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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 71, No. 10, p.1358-1367

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 05 September 2022Revised : 16 September 2022Accepted : 20 September 2022

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2022.71.10.1358

Research on Volt-Var Control Curve Suitability considering DER Transformer Tap

분산전원 연계변압기의 전압 탭을 고려한 Volt-Var 제어 곡선 적합성 연구

김현진 (Hyeonjin Kim) ¹iD 조종민 (ngmin Jo) ¹iD 백자현 (Ja-hyun Baek) ¹iD 김동섭 (Dongsub Kim) ^†iD

(Korea Electric Power Corporation Research Institute, Korea.)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University, Korea.

E-mail : kimdons01@mokpo.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

This paper studies and proposes the Volt-Var control curve considering DER(Distributed Energy Resources) transformer voltage tap. As DER is increasing around the world, DER is required to have a system support function for power system stability. Recently, even in Korea, the power system support function is required for the DER. In particular, the Volt-Var reactive power function will be used to solve the overvoltage problem caused by the increase in generation of DER in distribution system. DER in the domestic distribution system uses a transformer to connect into the distribution system, and the transformer voltage tap is set differently depending on the system situation. Therefore, this paper analyzes the suitability of the Volt-Var control curve in the domestic system by considering the transformer voltage tap, and suggests a method for setting the Volt-Var control curve suitable for the domestic system.

Key words

Transformer Voltage Tap, Distribution Energy Resources, Volt-Var Control Curve, Smart Inverter, Overvoltage

1. 서 론

기후변화를 넘어 기후위기의 시대가 도래한 만큼 전 세계적으로 기후・환경 위기를 신속히 극복하기 위한 대응 방안을 마련하고자 주요 선진국을 중심으로 재생에너지 확대를 위한 다양한 정책들이 시행되고 있으며, 현재 국내에서도 정부를 중심으로 다양한 정책을 적극적으로 추진하고 있다. 재생에너지의 확대보급을 위해 2016년 11월 『1[MW] 이하 신재생발전 접속보장 제도』가 시행되면서, 시행 시점을 기준으로 이전 약 154개월 동안의 재생에너지 접속 신청용량은 6.4[GW]인 반면 제도 시행 이후 2020년 4월까지 약 42개월 동안의 접속 신청용량은 16[GW]로 단기간에 접속 신청용량이 매우 큰 폭으로 증가하였다. 그 결과 배전선로의 재생에너지 접속설비 부족 현상이 발생하여 접속지연이 지속되고 있으며 배전선로의 신규 증설 등의 대책이 필요하다. 최근 한국전력공사(이하 “한전”)는 분산전원 연계 접속신청 급증으로 인한 접속대기 문제를 해소하고 공용선로의 신설 투자비를 최소화하는 방안으로 재생에너지 연계 용량 접속허용기준 상향에 관한 타당성 연구를 수행하였고⁽¹⁾ 이를 근거로 현장에 적용하고 있다. ‘제3차 에너지 기본계획⁽²⁾’에 따르면 2040년까지 재생에너지의 발전비중 목표는 30~35[%]로서 재생에너지의 계통접속은 지속적으로 증가할 전망이므로 급속한 확대에 대비하여 접속신청에 적절히 대응함과 동시에 즉각 수용할 수 있는 기술개발이 필요하다. 배전계통에서의 분산전원 연계 신청은 주로 태양광 발전원이 매우 높은 비중을 차지하는데, 복잡한 계통망 구조 특성을 갖는 기존 배전선로에 분산전원 연계 증가는 계통 혼잡도를 가중시키는 주요 원인이 되고 있다. 또한, 기존 단방향 전력조류 특성과 달리 분산전원으로부터 생산된 전력이 계통에 공급되는 역조류 특성으로 인해 분산전원 접속 개소의 적정 전압 이탈 이슈와 관련된 선로 과전압 문제와 같은 전압품질 문제 등이 최근 현안으로 대두되고 있다. 이는 분산전원 접속용량을 제한하는 수용용량과도 밀접한 관계가 있으므로 해소방안이 필수적이다.

국외의 경우 분산전원 증가에 따른 계통의 문제를 해소하기 위해 IEEE std. 1547-2018(이하 “IEEE 1547”), EN 50549 등 국제표준을 통해 분산전원의 계통지원기능을 규정하고 있다⁽³⁾⁽⁴⁾. 그 중 무효전력 제어기능은 분산전원의 무효전력을 제어하여 전압상승을 완화하는 방식으로 대표적인 기능으로는 전압에 따라 무효전력을 조정하는 Volt-Var(전압-무효전력) 제어기능이 있다. 특히, Volt-Var 제어는 성능곡선 정의에 따라 분산전원 연계점 전압에 대응하는 무효전력 지령치를 결정하는 동작으로 연계점 전압 상태와 무관하게 동작하는 타 무효전력 제어기능과 달리 직접 계측한 전압값을 활용하는 능동적인 무효전력 기법이므로 효율적인 선로 전압관리 방안으로 간주된다. 특히 다수의 해외 전력사들이 선로 전압관리를 위한 기능으로써 Volt-Var 제어를 선택하여 운용하고 있다⁽⁵⁾. 국내에서도 향후 대규모 분산전원 접속에 의한 전압, 주파수 등의 계통 안정화 이슈에 대비하고자 계통지원기능을 갖춘 스마트 인버터 현장 도입을 목적으로 단체표준 제정(‘21.11) 및 분산형전원 배전계통 연계기술기준 개정(’21.12)을 추진하였으며⁽⁶⁾⁽⁷⁾, Volt-Var 제어기능을 선로 전압관리 방안으로 운영할 계획을 고려하고 있다.

