무효전력 예비력을 고려한 송전계통의 클러스터링 기반 다목적 최적 운영 방안
- 주제(키워드) 전력계통 운영 및 계획 , 무효전력 예비력 , 다목적 최적화 , 전압제어지역 , 스펙트럼 클러스터링 , NSGA-III
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 장길수
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 전기전자공학과
- 원문페이지 102 p
- UCI I804:11009-000000277531
- DOI 10.23186/korea.000000277531.11009.0000123
- 본문언어 한국어
초록/요약
에너지 전환 및 탄소중립 시대를 맞이함에 따라, 전력계통은 크게 변화하고 있다. 전력수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 재생에너지 발전원이 기존 동기 발전기를 점차 대체하고 있다. 이로 인하여 전력계통의 전압안정도는 그 어느 때보다 위협받고 있다. 무효전력은 전압안정도를 결정짓는 중요한 요소 중 하나로, 충분한 무효전력 예비력의 확보는 비상사태 발생 시에도 전압을 안정적으로 유지할 수 있게 한다. 발전기는 계통 내의 무효전력 공급을 담당하는 중요한 자원 중 하나이며, 그 역할이 아직까지도 매우 중요하다. 본 연구에서는 계통 운영시 무효전력 예비력 최적화를 고려하는 다목적 최적화 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 크게 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 계통 전역을 대상으로 각 발전기의 기동 여부, 유효전력 출력량, 전압 크기를 제어 변수로 하여 송전 손실, 모선 전압 크기, 전압제어지역 별 무효전력 예비력, 발전비용 최적화를 위한 다목적 최적화를 수행한다. 두 번째 단계에서는 앞선 단계에서의 결과물을 토대로, 전압제어지역을 대상으로 각 발전기 모선 전압과 변압기 탭 조정 및 무효전력 보상장치 운전점을 결정 변수로 하여, 송전 손실, 모선 전압 크기, 해당 전압제어지역 내에서의 무효전력 예비력 및 전압안정도 최적화를 위한 다목적 최적화를 수행한다. 최적화 과정에서는 무효전력의 국지적 전달성을 고려하기 위해, 계층적 스펙트럼 클러스터링을 수행하여 전압제어지역을 구성하고, 각 지역에 대한 무효전력 예비력을 평가한다. 설계한 프레임워크의 최적해를 구하는 과정에서는 NSGA-III를 적용한다. NSGA-III는 레퍼런스 평면을 기반으로 해의 다양성을 유지하면서, 비지배 정렬 과정을 통해 우수한 개체를 보존하여 파레토 최적해로의 수렴성이 뛰어나다는 장점을 가진다. 제안하는 프레임워크의 효과 검증을 위해 IEEE 118-모선 테스트 계통을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 첫 번째 단계 수행결과를 통해 제안하는 프레임워크가 무효전력 예비력을 추가 확보하는 효과가 있음을 확인하였으며, 두 번째 단계 수행결과를 통해 전압제어지역별 추가적인 무효전력 예비력 확보와 전압안정도 향상이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 프레임워크는 기본적으로 계통의 전압안정도 향상과 경제성 확보를 위한 발전기 및 자원 운영 계획에 활용할 수 있으며, 재생에너지 발전원 투입에 따른 변동성에 대비하여 전압안정도 향상을 고려한 기존 발전기의 기동 여부 및 발전기를 포함한 설비의 운전점 결정에 기여할 수 있다. 이와 더불어, 제안하는 프레임워크는 추후 신 전력 설비들인 VSC-HVDC및 FACTS를 비롯한 DC 연계 기반의 계통에 활용 가능하도록 개선될 수 있을 것이다.
more목차
1장. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 분석 및 연구 개요 3
1.3 논문 구성 7
2장. 전압불안정 방지대책 8
2.1 전압안정도 지수 기반의 전압안정도 분석 9
2.2 무효전력 관리 12
2.2.1 무효전력 예비력 12
2.2.2 무효전력 최적배분 15
3장. 스펙트럼 클러스터링 기법을 이용한 전압제어지역 구성 18
3.1 전압제어지역 18
3.1.1 전기적 거리 19
3.2 전압제어지역 구성 알고리즘 22
3.2.1 전력계통과 클러스터링 22
3.2.2 계층적 스펙트럼 클러스터링 24
3.3 전압제어지역 구성 사례 연구 27
3.3.1 IEEE 39-모선 테스트 계통 28
3.3.2 IEEE 118-모선 테스트 계통 31
4장. 전압안정도를 고려한 송전계통의 다목적 최적 운영 프레임워크 35
4.1 다중목적 최적화 기법 선정 NSGA-III 37
4.2 최적화 문제 정립 Stage 1 43
4.2.1 결정변수 44
4.2.2 목적함수 44
4.2.3 제약 조건 47
4.3 최적화 문제 정립 Stage 2 48
4.3.1 결정변수 49
4.3.2 목적함수 49
4.3.3 제약 조건 51
4.4 전체 알고리즘 52
5장. 사례 연구 57
5.1 IEEE 118-모선 테스트 계통 57
5.1.1 계통 및 시뮬레이션 환경 57
5.1.2 Stage 1 수행결과 58
5.1.3 Stage 2 결과 65
6장. 결론 73
참고문헌 75
부록 85
A. IEEE 118-모선 테스트 계통 정보 85
