[논문]신뢰도를 고려한 태양광시스템의 배전계통 연계 알고리즘에 관한 연구

문종필

doi:10.5370/kieep.2011.60.4.241

[국내논문] 신뢰도를 고려한 태양광시스템의 배전계통 연계 알고리즘에 관한 연구
A Study on the Algorithm for Interconnection of PV System on Power Distribution System Considering Reliability 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.60 no.4, 2011년, pp.241 - 245

문종필 (충주대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, when photovoltaic (PV) systems are connected to power distribution system, most effective capacity and connected-point of PV system are presented considering power distribution system reliability. The reliability model of PV system is presented considering the duration of sunshine. Also the model of time-varying load and reliability test system bus2 model are used. To simulate the effects of PV system, various cases are selected; (1) base case which is no connection of PV system to power distribution system when faults are occurred, (2) 3MW case which is 3[MW] connection of PV system (3) 4[MW] case, and (4) 20[MW] case which is 20[MW] connection of PV system to the bus of power distribution system. The capacity limit of connected PV system is settled to 14[MW] for all cases except case 4. The reliability for residential, general, industrial, and educational customer is evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

앞의 결과와 같이 분산전원을 연계할 경우 교육용 수용가에 대하여 기저용량으로 설치하는 경우와 최대용량으로 설치하는 경우 신뢰도 지수에 약간의 차이를 보인다. 그러나 이 값은 기저용량과 최대용량으로 설치하는 경우 계통에 설치한 총 분산전원 용량값에서 차이가 있기 때문에 여기서는 설치한 분산전원 용량[MW]에 대하여 SAIDI값이 얼마나 개선되었는가를 평가하였다. 개선효과 수식은 다음 식 (4)와 같다.
따라서 본 논문에서는 배전계통 신뢰도 측면에서 바라본 태양광시스템의 최적 용량 및 최적 연계위치 제안한다.
그러나 화석에너지의 고갈 및 에너지 비용이 점차 증가하고 있는 현실에서 무한정 사용 가능한 PV시스템은 향후 보다 많이 사용될 것이다. 본 논문에서는 PV시스템을 설치할 경우 어느 위치에 얼마 크기의 용량으로 우선적으로 설치해야 하는지 우선순위를 결정하고자 한다. 즉, 만약 PV시스템을 설치하고자 한다면 배전계통의 어느 위치에 얼마 크기의 용량을 설치하는 것이 신뢰도 측면에서 가장 효과적인지에 대한 문제로 변경한다.
본 논문에서는 분산전원을 설치할 경우 설치위치의 우선 순위 결정 및 최적 설치용량 결정 문제를 연구하였다. 5가지 Case에 대하여 각각 분산전원 연계가 없는 경우, 교육용 수용가에 대하여 기저용량 만큼 분산전원 용량을 설치하는 경우, 최대용량 만큼 분산전원 용량을 설치하는 경우에 대하여 각각 우선순위를 결정하여 신뢰도를 평가하였다.
본 연구에서는 최근 활발히 연구되어 계통에 적용되고 있는 PV시스템에 대하여 계통에 연계될 경우 신뢰도 측면에서 가장 효과적인 위치 및 용량을 제안하였다. 우선, 일조시간을 고려하여 PV시스템의 신뢰도 모델을 설정하였고, RTS BUS2 모델을 이용하였다.

가설 설정

본 논문에서는 계산을 간략화를 위하여 평균 4시간 발전하는 것으로 가정하여 모델링하였다. 즉 PV시스템에 하루 중에서 발전을 수행하고 있을 확률은 4/24 = 1/6이며 발전을 수행하고 있지 않을 확률은 20/24 = 5/6이다.

