Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

Main Menu

Journal Search

[

Research article

]

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 71, No. 4, p.566-573

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 10 November 2021Revised : 04 March 2022Accepted : 08 March 2022

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2022.71.4.566

A Study on Voltage Control Method of Smart Inverter using Matlab-OpenDSS Co-Simulation on Distribution Networks

Matlab-OpenDSS 연계 모의를 이용한 배전 계통의 스마트 인버터 전압 제어 방안 연구

권동영 (Dong-Yeong Gwon) ¹iD 최윤혁 (Yun-Hyuk Choi) ^†iD 심준보 (Jun-Bo Sim) ²iD

(School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu Catholic University, Korean.)
(Korea Electric Power Corporation(KEPCO), Research Institute, Korea.)

^†Corresponding Author : School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu CatholicUniversity, Korea.

E-mail : yhchoi@cu.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

PV Generator at the end of the distribution line affects the direction of the line current and causes voltage increase. Various DER outputs connected to the distribution system have different control characteristics for each connection point. The DER connection point can greatly influence the inverter function and parameter settings. The smart inverter model presented in this paper is a model of simultaneously considering voltage stability of DER linked distribution systems and analyzed at PCC with Matlab-COM. The PCC Voltage when finally stabilized after using Volt-Var function can be adjusted more when there is a margin for the reactive power output. Dynamic Voltage Error Compensation (DVEC) algorithm presented in this paper that automatically refers volt-var curve and measured moving average voltage and finally compensate reactive power output of smart inverter.

Key words

Distributed Energy Resources(DER), Voltage Stability, Smart Inverter, DVEC, Hybrid Voltage Control

1. 서 론

전 세계에서 공통으로 재생에너지와 천연가스의 비중을 늘리고 에너지 효율을 높이는 것을 에너지 정책 방향으로 정하고 있다. 국내의 경우 “재생에너지 3020 이행계획”에 따라 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 약 20%까지 늘리는 것으로 목표를 설정하였다. 현재 주요국과 비교해 재생에너지 발전 비중이 낮은 상황이다. 정부에서는 신규 설비 95% 이상을 태양광, 풍력 등 청정에너지로 공급하여 목표를 달성하고자 한다. 정부의 신재생 에너지 장려 정책과 건설 시간이 짧고 비용이 상대적으로 적게 드는 장점이 있는 배경에서 소규모의 배전계통에 접속되는 분산 전원이 지속해서 증가하는 추세이다^(1-²⁾.

태양광 발전의 출력은 일사량에 영향을 받게 되는데 이러한 발전 출력은 변동성이 있으므로 배전계통에 저전압 및 과전압 문제를 발생시킬 수 있다. 이러한 배전계통의 전압 문제를 방지하기 위해 스마트 인버터의 제어 기능을 통해 계통에 미치는 영향을 최소화하고자 하는 연구가 진행되고 있다^(3-⁴⁾.

국내에 최근 설치된 분산 자원들은 대부분 배전계통에 연계되어 계통의 안정성과 전기품질 유지 등에 대한 어려움을 겪고 있으므로 변동성이 심한 분산 자원 문제를 해결하기 위해서는 계통 제어가 가능한 스마트 인버터의 보급을 늘리는 방법이 가장 효과적이라고 할 수 있다.

스마트 인버터의 Volt-Var 제어 곡선 파라미터 설정에 따라 무효전력 출력값의 안정점이 변화한다. 스마트 인버터에 적용된 Volt-Var 제어 곡선의 파라미터를 실시간으로 변경하는 것은 배전운영시스템과 개별 인버터 간의 온라인 통신이 필요하다. 예를 들어, 현재 저주파수 시 분산전원 단독운전 방지를 위한 인버터 파라미터 설정은 온라인 시스템 연동이 아닌 한전의 설정치 변동 권고에 따른 매뉴얼로 하도록 되어 있다. 또한, 미리 인버터의 전압 제어 효과를 극대화하기 위해서 Volt-Var 제어 곡선의 기울기를 가파르게 조정할 경우 전압 진동 현상이 발생할 수 있다⁽⁵⁾.

