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분산형 전원의 계통연계
2007년 9월 5일 (수) 21:07:00 |   지면 발행 ( 2007년 8월호 - 전체 보기 )

서론 태양광과 풍력발전을 비롯한 분산형 전원은 에너지·환경문제에 대한 대응책으로써 재생가능 에너지 이용과 같은 사회요구를 배경으로 계통 연계량이 앞으로 증가할 것이라고 예상된다. 분산형 전원의 계통연계는 ‘전력품질 확보에 관련된 계통연계기술요건 가이드라인’에 따라 출력변동에 의한 전압변동의 억제와 고주파 전류의 유출억제 등의 전력품질유지가 필요하다. 또 분산형 전원의 출력 안정화용·에너지 매니지먼트용과 같은 목적으로 도입된 제2차 전지 등의 전력저장장치도 앞의 가이드라인의 적용범위에 포함되기 때문에 계통연계에 있어서 분산형 전원과 같은 취급이 필요하다. 이런 분산형 전원의 계통연계를 가이드라인에 따라 원활하게 진행시켜나가기 위해서는 파워일렉트로닉스의 활용이 불가결하다. 또한 앞으로 분산형 전원의 증가를 고려하면 전력을 공급하는데 있어 안정·안전하게 확보하기 위한 파워일렉트로닉스의 역할은 점점 더 중요하게 된다.이러한 시점에서 이 장에서는 분산형 전원의 보급동향과 계통연계 시 과제, 계통연계 기술요건의 현상과 전망을 정리한 후, 파워일렉트로닉스를 이용한 분산형 전원의 계통연계기술을 도입자 측에서의 개별 대책과 정보통신망을 활용한 계통측과의 협조에 의한 종합대책으로 단계를 나누어 설명한다.분산형 전원의 보급동향과 계통연계 시 과제먼저 분산형 전원의 도입상황과 도입전망과 그 출력특성의 전력품질면에서의 대응 과제를 정리해본다.1. 태양광발전·풍력발전

향후 분산형 전원의 주류로 주목받고 있는 태양광발전과 풍력발전의 도입상황을 <그림 1>에 나타내었다. 2010년 도입전망은 종합자원 에너지 조사회 신에너지부회 보고서(2001년 6월)에 나타난 도입목표에 기초를 둔 것이다. 또 <표 1> 신에너지의 이용 목표량에는 종합자원 에너지 조사회 신에너지부회 RPS 법소위원회 보고서(2007년 3월)에 근거한 향후 도입 목표를 나타내었다.예를 들어 태양광발전의 2010년 도입 목표 482만kW는 이용률 12%로 계산해보면 연간 50.7억kWh이고, 이것이 <표 1>의 2010년 신에너지 전기 이용의 목표량의 총량인 122억kWh에 차지하는 태양광의 양과 같다고 해석할 수 있다.태양광발전은 <그림 2>처럼, 일사량과 구름의 움직임에 의해 출력이 크게 변하여 계통연계 시 전압변동의 원인이 된다. 한 가지의 전력 공급 범위 안에서 대량으로 연계된 경우, 어느 정도의 출력 평활화 효과는 기대할 수 있지만 연계량의 증대와 함께 전압안정화 대책을 필요로 하는 경우도 많아진다. 출력 평활화 효과는 구름을 원인으로 하는 변동의 경우, 주기성분에서 보아 단주기가 될 정도로 평활화 효과도 크게 될 것이라고 추정하고 있지만, 아직까지 정량적인 분석이 이루어진 예가 없어서 앞으로의 진행이 기대된다. 또 대량 도입 시, 일제 해열시의 전압과 주파수의 영향도 문제가 되므로, 불필요한 일제 해열 방지대책에 관한 검토도 중요하다. 풍력발전도 풍속변동에 의한 출력변동의 큰 전원으로, 태양광발전과 같이 도입량도 크게 늘고 있기 때문에 평상시의 전압변동과 일제 해열 시 전압·고주파변동에 대한 대책이 필요하게 되었다. 풍력발전의 출력변동은 가장 빠른 변동성분으로 10초 정도에 100%의 출력변동을 발생시킨다는 분석결과가 있다. 단지 와인드 팜(wind farm:풍력발전지역) 등 여러 대가 설치된 풍력 기지에서는 출력의 평활화 효과에 의한 전압변동의 완화도 기대할 수 있다.

