3.1 전기저장장치의 용량산정 알고리즘

주상변압기 2차측의 직하 및 말단 수용가전압은 식 (1)과 식 (2)와 같이 고압배전선로의 전압과 주상변압기의 1차측 탭 전압, 저압선로의 전압강하 그리고 부하율에 의하여 결정된다.

여기서, $s (n)$: n번째 구간, $V _ { fc,s(n) } (t)$: n번째 구간에서의 직하수용가 전압, $V _ { lc,s(n) } (t)$: n번째 구간에서의 말단수용가 전압, $V _ { pri,s(n) } (t)$: n번째 구간에서의 1차측 전압, $V _ { tap }$: 주상변압기의 1차측 탭 전압, $V _ { d }$: 주상변압기부터 직하수용가까지의 저압선로 전압강하, $V _ { e }$: 주상변압기부터 말단수용가까지의 저압선로 전압강하, $f _ { h } (t)$: 부하율

ESS의 충·방전 모드의 결정은 식 (1)과 식 (2)를 바탕으로 수용가전압이 규정전압범위를 벗어나는 경우에 이루어지는데, 충·방전 동작은 식 (3)의 조건에 따라 결정된다. 즉, 수용가전압이 상한치(233V)를 초과하게 되면 ESS는 충전동작 ($\delta (t) = -1$)을 수행하고, 하한치(207V)를 벗어나면 방전동작($\delta (t) = 1$)이 이루어진다.

여기서, $\delta (t)$: ESS의 충·방전 동작 모드

한편 상기의 직하와 말단 수용가의 전압에서 규정전압범위를 가장 많이 벗어난 수용가전압을 주상변압기의 탭 전압과 저압선로의 전압강하, 부하율을 고려하여 고압측으로 환산하면, 식 (4)와 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $V _ { pri,max } (t)$: 규정치를 벗어난 수용가전압 가운데에서 가장 큰 수용가전압을 고압측으로 환산한 값, $V _ { pri, min } (t)$: 규정치를 벗어난 수용가전압 가운데에서 가장 작은 수용가전압을 고압측으로 환산한 값, $V _ { fc, max } (t)$: 모든 구간에 대하여 규정전압범위를 가장 큰 값으로 벗어난 직하 수용가전압, $V _ { lc, min } (t)$: 모든 구간에 대하여 규정전압범위를 가장 작은 값으로 벗어난 말단 수용가전압

한편, 규정전압의 상·하한치를 고려한 ESS의 충·방전 동작전압은 식 (6)과 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 수용가전압의 상·하한치와 저압수용가의 직하와 말단까지의 전압강하, 부하율을 고려하여, 저압측의 ESS 충·방전 동작전압이 결정되고, 주상변압기 탭 전압에 의하여 고압측으로 환산된다.

여기서, $V _ { ch } (t)$: ESS의 충전 동작전압, $V _ { dis } (t)$: ESS의 방전 동작전압

식 (4)와 식 (5)에서 구한 직하 및 말단 수용가를 고압측으로 환산한 값과 식 (6)과 식 (7)에서 구한 ESS의 충·방전 동작전압을 비교하여, 충전시의 ESS 전압조정범위는 식 (8)과 같이 나타낼 수 있고, 방전시의 ESS 전압조정범위는 식 (9)과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 두 운전모드 가운데 큰 ESS의 전압조정범위를 구하면 식 (10)과 같다. 여기서, $V _ { con } (t)$을 구하기 위하여 배전계통의 제반운용조건은 피크부하시를 기준으로 상정하고, 가능하면 최악의 시나리오를 대상으로 한다.

