1. 서 론

최근 화석연료의 무분별한 사용으로 인해 이산화탄소 배출량이 증가하여 지구 온난화 문제가 심각해져, 이를 해결하기 위해 신재생 에너지를 중심으로 한 에너지 공급 체계를 구축하고 있다^(1,2). 태양광, 풍력과 같은 에너지원을 이용하여 분산형전원을 중심으로 전력을 공급하는 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양광 발전 시스템은 다른 시스템에 비해 건설 비용이 적다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 배전계통에 태양광 발전을 이용한 분산형전원이 급증하고 있다. 태양광 발전은 일사량의 영향을 많이 받아 전력 공급이 일정하지 않고 전력량을 인위적으로 조절할 수 없다는 단점이 있다⁽²⁾. 배전계통에 분산형전원의 연결이 급증하여 분산형전원의 출력이 부하의 소비전력보다 커지는 경우 역조류 현상이 발생한다. 이는 배전계통과 분산형전원이 연결되는 지점인 연계점(Point of Common Coupling, PCC) 전압을 상승시켜 계통 조류에 영향을 미치게 된다⁽³⁾.

연계점 전압을 안정시키기 위해 선로전압 조정장치(Step Voltage Regulator, SVR), 탭 변환장치(On-load Tap Change, OLTC), 인버터를 이용한 무효전력 제어 방법 등이 사용된다^(4-6). 선로전압 조정장치, 탭 변환장치와 같은 전압 조정장치들은 추가적인 설치가 필요하여 경제성 측면에서 단점을 가지고 있다. 대부분의 분산형전원은 배전계통에 연계될 때 인버터를 기반으로 구성되어, 인버터를 이용해 무효전력을 제어하는 방법은 추가 설치 비용이 없고 시스템의 구성이 복잡해지지 않는다는 장점이 있다. 따라서, 분산형전원용 인버터를 이용한 무효전력 제어를 통하여 연계점 전압을 안정시키는 방법에 관한 관심이 증가하고 있다^(6,7).

스마트 인버터란 배전계통에 분산형전원이 급증하면서 발생할 수 있는 연계점 전압의 변동, 전력 품질의 저하와 같은 문제들을 방지하기 위한 전력변환장치이다. 스마트 인버터는 배전계통에 연계되는 분산형전원의 수용력을 증가시키기 위해 여러 가지 계통 지원 기능을 탑재하고 있다^(8,9). 한국전력공사 전력연구원에서 선정한 배전계통 연계기준의 계통 지원 기능으로는 전압-무효전력 제어, 고정 역률 제어, 전압-유효전력 제어, 유효 및 무효전력량 지령치 제어, 주파수-유효전력

그림. 1. 스마트 인버터와 분산형 에너지 관리 시스템을 포함한 계통연계형 시스템

Fig. 1. Grid-connected System using smart inverter and DERMS

제어, 전압 Ride-Through, 주파수 Ride-Through 기능이 있다. 스마트 인버터는 배전계통에 연계되기 위해 총 7 가지 제어 기능을 탑재해야 한다^(10,11).

스마트 인버터와 분산형 에너지 관리 시스템을 포함한 계통 구성도는 그림 1과 같다. 이는 계통(Grid), 변압기(Transformer), 스마트 인버터(Smart Inverter), 다수의 분산형전원(Distributed Energy Resources, DER), 통신 장치(Utility Gateway), 분산형 에너지 관리 시스템(Distributed Energy Resource Management System, DERMS)으로 구성된다. 분산형전원과 연결된 스마트 인버터는 연계점 전압, 계통 주파수 등의 정보를 Utility Gateway로 전달하고 Utility Gateway는 정보를 DERMS로 전달한다⁽¹²⁾. 이러한 통신 과정을 통하여 정보들을 모니터링하고 연계점 전압 및 주파수를 제어한다. 계통이 안정되지 않아 스마트 인버터의 계통 지원 기능을 변경하거나 제어와 관련된 설정값들의 변경이 필요한 경우, 다양한 정보들을 전달하고 전달받는 과정에서 통신에 의한 지연이 발생한다. 또한 계절에 따라 발전전력 및 소비전력이 급변하여 연계점 전압의 변동이 급격해지는 경우, 계통 운영자가 수시로 스마트 인버터의 제어 곡선 파라미터를 변경해야 하는 상황이 발생할 수 있다⁽¹³⁾. 스마트 인버터가 자율적으로 제어 곡선 파라미터를 변경하면 이러한 문제점들을 개선할 수 있다.