제안 방법

본 논문에서는 분산전원을 설치할 경우 설치위치의 우선 순위 결정 및 최적 설치용량 결정 문제를 연구하였다. 5가지 Case에 대하여 각각 분산전원 연계가 없는 경우, 교육용 수용가에 대하여 기저용량 만큼 분산전원 용량을 설치하는 경우, 최대용량 만큼 분산전원 용량을 설치하는 경우에 대하여 각각 우선순위를 결정하여 신뢰도를 평가하였다.
우선, 일조시간을 고려하여 PV시스템의 신뢰도 모델을 설정하였고, RTS BUS2 모델을 이용하였다. PV가 일조시간 및 날씨 상황에 따라 출력이 변하기 때문에, 부하도 시간에 따라 변하는 시변 부하 모델을 사용하였다. 시뮬레이션을 위한 케이스 선정은 고장시 계통연계가 없는 경우를 기본 케이스로 선정하고, 국내 배전계통의 상황을 고려하여 연계가 가능한 경우, 3[MW]까지 연계가 가능한 경우, 4[MW]까지 연계가 가능한 경우, 모선에 대용량(20[MW])의 발전기가 연계되어 있는 경우로 분리하였으며, 계통의 용량제한은 14[MW]로 설정하였다.
각각 기본신뢰도 지수 및 추가신뢰도 지수를 평가하여 상호 비교하여 신뢰도 개선효과를 검증하였으며, 기저용량 설치와 최대용량 설치시에 총 분산전원의 용량이 서로 상이하기 때문에 설치용량대비 SAIDI개선효과를 도출하여 신뢰도 측면에서 보다 효과적인 Case를 산정하였다. 기저용량을 설치할지 최대용량을 설치할지를 결정하는 문제는 계통 상황에 따라 다른 결과가 도출되는 것을 확인하였다.
즉 PV시스템에 하루 중에서 발전을 수행하고 있을 확률은 4/24 = 1/6이며 발전을 수행하고 있지 않을 확률은 20/24 = 5/6이다. 또한 발전 시간은 일조, 일몰시간을 고려하여 오전 9시~오후 5시로 설정하였다. 다음 그림 1은 태양광 발전시스템의 시간에 따른 발전정도의 예를 나타낸다.
모든 경우에 대하여 배전계통의 사고시 피더당 용량인 14[MW]를 넘지 않도록 제약조건을 설정하였다.
PV시스템이 시간에 따라 변하는 값이므로, 부하도 시간에 따라 변하는 시변부하로 모델링되어야 한다. 본 논문에서는 참고문헌 [7]에 근거하여 수용가 종별에 따라 부하를 모델링하였다. 그림 3은 수용가 종별에 따른 시변 부하 모델의 몇 가지 예를 나타낸다.
즉, 만약 PV시스템을 설치하고자 한다면 배전계통의 어느 위치에 얼마 크기의 용량을 설치하는 것이 신뢰도 측면에서 가장 효과적인지에 대한 문제로 변경한다. 여기서는 각 LP별 Unavailability를 평가하여 신뢰도가 가장 좋지 않은 순서부터 나열하여 분산전원을 설치하는 것으로 결정하였다.

대상 데이터

PV가 일조시간 및 날씨 상황에 따라 출력이 변하기 때문에, 부하도 시간에 따라 변하는 시변 부하 모델을 사용하였다. 시뮬레이션을 위한 케이스 선정은 고장시 계통연계가 없는 경우를 기본 케이스로 선정하고, 국내 배전계통의 상황을 고려하여 연계가 가능한 경우, 3[MW]까지 연계가 가능한 경우, 4[MW]까지 연계가 가능한 경우, 모선에 대용량(20[MW])의 발전기가 연계되어 있는 경우로 분리하였으며, 계통의 용량제한은 14[MW]로 설정하였다.

이론/모형

신뢰도 평가를 위한 모델은 IEEE Bus2 모델을 사용하였다[3-6]. 그림 2는 이 모델을 나타낸다.
본 연구에서는 최근 활발히 연구되어 계통에 적용되고 있는 PV시스템에 대하여 계통에 연계될 경우 신뢰도 측면에서 가장 효과적인 위치 및 용량을 제안하였다. 우선, 일조시간을 고려하여 PV시스템의 신뢰도 모델을 설정하였고, RTS BUS2 모델을 이용하였다. PV가 일조시간 및 날씨 상황에 따라 출력이 변하기 때문에, 부하도 시간에 따라 변하는 시변 부하 모델을 사용하였다.

