2.1 배전계통 구성

배전선로는 일반적으로 고압선과 저압선으로 구분할 수 있으며, 국내의 경우 2020년 2월 21일에 개정된 전기사업법 시행규칙 제 2조⁽²⁾에 따르면 고압은 직류 1.5[kV], 교류 1[kV]를 초과하고 7[kV] 이하 범위의 전압을, 특고압은 7[kV]를 초과하는 전압을 의미하며 저압의 경우 직류 1.5[kV] 이하, 교류 1[kV] 이하 범위로 계통 전압을 규정하고 있다. 통상적으로 국내 배전계통의 경우 특고압 공칭전압 선간 22.9[kV](상 13.2[kV])와 저압 공칭전압 선간 0.38[kV](상 0.22[kV])로 구분하고 있으며, 저압계통은 배전용 전기설비 내 위치하고 배전용 변압기 2차 측 (저압)에서부터 수용가 인입구 말단까지로 범위를 한정할 수 있다.

배전계통의 회선당 운전용량과 기준 최대 긍장은 표 1에 보이는 바와 같이 한전 배전설계기준 DS-3001 총칙 6항(배전 회선당 기준 용량과 기준 최대긍장)에 기술되어 있다⁽³⁾. 회선당 운전용량은 22.9[kV] 일반 배전선로의 경우 ACSR-OC 160$mm^{2}$ 및 CNCV 325$mm^{2}$ 기준 3분할 3연계를 적용하며, 22.9[kV] 대용량 배전선로는 ACSR-OC 240$mm^{2}$, CNCV 325$mm^{2}$(전력구 구간) 및 CNCV 600$mm^{2}$(관로 구간) 기준 3분할 3연계를 적용하여 산출하고 있다. 상시 운전용량은 평상시에 운용하는 최대용량을 말하며, 비상시 운전용량은 선로 고장에 따른 부하전환 등 비상시의 운용 최대용량을 의미한다.

2.2 배전계통 선로 임피던스

앞서 설명한 바와 같이 국내 배전선로는 특고압 선로와 저압 선로로 구분되며, 기설된 선로 케이블의 종류는 D/L 구간별 특성에 따라 다양하다. 통상적으로 특고압 일반 배전선로는 ACSR-OC 160$mm^{2}$ 및 CNCV 325$mm^{2}$, 대용량 배전선로는 ACSR-OC 240$mm^{2}$, CNCV 325$mm^{2}$ 및 CNCV 600$mm^{2}$를 적용하고 있으며, 선종별 임피던스 정보는 표 2와 같다.

국내 배전계통의 저압 선로는 말단전산화번호 기준 약 2.3백만 개 수준으로 선로 및 수용가 특성에 따라 전력망 구조가 매우 방대하고 상이하다. 빌딩 등이 밀집된 도심지의 경우 부하 밀집도가 크기 때문에 높은 전력수요를 감당할 수 있는 케이블 형태의 배전설비가 구축되어 있으며 도시 미관을 고려하여 주로 지중으로 시공된 것이 특징인 반면 인구 및 부하 밀집도가 낮은 농어촌 지역의 경우 하나의 배전용 변압기가 넓은 범위의 전력수요를 담당하고 있어 가공선로가 길게 이어져 있는 형태가 특징이다. 표 3은 전력연구원에서 EMPT Line constants(선로정수) 해석 및 실증 시험을 통해 도출한 저압 선로 선종별 임피던스 데이터를 보여주는 것으로 저항 성분은 KS 규격에서 선종별 최대 임피던스로 정의하였으며, 리액턴스 성분은 도체의 기하학적 배열을 고려한 EMTP 해석 결과를 기반으로 한다⁽⁴⁾.

2018년 한전 전산 데이터를 기반으로 저압 선로 선종별 빈도 분석 결과는 표 4와 같다. 전압선은 OW(옥외용 비닐 절연전선), 중성선은 AL (알루미늄) 도체로 구성된 ACSR (강심알루미늄 절연)이 전체 중 가장 높은 비중을 차지하고 있다.

