선로전압조정장치(SVR)가 설치된 고압배전선로에서 전기저장장치(ESS)의 최적운용 및 적정용량 산정방안 Optimal Operation Method and Capacity of Energy Storage System(ESS) in Primary Feeders with Step Voltage Regulator(SVR)원문보기
최근 국가의 3020정책에 따라 신재생에너지전원의 도입이 활발히 이루어지고 있는 상황이다. 하지만 신재생에너지전원중의 하나인 태양광전원이 대규모로 배전계통에 도입되어 운용될 경우, 태양광전원의 간헐적 특성에 의한 출력변동과 역조류에 의하여 수용가 전압은 규정범위($220V{\pm}6%$)를 벗어날 수 있는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 방안 중 하나로, 배전선로에 기설된 선로전압조정장치를 이용한 수용가 전압조정 방안이 제안되고 있으나, 기계적으로 동작하는 선로 전압조정장치의 특성으로 인하여, 탭 변경 시간동안 수용가의 전압이 규정범위를 벗어날 가능성을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 선로전압조정장치 탭 변경시, 기계적인 특성에 의하여 탭 동작이 지연되는 시간동안 전기저장장치를 도입하여 전압 문제를 해결할 수 있는 전기저장장치의 최적운용전략을 제시하고, 파라메타 분석법을 이용하여 선로전압조정장치와 협조하여 운용되는 전기저장장치의 적정위치 및 적정용량 산정방안을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 선로전압장치와 전기저장장치의 상호동작에 대한 최적운용 전략과 전기저장장치의 산정 알고리즘을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 선로전압조정 장치의 탭 변경 시간동안 수용가의 규정전압($220V{\pm}6%$) 여부를 검증함으로써, 본 논문에서 제안한 수법이 계통의 전압안정화에 기여할 수 있는 방안임을 확인하였다.
최근 국가의 3020정책에 따라 신재생에너지전원의 도입이 활발히 이루어지고 있는 상황이다. 하지만 신재생에너지전원중의 하나인 태양광전원이 대규모로 배전계통에 도입되어 운용될 경우, 태양광전원의 간헐적 특성에 의한 출력변동과 역조류에 의하여 수용가 전압은 규정범위($220V{\pm}6%$)를 벗어날 수 있는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 방안 중 하나로, 배전선로에 기설된 선로전압조정장치를 이용한 수용가 전압조정 방안이 제안되고 있으나, 기계적으로 동작하는 선로 전압조정장치의 특성으로 인하여, 탭 변경 시간동안 수용가의 전압이 규정범위를 벗어날 가능성을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 선로전압조정장치 탭 변경시, 기계적인 특성에 의하여 탭 동작이 지연되는 시간동안 전기저장장치를 도입하여 전압 문제를 해결할 수 있는 전기저장장치의 최적운용전략을 제시하고, 파라메타 분석법을 이용하여 선로전압조정장치와 협조하여 운용되는 전기저장장치의 적정위치 및 적정용량 산정방안을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 선로전압장치와 전기저장장치의 상호동작에 대한 최적운용 전략과 전기저장장치의 산정 알고리즘을 바탕으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 선로전압조정 장치의 탭 변경 시간동안 수용가의 규정전압($220V{\pm}6%$) 여부를 검증함으로써, 본 논문에서 제안한 수법이 계통의 전압안정화에 기여할 수 있는 방안임을 확인하였다.
When a large-scale photovoltaic (PV) system is introduced into a distribution system, the customer's voltage may exceed the allowable limit ($220V{\pm}6%$) due to voltage variations and reverse power flow in the PV system. In order to solve this problem, we propose a method for adjusting ...
