KR102230058B1 - 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치 - Google Patents

분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치 Download PDF

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KR102230058B1 KR1020190112986A KR20190112986A KR102230058B1 KR 102230058 B1 KR102230058 B1 KR 102230058B1 KR 1020190112986 A KR1020190112986 A KR 1020190112986A KR 20190112986 A KR20190112986 A KR 20190112986A KR 102230058 B1 KR102230058 B1 KR 102230058B1
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김철환
홍남규
박진우
노철호
권기현
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

분산전원이 연계된 직류 배전계통에서, 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하고, 상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하고, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압을 계산하는 송출전압 조정 방법 및 장치가 제공된다. 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산 방법을 다르게 함으로써 분산전원의 출력전류에 의해 발생하는 선로전압강하를 보상하고, 직류 배전계통의 전압을 기준 허용범위 이내로 유지하고, 저전압 문제를 해결할 수 있다

Description

분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SENDING END VOLTAGE ADJUSTMENT IN DIRECT-CURRENT DISTRIBUTION SYSTEM CONNECTED WITH DISTRIBUTED GENERATION}
본 발명은 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치에 관한 것이고, 더 구체적으로는 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 분산전원의 도입이 증가함에 따라 에너지 효율을 극대화하기 위한 직류 배전계통에 대한 연구가 많이 진행되고 있지만, 분산전원 연계 시 발생 가능한 배전선로의 전압 허용범위 이탈, 과전압 현상 또는 저전압 현상과 같은 문제점들을 보완할 필요가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 교류 배전계통에 적용되는 종래의 송출전압 조정 방법들은 SVR(Step Voltage Regulator) 전압 제어, SVR과 ULTC(Under Load Tap Changer) 간의 협조 제어, SVR과 ESS(Energy Storage System) 간의 협조 제어와 같이 추가적인 설비를 도입하여 분산전원이 연계된 배전계통의 전압을 허용범위 이내로 유지시킨다.
한편 직류 배전계통에서 전압 불평형을 저감하는 종래 기술은 직류 보상기(DC Compensator) 또는 전압 밸런서(Voltage Balancer)와 같이 컨버터 토폴로지에 관한 것이 대부분이며, 전체 수용가 전압을 담당하는 송출전압 조정에 관한 연구는 미미하다.
종래의 분산전원에 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법으로는 부하량과 상관없이 일정한 크기의 전압을 송출하는 고정송출전압 방식, 시간대별로 타임스위치 지정에 의해 송출전압을 단계적으로 조정하는 프로그램 방식, 미리 정해진 전압조정요소에 의하여 부하전류의 크기에 따라 선로전압강하를 보상하여 송출전압 크기를 계산하는 LDC(Line Drop Compensation) 방식, 양극성 배전계통에서 중성선 전위 변동을 보상하는 NLDC(Neutral to Line Drop Compensation) 방식 등이 있으나, 상기 방법들은 분산전원의 출력 특성을 고려하지 않아 분산전원의 출력전류로 인해 계통전류가 감소하고 송출전압이 낮아지는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2019-0050466호 ("분산 전원 제어 장치", 한전케이디엔주식회사, 2019.05.13.)
상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 분산전원의 출력전류에 의해 발생하는 선로전압강하를 보상하고, 직류 배전계통의 전압을 기준 허용범위 이내로 유지하고, 저전압 문제를 해결할 수 있는 분산전원이 연계된 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법은 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하는 단계와, 상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하는 단계와, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계를 포함한다.
상기 계통전압 증감률은 컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것일 수 있다.
