스마트그리드의 의미와 범위에 관해서는 다양한 표현들이 있지만, 세계 각국에서 공통적으로 포함되는 항목으로서「신재생에너지의 대량 도입을 가능하게 하는 기술」을 예로 들 수 있다. 일본에서는 동일본 대지진 이전에「저탄소 사회 구축」을 목적으로 신재생에너지 대량 도입에 대한 기대가 높아짐에 따라 동일본 대지진 이후 이와 함께 원자력발전에 과도하게 의존하지 않는 사회를 만들기 위해 신재생에너지를 적극 활용하는 방향으로 에너지 계획의 재검토가 이루어지고 있다. 주목을 모으고 있는 대표적인 신재생에너지로는 태양광발전과 풍력발전이 있지만 국토가 좁은 일본에서는 풍력발전에 적합한 장소가 매우 제한적이기 때문에 주로 태양광발전의 보급 확대에 초점이 맞춰져 있다. 2012년 7월부터 일반 전기사업자에 의한 고정가격매입제도가 개시되면서 사업용과 주택용 모두 태양광발전의 보급에 탄력이 붙을 것으로 전망되고 있다. 그러나 태양광발전은 기후에 따라 출력이 변동되고 조절이 불가능한데다가 그 대부분은 수요가측, 즉 전력계통의 말단에 설치되기 때문에 기존과는 크게 다른 전기의 흐름을 만들어낸다. 이 때문에 전력계통에 연계되는 태양광발전의 양이 어떤 수준을 넘어 증가하게 되면 여러 가지 문제들이 발생된다. 본고에서는 ‘태양광발전의 대량 도입 가능성’을「스마트그리드」의 하나의 요건으로 파악하여 현재 국가프로젝트로서 그 실현을 위해 추진하고 있는「차세대 송배전 계통 제어 기술」에 관해 소개한다.

경제산업성 자원 에너지청은 2008년 7월부터 2011년 2월까지 전력회사, 관련 제조업체, 전기학자, 소비자단체대표 등을 멤버로 하는 3개 유식자(有識者) 회의,「저탄소 전력공급 시스템에 관한 연구회」(2008년 7월~2009년 7월), 「차세대 송배전 네트워크 연구회」(2009년 8월~2010년 4월),「차세대 송배전 시스템 제도 검토회」(2010년 5월~2011년 2월)를 개최하여 태양광발전의 대량 도입에 따른 과제 및 기술 개발 등에 관해 정리했다.

태양광발전이 배전선에 대량으로 연계되면, 저압 배전선의 전압이 그 발전전력에 의해 전기사업법에 규정된 적정치(101±6V)를 일탈하는 문제가 발생한다.([그림 1] 참조) 이에 대한 대책으로는 주상변압기의 분할설치라고 하는 현실적인 대응 및 전압 조정장치의 최적배치·콤팩트화, 제어에 응용되는 파워 일렉트로닉스 기술의 고도화 등을 들 수 있다. 이 대책들은 향후 기기 및 방식의 개발, 그리고 최적화가 필요하며, 2020년까지 꾸준히 실증사업을 추진할 필요성이 있다고 정리되었다.


잉여전력의 발생 및 주파수 조정력 감소
태양광발전의 도입량이 많아지면 골든위크(Golden Week: 일본의 황금연휴), 연말연시, 봄가을의 주말 등 전력 수요가 적은 시기에 수급조정용 전원(화력발전과 일부의 수력발전)의 출력을 최저화해도 발전전력이 과잉되어 잉여전력이 발생된다.([그림 2] 참조) 또 전력수요의 변동과 더불어 날씨에 따른 발전전력량의 변동이 생기기 때문에 주파수 조정력이 부족해질 우려가 있다. 그 대책으로서 △축전지 설치에 의한 잉여전력의 흡수 및 주파수 제어 △태양광발전의 출력억제 △전력수요의 창출 등을 고려해볼 수 있으며, 이들을 조합한 몇 가지 케이스의 대책 비용에 대한 검토가 이루어졌다. 그 결과, 축전지를 통한 잉여전력의 흡수는 10조 엔이 넘는 설치비용이 들기 때문에 잉여전력분은 태양광발전의 출력을 억제하는 방향으로 대응하는 편이 사회비용적 측면에서 합리적이라는 점, 또 전기자동차 및 히트펌프식 급탕기 도입 등 수요창출에 의해 잉여전력이 감소되고 대책 비용을 저감할 수 있다는 점 등이 제시되었다. 또한, 태양광발전의 발전전력량 및 그 변동을 사전에 예측할 수 있다면, 전력수요와 공급의 밸런스를 유지하는 발전설비의 운용이 보다 용이해지므로 기상예측 등의 수단을 통하여 발전량 예측기술을 개발할 필요가 있다는 제안이 이루어졌다.


