이 원고는 일본《電氣評걩》誌에서 번역 전재한 것입니다.

독립행정법인 산업기술종합연구 소곤도준지(近藤潤次)
번역 · 정리 전화영 기자

자연 에너지를 이용한 발전은 지구온난화 방지와 에너지 자급률 향상에 효과가 있다. 그러나 최근 많은 나라에서 도전적으로 도입 목표를 내걸고 있는 태양광, 풍력발전을 전력 시스템에 대량으로 연계할 경우, 여러 문제가 야기될 수 있다.

풍력발전과 수급 균형 | 풍력발전은 발전 출력이 전력 수요에 관계없이 풍속에 따라 결정되는 특징이 있다. 특히 심야 경부하 시간대에 풍력발전이 필요이상으로 발전하면, 전력 계통 내 출력 조정이 가능한 다른 발전 플랜트를 최저 출력으로 운전한다 하더라도 여전히 발전이 소비를 웃도는 현상이 발생한다. 또한, 풍속 변화에 따라 풍력발전의 발전 출력이 거버너 프리Governor free 운전이나 부하 주파수를 제어하는 조정력 발전 플랜트의 총 가변 용량 폭을 초과해 급변하면, 전력 계통 전체의 수급 균형이 무너져 계통 주파수가 허용 변동 범위를 벗어난다.
미국과 유럽의 여러 나라에서는 견고한 연계선을 활용한 광역 단위의 수급 및 주파수 조정이나, 풍력발전의 출력 예측을 적용해 풍력발전 출력의 제어 불가성 · 불규칙성 · 간헐성 등의 문제를 적극 보완해 그 결과로 풍력발전 도입을 추진하고 있다. 일본에서는 지역 간 이용 가능한 연계선 용량이 적은 것도 있어 미국과 유럽에 비해 전체 발전 설비에서 풍력발전이 차지하는 비율이 낮다. 그럼에도 이미 일부 지역에서는 풍력발전의 신규 도입을 제한하고, 야간해렬이나 축전지 설비를 함께 설치할 것을 요구한다. 그러나 풍력발전 사업자 입장에서 해렬은 가동률 저하에 따른 세입歲入저하를 가져온다. 또한 현재는 축전지 설비가 상당한 고가인 동시에 충방전 손실로 에너지의20~30%가손실되는단점이있다.

태양광발전과 전압 상승 | 태양광발전은 2008년 7월 일본 내각 회의에서 결정된 '저탄소 사회 만들기 행동 계획'에서 2030년도 53GW 도입이라는 높은 목표를 세웠다. 현재 보급 중인 태양광발전 시스템의 대부분은 일반 가정의 지붕에 설치한 태양광 패널로 발전하며, 파워 컨디셔너를 통해 저압 배전 계통에 연계해 사용하는 소용량 분산형 전원이다. ' 메가 솔라'라고 불리는, 문자 그대로 ㎿급 대규모 태양광발전이 도입되고 있긴 하나, 앞으로도 소용량 분산형 전원의 보급이 높은 비율을 차지할 것으로 보인다.
그러나 배전 계통에 분산형 전원을 대량으로 도입하면 분산형 전원의 역조류로 일어나는 배전 계통의 전압 상승에 대한 대처가 필요하다. 대처법으로 SVR 설치, SVC 설치, 부하 시 탭Tap 변환 주상 변압기 채용 등이 있지만, 모두 비용 부담이 크다.

수요가 기기의 유효 이용 | 현재는 수요 측인 수요가가 자유롭게 전력을 소비하고, 여기에 지장이 없도록 공급 측인 일반 전기사업자가 전력 시스템을 일원적으로 관리 · 운용하는 것이 원칙이다. 그러나 태양광, 풍력발전의 계통 가능량을 늘려 나가기 위해 기존처럼 공급 측에서만 대책을 마련한다면 막대한 설비 투자가 필요하다. 이에 산업기술종합연구소에서 전력 시스템의 안정 운용을 위해 수요가 기기를 효과적으로 제어하는 기술을 연구 중이다. 구체적으로 ① 풍력발전 대량 도입 시 수급 균형을 유지하는 방법으로 에너지 버퍼Buffer를 지닌 부하의 소비 전력을 제어 ② 태양광발전 대량 도입 시 배전 선로의 전압 상승을 억제하는 방법으로 수요가가 소유하는 태양광발전용 파워 컨디셔너의 무효 전력을 협조 제어하는 것 등을 연구한다. 이들 방법으로 태양광 · 풍력발전의 연계 가능량을 늘릴 수 있다는 시험계산 결과를 얻었기에 소개한다.

