최대 전력점 추적

Maximum Power Point Tracking(MPPT;^[1]^[2] 최대 전력 포인트트래킹) 또는 단순 전력 포인트트래킹(PPT)^[3]^[4]은 다양한 전원과 함께 사용되는 기술로, 상황의 변화에 따라 에너지 추출을 극대화합니다.이 기술은 태양광 발전(PV) 태양 시스템에 가장 일반적으로 사용되지만 풍력 터빈, 광전송 및 열광전자에도 사용할 수 있습니다.

PV 태양 시스템은 인버터 시스템, 외부 그리드, 배터리 뱅크 및 기타 전기 ^[5]부하와 다양한 관계를 가진다.MPPT에 의해 해결되는 가장 큰 문제는 태양 전지로부터의 전력 전달 효율이 이용 가능한 햇빛의 양, 음영, 태양열 패널 온도 및 부하의 전기적 특성에 좌우된다는 것이다.이러한 조건이 변화함에 따라 가장 높은 전력 전달을 제공하는 부하 특성(임피던스)이 변화합니다.이 시스템은 부하 특성이 변경되었을 때 최적화되어 전력 전달을 최고 효율로 유지합니다.이 최적 부하 특성을 Maximum Power Point(MPP; 최대 전력 포인트)라고 부릅니다.MPPT는 조건 변화에 따라 부하 특성을 조정하는 프로세스입니다.회로는 광전지 셀에 최적의 부하를 전달하고 전압, 전류 또는 주파수를 다른 장치 또는 시스템에 맞게 변환하도록 설계할 수 있습니다.

태양 전지의 온도와 총 저항 사이의 비선형 관계는 전류-전압(I-V) 곡선과 전력-전압(^[6]^[7]P-V) 곡선에 기초하여 분석할 수 있다.MPPT는 셀 출력을 샘플링하여 적절한 저항(부하)을 적용하여 최대 ^[8]전력을 얻습니다.MPPT 장치는 일반적으로 전력 그리드, 배터리 또는 모터를 포함한 다양한 부하를 구동하기 위해 전압 또는 전류 변환, 필터링 및 조절을 제공하는 전력 변환기 시스템에 통합됩니다.태양광 인버터는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하며 MPPT를 내장할 수 있습니다.

MPP(P_mpp)의 전력은 MPP 전압(V_mpp)과 MPP 전류(I_mpp)의 곱입니다.

일반적으로 부분적으로 음영 처리된 태양 어레이의 P-V 곡선은 여러 개의 피크를 가질 수 있으며,^[9] 일부 알고리즘은 곡선의 전역 최대값이 아닌 국소 최대값으로 고착될 수 있습니다.

배경

최대 동력 전달점이 위치한 곡선의 무릎과 선이 교차하는 광전지 I-V 곡선.

광전지는 작동 환경과 생산 전력 사이에 복잡한 관계를 가지고 있다.충전률(FF)은 셀의 비선형 전기적 동작을 특징짓습니다.충전률은 셀에서 개방회로 전압_oc V와 단락 전류_sc I의 곱에 대한 최대 전력의 비율로 정의됩니다.표 형식의 데이터는 주어진 조건에서 셀이 최적의 부하를 제공할 수 있는 최대 전력을 추정하는 데 자주 사용됩니다.

$P=FF*Voc*Isc$ $FF *$ Voc * $Isc$ $P=FF*Voc*Isc$ 。

대부분의 경우 FF, V_oc 및_sc I는 일반적인 조건에서 셀의 전기적 동작을 대략적으로 파악하기에 충분한 정보입니다.

어떤 조건에서도 셀에는 셀의 전류(I)와 전압(V) 값이 최대 ^[10]출력을 허용하는 단일 작동 지점이 있습니다.이러한 값은 특정 로드 저항에 해당하며, 옴의 법칙에 따라 V/I와 동일합니다.P의 검정력은 다음과 같습니다.

