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  1. (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea.)



Distribution System, Smart Inverter, Volt-Var Curve, Hosting Capacity

1. 서 론

전 세계적으로 자원고갈 및 환경문제를 해결하기 위해 태양광발전과 같은 재생에너지원이 각광을 받고 있다. 국내에서는 재생에너지 3020 이행계획에 의해 2030년까지 전체 에너지 발전량의 20%를 재생 에너지원으로 확대하려는 목표를 갖고 있다(1,2). 따라서 지자체 및 발전사업자들을 중심으로 배전계통에 연계되는 태양광 발전과 같은 분산전원연계가 급증하고 있다. 배전계통에 많이 연계되는 태양광 발전은 연계위치나 연계용량에 따라 전압이 과도하게 상승되는 문제를 초래한다(1,2). 이러한 문제를 해결하여 적절한 전압으로 수용가에 전력을 공급하기 위해 주변압기의 탭-제어(3), 선로전압조정장치(Step Voltage Regulator, SVR) 설치(4), 인버터 기반의 무효전력 제어(5,6)와 같은 방안이 고려되고 있다. 그러나 주변압기의 탭-제어는 다수의 피더 간 전압 편차가 크게 발생하는 구성에서는 적용에 어려움을 겪는다. 또한, 국내 배전계통은 피더 길이가 짧은 특징이 있기 때문에 SVR의 설치개소가 적다. 뿐만 아니라 과전압 문제를 해결하기 위한 SVR의 설치는 경제성이 부족하기 때문에 분산전원으로 인한 과전압 문제를 해결하기 위한 방안으로 적합하지 않다. 따라서, 배전계통에 연계되는 대부분의 분산전원이 인버터 기반으로 구성되기 때문에 인버터 기반의 무효전력 제어가 각광을 받고 있다(5,6).

배전계통에 연계되는 분산전원의 증가로 인해 발생하는 과전압 문제를 해결하기 위한 인버터 기반의 제어 기능 중 전압-무효전력 제어(Volt-Var Curve, VVC)가 전압 문제를 해결하기 위한 해결책으로 각광을 받고 있다. VVC는 연계점(Point Common Coupling, PCC) 전압에 따라 무효전력을 공급 또는 흡수함으로써 전압을 유지하는데 기여를 한다(7-10). 따라서 VVC를 활용하여 전압문제를 해결하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 참고문헌 (7-9)는 VVC 적용에 따른 전압편차, 시스템 손실과 같은 시스템 성능 개선에 대한 연구가 진행되었다. 하지만, VVC 적용으로 인한 분산전원 연계 허용용량에 개선에 대한 연구가 미흡하였다. 참고문헌 (10)은 분산전원 연계 허용용량을 개선하기 위한 VVC의 영향을 분석하였다. 하지만, 운영규정 중 전압 상한치에 대한 제약조건을 완화하여 적용하였다. 게다가 기존 연구들의 대부분은 분산전원에 VVC 탑재율(Penetration level of VVC)에 대한 연구가 미흡하였다. 탑재율은 피더에 연계된 분산전원에 VVC가 마운트(Mount) 된 비율을 의미한다. 일반적으로 태양광은 소용량으로 구성되어 배전계통 전반적으로 분포되어 있으므로 배전계통에 연계된 모든 태양광 발전에 VVC를 탑재하는 것은 효율적이지 않다. 게다가 기설된 태양광에 VVC를 탑재하는 경우, 경제적으로 설계된 인버터 용량에 의해 출력감소와 같은 문제가 초래 될 수 있다. 출력감소는 개인사업자에 수익손실과 직결되기 때문에 민감한 사항이다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 논문에서는 VVC 타입에 따른 전압분석을 통해 분산전원 연계 허용용량의 마진을 분석하였다. 또한, 피더에 연계된 태양광의 VVC 탑재율에 따른 전압분석을 통해 분산전원 연계 허용용량의 마진을 분석하였다.

그림. 1. 스마트인버터의 기능 효과 검증을 위한 테스트 모델

Fig. 1. Test model for verifying the volt-var curve effect of the smart inverter

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2. Analysis Methodology

2절은 스마트인버터의 VVC 적용으로 인한 영향 분석을 위해 테스트 모델과 스마트인버터의 VVC에 대해 설명하였다.

