올바른 신재생에너지 전원 계통 방안
올바른 신재생에너지 전원 계통 방안
  • 김응상 전기연구원 신재생에너지연구그룹 책임연구원
  • 승인 2008.09.24
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

“요소 문제점 해결 선행돼야”
에너지는 크게 1차 에너지와 2차 에너지로 구분된다. 1차 에너지는 주로 가공되지 않은 상태에서 공급되는 에너지인 석유, 석탄, 원자력을 중심으로 수력, 지열, 장작, 목탄 등을 가리키며 1차 에너지를 변환·가공해서 얻은 전기, 도시가스, 코크스 등을 2차 에너지라고 부른다.

1차 에너지는 전 세계적으로 보존량이 한정돼 있으나 산업발전 및 생활수준의 향상으로 매년 에너지 사용량은 10%대 이상으로 증가되고 있고 최근 몇 년 동안에 원유 값이 급격히 상승해서 최근에는 현재 100달러 이상 상승했다가 110달러 정도에서 올랐다 내렸다를 반복하고 있는 상황이다.

따라서 전 세계적으로 에너지 문제의 해결을 위해서 선진국이나 후진국 할 것 없이 모두가 하나같이 신재생에너지의 개발 및 보급에 박차를 가하고 있는 실정이다.

우리나라의 경우 과거에 대체에너지전원 및 분산전원 등 다양한 형태로 불러오던 명칭을 정부에서 신재생에너지전원으로 명칭을 통일해 사용하고 있으며 태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지 및 폐기물에너지 8개 분야를 재생에너지 분야로 연료전지, 석탄액화·가스화 및 수소에너지 3개 분야를 신에너지로 크게 구분하여 사용하고 있다.

또한 정부 주도하에 1988년부터 신재생에너지 개발 및 보급 활성화를 지원해 왔으며 2007년의 경우 기술개발비용으로 정부지원 1,200억원, 민간 기술개발비용 910억원, 기타 보급활성화 지원 및 융자비용으로 약 2,000억원 등 총 4,000억원 이상이 신재생에너지의 기술개발 및 보급 활성화 지원 비용으로 소요됐다. 2008년 8월 27일 정부 발표에 의하면 현재 신재생에너지 보급률 2.4%에서 2030년 11%대 확대를 목표로 신재생에너지 개발에 111조원을 투입할 계획이라고 발표했다.

이러한 신재생에너지전원은 적용 형태에 따라 전력선 공급에 너무 많은 비용이 소요되는 낙도 등에 적용되는 독립형과 전력선이 공급되는 곳에 대부분 적용되는 계통연계형으로 크게 구분된다. 따라서 계통연계형을 중심으로 전력계통의 구성 상태, 특징, 신재생에너지전원의 계통연계시의 문제점, 계통연계에 필요한 규정, 규칙 및 각종 제도 그리고 신재생에너지전원을 둘러싼 환경, 신재생에너지전원의 도입에 따른 영향과 대책 및 새로운 전기에너지공급시스템의 연구동향 등을 정리해 보고자 한다.



Ⅰ.전력계통의 구성 및 특징

전력계통은 각종 발전소나 기간 계통으로 구성된 계통 전원, 송전 계통, 배전 계통이 각각의 전압 계급으로 변압하기 위한 변전설비에 따라 구성된다. 전력계통 전체 중에서 발전전력과 부하전력의 균형이 무너지면 주파수나 전압이 변동한다.

이를 유지할 목적으로 각 발전소를 송전선으로 연계해 급전소에서의 발전전력과 소비전력의 균형을 항상 감시해 발전전력을 제어함으로써 공급 지역 전체의 전력계통에서의 전압 및 주파수를 유지하고 있다.

특히 배전계통은 공급지역 전체 전력계통의 말단에 위치하는 소비지역 근방의 전력계통으로 신재생에너지전원의 연계가 가장 많은 계통이다.

한편 배전계통을 포함한 전력계통을 구축한다는 개념은 전력의 조류가 발전소에서 부하로 이어진다는 것이 전제이며 계통 용량도 전압계급이 낮아짐에 따라 점차 작아지게 되므로 신재생에너지전원을 계통에 연계할 경우에는 발전기의 출력에 따라 연계가 가능한 전압 계급을 선정하고 있다.

이러한 이유로 공급지역 전체 전력계통의 말단에 위치해 계통 용량이 작은 배전계통에 신재생에너지전원을 연계할 때에는 역조류에 의한 계통 전압의 유지나 배전 계통이 분리 및 단독계통이 됐을 경우의 보안이 적정 수준으로 유지될 수 있도록 계통 용량이나 배전선 적용방법을 충분히 검토할 필요가 있다.



Ⅱ.신재생E전원 계통연계의 기술적 문제점

신재생에너지전원 계통 연계 시에 기술적인 문제점으로는 크게 전압문제와 보호협조문제로 구분할 수 있다.

▲ 전압변동

일반적인 배전계통에서는 배전용 변전소 및 주상 변압기에 전력을 공급하고 있는 부하전류나 변전소로부터의 거리에 따라 변압기의 변압비를 변경함으로써 저압측의 전압이 전기사업법에 규정된 공칭전압(220V 및 380V)을 유지하도록 관리 및 운용하고 있다.

이와 같은 배전계통에 신재생에너지전원이 연계된 경우, 신재생에너지전원에서의 역조류에 의해 연계점 부근에서는 전압이 상승해 배전계통 전체의 부하 및 임피던스에 따라서는 전압의 유지 기준 상한치를 벗어날 가능성이 있다.

또한 신재생에너지전원으로부터의 역조류의 영향으로 변전소에서 본 배전계통이 부하전류가 현저하게 감소됨에 따라 변전소의 탭 전환 장치는 가벼운 부하 시의 탭을 선정해 적정 전압을 유지하도록 운영한다.

