[논문]에너지 절감을 고려한 캠퍼스 마이크로그리드에서 선형 전압제어 방식의 AVR을 이용한 CVR의 적용

임일형; 이명환; 신용학

doi:10.5370/kiee.2017.66.7.1039

[국내논문] 에너지 절감을 고려한 캠퍼스 마이크로그리드에서 선형 전압제어 방식의 AVR을 이용한 CVR의 적용
Application of Conservation Voltage Reduction using Automatic Voltage Regulator of Linear Voltage Control in Campus Microgrid with Power Consumption Reduction 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.7, 2017년, pp.1039 - 1046

임일형 (Power Solution Research Team, LSIS Co.) , 이명환 (Power Solution Research Team, LSIS Co.) , 신용학 (Power Solution Research Team, LSIS Co.)

Abstract ▼ AI-Helper

Campus microgrid is designed and built by considering not only power generation but also power consumption management as connected microgrid type because the main goal of the campus microgrid is to save power consumption costs. There are many functions to achieve the goal and they are mainly to use generation-based functions such as islanding operation for peak management and for emergency events. In power distribution operation, Conservation Voltage Reduction (CVR) is applied in order to reduce power consumption. The CVR is defined as a function for load consumption reduction by voltage reduction in order to reduce peak demands and energy consumption. However, application of CVR to microgrid is difficult because the microgrid cannot control a tap of transformer in a substation and the microgrid normally is not designed with phase modifying equipment like a step-voltage-regulator which can control voltage in power distribution system operation. In addition, an impact of the CVR is depended on load characteristics such as a normal load, a rated power, and synchronous motors. Therefore, this paper proposes an application of CVR using linear voltage control based AVR in campus microgrid with power consumption reduction considering characteristics of load and component in the microgrid. The proposed system can be applied to each buildings by a configuration of power distribution cables; and the application results and CVR factor are presented in this paper.