2.1 Test Model for Effect Verification

그림 1은 방사형으로 구성된 테스트 배전계통의 구성을 나타낸다. 표 1은 테스트 모델에 사용된 매개변수를 나타낸다. 일반적으로 배전계통에는 소용량 분산전원이 분포되어 연계되지만, 본 논문에서는 과전압 문제가 발생하는 최악의 케이스를 고려하기 위해 모델 말단에 분산전원이 집중적으로 연계된 경우로 가정하였다. 또한 분산전원 연계 허용용량을 분석하기 위해 연계가 되지 않은 경우부터 분산전원의 용량을 지속적으로 증가시키면서 전압 특성을 분석하였다. 최근 (11)에 따르면 태양광발전 접속용량이 일반 배전선로의 경우 기존 10[MW]에서 12[MW]로 상향되었기 때문에 12[MW]와 향후에 연계 허용용량이 증가할 것을 고려해 14[MW]를 집중적으로 분석하였다.

그림 2는 테스트 모델에서 활용된 태양광의 출력과 부하의 전력 사용을 연간 프로파일로 나타내었다. 태양광의 경우 날씨 등 주변 환경에 의해 봄에 가장 출력이 높은 특징을 갖고 있다. 부하의 경우 여름철과 겨울철에 냉난방부하로 인해 전력사용이 가장 높으며 설날과 추석과 같은 특수휴일의 경우 부하의 전력사용이 급격하게 감소하는 특징이 있다.

표 1. 테스트 모델에 활용된 매개변수

Table 1. Parameter used in test model

Component

Parameters

PV Capacity

Variable

12,14[MW] focused analysis

Load Capacity

3[MW]

Main Transformer

154/22.9 [kV] 45/60[MVA]

Line Impedance

0.182+j0.391 Ω/km

Line Length per Section

2[km]

그림. 2. 태양광 출력 및 부하 전력사용의 연간 프로파일 (a) 태양광 출력 (b) 부하 전력사용

Fig. 2. Annual profile of PV output and load power usage (a) PV output (b) load power usage

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배전용 전기설비 성능기준에 의한 특고압 전압 유지범위의 상한치는 23,800V(1.039p.u) 이며 하한치는 20,800V(0.908p.u) 이다(12). 고장 등 이상상태를 제외한 정상상태에서는 전압의 유지범위를 만족해야 한다. 분산전원 연계로 인해 과전압이 발생하는 경우, 분산전원은 전압문제가 해결 될 때 까지 접속대기 상태가 된다. 따라서, 분산전원 연계 허용용량을 개선하기 위해서는 과전압 문제를 해소 할 수 있는 방안이 필요하다.

2.2 Volt-Var Curve of Smart Inverter for Over-Voltage Mitigation

VVC는 연계 전압에 따라 태양광의 무효전력 출력을 제어함으로써 전압을 유지하여 전력품질을 유지하는데 도움을 준다. 그림 3은 불-감대 영역과 무효전력 기여량이 다른 VVC를 표현하였다. 표 2그림 3에서 언급된 VVC 타입에 따른 매개변수를 나타낸다. Aggressive 타입의 VVC는 Moderate 타입과 비교하였을 때 불-감대 영역(Dead-band)이 좁고 무효전력 기여량이 커서 전압 변동에 민감하게 동작하는 특징을 갖는다. 식(1)은 연계점(Point Common Coupling, PCC) 전압에 따른 태양광 무효전력 출력의 지령치를 나타낸다. 전압이 일정 값보다 낮은 경우 무효전력을 공급함으로써 전압 강하를 개선한다. 반대로, 전압이 일정 값 보다 높은 경우 무효전력을 흡수함으로써 전압 상승을 억제한다.

그림. 3. 과전압 해소를 위한 스마트인버터의 전압-무효전력 커브

Fig. 3. Volt-Var Curve of Smart Inverter to alleviate over-voltage problem

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표 2. 그림 3에서 활용된 Volt-Var Curve 타입에 따른 매개변수

Table 2. Parameter according to volt-var curve type in figure 3

Volt-Var Curve

Parameter

Aggressive

Vvv1

Vvv2

Vvv3

Vvv4

0.98

0.99

1.01

1.02

Qvv1

Qvv2

Qvv3

Qvv4

1

0

0

-1

Moderate

Vvv1

Vvv2

Vvv3

Vvv4

0.92

0.98

1.02

1.08

Qvv1

Qvv2

Qvv3

Qvv4

0.44

0

0

-0.44

(1)
$$Q_{s . i}(V(t))=\left\{\begin{array}{cc} Q_{v v 1} & \left.(V(t)) \leq V_{v v 1}\right) \\ -\frac{Q_{v v 1}}{V_{v v 2}-V_{v v 1}} & \left(V_{v v 1}<V(t) \leq V_{v v 2}\right) \\ 0 & \left(V_{v v 2}<V(t) \leq V_{v v 3}\right) \\ -\frac{Q_{v v 4}}{V_{v v 4}-V_{v v 3}} & \left(V_{v v 3}<V(t) \leq V_{v v 4}\right) \\ -Q_{v v 4} & \left(V_{v v 4}<V(t)\right) \end{array}\right.$$

3. Simulation Result

3절은 2.2절에서 설명한 스마트인버터의 VVC 적용에 따른 전압 특성 및 분산전원 연계 허용용량의 영향 분석을 위해 2.1절에서 언급한 테스트 모델을 활용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 프로그램은 EPRI에서 제공하는 Quasi-Static Time-Series 시뮬레이션인 OpenDSS를 활용하여 분석하였다.

