2.1 스마트 인버터 개요

IEEE Standard 1547.2-2008에 따르면 배전계통 운영자가 전압 조정을 위해 분산전원의 출력 조정을 요구하지 않는 한 분산전원은 능동적으로 전압 조정을 담당하지 않는다. 하지만 대용량의 분산전원 연계가 예상됨에 따라 일본의 JEAC9701 및 독일의 VDE-AR-N4105 표준 등과 같이 규정전압 이탈 현상 시 분산전원이 무효전력을 제어하도록 허가하고 있으며, 무효전력이 더 이상 제어 불가능할 경우 유효전력까지 감축될 수 있다고 언급하고 있다⁽⁶⁾. 이러한 흐름에 따라 분산전원으로 인한 영향을 국부적으로 감소시키고 이를 통해 전력계통의 수용능력을 향상시키기 위해 다양한 계통 보조 기능을 갖는 스마트 인버터가 개발되고 있다. 스마트 인버터의 기능은 목적에 따라 감시 및 스케줄링, 주파수 보조, 유효전력 보조, 역률 보조, 전압 보조로 구분되며, 이 중 정상상태 배전선로의 과전압 해소를 위해 역률 및 전압 보조 기능이 주로 이용된다^(7-8). 스마트 인버터는 그림 1과 같이 인버터의 운전 역률 또는 직접적인 무효전력 및 유효전력 제어를 통해 국부적인 전압조정 역할을 수행하며, 표 1은 본 논문에서 고려된 정상상태 배전선로 과전압 해소를 위한 일반적인 기능들에 대한 세부사항을 나타낸다.

Fig. 1. Principle of the controls of smart inverter

그림 1에서 인버터의 정격 용량은 반원으로 표현되며, 분산전원의 연계점(PCC) 전압이 규정범위를 이탈할 경우, 인버터는 역률 또는 무효전력 및 유효전력 등을 제어하여 능동적으로 연계점 전압을 제어할 수 있다. 그림 1의 좌측은 고정 역률(unity, 1) 운전을 나타내며, 우측은 역률(혹은 전력) 제어를 통한 전압 조정 수행을 나타낸다.

2.2 전압조정용 스마트 인버터 기능

배전선로의 전압을 조정하기 위한 스마트 인버터의 대표적인 기능은 고정 역률 제어, Volt-Var 제어, 그리고 Volt-Watt 제어가 있다. 고정 역률 제어의 경우, 가장 기본적인 역률 제어 방식으로 운영자가 원하는 역률로 인버터를 운전하는 방식이다. 이 방식은 역률 제어를 통해 유효전력 및 무효전력을 변경시킴으로써 계통의 전압 조정에 기여할 수 있지만, 계통 전압 변동에 따른 능동적인 제어가 불가능함에 따라 완벽한 대안으로 볼 수 없다. 따라서 계통 전압의 이탈 정도에 따라 능동적으로 다른 양의 전력 제어를 수행하는 Volt-Var, Volt-Watt 기능이 더욱 효율적이다.

스마트 인버터의 Volt-Var 제어는 로컬 전압을 측정하여 이 전압에 따라 분산전원이 무효전력 출력을 관리하기 위해 개발된 기능이다⁽⁸⁾. 그림 2는 전형적인 Volt-Var 제어의 특성 곡선을 나타낸다. Volt-Var 제어로 인한 무효전력 제어량을 나타내는 식(1)과 같이, 분산전원으로 인한 계통의 과전압 현상 발생 시 유도성 무효전력을 출력으로 낼 수 있도록 인버터를 제어하며, 과전압 현상이 커질수록 제어되는 무효전력 또한 증가한다. 연계점 전압이 규정전압 범위 내에 위치하면 무효전력은 제어되지 않으며(혹은 0의 값을 유지), 만일 연계점 전압이 규정전압보다 작은 경우에는 반대로 용량성 무효전력을 출력하여 연계점 전압을 상승시킨다. 그림 2의 곡선은 일반적인 경우를 나타낸 것으로 곡선의 모양 혹은 제어 범위는 제작사 혹은 관련 표준에 의해 변경될 수 있다⁽⁸⁾.