분산전원이 증가하면서 계통지원기능과 관련된 많은 연구가 진행되었다. 계통지원기능을 활용한 분산전원의 연계 허용용량 개선 연구⁽⁸⁾, 계통지원기능 활용 시 무효전류로 인한 계통 손실 개선 방안 연구⁽⁹⁾ 및 Volt-Var 곡선의 기울기 변경을 통한 연계점 전압 안정화 연구⁽¹⁰⁾ 등 다양한 관점에서 연구가 활발히 진행되었으나 분산전원의 계통연계 시 함께 설치되는 연계변압기 전압 탭을 고려한 무효전력 관련 계통지원기능 연구는 활발하게 진행되지 않은 상태이다.

Volt-Var 제어는 인버터의 입력전압에 따라 무효전력을 공급하거나 흡수하여 전압을 관리하는 방식으로 분산전원을 계통에 연계하는 변압기의 권수비가 영향을 줄 수 있다. 분산전원 연계 시 계통연계 방식에 따라 다양한 규격의 변압기가 사용되므로 본 논문에서는 저압으로 배전계통에 연계되는 저압연계 분산전원에 대해 연계변압기 전압 탭을 고려한 Volt-Var 제어 효과를 검토하기로 한다. 이때 사용하는 변압기는 한전의 표준변압기가 사용되므로 표준 변압기의 권수비를 기준으로 전압관리 성능을 평가하였다. 시뮬레이션 분석 시 Volt-Var 제어 특성곡선은 IEEE 1547의 Category B에서 제시한 값을 기준으로 하였으며 시계열 시뮬레이션 분석을 통해 국내 계통에 적합한 Volt-Var 제어 곡선의 적용방안을 제안하였다.

2. 분산전원의 계통지원기능 및 연계변압기 전압 탭 특성

2.1 분산전원의 계통지원기능

2.1.1 국외 사례

세계적으로 분산전원의 계통연계 비중이 확대됨에 따라 전력계통의 신뢰도 확보를 위해 국제표준과 국가별 연계기준에서 분산전원의 계통지원기능을 요구하고 있다. 계통에 접속해야 하는 분산전원 인버터는 계통 전압 관리를 위한 무효전력 제어기능, 계통주파수 관리를 위한 유효전력 제어기능 및 계통 고장 시 계통 연계를 위한 FRT(Fault Ride-Through) 기능 등 계통의 신뢰도 확보에 기여할 수 있는 계통지원기능이 요구되고 있다. [표 1]은 국제표준에 정의된 무효전력 제어 관련 계통지원기능을 보여준다⁽¹¹⁾⁽¹²⁾.

표 1. 국외 국제표준 무효전력 관련 계통지원기능

Table 1. Reactive power support functions required by foreign countries

요구 조건	IEC TS 62786	EN 50549	IEEE Std 1547	CA Rule 21
전압-무효전력 제어 (Volt-Var)	○	○	○	○
무효전력량 지령 (set point)	○	○	○	-
고정역률 제어 (Fixed PF)	○	○	○	○
유효전력-무효전력 제어 (Watt-Var)	-	○	○	-
유효전력-역률 제어 (Watt-PF)	-	○	-	-
동적 무효전력 제어 (Dynamic Var)	○	-	-	○

배전계통 전압관리를 위한 가장 기본적인 운영 전략은 분산전원 설비 내에 포함된 전력변환장치인 인버터의 무효전력 제어기능을 활용하는 것이며 무효전력의 공급 및 흡수 동작을 통해 연계점 전압을 능동적으로 관리할 수 있다. 무효전력 제어기능 중 Volt-Var 제어기능은 상기 [표 1]의 4개 표준에서 모두 인용할 정도로 전력계통의 전압관리에 가장 기본적으로 활용할 수 있는 기능이다. [그림 1]은 IEEE 1547에서 제시하고 있는 Volt-Var 제어 곡선이다.

그림. 1. Volt-Var 제어 곡선 (IEEE 1547)

Fig. 1. Volt-Var Control Curve (IEEE 1547)

IEEE 1547은 분산전원 연계 비중에 따라 Volt-Var 제어 곡선을 Category A, Category B로 정의하였으며, 계통 운영자의 요구조건에 따라 변경 가능하다. 계통 운영자 입장에서 전력계통 구성은 매우 다양하고 복잡하여 개별 계통 특성이 반영된 Volt-Var 곡선 적용이 필요하기 때문이다.

2.1.2 국내 사례

국내에서도 분산전원이 증가함에 따라 안정적인 계통운영을 위해 분산전원에 계통지원기능을 의무화하는 제도를 마련하였다. 2021년 11월 스마트그리드협회는 태양광발전용 스마트 인버터의 계통지원기능을 규정하기 위해 KSGA-025-15-1 단체표준을 제정하였다. 단체표준 제정 후 한전도 2021년 12월 분산전원 배전계통 연계 기술기준 개정을 통해 “제 3절 – 제25조(지원기능)”을 신설하여 분산전원이 갖춰야 할 계통지원기능을 요구하였다. 배전계통 연계 기술기준에서 제시하고 있는 분산전원의 계통지원기능 세부 요구사항은 단체표준을 준용하였으며 단체표준은 전압관리를 위한 Volt-Var 제어 곡선의 예를 [그림 2]와 같이 제시하고 있다.

