이상현
(Sang-Hyeon Lee)
1iD
최윤혁
(Yun-Hyuk Choi)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Daegu Catholic University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
DER, Distribution networks, Fault study, Inverter, Voltage control
1. 서 론
2016년 10월에 시행된 ‘1MW 이하 신재생에너지 사업에 대한 전력계통 접속보장제도’는 소규모 신재생 사업 촉진을 위해 계통연계 혜택을 주는 정책이며,
여타 발전원과 달리 소규모(1MW 이하) 신재생에너지에 대해서 한전이 계통 접속을 보장하고 계통 보강 비용을 부담하는 정책이다. 정책 발표 후 연계
신청 및 접속이 급증하였으며, 현재까지 총 20.1GW의 접속이 연계 신청되었고, 그 중 17.3GW가 연계되고 2.8GW의 설비용량이 신·증설 문제로
접속 대기 중인 상태이다[1]. 현재는 무분별한 연계로 인해 2023년 12월 소규모 재생에너지 계통접속제도를 유예기간(9개월) 이후 종료하기로 하였다. 이처럼 증가한 재생에너지는
계통에서 역조류, 과전압과 같은 계통 안정성에 대한 문제가 있으며, 계통에 연계된 분산전원의 급증은 연계 지점에서 계통 연계점 전압(PCC : Point
of Common Coupling)이 크게 변동되는 문제가 있다[2].
기존에는 Tap이나 SVR와 같은 장비를 사용하여 연계점 전압을 조정한다[3]. 그러나 기존의 제어 방법으로는 분산전원으로 인해 발생하는 역조류와 같은 문제를 해결하는 데 어려움이 있으며, 지속해서 유지보수 및 추가 설비에
대해 비용이 발생한다. 따라서 최근에는 역조류와 같은 문제를 해결하기 위해 분산전원의 인버터 자율제어 기능을 사용하며 이는 연계점 전압을 기반으로
계통지원기능을 지원한다. 대표적으로 Volt-Watt, Volt-Var, L/HVRT 등이 있다. 특히 Volt-Var 기능과 같이 무효전력 제어를
통해 연계점 전압을 제어하는 방법은 출력을 제한하지 않고 추가적인 설비가 요구되지 않는다. 분산전원에 대해 출력 제한은 발전 사업자에게 수익 감소를
불러오고 출력 제한에 대한 보상 또한 명확하게 이루어지지 않는 상황이다.
현재까지 정상상태에서의 인버터를 활용한 제어기능은 활발하게 연구가 진행되고 있다[4, 5]. [4]에서는 Volt-Var 기능과 Volt-Watt 기능을 결합해서 유/무효전력을 동시에 제어하여 효과적인 전압제어 방안에 관한 연구가 수행되었으며,
[5]에서는 머신러닝을 활용한 Volt-Var 제어 곡선 선정을 통해 최적 제어 곡선 선정에 관한 연구를 수행하였다. 하지만 계통 고장 발생 시 인버터를
활용한 제어기능은 주로 분산전원의 단독 운전 방지(Anti-Islanding)나 지속시간 유지(VRT, FRT)에 초점을 맞추었으며, 이는 인버터의
계통지원 기능에서도 설명되어 있다[6].
배전계통 내에 고장이 발생하는 경우, 정전복구 절차(Fault Detection, Isolation, Restoration: FDIR)에 의해 고장
구간에 대한 개폐기가 작동하여 고장 구간을 분리한다. 이때 분리된 선로 이후의 모선은 전력공급이 끊겨 정전의 위험이 있으므로 선로절체에 의한 정전
최소화 방법을 적용해야 한다. 선로절체는 정전구간을 우회하거나 정전구간을 복구하기 위해 전력 흐름을 다른 경로로 전환하는 방법이다. 선로절체는 고장
구간을 신속히 격리하고, 비 고장 구간에 전력을 지속해서 공급할 수 있게 하여 계통의 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다[7].
