As people are much concerned with the fossil fuel exhaustion and the environmental problems caused by the conventional power generation, renewable energy sources and among them photovoltaic panels and wind-generators are now widely used. Photovoltaic (PV) sources are used today in many applications such as battery charging, water pumping, home power supply, swimming pool heating systems, satellite power systems etc. They have the advantage of being maintenance and pollution free but their installation cost is high and, in most application, they require a power conditioner (DC/DC converter or DC/AC inverter) for load interface.
The output power of PV array is changed by environmental factors, such as illumination and temperature. Since the characteristic curve of a solar cell exhibits a nonlinear voltage-current characteristic, a controller named maximum power point tracker (MPPT) is required to match the solar cell power to the environmental changes. Many algorithms have been developed for tracking maximum power point of a solar cell. Among them, the most commonly used methods are perturb and observe (P&O) algorithm and incremental conductance algorithm. Both algorithms are required to measure the solar array current and voltage to acquire the information on the solar array power and conductance. The additional information such as the measurements of the grid voltage and inductor current are also required for the single-stage grid-connected photovoltaic system to synchronize the phase of the inductor current to the grid voltage.
Since the solar array current has a close relation with the solar array voltage and the inductor current, it is possible to estimate the solar array current through state observer. As the state observer requires the exact information on the circuit parameters, such as capacitance and inductance, it is absolutely required to know the exact parameter value However, in the single-stage grid-connected photovoltaic inverter system, the electrolytic capacitor is used for the do link capacitor and it is known that its actual capacitance has 50% tolerance from its nominal value and deteriorates year by year. If the capacitance information is not exact, the performance of the state observer is degraded and thus MPPT can't operate at the optimum point. The inductance also has the variation from its nominal value. All of these uncertainties make it difficult to use the linear state observer. Linear observers like Luenberger observer are known not to perform well in the presence of disturbance and unknown parameter variations.
Although the sliding mode controller has been known to have the robustness under the presence of parameter variations and disturbance, the sliding mode observers are also known to have similar robustness properties. Thus it would appear appropriate to adopt sliding mode observer for the estimation of the solar array current under the environment of parameter uncertainties. The state equation of the sliding mode observer has been constructed from the dynamic equation and the stability of the proposed observer was proved by the equivalent control method.
The controller of the grid connected photovoltaic system is composed of voltage controller and current controller. The voltage controller controls the solar array voltage to the reference voltage which is generated from the MPPT. The output of the voltage controller is used for the reference of the current controller. The current controller controls the inductor current in phase with the grid voltage. In most cases, a PI-controller is used for the voltage controller and a predictive controller for the current controller. The drawbacks of the conventional system are the tedious tuning for PI-gain selection and the requirement of the exact knowledge for circuit parameters. All these problems can be overcome by the use of a sliding mode controller. A sliding mode controller has robust control property under the presence of parameter variations and can achieve the tight regulation of the states for all operating points. In this dissertation, a sliding mode controller for inductor current control and solar array power control has been presented. Additionally, a sliding mode observer for solar array current estimation has been proposed. The solar array current information is obtained from a sliding mode observer and fed into the MPPT controller to update the reference value. To verify the tracking performance of the proposed system, the power reference has been changed from an upper limit to a lower limit, and vice versa. Also the capacitance value has been changed to 100 [%] from the nominal value to verify the robust tracking property of a sliding mode observer. The simulation and experimental result show the validity of the proposed method.
The purpose of the dissertation is to give a new method for estimation of the solar array current and for design of the robust controller. The method can be used as a backup controller if there was some failure on the sensor equipment. The main application area will be the fault tolerant system such as space power system and solar remote control system.
태양에너지는 무공해와 풍부함 그리고 지구상에 균일하게 분포되어 있다는 특성 때문에 현재 가장 촉망받는 대체에너지원으로 각광받고 있다. 태양에너지를 유용한 전기에너지로 변환하기 위해서는 태양전지와 전력변환기를 필요로 하게 된다. 전력변환기에는 배터리 충전을 위한 독립형 DC/DC와 계통에 전력을 공급하기 위한 계통연계형 DC/AC 변환기로 나누어진다. 전형적인 단상 계통연계형 태양광 발전시스템의 구성은 태양전지, 입력 커패시터, 필터 인덕터, 단상 인버터 그리고 계통 전압으로 이루어져 있다. 태양전지 셀은 원하는 태양전지 전압과 전류를 만족하기 위해 직-병렬 조합으로 연결되어 있다. 입력 커패시터는 전압원 인버터를 위해서 태양전지 전압을 유지한다. 필터 인덕터를 포함한 단상 인버터는 입력 태양전지 전압을 AC 정현파의 형태로 바꾼다. 단상인버터는 단위 역률로 전력을 전송하기 위해서 계통전압과 필터 인덕터 전류가 동상이 되도록 적절한 스위치 신호로 제어된다.
