[논문]배전선로 절체에 의한 태양광전원의 수용성 향상방안에 관한 연구

이명근; 이후동; 페레이라 마리토; 박지현; 태동현; 노대석

doi:10.5762/kais.2019.20.11.239

[국내논문] 배전선로 절체에 의한 태양광전원의 수용성 향상방안에 관한 연구
A Study on Enhancement Method of Hosting Capacity for PV System Based on Primary Feeder Reconfiguration 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.11, 2019년, pp.239 - 249

이명근 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 이후동 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 페레이라 마리토 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 박지현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 태동현 (한국기술교육대학교 전기공학과) , 노대석 (한국기술교육대학교 전기공학과)

초록
AI-Helper

최근, 정부는 신재생에너지전원을 확대하는 정책을 시행하고 있으며, 이에 따라 다수의 대용량 태양광전원이 배전계통에 활발하게 연계되고 있는 실정이다. 하지만, 이러한 태양광전원이 배전계통에 연계되는 경우, 역조류 현상에 의하여 수용가 전압이 규정전압범위를 벗어날 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 배전계통에서 태양광전원의 수용성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 선로절체에 의한 태양광전원의 수용성 향상을 위하여, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 3분할 3연계로 구성된 배전계통의 모델링을 제시하고, 태양광전원을 최대한 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 또한, 배전선로 절체 구간 및 태양광전원 연계 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 변압기 2차측 직하 수용가전압을 규정전압범위 이내로 유지하는 최대 태양광전원 용량을 산정하기 위하여 최적의 선로절체 구간을 산정한다. 제안한 배전계통의 수용성 평가알고리즘과 모델링을 바탕으로 수용가전압 특성을 분석한 결과, 대용량 태양광전원이 연계된 배전선로를 용량의 여유가 남아있는 선로와 절체하여 재구성하게 되면, 더 많은 용량의 태양광전원의 연계가 가능하여, 본 논문의 유용성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the Korean government has implemented a policy to expand renewable energy sources. Large-scale PV systems are being actively interconnected with the distribution system. On the other hand, when a large-scale PV system is installed and operated, the customer voltages could violate the allowable voltage limit due to reverse power flow of the PV system. To overcome these problems, an enhancement method for hosting the capacity of the PV system in a distribution system is being actively conducted. Therefore, to improve the hosting capacity of the PV system, this paper proposes a model of a reconfiguration of the distribution system, which is composed of three sections and three connections based on PSCAD/EMTDC S/W, and proposes an evaluation algorithm for the feeder reconfiguration to maximize an adaption of the PV system. In addition, this paper presents the optimal method of the feeder reconfiguration section to evaluate the maximum capacity of the PV system to keep customer voltages within the allowable voltage limits based on various operation scenarios, such as the capacity of a PV system and section of feeder reconfiguration. From the simulation results based on the PSCAD/EMTDC modeling and evaluation algorithm, it was confirmed that they are a useful and practical tool to enhance hosting the capacity of a PV system in a distribution system.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1. Characteristics of customer voltage at peak and off-peak load
그림 Fig. 2. Evaluation algorithm for hosting capacity of PV based on primary feeder reconfiguration
그림 Fig. 3. Modeling of main distribution transformer
그림 Fig. 4. Modeling of current control in PV system
그림 Fig. 5. Modeling of PWM in PV system
그림 Fig. 6. Modeling of grid-connected inverter
그림 Fig. 7. Modeling of customer load
그림 Fig. 8. Modeling of feeder reconfiguration
그림 Fig. 9. Modeling of entire distribution system
그림 Fig. 10. Characteristics of customer voltage in Case(I) with PV system
표 Table 1. Distribution feeder conditions
표 Table 2. Reconfiguration cases
표 Table 3. Available capacity of PV system in Case(I)
표 Table 4. Available cases for reconfiguration based on load capacity
그림 Fig. 11. Characteristics of customer voltage in Case(V) without PV system
그림 Fig. 12. Characteristics of customer voltage in Case(V) with PV system at peak load
그림 Fig. 13. Characteristics of customer voltage in Case(V) with PV system at off-peak load
그림 Fig. 14. Characteristics of customer voltage in Case(VI) without PV system
표 Table 5. Hosting capacity of PV system in Case(V)
그림 Fig. 15. Characteristics of customer voltage in Case(VI) with PV system at peak load
그림 Fig. 16. Characteristics of customer voltage in case(VI) with PV system at off-peak load
그림 Fig. 17. Characteristics of customer voltage in Case(VII) without PV system
그림 Fig. 18. Characteristics of customer voltage in Case(VII) with PV system at peak load
표 Table 6. Hosting capacity of PV system in Case(VI)
표 Table 7. Hosting capacity of PV system in Case(VII)
표 Table 8. Hosting capacity of PV system at each case

