태양광 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승, 역조류), 발전제한 상황(Cultailment)

태양광 발전이 계통에 미치는 영향

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이번 장 부터는, 태양과 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승과 역조류)에 대해서 알아본다. 또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해 어떤 노력들이 행해지고 있는지 기술한다.

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태양광 발전으로 인한 전압상승

태양광 발전설비가 배전계통에 연계되었다고 하자. 태양광 발전설비 구성이나 계통연계가 어떻게 되는지 궁금한 사람들은 전글이나 하기 링크를 참조하라.

https://sonofsoonman.tistory.com/entry/%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91-%EB%B0%9C%EC%A0%84PhotoVoltaic-PV-%EC%A4%91%EC%8B%AC-%EB%B6%84%EC%82%B0%EC%A0%84%EC%9B%90Distributed-Generation-DG-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EB%B0%8F-%EC%97%B0%EA%B3%84-%ED%98%84%ED%99%A91

태양광 발전(PhotoVoltaic, PV) 중심 분산전원(Distributed Generation, DG) 기술 및 연계 현황(1)

 

https://sonofsoonman.tistory.com/entry/%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91-%EB%B0%9C%EC%A0%84PhotoVoltaic-PV-%EC%A4%91%EC%8B%AC-%EB%B6%84%EC%82%B0%EC%A0%84%EC%9B%90Distributed-Generation-DG-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EB%B0%8F-%EC%97%B0%EA%B3%84-%ED%98%84%ED%99%A92

태양광 발전(PhotoVoltaic, PV) 중심 분산전원(Distributed Generation, DG) 기술 및 연계 현황(2)

 

그렇다면, 상위 계통과 연계된 태양광 발전설비를 하기 그림과 같이 나타내어보자.

Grid 는 송전 계통, 154/22,9는 배전용 변전소 (S/S), D/L은 배전선로, 22.9/0.4 변압기는 주상변압기, 이후 DL을 거쳐 선로 말단에 부하와, 단상 PV가 각상에 연계되었다고 하자. (당연히, 3상 PV1개로 볼수도 있다.)

PV가 없을 때와 있을 때, 구간별 배전선로의 전압은 어떻게 될 것인가?

계통연계형 PV의 연계 계통도 - made by 멈추면진다

 

PV가 없을 때는, 배전 인출단으로부터 선로 말단까지, 단방향(순조류, 계통에서 부하까지 흐르는 전류)의 조류만 존재한다. 따라서, 배전 인출단에 가까울수록 전압이 높고, 선로 말단일수록 전압이 낮다.
전압강하가 발생하는 이유는, 선로(R과 L로 이루어진 임피던스)에 전류가 흐르니, 유효전류*저항 + 무효전류*리액턴스 의 전압강하가 발생하는 당연한 순리이지.

 

이때, 태양광 발전설비의 출력으로 인해서, 태양광발전설비가 부하를 모두 충당하고도, 배전선로에 역으로(역조류) 낼 수 있는 여유 용량이 있다면? 

선로길이에 따른 전압프로파일은 하기 그림과 같이 될 것이다.

분산전원 출력으로 인한 과전압 발생 - made by 멈추면진다

 

분산전원의 출력으로, 수용가 부하를 모두 충당하고도 남는 분산전원의 출력으로 인해, 배전선로의 전압 유지 범위 상한 값을 넘을 수 있는 문제가 발생할 수 있다.

송배전 설비 이용규정에 보면, 공칭 전압(계통) 별 전압 유지범위가 제시되는데, 이를 넘는다면?
연계된 설비와 수용가의 부하들(전력기기)의 전압 Input range를 벗어날수도있겠지

과전압이라는 것은 절연기기의 절연도 파괴할 수 있을 뿐더러 많은 영향을 끼치겠지.
규정을 어긴다는 말로 모두 설명이 될것이다.

전기설비 이용규정 - 전압의 유지범위 made by 멈추면진다

 

수식으로 보면 어떨까?