따라서, 본 논문에서는 Matlab-Simulink-OpenDSS 연동 모의를 이용하여 스마트 인버터를 모델링하고 Volt-Var 제어 기능을 실 계통에 적용하여 그 효과를 분석한다. 또한, Volt-Var 제어 한계를 극복하기 위해서 인버터의 계통 연계점 평균 전압과 Volt-Var 곡선의 기준 전압 (Volt-Var Reference Voltage Point)의 차를 이용하여 무효전력량을 보상하는 DVEC (Dynamic Voltage Error Compensation) 제어 방안을 제안한다.

또한, DVEC 제어 방안의 제어 효과를 극대화하기 위해서 Volt-Var 제어와 DVEC 제어를 동시에 사용하는 하이브리드 (Hybrid) 제어 방법을 제안하고 분산전원이 연계된 배전계통에 적용하여 Volt-Var 제어, DVEC 제어, 하이브리드 제어 결과를 각각 비교하여 배전계통의 과전압 현상을 해소하고 계통의 전압 안정도 향상 효과를 확인한다.

2. 본 론

2.1 스마트 인버터 정의

스마트 인버터는 전력계통의 안정적인 운영을 지원하기 위하여 자율적으로 분산 전원의 출력을 제어하는 기능을 갖춘 인버터이며, IEEE 1547-2018에서 계통 안정화를 위한 필수 자율 운전 기능을 도출하였다. 이후 IEC 61850-7-520을 바탕으로 Volt-Var 제어, Volt-Watt 제어의 주요 입력 파라미터와 운영, 시험절차, 판정 기준 제시를 통해 통신 인터페이스를 이용할 수 있는 방법을 도출하였다⁽⁶⁾.

2.2 스마트 인버터의 전압 조정 기능

스마트 인버터는 계통에 연계되어 계통 지원 기능을 수행한다. 분산 에너지 자원을 전력 시스템 및 관련 인터페이스와 상호 연결하는 장비에 대한 IEEE 표준 적합성 테스트 절차로 IEEE 1547.1-2020 에서 시험방법에 관한 규정, 전압 조정에 대한 기능 및 요구사항으로 고정 역률 제어(Fixed PF) 모드, 전압-무효전력(Volt-Var) 모드, 전압-유효전력(Volt-Watt) 모드 기능을 요구한다⁽⁷⁾.

그림. 1. 스마트 인버터의 고정 역률 제어

Fig. 1. 스마트 인버터의 고정 역률 제어

그림 1의 고정 역률 제어 기능은 유효전력의 변동에 따라서 역률을 제어하여 무효전력이 공급, 흡수하도록 하는 고정 역률제어 기능이다. 고정 역률 제어 기능은 계통 운영자가 원하는 역률로 인버터를 운전하는 방식이다. 하지만 배전선로의 전압 변동에 대응하여 능동적으로 제어 불가능한 단점이 존재한다.

Volt-Var 제어 기능은 연계점 전압에 따라 무효전력을 공급, 흡수하도록 제어하는 기능이다. 선로의 전압을 측정하여 과전압 발생 시 점차 유도성 무효전력 출력을 증가시키는 방법 통해 전압을 감소시키며, 반대로 저전압 발생 시 용량성 무효전력 출력을 통해 선로 전압을 상승시키는 능동 제어 방법이다.

그림. 2. 스마트 인버터의 Volt-Var 제어

Fig. 2. Volt-Var Curve of Smart Inverter

Volt-Watt 제어 기능은 전압 변동에 따른 유효전력을 제어하는 기능이다. 선로의 전압을 측정하여 설정된 전압보다 높을 시 유효전력 출력을 감소시켜 전압을 안정화하는 방법이다. 전압 변동에 대해 무효전력을 제어를 우선으로 하나, 무효전력 출력 한계에 대해 유효전력을 감소시켜서 전압을 강하시키는 목적으로 주로 사용된다.

