월간전기



[송전기술의 보수 및 개발 ④] 차세대 송배전 계통 최적 제어 기술 실증

2013-06-05

송전기술의 보수 및 개발 ④ 차세대 송배전 계통 최적 제어 기술 실증 저탄소 사회를 지지하는 전력 네트워크를 향해 일본에서도 태양광을 통한 저탄소 사회 실현의 노력이 계속되고 있다. 그러나 태양광의 적극적인 도입을 위해서는 전력 계통 운영상의 여러 난점도 함께 해결돼야 한다. 일본에서는 이를 위해 ‘차세대 송배전 네트워크 연구회’운영을 통해 이에 관한 준비를 해왔다. 본고에서는 일본의 차세대 송배전 계통 최적화 제어 기술에 대해 소개한다. 번역·정리 전화영 객원기자 글 도쿄대학 요코야마 아키히코(橫山明彦)·도쿄공업대학 아카기 히로후미(赤木泰文)·도쿄전력㈜ 이시이 히데오(石井英雄) 참조 ≪電氣評論≫ 제95권 10호 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. 태양광 발전 대량 도입에 따른 여러 과제 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. 실증 사업 개요 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. 차세대 변환기 기술을 응용한 저손실·저비용 기기 개발(과제-②)｜태양광 발전을 대량 도입한 전력 시스템에서는 태양광 발전 파워 컨디셔너는 물론, 계통 안정화 대책으로 도입하는 자려식 정지형 무효 전력 보상 장치(STATCOM), 전지 전력 저장 장치, LPC 등 파워 일렉트로닉스를 응용한 기기가 다수 계통에 연계되는 상황이 나타난다. 지금까지 파워 일렉트로닉스 기기는 전자 노이즈 방사, 고조파 발생 등 주변 환경과 전력 계통의 전력 품질에 영향을 미치는 과제 외에도 더 낮은 손실, 주상 설치가 가능한 소형·경량화, 낮은 비용 등을 바라는 목소리가 있다. 본 실증 사업에서는 이러한 과제를 해결하기 위해 신형 회로 방식을 적용한 파워 일렉트로닉스 기기를 개발한다. <그림 4>는 시뮬레이션을 통해 얻은 현행 변환기와 신형 회로 방식 변환기의 출력 전압·전류 파형을 비교한 것이다. 신형 회로 방식에서 정현파에 가까운 전압 파형을 얻음에 따라 전자 노이즈와 고조파 억제가 기대된다. 일부 기기는 실제 기기 수준으로 시험 제작해 테스트 필드에서 시험 평가한다. 계통 상황에 알맞은 수요가 기기의 제어 기술과 기기 개발(과제-③)｜태양광 발전 도입량이 전국에서 1000만㎾를 넘는 수준이 되면 최대 황금연휴 기간이나 전력 수요 단경기端境期인 주말 등에서 잉여 전력이 발생한다. 대응책으로 계통에 축전지를 설치하는 방법이나 잉여가 발생하는 날에 태양광 발전의 출력을 억제하는 방법 등을 생각할 수 있는데, 대책 비용 측면에서 후자가 가까운 해에 해결할 수 있는 현실적 대응이라 논의가 이뤄지고 있다. 본 실증 사업에서는 수요 측에 설치하는 축열·축전 기기(구체적으로 히트 펌프식 급유기, 전기 자동차 등)의 에너지 저장 시간대를 태양광 발전의 출력 억제 스케줄에 맞춰 옮겨 태양광 발전의 발전 전력을 유효하게 활용하는 데 필요한 기기와 제어 기술을 개발한다. 구체적으로는 ▲잉여 전력 발생 날짜와 시간 정보를 수신해 태양광 발전의 출력 억제 제어, 수요가 기기의 수요 이동 제어를 최적으로 하는 인터페이스 ▲이 인터페이스와 신호를 주고받아 필요한 동작을 하도록 기능을 부가한 태양광 발전 파워 컨디셔너 ▲히트 펌프식 급유기 ▲전기 자동차용 배터리(충방전 시스템)를 개발하고, 실제 적용을 상정한 동작 검증 시험 및 계통 측에서 본 태양광 억제 제어·수요 이동 효과의 정량적 파악을 목표로 부하 모델을 만든다(<그림 5, 6> 참조). 계통 전체의 수급 계획·운용, 정보 통신 인프라 검토(과제-④)｜태양광 발전을 대량 보급한 상황에서 앞서 설명한 대로 수요가 측 기기와 협조를 통한 제어로 수급을 이동시키면, 잉여 전력 대책으로 설치해야 하는 축전지량을 줄이고 태양광 발전의 일실逸失전력량을 줄일 수 있다. 또한, 태양광 발전의 출력 상황을 파악하고 예측할 수 있다면 계통 측에서 보유해야 할 발전 예비력(화력 발전 대기)을 줄일 수 있는 가능성이 있다. 본 실증 사업에서는 계통 전체를 디지털 시뮬레이션으로 모의해 태양광 발전 대량 도입 시 수급 계획·운용에 대해 대책 비용, CO₂배출량, 운용 리스크 등을 지표로 태양광 발전 도입량과 대책 수단 선정을 변화시킨 여러 경우의 평가를 정량적으로 해 최적의 방식을 가려낸다. 그중 이미 소개한 태양광 발전 출력 억제나 수요가 기기와 협조 제어의 효과를 정량적으로 평가하는 한편, 태양광 발전의 출력 상황을 파악하고 출력을 예측하는 방법을 시험 제작해 수급 계획·제어에 편입한 경우도 검토한다. 또한, 본 실증이 대상으로 하는 차세대 네트워크 제어에는 계통 측과 수요 측을 연결하는 정보 통신 인프라가 없어서는 안 되기에, 과제-③에서 스마트 인터페이스로의 신호 전송과 스마트 인터페이스를 사이에 둔 수요가 기기와의 양방향 통신 전송을 시험하는 한편, 계통과 수요가를 연결하는 정보 통신 기술의 보안, 통신량, 국제 표준화를 포함해 조사·연구한다. * 본 실증 사업에서는 이러한 기본 인식에서 2020년을 타깃으로 실현 가능한 기술 수단을 개발·검증해 나갈 계획이다. 또한, 여기서 얻은 성과를 일본뿐 아니라 여러 국가에 전개할 수 있도록 국제 표준에도 힘을 쏟을 방침이다. 본 실증 사업은 경제산업성·자원에너지청의 보조 사업으로 실시하며, 도쿄대학, 도쿄공업대학, 와세다대학, 이토추상사㈜, 이토추테크노솔루션즈㈜, NRI시큐어테크놀로지스㈜, ㈜간덴코, ㈜도시바, ㈜히타치제작소, ㈜메이덴샤, 샤프㈜, 다이킨공업㈜, 도시바미쓰비시전기산업시스템㈜, 니폰전기㈜, 파나소닉시스템솔루션즈재팬㈜, 후지전기시스템즈㈜, 미쓰비시자동차공업㈜, 미쓰비시전기㈜, (재)전력중앙연구소, 홋카이도전력㈜, 도호쿠전력㈜, 도쿄전력㈜, 주부전력㈜. 호쿠리쿠전력㈜, 간사이전력㈜, 주고쿠전력㈜, 시코쿠전력㈜, 규슈전력㈜ 등 28개 법인이 공동으로 참여하고 있다. 관계자 여러분의 종합력을 발휘해 가치 있는 성과를 창출할 것으로 믿는다. < Energy News >