른 제어방식으로 구현될 수 있도록 하였다. 또한, 입력 전압의 범위가 매우 광범위하게 변동할 뿐만 아니라, 출력전압이 입력전압보다 높은 경우가 있으므로 광범위한 입력전압의 범위에 대해서도 안정적인 출력 제어가 가능한 그림 4와 같은 벅-부스트 컨버터 구조로 하드웨어를 설계하고, 제어방식을 배터리 충전 상태에 따라서 최대전력 추종제어 및 배터리 충전 제어모드를 구분하여 동작하도록 설계하였다.

3.2 전력제어 알고리즘

일반적으로 태양광과 압전에너지 하베스팅 모듈의 전압-전류 특성 곡선으로부터 최대전력 추종제어를 수행하기 위한 전압과 전류 특성이 결정될 수 있다. 이러한 경우 각 전압-전류 특성 곡선에서 전압의 최고점까지는 출력 전류를 유지할 수 있지만, 전압이 감소하는 지점에서는 출력 전류의 크기를 감소시켜 최대 전력점을 유지하는 제어방식이 일반적이다.

이를 위해서 입력 전압 및 입력 전력의 변화를 순시적으로 판단하여 출력 전류의 최대값을 변경하게 된다. 이러한 제어방식은 배터리를 적용하지 않는 경우에는 매우 적합하지만, 배터리를 적용하는 경우에는 배터리 상태에 따라서 서로 다른 제어방식이 구현되어야 한다.

배터리의 충·방전 곡선으로부터 충전상태와 방전상태에 따라서 배터리의 전압 변동이 크게 발생하게 되므로 배터리의 상태를 관측할 수 있으며, 배터리의 전압을 고려하여 정전류 제어(급속충전) 및 정전압 제어를 수행할 수 있다. 방전 모드에서는 최대 방전점이 발생하지 않는 범위에서 지속적인 전력 공급이 가능하지만, 충전 모드에서는 배터리에 충전을 위한 과전압이 인가되지 않도록 제한하는 것이 필요하다.

그림 5는 본 논문에서 제안한 전력제어 알고리즘으로 각 제어모드는 배터리의 충전 및 방전상태를 나타내고 있는 베터리 전압 곡선을 중심으로 각 입력 전력의 입력전압(붉은색 점선)과의 상호 관계에 따라 입력 전압이 높은 경우에는 벅 모드로 입력 전압이 낮은 경우에는 부스트 모드로 동작하게 된다.

배터리가 방전 상태에서는 각 입력 전력의 최대점을 제어하는 최대전력 추종제어가 수행되고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에 따라서 정전류 제어모드와 정전압 제어모드가 적용된다.

제안된 전력제어 알고리즘은 전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어모드를 상시적으로 변동하면서 제어하게 된다.

4.1 시뮬레이션 결과

본 논문에서 제안된 전력변환장치 및 전력제어 알고리즘의 성능 평가를 위해 Matlab-Simulink로 그림 6 및 7과 같은 시뮬레이션 모델을 구성하고 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 8은 배터리 충전시, 배터리 보호를 위한 정전류 제어모드와 정전압 제어모드 시뮬레이션 결과를, 그림 9는 단독 전원 상태에서 제안된 전력제어 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.

그림 9(a)에서 태양광 단독 발전 시 전력변환장치의 출력 전류 $i_{load}$는 배터리로 충전되는 전류를 나타내며, $i_{load}$는 1[A]로 정전류 제어모드로 배터리를 충전하는 것을 확인할 수 있다.

그림 9(b)는 압전에너지 하베스팅 모듈 단독 발전 시 시뮬레이션 결과로서 이때 압전 하베스팅 모듈의 전압에 따라 $i_{load}$가 가변되어 최대전력 추종제어가 이루어짐을 확인할 수 있다. 따라서 태양광 및 압전에너지 하베스팅 모듈의 발전 전압이 전력변환장치의 출력전압 $V_{bat}$보다 작으면 부스트 컨버터 모드를, 이와 반대일 경우 벅 컨버터 모드를 수행하고 있는 것을 각 듀티비 $d_{bu1,\:2}$와 $d_{bs1,\:2}$에서 확인이 가능하다.

또한, 그림 10은 태양광발전과 압전에너지 하베스팅 모듈을 연계하여 발전 시 제안된 전력제어 알고리즘 시뮬레이션 결과이며, 이때 각 발전 전압이 가변할 때마다 출력 전류가 바뀌는 것을 확인할 수 있다.

4.2 실험 결과

시뮬레이션 결과를 바탕으로 본 논문에서 제안한 전체 시스템의 성능 평가를 위해 그림 11과 같이 테스트 베드를 구성하여 실험을 수행하였으며, 실험의 전력원으로는 250W 태양광 모듈과 개발된 압전에너지 하베스팅 모듈 및 24V 리듐-폴리머 배터리를 사용하였다.

그림 11과 같이 개별 입력 전력원에 개발된 벅-부스트 컨버터를 연결하고 배터리를 병렬 연결하였으며, 계통 전원과는 DC-AC 컨버터를 통하여 발전된 전력이 계통 전원과 연계되도록 구성하여 실험하였다.

그림 12는 테스트 베드에 대한 계통도이며, 실험에 사용된 태양광 모듈과 압전에너지 하베스팅 모듈 및 벅-부스트 컨버터의 세부 사양은 표 1과 표 2 및 표 3과 같다.

그림 13(a)는 개발된 벅-부스트 컨버터에 하나의 입력 전원만이 연결되었을 경우, 입력 전압에 따른 출력 전압과 배터리의 충전전압 및 충전전류를 나타낸다. 이때, 부하 전류 $I_{load}$는 일정한 상태이지만, 입력단 전력이 단독에서 병렬로 투입되면 배터리 충전전류가 증가하여 배터리 충전 상태로 돌입하게 되는 것을 알 수 있다.

그림 13(b)의 경우에는 병렬 전력원이 연결된 상태에서 압전에너지 하베스팅 모듈의 입력이 상승 또는 하강하는 경우에 각 제어모드가 변동하여 제어되고 있음을 보여준다.

그림 14는 제안된 전력제어 알고리즘에 대한 실험 결과이다. 그림 14(a)의 ①과 같이 단독 발전일 때는 배터리의 방전 전류가 7.5[A]이지만, 그림 14(b)의 ②와 같이 연계 발전 시에는 배터리의 방전 전류가 3.5[A]로 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이는 연계발전 시에는 단독발전 시보다 전력이 증가하여 4[A]만큼 방전전류가 감소하는 것이며, 단독 발전과 연계 발전에서 입력 전류 $I_{"\in "1}$는 거의 같으나 연계 발전 시에는 또 하나의 전원에서 출력된 전력이 배터리나 계통 전원에 추가적으로 공급되는 것을 알 수 있다.