분산전원기술 동향과 계통 운용상의 과제

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 분산전원기술 동향과 계통 운용상의 과제 전기사업의 자유화·규제완화가 진행되는 가운데 일본의 경우 분산형 전원의 도입이 급속하게 추진되고 있다. 지구온난화와 화석연료 고갈에 대한 염려, 분산형 전원 그 자체의 고효율화나 저가격화되는 움직임을 지지하고 있다. 지구온난화 문제에 대한 대처방법중 하나로 ‘전기 사업자를 통한 신에너지 등의 이용에 관한 특별 처치법’, 이른바 RPS법이 시행되면서 전기 사업자에 대해 일정량 이상의 신에너지 이용을 의무화했기 때문에 전기사업자 자신도 풍력이나 태양광발전 등의 분산형 전원의 도입을 이제까지 이상으로 생각하지 않으면 안 되게 되었다. 또 야간의 남은 전력을 축적해 이를 낮 시간의 전력수요 피크의 억제로 이용하는 이른바 전력부하의 평준화를 촉진하기 위해 분산형 전원의 하나로 생각할 수 있는 전력 저장장치를 전기사업자 스스로가 개발하고 변전소 등에 설치하는 등의 움직임도 예견된다. 수요가로부터 떨어진 원격 지에 설치된 대규모 전원이 발전한 전력을 수요 중심까지 송전하는 종래의 전력계통 시스템과 달리 분산형 전원은 수요가 근방에 설치된다. 때문에 분산형 전원이 출력하는 유효·무효 전력을 인버터를 이용해 적절하게 제어하면, 이제까지 이상으로 수요가 근방 전력 계통의 안정화와 전력 품질향상을 가져올 수도 있다는 기대가 있는 것도 사실이다. 하지만 이러한 분산형 전원이 다수계통에 병입된 경우, 지금까지와 마찬가지로 전압이나 주파수 등을 적절하게 컨트롤하고 높은 전력품질을 유지할 수 있을지 불투명한 부분도 있다. 본 원고에서는 ‘부하평준화 등 변전소 다기능화를 달성하기 위해 변전소 구내에 설치하는 분산형 전원이 안고 있는 과제’와 ‘변전소 구외에 보급한 분산형 전원의 영향에 대해 변전소에서 대처할 계통운용상의 과제’에 관해 소개한다. 변전소 다기능화 달성에 분산형 전원이 안고 있는 과제 여기서는 부하평준화 등 변전소 다기능화를 달성하기 위해 변전소 구내에 설치하는(혹은 설치 가능성이 있는) 분산형 전원이 안고 있는 과제에 관해 서술한다. 대상으로 한 분산형 전원은 현재 및 과거에 6.6㎸계통이나 변전소 소 내 저압회로에 접속된 실적이 있는 이하의 것으로 했다. 단, 디젤 발전, 연축전지 외에 관해서는 실적의 크기를 고려해 할애했다. ① 화석연료투입 타입(연료전지, 마이크로 가스 터빈) ② 자연에너지활용 타입(태양광발전, 풍력발전) ③ 전력저장 타입(레독스 플로우 전지, NAS전지, SMES, 플라이호일) 1. 화석연료투입 타입 (1) 연료전지 연료전지는 물의 전기분해와 역 반응을 이용한 것으로 전해질의 양측에 배치한 공기극과 연료극으로 각각 공기(산소)와 수소를 흘림으로써 전력을 발생한다. 연료전지는 그 전해질의 종류에 따라 인산형, 용융탄산염형, 고체전해질형, 고체고분자형의 4종류로 분류되고 있다. 인산형은 이미 실용화되고 있는데 그 밖의 연료전지에 관해서도 연구 단계에서 실용화단계로 이행되고 있다. 이들 연료전지 셀의 특징을 <표1>에 나타낸다.