2.3 배전계통 전압조정 성능 분석

2.2절에서는 배전계통을 구성하는 특고압 선로와 저압 선로에서 사용하고 있는 선종 및 선종별 임피던스 성분에 관해 검토하였으며, 본 논문에서는 배전계통의 전압조정 성능 특성을 비교하기 위한 대표 선종으로 빈도수, 정격 및 허용전류 사양 등을 고려하여 특고압 선로는 ACSR-OC 160$mm^{2}$, 저압 선로는 OW 38$mm^{2}$를 산정하였다.

선로 임피던스 특성은 분산전원 접속연계에 따른 계통전압 관리 관점에서 중요한 요소이다. 기존 계통 구조는 발전소에서 생산된 전력이 부하로 공급되는 단방향 전력조류에 의한 전압강하 특성만이 존재하였다. 그러나, 분산전원 접속연계로 인해 태양광･풍력 등에서 발전된 출력전력이 계통으로 역송되는 역조류 현상으로 인해 연계점 전압 또는 수용가 말단 지점에서 전압상승 특성이 발생하고 있다. 그림 3은 순조류 및 역조류에 따른 수전단 연계점 전압변동 특성을 보여주며, 전압 변동식은 식(1)과 같다.

식(1)로부터 분산전원 연계점의 전압상승 및 강하 특성은 유･무효전력과 선로 임피던스 특성으로부터 결정됨을 알 수 있다. 일반적으로 태양광 인버터는 접속된 태양광 모듈이 갖는 특성곡선의 최대출력점을 추종하기 위한 MPPT 제어를 수행하면서 역률 100% (단위역률)로 동작하도록 설계된다. 태양광 인버터의 MPPT 제어는 일반적으로 현재 전압, 전력을 이전 전압, 전력과 비교를 통해 최대출력점을 추종하는 P&O (Perturb & Observe) 방식이나 V-I 성능 곡선의 기울기를 이용하여 최대전력점을 추종하는 INC(Incremental Conductance) 방식이 주로 사용된다⁽⁵⁾⁽⁶⁾. 역률 100% 동작은 태양광발전으로부터 생성된 유효전력을 계통에 공급하지만 무효전력 흡수 또는 공급 동작은 하지 않음을 의미하며, 이는 발전사업자의 수익성을 고려하기 때문이다. 그러나 태양광 인버터가 계통에 공급하는 발전 유효전력(-P)은 연계점 전압상승을 야기하는 원인이며, 이로 인해 연계점 전압이 규정전압을 이탈하여 초과하는 경우 연계기준에 따라 발전을 중지해야 한다. 이는 전압품질 저하, 태양광발전 가동률 저하 및 사업자 수익성 감소로 귀결되기 때문에 전력회사 및 발전사업자 양측 모두를 위한 해결책이 요구된다.

전압관리를 위한 기본적인 대응방안은 식(1)에서 알 수 있듯이 무효전력을 활용하는 방법으로 태양광 인버터의 역률 제어를 통한 무효전력으로부터 전압을 조정할 수 있다. 한전의 분산형전원 배전계통 연계기술 기준 제 15조(전기품질)⁽⁷⁾에서는 분산전원의 역률 운전을 90% 이상으로 유지함을 원칙으로 규정하고 있다. 즉, 연계기준에서 제한하고 있는 역률 범위까지 태양광 인버터는 역률 제어가 가능하며 태양광 인버터의 무효전력을 활용한 전압관리가 가능함을 의미하지만, 발전사업자 관점에서 태양광 인버터의 역률 90% 운전은 유효전력 발전제한 및 수익성 감소라고 판단하는 오해의 소지가 존재한다. 그러나 실제 태양광발전의 지역별 월간 데이터 자료⁽⁸⁾를 분석해 본 결과 태양광발전이 100% 정격출력으로 동작하는 경우는 매우 드물며, 정격출력의 80~90% 초과 동작하는 경우도 1년 중 약 2~3% 미만으로 드물다. 국내 태양광발전의 실제 발전량 데이터를 고려할 때 태양광 인버터의 역률 90% 운전은 출력 유효전력의 손해없이 무효전력을 활용할 수 있음을 말한다. 또한, 태양광발전이 100% 정격출력으로 동작하는 조건이라도 태양광 인버터 설계 시 피상전력을 110%로 설계한다면 유효전력 손해없이 100% 유효출력 발전과 동시에 90% 역률 운전이 가능하다. 따라서 태양광 인버터의 역률 제어 운전을 통한 무효전력 활용은 배전선로의 전압관리를 위한 대응방안으로의 제도적, 기술적 사항들이 적합하며, 90% 역률 운전에 따른 특고압 및 저압 선로에서의 전압조정 성능에 대한 해석 및 검토가 필요하다.

