1. 서 론
최근, 전 세계적인 그린뉴딜 및 RE3020 정책에 따라 배전선로에 연계된 신재생에너지 용량이 급격하게 증가하고 있는 실정이다[1-3]. 특히, 태양광전원은 낮 시간대에 발전량이 급증하는 특성으로 인하여, 수용가의 전압이 규정범위(207[V]~233[V])를 초과하는 사례가 빈번하게
발생하고 있다[4-7]. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 부하 예측을 통해 ESS를 적정하게 충방전하여 배전선로의 허용용량을 유지하는 방안과 기준의 ESS 연계 위치
선정방안이 제시되고 있다[8,9]. 또한, 신재생에너지 수용성 향상을 위하여 특고압 배전선로에 연계되는 VPL 장치의 운용특성과 도입에 대한 타당성 평가방안이 제안되고 있다[10]. 하지만, ESS의 용량을 산정하는 방안과 저압선로에 급속도로 연계되는 신재생에너지의 수용성을 향상시키기 위한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서, 본 논문에서는 전력설비 인프라를 새롭게 설치하지 않고, 신재생에너지의 연계지점이나 수용가 말단 등에 ESS와 운용 플랫폼을 설치 및
운용하여, 신재생에너지의 수용성을 향상시키는 가상적인 전력선로 운용기술인 VPL(virtual power line) 장치의 운용특성을 제시한다. 여기서,
VPL 장치는 VPL 운용 플랫폼, VPL용 ESS, 등으로 구성되는데, 운용 플랫폼은 배전계통, 신재생에너지, 계통유연자원의 운용 데이터를 실시간으로
모니터링하고, 이를 바탕으로 플랫폼의 제어신호에 의하여 ESS의 충·방전 동작을 수행한다. 또한, VPL 장치의 효율적인 운용을 위하여, ESS의
전력 조정치를 바탕으로 수용가의 전압을 규정전압(233[V]) 범위 이내로 조정하는 최소 도입용량과 기준전압(220[V])으로 유지하는 VPL 장치의
최소 및 기준 용량 산정방안을 제안한다. 한편, 본 논문에서는 전력계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 VPL 장치부, VPL
평가시험장치부, 등으로 구성된 VPL 장치가 연계된 저압 배전계통의 모델링을 수행하고, 이를 바탕으로 VPL 시험장치를 구현한다. 상기에서 제시한
모델링과 시험장치를 바탕으로, VPL 장치의 운용특성을 평가한 결과, 11[kW]의 태양광전원의 저압선로 말단에 연계되는 경우, 태양광전원의 역조류에
의하여 수용가의 전압은 모델링과 시험장치에서 모두 238[V]로 산정되어, 수용가의 과전압 현상이 발생함을 알 수 있다. 이러한 수용가의 과전압을
규정범위 이내로 유지하기 위한 VPL 장치의 최소 도입용량은 2.6[kW]/5.8[kWh]로 산정되고, 이를 통해 수용가의 전압은 모델링과 시험장치에서
모두 규정전압 상한치 이내인 232[V]로 감소됨을 알 수 있다. 또한, 수용가의 전압을 기준전압으로 유지하기 위한 VPL 장치의 기준 도입용량은
8.5[kW]/22[kWh]로 산정되고, 이를 통해 수용가의 전압은 모델링과 시험장치에서 모두 기준전압인 220[V]으로 유지됨을 알 수 있다. 따라서,
PSCAD/EMTDC 모델링과 시험장치의 결과에 의한 운용특성이 일치하고, 태양광전원의 수용성을 개선시킬 수 있으므로, 본 논문에서 제안한 VPL
장치의 운용방안의 유효성을 알 수 있다.
3. 저압선로용 VPL 장치의 기준 용량 산정 알고리즘
신재생에너지가 연계된 저압 배전계통은 그림 2와 같이 주상변압기, 저압선로, 인입선, 수용가 부하, 신재생에너지 등으로 구성된다. 여기서, 저압선로에 연계된 신재생에너지에 의하여 수용가에 과전압이
발생하는 경우, 그림 2의 Ⓐ와 같이 VPL 장치를 저압선로 말단 또는 신재생에너지의 연계구간에 설치하여, 수용가의 전압을 적정하게 유지할 수 있다. 하지만, VPL 장치는
ESS와 운용 플랫폼 구축, 통신 인프라의 추가 설치로 인해, 상당한 초기 투자비용이 발생할 가능성이 있으므로, 이를 해결하기 위하여 ESS의 적정용량을
산정할 필요성이 요구되고 있다. 따라서, 본 장에서는 최소의 비용으로 수용가의 전압을 규정전압(233[V]) 범위 이내로 조정하는 최소 도입용량과
부하 및 신재생에너지의 급격한 변화에도 안정적으로 전압을 관리하기 위하여, 수용가의 전압을 기준전압(220[V])으로 유지시키는 기준 도입용량의 산정방안을
제안한다.
