2.1 전압조정용 분산전원 출력 제어 특성

신재생에너지 기반의 분산전원은 시간에 따라 변화하는 기상조건으로 인해 간헐적인 출력 특성을 가지며, 이로 인해 배전계통의 빈번한 전압 변동을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배전계통에서 규정전압 위반이 발생할 경우 계통연계용 인버터의 제어를 통해 분산전원의 출력을 능동적으로 제어할 수 있다. 이를 위해 역률 및 전압 보조 기능을 갖춘 스마트 인버터가 개발되어 왔으며, 그림 1과 같이 인버터의 정격 내에서 무효전력(Q) 및 유효전력(P) 제어 또는 역률 제어를 수행하여 분산전원의 출력을 능동적으로 조절함으로써 배전계통의 국부적인 전압조정에 기여한다⁽⁶⁾.

스마트 인버터의 대표적인 전압조정 기능은 Volt-Var 제어와 Volt-Watt 제어이다. Volt-Var 및 Volt-Watt 제어는 분산전원 연계점 전압 측정값에 따라 각각 특정한 무효전력 및 유효전력으로 출력을 제어하며, 일반적으로 그림 2및 그림 3의 특성 곡선에 따라 제어된다^(6-7). 전압 제어를 위한 특성 곡선의 파라미터들은 계통 조건 및 운영자의 철학에 따라 결정되며 이에 따라 출력 제어량 또한 결정된다.

2.2 배전계통의 전압 측정오차

배전자동화시스템 개발과 함께 전압 센서를 내장한 개폐기 및 리클로저가 배전선로에 설치되었으며, 현재 설치되어 있는 대부분의 전압센서는 용량성 전압분압기의 방식을 사용한다⁽⁵⁾. 용량성 전압분압기 방식은 CCPD(Coupling Capacitance Potential Device)와 BCPD(Bushing Capacitance Potential Device)로 구분되며 그림 4와 같이 CCPD 방식은 인가된 1차 측 전압을 분압용($C_{1}$)과 측정용($C_{2}$) 커패시터로 각각 분압하여 측정하는 방식으로 오차가 비교적 작게 발생하지만, 부피가 커서 전주상에 설치되는 자동화개폐기에 사용하기는 어렵다. 반면, BCPD 방식은 절연이 확보된 붓싱에 도체링을 설치하고 정전용량으로 유기되는 전압을 측정함에 따라 구조가 간단하며 비용이 저렴하여 배전계통 전압 측정을 위해 주로 사용되고 있지만, 도체링의 정전용량이 일정하지 않고 외부영향을 많이 받을 수 있기 때문에 전압 측정값에 많은 오차가 포함된다^(8-9).

고압 배전선로의 전압을 측정하기 위해 개폐기 및 차단기에 설치되는 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)는 표 1과 같이 전압 측정 정확도와 관련하여 어느 정도의 오차를 허용한다. 하지만 스마트 인버터의 출력 제어가 필요한 전압범위가 1∼3%임을 고려할 때 이는 무시할 수 없는 수준으로 의도치 않게 분산전원 출력 제어량에 큰 영향을 미칠 수 있다.

2.3 전압 측정오차가 포함된 분산전원 출력 제어 특성

스마트 인버터의 Volt-Var 제어는 그림 2에 나타나 있는 제어 특성 곡선에 따라 분산전원의 무효전력량을 결정하며, 분산전원의 영향으로 인해 과전압이 발생하여 측정된 전압 $V$가 $V_{3}$와 $V_{4}$ 사이에 해당된다면 Volt-Var 제어에 의한 새로운 무효전력 출력($Q_{n ew}$)은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

식 (1)에서 확인할 수 있듯이, 제어 특성 곡선의 파라미터가 고정되어 있다고 가정한다면 분산전원의 무효전력 출력 제어량을 결정하는 요소는 오직 제어하고자 하는 1차 측의 측정 전압이다. 따라서 측정 전압에 오차가 포함된다는 것은 분산전원 출력 제어량에도 의도치 않게 오차가 포함된다는 것을 의미한다.