상기 계통전압 증감률은 상기 전압 데이터를 이용하여 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00001
에 따라 계산될 수 있다.
상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계는 상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것일 수 있다.
이때, 상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은 제1 최적 전압보상율을 결정하는 단계와, 제1 최적 전압조정요소를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 최적 전압보상율은 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00002
이 최소가 되는
Figure 112019093777917-pat00003
값으로 결정될 수 있다.
이때, 상기 제1 최적 전압조정요소는 부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되, 상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00004
에 대하여
Figure 112019093777917-pat00005
를 만족하는
Figure 112019093777917-pat00006
및
Figure 112019093777917-pat00007
로 계산될 수 있다.
상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은 제2 최적 전압보상율을 결정하는 단계와, 제2 최적 전압조정요소를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 최적 전압보상율은 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00008
이 최소가 되는
Figure 112019093777917-pat00009
값으로 결정될 수 있다.
이때, 상기 제2 최적 전압조정요소는 부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되, 상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00010
에 대하여
Figure 112019093777917-pat00011
를 만족하는
Figure 112019093777917-pat00012
및
Figure 112019093777917-pat00013
로 계산될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 장치는 DC/DC 컨버터로부터 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 수신하는 데이터 수신부와, 상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하고, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압을 계산하는 연산부를 포함한다.
상기 계통전압 증감률은 컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것일 수 있다.
상기 계통전압 증감률은 상기 전압 데이터를 이용하여 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00014
에 따라 계산될 수 있다.
상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산하는 것은 상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것일 수 있다.
상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은 제1 최적 전압보상율을 결정하고, 제1 최적 전압조정요소를 계산하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제1 최적 전압보상율은 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00015
이 최소가 되는
Figure 112019093777917-pat00016
값으로 결정될 수 있다.
이때, 상기 제1 최적 전압조정요소는 부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되, 상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00017
에 대하여
Figure 112019093777917-pat00018
를 만족하는
Figure 112019093777917-pat00019
및
Figure 112019093777917-pat00020
로 계산될 수 있다.
상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은 제2 최적 전압보상율을 결정하고, 제2 최적 전압조정요소를 계산하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제2 최적 전압보상율은 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00021
이 최소가 되는
Figure 112019093777917-pat00022
값으로 결정될 수 있다.
이때, 상기 제2 최적 전압조정요소는 부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되, 상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
Figure 112019093777917-pat00023
에 대하여
Figure 112019093777917-pat00024