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

배전계통에서 태양광전원의 연계위치나 연계 용량에 따라 수용가전압이 규정전압범위를 벗어나게 되어, 배전 계통의 태양광전원 수용성이 저하될 가능성이 있다. 따라 서, 본 논문에서는 태양광전원의 용량과 다양한 선로절체 시나리오에 기반하여, 태양광전원 수용성을 향상시키기 위한 최적의 선로절체구간을 산정하는 배전계통의 수용성 평가알고리즘을 제시한다. 이에 대한 자세한 평가절차는 다음과 같다.
따라서, 본 논문에서는 선로절체에 의한 태양광전원의 수용성 향상을 위한 평가알고리즘을 제시한다. 구체적으로, 배전선로 절체 구간 및 태양광전원 연계 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 변압기 2차측 직하 수용가전압을 규정전압범위 이내로 유지하는 최대 태양광 전원 용량을 산정하기 위하여 최적의 선로절체 구간을 결정한다.
또한, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 배전용 변전소, 태양광전원, 수용가부하, 3분할된 자기선로와 타선로로 구성된 배전계통의 모델링을 제시한다. 또한, 상기의 모델링을 바탕으로 태양광전원을 최대한 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 제안한 배전계통의 수용성 평가알고리즘과 모델링을 바탕으로 수용가전압 특성을 분석한 결과, 대용량 태양광전원이 연계된 배전선로를 용량의 여유가 남아있는 선로와 절체하여 재구성하게 되면, 더 많은 용량의 태양광전원의 연계가 가능하여, 본 논문의 유용성을 확인하였다.
본 논문에서는 배전계통에 연계되는 태양광전원의 수용성 향상을 위하여, PSCAD/EMTDC를 이용하여 배전 계통을 모델링하고, 수용가전압을 규정전압범위 이내로 유지시키는 태양광전원의 용량과 절체구간을 산정하는 배전계통 수용성 평가알고리즘을 제안하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 논문에서는 배전선로 절체 구간 및 태양광전원 연계 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 수용가전압의 규정전압범위를 초과하지 않는 태양광전원의 최대 용량을 산정하기 위하여, Table 1과 같이 시뮬레이션 조건을 상정한다[12]. 여기서, 배전선로는 9개의 구간으로 나누고, 1번 구간은 CNCV-325mm² , 긍장은 1.
여기서는 배전선로 절체를 하지 않은 경우에 대하여, 태양광전원 연계용량에 따른 수용가전압 특성을 제시한다. 가장 가혹한 조건인 선로 말단인 9번 구간에 태양광 전원이 설치되는 경우, 수용가전압이 규정전압범위 이내로 유지되는 최대 태양광전원의 도입용량을 산정하면, Table 3과 같이 나타낼 수 있다.