하지만 선로절체 시 절체되는 반대편 선로의 상황에 따라 전압 문제가 발생할 수 있다. 분산전원이 많이 연계된 선로가 절체될 경우 기존 선로에 과전압
문제를 유발할 수 있고, 대량의 부하가 절체될 경우 저전압 문제가 발생할 수 있다. 이때 발생하는 전압 문제는 기존 선로에 연계되어있는 분산전원에도
영향을 미치며 연계점 전압을 변동시키는 요인이 된다.
따라서, 본 논문에서는 배전계통 고장 시 발생할 수 있는 전압 문제를 효과적으로 해결하기 위해서 인버터의 무효전력 제어기능을 활용하여 선로절체 시
발생하는 전압변동을 정밀하게 제어하는 전압제어 알고리즘을 제안하고자 한다. 인버터는 Simulink로 모델링하고, 전압제어 기능 및 알고리즘은 MATLAB으로
구현하여 실 계통에서 전압제어 결과를 검증한다.
2. 인버터의 계통 보조 기능
인버터는 기존의 단순한 전력 변환 장치를 넘어 다양한 계통지원 기능을 제공하며, 전력 변환 기능과 함께 계통의 안정성을 유지하고 효율성을 향상하기
위한 다양한 제어 및 통신 기능을 통합한 장치이다. Table 1은 IEEE-1547에서 정의한 인버터의 14가지의 계통지원 기능이다[8]. 주요 기능으로는 무효전력 제어기능, 유효전력 제어기능, 비상시 기능, 계통 운전 유지 기능이 있다.
Table 1. Grid Support Functions of Inverter
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번호
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구분
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기능
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1
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무효전력 제어기능
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Volt-Var
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2
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Fixed PF
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3
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Q set Point
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4
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Watt-Var
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5
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유효전력 제어기능
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Volt-Watt
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6
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Frequency-Watt
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7
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P limit
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8
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N-Ramp
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9
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SS-Ramp
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10
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비상시 기능
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Power Stop
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11
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Disconnection and Reconnection
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12
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Anti-Islanding
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13
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계통 운전
유지 기능
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L/HVRT
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14
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L/HFRT
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인버터는 이러한 다양한 기능을 통해 분산전원의 급증으로 인한 계통 안정성 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 무효전력 제어를 통한 전압제어는
출력 제한 없이 추가 설비 없이도 전압 안정성을 확보할 수 있어서 경제적이다. 인버터는 계통 운영자와 실시간 데이터 교환을 통해 더욱 정밀한 제어가
가능하다. 이를 통해 지속적인 유지보수 및 추가 설비 비용을 줄이고 재생에너지의 효율적인 통합을 가능하게 한다.
3. 상정고장을 고려한 전압제어 알고리즘
3.1 고장 발생 시 계통 복구 절차
대다수 배전계통은 메쉬형 구조를 이루고 있지만, 상시개방점으로 나누어져 방사형으로 운영되고 있다. 방사형 구조에서 고장이 발생하면, 고장 구간 이후
구간에는 전력공급이 중단되어 정전이 발생하게 된다. 정전 피해를 최소화하기 위해서는 상시개방점의 개폐기를 작동하여 이웃한 연계선로로 절체하여 전력을
공급한다.
선로절체를 위해 정전구간 전체를 한 개의 연계선로로 절체하는 방법과 연계선로의 허용 용량에 따라 여러 선로로 분할해서 절체하는 방법이 있다. 본 논문에서는
단일 선로로 절체하는 방법을 고려하며, 이는 절체 방식이 간단하여 실 계통 운영에서 가장 흔히 사용되는 방법이다[9]. Fig. 1은 고장 발생 시 고장 구간을 분리한 후 정전구간을 연계된 선로로 절체하는 과정이다.
Fig. 1. Single group line switching process
3.2 전압제어 알고리즘
정전구간을 연계선로로 절체할 때 절체되는 선로의 부하 수준과 분산전원 연계용량에 따라 전압변동이 크게 일어날 수 있다. 이러한 전압변동은 기존 선로에
연계된 분산전원의 연계점 전압 또한 영향을 받으며 전압안정 범위를 벗어나게 한다. 전압변동 문제를 해결하기 위해 인버터의 무효전력 제어기능을 활용하여
연계점 전압을 안정화할 수 있다.