그림 2. 신재생에너지가 연계된 저압 배전계통의 구성도
Fig. 2. Concept of secondary feeder with renewable energy source
먼저, 신재생에너지와 VPL 장치가 연계된 저압 배전계통을 등가화하여 나타내면 그림 3과 같다. 즉, 신재생에너지 역조류로 인하여 가장 큰 과전압이 발생한 k번 구간의 수용가 전압($V_{con}(t,\: k)$)은 주상변압기 2차측
직하 전압과 저압선로, 인입선의 전압강하를 고려하여 식 (1)과 같이 정식화할 수 있다. 여기서, 식 (1)의 첫 번째 항은 주상변압기 2차측의 직하 전압으로, 주상변압기 탭에 의해 환산된 2차측 전압에서 내부전압 강하($V_{ptr\_drop}(t)$)를
고려하여 산정한다. 또한, 식 (1)의 두 번째 항은 저압선로에 의한 전압강하를 나타내며, k번 구간의 부하전류($I_{\sec}(t,\: k)$)와 신재생에너지의 역조류($I_{ren}(t,\:
k)$)의 차를 저압선로 임피던스($Z_{\sec}(k)$)에 곱하고, 이 값을 n번 구간까지 누적하여 산정한다. 한편, 식 (1)의 세 번째 항은 수용가의 인입선 전압강하로, k번 구간의 인입선 부하전류($I_{ser}(t,\: k)$)와 인입선 임피던스($Z_{ser}(k)$)를
곱하여 산정한다.
여기서, $V_{con}(t,\: n)$ : 과전압이 가장 크게 발생한 k번 구간의 수용가 전압[V], $V_{ptr,\: pri}(t,\:
k)$: 주상변압기의 1차측 전압[V], $V_{tap,\: pri}$: 주상변압기의 1차측 탭 전압[V], $V_{tap,\: \sec}$: 주상변압기의
2차측 탭 전압[V], $V_{ptr\_drop}(t)$: 주상변압기의 내부 전압강하[V], $\alpha(t)$: 수용가의 부하율[%], $I_{\sec}(t,\:
k)$: k번 구간의 부하전류[A], $I_{ren}(t,\: k)$: k번 구간의 신재생에너지 역조류[A], $Z_{\sec}(k)$: k번 구간
저압선로 임피던스[Ω], $I_{ser}(t,\: k)$: k번 구간의 인입선 부하전류[A], $Z_{ser}(k)$: k번 구간의 인입선 임피던스[Ω],
k: 구간, n: 전체구간, t: 시간대
그림 3. VPL 장치와 신재생에너지가 연계된 저압선로
Fig. 3. Secondary feeder interconnected with VPL device and renewable energy source
따라서, 과전압 현상이 가장 심한 가혹한 조건에 대하여, 식 (1)의 수용가 전압을 규정전압 상한치($V_{upper}$, 233[V]) 이내와 기준전압($V_{ref}$, 220[V])으로 유지하기 위한 전압조정
개념도는 그림 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 4 (a)의 A 영역은 수용가의 전압이 규정범위를 벗어난 시간대를 나타내며, 이를 해소시키기 위한 VPL 장치의 최소 전압 조정치($V_{con\_min}(t)$)는
과전압이 발생한 수용가의 전압을 규정전압 범위 이내로 유지시키기 위한 값으로, 식 (2)와 같이 과전압이 가장 크게 발생한 수용가의 전압($V_{con}(t,\: n)$)에서 상한치 전압($V_{upper}$)을 차감한 값으로 산정할
수 있다.
또한, 그림 4 (b)의 B 영역은 수용가의 전압이 규정범위를 벗어난 시간대를 나타내며, 이를 해소시키기 위한 VPL 장치의 기준전압 조정치($V_{con\_ref}(t)$)는
과전압이 발생한 수용가의 전압을 기준전압으로 유지시키기 위한 값으로, 식 (3)과 같이 과전압이 가장 크게 발생한 수용가의 전압($V_{con}(t,\: n)$)에서 기준 전압($V_{ref}$)을 차감한 값으로 산정할 수 있다.