2. 코제너레이션(co-generation)현재 분산형 전원의 주류는 코제너레이션으로 그 도입상황을 <그림 3>에 나타내었다. 코제너레이션 시스템은 수요가 내의 전력 및 열부하와 합쳐 정격출력에서의 시간 패턴 운전을 행하는 것이 일반적이고, 상시운전에서는 출력변동이 발생하지 않는다. 도입량이 늘어남에 따라 기동·정지시 전압변동과 일제 해열의 문제가 염려되지만, 기동·정지시 출력변동은 비교적 늦고, 인버터와 비교해서 일제 해열도 발생하지 않는다는 특성을 가진다. 이런 이유로 회전기 코제너레이션은 전력 품질상의 문제는 거의 없지만 보안성의 문제가 주가 된다.

계통연계기술요건의 현상과 전망분산형 전원의 계통연계기술을 논하기 전에, 먼저 그 기본적인 틀을 제공하는 계통연계기술요건에 대한 현상과 전망을 개관해보자.분산형 전원의 계통연계에 대한 검토과제는 <표 2>에 정리되어 있다.이 표는 전력계통 측의 요구에 대응하여 마련된 분산형 전원 측의 대책을 모아둔 ‘계통연계기술요건 가이드라인’(이하 구 가이드라인)으로, 그 목적은 분산형 전원의 계통연계를 가능하게 하기 위해 필요한 기술요건의 투명성, 공평성의 확보에 있다. ‘구 가이드라인’의 정비 과정을 <표 3>으로 나타내었다. 이것은 2004년 10월 개정에서 ‘보안에 관한 사항’과 ‘품질에 관한 사항’으로 정리되어, 전자는 ‘전기설비 기술기준의 해석’, 후자는 ‘전력품질확보에 관한 계통연계기술요건 가이드라인’(이하 신 가이드라인)으로 공표됨에 따라 ‘구 가이드라인’은 폐지되었다. 그리고 ‘구 가이드라인’을 축으로 원활한 연계협의와 계통의 건전성 확보, 분산형 전원의 도입추진을 진행시켜나가기 위한 민간자주규격인 ‘분산형 전원계통연계 기술지침’이 책정되어 있었지만, ‘구 가이드라인’이 폐지되면서 2006년 6월 ‘계통연계규정’으로 변경되었다.‘신 가이드라인’의 전력품질에 관계된 요건에는 역율, 전압변동, 불요해열(不要解列)의 방지, 자동부하제한, 역조류의 제한, 단독운전 시 적정전압·주파수의 유지 등의 항목이 포함된다. 이 중 전압변동에서 배전선(저압, 고압) 연계의 경우, 저압수요가단에서 101±6V 이내와 202±20V 이내로, 또 특별고압전선로 연계의 경우에는 발전설비의 연계에서 기원하는 전압변동을 대략 2% 이내로 억제하는 것이 요구되고 있다. 그리고 고주파는 1997년 이후 ‘구 가이드라인’에서 분리된 후 정비되었고, 분산형 전원연계에 대해서는 ‘계통연계규정’에 고주파 유출전류를 종합 왜율(歪率) 5%, 각차(各次) 전류 왜율 3%이하로 보는 것이 바람직하다고 기록되어 있다.이상과 같이 가이드라인, 규정류(規定類)는 분산형 전원의 계통연계안건에 대응할 수 있도록 정비되어 있어, 앞으로도 이것을 기본으로 둘 것이라는 것은 변함이 없다. 하지만 앞으로 분산형 전원이 대량으로 도입된 경우를 생각하면, 전압관리 등의 운용면에서 현재의 가이드라인, 규정만으로는 충분히 대응하지 못하는 상황도 생길 수 있기 때문에, 그 때에는 추가사항을 덧붙여야 하겠다. 파워일렉트로닉스를 이용한 계통연계기술이번에는 전력품질요구를 만족시키기 위해 각각의 분산형 전원으로 얻을 수 있는 파워일렉트로닉스를 활용한 계통연계기술을 전력품질항목별로 소개한다. 구체적인 예로써 전력품질면에서의 태양광발전과 풍력발전의 계통연계기술을 채택하였고, 전력품질조정을 위한 파워일렉트로닉스 이용방법과 그 효과에 대해 기술한다.1. 전압변동대책먼저 풍력발전연계에 관련된 전압변동대책에 대해 소개한다. 파워일렉트로닉스를 적극적으로 활용하여 전압안정화를 모색하는 방법으로 2차여자방식(勵磁方式), 직류링크방식의 2가지가 있다.2차여자방식은 권선형 유도발전기의 회전자 권선을 교류여자(交流勵磁)하여 풍속변동에 의한 회전자 속도변동을 보상하고 유효전력, 무효전력을 여자용(勵磁用) 변환기 용량으로 정한 제어범위 내에서 조정 가능한 것이다. 이것으로 출력변동제어와 무효전력제어를 실현시킬 수 있기 때문에, 유도발전기를 직접교류 연계하는 방식과 비교하여 전압변동을 적게 억제할 수 있다. 전압안정화의 비용 대 효과가 우수하기 때문에 차츰 대용량 풍력발전기가 주류를 차지하고 있다.