전압제어 알고리즘에서 사용하는 인버터 기능은 정상 상태에서 사용하는 기능으로 불평형 및 지락사고 같은 고장 시에는 고장 시 기능을 사용해야 한다.
본 논문에서는 선로탈락으로 인한 정전을 절체를 통해 방지 및 전압제어를 하는 것이 목적이다.
Fig. 2는 본 논문에서 제안하는 전압제어 알고리즘의 제어 절차이다. 가장 먼저 고장을 감지하여 스위치를 작동시켜 고장 구간을 분리한다. 이후 정전구간을 절체하고
연계된 분산전원의 연계점 전압을 감지한다. 감지한 전압이 전압안정 범위를 벗어나면 인버터의 무효전력 제어를 통해 전압을 제어한다.
이때, 인버터의 무효전력 제어를 위해 Volt-Var 기능을 활용하는데 제어 곡선의 기울기 설정과 인버터 용량에 의해서 무효전력 제어량이 결정되기
때문에 인버터의 최대 성능으로 무효전력을 보상할 수 없다는 단점이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 단위 시간의 평균전압과 Volt-Var 전압의 차이에
대한 전압 오차를 이용하여 무효전력 출력을 결정 후 보상하는 동적 전압 에러 보상
Fig. 2. Proposed voltage control algorithm procedure
(Dynamic Voltage Error Compensation: DVEC) 방법을 적용하여 Volt-Var 기능의 문제점을 해결한다[10]. Fig. 3은 무효전력 출력을 결정하는 출력 곡선이다.
Fig. 3. Voltage error compensation curve
3.3 인버터 제어시스템
인버터 제어시스템은 Fig. 4와 같이 Simulink로 구현된 제어모델과 조류해석 엔진으로 구성된다. 조류해석 엔진을 통해 계산한 연계점 전압을 입력으로 인버터 제어모델 내부에서
전압제어를 수행한다. 이후 제어 지령치가 다시 조류해석 엔진으로 전달되어 지령치를 기반으로 조류계산을 수행하고 과정을 반복한다. Fig. 5는 인버터의 내부 제어모델이다.
Fig. 4. Voltage control system
Fig. 5. Inverter control model
4. 시뮬레이션 및 검증
4.1 시뮬레이션 계통 개요
본 논문에서 제안하는 전압제어 알고리즘을 검증하기 위해 실 계통 데이터를 활용하며, 전북 본부의 정주S/S 정읍D/L과 화호D/L을 테스트 계통으로
사용한다.
정읍D/L과 화호D/L은 구간 부하량과 분산전원 연계 용량이 높아 전압제어 효과를 분석하기에 적합하다. 하지만 초기 연계점 전압이 매우 높게 형성되기
때문에 분산전원 연계용량을 줄이고 인버터 제어를 수행하는 모선으로 분산전원 객체를 제한하는 수정된 D/L을 테스트 계통으로 사용하며, 선로 정보는
Table 2와 같다. 전압제어 알고리즘의 선로절체 시 기존 선로는 화호D/L, 절체 선로는 정읍D/L로 정한다.
Table 2. Information of hwaho D/L and jeongeup D/L
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D/L
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분산전원 연계용량
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총 부하량
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화호D/L
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1,500 kVA
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2,111 kVA
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정읍D/L
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4,000 kVA
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13,199 kVA
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4.2 시뮬레이션 시나리오
정읍D/L과 화호D/L은 상시개방점으로 연결되어 있어 사고 시 스위치가 동작해 선로절체를 통한 백업 운영이 가능하다. Fig. 6은 백업 운영 시의 단선도를 간략하게 나타낸다.
Fig. 6. Single-line diagram during backup operation
상정고장에 따른 전압제어 알고리즘의 적용 효과를 검토하기 위해서 정읍D/L 중간에 선로탈락 사고를 내고 정전 예방을 위해 부하를 타 선로로 절체하는
시나리오를 적용한다. Table 3은 절체 상황에 따라 발생하는 과전압 및 저전압 시나리오를 나타낸다.
