Influence Evaluation of Electric Vehicle Load on Distribution Systems by the penetration rate of Electric Vehicle

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전기자동차 보급 전망에 따른 배전계통에서의 영향 평가

김철우

, 한승호

, 송택호

, 정문규

한국전력공사 전력연구원

Influence Evaluation of Electric Vehicle Load on Distribution Systems by the penetration rate of Electric Vehicle

Chulwoo Kim

, Seung-Ho Han

, Taek-Ho Song

, Moon-Gyu Jeong

KEPCO Research Institute

Abstract - The development for Eco-friendly cars has been expanded as the concern about environmental pollution and a rise in gas prices. The Electric Vehicle(EV) and Plug in Hybrid Electric Vehicle(PHEV) are generally connected on distribution power systems to charge the traction batteries. The growing number of EV/PHEVs could have a effect on distribution power systems and result in overload of power utilities and power quality problems. In order to reduce the adverse effect on distribution power systems, the influence of electric vehicle loads should be evaluated. In this paper, the influence of electric vehicle loads is evaluated by using OpenDSS(Open Source Distribution System Simulator) according to the penetration rate of electric vehicle.

1. 서 론

화석 연료의 사용 증가는 온실가스 배출을 증가시켜 많은 환경적 문 제를 불러일으키고 있으며, 2005년 교토의정서가 발효됨에 따라 선진국 들은 이미 CO

의무 감축을 시행하고 있다. 특히 CO

의 주 배출원인 자 동차에 대한 배출가스 기준이 대폭 강화되고, 배터리 기술이 최근 급속 히 발달함에 따라 전 세계적으로 전기자동차 개발 및 보급에 많은 노력 을 기울이고 있다[1]. 이러한 친환경 고효율 자동차에 대한 요구 증대 및 높아진 관심과 더불어 충전을 요하는 친환경 자동차에 대응하기 위 한 충전인프라 구축에도 많은 노력을 하고 있다. 일반적으로 전기자동차 (EV) 및 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)의 구동 배터리를 충전하 기 위해서는 배전계통에 연계된 전기자동차 공급 장치(EVSE ; Electric Vehicle Supply Equipment)를 이용해야 한다. 전기자동차의 보급 및 시 장점유율이 근시일내에 급속히 증가하지 않기 때문에, 현재의 배전계통 에 미치는 영향은 미미하지만 전기자동차 배터리의 충전 비율이 최대전 력수요 시간대에 증가하게 된다면, 전력설비 과부하 및 전력 품질과 같 은 문제를 초래할 수 있다.

본 논문에서는 전기자동차 보급 및 전기자동차 배터리의 충전 비율 변 화가 배전계통에 어떠한 영향을 미치는 지를 분석하였으며, 이를 위해 시간대별 전력수급 및 월별 전력수급 현황을 반영하였다. 전기자동차 배 터리의 충전 비율 및 전력수급 현황을 OpenDSS(Open Source Distribution System Simulator)로 모델링하였으며, 배전계통은 대전광역 시의 인구 밀집 지역을 대상으로 모의 구성하였다.

2. 본 론 2.1 전력수급 현황 모델

전기자동차의 보급 및 시장점유율에 따른 배전계통에 미치는 영향은 현재로서는 매우 미미하지만 배터리 충전 비율이 최대전력수요 시간대 에 증가하게 된다면, 전력수급에 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 국내 전력계통 운영실적 중 하계 및 동계 시 최대전력 발생일의 부하 패턴을 모델링하였으며, 이를 모의 구성에 반영하였다.

<그림 1> 2010년 하계 최대전력 발생일의 부하패턴 [2]

<그림 2> 2011년 동계 최대전력 발생일의 부하패턴 [3]

최대전력 발생일의 평균전력수요량을 부하량 100%로 하였으며, 하계 시 에는 5,981만kW 이며, 동계 시에는 6,702만kW 이다[2][3].

2.2 전기자동차 보급 전망 및 교통량

2009년도 우리나라의 총 자동차 등록대수는 대략 17,325,000대 이며, 지역별 평균 교통량 현황은 표 1과 같다. 전체 교통량에 대한 충남지역 의 교통량 비율은 대략 13%정도 이다. 표 2는 우리나라의 전기자동차 보급 전망을 연도별로 나타낸 것이다. 등록된 총 자동차 대수에 대한 교 통량 비율 및 충남지역의 평균 교통량 정보를 이용하면, 충남지역의 전 기자동차 교통량 추정치를 표 3과 같이 나타낼 수 있다.

