2.1 배전계통 전압유지범위

특고압 배전선로는 한국전력공사에서 규정한 표 1의 전압유지범위를 만족해야 한다. 전압유지범위의 상한치는 공칭전압의 +3.9[%]로 설정되어 있고, 하한치는 -9.1[%]로 설정되어 있다^[9]. 그러나 태양광발전 연계 증가로 역조류가 발생함에 따라 배전선로의 전압변동이 전압유지범위를 초과할 가능성이 있다. 전압유지범위를 초과하는 전압변동은 태양광발전의 배전계통 연계를 제한하는 주요한 요인이며, 이러한 전압유지범위를 초과하는 과전압 현상은 주로 배전선로의 말단에서 나타난다^[10].

2.2 기존 태양광발전 수용 용량 산정 방식

한국의 배전계통은 열적용량을 고려하여 선로의 운전용량을 정의하고 있으며 이를 통해 선로의 분산형전원 수용 용량을 산정하고 있다. 이때 고려한 선종은 ACSR-160[mm2]이며, 기상 조건을 고려하여 연속 허용용량을 15.7[MVA]로 산정하고 있다. 배전계통 운영자는 태양광발전 수용 용량을 실제 운영 과정에서 발생할 수 있는 경년 열화와 불평형 전류의 영향 등을 고려한 최대 상시운전용량인 10[MVA]를 고려하여 산정하였으며, 이는 표 2와 같다^[11].

현재 태양광발전 수용 용량 기준은 12[MW]이며 이는 최소부하 1[MW], 태양광발전의 최대 출력이 정격용량 대비 90[%]인 점을 고려하여 산정하였다^[11]. 그러나 수용 용량을 산정할 때 배전계통에서의 전압을 고려하지 않았다. 또한, 태양광발전의 효율 향상으로 계통에서의 태양광발전 최대 출력이 정격용량 대비 90[%]를 초과할 수 있으며 이로 인해 선로의 최대 상시운전용량을 초과할 수 있다. 따라서 태양광발전 수용 용량을 산정 방식을 재확립할 필요가 있다.

2.3 태양광발전 수용 용량 산정 알고리즘

배전계통에 연계된 태양광발전은 연계위치와 용량에 따라 전압유지범위를 벗어날 가능성이 있으며, 이로 인해 수용 용량이 감소할 수 있다. 따라서 본 논문은 전압유지범위 및 최대 상시운전용량을 고려한 배전계통 태양광발전 수용 용량 산정 알고리즘을 그림 1과 같이 제안한다. 알고리즘의 절차는 다음과 같다.

그림 1. 태양광발전 수용 용량 산정 알고리즘

Fig. 1. Photovoltaic Hosting Capacity Estimation Algorithm

[Step 1] 변압기의 용량, 선로 긍장, 부하 위치 등의 데이터를 수집하여 배전계통을 모델링한다.

[Step 2] 선종은 구간 별로 상이하며 부하는 주거용, 산업용, 그리고 상업용등 서로 상이한 부하 특성을 가짐으로 부하 특징을 분석 후 선종 및 부하 패턴을 설정한다^[12].

[Step 3] 태양광발전의 연계 위치 및 용량 비율을 적용하여 태양광발전 혼합 비율에 따라 n×100[kW]를 연계한다.

[Step 4] 조류 계산을 통해 전압 및 운전용량을 계산한다.

[Step 5] 계산된 전압 및 운전용량이 전압유지범위 및 최대 상시운전용량을 초과하는지 확인한다. 초과하지 않는다면 [Step 3]으로 돌아가 태양광발전 연계 용량을 증가시킨다. 초과한다면 [Step 6]으로 넘어간다.

[Step 6] 전압유지범위 및 최대 상시운전용량을 초과하지 않는 최대 연계 용량을 배전계통 태양광발전 수용 용량으로 산정한다.

3.1 양면 모듈 적용에 따른 태양광발전 출력 특성

그림 3. 남향 단면 및 양면 모듈 태양광발전 출력 특성

Fig. 3. Output Characteristics of SMPV and SBPV

해당 출력 특성 곡선은 그림 3과 같다. SMPV의 최대 출력은 정격용량 대비 90.0[%]로 12시에 발생하였다. SBPV의 최대 출력은 정격용량 대비 95.8[%]이고, 마찬가지로 12시에 발생하였다^[13]. 해당 결과로 SBPV의 최대 출력이 SMPV의 최대 출력에 비해 6.42[%] 향상되었음을 확인하였다. 이와 같이 향상된 출력으로 인해 배전계통에서 전압유지범위 및 최대 상시운전용량이 초과될 가능성이 있다.