$P=V*I$ $P=V*I$ $P=V*I$ I { $displaystyle$ P $=V*I$

광전지는 대부분의 유용한 곡선에 대해 정전류원으로 ^[11]작용합니다.그러나 광전지의 MPP 영역에서 곡선은 전류와 전압 사이에 거의 역지수 관계를 갖는다.기본 회로 이론에서 디바이스에 공급되는 전력은 최적화(MPP)되며, 이때 I-V 곡선의 도함수 dI/dV가 같고 I/V 비율(여기서 dP/dV=0)^[12]과 반대이며 곡선의 "최소"에 대응한다.

저항 R=V/I가 이 값의 역수와 동일한 부하가 장치로부터 최대 전력을 끌어옵니다.이것은 때때로 세포의 '특징 저항'이라고 불립니다.이는 조도 수준 및 온도 및 셀 상태 등의 다른 요인에 따라 변화하는 동적 양입니다.저항이 낮거나 높으면 출력이 감소합니다.최대 전원 포인트트래커는 제어 회로 또는 로직을 사용하여 이 포인트를 식별합니다.

전력 전압(P-V) 곡선

최대 전력 전압(P-V) 곡선을 사용할 수 있는 경우 이등분법을 사용하여 최대 전력점을 얻을 수 있습니다.

실행

로드를 셀에 직접 연결할 때 패널의 작동 지점이 최대 전력에 도달하는 경우는 거의 없습니다.패널에 표시되는 임피던스에 따라 동작 포인트가 결정됩니다.임피던스를 올바르게 설정하면 피크 전력을 얻을 수 있습니다.패널은 DC 디바이스이기 때문에 DC-DC 컨버터는 한쪽 회로(소스)의 임피던스를 다른 쪽 회로(로드)로 변환합니다.DC-DC 컨버터의 듀티비를 변경하면 셀이 인식하는 임피던스(듀티비)가 변경됩니다.패널의 I-V 곡선은 방사선 강도 및 온도와 같은 대기 조건에 의해 상당한 영향을 받을 수 있습니다.

MPPT 알고리즘은 패널 전압 및 전류를 자주 샘플링한 다음 그에 따라 듀티 비율을 조정합니다.마이크로컨트롤러는 알고리즘을 구현합니다.최신 구현에서는 분석 및 부하 예측을 위해 보다 정교한 컴퓨터를 사용하는 경우가 많습니다.

분류

컨트롤러는 몇 가지 전략에 따라 전력 출력을 최적화할 수 있습니다.MPPT는 상황에 ^[13]따라 여러 알고리즘 간에 전환될 수 있습니다.

섭동 및 관찰

이 방법에서는 컨트롤러가 어레이로부터의 전압을 소량 조정하여 전력을 측정합니다.전력이 증가하면 전력이 증가하지 않을 때까지 해당 방향으로 추가 조정을 시도합니다.이것은 섭동 및 관찰(P&O)이라고 불리며, 가장 일반적인 방법이지만, 이 방법은 전력 출력을 ^[14]^[15]발진시킬 수 있습니다.최대 전력점 이하의 전압에 대한 전력 곡선의 상승과 그 ^[16]이상의 하락에 따라 달라지기 때문에 힐 클라이밍 방식이라고도 합니다.섭동과 관찰은 구현이 ^[14]쉽기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 방법이다.적절한 예측 및 적응형 언덕 오르기 전략을 ^[17]^[18]채택할 경우 섭동 및 관찰 방법은 최고 수준의 효율성을 가져올 수 있다.

