PV System의 PSpice Simulation
목적 :
- PSpice 시뮬레이션을 통하여 태양광 발전 시스템의 이해를 돕는다.
- PV 모듈의 등가회로에 대한 I-V곡선, P-V 곡선을 시뮬레이션
- 간단한 MPPT 제어방법을 시뮬레이션
참고자료 :
[1] A. Blorfan, D. Flieller, P. Wira, G. Sturtzer, J. Merckle, “A New Approach for Modeling
the Photovoltaic Cell Using Orcad Comparing with the Model Done in Matlab”,
International Review on Modelling and Simulations (I.RE.MO.S.), Vol. 3, N. 5 October
2010 pp.948-954
[2] S. K. Dash, “Development of Photovoltaic (PV) Cell/Module/Array and Non-uniform
Irradiance Effect Based on Two-diode Model by Using PSPICE Simulator“, International
Conference on Nascent Technologies in the Engineering Field (ICNTE-2015), 2015
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
< H. W. Ahn>
1
1. Simulation 내용
PSpice simulation을 위한 배터리 충전용 PV 시스템의 구성
Light intensity
PV module
or array
DC-DC
converter
V, I
Battery
(V–source)
V, I, T
duty
MPPT circuit
(hardware type)
BMS
배터리 충전용 PV 시스템의 PSpice 시뮬레이션 내용
1. PV module / array 의 모델링 및 특성 곡선 시뮬레이션
> 등가회로(one-diode model)를 이용하여 I-V 곡선과 P-V 곡선을 확인
> ideality-factor(N), Is, Rs, Rsh 등의 파라미터를 변경하여 적합한 모델을 구현
2. 시스템 구성 : PV module + DC-DC converter + 배터리
> DC-DC converter의 모델 : switching 방식 또는 등가회로 방식
> 배터리 모델 : 전압원 + 직렬저항
3. MPPT algorithm
> Hardware 방식으로 구현 (Software 방식 아님). analog-digital mixed signal 모델.
> 일사량 변화 시의 MPPT 성능을 확인
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
< H. W. Ahn>
2
2. PV 모듈의 I-V 곡선과 P-V 곡선의 시뮬레이션
I
Id +
D VD
-
PV Cell/Module의 등가회로
I ph
PV cell 의 V-I 특성식 :
=
−
exp
=
( +
−
−
−1 −
< H. W. Ahn>
RL
+
∶ reverse saturation current (≈ 1 pA)
∶ ideality factor of diode 1~2
∶ electron charge (1.6 × 10
C)
∶ Boltzmann constant (1.381 × 10
J/K)
∶ junction temperature Kelvin
∶ series resistance (0.05~0.1 Ω)
∶ shunt resistance (200~300 Ω)
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
I sh Rs +
V
R sh
-
3
Effect of Variation in Model Parameters [2]
입사광(Iph)이 증가하면, 전류가 증가
직렬저항(Rs)이 크면, 전류 증가에 따른
전압 감소가 심해진다.
다이오드의 Ideality Factor (N)가 증가하면,
전압이
증가한다
태양광 발전 시스템의 PSpice
시뮬레이션
< H. W. Ahn>
병렬저항(Rsh)이 크면, 전압 증가에 따
른 전류 감소가 심해진다.
다이오드의 역방향 포화전류(Is)가 증가하면,
전압이 감소한다.
4
PV Module 또는 PV Array의 등가회로 모델
PV 모듈/어레이의 구성 :
개 직렬 x
개 병렬의 경우.
V-I 특성식 :
=
−
,
exp
,
PV cell의 특성식의 형태로 표현 :
=
,
−
,
exp(
−1 −
)−1 −
+
+
,
,
,
⁄
,
à PV cell 의 등가회로를 모듈/어레이의 등가회로로 사용 가능하다 !
단, 다이오드 파라미터 값과 회로 소자 값을 변경하여야 한다.
=
, =
, =
, =
, =
,
,
⁄
,
,
** 직렬연결만 있는 경우에는
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
과
,
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만 변경하면 됨.
5
시뮬레이션 예 : PV 모듈의 I-V, P-V 곡선
Schematic diagram
1
Rs
2
0.1
Iph
6Adc
D3
Dbreak
Rsh
220
V1
25Vdc
다이오드의 모델 파라미터를 수정 :
.model Dbreak D Is=1e-14
Cjo=.1pF Rs=.01 N=40
모델 파라미터의 수정 방법 : 참고 1)에 있음
0
I
p
v
20A
200W
15A
150W
10A
100W
5A
50W
>>
0A
0V
1
0W
10V
I(Rs) 2
20V
30V
I(Rs)*V(V1:+)
V_V1
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
P
p
v
위의 조건으로부터 구한 특성 곡선.
특성치 :
Pmax = 175 W
Vmp = 31 V , Imp = 5.7 A
Voc = 35 V , Isc = 6 A
만약 특성치를 변경하고 싶다면,
다시 parameter를 수정 한다.
