분산형전원 연계의 배전계통운용에 대한 영향평가

이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다. 분산형전원 연계의 배전계통운용에 대한 영향평가 - 분산형전원연계배전선의 계통전환 영향에 관한 실증연구 - 일본에서는 1973년 오일쇼크 이후, 산업부문에서 코제너레이션 시스템 보급, 확대를 시작하면서 지구온난화 문제와 에너지절약 경제성에 대한 높은 관심을 배경으로 이제까지 다양한 종류의 분산형 전원이 등장하고 배전계통에 대한 연계수를 증가시켰다. 최근에는 신 에너지발전(특히 태양광과 풍력 등)이 환경대책으로 유망 시 되면서 설비 수는 급속하게 증가하고 있다. 또 연료전지 등 소용량 전원의 기술개발 진전을 생각하면 배전계통에 대한 계통연계는 더욱 증가될 전망이다<그림1>.

때문에 배전계통에서는 전력조류가 복잡해지고 계통운용 상 다양한 영향이 예상된다. 그래서 이번 일상적인 배전계통운용 중 무정전계통 전환(루프전환)에 관해 분산형 전원 연계의 영향을 시뮬레이션 및 실규모 설비실험으로 영향의 제 요소를 평가했다. 배전계통의 루프 전환 최근 정보기기의 보급으로 인해 배전선의 계통전환은 무정전으로 실시하는 일이 많아졌다. 루프전환은 루프 점의 개폐기를 투입(루프투입)하면서 일시적으로 루프계통을 구성하는데 이 때 순간적인 전압의 크기·위상의 변화가 발생한다. 그 위에 루프계통을 순환하는 루프전류가 흐른다. 분산형전원 연계가 있는 배전선을 루프 전환할 때의 영향에 관하여 사전에 실시한 EMTDC에 따른 시뮬레이션 해석에서는, ① 루프 중의 배전선 송출전류가 분산형전원 연계가 있는 경우, 분산형전원 연계가 없는 경우에 비해 커지는 경우가 있다. ② 루프점 개폐기 양 끝의 전압위상차가 큰 경우(8도이상)는 주파수 변화율 검출방식의 단독운전 검출장치가 불필요하게 동작할 가능성이 있다는 결과를 얻었다. 여기서는 위의 시뮬레이션 결과에 관해서 실험에 따른 검증 결과를 소개한다. 실험계통 구성과 파라미터 실험은 (재)전력중앙연구소의 적성시험센터에서 실시했다. 실험계통 구성과 파라미터를 <그림2>로 나타낸다. 파라미터 중 하나인 루프점 위상차를 임으로 얻기 위해 실험에서는 이상변압기를 사용했다. 발전기 종류는 <그림3>의 유도발전기와 동기발전기 및 역변환장치를 이용한 계통연계를 상정하고, <그림4>의 3상 인버터 전원을 사용했다.

실험결과 루프투입 시 루프점 양측 전압과 루프전류의 측정결과를 <그림5>에 표시했다. 루프투입 전의 시점에서는 루프점 양끝의 전압파형은 좌우로 어긋나있는데(위상차가 있다), 루프투입 이후는 2개의 파형이 겹쳐져 있고, 루프전류가 흐르는 모양을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상을 수반하는 루프조작을 통한 배전설비와 분산형 전원설비에 대한 영향에 관해 검증을 실시했다. 1. 루프전환을 통한 분산형 전원 연계의 배전설비에 대한 영향 루프를 투입하면 <그림5>와 같이 루프전류가 흐름으로써 양 측 배전선의 송출전류도 변화한다. 이 3개소의 전류 값(실효 값)에 관해 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하고 서로의 결과가 일치한다는 것을 확인할 수 있었다. 이 중, 분산형전원 연계배전선 송출전류에 관해서는 <그림6>에서 루프투입 전의 전류 값이 같다고 해도 분산형전원 연계의 유무에 따라 루프 중의 전류 값이 다르다는 사실을 실험결과를 통해서도 알 수 있었다. 이러한 현상은 분산형전원 연계가 있는 경우, 분산형전원에서 발생하는 조류에 따라 배전선로의 조류방향이 분산형전원 연계가 없는 경우와 다르다는 사실이 영향을 주고 있다.

종래 배전계통의 전력조류는 전원 측(변전소)에서 부하 측으로 일방통행이었기 때문에 배전선로에서는 조류방향을 관측할 수 있는 시스템이 없다. 때문에 당사가 채용하고 있는 기존 루프전환 계산방법은 선로 조류방향을 고정하고 간략화 했으며 계산결과는 분산형전원 연계가 없는 경우의 값이 된다. 분산형전원 연계가 있는 경우에 이 계산방법으로 루프검토를 하면 실제 루프조작 시에 흐르는 전류가 상정 값과 차이가 나는 경우가 있다. 전류가 상정 값보다 큰 경우에는 선로의 허용 값을 초과하거나 과전류 릴레이가 동작할 염려가 있다. 2. 루프전환의 분산형전원 설비에 대한 영향(수동적 방식 단독운전 검출기능) 루프점에 위상차가 있는 경우의 루프조작 시 <그림5>와 같이 순간적인 전압주기의 변화가 발생한다. 이 영향에 관해서 여기서는 주파수 변화율 검출방식의 단독운전 검출기능 동작의 경우 불요해열(不要解列)에 관해서 검토했다. <그림7>은 실험 중에서 가장 큰 주파수 변화율을 보인 시간변화이다. 루프조작 시의 주파수 변화율은 순간적으로 검출레벨에 도달하지만 계속시간은 약 0.15초로 짧으며 본래 값으로 돌아갔다. 때문에 검출시한을 일반적인 0.5초 정도로 조정한다면 루프조작 시의 단독운전 검출기능의 불필요한 동작이 일어날 가능성은 적을 것으로 본다.

이번 검증으로 분산형전원 연계중의 루프전환에서는, ① 종래 루프전환 계산방법을 적용할 수 없다. ② 전환 시 계통혼잡에 따른 분산형전원 불요해열 가능성은 적다. 위와 같은 사실을 확인할 수 있었다. 특히 ①에 관해서는 루프전환 검토를 정밀도 있게 실행하기 위해 현재, 배전계통에서 행하고 있는 전류 값(절대값)에 더해 조류방향의 관측이 요구된다. 분산형전원을 둘러싼 환경은 시시각각으로 변화하고 있다. 앞으로는 태양광발전과 풍력바런과 같은 신 에너지전원 등 다수의 분산형전원을 연계한 경우의 영향에 관해서도 검토하고 싶다.