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서론지구환경 문제를 대응하기 위해 태양광발전, 풍력발전, 기타 재생가능한 에너지를 중심으로 분산형전원이 도입되고 있다. 앞으로 전력품질과 보호·보안면에서 전력계통과 협조·조화되어 연계를 도모해 갈 것으로 전망된다.분산형전원을 계통연계할 경우 자원에너지청 공표‘전력품질확보에 관계되는 계통연계기술요건 가이드라인’및‘전기설비 기술기준의 해석’에 따라 분산형전원측을 중심으로 각종 기술적 대책이 시행된다. 그러나 앞으로 더욱 보급, 확대됨에 따라 배전선에 대량 연계된 경우가 늘어날 것으로 예상되어 여러 문제가 표면화할 가능성이 있다.여기서는 이 가운데 배전계통의 특히 중요한 과제인 전압관리면의 영향에 초점을 맞춰, 대량 도입시에 상정되는 구체적 문제점, 또는 장래기술을 포함한 대책기술의 동향에 대해 개략적으로 설명한다.전압관리면의 영향과 현상대책 기술1. 배전선 전압관리의 현상수요가에게 공급하는 전압의 적정범위는 전기사업법 제 26조 및 동법 시행규칙 제 44조에 따라 100V계에서 101±6V, 200V계에서 202±20V로 규정되고 있다. 한편 수요가에게 공급하는 전압은 배전선 임피던스에 기인하는 전압강하에 따라 일반적으로 배전선 말단에 가까울 수록 저하한다. 또, 각 수요가의 부하양은 계절과 시각에 따라 항상 변하고 있다. 이에 따라 동일한 배전선에서도 공급되는 전압은 계절, 시각, 장소에 따라 각각 다르다.이 같은 조건에 따르지 않고 공급되는 전압이 항상 적정전압 범위 내에 유지되도록 <그림 1>을 참조하여 주로 아래의 방법으로 배전선 전압의 조정·관리가 행해지고 있다.
 (1) 배전용 변전소의 변압기 콘센트 제어로 송출전압 조정일반적으로 배전용 변전소의 주변압기는 복수의 고압배전선에 일괄해서 전력을 공급하고, 배전선의 부하상황에 따라 동변압기의 콘센트를 제어하고, 송출전압을 일괄적으로 조정하고 있다. 구체적으로 다음과 같은 방식이 이용된다.(ⅰ) 선로전압 강하보상기 방식(LDC방식 : Line voltage Drop Compensator 방식)배전용 변전소의 변압기를 통과하는 전류의 크기에 따라 송출전압을 자동적으로 제어하는 방식. 예를 들면 변압기를 흐르는 전류가 큰 경우는 배전선의 전압강하기 커진다고 간주되고, 그것을 보상하듯 송출전압을 증가시킨다.(ⅱ) 타임스케쥴 방식(프로그램 컨트롤 방식)배전선 전체를 하루 부하 패턴으로 미리 시각별로 송출전압을 프로그래밍하여 이것을 기초로 콘센트를 자동적으로 전환, 송출전압을 제어하는 방식.(2) 배전선로에서 전압조정(ⅰ) 자동전압조정기(SVR : Step Voltage Regulator)선로고장이 긴 경우 등 전압강하가 큰 고압배전선에는 선로도중에 단선변압기와 콘센트 전환 기구로 구성되는 자동전압조정기(SVR)를 설치하고, 선로 말단측 공급전압을 유지하고 있다. 부하측(선로 말단측) 전압과 통과전류를 감시하고, 이 값에 따라 콘센트를 자동적으로 전환, 전압을 제어한다.(ⅱ) 주상변압기로 전압조정고압배전선 전압강하를 감안하여 저압수요가에 공급되는 전압이 적정 전압범위내가 되도록 각각의 주상변압기에 콘센트조정을 행하고 있다. 콘센트 설정은 통상적으로 주상변압기 설치시에 수동으로 한다.2. 