[투데이에너지] 탄소중립을 위해 태양광발전과 풍력발전의 비중을 대폭 확대시켜 나가려고 할 때 가장 큰 걸림돌로 예상되는 것이 바로 전력 계통의 기술적 수용성 문제이다. 공공재인 전력계통망에 접속되는 모든 설비는 전력계통의 안정적인 운영을 위해 기여할 수 있도록 기술적인 요구조건을 갖춰야 하며 이러한 기술적 요구 조건을 ‘계통연계 규정’ 혹은 ‘그리드코드(Grid Code)’라고 부른다.
해외 선진국에서는 이미 2003년부터 재생에너지 발전설비가 갖춰야 할 전력계통 지원 기능에 대해 자세하게 명시한 그리드코드를 운영해오고 있으며 3-4년에 한번 꼴로 꾸준히 업데이트를 해서 오늘에 이르고 있다. 국가별 혹은 지역별 전력망의 특성에 따라 일부 계수에 차별성은 존재하지만 송전급 전력계통에 연계되는 기준은 거의 동일한 항목과 내용을 가지고 있다.
재생에너지의 비중은 점차 늘어날 것이므로 그리고 한번 계통에 들어온 발전원은 20년 이상의 수명기간동안 운영될 예정이므로 계통연계기준의 요구사항은 현재의 재생에너지 비중뿐만 아니라 향후 예상되는 미래의 재생에너지 비중까지 고려해 기술 요구사항을 제시해야 한다.
국내에서는 한국전력이 제시한 송·배전용 전기설비 이용규정에서 신재생에너지의 계통연계시 요구사항을 명시하여 운영하고 있는데 위에 서술한 배경에 따라 2020년 7월에 송·배전용 전기설비 이용규정이 개정됐으며 송전급(22.9kV 전용선로 연계 발전설비 포함) 신규 발전설비에 앞으로 적용될 예정이다. 따라서 개정된 송·배전용 전기설비 이용규정에 제시된 송전급 신재생발전기 계통연계 규정의 항목별로 기술적 의미를 해설하고 해당 기술의 필요성과 기술적 배경에 대해 간략히 소개하고자 한다.
첫 번째 요구사항은 전압 및 주파수 유지 범위를 만족하는 것이다. 다수의 재생발전기가 운전 중인 전력계통에서 전압 크기나 주파수 편차에 의해 대규모로 재생발전기가 탈락하게 된다면 시스템 안정성에 위협이 될 수 있으므로 전압과 주파수의 일정 범위 내에서는 재생발전기가 연속적으로 운전할 수 있어야 한다. 국내 송전망 계통에서는 재생에너지 발전기의 주파수 유지범위와 전압 유지범위를 구체적 수치로 제시하고 있고 제시된 전압 및 주파수 유지범위 내에서 재생발전기는 연속운전이 가능해야 한다.
두 번째 요구사항은 주파수 안정화를 위한 유효전력제어 요건으로 세부 규정 세 가지를 규정하고 있다. 주파수 관련 첫 번째 세부 규정은 출력상한 제어이다. 계통에 접속되는 신재생발전기는 전력 공급 및 수요의 균형 유지를 위해 유효전력 출력을 5초 이내에 정격 출력의 20%까지 감소시킬 수 있어야 하며 발전과잉을 막기 위해 최소출력 이상으로 운전되고 있는 신재생발전기에 한해 유효전력 발전량이 규정된 값을 초과하지 않도록 하는 출력상한 제어 기능도 요구하고 있다.
주파수 관련 두 번째 세부 규정은 주파수에 따른 유효전력 제어 기능이다. 개정된 송·배전용 전기설비 이용규정에서 신재생발전기는 과·저주파수 시 주파수 추종 운전이 가능해야 하며 속도조정률은 3.0~5.0%, 불감대는 최대 0.06% 이내로 정정할 수 있어야 한다고 규정하고 있다. 속도조정률이 작게 설정될수록 주파수 변화에 따라 출력이 민감하게 조정된다. 독일의 경우에는 주파수에 따른 유효전력제어에 대한 요구사항에서 속도조정률을 5%로 적용하고 있으며 영국의 경우에는 3~5%를 요구하고 있다.
다만 독일의 경우 고주파수 영역에서 재생에너지 발전원의 출력을 점차 낮추도록 하는 규정은 있으나 저주파수 영역에서 재생에너지 발전원의 출력을 증가시키라는 요구조건은 없다. 저주파수 발생시 출력을 증가시키기 위해서 평상시에 재생에너지 발전기 출력을 일부러 (일정 부분만큼 예비량의 개념으로) 낮춰 운전하는 것은 기술적으로 가능은 하지만 평상시 손실이 많기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 해외에서도 매우 특별한 경우에 한해(전력시장의 계약에 의해 비용 보상을 받으면서) 사용되고 있는 것으로 파악됐다.