When a large-scale photovoltaic (PV) system is introduced into a distribution system, the customer's voltage may exceed the allowable limit ($220V{\pm}6%$) due to voltage variations and reverse power flow in the PV system. In order to solve this problem, we propose a method for adjusting the customer voltage using the existing step voltage regulator (SVR) installed in the primary feeder. However, due to the characteristics of a mechanically operating SVR, the customer voltage during the tap changing time of the SVR is likely to deviate from the allowable limit. In this paper, an energy storage system (ESS) with optimal operation strategies, and an appropriate capacity calculation algorithm are proposed, and the parallel driving scheme between the SVR and the ESS is also proposed to solve the customer voltage problem that may occur during the tap changing time of the SVR. The simulation results show that the allowable limit of the customer voltage is verified by the proposed methods during the tap changing time of the SVR when the large-scale PV system is connected to the distribution system.
When a large-scale photovoltaic (PV) system is introduced into a distribution system, the customer's voltage may exceed the allowable limit ($220V{\pm}6%$) due to voltage variations and reverse power flow in the PV system. In order to solve this problem, we propose a method for adjusting the customer voltage using the existing step voltage regulator (SVR) installed in the primary feeder. However, due to the characteristics of a mechanically operating SVR, the customer voltage during the tap changing time of the SVR is likely to deviate from the allowable limit. In this paper, an energy storage system (ESS) with optimal operation strategies, and an appropriate capacity calculation algorithm are proposed, and the parallel driving scheme between the SVR and the ESS is also proposed to solve the customer voltage problem that may occur during the tap changing time of the SVR. The simulation results show that the allowable limit of the customer voltage is verified by the proposed methods during the tap changing time of the SVR when the large-scale PV system is connected to the distribution system.
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문제 정의
논문에서는 SVR의 시 지연 기간동안 최전기저장장치(Energy Storage System: ESS)에 의하여 수용가전압을 안정적으로 유지시키기 위한 전압 안정화용 ESS의 운용전략과 파라메터 분석법에 의하여 ESS의 도입위치와 적정용량을 결정하는 알고리즘을 제안하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
또한 수용가가 밀집되어 있는 배전선로에 전압안정화용으로 ESS를 적용하게 된다면, 집중부하들에 의하여 전압을 조정하기 위한 ESS의 kW 및 kWh 용량이 증가되어 도입비용이 늘어 날 수 있다. 따라서 계통 보조서비스 용도로 설치되는 ESS의 도입용량을 최소화시키면서 배전계통의 수용가 전압을 안정적으로 유지시키기 위하여, 본 논문에서는 SVR과 ESS의 협조운용 할 수 있는 방안을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 ESS와 SVR의 협조운용 으로 계통의 수용가 전압을 안정적으로 유지시킬 수 있는 협조운용 방안과, SVR과 협조 운용하는 ESS의 최적 설치 위치와 적정용량 산정방안을 제안한다. 즉 ESS와 SVR이 결합된 협조운용은 Fig 2와 같이 태양광전원이 도입된 계통에서 부하전류가 변동하여 수용가 전압이 규정치를 초과하게 되면 SVR의 시 지연기간 동안에만 ESS가 운용되는 방식으로 신재생에너지의 간헐적 특성으로 인한 수용가의 전압문제를 기설된 SVR과 ESS의 운용에 의하여 해결하게 된다[5-6].
[1-2]. 따라서 본 논문에서는 SVR의 탭 시 지연기간 동안 전기저장장치(Energy Storage System: ESS)에 의하여 수용가전압을 안정적으로 유지시키기 위한 전압안정화용 ESS의 Novel Operation Control Strategy 방안과 도입위치와 적정용량을 결정하는 알고리즘을 제안한다. 구체적으로 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, SVR의 시지연 기간 동안 유지되는 고압측 전압 크기에 따라 ESS의 충·방전 동작을 적절하게 수행할 수 있는 최적운용방안인 ESS의 NOCS (Novel Operation Control Strategy, NOCS)와 파라메타 분석법으로 전체 운용시간 동안 ESS의 최적 도입 위치와 용량을 결정하는 방식을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 전장의 ESS의 운용전류 결정 알고리즘을 바탕으로 파라메타 분석법에 의하여 ESS의 전체 운용시간 동안 도입위치를 변경해 가면서 ESS의 적정용량을 산정하는 알고리즘을 제안한다. 그리고 이에 대한 절차를 나타내면 아래와 같다.