40V
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6
3. PV 모듈 + Boost converter + Battery 의 시뮬레이션
스위칭 소자를 사용한 부스트-컨버터의 경우
Rs
0.1
D1
Dbreak
Iph
8Adc
D2
Dbreak
D4
PVA
power_Dbreak
Lboost
5000uH
IC = 8
C2
10u
IC = 70
Rp
500
bat
power_Dbreak
Mboost
power_Mbreakn
C1
10u
IC = 400V
Rbat
0.1
Vbat
gate
D3
Dbreak
400Vdc
0
부스트-컨버터의 등가회로를 사용한 경우
(시뮬레이션 시간 단축 가능)
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
Dboost
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V1 = 0
V2 = 15
Fsw = 20kHz
TD = 0
Duty = 0.8
TR = 1u
TF = 1u
PW = {Duty /Fsw}
PER = {1/Fsw}
PA RAM
Vduty
0
E TER S:
7
4. (PV 모듈 + Converter + Battery) + MPPT 의 시뮬레이션
시뮬레이션 : 입사광이 변할 때(100% à 50% à 100%),
배터리 충전 전력이 최대로 되도록 자동 추종하는 MPPT 기능을 확인.
MPPT 기능을 하드웨어로 구현하였음. (analog-digital mixed simulation 방법을 적용)
(소프트웨어 방식을 적용하려면 Simulink-PSpice interface 프로그램인 SLPS가 필요함 )
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
< H. W. Ahn>
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시뮬레이션 결과
10
5
0
0s
V(Qd)
100ms
V(power)/100
200ms
V(duty)*10
300ms
400ms
500ms
I(Iph)
Time
입사광(Iph)이 8A à 4A à 8A로 변할 때,
MPPT 기능이 작동하여 자동으로 duty를 변화시키고
PV 출력은 최대전력점 근처를 유지하는 동작을 보여준다.
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
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참고 : PSpice 사용법 (OrCad R16.5를 기준으로 설명)
1) PSpice model parameter 를 변경하는 방법 (예: Dbreak)
Capture 회로에서, 소자(Dbrak)를 선택 > 우클릭 > “Edit Pspice Model”을 선택 >
model editor 창에서 파라미터 값을 편집 (N=1 을 N=35로 수정) >
창 닫기(우상단의 X를 클릭) > “save to ...” 메시지 뜨면 ‘Yes’를 클릭
(창 닫기 전에 저장 (Save Library)을 클릭하면 parts librar의 내용이 변경되므로 주의!!)
2) X-Y plot 방법 ( PV 모듈의 I-V 곡선을 구하는 방법 )
Simulation (Profile) setting 창의 Analysis 탭에서 설정
Analysis type:에서 “DC sweep”을 선택 à Options:에서 “Primary Sweep”에만 체크 à
Sweep Variable 에서 Voltage Source 만 선택 à 우측 Name: 칸에 “V1”을 입력 à
Sweep type 에서 Linear 를 선택 à 우측의 Start value: 칸에 “0”, End value: 칸에 “50”,
Increment: 칸에 “0.1”을 입력
(V1 전압을 0V부터 50V까지 0.1V씩 증가시키면서 계산하도록 설정한 것임)
model parameter sweep 설정 : diode model의 parameter를 변화 시키는 방법
Analysis type: DC Sweep à Parametric Sweep 선택 à
Model Parameter à Model type: D, Model name: Dbreak, Parameter Name: Is (또는 N)
Sweep type 에서 Value List 선택 à 텍스트 입력 (1n, 10n, 1p 또는 2, 20, 40)
Probe Window 에서
x-축 : DC Sweep 선택 시에는 자동으로 sweep variable이 x-축에 나타난다.
DC Sweep 이 아닌 경우에는,
Plot à Axis Setting à X axis à Axis variables à V(pv) à OK à OK
y-축 선택 : Trace à Add trace à I(pv) à OK
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
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참고 : PSpice 사용법 (OrCad R16.5를 기준으로 설명)
3) Analog-Digital mixed signal 에 대한 PSpice simulation 방법
PSpice library 에 포함되어 있는 디지털 부품을 사용.
analog-digital interface는 자동으로 생성됨 (보이지는 않음)
Simulation (Profile) setting 의 Option 탭에서 “Gate-Level Simulation”을 선택
Timing Mode : Typical
Initiate all Flip Flop to : 1 --- F/F의 output Q의 초기치를 설정
Digital I/O Level : 1
--- 디지털 high 신호의 전압 크기 모드(약 3.5V 수준)
Probe Window
add trace 에서 선택하는 변수 이름에 따라서 디지털 변수는 별도의 그래프에 나타남.
종류 : 0 (low), 1(high), Z(3-state), R(Rising), F(Falling), X(Don’t care)
태양광 발전 시스템의 PSpice 시뮬레이션
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