그림 5및 6은 측정 전압 오차로 인한 Volt-Var 제어의 영향을 나타낸다. 인버터의 용량과 분산전원의 최대 유효전력 출력을 각각 100%와 80%로 가정할 경우, Volt-Var 제어에 의해 최대 60%의 무효전력을 출력할 수 있다. 만일 Volt-Var 제어 특성 곡선에서 $Q_{4}$를 60%로 설정하고, $V_{3}$와 $V_{4}$를 각각 101%와 103%로 설정한다면 측정 전압이 103%일 때 무효전력은 60%가 될 것이다. 하지만 측정 전압에 –1%의 오차가 발생한다면 Volt-Var 제어에 의한 무효전력 출력은 30%로 결정될 것이며, -2%의 오차는 무효전력을 전혀 출력하지 않는 결과로 이어지므로 전압 조정의 효과가 예상된 것보다 더 작거나 심지어 없을 수 있다.

전압 측정값을 기반으로 동작하는 스마트 인버터의 Volt-Watt 제어에서도 유사한 문제가 발생할 수 있다. 식 (2)는 측정된 전압 $V$가 그림 3의 $V_{1}$와 $V_{2}$ 사이에 해당할 경우 유효전력 출력($P_{n ew}$)을 나타낸다. Volt-Var 제어와 마찬가지로 제어 특성 곡선의 파라미터가 고정된다고 가정한다면 분산전원의 유효전력 출력 제어량을 결정하는 것은 전압 측정값이므로 전압 측정값의 오차는 유효전력 출력 제어량의 오차로 직결된다.

그림 7및 8은 측정 전압 오차로 인한 Volt-Watt 제어의 영향을 나타낸다. 일반적으로 Volt-Var 제어와 Volt-Watt 제어의 중복을 피하기 위하여 협조된 방식으로 출력 제어를 수행한다. 따라서 그림 3의 Volt-Watt 제어 특성 곡선에서 $P_{1}$과 $P_{2}$를 각각 80% 및 0%로 설정하고, $V_{1}$와 $V_{2}$를 각각 103%와 105%로 설정한다면 측정 전압이 101%～103%일 경우 Volt-Var 제어를 수행하며, 측정 전압이 103%～105% 일 경우에는 Volt-Watt 제어를 수행한다. 만일 측정된 전압이 104%라면 Volt-Watt 제어를 통해 분산전원의 유효전력 출력을 40%로 감축하여 역조류로 인한 전압 상승 현상을 저감할 수 있다. 하지만 측정 전압에 -1%의 오차가 포함되어 있다면 Volt-Watt 제어의 입력이 104%가 아닌 103%가 될 것이며, 이로 인해 Volt-Watt 제어를 통한 분산전원 출력 제어가 전혀 수행되지 않는다. -2%의 전압 측정 오차를 고려한다면 102%에 해당하는 출력 제어를 수행할 것이기 때문에 유효전력 출력 제어를 수행하지 않음으로써 Volt-Watt 제어에만 악영향을 미치는 것이 아니라 60%의 무효전력을 30%로 줄임으로써 Volt-Var 제어에도 영향을 미치게 되어 결과적으로 기대했던 전압조정의 결과를 얻을 수 없다.

식 (1) 및 (2)에서 확인할 수 있듯이, Volt-Var 및 Volt-Watt 제어를 통한 분산전원의 새로운 출력은 제어 특성 곡선의 기울기에 비례하여 결정되며, 즉 파라미터의 선정이 분산전원 출력 제어에도 영향을 미치게 된다. 동일한 전압 측정 오차를 가정하더라도 제어 특성 곡선의 기울기가 크다면, 측정 오차로 인해 발생하는 분산전원 출력 제어량 오차는 더욱 더 커진다. 예를 들어 Volt-Watt 곡선의 $V_{2}$를 104%로 선정한다면 측정 전압의 –1% 오차는 최대 80%의 유효전력 출력 제어량 오차를 초래할 것이며, 이러한 측정 오차를 반영한 제어 특성 곡선 파라미터 선정이 필요하지만 오차에 대한 수학적 모델을 수립하여 측정 오차를 도출 및 예측하는 것은 매우 어려운 일이다.