본 논문에서는 전기저장장치의 도입위치 및 적정 도입용량을 산정하기 위하여, 4장에서 제시한 파 ESS의 도입위치 및 도입용량을 산정하는 알고리즘을 바탕으로 고압계통에 태양광전원 도입된 경우, ESS의 도입위치와 적정 도입용량에 대해서 시뮬레이션 평가를 수행하였다. ESS의 용량산정에 있어서 고압계통에 연계된 태양광전원의 최대출력과 도입지점은 Table 3과 같이 가정 된다.
가설 설정
ESS의 도입위치와 이에 따른 적정용량을 결정하기 위하여, 본 논문에서는 Fig. 14와 같이 배전선로는 9개의 구간과 9개의 분기선과 ACSR- 160[㎟]과 ACSR-95[㎟]를 적용한 각 구간의 선종, 36.8[km]의 긍장으로 가정하여 시뮬레이션 분석을 수행한다.
또한 ESS의 운용용량을 낮추기 위하여, 고압선로의 R성분뿐만 아니라 X성분을 이용하여 전압이 보상되도록 ESS의 유·무효분은 식 (9)에 의해서 결정된다. ESS의 전력변환장치에 의하여 무효전력을 발생시키기 위해서는 일반적으로 시스템의 용량을 110% 까지 증가시켜야 하기 때문에, 본 논문에서는 ESS시스템에 의한 유무효 전력의 출력비는 9:1로 가정한다.
운용이 결정된다. 단 고압선로 측에 설치되는 ESS의 동작을 위해서는 저압선로의 직하수용가와 말단수용가의 전압이 측정장치에 의하여 실시간으로 데이터를 확인 할 수 있는 상태로 가정된다.
단, ESS의 동작을 위한 규정전압의 기준 상·하한치(Upper limit, Lower limit)는 ESS설치 위치에서 가장 가까운 저압선로의 직하수용가와 말단수용가의 전압을 고압측으로 환산한 값으로 결정되는데, 직하수용가 전압은 충전을 위한 규정전압으로 적용되고 말단수용가 전압은 방전을 위한 규정전압으로 가정된다.
한편 ACSR-160[㎟]의 선종을 채택한 배전선로는 총 31[km]의 긍장을 6개 구간으로 나누어지며, 이에 대한 상세 데이터는 Table 1에서 나타내었다. 또한 태양광전원과 수용가부하에 대해서도 실계통과 동일한 패턴으로 모의하기 위하여 Fig. 11와 같이 주거지역을 가정한 부하패턴과, 가을철 일조량을 기준으로 한 태양광전원의 출력패턴을 시뮬레이션 상에 적용하였다.
8[km]의 긍장으로 가정하여 시뮬레이션 분석을 수행한다. 또한 태양광전원은 7번, 8번, 9번 구간의 분기선에 연계되고, SVR과 ESS는 5번 구간에 도입되는 것으로 가정한다. 실제 수용가전압에 따른 ESS의 운용용량을 결정하기 위하여, 저압측의 직하수용가 전압은 주상변압기의 내부전압 강하분(1.
제안 방법
5.1의 (2)에서 검증된 제어방식을 바탕으로 ESS의 도입위치 및 적정용량을 산정하기 위하여, 실 계통조건에서 전체 시간대에 대하여 SVR의 동작특성에 따른 ESS의 운용시간과 용량에 대한 특성을 분석한다. 구체적으로 태양광전원과 수용가전원의 출력 및 부하는 상기 Fig.