그림. 2. A type Volt-Var 제어 곡선

Fig. 2. Volt-Var control curve of A type

단체 표준의 Volt-Var 제어 곡선 예는 IEEE 1547의 Category B 곡선(이하 “A type Volt-Var 제어 곡선”)과 일치하며 계통 운영자가 전압 및 무효전력 목표점(O1, O2, O3, O4, O5)을 변경할 수 있도록 제시하였다. IEEE 1547에서 제시하고 있는 Volt-Var 제어 곡선은 분산전원이 감지하고 있는 전압이 1.02[pu] 이상에서는 과전압을 완화하도록 무효전력을 흡수하고 1.08[pu] 이상에서는 피상전력 기준으로 44%의 무효전력을 일정하게 흡수하도록 제시하고 있다. 또한 0.98[pu] ~ 1.02[pu] 구간은 데드밴드(Dead-band) 영역으로 무효전력 흡수 또는 공급 동작을 수행하지 않는다. 전압이 0.98[pu] 이하에서는 저전압을 완화하도록 무효전력을 공급하고 0.92[pu] 이하에서는 피상전력 기준으로 44%의 무효전력을 일정하게 공급하도록 제시하고 있다.

2.2 분산전원 연계용 변압기의 전압 탭 특성

2.2.1 배전계통의 분산전원 연계 방식

분산전원을 배전계통에 연계할 때는 분산전원의 용량을 기준으로 계통의 상황을 고려하여 여러가지 형태로 연계할 수 있다. 분산전원의 연계형태는 다음과 같다: 1) 특고압 전용선로; 2) 특고압 공용선로; 3) 전용변압기; 4) 저압 전용선로; 5) 저압 공용선로. 분산전원의 연계방식을 그림으로 표현하면 [그림 3]과 같다⁽⁶⁾.

그림. 3. 배전계통의 분산전원 연계 방식

Fig. 3. DER connection method of distribution system

이처럼 다양한 방식으로 분산전원은 배전계통에 연계되는데 연계변압기의 권선비, 즉 연계변압기의 전압 탭에 따라 같은 지점에 연계되어도 분산전원이 감지하는 연계점 전압은 달라질 수 있다.

2.2.2 연계변압기의 전압 탭에 따른 분산전원 연계점 전압

한전의 배전선로 전압관리는 배전선로가 연결된 변전소의 주변압기에서 시작된다. 주변압기의 OLTC(On Load Tap Changer)가 특고압 계통의 송출전압을 결정한다. 특고압 계통의 송출전압이 결정되면 선로의 부하의 크기에 따라 전압강하가 발생하게 되며 적정전압 이상으로 전압강하가 발생하면 SVR(Step Voltage Regulator)이 저전압을 보상하여 선로 전체적으로 적정전압을 유지하도록 관리한다.

분산전원이 배전계통에 연계되면서 분산전원의 유효전력의 크기에 비례하여 연계점에서 전압이 상승하는 현상이 나타난다. 이때 전압상승의 크기는 유효전력의 크기와 계통 임피던스의 저항 성분에 의해서 결정된다. 분산전원을 특고압으로 계통에 연계하면 발전사업자가 소유한 민수용 변압기를 사용하고 저압으로 계통에 연계하면 한전의 표준변압기를 사용한다. 한전의 표준변압기는 3가지 전압 탭을 사용한다. 각각의 권수비는 12600/230, 13200/230, 13800/230이며 13200/230 탭을 기본 탭으로 사용한다. 전압이 너무 낮아 표준전압 220±13[V]를 유지하기 곤란한 장소에서는 12600/230 탭을 사용하여 전압을 높여주고 전압이 너무 높은 장소에서는 13800/230 탭을 사용하여 전압을 낮춰주고 있다. 따라서 분산전원 연계변압기의 전압 탭은 기본적으로 기본 탭을 사용하지만 상황에 따라 다른 탭을 사용할 수 있다.

현재 운영 중인 배전선로에 연결된 59개 분산전원 발전소의 2020년 전압데이터를 [그림 4]에 나타내었다. 전압데이터는 15분 평균데이터로 각 발전소에 설치된 계량기에서 계측한 데이터이다. 전압분포를 분석한 결과 380[V]를 중심으로 전압이 분포하는 군집과 396[V]를 중심으로 분포하는 군집이 혼재되어 나타났다. 두 군집의 평균값 차이가 약 4.5% 차이가 나고 있으며 이것은 연계변압기의 전압 탭 차이 때문이다. 13200/230의 기본 탭과 기본 탭에 비해 2차 전압이 약 4.5% 낮은 13800/230 탭이 혼재되어 있을 때 나타난다. 13800/230의 권선비는 13200/220와 같고 기본 탭과 비교하면 230/220 ≒ 1.045이므로 2차 전압이 약 4.5% 낮다.