그림. 3. 스마트 인버터의 Volt-Watt 제어

Fig. 3. Volt-Watt Curve of Smart Inverter

2.3 인버터 연계 계통의 전압-무효전력 관계

그림. 4. 전압-무효전력 관계도

Fig. 4. Q-V Relationship

표 1. 인버터 연계 계통의 전압-무효전력 관계

Table 1. Q-V Relationship of Inverter Connected Grid

요소	설명
P, Q	인버터의 유효 및 무효전력
V, θ	인버터 연계점의 크기와 위상각
Z	인버터의 외부 임피던스
E	외부 전압원의 전압 크기

그림 4는 일반적인 외부 전압원 소스와 인버터 연계 배전계통의 전압-무효전력 관계를 나타내는 것이다. 이때 인버터의 연계점 전압에 영향을 미치는 요소는 표 1과 같다.

(1)

$\begin{cases} P=\dfrac{V^{2}}{Z}\cos\phi -\dfrac{VE}{Z}\cos(\theta +\phi)\\ Q=\dfrac{V^{2}}{Z}\sin\phi -\dfrac{VE}{Z}\sin(\theta +\phi) \end{cases}$

(2)

$\begin{cases} \cos(\theta +\phi)=\dfrac{V}{E}\cos\phi -\dfrac{PZ}{VE}\\ \sin(\theta +\phi)=\sqrt{1-\cos^{2}(\theta +\phi)}=\sqrt{1-\left(\dfrac{V}{E}\cos\phi -\dfrac{PZ}{VE}\right)^{2}} \end{cases}$

(3)

$Q=\dfrac{V^{2}}{Z}\sin\phi -\dfrac{VE}{Z}\sqrt{1-(\dfrac{V}{E}\cos\phi -\dfrac{PZ}{VE})^{2}}$

수식(1)은 인버터 연계점의 전력 조류 방정식을 이용한 유효전력과 무효전력 수식을 나타낸 것으로 수식(2)와 같이 삼각함수로 정리하여 최종적으로 수식(3)으로 표현할 수 있다. 수식(3)은 스마트 인버터의 무효전력 출력에 의해 생성되는 계통 전압 특성 곡선을 나타낸다^(8-⁹⁾.

2.4 Volt-Var 제어 곡선

2.4.1 Volt-Var 제어 곡선의 파라미터 설정

그림. 5. Volt-Var 제어 곡선

Fig. 5. Volt-Var Characteristic Curve

본 논문에서 적용한 Volt-Var 제어 곡선은 일반적인 배전선로 제어모델로 적합한 IEEE 1547-2018 Category-B 표준 곡선을 변형하여 적용한다. 기존 Category-B 표준 곡선은 보편적인 배전선로의 제어모델로 적합하지만 배전선로 말단에 분산전원이 연계된 상황에서 무효전력을 제어하는 효과가 감소하기 때문에 저ㆍ고전압 상황에 대해 더욱 민감하게 반응하여 보상할 수 있는 방향으로 변형한다^(10-¹²⁾.

Volt-Var 제어 곡선의 파라미터는 그림 5와 같다. 특성 곡선에서 전압이 92% 이하일 경우 용량성 무효전력의 최대 출력이 이루어지고 106%인 경우 유도성 무효 전력 출력이 최대가 된다. 무효전력의 출력이 0인 구간(Dead Band)은 98∼102% 범위이다. 전압의 92∼98% 구간에서 전압이 높아질수록 용량성 무효전력 출력이 증가하며, 102∼106% 구간에서는 전압이 낮아질수록 유도성 무효전력 출력이 감소한다.