가설 설정

6km로 상정한다. 또한, 저압측의 전압강하 분담율은 주상변압기의 전압강하분 (0.5%)과 인입선 전압강하분(0.5%), 저압 배전선로 전압 강하분(3%)으로 상정한다. 한편, 배전용변전소의 송출전 압은 13,200[V]의 일정값으로 상정하며, 미절체 시 주상 변압기의 1차측 탭은 1~5번 구간은 13,200탭, 6~9번 구간은 12,600탭을 적용한다.
또한, 주변압기 2차측은 배전계통의 지락전류를 제한하기 위하여 0.6[Ω]의 NGR(neutral ground resistor)을 설치하는 것으로 가정한다.

제안 방법

(3) 본 논문에서는 선로절체에 의한 태양광전원의 수 용성 향상을 위해, 배전계통 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 3분할 3연계로 구성된 배전계통의 모델링을 제시하고, 태양광전원을 최대로 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 이를 바탕으로 수용가전압 특성을 분석한 결과, 대용량 태양광전원이 연계된 배전선로와 다른 선로를 절체하여 재구성하게 되면, 태양광전원의 수용성을 향상시킬 수 있어, 본 연구의 유용성을 확인할 수 있다.
[Step 1] 절체 가능한 두 개의 대상 배전선로의 선종, 선로 긍장, 부하량, 주상변압기 탭 등의 배전 계통 데이터와 태양광전원의 도입구간을 상정한다.
구체적으로, 배전선로 절체 구간 및 태양광전원 연계 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 변압기 2차측 직하 수용가전압을 규정전압범위 이내로 유지하는 최대 태양광 전원 용량을 산정하기 위하여 최적의 선로절체 구간을 결정한다. 또한, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 배전용 변전소, 태양광전원, 수용가부하, 3분할된 자기선로와 타선로로 구성된 배전계통의 모델링을 제시한다. 또한, 상기의 모델링을 바탕으로 태양광전원을 최대한 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다.
여기서, 선로 절체 시의 각 선로의 부하용량이 10MVA가 초과하는 경우는 상정하지 않고, 선로 재구성은 영구적으로 유지되는 것으로 상정하여 고압 배전선로 전압강하율에 따라 주상 변압기 탭을 재선정한다. 또한, 선로절체 이전의 부하용량은 피크부하 시(7MVA)와 경부하 시(4MVA)를 고려하여 각 구간에 균등하게 분배되는 것으로 상정하여, 각 Case 별 태양광전원이 연계되지 않았을 시 수용가전압 특성을 분석하여 절체가 적절한지 판단하고, 절체가 가능한 Case에서의 태양광전원의 연계 용량을 산정한다.

