KR101132107B1 - 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 이를 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

분산 전원이 연계된 전력 계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 분산 전원이 연계된 전력 계통의 전압/무효전력 제어 시스템은, 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 전압 산출부; 상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 제어변수 산출부; 및 상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다. 따라서, 전압을 통합 제어함으로써 전압 제어의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 이를 위한 방법 {System for controlling voltage and reactive power in electric power system connected with distributed generation and method for the same}
본 발명은 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 전력망이 스마트그리드로 축약되면서 전력계통에 분산전원이 연계된 경우에도 전력계통에 포함된 각 노드에서의 전압 크기가 해당 노드에서의 정격 전압범위에 속하도록 분산전원 및 전력계통에서의 전력을 통합 제어하는 전력계통의 전압/무효전력 제어 기술에 관한 것이다.
전압/무효전력 제어는 전압제어와 무효전력 제어 기능을 통합적으로 운영함으로써 전력계통의 조상설비의 투입이나 개방 명령, 전압조절장치의 탭 조절을 미리 예측하고 원격으로 제어를 시행하여 지속적으로 부하가 변화하는 경우에도 허용 전압 변동 범위를 유지하고 손실을 최소화하기 위한 것이다.
전압제어는 전력선로의 전압을 올리거나 낮추기 위해서 변전소의 주변압기 탭 절환 장치(OLTC; On-Load Tap Changer)와 전력선로의 전압 조절장치(SVR; Step Voltage Regulator)를 조절하는 것을 의미하며, 무효전력제어는 분로 컨덴서(SC; Shunt Capacitor) 등의 조상설비에 대한 투입이나 개방 명령을 통해 무효전력을 제어하는 것을 의미한다.
전력계통에서의 전압 제어는, 전력 시스템을 설계하는데 있어서 수요자에게 적절한 크기의 전압을 왜곡 없이 지속적으로 제공하여 무효전력 손실을 최소화할 수 있도록 하기 위한 주요 요소이다. 특히, 전력 수요는 수시로 변화하며 이에 따라 전력선로에 공급되는 전압도 변화하게 되는데, 이러한 전압의 크기가 전력 수요에 연결되는 부하 단 전압의 허용 가능한 레벨을 초과하는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 스마트그리드에 연결된 각 부하 단에서의 전압이 적정 제한범위 내에 속하도록 유지하고 전력과 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 전압 제어기기에서의 제어설정이 적절히 수행되어야 한다.
한편, 전 세계적으로 환경문제의 대두로 인해 신재생에너지를 포함하는 분산전원의 사용이 증가하고 있고, 신재생에너지와 관련된 기술 개발도 활발히 이루어지고 있다.
향후, 전력계통에 분산전원이 연계되어 함께 운용되는 경우 전력계통에서의 전압/무효전력 제어시스템에 대한 연구가 요구된다.
도 1은 일반적인 분산전원이 연계된 자동화 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 분산전원이 연계된 자동화 시스템은 일반적인 전력계통의 전압을 제어하는 자동화 시스템과, 분산전원을 위한 별도의 시스템이 자동화 시스템과 함께 데이터를 송수신하면서 전압제어장치 또는 분산전원을 제어하게 된다.
도 1에 도시된 FRTU(Feeder remote terminal unit)는 계통의 데이터를 취합하고 전송하기 위한 것이고, 분산전원용 RTU(RTU for DG)는 분산전원 설비의 데이터 취합 및 전송을 위한 것이다. 또한, 도 1에 도시된 FEP는 프론트 엔드 프로세서(Front End Processor) 서버이고 분산전원용 FEP(FEP for DG)는 분산전원을 위한 프론트 엔드 인터페이스이며, MM은 맨-머신 인터페이스(Man Machine interface)이다.
다수의 분산전원을 전력계통에 연계하게 되면 공급된 분산전원의 전력량에 따라 각 노드에서의 전압 크기가 변화하게 되는데, 변화한 각 노드에서의 전압 크기가 부하에 의해 정격 전압을 넘는 경우도 발생하게 된다.