Fig. 2. General Volt-Var curve of smart inverter

Volt-Var 제어를 수행함에 따라 무효전력이 우선시 될 경우(Var precedence mode), 무효전력 출력을 증가시키기 위해 인버터 정격을 초과하지 않도록 유효전력 출력이 감소할 수 있다. 반면 유효전력 출력이 우선시(Watt precedence) 될 경우에는 분산전원의 유효전력 출력을 희생시키지 않는 범위 내의 무효전력 제어가 수행된다.

스마트 인버터의 Volt-Watt 제어는 많은 양의 분산전원 출력 및 경부하 조건하에서 발생할 수 있는 과전압 현상을 해소하기 위해 고안된 기능이다. 그림 3은 전형적인 Volt-Watt 제어의 특성 곡선을 나타내며, 식(2)는 전압에 따른 유효전력 제어량을 보여준다. 그림을 통해 알 수 있듯이, 연계점 전압을 측정하여 역조류로 인한 전압 상승이 매우 큰 경우 인버터의 유효전력 출력을 감소시킴으로써 전압 상승을 완화시킨다. Volt-Var 제어 기능과 마찬가지로 Volt-Watt 제어 특성 곡선의 모양 혹은 제어 범위는 제작사 혹은 관련 표준에 의해 변경될 수 있다.

Fig. 3. General Volt-Watt curve of smart inverter

3.1 전류원 기반 인버터 평균 모델[9]

본 연구에서는 그림 4와 같이 정상상태 해석에 적합한 전류원 기반의 인버터 평균 모델을 사용하였다. 그림 5에서 확인할 수 있듯이, 전류원 기반 인버터는 간단한 좌표 변환을 이용하여 유효 및 무효전력 수요에 대한 빠른 응답을 제공할 수 있기 때문에 분산전원이 연계된 배전선로의 스마트 인버터 기능 구현에 적절하며, 전력계통의 정상상태 해석을 위해 전력변환장치의 스위칭 동작을 평균화하여 실제 스위칭 동작을 제거함으로써 시뮬레이션 시간을 단축시킬 수 있다.

Fig. 4. Inverter average model based on controllable 3-phase current source

Fig. 5. Block diagram for control of the inverter

3.2 배전선로 전압조정용 스마트 인버터 MATLAB/Simulink 모델

그림 6은 본 연구에서 MATLAB/Simulink를 이용하여 구현된 전압조정용 스마트 인버터 모델의 블록 다이어그램을 나타낸다. 3.1절에서 언급되었던 것과 같이 인버터는 제어 가능한 전류원 기반의 평균 모델을 이용하며, 그림의 ‘Smart inverter model’ 내부 알고리즘을 통해 적절한 유효전력 및 무효전력 출력 지령치를 전류원으로 전달한다. 전류원은 배전계통과 병렬로 연계되어 분산전원의 역할을 하며, 연계점 전압과 동기 출력을 보장하기 위해 PLL(Phase Lock Loop)을 수행한다. 분산전원의 발전 시나리오 및 스마트 인버터의 내부 알고리즘은 Simulink의 ‘Embedded MATLAB Function’을 통해 사용자 코드 입력의 형태로 구현된다.

표 2는 스마트 인버터 내부 알고리즘의 Pseudo code를 나타낸다. 본 연구에서 구현된 스마트 인버터 모델에서는 Volt-Var 및 Volt-Watt 제어를 위한 특성 곡선 및 인버터 정격에 대한 결정이 우선적으로 요구된다. 이후 내부 전압조정 알고리즘을 위해 연계점 전압과 이 전압의 PLL 출력을 입력으로 받아 정해진 모드에 따라 Volt-Var 혹은 Volt-Watt 제어를 수행한다. 2장에서 논의된 것과 같이, Volt-Var 제어 모드에서는 기본적으로 식(1)에 따라 무효전력 출력량이 결정되지만, 무효전력이 우선되는 경우에는 무효전력 출력을 증가시키기 위해 인버터 정격을 초과하지 않도록 유효전력 출력이 감소할 수 있으며, 유효전력 출력이 우선되는 경우에는 분산전원의 유효전력 출력을 희생시키지 않는 범위 내에서 무효전력 제어가 수행된다. Volt-Watt 제어 모드의 경우 식(2)에 따라 유효전력 출력이 결정된다.

