2.1.1 SVR에 의한 배전계통 전압제어

태양광전원이 고압배전선로(22.9kV)에 연계되어 운용되면, 그림 1과 같이 태양광전원 출력에 의하여 배전선로의 전압이 변동하게 되어, 수용가의 전압은 규정범위를 벗어나는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라 주상변압기의 탭 위치를 변경시켜주어야 하지만, 현실적으로 태양광전원의 운용 상태에 따라 주상변압기의 탭 위치를 변경시키는 것은 어려운 일이다. 따라서 태양광전원에 의하여 발생되는 전압문제를 해결하기 위한 방안으로 SVR이 도입되어 운영되고 있다. SVR의 운용방식으로는 부하전류에 응동하여 계산된 최적송출전압에 의하여 탭을 조정하는 LDC 조정방식, 부하량과 상관없이 일정한 값을 갖는 일정송출전압방식 그리고 시간에 의하여 정해진 송출전압을 조정하는 프로그램방식 등이 있다. 현행의 SVR은 일정송출전압방식을 사용하고 있는데, 부하변동 및 선로구성에 따라 수용가의 규정전압 유지가 어려운 실정이다[2-4].

그림. 1. 태양광전원 운용에 따른 수용가전압 특성

Fig. 1. Customer voltage according to operating PV system

2.1.2 SVR 도입에 따른 배전계통 전압제어 한계

일반적으로 변전소에서 멀어질수록 거리에 따라 그림 2의 그래프 a와 같이 계통전압이 강하됨을 알 수 있다. 이때 선로중간에 SVR을 설치해서 그래프 c와 같이 전압을 보상하고 있다. 또한 분산전원이 연계되면 변전소에서 연계지점까지 그래프 b와 같이 계통전압이 상승하게 된다. 특히 그래프 c와 같이 SVR로 전압보상 운전 중에 갑자기 분산전원이 계통에 연계되어 운용되는 경우, SVR의 1-2차 권수비에 따른 계통 임피던스가 변경되어 그래프 c에서 d와 같이 계통전압이 상승하게 된다. 그 이유는 종래의 SVR은 기준전압 이하로 떨어지면 전압을 보상하는 일정송출전압방식으로 운용되고 있기 때문이다. 이는 SVR이 설치된 선로에 태양광전원이 도입되어 운용되는 경우에는 전압변동이 더욱 증가하게 되는 현상이 발생하여, 수용가 전압이 규정치를 벗어나는 현상이 더욱 더 많이 발생할 수 있다. 따라서 종래에 0~10 [%] 사이에만 동작을 하는 SVR의 운용방식을 지양하고 –10 [%]~10[%] 사이에 운전될 수 있도록 LDC 운전방식을 채택하면 그래프 e와 같이 분산전원의 발전 시와 미발전시에 관계없이 일정하게 계통전압을 유지할 수 있다[5-6].

그림. 2. 분산형전원에 의한 SVR 오동작 사례

Fig. 2. Case study of SVR malfunction by distributed Generator

2.2.1 계통연계 역률조건

태양광과 같은 분산형전원이 많이 도입되어 운영 중인 배전계통에 연계되는 소수력발전기는 계통의 전압상승을 억제하기 위하여, 분산형전원 배전계통연계 기술기준에 의거하여 분산형전원은 역률 90%이상을 유지해야 하며, 또한 진상영역(분산형전원측 기준)에서 운전해야 한다⁽¹⁾. 따라서 전력회사에서는 배전계통의 전압특성을 고려하여 발전기별로 계통연계시의 역률조건을 제시하고 있으며, 역률조건사례는 표 1과 같다, A발전기의 경우 진상역률 94% 미만(발전기 기준)에서 운전해야 하며, B발전기의 경우에는 진상역률 92% 미만에서 운전하도록 하고 있다.

2.2.2 역률조건에 따른 발전기 무효전력 공급가능범위

발전소 연계계통 전압상승 억제를 위한 역률제한에 따라 개별 발전기의 실제 출력가능범위는 제한된다⁽⁷⁾. 즉, A발전기는 그림 3과 같이 진상 85%~94%까지 정격출력 운전이 가능하지만, B발전기의 경우에는 그림 4과 같이 진상 92% 미만 운전시 최대출력가능용량은 약 600kW로 산정된다. 따라서 표 2와 같이 역률유지 기준에 따라 발전기의 출력을 제한할 수밖에 없어 발전량 손실이 불가피함을 알 수 있다.