컨덕턴스 증분

이 방법에서는 컨트롤러가 증분 전류 및 전압 변화를 측정하여 전압 변화의 영향을 예측합니다.이 방법에서는 컨트롤러에서 더 많은 계산이 필요하지만 P&O보다 더 빠르게 변화하는 조건을 추적할 수 있습니다.전력 출력이 ^[19]진동하지 않습니다.광전지 어레이의 증분 컨덕턴스( $dI/dV$ I $dI/dV$ V $dI/dV$ { $displaystyle dI/dV$ 를 사용하여 $dP/dV$ 에 대한 전력 $dP/dV$ $(d$ P/d V { $displaystyle$ dP/dV $})$ ^[20]를 계산합니다.증분 컨덕턴스 방식에서는 어레이 컨덕턴스( $\$ $displaystyle I_{\Delta}/V_{\Delta$ 에 대한 증분 컨덕턴스( $I_{\Delta }/V_{\Delta }$ /V\ $displaystyle I/V$ })를 비교하여 MPP를 계산합니다.이 두 개가 같은 경우( $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ / $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ / $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ \ $display style$ I $/V =$ $I_{\Delta$ }/ $V_{\Delta$ }}}), $I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }$ 출력 전압은 MPP 전압입니다.컨트롤러는 조사가 변경되고 프로세스가 반복될 때까지 이 전압을 유지합니다.

증분 컨덕턴스 방법은 $dP/dV=0$ 에서 d $dP/dV=0$ / $dP/dV=0$ $dP/dV=0$ $dP/dV=0$ { $displaystyle dP$ / $dV$ = $0$ } 및 $P=IV$ $P=IV$ $P=IV$ V { $displaystyle$ P $=$ IV $P=IV$ 의 관측에 기초하고 있습니다.어레이의 전류는 전압의 함수로 나타낼 수 있습니다.

$P=I(V)V$ $P=I(V)V$ ( $P=I(V)V$ ) $P=I(V)V$ {\ $displaystyle$ P $=I(V)V$

$dP/dV=VdI/dV+I(V)$ d $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ / $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ V $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ I $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ / $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ V + $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ ( $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ ) \ $displaystyle dP$ / $dV = VdI$ / $dV$ + $I$ ( V $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ ) $dP/dV=VdI/dV+I(V)$ 。수율 0으로 $dI/dV=-I(V)/V$ : d $dI/dV=-I(V)/V$ / d $dI/dV=-I(V)/V$ $dI/dV=-I(V)/V$ - $dI/dV=-I(V)/V$ I ( $dI/dV=-I(V)/V$ ) / $dI/dV=-I(V)/V$ { $displaystyle dI$ ( V $dI/dV=-I(V)/V$ ) / I - $dI/dV=-I(V)/V$ - I - I - I = I ( V ) （ V ) （ V ））（ V ）） therefore therefore therefore therefore therefore therefore therefore 。그power-voltage 곡선 특성은:전압 MPP보다, 진동계 측 P 작다/dV>0{\displaystyle dP/dV>0}, 그렇게 진동계 측 나는/dV>− 나는/V{\displaystyle dI/dV>, -I/V}고 전압 MPP보다, 진동계 측 P/dV<0{\displaystyle dP/dV<0}또는 d 크다 나는/dV<>− 나는/V{\displays을 보여 준다.tyle dI/dV<, -I/V}.따라서 트래커는 전류/전압의 변화와 전류 전압 자체의 관계를 계산하여 전력 전압 곡선의 위치를 알 수 있습니다.

전류 스위프

전류 스위프 방법은 어레이 전류에 스위프 파형을 사용하여 PV 어레이의 I-V 특성을 얻고 일정한 시간 간격으로 업데이트합니다.그런 다음 MPP 전압을 ^[21]^[22]동일한 간격으로 특성 곡선에서 계산할 수 있습니다.

