[논문]배전계통의 전압안정화를 위한 선로전압조정장치와 전지전력저장장치의 협조제어 알고리즘에 관한 연구

김병기; 왕종용; 박재범; 최성식; 유경상; 노대석

doi:10.5370/kiee.2016.65.2.269

[국내논문] 배전계통의 전압안정화를 위한 선로전압조정장치와 전지전력저장장치의 협조제어 알고리즘에 관한 연구
A Study on the Coordination Control Algorithm of Step Voltage Regulator and Battery Energy Storage System for Voltage Regulation in Distribution System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.2, 2016년, pp.269 - 278

김병기 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Korea University of Education and Technology) , 왕종용 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Korea University of Education and Technology) , 박재범 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Korea University of Education and Technology) , 최성식 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Korea University of Education and Technology) , 유경상 (Korea Institute of Energy Research) , 노대석 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Korea University of Education and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to maintain customer voltages within allowable limit($220{\pm}13V$) as much as possible, tap operation strategy of SVR(Step Voltage Regulator) installed in distribution system is very important, considering the scheduled delay time(30 sec) of SVR. However, the compensation of BESS(Battery Energy Storage System) during the delay time of SVR is being required because the customer voltages in distribution system interconnected with PV(Photovoltaic) system have a difficultly to be kept within allowable limit. Therefore, this paper presents the optimal voltage stabilization method in distribution system by using coordination operation algorithm between BESS and SVR. It is confirmed that customer voltage in distribution system can be maintained within allowable limit($220{\pm}13V$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 BESS의 운용(충·방전)전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 새로운 제어모드를 제안한다.
기존 SVR 제어모드에서는 SVR의 동작 지연시간동안 BESS를 운용하는 경우, 충·방전전류에 의하여 SVR을 통과하는 부하전류의 크기가 감소하거나 증가하여, 탭이 동작하지 않게 되고, 이에 따라 BESS의 도입용량이 무한대로 증가할 수 있는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 SVR의 동작 지연시간동안 규정범위를 벗어나는 수용가전압에 의하여 BESS가 도입되는 경우, BESS의 운용전류를 고려하지 않고 기존의 부하전류에 의해서만 SVR의 탭이 동작되도록 하는 개선된 제어모드를 제안한다. 구체적으로 이 제어모드에서는 BESS의 운용전류를 계측하여 SVR의 통과전류에 적용하게 되면, SVR은 BESS의 운용전류를 제외한 부하전류에 의해서만 동작하게 되어.
따라서 본 논문에서는 SVR의 시지연 기간 동안 전지전력저장장치(Battery Energy Storage System)에 의하여 수용가전압을 안정화시키는 SVR과 BESS의 협조제어알고리즘을 제안한다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 SVR의 동작지연시간동안 BESS의 충·방전에 의하여 전압을 보상하여 안정적으로 전압을 유지할 수 있는 SVR과 BESS의 협조제어 알고리즘을 제안하였다.
본 연구에서는, SVR과 BESS의 전압조정방안을 바탕으로, SVR 제어모드에 의한 BESS의 협조제어 알고리즘을 제안하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

(b)와 같이 BESS 설치점 이전 구간 들의 전압강하가 BESS의 전압조정범위만큼 감소하여, 이에 따라 하한치(207V)를 벗어난 수용가전압은 규정범위 이내로 유지된다.
SVR과 BESS의 도입에 따른 수용가의 전압특성을 분석하기 위하여, 그림 8과 같이 배전선로는 9개의 구간과 9개의 분기선으로 이루어지고, 각 구간의 선종은 부하전류 크기에 따라 ACSR-160㎟과 ACSR-95㎟로 구성되며, 총 긍장은 36.8km로 가정한다. 또한 태양광전원은 7번, 8번, 9번 구간의 분기선에 연계 되고, SVR과 BESS는 5번 구간에 도입되는 것으로 가정한다.
8km로 가정한다. 또한 태양광전원은 7번, 8번, 9번 구간의 분기선에 연계 되고, SVR과 BESS는 5번 구간에 도입되는 것으로 가정한다. 그리고 저압 측의 직하수용가 전압은 주상변압기의 내부전압 강하 분(1.
여기에서 BESS의 도입위치와 도입용량은 상기의 도입위치 및 적정 도입용량 산정 알고리즘에 의하여 결정된 위치와 용량으로 가정된다.