성능/효과

(1) 피크부하 시를 기준으로 배전계통에 주상변압기 탭을 설정하였을 경우 경부하 시 태양광전원이 배 전계통에 연계되면, 태양광전원에서 공급하는 역 조류가 전압상승을 초래하여, 규정전압범위가 벗 어날 가능성을 확인하였다.
(2) 제안한 알고리즘을 적용하여, 선로절체에 따른 태양광전원 용량을 미절체시와 비교한 결과, 피크부하 시에 Case(V)는 8.08MW, Case(VI)은 10.48MW, Case(VII)은 8.25MW이며, 경부하 시 에 Case(V)는 5.21MW, Case(VI)은 7.02MW, Case(VII)은 0MW이다. 따라서, Case(VI)의 경우 가 최대의 태양광전원 용량을 연계 할 수 있는 절 체 가능 Case임을 확인할 수 있었고, 따라서, 절체 하지 않은 경우에 대하여, 추가로 가능한 연계 용량은 7.
따라서, Case(VI)가 경부하 시를 기준으로 7.02MW를 추가로 연 계할 수 있으므로 최대의 태양광전원 용량을 연계 할 수 있는 절체 가능한 최적의 Case임을 확인할 수 있어, 본 논문의 유용성을 확인할 수 있다.
02MW, Case(VII)은 0MW이다. 따라서, Case(VI)의 경우 가 최대의 태양광전원 용량을 연계 할 수 있는 절 체 가능 Case임을 확인할 수 있었고, 따라서, 절체 하지 않은 경우에 대하여, 추가로 가능한 연계 용량은 7.02MW임을 알 수 있다.
(3) 본 논문에서는 선로절체에 의한 태양광전원의 수 용성 향상을 위해, 배전계통 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 3분할 3연계로 구성된 배전계통의 모델링을 제시하고, 태양광전원을 최대로 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 이를 바탕으로 수용가전압 특성을 분석한 결과, 대용량 태양광전원이 연계된 배전선로와 다른 선로를 절체하여 재구성하게 되면, 태양광전원의 수용성을 향상시킬 수 있어, 본 연구의 유용성을 확인할 수 있다.
자기 선로의 6번 구간과 타 선로의 3번 구간이 연계된 Case(V)에 대하여, 절체 시 태양광전원을 연계하지 않았을 때, 수용가 전압특성은 Fig. 11과 같이 피크부하 (7MVA)와 경부하(4MVA) 모두 1~9구간에서 규정전압 범위를 벗어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, Table 5와 같이 피크부하 시 도입 가능한 태양광전원 용량은 자기선로의 6구간에서 8.
자기 선로의 6번 구간과 타 선로의 6번 구간이 연계된 Case(VI)에 대하여, 절체 시 태양광전원을 연계하지 않았을 때, 수용가 전압특성은 Fig. 14와 같이 피크부하 (7MVA)와 경부하(4MVA) 모두 1~9구간에서 규정전압 범위를 벗어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, Table 6과 같이 피크부하에서 도입 가능한 태양광전원 용량은 자기선로 6구간에서 8.
또한, 상기의 모델링을 바탕으로 태양광전원을 최대한 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 제안한 배전계통의 수용성 평가알고리즘과 모델링을 바탕으로 수용가전압 특성을 분석한 결과, 대용량 태양광전원이 연계된 배전선로를 용량의 여유가 남아있는 선로와 절체하여 재구성하게 되면, 더 많은 용량의 태양광전원의 연계가 가능하여, 본 논문의 유용성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근, 정부가 환경문제로 인해 실시한 정책은?	최근, 정부는 환경문제로 인하여 석탄 발전원의 비중을 줄이고 태양광전원 및 풍력발전 중심의 신재생에너지 전원을 확대하는 ‘재생에너지 3020’정책을 시행하고 있 다. 또한, 기존의 태양광전원의 수용한계가 없어지고, 1MW 이하의 태양광전원은 무제한으로 접속할 수 있게 되어, 대용량 태양광전원이 배전계통에 연계되고 있는 실정이다.
	PSCAD/EMTDC란?	이러한 문제점을 해결하기 위하여, 배전계통에서 태양광전원의 수용성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 선로절체에 의한 태양광전원의 수용성 향상을 위하여, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 3분할 3연계로 구성된 배전계통의 모델링을 제시하고, 태양광전원을 최대한 수용할 수 있는 선로절체 평가알고리즘을 제시한다. 또한, 배전선로 절체 구간 및 태양광전원 연계 용량 등의 다양한 운용 시나리오에 기반하여, 변압기 2차측 직하 수용가전압을 규정전압범위 이내로 유지하는 최대 태양광전원 용량을 산정하기 위하여 최적의 선로절체 구간을 산정한다.
	배전계통에서 태양광전원의 수용성을 향상시키기 위한 연구가 진행되는 이유는?	최근, 정부는 신재생에너지전원을 확대하는 정책을 시행하고 있으며, 이에 따라 다수의 대용량 태양광전원이 배전계통에 활발하게 연계되고 있는 실정이다. 하지만, 이러한 태양광전원이 배전계통에 연계되는 경우, 역조류 현상에 의하여 수용가 전압이 규정전압범위를 벗어날 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 배전계통에서 태양광전원의 수용성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

참고문헌 (14)