본 논문에서는 연계점 전압에 따라 무효전력을 제어하는 Volt-VAR 제어에 대하여 설명하고, 자율적으로 Volt-VAR 곡선을 변경하여 연계점 전압을 안정시키는 방법을 제안한다. 기울기가 작은 Volt-VAR 곡선을 사용하였을 때 연계점 전압이 안정되지 않으면 기울기가 더 큰 Volt-VAR 곡선을 사용한다. Volt-VAR 곡선을 사용하여 연계점 전압이 안정되면 해당 곡선을 유지한다. 제안하는 방법의 성능 및 유효성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증한다.

2. Volt-VAR 제어

Volt-VAR 제어란 연계점 전압에 따라 스마트 인버터가 능동적으로 무효전력을 출력하여 연계점 전압을 조절하는 제어이다. 스마트 인버터는 Volt-VAR 곡선에 따라 무효전력을 출력하여 연계점 전압의 안정성을 향상시킨다.

2.1 Volt-VAR 제어의 원리

계통과 연계된 부하는 선로 임피던스를 통해 구성되어 있으며 계통 전류(IG)와 부하 전류(IL)를 고려한 계통 모델은 그림 2와 같다. 계통에서 부하로 전력이 공급되므로 수전단 전압(Vr)은 송전단 전압(Vs)보다 작다. 계통 전류는 부하 전류와 같으며 계통 전류를 유효전류(Icosθ)와 무효전류(Isinθ)로 구분하여 벡터도로 나타내면 그림 3과 같다.

그림. 2. 계통 전류와 부하 전류를 고려한 계통 모델

Fig. 2. Grid modeling considering grid current and load current

그림. 3. 계통 전류와 부하 전류의 벡터도

Fig. 3. Vector diagram of grid current and load current

스마트 인버터를 설치한 계통 모델은 그림 4와 같다. 수전단 전압이 감소한 경우 스마트 인버터는 용량성 무효전력을 출력하여 부하로 진상 무효전류를 출력한다. 그림 5는 스마트 인버터가 진상 무효전류를 부하로 출력할 때의 계통 전류 벡터도를 나타낸다. 계통 전류는 스마트 인버터로 흐르는 전류(IS)와 부하 전류의 합으로 표현된다. 스마트 인버터가 진상 무효전류를 출력하면 계통 전류(I’G)는 감소한다. 이에 따라 선로 임피던스에서의 전압 강하 성분도 감소하여 수전단 전압이 상승한다.

그림. 4. 스마트 인버터를 설치한 계통 모델

Fig. 4. Grid modeling considering Smart Inverter

그림. 5. 스마트 인버터가 진상 무효전류를 출력할 때의 계통 전류 벡터도

Fig. 5. Grid current vector diagram when Smart Inverter outputs leading reactive current

스마트 인버터가 용량성 무효전력을 출력하여 부하로 진상 무효전류를 출력하면 수전단 전압은 증가한다. 반대로 스마트 인버터가 유도성 무효전력을 출력하여 부하로 지상 무효전류를 출력하면 수전단 전압은 감소한다. 이와 같은 원리로 연계점 전압이 감소한 경우 스마트 인버터는 용량성 무효전력을 출력하여 연계점 전압을 상승시킨다. 연계점 전압이 증가한 경우에는 유도성 무효전력을 출력하여 연계점 전압을 감소시킨다.

2.2 Volt-VAR 곡선

Volt-VAR 곡선은 그림 6과 같고 지령 무효전력(Qref)은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다. 그림 6과 식 (1)에서의 지령 무효전력(%)은 스마트 인버터가 활용할 수 있는 무효전력의 비율(%)이다. 연계점 전압이 V1보다 낮은 경우에는 스마트 인버터가 Q1만큼의 용량성 무효전력을 출력한다. 연계점 전압이 V1 과 V2 사이에 위치하는 경우에는 선형적으로 용량성 무효전력을 제어한다. 용량성 무효전력을 출력하여 감소한 연계점 전압을 상승시킨다. 연계점 전압이 V2와 V3 사이에 위치하는 경우에는 무효전력을 출력하지 않으며, 무효전력을 출력하지 않는 구간을 Dead-band라 부른다. 연계점 전압이 V3와 V4 사이의 값일 경우에는 선형적으로 유도성 무효전력을 출력한다. 연계점 전압이 V4 이상일 경우에는 -Q4에 해당하는 무효전력을 출력하여 상승한 연계점 전압을 하강시킨다. Volt-VAR 곡선의 구간 및 구간별 무효전력 출력량은 인버터 제작사 및 표준에 따라 변경될 수 있다.