Fig. 6. Block diagram of the smart inverter model implemented in MATLAB/Simulink

4.1 시뮬레이션 계통 및 조건

본 연구에서 구현된 배전선로 전압조정용 스마트 인버터의 성능 검증을 위해 사용된 배전계통은 그림 7과 같다. 시뮬레이션 계통은 3개의 배전선로와 2개의 부하로 구성되어 있으며, 스마트 인버터를 포함한 분산전원은 말단에 연계되어 그림 7에 나타난 것과 같이 정해진 시나리오에 따라 역조류 및 과전압을 발생시킬 수 있는 수준의 전력을 계통으로 공급한다. 말단에 위치한 분산전원의 출력으로 인해 연계점은 과전압을 경험하게 되며, 스마트 인버터의 기능으로 이를 효율적으로 해소할 수 있다. 본 연구에서 고려된 시뮬레이션 조건은 표 3과 같으며, 다양한 조건 하에서 스마트 인버터 모델의 성능을 검증하였다. case 1은 전압조정 기능을 수행하지 않음에 따라 발생하는 과전압 상황을 대표하며, case 2 및 3은 Volt-Var 기능의 수행으로 인한 과전압 해소를 위한 시나리오로 특히 case 3의 경우는 인버터 정격의 제한을 두어 충분한 무효전력 제어가 불가한 상황을 모의한다. 마지막으로 case 4에서는 무효전력이 아닌 유효전력의 제어를 수행하는 Volt-Watt 기능을 통한 과전압 해소를 모의하고자 한다.

Fig. 7. Simulation system and PV scenario

4.2 시뮬레이션 결과

본 연구에서 구현된 스마트 인버터 모델의 전압 조정 성능을 검증하기 위해 표 3에 제시된 다양한 조건에 따른 모의가 수행되었다. 그림 8 및 9는 case 1에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 그림 8을 통해 알 수 있듯이, 2초에 연계된 분산전원의 출력은 연계점 전압의 PLL 출력을 참조하며, 제어 가능한 3상 전류원의 형태로 계통에 전력을 공급하며, 분산전원의 출력이 증가할수록 3상 전류원에서 공급되는 전력 및 전류는 증가한다. 그림 7에 제시된 분산전원 발전 시나리오에 따라 그림 9와 같이 분산전원의 유효전력 출력은 증가하며, 이에 따라 주전원에서 공급되는 유효전력이 감소하는 결과를 야기한다. 이는 분산전원으로 인한 역조류 현상을 발생시키며, 결과적으로 연계점 전압의 상승을 야기한다.

그림 10은 case별 스마트 인버터의 무효, 유효전력 출력 및 연계점 전압을 보여준다. case 1을 통해 알 수 있듯이, 대용량 분산전원의 연계로 적정 전압 유지 범위로 고려된 1.03pu를 초과하는 1.032pu의 과전압이 발생한다. 하지만, case 2와 3은 Volt-Var 제어를 수행함에 따라 상승한 전압을 낮추기 위해 Volt-Var 특성 곡선에 기초하여 유도성 무효전력 출력량을 증가시킨다. case 3의 경우, 5초～6초 구간에서 분산전원의 출력이 인버터 정격 용량에 근접하여 이를 초과하지 않는 범위 내에서 무효전력 제어를 수행한다. case 4의 경우에는 Volt-Watt 제어를 수행함에 따라 스마트 인버터의 무효전력 제어는 수행하지 않으며, Volt-Watt 특성 곡선에 기초하여 과전압 발생 시에는 유효전력 출력을 감축시켜 연계점 전압을 조정한다. 표 4는 최대 분산전원 출력시(5초～6초) case별 연계점 전압을 보여준다.

Fig. 8. Voltages and currents at PCC – case 1

Fig. 9. Power output from PV and main source – case 1

Fig. 10. Simulation results according to the various cases

표 4를 통해 알 수 있듯이, 스마트 인버터의 Volt-Var 또는 Volt-Watt 제어를 통해 분산전원의 최대 출력에도 연계점 전압을 일정 수준 이하로 유지할 수 있음을 확인할 수 있으며, 각각의 제어 특성 곡선 및 제어 파라미터 선정에 따라 전압조정 능력은 변동될 수 있다. 이는 스마트 인버터의 효율적인 제어가 보장된다면 배전계통에 연계될 수 있는 분산전원의 용량도 증가할 수 있음을 시사한다.