이번에 개정된 계통연계 규정에서는 이러한(주파수 변화에 따른 출력자동제어) 기능을 갖추도록 추가된 것은 신재생 발전기들이 향후 주파수 변동에 대응할 수 있는 능력을 갖출 준비를 하도록 한 것이다. 다만 이 규정은 주파수 저하 시나리오에 대응하는 프로그램을 갖추도록 하는 ‘기능적’ 요구조건으로 봐야 할 것이지 실제 모든 재생에너지 발전소를 예비력 운전시키는 것으로 보는 것은 불합리한 해석이다.
주파수 관련 세 번째 세부 규정은 유효전력 증감률 조정 기능이다. 기존 전력계통에서는 부하의 급격한 변동이 발생했을 때 발전기는 출력 조정을 통해 주파수 조정 목표를 달성하며 가능한 속응성이 높은(출력 변동 기울기가 큰) 가스터빈이나 양수발전, ESS 등을 주파수 조정 F/R(Frequency Regulation) 용도로 사용한다. 그런데 태양광이나 풍력과 같은 변동성 재생에너지발전기가 대규모로 운영되는 상황에서는 부하의 변동성과 재생에너지 발전기의 출력 변동이 합쳐진 순부하(Net Load)의 변화율이 증가하게 되고 따라서 주파수 조정을 담당할 기존 발전기에 더 많은 램프 용량이 요구된다.
따라서 신재생발전기의 출력 변동율을 제한함으로서 기존 발전기의 부담을 줄이거나 나눠 가지려는 것이다. 한편 풍력과 태양광과 같은 재생에너지 발전기는 1차 에너지(일사량이나 풍속)의 급격한 증가시 증가율을 제한하는 것은 비교적 용이하지만 1차 에너지원이 갑자기 줄어들어서 출력이 감소되는 것은 막기 어렵다. 만일 출력 감소율을 일정한 범위로 제한하게 되면 별도의 에너지저장장치가 필요할 수 있다. 따라서 이번에 개정된 송·배전용전기설비 이용규정에서 신재생발전기가 계통운영자의 지시에 따라 유효전력 증감률을 정격의 10%/분까지 제한할 수 있을 것을 요구한 것은 증가율뿐만 아니라 감소율까지 요구했기 때문에 상당한 논란이 예상된다.
개정된 계통연계 규정의 세 번째 요구사항은 전압 안정화를 위한 무효전력제어 기능이다. 기존의 동기 발전기는 여자기를 제어해 폭넓은 범위에서 무효전력을 조정할 수 있으며 전력시스템에서는 이러한 동기 발전기의 무효전력공급 능력을 이용해 주변 계통의 전압이 원하는 범위 내로 유지되도록 관리하고 있다. 그런데 신재생발전의 비중이 증가하게 되면 기존 발전소에서 제공하던 무효전력용량을 다른 방법으로 대체해야 하며 신재생발전기도 어느 정도의 무효전력용량을 갖추고 전력시스템에 요구되는 무효전력을 공급해야 한다.
개정된 송·배전용 전기설비 이용규정에서는 정격 미만의 유효전력구간에서 전보다 더 넓은 무효전력 공급능력이 요구된다. 특히 유효전력 출력량이 20% 이상이면 무효전력은 정격의 33% 수준까지 공급할 수 있어야 하기 때문에 전력변환기 인버터의 제어 측면에서 유효분뿐만 아니라 무효분 전력을 발생하기 위해 운전 손실이 증가할 수 있다.
무효전력의 공급 가능 범위와 함께 개정된 국내 계통연계규정에서는 다음과 같은 세 가지 모드의 무효전력 제어방식을 요구하고 있다. 첫 번째 일정 무효전력 출력제어(MVar 제어 모드)는 지령값에 따라 일정한 수준의 무효전력을 출력할 수 있는 기능이다. 두 번째 일정 역률 제어 (PF 제어 모드)는 변동하는 유효전력의 출력값에 따라 비례적으로 무효전력을 출력하도록 하는 방식이다. 마지막으로 전압 조정을 위한 무효전력 제어(V-Q 제어 모드) 방식은 연계점 전압에 따라 무효전력을 조정하는 방식으로 계통 전압이 높을 시에는 자동으로 유도성 무효전력을 출력시키고 계통 전압이 낮을 시에는 그에 비례하는 용량성 무효전력을 자동으로 출력해(무효전력의 Droop 기능이라고도 함) 송전계통의 전압 변동을 완화시킬 수 있다.