여기서, $V _ { con,ch } (t)$: 충전시의 ESS 전압조정범위, $V _ { con,dis } (t)$: 방전시의 ESS 전압조정범위, $V _ { con } (t)$: ESS의 전압조정범위

따라서, 태양광전원이 대용량으로 배전계통에 연계되는 경우, 수용가의 규정전압 범위를 만족시키기 위한 전기저장장치의 적정 도입용량은 식 (10)에서 구한 전기저장장치의 전압조정범위까지 도입구간별로 전기저장장치의 용량을 순차적으로 증가시키며 산정한다. 즉, 규정전압 범위를 가장 많이 벗어난 수용가전압이 규정전압 범위 이내를 만족하기 위한 전기저장장치의 용량을 산정한다.

3.2 태양광전원의 배전계통 수용성 평가알고리즘

배전계통에서 태양광전원의 연계위치나 연계용량에 따라, 수용가전압이 규정전압 범위를 벗어나게 되어, 배전계통의 태양광전원 수용성이 저하될 가능성이 있다. 따라서, 본 논문에서는 태양광전원의 연계구간 및 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 수용가의 규정전압 범위를 만족시키는 적정한 전기저장장치의 도입용량과 도입구간을 산정하는 배전계통 수용성 평가알고리즘을 제시한다. 이에 대한 자세한 평가절차는 다음과 같다.

[Step 1] 선로의 종류, 선로의 길이, 부하량, SVR의 설치 유‧무 등의 배전계통 데이터를 입력한다. 또한, 중부하시의 부하량을 고려하여 주상변압기 탭을 산정한다.

[Step 2] 전기저장장치의 kWh 도입용량($C _{ESS,s _{b} (n)}$) 및 태양광전원의 도입구간($s _{pv} (n)$)을 초기값으로 설정한다.

[Step 3] 태양광전원의 용량($P_pv$)을 초기값으로 설정한다.

[Step 4] 전기저장장치의 도입구간($s _{b} (n)$)을 초기값으로 설정한다.

[Step 5] 시뮬레이션 시간대($t$)를 초기값으로 설정한다.

[Step 6] 전기저장장치의 kW 도입용량($P _{ESS,s _{b} (n)}$)을 초기값으로 설정한다.

[Step 7] 시뮬레이션 시간대($t$)가 최대 시간대($t_max$)보다 크면, [Step 13]으로 넘어간다.

[Step 8] 모든 수용가 구간($s _{c} (n)$)에 대하여, 태양광전원의 용량과 전기저장장치의 도입용량을 고려한 수용가전압을 계산하고, 모든 구간에 대하여 규정전압 범위를 가장 크게 벗어난 주상변압기 2차측 직하 수용가전압($V _{fc,max} (t)$)을 산정한다.

[Step 9] [Step 8]에서 산정한 직하 수용가전압($V _{fc,max} (t)$)이 규정전압 범위의 상한치($V_upperlimt$)를 벗어나지 않으면, [Step 7]로 돌아간다.

[Step 10] [Step 9]에서 산정한 직하 수용가전압($V _{fc,max} (t)$)이 규정전압 범위의 상한치($V_upperlimt$)를 벗어나면, 이 수용가전압이 규정 전압범위 이내에 들어오도록 ESS의 전압조정범위($V _{con} (t)$)에 상응하는 전기저장장치의 kW 도입용량($P _{ESS,s _{b} (n)}$)을 산정한다.

[Step 11] 상기의 [Step 10]에서 구한 전기저장장치의 kW 도입용량을 적분하여, 전기저장장치의 kWh 도입용량($C _{ESS,s _{b} (n)}$)을 산정한다.

[Step 12] 전기저장장치의 모든 도입구간에 대하여 최소의 전기저장장치 kW, kWh 용량을 적정 도입용량으로 산정하고, 그 값을 갖는 구간을 적정 도입구간으로 결정한다.

[Step 13] 태양광전원의 연계용량이 최대용량($P _{pv,max}$)보다 작은 경우, 태양광전원의 용량을 단계별로 증가시켜 [Step 4]로 돌아간다. 한편, 모든 구간에 대하여 태양광전원을 상정하여 상기의 절차를 반복한다.

따라서 상기의 절차를 플로우차트로 나타내면 그림 2와 같다.