부하 제어로 풍력발전의 연계 가능량 증대

부하로 계통 주파수 조정｜현재 화력발전이나 댐을 이용한 수력발전 등 출력 조정이 가능한 발전 플랜트가 조정력을 담당한다. 그러나 계통 주파수가 높을 때는 부하의 소비 전력을 늘리고 낮을 때는 줄임으로써 부하도 조정력으로서 기능을 수행할 수 있다(<그림 1> 참조). 부하가 주파수 조정을 위해 소비 전력을 상시 조정하려면 부하 스스로가 주파수를 계측하고 판단해 소비 전력을 조정하든지(자율제어), 계통 운용자와 통신을 통해 빈번히(약 10초마다) 제어 지령을 받든지(직접 제어) 해야 한다. 따라서 부하를 조정력으로서 기능을 수행시키려면 주파수 계측 장치(자율 제어) 또는 통신 장치(직접제어), 소비 전력 제어 기구를 조합해야 한다. 다만 전력 저장과 달리, 부하는 열원 · 동력원 등 다른 용도로 사용하고자 수요가에서 구입해 설치하므로, 전력 저장보다 소액의 투자로 동일한 조정 기능을 제공할 가능성이 높다. 또한 부하의 소비 에너지는 부하의 용도상 원래 필요한 부분이며, 추가 손실은 거의 발생하지 않는다.

자율적 부하 제어는 1979년 매사추세츠공과대학의 F.C. Schweppe 교수가 특허를 출원했다. 유럽의 (소규모 독립 계통을 가진) 이도離島에서 채용돼 주파수 변동 억제 효과를 실증했다. 단, 이 제어법은 각 부하가 계측한 주파수만을 고려해 미리 할당한 주파수 역치閾値를 넘으면 ON · OFF하는 것으로, 부하 이용자의 편리성은 고려하지 않고 희생된다. 또한 소규모 독립 계통에서는 주파수 편차가 커 계측이 용이하고, 수요가 수가 조금이라 각각의 부하로 주파수 역치를 할당하는 것이 쉽다는 특수한 사정이 있다. 대규모 계통 적용을 위해 영국 본토에서 가정용 냉장고의 ON · OFF 제어를 상정한 연구가 있다. 각 냉장고의 컴프레서를 기동 · 정지하는 냉장고 안 온도 역치를 계통 주파수에 따라 0.5℃/0.1㎐의 비율로 변화시키는 방법이다. 냉장고안 온도는 냉장고마다 분산되므로, 계통 주파수의 증감에 대해 전체 냉장고의 총 소비 전력이 서서히 증감하는 것을 기대할 수 있다. 수치 해석으로 모델계통의 유효성을 정성적定性的으로 나타낼 뿐만 아니라 냉장고 300대를 배치해 주파수 조정의 공헌도를 평가하는 시험을 실시 중이다. 미국의 퍼스픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL)는 PLL 회로를 이용해 계통 주파수를 계측하는 Grid Friendly Appliance Controller를 개발해 전기온수기 50대와 의류 건조기 150대를 조합해 실증 시험을 했다. 단, 부하를 OFF 하는 주파수 역치는 59.95㎐로 고정, 복귀(ON)는 59.96㎐ 이상이 16초 이상 계속된 경우로 했으며, 이 상태에서는 상시 주파수 제어가 아닌 긴급 상황에 부하를 차단하는 용도다.
직접 제어는 미국 PJM 내에서 2006년부터 대규모 수요가를 대상으로 주파수 조정 · 순동 예비력 시장을 개시했으나 참가자가 아주 적다. 가전기기와 같은 소규모 부하의 경우, 현시점에서는 계통 운용자와 빈번하게 연락할 통신 수단이 없다. 그러나 스마트 그리드가 상용화되고 고속 통신 수단이 갖춰지면 현실 가능성은 높아진다.
부하 제어가 수요가에 받아들여지려면 부하 이용자의 편리성에 영향을 미치는 요소를 이용자가 허용하는 범위 내로 할 필요가 있다. 산업기술종합연구소에서는 열 에너지 버퍼를 가진 전기온수기(CO₂냉매 히트 펌프식 급유기 포함) · 공조기 · 냉장고의 전력 소비 패턴과, 전기 에너지 버퍼를 가진 전기자동차의 완속 충전 패턴에 있어 편리성을 보장하는 조절 방법을 고안했다. 전기온수기를 예로 들어 규정 시각(일례로 심야 전력 시간대가 끝나는 오전 7:00) 내에 탱크 안의 물을 설정 온도까지 끓인다고 가정하면, 그 시각 내에는 히터의 통전 패턴(ON · OFF의 회로와 타이밍)을 바꿔도 이용자는 편리하게 사용이 가능하다. 계통 주파수를 1초마다 분해능 0.01㎐ 이상으로 측정하는 계측 기능과, 편리성을 보장하는 제어 방법을 갖춘 제어 보드를 작성하고, 이것을 조합한 전기온수기를 시험 제작했다(<그림 2> 참조). 이후 이 시험 제작기가 주파수 변동에 따라 자율적으로 히터의 ON · OFF를 제어해 오전 7:00 이전까지 설정 온도로 물을 끓이는 것을 확인했다. 자율적으로 주파수 조정이 가능한 전기온수기로 개조하는 데 드는 부품 비용은 최소 필요 부품만이면 5,000엔 미만이며, 제어 보드의 최적화 · 양산화가 이뤄지면 비용은 더욱 절감될 것으로 기대한다.