태양광 인버터의 90% 역률 운전 시, 유효전력과 무효전력의 관계는 식(2)와 같고, 두 전력 비는 식(3)과 같다.

또한, 본 논문에서 특고압 및 저압 선로의 대표 선종으로 산정했던 선로의 임피던스 비는 표 5와 같다. 임피던스 특성을 보면 두 선로의 리액턴스 값은 근사하나 저항 크기는 저압 선로가 특고압 선로에 비해 약 2.7배 큰 것을 알 수 있다.

특고압선로 :

저압선로:

전압조정을 목적으로 태양광 인버터가 90% 역률 제어 운전을 통해 무효전력을 흡수할 때, 유･무효전력 비와 선로 임피던스 비 해석으로부터 특고압 선로는 전압상승 문제를 방지할 수 있지만, 저압 선로의 경우에는 특고압 선로 대비 전압조정 성능에 한계점이 있음을 알 수 있다. 이는 특고압 선로와 저압 선로의 임피던스 특성이 기인하는 것으로 저압 선로의 경우 저항 성분이 리액턴스 성분보다 크기 때문이며, 태양광 인버터의 역률 90% 제어로부터 흡수되는 무효전력만으로는 특고압 선로 대비 저압 선로에서의 전압조정 성능 효과를 크게 기대하기 어렵다.

그림 4는 본 절에서 분석한 특고압 선로와 저압 선로에서의 전압조정 성능 검증을 위한 Cyme 시뮬레이션 회로도이며, 표 6에 제시된 시스템 파라미터를 적용하였다.

특고압 선로는 일반선로로써 최대 선로 길이(긍장) 33[km] 말단에 연계된 조건을 가정하였고, 태양광 인버터는 상시 운전용량 10[MVA] 기준 20%인 2[MVA] 용량을 고려하였다. 저압 선로는 길이 200[m] 말단 연계를 가정하고 태양광 인버터는 실제 저압계통에 연계 비중이 높은 500[kVA] 기준 20%인 100[kVA] 용량으로 특고압 선로와 동일 용량 비를 고려하여 적용하였다.

그림 5와 표 7은 Cyme 시뮬레이션 결과를 보여주는 것으로 특고압 선로의 경우 태양광 인버터가 역률 1로 운전하는 경우 1.018 [p.u]로 상승하지만 90% 역률 제어를 통해 유도성 무효전력을 흡수함으로써 선로 리액턴스와의 관계성으로부터 연계점 전압을 1[p.u]로 낮춤으로써 전압조정 성능 효과가 발생함을 알 수 있다. 저압 선로 시뮬레이션에서는 역률 1 운전 시 연계점 전압은 1.055 [p.u]로 상승하고, 90% 역률 제어로부터 무효전력을 흡수함에 따라 연계점 전압은 1.031[p.u]로 낮아진다. 태양광 인버터가 90% 역률 제어를 통한 전압조정 시, 특고압 선로는 전압 상승분 △0.018[p.u] 대비 △0.019[p.u]만큼 전압을 보상하는 반면 저압 선로의 경우에는 전압 상승분 △0.055[p.u] 대비 △0.024[p.u]만큼의 전압보상 결과가 도출되었다. 시뮬레이션 결과는 앞서 설명한 바와 같이 유･무효전력과 선로 임피던스 특성을 고려한 전압조정 성능 해석과 동일한 결과가 도출됨을 검증하였다. 표 3의 저압 선종별 임피던스로부터 공칭 단면적이 큰 선종을 적용하면 선로 저항분이 감소하며, 역률 제어의 전압조정 성능 효과가 높아질 수 있음을 분석결과를 통해 예측할 수 있다. 그러나, 표 4의 실제 선종 빈도수를 보면 저압 선로에서 OW 22$mm^{2}$, OW 38$mm^{2}$ 등 공칭 단면적이 작은 선종들의 빈도수 및 비율이 매우 높음을 알 수 있기 때문에 90% 역률 제어를 통한 전압관리 관점에서 특고압 선로와 비교할 때 저압 선로는 전압조정 성능의 효과가 미비할 수 있다는 결론을 도출할 수 있다. 따라서 저압 선로의 전반적인 전압관리를 위해서는 유효전력 출력 감소 제어, ESS 연계 등의 추가적인 보완 기술이 필요하다.