결과적으로 전압 측정 오차는 Volt-Var 및 Volt-Watt와 같은 분산전원의 출력 제어량에 커다란 영향을 미침에 따라 출력 제어 알고리즘의 설계 시 예상하였던 전압 조정의 효과를 기대하기 어렵다. 또한 전압 측정값에 기반한 다양한 전압 조정 기능 간 협조 제어에도 악영향을 미침으로써 효율적인 배전계통 전압 관리를 불가능하게 한다.

3.1 시뮬레이션 계통 및 조건

전압 측정오차에 따른 분산전원의 출력 제어 특성을 모의하기 위해 그림 9에 제시되어 있는 계통이 고려되었다. 모의 계통은 한전에서 실제 운영 중인 국내 배전계통의 한 부분으로 방사상으로 구성되어 있으며, 선로 임피던스 및 구간 부하(부하 역률 : 0.9)가 표 2에 제시되어 있다. 8[MW]의 용량을 갖는 분산전원이 모의 계통의 말단인 SW11에 연계되었으며, 초기 무효전력 출력은 0[kVAR]로 가정되었다. 분산전원의 출력 제어를 위한 스마트 인버터의 파라미터는 표 3에 나타나 있다. 전압 측정오차에 따른 영향을 확인하기 위해 1% 및 2% 측정오차를 반영하였으며, 측정오차가 없는 경우와 비교함으로써 분산전원의 출력 제어 특성을 분석하였다.

3.2 시뮬레이션 결과 및 분석

그림 10은 전압 측정오차가 포함된 Volt-Var 제어 수행에 따른 분산전원 연계점 전압을 나타낸다. 1[s]에 분산전원이 연계됨에 따라 연계점 전압은 상승하며, 1.01[pu]∼1.03[pu]의 범위에 해당한다. 따라서 스마트 인버터는 연계점 전압 조정을 위해 Volt-Var 제어를 수행하지만 전압 측정값에 포함된 오차로 인해 무효전력 제어량은 달라진다. 전압 측정오차가 발생하지 않는다면 1.025[pu]의 전압이 스마트 인버터의 입력이 되어 적절한 무효전력 제어를 통해 연계점 전압을 효과적으로 조정하지만, 1%와 2%의 전압 측정오차가 포함된 경우에는 측정오차로 인해 스마트 인버터로 입력되는 전압이 각각 1.0148 및 1.004[pu]가 되어 측정오차가 포함되지 않은 경우에 비해 전압 조정의 성능이 현저히 악화된다. 전압 측정오차가 커지면 커질수록 이러한 현상은 더욱 더 심해질 것이며 2% 이상의 전압 측정오차는 Volt-Var 제어를 수행하지 않는 결과를 초래함으로써 스마트 인버터 전압 조정 기능의 신뢰성에 매우 악영향을 미친다.

그림 11은 전압 측정오차가 포함된 Volt-Watt 제어 수행에 따른 분산전원 연계점 전압을 나타낸다. 연계점 전압의 상승에 따라 8000[kW]의 유효전력을 2097[kW]로 감축시킴으로써 연계점 전압을 강하시켜야하지만, Volt-Var 제어의 경우와 마찬가지로 전압 측정오차로 인해 유효전력 감축량이 줄어들어 기대했던 전압 조정 효과를 달성할 수 없다.

시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있듯이, 스마트 인버터의 Volt-Var 및 Volt-Watt 기능과 같은 전압 측정값 기반의 전압 조정 알고리즘은 1%의 작은 오차에도 불구하고 제어 결과에 매우 유의미한 영향을 미친다. 이러한 영향은 분산전원 연계점 전압뿐만 아니라 전기적으로 가까운 인근 지역의 전압에도 해당되는 문제이며, 분산전원의 용량 및 설치 대수가 증가하면 증가할수록 같은 전압 측정오차에도 분산전원 출력 제어량에 더 큰 영향을 미친다. 따라서 전압 측정값의 정밀도가 보장된 환경 구축이 매우 중요하다.