[논문]분산전원이 연계된 배전계통에서 ULTC와 분산전원의 전압제어

전재근; 원동준; 김태현

doi:10.5370/kiee.2011.60.12.2206

분산전원이 연계된 배전계통에서 ULTC와 분산전원의 전압제어
Voltage Control of ULTC and Distributed Generations in Distribution System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.12, 2011년, pp.2206 - 2214

전재근 (인하대학교 대학원) , 원동준 (인하대학교 전기공학부) , 김태현 (명지전문대학 전기과)

Abstract ▼ AI-Helper

LDC(Line Drop Compensation) is widely used in controlling ULTC(Under Load Tap Changer) output voltage at distribution substation. However, LDC may experience some difficulties in voltage control due to renewable energy resources and distributed generations. Therefore, more advanced voltage control algorithm is necessary to deal with these problems. In this paper, a modified voltage control algorithm for ULTC and DG is suggested. ULTC is operated with the voltages measured at various points in distribution system and prevents overvoltage and undervoltage in the distribution feeders. Reactive power controller in DG compensates the voltage drop in each distribution feeders. By these algorithms, the voltage unbalance between feeders and voltage limit violation will be reduced and the voltage profile in each feeder will become more flat.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 분산전원의 증가로 발생할 수 있는 배전계통 피더간의 전압 불균형문제와 일부 노드에서 규정 전압을 벗어나는 상황에 효과적으로 대응하기 위해서, 향상된 ULTC 전압조정 방식과 분산전원 스스로 선로의 무효전력 조정을 통해 배전선로에서의 전압강하를 보상하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 분산전원의 증가에 대비하여 기존의 LDC 방식의 ULTC 전압조정 방식을 개선하여 새로운 ULTC 전압조정 방식을 제안하고, 분산전원 스스로 선로의 무효전력 조정을 통해 전압을 제어할 수 있는 방법에 대하여 제안하여 기존의 전압제어 방식보다 향상된 전압제어 능력을 모의를 통하여 검증하였다.
본론에서는 배전계통에서 유·무효전력의 변화에 따른 전압변동을 정식화하고, 분산전원 연계시 기존 LDC방식의 문제점을 분석하며 ULTC와 DG의 새로운 전압제어 방식을 제안하였다.

가설 설정

두 번째 피더의 첫 번째, 세 번째 노드 그리고 세 번째 피더의 네 번째 노드에 분산전원이 연결되어 있다. ULTC는 V_{Bu s}전압을 보상하는 LDC방식을 사용한다고 가정했다.
의 변화를 그래프로 나타내었다. 그림 2와 그림 3에서 P_DG의 출력은 2MW에서 20MW까지 변화, 부하 P_L은 13MW인 역률 1의 유효전력 부하, 송전단과 수전단과의 거리는 10km로 가정하였다. 그림 2와 그림 3을 비교해보면 R/X 비율이 클수록 유효전력흐름의 변화에 따른 전압변동이 커짐을 확인할 수 있다.
그림 5는 ULTC변압기와 세 개의 배전 선로로 구성된 배전계통을 나타낸다. 방사형 배전계통에 각 피더 별 부하는 중부하, 경부하, 중간 부하로 구성되어 있으며 모두 집중형부하라고 가정했다. 두 번째 피더의 첫 번째, 세 번째 노드 그리고 세 번째 피더의 네 번째 노드에 분산전원이 연결되어 있다.
배전계통의 부하를 집중형 부하로, 분산전원을 인버터 기반의 제어 가능한 분산전원이라고 가정하였다. 분산전원이 위치한 부근에서의 전력의 흐름을 그림 8과 같이 나타내면 송전단 전압 V_S와 수전단 전압 V_L의 차이는 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.

제안 방법

먼저, 기존의 LDC제어 방식을 채택하여 세가지 상황에 대하여 모의해 보았다. 사례1은 LDC를 통해 계산되는 보상 전압 V_m 값이 규정전압의 상한치인 23.
사례6에서는 분산전원이 일정 유효전력 출력 0.1MW을 내고 피더2의 부하는 1MW로 설정된 상태에서 분산전원이 무효전력제어를 하였을 때의 전압제어 효과를 보도록 한다. 무효전력제어를 수행하지 않을 경우인 그림 20과 수행하는 경우인 그림 21을 비교해 보았을 때 전압강하량이 감소하였음을 확인할 수 있다.
여기에서는 앞서 제안한 전압제어의 동작을 확인하고 전압보상여부를 확인하여 제안한 제어 방법의 타당성을 검증하였다. 제안한 제어방법의 검증을 위하여 분산전원이 연계된 배전계통 모델을 그림 10과 같이 구성하였고 계통 파라미터는 표 1과 같다.
이러한 LDC방식의 단점을 보완하기 위해 본 논문에서 제안하는 ULTC 제어 방식에서는 각 피더의 주요지점 전압 데이터들을 측정하고 이를 송출전압제어에 이용하였다. LDC방식과 제안된 방식의 차이점은 LDC 방식에서는 목표지점의 전압 V_m을 유추하여 V_m을 규정범위 내로 제어하는 방식인 반면 제안된 방식에서는 계통의 주요 노드에서 측정된 전압정보를 이용하여 목표하는 전압인 V_obj를 계산하고 V_obj를 규정범위 내로 제어하는 방식이다[8].
본 논문에서 제안하는 제어 방법이 기존 분산전원 무효전력 제어와 다른 점은 분산전원이 위치한 노드의 전압제어가 아닌 선로의 전압강하 또는 전압상승을 고려한다는 점이다. 제안하는 무효전력 제어 방법의 특징은 전압강하 또는 전압 상승이 최소화되도록 무효전력 제어를 시행하는 것이다[8].
제안한 방식의 기준 범위는 Vref±0.1kV 이고, 기존 LDC방식의 기준 범위는 Vref±0.3kV 로 설정하였다.