3.1 시뮬레이션 개요

배전계통 저압선로에서 역률 90%까지의 제어성능으로는 특고압선로와 달리 전압조정 능력이 미흡함을 그림 5와 표 7의 Cyme 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있었다. 저압선로의 저항 성분은 특고압선로의 저항 성분에 비해 상당히 큼을 표 5에서 확인할 수 있고, 신재생에너지의 지속적인 계통접속 증가는 저압계통의 전압품질 문제를 야기할 수 있다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 PSIM 시뮬레이션으로 유효전력 출력감축과 ESS의 연계운영의 전압조정 제어성능을 검증하였다. PSIM 시뮬레이션에 사용한 인버터의 파라미터는 표 8과 같으며 표 6의 선로 파라미터를 기반으로 전체 시뮬레이션을 구현하였고 전체 시뮬레이션은 그림 6과 같다.

3.2 시뮬레이션 Case Study

저압선로에서의 전압관리를 위해 유효전력 Curtailment 기능과 태양광 인버터와 연계된 ESS를 활용하여 연계점에서 출력되는 전력의 역률을 낮춰 전압관리가 가능한지를 PSIM 시뮬레이션으로 확인하였다. 시뮬레이션 Case 별 동작 조건은 아래와 같다.

- Case 1 : (PV) P=1.0S / Q=0

- Case 2 : (PV) P=0.9S / Q=max0.9

- Case 3 : (PV) P=0.7S / Q=max0.7

※ 유효전력 출력제한 : 70%

- Case 4 : (PV) P=0.9S / Q=max0.9

※ (ESS) PV 출력의 절반용량 충전

이때 Case 2인 90% 역률제어 동작 시 표준전압 유지범위를 만족하는 구간(L1 : 200m)과 만족하지 않는 구간(L2 : 270m)을 선정하여 전압제어 성능결과를 확인하였다. 즉, L1 구간에서는 기존 DER-AVM에 의한 무효전력 제어방식으로 표준전압 유지범위를 만족하였으나 L1 구간길이 200m를 초과하는 L2 270m 구간에서는 표준전압 유지범위 초과문제가 발생하였다. Case 3과 Case 4에서는 표준전압 유지범위를 초과하는 지역의 전압문제 해결사례를 검토하였다.

3.3 시뮬레이션 결과

Case 1의 시뮬레이션 결과를 그림 7에 나타내었다. 그림 7(a)는 L1(200m)의 경우, 그림 7(b)는 L2(270m)이다. ①은 계통 상전압의 피크 부분을 확대한 파형, ②는 상전압과 각 시스템의 상전류, ③은 Power Factor, ④는 전압의 p.u를 보여준다. 저압선로의 상전압 피크값은 311Vpeak$(\sqrt{2}\times 220V)$이지만 Case1에서 태양광 인버터가 정격으로 유효전력만을 출력할 때 계통전압은 L1의 경우 333Vpeak까지 상승하여 1.071[p.u]가 된다. L2의 경우 계통전압은 400Vpeak까지 상승하여 1.095[p.u]가 되어 모두 표준전압 유지범위를 초과하였다. PF=1로 동작하기 때문에 계통 상전압과 태양광 인버터의 출력전류는 동상을 이루고 있다.

Case 2의 시뮬레이션 결과를 그림 8에 나타내었다. 그림 8(a)는 L1(200m)의 경우, 그림 8(b)는 L2(270m)의 결과이다. ①은 계통 상전압의 피크 부분을 확대한 파형, ②는 상전압과 각 시스템의 상전류, ③은 Power Factor, ④는 전압의 p.u를 보여준다.