그림. 4. 2020년 전압데이터 분포(15분 평균)

Fig. 4. Voltage data distribution in 2020 (15-minute average)

3. 연계변압기 전압 탭을 고려한 Case Study

3.1 시뮬레이션 개요

저압 계통에서 태양광 발전원이 감지하고 있는 전압은 연계변압기 전압 탭에 따라 다르게 분포되어 있음을 [그림 4]를 통해 확인하였다. 그러므로 [그림 2]의 A type Volt-Var 제어 곡선을 태양광 발전원에 적용했을 때 태양광 발전원은 특고압 전압이 1.0[pu]로 같더라도 연계변압기 전압 탭에 따라 연계점 전압이 달라지므로 태양광 발전원이 제어하는 무효전력량도 다르다. 본 논문에서는 분산전원 연계를 고려하여 13200/230 탭과 13800/230 탭의 Case Study를 통해 Volt-Var 제어 곡선의 적합성을 검토하였으며, 모의 계통 분석을 통해 Volt-Var 제어 곡선의 한계점에 대해 개선 방안을 제시하고 개선 방안의 적합성을 검증하였다. 특히, 본 논문은 현안 중 하나인 분산전원 증가로 인해 발생하는 연계점 과전압 문제를 해소하기 위한 관점에서 연구가 수행되었다. 분산전원 Case Study를 위한 시뮬레이션 계통 해석은 EPRI(The Electric Power Research Institute)의 OpenDSS 툴을 사용하였다.

3.1.1 계통 정보

본 논문에서는 연계변압기 전압 탭에 따른 Volt-Var 제어 곡선의 적합성을 분석하기 위해 [그림 5]의 모의 배전계통을 사용하였다⁽¹³⁾.

그림. 5. 시뮬레이션 계통 선로 구성

Fig. 5. Simulation system line configuration

계통의 Bus는 총 24개로 1~15 Bus는 각 Line당 2[km], 16~24 Bus는 각 Line당 3[km]로 구성하였으며 선로의 최장 길이는 29[km]이다. 선로의 선종은 한전 배전설계기준 DS-3001 총칙 6항에 근거하여 국내 배전계통에서 일반적으로 사용하는 ACSR-OC 160SQ로 설정하였으며, OLTC의 송출전압은 1[pu]가 되도록 선간 전압 22.9kV로 설정하였다. 해당 계통의 최대부하는 5.25[MW], 최소부하는 1.58[MW]로 설정하였으며, 각 Bus에 연계된 Load와 PV 정보는 [표 2]와 같다.

표 2. Bus 정보

Table 2. Bus information

BUS	Load [kW]	PV 연계	BUS	Load [kW]	PV 연계
1	350	×	13	350	×
2	350	○	14	0	○
3	350	×	15	350	×
4	0	×	16	350	×
5	350	×	17	0	○
6	0	○	18	350	×
7	350	×	19	0	×
8	0	×	20	350	○
9	350	○	21	350	×
10	350	×	22	350	×
11	0	×	23	0	×
12	350	×	24	0	○

PV는 총 7개의 bus에 각 2대씩 연계하였으며 시뮬레이션 분석을 위한 Load Profile과 PV Profile은 실계통 배전선로의 2020년 Data를 사용하였다. 각 Profile의 정보는 [그림 6]과 [그림 7]과 같다.

그림. 6. 부하 프로파일(8,760h)

Fig. 6. Load Profile(8,760h)

그림. 7. 태양광 발전 프로파일(8,760h)

Fig. 7. PV Profile(8,760h)

시뮬레이션 배전계통의 정보를 요약하면 [표 3]과 같다.

표 3. 계통 정보

Table 3. Grid information

선로 최장 길이	29[km]
선종	ACSR-OC 160SQ (R=0.182[Ω/km], X=0.391[Ω/km])
태양광 발전원	14[MW] / 14개소
변압기 % 리액턴스	3[%]
송출 전압(선간)	22.9kV(1[pu])
부하	Max: 5.25[MW], Min: 1.58[MW]
Load Profile	실계통 배전선로(2020년)
PV Profile	실계통 배전선로(2020년)

3.1.2 Case 개요

본 논문의 Case는 총 6개로 구성하였으며 Case 구성은 [표 4]와 같다.

표 4. Case 정보

Table 4. Case information

Case	태양광 용량[MW]	변압기 전압 탭	무효전력 제어
0	4.9	13200/230	PF = 1
1	14	13200/230	PF = 1
2	14	13200/230	Volt-Var (A Type)
3	14	13800/230	PF = 1
4	14	13800/230	Volt-Var (A Type)
5	14	13800/230	Volt-Var (B Type)

본 논문에서는 태양광 용량, 변압기 탭, Volt-Var 제어 유무 및 Volt-Var 제어 곡선 변화에 따른 결과를 Case 별로 시뮬레이션하여 분석한다. 이때 각 Case 별로 14개소의 태양광 발전원은 모두 같은 변압기 탭을 가지고 있으며 무효전력 제어 방식도 같다. Case 0과 Case 1 분석을 통해 13200/230 전압 탭에서 태양광 발전원 연계 용량에 따른 과전압 여부를 확인하여 태양광 발전원 연계 용량 증가 시 배전계통의 과전압이 발생함을 모의한다. Case 2 분석에서는 A type의 Volt-Var 제어를 수행하여 Case 1에서 발생한 과전압 해소가 가능한지 확인한다. Case 3과 Case 4 분석에서는 연계변압기 전압 탭을 13800/230로 변경하여 분석을 수행한다. 연계변압기의 전압 탭이 다를 때 A type Volt-Var 제어 곡선의 적합성 검토가 목적이다. Case 5는 Volt-Var 제어 곡선을 새로운 Type(B type)으로 적용하여 해당 제어 곡선의 계통 적합성을 검토한다. 본 시뮬레이션은 모든 태양광 발전원의 1년(8,760[h])간 연계점 전압(변압기 1차측 특고압 전압, 변압기 2차측 저압 전압)이 과전압 기준을 초과하는지 검토하는 것을 목적으로 하였으며(총 122,640[개], 14[개소]×8760[개/개소]) 특고압 과전압 기준은 분산형전원 배전계통 연계 기술 Guideline⁽¹⁴⁾에서 분산전원 연계 시 기술검토 전압 기준인 1.02[pu](13200+264[V]), 저압 계통의 과전압 기준은 전기사업법 시행규칙 제 18조(전기의 품질기준)의 1.06[pu](220+13[V])를 기준으로 한다.