를 만족하는
Figure 112019093777917-pat00025
및
Figure 112019093777917-pat00026
로 계산될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압의 조정을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 DC/DC 컨버터로부터 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 수신하는 단계와, 상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하는 단계와, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계를 수행하되, 상기 계통전압 증감률은 컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것이고, 상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산 방법을 선정하는 단계는 상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압의 조정 시스템은 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하는 DC/DC 컨버터와, 상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하고, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압을 계산하는 컨버터 스테이션을 포함하되, 상기 컨버터 스테이션은 상기 DC/DC 컨버터로부터 상기 전압 데이터를 수신하고, 상기 계통전압 증감률은 컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것이고, 상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산하는 것은 상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산한다.
본 발명의 실시예들에 따른 분산전원이 연계된 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치에 따르면, 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산 방법을 다르게 함으로써 분산전원의 출력전류에 의해 발생하는 선로전압강하를 보상하고, 직류 배전계통의 전압을 기준 허용범위 이내로 유지하고, 저전압 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 LDC 방식의 송출전압 조정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 최적 송출전압과 송출전류의 상관관계를 예시한 그래프이다.
도 3은 분산전원이 연계된 배전계통의 전류 흐름을 나타낸 개념도이다.
도 4는 분산전원의 출력에 따른 LDC 방식의 송출전압 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 분산전원의 연계 여부에 따른 직류 배전계통의 전압 분포를 비교하기 위한 도면이다.
도 6은 분산전원이 연계된 직류 배전계통 구조를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 장치의 구성도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치의 시뮬레이션 조건을 나타낸 도면이다.
도 12는 도 9에 도시된 배전계통의 피더 1에서 분산전원의 출력에 따른 각 노드의 전압 및 계통전압 증감률을 나타낸 표이다.
도 13은 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에서, "수용가"는 "부하"와 동일한 의미로 사용되었다.
부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법
일반적으로 송출전압 조정 방법으로는, 부하량과 상관없이 일정한 크기의 전압을 송출하는 고정송출전압 방식, 시간대별로 타임스위치 지정에 의해 송출전압을 단계적으로 조정하는 프로그램 방식, 그리고 미리 정해진 전압조정요소에 의하여 부하전류의 크기에 따라 선로전압강하를 보상하여 송출전압 크기를 계산하는 LDC(Line Drop Compensation) 방식이 있다. 현행 배전용 변전소의 송출전압 조정에는 급격한 부하 변동에도 유연하게 대응할 수 있는 LDC 방식을 채택하고 있다.
도 1은 LDC 방식의 송출전압 조정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
LDC 방식은 부하 변동에 대하여 배전계통 내 일정 지점의 전압(VCE)을 유지하도록 송출전압(Vsend)을 조정한다. 즉, 부하가 큰 시간대(peak time)에는 송출전압을 크게 조정하고(110), 부하가 작은 시간대(bottom time)에는 송출전압을 작게 조정한다(130). 이를 위해 일정 지점까지의 임피던스(Zeq)에 의한 전압강하를 보상하면 되므로 보상된 송출전압은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019093777917-pat00027
Vsend(t): 송출전압
VCE: 부하 중심점 전압
Zeq: 등가 임피던스
Ibank(t): 뱅크 전류
수학식 1에서, 송출전압(Vsend)은 전압강하 특성이 고려된 전압조정요소(VCE, Zeq)와 측정된 뱅크 전류(Ibank)를 통해 결정된다. 이는 i) 최적 전압보상율 결정 및 ii) 최적 전압조정요소 계산의 2단계 과정에 의해 이루어진다.