연료전지는 발전할 때 회전부가 없기 때문에 저소음·저진동이며 NOx와 SOx의 배출량이 거의 없기 때문에 친환경적인 분산형 전원이다. 한편, 인산형 연료전지 패키지 판매가격은 2001년에는 400∼700만원/㎾으로 마이크로 가스 터빈과 비교해 비교적 고가이고, 설치면적도 약12㎾/㎡로 크기 때문에 저가격화·소형화가 과제이다. 또 변전소에 설치할 때는 연료공급방법을 어떻게 취하는가 하는 과제도 있다. (2) 마이크로 가스 터빈 마이크로 가스 터빈은 기존 요소 기술을 이용한 심플하고 저비용, 초소형 가스 터빈 발전설비이며 NOx와 SOx의 배출량이 적다. 연료전지에 비해 발전효율이 25%~30%로 낮기 때문에 연소로 인해 발생한 열에너지를 유효하게 이용하는 시스템 개발이 필요하다. 부하평준화와 전압안정화, 발전예비력으로서 변전소 구내에 설치하려면 발전효율이 낮은 것과 주택지에 인접한 변전소에 적용하기 위해서는 소음대책이 필요하다는 것을 과제로 들 수 있다. 2. 자연에너지활용 타입 자연에너지 활용 타입이란 태양광 발전과 풍력발전같이 자연계의 이용하지 않은 에너지를 활용하는 발전 시스템이며, 환경오염물질의 배출이 없는 깨끗하고 무진장한 에너지이다. 환경문제에 대한 의식이 높아지고, RPS법, 국가로부터 조성 등 보급촉진대책을 취하고 있으며, <그림1>과 같이 일본의 경우 태양광·풍력발전의 도입량은 급격하게 증가하고 있다. 그러나 이들 발전 시스템은 발전이 기후의 영향을 받기 때문에 출력변동이 극심하다는 점과 에너지 밀도가 0.1∼0.3㎾/㎡로 낮기 때문에 많은 전력을 얻기 위해서는 넓은 설치장소가 필요하다는 과제를 갖고 있다. 이들 과제를 극복하기 위해 풍력발전의 발전특성을 파악하는 일과 집합형 풍차 대 수 제어법, 축전지와의 하이브리드 운전 시스템 등의 실증연구가 각 전력회사에서 추진되고 있다. 3 전력저장 타입 (1) 레독스 플로우 전지 레독스 플로우(redox flow) 전지는 정·부극의 전해액으로서 바나듐 이온을 용해시킨 희유산수용액을 탱크에 저장하고 그 전계액을 펌프를 이용해 셀로 송액해서 충전·방전하는 전지이다<그림2>. 레독스 플로우 전지는 동작온도가 5∼40℃로 낮고, 유해물질을 사용하지 않으므로 안전 면에서 뛰어나지만 에너지 밀도는 12kWh/㎥(전해액 탱크)로 비교적 적다. 앞으로는 비용절감 및 전해액의 고농도화 연구를 진행시켜 소형화를 달성할 필요가 있다. (2) NAS전지 NAS전지는 부극에 나트륨, 정극에 유황을 사용하고, 전해질로서 나트륨 이온만을 통과하는 베타 알루미나 관을 이용하고 있다. 이를 단전지로서 직병렬로 접속하고 히터를 내장한 단열성 용기 내에 수납한 모듈전지를 구성단위로 한다<그림3>.

에너지 밀도가 160kWh/㎥로 높지만 고온 사양이며 단시간에 사용하는 경우에는 보온 에너지가 필요하다. 기술개발은 거의 완료했으며 변전소에서는 부하평준화를 목적으로 실 계통으로 연계된 예도 있다. (3) SMES SMES는 인덕턴스L(H)의 코일에 직류전류I(A)를 흘리면 자기 에너지로서 LI2/2(J)의 에너지가 축적 가능한 것을 이용하는 초전도 코일에 따른 에너지 저장기술이다. 전자기적으로 에너지를 저장하기 때문에 에너지형태의 변환이 없고 저장효율이 약 90%로 높다. 또 에너지의 입출력에 대해 응답이 빠르다. SMES는 계통안정화, 순저대책으로서의 적용가능성이 있다고 예상되며, 실용화를 위해 앞으로는 비용절감과 변동부하에 대한 초전도의 안정화, 실 계통연계 시 신뢰도 검증이 필요하다<그림4>. (4) 플라이호일 플라이 호일(flywheel)은 회전하는 물체의 회전속도가 변화할 때의 에너지 변화를 발전기 및 전동기에서 전력으로 변환함으로써 전력을 충·방전하는 설비이다. 대형 플라이호일은 전력용 회전기로서 급준한 부하변동에 견디고 전력계통과의 연계성능도 뛰어나기 때문에 전력용도로 사용하기 쉬운 특성을 갖는다. 그러나 고속응답성은 있지만 부하평준화 용도 등의 장시간 충·방전은 어렵다. 또 기계 계통의 메인터넌스 비용이 걸리는 등 과제가 남아 있다<그림5>.