그림 2 태양광전원의 배전계통 수용성 평가알고리즘

Fig. 2 Adoption evaluation algorithm of PV system in distribution system

4.1 전기저장장치

목표로 하는 전기저장장치의 유효분과 무효분의 출력을 얻기 위하여, 전기저장장치의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류($I _ { d^* }$, $I _ { q^*}$)를 산정해야한다. 즉, 전기저장장치의 기준 DC 링크전압과 목표전력에 의한 DC 링크전압을 비교하여 전압차를 구한 후, 이 전압차를 비례적분하면 목표로 하는 d-q축의 기준전류를 식 (11)과 식 (12)와 같이 나타낼 수 있다^[8].

여기서, $I _d*$: d축 기준전류, $I _q*$: q축 기준전류, $V _ { DC-dq* }$: 기준 DC 링크전압, $V _ { DC-dq } ^ { }$: 목표 DC 링크전압

또한, 기준전류가 음의 값을 가질 때 전기저장장치를 충전시키고, 양의 값을 가질 때 전기저장장치를 방전시키기 위하여, 전류제어 알고리즘에 적용하여 인버터 출력을 위한 d-q축 전압을 구하면, 식 (13)과 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $V _ { d }$, $V_ { q } $: d-q축 전압, $I _dq*$: 인버터 출력의 기준전류, $I _ { d }$, $I _ { q } ^ { }$: 계통전류의 d-q축 전류, $V _ { sq }$: 계통의 순시전압

따라서, 상기의 식 (13), 식 (14)에 의하여 정전류원으로 충·방전을 수행할 수 있는 전기저장장치를 모델링하면 그림 3과 같다. 여기서, 전류 제어부는 디커플링 회로이기 때문에 유효전력과 무효전력을 서로 독립적으로 제어할 수 있다. 그리고 양방향인버터의 출력전압은 역 좌표변환과정에서 위상고정회로(Phase Locked Loop: PLL) 방식을 적용하여 계통전압과 위상을 동기화시킨다.

4.2 선로전압조정장치

선로전압조정장치의 제어부를 모델링하면 그림 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, A부분은 목표로 하는 전압(Vset)과 선로전압조정장치의 2차측 전압(Vmeans)의 오차를 구하는 것이고, B부분은 오차에 대한 불감대폭(BW)의 범위를 벗어난 값인지 판정하는 것이다. C부분에서는 오차가 시지연동안 지속되면 다음 단계로 수행하고, 지속되지 않으면 초기치로 정정한다. 상기에서 구한 오차를 통해, 선로전압조정장치의 탭 동작제어부를 모델링하면 그림 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, A부분은 오차가 양의 값으로 탭 업 동작을 수행하는 것이고, B부분은 오차가 음의 값으로 탭 다운 동작을 수행하는 것이다.

그림 4 SVR의 제어부 모델링

Fig. 4 Modeling of control section in SVR

그림 5 SVR의 탭 동작 제어 모델링

Fig. 5 Modeling of tap control in SVR

4.3 태양광전원

태양광전원용 계통연계용 인버터에 대하여 목표로 하는 유효전력과 무효전력을 제어하기 위해, PI제어기를 이용하여 전류제어 알고리즘을 모델링하면 그림 6과 같다. 여기서, 인버터의 전류 제어부는 유효전력과 무효전력을 서로 독립적으로 제어할 수 있다.

그림 6 태양광전원의 전류제어모델링

Fig. 6 Modeling of current control in PV system

상기의 모델링에서 구한 $V _ { d }$와 $V _ { q }$는 d-q 좌표변환을 통해 3상의 전압으로 변환되며, IGBT를 구동시키기 위한 6개의 신호로 사용되는 PWM을 모델링하면, 그림 7과 같이 나타낼 수 있다.