i) 최적 전압보상율 결정
수학식 2는 배전계통의 규정 전압(Vrate)과 직하 수용가 전압(V1)의 차의 제곱 및 배전계통의 규정 전압(Vrate)과 말단 수용가 전압(V2)의 차의 제곱의 합으로서, 최적 전압보상율(Ux)은 수학식 2가 최소가 되는 전압보상율로 결정된다. 즉, 최적 전압보상율은 dQ1/dUx = 0 을 만족하는 Ux로 결정되며, 그 결과는 수학식 3과 같다.
Figure 112019093777917-pat00028
Vrate: 배전계통의 규정 전압
V1: 직하 수용가 전압
V2: 말단 수용가 전압
Ux: 최적 전압보상율
Uc: 배전계통에 규정된 전압보상율
Figure 112019093777917-pat00029
ii) 최적 전압조정요소 계산
도 2는 최적 송출전압과 송출전류의 상관관계를 예시한 그래프이다.
최적 송출전압은 최적 전압보상율과 규정 전압을 곱함으로써 계산되고, 송출전류는 총 부하전류를 합한 것이다. 도 2에서 점으로 표시된 것과 같이, 최적 송출전압과 송출전류는 비선형적인 상관관계를 가지며, 예를 들어 최소자승법과 같은 근사법을 이용하여, 수학식 4와 같이 근사식으로 표현될 수 있다(210).
Figure 112019093777917-pat00030
VOPT(t): 최적 송출전압
VCE: 부하 중심점 전압
Zeq: 등가 임피던스
I(t): 송출 전류
최적 전압조정요소(VCE, Zeq)의 결정은 수학식 4에서 최적 송출전압의 분포의 편차가 최소가 되는 계수를 구하는 것이다. 즉, 수학식 5에 대하여 ∂Q2/∂Zeq + ∂Q2/∂VCE = 0 을 만족하는 VCE, Zeq을 계산하며, 그 결과는 수학식 6과 같다.
Figure 112019093777917-pat00031
Figure 112019093777917-pat00032
Figure 112019093777917-pat00033
분산전원과 부하 특성을 고려한 송출전압 계산 방법
상술한 부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법에서는 분산전원의 출력 특성을 전혀 고려하지 않기 때문에, 배전계통에 분산전원이 도입되는 경우 분산전원의 출력전류에 의한 전압변동에 대응하지 못할 뿐만 아니라 수용가에 기준전압 허용범위 위반 및 저전압 문제가 발생하게 된다.
도 3은 분산전원이 연계된 배전계통의 전류 흐름을 나타낸 개념도이고, 도 4는 분산전원의 출력에 따른 LDC 방식의 송출전압 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 분산전원이 연계되지 않은 직류 배전계통의 계통전류(IDC)는 총 부하전류(IF# 1,Load ~ IF# N,Load)의 합으로 계산된다. 그러나 분산전원이 연계된 경우에는 계통전류(IDC)는 부하전류(IF# 1,Load ~ IF# N,Load)의 합에서 분산전원의 출력전류(IF#1,DG ~ IF# N,DG)를 뺀 값으로 계산된다. 즉, 분산전원이 연계되면 계통전류(IDC)가 감소하는 효과가 있다. 특히 분산전원의 출력전류(IF# 1,DG ~ IF# N,DG)의 합이 부하전류(IF#1,Load ~ IF# N,Load)의 합보다 큰 경우에는 계통전류(IDC)가 음수가 되는 역조류 현상이 발생하게 된다.
또한, 도 4에서 확인되는 바와 같이 계통전류(IDC)의 감소로 인해 송출전압의 크기가 감소(VOPT,withoutDG → VOPT,withDG)하게 되어, 분산전원이 연계되지 않은 배전선로 또는 소규모 분산전원이 연계된 배전선로의 수용가에 저전압 현상이 발생하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 분산전원의 연계 여부에 따른 직류 배전계통의 전압 분포를 비교하기 위한 도면이다.
분산전원이 연계되지 않은 경우에는 직류 배전계통의 전압 분포는 도 5a에 도시된 것과 같이 주전원에서 멀어질수록 단조감소 한다. 그러나 분산전원이 연계된 경우에는 직류 배전계통의 전압 분포는 도 5b에 도시된 것과 같이 단조감소 하지 않고 분산전원이 연계된 지점(PCC-1, PCC-2)에서 증가한다. 따라서 분산전원과 부하 특성을 모두 고려한 송출전압을 계산하기 위해서는, 상술한 부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법에서 규정전압과 편차가 가장 큰 직하 수용가 전압 및 말단 수용가 전압만을 고려한 것과 달리, 분산전원의 연계점을 포함한 모든 노드의 전압을 고려하여야 한다.
분산전원과 부하 특성을 고려한 송출전압을 계산하기 위해서는 i) 분산전원을 고려한 최적 전압보상율을 결정하고, ii) 분산전원을 고려한 최적 전압조정요소를 계산해야 한다.
i) 분산전원을 고려한 최적 전압보상율 결정
수학식 7은 배전계통의 규정 전압(Vrate)과 수용가 전압(VD)의 차의 제곱 및 배전계통의 규정 전압(Vrate)과 분산전원 연계점 전압(VPCC)의 차의 제곱의 합으로서, 분산전원을 고려한 최적 전압보상율(Ux)은 수학식 7이 최소가 되는 전압보상율로 결정된다. 즉, 분산전원을 고려한 최적 전압보상율은 dQ1 _DG/dUx = 0 을 Ux로 결정된다.
Figure 112019093777917-pat00034
Vrate: 배전계통의 규정 전압
VD_m: m번 째 수용가 전압
VPCC _n: n번 째 분산전원 연계점 전압
Ux: 최적 전압보상율
Uc: 배전계통에 규정된 전압보상율
ii) 분산전원을 고려한 최적 전압조정요소 계산
상술한 부하 특성만 고려한 송출전압 결정 방법에서와 마찬가지로, 분산전원을 고려한 최적 송출전압과 송출전류는 비선형적인 상관관계를 가지며, 예를 들어 최소자승법과 같은 근사법을 이용하여, 수학식 8과 같이 근사식으로 표현될 수 있다.
