저탄소 사회를 실현하기 위해 일본은 발전 시 온실 가스를 배출하지 않는 원자력, 재생 가능 에너지 등과 같은 제로 이미션Zero Emission 전원의 발전 전력량 비율을 높여 나가겠다고 밝혔다. 특히 재생 가능 에너지원으로 보급 확대가 기대되는 태양광 발전의 경우, 2020년에 현재의 약 20배 상당(약 2800만㎾)을 도입 목표로 제시하며, 태양광 발전 설치에 보조금 지급, 잉여 전력을 전력 회사가 일정 가격에 사들이는 제도를 마련해 태양광 발전의 보급 촉진에 속도를 더하고 있다. 한편, 태양광 발전을 대량 도입하려면 전력 계통 운용상에 해결해야 할 여러 과제가 있다. 일본 경제 산업성·자원에너지청은 태양광 발전 대량 도입에 따른 과제를 정리하고 대책을 검토하기 위해 학자, 전력 회사, 관련 제조사, 소비자 단체 대표 등을 구성원으로 하는‘차세대 송배전 네트워크 연구회’를 2009년 8월에 만들고 2010년 4월에 종합 보고서를 발표했다. 자원에너지청은 이미 태양광 발전 출력 변동의 정량적 파악을 비롯해 이도굒島에서 기존 발전 설비와 축전지를 이용한 수급 운용 등 실증 사업에 착수했는데, 연구회의 보고를 바탕으로 태양광 발전 대량 도입 시 전력 계통 운용상의 주요 과제로 떠오른‘잉여 전력 발생’과‘배전선 전압 상승’에 최적인 기술 대책을 개발·실증하겠다는 목표로 <차세대 송배전 계통 최적 제어 기술 실증 사업>(3년간 보조 사업)을 2010년부터 새롭게 시행하기로 했다. 이처럼 국가 규모의 큰 과제는 산학이 서로 머리를 맞대 일본 사회 전체의 최적성을 추구해야 한다는 인식에서 대학, 전력 회사, 중전·가전 등 제조사, 상사 등 28개 법인이 결집해 이 실증 사업을 수탁하게 됐다. 본고 집필은 사업이 막 발족했을 시점이고 앞으로 필요한 설비를 구축해야 하는 상황이라 여기서는 <차세대 송배전 계통 최적 제어 기술 실증 사업>의 의도와 계획에 초점을 맞춰 소개한다.

 

자원에너지청은‘차세대 송배전 네트워크 연구회’에서 2020년에 태양광 발전을 전국에 2800만㎾ 도입하는 상황을 중심으로 상정하고, 이에 따른 전력 계통상의 과제와 대책·기술 과제 등을 의논하고 종합했다. 전력 계통상의 과제는 크게는 두 가지다. 하나는 전력 수요가 적은 경부하기에 일어나는 잉여 전력의 발생이다(<그림 1> 참조). 대책으로 ▲축전지 설치로 잉여 전력 흡수 ▲태양광 발전의 출력 억제 ▲전력 수요 창출 등이 거론됐으며, 이를 서로 조합했을 때를 포함한 몇 가지 경우의 대책 비용 등을 검토했다. 다른 하나는 배전 계통에서 전 사업법에서 규정한 저압의 적정 전압 값(101±6V)을 벗어나는 일이다(<그림 2> 참조). 대책으로 주상 변압기의 분할 설치라는 현실적 대응에다 ▲전압 조정 장치의 최적 배치·소형화 ▲제어에 들어가는 파워 일렉트로닉스 기술의 고도화 등이 거론됐으며, 향후 기기와 방식을 개발·최적화해 2020년 목표에 맞출 수 있도록 착실히 실증을 추진해 나가야 한다고 정리했다.

 

이상의 내용에 입각해 <차세대 송배전 계통 최적 제어 기술 실증 사업>은 대규모 전원에서 가정까지 전체 제어·협조를 통해 태양광 발전 대량 도입 시 주요 과제인‘잉여 전력 발생’과‘배전선 전압 상승’을 최소 사회 비용, 저탄소화 관점에서 해결할 기술 수단을 추구해 전체 최적인 동시에 고신뢰도·고품질인 전력 시스템 구축의 기초 확립을 목표로 한다. 구체적으로는 태양광 발전 대량 도입과 계통 안정화를 양립시키기 위해 배전선 전압 상승에 대해서는 배전 계통의 전압 변동 억제, 저손실·저비용을 지향한 제어 기술·기기를 개발한다. 잉여 전력 발생에 대해서는 수요가 기기를 계통과 일체가 되도록 협조시키는 데 필요한 기기 제어 기술과 기기 개발, 여기에 계통 전체의 수급 계획·운용, 정보 통신 인프라를 검토한다. <그림 3>은 실증 전체의 개념도를 나타낸 것이다. 일련의 실증 항목을 4개 기술 영역으로 구분해 추진 중이며, 각각의 내용을 간략히 서술한다.

배전 계통의 전압 변동 억제 기술 개발(과제-①)｜태양광 발전의 대량 도입으로 배전선의 적정 전압을 벗어나거나 태양광 발전의 급격한 출력 변동으로 배전선 전압이 변동하는 과제가 발생한다. 대책으로 부하 시 탭 전환 장치(LRT), 자동 전압 조정기(SVR), 정지형 무효 전력 보상 장치(SVC), 태양광 발전 파워 컨디셔너(PCS)의 무효 전력 제어, 루프 컨트롤러(LPC), 축전지 등과 같은 기기 도입을 생각할 수 있으며, 이러한 기기의 개별 효과, 조합 효과, 제어 방식 등을 종합 검토하는 배전 계통 아날로그 시뮬레이터를 구축해 태양광 발전 도입 상황에 알맞은 최적의 대책 기기 배치·제어 방식을 검증한다. 검토는 시뮬레이터에 세계적으로도 전례가 없는 저압 계통을 포함한 모의 설비를 도입해 전력 품질상의 문제 등도 고려하는 동시에 지역·계절·요일에 따른 배전선 부하 패턴의 변화, 배전선 긍장亘長의 차이, 사고 시 계통 패턴 등에도 대응해 최적의 배전 계통 전압 제어 방식을 개발·실증한다.