2.4.2 계통 전압 특성 곡선과 Volt-Var 제어 곡선에 따른 안정도 판별

그림 6은 계통 특성 곡선과 Volt-Var 제어 곡선에 따른 안정 운전점 생성 과정을 나타낸다. 최초의 연계점 측정 전압 (V0, Q0)의 계통 특성 곡선의 전압값에 대한 Volt-Var 제어의 무효전력 출력이 T1에서 Qc1(V0)값으로 나타나게 된다. 다음 주기인 T2=T1+ΔT에서 계통 특선 곡선에 따른 Volt-Var 무효전력 출력 지령치가 Qc2(V1)으로 나타나게 되고 이후의 계통 특성 곡선에 따른 Volt-Var 지령치는 지속적으로 ΔT의 주기마다 생성된다. Volt-Var 제어 곡선의 Dead Band 범위에 위치하거나 전압변화가 생기지 않을 때까지 지속적으로 Volt-Var 제어 기능을 수행한다.

그림. 6. Volt-Var 제어 안정 운전

Fig. 6. Stable Operation of Volt-Var Control

이때, Volt-Var 제어 곡선의 기울기와 계통 전압 특성 곡선과의 관계에 따라 안정 운전점으로 수렴하거나 진동하며, 안정 운전점으로 수렴하기 위한 조건은 수식(4)와 같다.

(4)

$\left | slope_{Volt-Var}\right | <\left | slope_{계통전압특성곡선}\right |$

현재 계통 전압 특성 곡선과 그림 6의 안정 기준에 의해 결정되는 안정 운전점은 추가적인 무효전력량이 존재할 수 있다. 하지만 만약 Volt-Var 제어 곡선의 기울기를 가파르게 조정할 경우 그림 7과 수식(5)의 조건에 따라 전압 진동이 발생할 수 있다.

그림. 7. Volt-Var 제어의 불안정 운전

Fig. 7. Unstable Operation of Volt-Var Control

즉, 분산전원 연계점 전압이 수렴하고 진동이 발생하지 않는 안정된 상태에 도달하기 위해서는 계통 특성 곡선의 기울기와 Volt-Var 곡선의 기울기 선정이 매우 중요하다^(13-¹⁴⁾.

(5)

$\left | slope_{Volt-Var}\right | >\left | slope_{계통전압특성곡선}\right |$

2.5 DVEC 제어 방안

본 논문에서는 인버터의 계통 연계점 평균 전압과 Volt-Var 곡선의 기준 전압의 차를 이용하여 인버터의 무효전력량을 보상하는 DVEC (Dynamic Voltage Error Compensation) 제어 방안을 제안한다.

계통 연계점의 평균 전압을 구하기 위해서는 이동평균법(Moving Average)을 사용하는데 이는 시계열의 각 항의 전, 후 일정 함수의 평균값을 연결하여 경향선을 구하는 방법이다. 이동평균 전압은 30초, 1분, 5분 등 사용자가 설정할 수 있으며, 이동평균의 주기는 전압값을 평활화하기 위한 입력값의 평균 주기를 고려하여 설정한다.

이동평균 전압값과 순시 전압값의 오차를 이용하기 위해서 측정된 순시 전압값을 이용하여 이동평균 전압을 구하고, 이동평균과 Volt-Var 곡선 제어 기준 전압값과의 차를 이용해 전압 오차를 만들어 낸다. 그리고 생성된 전압 오차를 이용하여 DVEC 제어 곡선에 대한 무효전력 지령치를 생성한다. 이때 생성되는 무효전력 지령치는 스마트 인버터의 무효전력 출력 최댓값을 넘지 않도록 제한해야 한다.

2.5.1 DVEC 제어 곡선 선정

그림. 8. DVEC 특성 곡선

Fig. 8. DVEC 특성 곡선

DVEC 제어 곡선은 그림 8과 같다. DVEC 제어 곡선에 따라 측정된 순시 전압 값과 이동평균 전압과의 차이에 대한 출력량을 결정하므로 Δ Voltage 전압 제어 기준점에 따라 무효전력 출력이 달라진다. 기본적으로 제어 곡선은 이동평균 전압을 이용하여 연계점에서의 순간적인 저전압, 과전압 상황에서 출력변동을 최소화하고 가용한 무효전력 범위 내에서의 출력을 안정적으로 늘릴 수 있다.