정격 전압을 넘게 되면 사고 발생 가능성이 높기 때문에 각 조상설비를 제어하여 정격 전압을 넘지 않도록 재설정하여야 한다. 그러나, 일반적인 분산전원이 연계된 자동화 시스템에서는 분산전원을 위한 운용 시스템과 자동화 시스템이 별도로 운용되므로 두 시스템 모두에서 각각 제어변수를 산출하고 산출된 변수를 적용한 후 적정한지 확인하는 일련의 방법이 필요하다. 따라서, 과도 전압 발생시부터 복구되기까지 걸리는 시간이 길고, 두 시스템에서 산출된 변수를 통합하는 것이 어려워서 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 분산전원이 전력 계통에 연계되더라도 분산전원과 전력 계통의 전압을 통합 제어함으로써 수요자에게 안정적이며 효율적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 새로운 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력제어 시스템 및 그 방법을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명은 분산전원과 전력계통의 전압을 제어함에 있어, 분산전원을 일종의 전압제어장치로 간주하고 각 부하단에 4단자망의 개념을 적용하여 전압 크기를 정확하게 추정 산출하여 전압 제어의 정확성을 높이고 안정성을 더욱 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템은, 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 전압 산출부; 상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 제어변수 산출부; 및 상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 분산전원은 풍력발전, 태양광 발전 및 연료전지 중 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있다.
이 때, 상기 전압 산출부는 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 산출된 수식을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출할 수 있다.
이 때, 상기 전압 산출부는 뉴튼-랩손 법(Newton-Raphson method)을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출할 수 있다.
이 때, 상기 제어변수 산출부는 그래디언트 방법(Gradient method)을 이용하여 상기 제어변수의 값을 산출할 수 있다.
이 때, 상기 제어장치는 온-로드 탭 체인저(OLTC; On-Load Tap Changer), 에스브이알(SVR; Step Voltage Regulator) 및 션트 컨덴서(SC; Shunt Condenser) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 무효전력을 먼저 제어한 후 상기 전압을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법은, 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 단계; 상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 단계; 및 상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 단계는 상기 전압/무효전력 제어 시스템의 전압 산출부에 의하여 수행되는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 제어변수의 값을 산출하는 단계는 상기 전압/무효전력 제어 시스템의 제어변수 산출부에 의하여 수행되는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는 상기 전압/무효전력 제어 시스템의 제어부에 의하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명에 따르면, 분산전원이 연계된 전력계통의 전압을 통합 제어함으로써 전압 제어의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 분산전원을 일종의 전압제어장치로 간주하고 각 부하단에 4단자망의 개념을 적용하여 전압 크기를 정확하게 추정 산출할 수 있으므로 전압 제어의 정확성을 향상시킬 수 있고 나아가 수요자에게 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 일반적인 분산전원이 연계된 자동화 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원의 계통 연계 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원의 계통 연계 모델링을 위한 노드간 연결을 나타낸 도면이다.
도 4는 분산전원이 연계된 전력 계통의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분산 전원이 연계된 전력 계통의 전압/무효전력 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6은 도 4에 도시된 전력 계통에 본 발명에 따른 전압/무효전력 제어 방법이 적용된 후의 전압분산 효과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
전력 자동화 시스템은 원거리에 산재하는 전력선로용 개폐기들이 통신망을 통해 서로 연결되어 전압이나 전류 등의 계통 운전 정보를 전력 자동화 서버로 전송하고 전력 자동화 서버에서는 수신된 데이터를 통해 전력계통의 상태를 감시하고 제어하여 운영되는 시스템이다. 각 배전선로용 개폐기에는 배전 자동화 단말(FRTU; Feeder Remote Terminal Unit)이 구비되며, 배전 자동화 서버에서는 각 RFTU 또는 전압제어장치의 동작을 제어하는데 필요한 여러 데이터를 측정하여 전송하는데, 이러한 데이터로는 FRTU가 연결된 노드의 전압과 전류의 크기 및 위상각 등이 있다.