직류링크방식은 동기발전기를 직류 BTB장치에 의한 교류계통으로 연계하는 방식이다. <그림 4>에 제어 개념 블록, <그림 5>에 교류링크방식과의 비교에 의한 출력변동제어효과를 나타내었다.

출력변동제어는 풍력발전기의 회전자 속도변동을 허용하여 이것을 에너지 축적요소로 실현하고 있다. 연계용 변환기에 의한 무효전력제어와 <그림 5>에 나타난 출력변동제어에 의해 전압안정화가 가능해진다. 직류링크방식은 풍력발전기와 같은 용량의 연계 변환기를 가지므로, 2차여자방식와 비교하여 무효전력제어폭이 크고 회전자 속도변동의 허용폭도 기본적으로는 교류연계인 2차여자방식보다 크다. 그 결과 2차여자방식보다도 높은 전압변동 제어효과를 얻을 수 있다.그리고 교류링크방식과 2차여자방식에서 전압변동제어효과를 충분히 얻을 수으로 풍력연계에 기원하는 전압변동만을 제어하도록 설계할 필요가 있다. 풍력출력 및 부하변동의 주파수 성분 분석에서 60초를 시정수(時定數)로 하는 리셋 회로 또는 이동평균연산에 의해 SVC/STATCOM는 보상해야 하는 비교적 빠른 변동성분을 유출하고 이것을 제어지령값으로 하여, 기설의 변압기 탭 제어에 영향을 주지 않고 적절한 제어분담을 실현할 수 있다. 이런 리셋 제어 또는 이동평균제어를 적용시킨 경우의 전압보상효과를 <그림 6>으로 나타내었다. 리셋 제어는 부하변동 경우일 때만 전압변동파형과 거의 같은 움직임을 하고 있어 풍력변동에 기원하는 전압성분만 보상되어 있음을 알 수 있다. 전압일정제어는 부하변동에 기원하는 장·주기성분까지 보상해버리기 때문에 SVC/STATCOM의 소요용량이 커지는 것에 대해 리셋 제어를 채용하는 것으로 보상기기 용량을 필요최소한으로 할 수 있다.