대상 데이터

먼저, 기존의 LDC제어 방식을 채택하여 세가지 상황에 대하여 모의해 보았다. 사례1은 LDC를 통해 계산되는 보상 전압 V_m 값이 규정전압의 상한치인 23.2kV에 근접해 있을 경우이다. 송출전압이 높지만 피더 2에서 부하가 1MW로 높기 때문에, 그림 11에서 볼 수 있듯이 전체적으로 정상범위 안에서 전압이 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
제안한 제어방법의 검증을 위하여 분산전원이 연계된 배전계통 모델을 그림 10과 같이 구성하였고 계통 파라미터는 표 1과 같다. 피더는 총 세 개로 첫 번째 피더는 부하만 적용된 중부하의 피더, 두 번째 피더는 경부하와 많은 출력을 내는 분산전원의 피더, 세 번째 피더는 중간 정도의 부하로 구성되었다.

성능/효과

그림 14에서는 제안된 방식에서의 V_obj 그래프를 보여주는데, 부하 감소 후 V_obj가 규정전압을 초과하게 된 다음, 지연시간 이후 ULTC의 탭이 동작하여 V_obj를 다시 규정범위 내로 조정해 주는 것을 확인할 수 있고 그림 15에서는 이에 따른 탭 비율의 변화를 확인할 수 있다. 또한 그림 16과 사례2의 그림 12를 비교해 보면 전체적인 전압곡선이 규정전압 중심으로 이동되어 모든 노드의 전압이 규정전압 범위로 유지됨을 확인할 수 있다.
본론에서는 배전계통에서 유·무효전력의 변화에 따른 전압변동을 정식화하고, 분산전원 연계시 기존 LDC방식의 문제점을 분석하며 ULTC와 DG의 새로운 전압제어 방식을 제안하였다. 마지막으로 제안된 전압제어 방식을 PSCAD/EMTDC로 모의함으로써 분산전원이 포함된 배전계통에서 전압제어 성능이 향상됨을 검증하였다.
모의실험 결과에서 제안된 ULTC제어 방식을 사용할 경우 LDC방식의 전압 프로파일에 비해 전체적으로 전압곡선이 규정전압 중심으로 이동되었고 일부 노드에서 규정전압을 벗어나는 상황을 피할 수 있음을 확인하였다.
분산전원을 이용하여 선로의 전압변동 ∆V를 줄여주는 제어를 통하여 전체적인 전압곡선을 보다 완만하게 만들 수 있음을 사례 6, 7의 모의실험을 통해 확인하였다. 본 논문에서 제안된 협조제어 방식에서는, ULTC제어와는 별개로 분산전원 무효전력 제어가 이루어지지만 분산전원의 무효전력 제어가 ULTC동작보다 빠르기 때문에 분산전원의 전압제어가 먼저 이루어지고, 후에 ULTC전압제어가 이루어진다. 따라서 먼저 분산전원의 무효전력제어를 통하여 개선된 전압곡선을 얻고 그 이후 제안된 ULTC제어를 통하여 배전계통의 전압곡선을 규정범위 중심으로 제어하게 되면, 신재생에너지와 같은 불규칙한 출력변동에 대비할 수 있고, 안정적이고 효율적인 전압제어를 할 수 있을 것이다.
본 논문에서 제안하는 제어 방법이 기존 분산전원 무효전력 제어와 다른 점은 분산전원이 위치한 노드의 전압제어가 아닌 선로의 전압강하 또는 전압상승을 고려한다는 점이다. 제안하는 무효전력 제어 방법의 특징은 전압강하 또는 전압 상승이 최소화되도록 무효전력 제어를 시행하는 것이다[8].
분산전원을 이용하여 선로의 전압변동 ∆V를 줄여주는 제어를 통하여 전체적인 전압곡선을 보다 완만하게 만들 수 있음을 사례 6, 7의 모의실험을 통해 확인하였다. 본 논문에서 제안된 협조제어 방식에서는, ULTC제어와는 별개로 분산전원 무효전력 제어가 이루어지지만 분산전원의 무효전력 제어가 ULTC동작보다 빠르기 때문에 분산전원의 전압제어가 먼저 이루어지고, 후에 ULTC전압제어가 이루어진다.
앞의 사례1～사례3을 통하여 LDC의 전압제어 대상 모선인 V1의 전압이 규정범위 안에서 유지되더라도 분산전원의 출력량 또는 부하량에 따라 일부노드에서 규정전압을 벗어날 수 있음을 확인하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 방법을 사용한 결과를 다음 절에서 분석하도록 한다.