개정된 계통연계 규정의 네 번째 기술 요구사항은 저전압 사고시 계통연계 유지 및 지원에 관한 내용이다. 주변의 전력망에 지락이나 단락 등의 사고가 발생하게 되면 재생발전기의 단자전압이 갑자기 크게 감소하게 되는데 재생발전기와 전력망을 연계하고 있는 컨버터에 과도한 전류가 흐르게 되고 dc 링크단의 전압이 증가하는 등 가혹한 상황에서 자체 시스템 보호를 위해 재생발전기가 계통에서 분리되는 경우가 많이 있었다.
그러나 재생에너지 발전기의 비율이 점점 높아지면서 새롭게 만들어진 LVRT(Low voltage ride-through) 규정은 사고가 발생돼도 재생발전기가 일정한 기간 동안은 전력망에 연계돼 있어야 한다는 규정이며 FRT(Fault ride-through) 기능이라고도 한다. 통상 FRT는 저전압 사고뿐만 아니라 고전압 사고, 주파수 변동 등의 고장 상태를 폭넓게 지칭하는 ‘일시적 고장 발생 시에도 발전 유지’ 기능을 뜻하는데 국내에서는 저전압 사고인 LVRT 규정만 제시돼 있다.
재생발전기 수용률이 높아짐에 따라 전력망 사고가 지속되는 동안에는 전압이 낮아지고 상당한 크기의 사고전류(보통은 무효분 전류)가 흐르게 된다. 따라서 재생에너지 발전기가 이러한 저전압 사고 발생시 해당 저전압에 비례해 무효분 전류를 공급함으로서 사고 기간 동안 전압을 유지(support)하는 데 기여하는 것이 바람직하다. 이와 같이 사고가 발생한 순간에 전압을 유지하기 위해 공급해야 하는 무효분 전류의 공급 시간은 빠를수록 좋으며 새로운 규정에서는 고장 발생 후 3 Cycle 이내에 규정된 무효전류를 공급하도록 요구하고 있다. 예를 들어 50%의 저전압이 발생하면 무효분 전류는 정격 전류의 100% 만큼 공급해야 한다.
사고 발생 시에는 전력망의 전압이 감소하기 때문에 재생발전기를 포함한 동기발전기의 유효전력 출력이 현저하게 감소하므로 사고가 제거되고 난 이후에 발전기의 유효전력이 신속하게 회복되지 않으면 주파수 안정화에 악영향을 끼칠 수 있다. 따라서 사고제거 직후에 빠른 시간 내에 재생발전기의 출력을 사고 발생이전에 가까운 값으로 회복시키는 기능이 추가됐다. 이 기능은 재생 발전 수용률이 높은 경우에 주파수 안정도를 확보하는 측면에서 필수적인 기능이다. 개정된 송·배전용 전기설비 이용규정에서는 고장 제거 후 신재생발전기는 고장제거 이후 연계점 전압이 연속운전 전압유지 범위로 복구된 후 5초 이내에 정상적으로 전력을 공급하도록 요구하고 있다.
결론적으로 전력시스템에서 재생에너지 발전 비중을 높이기 위해서는 재생에너지도 전력 계통의 안정적인 운영에 참여해 역할과 책임을 다할 수 있어야 한다. 지금 당장 이러한 모든 기능이 활용될 필요가 있는 것은 아니지만 향후 10년 혹은 20년 이내에 달라질 전력계통의 상황을 예측해보면 현재의 규정이 그러한 재생에너지의 대규모 운영을 위해 필수적으로 필요한 것임을 알 수 있다.
특히 대표적인 변동성 재생에너지 발전원인 태양광발전과 풍력발전은 가장 대규모로 우리나라의 전력계통에 보급될 예정이며 이것들의 대부분이 계통연계형 인버터를 통해 구현되고 있다. 지금까지 전력전자 기술의 발전으로 인버터의 높은 효율과 신뢰성을 달성해 왔으나 앞으로는 전력계통의 요구사항을 반영해 전력계통을 지원하는 기능이 충분하며 우수한 인버터가 더욱 필요한 시점이다. 새로 개정된 계통연계 규정을 잘 만족하는 인버터와 재생에너지 발전기만이 국내의 전력계통에서 운전될 수 있을 것으로 보인다.