차세대 송배전 계통 제어 기술
이상과 같은 논의를 거쳐 태양광발전의 대량 인티그레이션(통합)에 따른 여러 과제를 해결하고 기술적 수단을 개발하기 위해 경제산업성·자원에너지청의 보조사업으로서 2010년 8월에「차세대 송배전 계통 최적제어기술 실증사업」이, 그리고 2011년 11월에「차세대형 쌍방향 통신 출력제어 실증사업」,「태양광 발전출력 예측기술 실증사업」이 개시되어 대학, 전력회사, 중전기, 가전, 자동차 등의 제조업체 및 상사 등 다수의 법인이 협동하여 추진되고 있다. 본고에서는 이 실증사업의 실현을 향한 기술들에 대해 설명한다.

배전계통의 차세대 제어기술
태양광발전의 대량 도입에 따른 배전선의 적정전압의 일탈 및 전압변동 등의 과제에 대해서는 부하 시 탭 전환 장치(LRT), 자동전압조정기(SVR), 자려식 무효전력 보상장치(STATCOM) 등의 전압제어기기의 도입을 제안할 수 있다.([그림 3] 참조) 태양광발전 등 분산전원이 적을 동안에는 전력의 흐름이 배전용 변전소에서 수요가로 향하는 하나의 방향이기 때문에 배전선의 전압 프로파일을 상정하기 쉽고, LRT 및 SVR의 제어도 현재로서는 기기 설치지점에서의 계측정보(전압 등)만을 사용하는 자율 분산 제어에 따르고 있다. 향후 태양광발전의 연계량이 확대되면 수요가 측에서의 전력흐름이 더해져 조류분포 및 전압 프로파일을 상정하기가 어려워질 것으로 예상되며, 배전선의 계통상태 파악을 위한 계측기의 설치 및 계측정보를 활용한 전압제어기기의 보다 효과적인 제어가 요구될 것이다. 배전계통은 설비량이 방대하여 한꺼번에 기기를 교체하거나 제어·관리방법의 갱신이 어렵다는 점을 감안하면, 태양광발전의 보급량에 맞춰 전압제어기기의 설치(위치, 용량) 및 제어방법을 단계적으로 연구해 나가는 것이 현실적이라고 할 수 있다.「차세대 송배전 계통 최적제어기술 실증사업」에서는 배전계통의 여러 가지 구성 및 전력수요, 분산전원 설치 상황 등에 따라 종합적 검토가 가능한 배전계통 디지털 시뮬레이션의 실시 및 과도현상과 제어지연 등을 포함한 실제 설비에 맞는 검토가 가능한 아날로그 시뮬레이터의 구축·활용에 의해 [그림 4]에서 보이는 검토방침에 따라 태양광발전의 도입상황에 맞는 최적의 기기배치 및 제어방식의 검증을 추진하고 있다. 태양광발전 보급의 초기단계에서는 전압제어기기의 신증설로 대응이 가능하지만, 보급을 보다 활성화하는 측면에서는 제어기기의 자율 분산 제어 시 제어 파라미터를 기후 등에 따라 원격으로 변경할 수 있게 하는 고도화 방책을 통해 대응한다. 또한 태양광발전의 보급이 추진되면 기기 설치점의 자기정보(Self-Information) 외에 다른 점의 계측 정보를 활용한 제어 및 전압제어기기를 원격에서 직접 제어하는 집중제어방식이 유효할 것으로 보인다. 본 사업의 성과가 드러나게 되면, 태양광발전의 보급량 증가에 따라 향후 배전계통을 어떻게 진화시켜 나갈 것인가에 대한 길잡이가 될 것으로 기대되고 있다.