또한, 전력계통에는 전압과 무효전력을 제어하는 여러 기기가 포함될 수 있는데, 예를 들어 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator; AVR)는 OLTC(On Load Tap Changer) 변압기의 동작에 따라 변전소에 있는 주 변압기의 2차 측 모선의 전압을 제어하기 위해 구비될 수 있으며, 션트 커패시터(Shunt Capacitor)는 주 변압기의 2차 측 모선의 역률을 제어하기 위해 모선 연결되어 설치될 수 있다. 이 때, AVR의 한 종류인 SVR(Step Voltage Regulator)은 배전선로 중간에 설치될 수 있으며, 해외의 경우에 선로 컨덴서(Line Condenser)가 전력선로 중간에 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원의 계통 연계 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전력계통에 분산 전원(210)이 연계되어 있는 것을 알 수 있다.
전력계통에 연계될 수 있는 분산전원(210)은 회전기 타입(Rotating-type Generator)의 AC 전력을 발전하는 동기기와 유도기 등을 사용하는 풍력발전(Wind-Turbine)이나, 정적인 타입(Static-type Generator)의 분산전원 전력을 발전하는 태양광 발전(Photovoltaic array) 또는 연료전지(Fuel Cell) 등이 있다.
이러한 분산전원들(210)은 인버터(220) 및 컨버터(230)를 통해 계통에 연계되어 전력을 공급하게 되며, 분산전원들(210)을 전력 제어 설비로 간주하여 각 노드에 구비된 FRTU에서 분산전원의 출력 전압, 전류, 역률 등의 데이터를 계측하고 이에 따라 분산전원을 포함한 계통 전압을 통합 조정할 필요가 있다.
이하, 이와 같이 분산전원들이 연계된 후의 계통 모델링 및 최적 전압제어 방식에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력 자동화 시스템에 있어서, 전압 제어장치에 대한 제어시스템은 전력계통에 연결된 각 FRTU로부터 수신된 데이터를 기초로 동작을 수행할 수 있다.
FRTU에서 계측되는 전압의 위상각이나 전류의 크기 및 위상각은 실제 값과 거의 동일한 값이 계측되는데, 계측되는 전압의 경우 부하 변동 등의 여러가지 요인으로 인해 실제 해당 노드에서의 전압 크기와 FRTU에서 계측된 전압값에 상당한 오차가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 수학적 알고리즘을 적용하여 제어 서버가 각 노드에서의 전압 크기를 정확하게 추정하고, 추정 산출된 전압 크기를 이용하여 분산전원을 포함한 계통 내 전압 제어장치의 제어 설정치를 다르게 설정하게 된다.
우선, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 자동화 시스템에서는 분산전원이 연계된 전력계통에서 부하가 배전선로를 따라 균일하게 분배되는 것을 가정한다.
부하정보는 계통 해석을 위한 조류 계산을 위해 요구되는 주요 정보로 특히 서로 다른 배전선로에서 다른 부하가 분배되는 등의 복잡한 전력 시스템에서는 더욱 그러하다. 부하에서 소비되는 전력은 전압 레벨에 의해 변동하며, 부하가 전압의 크기에 영향을 주는데, 실제 전력계통은 부하가 각 구간에서 불규칙하게 분포되어 있을 뿐만 아니라 계통 구성 역시 복잡하므로 알고리즘 적용을 위한 부하 모델링이 필요하다.
각 구간에서 불규칙한 부하를 선로에 균일하게 분포되어 있다고 가정하는 분산 부하로 계통을 모델링하면, 계통의 특성상 각 구간에서 송전단과 수전단으로 나눌 수 있게 되고 이를 이용하여 선로정수는 양단의 어느 쪽에서 보더라도 대칭이다. 또한, 회로 내에 기전력을 갖지 않기 때문에 4단자 회로로 취급할 수 있으며 이로부터 구해진 4단자 정수는 종래보다 더 선로 해석을 편리하게 해여 계통의 운영이나 계통에 필요한 알고리즘들의 계산도 편리해진다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원의 계통 연계 모델링을 위한 노드간 연결을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 분산전원이 연계된 전력 계통에 있어서 분산전원이 연계된 구간이 도 3과 같이 모델링된 것을 알 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 노드 p와 노드 r로 이루어진 하나의 구간에 대해 분산전원이 연계되면, 분산전원이 연계된 지점을 기점으로 구간이 추가된 것으로 간주하여 노드 q에서 분산전원이 연계되는 것으로 가정할 수 있다.