Figure 112019093777917-pat00035
VOPT _DG: 분산전원을 고려한 최적 송출전압
VCE _DG: 분산전원을 고려한 부하중심점 전압
Zeq _DG: 분산전원을 고려한 등가 임피던스
I: 송출전류
분산전원을 고려한 최적 전압조정요소(VCE _DG, Zeq _DG)의 결정은 수학식 8에서 분산전원을 고려한 최적 송출전압의 분포의 편차가 최소가 되는 계수를 구하는 것이다. 즉, 수학식 9에 대하여 ∂Q2_DG/∂Zeq _DG + ∂Q2_DG/∂VCE _DG = 0 을 만족하는 VCE, Zeq을 계산한다.
Figure 112019093777917-pat00036
분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법
부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법과 분산전원과 부하 특성을 모두 고려한 송출전압 계산 방법을 비교하면, 분산전원의 출력에 의해 역조류 현상이 발생하는 경우 부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법은 송출전압의 크기가 감소하여 상술한 바와 같이 수용가에 기준전압 허용범위 위반 및 저전압 문제를 발생시킨다. 반면에 분산전원과 부하 특성을 모두 고려한 송출전압 계산 방법은 송출전압이 증가하므로 이러한 문제를 발생시키지 않는다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서는 분산전원의 출력에 따라 송출전압 계산 방법을 다르게 한다.
도 6은 분산전원이 연계된 직류 배전계통 구조를 나타낸 개념도이다.
변압기(610)는 교류 계통(미도시)의 전압을 분산전원이 연계된 직류 배전계통에 필요한 전압으로 변환한다.
컨버터 스테이션(630)은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 계산된 송출전압을 배전계통에 공급한다. 또한 컨버터 스테이션(630)은 수신부를 포함하며, 수신부는 DC/DC 컨버터(650)로부터 수용가(670) 및 분산전원(690)의 전압 측정값을 수신한다.
DC/DC 컨버터(650)는 배전계통의 전압을 수용가(670)에 필요한 전압으로 변환한다. 또한 DC/DC 컨버터(650)는 수용가(670) 및 분산전원(690)의 전압을 측정하여 컨버터 스테이션(630)으로 송신한다.
수용가(670)는 전력 사용자이다.
분산전원(690)은, 예를 들면 태양광, 태양열, 풍력, 지열, 바이오 에너지 또는 수소와 같은, 재생 가능한 에너지원을 이용해 전력을 생산하여 배전계통에 공급한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법의 흐름도이다.
단계 S710은 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하는 단계이다. 여기서, 노드는 배전계통과 수용가(670) 또는 분산전원(690)이 연결된 지점을 의미한다. 각 노드의 전압 데이터는 각각의 수용가(670) 및 분산전원(690)에 연결된 DC/DC 컨버터(650)에서 측정될 수 있다.
단계 S730은 계통전압 증감률(αVPC)를 계산하는 단계이다. 계통전압 증감률은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법에서 분산전원의 출력에 따라 송출전압 계산 방법을 전환하는 기준이 되는 것으로서 수학식 10과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019093777917-pat00037
αVPC: 계통전압 증감률
VD: D번 째 노드 전압
V(D-1): D-1번 째 노드 전압
계통전압 증감률은 컨버터 스테이션(630)을 기준으로 선로거리에 따라 배전계통의 전압 변화를 나타내는 것으로서, 계통전압 증감률이 양수이면 해당 노드의 전압이 이전 노드의 전압보다 크다는 것을 의미하고, 계통전압 증감률이 음수이면 해당 노드의 전압이 이전 노드의 전압보다 작다는 것을 의미한다. 다시 말하면, 계통전압 증감률이 양수이면 해당 노드 또는 가까운 다음 노드에 분산전원(690)이 연결되어 있다는 것을 의미하고, 계통전압 증감률이 음수이면 해당 노드 또는 가까운 다음 노드에 분산전원(690)이 연결되어 있지 않다는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 5b에 도시된 배전계통에서 D-1, PCC-1, D-3 및 PCC-2 노드에서는 계통전압 증감률이 양수이고, D-2 및 D-4 노드에서는 계통전압 증감률이 음수이다.
다음으로, 계통전압 증감률에 따라 송출전압 계산 방법을 선정한다. 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 분산전원과 부하 특성을 고려한 송출전압 계산 방법에 따라 송출전압을 계산하고(S750, S770 참조), 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법에 따라 송출전압을 계산한다(S750, S790 참조).
전술한 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 장치
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 장치의 구성도이다.
도 8을 참조하면, 송출전압 조정 장치(800)는 데이터 수신부(820)와 연산부(840)를 포함하며, 연산부(840)는 계통전압 증감률 연산부(842)와 송출전압 연산부(844)를 포함한다.
데이터 수신부(820)는 DC/DC 컨버터(650)로부터 유선통신 방식 또는 무선통신 방식으로 각 노드의 전압 데이터를 수신한다.