분산형전원 도입에 따른 영향과 대책(1) 전압 적정범위에서 일탈(ⅰ) 문제점배전선에 분산형전원이 도입되어 잉여전력 등을 배전선에 흘려넣고, 소위 역조류가 발생하면 배전선의 임피던스에 의해 일반적으로 배전선 전압이 상승하고, 규정되어 있는 공급전압의 상한치(=100V계에서 107V, 200V계에서 222V)를 일탈할 가능성이 있다. 또 현상의 분산형전원에는 전술한‘전력품질확보에 관련된 계통연계기술요건 가이드라인’에 따라 연계점에 전압이 상한에 달한 경우, 진상무효전력의 조정 또는 출력전력을 내는 것으로 일탈을 방지하지만, 대량도입으로 전압상승이 현저해지면 경우에 따라서는 출력전력의 좁힘으로 큰 에너지 손실을 초래할 가능성도 생긴다.또한 대량 도입시에는 배전선 전압분포와 조류분포가 크게 변화함으로 아래와 같은 종래 전압관리법이 적용할 수 없는 가능성이 있다.① 배전용변전소의 송출전압제어에 관련된 문제변전소 변압기에 LDC 방식을 채용할 경우는 변압기에 접속하고 있는 일부 배전선의 분산형전원이 도입되어 그 배전선용 전압이 상승하는 듯한 경우가 생기면 전부 배전선의 전압을 적정범위 내에 제어하는 것이 어려운 경우가 상정된다. 예를 들면 <그림 2>에 나타난 것 같이 분산형전원이 도입되고 있는 배전선에서 전압상한일탈을 억제하기 위해 변전소변압기 송출전압을 저하시키면 경우에 따라서는 분산형전원의 도입이 없는 배전선 전압이 너무 내려가 역으로 전압이 하한한다. 이 결과 분산형전원의 도입상태에 따라서는 모든 배선전압을 적정범위에서 유지하는 것이 어렵다.
 ② SVR에 따른 전압조정에 걸친 문제배전계통에는 필요에 따라 배전선 루트를 전환, 소위 계통전환을 하고 통상시와 사고시의 융통을 행하고 있다. 이에 따라 선로도중에 SVR을 설치하는 경우는 SVR을 통과하는 조류의 방향이 역전하는 경우가 있다. 이에 대응하기 위한 역송고정 콘센트형 SVR, 및 역송대응형 SVR은 콘센트가 훤히 보이는 상태로 고정된다. 또 역송대응형 SVR은 지금까지 변전소측이 부하측에 전환한 것으로 간주, 새로운 부하측의 전압을 조정하도록 제어를 변경한다.이 SVR에서 계통전환이 아니라 분산형전원에 의한 역조류가 발생하면 역송고정 콘센트형 SVR은 콘센트가 고정되어버리기 때문에 이후 부하측(=분산형전원측)의 전압조정이 불가능하게 되어 전압의 상한일탈이 된다. 또 역송대응형 SVR은 결과로써 변전소측 전압의 제어를 행하려는 콘센트변경이 행해지지만 변전소측 전압은 변압기 송출 전압으로 고정되기 때문에 콘센트가 최상단 또는 최하단까지 달하는 등의 부정동작에 빠지고, 전압이 적정범위에서 일탈하는 경우가 생각된다.(ⅱ) 대책기술분산형전원의 역조류 등에 따른 전압적정범위 일탈 대책기술로써 전술한 대로 현상은 분산형전원이 연계점전압을 감시하고, 적정범위를 일탈하는 경향이 있는 경우는 진상무효전력제어기능 또는 출력제한기능으로 전압을 조정하는 방식이 이용된다. 단지 분산형전원의 대량연계시는 경우에 따라서는 분산형전원 출력이 크게 제한되어 에너지 유효이용 면에서 문제가 될 가능성이 있다. 또 각각의 분산형전원이 연계점전압을 적정범위(상한치)에 제어했다고 해도 연계운전에 따라 배전선 전역에서 전압이 상승하는 경향이 되기 때문에 변전소에서 원방 지점에 주상변압기의 변압비가 작게 설정되어 경부하시에 저압계통전압이 비교적 높아지는 구간 등 분산형전원이 연계되지 않는 지점에 전압이 상한을 벗어나는 경우도 있다.