그림. 6. Volt-VAR 곡선

Fig. 6. Volt-VAR curve

(1)

$Q_{ref}=\begin{cases} \begin{aligned}Q_{1},\:(V<V_{1})\\\dfrac{Q_{2}-Q_{1}}{V_{2}-V_{1}}(V-V_{2}),\:(V_{1}\le V<V_{2})\end{aligned}&\\ 0,\:(V_{2}\le V<V_{3})&\\ \dfrac{Q_{4}-Q_{3}}{V_{4}-V_{3}}(V-V_{3}),\:(V_{3}\le V<V_{4})&\\ -Q_{4},\:(V_{4}\le V)& \end{cases}$

3. 제안하는 Volt-VAR 제어

제안하는 세 가지 Volt-VAR 곡선은 그림 7과 같으며 곡선의 파라미터는 표 1과 같다. Case 1, Case 2, Case 3는 세 가지 Volt-VAR 곡선을 나타낸다. Case 별로 Dead-band와 출력 가능한 최대 무효전력량인 Q1과 Q4는 동일하며 무효전력을 선형적으로 제어하는 구간에서의 Volt-VAR 곡선의 기울기는 상이하다⁽¹⁴⁾. Case 1 곡선의 기울기가 가장 작으며 Case 3 곡선의 기울기가 가장 크다.

본 논문에서 제안하는 Volt-VAR 제어의 제어 블록도는 그림 8과 같다. Volt-VAR 곡선의 기울기가 클수록 무효전력 출력량이 증가하여 연계점 전압의 안정성이 향상된다. 그러나 무효전력 출력량이 증가하면 계통에 흐르는 무효전류량도 증가하여 계통 손실도 증가한다. 따라서 기울기가 큰 Volt-VAR 곡선을 우선으로 사용하는 것이 아니라 먼저 기울기가 낮은 Volt-VAR 곡선(Case 1)을 사용하여 연계점 전압을 제어한다.

그림. 7. 제안하는 Volt-VAR 곡선

Fig. 7. Proposed Volt-VAR curve

그림. 8. 제안하는 Volt-VAR 제어 순서도

Fig. 8. Flowchart of the proposed Volt-VAR control

Case 1 곡선을 사용하여 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되지 않으면 기울기가 더 큰 Volt-VAR 곡선(Case 2)을 사용한다. 이 경우에도 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되지 않으면 기울기가 더 큰 Volt-VAR 곡선(Case 3)을 사용한다. Volt-VAR 곡선을 사용하여 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되면 해당 곡선을 유지하여 해당 곡선보다 큰 기울기를 가지는 Volt-VAR 곡선을 사용하지 않는다.

Volt-VAR 곡선을 통해 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되는지를 판단하는 시간은 5 초이다. 해당 시간은 한국 스마트 그리드 협회의 태양광발전용 스마트 인버터의 계통 지원 기능을 기반으로 설정하였다⁽¹⁴⁾. 배전용 전기설비 성능 기준에서 정리된 특고압 전압 유지범위 기준에 따라 연계점 전압의 적정 범위는 0.908 p.u. ~ 1.039 p.u.이다⁽¹⁵⁾.