제안 방법

또한 태양광전원은 7번, 8번, 9번 구간의 분기선에 연계 되고, SVR과 BESS는 5번 구간에 도입되는 것으로 가정한다. 그리고 저압 측의 직하수용가 전압은 주상변압기의 내부전압 강하 분(1.2%)과 인입선의 전압강하분(2%)을 상정하고, 말단 수용가 전압은 주상 변압기의 내부전압 강하분, 저압 배전선로의 전압강 하분(4%), 인입선의 전압강하분을 고려한다. 이에 대한 계통의 상세 데이터는 표 1과 같다.
따라서 본 논문에서는 식 (5)와 같이 BESS의 운용(충·방전) 전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 제어모드를 제안한다.
또한, 이 제어모드를 바탕으로 SVR의 시지연 기간 동안 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, BESS의 충·방전 동작을 결정하고 적정 도입용량을 산정하는 BESS의 운용알고리즘을 제시한다.
배전계통에 SVR이 도입되고 태양광전원 연계된 경우, 하루 동안 변화하는 수용가의 전압특성을 분석한다. 상기에서 발생하였던 수용가의 과전압 및 저전압 현상은 그림 11과 같이 SVR 도입에 의하여 모두 해소됨을 알 수 있다.
상기에서 제시한 SVR의 제어모드를 바탕으로 본 논문에서는 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, SVR의 시지연 기간 동안 BESS의 충·방전 동작을 수행하는 BESS의 운용 알고리즘을 제안한다.
상기에서 제안한 SVR의 운용 알고리즘과 BESS 제어 알고리즘을 바탕으로, 어느 시지연 기간 동안 수용가 전압을 적정범위로 유지시키기 위한 SVR과 BESS의 협조제어를 그림 7과 같이 제안한다. 계통에 전압변동이 발생하여 SVR을 운용하는 경우, 탭 위치는 LDC 정정치에 의하여 계산된 SVR의 최적송출전압과 SVR의 기준전압(13,200V)을 비교한 값으로 결정된다.
태양광전원의 출력패턴을 고려하여, 0시부터 24시까지 기존 SVR의 제어모드에 의한 BESS의 동작특성을 분석한다. 여기서 기존 SVR 제어모드에 의하여 BESS가 운용되는 경우, 그림 9(a)와 같이 SVR의 탭은 BESS운용에 의하여 시지연 기간 이후에도 기존 위치를 유지하게 되고, 이에 따라 BESS의 운용시간은 그림 9(b)의 우측과 같이 증가함을 알 수 있다.
하지만 기존의 선행 연구들에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안들이 제시되지 않아 본 논문에서는 BESS의 운용(충·방전)전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 새로운 제어모드를 제안하였다.