분산형전원 자체 이외의 대책기술로써는 배전선의 증강(태선화 등), 자려식 또는 타여식에 따른 무효전력 보상장치(SVC) 설치, 전압감시에 따른 자율제어기능이 붙은 병렬 리액터(SR)와 병렬 콘덴서(SC)의 설치 등을 들 수 있어 각각의 상황에서 요구되는 기능과 경제성에 기초하여 선정된다. 또한 분산형전원측의 대책으로써 최근에 축전지를 병설하고 잉여전력이 생긴 경우, 일단 축전지에 쌓인 역조류를 제어하는 방식의 개발이 진행된다.SVR에 관련된 문제에 대해서는 상기의 역송대응형을 바탕으로 SVR 콘센트 전화시의 1차측, 2차측의 전압변화량을 비교하는 것으로 변전소의 방향을 판단하고, 전압을 제어하는 방향을 정해‘분산형전원 대응형 SVR’이 개발되고 있다.(2) 전압변동의 발생(단시간변동)(ⅰ) 문제점태양광발전과 풍력발전 등 자연에너지 발전에는 일사강도와 풍속변화에 따라 출력이 급변하는 경우가 있다. 또 낙뢰 등으로 순시 전압저하가 발생 할 때와 계통전환 등으로 전압위상이 급변한 경우에 분산형전원에 장비되어 있는 단독운전 검출기능 등의 불필요 동작이 생기고, 분산형전원이 일제히 해열된다. <표 1>에 일례로 태양광발전용 인버터와 동기발전기의 계통과도변화시의 운전특성에 관한 시험결과를 나타낸다. 현상은 특히 인버터 전원이 불요 정지하기 쉬운 것을 알았다.이상과 같이 분산형전원 출력급변과 일제 탈락으로 대량 도입시에는 배전선전압과 전류의 급변을 부르게 된다.이 같은 전압·전류의 급변에 따른 문제점으로써 특히 SVR과 변전소 LDC에 의한 배전선 전압이 제어되는 경우에 이 기기의 제어가 늦어짐으로 인해 일시적으로 전압이 적정범위에서 일탈하는 경우가 있다. 즉, 이 전압제어기기는 기기적 수명의 저하에 연결되는 빈번한 동작의 반복을 피하기 위해 일반적으로 수십초∼1분정도의 동작시한을 갖고 있지만 배전선 전압이 급변한 경우, 이 콘센트 동작의 지연에 따라 일시적으로 전압이 적정범위에서 일탈할 가능성이 있다.이상 외에 풍력발전 연계시의 문제로서 바구니형 풍력유도발전기를 계통으로 병입하는 경우, 계통병렬시 돌입전류에 따라 순시 전압저하가 발생하고, 부하기기의 정지와 오동작 등의 피해를 초래할 우려가 있다. 또, 풍력발전기에는 상시 풍력변동 및 타워 새도우 효과(Tower Shadow Effect) 등에 따라 전압 프릿카가 발생하고, 조명의 깜박임과 부하기기의 오동작 등의 장해를 일으킬 가능성이 있다.(ⅱ) 대책기술이상의 분산형전원의 출력급변 등으로 함께한 과도적인 전압변동에 대한 대책으로써는 분산형전원측에는 가변속타입의 풍력발전의 설치와 축전지병설에 따른 출력급변의 영향을 완화하는 방식을 들 수 있어 실용화 또는 실용화를 향한 연구개발이 진행되고 있다. 이 외에는 배전선 또는 분산형전원 병설로 전술한 고속응답형(응답속도 0.1초 이하)의 SVC 적용을 들 수 있다. <그림 3>에는 일례로써 분산형전원이 일제 탈락한 경우의 SVR 동작이 늦은 보상에 관한 실증 시험결과를 나타낸다. SVC가 없을 경우는 SVR의 동작느림에 의해 선로단말측에서 20초 정도의 전압하한 일탈이 발생하지만 SVC를 별설함으로 적정범위에서 유지되는 것을 알았다. 또한 SVC에 의한 SVR의 동작느림을 보상하는 경우에는 쌍방의 동작하는 값에 차이를 가는 등으로 SVC가 전압을 적정범위에 유지하는 사이에 SVR은 콘센트를 적정값까지 변화시켜 최종적으로는 다시 SVR에 전압이 제어되듯이 쌍방의 동작에 협조성을 가질 필요가 있다.
