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【신기술 1】 태양광, 풍력 재생에너지의 난제… 불안정한 출력제한

2022-12-22

태양광, 풍력 재생에너지의 난제… 불안정한 출력제한 스마트 인버터 평가 자동화 플랫폼 개발 재생에너지 산업의 성장세가 가파르다. 전력구성에서 태양광, 풍력은 비중이 커졌지만 재생에너지 전력계통의 높은 변동성과 불확실성은 최대 문제였다. 공급의 안정성을 높이는 기술개발이 중요한 시점에서 한국에너지기술연구원 연구진이 전력계통의 불안정성을 해소하고 재생에너지 수용률을 향상시킬 수 있도록 전력망과 출력제한 문제를 자율적으로 해결할 수 있는 패키지형 핵심기술을 개발했다. 전력계통의 품질향상과 우수한 성능으로 시장경쟁을 주도할 것으로 기대를 모으고 있다. 정리 정영주 기자 자료 한국에너지기술연구원 한국에너지기술연구원에 구축된 BMS/PMS/EMS 통합 제어시스템 알고리즘이 탑재된 250 kW/300 kWh 규모 실증 사이트 재생에너지의 활성화의 핵심, 스마트 인버터 기술 개발 2020년 기분으로 제주도 재생에너지 발전비중은 16.2 %이며, 출력제한이 77회 시행되었으며 지난해까지 총 225회의 출력제한이 진행됐다. 올해는 풍력뿐만 아니라 태양광도 출력제한을 하는 상황에 이르러 상반기에만 60회 출력제한이 있었다. 이러한 수급불균형으로 인한 전력망 부담은 제주도에서만 국한되는 것이 아니라 우리나라 전체의 문제였다. 한국에너지기술연구원 에너지ICT융합연구단 백종복 박사 연구진이 재생에너지 분산전원을 대상으로 강화된 국제 규정인 IEEE1547-2018과 IEEE-1547.1-202 01)을 만족시키는 미래형 분산전원용 스마트 인버터 2) 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 기술은 전력계통의 불안정성을 해소하고 재생에너지 수용률을 향상시킬 수 있도록 전력망과 동적으로 협력하고 자율적인 결정을 내려서 출력제한을 문제를 해결할 수 있는 패키지형 핵심기술이다. 재생에너지와 같은 분산전원 시스템은 전력변환장치인 인버터를 통해 전력 계통에 연결된다. 기후 상황에 의존할 수밖에 없는 재생에너지는 소비량에 비해 발전량이 클 경우, 전압이나 주파수 변동 등 전력 품질 문제로 계통 안정성에 영향을 미쳤다. 기존의 인버터는 불시에 전압이 낮아지면 설비 보호를 위해 모든 설비를 계통에서 분리하는 수동적인 대응만이 가능했다. 하지만 스마트 인버터는 계통 연계 기능을 통해 분산전원의 간헐성과 변동성에 응답하며 안정성과 복원성을 강화해 전력 품질을 향상시킬 수 있다. 이 향상된 기능은 미국과 해외에서는 전력계통의 수급 안정성 증대를 위해 스마트 인버터의 계통 지원 기능 보유 의무화를 추진하고 있으며, 전력 시스템의 품질 보장을 위한 IEEE-1547과 같은 국제표준 개정으로 분산전원 계통 연계기준 또한 강화되고 있다. 기술의 구성도 분산전원용 스마트 인버터 기술의 핵심 개념도 기능성과 상호 운용성 모두 갖춘 다양한 분산전원용 스마트 인버터 기술 분산전원용 스마트 인버터 기술은 태양광, 에너지저장장치, 연료전지 등 다양한 분산전원이 IEEE 1547-2018의 계통연계 규정에서 요구하는 기능성(Functionality)과 상호운용성(Interoparability)을 모두 만족시키는 기술이다. 이 기술은 전압-유효전력 제어기능(Volt-Watt), 전압-무효전력 제어기능, 주파수-유효전력 제어기능(Frequency-Watt)으로 전력계통의 전압과 주파수를 유지해 안정적인 계통 공급을 지원한다. 라이드스루(Ride-through) 기능은 계통 이상 시, 계통과 분산전원의 연계유지 또는 분리하는 기능을 제공해 계통연계 규정을 만족시켰다. 이와 함께, 모든 제어 알고리즘을 모듈화해 계통 상황과 조건에 따라 다양한 알고리즘의 동시적용이 가능하다. 또한 연구진은 IEEE 1547-2018 규정에서 요구하는 상호운용성을 위해 규정된 통신 프로토콜인 SunSpec Modbus를 탑재해 상위에서 원격으로 스마트 인버터의 다양한 알고리즘을 위한 매개변수를 설정 할 수 있도록 했다. 