이러한 상황에서 신재생에너지전원이 갑자기 분리된 경우, 신재생에너지전원이 공급하고 있던 부하를 변전소에서 대신 공급하는 형태로 변하기 때문에 변전소 변압기가 중 부하 시의 탭으로 전환되기까지 전압 유지기준 하한치를 벗어나는 경우가 발생할 수 있다.

▲ 보호협조

일반적으로 배전계통에서의 사고가 발생한 경우에는 단락사고는 과전류 릴레이(OCR)에 의해 그리고 지락사고는 지락방향 릴레이(DGR)를 이용해 사고를 검출한다.

사고 검출 후 변전소 차단기를 개방함으로써 건전한 다른 배전선이나 상위 계통에 사고를 파급시키지 않는 보호협조의 개념으로 배전선을 운용하고 있다. 이런 운용을 통해 사고 발생장소에 대한 전력공급을 신속하게 일단 정지해 사고 발생장소에서의 계속공급에 의한 피해를 최소화 하도록 한다.

한편 신재생에너지전원이 연계된 배전계통에서 사고가 발생해 변전소 차단기를 개방해 계통을 정지한 경우에 만일 신재생에너지전원이 분리되지 않은 채 전기의 공급이 지속되는 경우, 사고가 연속적으로 일어날 가능성이 있다.

이를 단독 운전이라고도 하는데 사고 시의 작업원이 감전 등 정전 복구 작업에 지장을 주며 또한 공중 안전의 확보가 곤란해 질 가능성이 있다.

때문에 배전계통에 연계된 신재생에너지전원은 배전계통의 보호 장치와의 동작 협조를 통해 사고 등에 의해 변전소로부터의 전기 공급이 정지한 경우에는 신속하게 배전계통에서 분리할 필요가 있다.



Ⅲ.신재생E 전원 집중 연계의 문제점 및 대안

현재 신재생에너지전원의 전력계통 연계는 매년 급속히 증가하고 있고 신재생에너지전원은 자연에너지로서의 환경성, 전력 수송에 의한 에너지 손실이 없는 등의 장점으로 인해 앞으로도 더욱 도입이 확대될 것으로 예상되며 부하 밀집지역 근처에 설치되는 특징으로 배전계통에 연계 건수가 더욱 확대될 가능성이 크다.

이 경우 신재생에너지전원이 집중적으로 전력계통에 연계돼 운전되는 경우 발생가능한 기술적인 문제점들이 발생한다.

△능동신호의 상호 간섭으로 인한 단독 운전 검출 기능의 감도 저하 △단독 운전 검출 기능으로 발신된 능동신호에 의한 계통 전압 및 주파수에 대한 영향 △계통 변동에 따른 단독 운전 검출기능의 일제 동작으로 인해 신재생에너지전원이 동시에 계통과 분리됨에 따른 계통 전압 및 주파수에 대한 영향 △저압 연계된 신재생에너지전원에서는 상위 계통의 지락 사고가 직접적으로 검출되지 못해 여러대가 연결된 경우 지락 보호가 곤란 △역조류량의 증대로 인해 계통 전압의 상승 억제를 위한 발전 억제 빈도가 늘어남에 따른 발전효율의 저하 △태양광 등 역변환장치를 이용한 신재생에너지전원의 다수 연계에 의한 계통으로의 직류 검출량의 증대 등이 그 것이다.

이와 같이 다양한 형태의 신재생에너지전원이 여러 대 전력계통에 연계·보급돼 나갈 경우에 전력의 조류는 발전소에서 부하를 향해 계통의 말단 부분을 향할수록 계통 용량도 작아지게 된다는 전제로 구축된 기존의 전력계통에서는 연계량이 증가하면 연계 용량에 한계가 발생할 것으로 보인다.

배전 계통에서의 신재생에너지전원의 대량 연계를 가능하게 하는 방식으로서 예를 들어 계통의 전압 계급을 올려 계통용량을 커지게 한다는 방식도 있으나 보다 더 나아가 신재생에너지전원의 연계 상황에 따라 배전 계통 측에서 무효전력이나 전압을 능동적으로 제어하는 이른바 액티브 네트워크를 구축하는 대책도 필요하다.

또한 이와 같은 능동적 제어의 대상으로 부하설비나 신재생에너지전원도 포함시켜 종합적으로 컨트롤해 나가면 계통과 신재생에너지전원이 일체화된 효율적인 계통 운용도 기대된다.

현재 우리나라의 경우 지식경제부 전력정책과를 중심으로 2005년 미국, 일본 등 선진국의 기술기준을 참고로 국내실정에 맞는 ‘분산형 전원 배전계통 연계 기술기준’을 제정해 현재까지 운영하고 있으며 그 외에도 각 전원별로 태양전지 모듈 성능 시험을 위한 기술기준, 태양광인버터 성능 시험을 위한 기술기준, 소형풍력발전기 성능 시험을 위한 기술기준 등 신재생에너지전원의 보급 활성화 및 기술력 향상을 위한 각 전원의 요소기술 및 시스템에 대한 성능 기술기준을 제정해 운영하고 있으나 아직까지도 각 요소에서 많은 문제점들이 수시로 발생하고 있는 실정이다.

그러한 문제점을 해결하기 위해선 정부, 대학, 연구소 등 전문가들은 물론이거니와 전력회사 측에서도 신재생에너지전원의 보급과 전력계통의 확실한 운용을 염두에 두고 전기 사용자의 사회적인 이익을 종합적으로 감안해 지구온난화 방지나 전력 자유화 등 신재생에너지전원을 둘러싼 다양한 환경 변화에 즉각적으로 대응해 나갈 필요가 있다.

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

해당 언어로 번역 중 입니다.