 기술 개발동향장래 분산형전원 대량 도입시에 대응하기 위한 새로운 계통기술에 관한 대표적인 개발사례로써 (재)전력츄오연구소는‘수요지계통’을 제안하고, 실증연구를 진행하고 있다.당 연구에 관련해서 2004년도부터 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO기술개발기구)에서 ‘전력네트워크 기술실증연구’를 수탁하고, 4년 계획으로 역조류 등에 따른 배전계통의 전압변동을 제어하기 위한 기술개발을 진행하고 있다.이 연구는 분산형전원이 배전선에 대량으로 연계된 경우에 발생하는 전압의 적정범위 일탈과 전압변동을 억제하기 위한 기술개발에 초점을 맞춘 것으로 현상의 방사상배전계통 및 장래의 루프 배전계통을 대상으로 각각에 적용된 전압적정화 계통제어기기, 또한 당기기의 제어방식을 개발·실증하는 것을 목적으로 한다.1. 현재 갖고 있는 계통제어기기의 집중제어방식 개발전술한 대로 현상의 배전선의 전압제어 기기로써 SVR 및 SVC가 실용화되고 있지만 이것은 어느 것도 자신의 계통접속점의 전압을 감시하면서 동지점의 전압이 항상 적정범위에 어울리도록 제어하는 속은 자단제어를 행하고 있다. 그러나 다수의 분산형전원이 도입된 경우 자단제어는 배전선 전체에 걸쳐 적정범위에 맞추는 경우기 불가능한 경우가 상정된다. 또 복수의 계통 제어기기를 설치한 경우, 상호 간섭으로 전체 동작이 불안정하거나 제어량에 편중이 생겨 운용에 지장을 가져올 경우도 상정된다.여기서 이 연구는 통신 적용을 생각해, 복수의 전압센서를 배전선에 설치하고, 배전선 전역에 걸쳐 전압을 감시하고, 배전선 전압이 항상 적정범위에 들도록 각 계통제어기기를 차례대로 제어하는 집중제어방식에 대해 실증검토를 진행하고 있다.2. 배전선 루프용 수급 밸런스 컨트롤의 개발1항의 개발방식은 현상의 방사상의 배전계통을 대상으로 한 단기적인 대책으로써 자리매김한다. 한편 보다 대량의 분산형전원의 도입에 대응하는 장래기술로써 <그림 4>에 나타나듯이 2대의 자여식 변환장치로 구성된 BTB형의‘배전선 루프용 수급 밸런스 컨트롤러(LBC)’에 따른 2개의 배전선 말단 등을 루프상에 상시접속하고, 배전선간의 유효전력조류와 각배전선의 전압-무효전력의 제어를 동시에 행하는 방식을 제안한다. 예를 들면 <그림 4>와 같이 일방 배전선에 분산형전원이 대량으로 연계되어 역조류에 따른 배전선의 전압이 상승하는 경우, LBC를 껴서 다른 한쪽의 배전선에 역조류분의 일부를 흘리는 것으로 전압상승을 제어한다. LBC의 적용으로 배전선전압과 조류의 능동적 제어 외에 배전선간에 전압과 위상이 다른 경우도 루프구성이 가능함과 함께 루프계통의 문제점인 한쪽의 배전선에서 사고가 발생한 경우의 다른 한쪽의 배전선으로의 파급(정전구간의 확대)을 방지할 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 이 제안에 따라 실규모 스케일(500kVA∼1000kVA)의 LBC 실증기의 개발과 1항의 현재 갖는 제어기기와의 조합을 포함한 LBC집중제어 방식의 검토를 진행하고 있다.
 최종적으로는 실증시험 및 시뮬레이션 해석으로 비용대 효과를 고려해 넣고, 배전선 고장 등의 배전선 형태와 분산형전원의 도입량에 응한 각각의 최적 제어방식을 확실히 하는 계획이다. 또한 각 실증시험은 당소적역시험센터의 실규모 스케일의 분산형전원 계통연계 시험설비인‘수요지계통 하이브리드 실험설비’에 따른 진행하고 있다.결론전압의 적정범위에서 일탈 등의 각종 문제점에 대해서는 분산형전원측에 우선 대책을 시행하는 것이 기본이여서 전압상승제어에 따라 출력의 현저한 저하를 부르는 등 대량 도입시에는 과잉부담이 되는 것도 생각할 수 있다. 따라서 앞으로는 SVC와 LBC 등 배전선측의 일괄된 대책의 필요성도 보다 높아진다. 전체적으로 비용과 에너지 손실을 평가하면서 출력품질유지를 위한 분산형전원측, 배전선측 쌍방의 적절한 역할 분담에 대해 명확히 하는 것이 앞으로의 과제다.
<Energy News>
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