계통 연계 시 제 과제 최근 이제까지 서술해온 분산형 전원의 개발이 활발하게 진행되고 있으며 계통 연계되는 분산형 전원 수도 매해 증가하고 있다. 향후, 1계통에 다수의 분산형 전원이 연계될 경우 다양한 기술적 과제가 발생할 것으로 본다. 여기서는 이들 과제에 관해 정리한다. 1. 전압제어에 관한 과제 전력회사에서는 발전기의 자동전압조정과 변압기의 탭 제어, 무효전력을 출력하는 조상설비, 배전용 변압기의 선로전압강하보상장치(LDC) 등을 통해 500㎸에서 6㎸까지의 전압을 제어하고 있다. 배전용 변전소에서의 전압제어방식으로는 LDC방식에 따른 변압기를 통과하는 전류에 대응한 전압강하분의 보상과 타임스케줄 방식에 따른 뱅크 일괄의 시시각각 전송하는 전압설정이 있다. 그러나 6㎸계통에 연계되는 태양광 발전 등의 분산형 전원이 증가하면 기후조건에 따라 출력전력에 차이가 나기 때문에 타임에 따른 제어의 대응이 어렵다. 또 분산형 전원의 발전량이 증가하면 하위 계에서 역 조류가 증가한다. 때문에 변압기의 다운 조류가 줄고, LDC방식에 따라 변압기 2차 측의 기준전압을 낮추기 위해 분산형 전원이 연계되지 않은 배전선의 말단에서는 적정전압을 제외할 가능성도 있다. 역으로 역 조류가 적어지면 변압기의 다운 조류가 증가해 기준전압을 올리기 때문에 분산형 전원이 많이 연계하고 있는 배전선에서 적정전압을 유지할 수 없는 경우도 있다. 이에 관해서는 분산형 전원으로 전압조정기능을 갖게 하는 등의 대책이 필요하다. 2. 고조파에 관한 과제 인버터기기를 끼운 분산형 전원의 보급이 진행됨에 따라 직류를 교류로 변환할 때 고조파가 증가하고 다른 기기에 가열이나 손상 등의 피해를 줄 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해서는 고조파 필터의 설치나 고조파 발생이 적은 인버터의 개발이 필요하다. 현상의 인버터 사양은 계통연계기술요건 가이드라인(일본의 구판)에 나타나는 종합 5%, 각 차 고조파 3%이하이며, 1㎾의 분산형 전원이 발생하는 제5조파는 100V 환산으로 최대 0.3A가 된다. 한편, 일반부하가 발생하는 고조파전류는 ‘가전·범용품고조파 억제대책 가이드라인’으로 정해진 텔레비전, 퍼스널컴퓨터, 퍼스널컴퓨터용 디스플레이의 제 5조파 전류의 한도 값은 100V환산으로 4.37㎃/W이며, 인버터 에어컨의 한도 값은 2,622+2.484 (W-600) ㎃이다 (W: 소비전력). 일본의 전기협동연구 제 58권 2호에 의하면 1년간 출하되는 이들의 기기에서 발생하는 제 5조파전류의 합계를 계산하면 <표2>와 같다. 연간 100만㎾의 분산형 전원이 도입된다고 가정해도 발생하는 제5조파전류는 300㎄이며, 일반부하 34,500㎄의 약 1%밖에 되지 않는다. 따라서 계통연계기술요건 가이드라인을 준수하는 한 분산형 전원에 기인하는 고조파레벨이 문제될 가능성은 낮다. 오히려 분산형 전원은 기본파전류만 공급원으로 하기 때문에 일반부하가 필요로 하는 고조파전류를 공급할 수 없고 고조파전류 모두를 변전소에서 공급해야만 한다는 점이 문제가 된다. 변전소에서 공급받는 전류 중, 기본파 전류가 감소하기 때문에 고조파분은 상대적으로 커진다. 예를 들면 피더단위에서 부하와 분산형 전원 출력이 평형한 경우에는 변전소에서는 고조파전류와 기본파 무효전류만을 공급하게 되고, 변압기·조상기기의 진동·과열과 보호·제어계의 오동작 등의 문제가 생길 가능성이 있다. <그림6>에 고조파전류의 증가 이미지를 나타낸다. 3. 전압 불평형에 관한 과제 분산형 전원을 전력계통으로 연계할 경우 반드시 3상 접속한다고는 할 수 없으며 소용량의 태양광발전 등은 단상 접속이다. 