4. 시뮬레이션

제안하는 Volt-VAR 제어 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용한 회로도는 그림 9와 같다. 15 kW의 분산발전 시스템에서 50 %가 발전되는 상황을 모의하였으며, 스마트 인버터의 직류단 전압(Vdc)은 600 V, 필터 인덕턴스(Lf)는 2.5 mH, 계통 선간전압은 380 Vrms, 계통 주파수는 60 Hz이다. 선로 임피던스(ZL)를 조절하여 연계점 전압의 변동을 모의하였으며 연계점 전압은 0.908 p.u.부터 1.039 p.u. 사이의 값일 때 안정하다고 판단하였다. PSIM의 한계로 인해 5 초의 10 분의 1인 0.5 초 동안 연계점 전압이 안정되지 않는 경우 기울기가 더 큰 Volt-VAR 곡선을 사용하였다. 스마트 인버터는 1 초 이후부터 Volt-VAR 제어를 수행하였으며 Volt- VAR 제어를 수행하지 않는 경우 Volt-VAR 곡선(Volt_VAR_ Curve)은 0을 나타낸다. Case 1 곡선을 사용할 경우 Volt_ VAR_Curve는 1, Case 2 곡선을 사용할 경우 2, Case 3 곡선을 사용할 경우 3을 출력한다.

그림. 9. 제안하는 Volt-VAR 제어 방법 검증을 위한 시뮬레이션 회로도

Fig. 9. Simulation circuit to verify the proposed Volt-VAR control method

그림 10은 제안하는 Volt-VAR 제어의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Case 1, Case 2, Case 3의 세 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우의 시뮬레이션 결과는 그림 10(a)와 같다. 그림 10(a)에서 1 초 이전의 연계점 전압은 1.04 p.u.이다. 1 초 이전에는 Volt-VAR 제어를 수행하지 않으므로 Volt_VAR_Curve는 0이고 지령 무효전력은 0 %이다. 1 초에 Case 1 곡선을 사용하여 연계점 전압에 따른 무효전력 제어를 수행한다. 따라서 Volt_VAR_Curve는 1이 되고 스마트 인버터는 유도성 무효전력을 출력하여 3상 전류는 증가한다. 0.5 초 동안 연계점 전압은 감소하지만, 적정 범위 내로 안정되지 않아 1.5 초에 스마트 인버터는 기울기가 더 큰 Case 2 곡선을 사용한다. Case 2 곡선을 사용하여 연계점 전압은 더 감소하지만, 적정 범위 내로 안정되지 않는다. 따라서 2 초에 기울기가 가장 큰 Case 3 곡선을 사용한다. Volt_VAR_Curve는 3이 되며 지령 무효전력은 –44 %가 된다. 지령 무효전력은 Volt-VAR 곡선에서 설정한 최댓값을 출력하여 3상 출력전류도 증가한다.

그림 10(b)는 Case 1의 한 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우의 시뮬레이션 결과이다. Volt-VAR 제어를 수행하기 전의 연계점 전압은 1.0395 p.u.이다. 1 초부터 스마트 인버터는 Volt-VAR 제어를 수행하여 Case 1의 Volt-VAR 곡선을 사용한다. Volt_VAR_Curve는 1이 되며 지령 무효전력이 출력되어 3상 전류는 증가하며 연계점 전압은 감소한다. 0.5 초 동안 연계점 전압이 1.039 p.u. 이하로 감소하여 적정 범위 내로 안정된다. 따라서 스마트 인버터는 기울기가 더 큰 Volt-VAR 곡선을 사용하지 않고 Case 1 곡선을 유지한다.

그림. 10. 제안하는 Volt-VAR 제어 시뮬레이션 결과 (a) 세 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우 (b) 한 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우

Fig. 10. Simulation results of the proposed Volt-VAR control method (a) According to three Volt-VAR curves (b) According to one Volt-VAR curve

시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 Volt-VAR 제어의 효과를 확인하였다. 연계점 전압이 안정되지 않으면 스마트 인버터가 Volt-VAR 곡선의 기울기를 변경하여 무효전력 출력량을 증가시켰다. 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되면 스마트 인버터가 Volt-VAR 곡선을 유지하여 무효전력 출력량을 유지시켰다. 이를 통해 스마트 인버터가 자율적으로 Volt-VAR 곡선을 변경하여 연계점 전압이 효과적으로 안정되는 것을 확인하였다.

5. 실험 결과

제안하는 Volt-VAR 제어 방법의 검증을 위해 그림 11과 같은 실험 환경을 구성하였다. 15 kW의 분산발전 시스템에서 50 %가 발전되는 상황을 모의하였으며, 시뮬레이션 환경과 동일하다. 실험실에서 연계점 전압의 변동을 모의하기 위해 계통 시뮬레이터의 제어 판넬을 조절하였다. 계통 시뮬레이터의 계통 전압을 변동시켜 연계점 전압을 변동시켰다.