3.2 사례 분석

3.2.1 과전압 발생 사례(Case 0, Case 1)

본 절에서는 연계변압기의 13200/230 전압 탭에서 태양광 발전원 연계 용량이 작은 경우(Case0)와 태양광 발전원 연계 용량이 큰 경우(Case1)의 과전압 여부를 분석하였다. 시뮬레이션 기간 각 Case의 과전압 분석 결과는 [그림 8], [그림 9]와 같다.

그림. 8. Case 0의 과전압 분석 결과

Fig. 8. Overvoltage analysis result in Case 0

Case 0의 분석 결과 태양광 발전원이 4.9[MW](개소당 0.35[MW]) 연계된 계통에서는 과전압이 발생하지 않았으나 태양광 발전원 연계 용량이 증가하여 14[MW](개소당 1[MW])가 연계되었을 때(Case 1)는 특고압 계통에서 2,446시간(1.02~1.03[pu]: 2,092[h], 1.03~1.04[pu]: 346[h], 1.04~1.05[pu]: 8[h]), 저압 계통에서 9,036시간(1.06~1.07[pu]: 6,152[h], 1.07~1.08[pu]: 2,398[h], 1.08~1.09[pu]: 450[h], 1.09~1.10: 36[h])의 과전압이 발생한 것을 확인하였다. 과전압이 발생한 태양광 발전원의 위치를 확인하기 위해 가장 말단의 PV1, PV9의 연계점 전압과 변전소에서 가장 근접한 PV8의 연계점 전압을 확인하였다. PV1, PV9 및 PV8의 연계점 전압은 [그림 10]과 같다.

그림. 9. Case 1의 과전압 분석 결과

Fig. 9. Overvoltage analysis result in Case 1

그림. 10. 연계점 전압 Profile(PV1, PV9, PV8)

Fig. 10. Voltage Profile(PV1, PV9, PV8)

가장 말단에 연계된 PV1과 PV9의 전압 분포를 확인하면 0.99~1.10[pu]까지 약 0.11[pu]의 진폭을 가지고 전압분포가 나타남을 확인할 수 있는데 [그림 9]의 저압 전압 분포의 최저 및 최대 전압과 일치함을 확인할 수 있다. 즉, 말단에 연계된 PV는 선로 임피던스가 크기 때문에 일사량이 높은 낮에는 최대 전압이 나타나고 일사량이 낮고 부하가 높았던 저녁 시간에 최저 전압이 나타난 것이다. 반면 변전소에서 가장 근접했던 PV8의 전압 분포를 확인하면 1.04~1.06[pu]까지 약 0.02[pu]의 작은 진폭을 가지고 전압분포가 나타남을 확인할 수 있는데 해당 지점에 연계된 PV는 변전소와 거리가 짧아 선로 임피던스가 작기 때문이다.

3.2.2 A type Volt-Var 제어 사례(Case 2)

Case 2는 Case 1의 과전압을 해소하기 위해 태양광 발전원의 무효전력 제어를 A type Volt-Var 제어 곡선으로 수행한 Case이다. Case 2의 과전압 분석 결과는 [그림 11]과 같다.

그림. 11. Case 2의 과전압 분석 결과

Fig. 11. Overvoltage analysis result in Case 2

분석 결과 특고압 계통과 저압 계통에서 모두 과전압이 나타났던 Case 1과는 달리 태양광 발전원이 Volt-Var 제어한 후 특고압 계통과 저압 계통의 과전압이 모두 해소된 것을 확인하였다. 저압 계통에 연계된 태양광 발전원은 태양광 발전원에 설정된 A type Volt-Var 제어 곡선으로 인해 연계점 전압이 1.02[pu] 이상부터 무효전력을 흡수하였으며 그 결과로 저압 계통 전압은 1.06[pu] 이내로, 특고압 계통 전압은 1.02[pu] 이내로 전압이 감소하였다. 이를 통해 13200/230 연계변압기 전압 탭에서는 A type Volt-Var 제어 곡선으로 무효전력 제어할 경우 과전압이 해소될 수 있음을 확인하였다.