<표 1> 2009년 상시조사 교통량_지역별 평균 교통량 [4]

<표 2> 전기자동차 보급 전망_연도별 [5]

<표 3> 전기자동차 교통량 추정치

2.3 전기자동차 배터리 충전 비율

2009년도 우리나라의 자가용 1일 평균주행 거리는 43.6km 이며 [6], 이를 전기자동차 일평균 주행거리로 가정하였다. 전기자동차의 연비는 140km/16.4kWh를 적용하였다. 전기자동차 1대당 일일 사용전력량은 대 략 5.1kWh로 계산하였다 (43.6km÷8.54km/kWh). 그리고 퇴근시간 후 1 시간에 걸쳐 이동한 다음 귀가 즉시 가정 내에서만 충전을 개시한다고 가정하였으며, 충전 소요시간은 가정 내 3.3kWh 홈충전기를 이용하여 1 시간 30분 정도 소요한다고 가정하였다. 충전 비율은 2009년도 시간대별 교통량을 이용하여 산출하였다.

2011년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2011. 7. 20 - 22

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<그림 3> 2009년 상시조사 교통량_시간대별 교통량 [4]

<그림 4> 전기자동차 충전 비율 (%) 2.4 OpenDSS를 이용한 모의 배전 계통 분석

전기자동차 보급 및 배터리의 충전 비율 변화가 배전계통에 미치는 영향을 평가하기 위해서, 그림 5와 같이 대전지역의 모의 배전계통을 구 성하였으며, 전기자동차의 교통량 추정치 및 배터리 충전 비율을 반영하 여 OpenDSS 프로그램으로 모의 분석하였다.

<그림 5> 대전지역 모의 배전 계통 2.4.1 전기자동차 교통량 변화에 따른 계통 영향 분석

표 3에서 추정한 충남지역의 전기자동차 교통량을 바탕으로 하여, 전기자동차 교통량 변화가 대전지역의 모의 배전 계통에 어떠한 영향을 미치는 지를 평가하였다. 그림 6은 하계 최대전력 부하 패턴 및 전기자 동차 충전 비율을 반영하였을 시의 배전계통 전압변동을 나타내었다. 전 기자동차 충전 비율 및 교통량 변화가 심할수록 배전계통의 전압변동이 심함을 확인할 수 있다.

<그림 6> 전기자동차 교통량 변화에 따른 전압변동(하계)

그림 7은 동계 최대전력 부하 패턴 및 전기자동차 충전 비율을 반영하 였을 시의 배전계통 전압변동을 나타내었다. 전기자동차 충전 비율 및 교통량 변화가 심할수록 배전계통의 전압변동이 심함을 확인할 수 있다.

<그림 7> 전기자동차 교통량 변화에 따른 전압변동(동계) 그림 8은 하계와 동계 시에 전기자동차 교통량 변화에 따른 배전계통 전압변동을 비교한 것이다. 동계 시의 최대전력 수요량이 더 크기 때문 에 하계 시보다 동계 시의 전압이 더 떨어짐을 확인할 수 있다.

<그림 8> 전기자동차 교통량 변화에 따른 전압변동(하계 VS. 동계) 3. 결 론

본 논문에서는 전기자동차 보급 및 전기자동차 배터리의 충전 비율 변화가 배전계통에 어떠한 영향을 미치는 지를 분석하였으며, 이를 위해 시간대별 전력수급 및 월별 전력수급 현황을 반영하였다. 전기자동차 배 터리의 충전 비율 및 전력수급 현황을 OpenDSS(Open Source Distribution System Simulator)로 모델링하였으며, 배전계통은 대전광역 시의 인구 밀집 지역을 대상으로 모의 구성하였다. 모의 결과를 살펴보 면, 전기자동차의 충전 비율 및 전기자동차의 교통량이 증가할수록 배전 계통의 전압변동이 심함을 확인할 수 있었으며, 동계 시의 최대전력 수 요량이 더 크기 때문에 하계 시보다 동계 시의 전압이 더 떨어짐을 알 수 있었다.

향후, 전기자동차 보급에 따른 충전 패턴 및 충전 비율 분석을 세부 적으로 진행한다면, 전기자동차 충전인프라 및 전력설비 구축 시에 활용 할 수 있을 것으로 판단되며, 정확한 사례 분석을 통해 배전계통의 전력 품질 향상에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.

[참 고 문 헌]

[1] 국경수, 아린담 마이트라, “북미 배전계통에서의 플러그인 전기자동 차에 대한 계통영향 평가”, 한국산학기술학회논문지, Vol.10, N0.9, pp.2236-2245, 2009.

[2] ‘10년 8월 전력계통 운영실적, 한국전력거래소, 2010.9.

[3] ‘11년 1월 전력계통 운영실적, 한국전력거래소, 2011.2.

[4] 2009년도 도로교통량 통계연보, 국토해양부.

[5] 전기자동차 보급에 따른 전력수급영향 및 시사점, 한국전력거래소, 2009.11.

[6] KOTI-Brief, 한국교통연구원, Vol.1, No.17, 2009.5.