단상 분산전원이 각상에 불균일하게 연계되면 상간 전압의 불평형율이 증가할 가능성이 있다. 이 결과 수요가 기기에 악영향, 역상전류로 인한 동기기의 과열, 삼상전동기의 회전불량 등을 일으킬 염려가 있다. 전압 불평형의 대책으로는 분산형 전원을 연계하는 상을 균일화하거나 전력저장장치와 무효전력보상장치로 인한 불평형분의 보상이 필요하다. 4. 주파수 변동에 관한 과제 수요변동에 대한 주파수의 제어는 장주기 성분, 단주기 성분, 미소 변동분 각각에 대해 EDC(Economic Dispatching Control), LFC(Load Frequency Control), GF(Governor Free)라는 제어를 실행하고 있다. 이와 같은 제어 중에서 태양광이나 풍력과 같이 부하변동에 관계없이 출력변동이 큰 분산형 전원이 증가하면 주파수 변동 폭이 커져서, 소정의 주파수를 유지하지 못할 가능성이 있다. 주파변동이 커지면 계통 측에서는 발전기의 안정운전이 계속되기 힘들고 고객 측에서는 전동기의 회전으로 인한 제품불량, OA기기, 정밀계측기 등의 정밀도저하를 일으킨다. 주파수 변동을 억제하기 위해서는 부하와 분산형 전원을 합친 수요예측에 따라 최적의 발전기 운용을 실행할 필요가 있다. 5. 계통의 단락전류에 관한 과제 회전기형의 분산형 전원이 보급되면 단락사고 시 부근의 분산형 전원이 단락전류를 공급해 단락전류가 증가할 가능성이 있다. 어떠한 영향이 있을지 <그림7>의 모델계통에서 설명한다. 여기서 ①의 차단기에는 상위계통으로부터의 단락전류에 분산형 전원의 단락전류가 가세하기 때문에 단락전류는 증가한다. 일본의 전기협동연구 제58권 제2호에 의하면 분산형 전원이 없는 경우의 단락전류 값을 기준으로 하면 고장 피더의 차단기를 흐르는 단락전류는 변전소단의 단락으로 10%정도 증가한다. 이러한 단락전류의 증가에 대해서는 한류 리액터나 고 임피던스 기기 등의 단락전류억제나 고속차단기 채용을 생각할 수 있다. ②의 차단기에는 분산형 전원이 없는 경우에는 단락전류는 흐르지 않지만 분산형 전원의 접속으로 단락전류가 흐르게 되고 단락고장으로 ①, ②의 차단기 양측을 개방한다는 불필요 동작의 가능성이 생긴다. 또 <그림8>에 보이듯이 분산형 전원에서 단락전류의 영향으로 피더의 차단기 단락전류가 감소하고 릴레이가 동작되지 않을 가능성도 있다.

6. 단독운전의 과제 고장이나 점검 때문에 변전소 출구의 차단기가 개방되어도 분산형 전원이 운전을 계속함으로써 배전선에 전압이 걸려있는 상태를 단독운전이라 한다<그림9>. 이와 같이 단독운전인 경우에는 인신 및 설비의 안전, 사고 점의 피해확대나 사고 복구가 지연되어 공급지장의 확대를 초래할 가능성이 있다. 단독운전으로 인해 상정되는 영향에 관해 서술한다. ① 공중감전 단독운전 검출기능이 없는 분산형 전원이 연계된 계통에 사고가 발생한 경우, 단독운전이 계속된다. 사고원인이 클린 차의 접촉인 경우에는 감전사상사고의 위험성이 증가한다. ② 기기손상 단독운전이 계속되고 있는 상태에서 계통의 재폐로가 진행되면 해당계통과 전원 측 계통이 비동기 상태로 연계된다. 또 해당계통에 과전류나 전압변동이 발생해 해당계통에 접속한 기기 등에 손상을 줄 위험이 있다. ③ 사고복구 작업자 감전 계통사고복구 작업과 점검에 대해서 본래 정전돼야할 계통이 충전됨으로써 작업자의 감전위험성이 증대한다. 단독운전을 방지하기 위해서는 전송차단과 단독운전 검출장치를 설치할 필요가 있다. 단, 검출감도가 지나치게 예민하면 계통사고 시 전압저하나 주파수 동요로 인해 분산전원이 정지되어, 급격한 주파수 변동을 일으킬 가능성이 있기 때문에 검출감도의 설정에는 주의가 필요하다. 7. 