태양광발전, 열병합발전, 연료전지발전, 풍력발전과 같은 분산전원은 기존의 전원에 비하여 소규모로 주로 배전계통에 그 도입이 이루어지고 있으며, 그 소유와 운영의 주체관점에서 보면, 그 대부분이 비전기사업자의 발전설비로서 전기사업자가 그의 계획, 관리 및 운용을 집중적으로 수행할 수 있는 기존의 전원과는 그 성격이 다르다. 또한, 이들 분산전원은 전력계통과는 별도로 독립적으로 운용할 수도 있지만, 전력계통과 연결된 상태에서 운전함으로써 수용가 측면에서는 보다 안정한 전력의 확보, 전기사업자 측면에서는 전력설비의 효율적인 활용, 전체적인 측면에서는 자원의 효율적인 활용 등의 이점을 얻을 수 있다.
분산전원이 도입된 배전계통은 기존의 부하만이 존재하는 배전계통과는 달리 부하와 전원이 혼재되어 운용되는 형태로 되기 때문에 기존 배전계통의 전력품질에 좋지 않은 영향을 끼치게 된다. 특히 21세기는 정보화사회가 본격적으로 진전되기 때문에 전력품질에 대한 일반수용가의 반응은 상당히 민감하다. 따라서 이제 바야흐로 분산전원의 보급이 확대되고 있는 현 시점에서 전력품질을 유지 내지는 향상시키면서 분산전원을 기존의 배전계통에 보급해 나아갈 수 있는 연계규정마련과 관련 기술의 개발은 상당히 중요하다. 이와 같은 인식은 국내외적으로 공감되어 분산전원 연계규정으로서는 북미의 IEEE 1547 규정, 영국 EA(Elect.ricity Association)의 G59, G75, G77, G83 규정, 독일VDEW(Verband Der Elektrizitatswirtschaft: German Electricity Association)의 연계규정 및 일본 통상산업성 에너지청 공익사업부 전력기술과의 연계규정 등이 발표 및 제정되어 운용되고 있다. 국내의 경우 연계규정이 2005년 4월 19일 한전 배전처의 의하여 최초로 제정되었고, 그 이후 수차례의 개정을 거쳐 2010년 6월 4일 개정된 연계규정안이 마련되어 적용되고 있다.
연계규정에 언급되어 대부분의 내용은 전력품질과 보호협조로 요약될 수 있는 데, 이는 분산전원 설치자가 전력회사의 배전계통에 연계신청을 할 경우 주 연계검토대상이 되기 때문이다. 전력품질과 보호협조에 대한 검토를 위해서는 연계대상 배전계통과 도입되는 분산전원의 관련된 데이터가 필요하며, 이 데이터를 이용하여 해석할 수 있는 전문지식과 전문가가 필요하다. 그러나, 현재 국내 산학연 및 관련기관에서 이를 정확히 해석/적용할만한 참고자료 및 서적이 거의 없는 관계로 본 저자는 분산전원 배전계통의 설계 및 해석방법을 전기공학을 공부하는 학부생, 대학원생 및 전문가에게 제공함으로써 국내 분산전원 배전계통관련 인력양성과 분산전원의 원활한 도입운용에 이바지하고자 한다.
2012년 6월
저자 김재언
chapter 01│서론
chapter 02│분산전원의 개념과 위상
01 분산전원의 개념 및 정의 16
02 분산전원의 위상 17
1) 현재의 시각 11
2) 장래의 전망 12
chapter 03│분산전원의 종류별 특성분석
01 태양광 발전시스템 22
1) 기본 구성과 기능 22
2) 연계방식 23
3) 연계설비 29
4) 모듈구성에 따른 인버터방식 31
5) 무변압기 PCS(인버터) 표준화 동향 34
6) PCS(인버터) 효율 비교 35
7) 태양광 어레이의 커패시턴스 37
8) 누설지락전류 38
9) 무변압기방식의 태양광 PCS(인버터) 39
10) 태양광인버터 기존제품 소개 49
02 풍력발전시스템 55
1) 기본구성과 기능 55
2) 연계설비 62
3) 풍력발전시스템의 운전제어방식 62
4) 풍력발전시스템 제조사별 스펙 소개 70
03 연료전지 발전시스템 76
1) 기본구성과 기능 76
2) 발전장치의 운전 모드 77
3) 연료전지발전장치의 특성과 성능 78
4) 연계방식 80
04 전력저장시스템 84
1) 전력저장기술의 일반 84
2) 전력저장장치의 연계방식 91
05 기타 분산전원 95
1) 마이크로터빈 95
2) 내연기관 97
3) 전기자동차 98
chapter 04│기존 배전계통의 구성과 운영
01 전력계통의 구성 102
02 배전계통의 구성과 운영방식 105
1) 1차 배전계통 105
2) 2차 배전계통 111
03 배전계통의 계획, 설계 및 운영 관련 소프트웨어 117
04 배전계통의 신뢰도 118
05 배전자동화 122
06 배전계통의 전압조정체계 124
1) LDC 전압조정방식 125
2) 주상변압기 128
3) 저압선로의 전압강하 129
chapter 05│분산전원이 기존 배전계통운용에 미치는 영향