태양전지 특성이 비선형적인 전압-전류 특성을 보여주고, 발생되는 전력이 온도나 입사량과 같은 외부 환경적인 요인에 의해서 변화하기 때문에, 태양전지 셀의 동작점을 외부 환경변화에 맞추어 제어하기 위해서, 최대전력점 추적기(maximum power point tracker : MPPT) 를 필요로 하게 된다. 과거 수 십년 동안 태양전지의 최대전력점을 추정하기 위한 제어기법이 많이 개발되어져 왔다. 그중에서도 가장 대표적인 방법들이 Perturb and Observe (P&O) 방법과 Incremental Conductance 방법이다. 이 두 방법들은 모두 태양전지의 전력에 대한 정보를 얻어내기 위해서 태양전지 전압과 전류를 측정해야 한다. 또한 인덕터 전류와 계통전압의 위상을 동기화시키기 위해서 계통전압과 인덕터 전류도 측정해야 한다.
태양전지 전류는 태양전지 전압, 인덕터 전류와 입력상태에 의해서 결정되기 때문에 상태관측기를 통해서 태양전지 전류를 추정하는 것이 가능하다. 상태관측기는 회로파라미터에 대한 정확한 정보를 필요로 하기 때문에, 입력 커패시턴스나 인덕턴스 같은 상수들의 정확한 값을 알아야 한다.
그런데, 단상 계통연계형 태양광 발전시스템에서는 보통 전해커패시터가 입력 커패시턴스로 사용되고 있고, 전해 커패시터는 공칭값에서 +/-50[%] 정도의 공차를 가지고 있으며, 사용시간이 증대됨에 따라서 내부저항(ESR)이 커져서 커패시턴스가 매년 감소하게 된다. 만약 커패시턴스 값이 정확하지 않다면, 상태관측기의 추종 능력이 떨어지게 되고 따라서 최대전력추적기는 최적 포인트에서 동작하지 못하게 된다. 인덕턴스나 다른 회로 상수값들도 공칭값에서 벗어나는 오차를 가지게 된다. 이와 같은 모든 불확실성과 오차들이 선형 상태관측기의 사용을 어렵게 하고 있다. Luengerber 관측기와 같은 선형 상태관측기는 외란과 파라미터의 오차가 있는 환경에서는 제대로 추종능력을 발휘하지 못하다고 알려져 있다.
슬라이딩 모드 제어기가 파라미터 변화나 외란이 존재하는 환경하에서도 강인한 추종능력을 보여준다고 알려져 있지만, 슬라이딩 모드 관측기도 역시 비슷한 특성을 가지고 있다고 알려져 있다. 따라서 외란이나 파라미터 변화가 있는 환경하에서 태양전지 전류추정을 위해서 슬라이딩 모드 관측기를 사용하면 강인한 특성을 갖는 제어기를 설계할 수 있다.
먼저 단상 계통연계형 태양광 발전시스템의 태양전지 전류 추정을 위한 슬라이딩 모드 관측기를 설계하는 방법에 대해 제시한다. 슬라이딩 모드 관측기에서 태양전지 전류가 추정되며 이 값은 최대전력점 추적기에서 기준전압을 갱신하기 위해 사용된다. 슬라이딩 모드 관측기는 시스템의 동적방정식에서 유도된다. 슬라이딩 모드 관측기는 공칭값(nominal value)을 따라가기 위한 선형 궤환항과 불확실성을 상쇄하기위한 비선형의 스위칭 항으로 구성된다. 등가입력 방법에 의해서 관측기의 수렴성을 증명하였다.
급격한 외부 입사광의 변화에 대해 슬라이딩 모드 관측기의 추적능력을 알아보기 위해서 태양전지 전류를 상한에서 하한으로, 그리고 반대로 변화시켰다. 또한 슬라이딩 모드 제어기의 강인한 추적능력을 알아보기 위해서 커패시턴스 값도 공칭값에서 100[%]를 변화시켜 실험하였다. 컴퓨터 모의실험과 실제실험으로서 제시된 방법의 타당성을 입증하였다.
다음으로 일반적인 제어기 구성은 태양전지의 최대전력점을 추적하기 위해 기준전압을 발생시키는 최대전력점 제어기, 태양전지 전압제어를 위한 전압제어기와 인덕터 전류 제어를 위한 전류제어기로 구성된다. 보통 전압제어기로는 PI-제어기가 많이 사용되고 전류제어기로는 예측제어기가 제어의 용이성 때문에 많이 사용된다. 하지만 이 시스템은 PI-gain tuning의 어려움과 적분기로 인해 제어입력이 급격히 바뀔 경우 출력전류에 overshoot를 발생시킬 수 있다는 것과 예측제어기의 경우 정확한 회로상수를 알아야 한다는 단점이 있다.
이런 문제점들은 제안된 슬라이딩 모드 제어기를 사용함으로서 제거될 수 있다. 최대전력점 추적기에서 기준전압 대신 기준 전력에 대한 정보를 내보내고, 입출력 전력 관계식에서 기준전류에 대한 식을 얻어내어 슬라이딩 모드제어기로 인덕터 전류를 제어하게 된다. 제안된 제어기는 파라미터 변화나 외란하에서 제어의 강인성을 보장할 수 있고, 모든 동작점 범위에서 모든 상태의 엄정한 제어를 할 수 있게 된다.
이 논문의 목적은 계통연계형 태양광 발전 시스템의 태양전지 추정과 강인한 제어기를 설계하는 방법을 제시하는 것이다. 이 방법은 센서장비에 문제가 있을 경우 예비 제어기로서 사용될 수 있다. 주된 응용분야로는 원격제어시스템이나 인공위성 같은 무고장 시스템으로 사용될 수 있다.