풍력발전 연계 가능량 평가 | 이 제어 방법으로 전기온수기군이 주파수를 조정한 경우, 풍력발전 연계가능량을 얼마만큼 늘릴 수 있는가에 대해 홋카이도지구를 해석 대상 구역으로 선정하고 수치 해석 평가를 했다. 구체적으로 풍속과 수요의 시계열時系列 데이터(단주기 변동 분은 인공적으로 합성)를 이용해 계통 전체의 수급 균형으로부터 주파수 변동을 계산하는 프로그램을 작성하고 풍력발전 도입량과 최대 주파수 변동 폭의 관계를 조사했다. (이는 홋카이도전력이 풍력발전 연계 가능량 평가에 이용하는 데이터, 프로그램과는 다르다.) 주파수를 조정하는 전기온수기에 대해 자율 제어를 하는 경우와 직접제어를 하는 경우 두 가지를 해석했다. 직접 제어의 경우 통신 환경에 따라 실현 가능한 제어 주기가 다르므로, 필요한 제어 주기를 구하기 위해 제어 주기를 8초, 16초, 24초, 32초 네 가지로 상정해 각각 해석했다. 자율 제어의 제어 주기는 2초로 했다.
해석에서 얻은 즉, 주파수를 조정하는 전기온수기의 수와 풍력발전 연계 가능량의 관계는 <그림 3>과 같다. <그림 3>을 살펴보면, 자율 제어와 제어 주기가 8초인 직접 제어의 경우 주파수를 조정하는 전기온수기의 수가 증가함에 따라 풍력발전 연계 가능량도 함께 증가해 주파수 조정이 효과적이다. 이 경우 전기온수기 17만 대가 주파수를 조정하면 풍력발전연계 가능량이 약 3배 늘어나는 결과를 얻었다. 그러나 제어 주기가 16초 이상인 경우 주파수를 조정하는 전기온수기를 얼마 이상 도입하면, 오히려 풍력발전 연계 가능량이 감소하기 시작했다. 이는 제어가 늦을수록 수급 균형에 소요를 일으키기 때문이다.

협조 제어로 태양광발전의 출력 억제 손실을 저감

전압 상승과 출력 억제 | 일본 전기사업법에서 규정한, 저압 수요가 전압을 표준 전압 100V에 대해서는 101±6V, 표준 전압 200V에 대해서는 202±20V 라는 전압 범위는 발전 설비 등을 저압 배전 계통에 연계할 때도 유지해야 한다. 일본의 일반적인 태양광발전용 파워 컨디셔너는 연계점 전압이 규정 상한치를 벗어나 상승하지 않도록 먼저 무효 전력을 제어한다. 그러나 그럼에도 전압 상승을 억제할 수 없는 경우에는, 일사량이 충분하더라도 발전 출력(유효 전력)을 한정해 연계점 전압을 규정 범위 이하로 유지하는 '출력 억제 제어'를 실행한다. 어떤 시각에서의 출력 억제 제어 시 출력 전력과 그 시각 일사량에서 발전 가능한 최대 출력의 차이를 '출력 억제 손실'이라고 한다. 소용량 태양광발전 시스템을 배전 계통에 대량 연계하면 역조류가 늘어나 전압이 상승하기 쉽다. 그렇게 되면 출력 억제 제어가 빈번히 발생해 시스템 효율을 떨어뜨릴 우려가 있다.