따라서, 노드 p와 노드 q로 이루어진 제1 구간에서 4단자 정수 및 노드 q와 노드 r로 이루어진 제2 구간에서의 4단자 정수를 구하면, 노드 p와 노드 q로 이루어진 한 구간에서 분산전원이 연계됨에 따라 2개의 4단자 정수를 얻을 수 있게 된다.
4단자 정수는 계통 해석을 위한 조류(flow) 계산 과정을 단순화하는데 사용되는 방법으로, 분산부하로 모델링한 선로에서의 4단자 정수를 구하는 방법은 다음과 같다.
Figure 112010062757697-pat00001
이 때, zdx는 단위 길이당 선로 임피던스이며, ydx는 단위길이당 부하 어드미턴스이다.
상기 수학식 1의 미분식을 계산하면 수학식 2와 같이 해가 도출된다.
Figure 112010062757697-pat00002
이 때,
Figure 112010062757697-pat00003
는 전력 선로의 특성 상수이다.
또한, 부하단 모선의 전류 크기는 FRTU에서 측정한 전류 크기와 같다는 점과 부하단 모선의 전압과 전류의 위상각 차는 FRTU로부터 취득되는 역률각과 같다는 점을 고려하여 뉴턴-랩슨 법(Newton-Raphson method)를 전압/전류 방정식에 적용하면 부하 어드미턴스를 구할 수 있으며 이로부터 부하단 모선의 전압과 전류를 구할 수 있다.
부하 상태의 정보는 등가부하 어드미턴스로 나타낼 수 있으므로 위 식으로부터 4단자 정수로 구간의 정보를 나타내면 하기 수학식 3과 같다.
Figure 112010062757697-pat00004
한편, 도 3에서 분산전원의 전압을 Vg, 전류를 Ig라 하면, 노드 q 이후에서 전류는 Iq+Ig이며 전압은 Vg가 된다. 여기서 노드 q와 노드 r에서의 전압 전류 방정식을 구하게 되면 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010062757697-pat00005
이 때, zk는 선로 임피던스, y는 부하 어드미턴스(admittance)이다.
즉, 상기 수학식 4에서 미지수는 부하 어드미턴스인 y, 노드 q에서의 전류(Iq) 및 노드 r에서의 전압(Vr)이 되며, 이 미지수를 구하여 분산전원이 연계된 전력 계통에서의 전압 및 전류 흐름을 구할 수 있게 된다.
수학식 4에 나타난 4개의 식에 소거법, 뉴턴-랩슨 법(Newton-Raphson method) 등을 적용하여 상기 3개의 미지수를 구할 수 있으며 이렇게 구해진 식을 통해 분산전원이 연계된 지점 이후로의 계통 구간에 대해 전압 및 전류 값을 산출할 수 있으며, 이에 따른 4단자 정수에 관한 연산식을 얻을 수 있다.
한편, 전력 계통에 있어서 분산전원을 포함한 전압/무효전력 설비들의 적절한 크기 및 용량을 설정하고자 하는 해를 구하기 위한 방법으로 본 발명의 일실시예에 따른 전력계통에서는 그래디언트 방법(Gradient method)을 적용한다.
