《분산전원 수용확대 방안》

Feeder’s DER Hosting Capacity

2018. 10. 31

한전 전력연구원 조성수 책임

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DER Hosting Capacity 정의

• 현재의 계통운영 체계에서 추가적인 설비보강 없이 전력계통의 전기품질이나 신뢰도에 나쁜영향을 미치지 않고 연계할 수 있는 재생에너지의 발전설비 용량

열적 허용용량 전기품질/전압 보호 협조 신뢰도/안전

변전소 주변압기 전압변동율 보호기기 부동작 단독운전

특고압계통 전선 규정전압 유지범위 보호기기 오동작 계통운영 유연성

배전용 변압기 전압조정 제어 영향 고장전류 증가 (선로전환 등)

저압계통 전선 탭 제어기 영향 역조류 영향 보상설비 제어성능

[ref] 1. Increasing the hosting capacity of distribution networks by curtailment of renewable energy resources, 2011 IEEE PowerTech

2. Novel methods to determine feeder locational PV hosting capacity and PV impact signatures, SANDIA Report, July 2016

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Hosting Capacity

• Minimum Hosting Capacity : 배전선로 모든 곳에 연계가 가능한 용량

• Maximum Hosting Capacity : 최대로 연계 가능한 용량(주로 변전소 인출부근이 최대)

Hosting Capacity 분석결과 사례 (Xcel Energy 1047개 선로 분석)

• Average Minimum Hosting Capacity : 1.5MW

• Average Maximum Hosting Capacity : 6.1MW

• Hosting Capacity Limitation : Over-voltage 75%, Thermal overloads 25%

• Hosting Capacity Preference : Higher load, Shorter feeder lengths, Higher voltage level (ex, 22.9kV < 35kV)

[ref] 1. Minnesota hosting capacity analysis, EPRI Fall Advisory Meeting, September 2018

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Hosting Capacity 산정방식

• 구간 Hosting Capacity 배전선로 Hosting Capacity 변전소 Hosting Capacity

• 각 구간에는 부하량과 발전량이 혼재되어 있음(Net Load)

• 분산전원 총 발전량 ≤ Hosting Capacity (구간별 발전량을 알아야 동적 수용용량 산출 가능)

Loads

• 총 부하(Gross Load, Total Load) : 모든 발전원(발전기, 분산전원 등)이 공급해야하는 부하

• 계통부하(System Load) : 상계거래 고객 등을 제외하면, Gross Load = System Load

• 순 부하(Net Load) : 변전소에서 공급해야하는 부하, Net Load = Gross Load – DER Generation

• 발전량을 알아야 배전선로 과부하를 판단할 수 있음(분산전원 발전량으로 인해 실제 부하량(Gross Load) 왜곡됨)

[ref] EPRI DRIVE(Distributed Resource Integration and Value Estimation)

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총 부하량(MW)

총 부하량 (계산)

변전소 부하량(실측값) = 순 부하(Net Load) = 총 부하 – 풍력발전량 = 4.6 – 2.7 = 1.9MW

순 부하(Net Load) = 총 부하 – 풍력 발전량= 4.6 – 2.7 = 1.9MW

Gross Load(총 부하, 실제 부하) 산출

• 현재 부하는 변전소에서 측정되는 1.9MW가 아니라, 분산전원 발전량 2.7MW가 합해진 4.6MW

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현재 기준

• 배전선로의 분산전원 수용용량 : 10MW(일반 선로), 15MW(대용량 선로)

• 상시 운전용량까지 분산전원 연계가능 (분산형전원 배전계통 연계기준 제4조)

배전선로의 운전용량 (설계기준 DS-3001)

구분기준용량(MVA)

운전용량 (MVA) 기준 최대선로길이

적용 조건상시 비상시

일반선로 10 10 14 33km ‘97년 3분할3연계대용량선로 15 15 20 30km ‘99년

Issue

• ACSR-OC 160㎟의 연속 허용전류 : 395A (15.7MVA)

• 비상시 운전용량 산정 : 15.7х0.89(경년열화, 상 불평형 등 고려) = 14 MVA

• 상시 운전용량 산정 : 14 х3/4(3분할 3연계) ≒ 10 MVA

• 상시 운전용량은 비상시 선로전환을 고려하여 여유용량(4MW) 확보(허용전류 기준이 아님)

• 계통 고장상황에서 분산형전원의 타 선로전환을 보장해야 하는지 결정 필요* 계통에 고장이 발생하면 분산형전원은 계통에서 0.5초 이내에 분리되어야 함(단독운전 방지), 정상복원 5분후 계통 재연계 가능

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현재 기준

• 표준전압 유지범위 : 220V±13V(6%), 380V±38V(10%)

• 전기사업법 시행규칙 제18조 표준전압 유지범위 준수(분산형전원 배전계통 연계기준 제20조)

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Issue

• 국제표준 IEC 60038 : 230V±10%, since 2002

• KS 표준전압 개정 : 220V±10%, since 2004

• 220V(상전압)와 380V(선간전압)은 동일한 전압이나 관리기준 상이함

검토조건• 변전소 송출전압 : 1.01pu• 선로길이 : ACSR 160㎟ 30km• 부하 : 3,000kW, 10개 구간 균등분포• 분산전원 : 선로말단에 연계, 역률 100%