성능/효과

(1) 지연시간(t sec) 이후에 탭을 동작시키는 SVR의 특성에 의하여, 이 시간동안 수용가전압은 규정치를 벗어날 가능성을 가지고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 SVR의 동작지연시간동안 BESS의 충·방전에 의하여 전압을 보상하여 안정적으로 전압을 유지할 수 있는 SVR과 BESS의 협조제어 알고리즘을 제안하였다.
(2) BESS가 계통에 도입되어 운용되는 경우에 기존 SVR모드에서는 BESS의 운용전류가 고려된 SVR의 통과전류에 의하여 크기가 증가하거나 감소하여 SVR의 탭이 기존 탭을 항상 유지하게 되어, BESS의 도입용량만 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 하지만 기존의 선행 연구들에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안들이 제시되지 않아 본 논문에서는 BESS의 운용(충·방전)전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 새로운 제어모드를 제안하였다.
(3) 제안한 SVR의 제어모드에 의하여 BESS가 운용되는 경우, SVR의 탭은 BESS의 운용전류가 고려되지 않아 시지연 기간 이후에 정확하게 동작 하였고, 이에 따라 BESS는 SVR의 시지연 기간 동안에만 운용되어 도입시간이 기존 방식에 비하여 감소함을 알 수 있었다. 따라서 제안한 SVR의 제어모드로 BESS를 운용한다면 도입용량이 무한대로 증가하지 않음을 확인하였다.
(4) 본 논문에서 제안한 SVR과 BESS의 협조제어 알고리즘에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 수용가에서의 과전압 및 저전압이 모두 해소되어 적정 범위를 유지 하였고, SVR의 시지연 기간 동안에 BESS의 충·방전에 의하여 전압보상이 이루어져 완벽하게 규정전압을 유지할 수 있음을 확인하였다.
여기서 기존 SVR 제어모드에 의하여 BESS가 운용되는 경우, 그림 9(a)와 같이 SVR의 탭은 BESS운용에 의하여 시지연 기간 이후에도 기존 위치를 유지하게 되고, 이에 따라 BESS의 운용시간은 그림 9(b)의 우측과 같이 증가함을 알 수 있다. 따라서 기존 SVR 제어모드에 의하여 수용가전압이 규정범위 이내로 만족할 때까지 BESS가 운용되어 BESS의 도입용량이 증가할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서 발생된 SVR의 시지연 기간 동안 수용가전압이 규정 범위를 벗어나는 문제점을 해결하기 위하여, BESS를 도입하여 수용가의 전압특성을 분석한 결과, 수용가전압은 그림 13과 같이 과전압 및 저전압이 모두 해소되어 항상 적정 범위로 유지됨을 확인 할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 SVR과 BESS에 의한 협조제어의 유용성이 입증됨을 알 수 있다. 여기에서 BESS의 도입위치와 도입용량은 상기의 도입위치 및 적정 도입용량 산정 알고리즘에 의하여 결정된 위치와 용량으로 가정된다.
제안한 SVR의 제어모드에 의하여 BESS가 운용되는 경우, 그림 10(a)와 같이 SVR의 탭은 BESS의 운용전류가 고려되지 않아 시지연 기간 이후에 정확하게 동작 하였고, 이에 따라 BESS는 그림 10(b)와 같이 SVR의 시지연 기간 동안에만 운용되어 도입 시간이 기존 방식에 비하여 감소함을 알 수 있다. 따라서 제안한 SVR의 제어모드로 BESS를 운용한다면 도입용량이 무한대로 증가하지 않음을 알 수 있다.
(3) 제안한 SVR의 제어모드에 의하여 BESS가 운용되는 경우, SVR의 탭은 BESS의 운용전류가 고려되지 않아 시지연 기간 이후에 정확하게 동작 하였고, 이에 따라 BESS는 SVR의 시지연 기간 동안에만 운용되어 도입시간이 기존 방식에 비하여 감소함을 알 수 있었다. 따라서 제안한 SVR의 제어모드로 BESS를 운용한다면 도입용량이 무한대로 증가하지 않음을 확인하였다.
여기에서 평가시간은 24시간으로 이루어지고, 비교방식은 SVR과 BESS가 도입되지 않은 경우, SVR만 도입된 경우 그리고 SVR과 BESS가 도입된 경우로 나누어진다. 따라서 평가지표 분석에 의하여, SVR만 도입된 운용방식보다 SVR 과 BESS의 협조제어에 의한 운용방식이 수용가의 전압을 규정치 이내로 유지시킬 수 있음을 알 수 있다.
(4) 본 논문에서 제안한 SVR과 BESS의 협조제어 알고리즘에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 수용가에서의 과전압 및 저전압이 모두 해소되어 적정 범위를 유지 하였고, SVR의 시지연 기간 동안에 BESS의 충·방전에 의하여 전압보상이 이루어져 완벽하게 규정전압을 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한 평가지표 분석에 의하여, SVR만 도입된 운용방식보다 SVR과 BESS의 협조 제어에 의한 운용방식이 수용가의 전압을 규정치 이내로 유지시킬 수 있음을 알 수 있었다.
상기에서 발생된 SVR의 시지연 기간 동안 수용가전압이 규정 범위를 벗어나는 문제점을 해결하기 위하여, BESS를 도입하여 수용가의 전압특성을 분석한 결과, 수용가전압은 그림 13과 같이 과전압 및 저전압이 모두 해소되어 항상 적정 범위로 유지됨을 확인 할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 SVR과 BESS에 의한 협조제어의 유용성이 입증됨을 알 수 있다.