3.2 VBPV(Vertical Bifacial Photovoltaic) 출력 특성

본 논문에서는 태양광발전 수용성 향상 연구를 진행하기 위해 수직형 양면 모듈 태양광발전(Vertical Bifacial Photovoltaic, VBPV)의 출력 특성을 분석하였다. VBPV의 주향은 각각 동쪽과 서쪽이므로 기존 남향 태양광발전과 달리 정오에 최대 출력이 발생하지 않으며 오전 및 오후에 최대 출력이 발생한다는 특징이 있다. 오전과 오후로 분산된 피크는 정오에 출력 집중됨에 따라 발생하는 전압 및 최대 상시운전용량 문제를 완화시킬 수 있다.

태양광발전 수용 용량 분석을 위해 VBPV가 최대 출력이 발생한 23년 1월 25일 데이터를 활용하였다. 그림 4는 이에 따른 VBPV의 출력 특성 곡선이다. 최대 출력은 오전 10시에 정격용량 대비 68.2[%], 오후 15시에 정격용량 대비 69.2[%]로 각각 발생하였다. 그리고 12시 출력은 정격용량 대비 45.5[%] 발생하였다. 이는 12시 출력이 52.5[%] 감소한 것으로, 기존 SBPV에 비해 12시의 출력이 현저하게 감소하였다. 이를 통해 SBPV와 VBPV를 혼합하여 배전계통에 도입하면 12시 피크를 감소시키고 발전량을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

그림 4. 수직형 양면 모듈 태양광발전(VBPV) 출력 특성

Fig. 4. Output Characteristics of VBPV

3.3 SBPV 및 VBPV 비율에 따른 출력 특성

VBPV 도입에 따른 피크 출력 특성을 분석하기 위해 남향 양면 모듈과 수직형 양면 모듈의 비율에 따른 태양광발전 출력 특성을 분석하였다. 비율별 태양광발전 출력 특성은 그림 5와 같다.

그림 5. 남향 양면 모듈 및 수직형 양면 모듈 비율에 따른 태양광발전 출력 특성

Fig. 5. Output Characteristics Based on the Ratio of SBPV and VBPV

이에 따른 비율별 최대 출력, 피크 감소율 및 12시 출력 감소율을 표 3에 나타냈다. 피크 감소율이란 가장 출력이 높은 비율인 SBPV 1.0 VBPV 0.0 기준에서 각 비율의 최대 출력의 출력 감소율이다. 피크 감소율은 식 (1)과 같다.

$\triangle P_{r}$는 태양광발전 혼합 비율 $r$의 피크 감소율이며, $P_{peak}$는 SBPV 1.0 VBPV 0.0의 최대 출력인 0.958[p.u.]를 적용한다. $P_{peak,\: r}$은 태양광발전 혼합 비율 $r$에서의 최대 출력이다. 12시 출력 감소율은 태양광발전 출력이 가장 높은 SBPV 1.0 VBPV 0.0을 기준으로 각 비율별 12시에서의 출력 감소율을 의미한다. 12시 출력 감소율은 식 (2)와 같다.

표 3의 결과를 통해 수직형 태양광발전의 비율이 증가할수록 피크 감소율과 12시 출력 감소율도 증가하는 경향이 나타난다는 것을 확인하였다. 또한, 피크 감소율이 가장 높은 비율은 SBPV 0.0, VBPV 1.0일 때 27.7[%]로 나타났으며, 12시 피크 감소율은 SBPV 0.0 VBPV 1.0일 때 52.5[%]로 나타난다는 것을 확인하였다.

4.1 배전계통 모델링

양면 모듈 태양광발전 도입 시 전압 및 운전용량을 분석하기 위해 배전계통 모델링을 진행하였다. 그림 6은 본 연구에 활용한 전남 지역 실제 배전선로이며, 연계된 태양광발전의 용량은 11.3[MW]로서 한계 수용용량에 도달한 배전선로를 대표한다고 볼 수 있다^[14]. 조류 계산 시 전압 및 운전용량 분석을 간소화하기 위해 그림 6의 실 배전계통을 그림 7과 같이 10개 노드로 구성된 배전선로로 축약하였다. 축약된 배전선로의 노드 설정 기준은 배전간선(feeder)으로부터 분기한 분기선(lateral)에 연계된 모든 태양광발전을 하나의 노드로 축약하였다. 또한 노드별 태양광발전의 연계 비율을 그림 7에서 붉은 색 [%]로 표기하였는데, 이는 배전선로에 연계되는 태양광발전 용량이 다르더라도 분포 위치 및 용량 비율을 실제 배전계통와 유사한 경향을 보일 것이라 가정하였다. 본 연구에서 태양광발전 수용 용량을 산정할 때, 태양광발전 연계 용량에 대한 비율은 그림 7의 비율과 동일하게 유지하였다. 또한, 각 노드의 태양광발전 연계 위치 및 용량 비율은 표 4에 명시하였다.