Table 3. Problem scenarios
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구분
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시나리오
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Case 1
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분산전원 절체에 의한 과전압 발생
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Case 2
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부하 절체에 의한 저전압 발생
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Case 1은 선로탈락으로 인해 백업 운영이 필요한 상황에서 절체되는 선로의 분산전원 용량이 클 때 반대편 선로에서 발생하는 과전압 문제를 나타내며,
Case 2는 동일 조건에서 기존 선로에 많은 부하가 절체되어 과부하로 인한 반대편 선로에서 저전압 문제가 발생하는 상황이다.
Table 4는 Case 1, 2에 따라 절체를 통한 변경된 정읍D/L과 화호D/L의 선로 정보를 나타낸다. Case 1에서는 4,000kVA의 분산전원과 35kW의
부하가 절체되며 Case 2에서는 200kVA의 분산전원과 12,035kW의 부하가 절체된다.
Table 4. Change of information of D/L according to scenarios
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구분
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분산전원 절체량
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부하 절체량
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Case 1
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4,000 kVA
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35 kW
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Case 2
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200 kVA
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12,035 kW
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4.3 시뮬레이션 결과
선로탈락은 1초에 발생하며, 이후 전압 문제가 발생하고 정상상태에 도달했을 때 인버터의 Volt-Var 제어가 이루어진다. 이후 Volt-Var 제어가
끝나는 시점에 DVEC 제어가 이루어진다.
Fig. 7은 Case 1의 결과이며 과전압이 발생하여 무효전력을 흡수한다. 초기전압은 1.031p.u.이며, 선로절체 이후 1.07p.u.까지 전압이 상승했다.
Volt-Var 제어를 통해 무효전력을 –726kvar만큼 흡수하였으며, DVEC 제어를 통해 추가적으로 –103.2kvar의 무효전력을 제어하여
최종적으로 PCC 전압이 1.048p.u.까지 제어되었다.
Fig. 7. Voltage control results of case 1
Fig. 8. Voltage control results of case 2
Fig. 8은 Case 2의 결과이며 저전압이 발생하여 무효전력을 방출한다. 초기전압은 Case 1와 같은 1.031p.u.이며, 선로절체 이후 0.876p.u.까지
전압이 떨어졌다. Volt- Var 제어를 통해 무효전력을 +726kvar만큼 출력하고, DVEC 제어를 통해 추가적으로 +103.2kvar의 무효전력을
보상하여 최종적으로 PCC 전압이 0.897p.u.까지 제어되었다.
Case 1, 2에서 모두 인버터 용량의 최대 범위에서 무효전력 출력을 조정하여 PCC 전압을 제어하였고, 배전계통의 전압 유지범위인 0.908∼1.039p.u.에
근접하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 배전계통 고장 시 발생할 수 있는 전압 문제를 효과적으로 해결하기 위해서 인버터의 무효전력 제어기능을 활용하는 전압제어 알고리즘을 제안하고
실 계통 데이터를 활용하여 검증하였다.
고장 발생 후 정전구간을 최소화하기 위한 백업 운영이 필요한 상황에서 선로절체 시 반대편 선로에서 발생할 수 있는 과전압 및 저전압 문제를 해소하기
위해서 인버터의 Volt-Var 제어기능을 개선한 DVEC 방법을 적용하였다.
실 계통에 적용한 결과, 본 논문에서 제안하는 전압제어 알고리즘을 통해 고장 발생 후 절체 선로의 전압 문제를 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였고,
이를 통해 현 정전복구 절차에 따라 분산전원이 연계된 배전계통의 전압 안정성 향상을 위한 기술적 해결책으로 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgement
This work was also supported by a National Research Foundation of Korea (NRF)
grant funded by the Korea government (MSIT) (No. NRF-2021R1F1A1063127)
References
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Inst. Elect. Eng., vol. 71, no. 4, pp. 566-573, 2022.
Biography
He received the B.S. degree in the department of electrical engineering in 2023.
Since 2023, he has been the M.S. student at Daegu Catholic University. His research
interests are technology development and smart inverter control to improve stability
and efficiency in distribution systems.
He received the Ph.D, degree from Korea University in 2012. Since 2017, He is currently
an associate professor at Daegu Catholic University. His main subjects are distribution
system analysis, smart inverter control for flexible energy, ESS control schemes,
and DSO operation for VPP.