3.2.3 A type Volt-Var의 전압 탭 영향 분석 사례(Case 3, Case 4)

본 절에서는 연계변압기 전압 탭 영향으로 인한 A type Volt-Var 제어 곡선의 적합성을 확인한다. 13200/230 연계변압기 전압 탭이었던 앞선 Case와는 달리 Case 3과 Case 4는 연계변압기 전압 탭이 13800/230 탭으로 구성된 계통에서 시뮬레이션을 진행하였다. Case 3은 태양광 발전원이 Volt-Var 무효전력 제어를 하기 전이며 Case 4는 A type Volt-Var 제어 곡선으로 무효전력 제어를 수행했을 때이다. 시뮬레이션 기간 각 Case의 과전압 분석 결과는 [그림 12], [그림 13]와 같다.

그림. 12. Case 3의 과전압 분석 결과

Fig. 12. Overvoltage analysis result in Case 3

그림. 13. Case 4의 과전압 분석 결과

Fig. 13. Overvoltage analysis result in Case 4

분석 결과 Case 3에서의 저압 계통에서는 과전압이 나타나지 않았지만, 특고압 계통에서는 Case 1의 특고압 계통 측과 마찬가지로 2,446시간(1.02~1.03[pu]: 2,092[h], 1.03~1.04[pu]: 346[h], 1.04~1.05[pu]: 8[h])의 과전압이 나타난 것을 확인할 수 있다. 연계변압기 전압 탭이 13200/230인 Case 1에서는 특고압 계통과 저압 계통 전압이 모두 과전압이 발생한 것과 달리 Case 3에서는 특고압 계통에서만 과전압이 발생했는데 이는 연계변압기 전압 탭이 13800/230이기 때문에 저압 계통인 2차측 전압이 13200/230의 연계변압기 전압 탭을 사용한 Case 1에 비해 낮아졌기 때문이다. 그러므로 Case 3에서는 저압 계통에서 과전압이 발생하지 않은 것이다. 특고압 계통의 과전압 문제를 해소하기 위해 A type Volt-Var 제어 곡선으로 무효전력 제어를 수행한 결과인 Case 4를 확인해보면 특고압 계통의 과전압 현상이 총 2,082시간(1.02~1.03[pu]: 2,016[h], 1.03~ 1.04[pu]: 66[h])으로 과전압이 여전히 해소되지 않았음을 확인할 수 있다. 그 이유는 태양광 발전원이 무효전력 제어를 수행할 때 연계변압기 전압 탭이 13800/230이기 때문에 태양광 발전원의 연계점 전압이 Case 2에 비해 낮아졌고 그 결과로 Volt-Var 제어기능을 통한 무효전력 흡수량이 적어졌기 때문이다. 무효전력 흡수량이 적어지면서 전압상승에 대한 완화 효과가 줄었고 이로 인해 특고압 계통에서 과전압 현상이 모두 해소되지 않았다.

3.2.4 B type Volt-Var 제어 사례(Case 5)

Case 5는 Case 4에서 해소하지 못한 과전압 문제를 해소하기 위해 A type Volt-Var 제어 곡선을 B type Volt-Var 제어 곡선으로 변경하여 Volt-Var 제어를 수행한 Case이다. B type Volt-Var 제어 곡선은 연계변압기 전압 탭 변화에 따라 발생하는 전압차(약 4.5%)를 고려하여 기존 A type Volt-Var 제어 곡선에서 0.4[pu]의 평행이동한 곡선으로 설정하였다. B type Volt-Var 제어 곡선은 [그림 14]와 같으며, Case 5의 과전압 분석 결과는 [그림 15]와 같다.

그림. 14. B type Volt-Var 제어 곡선

Fig. 14. Volt-Var control curve of B type

그림. 15. Case 5의 과전압 분석 결과

Fig. 15. Overvoltage analysis result in Case 5

분석 결과 A type Volt-Var 제어 곡선으로 해소되지 않았던 특고압 계통의 과전압 문제가 B type Volt-Var 제어 곡선으로 무효전력 제어를 수행할 경우 해소됐음을 확인하였다. B type Volt-Var 제어 곡선은 연계변압기 전압 탭을 고려하여 A type Volt-Var 제어 곡선에 비해 낮은 전압에서 무효전력을 더 공급하도록 설정하였기 때문이다. 그러므로 13800/230 연계변압기 전압 탭에서는 A type Volt-Var 제어 곡선보다 B type Volt-Var 제어 곡선이 과전압 완화에 더 효과적임을 알 수 있다.

3.3 사례 분석 요약

시뮬레이션을 통한 Case study 요약 결과는 [표 5]와 같다.

표 5. Case study 요약

Table 5. Case study summary

Case	태양광 용량 [MW]	변압기 전압 탭	무효전력 제어	과전압 발생 여부
Case	태양광 용량 [MW]	변압기 전압 탭	무효전력 제어	특고압	저압
0	4.9	13200/230	PF = 1	×	×
1	14	13200/230	PF = 1	○	○
2	14	13200/230	Volt-Var (A Type)	×	×
3	14	13800/230	PF = 1	○	×
4	14	13800/230	Volt-Var (A Type)	○	×
5	14	13800/230	Volt-Var (B Type)	×	×

국내 배전계통은 같은 배전선로에 연계된 태양광 발전원이라도 상황에 따라 연계변압기의 전압 탭이 다를 수 있다. 시뮬레이션 결과 13200/230 전압 탭에서는 A type Volt-Var 제어 곡선이 과전압 문제를 해소할 수 있었으나 13800/230 전압 탭에서는 과전압 문제가 해소되지 않았고 해당 전압 탭에서는 본 논문에서 제안한 B type Volt-Var 제어 곡선을 적용하여 과전압 문제를 해소하였다.