(6)

$Q(V_{d {if}f})=a V_{d {if}f}+Q_{0}$

무효전력 보상 수식(6)과 같이 간단한 1차 함수를 이용하여 기울기 $a$와, 전력 절편 $Q_{0}$을 지정해주고, 전압 오차 $V_{d {if}f}$를 입력받아 전압 보정에 필요한 무효전력 $Q$ 값이 출력된다. DVEC 제어 곡선에서 Dead Band가 필요한 경우에 $Q(V_{d {if}f})$ 함수를 두 개 사용하여 $V_{d {if}f}$가 0보다 클 경우와 0보다 작을 경우로 나누어 적용되는 조건과 Dead Band 내에서는 동작하지 않도록 하는 내부 동작 조건은 수식(7)과 같다.

(7)

\begin{align*} {if} \quad V_{d {if}f}>(Ref+Dead B {and}/2),\: Q(V_{d {if}f})\\ =a_{1}V_{d {if}f}+Q_{10}\\ {if} \quad V_{d {if}f}<(Ref-Dead B {and}/2),\: Q(V_{d {if}f})\\ =a_{2}V_{d {if}f}+Q_{20}\\ Else,\: Q=0 \end{align*}

2.6 하이브리드 무효전력 제어 방안

그림. 9. 하이브리드 무효전력 제어 순서도

Fig. 9. Hybrid Reactive Power Control Flow-Chart

본 논문에서는 DVEC 제어 방안의 인버터 무효전력 제어 효과를 극대화하기 위해서 Volt-Var 제어와 DVEC 제어를 혼용하는 하이브리드 무효전력 제어 방안을 적용한다. 인버터 무효전력 제어 순서는 그림 9와 같다.

그림. 10. Matlab-Simulink-OpenDSS 연동 모델

Fig. 10. Matlab-Simulink-OpenDSS Linked Model

먼저, Simulink 기반으로 모델링한 분산전원 데이터와 배전계통 데이터를 입력한다. 이 데이터를 Matlab의 COM (Component Object Model) 인터페이스를 이용하여 OpenDSS 해석 엔진과 연동하여 초기 조류계산을 수행한다. 이때, 연산된 연계점 전압이 Simulink의 Volt-Var 제어 블록, 이동 평균 블록으로 동시에 전달된다.

Volt-Var 제어 블록에서는 특성 곡선에 따른 인버터 무효전력이 출력된다. 이동 평균 블록에서는 연계점 전압의 이동평균 전압이 산출되는데, 이 이동평균 전압 값과 Volt-Var 전압 기준점과의 전압 오차를 생성하고 전압 오차가 DVEC 블록에 전달되어 무효전력 출력량이 결정된다. Volt-Var 제어와 DVEC 제어에서 결정된 무효전력량을 합산하여 OpenDSS 해석엔진으로 전달하여 조류계산을 수행하며, 전압 안정점에 도달할 때까지 반복 수행된다.

2.7 실 계통 모의

2.7.1 Matlab-Simulink-OpenDSS 연계 모델

DVEC 및 Vol-Var 제어에 대한 Matlab-Simulink-OpenDSS 연계 모델은 그림 10과 같고, 각 부분에 대한 설명은 표 2와 같다. 즉, 분산전원의 유효전력 출력값이 OpenDSS 해석 엔진으로 전달되어 발전량을 기준으로 Target 시스템의 조류 해석을 수행하며, 연산된 연계점 전압을 이용하여 제어 모델을 통해 다음 주기의 무효전력 지령치를 전달하게 된다.