계통전압 증감률 연산부(842)는 수신한 각 노드의 전압 데이터를 이용해 계통전압 증감률을 계산한다. 계통전압 증감률은 상술한 바와 같이 수학식 10에 따라 계산될 수 있다.
송출전압 연산부(844)는 컨버터 스테이션(630)에서 공급할 송출전압을 계산한다. 송출전압 연산부(844)는 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 다른 방식으로 계산한다. 즉, 송출전압 연산부(844)는 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상술한 분산전원과 부하 특성을 고려한 송출전압 계산 방법에 따라 송출전압을 계산하고, 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 상술한 부하 특성만 고려한 송출전압 계산 방법에 따라 송출전압을 계산한다.
시뮬레이션 결과
본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치의 성능을 검증하기 위해 EMTP(ElectroMagnetic Transient Program)를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 종래기술로서 고정송출전압 방식, LDC 방식 및 NLDC(Neutral to Line Drop Compensation) 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 송출전압 조정 방법을 비교하였다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치의 시뮬레이션 조건을 나타낸 도면이고, 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원이 연계된 직류 배전계통의 송출전압 조정 방법 및 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다.
도 9를 참조하면, 시뮬레이션에 사용된 분산전원이 연계된 직류 배전계통 모델은 2개의 피더(feeder)로 구성되며, 피더 1에는 분산전원이 연계되어 있고, 피더 2에는 부하만 존재한다. 배전계통 모델의 상세한 파라미터는 도 10에 나타난 바와 같다. 하루 동안의 부하량 변동을 고려하기 위해 도 11의 (a)의 일일 부하 곡선을 사용하였고, 분산전원의 출력으로는 도 11의 (b)의 실제 기상 데이터에 따른 일일 태양광 출력 곡선을 사용하였다.
도 12는 도 9에 도시된 배전계통의 피더 1에서 분산전원의 출력에 따른 각 노드의 전압 및 계통전압 증감률을 나타낸 표이다.
분산전원의 출력량이 0kW인 경우에는 배전계통의 각 노드의 전압은 컨버터 스테이션(630)에서 멀어질수록 작아지며, 계통전압 증감률은 항상 음수임을 알 수 있다. 그러나 분산전원의 출력량이 38kW인 경우에는 분산전원이 연계된 PCC 노드에서 전압이 상승하며(VD-4 = 740.61V → VPCC = 740.85V), 계통전압 증감률이 양수가 되는 구간이 존재한다. 또한 분산전원의 출력량이 150kW인 경우에도 분산전원이 연계된 PCC 노드에서 전압이 상승하며, 계통전압 증감률이 양수가 되는 구간이 존재한다.
분산전원의 출력량이 150kW인 경우에는 38kW인 경우보다 컨버터 스테이션(630)에서 더 가까운 노드에서 계통 전압이 증가하기 시작한다. 즉, 분산전원의 출력이 커짐에 따라 배전계통의 전압 분포에 미치는 영향이 크고, 부하 특성만 고려하여 송출전압을 계산하는 경우 상술한 문제점이 발생 우려가 더 커지는 것을 알 수 있다.
도 13은 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다. 각각 (a)는 고정송출전압 방식, (b)는 LDC 방식, (c)는 NLDC 방식, (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 송출전압 조정 방법에 따른 평가지표를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송출전압 조정 방법을 적용하는 경우 배전계통의 전압 분포가 얼마나 개선되는지를 평가하기 위해 평가지표(Performance Index, PI)를 설정하여 종래기술에 따른 송출전압 조정 방법과 비교하였다. 평가지표는 수학식 11과 같이 전체 고찰시간에 대하여 배전계통 내의 모든 노드의 전압과 표준전압의 편차를 제곱한 것으로 설정하였다. 평가지표가 작을수록 배전계통의 전압 분포가 고르고, 수용가 전압특성이 양호하다는 것을 의미한다.
Figure 112019093777917-pat00038
T: 전체 고찰시간
N: 제어영역 내의 모든 노드의 수
Vstd: 표준전압
Vf(t,n): 각 노드의 직하 수용가 전압
Ve(t,n): 각 노드의 말단 수용가 전압
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송출전압 조정 방법(도 13의 (d) 참조)이 종래기술에 따른 송출전압 조정 방법(도 13의 (a) 내지 (c) 참조)에 비하여 평가지표가 현저하게 작은 것을 확인할 수 있다. 종래기술 중 가장 평가지표가 작은 NLDC 방식의 경우 평균 평가지표는 587.025이었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 송출전압 조정 방법의 경우 평균 평가지표는 412.521이었다.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
630: 컨버터 스테이션
650: DC/DC 컨버터
670: 수용가
690: 분산전원
800: 송출전압 조정 장치
820: 데이터 수신부
840: 연산부
842: 계통전압 증감률 연산부
844: 송출전압 연산부