그림 6. 전남 지역 실제 배전선로

Fig. 6. Jeon-Nam Region Distribution System

그림 7. 축약된 배전계통 단선도

Fig. 7. Abbreviated Distribution System Diagram

표 5는 그림 7에서 제시된 배전계통 구성 설비에 대한 파라미터이다. 구성 설비는 주변압기, 부하 그리고 선로로 구성되어 있다. 배전계통에서 주변압기의 정격전압은 154/22.9[kV], 정격용량은 45/60[MVA], 부하의 역률은 0.95로 적용하였다. 배전선로의 긍장은 총 24.1[km]이다. 태양광발전 수용 용량 산정을 위해 부하는 최소 부하 1[MW]로 설정하였으며 선종은 ACSR-160[mm2]로 단일화하였다. 전압 및 운전용량 분석과 그에 따른 비율별 태양광발전 수용 용량을 분석하기 위해 OpenDSS를 활용하여 연구를 진행하였다^[15].

4.2 SMPV 및 SBPV 도입에 따른 전압 및 운전용량 분석

단면 및 양면 모듈 적용에 따른 남향 태양광발전 12[MW] 연계 시 배전선로에 있어서 적정 전압유지범위 및 최대 상시운전용량 초과 여부를 분석하였다.

선로 전압유지 여부는 태양광발전 연계로 인해 발생하는 최대 전압상승률을 기준으로 판단하였다. 최대 전압상승률은 태양광발전으로 인해 계통 전압이 얼마나 상승하는지를 나타내는 지표로 활용하였으며, 최대 전압상승률의 전압유지범위 초과 여부는 태양광발전의 배전계통 연계를 제한하는 주요한 요인이 된다. 최대 전압상승률은 식 (3)과 같다.

여기서 $V_{Rise Rate}$은 최대 전압상승률이며, $V_{peak}$는 조류 계산 시 발생한 최대 전압이고, $V_{ref}$는 배전선로 공칭전압이다.

배전선로의 최대 상시운전용량 초과 여부는 2.3 태양광발전 수용 용량 산정 알고리즘에서 제시한 최대 운전용량을 기준으로 판단하였다.

SMPV 12[MW] 연계에 따른 조류계산 진행 시 배전선로에서 최대 전압상승률이 1.51[%] 발생하였으며 최대 운전용량은 9.97[MVA]로 나타났다. 그 결과 전압유지범위 및 배전선로 최대 상시운전용량 기준인 10[MVA]를 초과하지 않았다. 그러나 SBPV의 경우 12[MW] 연계 시 최대 전압상승률이 1.81[%] 발생하였으며 최대 운전용량은 10.6[MVA]로 나타났다. 이는 배전선로의 최대 상시운전용량을 초과한 것으로, 계통의 안전성과 신뢰성을 저해할 수 있다.

태양광발전 수용 용량 산정 알고리즘 Step 6에서 언급한 바와 같이, 전압유지범위와 함께 배전선로의 최대 상시운전용량을 초과하지 않는 최대 연계 용량을 배전계통의 태양광발전 수용 용량으로 산정해야 함을 의미한다. 따라서 SBPV 도입 시 수용 용량을 재산정하여야 한다.

4.3 SBPV 및 VBPV 비율에 따른 수용 용량 산정

SBPV 도입 시 감소되는 수용 용량을 보완하기 위해 VBPV 도입에 따른 비율별 수용 용량을 분석하였다. 이를 위해 전압유지범위와 배전선로 최대 상시운전용량을 초과하지 않는 범위에서 태양광발전의 수용 용량 산정하였으며, 배전계통의 최대 전압상승률 및 운전용량을 표 7에 나타냈다. 최대 전압상승률에 대한 계산은 식 (3)과 같다. 분석 결과, SBPV만을 연계했을 경우 수용 용량은 11.3[MW]이었으나 VBPV의 연계 비율을 증가시킬수록 수용 용량이 증가하였다.

4.4 발전량 비교를 통한 적정 비율 제시

SBPV 및 VBPV의 비율에 따른 6개월 간의 평균 발전 시간을 도출한 후 평균 발전량을 산출하여 전력 생산성을 비교 분석하였다. 최소 발전량이 발생한 비율은 SBPV 0.0 VBPV 1.0으로, 평균 발전량은 42.5[MWh]이었다. 반면에 최대 발전량이 발생한 혼합 비율은 SBPV 0.6 VBPV 0.4로, 발전량은 50.5[MWh]이었다. 비율에 따른 평균 발전량 및 평균 발전 시간은 표 8에 제시하였다.