[논문 리뷰] Performance Analysis of a Scalable DC Microgrid Offering Solar Power Based Energy Access and Efficient Control for Domestic Loads

Abu Shahir Md. Khalid Hasan, Dhiman Chowdhury외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 03.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 태양광 기반의 소스 컨버터와 MPPT를 통해 펄스 및 관찰 방식을 사용하는 300W PV 패널, 부스트 평균 DC-DC 컨버터, 그리고 PMU용으로 병렬로 연결된 풀 브리지 컨버터를 이용한 확장 가능한 DC 마이크로그리드를 제안한다. 시스템은 다양한 일조량과 배터리 구성 조건에서도 93% 이상의 효율을 달성하며, 단방향 통신을 위한 신뢰성 있는 스마트 파wr 공유를 가능하게 하는 룩업 테이블을 생성한다. 이는 이슬람 농촌 응용 분야에서의 태양광 기반 에너지 접근성을 향상시킨다.

ABSTRACT

DC microgrids conform to distributed control of renewable energy sources which ratifies efficacious instantaneous power sharing and sustenance of energy access among different domestic Power Management Units (PMUs) along with maintaining stability of the grid voltage. In this paper design metrics and performance evaluation of a scalable DC microgrid are documented where a look-up table of generated power of a source converter complies with the distribution of efficient power sharing phenomenon among a set of two home PMUs. The source converter is connected with a Photovoltaic panel of 300 W and uses Perturb and Observation (P&O) method for executing Maximum Power Point Tracking (MPPT). A boost average DCDC converter topology is used to enhance the voltage level of the source converter before transmission. The load converter consists of two parallely connected PMUs each of which is constructed with high switching frequency based Full Bridge (FB) converter to charge an integrated Energy Storage System (ESS). In this paper the overall system is modeled and simulated on MATLAB/Simulink platform with ESSs in the form of Lead Acid batteries connected to the load side of the FB converter circuits and these batteries yield to support marginalized power utilities. The behaviour of the system is tested in different solar insolation levels along with several battery charging levels of 12 V and 36 V to assess the power efficiency. In each testbed the efficiency is found to be more than 93% which affirm the reliability of the framework and a look-up table is generated comprising the grid and load quantities for effective control of power transmission.

연구 동기 및 목표

• 원격 지역의 에너지 빈곤 문제를 탈중앙화된 태양광 기반 DC 마이크로그리드를 통해 해결한다.
• 이슬람 환경에서 다수의 가정용 파wr 관리 단위(PMU) 간 신뢰성 있고 효율적인 파워 공유를 가능하게 한다.
• 단방향 통신을 사용한 저복잡도이자 비용 효율적인 제어 프레임워크를 설계하여 개발 중인 지역에서의 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.
• 변동하는 일조량과 배터리 하중 조건 하에서도 안정적인 전압과 파워 공급을 확보한다.
• 다양한 배터리 전압, 용량, 스위칭 주파수 조건에서의 시스템 성능을 평가한다.

제안 방법

• 1000W/m²에서 50W/m²까지 변하는 일조량 조건에서, 최대출력점(MPPT)을 추적하고 부스트 컨버터의 최적 듀티 사이클을 생성하기 위해 펄스 및 관찰(P&O) 알고리즘을 사용하는 300W 태양광 패널을 사용한다.
• 부스트 평균 DC-DC 컨버터는 PV 전압을 약 110V로 상승시켜 PMU에 도달하기 전 효율적인 전송을 가능하게 한다.
• 각 PMU는 MOSFET과 다이오드를 사용한 고주파 풀 브리지(FB) 컨버터를 사용하며, 현지 에너지 저장을 위해 병렬로 연결된 배터리 팩(12V 및 36V)을 구동한다.
• 리치드 배터리(5.4Ah 및 10.8Ah)는 초기 SoC 75%와 50분의 반응 시간을 가진 모델로 실제 동적 특성을 시뮬레이션한다.
• NREL의 시스템 어드바이저 모델을 사용하여 일조량 변화(1000W/m²에서 50W/m²) 조건 하에서 PV 특성을 모델링하고 MATLAB/Simulink에서 시스템을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션 데이터로부터 동적 룩업 테이블을 생성하여 입력 변수(일조량, 스위칭 주파수, 배터리 전압/용량)를 출력 파워 및 효율로 매핑함으로써 단방향 제어를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산된 PMU를 갖춘 확장 가능한 DC 마이크로그리드는 불균형한 하중 및 배터리 용량 조건에서도 효율적인 파워 공유를 유지할 수 있는가?
• RQ2 다양한 일조량 수준과 배터리 전압 구성 조건에서 시스템 효율은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 스위칭 주파수(50kHz 대비 100kHz)는 파워 전송 안정성과 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 루크업 테이블을 통한 단방향 통신 방식이 복잡한 피드백 제어 없이도 효과적으로 파워 공유를 관리할 수 있는가?
• RQ5 일조량이 급격히 변화하는 동안 소스 컨버터의 출력 전압과 파워 공급은 얼마나 안정적인가?

주요 결과

• 모든 테스트 구성 조건에서 시스템은 12V 및 36V 배터리, 다양한 용량, 다양한 일조량 수준에서도 93% 이상의 파워 효율을 유지한다.
• 1000W/m² 일조량에서 시스템은 최대 출력 파워 300.8W를 달성하며, 동일 및 비균형 하중 공유 조건에서 PMU 출력의 합과 평균 출력이 거의 일치한다.
• 배터리 용량이 다를 경우(예: 5.4Ah 대비 10.8Ah), 용량이 더 큰 배터리가 더 많은 전력을 소비하게 되어 비균형 공유가 발생하지만, 시스템은 안정된 전압과 효율을 유지한다.
• 일조량 변동에도 불구하고 소스 컨버터의 출력 전압은 약 110V로 거의 일정하게 유지되며, 강력한 전압 조절 능력을 보여준다.
• 룩업 테이블은 시스템 매개변수를 성능 지표로 성공적으로 매핑하여 확장 가능한 배포를 위한 효과적인 단방향 제어를 가능하게 한다.
• 100kHz 스위칭 주파수에서 12V, 5.4Ah일 경우 효율은 93.95%, 12V, 10.8Ah일 경우 93.92%로 유지되어 하중 변화에 대한 강건성을 확인한다.