01 기술적 측면 132
02 사회·경제적 측면 137
1) 독립운전형 137
2) 역송불가능 계통연계운전형 137
3) 역송가능 계통연계운전형 138
chapter 06│분산전원이 도입된 배전계통의 운용체계
01 분산전원 배전계통의 기본 운용체계 142
02 분산전원 배전계통의 보호협조 145
1) 배전자동화시스템에 의한 보호방식상의 특징 146
2) 분산전원 연계계통 적용 예 147
chapter 07│국내외 분산전원의 계통연계기준
01 계통연계기준 152
1) 선진외국의 경우 152
2) 국내의 경우 157
02 국내 분산전원연계기준 164
1) 타사발전기 병렬운전 연계선로 보호업무지침 개정 164
2) 연계선로 표준 보호계전방식
[선로 무전압 확인장치 생략시 보호방식] 166
3) 연계선로 보호계전기 규격 167
4) 연계선로 보호용 계전기 정정 기준 167
5) 22.9kV 연계선로 보호방식 선정 기준 168
6) 단독계통 방지설비 결정 기준 169
7) 3단자 계통 보호방식 선정 기준 170
8) 22.9kV 연계선로 보호방식 171
chapter 08│분산전원이 기존 배전계통의 보호방식에 미치는 영향 분석
01 분산전원이 도입된 배전계통 보호방식의 기본 원칙 182
1) 기존 배전계통 보호방식의 특징 182
2) 기존전 배계통운용에 악영향을 주지 않는 최소한의 연계조건 182
02 분산전원이 도입된 배전계통의 보호방식에 미치는 영향 분석 183
1) 평상시 184
2) 비정상상태시 186
chapter 09│분산전원 제어기 설계를 위한 좌표변환
01 Clarke Transformation(좌표변환) 234
1) 영상분이 있는 경우 234
2) 영상분이 없는 경우 237
3) 3상평형 cosine 함수기준의 Clarke Transformation 예 240
4) 3상평형 sine 함수기준의 Clarke Transformation 예 241
02 Park Transformation(d-q 좌표변환) 242
1) Park Transformation(d-q 변환) 개념 242
2) 좌표변환에 필요한 변수 및 좌표계의 정의 244
3) 복소수 벡터를 이용한 abc-dq 좌표변환 247
4) 3상평형 cosine 함수기준의 Park Transformation(d-q) 예 249
5) 3상평형 sine 함수기준의 Park Transformation(d-q) 예 256
03 abc - - dq 좌표변환에 있어서의 기준방향 262
1) abc - - dq 회전기준 263
2) abc - - qd 회전기준 264
3) abc - - qd 회전기준 265
chapter 10│분산전원용 전력변환장치(PCS)의 설계
01 순시전력이론 268
1) 이론 268
2) 순시 복소전력의 개념 268
3) 순시전력으로부터 보상전류 계산 268
02 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 제어기 설계 기본원리 269
1) PCS 연계 모델 269
2) 전류제어기 기본 설계 270
03 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 제어기 275
1) 태양광발전시스템의 PCS 제어기 276
2) Wind Turbine의 PCS 277
3) 연료전지 발전시스템의 PCS 제어기 278
4) 2차전지 전력저장시스템의 PCS 제어기 279
5) 플라이휘일 저장시스템의 PCS 제어기 280
6) 마이크로터빈 발전시스템의 PCS 제어기 281
7) 내연기관발전시스템의 PCS 제어기 282
8) 전기자동차의 PCS 제어기 283
9) 분산전원용 PCS의 제어기 특성분석 283
chapter 11│분산전원 배전계통 고장해석
01 배전용변전소 인출구 고장해석 296
1) 154kV 변전소 3권선 변압기 임피던스 296
2) 154kV 변전소 3권선 변압기 2차측에서 전원측을 바라본 정상분 임피던스 297
3) 154kV 변전소 3권선 변압기 2차측에서 전원측을 바라본 영상분 임피던스 298
4) 분산전원이 연계되지 않은 경우 고장 해석 299
5) 분산전원 연계된 경우 변전소 인출구 고장해석 모델 301
6) 고장전류 산출 방법 302
7) 모델계통에의 적용 및 고찰 303
02 배전선로상의 단락지락 고장해석 309
1) 분산전원 연계형태 I에 대한 단락 및 지락고장해석 310
2) 분산전원 연계형태 II에 대한 단락 및 지락고장해석 316
3) 단락 및 지락고장해석 예 321