Claims (22)

  1. 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압을 조정하는 방법에 있어서,
    상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하는 단계;
    상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하는 단계; 및
    상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계를 포함하되
    상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계는
    상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계통전압 증감률은
    컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계통전압 증감률은
    상기 전압 데이터를 이용하여 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00039

    에 따라 계산되는 것 - 여기서, αVPC는 상기 계통전압 증감률이고, VD는 D번 째 노드 전압이고, V(D-1)은 D-1번 째 노드 전압임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은
    제1 최적 전압보상율을 결정하는 단계; 및
    제1 최적 전압조정요소를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 최적 전압보상율은
    하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00040

    이 최소가 되는
    Figure 112021016774866-pat00041
    값으로 결정되는 것 - 여기서, Vrate는 상기 배전계통의 규정 전압이고, V1은 직하 수용가 전압이고, V2는 말단 수용가 전압임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 최적 전압조정요소는
    부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되,
    상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00042

    에 대하여
    Figure 112021016774866-pat00043
    를 만족하는
    Figure 112021016774866-pat00044
    및
    Figure 112021016774866-pat00045
    로 계산되는 것 - 여기서, VOPT(t)는 상기 부하 특성만 고려한 최적 송출전압이고, I(t)는 송출전류임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은
    제2 최적 전압보상율을 결정하는 단계; 및
    제2 최적 전압조정요소를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 최적 전압보상율은
    하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00046

    이 최소가 되는
    Figure 112021016774866-pat00047
    값으로 결정되는 것 - 여기서, Vrate는 상기 배전계통의 규정 전압이고, UC(t)는 상기 배전계통에 규정된 전압보상율임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 최적 전압조정요소는
    부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되,
    상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00048