그림 7 태양광전원의 PWM 모델링

Fig. 7 Modeling of PWM in PV system

한편, 계통연계용 인버터를 모델링하면 그림 8과 같고, PWM 으로부터 나온 6개의 스위칭 신호에 의하여 태양광전원에서 생성된 DC 출력을 120°의 위상차를 갖는 3상의 AC출력으로 변환시킨다.

그림 8 계통연계용 인버터의 모델링

Fig. 8 Modeling of grid connected inverter

4.4 전체 배전계통

상기의 내용을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 전기저장장치, 태양광전원 및 선로전압조정장치 등으로 구성된 전체 배전계통을 모델링하면 그림 9와 같다. 여기서 A 부분은 배전용 변전소, B부분은 선로전압조정장치, C부분은 수용가 부하, D부분은 태양광전원, E부분은 전기저장장치를 나타낸 것이다.

그림 9 전체 배전계통 모델링

Fig. 9 Modeling of entire distribution system

5.1 시뮬레이션 조건

본 논문에서는 태양광전원의 연계구간 및 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 수용가전압의 규정범위를 유지하기 위한 전기저장장치의 도입용량과 도입구간을 산정하기 위하여, 표 1과 같은 시뮬레이션 조건을 상정하였다. 여기서, 배전선로는 6개 구간으로 나누고, 1번~4번 구간의 선종은 ACSR-160[㎟], 5번~6번 구간의 선종은 ACSR-95[㎟]를 상정하고, 정임피던스 부하와 역률은 0.9로 상정하였다. 저압측의 전압강하 분담률은 주상변압기의 전압강하분(2%)과 저압 배전선로 전압강하분(4%), 인입선 전압강하분(2%)으로 상정하였다.

한편, 배전용 변전소의 송출전압은 13,200[V]의 일정값으로 상정하였으며, 주상변압기의 1차측 탭은 1~4번 구간은 13,200, 5~6번 구간은 12,600을 적용하였다. 또한 SVR의 설치위치는 5% 전압강하지점인 5번 구간으로 상정하고, 현장에서 사용하고 있는 일정전압송출방식(13,200[V])을 채택하였다. 태양광발전량과 일 부하 곡선은 그림 10과 같이 대표적인 산업용 부하를 고려하였다^[9-10].

그림 10 일 부하 및 태양광 발전량

Fig. 10 Daily load and PV output

5.2 SVR이 미설치된 배전선로의 수용가전압 특성분석

여기서는 SVR이 고압배전선로에 설치되지 않은 경우에 대하여, 태양광전원의 연계위치와 연계용량에 따라 수용가전압의 변동특성을 파악하고, 규정 전압범위를 벗어나는 경우, 이를 적정하게 유지하기 위한 전기저장장치의 도입위치 및 용량을 산정한다. 먼저, 태양광전원의 연계지점을 말단인 6번 구간으로 상정하고, 태양광전원의 용량을 단계적으로 증가시키면서 직하지점의 수용가전압을 분석하면 그림 11~그림 13과 같다. 이 그림에서와 같이, 태양광전원이 연계되면 수용가전압이 과전압 현상에 의하여 규정전압 범위를 벗어날 가능성을 확인하였고, 태양광전원의 용량이 증가될수록 규정전압범위를 벗어나는 폭은 증가됨을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 선로 말단에 연계된 태양광전원의 역조류가 경부하시의 전압상승을 초래하여, 수용가전압이 큰 폭으로 규정전압 범위를 벗어나게 되는 것이다.