더군다나 전체적인 전압곡선이 위 또는 아래로 치우쳐져 있게 되므로 중부하 또는 경부하의 피더 말단에서는 규정전압 넘어서는 현상이 빈번하게 발생할 수 있다. 하지만 제안된 방식에서는 주요 전압 측정치의 평균값을 ULTC 제어에 사용함으로써 전체적인 전압곡선을 규정전압의 중간으로 위치시키게 되므로 LDC방식에서 단점을 보완할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제안된 협조제어 방식에서는, ULTC제어와는 별개로 분산전원 무효전력 제어가 이루어지지만 분산전원의 무효전력 제어가 ULTC동작보다 빠르기 때문에 분산전원의 전압제어가 먼저 이루어지고, 후에 ULTC전압제어가 이루어진다. 따라서 먼저 분산전원의 무효전력제어를 통하여 개선된 전압곡선을 얻고 그 이후 제안된 ULTC제어를 통하여 배전계통의 전압곡선을 규정범위 중심으로 제어하게 되면, 신재생에너지와 같은 불규칙한 출력변동에 대비할 수 있고, 안정적이고 효율적인 전압제어를 할 수 있을 것이다.
이에 추가적으로 분산전원을 이용하여 선로에서의 전압강하를 보상하는 제어를 통하여 전체적인 전압 프로파일을 보다 완만하게 만들 수 있다. 이러한 새로운 제어방식을 통하여 분산전원 연계시에도 안정적이고 효율적인 전력공급이 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배전선로에 흐르는 전력의 크기 및 방향 변화를 예측하기 힘든 이유는?	최근 증가하는 분산전원 출력으로 인해 배전선로에 흐르는 전력의 크기 및 방향 변화를 예측하기 힘들어지고, 전압 조정 또한 문제가 발생할 수 있다. 배전계통 선로의 R/X 비율은 송전단에서의 R/X 비율보다 상당히 크기 때문에 유효전력 또한 전압변동에 많은 영향을 준다.
	현재 배전계통에서 실시하는 제어는?	현재 배전계통에서는 배전용 변전소의 송출전압 조정, 주상변압기 및 무효전력 보상장치를 이용한 전압제어를 실시하고 있지만 분산전원의 증가에 대비한 전압운용과 협조제어 알고리즘 등의 전압제어 대책은 아직 미흡한 실정이다.
	본 논문에서 제안하는 분산전원 무효전력 제어 방법의 특징은?	본 논문에서 제안하는 제어 방법이 기존 분산전원 무효전력 제어와 다른 점은 분산전원이 위치한 노드의 전압제어가 아닌 선로의 전압강하 또는 전압상승을 고려한다는 점이다. 제안하는 무효전력 제어 방법의 특징은 전압강하 또는 전압 상승이 최소화되도록 무효전력 제어를 시행하는 것이다[8].

참고문헌 (8)

N. Jenkins, R. Allan, P. Corssley, D. Kirschen, and G. Strbac, "Embedded Generation", IEE Power and Energy Publication Series, 21, 2000.
H.Y. Li, H. Leite, "Increasing Distributed Generation Using Automatic Voltage Reference Setting Technique", 2008 IEEE PES General Meeting, Pittsburgh, USA, 2008
전재근, 서재진, 강기혁, 원동준, "분산전원의 유효전력 출력 변화에 따른 PCC에서의 전압변동", 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp.257-258, 2009
전재근, 원동준, "분산전원의 유.무효 전력제어를 이용한 배전선로에서의 전압제어", 2010년도 대한전기학회하계학술대회 논문집, 2010
김태응, 김재언, "분산전원이 도입된 배전계통의 전압해석 방법에 관한 연구", The transactions of KIEE. Vol.52A, No.2, pp. 69-78, Feb. 2003
J.-H. Choi, J.-C. Kim, "The Online Voltage Control of ULTC Transformer for Distribution Voltage Regulation", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 23, issue 2, pp. 91-98, Feb. 2001.

상세보기
M. S. Calovic, "Modeling and Analysis of Under Load Tap Changing Transformer Control System", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No.7, pp. 1909-1915, July 1984

상세보기
전재근, "배전계통에서 분산전원과 ULTC의 협조제어방법", 인하대학교 석사학위 논문, 2011년 2월

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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