[논문 리뷰] FPGA Based Sinusoidal Pulse Width Modulated Waveform Generation for Solar (PV) Rural Home Power Inverter

Shakti Singh, Arun Kumar Singh|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 17.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Xilinx Spartan 3E FPGA와 VHDL를 사용하여 태양광 기반 농촌 주거용 인버터를 위한 FPGA 기반 정현파 펄스 폭 변조(SPWM) 파형 생성 시스템을 제시한다. 혁신적인 직접 PWM 변조 전략은 하드웨어 변경 없이도 인버터의 전압, 주파수 및 PWM 펄스 수를 민첩하고 실시간으로 제어할 수 있게 하며, 시뮬레이션과 프로토타입 테스트를 통해 성공적인 파형 생성과 검증이 이루어졌다.

ABSTRACT

With the increasing concern about global environmental protection and energy demand due to rapid growth of population in developing countries and the diminishing trend of resources of conventional grid supply, the need to produce freely available pollution free natural energy such as solar/wind energy has been drawing increasing interest in every corner of the world. In an effort to utilize these energies effectively through Power converter, a great deal of research is being carried out by different researchers / scientist and engineers at different places in the world to meet the increasing demand of load. The study presents methodology to integrate solar (PV) energy (which is freely available in every corner of the world) with grid source and supplement the existing grid power in rural houses during its cut off or restricted supply period. In order to get consistency in supply a DG is also added as a standby source in the proposed integration of network. The software using novel Direct PWM modulation strategy and its soft control features extend the flexibility to control converter (inverter) parameters like voltage, frequency, number of samples of PWM pulses constituting sine-wave without changing any hardware configuration in the circuit. The system simulation of PWM Pulse generation has been done on a XILINX based FPGA Spartan 3E board using VHDL code. The test on simulation of PWM generation program after synthesis and compilation were recorded and verified on a prototype sample.

연구 동기 및 목표

• 신뢰성 없거나 전력망이 없는 개발도상국의 농촌 주거용 저비용·신뢰성 있는 전원 인버터 솔루션을 개발하기 위해.
• 전력망 장애 시에도 지속적인 전원 공급을 보장하기 위해 태양광(PV) 에너지를 비상용 디젤 발전기(DG)와 통합하기 위해.
• 향상된 인버터 성능과 제어를 위해 FPGA를 사용한 재구성 가능하고 민첩한 SPWM 생성 시스템을 설계하기 위해.
• 하드웨어 수정 없이도 인버터 파rameter—전압, 주파수 및 PWM 펄스 수—를 실시간으로 조정할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• Xilinx Spartan 3E FPGA 플랫폼에서 VHDL를 사용한 직접 PWM 변조 전략의 구현.
• 순수한 정현파를 생성하기 위해 사용되는 정현파 기준 신호 생성기 설계.
• 정현파 기준 신호를 고주파 삼각파 캐리어 신호와 비교하여 SPWM 펄스 생성.
• 소프트웨어를 통해 FPGA 내부의 소프트 제어 기능을 활용해 전압 및 주파수와 같은 인버터 파rameter를 동적으로 조정.
• VHDL 코드의 합성 및 컴파일 후 실제 프로토타입에서의 시뮬레이션 및 하드웨어 테스트 수행.
• 오실로스코프를 이용한 테스트와 기대되는 정현파 특성과의 비교를 통해 생성된 SPWM 파형의 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 변경 없이도 유연하고 실시간으로 제어 가능한 FPGA 기반 SPWM 시스템을 설계하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 직접 PWM 변조 전략이 태양광 기반 농촌 인버터용 고품질 정현파 파형 생성에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 간헐적인 태양광 공급이 있는 농촌 전력 시스템에서 비상용 디젤 발전기(DG) 통합이 신뢰성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 부하 및 입력 조건이 변화하는 상황에서도 FPGA 기반 SPWM 시스템이 정확하고 안정적인 파형 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 저비용 Xilinx Spartan 3E FPGA 보드에 구현되었을 때 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• FPGA 기반 SPWM 시스템은 최소한의 고조파 왜곡을 보이며 주거용 사용에 적합한 고품질 정현파 파형을 성공적으로 생성하였다.
• 직접 PWM 변조 전략을 통해 하드웨어를 변경하지 않고도 소프트웨어 기반으로 전압, 주파수 및 PWM 펄스 수를 실시간으로 제어할 수 있었다.
• 시스템은 성공적으로 Xilinx Spartan 3E FPGA에 합성 및 구현되어 하드웨어 실현 가능성 확인되었다.
• 합성 후 시뮬레이션 및 프로토타입 테스트를 통해 생성된 SPWM 파형의 정확성과 안정성이 검증되었다.
• 비상용 디젤 발전기(DG) 통합으로 태양광 공급이 끊기거나 전력망 장애가 발생할 경우에도 중단 없는 전원 공급이 보장되었다.
• VHDL의 사용은 재구성 가능하고 확장성 있으며 유지보수 용이한 인버터 제어 시스템을 가능하게 하여 농촌 현장 적용에 이상적이다.