3.2.1 수용성 향상을 위한 ESS의 도입용량 산정방안
ESS는 충전 및 방전을 제어하여 양방향으로 전력을 공급할 수 있는 분산자원으로, 태양광전원의 역조류에 의해 발생되는 전압변동성에 신속히 대응할 수
있다. 따라서, 본 논문에서는 태양광전원의 수용성 향상을 위한 ESS의 도입용량 산정방안을 제안한다. 먼저, 주상변압기 2차측의 직하 및 말단 수용가전압은
식(11)과 식(12)와 같이 산정된다. 여기서, 직하 및 말단 수용가전압은 주상변압기 1차측 전압을 탭 전압에 의해 저압측으로 환산한 값과 저압선로의 전압강하 및 수용가
부하율을 고려하여 산정할 수 있다.
여기서, $V 1(n,\: t)$ : n번째 구간에서의 직하 수용가전압[V], $V 2(n,\: t)$ : n번째 구간에서의 말단 수용가전압[V],
$V_{pri}(n,\: t)$ : n번째 구간에서의 주상변압기 1차측 전압[V]
상기에서 산정된 직하 및 말단 수용가전압 중에서 전압이 가장 높은 최대 직하 수용가전압 및 전압이 가장 낮은 최소 말단 수용가전압에 대하여, 허용전압(220±13V)
범위를 벗어나는지 판단한다. 여기서, 허용전압 범위를 벗어난 수용가전압에 대하여 저압선로의 전압강하 및 수용가 부하율을 고려하여 고압측으로 환산하면
식(13), 식(14)와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $V_{\max}(t)$ : 허용전압 범위를 벗어난 최대 직하 수용가전압을 고압측으로 환산한 값[V], $V_{\min}(t)$ : 허용전압
범위를 벗어난 최소 말단 수용가전압을 고압측으로 환산한 값[V], $V 1_{\max}(t)$ : 최대 직하 수용가전압[V], $V 2_{\min}(t)$
: 최소 말단 수용가전압[V]
한편, ESS의 충전 및 방전을 결정하는 충전 동작전압 및 방전 동작전압은 식(15)와 식(16)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 식(15)와 같이 ESS의 충전 동작전압은 허용전압의 상한치에 저압선로의 전압강하 및 수용가 부하율을 고려하여, 주상변압기 탭 전압에 의해 고압측으로 환산한
값이다. 또한, 식(16)과 같이 ESS의 방전 동작전압은 허용전압의 하한치를 고려하여 식(15)와 동일한 방식으로 산정된다.
여기서, $V_{ch}(t)$ : ESS의 충전 동작전압[V], $V_{dis}(t)$ : ESS의 방전 동작전압[V]
또한, ESS의 충전 및 방전 동작 모드는 식(17)의 조건에 따라 결정된다. 즉, 허용전압 범위를 벗어난 최대 직하 수용가전압을 고압측으로 환산한 값이 ESS의 충전 동작전압보다 크면 ESS는 충전
동작($\delta(t)=-1$)을 수행하고, 최소 말단 수용가전압을 고압측으로 환산한 값이 ESS의 방전 동작전압보다 작을 경우에는 방전 동작($\delta(t)=1$)을
수행한다.
여기서, $\delta(t)$ : ESS의 충전 및 방전 동작 모드
한편, ESS의 충전 및 방전 동작으로 보상할 수 있는 전압 제어값은 식(18)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 식(13), 식(14)의 허용전압 범위를 벗어난 최대 및 최소 수용가전압을 고압측으로 환산한 값과 식(15), 식(16)에서 계산된 ESS의 충전 및 방전 동작전압을 고려하여 산정할 수 있다.
여기서, $V_{con}(t)$ : ESS의 전압 제어값[V]
또한, 식(19)는 ESS의 충전 및 방전동작에 의하여 공급 또는 소비되는 전류값으로서, 식(18)의 전압 제어값을 송출단에서 ESS의 연계구간까지의 선로 저항으로 나눈 값이다.