V. Vai, E. Gladkikh, M. C. Alvarez-Herault, B. Raison and L. Bun, "Study of low-voltage distribution system with integration of PV-battery energy storage for urban area in developing country," 2017 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Milan, 2017, pp. 1-6.
O. M. Akeyo, V. Rallabandi and D. M. Ionel, "Multi-MW solar PV pumping system with capacity modulation and battery voltage support," 2017 IEEE 6th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), San Diego, CA, 2017, pp. 423-428.
J. Wang, S. Hashemi, S. You and C. Troeholt, "Active and reactive power support of MV distribution systems using battery energy storage," 2017 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Toronto, ON, 2017, pp. 382-387.
M. Zeraati, M. E. H. Golshan and J. M. Guerrero, "A Consensus-Based Cooperative Control of PEV Battery and PV Active Power Curtailment for Voltage Regulation in Distribution Networks," in IEEE Transactions on Smart Grid.
V. Vai, E. Gladkikh, M. C. Alvarez-Herault, B. Raison and L. Bun, "Study of low-voltage distribution system with integration of PV-battery energy storage for urban area in developing country," 2017 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Milan, 2017, pp. 1-6.
Yong-Ho Yoon, "Integrated Management System to Improve Photovoltaic Operation Efficiency", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 19, No. 4, pp. 113-118, 2019. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2019.19.4.113
Chang-Yong Lee, ？Jinho Kim, "The Prediction and Analysis of the Power Energy Time Series by Using the Elman Recurrent Neural Network", Journal of the Society of Korea Industrial and Systems Engineering, Vol. 41, No. 1, pp. 84-93, 2018. DOI: https://doi.org/10.11627/jkise.2018.41.1.084
H. C. KI, "A study on millimeter Wave Power Amplifiers Using Spatiol Combining", Ther Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 17, No.4, pp.77-82, 2017.

원문보기 상세보기
Jong-Yong Wang, Byung-Ki Kim, Jea-Bum Park, Byung-Mok Kim, Eung-Sang Kim, Dae-Seok Rho, "A Study on the Modeling and Operation Algorithm of Independent Power System for Carbon Free", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 65, No. 5, pp. 760-768, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5370/KIEE.2016.65.5.760

원문보기 상세보기
Hong-Yeol Choi, Sung-Sik Choi, Min-Kwan Kang, Dae-Seok Rho, "Optimal Voltage Control Algorithm of Small Hydro Generators for Voltage Stabilization in Distribution system with large scaled PV systems", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 67, No. 7, pp. 824-832, 2018. DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2018.67.7.824
Min-Kwan Kang, Sung-Sik Choi, Jae-Beom Park, Yang-Hyeon Nam, Eung-Sang Kim, Dae-Seok Rho, "A Study on the Modeling Method of Performance Evaluation System for MW Scaled Energy Storage System Using the PSCAD/EMTDC", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 66, No. 6, pp. 885 891, 2017. DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2017.66.6.885
Yang-Hyun Nam, Sung-Sik Choi, Min-Kwan Kang, Hu-Dong Lee, Ji-Hyun Park, Dae-Seok Rho, "A Study on the Large-scale Adoption Method of Distribution System Interconnected with PV System by Energy Storage System", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 67, No. 8, pp. 1031-1039, 2018. DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2018.67.8.1031
Sung-Sik Choi, Min-Kwan Kang, Hu-Dong Lee, Yang-Hyun Nam, Ji-Hyun Park, Dae-Seok Rho, "A Study on an Evaluation Modeling of Power System Performance for Frequency Regulation ESS Based on the PSCAD/EMTDC", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 67, No. 8, pp. 1024-1030, 2018. DOI: http://doi.org/10.5370/KIEE.2018.67.8.1024
Myung-geun Lee, Se-Yeon Le, Hong-Yeol Choi, Ji-Hyun Park, Dae-Seok Rho, "A Study on Hosting Capacity Enhancement of PV System in Distribution System Using Feeder Reconfiguration Method" the Korea Academia-Industrial cooperation Society. 11. 2019.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증