NOCS방식이 적용된 SVR과 ESS의 운용특성에 대하여 정확도 및 신뢰성을 검증하기 위하여, Fig. 10과 같이 6개의 구간으로 이루어진 고압선로의 말단에 태양광전원을 연계하고, 3번째 구간에는 SVR과 ESS를 도입하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 중부하시를 기준으로 615V의 전압강하를 초과하는 구간부터는 주상변압기의 변압기는 12600 /230 Tap을 적용하였다.
구체적으로 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, SVR의 시지연 기간 동안 유지되는 고압측 전압 크기에 따라 ESS의 충·방전 동작을 적절하게 수행할 수 있는 최적운용방안인 ESS의 NOCS (Novel Operation Control Strategy, NOCS)와 파라메타 분석법으로 전체 운용시간 동안 ESS의 최적 도입 위치와 용량을 결정하는 방식을 제안한다.
1의 (2)에서 검증된 제어방식을 바탕으로 ESS의 도입위치 및 적정용량을 산정하기 위하여, 실 계통조건에서 전체 시간대에 대하여 SVR의 동작특성에 따른 ESS의 운용시간과 용량에 대한 특성을 분석한다. 구체적으로 태양광전원과 수용가전원의 출력 및 부하는 상기 Fig. 11에서 제시한 패턴을 적용하고, 분석을 위한 계통 조건은 상기의 실 계통조건을 적용하여, 본 논문에서 제시한 도입위치 및 도입용량 산정 알고리즘에 의하여 ESS의 도입위치 및 적정용량을 산정한다. 제안한 전략에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과 Fig.
따라서 본 논문에서는 Fig. 9와 같이 대상기간 동안 ESS의 동작에 따른 누적 충·방전 운용시간에 의하여 ESS의 kwh용량을 산정하는 방식을 제안하며, 이들의 관계는 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다.
각 시간대의 SVR Tap 위치를 결정하기 위하여, 참고문헌 [2]에서는 SVR의 최적송출전압과 SVR의 기준전압을 비교하여 목표로 하는 탭 위치를 구하는 방법이 제시되었다[7-8]. 따라서 본 논문에서는 SVR과 ESS의 협조 운용을 위하여 SVR의 목표 탭 위치를 구하는 방식에 대하여 상기의 방법을 적용하였으며, 이를 바탕으로 탭을(Tapc(t))를 구하는 결정식을 수식화하면 식 (1)과 같다.
본 논문에서 제안한 Novel Operation Control Strategy을 이용하여 SVR과 ESS의 운용에 대하여 신뢰성을 검증하기 위하여, 상기의 시뮬레이션 조건을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여 SVR과 ESS의 동작특성을 분석하였다.
상기에서 전체시간대에 대하여 ESS의 도입용량을 산정하였으면, 이번에는 ESS의 도입위치를 변경해가면서 전체시간대 에서의 ESS의 도입용량을 산정한다. 모든 도입위치에서의 ESS의 도입 용량에 대한 특성을 분석하면, ESS의 최소 도입용량은 Fig.
실 계통에 도입되는 ESS의 용량은 kW용량 뿐 만아니라 kWh로도 산정되기 때문에 본 논문에서는 ESS의 kWh 산정 방식을 제안하고, 이를 바탕으로 상기에 결정된 ESS의 kW도입용량과 누적 충·방전 운용시간을 고려하여 kWh용량을 산정한다.
또한 태양광전원은 7번, 8번, 9번 구간의 분기선에 연계되고, SVR과 ESS는 5번 구간에 도입되는 것으로 가정한다. 실제 수용가전압에 따른 ESS의 운용용량을 결정하기 위하여, 저압측의 직하수용가 전압은 주상변압기의 내부전압 강하분(1.2%)과 인입선의 전압강하분(2%)을 상정하고, 말단수용가 전압은 주상 변압기의 내부 전압 강하분, 저압배전선로의 전압강하분(4%), 인입선의 전압강하분을 고려한다. 이에 대한 계통 및 부하에 대한 상세 데이터는 Table 2과 같다.