저압선로의 연계점 전압을 낮추고자 태양광 인버터의 역률을 90%로 동작시켜 무효전력을 흡수하였다. L1에서의 상전압 피크는 325Vpeak, 1.045[p.u]이며 Case 1의 전압값 1.071[p.u]보다는 낮아져 표준전압 유지범위를 만족하였다. L2의 경우 계통전압은 329Vpeak, 1.06[p.u]로서 Case 1의 경우보다는 낮아져 표준전압 유지범위의 임계값에 도달했다. 저압선로의 길이가 270m를 초과하면 표준전압 범위를 벗어나는 문제가 발생한다. 역률제어를 통해 무효전력을 흡수하는 상태이므로 전압과 전류는 ②와 같은 위상차가 발생한다.

Case 3의 시뮬레이션 결과를 그림 9에 나타내었다. 그림 9(a)는 L1(200m)의 경우, 그림 9(b)는 L2(270m)의 결과이다. ①은 계통 상전압의 피크 부분을 확대한 파형, ②는 상전압과 각 시스템의 상전류, ③은 Power Factor, ④는 전압의 p.u를 보여준다. 태양광 인버터의 유효출력을 70%로 제한하였을 때 저압선로의 전압관리에 미치는 영향을 검토하였다. 이때의 역률은 90%로 유지하였다. L1에서의 상전압은 322Vpeak, 1.035[p.u]로서 유효출력 제한을 통해 Case 2의 L1과 비교할 때 약 0.01[pu]가 감소하였다. L2에서의 상전압은 326Vpeak, 1.048[p.u]로서 표준전압 유지범위 임계값인 1.06[p.u] 이내를 유지하여 유효전력 Curtailment 제어의 유효성을 확인하였다.

Case 4의 시뮬레이션 결과를 그림 10에 나타내었다. 그림 10(a)는 L1(200m)의 경우, 그림 10(b)는 L2(270m)의 결과이다. ①은 계통 상전압의 피크 부분을 확대한 파형, ②는 상전압과 연계점에서의 상전류, ③은 상전압과 PV, ESS의 상전류, ④는 전압의 p.u를 보여준다. Case 4는 앞선 Case 1∼3과 다르게 ESS를 연계하여 태양광 인버터에 의한 전압 상승분을 저감하는 시뮬레이션 결과이다. 저압선로의 전압 조정능력 향상을 위해 ESS의 충전동작을 수행하였고 ESS 용량에 대한 최적설계는 고려하지 않았다. 시뮬레이션에 적용한 ESS의 충전용량은 태양광발전의 50%에 해당하는 용량을 선정하였다. L1에서의 상전압은 316Vpeak, 1.018[p.u]이고 L2에서의 상전압은 317Vpeak, 1.022[p.u]임을 확인하였다. 이 값은 배전계통 저압선로에서 전압관리 능력이 크게 개선되었음을 보여준다. 즉 저압계통에 ESS를 활용하면 특고압선로와 유사한 전압제어 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

Case 1∼4까지의 결과를 정리하면, 그림 11과 같다. 저압선로(200m) L1과 저압선로(270m) L2의 두 선로 모두 Case 1에서는 표준전압 유지범위를 만족하지 못하였다. 하지만 90% 역률 제어 시 L1은 규정전압 범위를 만족하였고 L2는 규정전압 범위의 상한 임계값에 도달하였다. 이후 Case 3 ∼ Case 4에서는 모든 경우에 안정적인 전압관리 제어가 가능함을 확인하였다.

기존의 DER-AVM에 의한 무효전력 제어방식으로는 표준전압 유지범위 임계값까지는 전압조정이 가능하나 L2의 270m를 초과하는 지역은 규정전압 유지범위를 벗어나므로 배전변압기를 신설하여 새롭게 계통에 연계해야 한다. 즉 설비보강 공사비가 추가로 필요하고 신재생 발전사업자는 공사기간 동안 접속대기를 해야 한다. 새로 제안한 유효전력 Curtailment 제어 또는 ESS의 충전기능을 활용하면 전력회사의 설비보강 공사비를 절감할 수 있고 사업자는 즉시 사업이 가능하다. 또한 ESS 적용과 관련된 보조금을 지급받을 수 있다면 배전 저압계통에 ESS의 적용이 더욱 활성화될 것이다.