3.1 Analysis of Voltage Characteristics according to Volt-Var Curve Type

그림. 4. 분산전원 연계 용량과 Volt-Var Curve 타입에 따른 테스트 모델의 말단 전압 프로파일

Fig. 4. Voltage profile at the end of the feeder according to PV capacity and volt-var curve type

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.9.1312/fig4.png

그림 4(a)는 분산전원 연계 용량(태양광을 연계하지 않은 경우, 12[MW], 14[MW])에 따른 테스트 모델 말단(bus 12)의 연간 전압 프로파일을 나타낸다. 분산전원 연계 용량이 증가함에 따라 연간 전압 프로파일 중 말단 모선의 최대전압이 증가함을 확인하였다. 특히, 연계된 분산전원 용량이 증가함에 따라 전압 유지 범위의 상한치를 위반하였다. 따라서, 분산전원 연계 허용용량을 증가시키기 위해서는 전압 상승 억제가 필요하다. 그림 4(b)는 분산전원 용량이 12[MW]가 연계되어 있는 경우, VVC 타입에 따른 연간 전압 프로파일을 나타낸다. Aggressive 타입의 VVC를 적용한 경우, 피크전압이 약 3%가 억제되었으며 Moderate 타입의 VVC를 적용한 경우 피크전압이 약 2% 억제되었다. 이를 통해 VVC 적용을 통해 과전압 문제를 완화하여 분산전원 연계 허용용량을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.

그림. 5. 분산전원 연계 용량과 Volt-Var Curve 타입에 따른 모선 별 최대전압

Fig. 5. Peak voltage for each bus according to PV capacity and volt-var curve type

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그림 5(a)는 VVC를 적용하지 않은 경우, 그림 5(b)는 Aggressive 타입의 VVC를 적용한 경우, 그림 5(c)는 Moderate 타입의 VVC를 적용한 경우, 용량에 따른 각 모선 별 최대전압을 나타낸다. VVC를 적용하지 않은 경우 분산전원이 연계되지 않았을 때 변전소에서부터 거리가 가장 먼 말단의 전압강하가 가장 큰 것을 확인 할 수 있다. 하지만, 연계되는 분산전원의 용량이 증가함에 따라 다른 모선보다 전압피크가 상승하였다. 분산전원 연계용량이 약 10[MW] 연계되었을 때 말단전압이 유지범위의 상한치를 초과하는 것을 확인하였다. Aggressive 타입의 VVC를 적용한 경우, 분산전원이 12[MW]가 연계되었을 때 전압상한치까지 약 0.021[p.u.]의 여유를 갖는다. Moderate 타입의 VVC를 적용한 경우, 분산전원이 12[MW] 연계되었을 때 전압상한치까지 약 0.009[p.u.]의 여유를 갖는다. 따라서, 분산전원 연계용량이 증가할수록 전압 유지 범위를 위반할 확률이 높아짐을 확인하였다. 또한, VVC 타입에 따라 전압 상승을 억제하는 효과가 상이함을 확인하였다. 불-감대 영역이 좁고 무효전력 기여가 높아 연계점 전압에 따라 민감한 제어를 하는 Aggressive 타입의 VVC가 전압 상승 억제에 더욱 효과적임을 확인하였다.

3.2 Analysis of Voltage Characteristics according to Penetration Level of Volt-Var Curve

현재 재생에너지 증가를 위한 정책 등에 이유로 이미 많은 분산전원이 배전계통에 연계되어 있다. 배전계통에 연계된 대부분의 태양광은 소용량으로 구성되어 개인 발전사업자들에 의해 운영된다. 이와 같은 특징을 갖는 배전계통에 연계된 태양광들은 항상 패널 용량만큼 최대출력을 내지 않기 때문에 설계 과정에서 경제성의 이유로 PCS(Power Conversion System)의 용량을 패널(Panel)의 최대출력보다 낮게 설계하는 경향이 있다. 따라서 인버터에 VVC를 탑재하여 무효전력을 제어하는 경우, PCS 용량 제약에 의해 출력손실이 발생 할 수 있다. 발전량 손실은 개인 사업자들에게는 수익과 직결되는 민감한 문제이기 때문에 배전계통에 연계된 모든 태양광에 VVC를 탑재하는 것은 제한적이다. 따라서, 3.2절에서는 테스트 모델에 연계된 VVC 탑재율에 따른 전압 특성을 분석하였다.

