3.1 DCVC 구조

DCVC의 전압 제어는 기본적으로 조류계산 결과 정보를 바탕으로 DC 계통의 모선 전압이 전압 유지 범위 내에 있는지를 확인한 후, DC 계통의 모선 전압이 적정한 범위 내에 있지 않다면 이를 정상 운전 범위로 이동시키기 위하여 슬랙 모선 정류기, 분산전원 등 전압 제어기기의 제어 효과를 반복 조류계산으로 분석한다. 즉, 계통 운영자가 정한 전압 유지 기준을 벗어나는 전압 위반 모선(Voltage Violation Bus)이 발생하면 해당 독립계통에서 integer programming을 이용하여 전압 제어기기(Voltage Control Device)를 결정한다. 이때 미리 투입 비용을 정해놓은 후보 제어기기의 비용함수(Cost Function)를 계산하여 가장 적은 비용이 소요되는 제어기기 순으로 투입 순서를 결정한다.

Fig. 4. DCVC structure

DCVC의 제어 구조는 Fig. 4와 같다. DCSE(상태추정)를 통해서 각 제어기기 및 계통 모델의 상태를 입력받아 최적의 전압 제어기기의 제어 동작을 결정한다. 그리고 자동으로 제어 대상 및 제어량을 각 제어기기에서 전달하고 계통 운영자에게는 경고 메시지를 통하여 현재 계통의 상황이나 조치 사항 등을 제공한다. 이때 주요 제어 수단은 DCVC의 기능 요구사항에 따라 다음과 같다.

1) AC-DC 정류기의 전압 조정

2) 분산전원의 유효전력 출력 조정

주로 이 두 가지 제어 수단을 통하여 DC 계통의 모선 전압을 일정 수준으로 유지하기 위한 알고리즘을 구현한다. 또한, DCVC의 제어 목적은 다음과 같이 설정할 수 있다.

1) 모선 전압 유지

2) 제어기기 제어 동작 최소화

3) DC계통 배전선로(DL)의 유효전력 손실 감소

3.2 비용함수 정식화

앞서 밝힌 바와 같이 전압 제어기기는 정류기 및 분산전원을 고려한다. 이러한 제어 설비는 수식 (7)과 같이 비용함수로 정식화되어 제어기기의 우선순위를 정하게 된다^{[8, 9]}.

비용함수의 각 파라미터에 대한 설명은 Table 2와 같다. 즉, ‘n’은 제어기기 수, ‘M’은 부하 모선 수를 나타낸다. ‘$k_{i}$’는 제어기기의 투입상태를 나타내는 것으로 정류기와 분산전원 중 제어에 참여하는 제어기기 상태를 의미한다. 즉, 0은 제어에 참여하지 않은 것을 의미하며, 1은 제어에 참여하는 것을 의미한다. ‘$S_{i}$’은 정류기와 분산전원의 제어에 따른 비용으로써, 이 값은 제어 후에 증가하게 된다.

‘$f_{m}$’는 전압 페널티 함수(voltage penalty function)로 제어 전, 후의 부하 모선의 전압 위반 정도를 수식화한 것이다. Fig. 5는 제어기기의 페널티 함수를 나타낸다. 그림에서 보듯이 정상 전압 유지 범위가 있고 이 범위 안에서는 페널티 함수값은 0이 되고 정상 전압 유지 범위를 벗어나는 경우는 즉, b1.05 (b>1) 보다 크거나, a0.95(a<1) 보다 작으면 최대값이 되며, 1.05 ∼ b1.05와 a0.95 ∼0.95 사이는 선형 함수로 정의된다. 이때, 전압 단위는 p.u이고, a, b는 상수값이다.

Fig. 5. Voltage penalty functions

‘$P_{loss,\: m}$’는 선로손실 페널티로 수식 (8)을 이용하여 제어 전, 후의 선로손실을 계산한다. ‘$w_{n}$’와 ‘$w_{m}$’는 전압 제어 가중치와 선로손실 가중치를 각각 나타내는 것으로 수식 (9)를 만족해야 하며, 본 논문에서는 동일한 가중치로 설정한다.

3.3 DCVC 알고리즘 순서도

Fig. 6은 DCVC 알고리즘 순서도를 나타낸다. ① DC 계통데이터와 정류기 및 분산전원 데이터를 읽어 들인다. ② DCPF(조류계산)를 실행하여 전압 이상 여부를 체크한다. ③ 전압 위반 여부가 나타난 경우 앞서 설명한 비용함수를 계산하여 적절한 전압 제어기기와 제어량을 선정한다. ④ 전압 이상 여부를 재평가하여 위반이 일어나지 않은 경우 알고리즘은 종료 되고, 위반이 발생한 경우 다른 제어기기의 추가 제어를 고려한다. ⑤ 만약 제어요소가 더 이상 없거나 기존 제어요소가 전압 상하한에 도달하였을 경우 알고리즘은 종료된다. 이러한 반복 과정을 통하여 전압 유지를 위한 적절한 전압 제어기기의 제어 순서가 결정되고 계통 운영자는 정류기와 분산전원 제어에 따른 DC 계통의 변화에 대한 정보를 얻을 수 있다.

Fig. 6. DCVC control flows

4.1 모의 계통

모의 계통은 Fig. 7과 같이 거차도이다. 거차도 계통은 3개의 독립계통으로 구성되며, 각각 ±750V DC의 P폴과 N폴을 가진다. 1번 모선에는 100kW급 풍력발전기 1기와 209kW급 태양광발전기 1기가 연결되어 있고, 3번 모선은 송전 AC계통에 연계된 슬랙 모선으로 100kW급 AC/DC 정류기 2대, 200kW급 ESS가 각각 설치되어 있다. 부하는 각각 8번 모선 20kW, 11번 모선 25kW, 12번 모선 10kW, 17번 모선 10kW, 19번 모선 25kW, 21번 모선 5kW로 구성된다.

4.2 모의 시나리오

DCVC의 제어 효과를 확인하기 위해서 Table 3과 같이 비용 함수의 파라미터를 설정한다. 우선, DCVC의 연산 기능 요구사항에 따라 DC 계통의 모선 전압을 위해 슬랙 정류기의 전압 제어를 우선순위로 놓기 위해서 시나리오 1에서는 분산전원 출력 변동 비용을 정류기 제어 비용보다 10배 높게 설정한다. 또한, 시나리오 2에서는 DCVC의 분산전원 출력 제어 효과를 확인하기 위해서 반대로 정류기 제어 비용을 분산전원 출력 변동 비용보다 10배 높게 설정한다.

Fig. 7. Geocha-do power system

4.3 DCVC 제어 결과

모의 계통의 감도 계산은 모선 기반으로 수행되며 1번 모선에 연결된 두 개의 발전기는 동일한 감도 값을 갖는다. Table 4는 각 모선에 대한 감도행렬 결과이다.