그림. 3. A 발전기 역률제한에 따른 운전범위

Fig. 3. Operation range by PF limitation by A generator

그림. 4. B 발전기 역률제한에 따른 운전범위

Fig. 4. Operation range by PF limitation by B generator

2.2.3 발전기 역률제한 운전에 따른 전압제어 한계

앞서 설명한 것처럼 소수력발전기는 연계선로의 전압안정화를 위해 계통연계기준에 따라 역률제한 운전을 실시하고 있다. 전력회사에서 제시한 진상역률(발전기기준) 조건에 따라 발전기는 운전하게 되고 무효전력을 흡수하여 계통전압을 감소시키게 된다. 그러나 발전기 역률운전조건은 배전계통에 연계운영중인 태양광발전이나 부하변동에 상관없이 적용된다. 그림 5는 소수력발전기(HP ; Hydro Power) 역률제한운전에 따른 계통전압 변화를 나타낸 것이다. 그림 5의 ⓐ와 ⓑ는 태양광이 계통에 연계되어 있는 경우의 배전계통전압을 나타내고, ⓒ와 ⓓ는 태양광이 계통에 연계되어 있지 않은 경우의 배전계통전압, ⓑ와 ⓓ는 소수력발전기 역률제한 운전시의 배전계통전압을 나타낸다. ⓐ와 같이 낮 동안 태양광발전으로 인한 배전계통 전압은 상승되므로 발전기 진상역률 운전을 통해 ⓑ와 같이 전압을 낮추어 배전계통 전압을 정격범위 내에서 운전하게 할 수 있게 한다. 그러나 밤이나 큰 부하에 의해배전계통의 전압이 ⓒ와 같이 낮아진 경우에는 발전기 역률제한운전으로 배전계통 전압을 ⓓ같이 더욱 낮게 하여 정격범위를 벗어나게 한다. 따라서 배전계통에 연계되어 운전 중인 발전기의 역률제한운전은 태양광발전이나 부하변동에 따라 적절하게 대응하지 못하므로 배전계통의 전압제어에는 한계가 있다.

그림. 5. 발전기 역률제한 운전에 따른 계통전압 변화

Fig. 5. Voltage change according to PF Limitation operation

3.1.1 AVR 모드

AVR 모드는 여자시스템의 가장 중요한 모드로써, 계통연계지점 및 발전기 출력에 관계없이 항상 일정한 전압, 즉 설정치(Setpoint) 전압을 유지시키는 운전 모드이다⁽⁸⁾.

3.1.2 Var 모드

Var 모드는 발전기 무효전력을 설정치에 따라 일정하게 제어하는 모드로써, 발전기 전압은 계통연계지점 및 발전기 출력에 의하여 변동하게 된다⁽⁸⁾. 그림 6은 무효전력을 진상운전에서 지상운전까지 단계별로 제어한 것으로 무효전력에 따라 발전기 전압이 감소됨을 알 수 있다. 이 그림에서 상단은 300kVar에서 –100kVar까지 단계별 무효전력을 나타내고, 하단은 무효전력 변화에 따른 계통전압과 발전기 전압조정 특성을 나타낸다.

그림. 6. Var 모드시 무효전력 변화에 따른 전압제어 특성

Fig. 6. Voltage control characteristic in Var Mode

그림. 7. PF 모드시 무효전력 변화에 따른 전압제어 특성

Fig. 7. Voltage control characteristic in PF Mode

3.1.3 PF 모드

PF 모드는 발전기의 역률을 설정치에 따라 일정하게 제어하는 모드로서, 발전기 유효 및 무효출력을 가변시켜 역률을 일정하게 제어하게 된다⁽⁸⁾. 이 모드는 한전의 “분산형전원 배전계통 연계기준”에 의거하여 계통연계 조건, 즉 지상 역률 90% 이상인 적정역률을 설정하여 운전하는 방법이다. 그림 7은 단계별 역률 설정치에 따른 무효전력 및 발전기 전압특성을 나타낸 것이다. 여기서, 상단은 역률을 –0.99%에서 +0.95%까지 단계별로 제어한 것으로 나타낸 것이며, 하단은 역률 변화에 따른 전압조정 특성을 나타낸 것이다.

3.1.4 최적제어모드

상기와 같이, 발전기 여자시스템은 제어모드에 따라 운전특성이 달라지며, 발전소별로 제어모드 설정이 상이한 것을 알 수 있다. 또한, 분산형전원 연계시 계통전압 상승을 억제하기 위하여, “분산형전원 배전계통 연계기준”에 배전계통에 연계되는 발전기는 진상운전(발전기기준)을 하도록 규정하고 있으며 전력회사에서 발전기별로 계통연계시의 역률조건을 제시하고 있다⁽¹⁾. 그러나 연계기준에서 제시한 발전기의 PF 모드 및 Var 모드는 설정된 PF나 Var값을 일정하게 제어하므로 연계선로의 태양광 발전 및 부하 변동에 따른 계통전압의 변동에 적절하게 대응하는 데는 한계가 있다. 배전계통전압이 정격전압보다 높으면 발전기 진상운전으로 전압을 낮출 수 있지만, 정격전압보다 낮은 경우, 더욱 전압을 낮게하여 수용가의 전압문제를 야기 시킬 수 있다. 그러나 AVR 모드는 부하변동 및 계통전압변동에 상관없이 무효전력을 가변시켜 발전기 전압을 일정하게 제어할 수 있어, 계통전압안정화에 가장 효과적인 모드라 할 수 있다.

