MPPT 기반 PV 마이크로그리드와 능동 전력 필터를 이용한 전력 품질 향상

초록

본 논문은 인덕티브 부하가 많이 연결된 산업·상업 현장에서 발생하는 고조파와 전압·전류 왜곡을 완화하기 위해, PV‑마이크로그리드에 샤운트형 능동 전력 필터(APF)를 결합하고 Id‑Iq 좌표 제어와 MPPT(최대 전력점 추적) 알고리즘을 적용한 시스템을 제안한다. MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통해 제안된 구조가 고조파 억제와 전압 품질 개선에 효과적임을 입증하였다.

상세 분석

본 연구는 전력 품질 저하의 주요 원인으로 인덕티브 부하에 의한 비선형 전류 흐름과 그에 따른 고조파 발생을 지적한다. 이를 해결하기 위해 샤운트형 능동 전력 필터(Shunt APF)를 시스템에 삽입하고, d‑q 좌표계 기반 Id‑Iq 제어 방식을 채택하였다. Id‑Iq 제어는 전류를 직교축(d축, q축)으로 분해함으로써 실효 전류와 무효 전류를 독립적으로 조절할 수 있어, 고조파 성분을 정확히 추출하고 보상 전류를 생성한다. 보상 전류는 역변환을 거쳐 실제 삼상 시스템에 주입되어 고조파와 비대칭 전류를 상쇄한다.

또한, PV(광발전) 시스템이 마이크로그리드에 통합될 때 출력 전압과 전류가 일시적으로 변동할 수 있는데, 이는 전력 품질에 부정적인 영향을 미친다. 이를 완화하기 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 컨트롤러를 적용하였다. 논문에서는 전통적인 퍼듀(Perturb‑and‑Observe) 방식 대신, 전압‑전류 곡선의 기울기를 실시간으로 계산하는 변형 P&O 알고리즘을 사용해 빠른 추적과 안정성을 확보하였다. MPPT는 PV 모듈이 최적의 전력점에서 동작하도록 보장함으로써, 전압 변동을 최소화하고 APF가 고조파 보상에 집중할 수 있는 환경을 만든다.

시뮬레이션은 MATLAB/Simulink 환경에서 구현되었으며, 3상 4선식 시스템에 비선형 인덕티브 부하(예: 전동기, 전자식 변압기)를 연결하였다. 실험 결과는 다음과 같다. 1) 고조파 왜곡률(THD)은 APF 적용 전 12 % 수준에서 3 % 이하로 감소하였다. 2) 전압 변동 범위는 MPPT 적용 전 ±5 %에서 ±1 % 수준으로 축소되었다. 3) 전력 인자(PF)는 0.78에서 0.96으로 개선되었다. 이러한 수치는 국제 전력 품질 표준(IEEE 519, IEC 61000‑4‑30)을 충족함을 의미한다.

핵심 인사이트는 Id‑Iq 제어가 고조파 보상에 있어 높은 선택성을 제공하고, MPPT가 PV 출력 변동을 억제함으로써 전체 시스템의 전압·전류 품질을 동시에 향상시킨다는 점이다. 또한, 제안된 구조는 기존의 수동 필터와 비교해 부피와 비용 면에서 효율적이며, 마이크로그리드의 확장성과 재생에너지 비중 확대에 유리한 설계임을 강조한다.