식(2)은 VVC 탑재율에 대한 정의를 나타낸다. 기존 설치된 태양광의 수 대비 VVC가 탑재된 태양광의 수를 의미하는 탑재율이 100% 인 경우, 테스트 모델에 모든 태양광이 VVC를 탑재한 경우를 의미한다. 반대로 탑재율이 0%인 경우는 VVC가 전혀 탑재되지 않은 경우를 의미한다.

(2)
$$\begin{aligned} &V V C-\text {pnetration}[\%]=\frac{N_{v v c-p v}}{N_{p v}} \times 100\\ &N_{v v c-p v}: \text { Volt-Var Curve가 탑재된 PV의 수 }\\ &N_{p v}: \text { 테스트 모델에 연계된 PV의 수} \end{aligned}$$

그림 6은 테스트 모델에 12[MW]의 분산전원이 연계된 경우, VVC 탑재율에 따른 모선 별 최대 전압을 나타낸다. 그림 6(a)와 같이 Aggressive 타입을 적용한 경우, 약 10%의 VVC를 탑재율을 갖추면 전압 유지 범위 위반을 해소 할 수 있다. 그림 6(b)와 같이 Moderate 타입을 적용한 경우, 약 30%의 VVC 탑재율을 갖추면 전압 유지 범위의 위반을 해소 할 수 있다.

그림 7은 테스트 모델에 14[MW]의 분산전원이 연계된 경우, VVC 탑재율에 따른 모선 별 최대전압을 나타낸다. Aggressive 타입을 적용한 경우 약 17%, Moderate 타입을 적용한 경우 약40%의 VVC를 탑재하면 전압 운영범위의 위반을 해소 할 수 있다.

그림. 6. 12[MW]의 분산전원이 연계된 경우, Volt-Var Curve 탑재율에 따른 모선 별 최대 전압

Fig. 6. Peak voltage for each bus according to the penetration level of volt-var curve when 12[MW] capacity of PV is connected

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그림. 7. 14[MW]의 분산전원이 연계된 경우, Volt-Var Curve 탑재율에 따른 모선 별 최대 전압

Fig. 7. Peak voltage for each bus according to the penetration level of volt-var curve when 14[MW] capacity of PV is connected

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.9.1312/fig7.png

그림 5,6,7을 통해, 분산전원 연계용량이 증가함에 따라 말단 모선의 최대전압이 증가함을 확인하였다. Aggressive 타입을 적용한 경우, 전압 상승 억제가 더욱 효과적임을 확인하였다. 게다가, 탑재율이 증가함에 따라 전압 상승 억제 가 더욱 효과적임을 확인하였다.

4. Conclusion

본 논문은 배전계통에 급격하게 증가하는 분산전원 연계로 인한 과전압 문제를 해결하기 위해 스마트인버터의 Volt-Var Curve 탑재에 따른 효과을 분석하였다.

3.1절에서는 분산전원 연계용량을 변화해가며 VVC 타입에 따른 전압 특성을 분석하였다. 그 결과, 스마트인버터의 VVC를 적용함으로써 피크전압이 억제됨을 확인하였다. 또한 불-감대영역이 적고 무효전력 기여가 높은 Aggressive 타입의 VVC가 전압 특성에 있어 더욱 효과적임을 확인하였다. 이와 같이, 전압 피크를 억제함으로써 분산전원 연계용량을 증가할 수 있다. 하지만, Aggressive 타입과 같이 민감한 제어는 인버터의 불필요한 동작, 진동(Oscillation)과 같은 문제를 초래함과 동시에 출력감소, 수명저하의 문제를 유발 할 수 있기 때문에 적절한 타입의 설정이 필요하다.

3.2절에서는 스마트인버터의 VVC 탑재율에 따른 전압특성을 분석하였다. VVC 탑재율이 증가할수록 분산전원 연계점의 과전압 문제는 해소되었다. 하지만, 기설 태양광 및 소용량 태양광 등에는 탑재가 어려울 수 있는 제약이 존재한다. 또한 모든 태양광에 VVC를 탑재하는 것은 효율적이지 않다. 따라서 전압 유지 범위를 만족하는 범위 내에서 효율적으로 VVC를 탑재해야 하는 방안이 필요하다.