그래디언트 방법(Gradient Method)은 수학적 기울기의 개념을 활용하여 목적 함수 값이 최소가 되는 변수 값을 찾는 방법으로, 본 발명에서는 변전소 인출단과 계통에 연계된 분산 전원, 전력계통 내의 전압/무효전력 제어 설비인 OLTC, SC, SVR, Line Condenser 등의 탭과 용량을 변동시켜가며 목적함수가 최소가 되는 설정치를 찾기 위한 방법으로 적용하며, 전압/무효전력의 최적 제어를 위한 목적함수는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010062757697-pat00006
여기서, A는 제어변수, V는 노드의 전압, Vni는 각 노드의 정격전압, Vi는 각 노드의 측정전압, wi는 각 선로의 가중치, n은 전체 노드의 수 및 T는 이터레이션(iteration) 횟수이다.
목적 함수에 나타난 가중치 wi는 선로의 중요 부하의 가중치이다. 만약 n번째 노드에 가중치가 크다면 전압율과 측정 전압의 편차가 동일하다고 하여도 목적함수는 커지게 되므로 가중치에 따라 그 노드의 전압 편차의 영향을 받는다. 즉, 가중치가 큰 노드의 중요도가 커지게 된다. 또한, 분산전원도 하나의 제어 변수로 나타내어 목적함수를 그래디언트 방법(Gradient Method)을 통해 충족시키도록 하여 분산전원에서의 공급량을 제어할 수 있다.
한편, 상기 수학식 5와 같은 목적함수에 대해, 상기 목적함수가 최소값을 갖도록 식을 세울 수 있으며, 그래디언트 방법(Gradient Method)을 적용하여 상기 목적 함수가 최소가 되는 부분을 구할 수 있다. 이는 제어변수의 최적 값을 구할 수 있는 것으로, 다시 말하면 제어 변수인 OLTC, DG, SVR, Shunt Capacitor(SC), Line Condenser(LC) 들이 계통 운영을 위해 조절할 수 있는 최적의 설정 값을 나타낸다. 따라서, 이러한 알고리즘으로부터 산출된 제어변수 설정 값을 통해 최적화된 계통을 얻을 수 있다.
도 4는 분산전원이 연계된 전력 계통의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 전력 계통은 9개의 노드로 구성된 8개의 선로가 6분할 3연계로 연결되어 있는 방사형 구조인 것을 알 수 있다. 노드 1은 OLTC가 설치되어 있는 변전소 인출단 모선 부분이며 Shunt Capacitor 또한 인출단 모선에 연결되어 무효전력을 보상하게 된다.
또한, 노드 2와 노드 3, 노드 13과 노드 14, 노드 35와 노드 36, 노드 53과 노드 54 사이에는 무효전력 보상을 위한 라인 컨덴서(Line Condenser; LC)가 연결된다. 노드 5와 노드 6, 노드 19와 노드 20, 노드 44와 노드45, 노드 50과 노드 51 사이에는 SVR이 연결되며, 분산 전원 발전 설비(DG1~DG3)는 제2 선로의 노드 11과 노드 12 사이, 제4 선로의 노드 26과 노드 27 사이 및 제8 선로의 노드 59와 노드 60 사이에 연결된다.
선로 임피던스는 실제 전력 계통 선로에서 가장 많이 쓰이고 있는 값으로, 도 4에 도시된 예에서 R 및 X 성분은 1km당 0.0939, 0.1492로 설정되었고, 선로의 길이는 전력자동화시스템을 기반으로 0.5km로 설정되었다. 또한, 각 구간의 부하는 1MW로 설정되었다.
전력계통 구성 특성에 따라 전류유출구간, 분기선로구간, 전압/무효전력 제어 설비구간과 분산전원이 연계된 각 구간의 전압을 도 4에 함께 도시된 전류와 역률각을 기반으로 분포부하 모델링을 적용하여 구하면 하기 표 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112010062757697-pat00007
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템의 동작을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분산 전원이 연계된 전력 계통의 전압/무효전력 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 전압/무효전력 제어 방법은 변전소 인출단 모선인 노드 1에서 전압(V), 전류(I), 유효전력(P) 및 무효전력(Q)을 측정한다(S10).
또한, 전압/무효전력 제어 방법은 모델링을 적용하여 각 노드에서의 전압, 전류, 유효전력 및 무효전력 값을 산출한다(S20).
