전력계통운영 고려사항
오늘날 우리나라에서 전기사용자는 전력회사로부터 공급받는 전력 서비스에 대해 상당 수준 만족할 것이다. 정량적으로 표현되는 전기품질 지수 중의 하나가 호당 정전시간이다.
한전의 경우 2019년 호당 8.61분으로 년간 99.99% 이상 정전없이 세계 최고수준으로 전력을 공급했다. 하지만 아직도 저개발 국가에서는 전력공급 부족으로 전기 사용이 원활하지 않을 뿐만 아니라 가끔씩 일상적으로 정전이 발생하고 있다.
안정적 전력공급에 대해 기술하기에 앞서 전력계통에서 생각하는 3가지 핵심 개념을 이해할 필요가 있다.
첫째는 신뢰도(Reliability)다. 신뢰도란 전력계통을 구성하는 제반 설비(발전, 송전, 변전, 배전) 및 운영체계 등이 주어진 조건에서 의도된 기능을 적정하게 수행할 수 있는 정도다.
둘째는 적정성(Adequacy)이다. 적정성이란 정상상태 또는 상정고장(Contingency : 발전기 탈락, 송전선로 고장 등) 발 생 시 전기사용자가 필요로 하는 전력을 수요측에 공급해 줄 수 있는 정도다. 상정고장이란 전력계통에서 발생할 수 있는 가상의 단일, 이중 또는 다중의 전력설비 고장이다.
셋째는 안전성 또는 안전도(Security)다. 안전성이란 예기치 못한 비정상 전력설비 고장 시 전력계통이 붕괴되지 않고 견뎌낼 낼 수 있는 정도다.
최근 CIGRE에서는 안전성에 영향을 미치는 요소로 재생에너지인 풍력이나 태양광 발전 출력의 급속한 변화를 포함시켰다.
전력계통운영 측면에서는 전기품질 유지와 전력계통 안전도 유지가 중요한 임무다. 전기품질 유지에는 주파수의 일정 범위 유지, 전압의 일정범위 유지 등이 주요 내용으로 포함된다.
우리나라 전력계통 안전도 유지 관점에서 다루는 상정고장으로는 154kV, 345kV, 765kV로 구성되는 송전선로 고장 이 고려되고 있다. 전력계통은 상정고장 발생에도 불구하고 안정적 전력공급을 유지하도록, 즉 부하차단이나 정전 없이 전력을 공급하도록 정부에서는 전력계통 신뢰도 유지 기준을 적용하고 있다.
2017년 말 정부 정책으로 발표된 재생에너지3020 이행 계획은 2030년까지 재생에너지 발전량 비중 20% 달성을 목표로 담고 있다.
재생에너지 누적설비용량으로는 약 6만 4,000MW에 해당된다. 참고로 우리나라 최대용량 발전기는 원자력발전기이며 1기 용량이 1,400MW이다. 6만 4,000MW는 원자력발전기 46기 용량에 해당한다. 이와 같이 미래에 대규모의 재생에너지가 공급될 경우에 대비해 안정적 전력공급이 가능하기 위해 요구되는 기술 개발 과제에 대해 다루어보고자 한다.
재생에너지 확대에 따른 전력계통운영의 해외사례
스페인은 표1에서 보는 바와 같이 2017년 1월 기준 변동성 재생에너지원 설비용량이 상당히 증가됐다. 통계상 상당히 증가된 재생에너지원이 전력망에 연계되지 않은 상황에서 수요를 초과해 재생에너지가 발전된 경우 수요공급균형을 위해 상당량의 재생에너지가 출력제약(curtailment)된 사례가 발생했다.
따라서 재생에너지원의 전력망 연계는 매우 중요한 이슈다. 또한 재생에너지 를 최대한 활용하기 위해 재생에너지 운영을 전담하는 관제센터를 2006년에 구축했고 그림 1과 같은 운영 지침을 운영하고 있다.
스페인에서는 실시간 시뮬레이션 Tool을 통해 사전에 운영 상 문제를 검토해 예방제어를 준비하고 자동화를 확대하고 있다.
또한 안정적 전력공급, 재생에너지 이용 최대화, 안전도 유지를 위해 전압제어와 수요관리에 대한 기술적 대안을 마련하고 있다.
독일의 경우 2017년 기준 태양광 설비는 41GW, 풍력 설비는 50GW 가 설치됐다. 변동성 자원이 상당량 증가된 반면, 출력이 일정한 바이오매스 발전원이나 소수력발전 설비가 7GW 추가 설치됐다.
독일에서는 태양광의 90%가 배전망에 설치돼 있다. 따라서 대부분이 배전운영시스템(DMS)에 고려되지 않고 있고 출력의 원격측정이 불가능한 상태다. 전력계통운영을 담당하는 관제센터에서는 재생에너지 출력을 추정에 의존하여 제어를 수행하고 있다. 일부 풍력발전단지의 경우 특고압(medium voltage) 변전소에 연계돼 운영되고 있다.
출력제약(curtailment) 또한 과잉 발전 및 계통혼잡시에 허용되고 있으며 상황에 따라 전력망 운영 기관이 출력제약에 대해 비용을 지불해야 한다. 독일 정부의 태양광 보조금 지급 정책으로 인해 2011년까지 3년 동안 태양광 설치량이 폭발적으로 증가했다. 그때까지 태양광 발전원 증가에 대비한 규정이 마련되지 않아 운영상 문제점을 야기했고 저전압 전력망 연계 태양광 발전원이 관련돼 있었다.
또한 고압 전력망 연계의 경우 주파수 변화에 따른 출력 감소 내지 주파수 안정도를 고려하지 않았다. 그 결과 2011년 5월까지 설치된 총 15GW의 태양광발전원이 50.2Hz에서 탈락했다(50.2Hz 효과라고 함).
이로 인해 주파수 변동은 심화됐고 주파수가 50.2Hz로 회복되는 순간 탈락됐던 태양광발전은 자동적으로 다시 전력망에 접속되어 주파수가 심하게 진동하는 현상이 발생됐고 이를 요요현상이라 지칭한다. 임시방편으로 태양광시스템 주파수 보호 메카니즘을 변경 적용해 50.3~51.5Hz에서는 일정 출력이 되도록 했다. 이후 변경된 접속규정에서는50.2Hz 초과시 태양광발전원은 출력을 자동적으로 51.5Hz에서 0으로 감소되도록 하고 51.5Hz에서는 태양광발전원이 자동적으로 전력망에서 분리되도록 했다.
해외 사례에서 보는 바와 같이 재생에너지가 확산됨에 따라 기술적으로 고려해야 할 주요 사례들을 발견했고 대안을 정리했다. 재생에너지 확산 정도가 점점 커지는 우리나라 상황에서 기존의 전통적 전력계통운영 기술만으로는 한계가 있음을 해외사례에서 확인했다. 재생에너지 확대에 대비해 미래 안정적 전력공급을 위해서는 전력계통운영 분야 새로운 기술 개발 목표를 설정하여 달성하고 해당 전문가를 확보하는 것이 최우선의 기술적 대안일 것이다.
이정호 본부장 keaj@keaj.kr