표 2. 연계 모델의 기능

Table 2. Functions of Co-Simulation Model

구역	기능
A	분산전원 출력 설정
B	Volt-Var 제어 모델
C	DVEC 제어 모델
D	OpenDSS 조류해석 모델
E	전압 및 무효전력 출력 모니터링

2.7.2 Target 시스템 선정

본 논문에서 제안하는 DVEC 제어 방안의 전압 제어 효과를 분석하기 위해서 정주변전소 정읍D/L을 Target 시스템으로 설정하였다. 정읍D/L은 태양광 발전이 선로 말단에 주로 연계되어 있으며, 발전 용량이 약 10MVA로 분산전원 인버터의 제어 효과를 분석하기에 적합하다. 그림 11은 정읍 D/L의 단선도를 나타내며, 분산전원 연계 정보는 표 3과 같다.

그림. 11. 정읍 D/L의 단선도

Fig. 11. Single Line Diagram of Jeongeup D/L

표 3. 정읍 D/L 연계 정보

Table 3. Grid Data of Jeongeup D/L

분산전원 연계 수	총 발전 용량	총 구간 부하
46개	9,632 [kVA]	1,199 [kVA]

2.7.3 Volt-Var 단일 제어 모의

먼저, Volt-Var 단일 제어 효과와 전압 제어 한계를 확인하기 위해서 표 4의 시나리오 1과 같이 Volt-Var 곡선의 전압 제어 기준점을 변경하여 Target 시스템에 적용한다.

표 4. 모의 시나리오 1

Table 4. Simulation Scenario 1

구분	Volt-Var 전압 제어 기준점 [P.U]
Case 1	0.98
Case 2	1.0
Case 3	1.02

Volt-Var 곡선의 전압 제어 기준점 변경에 따른 전압 및 무효전력 출력 결과를 그림 12와 13에 각각 나타내었다. 계통 전압 특성 곡선과 Volt-Var 전압 곡선과의 관계에 따라 전압 및 무효전력 수렴 값이 변하고, 기준점의 전압을 낮게 설정할수록 최종 전압 안정점도 더 안정적으로 추종하는 것을 확인할 수 있다.

그림 12를 보면 전압 기준점을 0.98[pu]로 이동하면 고정 역률을 유지하며 인버터 무효전력 하한에 최대로 가깝게 조정되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, Volt-Var 제어 기준점 위치에 따라 전압 제어 효과가 달라지며, 인버터가 갖는 무효전력 제어 하한에 100% 도달하지 못하여 연계점 전압 제어에 한계가 발생하는 문제가 있다.

그림. 12. 시나리오 1의 연계점 전압

Fig. 12. PCC Voltages of Scenario 1

그림. 13. 시나리오 1의 무효전력 출력

Fig. 13. Reactive Power Outputs of Scenario 1

2.7.4 DVEC 하이브리드 제어

앞서 밝힌 바와 같이 Volt-Var 단일 제어가 갖는 인버터 전압 제어의 한계를 보완하기 위해서 본 논문에서 제안하는 DVEC 제어 방안을 적용한 하이브리드 제어를 Target 시스템에 적용한다. 이때, 기존 Volt-Var 제어와의 차이를 비교하기 위해서 표 5와 같이 인버터 제어가 없는 경우, Volt-Var 단일 제어, DVEC 제어 방안을 적용한 하이브리드 제어로 구분한 시나리오에 대해 모의하였다.

표 5. 모의 시나리오 2

Table 5. Simulation Scenario 2

구분	제어 방안 적용
Case 1	Base Case (No Control)
Case 2	Volt-Var 제어
Case 3	Volt-Var 제어 + DVEC 제어

그림 14와 15는 모의 시나리오에 대한 전압 및 인버터 무효전력 출력 결과를 나타낸다. Basecase와 같이 인버터 제어가 없는 경우 선로 말단에 연계된 태양광에 의해 1.0728[pu]의 과전압이 발생하며, Case 2와 3의 인버터 제어를 통해 전압이 제어되는 것을 확인할 수 있다.

