A Study on Bidirectional DC-DC converter and Micro inverter for Photovoltaic power system

Abstract

This thesis proposes a micro inverter and a bidirectional dc-dc converter for photovoltaic power system. The proposed micro inverter is a grid-connected single-stage micro-inverter with low cost, small size, and high efficiency to drive a 320-W class photovoltaic panel. This micro-inverter has a new and advanced topology that consists of an interleaved boost converter, a full-bridge converter and a voltage doubler. Variable switching frequency and advanced burst control schemes were devised and implemented. A 320-W prototype micro-inverter was very compact and slim with 60-mm width, 310-mm length, and 30-mm height. In evaluations, the proposed micro-inverter achieved CEC weighted efficiency of 95.55%, MPPT efficiency > 95% over the entire load range, and THD 2.65% at the rated power. A circuit structure of the proposed bidirectional dc-dc converter uses two switches, two capacitors, a 1:1 transformer, and a control circuit for pulse frequency modulation. The windings of the transformer are connected in a series-aiding configuration to reduce current ripples and to increase power conversion efficiency ηe. The capacitors and the leakage inductance of the transformer provide soft-switching conditions. When the proposed dc-dc converter was designed to operate at a switching frequency of 110 ~ 240 kHz, input/output voltages of 100 ~ 400 V, and output power Po of 30 ~ 300 W, ηe was ≥ 97% for Po ≥ 90 W and 93.5 % at Po = 30 W.

이 논문은 320W 급 PV 패널을 구동하기 위한 저가의 슬림한 마이크로 인버터와 태양광 ESS 구성을 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 제안합니다. 제 I 장에서는 태양광 발전과 시스템 안정도 개선을 위한 위한 태양광ESS 형태를 조사하였고, 기존에 연구된 마이크로 인버터와 양방향 DC-DC 컨버터를 조사하고 이들 회로의 장, 단점을 분석하였으며, 본 논문의 구성에 대해 설명하였습니다. 제 II 장에서는 이전에 분석된 마이크로 인버터의 단점을 보완한 새로운 구조의 회로를 제안하였으며, 이 회로의 구조, state 분석, 새로운 제어 방식 등을 수식과 도식을 통해 설명하고, 다양한 실험을 진행하고 그 결과에 대해서 논의하였습니다. 제안된 마이크로 인버터는 인터리브 부스트 컨버터, 풀 브리지 컨버터 및 배 전압기로 구성된 새로운 토폴로지를 사용하여 높은 전압 변환 비율과 높은 효율을 달성했습니다. 변압기의 누설 인덕턴스와 배전압 회로의 커패시터는 추가 구성 요소없이 ZVS 조건을 보장합니다. 가변 스위칭 주파수 제어 기법이 마이크로 인버터에 적용되어 그리드 리플 전류를 줄임으로써 THD가 줄어들었습니다. 첨단 버스트 제어 기법은 기존의 버스트 제어보다 적은 입력 리플 전압으로 MPPT 효율을 향상시켰습니다. 제작된 320W 급 마이크로 인버터는 폭이 60mm이고 길이가 310mm이고 높이가 30mm 으로 매우 컴팩트하고 슬림했습니다. 입력전압 = 34 VDC, 계통전압 = 220 Vrms / 60 Hz 및 출력전력 = 320W 에서 CEC 효율은 95.55 %, MPPT 효율 95 % 이상, THD 2.65 % 를 달성했습니다. 이 결과는 제안된 마이크로 인버터는 저비용, 소형 및 슬림형 크기, 고효율 및 저소음을 요구하는 PV 마이크로 인버터 애플리케이션에 매우 적합한 것을 보여줍니다. 제 III 장에서는 태양광 ESS 구성을 위한 고효율 양방향 DC-DC 컨버터의 구조를 제안하고, mode 분석, 설계 고려사항, 디지털 제어 등을 수식과 그림을 통해 설명하고, 이를 바탕으로 설계된 회로의 자세한 사양과 실험 결과를 나타내고 그에 대한 논의를 진행하였습니다. 양방향 DC-DC 컨버터는 Series-aiding configuration 으로 결합된 1:1 트랜스포머를 이용해 Core loss 를 개선합니다. 또한 Synchronous switching 을 이용해 인덕터의 전류 극성을 자유자재로 바꿈으로써 넓은 입, 출력 전압 범위내의 ZVS 를 보장하고 스위치 도통 손실도 개선합니다. 제안된 BDC 에는 스위칭 주파수를 부하에 따라 변화하는 Pulse-frequency modulation (PFM) 을 적용하여 넓은 부하 구간에서 높은 효율을 지닙니다. 110 ~ 240 kHz의 스위칭 주파수, 100 ~ 400 VDC 의 입 / 출력 전압, 30 ~ 300W의 출력 전력에서의 실험 결과, BDC 의 커패시터와 1:1 트랜스포머의 누설 인덕턴스는 넓은 입 / 출력 전압 범위에서 소프트 스위칭 조건을 제공하였고, 트랜스포머의 권선은 코어에서 발생하는 전류 리플을 거의 제로로 만들었습니다. 그러므로 제안된 BDC 는 Core loss 를 저감하여 출력 전력 90 W 이상 구역에서 97% 이상의 효율을 보였고, 출력 전력 30W 에서도 93.5 %를 달성했습니다. 이러한 결과는 제안된 컨버터가 충, 방전이 빈번한 태양광 발전 에너지 저장 시스템에 매우 적합하다는 것을 입증합니다. 마지막으로 IV 장에서는 본 논문의 내용을 요약하였습니다.