여기서, $V_{con\_min}(t)$ : VPL 장치의 최소 전압 조정치[V], $V_{con\_ref}(t)$ : VPL 장치의 기준
전압 조정치[V], $V_{upper}$: 규정전압 상한치(233[V]), $V_{ref}$: 기준전압(220[V])
그림 4. VPL 장치의 최소 및 기준 전압 조정치 개념도
Fig. 4. Concept of minimum and reference voltage control values in VPL device
또한, VPL 장치의 최소 및 기준 전류 조정치는 과전압이 발생된 저압선로의 역조류를 흡수하여, 수용가의 전압을 상한치 이내와 기준전압으로
유지시킨다. 즉, 상기의 식 (2)와 식 (3)을 바탕으로, 수용가의 전압을 상한치 이내로 유지하기 위한 최소전류 조정치($I_{VPL\_min}(t)$)는 VPL 장치의 연계구간까지의 선로 임피던스
합으로 나누어 식 (4)와 같이 나타낼 수 있으며, 수용가의 전압을 기준전압으로 유지하기 위한 기준 전류 조정치($I_{VPL\_ref}(t)$)는 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 선로 임피던스는 VPL 장치의 운전 역률(1.0)을 기준으로 산정한다. 따라서, VPL 장치의 최소 및 기준 전력
조정치는 상기에서 제시한 식 (4)와 식 (5)의 전류 조정치와 규정전압 범위를 벗어난 수용가의 전압($V_{con}(t,\: n)$)을 곱하여, 식 (6), 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $I_{VPL\_min}(t)$ : VPL 장치의 최소 전류 조정치[A], $I_{VPL\_ref}(t)$ : VPL 장치의 기준
전류 조정치[A], $Z_{\sec}(k)$ : k번 구간 저압선로의 임피던스[Ω/km], $P_{VPL\_min}(t)$ : VPL 장치의 최소
전력 조정치[kW], $P_{VPL\_ref}(t)$ : VPL 장치의 기준 전력 조정치[kW]
따라서, 상기의 VPL 장치의 최소 및 기준 전력 조정치를 바탕으로, 규정전압을 벗어난 시간대($t_{1}$ ~ $t_{2}$)에 수용가의
전압을 규정전압 상한치 이내로 유지하기 위한 VPL 장치의 최소 kW 및 kWh 도입용량은 식 (8)과 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다. 즉, VPL 장치의 최소 kW 도입용량($VPL_{min\_kW}$)은 그림 5와 같이, $t_{1}$ ~ $t_{2}$ 시간대의 가장 큰 전력 조정치 값으로 결정하고, 최소 kWh 도입용량($VPL_{min\_kWh}$)은
VPL 장치의 최소 전력 조정치를 $t_{1}$ ~ $t_{2}$ 시간대에 대하여 적산한 값으로 나타낼 수 있다.
여기서, $VPL_{min\_kW}$ : VPL 장치의 최소 kW 도입용량[kW], $VPL_{min\_kWh}$ : VPL 장치의 최소 kWh
도입용량[kWh], $t_{1}$ ~ $t_{2}$: 규정전압 범위를 벗어난 시간대
그림 5. VPL 장치의 최소 전력 조정치 개념도
Fig. 5. Concept of minimum control power value in VPL device
또한, 수용가의 전압이 규정전압 범위를 벗어난 시간대($t_{1}$ ~ $t_{2}$)에 기준전압으로 유지하기 위한 VPL 장치의 기준 kW
및 kWh 도입용량은 식 (10)과 식 (11)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 기준 kW 도입용량($VPL_{ref\_kW}$)은 그림 5와 동일한 방법으로, $t_{1}$ ~ $t_{2}$ 시간대의 VPL 장치의 가장 큰 전력 조정치 값으로 결정하고, 기준 kWh 도입용량($VPL_{ref\_kWh}$)은
기준 전력 조정치를 $t_{1}$ ~ $t_{2}$ 시간대에 대하여 적산한 값으로 나타낼 수 있다.
여기서, $VPL_{ref\_kW}$ : VPL 장치의 기준 kW 도입용량[kW], $VPL_{ref\_kWh}$ : VPL 장치의 기준 kWh
도입용량[kWh], $t_{1}$ ~ $t_{2}$: 규정전압 범위를 벗어난 시간대