여기서, $I_{ESS}(t)$ : ESS의 전류[A], $R(n)$ : n번째 구간의 선로 저항[Ω/km], $L(n)$ : n번째 구간의 선로
긍장[km], $n_{\alpha}$ : ESS의 연계구간
또한, ESS의 충전 및 방전동작에 의해 공급 또는 소비되는 유효전력은 허용전압 범위를 벗어난 최대 및 최소 수용가전압을 고압측으로 환산한 값과 ESS의
전류값을 곱하여, 식(20)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $P(t)$ : ESS의 유효전력[W]
따라서, ESS의 최소 kW 도입용량($P_{ESS}$)은 ESS의 시간대별 유효전력의 크기 중에서 가장 큰 값을 고려하여, 식(21)과 같이 산정할 수 있으며, ESS의 최소 kWh 도입용량($W_{ESS}$)은 전체 시간대에 대한 ESS의 유효전력을 적산하여, 식(22)와 같이 산정할 수 있다.
여기서, $P_{ESS}$ : ESS의 최소 kW 도입용량[W], $W_{ESS}$ : ESS의 최소 kWh 도입용량[Wh]
3.2.2 ESS의 도입용량 산정알고리즘
상기에서 제안한 ESS의 도입용량 산정방안에 대한 상세한 절차는 다음과 같다.
[Step 1] 선종 및 긍장, 부하량, 태양광전원의 연계용량 및 구간, SVR의 위치 및 운용방식, ESS의 설치 위치, 주상변압기 탭 전압 등의
배전계통 데이터를 입력한다.
[Step 2] 시뮬레이션 시간대(t)에 대하여 초기값을 설정한다.
[Step 3] 모든 수용가 구간(n)에 대하여, 식(11)과 식(12)에 의해 직하 수용가전압($V 1(n,\: t)$) 및 말단 수용가전압($V 2(n,\: t)$)을 계산하고, 최대 직하 수용가전압($V 1_{\max}(t)$)
및 최소 말단 수용가전압($V 2_{\min}(t)$)을 산정한다.
[Step 4] [Step 3]에서 산정한 최대 직하 수용가전압($V 1_{\max}(t)$)이 허용전압 범위의 상한치보다 크거나, 최소 말단 수용가전압($V
2_{\min}(t)$)이 허용전압 범위의 하한치보다 작으면, [Step 5]로 진행한다. 한편, 허용전압 범위를 벗어나지 않는 경우, [Step
2]로 돌아간다.
[Step 5] 식(15), 식(16)에 의해 ESS의 충전 동작전압($V_{ch}(t)$) 및 방전 동작전압($V_{dis}(t)$)을 산정한다.
[Step 6] [Step 5]에서 산정한 ESS의 충전 및 방전 동작전압($V_{ch}(t)$, $V_{dis}(t)$)을 고려하여, 식(17)과 같이 ESS의 충전 및 방전 모드($\delta(t)$)를 결정하고, 식(18)에 의해 ESS의 충전 및 방전 동작으로 보상할 수 있는 전압 제어값($V_{con}(t)$)을 산정한다.
그림. 6. ESS의 도입용량 산정알고리즘
Fig. 6. Calculation algorithm for introduction capacity of ESS
[Step 7] 식(19)에 의해 ESS의 충전 및 방전동작에 의하여 공급 또는 소비되는 전류값($I_{ESS}(t)$)을 계산하고, 이를 고려하여 식(20)과 같이 ESS의 유효전력($P(t)$)을 산정한다.
[Step 8] 전체 시간대($t_{\max}$)에 대한 ESS의 유효전력($P(t)$)을 계산하여, 식(21)와 같이 ESS의 최소 kW 도입용량을 산정하고, 식(22)에 의해 ESS의 최소 kwh 도입용량을 산정한다.
따라서, 상기의 절차를 플로우차트로 나타내면 그림 6과 같다.