성능/효과

각각 기본신뢰도 지수 및 추가신뢰도 지수를 평가하여 상호 비교하여 신뢰도 개선효과를 검증하였으며, 기저용량 설치와 최대용량 설치시에 총 분산전원의 용량이 서로 상이하기 때문에 설치용량대비 SAIDI개선효과를 도출하여 신뢰도 측면에서 보다 효과적인 Case를 산정하였다. 기저용량을 설치할지 최대용량을 설치할지를 결정하는 문제는 계통 상황에 따라 다른 결과가 도출되는 것을 확인하였다.
736[%]의 신뢰도 개선 효과를 보인다. 따라서 PV를 본 논문의 알고리즘에 따라 설치할 경우 임의로 설치위치 및 용량을 결정하는 것에 비하여 SAIDI를 개선할 수 있음을 보여준다.
위 결과에서, PV를 설치할 경우 설치용량대비 최저 0.054[%]에서 최대 0.736[%]의 신뢰도 개선 효과를 보인다. 따라서 PV를 본 논문의 알고리즘에 따라 설치할 경우 임의로 설치위치 및 용량을 결정하는 것에 비하여 SAIDI를 개선할 수 있음을 보여준다.

후속연구

신뢰도 및 비용측면에서는 현재 PV시스템은 경제성이 없다. 그러나 화석에너지의 고갈 및 에너지 비용이 점차 증가하고 있는 현실에서 무한정 사용 가능한 PV시스템은 향후 보다 많이 사용될 것이다. 본 논문에서는 PV시스템을 설치할 경우 어느 위치에 얼마 크기의 용량으로 우선적으로 설치해야 하는지 우선순위를 결정하고자 한다.
본 논문은 신재생 에너지의 분산전원 연계가 늘어나고 있는 상황에서, 신뢰도를 고려하여 분산전원의 최적의 용량 및 연계위치를 제안하여 계통 신뢰도 향상 효과를 얻을 수 있고, 향후 스마트그리드로 발전시 가장 기초적인 자료로 이용 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산전원이 연계될 때 장점은?	이러한 신재생 에너지는 분산전원 형태로 전력계통, 특히 배전계통에 주로 연계되어 운전하고 있는 실정이다. 분산전원이 연계되면, 계통에 이상 발생시 분산전원을 통하여 중요부하에 전력을 공급할 수 있고 또한 고장시 다른 선로로부터 전력을 받을 시 연계용량 확보에 유리한 점이 있다. 즉, 배전계통 신뢰도 향상을 이룰 수 있게 된다.
	태양광 발전시스템의 단점은?	태양광 발전시스템은 태양만 비추면 발전을 할 수가 있으나, 날씨가 흐리거나 갑자기 구름이 태양을 가리게 되면 즉시 발전을 멈추기 때문에, 에너지관리공단 통계에 따르면 평균 하루 평균 3.8시간만 발전을 하고 있는 실정이다.
	배전계통 신뢰도 평가를 크게 5가지로 분류하면?	1) 고장시 연계가 없는 경우 2) 고장시 용량에 관계없이 연계가 가능한 경우 3) 고장시 3[MW]까지만 연계가 가능한 경우 4) 고장시 4[MW]까지만 연계가 가능한 경우 5) 배전모선에 대용량(20[MW]) 열병합 발전설비가 연계되어 있는 경우

참고문헌 (7)

Philip P. Barker, Robert W. De Mello, "Determining the impact of distributed generation on power systems: part1-radial distribution systems", IEEE PES Summer Meeting, Vol. 13, pp. 1645-1656, July 2000
김선구, 정종욱, 정진수, "태양광 발전설비 운용실태엥관한 조사연구", 2010년 대한전기학회 전기설비부문회 추계학술대회 논문집, pp. 510-512, 2010년 11월.
Richard E. Brown, Electric Power Distribution Reliability, Marcel Dekker, Inc. 2002.
R. N. Allan, R. Billinton, I. Sjarief, et. al, "Reliability Test System for Educational Purposes - Basic Distribution System Data and Results", IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 6, No. 2, May 1991.
J. Gates, R. Billinton, and G. Wacker, "Electric service reliability worth evaluation for government, institutions and office buildings," IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 14, No. 1, pp. 43-48, Feb. 1999.
L. Goel, "A CJ. Gates, R. Billinton, and G. Wacker, "Electric service reliability worth evaluation for government, institutions and office buildings," IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 14, No. 1, pp. 43-48, Feb. 1999.
Korea Electric Power Research Institute. A study on the improvement of pole-transformer load management (technical report). Korea Electric Power Corporation, 1999; TR.96ES15.S1998.86.

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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