이 때, 상기 모델링은 4단자망을 이용한 모델링일 수 있다.
또한, 전압/무효전력 제어 방법은 주변압기 2차측 션트 커패시터(Shunt Capacitor)의 설치 여부 및/또는 위치에 따라 목표 역률값을 기준으로 투입될 무효전력량을 제어하며, 조류 계산 후 선로 컨덴서의 설치 위치에 따라서도 목표 역률값을 기준으로 무효전력의 투입 용량을 제어한다(S30, S40).
또한, 조류계산을 통해 각 노드의 초기 전압을 재측정한 다음, OLTC의 탭 변동에 따른 목적함수를 계산한 후 최적의 제어변수 값을 도출한다. 이 때, 상기 탭 변동은 현재 OLTC 탭에서 기준 전압 범위를 벗어나지 않는 모든 탭을 하나씩 변경함으로써 최적의 전압값을 도출할 수 있는데, 최적화 후 산출된 제어변수 값에 따라 OLTC의 계산전압을 산출하고 그로부터 최적 전압에 해당하는 탭을 설정할 수 있다(S50, S60).
SVR의 경우도 마찬가지로, 탭 변동에 따른 목적함수를 계산한 후 최적의 탭값을 도출하여 설정할 수 있다(S70).
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통에서의 전압/무효전력 제어 방법은 도출된 탭값에 기초하여 전압/무효전력 통합 제어를 수행한다(S80).
이 때, 분산전원이 연계된 전력계통에 대해 원격제어를 수행하는 경우에는 SC 및 LC를 우선 제어한 후 OLTC 및 SVR을 제어하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 표 1에 나타난 바와 같은 전압을 이용하여 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 전력계통에 상술한 바와 같은 전압제어 알고리즘을 적용한 경우, OLTC, SVR, LC 및 분산전원을 제어했을 때의 각 노드에서의 구간 전압은 도 6에 도시된 바와 같이 나타난다. 특히, 도 6에서는 종래의 부하 중심점 운영 방식을 통해 제어변수를 설정했을 경우와 본 발명에 따른 전압/무효전력 통합 제어가 적용된 경우를 비교하여 도시하였다.
하기 표 2는 제어변수 설정 값을 나타내는데, 부하 중심점에 의한 운영방식으로부터 설정되는 값과 본 발명에 따른 전압제어 알고리즘으로부터 설정되는 값을 함께 나타내어 비교함으로써 각각의 운영 방식에 대한 전력계통에서의 구간 전압을 확인할 수 있다.
특히, 표 2 및 도 6을 참조하면 1P.U.를 기준으로 부하중심점에 의한 방법보다 본 발명에 따른 알고리즘이 1P.U.를 기준으로 분산이 덜 되는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112010062757697-pat00008
또한, 부하중심점에 의한 운영방법과 본 발명에 따른 전력제어 알고리즘을 통한 운영방법으로부터 얻은 데이터들로부터 기준전압인 1P.U.를 기준으로 전력계통 전체 구간의 전압분산을 계산하여 각각의 운영 방식이 얼마만큼의 효율적인 운영을 보이는지 산출해보면, 도 6에 도시된 바와 같이 부하중심점에 의한 운영방식은 운영을 통해 56%의 향상을 보였고 본 발명에 따른 전력제어 알고리즘을 통한 운영 방법은 78.4%의 향상을 보였다. 이것을 비교해 볼 때 부하중심점을 통한 운영방식보다 제안한 알고리즘이 약 22% 정도 더 향상된 효과를 가지는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 전력 계통에 본 발명에 따른 전압/무효전력 제어 방법이 적용된 후의 전압분산 효과를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제어 변수들의 초기 설정치에서의 전압 분산(Estimation of Voltage at Initial Setting of Control Variables)이 부하중심점을 통한 운영 방식의 경우(Estimation of Voltage with Resetting of Control Variables using Load center Point Control Algorithm) 56% 줄어드는데 그치는 반면, 본 발명의 전력제어 알고리즘이 적용된 경우(Estimation of Voltage with Resetting of Control Variables using Voltage Control Algorithm) 78.4%나 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템은 전압 산출부(710), 제어변수 산출부(720) 및 제어부(730)를 포함한다.