분산전원용 스마트 인버터 기술의 PHILS 플랫폼 이 외에도 변동성 재생에너지와 연계 시, 재생에너지 출력 평탄화(Smoothing)와 램프율(Ramp rata) 제어 기능은 재생에너지의 극심한 간헐성 및 출력 변동성 완화시킬 수 있어 문제가 되고 있는 재생에너지 출력제한과 접속 한계용량 문제에 대한 해결책이 될 수 있다. 무엇보다 국내에서도 보조서비스 시장이 열릴 경우 발전사업자들에게는 다기능 운전을 통해 추가적인 수익모델을 기대할 수도 있어 경제성이 더욱 향상될 것으로 예상된다. 기술의 주요 내용 및 특징 높은 재생에너지 수용률에 대응하기 위한 신뢰성 및 전력품질 요구 기준을 만족시킬 수 있는 고급 제어 기능을 포함한다. 계통 및 재생에너지 발전 상황에 유연하게 대응할 수 있는 최적의 제어기술을 포함한다. 수용가, 배전 및 발전 분야 등에서 다양한 서비스 제공을 통한 경제성을 확보했다. 또한 분산자원 상호 운용성 지원과 강화된 계통 연계 국제 규정을 만족한다. 기존 기술 대비 차별성은 스마트 인버터 계통 연계하여 국제규정을 갖췄다. 분산자원 수용률에 따라 계통 연계 및 원격 관리 제약과 단순 모니터링을 했다면 신기술은 재생에너지 수급의 불안정성을 보완하기 위해 고급운영 모듈을 포함하여 경제성을 확보하고, 파라미터 변경 등 원격 제어 기능을 포함해 기술력이 향상되었다.［표1］ 스마트 인버터 검증 위한 평가 자동화 플랫폼 개발 및 실증완료 또한 연구진은 IEEE Std 1547.1-2020에서 규정하는 검증 절차에 따라 개발한 스마트 인버터를 검증하기 위한 평가 자동화 플랫폼을 개발했다. 이를 통해 스마트 인버터 기술이 탑재된 인버터를 시험하고 평가해 신뢰성을 확보했으며 에너지연 본원에 스마트 인버터 기술이 탑재된 300 kWh/250 kW급 실증설비를 구축해 실증 결과도 확보했다. 제어기 및 모든 설비를 하드웨어로 구축한 PHILS 플랫폼 구성 실험 및 실증 데이터 재생에너지 발전원의 수용률 증가에 따른 계통의 전압 및 주파수 불안정성 문제 해결을 위한 분산전원용 스마트 인버터 기술이다. 재생에너지 발전원을 대상으로 한 강화된 계통 연계 규정인 IEEE1547-2018 및 IEEE1547.1-2020 규격 및 조건을 대응하기 위한 기술로 HILS (Hardware-in-the Loop Simulation) 기반 검증을 통해 보다 높은 신뢰성과 안정성을 확보했다. 이 기술은 TRL 6 단계의 기술 성숙도 확보를 통해 파일롯 규모 시작품(실증) 제작 및 성능 평가가 완료 단계이다. 이 기술의 응용분야와 적용제품도 다양하다.[표 2] 하드웨어 테스트 결과 고급 제어 기술을 포함하는 인버터를 에너지 산업 분야 공급을 통해 재생에너지 수용률 발전비중 100 % 이상 향상 시킬 수 있다. 수용가, 배전망 분야뿐만 아니라 대규모 재생에너지 발전 분야 등에서 다기능 서비스 제공이 가능한 올인원(All-in-one) 솔루션 보급을 통한 재생에너지, ESS(Energy Storage System,에너지 저장 시스템) 등의 경제성을 크게 개선할 것으로 기대한다. 연구책임자 백종복 박사는 “스마트 인버터 핵심기술은 강화된 계통연계 규정을 만족하고 상호 운용성을 지원하는 기술로 전력 계통 품질향상, 발전단가 저감, 재생에너지 수용률 향상, 계통사고 사전 대비가 가능하고, 기존 제품 대비 우수한 성능으로 시장경쟁을 주도할 수 있을 것으로 기대 된다”고 말했다. 적용제품 이미지 1)IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 전기전자공학자협회) 전기전자공학 전문가들의 국제조직. 전력시스템과 분산자원의 상호 접속을 위한 요구조건으로 IEEE-1547 표준을 제작하고 지속적으로 업데이트하고 있다. 2018에서는 전력시스템과 분산에너지 간의 상호연결과 상호 운용성에 대한 기술사양 및 테스트에 대한 표준을, 2020에서는 해당 표준을 구체적으로 실험하고 검증할 수 있도록 규정화했다. 2)스마트 인버터 계통의 전압 및 주파수 변동과 같은 위기상황 발생 시, 정해진 기능에 따라 능동적으로 대응할 수 있는 전력변환설비이다. < Energy News >