성능/효과
13과 같이 SVR의 Tap이 동작하기 전 까지인 시지연 기간 동안에만 ESS가 운용됨을 확인 하였다.
(1) 본 논문에서 제안한 ESS의 Novel Operation Control Strategy에 의하여 SVR과 ESS의 운용에 따른 수용가전압특성을 분석한 결과 수용가전압이 규정치를 초과하는 경우, SVR의 동작하기 전까지 발생되는 전압문제를 ESS가 해소하여, 저압측 전압은 지속적으로 규정치 이내로 유지됨을 알 수 있었다.
(2) 또한 본 논문에서 제시한 파라메터 분석법에 의한 위치 및 용량결정 알고리즘을 바탕으로 SVR과 연계된 ESS의 도입위치와 도입용량을 결정한다면, 적은 ESS의 용량으로도 배전계통의 수용가전압을 안정적으로 유지시키는데 기여할 수 있음을 확인하였다.
(3) 따라서 계통의 전압안정화를 위하여 SVR과 ESS를 조합하여 운용하는 경우, 계통조건에 의하여 설치위치를 고려하고, 운용에 따른 충·방전패턴을 정확히 분석한다면, 일반적으로 ESS에 의해서만 전압안정화 하는 경우보다는 용량이 줄어들어 도입비용에 대한 경제성을 가질 수 있을 수 있음을 확인하였다.
구체적으로 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, SVR의 시지연 기간 동안 유지되는 고압측 전압 크기에 따라 ESS의 충·방전 동작을 적절하게 수행할 수 있는 최적운용방안인 ESS의 NOCS (Novel Operation Control Strategy, NOCS)와 파라메타 분석법으로 전체 운용시간 동안 ESS의 최적 도입 위치와 용량을 결정하는 방식을 제안한다. 따라서 본 논문에서 제시한 ESS의 운용 전략에 의하여 상시적으로 수용가전압을 안정화 시킬 수 있는 ESS의 도입위치 및 적정 도입용량을 산정한 결과, 본 논문에서 제안한 ESS의 NOCS와 ESS의 설치위치를 결정하는 알고리즘이 계통의 전압안정화에 기여할 수 있는 방안임을 확인하였다.
따라서 상기의 시뮬레이션 결과로부터 본 논문에서 제시한 SVR과 ESS의 Novel Operation Control Strategy의 유용함을 알 수 있었다.
따라서, 계통의 전압안정화를 위하여 SVR과 ESS를 조합하여 운용하는 경우, 계통조건에 의하여 설치위치를 고려하고, 운용에 따른 충·방전패턴을 정확히 분석한다면, 일반적으로 ESS에 의해서만 전압안정화를 수행하는 경우보다는 용량이 줄어들어 도입비용에 대한 경제성을 가질 수 있을 수 있음을 확인하였다.
38MW로서 약 1/4정도 용량이 줄어듬을 알 수 있었다, 따라서, 본 논문에서 제시한 파라메터 분석법에 의한 위치 및 용량결정 알고리즘의 유용성을 가짐을 확인하였다. 또한 논문에서 제안한 알고리즘에 의하여 ESS의 도입위치와 도입용량을 산정한다면, 적은 ESS의 용량으로도 배전계통의 수용가전압을 안정적으로 유지시킬 수 있음을 알 수 있었다.
본 논문에서 제시한 알고리즘을 바탕으로 ESS의 kWh용량을 산정한 결과, Table 4와 같이 제안한 SVR의 시지연 동작시간에 운용되는 kWh 도입용량은 83.6kWh (0.2h)로 산정되어, 단주기동안에 운용되는 ESS의 kWh용량은 충·방전패턴에 따라 kW도입용량보다 줄어들 수 있음을 됨을 알 수 있다.
