PV 시스템에서 물 펌핑용 동기식 릴럭턴스 모터 드라이브로 공급되는 고이득 초퍼

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15519(2022) 이 기사 인용

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재생 가능 에너지원의 발전량은 지난 몇 년 동안 급속히 증가했습니다. 마찬가지로, 고이득 DC-DC 부스트 초퍼는 광전지(PV) 기기에 사용되는 기존 전력 변환기를 대체하고 있습니다. 연구원들은 높은 전압 이득, 낮은 리플, 낮은 스위치 스트레스, 낮은 컨버터 비용, PV 작동 지점의 변동 최소화를 제공하기 위해 다양한 방법을 개발하고 있습니다. 본 연구에서는 태양광 발전 시스템에 의한 자립형 물 펌핑 모터 구동 전력을 위한 2단 변환기를 제안합니다. 제안된 시스템에 따르면 먼저 고이득(HG) 셀과 DC-DC 부스트 컨버터를 결합하여 PV 전압을 높은 수준으로 높인다. 나중에 결과적인 DC 전압은 원심 펌프 부하를 작동하는 3상 동기식 릴럭턴스 모터 드라이브에 공급됩니다. 교란 및 관찰 접근 방식은 태양광 PV 모듈에서 최대 전력을 얻기 위해 활용됩니다. 또한 동기 릴럭턴스 모터의 원활한 기동을 위해 간접자속기준제어를 구현하였습니다. 제안된 기법의 유효성을 검증하기 위해 MATLAB/Simulink 환경 기반 시뮬레이션 설정과 실험 프로토타입을 개발했습니다. 또한 다양한 작동 조건과 조도 수준에 따라 다양한 사례를 고려하여 결과를 수집하고 분석합니다.

의심할 여지 없이 재생 가능 에너지 자원의 개발은 전력 시스템 운영자와 계획자가 업계에서 활용도를 높이는 데 도움이 됩니다. 태양열 발전 양수 시스템은 원격 지역, 특히 기존 전력망에 접근할 수 없는 지역에서 대중화되고 매력적이 되었습니다1. 하지만 태양광 양수 시스템은 밤이나 흐린 날에는 물을 양수할 수 없는 등 몇 가지 한계를 갖고 있다. 그러나 이러한 한계는 PV 발전 장치2와 함께 에너지 저장 시스템을 설치함으로써 극복될 수 있습니다. 그러나 에너지 저장 시스템의 배터리는 수명이 짧고 비경제적이라는 단점이 있습니다. 또한 배터리에는 지속적인 유지 관리와 서비스가 필요하므로 전체 비용이 증가합니다3. 이러한 단점을 극복하려면 낮에 물을 퍼 올려서 여분의 물을 특수 저수지에 저장해야 합니다. 저장된 물은 밤이나 흐린 날 관개 또는 기타 필요한 유틸리티에 활용될 수 있습니다.4, 태양광 발전 어레이는 주요 에너지원으로 기능합니다. 대조적으로, 배터리는 백업 공급 장치로 사용되며 펌프가 작동하지 않거나 감소된 등급5,6,7에서 작동할 때 SPV 어레이에 의해 충전됩니다.

태양광 발전 양수 시스템의 통합 및 구현이 증가함에 따라 연구원들은 이러한 시스템의 전반적인 신뢰성과 효율성을 개선하고 구동 장치에 대한 경제적이고 간단한 제어 접근 방식을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 물 펌핑에 사용되는 구동 장치가 전체 시스템 비용의 약 1/3을 차지한다는 것은 다양한 출처에서 명백합니다8. 구동 장치의 성능은 시스템 효율성과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 태양광 발전 양수 시스템을 위한 적절하고 효율적인 구동 장치가 중요합니다9.

일반적으로 태양광 발전 양수 시스템은 유도 전동기(IM), 기존 DC 모터, 스위치드 릴럭턴스 모터, 브러시리스 DC 모터(BLDC)를 사용합니다. 각 유형의 모터에는 장점과 단점이 있습니다. 예를 들어, IM은 강력하고 비용 효과적이지만 특히 부분 전력량 시스템10의 경우 태양광 발전 물 펌핑 적용에 단점이 있습니다. 결과적으로 기존 DC 모터는 효율이 낮고 작동을 위해 카본 브러시와 함께 기계식 시프터가 필요하므로 정기적인 유지 관리가 필요합니다11. 빈번한 유지보수 및 여기 손실로 인해 공정이 중단되고 효율성이 저하됩니다12. 그러나 스위치드 릴럭턴스 모터는 가장 기본적인 견고성을 갖추고 있어 이러한 문제점을 극복합니다. Refs.13,14,15,16에서 연구자들은 속도 조절이 가능한 드라이브를 갖춘 동기식 릴럭턴스 모터의 이점에 대해 논의합니다. 연구진은 동기식 릴럭턴스 모터에는 간단한 회전자 구조, 최소 관성, 센서가 없는 손쉬운 속도 제어 장치가 필요하다는 결론을 내렸습니다. 또한 동기식 릴럭턴스 모터는 속도 제어 드라이브에 회전자 케이지가 필요하지 않으며 저항 손실이 최소화됩니다. 또한 동기식 영구자석 모터에 비해 동기식 릴럭턴스 모터는 간단한 계자 약화 프로세스를 특징으로 하며 값비싼 자석이 필요하지 않습니다.