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문제 정의

1절에서 제시한 바와 같이 부하예측이 불가능한 부하특성이어서 효율 검증의 정합성이 떨어질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 효율검증에 대한 기본 개념을 토대로 다음과 같은 효율 검증 방안을 마련하였다.
본 논문에서는 프리미엄 cell 건물의 CVR 적용 대상 부하와 전압의 변동이 일정시간동안 유지되는 부하의 특성을 확인하였다. 그림 7과 같이 일정시간 동안 소비전력은 동일하게 유지되었고 전압 또한 큰 변동이 없는 시간대에 전압제어에 따른 소비전력 변화를 실증하였다.
본 논문은 선형 전압제어 방식의 AVR을 저압단에서 설치하여 부하 특성에 따른 구분적 CVR의 적용을 제안하였고, 그 결과를 제시하였다. 효율 검증 결과 DoE에서 제시한 평균 CVRf 0.
본 논문을 통하여 기존 CVR이 가진 고정된 방식을 모듈형태로 구성할 수 있는 방법을 제시하였고 효율을 검증하여 다양한 환경을 대상으로 다양한 사례에 대한 연구 결과를 도출할 수 있는 기반을 제시하였다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 캠퍼스 마이크로그리드의 특성을 고려하여 automatic voltage regulation (AVR)을 이용한 건물단위 CVR을 적용하였다. AVR의 탭제어 방식은 전기적인 과도현상이단점으로 나타나기도 하지만 본 연구에서 적용한 선형 전압제어방식의 AVR[16]을 적용하였고 선형 전압제어 방식이기 때문에 기존의 문제를 보완하여 건물단위 CVR을 적용하였다.
따라서 본 논문에서는 캠퍼스 마이크로그리드의 특성을 고려하여 automatic voltage regulation (AVR)을 이용한 건물단위 CVR을 적용하였다. AVR의 탭제어 방식은 전기적인 과도현상이단점으로 나타나기도 하지만 본 연구에서 적용한 선형 전압제어방식의 AVR[16]을 적용하였고 선형 전압제어 방식이기 때문에 기존의 문제를 보완하여 건물단위 CVR을 적용하였다.
또한, 건물의 용도변경에 따른 중요도가 변하기 때문에 전체를 대상으로 마이크로그리드를 구성하는 것도 효율적이라고 보기 어렵다. 본 논문에서 소개하는 캠퍼스 마이크로그리드는 건물단위나 몇 개의 건물들이 모여있는 소규모 지역 내 건물 그룹들을 하나의 cell 마이크로그리드로 구성하여 점진적으로 캠퍼스 전체를 마이크로 그리드로 구축하는 고객맞춤형 마이크로그리드 구성의 특징을 가지고 있다. Permium MG Cell은 무정전, 고효율의 전력공급이 필요한 연구동과 병원 같은 중요부하 건물을 대상으로 적용되는 모델이며, Normal MG cell은 분산전원과 결합하여 에너지 효율화를 필요로하는 강의동과 기숙사 같은 대상에 적용되는 모델이다.
전기 에너지 소비자가 전기를 쓰지 않은 것은 100%에서 0%로 절감되는 것이며, 전기에너지의 소비를 기술적으로 절감하는 기술은 100%를 0%로 만들 수 없다. 따라서 전기에너지 사용자에게 에너지 소비량과 다양한 참여를 유도할 수 있는 컨텐츠를 통해 소비자 참여형 에너지 절감 기법을 도입하였다. 컨텐츠와 제공되는 정보는 전기 에너지 소비자와 직접적으로 관련있는 정보를 제공해야 하기 때문에 IoT 기술을 도입하였다[8].
배전계통을 운영하는데 있어 전기 품질과 관련된 기술로 전압 및 무효전력 최적화 (Volt/Var Optimization) 기술이 있다. 이 기술은 세부적으로 3가지로 나눠지는데 Volt/Var Control(VVC),Integrated Volt/Var Control(IVVC), 그리고 Conservation Voltage Reduction으로 나눠진다.
본 논문에서 적용한 CVR은 그림 3과 같이 설치를 하였다. 저압으로 낮추는 변압기 하단에 있는 계량기와 수배전반 보호 설비들 사이에 3.2절에서 소개한 선형 전압제어 방식의 AVR을 설치하였다.
그림 4의 경우 좌측에는 EHP용 전용배선이 따로 되어있고 우측 변압기를 통해서는 LV1과 LV2로 구분하여 별도의 배선이 되어있는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서 적용한 CVR의 경우에는 그림 4의 우측 변압기 이후에 분기 전 지점에 AVR 장치를 설치하였다.
CVR을 적용하기 위하여 그림 6과 같은 시스템을 구성하였다. AVR 장치의 전면 페널에서 제공하는 MODBUS 프로토콜로 제공되는 정보를 서울대 통신망을 이용하여 원격으로 운영실의 workstation급 PC 화면에서 상태를 감시하고 설정을 제어할 수 있도록 구성하였다.
해당 건물에 대한 부하 특성을 확인하기 위하여 약 20주 이상의 전압 및 부하 데이터를 파악하였으며, 데이터 취득 방식은MODBUS TCP/IP 프로토콜을 이용하여 1e 단위로 데이터를 취득 및 저장하였다. 표 2는 20주 취득 데이터들을 가지고 각각의 평균과 최대 최소값들을 구하였으며 입력 전압과 출력 전압의 편차는 0.
또한 조명과 콘센트 부하를 대상으로 하여 콘센트에 연결되는 부하의 특성이 불규칙하고 소비용량 자체가 적기 때문에 변동 폭이 상대적으로 크게 나타났다. 프리미엄 cell 건물의 CVR 적용 대상 부하의 전압과 소비전력 특성을 고려하여다음과 같은 효율 검증 방안을 제시하였다.
부하와 전압이 일정하게 유지되는 시간대에 단기적으로 전압을 낮춰서 소비전력을 변화를 확인하고, 다시 전압을 전압 제어 이전 상태로 전환하여 전압 제어 전과 동일한 부하 및 전압 패턴이 나타나는 것을 확인하여 CVR 효율을 검증하였다. 정합성을 높이기 위하여 10 차례 이상 전압제어를 통해 검증하였으며, 사례연구에는 그 중 가장 특이한 결과와 평균적으로 나타나는 CVR의 효율 검증 결과를 제시하였다.
부하와 전압이 일정하게 유지되는 시간대에 단기적으로 전압을 낮춰서 소비전력을 변화를 확인하고, 다시 전압을 전압 제어 이전 상태로 전환하여 전압 제어 전과 동일한 부하 및 전압 패턴이 나타나는 것을 확인하여 CVR 효율을 검증하였다. 정합성을 높이기 위하여 10 차례 이상 전압제어를 통해 검증하였으며, 사례연구에는 그 중 가장 특이한 결과와 평균적으로 나타나는 CVR의 효율 검증 결과를 제시하였다. 그림 8은 AVR의 전압을 211[V]로 낮췄을 때 전압과 소비전력이 안정된 시점에서의 소비전력 및 전압의 패턴을 나타내고 있다.
표 6과 같은 각 상 별 효율을 나타내고 있다. R, S, T 상의 전압감소 대비 소비전력 감소를 나타내었고, 이를 기준으로 CVRfactor를 산출하였다.
0을 상회하는 결과를 나타내었으며, 옥내 배선 구조를 활용하여 조명 부하와 콘센트 부하에만 CVR을 선택적으로 적용한 결과이다. 본 논문에서 제시한 방법의 효율은 짧은 기간 동안 특정 부하를 대상으로 적은 용량에 대한 실증이어서 일반화할 수는 없지만, 실제 부하를 대상으로 부하 특성을 파악하고CVR을 적용하여 효율검증을 위하여 실증한 결과를 도출 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 적용한 CVR은 캠퍼스 내 안정적인 전력 공급과 전기 품질에 따른 현상에 대한 부담을 줄이기 위하여 비교적 캠퍼스 내 민감부하가 적은 건물을 대상을 선정하였고, 조명과 콘센트 위주의 배선에 그림 5와 같은 선형 전압제어 방식의 AVR 장치와 시스템을 설치하였다.