Vs는 계통. Zline은 선로임피던스, 그리고 Vr은 PCC단의 전압, DG는 분산전원(PV) 로드는 부하다.

이때 전력조류로 인한 선로 전압강하를 고려한다면,

보통은 Pdg와 Qdg가 없을 때(Ip_dg, Iq_dg), Vs>Vr이지만,

부하를 충당하고도 남는 전력 조류가 발생한다면? Vs-Vr로 정의한 전압강하는 음수가 될 수 있다.

전압강하가 음수라면? 전압 상승인것이지.
더쉽게 말하면, 전류는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르지?
전류가 선로말단에서 계통쪽으로 흐르려면, 수전단으로부터 송전단으로 전류가 흘러야지. 전압이 높아야지! 라고 이해해도 될것이다.

분산전원 연계로 인한 계통 전압강하 계산 도식 - made by 멈추면진다

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태양광 발전으로 인한 역조류 발생

전압강하 뿐 아니라, 역조류가 흐름으로 인해서 보호 계전 시스템에도 영향을 끼친 다는 것을 알아야 한다.

상기 사용했던 그림에 추가적으로 설명을 해보자. 

배전선로 역조류 발생 - made by 멈추면진다

 

배전선로에 역조류가 상기 그림과 같이 발생할 수 있다. 이것은 위에서 설명했으니 더 설명은 안하겠다.

역조류? 역으로 흐르면 되었지 왜 그걸 신경쓰세요?

신경써야한다. 배전선로의 보호 협조 때문이다.

종래의 배전선로는 리클로저의 보호동작으로 고장을 검출/차단/복구를 해왔다. 이떄 리클로저는 계전기 50/51을 주로 사용하며, 67을 사용하지 않았다.

50은 순시 과전류 계전기, 51은 반한시 과전류 계전기, 67은 방향성 과전류/지락 과전류 계전기를 의미한다.

방향성을 보지 않던 계통의 보호협조에서, 방향성을 고려해야하는 시대가 온 것이다.

과거에는 역조류가 없었으니 말이다.

방향성에 대해서는 다른 카테고리에서 자세하게 다루겠다.

뿐 만 아니라, 선로에 비교적 높은 고장 저항의 고장 발생시, 고장전류를 상쇄시키거나, 방향성에 영향을 끼침으로써,
고장구간을 정상적으로 검지/차단하는 것 이 아닌, 고장구간 확대/정전구간 확대 등의 악영향도 끼칠 수 있다.

보호협조 연구를 하는 사람으로써, PV를 바라본다면,(현재 글에서 분산전원 연계변압기에 대해서는 안다루지만, 다른 카테고리에서 다룰것이다.) 이렇게 성가실 수 가 없다.

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태양광 발전을 너무 많이한다면? 풍력발전도 너무 많이 한다면? 제주도 처럼!

태양광이나 풍력 발전을 너무 많이한다면,

그에너지는 누가 받는가? 어디로 가는가?

문제이다. 사회적문제. 이때문에 제주도의 발전사업자들이 하도 욕을 해대는 것이다. 제주도 도서지역에서 분산전원의 모든 발전량을 받아주지를 못하니까.

왜 받아주지 못하는가?
당신 햄버거 300개 먹어봐라. 쉽게 배터지지는 않지만 당신은 죽을 것이다.

위 크기를 조절할 수 있는 사람이 육지계통(동기발전기 기반 큰용량이 상위계통을 가진),
위 크기를 조절할 수 없는 사람이 도서지역 / 제주도의 상황이다.

당신이 햄버거 10개쯤 먹을 때, 멈춰야겠지. 죽을 것 같으니까.

그래서 제주도는 발전 제한을 하고 있는 것이다.

육지로 역송하면 가능하나, 육지와 연계된 HVDC는 조류 방향 전환에 최소 6시간이 걸린다. 육지로부터 받아쓸수는 있으나, 역송하기 위해서는 6시간 소요? 

해당 내용에 대해서는 자세히 다른 글에서 다루어 보자.