저전압 직류배전 시스템의 전압 유지율을 고려한 전압 보상 방안과 경제성 평가에 대한 연구 :(A)study on Voltage Compensation Procedure for LVDC Systems considering Voltage Maintenance Rate and Economic Feasibility

권보민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권보민 (국민대학교, 國民大學敎一般大學院)

지도교수: 정일엽

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

저전압 직류배전 시스템의 전압 유지율을 고려한 전압 보상 방안과 경제성 평가에 대한 연구

권보민 電子工學科 2015.01 학위논문

2013

통신중계탑 전력공급용 저전압 직류배전의 경제성 평가 연구

권보민 , David Afamefuna , 정일엽 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2013.07 학술대회자료

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핀란드에서는 20kV의 중전압 교류배전 계통을 1,500V의 저전압 직류 배전 계통으로 바꾸는 연구를 통해 세계 최초로 일반 수용가에 상용으로 직류 전력을 공급하는 LVDC(Low-Voltage DC) 배전 시스템을 구축하였다. 그 결과, 낮은 배전 전압으로 인해 배전 계통 지선(Lateral line)에 발생하는 사고가 상위계통인 20kV 간선(Feeder line)에 미치는 영향을 줄이고 전력 품질을 개선하는 장점이 있었다. 이에 국내에서는 핀란드의 LVDC 배전 계통의 성공 사례를 국내에 적용하기 위한 선행연구가 한전 전력연구원을 중심으로 수행되고 있다.
본 논문에서는 LVDC 배전 계통을 국내의 계통에 적용하는 것이 타당한지 판단하기 위하여 배전 계통의 경제성을 분석하는 체계적인 Tool을 제시한다. 이를 통해 기존의 22.9kV MVAC (Medium-Voltage AC) 배전 계통과 새로 도입하는 1,500V LVDC 배전 계통에 대하여 경제성 평가를 수행한다. 경제성 분석 항목으로는 설비투자비용, 에너지손실비용, 유지보수비용, 사고복구비용, 정전비용 총 5가지를 고려하였다. 현금 흐름에 근거한 순현가법(NPV, Net Present Value)을 통해 30년 후의 비용을 비교한 결과, LVDC 배전 계통이 MVAC 배전 계통보다 경제적임을 확인하였다.
하지만 LVDC 배전 계통은 저전압 배전으로 인하여 선로 손실이 증가하고 계통 말단 전압이 유지 되지 않아 계통 확장이 어렵다는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 확장된 LVDC 배전 계통의 전압 보상을 위한 방안으로 기존의 배전선로 추가 방안과 더불어 BESS(Battery Energy Storage System)를 추가하는 방안을 제시하고, 두 가지 방안의 타당성을 평가하기 위한 경제성 분석 Tool을 제시한다. 경제성 분석 방법으로 비용-효과(Cost-Effectiveness) 방법에 NPV를 적용한다. 배전 선로를 추가하는 경우에는 계통 내 선로 손실이 최소가 되도록 부하를 분배하며, BESS를 설치하는 경우에는 총 손실이 최소가 되는 위치를 DC 조류계산을 통해 선정한다. 이때, DC 조류계산 방법은 Forward-Sweeping Method를 이용한 기존의 AC 조류계산 방법을 변형하여 Gauss-Seidel Method를 통해 새롭게 제시한다. 이를 바탕으로 전압 보상이 필요한 LVDC 배전 계통의 전압 유지율을 고려한 전압 보상안을 적용 했을 때의 경제성 평가를 수행한다.

DC distribution systems have advantages to reduce power conversion losses compared to conventional AC systems when they are integrated with DC loads and renewable energy resources using DC power electronic interfaces. In addition, DC distribution systems have strengths to simultaneously integrate multiple power units with rectifiers and power converters against AC systems. Therefore, DC distribution systems have been applied to small-scale distribution systems for smart houses, buildings, Internet data centers and so on. Low-Voltage DC (LVDC) distribution system adopts low voltage distribution on DC network. Low voltage system improves the reliability than medium voltage system because low voltage distribution is easy to insulate the electric and manage the system than medium voltage distribution. However, when the load increase, the line currents in the LVDC systems become much higher than those of the MVAC systems. Therefore, the energy losses and voltage drop of the distribution lines in the LVDC systems will be significantly large. This will cause large operating costs and limited maximum length of the distribution lines. In this reason, this paper suggests to apply battery energy storage system (BESS) to LVDC distribution system in order to reduce distribution line losses and improve economic benefits by peak shaving the load. Also, this paper focuses on the voltage compensation procedure for LVDC distribution systems between added distribution line(original method in distribution systems) and BESS(suggested method). To analyze the losses in the LVDC systems, this paper applied Gauss-Seidel method with modifying previous AC power flow using Forward Sweeping method.
Finally, economic evaluation is performed to compare the benefits of LVDC systems with BESS or with added power line by using the cost-effectiveness method based on th net present value(NPV). To verify the economic feasibility of the LVDC system with BESS, the proposed method is using Li-ion BESS and NaS BESS.

Ⅰ. 서 론 ………………………………………………………………………… 1
1.1 연구배경 ……………………………………………………………… 1
1.2 한전의 LVDC 배전 시스템 ………………………………………… 5
1.2.1 LVDC 배전 시스템의 구성 방식 검토 …………………… 6
Ⅱ. LVDC 계통의 경제성 평가 기법 개발 ………………………………… 12
2.1 배전 계통의 경제성 평가 ………………………………………… 12
2.1.1 경제성 평가 기법 검토 …………………………………… 12
2.2 NPV를 적용한 LVDC 실증 계통의 경제성 평가 ……………… 14
2.2.1 MATLAB/Simulink를 이용한 계통 모델링 ………………… 15
2.2.2 LVDC 실증 계통의 경제성 분석 ………………………… 18
2.2.3 NPV를 적용한 경제성 평가 결과 ………………………… 24
Ⅲ. BESS를 이용한 LVDC 배전 계통의 전압 보상 기법 개발 ………… 27
3.1 LVDC 배전 시스템의 한계 ………………………………………… 29
3.1.1 LVDC 배전 계통의 전력 전송 가능 거리 분석 ………… 29
3.1.2 LVDC 배전 계통의 전압 보상 방법 제안 ……………… 33
3.2 DC 조류 해석 기법 개발 ………………………………………… 35
3.3 LVDC 배전 계통의 전압 보상 방안 평가 ……………………… 38
3.3.1 LVDC 배전 계통의 전압 보상 알고리즘 ………………… 38
3.3.2 전압 보상이 필요한 LVDC 배전 계통 설정 …………… 40
3.3.3 전압 보상 방안을 적용한 LVDC 배전 계통의 손실 분석 …………………………………………………………………………………… 43
3.3.4 전압 보상 방안을 적용한 LVDC 배전 계통의 경제성 분석 …………………………………………………………………………………… 49
Ⅳ. 결론 ………………………………………………………………………… 57
Ⅴ. 향후 계획 ………………………………………………………………… 59
참고 문헌 ……………………………………………………………………… 60
Abstract ………………………………………………………………………… 62

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