    에 대하여
    Figure 112021016774866-pat00049
    를 만족하는
    Figure 112021016774866-pat00050
    및
    Figure 112021016774866-pat00051
    로 계산되는 것 - 여기서, VOPT-DG(t)는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려한 최적 송출전압이고, I(t)는 송출전류임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 방법.
  11. 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압을 조정하는 장치에 있어서,
    DC/DC 컨버터로부터 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 및
    상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하고, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압을 계산하는 연산부를 포함하되
    상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산하는 것은
    상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계통전압 증감률은
    컨버터 스테이션과의 거리에 따라 상기 각 노드의 전압 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 계통전압 증감률은
    상기 전압 데이터를 이용하여 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00052

    에 따라 계산되는 것 - 여기서, αVPC는 상기 계통전압 증감률이고, VD는 D번 째 노드 전압이고, V(D-1)은 D-1번 째 노드 전압임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은
    제1 최적 전압보상율을 결정하고, 제1 최적 전압조정요소를 계산하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 최적 전압보상율은
    하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00053

    이 최소가 되는
    Figure 112021016774866-pat00054
    값으로 결정되는 것 - 여기서, Vrate는 상기 배전계통의 규정 전압이고, V1은 직하 수용가 전압이고, V2는 말단 수용가 전압임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 최적 전압조정요소는
    부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되,
    상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00055

    에 대하여
    Figure 112021016774866-pat00056
    를 만족하는
    Figure 112021016774866-pat00057
    및
    Figure 112021016774866-pat00058
    로 계산되는 것 - 여기서, VOPT(t)는 상기 부하 특성만 고려한 최적 송출전압이고, I(t)는 송출전류임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것은
    제2 최적 전압보상율을 결정하고, 제2 최적 전압조정요소를 계산하는 것을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 최적 전압보상율은
    하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00059

    이 최소가 되는
    Figure 112021016774866-pat00060
    값으로 결정되는 것 - 여기서, Vrate는 상기 배전계통의 규정 전압이고, UC(t)는 상기 배전계통에 규정된 전압보상율임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2 최적 전압조정요소는
    부하 중심점 전압 및 등가 임피던스를 포함하되,
    상기 부하 중심점 전압 및 상기 등가 임피던스는 각각 하기의 수학식
    Figure 112021016774866-pat00061

    에 대하여
    Figure 112021016774866-pat00062
    를 만족하는
    Figure 112021016774866-pat00063
    및
    Figure 112021016774866-pat00064
    로 계산되는 것 - 여기서, VOPT-DG(t)는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려한 최적 송출전압이고, I(t)는 송출전류임 - 을 특징으로 하는 송출전압 조정 장치.
  21. 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압의 조정을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은
    DC/DC 컨버터로부터 상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 수신하는 단계;
    상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하는 단계; 및
    상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압의 계산 방법을 선정하는 단계를 수행하되,
    상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산 방법을 선정하는 단계는
    상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
  22. 분산전원이 연계된 직류 배전계통에서 송출전압의 조정 시스템에 있어서,
    상기 배전계통의 각 노드의 전압 데이터를 측정하는 DC/DC 컨버터; 및
    상기 각 노드마다 계통전압 증감률(αVPC)을 계산하고, 상기 계통전압 증감률에 따라 상기 송출전압을 계산하는 컨버터 스테이션을 포함하되,
    상기 컨버터 스테이션은
    상기 DC/DC 컨버터로부터 상기 전압 데이터를 수신하고,
    상기 계통전압 증감률에 따라 송출전압을 계산하는 것은
    상기 계통전압 증감률이 음수인 경우에는 부하 특성만 고려하여 상기 송출전압을 계산하고, 상기 계통전압 증감률이 양수인 경우에는 상기 분산전원과 상기 부하 특성을 고려하여 상기 송출전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 송출전압의 조정 시스템.
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