그림. 14. 시나리오 2의 연계점 전압

Fig. 14. PCC Voltages of Scenario 2

그림. 15. 시나리오 2의 무효전력 출력

Fig. 15. Reactive Power Outputs of Scenario 2

Case 2의 결과를 보면 Volt-Var 단일 제어는 인버터의 무효전력 제어량이 실제 출력 가능 범위보다 적기 때문에 분산전원 연계점의 전압 제어에 한계가 있다는 것을 확인할 수 있다. 이는 Volt-Var 곡선의 파라미터에 따라 무효전력 최대 공급 및 흡수 범위에서 전압 안정화가 이루어짐을 의미한다.

Case 3의 결과를 보면 하이브리드 제어를 통해 실제 인버터가 갖는 무효전력 제어 최대치까지 전압을 제어할 수 있으며, 기존의 Volt-Var 제어보다 더 빠른 응동을 통해 선로 과전압을 해소시킬수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 기존의 Volt-Var 제어 시 인버터가 최종 수렴한 전압값이 전압 안정범위 밖에 존재하고 인버터의 무효전력 제어량이 존재하면 DVEC 제어를 통해 연계점 전압을 전압 안정범위 안으로 제어할 수 있다.

3. 결 론

본 논문에서는 분산전원이 연계된 배전계통의 스마트 인버터의 전압 제어를 위해 DVEC 제어 방안을 제안하고, 전압 제어 효과를 극대화하기 위해서 하이브리드 제어 방안을 제안하였다.

DVEC 제어 방안은 측정된 이동평균 전압과 Volt-Var 곡선 기준점과의 차이의 오차를 보정하여 연계점 전압과 이동평균 전압의 차를 줄이는 방향으로 인버터 무효전력을 생성한다.

DVEC 제어의 연계점 전압 제어 효과를 확인하기 위해서 정주 변전소의 정읍 D/L을 Target 시스템으로 설정하였으며, Matlab/Simulink를 이용하여 인버터 및 DVEC 제어 알고리즘을 모델링하고 OpenDSS 해석 엔진과 연계하여 모의하였다.

배전 계통의 과전압 상황에서 Volt-Var 단일 제어와 DVEC 제어를 통한 하이브리드 제어 결과를 비교하여 실시간으로 기준점 위치를 조정하지 않고도 정읍 D/L의 연계점 전압을 효과적으로 제어했으며, 인버터의 무효전력 제어량을 100% 이용함을 확인하였다. 즉, DVEC를 이용한 하이브리드 제어를 통해 배전 계통 내에서 부하 변동이 심한 상황에서 Volt-Var 단일 제어가 갖는 문제점을 개선하고 보다 안정적으로 분산전원 연계점 전압을 안정화시킬 수 있음을 확인하였다.

향후 DVEC 제어 방안을 더욱 발전시켜 다중 인버터를 계층적으로 제어할 수 있는 분산전원 시스템의 계층적 전압 제어(Hierarchical Voltage Control of DER System)를 연구할 예정이다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Electric Power Corporation (Grant number : R20XO02-18). This work was also supported by a National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. NRF-2021R1F1A1063127).

References

Minister of Trade Industry and Energy, 2017, Industry and Energy’s 5th Framework Plan for Renewable Energy(2020–2034), Available : http://englishmotiegokr/

F Ding, DEC. 2016, Photovoltaic Impact Assessment of Smart Inverter Volt-VAR Control on Distribution System Conservation Voltage Reduction and Power Quality, NREL, Report : NREL/TP-5D00-67296

EPRI, DEC 31. 2020, Tailoring IEEE 1547 Recommended Smart Inverter Setting Based on Modeling Grid Performance, National Grid Solar Phase II Program Report, ProductID-3002020102

EPRI, DEC 28. 2016, Common Functions for Smart Inverters: 4th Edition, ProductID-3002008217

Chang-Yeop Maeng, ng-Min Jo, No-Gil Myoung, Hyeon-Jin Kim, Seong-Soo Cho, Dec 2021, Effect of Volt-Var Characteristic Curve Slope on Voltage Oscillation, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, KIEE, Vol. 71, No. 1, pp. 105-113