정전압

정전압 방법에는 모든 조건에서 출력 전압이 일정한 값으로 조절되는 방법과 측정된 개방 회로 전압에 대한 일정한 비율( $V_{OC}$ O $\$ V_ ${)$ 에 따라 출력 전압이 조절되는 방법이 있습니다. $OC}}).$ 후자의 기법은 "개방 전압"^[23] 방식으로도 표시될 수 있습니다.출력 전압이 일정하게 유지되면 MPP를 추적하려는 시도가 없기 때문에 MPP 트래킹이 실패하는 경향이 있는 경우에는 기능하지만 MPPT 기술은 엄밀하게는 MPPT 기술이 아닙니다.따라서 보충적으로 사용되는 경우도 있습니다.개방전압방법은 순간적으로 전원공급이 중단되고 제로전류의 개방전압이 측정된다.그런 다음 컨트롤러는 개방 회로 $V_{OC}$ $V_{OC}$ $V_{OC}$ C $(\$ V_ ${$ 방식 V_{)의 일정한 비율로 제어되는 전압으로 작동을 재개합니다.OC $V_{OC}$ ^[24] 이 값은 일반적으로 예상 운전 ^[19]^[20]조건의 경험적 또는 모델링에 기초한 MPP로 미리 결정된 $값$ 이다.따라서 어레이 전압을 조절하고 이를 고정 기준 $V_{ref}=kV_{OC}$ V $V_{ref}=kV_{OC}$ $V_{ref}=kV_{OC}$ f $V_{ref}=kV_{OC}$ $V_{ref}=kV_{OC}$ $V_{ref}=kV_{OC}$ O $({$ } = $kV_{$ displaystyle V_{ref}})에 맞춰 어레이의 작동 지점을 MPP 근처에 유지합니다.OC $V_{ref}=kV_{OC}$ MPP뿐만 아니라 다른 요인에 대해서도 최적의 성능을 제공하기 위해 $V_{ref}$ $V_{ref}$ $V_{ref}$ {\ $displaystyle V_{ref}$ $V_{ref}$ 을 $V_{{ref}}$ 선택할 수 있지만 V $V_{ref}$ $V_{ref}$ f {\ $displaystyle V_{$ }는 $V_{ref}$ $V_{OC}$ $V_{OC}$ {\ $displaystyle V_{$ ref}}에 대한 비율로 결정된다는 $V_{ref}$ 이 핵심 $개념$ 입니다.OC $V_{OC}$ 이 방법의 고유한 근사치 중 하나는 $V_{OC}$ 에 $V_{OC}$ MPP 전압의 비율(\ $displaystyle V_{)$ 입니다.OC $}}$ 은 $V_{OC}$ (는) 거의 일정하기 때문에 더 이상 최적화할 수 있는 여지가 있습니다.

온도법

이 방법에서는 태양 모듈의 온도를 측정하여 ^[25]기준과 비교하여 MPP $V_{mpp}$ ( $V_{mpp}$ $\$ 을 추정합니다.조사 수준의 변화는 MPP 전압에 무시할 수 있는 영향을 미치기 때문에 그 영향은 무시할 수 있다. 즉, 전압은 온도에 따라 선형적으로 변화한다고 가정한다.

이 알고리즘은 다음 방정식을 계산합니다.

${displaystyle V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}(T-T_{ref})}$

장소:

$V_{mpp}$ $V_{mpp}$ { $displaystyle V$ _ { $mpp$ } $V_{mpp}$ 、 주어진 온도의 최대 전원점에서의 전압입니다.

$T_{ref}$ $T_{ref}$ ${\$ 는 $T_{ref}$ 기준 온도입니다.

$T$ {\ $displaystyle$ T $}$ 는 $T$ 측정된 온도입니다.

$u_{V_{mpp}}$ $u_{V_{mpp}}$ $u_{V_{mpp}}$ { $displaystyle u$ _ { $V$ _ { $mpp$ } } $V_{mpp}$ 、 V $V_{mpp}$ （ $displaystyle$ V _ { $mpp$ } $V_{mpp}$ ）。데이터시트에 기재되어 있습니다.

이점

심플성:이 알고리즘은 하나의 선형 방정식을 푼다.따라서 연산이 거의 필요하지 않습니다.
아날로그 또는 디지털 회로로 구현할 수 있습니다.
온도는 시간에 따라 천천히 변화하기 때문에 진동과 불안정성은 비요인입니다.
저비용: 온도 센서는 보통 저렴합니다.
소음에 강하다.

단점들

낮은 조사 수준(예: 200 W/m² 미만)의 경우 추정 오류가 무시할 수 없을 수 있다.

