KR102404583B1 - 전력 품질 보상 장치 및 방법 - Google Patents

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한국전력공사
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Abstract

본 발명의 전력 품질 보상 장치는, 계통연계 지점을 기준으로 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망을 위한 전력 품질 보상 장치로서,
상기 배전망에 연결된 계통연계형 인버터들; 상기 계통연계형 인버터들의 연결 지점들의 전력 정보 측정값들을 획득하는 인버터 정보 획득부; 상기 계통연계 지점의 전력 정보 측정값을 획득하는 계통 정보 획득부; 및 상기 전력 정보 측정값을 이용하여 상기 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상치를 산정하고 보상 수행을 지령하는 무효전력 보상 지령부를 포함하고,
상기 무효전력 보상 지령부는, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 하며, 상기 계통연계 지점과 상기 각 계통연계형 인버터들 사이의 거리를 고려하여 상기 각 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상량을 계산한다.

Description

전력 품질 보상 장치 및 방법{POWER QUALITY COMPENSATION APPARATUS and METHOD}
본 발명은 배전망을 위한 전력 품질 보상 장치에 관한 것으로, 다수개의 분산전원을 구비한 신재생에너지 그리드의 배전망의 무효 전력을 효과적으로 보상할 수 있는 전력 품질 보상 장치 및 전력 품질 보상 방법에 관한 것이다.
본 발명은 한국전력공사의 에너지 거점대학 클러스터사업에 의해 지원되었음.(과제번호 : R18XA04)　
전력 송배전에서 문제되는 무효전력이란, 실제로는 아무 일도 하지 않고, 열소비도 하지 않는 전력이다. 무효전력은 오직 전원과 전기 기기를 왕복할 뿐 에너지가 발생되지 않기 때문에 실제로는 이용될 수 없다.
무효전력 소비가 늘면 송전과정에서 전압이 지나치게 낮아져 정전이나 전력차단 상태가 생길 수 있다. 따라서, 위와 같은 상황이 발생하는 것을 방지하기 위해 무효전력을 적절하게 보상해주는 것이 필요하다.
이를 위해, 송전계통에서는 유연 송전 시스템(Flexible Alternating Current Transmission System, FACTS)을 사용한다.
유연 송전 시스템에는 계통에 직렬로 연결되는 직렬 보상장치와 병렬로 연결되는 병렬 보상장치가 있으며 두 가지 장치의 장단점을 융합한 직병렬 보상장치가 있다.
직렬 보상장치로는 TCSC(Thyristor-Controlled Series Compensation)와 같은 보상장치가 있다.
병렬 보상장치로는 기계적 스위치를 사용한 병렬 리액터, 병렬 커패시터와 전력반도체 소자로 기계적 스위치를 대신하여 과도특성 및 선형적 제어가 가능하도록 구성한 Thyristor를 사용한 정적 무효전력 보상장치(Static Var Compensator, SVC)와 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 소자를 사용하는 정적 동기 보상 장치(Static Synchronous Compensator, STATCOM)가 있다.
이중 STATCOM 시스템은 IGBT를 사용한 Valve와 냉각 시스템, 제어기 등의 시스템을 구성하는 기기들을 복수의 STATCOM 뱅크들 각각에 취부하여 계통에 병입하고, 무효전력을 공급하거나 흡수할 수 있다
상술한 STATCOM, TCSC, FACTS는 송전망에서 실시되는 무효전력 보상 장치이며, 배전망의 경우 별다른 무효전력 보상 수단없이, 단순히 송전망에서의 무효전력 보상 효과를 기대할 뿐이었으며, 이러한 구조는 전통적인 송배전 그리드에서는 큰 문제가 없었다.
그런데, 최근의 전력 환경 및 전력망 그리드의 구성 변화는 배전망에서의 무효전력 보상 부재의 문제점들이 부각되고 있다.
우선, 전력품질 문제에 대한 중요성이 이전 보다 크게 대두되어, 전력 품질 개선에 대한 요구의 급격한 증가로 나타난다. 이는 가정이나 사무실 혹은 산업체에서의 비선형 부하 급증하고, 전력수요 포화로 인한 전력설비 증설이 갈수록 어려워지는 환경에 기인한 것이라 판단될 수 있다.
또한, 전지구적 환경 문제에 대한 여론 및 정책(예: 재생에너지 3020 정책)에 따라 재생에너지의 비중이 확대되는 것도 배전망에서의 무효전력 보상 부재의 문제점을 증폭시킨다. 예컨대, 간헐적 재생에너지원의 과도한 접속으로 계통 안정도 저하하고, 증가한 재생에너지원의 포화로 계통연계 문제 발생 가능성이 높아진다. 신재생에너지 그리드의 경우, 독립망으로 운전되는 경우가 존재하는데, 이 경우 송전망에서의 무효전력 보상 효과를 전혀 기대할 수 없다.
한편, 기존의 STATCOM 등은 송·변전계통에 대용량으로 설치되어 전력품질 보상할 뿐이며, 송·변전계통에 설치되었을 경우 배전계통의 무효전력을 고려하여 보상하는 것은 곤란하다.
또한, 배전계통에 STATCOM을 설치하기에는 투자비용이 높아 경제성이 낮을 뿐만 아니라, 배전계통의 복잡성으로 인해 설치 위치에 대한 선정이 난해하다.
등록특허 10-1963847
본 발명은 다수의 신재생에너지 설비를 이용하여 배전망을 위한 일종의 가상 STATCOM으로서, 전력 품질 보상 장치 및 전력 품질 보상 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 품질 보상 장치는, 통연계 지점을 기준으로 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망을 위한 전력 품질 보상 장치로서, 상기 배전망에 연결된 계통연계형 인버터들; 상기 계통연계형 인버터들의 연결 지점들의 전력 정보 측정값들을 획득하는 인버터 정보 획득부; 상기 계통연계 지점의 전력 정보 측정값을 획득하는 계통 정보 획득부; 및 상기 전력 정보 측정값을 이용하여 상기 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상치를 산정하고 보상 수행을 지령하는 무효전력 보상 지령부를 포함하고,
상기 무효전력 보상 지령부는, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 하며, 상기 계통연계 지점과 상기 각 계통연계형 인버터들 사이의 거리를 고려하여 상기 각 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상량을 계산할 수 있다.
여기서, 계통연계형 인버터는, 유효전력 및 무효전력 제어가 가능 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무효 전력 보상 지령부는, 선형계획법을 이용하여 상기 계통연계형 인버터의 정격용량, 상기 인버터의 유효전력 발전량, 상기 인버터의 출력 정격 제한, 상기 인버터 연결 지점의 유효전력 부하량, 상기 인버터 연결 지점의 무효전력 부하량, 상기 인버터의 무효전력 보상 최소량 및 상기 인버터의 무효전력 보상 최대량을 고려하여 상기 무효전력 보상치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 선형계획법을 이용한 무효전력 보상지령은, 의사결정 변수, 목적함수, 제약조건을 가질 수 있다.
여기서, 상기 의사결정 변수는, 상기 선형계획법을 통해 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 보상치를 결정하기 위해 변수를 지정하는 것으로, 상기 계통연계 지점, 상기 계통연계형 인버터, 상기 계통연계형 인버터의 유효전력 발전량, 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 발전량을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 목적함수는, 하기 수학식을 따를 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00001
(여기서,
Figure 112020029848557-pat00002
은 태양광 발전소 인버터별 가중치,
Figure 112020029848557-pat00003
은 계통연계 지점으로부터 n번째 인버터의 선로거리,
Figure 112020029848557-pat00004
은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력임)
여기서, 상기 제약조건은, 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 보상치를 결정하기 위해 주어지는 제약조건으로서, 상기 인버터 연결 지점의 유효전력 부하량, 상기 인버터 연결 지점의 무효전력 부하량, 상기 인버터의 정격용량, 상기 인버터의 유효전력 발전량, 상기 계통연계 지점으로부터 상기 인버터의 거리, 상기 인버터의 무효전력 보상량을 이용하여, 상기 인버터의 무효전력 보상 최소량, 상기 인버터의 무효전력 보상 최대량을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 제약조건은, 인버터 수명을 고려하여 상기 인버터의 최대 출력을 80%로 제한하여 동작하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 보상 최소값은, 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력이되, 특정 인버터 연결 지점에 다수 개의 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들이 공통으로 연결된 경우에는, 상기 측정된 무효전력을 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들에게 분담시키되, 상기 특정 인버터 연결 지점과 거리가 가까울수록 많은 양을 분담시킬 수 있다.
여기서, 상기 보상 최대값은, 하기 수학식을 따라 설정될 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00005
(여기서, Sinv_n은 n번째 태양광 발전소의 인버터의 정격용량, Pinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 유효전력, Qinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력, Qinv_max는 해당 인버터에서 발전하고 있는 무효전력 최대량으로서 보상 최대값임)
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 품질 보상 방법은, 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망에서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들을 이용하여, 계통연계 지점에서의 전력 품질을 보상하는 방법으로서,
상기 각 계통연계형 인버터에 대하여 상기 계통연계 지점과의 거리에 따를 목적함수를 생성하는 단계; 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계; 계통연계 지점에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계; 및 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 산정된 보상치 만큼 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통연계 지점의 전력 측정값으로부터 상기 계통연계 지점에 발생된 무효전력을 산출하고, 상기 계통연계형 인버터들을 이용한 무효전력 보상 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 각 계통연계형 인버터와 계통연계 지점과의 거리는, 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 계통연계 지점까지 연결된 선로의 길이 및 단위 저항값이 반영될 수 있다.
여기서, 계통연계 지점 및 상기 각 계통연계형 인버터의 연결점의 전력 측정값을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보상 최대값을 설정하는 단계 또는 상기 무효전력 보상치를 산정하는 단계에서는, 인버터 수명을 고려하여 상기 인버터의 최대 출력을 80%로 제한하여 동작하는 제약조건을 반영할 수 있다.
여기서, 상기 목적함수는, 하기 수학식을 따를 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00006
(여기서,
Figure 112020029848557-pat00007
은 태양광 발전소 인버터별 가중치,
Figure 112020029848557-pat00008
은 계통연계 지점으로부터 n번째 인버터의 선로거리,
Figure 112020029848557-pat00009
은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력임)
여기서, 상기 보상 최소값은, 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력이되, 특정 인버터 연결 지점에 다수 개의 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들이 공통으로 연결된 경우에는, 상기 측정된 무효전력을 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들에게 분담시키되, 상기 특정 인버터 연결 지점과 거리가 가까울수록 많은 양을 분담시킬 수 있다.
여기서, 상기 보상 최대값은, 하기 수학식을 따라 설정될 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00010
(여기서, Sinv_n은 n번째 태양광 발전소의 인버터의 정격용량, Pinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 유효전력, Qinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력, Qinv_max는 해당 인버터에서 발전하고 있는 무효전력 최대량으로서 보상 최대값임)
여기서, 상기 보상을 수행하는 단계는, 상기 각 계통연계형 인버터들의 보상 수행 결과 상기 계통연계 지점의 무효 전력이 0으로 수렴하면, 보상을 수행한 각 인버터의 무효전력 보상치를 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무효전력 보상치 산정 방법은, 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망에서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터에 대하여 계통연계 지점과의 거리에 따른 목적함수를 생성하는 단계; 상기 계통연계 지점의 전력 측정값으로부터 상기 계통연계 지점에 발생된 무효전력을 산출하고, 상기 계통연계형 인버터에 의한 무효전력 보상 여부를 결정하는 단계; 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점의 전력 측정값으로부터, 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계; 및 상기 계통연계 지점에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 전력 품질 보상 장치 및/또는 전력 품질 보상 방법을 실시하면, 계통연계 지점(PCC단)의 무효전력을 0으로 제어하여 배전 계통에서의 전력 품질을 향상하고, 전압을 안정화하는 이점이 있다.
본 발명의 전력 품질 보상 장치 및/또는 전력 품질 보상 방법은, 분산전원 설비를 STATCOM과 유사하게 동작시켜, 배전망의 무효 전력을 효과적으로 보상하면서도, 설치비용 감소를 통한 고경제성 확보 및 안정도 개선 효과를 함께 달성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 전력 품질 보상 장치로서 가상 STATCOM 시스템의 등가 구성을 도시한 개념도.
도 2는 도 1에 도시한 가상 STATCOM 시스템의 등가 구성에서, 상기 PCC단 및 무효전력 보상을 수행하는 인버터들에 대한 연결관계를 중심으로 간략한 구성도.
도 3은 도 2의 가상 STATCOM 시스템에서 수행될 수 있는 전력 품질 보상 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 도 3의 전력 품질 보상 방법 중 무효전력 보상이 이루어지는 과정을 파라미터를 중심으로 도시한 흐름도.
도 5는 도 1의 전력 품질 보상 장치의 구성들을 도 3의 전력 품질 보상 방법을 수행하는데, 입력 및 출력되는 파라미터들을 중심으로 도시한 블록도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에서는 전력계통에 접속된 분산전원들의 다수의 인버터를 독립제어가 아닌 통합제어를 통해 효과적으로 전력계통의 무효전력을 제어하는 방안을 제안한다. 그러면, 무효전력을 보상하기 위한 새로운 설비를 설치하지 않음으로써 설치비용에 대한 경제성을 확보할 수 있고, 전력계통의 무효전력을 0으로 보상해 줌으로써 전압 안정화 및 고조파 제거, 송전용량 증대, 설비들의 수명 증진 등의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 전력 품질 보상 장치로서 가상 STATCOM 시스템의 등가 구성을 도시한 개념도이다.
도시한 전력 품질 보상 장치는, 계통연계 지점(PCC)을 기준으로 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망을 위한 전력품질 보상장치로서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들(21 ~ 23); 상기 계통연계형 인버터 연결 지점의 전력 정보 측정값을 획득하는 인버터 정보 획득부(161 ~ 163); 상기 계통연계 지점의 전력 정보 측정값을 획득하는 계통 정보 획득부(170); 상기 계통연계 지점(PCC)의 무효전력이 0이 되도록, 상기 각 계통연계형 인버터에 대하여 인버터와 상기 계통연계 지점(PCC)과의 거리에 따른 무효전력 보상치를 산정하여, 해당 계통연계형 인버터에 산정된 무효전력 보상치에 대한 보상 수행을 지령하는 무효 전력 보상 지령부(200)를 포함한다.
도시한 가상 STATCOM 시스템을 구성하는 전력망 그리드 시스템을 살펴보면, 3개의 태양광 발전소를 포함하고 있고, 각 태양광 발전소는 전용 인버터(21 ~ 23)를 통해 배전망에 접속해 있는 형태이며, ESS를 부하로 간주하여 6개의 부하가, 계통연계 지점 및 제어 기준점으로서 PCC단에 접속해 있는 형태이다.
상기 계통연계 지점은 Point of Common Coupling의 약칭으로서 PCC로 지칭할 수 있으며, 다수의 배전계통이 연결되는 공통 연결점을 의미하며, 본 발명의 사상에 따른 무효전력 보상 작업에 대한 제어 기준점이 된다.
상기 계통 정보 획득부(170)는, 도시한 바와 같이, 계통연계 지점(PCC)의 전력 정보 측정값으로서, 전압 측정값 및 전류 특정값을 획득하기 위해, 계통연계 지점(PCC)에 설치된 전압 센서(PT) 및 전류 센서(CT)를 구비할 수 있다. 다른 구현에서는, 중앙의 전력 관리 서버로부터 계통연계 지점으로서 PCC단의 전압/전류 값을 전송받을 수도 있다.
상기 인버터 정보 획득부(161 ~ 163)는, 도시한 바와 같이, 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)의 연결 지점의 전력 정보 측정값으로서, 전압 측정값 및 전류 특정값을 획득하기 위해, 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)의 연결 지점에 각각 설치된 전압 센서(PT) 및 전류 센서(CT)를 구비할 수 있다.
다른 구현에서, 상기 인버터 정보 획득부(161 ~ 163)는, 각 분산전원의 인버터 연결 지점의 전력 정보 측정값 획득을 위해, 외부의 PMU나 PMU 관리 서버로부터 각 인버터 연결 지점의 전력 정보 측정값을 수신받는 수신부를 구비할 수도 있다.
도시한 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)는, 유효전력 및 무효전력 제어가 가능하다. 도면에서는 태양광 발전소 내 계통연계형 인버터(21 ~ 23)들만을 이용하여 가상 STATCOM 시스템을 구성하는 것으로 도시하였지만, ESS의 계통연계형 인버터나 충전소의 계통연계형 인버터도 가상 STATCOM 시스템을 구성하는데 포함될 수 있음은 물론이다.
도시한 무효 전력 보상 지령부(200)는, 선형계획법을 이용하여 태양광 발전소를 포함한 배전계통의 무효전력을 보상하기 위해 선형계획법 알고리즘을 이용하여 최적의 인버터 지령치를 산출할 수 있다.
도시한 무효 전력 보상 지령부(200)는, 선형계획법을 이용하여 상기 계통연계형 인버터의 정격용량, 상기 인버터의 유효전력 발전량, 상기 인버터의 출력 정격 제한, 상기 인버터 연결 지점의 유효전력 부하량, 상기 인버터 연결 지점의 무효전력 부하량, 상기 인버터의 무효전력 보상 최소량 및 상기 인버터의 무효전력 보상 최대량을 고려하여 상기 무효전력 보상치를 계산할 수 있다.
도시한 무효 전력 보상 지령부(200)는, 본 발명의 사상에 따른 가상 STATCOM 시스템의 주요 기능인, 가상 STATCOM 시스템에서 무효전력 보상 기능을 수행하는 각 인버터(21 ~ 23)에 대하여, 무효전력 보상치(즉, 할당된 보상 용량)를 결정하여, 해당 인버터(21 ~ 23)에 지령으로 전달한다.
보다 구체적으로, 도시한 무효 전력 보상 지령부는, 상기 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)에 대하여 상기 계통연계 지점(PCC)과의 거리에 따를 목적함수를 생성하고, 상기 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하고, 상기 계통연계 지점(PCC)에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)에 대한 무효전력 보상치를 산정하고, 산정된 상기 무효전력 보상치를 상기 각 계통연계형 인버터(21 ~ 23)로 전달한다.
도시한 무효 전력 보상 지령부는, 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망에서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터에 대하여 계통연계 지점과의 거리에 따른 목적함수를 생성하는 단계; 상기 계통연계 지점의 전력 측정값으로부터 상기 계통연계 지점에 발생된 무효전력을 산출하고, 상기 계통연계형 인버터에 의한 무효전력 보상 여부를 결정하는 단계; 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점의 전력 측정값으로부터, 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계; 및 상기 계통연계 지점에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계를 포함하는 무효전력 보상치 산정 방법을 수행한다고 볼 수 있다.
도시한, 가상 STATCOM 시스템으로서, 전력 품질 보상 장치에서의 무효전력 보상을 의한 제어 과정을 살펴보겠다.
도시한 전력 품질 보상 장치는, 배전계통 PCC단의 무효전력을 0으로 제어하기 위해 선형계획법을 이용하여 인버터의 무효전력 기준치를 산정한다. 전력망 그리드의 계통에 연결된 분산전원의 인버터를 통해 PCC단의 무효전력을 0으로 제어해 주기 위해서는 부하에서 발생하는 무효전력과 선로에서 발생하는 무효전력 성분을 고려하여 각각의 인버터에 지령치를 산출하여야 한다.
도면에서, PCC단은 관리 대상 구획에서의 송배전의 첫번째 포인트를 의미한다. 본 발명에서는 PCC단은 배전망의 계통연계 지점이라고 볼 수 있다.
도 1에 도시한 가상 STATCOM 시스템의 등가 구성에서, 상기 PCC단 및 무효전력 보상을 수행하는 인버터들에 대한 연결관계를 중심으로 간략화하면, 도 2의 간략 구성도로 나타낼 수 있다.
도시한 간략 구성에서는, 3개의 태양광 발전소를 포함하고 있는 가상 STATCOM 시스템을 등가 하였고, 태양광 발전소는 인버터를 통해 접속해 있는 형태이며, 6개의 부하가 접속해 있는 형태를 가정하였다. 도시한 PCC단으로부터 각각의 태양광 발전소까지의 거리는 30km, 10km, 60km로 산정하였으며 거리에 따른 선로 임피던스가 발생하게 된다. 도시한 배전계통에서 발생하는 무효전력은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 부하에 의해 생기는 무효전력 성분과 선로에 의해 생기는 무효전력 성분이 있다. PCC단의 무효전력을 0으로 제어하기 위해서는 이 2가지 무효전력 성분을 모두 고려하여 보상해 주어야한다.
선형계획법으로 문제를 해결하기 위해서는 의사결정변수를 정해주어야 한다. 상기 의사결정 변수는, 선형계획법을 통해 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 보상치를 결정하기 위해 변수를 지정하는 것으로, 계통연계 지점, 계통연계형 인버터, 계통연계형 인버터의 유효전력 발전량, 계통연계형 인버터의 무효전력 발전량을 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 가상 STATCOM 시스템은 인버터의 무효전력 기준치를 산정하는 것을 목표로 하기 때문에 태양광 발전소의 인버터를 의사결정변수로 이용한다. 예컨대, 태양광 발전소의 각 인버터에 대하여, 인버터에서 발전하고 있는 유효전력을 Pinv로, 인버터에서 발전하고 있는 무효전력을 Qinv의 변수로 정할 수 있다.
다음, 의사결정의 목표를 설정해 주는 목적함수를 하기 수학식 1과 같이 구성한다. 인버터의 무효전력 기준치를 산정해 주되, 각 인버터의 PCC단과의 선로 거리를 고려하여 목적함수를 정해 준다. 구현에 따라, 상기 각 계통연계형 인버터와 계통연계 지점과의 선로 거리에, 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 계통연계 지점까지 연결된 선로의 길이 및 단위 저항값(단위 길이당 저항값)을 반영할 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00011
여기서,
Figure 112020029848557-pat00012
은 태양광 발전소 인버터별 가중치이며,
Figure 112020029848557-pat00013
은 PCC단으로부터 n번째 인버터의 선로거리[km] where n=1.2.3, ...이며,
Figure 112020029848557-pat00014
은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력을 의미한다.
다음, 의사결정에 대한 제약조건으로서, 인버터에서 보상해야 할 무효전력을 결정해주기 위해 인버터의 보상 최소값과 인버터의 보상 최대값을 결정한다. 예컨대, 하기 표 1과 같은 제약 조건을 반영할 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00015
상기 표 1에서, PL_n은 인버터 단자의 유효전력 부하량[W]이며, QL_n은 인버터 단자의 무효전력 부하량[var]이며, Sinv_n은 인버터의 정격용량[VA]이며, Pinv_n은 인버터 유효전력 발전량[W]이며, ln은 PCC단자로부터 인버터 거리[km]이며, Qinv_n은 인버터의 무효전력 보상량[var]이며, Qinv_n_min은 인버터의 무효전력 보상 최소량[var]이며, Qinv_n_max는 인버터의 무효전력 보상 최대량[var]이다.
인버터의 출력을 최대로 하였을 때 인버터의 수명이 급격하게 감소하므로 제약조건으로서 인버터의 최대출력은 80%로 제한하여 동작하게 한다. 인버터의 무효전력 보상량을 결정해 주기 위해서는 인버터의 무효전력 보상 최소량과 최대량을 제약조건으로 설정해 주어야 한다. 제약조건은 인버터 단자의 유효 부하량, 인버터 단자의 무효 부하량, 정격용량, 인버터 유효전력 발전량, 인버터 발전 정격 제한을 고려하여 주어지게 된다.
상술한 내용을 반영한 제약조건은 하기 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00016
상기 수학식에서, Qinv_n_min은 인버터에서 보상해주어야 할 최소 무효전력 보상량을 의미한다. 상기 인버터 무효전력 보상 최소량을 결정해 주기 위해서는 인버터 출력 단자의 연계되어 있는 부하를 고려해야 한다. 거리가 멀리 있는 인버터가 부하의 무효전력을 보상하게 될 경우, 선로에 의한 무효전력 성분만큼 손실이 일어나기 때문에 부하에서 가장 가까운 인버터가 부하의 무효전력량을 보상하게 된다. 이에 따라 인버터 단자의 무효전력 부하량이 인버터 무효전력 최소 보상량으로 설정된다.
즉, 상기 보상 최소값은, 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력으로 설정하되, 특정 인버터 연결 지점에 다수 개의 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들이 공통으로 연결된 경우에는(예 : 공통 피더에 여러 개의 태양광 발전 설비가 물려있는 상황), 상기 측정된 무효전력을 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들에게 분담시키되, 상기 특정 인버터 연결 지점과 거리가 가까울수록 많은 양을 분담시킨다. 이에 따라, 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들이 부담하는 무효전력 보상 최소값들의 총합은 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력이 된다.
상기 수학식에서, Qinv_n_max는 인버터에서 보상해주어야 할 최대 무효전력 보상량을 의미한다. 인버터 무효전력 보상 최대량을 결정해 주기 위해서는 인버터의 정격용량과 현재 인버터에서 발전하고 있는 유효전력량, 인버터 발전 정격 제한을 고려하여 결정하게 된다. 상술한 파라미터들을 반영하여 예컨대, 하기 수학식 3 및 4에 따라, 최대 무효전력 보상량을 설정할 수 있다.
Figure 112020029848557-pat00017
Figure 112020029848557-pat00018
상기 수학식에서, Sinv_n은 n번째 태양광 발전소의 인버터의 정격용량, Pinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 유효전력, Qinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력, Qinv_max는 해당 인버터에서 발전하고 있는 무효전력 최대량으로서 보상 최대값이다.
제약조건을 통해 인버터의 최대 최소 무효전력 보상량을 결정한 다음, PCC단에서 발생하고 있는 무효전력 QPCC를 고려하여 각각의 인버터의 무효전력 보상 기준치를 산정한다. 산정된 무효전력 보상 기준치를 인버터의 지령을 통해 보상하게 되면, 하기 수학식 5와 같이 무효전력 QPCC는 0으로 보상된다.
Figure 112020029848557-pat00019
구현에 따라, 상기 각 계통연계형 인버터와 계통연계 지점과의 거리는, 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 계통연계 지점까지 연결된 선로의 길이 및 단위 저항값을 반영할 수 있다. 예컨대, 기준 재질 선로의 단위 저항값 대비, 선로의 단위 저항값의 비율을, 상기 선로의 길이에 가중치로 곱할 수 있다.
도 3은 도 2의 가상 STATCOM 시스템에서 수행될 수 있는 전력 품질 보상 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 전력 품질 보상 방법 중 무효전력 보상이 이루어지는 과정을 파라미터를 중심으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 1의 전력 품질 보상 장치의 구성들을 도 3의 전력 품질 보상 방법을 수행하는데, 입력 및 출력되는 파라미터들을 중심으로 도시한 블록도이다.
도시한 전력 품질 보상 방법은, 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망에서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들을 이용하여, 계통연계 지점에서의 전력 품질을 보상하는 방법으로서, 상기 계통연계 지점 및 상기 각 계통연계형 인버터의 연결점의 전력 측정값을 획득하는 단계(S110); 상기 각 계통연계형 인버터에 대하여 상기 계통연계 지점과의 거리에 따를 목적함수를 생성하는 단계(S120); 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계(S140); 계통연계 지점에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계(S160); 및 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 산정된 보상치 만큼 보상을 수행하는 단계(S180)를 포함할 수 있다.
상기 전력 측정값을 획득하는 단계(S110) 이후, 상기 목적함수를 생성하는 단계(S120) 이전에, 상기 계통연계 지점의 전력 측정값으로부터 상기 계통연계 지점에 발생된 무효전력을 산출하고, 상기 계통연계형 인버터에 의한 무효전력 보상 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적함수를 생성하는 단계(S120)에서, 해당 전력망 그리드(배전망)이 설치될 때에 상기 목적함수의 도출이 가능하지만, 목적함수의 주요 파라미터가 되는 각 인버터에서 발전하고 있는 무효전력은 각 계통연계형 인버터의 연결점의 전력 측정값이 있어야 확정되므로, 상기 전력 측정값을 획득하는 단계(S110) 이후에 수행되는 것으로 도 3에 표현하였다.
상기 전력 측정값을 획득하는 단계(S110)에서는, 계통연계 지점(PCC) 및 각 인버터 연결 지점의 전력 측정값을 획득하는데, 계통연계 지점(PCC)의 전력 측정값은 도 1에 도시한 바와 같이, PCC단에 설치된 전압 센서(PT) 및 전류 센서(CT)로부터 획득하거나, 도 5에 도시한 바와 같이, PMU나 PMU 관리 서버(300)로부터 전송받을 수 있다.
상기 목적함수를 생성하는 단계(S120)에서, 각 인버터와 상기 계통연계 지점과의 거리는, 도 5에 도시한 바와 같이, 태양광발전소 위치정보를 보유한 서버(예: 분산전력 관리 서버)로부터 전달받을 수 있다.
상기 목적함수를 생성하는 단계(S120)에서, 목적함수는 상술한 수학식 1에 따른 형태로 생성될 수 있다.
상기 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계(S140)에서, 해당 계통연계형 인버터의 연결점에서 측정된 전압값 및 전류값으로부터 산출된 상기 연결점에서의 무효전력을 상기 보상 최소값으로 적용할 수 있다.
상기 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계(S140)에서, 상기 보상 최대값은, 상술한 수학식 4에 따라 설정될 수 있다.
상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계(S160)에서는, 도 4에 도시한 흐름도에 나타낸 구체적인 방식으로 보상치를 산정할 수 있다.
도 4의 흐름도에서, 알고리즘의 처음 시작인 S110 단계에서 알고리즘 수행에 필요한 각각의 파라미터 값들을 측정한다. 다음, 상술한 목적함수의 각 파라미터를 확정하고(S120), 각각의 인버터에서 보상할 수 있는 무효전력의 최대값 및 최소로 보상해야 할 값을 산정한다(S140).
선형계획법을 통해 거리에 따른 부하를 선정하여 인버터의 무효전력 보상 지령치로 내려주어(S166), PCC단의 무효전력이 0으로 수렴하면(S182), 현재 보상하고 있는 인버터들의 무효전력 보상치를 저장하였다가 다음 연산에서 PCC단의 무효전력에 더하여 사용하게 된다(S184). 기존의 무효전력 보상값을 저장하여 더해주지 않을 경우 인버터에서 보상하고 있는 값은 고려되지 못하여 다음 연산에서 변동된 부하에 의한 무효전력분만 계산되어 PCC단의 무효전력이 바로 0으로 보상되지 못하게 될 수도 있다.
다시말해, 도 3의 상기 보상을 수행하는 단계(S160)는, 도 4의 상기 각 계통연계형 인버터들의 보상 수행 결과 상기 계통연계 지점의 무효 전력이 0으로 수렴하면, 보상을 수행한 각 인버터의 무효전력 보상치를 저장하는 단계(S184)를 포함한다.
도시한 전력 품질 보상 방법은, 배전망의 PCC단의 전압품질을 보상하여, 송전단의 STATCOM의 역할과 유사하게, 전압 안정도를 향상시키고, 전력 품질을 개선한다.
정리하자면, 통합제어 알고리즘을 이용하여 각 분산 전원 인버터가 담당할 수 있는 무효전력 기준치 산정하고, 분산 전원(신재생에너지원)의 다수의 인버터를 통합 제어하여 효과적으로 배전단의 무효전력을 보상할 수 있다. 이때, 부하 발생 무효전력 및 거리에 따른 선로 발생 무효전력을 고려하고, 인버터 정격을 고려하여 무효전력 최대 보상 가능량을 고려할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
21 ~ 23 : 계통연계형 인버터
161 ~ 163 : 인버터 정보 획득부
170 : 계통 정보 획득부
200 : 무효 전력 보상 지령부
300 : PMU 관리 서버

Claims (20)

  1. 계통연계 지점을 기준으로 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망을 위한 전력 품질 보상 장치로서,
    상기 배전망에 연결된 계통연계형 인버터들;
    상기 계통연계형 인버터들의 연결 지점들의 전력 정보 측정값들을 획득하는 인버터 정보 획득부;
    상기 계통연계 지점의 전력 정보 측정값을 획득하는 계통 정보 획득부; 및
    상기 전력 정보 측정값을 이용하여 상기 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상치를 산정하고 보상 수행을 지령하는 무효전력 보상 지령부를 포함하고,
    상기 무효전력 보상 지령부는, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 하며, 상기 계통연계 지점과 상기 각 계통연계형 인버터들 사이의 거리를 고려하여 상기 각 계통연계형 인버터들의 무효전력 보상량을 계산하되,
    선형계획법을 이용하여 상기 계통연계형 인버터의 정격용량, 상기 인버터의 유효전력 발전량, 상기 인버터의 출력 정격 제한, 상기 인버터 연결 지점의 유효전력 부하량, 상기 인버터 연결 지점의 무효전력 부하량, 상기 인버터의 무효전력 보상 최소량 및 상기 인버터의 무효전력 보상 최대량을 고려하여 상기 무효전력 보상치를 계산하며,
    상기 보상 최대값은, 하기 수학식을 따라 설정되는 전력품질 보상 장치.
    Figure 112022009589245-pat00035

    (여기서, Sinv_n은 n번째 태양광 발전소의 인버터의 정격용량, Pinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 유효전력, Qinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력, Qinv_max는 해당 인버터에서 발전하고 있는 무효전력 최대량으로서 보상 최대값임)
  2. 제1항에 있어서,
    계통연계형 인버터는, 유효전력 및 무효전력 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선형계획법을 이용한 무효전력 보상지령은,
    의사결정 변수, 목적함수, 제약조건을 가지는 것을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 의사결정 변수는,
    상기 선형계획법을 통해 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 보상치를 결정하기 위해 변수를 지정하는 것으로, 상기 계통연계 지점, 상기 계통연계형 인버터, 상기 계통연계형 인버터의 유효전력 발전량, 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 발전량을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 목적함수는, 하기 수학식을 따르는 전력품질 보상 장치.
    Figure 112020029848557-pat00020

    (여기서,
    Figure 112020029848557-pat00021
    은 태양광 발전소 인버터별 가중치,
    Figure 112020029848557-pat00022
    은 계통연계 지점으로부터 n번째 인버터의 선로거리,
    Figure 112020029848557-pat00023
    은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력임)
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제약조건은, 상기 계통연계형 인버터의 무효전력 보상치를 결정하기 위해 주어지는 제약조건으로서, 상기 인버터 연결 지점의 유효전력 부하량, 상기 인버터 연결 지점의 무효전력 부하량, 상기 인버터의 정격용량, 상기 인버터의 유효전력 발전량, 상기 계통연계 지점으로부터 상기 인버터의 거리, 상기 인버터의 무효전력 보상량을 이용하여, 상기 인버터의 무효전력 보상 최소량, 상기 인버터의 무효전력 보상 최대량을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제약조건은, 인버터 수명을 고려하여 상기 인버터의 최대 출력을 80%로 제한하여 동작하는 것임을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보상 최소값은, 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력이되,
    특정 인버터 연결 지점에 다수 개의 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들이 공통으로 연결된 경우에는, 상기 측정된 무효전력을 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들에게 분담시키되, 상기 특정 인버터 연결 지점과 거리가 가까울수록 많은 양을 분담시키는 것을 특징으로 하는 전력품질 보상 장치.
  10. 삭제
  11. 다수의 분산전원 발전소가 연결된 배전망에서, 상기 각 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들을 이용하여, 계통연계 지점에서의 전력 품질을 보상하는 방법으로서,
    상기 각 계통연계형 인버터에 대하여 상기 계통연계 지점과의 거리에 따를 목적함수를 생성하는 단계;
    상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 설정하는 단계;
    계통연계 지점에서 발생되는 무효전력에 대하여, 생성된 상기 목적함수 및 설정된 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 보상 최소값과 보상 최대값을 반영하여, 상기 계통연계 지점의 무효전력이 0이 되도록 상기 각 계통연계형 인버터에 대한 무효전력 보상치를 산정하는 단계; 및
    상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 산정된 보상치 만큼 보상을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 보상 최대값은, 하기 수학식을 따라 설정되는 전력품질 보상 방법.
    Figure 112022009589245-pat00036

    (여기서, Sinv_n은 n번째 태양광 발전소의 인버터의 정격용량, Pinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 유효전력, Qinv_n은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력, Qinv_max는 해당 인버터에서 발전하고 있는 무효전력 최대량으로서 보상 최대값임)
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계통연계 지점의 전력 측정값으로부터 상기 계통연계 지점에 발생된 무효전력을 산출하고, 상기 계통연계형 인버터들을 이용한 무효전력 보상 여부를 결정하는 단계
    를 더 포함하는 전력 품질 보상 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 각 계통연계형 인버터와 계통연계 지점과의 거리는, 상기 각 계통연계형 인버터에서 상기 계통연계 지점까지 연결된 선로의 길이 및 단위 저항값이 반영된 전력 품질 보상 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    계통연계 지점 및 상기 각 계통연계형 인버터의 연결점의 전력 측정값을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 전력 품질 보상 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 보상 최대값을 설정하는 단계 또는 상기 무효전력 보상치를 산정하는 단계에서는, 인버터 수명을 고려하여 상기 인버터의 최대 출력을 80%로 제한하여 동작하는 제약조건을 반영하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 보상 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 목적함수는, 하기 수학식을 따르는 전력 품질 보상 방법.
    Figure 112020029848557-pat00025

    (여기서,
    Figure 112020029848557-pat00026
    은 태양광 발전소 인버터별 가중치,
    Figure 112020029848557-pat00027
    은 계통연계 지점으로부터 n번째 인버터의 선로거리,
    Figure 112020029848557-pat00028
    은 n번째 인버터에서 발전하고 있는 무효전력임)
  17. 제11항에 있어서,
    상기 보상 최소값은, 상기 각 계통연계형 인버터 연결 지점에서 측정된 무효전력이되,
    특정 인버터 연결 지점에 다수 개의 분산전원 발전소를 위한 계통연계형 인버터들이 공통으로 연결된 경우에는, 상기 측정된 무효전력을 상기 공통 연결된 계통연계형 인버터들에게 분담시키되, 상기 특정 인버터 연결 지점과 거리가 가까울수록 많은 양을 분담시키는 것을 특징으로 하는 전력 품질 보상 방법.
  18. 삭제
  19. 제11항에 있어서,
    상기 보상을 수행하는 단계는,
    상기 각 계통연계형 인버터들의 보상 수행 결과 상기 계통연계 지점의 무효 전력이 0으로 수렴하면, 보상을 수행한 각 인버터의 무효전력 보상치를 저장하는 단계
    를 포함하는 전력 품질 보상 방법.
  20. 삭제
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