3.2.1 기존 전압제어 알고리즘 한계

앞에서 제시한 바와 같이, 전압제어모드 중 AVR 모드는 계통전압 변동에 가장 적절하게 대응하는 제어모드이다. 그러나 이 제어모드 또한 계통전압 변동에 따른 제어에는 한계점을 가지고 있다. AVR모드의 제어방법은 계통전압(VL)이 발전기 정격전압(VG)보다 높은 경우, 그림 8과 같이 발전기가 기동한 후 발전기 정격전압까지 전압을 조정한 후, 동기투입을 위해 계통전압과 비교하여 발전기 전압(Vg)을 보상시키면서 계통에 연계시킨다. 이때의 전압은 발전기 전압(VSET)으로 설정되어 계통전압 변화에 상관없이 일정하게 운전하게 된다. 따라서 분산전원이 운전하지 않은 경우에도 역으로 발전기는 연계선로의 전압을 상승시키게 된다. 또한, 계통전압이 발전기 정격전압보다 낮은 경우, 발전기의 설정전압(VSET)은 낮은 상태에서 연계하게 되므로 계통전압 변동에 상관없이 낮은 전압으로 운전하게 되어 배전계통 전압을 더욱 강압시키게 된다.

그림. 8. 기존전압제어 개념도

Fig. 8. Orignal voltage control concept

3.2.2 최적전압제어 알고리즘 구현

기존 전압제어 알고리즘은 계통연계시의 전압(VSET)으로 발전기의 전압을 제어하게 된다. 이는 발전기 전압이 계통연계시의 계통전압조건에 따라 결정되기 때문에 연계운영중인 태양광전원의 운전이나 부하변동에 따른 대응에는 한계가 있다. 그러므로 그림 9과와 같이, 발전기가 연계하여 일정시간 이후에 여자기의 설정전압을 발전기 정격전압으로 재설정하여 운전함으로써 계통전압 변동에 상관없이 발전기 전압을 일정하게 제어함으로써 연계계통의 전압안정화에 기여할 수 있다. 이는 배전계통의 전압안정화를 위한 선로전압조정장치(SVR)의 역할을 발전기가 수행하게 된다.

그림. 9. 최적전압제어 알고리즘 개념도

Fig. 9. Optimal voltage control concept

따라서 제시한 최적전압제어 알고리즘에 대한 자세한 내용은 다음과 같다.

[Step 1] 발전기를 기동시켜, 여자기 초기 설정치(Vpre)까지 전압을 발생시킨다.

[Step 2] 동기투입장치가 작동하여 계통전압(VL)과 동기화가 이루어지면 발전기 전압(Vg)을 제어한다. 이때 차단기를 투입하여, 발전기는 계통연계운전을 하게 되며, 여기서 발전기는 계통전압 변동에 상관없이 설정된 전압으로 일정하게 운전하게 된다.

[Step 3] 계통연계 후 발전기 출력이 정격출력의 일정치 이상이 되면, 발전기는 정격전압(Vset)이 되도록 설정값을 변경시킨다.

[Step 4] 발전기는 정격전압(Vset)이 되도록 전압제어를 반복하여 수행한다.

[Step 5] 발전기 정격전압 제어시 발전기 출력가능곡선 범위 내, 즉 과여자(OEL; Over Excitation Limit)와 저여자(UEL ; Under Excitation Limit)사이에서 제어가 가능하면 발전기는 정격전압 운전을 하게 된다.

[Step 6] 발전기 전압 제어시 발전기 출력가능곡선 범위를 벗어나게 되면, 발전기는 제한범위(OEL, UEL) 이내에서 제한적으로 운전하게 된다.

상기의 최적전압제어 알고리즘을 플로차트로 나타내면 그림 10과 같다.

그림. 10. 최적전압제어 알고리즘

Fig. 10. Optimal voltage control algorithm

따라서 배전계통에 연계운영중인 소수력발전기는 태양광전원 운전이나 부하변동에 따른 계통전압 상승이나 강압에 대응하여 그림 11과 같이 배전계통 전압을 허용범위 안에 있게 한다. 이 그림에서 ⓐ와 ⓒ는 발전기 최적전압제어 전의 배전계통 전압을 나타내고, ⓑ와 ⓓ는 발전기 최적전압제어 후의 배전계통 전압을 나타낸 것이다.