방법 비교

P&O와 증분 컨덕턴스 모두 어레이 동작조건에 대한 전력곡선의 로컬 최대값을 구할 수 있는 "힐 클라이밍"^[6]^[16]^[19] 방식의 예입니다.

P&O는 정상 상태의 방사 조도에서도 최대 전력점 주변에서 출력 진동을 발생시킵니다.

증분 컨덕턴스는 ^[14]진동 없이 최대 전력점을 결정할 수 있습니다.P&^[14]O보다 높은 정확도로 빠르게 변화하는 조사 조건에서 MPPT를 수행할 수 있다.그러나 이 방법은 진동을 발생시킬 수 있고 급변하는 대기 조건 하에서 불규칙하게 수행될 수 있습니다.P&^[20]O에 비해 알고리즘의 복잡성이 높아 샘플링 빈도가 감소합니다.

정전압비(또는 "개방전압") 방식에서는 전류가 ^[20]0으로 설정되는 동안 에너지가 손실될 수 있습니다. $V_{MPP}/V_{OC}$ M $V_{MPP}/V_{OC}$ P / $V_{MPP}/V_{OC}$ O $V_{MPP}/V_{OC}$ { $displaystyle$ V _ { $MPP$ } / $V$ _ { $OC$ } is is is 76 %의 근사치는 반드시 ^[20]정확한 것은 아닙니다.구현이 단순하고 비용이 적게 들지만 중단으로 인해 어레이 효율성이 저하되어 실제 MPP를 찾을 수 없습니다.그러나 일부 시스템의 효율은 ^[24]95%를 초과할 수 있습니다.

배치

기존의 솔라 인버터는 어레이 전체에 대해 MPPT를 수행합니다.이러한 시스템에서는 인버터에 의해 지시되는 동일한 전류가 문자열(직렬)의 모든 모듈을 통해 흐릅니다.모듈마다 I-V 곡선과 MPP가 다르기 때문에(제조 시의 허용치, 부분 ^[26]쉐이딩 등에 의해) 이 아키텍처는 일부 모듈이 MPP를 밑돌고 효율이 ^[27]저하됨을 의미합니다.

대신 MPPT를 개별 모듈용으로 배치할 수 있으므로 불균일한 음영, 오염 또는 전기적 불일치에도 불구하고 각 모듈이 피크 효율로 작동할 수 있습니다.

데이터에 따르면 동일한 수의 동서향 모듈을 가진 프로젝트에 MPPT를 가진 인버터가 1개 있는 것은 인버터 2개 또는 MPPT를 ^[28]여러 개 갖춘 인버터 1개에 비해 단점은 없습니다.

배터리 작동

야간에는 오프 그리드 PV 시스템이 배터리를 사용하여 부하를 공급할 수 있습니다.완전 충전된 배터리 팩 전압은 PV 패널의 MPP 전압에 가까울 수 있지만 배터리가 부분적으로 방전된 일출 시에는 그렇지 않을 수 있습니다.PV 패널 MPP 전압보다 훨씬 낮은 전압에서 충전이 시작될 수 있으며 MPPT를 사용하면 이 불일치를 해결할 수 있습니다.

배터리가 완전히 충전되어 PV 생산량이 로컬 부하를 초과하면 MPPT는 패널을 흡수하는 부하가 없기 때문에 MPP에서 패널을 작동할 수 없게 됩니다.MPPT는 생산량이 수요에 부합할 때까지 PV 패널의 동작 지점을 피크 전력점에서 멀리 이동시켜야 합니다(우주선에서 일반적으로 사용되는 대체 방법은 잉여 PV 전력을 저항성 부하로 전환하여 패널을 가능한 한 냉각하기 위해 피크 전력점에서 연속적으로 동작시키는 것입니다).^[29]

그리드 연결 시스템에서는 태양 모듈에서 공급되는 모든 전력이 그리드로 전송됩니다.따라서 그리드 접속 시스템의 MPPT는 항상 MPP로 동작하려고 합니다.

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추가 정보

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외부 링크

Wikimedia Commons의 Maximum PowerPoint Tracker 관련 미디어

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