전압 산출부(710)는 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출한다.
이 때, 분산전원은 풍력발전, 태양광 발전 및 연료전지 중 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있다.
이 때, 전압 산출부(710)는 4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 산출된 수식을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출할 수 있다.
4단자 정수법에 대해서는 이미 수학식 1 내지 수학식 4를 통해 상세히 설명한 바 있다.
나아가, 전압 산출부(710)는 뉴튼-랩손 법(Newton-Raphson method)을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출할 수 있다.
제어변수 산출부(720)는 상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출한다.
목적 함수의 예는 수학식 5를 통해 이미 설명한 바 있다.
이 때, 제어변수 산출부(720)는 그래디언트 방법(Gradient method)을 이용하여 상기 제어변수의 값을 산출할 수 있다. 그래디언트 방법은 수학적 기울기의 개념을 활용하여 목적 함수 값이 최소가 되는 점의 변수 값을 찾는 방법으로, 본 발명에서는 변전소 인출단과 계통에 연계된 분산 전원, 전력계통 내의 전압/무효전력 제어 설비인 OLTC, SC, SVR, Line Condenser 등의 탭과 용량을 변동시켜가며 목적함수가 최소가 되는 설정치를 찾기 위한 방법으로서 적용한다.
제어부(730)는 상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어한다.
이 때, 제어장치는 온-로드 탭 체인저(OLTC; On-Load Tap Changer), 에스브이알(SVR; Step Voltage Regulator) 및 션트 컨덴서(SC; Shunt Condenser) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
이 때, 제어부(730)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 무효전력을 먼저 제어한 후 상기 전압을 제어할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 그 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
DG1, DG2, DG3: 분산전원
710: 전압 산출부
720: 제어변수 산출부
730: 제어부

Claims (14)

  1. 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 전압 산출부;
    상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 제어변수 산출부; 및
    상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 전압 산출부는
    4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 산출된 수식을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산전원은
    풍력발전, 태양광 발전 및 연료전지 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 산출부는
    뉴튼-랩손 법(Newton-Raphson method)을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어변수 산출부는
    그래디언트 방법(Gradient method)을 이용하여 상기 제어변수의 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어장치는 온-로드 탭 체인저(OLTC; On-Load Tap Changer), 에스브이알(SVR; Step Voltage Regulator) 및 션트 컨덴서(SC; Shunt Condenser) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 무효전력을 먼저 제어한 후 상기 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템.
  8. 인접 노드의 전압, 전류 및 역률 중 적어도 하나 이상을 이용하여 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 단계;
    상기 산출된 전압을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어변수를 포함하는 목적 함수를 이용하여 상기 목적 함수가 최소값이 되도록 하는 상기 제어변수의 값을 산출하는 단계; 및
    상기 제어변수의 값에 따라 상기 분산전원을 상기 제어변수로써 다른 제어장치와 함께 제어하여 상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 단계는
    4단자 정수법(constants of four terminals)을 적용하여 산출된 수식을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 분산전원은
    풍력발전, 태양광 발전 및 연료전지 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 분산전원이 전력계통에 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 단계는
    뉴튼-랩손 법(Newton-Raphson method)을 이용하여 상기 분산전원이 연계된 지점에 상응하는 노드의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어변수의 값을 산출하는 단계는
    그래디언트 방법(Gradient method)을 이용하여 상기 제어변수의 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어장치는 온-로드 탭 체인저(OLTC; On-Load Tap Changer), 에스브이알(SVR; Step Voltage Regulator) 및 션트 컨덴서(SC; Shunt Condenser) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 전력계통의 전압 및 무효전력 중 적어도 하나를 제어하는 단계는
    상기 무효전력을 먼저 제어한 후 상기 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 방법.
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