배전선로의 태양광 발전 수용 증대를 위한 선로 부하와 태양광 발전 특성을 고려한 태양광 출력 제한량 분석

Abstract

Increasing the penetration level of renewable energy resources to reduce greenhouse gases has led to many changes in the operation of power system. Among them, securing acceptance of renewable energy of power system according to the increase of renewable energy is an important problem to be solved. This is especially necessary for the purpose of power system operators and increasing the total utility of distributed generation developers. Rural areas has a shortage of hosting capacity(HC) with fewer distribution lines than downtown due to its low load density although the areas have more needs for linkage of variable distributed generation such as photovoltaic(PV) power generator. However, HC can be effectively increased through intermittent limitations of PV output in consideration of the load characteristics of the distribution line and the output characteristics of the PV. Accordingly, in order to analyze HC in distribution line, distribution system operators(DSO) needs to analyze the curtailment energy of the distributed generation in consideration of the load at the planning stage. This enables DSO to plan efficiently for expansion of distribution lines and acceptance of distributed generation, and moreover the distributed generation developers can increase capacity of distributed generation and make feasibility study with information about curtailment energy when it comes to linking distributed generation. However, there is a lack of research on using distributed generation and load characteristic patterns to analyze curtailment energy and HC in distribution systems whereas a number of studies that calculated hourly curtailment energy based on scenarios have been conducted. Although, this analysis leads to results depending on the specific scenario. Hourly analysis could be required when performing the power flow analysis for control distributed generation considering voltage constraints. However, distributed generation output is needed to be curtailed to satisfy thermal constraints of the line since voltage can be adjusted with smart inverters or step voltage regulators. If voltage is not taken into account, estimating hourly curtailment energy in the planning stage requires many assumptions, but is an unnecessary analysis. Therefore, it is necessary to analyze annual or monthly curtailment energy and HC using patterns, not hourly analysis with time series data. This dissertation proposes a method of using patterns considering the correlation between distributed generation output and load, especially the study aimed at PV which can be plentifully installed in distribution system due to less physical installation constraints compared to others of distributed generation. Monthly patterns utilizing only data of the PV generation time is generated to form patterns of the correlation between PV output and load, and also regression based trend lines are used to model the patterns with the unusual values removed. This dissertation shows a method using pattern of duration curve of PV output and load to obtain the upper and lower limits of the curtailment energy, and using the cross correlation function to calculate expected value of the curtailment energy. The case study presents the comparison between the impacts of applying load patterns and fixed load, and it results in increased HC by considering the load variability. In addition, the analysis result when applying the proposed monthly patterns based on daytime data creates more accurate value than the annual patterns of existing study. Lastly, the analyze and compare the HC according to the linkage purpose and curtailment options are executed by the proposed method. This method can be applied to analyze the HC for MTR of substation or DTR of distribution line.

온실가스 저감을 위한 재생에너지 확대 보급은 전력계통 운영에 많은 변화를 가져오고 있다. 그 중 재생에너지 증가에 따른 전력계통의 재생에너지 수용성 확보는 해결해야 할 중요한 문제이다. 특히 이는 전력계통 운영자의 목적 달성과 분산전원 사업자의 총 효용 증가를 위해서 필요하다. 현재 농어촌 지역은 태양광 발전과 같은 변동성 분산전원의 연계 수요가 많지만 도심에 비해 부하 밀도가 낮아 배전선로가 적기 때문에 분산전원 수용능력이 부족하다. 이는 배전선로의 부하 특성과 태양광 발전의 출력 특성을 고려하여 태양광 발전 출력을 간헐적으로 제어함으로써 효과적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 배전계통 운영자는 계획 단계에서 배전선로 부하를 고려한 분산전원 출력 제한량 분석과 이에 따른 분산전원 수용능력 분석이 필요하다. 이를 통해 배전계통 운영자는 효율적인 배전선로 분산전원 수용 계획과 증설 계획 등을 할 수 있다. 더불어 분산전원 사업자는 더 많은 분산전원을 연계할 수 있으며, 출력 제한량 정보를 이용하여 분산전원 연계 시 사업성을 판단할 수 있다. 하지만 지금까지 분산전원 출력 제한량과 배전선로의 분산전원 수용능력을 분석하기 위해 분산전원과 선로 부하의 특성 패턴을 이용하는 연구가 충분히 진행되지 않았다. 시나리오를 기반하여 시간별 제한량을 구하는 연구는 다수 존재하나 해당 분석은 특정 시나리오에 의존한 결과를 도출한다. 전압 제약을 만족시키기 위해 분산전원 출력량을 제어한다면 시간별 조류계산이 필요할 수 있다. 하지만 전압은 스마트 인버터나 선로 전압 조정기, 탭 조정 배전 변압기를 계통에 설치함으로써 제어 가능하다. 따라서 변동성 분산전원의 출력 제한은 선로의 열적용량을 만족하기위해 시행하고 계획할 필요가 있다. 전압 제약조건을 고려하지 않을 경우, 계획 단계의 문제에서 시간별 제한량을 구하는 것은 많은 가정이 필요하지만, 불필요한 분석이 된다. 따라서, 시계열 데이터를 이용한 시간별 분석이 아닌, 패턴을 이용한 연간 혹은 월간 출력 제한량과 분산전원 수용능력 분석이 필요하다. 본 논문은 패턴을 이용하여 태양광 출력 제한량과 분산전원 수용능력 분석 시, 분산전원과 배전선로 부하의 상관관계를 고려하는 방법을 제안하였다. 특히 분산전원 중 물리적 설치제약이 적어 배전계통에 많이 설치되고 있는 태양광 발전을 대상으로 하였다. 태양광 발전과 선로부하의 상관관계를 고려하기위해 태양광 발전 시간대의 데이터만을 이용한 월간 패턴을 생성하였으며 특이값을 제거한 패턴을 모델링하기 위해 회귀분석을 기반한 추세선을 이용하였다. 또한 출력 제한량의 상하한값을 구하기 위해서 지속곡선 형태의 패턴을 이용하는 방법을 제안하였고, 상호상관 함수를 이용하여 제한량의 기댓값을 구하는 방법을 제안하였다. 사례연구를 통해 부하를 고정된 값으로 적용하는 경우와 패턴으로 적용하는 경우를 비교하였다. 이를 통해 부하의 가변성을 고려함으로써 분산전원 수용능력이 증가함을 보였다. 또한 제안한 주간시간 데이터 기반 월별 패턴을 적용하는 것이, 기존의 연간 패턴을 적용하는 것보다 분석 결과가 대조군에 가까움을 확인하였다. 마지막으로, 제안한 방법을 이용하여 태양광 발전 연계 목적과 제한 옵션에 따라서 정해지는 분산전원 수용능력을 분석하고 비교하였다. 제안한 방법은 변전소 MTR이나 배전선로 DTR에 대한 분산전원 수용능력을 분석할 때에도 적용 가능하다.