그림. 11. 제안하는 Volt-VAR 제어 방법 검증을 위한 실험 환경

Fig. 11. Experimental set-up to verify the proposed Volt-VAR control method

실험 결과는 그림 12와 같으며 그림 12(a)는 세 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우를 나타낸다. 연계점 전압이 1 p.u.에서 1.04 p.u.로 증가함에 따라 Volt-VAR 제어가 수행된다. Case 1 곡선을 사용하여 Volt_VAR_Curve는 0에서 1로 변경된다. 1.04 p.u.의 연계점 전압에 맞는 지령 무효전력이 출력되어 a상 전류(Ia)는 증가한다. 5 초 동안 연계점 전압은 적정 범위 내로 안정되지 않아 스마트 인버터는 Case 2 곡선을 사용하여 Volt_VAR_Curve은 2가 된다. 유도성 무효전력이 증가하여 Ia는 증가한다. 5 초 동안 Case 2 곡선을 사용하여도 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되지 않아 Case 3 곡선을 사용한다. 지령 무효전력은 Volt-VAR 곡선에서 설정한 최댓값을 출력하고 유도성 무효전력이 증가하여 Ia는 증가한다.

그림 12(b)는 두 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우의 실험 결과를 나타내며 그림 12(a)와 마찬가지로 연계점 전압이 1 p.u.에서 1.04 p.u.로 증가한다. 연계점 전압이 증가하여 Volt-VAR 제어가 수행되어 Volt_VAR_Curve는 1이 된다. Case 1 곡선을 따라 지령 무효전력이 출력되며 Ia는 증가한다. 5 초 동안 연계점 전압은 적정 범위 내로 안정되지 않아 Case 2 곡선을 사용한다. Volt_VAR_Curve는 2가 되며 Case 2 곡선을 사용하는 동안 연계점 전압은 적정 범위 내로 안정되어 스마트 인버터는 Case 2 곡선을 유지한다. 연계점 전압이 감소함에 따라 지령 무효전력의 크기가 감소하여 Ia도 감소한다.

한 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우의 실험 결과는 그림 12(c)에 나타난다. 그림 12(a), 그림 12(b)의 경우와 같이 연계점 전압은 1.04 p.u.로 증가한다. Case 1의 Volt-VAR 곡선을 사용하여 유도성 무효전력이 출력되고 Ia가 증가한다. 5 초 이내에 연계점 전압은 적정 범위 내로 안정되어 더 큰 기울기를 갖는 Volt-VAR 곡선을 사용하지 않고 Case 1 곡선을 유지한다. 연계점 전압이 안정되어 유도성 무효전력이 감소하고 이에 따라 Ia도 감소한다.

그림. 12. 제안하는 Volt-VAR 제어 실험 결과 (a) 세 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우 (b) 두 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우 (c) 한 가지 Volt-VAR 곡선을 사용하는 경우

Fig. 12. Experimental results of the proposed Volt-VAR control method (a) According to three Volt-VAR curves (b) According to two Volt-VAR curves (c) According to one Volt-VAR curve

그림 12를 통해 스마트 인버터의 자율적인 Volt-VAR 곡선 변경 알고리즘의 동작을 확인하였다. 계통 시뮬레이터를 이용하여 연계점 전압을 조절하였으므로 제안하는 알고리즘에 따라 연계점 전압이 안정되는 것을 확인할 수는 없었다. 하지만 연계점 전압에 따라 스마트 인버터가 자율적으로 제어 곡선을 변경하여 무효전력 출력량을 증가시키는 것을 확인하였다. 이를 통해 제안하는 Volt-VAR 제어 알고리즘의 타당성을 검증하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 스마트 인버터의 자율적인 Volt-VAR 곡선 변경을 통한 연계점 전압의 안정화 방법을 제안하였다. 스마트 인버터가 연계점 전압에 따라 자율적으로 Volt-VAR 곡선을 변경하여 연계점 전압의 안정성을 향상하였다. 상승한 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정될 때까지 더 큰 기울기를 갖는 Volt-VAR 곡선을 사용하였다. 연계점 전압이 적정 범위 내로 안정되면 해당 Volt-VAR 곡선을 유지하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안하는 방법의 유효성을 검증하였다.