계통의 안정도에 관한 과제 기간계통에서 3상 지락이 발생한 경우 사고 점을 제거하기까지의 기간, 전압이 저하된다. 이 전압저하를 분산형 전원의 계통연계보호기능이 검출하고 분산형 전원이 해열·정지하면 발전전력이 저하된다. 또 외견상 부하가 급증하게 되어 계통의 과도안정도에 영향을 미친다. 이러한 대책으로 분산형 전원의 출력이 정지하지 않고 안정되게 동작하도록 고장계속시간과 이상전압계속을 검출해서 출력이 정지하는 시간과의 관계를 최적으로 하는 등 검출방식의 고 신뢰도가 필요하다. 또 분산형 전원이 대량으로 해열된 경우에도 전압안정성을 유지하기 위해 조상설비(콘덴서)를 투입함으로써 전압안정한계를 증가시키는 등의 대책을 생각할 수 있다. 이때 무작정 콘덴서를 투입하면 전압이 상승하기 때문에 최적의 투입량 검토와 그 밖의 전압제어기기의 증강이 필요하다. RPS법의 실행으로 태양광이나 풍력발전 등의 신에너지 이용 발전사업자 수는 앞으로도 증가할 것이다. 그리고 소형발전기의 배열을 활용할 수 있는 급탕부하를 갖춘 수요가가 전기·열을 합한 종합 에너지 이용효율을 조금이라도 향상시키기 위해 분산형 전원을 도입하는 경우도 많아졌다. 또 전력부하를 평준화하고 전력수요의 피크를 억제하기 위해 전력저장장치를 설치하는 수요가의 증가도 예상된다. 한편, 전기사업자 자신은 어떠한가. 전기사업자는 이제까지 전력수요 증가에 대해 대규모전원을 건설하고 그 전력을 유통시키기 위해 송변전 설비를 증강시켜 대응해왔다. 하지만 전력수요가 고성장의 시나리오에서 저성장으로 바뀌자, 고성장 시나리오에서는 증강된 변압기와 송전선의 감가상각이 가능했던 것이 저성장하는 중에 감가상각도 해보지 못한 채 노후화돼 교체시간을 맞는, 즉 제대로 사용할 수 없다는 문제가 발생한다. 이와 같은 경우 대용량의 송변전 설비를 증강하는 것이 아니라 전력의 신장에 맞춰 전력저장장치 등 소용량의 분산형 전원을 설치해 가는 길도 가능성으로 존재한다. 앞으로 분산형 전원의 저렴화, 고성능화가 진행된다면 장래 이와 같은 선택이 이루어지는 경우도 있을 것으로 상정된다. 이와 같이 분산형 전원을 도입하는 의의는 다양화되고 있다. 분산형 전원의 저렴화나 고효율화, 콤팩트화가 조건이지만, 각 방면에서 분산형 전원의 도입이 증가하고 전력계통에 다수의 분산형 전원이 접속되는 계통상태가 현실화되고 있다. 전기와 같이 다수의 분산형 전원의 계통접속에는 다양한 과제가 존재한다. 이들 과제에 대해서는 전기사업자가 파워일렉트로닉기술을 활용함으로써 전력계통의 제어성을 향상시키는 일도 중요하다. 그러나 분산형 전원이 다수 접속 시 대책 등을 명시한 계통연계 가이드라인을 정비하고, 그 중에서 계통의 안정성을 유지하기 위해 분산형 전원 측의 시스템 설계 내용을 명확하게 할 필요도 있다. 어느 것이든 계통에 접속되는 분산형 전원의 수가 증가함에 따라 계통제어, 운용은 복잡해진다. 분산형 전원은 수요가 근방에 설치되기 때문에 분산형 전원이 출력하는 유효, 무효전력을 인버터를 이용해 적절하게 제어하면 이제까지 이상으로 수요가 근방 전력계통의 안정화나 전력품질 향상을 가져올 것이라는 기대도 있다. 하지만 그러한 기능을 지닌 것은 거의 일부로 한정되어 있어 모든 분산형 전원에 유효무효전력 제어 기능을 부과하기 위해서는 무리가 있다. 역시 계통의 안정성은 대부분이 분산형 전원측이 아니라 계통 측의 제어성에 걸려있다. 원격지에 설치된 대규모 전원과 수요가 근방에 설치된 소규모 분산형 전원, 2가지를 얼마나 잘 조화시킬지는 계통제어 기술 향상에 달려 있다.