이론/모형

따라서 본 논문에서 적용한 CVR에는 선형 전압제어방식 AVR을 이용하였다. 선형제어 방식 AVR의 원리를 간단하게 설명하면 변압비 권선 제어를 모터를 이용하여 서서히 권선비를 변화시키는 방식으로 전압이 순간적으로 변하는 것이 아니라 서서히 변해서 기존 AVR이 가진 방식의 단점을 보완하였다[16].

성능/효과

미국 DoE에서 미국 내 유틸리티에서 실증한 CVR의 평균적인 효율은 CVRf가 0.7 정도로 제시하고 있으며, 부하의 특성에 따라서 편차가 존재한다는 결론을 도출하였다. 이는 최근 전자제품의 기술이 발달하면서 전기품질에 상관없이 고정적인 전력을 요구하는 장치들이 늘어나면서 전압을 낮춰 설비의 효율을 약간 감소시켜 소비전력을 절감하는 CVR기술이 오히려 전압을 낮춤으로 해서 소비전력을 증가시키기도 한다[9].
부하의 패턴은 대상 건물 및 조명과 콘센트 위주 부하이기 때문에 불규칙한 패턴이 나타났으며, 최대와 최소의 편차가 큰 이유는 이벤트 및 대강당과 같은 불규칙한 전력 소비 패턴이 일어나기 때문이었다. 또한 조명과 콘센트 부하를 대상으로 하여 콘센트에 연결되는 부하의 특성이 불규칙하고 소비용량 자체가 적기 때문에 변동 폭이 상대적으로 크게 나타났다. 프리미엄 cell 건물의 CVR 적용 대상 부하의 전압과 소비전력 특성을 고려하여다음과 같은 효율 검증 방안을 제시하였다.
하지만, 3상 소비전력의전체적인CVRf는 소비전력의 크기를 가중치로 두어 계산해야 실질적인 전압제어에 따른 소비전력 감소의 효과를 나타낼 수 있다. 따라서 각 상의 소비전력 크기의 비율을 가중치로 적용하여 CVRf를 산출해보면 다른 0.7~1.2 사이의 CVRf와 유사하게 각각 1.07, 0.8,1.11임을 확인할 수 있었다. 기존 결과와 상이한 결과가 나타나는 이유는 조명 부하 외에 부하의 특성이 시시각각 변하는 콘센트 부하를 대상으로 하여 부하의 특성이 시시각각 변하기 때문인것으로 추정된다.
실증을 통하여 결론적으로 얻을 수 있는 결과는 프리미엄 cell 건물의 부하 특성 상 CVRf는 평균적으로 1로 나타났으며, 전압 1% 당 소비전력 1% 감소의 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 전압에 따라 소비전력 제어가 가능한 부하들이 주로 분포되어있는 조명과 콘센트 부하를 대상으로 진행하였으며,해외 연구 사례 기준 0.
실증을 통하여 결론적으로 얻을 수 있는 결과는 프리미엄 cell 건물의 부하 특성 상 CVRf는 평균적으로 1로 나타났으며, 전압 1% 당 소비전력 1% 감소의 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 전압에 따라 소비전력 제어가 가능한 부하들이 주로 분포되어있는 조명과 콘센트 부하를 대상으로 진행하였으며,해외 연구 사례 기준 0.7 이라는 CVR factor 보다 높은 평균 1.0의 효율을 보였다. 이는 기존 CVR이 부하 특성을 고려할 수 없이 전체 배전 선로에 연계된 모든 부하를 대상으로 적용하였다면, 선택적으로 부하를 세분화 하여 CVR을 적용할 수 있는 본 논문에서 제시한 방법이 소비전력 절감 효율을 더 높일 수 있다는 것을 의미한다.
0의 효율을 보였다. 이는 기존 CVR이 부하 특성을 고려할 수 없이 전체 배전 선로에 연계된 모든 부하를 대상으로 적용하였다면, 선택적으로 부하를 세분화 하여 CVR을 적용할 수 있는 본 논문에서 제시한 방법이 소비전력 절감 효율을 더 높일 수 있다는 것을 의미한다. 또한 선형 전압제어 방식의 AVR을 적용하기 때문에 전압 제어에 대한 부담이 낮으며 220V 저압 레벨에서 적은 용량을 대상의 AVR이 적용되기 때문에 설비비용 또한 낮출 수 있다는 장점이 있다.
본 논문은 선형 전압제어 방식의 AVR을 저압단에서 설치하여 부하 특성에 따른 구분적 CVR의 적용을 제안하였고, 그 결과를 제시하였다. 효율 검증 결과 DoE에서 제시한 평균 CVRf 0.7보다 높은 CVRf 1.0을 상회하는 결과를 나타내었으며, 옥내 배선 구조를 활용하여 조명 부하와 콘센트 부하에만 CVR을 선택적으로 적용한 결과이다. 본 논문에서 제시한 방법의 효율은 짧은 기간 동안 특정 부하를 대상으로 적은 용량에 대한 실증이어서 일반화할 수는 없지만, 실제 부하를 대상으로 부하 특성을 파악하고CVR을 적용하여 효율검증을 위하여 실증한 결과를 도출 하였다.