M. Ingram, R. Mahmud, D. Narang, July 2021. Report : NREL/ TP-5D00-77959, Informative Background on the Interoperability Requirements in IEEE Std 1547-2018, NREL

SA IEEE, May 21 2020, IEEE 1547.1-2020 IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces, IEEE Std 1547.1-2005

EPRI, Dec 09. 2016, Analysis to Inform CA Grid Integration Rules for PV: Final Report on Inverter Settings for Transmission and Distribution System Performance, Product ID-3002008300

PES IEEE, Aug. 2020, Impact of IEEE 1547 Standard on Smart Inverters and the Applications in Power Systems, Report : PES-TR67r1

HJ Lee, April 2020 DOI : 103390/en13092294, Optimal Parameters of Volt-Var Function in Smart Inverters for Improving System Performance, Soongsil University, Energies 2020, Vol. 13, No. 9, pp. 2294

EPRI, Oct 13. 2010, Specification for Smart Inverter Interactions with the Electric Grid Using International Electrotechnical Commission 61850, Product ID-1021674

IEEE, 6 April 2018, 1547-2018 IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated Electric Power Systems Interfaces, IEEE Std 1547-2003

EPRI, DEC. 2020, Federated Architectureor Distributed Energy Resources Integration, Product ID- 3002019424

Wang Wenzong, Shi Xiaojie, Brewster Charles, Huque Aminul, 06 Jan 2021, Oscillation Mechanism and Setting Guideline for Inverter Volt-Var Control, 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)

저자소개

권동영(Dong-Yeong Gwon)

He received the B.S. degree in the major of electrical engineering from Daegu Catholic University in 2021.

Since 2021, he has been an M.S. student at Daegu Catholic University.

His research interests are the hierarchical control method of DERs and smart inverter control.

최윤혁(Yun-Hyuk Choi)

He received the B.S, and Ph.D. degrees in the electrical engineering from Korea University, Seoul, Korea, in 2005, and 2012, respectively.

Currently, he is an assistant professor in the school of electronic and electrical engineering at Daegu Catholic University.

His main subjects are distribution system analysis, smart inverter control and hosting capacity of renewable energy.

심준보(Jun-Bo Sim)

He received the B.S. degree in Electrical Engineering from Dong-Eui University in 2010 and the M.S. degree in electrical engineering from Pohang university of science and technology, Pohang, Korea in 2012.

He worked at Hyundai Heavy Industries Corporation Research Institute from 2012 to 2015.

Since 2015, he has worked as a senior researcher at the KEPCO Research Institute.

His research interest is DER integration in distribution system.

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

Journal Search

Journal XML

Journal Information

Matlab-OpenDSS 연계 모의를 이용한 배전 계통의 스마트 인버터 전압 제어 방안 연구

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 본 론

2.1 스마트 인버터 정의

2.2 스마트 인버터의 전압 조정 기능

2.3 인버터 연계 계통의 전압-무효전력 관계

(1)

(2)

(3)

2.4 Volt-Var 제어 곡선

2.4.1 Volt-Var 제어 곡선의 파라미터 설정

2.4.2 계통 전압 특성 곡선과 Volt-Var 제어 곡선에 따른 안정도 판별

(4)

(5)

2.5 DVEC 제어 방안

2.5.1 DVEC 제어 곡선 선정

(6)

(7)

2.6 하이브리드 무효전력 제어 방안

2.7 실 계통 모의

2.7.1 Matlab-Simulink-OpenDSS 연계 모델

2.7.2 Target 시스템 선정

2.7.3 Volt-Var 단일 제어 모의

2.7.4 DVEC 하이브리드 제어

3. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

권동영(Dong-Yeong Gwon)

최윤혁(Yun-Hyuk Choi)

심준보(Jun-Bo Sim)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers