KR102575591B1 - 배전계통에서 ultc와 분산전원의 무효전력 스케줄 기반 협조제어 방법과 그 응용 - Google Patents

배전계통에서 ultc와 분산전원의 무효전력 스케줄 기반 협조제어 방법과 그 응용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 협조제어 방법 및 그 응용에 관한 것으로, 컴퓨팅장치의 프로세서에서 수행되는 협조제어 방법으로서, 부하 및 분산전원의 예측 데이터를 입력받는 단계와, 뉴튼법의 조류계산을 통해 초기 예측 전압 프로필을 생성하는 단계와, 초기 예측 전압 데이터를 프로필에 적용하는 단계와, ULTC와 분산전원의 무효 전력 민감도 행렬을 생성하는 단계와, 목적 함수 및 제약 조건을 정식화하는 단계와, 2차 계획법을 통해 변전소 송출 전압 및 시간대별 분산전원의 무효전력 요구량을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

배전계통에서 ULTC와 분산전원의 무효전력 스케줄 기반 협조제어 방법과 그 응용{Coodinated control method based on reactive power schedules of ULTC and distributed power in distribution system and applications thereof}
본 발명은 협조제어 방법 및 그 응용에 관한 것으로, 더 상세하게는 ULTC와 분산전원 각각의 무효전력 스케줄 기반의 협조제어에 관한 것이다.
일반적으로, 화석연료의 고갈과 기후변화에 대응하기 위한 태양광발전, 풍력발전 등 신재생에너지 발전이 점차 증가하여 계통에 대규모로 연계되는 추세이다.
최근 배전계통에 분산전원의 도입이 증가하고 있으며, 이는 앞으로 계속 더 증가할 것으로 예상된다. 하지만, 기존의 배전계통의 운영측면에서 기술적으로 한계가 발생하게 된다. 분산전원이 배전계통에 연계됨으로써 발생되는 기술적 문제는 규정전압 위배, 전력품질 저하, 계통운영의 안정성 저하 등 다양한 문제가 발생하게 된다.
대용량 분산전원의 연계로 인하여 역조류가 발생될 수 있으며, 이로 인해 전압상승 문제가 발생된다. 또한, 분산전원은 기상영향과 자원의 변동성에 대한 간헐적 특성으로 인하여 ULTC와 SVR(Step Voltage Regulator) 및 커패시터 뱅크 등과 같은 기존 전압제어설비는 효율적인 전압조정에 대한 운영이 어렵다.
현재 배전계통은 분산전원에 의한 양방향조류로 인한 전압문제를 기존 전압제어설비를 활용하여 규정범위 이내에 전압을 유지한다.
기존의 ULTC는 LDC 방식을 적용하여 제어한다. 대용량 분산전원이 연계된 배전계통은 간헐적 특성을 가진 분산전원에 의하여 부하중심점의 조류가 심하게 변동한다.
이로 인해 기존의 LDC 방식을 적용하기 어렵게 된다는 문제점이 있었다.
따라서 다른 전압제어설비를 고려하여 새로운 전압제어 방안이 제시되어야 할 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배전계통에서 보다 안정적인 전압 운영이 가능한 협조제어 방법을 제공함에 있다.
특히 본 발명은 배전계통에서 안정적인 전압 운영을 위한 ULTC와 분산전원의 무효전력의 스케줄 기반의 협조 제어 방안을 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 협조제어 방법은, 컴퓨팅장치의 프로세서에서 수행되는 협조제어 방법으로서, 부하 및 분산전원의 예측 데이터를 입력받는 단계; 초기 예측 전압 프로필을 생성하는 단계; 초기 예측 전압 데이터를 프로필에 적용하는 단계; ULTC와 분산전원의 무효 전력 민감도 행렬을 생성하는 단계; 목적 함수 및 제약 조건을 정식화하는 단계; 및 변전소 송출 전압을 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 부하 및 분산전원의 출력 예측을 활용하여 미래 불확실성을 해소하고, 전압 운영 성능, 탭 제어 횟수, 무효전력 요구량 등을 고려하여 적용 방안 별 최적의 솔루션을 도출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존전압제어설비와 분산전원의 무효전력 협조 제어를 통해 설비의 신증설을 지연시켜 계통의 운영비용을 절감할 수 있으며, 계통의 전압을 규정범위 내 운영으로 인해 안정된 전압을 공급하여 전력 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 분산전원의 연계로 인한 전압문제를 해결함에 따라 분산전원의 수용률을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협조제어 방법의 순서도이다.
도 2는 배전계통의 모선간 전압 강하를 설명하는 계통도이다.
도 3은 변전소 저압 측 전압 변동에 따른 각 모선의 전압 프로필의 예시도이다.
도 4는 분산전원이 연계된 2모선 배전계통도이다.
도 5는 분산전원의 출력에 따른 분할 예시도이다.
도 6은 본 발명의 평가를 위한 계통 예시도이다.
도 7은 부하예측 프로필의 예시도이다.
도 8은 태양광 발전 예측 프로필의 예시도이다.
도 9는 분산전원의 무효전력 제어 이전의 초기 전압 프로필이다.
도 10은 분산전원 무효전력 제어 이후의 전압 프로필이다.
도 11은 ULTC 탭 제어 이후의 전압 프로필이다.
도 12 내지 도 20은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 시간대 별 무효전력 제어 결과 그래프이다.
도 21은 항목 별 탭 제어 횟수의 예시도이다.
도 22는 PV의 예측 프로필이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
특히 본 발명은 협조제어 방법에 관한 것으로, 협조제어를 수행하기 위한 컴퓨팅장치에서 수행되며, 좀 더 구체적으로 컴퓨팅장치의 프로세서에서 수행되는 것으로 한다. 이는 이하의 설명에서 구체적인 단계의 수행 주체에 대한 언급이 없는 경우 컴퓨팅 장치의 프로세서에서 수행되는 것으로 인식되어야 한다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 협조제어 방법과 그 응용에 대한 구체적인 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협조제어 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면 본 발명 협조제어 방법은, 부하 및 분산전원의 예측 데이터를 입력받는 단계(S10)와, 뉴튼법의 조류계산을 통해 초기 예측 전압 프로필을 생성하는 단계(S20)와, 초기 예측 전압 데이터를 프로필에 적용하는 단계(S30)와, ULTC와 분산전원의 무효 전력 민감도 행렬을 생성하는 단계(S40)와, 목적 함수 및 제약 조건을 정식화하는 단계(S50)와, 2차 계획법을 통해 변전소 송출 전압 및 시간대별 분산전원의 무효전력 요구량을 도출하는 단계(S60)를 포함한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 협조제어 방법의 구체적인 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, S10단계와 같이 부하 및 분산전원의 예측 데이터를 입력받는다.
부하 및 분산전원의 예측 데이터는 태양광 발전(PV(Photovoltaic)), 풍력발전, 조력발전 등의 전력계통에서 얻어질 수 있으며, 부하 예측 데이터는 부하의 종류(가정용, 산업용)에 따른 계통에서 얻어질 수 있다.
배전계통 내 ULTC와 분산전원의 무효전력제어는 선형모델을 적용하였다. 기존 전압제어는 대부분 조류방정식의 비선형방정식의 형태로써 정확한 해를 도출할 수 있지만, 연산이 복잡하고 실제 계통에 적용하기 어렵다. 선형모델은 비선형방정식에 비해 연산시간이 빠르며, 적은 오차의 장점을 가지고 있어 실제 계통에 적용하기 용이하다.
또한, 변전소의 저압 측 전압은 탭의 위치 변화와 변압기에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정되며, 하위구역 내 모선의 전압 레벨을 결정한다.
배전계통에서 부하를 전류 원으로 취급하면 도 2와 같이 각 모선(A, B, C, D) 사이에서 전압편차가 발생된다.
부하가 일정하다고 가정하였을 때, 각 모선(A, B, C, D)의 전압 편차는 변전소 저압 측 전압 변동과 관계없이 일정하다.
이러한 특성을 이용하여 구역 내 모선(A, B, C, D)의 전압은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서 Vi는 변전소의 저압측 전압 변동에 따른 i번째 모선의 전압을 뜻하며,
Figure 112022023297944-pat00002
는 t 시간대 i번째 모선의 추정 전압, Vref는 기준전압이다.
이를 이용하여 S20단계의 뉴튼법의 조류계산을 통해 초기 예측 전압 프로필을 생성한다. 도 3은 변전소 저압 측 전압 변동에 따른 각 모선의 전압 프로필의 예시도이다.
무효전력 제어기기는 선로에 무효전력을 주입 또는 흡수하여 선로의 임피던스에 따라 전압이 변동하는 특성을 가진다.
무효전력 제어기기의 전압특성은 선로에 흐르는 유효 및 무효전력에 따른 전압변동 특성 수식으로부터 나타낼 수 있다.
도 4는 분산전원이 연계된 2모선 배전계통이며, 배전계통의 일반적인 전압변동은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
위의 수학식 2로부터 분산전원의 무효전력 출력을 변수로 취급하면 아래의 수학식 3을 얻을 수 있다. 이는 분산전원의 무효전력제어로 인한 전압편차를 결정 할 수 있다.
이때 Vs는 송전단 전압, VR은 수전단 전압, PLoad는 부하측 유효전력 소비량, PDG는 분산전원의 유효전력 출력, QLoad는 부하측 무효전력 소비량, QDG는 분산전원의 무효전력 출력을 나타낸다.
[수학식 3]
부하 및 분산전원의 출력이 일정하다고 가정한다면 분산전원의 무효전력제어로 인한 전압편차크기는 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
S30단계와 같이 초기 예측 전압 데이터를 프로필에 적용한다.
현재 선로에 흐르는 유효 및 무효전력에 의한 전압은 현재 각 모선의 전압 크기로 대체할 수 있으며, 따라서 수학식 4를 간략하게 선형화하여 S40단계와 같이 ULTC와 분산전원의 무효 전력 민감도 행렬을 생성할 수 있다.
이때 무효 전력 민감도 행렬은 수학식 5로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
수학식 4와 5에서, △VDG는 분산전원의 무효전력제어로 인한 전압변동, 는 전압에 대한 분산전원의 무효전력제어 민감도, NDG는 계통 내 제어가능한 분산전원의 수를 뜻한다.
그 다음, S50단계와 같이 목적 함수 및 제약 조건을 정식화한다.
본 발명에서는 부하 예측과 분산전원의 출력 예측 데이터를 활용하여 전압안정화를 위한 ULTC 및 분산전원의 무효전력 스케줄 기반 협조 제어 알고리즘을 제안한다.
전압안정화를 위한 목적함수는 아래의 수학식 6으로 정의될 수 있다.
[수학식 6]
수학식 5에서
Figure 112022023297944-pat00009
는 t시간대 i번째 모선의 전압을 뜻하고, Vobj는 목표전압(공칭전압)이다.
또한, 이때의 제약조건은 아래의 수학식 7과 수학식 8로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
[수학식 8]
수학식 8에서 Srated,k는 k번째 분산전원의 인버터 정격용량이고, Δ
Figure 112022023297944-pat00012
는 t시간대 k번째 분산전원의 무효전력이며,
Figure 112022023297944-pat00013
는 t시간대 K번째 분산전원의 유효전력 출력이다.
설비 별 제어 방안에 따라 상기 수학식 7과 수학식 8에 기재한 제약조건은 다르게 적용 될 수 있다. 시간대별 각 모선의 전압은 규정범위 이내 크기를 가져야하며, 각 시간대별 무효전력은 인버터 용량과 유효전력 출력에 의하여 결정된다.
그리고 S60단계와 같이 2차 계획법을 통해 변전소 송출 전압 및 시간대별 분산전원의 무효전력 요구량을 도출한다.
최적화를 통해 도출한 각 시간대별 변전소 저압 측 송출전압 및 무효전력은 수학식 9와 수학식 10으로 도출될 수 있다.
[수학식 9]
[수학식 10]
Figure 112022023297944-pat00016
는 t시간대 변전소 저압측 최적의 송출전압이고, Δ
Figure 112022023297944-pat00017
는 변전소 저압측 전압 변동값이다.
이처럼 목적함수는 비선형, 제약조건은 선형방정식의 문제를 풀기 위하여 2차계획법을 적용하였다.
이하에서는 본 발명을 이용한 설비별 제어 방안에 따른 제약 조건에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
1) ULTC의 일정 송출전압제어
ULTC의 일정송출전압제어는 모든 시간대의 기준전압을 동일하게 제어하는 방식이며, 기존 방식보다 제어과정이 간단하여 실제 ULTC의 탭 제어에 적용하기 용이하다.
또한 ULTC의 제어를 위한 기준 전압이 자주 변화한다면 제어 특성으로 인해 기준 전압의 크기를 유지하기 어렵다. 본 발명에서 제안하는 ULTC 제어는 기존 LDC방식과 달리 최적화로부터 도출한 송출전압을 기준전압으로 적용한다.
위의 수학식 9에서 Δ
Figure 112022023297944-pat00018
는 아래의 수학식 11로 표현될 수 있다.
[수학식 11]
위의 수학식 11은 모든 시간 대 송출전압을 일정하기 위한 제약조건이다.
은 이때의 기준전압은 변전소 저압 측 계측전압과 최적화로부터 도출한 기준전압의 크기 비교를 통해 산출되는 것으로 한다.
2) 분산전원의 무효전력제어 제어 방안
본 발명에서 분산전원의 무효전력제어를 활용하여 실제 계통에 적용할 수 있는 4가지 방안을 구체적으로 설명한다.
가) 일정 송출전압 및 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안
일정 송출전압 및 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안은 전체 시간에 대하여 변전소 저압 측 송출전압을 일정하게 유지하고, 시간대 별 각 분산전원의 무효전력 제어를 개별적으로 제어하는 방안이다.
나) 일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안은 전체 시간에 대하여 변전소 저압 측 송출전압과 각 분산전원의 무효전력을 일정하게 제어하는 방안이다.
최적화로부터 도출된 결과를 각 제어기의 설정 값으로 하여 일정하게 유지하는 방안으로써 제약 조건은 아래의 수학식 12로 표현될 수 있다.
이때, 목적함수 및 다른 제약 조건은 앞서 설명한 바와 같다.
[수학식 12]
즉, 시간대 별 무효전력 제어 값이 동일하기 때문에 실제 계통에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
다) 일정 송출전압 및 2구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안
일정 송출전압 및 2구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안은 변전소 저압 측 전압을 일정하게 유지하고 각 분산전원의 정격에 따라 2구간으로 나누어 무효전력을 일정하게 제어할 수 있다.
배전계통에서 분산전원이 연계되어 운영 되었을 때, 계통 내 전압은 분산전원의 출력이 많이 나오는 구간에 전압이 상승, 출력이 나오지 않는 구간에는 부하에 의한 전압 강하하는 특성을 가진다.
따라서, 분산전원의 출력에 따라 구간을 나누어 제어할 필요가 있다.
2구간은 도 5와 같이 정격 대비 분산전원의 출력이 적은 구간(구간A)과 정격 대비 분산전원의 출력이 많은 구간(구간B)로 나눌 수 있다.
이때의 제약 조건은 아래의 수학식 13으로 표현될 수 있다.
[수학식 13]
라) 일정 송출전압 및 4구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안
일정 송출전압 및 4구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안은 변전소 저압 측 전압을 일정하게 유지하고 각 분산전원의 정격에 따라 4구간으로 나누어 무효전력을 일정하게 제어할 수 있다.
4구간은 아래의 표 1과 같이 정격대비 25%의 간격으로 나눌 수 있다.
A 구간 B 구간 C 구간 D 구간
0[%] 이상 ~ 25[%] 미만 25[%] 초과 ~ 50[%] 이하 50[%] 초과 ~ 75[%] 이하 75[%] 초과 ~ 100[%] 이하
이때의 제약 조건은 수학식 14로 정의될 수 있다.
[수학식 14]
이하에서는 본 발명의 효과를 검증하는 검증 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 도 6은 본 발명을 적용하기 위한 계통 설계도이다.
도 6을 참조하면 32모선 계통을 고려할 수 있으며, 계통의 파라미터는 표 2에 나타내었다.
정격전압 선로 임피던스
ACSR 160㎟		 변압기 임피던스
22.9[kVA] j0.26[]
도 6의 계통은 4개의 피더를 가지고 있으며, 이때의 피더 정보는 아래의 표 3과 같다.
피더 번호 부하 합계
[MVA]		 선로 길이
[km]		 전 부하 시 최대 전압강하[%]
1 6 15 3
2 9.6 30 10.2
3 8 17 5.65
4 5.5 22 4.65
또한, 32개의 모선을 포함하며, 모선들은 4개의 피더에 속한다.
이때 다수의 분산전원(DG1~DG6)은 임의의 모선(모선 번호, 8, 18, 22, 26, 29, 32)에 각각 연결되는 것으로 하며, 분산전원 각각의 정격 용량을 표 4에 나타내었다.
설치된 모선 번호 DG NAME 정격 용량
[MW]
8 DG 1 10
18 DG 2 10
22 DG 3 2
26 DG 4 8
29 DG 5 2
32 DG 6 8
부하는 주거형, 상업용의 대표 부하를 적용하였다. 각 모선에 적용된 부하의 종류를 아래의 표 5와 같이 결정하여 시험하였다.
부하의 종류 모선 번호
주거용 부하 6 7 16 17 19 28 30 31
상업용 부하 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14 11 13 16 17 20 21 23 24 25 27
이와 같은 시험용 계통과 그 계통의 모선 부하를 이용하여 본 발명에서 제안하는 부하 예측 프로필을 구한 결과를 도 7에 도시하였다.
태양광 발전은 2가지 종류의 예측 프로필을 적용하였으며, 이때의 예측 프로필을 도 8에 도시하였고, 각 모선에 적용된 분산전원의 종류(Type1, Type2)를 아래의 표 6과 같이 결정하였다.
분산전원의 종류 모선 번호
Type 1 22 29
Type 2 8 18 26 32
이와 같이 계통을 모델링하고, 본 발명을 검증하기 위한 시뮬레이션 환경을 결정한다.
즉, 표 7과 같이 전압 규정 범위 및 무효전력 제어범위를 결정한다. Srated.k는 k번째 분산전원의 인버터 정격 용량이다.
전압 규정 범위의 상한 전압 규정 범위의 하한 무효전력 제어 범위의 상한 무효전력 제어 범위의 하한
1.02[] 0.96[]
그리고 ULTC의 탭 조정을 위한 조건은 표 8과 같이 제안하였다.
초기 탭 위치 Dead Band
0
아울러 시뮬레이션의 전압 운영 평가를 위해 목적함수를 아래의 수학식 15로 적용하였다. 수학식 15에서 Vnom은 정격전압을 뜻한다.
[수학식 15]
이와 같이 설계된 시뮬레이션을 이용한 결과에 대하여 설명하면 다음과 같다.
1) 변전소 일정 송출전압 및 기존 LDC식 방식을 적용한 전압 프로필 분석
본 발명의 검증을 위한 테스트 계통에서 분산전원이 정격대비 60% 연계되었을 때, 변전소의 저압 측 송출전압을 1로 가정한다.
분산전원의 무효전력 제어 이전의 초기 전압 프로필은 도 9와 같다.
초기 전압 프로필은 본 발명에서 제안한 알고리즘의 입력 전압으로써 부하 및 분산전원의 예측 데이터를 이용하여 Newton법의 조류계산을 통해 도출할 수 있다.
초기 전압 프로필은 전압이 위배되는 구간이 다수 존재하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 LDC 방식을 적용할 수 있다. 제어 이후 전압 프로필을 도 10에 도시하였다.
이에 도시한 바와 같이 본 발명은 전압 상한 범위와 전압 하한 범위 내에 대부분 위치하는 특성을 나타낸다.
특히 전압 운영 성능 평가 결과에서는 확연한 차이를 나타내며, 이를 표 9에 나타냈었다.
Hosting Capacity
[%]		 초기 전압 프로필 기존 LDC방식을 적용한 전압 프로필
Performance Index(PI) 60 54.28 18.46
2) 시간대 별 개별 송출전압 및 무효전력 제어 방안
시간대 별 개별 송출전압 및 무효전력 제어 방안은 초기 전압 프로필을 입력 전압으로 최적화로부터 각 시간대별 제어 값을 도출하였다.
변전소의 저압 측 기준전압은 실제 ULTC 탭 제어 동작 메커니즘에 적용되었으며, 제어 이후 전압 프로필은 도 11에 도시한 바와 같다.
도 11에 도시한 바와 같이 적용 결과 16시에 과전압이 발생하였지만, 이는 ULTC의 탭 제어 특성으로 오차가 발생되었으며, 이외의 시간대는 전압 위배 문제를 모두 해결 하였다.
그리고 모든 시간대에 이전 제어 방안보다 공칭전압에 가깝게 운영하는 것을 볼 수 있으며, 기존 LDC 방식보다 전압 운영 평가는 매우 좋은 결과를 보였다. 전압 운영 성능 평가 결과 및 분산전원의 전체 무효전력제어량은 표 10에 나타내었다.
Hosting Capacity
[%]		 PI 분산전원의 무효전력 제어 결과
DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 DG6 Total
60 3.22 22.55 51.46 10.77 37.43 11.20 20.91 154.32
또한, 시간대 별 무효전력 제어 결과는 도 12와 같다.
3) ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안
ULTC의 일정 송출전압 및 시간대 별 분산전원의 무효전력 제어 방안은 실제 계통에 이전 방안보다 적용하기 용이한 방안이다.
이전방안과 동일하게 최적화로부터 도출한 변전소 저압 측 기준전압은 ULTC의 탭 제어 동작 메커니즘에 적용 하였다. 제안한 방안의 적용 결과 도 13과 같이 16시에 과전압이 발생하는 시간 이외에 모두 안정적인 결과를 보였다.
전압 운영 성능 평가 결과 및 분산전원의 전체 무효전력 제어량을 표 11에 기재하였다.
Hosting Capacity
[%]		 PI 기준 전압
[]		 분산전원의 무효전력 제어 결과
DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 DG6 Total
60 3.70 1.009 17.76 50.25 12.03 39.89 10.18 21.64 151.75
분산전원의 전체 무효전력 제어량은 이전 방안보다 더 적은 결과를 보였다. 시간대 별 무효전력 제어 결과는 다음 도 14와 같다.
4) ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 일정 무효전력제어 방안
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 일정 무효전력 제어 방안은 이전 방안보다 단순하며 실제 계통에 적용하기 용이한 방안이다. 변전소 저압 측 기준전압은 ULTC의 탭 제어 동작 메커니즘에 적용하였다.
제안한 방안의 적용 결과 이후 전압 프로필은 도 15와 같다. 시간대 별 각 모선의 전압은 모든 시간대에서 전압 규정 범위를 벗어나지 않았다.
전압 운영 성능 평가 및 분산전원의 전체 무효전력 제어량은 아래의 표 12와 같이 확인되었다.
Hosting Capacity
[%]		 PI 기준 전압
[]		 분산전원의 무효전력 제어 결과
DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 DG6 Total
60 8.96 1.013 6.24 30.83 15.05 38.55 15.06 23.12 128.85
전체 무효전력 제어량은 이전 방안보다 적은 결과를 보였다. 시간대 별 무효전력 제어는 도 16에 도시한 바와 같으며, 각 분산전원은 시간대별 일정하게 무효전력 제어되는 것을 확인할 수 있다.
5) ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 2구간 무효전력 제어 방안
분산전원의 일정 무효전력제어 방안보다 효과적인 전압 제어를 위해 2구간 무효전력 제어 방안을 적용 하였다.
분산전원의 정격대비 50%를 기준으로 나누었으며, 이전 방안과 동일하게 변전소 저압 측 기준전압은 ULTC의 탭 제어 동작 메커니즘에 적용하였다. 본 발명의 적용 결과 이후 전압 프로필을 도 17에 도시하였다.
시간대별 각 모선의 전압은 전압 규정 범위 이내 운영 되는 것을 확인하였다.
이때 전압 운영 성능 평가 및 분산전원의 전체 무효전력 제어량은 다음의 표 13과 같다.
Hosting Capacity
[%]		 PI 기준 전압
[]		 분산전원의 무효전력 제어 결과
DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 DG6 Total
60 4.40 1.009 16.79 44.18 11.05 37.40 13.12 16.54 139.09
위의 표 13에서 확인할 수 있는 바와 같이 일정 무효전력 제어 방안보다 전압 운영 성능이 우수한 결과를 보였다. 하지만 무효전력 제어량은 이전 방안보다 많은 결과를 보였다. 시간대 별 무효전력 제어는 도 18과 같으며 분산전원의 출력에 따라 2구간으로 제어 되는 것을 볼 수 있다.
6) ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 4구간 일정 무효전력 제어 방안
분산전원의 2구간 일정 무효전력 제어 방안보다 효과적인 전압 제어를 위해 ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 4구간 일정 무효전력 제어 방안을 적용하였다.
적용 결과 전압 프로필은 다음 도 19와 같으며, 각 시간대별 전압은 규정 범위 이내에 운영되는 것을 볼 수 있다.
이때, 전압 운영 성능 평가 및 분산전원의 전체 무효전력 제어량은 표 14와 같다.
Hosting Capacity
[%]		 PI 기준 전압
[]		 분산전원의 무효전력 제어 결과
DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 DG6 Total
60 3.86 1.009 16.97 44.80 13.22 36.57 12.29 16.80 140.66
분산전원의 2구간 무효전력 제어 방안 보다 전압 운영 성능이 우수한 결과를 보였으며, 전체 무효전력 제어량은 많은 결과를 보였으나, 크기는 근소한 차이이다.
시간대 별 무효전력 제어결과는 도 20에 도시하였다.
분산전원의 출력에 따라 4개의 구간으로 제어 되는 것을 볼 수 있다.
7) 종래 방식 및 본 발명의 결과 비교
각 적용된 방안의 전압 운영 성능 및 전체 무효전력 제어량, 변전소의 탭 제어 횟수를 비교 결과를 표 15에 도시하였다.
항목 Hosting Capacity[%] PI 전체 무효전력 제어량
[MVarh]		 탭 제어 횟수
초기 전압 프로필 60 54.28 - -
기존 LDC 방식 60 18.46 - 4
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 60 3.22 154.32 5
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안 60 3.70 151.75 5
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 일정 무효전력제어 방안 60 8.96 128.85 3
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 2구간 일정 무효전력 제어 방안 60 4.40 139.09 4
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 4구간 일정 무효전력 제어 방안 60 3.86 140.66 4
또한, 항목 별 탭 제어 횟수를 도 21에 도시하였다.
가장 제어 성능이 좋은 제어 방안은 시간대 별 개별 송출전압 및 무효전력 제어 방안이다. 하지만 다른 제어 방안보다 ULTC의 탭 제어 횟수도 많으며 전체 무효전력 제어량이 가장 많은 결과를 보였다.
전압 제어 측면에서 전체 무효전력 제어량 및 탭 제어 횟수를 고려한다면, PI기준으로 3번째로 효과가 좋은 ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 4구간 일정 무효전력 제어 방안이 더 효과적일 수 있다.
이 방안은 시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안보다 탭 제어 횟수가 적고, 전체 무효전력 제어량이 적으며, 전압 운영 성능 측면에서 근소한 차이를 보이고 있다.
또한 무효전력 제어와 탭 제어 횟수는 경제적인 측면과 관련이 있기 때문에 이들을 고려한다면 더 효과적인 제어 방안이다.
8) 분산전원의 연계율에 따른 항목별 제어 결과 비교
분산전원의 연계율에 따라 각 항목별 전압 제어결과는 표 16과 같다. 이전과 동일한 환경에서 적용되었으며, 4구간으로 나누어 결과를 비교하였다.
항목 Hosting Capacity[%] PI 전체 무효전력 제어량
[MVarh]		 탭 제어 횟수
기존 LDC방식 25 22.43 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 25 8.57 98.75 5
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 25 11.27 88.80 3
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 25 11.62 96.38 3
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 25 12.08 87.25 3
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 25 12.46 86.89 3
기존 LDC방식 50 19.71 - 4
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 50 5.14 144.99 3
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 50 5.58 136.06 4
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 50 10.91 141.57 3
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 50 4.07 153.78 3
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 50 4.07 150.75 2
기존 LDC방식 75 16.70 - 4
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 75 4.92 154.28 7
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 75 3.31 154.20 6
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 75 7.00 114.72 2
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 75 4.10 153.70 6
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 75 3.95 153.18 6
기존 LDC방식 100 16 - 4
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 100 5.39 156.48 9
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 100 2.97 157.70 7
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 100 11.18 97.01 2
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 100 4.39 150.91 6
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 100 4.00 155.18 7
대부분 분산전원의 시간대별 송출전압 및 무효전력 제어방안 또는 일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안이 높은 전압 제어 성능을 나타내었다.
그리고 연계율이 높은 경우에는 일정 송출전압 및 구간에 따른 무효전력 제어 방안이 우수한 전압 운영 성능을 보였다. 또한 탭 제어 횟수 측면과 무효전력 제어량이 가장 적은 제어 방안은 일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안이다.
9) 분산전원의 출력이 나오지 않는 날에 대한 연계율에 따른 항목별 제어 비교
흐린 날씨로 인하여 PV가 적은 발전량을 공급한다고 가정하였다. PV의 예측 프로필을 도 22에 도시하였다. 시뮬레이션 환경은 이전과 동일하게 적용하였으며, 설치된 모든 PV는 동일한 프로필로 가정하였다.
흐린 날씨로 인한 PV의 출력이 비교적 적은 날에 분산전원의 연계율이 60%로 가정하였을 때, 제어 방안의 적용 결과를 표 17에 나타내었다.
항목 Hosting Capacity[%] PI 전체 무효전력 제어량
[MVarh]		 탭 제어 횟수
초기 전압 프로필 60 88.25 - -
기존 LDC 방식 60 25.71 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 60 4.13 177.22 5
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안 60 6.58 161.67 2
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 일정 무효전력제어 방안 60 9.74 199.23 1
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 2구간 일정 무효전력 제어 방안 60 9.74 199.23 1
ULTC의 일정 송출전압 및 분산전원의 4구간 일정 무효전력 제어 방안 60 9.74 199.23 1
분산전원의 출력이 낮아 정격대비 하나의 구간으로 나뉘기 때문에 일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어와 구간에 따른 무효전력 제어 방안의 결과는 동일한 결과를 가져왔다.
그리고 시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어방안이 전압 운영 성능측면에서 가장 우수한 결과를 보였다. 하지만 탭 제어 횟수가 5회이며, 기존 방식을 제외한 가장 많은 탭 제어 횟수를 동작하였다.
반면에, 일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안은 전압 운영 성능은 조금 낮지만, 탭 제어 횟수는 2회로 우수한 제어 성능을 보였다.
분산전원의 연계율에 따른 적용 결과를 표 18에 기재하였다.
일정 무효전력 제어 및 구간별 무효전력 제어 방안은 동일 한 값을 가지며, 시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 또는 일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안이 전압 운영 성능이 좋은 결과를 보였다.
항목 Hosting Capacity[%] PI 전체 무효전력 제어량
[MVarh]		 탭 제어 횟수
기존 LDC방식 25 26.86 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 25 10.81 97.72 7
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 25 12.10 89.39 4
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 25 12.95 99.98 4
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 25 12.95 99.98 4
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 25 12.95 99.98 4
기존 LDC방식 50 26.01 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 50 5.75 161.22 5
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 50 5.84 141.71 2
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 50 7.64 161.44 2
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 50 7.64 161.44 2
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 50 7.64 161.44 2
기존 LDC방식 75 25.73 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 75 4.68 192.80 1
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 75 2.30 188.47 1
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 75 9.48 198.27 1
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 75 9.48 198.27 1
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 75 9.48 198.27 1
기존 LDC방식 100 25.49 - 6
시간대 별 송출전압 및 무효전력 제어 방안 100 4.10 194.43 1
일정 송출전압 및 시간대 별 무효전력 제어 방안 100 1.91 197.14 1
일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안 100 9.28 194.79 1
일정 송출전압 및 2구간 무효전력 제어 방안 100 9.28 194.79 1
일정 송출전압 및 4구간 무효전력 제어 방안 100 9.28 194.79 1
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 부하 및 분산전원의 출력 예측을 활용한 ULTC 및 분산전원의 무효전력제어기기의 스케줄 협조 제어 알고리즘을 제안한다. 종래 방식의 문제점을 보완하고, 실제 분산전원이 연계 된 배전계통에서 쉽게 적용하기 위한 설비 별 5가지 제어 방안에 대하여 제안하였다.
본 발명의 특징을 정리하면 다음과 같다.
첫 번째, 시간대 별 ULTC의 기준 전압과 분산전원의 무효전력 제어 값을 도출하기 위해 설비 별 선형모델을 적용하여 목적함수 및 제약 조건을 설계하였으며, 5가지 제어 방안에 맞는 제약 조건을 정식화하여 2차계획법을 적용하였다. 2차계획법은 MATLAB에서 제공하는 최적화 함수를 적용하였으며, 사례연구를 통해 검증하였다.
두 번째, 5가지 설비 별 제어 방안에 대하여 제안하였다. 탭 제어 횟수를 저감시키기 위해 일정 송출전압 제어 방안을 제안하고, 전체 무효전력 요구량을 저감시키고, 빈번한 무효전력 제어를 방지하기 위해 일정 무효전력 제어 방안에 대하여 제안하였다.
또한 분산전원의 간헐적 특성을 통해 구간 별 일정 무효전력 제어 방안을 제안하였다. 분산전원이 연계된 배전계통에서 분산전원의 연계용량과 출력이 많은 경우 배전계통 내 전압은 상승하고, 출력이 저하하는 경우 계통 내 전압은 부하에 의한 전압 강하 형태의 특징을 가지게 된다. 이와 같이 구간 별 분산전원의 무효전력 제어 전략을 다르게 하여 시간대 별 개별 제어와 비교를 통해 검증하였다.
세 번째, 분산전원의 연계율에 따른 시뮬레이션을 진행하였다.
분산전원의 출력이 많이 나오는 날과 그렇지 않은 날에 대하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 전압 운영 성능, 탭 제어 횟수, 전체 무효전력 요구량에 대하여 각 제어 방안의 적용 결과를 비교하였다. 대부분 시간대 별 개별 송출전압 및 개별 무효전력 제어 방안과 일정 송출전압 및 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안이 전압 운영 성능이 우수한 결과를 보였다. 하지만 시간대 별 개별 송출전압 제어 방안의 경우, 탭 제어 횟수가 상대적으로 많은 횟수를 제어 하였으며, 시간대 별 개별 무효전력 제어는 전체 무효전력 제어 요구량이 많은 결과를 보였다. 전체 무효전력 요구량이 가장 적은 제어 방안은 전 구간 일정무효전력 제어 방안이며, 다음으로 구간 별 일정 무효전력 제어 방안이 적은 요구량의 결과를 보였다. 분산전원의 연계율이 많은 경우 구간 별 일정 무효전력 제어 방안은 전압 운영 성능 측면에서 가장 우수한 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안과 적은 차이를 보였다. ULTC의 탭 제어 횟수와 분산전원의 무효전력 제어량은 비용문제와 연관이 있기 때문에 경제성을 고려한다면 일정 송출전압 및 구간 별 무효전력 제어 방안이 적절한 결과를 가져온다. 하지만 분산전원의 출력이 없거나, 연계율이 낮다면 시간대 별 개별 무효전력 제어를 통해 운영해야 한다.
본 발명에서 제안한 알고리즘은 기존 방식의 문제점을 보완하고 실제 배전계통에 용이하게 적용하기 위한 스케줄링 기반 협조 제어 방안에 대하여 제안하였다. 제안한 알고리즘은 부하 및 분산전원의 출력 예측을 활용하여 미래 불확실성을 해소하고, 전압 운영 성능, 탭 제어 횟수, 무효전력 요구량 등을 고려하여 적용 방안 별 최적의 솔루션을 도출하였다. 제안한 방안은 기존전압제어설비와 분산전원의 무효전력 협조 제어를 통해 설비의 신증설을 지연시켜 계통의 운영비용을 절감할 수 있으며, 계통의 전압을 규정범위 내 운영으로 인해 안정된 전압을 공급하여 전력 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 분산전원의 연계로 인한 전압문제를 해결함에 따라 분산전원의 수용률을 증대시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 컴퓨팅장치의 프로세서에서 수행되는 협조제어 방법으로서,
    부하 및 분산전원의 예측 데이터를 입력받는 단계;
    초기 예측 전압 프로필을 생성하는 단계;
    초기 예측 전압 데이터를 프로필에 적용하는 단계;
    ULTC와 분산전원의 무효 전력 민감도 행렬을 생성하는 단계;
    목적 함수 및 제약 조건을 정식화하는 단계; 및
    변전소 송출 전압을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 목적 함수 및 제약 조건은,
    일정 송출전압 및 시간대 별 개별 무효전력 제어 방안,
    일정 송출전압 및 일정 무효전력 제어 방안,
    일정 송출전압 및 2구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안,
    일정 송출전압 및 4구간에 따른 일정 무효전력 제어 방안 각각에 대하여 설정되는 것을 특징으로 하는 협조제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하는,
    가정용 부하 및 산업용 부하로 구분되는 협조제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    배전계통 내 상기 ULTC와 분산전원의 무효전력제어는 선형모델을 사용하는 협조제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항의 방법으로 태양광발전의 배전계통에서 ULTC와 분산전원의 무효전력 요구량을 도출하는 시스템.
  6. 제1항의 방법으로 풍력발전의 배전계통에서 ULTC와 분산전원의 무효전력 요구량을 도출하는 시스템.
  7. 제1항의 방법으로 조력발전의 배전계통에서 ULTC와 분산전원의 무효전력 요구량을 도출하는 시스템.
KR1020220027096A 2022-03-03 2022-03-03 배전계통에서 ultc와 분산전원의 무효전력 스케줄 기반 협조제어 방법과 그 응용 KR102575591B1 (ko)

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Title
배전계통에서 분산 기반 분산형전원의 실시간 전압 및 무효전력제어 방안(2021.8.) 1부.* *

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