자단 제어와 협조 제어 | 기존 태양광발전용 파워컨디셔너는 자신의 연계점 전압만을 관측해 이 전압이 상한치를 넘어가려 하면 우선 진상進相운전으로 연계점 전압을 낮춘다. 역률이 설정 하한치에 이르더라도 전압이 상한치를 넘을 경우 그렇게 되지 않도록 발전 출력을 한정한다(자단 제어). 이 때문에 앞서 연계점 전압이 상한치에 이른 파워 컨디셔너가 출력을 억제하는데, 출력을 억제하지 않은 채 역률도 1로 운전을 계속하는 파워 컨디셔너가 같은 구역에 존재할 수도 있다. 이는 태양광 에너지를 유효하게 사용한다고 할 수 없다.
이부분에대해산업기술종합연구소에서는 파워컨디셔너군이 양방향 통신 기능을 보유하고, 전압 상승을 파워 컨디셔너군 전체의 무효 전력 조정으로 억제하는 협조 제어를 연구 중이다. 장치 구성은 <그림 4>와 같다. 각 주상 변압기에 저압 배전 계통 감시 제어장치를 설치해 고압 배전 계통 감시 제어 장치와 정보통신을 한다. 한편, 저압 배전 계통 감시 제어 장치는 자신의 주상 변압기 2차 측 저압 배전 계통에 연계하는 파워 컨디셔너와 정보 통신을 한다. 이와 같은 장치를 구성하려면 현재의 배전 계통에 감시 제어 장치나 통신 인프라를 설치하기 위한 막대한 투자가 필요하다. 그러나태양광발전을 대량도입한경우, 경부하기인 휴일 등 전력 소비가 적을 때의 잉여 전력을 막는 목적에서도 출력억제가 필요하며, 그 수단의 하나로 통신을 사용하는 것이 논의 중이다. 그래서 이 목적으로 통신이용을 채용한다면 <그림4>의 구성에 따른 협조 제어의 실현가능성은 높아진다.

협조 제어 알고리즘의 개요는 다음과 같다. 먼저 각 파워 컨디셔너는 출력 억제 운전 상태가 되면 출력 억제 운전을 회피하는 데 필요한 전압 저하량을 산출해 저압 배전 계통 감시 제어 장치에 전달한다.
저압 배전 계통 감시 제어 장치는 정보를 한데 모아 전압 저하량의 요구를 고압 배전 계통 감시 제어 장치에 전달한다. 고압 배전 계통 감시 제어 장치는 각 저압 배전 계통 감시 제어 장치로부터의 전압 저하 요구를 충족시키고자 각 저압 배전 계통이 조절해야 하는 무효 전력 조정량을 산출해 그 양을 각 저압 배전 계통 감시 제어 장치에 지령한다. 그러면 각 저압 배전 계통 감시 제어 장치는 연결된 파워컨디셔너에 무효 전력 조정량을 할당하고 지령 값으로 전달한다.

출력 억제 손실 저감의 평가 | 자단 제어와 협조 제어에서 출력 억제 손실이 얼마만큼 바뀌는지를 해석대상 구역으로 일본 사단법인 전기협동연구회 모델의 주택 C1 패턴을 예로 들어 수치 해석 평가를 했다. 대상 구역 내 모든 주택에 정격 4㎾의 태양광발전 시스템 도입을 가정하고, 대상 구역 내 모든 태양광발전 시스템의 연간 출력 억제 손실량과 대상 구역 전체의 선로 손실량을 산출했다. 배전용 변전소로부터 송출 전압이 1년간 일정하다고 가정해(비현실적이지만, 송출 전압과 연간 출력 억제 손실의 관계를 알아보기 위한 해석상 가정이다) 그 값을 변화시키고 해석한 결과가 <그림 5>와같다.

<그림 5>를 살펴보면, 협조 제어 시 출력 억제 손실량은 송출 전압이 6650V 이하일 때 0이며, 6700V의 경우에도 자단 제어 시의 15%까지 낮출 수 있었다. 이는 협조 제어를 통해 자신의 연계점 전압이 상한 214V에 이르지 못하는 태양광발전 시스템도 무효 전력을 조절함으로써 배전 계통 전체의 전압 상승을 억제할 수 있기 때문이다. 선로 손실량은 협조 제어를 실행하면 출력 억제가 적고 유효 전력 조류가 많기에, 또 전압 조절을 위한 무효 전력조류가 늘어나기에 자단 제어를 할 때보다 증가한다. 위의 두 손실량의 합계는 협조 제어로 감소했다.
특히 송출 전압이 6650V 이상의 어려운 상황에서는 협조 제어를 통한 출력 억제 손실량의 저감 효과가 크기에 두 손실량의 합계는 절반 이하가 됐다. 이상 태양광발전을 대량 연계한 배전 계통에서 분산형 전원의 무효 전력 협조 제어에 의한 전압 분포 조절이 출력 억제 손실량 저감에 효과가 있음을 나타냈다.
또한, 배전용 변전소의 부하 시 탭 변환 변압기나 SVR과의 협조 제어를 실행하면 전류 증가에 따른 선로 손실량의 증가도 억제할 수 있다.

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자연 에너지 발전을 수용하는 전력 시스템의 유연성을 높이지 않는 한 부득이한 출력 억제 · 정지는 빈번할 수밖에 없으며, 이로 인한 가동률 저하가 우려된다. 축전지 설비는 유연성을 높이는 데 유효한 도구이긴 하나, 현시점에서는 비싼 가격 탓에 사회전체에 큰 부담이 될 수 있다. 에너지 네트워크 기술구사로 수요가 기기를 포함한 종합 운용을 통해 축전지 설비에만 의존하지 말고 유연한 시스템을 구축해 나가는 것이 중요하다

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