그림. 16. A type Volt-Var 제어 곡선과 전압 분포

Fig. 16. Volt-Var control curve of A type and voltage distribution

그림. 17. B type Volt-Var 제어 곡선과 전압 분포

Fig. 17. Volt-Var control curve of B type and voltage distribution

[그림 16]과 [그림 17]은 본 시뮬레이션에서 연계변압기 13200/230 전압 탭과 13800/230 전압 탭에서의 태양광 발전원의 전압 분포 및 무효전력 제어 관계에 대해 나타낸 것이다. 13200/230 전압 탭에서는 태양광 발전원 연계점 전압이 A type Volt-Var 제어 곡선의 무효전력 제어 범위인 [그림 16]의 ① 영역에 포함되어 있었다. 그러나 13800/230 전압 탭에서는 태양광 발전원 연계점 전압이 [그림 16]에서의 ②영역으로 이동하면서 A type Volt-Var 제어 곡선의 무효전력 제어 범위에 포함되지 않음을 확인할 수 있다. 13800/230 전압 탭에서 Volt-Var 제어 곡선을 B type Volt-Var 제어 곡선으로 설정하면 [그림 17]과 같이 태양광 발전원 연계점 전압이 B type Volt-Var 제어 곡선의 무효전력 제어 범위에 포함되므로 A type Volt-Var 제어 곡선보다 무효전력을 더 흡수하여 특고압 계통의 과전압 해소에 더 효과적이다.

4. 결 론

본 논문은 계통 상황에 따라 변경될 수 있는 연계변압기의 전압 탭을 고려하여 A type Volt-Var 제어 곡선과 B type Volt-Var 제어 곡선에 대한 적합성 검토를 수행하였다. 특히, 현안으로 대두되고 있는 분산전원 증가로 인한 연계점 과전압 현상을 해소하는 것을 중점으로 적합성 검토를 수행하였다. 연계변압기의 전압 탭에 따라 A type Volt-Var 제어 곡선은 과전압 문제 해소에 한계점이 발생할 수 있으며 해당 문제는 B type Volt-Var 제어 곡선을 통해 해소할 수 있었다. 국내 배전계통은 같은 배전선로에 연계된 분산전원이더라도 계통 상황에 따라 연계변압기의 전압 탭을 다르게 설정할 수 있고, 이러한 연계변압기 특성으로 인해 모든 분산전원에 동일한 제어 곡선을 쓰는 것은 과전압 문제를 해소하는데 한계점이 있다는 것을 규명하였다.

사례 분석을 통해 각 연계변압기 전압 탭에 따른 적합한 Volt-Var 제어 곡선은 [표 6]으로 정리할 수 있다.

표 6. 연계변압기 전압 탭 별 Volt-Var 제어 곡선

Table 6. Volt-Var control curve by voltage tap of connected transformer

변압기 탭	Volt-Var 제어 곡선
13200/230	A type
13800/230	B type

전 세계적으로 신재생 발전원이 증가하면서 신재생 발전원을 보다 더 수용하기 위해 모든 국가와 기관들이 다양한 고민을 하고 있다. 따라서 분산전원을 연계할 때 요구해야 하는 기능을 제도화하고 표준을 수립하고 있다. 또한, 신재생 발전원을 더 수용하기 위해 송배전계통의 전력 설비 보강을 통한 방식과 유효전력 출력 감발 중 어떤 방법이 더 경제적인지 분석하는 연구⁽¹⁵⁾뿐 아니라 배전선로의 최소부하를 분석하여 신재생 발전원을 더 수용할 수 있는 연구⁽¹⁶⁾ 등이 다양하게 진행되고 있다. 이처럼 신재생 발전원이 전 세계적으로 증가하면서 계통에 신재생 발전원을 효과적이고 효율적으로 증가시키기 위한 연구는 지속적으로 진행될 것이다. 향후에는 Volt-Var 무효전력 제어뿐 아니라 Watt-Var 무효전력 제어, Volt-Watt 유효전력 제어의 국내 적합성을 분석하고 국내에 적합한 제어 곡선에 대한 연구를 진행하고자 한다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Electric Power Corporation (Grant Number : R19DA09)

References

Hyeonok Lim, Hyeonjin Kim, Junbo Sim, Seongsoo Cho, Mar 2020, An Analysis Study on the Proposal for Increasing Hosting Capacity in Distribution Feeders, The Transactions for the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 69, No. 3, pp. 516-522

Jun. 2019., The 3rd Energy Basic Plan(2019-2040), MOTIE

2018, IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated Electric Power Systems Interfaces, IEEE Standard 1547, Vol. IEEE Standards Coordinating Committee 21

2019, Requirements for generating plants to be connected in parallel with distribution networks – Part2, EN 50549-2, European Committee for Electrotechnical Standardization

Dec 2019, Application Guidelines for DER Advanced Functions and Settings, EPRI

2021, Functions of smart inverter for Photovoltaic to support the power grid, KSGA-025-15-1

Dec 2021, Distributed Energy resource connection distribution system standard, KEPCO

Hyeong-Jin Lee, Kwang-Hoon Yoon, Joong-Woo Shin, Jae-Chul Kim, Sang- Yun, Sept 2020, A Study on Volt-Var Curve of Smart Inverter to Improve Hosting Capacity, The Transactions for the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 69, No. 9, pp. 1312-1317