또한, 이 제어모드를 바탕으로 SVR의 시지연 기간 동안 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, BESS의 충·방전 동작을 결정하고 적정 도입용량을 산정하는 BESS의 운용알고리즘을 제시한다. 이에 따라 본 논문에서 제안한 알고리즘을 바탕으로 태양광전원이 연계된 배전계통의 수용가전압특성을 분석한 결과, 제안한 SVR과 BESS의 협조제어 알고리즘에 의하여 수용가 전압이 안정적으로 유지됨을 알 수 있어, 본 논문의 유용성을 확인하였다.
한편, 기존 SVR제어모드와 제안한 SVR 제어모드에 의한 BESS 운용시간을 비교하면 표 2와 같이 제안한 방법으로 BESS 를 운용한 경우 기존의 방법보다 약 4320[sec] (방전시: 3720[sec], 충전시: 600[sec]) 만큼의 운용시간이 감소됨을 알 수 있다. 즉 제안한 SVR 제어모드에 의하여 BESS를 운용한다면 도입용량은 약 1/10정도로 감소될 수 있다.
한편, 기존 SVR제어모드와 제안한 SVR 제어모드에 의한 BESS 운용시간을 비교하면 표 2와 같이 제안한 방법으로 BESS 를 운용한 경우 기존의 방법보다 약 4320[sec] (방전시: 3720[sec], 충전시: 600[sec]) 만큼의 운용시간이 감소됨을 알 수 있다. 즉 제안한 SVR 제어모드에 의하여 BESS를 운용한다면 도입용량은 약 1/10정도로 감소될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BESS가 계통에 도입되어 운용되는 경우의 문제점은?	따라서 본 논문에서는 SVR의 시지연 기간 동안 전지전력저장장치(Battery Energy Storage System)에 의하여 수용가전압을 안정화시키는 SVR과 BESS의 협조제어알고리즘을 제안한다. 구체적으로 BESS가 계통에 도입되어 운용되는 경우에 기존 SVR모드에서는 BESS의 운용전류가 고려된 SVR의 통과전류에 의하여 크기가 증가하거나 감소하여 SVR의 탭이 기존 탭을 항상 유지하게 되어, BESS의 도입용량만 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 BESS의 운용(충·방전)전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 새로운 제어모드를 제안한다.
	선로전압조정장치를 도입하게 된 배경은?	이러한 신재생에너지 전원의 활성화 방안에 따라 지자체와 신재생 에너지 발전사업자를 중심으로 대용량 태양광전원을 배전계통에 활발하게 연계하고 있는 실정이다. 하지만, 태양 광전원이 배전계통에 도입되어 운용되는 경우, 급격한 출력변동에 의하여 수용가전압은 규정치를 벗어날 염려가 있다. 이를 해결하기 위하여, 전력회사에서는 태양광전원이 연계된 배전계통에 선로전압조정장치(Step Voltage Regulator)를 도입하고 있다.
	계통에 전압변동이 발생하여 SVR을 운용하는 경우, 탭 위치는 어떻게 결정되는가?	상기에서 제안한 SVR의 운용 알고리즘과 BESS 제어 알고리즘을 바탕으로, 어느 시지연 기간 동안 수용가 전압을 적정범위로 유지시키기 위한 SVR과 BESS의 협조제어를 그림 7과 같이 제안한다. 계통에 전압변동이 발생하여 SVR을 운용하는 경우, 탭 위치는 LDC 정정치에 의하여 계산된 SVR의 최적송출전압과 SVR의 기준전압(13,200V)을 비교한 값으로 결정된다. 이때 최적 송출전압은 수용가전압이 규정범위를 벗어나지 않게 되면 기존 부하전류에 의하여 결정되고, 규정범위를 벗어나게 되면 식 (5)와 같이 BESS 전류가 고려되지 않고 기존 부하전류에 의해서만 결정된다, 그리고 시지연 기간 동안 전압변동분의 합이 불감대폭을 벗어나게 되면 SVR의 탭은 동작하게 된다.

참고문헌 (10)

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B. Kim and D. Rho, "Optimal Voltage Regulation Method for Distribution System with Distributed Generation Systems Using the Artificial Neural Networks", JEET 2013, Vol. 8, No. 4, pp. 712-718, 2013.
D. Rho and M. Kim," A study on the Optimal Operation of Line Voltage Regulator (SVR) in Distribution Feeders", 2004 IFAC Symposium, Seoul, South Korea, 2004. 9.
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Tomonobu Senjyu, Yoshitaka Miyazato, Atsushi Yona, Naomitsu Urasaki, Toshihisa Funabashi, "Optimal Distribution Voltage Control and Coordination With Distributed Generation", IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 23, NO. 2, pp. 1236-1242, April 2008.

상세보기
Xiaohu Liu, Andreas Aichhorn, Liming Liu and Hui Li, "Coordinated Control of Distributed Energy Storage System With Changer Transformers for Voltage Rise Mitigation Under High Photovoltaic Penetration", IEEE Transactions Smartgrid, Vol. 3, pp. 897-906, June 2012.

저자의 다른 논문 :

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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