11에서 제시한 패턴을 적용하고, 분석을 위한 계통 조건은 상기의 실 계통조건을 적용하여, 본 논문에서 제시한 도입위치 및 도입용량 산정 알고리즘에 의하여 ESS의 도입위치 및 적정용량을 산정한다. 제안한 전략에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과 Fig. 15와 같이 전체시간대에 대하여 SVR의 Tap 동작 지역시간동안 ESS는 6회 정도 운용하였고, 용량은 0.8MVA에서 1.6MVA로서, 최대용량은 방전시에 1.6MVA정도 됨을 알 수 있었다. 단, 고압계통의 역률에 의하여 ESS의 최대 유효전력은 1.
38MW로 결정 된다. 즉 7번 간선의 2번 분기선에 ESS가 도입되었을 때 운용된 용량과 초기 도입위치에서의 ESS도입용량과 크기를 비교해보면 초기 1.6MW에서 0.38MW로서 약 1/4정도 용량이 줄어듬을 알 수 있었다, 따라서, 본 논문에서 제시한 파라메터 분석법에 의한 위치 및 용량결정 알고리즘의 유용성을 가짐을 확인하였다. 또한 논문에서 제안한 알고리즘에 의하여 ESS의 도입위치와 도입용량을 산정한다면, 적은 ESS의 용량으로도 배전계통의 수용가전압을 안정적으로 유지시킬 수 있음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ESS의 단점은?
2와 같이 계통의 전압과 주파수의 특성에 따라 전력이 증·감발되도록 충·방전을 수행하여, 계통을 안정화시키는 기능을 하게 된다. 하지만, 상기의 기능으로 도입되는 ESS는 리튬이온계열의 배터리가 적용되기 때문에, 기존 연축전지 및 기계식 전압조정장치에 비하여 단가가 높다는 단점을 가지고 있다. 또한 수용가가 밀집되어 있는 배전선로에 전압안정화용으로 ESS를 적용하게 된다면, 집중부하들에 의하여 전압을 조정하기 위한 ESS의 kW 및 kWh 용량이 증가되어 도입비용이 늘어 날 수 있다.
선로전압조정장치가 가지고 있는 문제점은 무엇인가?
이러한 배경 하에 최근에는 배전 계통의 전압을 적정 범위로 유지하기 위하여 태양광전원이 연계된 장거리 고압 배전선로나 부하변동이 심한 고압 배전선로에 선로전압조정장치(step voltage regulator: SVR)를 도입하여 운용하고 있다. 하지만 SVR은 미리 설정된 지연시간 이후에 탭이 동작하는 특성을 가지고 있기 때문에, 지연시간 동안에 수용가전압은 규정범위를 벗어날 가능성을 가지고 있다.[1-2].
SVR의 운용방식에는 무엇이 있는가?
태양광전원에 의하여 발생되는 전압문제를 해결하기 위한 방안중 하나인 SVR의 운용방식으로는 부하전류에 응동하여 계산된 최적송출전압에 따라탭을 조정하는 LDC(Line Drop Compensation, LDC) 조정방식, 부하량과 상관없이 일정한 송출 전압 값을 갖는 일정송출전압방식 그리고 시간에 의하여 정해진 송출전압을 조정하는 프로그램방식 등이 있다[3-4]. 이 중, 참고문헌 [3]에서는 SVR 운용방식중, 부하전류 증감에 따라 송출전압을 조정 하는 LDC운전 방식을 제안하여, 태양광전원에 의한 수용가 과전압현상을 해결하는 연구주제를 다루었다.
참고문헌 (9)
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C. Chen, "The Effect of Voltage Control to Efficiency and Operation of Electric Distribution Systems", Ph.D. Thesis, University of Texas at Arllington (1982)
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Chae-Hyun Jung,, Sung-Min Han, Jong-Gyun Baek, Kook-Joo Lee, Chang-Hyun Park, Jun-Beom Kwon, A Study on Development of the High-Power Low-Loss Waveguide Circulator for Ka-band Millimeter-Wave Seeker, The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), vol. 17, no. 6, pp. 83-88, Dec. 2017. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.6.83
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