Fig. 11 Customer voltages with 3MW PV system

그림 11 3MW 태양광전원 연계 시 수용가전압 특성

그림 12 5MW 태양광전원 연계 시 수용가전압 특성

Fig. 12 Customer voltages with 5MW PV system

그림 13 7MW 태양광전원 연계 시 수용가전압 특성

Fig. 13 Customer voltages with 7MW PV system

따라서 상기에서 제안한 알고리즘에 따라 수용가의 규정전압범위를 만족시키는 전기저장장치의 용량을 산정하면 표 2~표 4와 같다. 여기서, 태양광전원의 연계용량을 단계적으로 증가시키면, 전기저장장치의 도입용량도 증가됨을 알 수 있었다. 즉, 태양광전원의 연계용량이 3[MW]이면 전기저장장치의 적정한 kW 도입용량은 1[MW]이고, kWh 도입용량은 1[MWh]이며, 태양광전원의 연계용량이 7[MW]이면 전기저장장치의 kW 도입용량은 5[MW]이고, kWh 도입용량은 14.2[MWh]로 산정되었다.

5.3 SVR이 설치된 배전선로의 수용가전압 특성분석

여기서는 SVR이 고압배전선로에 설치된 경우에 대하여, 태양광전원의 연계위치와 연계용량에 따라 수용가전압의 변동특성을 파악하고, 규정 전압범위를 벗어나는 경우, 이를 적정하게 유지하기 위한 전기저장장치의 도입위치 및 용량을 산정한다. 먼저, 5.2절의 시뮬레이션과 동일하게 태양광전원의 연계지점과 태양광전원의 용량을 상정하고, 이에 대한 직하지점의 수용가전압을 분석하면 그림 14~그림 16과 같다. 여기서 그림 14와 같이, 3[MW]의 태양광전원이 계통에 연계된 경우, 모든 수용가전압이 규정전압 범위를 만족함을 알 수 있었다. 한편, 그림 15와 그림 16에서와 같이, 태양광전원이 연계되면 수용가전압이 과전압 현상에 의하여 규정전압 범위를 벗어날 가능성을 확인하였고, 태양광전원의 용량이 증가될수록 규정전압범위를 벗어나는 폭은 증가됨을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 선로 말단에 연계된 태양광전원의 역조류가 경부하시의 전압상승을 초래하여, 수용가전압이 큰 폭으로 규정전압 범위를 벗어나게 되는 것이다.

따라서 상기에서 제안한 알고리즘에 따라 수용가의 규정전압범위를 만족시키는 전기저장장치의 용량을 산정하면 표 5와 표 6과 같다. 여기서, 태양광전원의 연계용량을 단계적으로 증가시키면, 전기저장장치의 도입용량도 증가됨을 알 수 있었다. 즉, 태양광전원의 연계용량이 5[MW]이면 전기저장장치의 적정 kW 도입용량은 0.8[MW]이고, kWh 도입용량은 0.8[MWh]이며, 태양광전원의 연계용량이 7[MW]이면 전기저장장치의 적정 kW 도입용량은 2.8[MW]이고, kWh 도입용량은 4.2[MWh]로 산정되었다.

5.4 SVR 유‧무에 따른 비교분석

상기의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 SVR의 유‧무에 따른 ESS의 도입용량을 비교하면 표 7과 같다. 즉, 태양광전원의 연계용량이 3[MW]이면 SVR이 설치되는 경우, 전기저장장치의 적정한 kW 도입용량은 1[MW]에서 0[MW]로 감소되며, kWh 도입용량도 1[MWh]에서 0[MWh]로 감소됨을 알 수 있었다. 또한, 태양광전원의 연계용량이 5[MW]이면 적정한 kW 도입용량은 3[MW]에서 0.8[MW]로, kWh 도입용량은 4.7[MWh]에서 1[MWh]로 감소되며, 태양광전원의 연계용량이 7[MW]이면, 적정한 kW 도입용량은 5[MW]에서 2.8[MW]로, kWh 도입용량은 14.2[MWh]에서 4.2[MWh]로 감소됨을 알 수 있었다. 따라서, SVR이 배전계통에 설치되면, 설치되지 않은 경우보다 ESS의 적정한 도입용량이 감소됨을 알 수 있었다. 이것은 SVR의 일정전압송출방식에 의하여 태양광전원의 역조류에 의한 수용가의 과전압현상을 어느정도 해소시켜, 배전계통에서 태양광전원의 수용성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.