Min-Jae Kang, Ji-Soo Kim, Jin-Sol Song, Ho-Young Choi, Hyung-Jin Oh, Woo-Geun Park, Chul-Hwan Kim, Jan 2021, A Study on Selecting Optimal Volt-VAR Control Curve of Smart Inverter Considering Hosting Capacity and System Loss, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 70, No. 1, pp. 007-013

Jee-Yoon Cha, Hyeonjin Kim, Changyeop Maeng, Kyo-Beum Lee, Apr 2022, PCC Voltage Stabilization using an Autonomous Volt-VAR Curve Change in Smart Inverters, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 71, No. 4, pp. 625-631

Apr 2017, Distributed energy resources connection with the grid, IEC TS 62786, The International Electrotechnical Commission

May 2018, Generating Facility Interconnections, California Rule 21, Pacific Gas and Electric Company

Apr 2021, Advanced active distribution network design and control technology based on intelligent distribution facilities-KEPCO Active Distribution Test System(KADTS), KEPCO

Dec 2021, Distributed Energy resource connection distribution system standard Guideline, KEPCO

Hyeonjin Kim, ngmin Jo, Ja-hyun Baek, Hyeongon Park, Pyeongik Hwang, Seongsoo Cho, Sept 2022, Economic Analysis of Power System Reinforcement and Flexible Interconnection to Increase Hosting Capacity, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 71, No. 9, pp. 1211-1220

Sung-Soo Cho, JunBo Sim, Hyeon-Ok Lim, HyeonJin Kim, Seong-Man Kim, Sang-Do Ju, JongHyup Song, Dec 2019, Increasing Hosting Capacity in KEPCO Distribution Feeders, KEPCO Journal on Electric Power and Energy, Vol. 5, No. 4, pp. 311-321

저자소개

김현진(Hyeonjin Kim)

He received the B.S. degree in Electrical Engineering from Konkuk University in 2014 and the M.S. degree in Electrical Engineering from Korea University in 2016.

He is a researcher of KEPCO Research Institute.

조종민(Jongmin Jo)

He received the B.S degree, M.S degree and Ph.D in Electrical Engineering from Chungnam National University in 2015 and 2020.

He is a senior researcher of KEPCO Research Institute.

백자현(Baek Ja-hyun)

She received her B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Sangmyung Univ, Seoul, Korea in 2015 and 2017.

She is currently a researcher of KEPCO Research Institute.

Her research interests are renewable energy management include forecasting and control.

김동섭(Dongsub Kim)

He received his B.S. and M.S. degrees from Hangyang University, Seoul, Korea, in 1982, 2000, and Ph.D. degrees from Yonsei University, Seoul, Korea in 2014, respectively.

He was a Vice president at KEPCO, Korea from 2018 to 2020.

Currently, he is a professor at Mokpo National University, Mokpo, Korea.

His recent research interests include the power systems application like EMS, DERMS, active voltage control of distribution system.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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분산전원 연계변압기의 전압 탭을 고려한 Volt-Var 제어 곡선 적합성 연구

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 분산전원의 계통지원기능 및 연계변압기 전압 탭 특성

2.1 분산전원의 계통지원기능

2.1.1 국외 사례

2.1.2 국내 사례

2.2 분산전원 연계용 변압기의 전압 탭 특성

2.2.1 배전계통의 분산전원 연계 방식

2.2.2 연계변압기의 전압 탭에 따른 분산전원 연계점 전압

3. 연계변압기 전압 탭을 고려한 Case Study

3.1 시뮬레이션 개요

3.1.1 계통 정보

3.1.2 Case 개요

3.2 사례 분석

3.2.1 과전압 발생 사례(Case 0, Case 1)

3.2.2 A type Volt-Var 제어 사례(Case 2)

3.2.3 A type Volt-Var의 전압 탭 영향 분석 사례(Case 3, Case 4)

3.2.4 B type Volt-Var 제어 사례(Case 5)

3.3 사례 분석 요약

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

김현진(Hyeonjin Kim)

조종민(Jongmin Jo)

백자현(Baek Ja-hyun)

김동섭(Dongsub Kim)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

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분산전원 연계변압기의 전압 탭을 고려한 Volt-Var 제어 곡선 적합성 연구

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 분산전원의 계통지원기능 및 연계변압기 전압 탭 특성

2.1 분산전원의 계통지원기능

2.1.1 국외 사례

2.1.2 국내 사례

2.2 분산전원 연계용 변압기의 전압 탭 특성

2.2.1 배전계통의 분산전원 연계 방식

2.2.2 연계변압기의 전압 탭에 따른 분산전원 연계점 전압

3. 연계변압기 전압 탭을 고려한 Case Study

3.1 시뮬레이션 개요

3.1.1 계통 정보

3.1.2 Case 개요

3.2 사례 분석

3.2.1 과전압 발생 사례(Case 0, Case 1)

3.2.2 A type Volt-Var 제어 사례(Case 2)

3.2.3 A type Volt-Var의 전압 탭 영향 분석 사례(Case 3, Case 4)

3.2.4 B type Volt-Var 제어 사례(Case 5)

3.3 사례 분석 요약

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

김현진(Hyeonjin Kim)

조종민(Jongmin Jo)

백자현(Baek Ja-hyun)

김동섭(Dongsub Kim)

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the Korean Institute of Electrical Engineers