다음 태양광발전의 전압변동 대책으로, 가정용 전압연계의 경우 무효전력(역율)제어와 유효전력을 교류한 제어가 이용된다. 태양광발전의 경우, 전압변동제어가 필요한 것은 역조류에 의한 전압 상승 시이고, 무효전력제어는 전압의 상한(上限) 스레시홀드(threshold:한계)에 달한 시점에서 Q = 0부터 미리 설정된 무효전력설정값으로 변해 전압을 전하시키는 것이다. 하지만 리액턴스 분량이 작은 저압배전선에서는 무효전력제어만으로 충분히 전압제어효과를 얻을 수 없는 경우가 있어, 직접유효전력을 압축한 제어를 조합하여 실행시키는 방식으로 되어 있다. 또 고압배전선에 직접 연계된 대용량 태양광발전, 즉 메가솔라(Mega Solar)에는 자동전압조정기(AVR)를 채용할 수 있다.2. 라이드 쓰루(RIDE-Thru)성능 향상풍력발전에서는 와인드 팜 등 수십 MW이상에 달하는 비교적 용량이 큰 설비도 많고 일제탈락에 의한 계통영향도 염려된다. 이에 대응하기 위한 계통연계요건인 특별고압 연계 시 ‘불요해열 방지’로 인해, 연계된 계통 이외에서의 사고는 원칙으로 해열하지 않는다는 전망이다. 한편 국외의 계통 용량에 있어 풍력 도입량이 큰 지역은 계통연계규정(그리드 코드)에 풍력지근단의 계통사고에 대해서도 라이드 쓰루 성능의 향상이 보다 엄격하게 요구되는 경향이 있다. 한편 태양광발전에서는 저압연계 시 ‘불요해열 방지’로 대응하면 연계된 계통 외에서의 사고와 루프 절체 시 발생하는 순시 전압저하 등에 대해서 불필요한 해열을 방지하여 운전계속과 자동복귀를 가능하게 하는 것이 요구된다.3. 고주파 대책기본적으로 문제가 되는 것은 인버터 연계의 경우이고 태양광발전의 예로 PWM과 필터의 조합에 의해 ‘계통연계규정’의 요구를 만족시키고 있다. 파워일렉트로닉스를 활용한 차세대 전력 네트워크일본의 수요지 계통, 미국의 IntelliGrid와 GridWise, 유럽의 SmartGrids 등 몇 개의 차세대 전력 시스템의 구상이 국내외에서 제창되어 실생활에 이용하기 위한 연구개발이 진행되고 있다. 이런 시스템은 전력공급과 관련하여 미래의 전력에 대응하기 위한 광범위한 개념으로, 어느 것이든 분산형 전원 대량도입을 위한 대응책으로서 구상되고 있는데, 공통적으로 앞에서 짚어온 개별 대책만으로는 불충분할 것이라는 의식을 가지고 있다. 모든 시스템 구상에서 필수 요소는 정보통신 기술의 활용이고 센싱(sensing) 기술을 포함한 전력 시스템의 기능화가 그 핵이 되고 있다. 파워일렉트로닉스는 지능화에 의한 제어지령에 기초를 둔 전압, 전력조류 등을 조정하는 수단이지만, 그 위치부착에 있어서는 적극적인 활용을 전제할 것인가 안할 것인가 하는 것은 시스템 구성마다 다르다. 차세대 전력 시스템으로써의 파워일렉트로닉스 활용에 관하여 다음의 2단계로 생각해보는 것이 적절할 것이다.(1) 각 분산형 전원에 설치된 파워일렉트로닉스를 정보통신망으로 묶어 각각의 분산형 전원의 협조제어를 실현하여 합리적인 전력품질제어를 실행하는 레벨.(2) 계통 측에 필요 최소한의 파워일렉트로닉스 기기를 도입하여 정보통신망을 활용하여 각각의 분산형 전원과도 협조한 전력품질 제어를 실현하는 레벨.제 1단계의 파워일렉트로닉스 대응에는 주로 제어방식의 개발이 과제로 대두되며, 분산제어와 집중제어의 역할분담, 분산제어의 자립성 부여 등에 대한 적정화가 필요하다. 제 2단계는 분산형 전원의 중·장기적인 동향을 예측한 후, 네트워크용의 파워일렉트로닉스 기기 도입계획방법, 고효율·초소형 하드웨어와 제어방식을 개발하는 것이 과제가 된다. <그림 7>에 나타낸 수요지 계통의 구성개념은 이 2단계를 살펴본 것으로 배전계통을 직류 BTB장치(루프 컨트롤러)에 의해 루프 운용하여 분산형 전원 대량도입의 효율적인 대응을 실현한다.루프 컨트롤러 도입에 있어서 SVC, SVR과 배전용 변압기 탭과 같은 기설기기와의 조합을 고려하고, 수요와 분산형 전원연계의 장래 시나리오에 기초를 둔, 비용 대 효과를 최대화한 도입계획의 책정이 중요하다. 한편, 하드웨어 개발은 NEDO 프로젝트로 고효율·초소형 루프 컨트롤러의 개발이 진행되고 있다.

결말지금까지 살펴보았듯, 분산형 전원의 안전, 안정인 계통연계를 위하여 현재 파워일렉트로닉스의 활용이 불가결한 상황이 되고 있다. 점점 더 분산형 전원의 도입량이 많아지는 것을 고려하면 대책의 비용 대 효과 등에 중점을 둔 시스템적 시점에서의 최적응용에 대해서도 충분히 논의해야 할 필요가 있다.< 토막상식 >CSS(Credit Scoring System)개인의 신상, 직장, 자산, 신용, 금융기관거래정보 등을 종합평가해 대출여부를 결정해주는 자동 전산시스템. ‘개인대출평가 시스템’이라고도 불린다. 각각의 개인대출신청은 CSS심사결과에 따라 자동승인, 재심사대상, 승인거절 등으로 분류된다.

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2007년 8월호
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