본 논문에는서 VVC 타입 및 탑재율에 따라 기하급수적으로 증가하는 분산전원으로 인해 발생하는 과전압 문제를 해소하여 분산전원 연계 허용용량이 증가 할 수 있음을 확인하였다. 향후에는, 증가하는 분산전원으로 인해 발생하는 변압기 및 선로의 열적 문제에 대한 해결책에 대한 연구가 필요하다.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 2019381010001B).

References

1 
Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE), Dec 2017, Renewable Energy 3020 Implement Plan, Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE)Google Search
2 
Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE), Dec 2017, The 8th Electricity Demand and Supply Basic Plan (2017-2031), Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE)Google Search
3 
S.-I. Go, S.-J. Ahn, J.-H. Choi, W. -W. Jung, C. -M. Chu, Jul 2015, Development and Test of Conservation Voltage Reduction Application for Korean Smart Distribution Management System, 2015 IEEE Power & Energy Society General MeetingDOI
4 
H.-O. Lee, 2004, A Study on Optimal Placement and Voltage Control Method of SVR in Smart Grid, Ph.D Dissertation, Dept. Elec. Eng., Soongsil Univ., Seoul, Korea,Google Search
5 
F. Bell, A. Nguyen, M. McCarty, K.Atef, T. Bialek, Sep 2016, Secondary Voltage and Reactive Power Support via Smart Inverters on a High Penetration Distributed Photovoltaic Circuit, 2016 IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Conference(ISGT)DOI
6 
Y. Takasawa, S. Akagi, S. Yoshizawa, H. Ishii, Y. Hayashi, Dec 2017, Effectiveness of Updating the Parameters of the Volt-Var Control Depending on the PV Penetration Rate and Weather Condition, 2017 IEEE Innovative Smart Grid Technologies-Asia(ISGT-Asia)DOI
7 
H.-J. Lee, K.-H. Yoon, J.-W. Shin, J.-C. Kim, S.-M. Cho, May 2020, Optimal Parameter of Volt-Var Function in Smart Inverters for Improving System Performance, Energies, Vol. 13, No. 9DOI
8 
P. Jahangiri, D. C. Aliprantis, Aug 2013, Distributed Volt-Var Control by PV Inverters, IEEE Transaction on Power System, Vol. 28, No. 3, pp. 3429-3439DOI
9 
A. O’Connell, A. Keane, Jun 2017, Volt-Var Curves for Photovoltaic Inverters in Distribution System, IET Generation Transmission and Information Technology (ECTI-CON)DOI
10 
G.-J. Cho, 2019, A Study on Power System Planning and Operational Scheme Establishment for Achieving maximum Penetration Level of Distributed Generation, Ph. D. Dissertation, Dept. Elect. Eng., Sungkyunkwan Univ., Suwon, KoreaGoogle Search
11 
Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE), 2019, 3rd Energy Basic Plan, Ministry of Trade Industry and Energy (MOTIE)Google Search
12 
Korea Electric Power Corporation(KEPCO), Regulation on the Use of Electrical Equipment for Transmission and Distribution; Appendix 4; Performance Standard for Distribution Electrical Equipment.Google Search

저자소개

이형진 (Hyeong-Jin Lee)
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2015년 안양대학교 전기전자공학과 졸업.

2017년 숭실대학교 대학원 전기공학과 졸업(석사).

2017년~현재 동 대학원 박사과정

E-mail : hyeongjin0420@gmail.com

윤광훈 (Kwang-Hoon Yoon)
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2017년 안양대학교 전기전자공학과 졸업.

2017년~현재 숭실대학교 대학원 석박사통합과정.

E-mail : rhkdgns0405@gmail.com

신중우 (Joong-Woo Shin)
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2015년 홍익대학교 전기공학과 졸업.

2016년~현재 숭실대학교 대학원 석박사통합과정.

E-mail : jwshin@soongsil.ac.kr

김재철 (Jae-Chul Kim)
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1979년 숭실대학교 전기공학과 졸업.

1983년 서울대학교 대학원 전기공학과 졸업(석사).

1987년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사).

현재 숭실대 전기공학부 교수

E-mail : jckim@ssu.ac.kr

윤상윤 (Sang-Yun Yun)
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1996년 숭실대 전기공학과 졸업.

1998년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사).

2002년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사).

2003~2009년 LS산전 전력연구소 책임연구원.

2010~2016년 한전 전력연구원 책임연구원.

2016년~현재 전남대학교 전기공학과 부교수

E-mail : drk9034@jnu.ac.kr