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TechnicalSolution

Technical Solution Approach

• 계통 보강 : 전선 대용량화, 상위계통 연계, 변압기 증설, SVR 추가, 보호기기 교체 등

• 운영기술 개선 : 전압조정 기능 개선, 보호기기 협조 정정 등

• 기술적 솔루션 적용 : 무효전력 제어, 유효전력 제어, ESS 활용, PV 발전소 입지 최적화 등

연 계 용 량 제 한 연 계 용 량 확 대

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SVR(Step Voltage Regulator)-Reactive Power Control (영국, SP power system)

□ 기설 풍력발전기(600kW) 운전 선로에 850kW 풍력발전기 2기 추가 연계 신청

□ 기술검토 결과 전압상한 초과로 연계불가 기술적 솔루션 개발

□ SVR(Step Voltage Regulator, 선로 전압조정장치) 활용 솔루션 개발

<기설 풍력600kW>

신설 풍력 DFIG 850kW 2기 신청

기술검토 : 전압상한 초과 1.05pu

* 선로 전압조정장치 간선 설치(일정전압 운전모드, 0.99pu)

* DFIG 운전역률 조정: 0.95* 해당선로 변전소 CT cancellation

<Solution>

적정전압 유지 연계용량 확대

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변전소 송출전압 최적화 (프랑스, EDF)

□ 배전선로에 분산전원 혼재로 변전소 OLTC의 전압제어 관리 한계 발생

□ 기존의 부하전류 기반의 전압강하 보상방식에서 직접 전압센싱 방식으로 전환

□ 직접 계측 기반의 실시간 배전계통 전압관리 시스템 실증

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SVR-AVM (Step Voltage Regulator – Active Voltage Manager, KEPCO)

• 전압정보 직접 계측 및 제어기 입력

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선로 재구성(구간부하 타 선로전환)

• System-wide 조류해석을 통해 국지적 전압문제 해결방안 모색

선로 재구성

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□ 분산전원 배전계통 연계 급증(12.8GW, 2017) 전력회사 설비투자비 증가

□ 투자비 증가 주요원인 전압관리 분산전원을 활용한 경제적인 전압제어 기술 개발

□ Q(P) 제어 : 분산전원 유효출력(P)량에 따라 무효전력(Q) 제어

□ Q(V) 제어 : 계통전압(V)에 따라 분산전원의 무효전력(Q) 제어

• Simple• Q 수요 상시필요

• 연계점 전압 고려없음

• 비교적 제어방식 단순

• 전압범위 초과 가능성

• Simple• Q 수요 상시 필요• 전압측정 필요

• 실제 전압에 대응(센싱필요)

• 제어방식 다소 복잡

• Q 수요 최소화

분산전원 무효전력 제어기술(프랑스, ERDF)

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분산전원의 운전역률과 연계점 전압조정 효과

• 연계점 전압상승 지상 무효전력 전압강하 효과 연계점 전압상승 완화

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풍력발전의 배전선로 전압프로파일 영향

• 풍력발전량 증가 배전선로 전압프로파일 상승(송출전압 고정, 선로말단 연계부 전압상승)

총 부하량(MW) 풍력발전량(MW) 총 부하량(MW) 풍력발전량(MW)총 부하량(MW) 풍력발전량(MW) 총 부하량(MW) 풍력발전량(MW)

총 부하량(MW)

총 부하량

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• 역률조정과 연계용량 확대

분산전원 역률제어로 연계용량 확대

• 연계점 전압초과 역률조정 지상 무효전력 전압강하 효과 연계점 전압상승 완화

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유효전력 제어를 통한 분산전원 연계 확대

• Power Curtailment : 유효전력 제한(피크 발전시간대, 비상시 필요할 때) 수용용량 확대

• ESS 활용 : 열적 허용용량 초과분 전력저장 수용용량 확대

• 유효전력 제어 사용빈도는 매우 낮으나 그 효과는 지속해서 적용할 수 있음 (발전고객 동의와 법적근거 필요)

7/16 7/17 7/18 7/19 7/20 7/21 7/22 7/23

8/1 8/2 8/3 8/4 8/5 8/6 8/7 8/8

< 연간 PV 발전량 분포 >

평균값 = 최대값 * 62% Power curtailment 적용 분산전원 수용용량 ?

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Hosting Capacity Analysis

• 제약요소(북미 사례) : 과전압(75%), 열적 허용용량(25%)

• 해결방안 : 과전압(무효전력 제어, SVR 솔루션 등), 열적 허용용량(Power Curtailment, ESS)

Hosting Capacity 확대를 위한 Issues

• 표준전압 유지범위 확대 : 국가표준(KS vs 전기사업법) 일원화 및 국제표준 부합화 추진

• Hosting Capacity 산정 및 운영기준 정립 필요

• 열적 허용용량 기준 : 상시 운전용량 또는 비상시 운전용량 적용 여부

• 비상시 분산전원의 계통분리 원칙 적용 여부(Power Curtailment 가능고객은 연계 등)

• 상시 Power Curtailment 적용 타당성 검토(피크발전 시간대의 100% 출력빈도 낮아 선로이용률 향상 필요)

• 동적 Hosting Capacity 산정을 위한 구간 부하/발전량 계측 및 D/B 구축 방안

• 이종 시스템 간 구간 부하/발전량 정보공유를 위한 상호운영성(표준 정보모델) 확보 방안

• 분산전원 출력제어 표준화 추진

• KS 규격화, 시험인증기관 확보, 인터페이스 표준 정보모델 개발 등

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