후속연구

향후 연구는 AVR의 적용 범위를 넓혀 건물 전체를 대상으로 연결하여 소비전력 용량을 높이고, 전압이 높게 분포되는 변전소인출단 인근의 건물을 대상으로 적용 및 실증, 그리고 부하의 특성에 따라 전압을 낮추는 것이 아닌 높이는 것을 통한 소비전력 절감 효율 검증도 계획 중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캠퍼스 마이크로그리드에서 요구되는 시스템은 무엇인가?	캠퍼스의 경우 탄소배출에 대한 규제나 에너지 사용비용절감을 통해서 캠퍼스 운영비용 절감을 목적으로 캠퍼스 마이크로그리드의 구축을 고민하고 있다. 따라서, 캠퍼스 마이크로그리드에서는 신재생 발전원들을 통한 에너지 생산, 저장 및 계통안정화목적의 에너지 저장장치, 그리고 이러한 에너지들을 최적화된 효율로 관리하는 캠퍼스 마이크로그리드 에너지 관리 시스템이 요구된다.
	CVR과 같은 전압 제어 방식이 마이크로그리드에 적용되기 어려운 이유는 무엇인가?	이러한 방법들은 마이크로그리드에 적용되기에는 많은 어려움이 따른다. 변전소 변압기 OLTC 제어를 통해 전압을 바꾸면 해당 변압기를 통해 전력을 공급받는 모든 배전선로와 다른 마이크로그리드의 전압에도 영향을 준다. 따라서 하나의 마이크로그리드를위해 전체에 영향을 주게 되어 불가능하며, 마이크로그리드와 기존 계통과의 연결점에 있는 OLTC를 포함한 변압는 비용적으로도 부담이 된다. 또한 부하 특성에 따라서 소비전력과 전압의 관계가 전압 감소에 소비전력이 오히려 증가하는 경우도 나타난다[9].
	마이크로그리드란 무엇인가?	마이크로그리드는 분산형 에너지 자원들과 다양한 전기적 부하를 고려한 통합된 에너지 시스템 계통으로, 기존 유틸리티 전력계통으로부터 독립 또는 병렬로 운영되는 시스템이다[1]. 마이크로 그리드에 대한 정의는 다양하지만 공통된 내용의 핵심 키워드는 에너지 자급자족이 가능한 소규모 계통의 운영시스템이다[2].

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상세보기
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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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