❶ 개황

정부의 에너지전환 정책에 따라 향후 회전체 기반 전원인 원자력 및 석탄 화력 전원은 감소하고 인버터 기반 신재생 전원이 증가할 전망이다. 기존 계통 관성을 제공해 오던 회전체 기반 전원의 감소는 계통 관성 저하로 이어지며, 이는 계통 강건성 및 복원력 약화 요인이 될 수 있다. 최근 정부는 ‘제5차 신재 생에너지기본계획’에서 안정적 계통 운영을 위한 신재생 운영 관리체계 구축을위해 계통 관성 자원 확보 강화를 강조했다.

 

9차 전력수급기본계획에 따르면 2034년 기준 신재생 설비용량은 77.8GW(전체 설비용량 중 40.3%), 발전량은 164TWh(전체 발전량 중 25.8%)으로 전망했다. 설비용량 기준 신재생 보급 용량 중 인버터 기반 전원이 약95% 를 차지할것으로보인다.

최근 발표된 2050탄소중립(안)을 보면 기존의 석탄화력 비중을 줄이고 재생E 및 수소 자원 활용 확대 등의 공급 부분 내 대폭 변화가 예상돼 계통 관성 확보에 대한 대책이 필요할 것으로 보인다.

❷ 계통 관성 개요

계통 관성은 계통 내에서 사고 발생 이후 2초 이내 주파수 변화를 억제하려는 힘을 의미한다. 계통 관성은 계통 사고 발생 시 초기(2초 이내)에 주파수의 급격한 하락에 저항해 그 속도와 정도를 낮추는 특성을 통해 계통 붕괴 방지 또는 지연해주는 역할을 한다. 회전체 기반 설비는 관성(H, Inertia Constant)을 가지고 있으며 주파수 변화율(Δf, Rate Of Change Of Frequency, ROCOF)과 반비례 관계(H∝1/Δf)를 가지고 있다.

계통 관성이 감소하면 사고 이후 최저 주파수까지 하락하는 속도가 증가해 설비 투자 등을 통해 주파수 하락에 대한 대책이 필요하다.

계통 관성은 전력 계통에 연계된 모든 회전체 기반 설비(발 전기, 전동기, 동기조상기 등)의 양으로 회전체의 운동에너지가 전기에너지로 방출돼 초기 주파수 변화율을 완화시킨다. 전력 계통 내 총 발전 설비용량이 동일하다고 가정 시, 인버터 기반 전원의 비중이 높을 수록 계통 전체 관성이 저하돼 계통안정성에 부정적 효과를 초래할 수 있다. 계통 관성 저하를 대비하기 위해 주파수 안정도 확보하기 위해서는 SIR 및 FFR을 보유한 자원을 활용하는 방안이 있다.

첫 번째로 SIR 보유 자원을 활용하는 방법이다. SIR은 회전체 기반 설비일 경우 보유하고 있는 자연적인 응답 특성으로 회전체 기반 전원 및 동기조상기 등을 활용해 계통 관성을 확보할 수 있다. 같은 전력수요 내에서도 단일 동기기가 아닌 다수의 동기기를 활용할 경우 계통 관성이 증가하는 효과가 있다. 하지만 예비력 과다 확보 및 운전 효율 저하에 따른 전력 구입비와 오염물질 또한 증가할 수 있다는 점을 고려해야 한다.

동기조상기의 경우 기존에는 무효전력을 보상하는 전압 안정화 설비로 활용됐지만 해외의 경우 계통 관성 제공을 위한 주파수 안정화 설비에도 사용하고 있어 고려할 필요가있다. 두 번째로 FFR 보유 자원을 활용하는 방법이다. 일반적으로 인버터 기반 설비인 ESS, 풍력, 태양광 등에 제어 알고리즘 설계를 통해 가상 관성을 제공해 주파수 안정도를 높이는 방안이있다.

❸ 해외 계통 관성 확보 동향

주요 유럽국가에서도 인버터 기반 전원비중이 높아짐에 따라 계통 관성 확보를 위해 대책을 마련하고 있었다. 국가별로 인접국 간 계통 연계 수준에 따라 마련하고 있는 대책이 상이했다. 인접국과 계통 연계가 활발한 국가의 경우, 동기 조상기만으로도 계통 관성 확보가 가능했던 반면에, 활발하지 않은 국가의 경우 동기조상기 설치 외 계통 관성 관련 보조 서비스 시장 개설 및 인접국과 계통연계 확대 등 대응책을 마련하고 있었다.

가. 독일

2010년 대비 2019년 발전량 기준 전원 구성 현황을 살펴보면, 독일 정부의 탈원전 및 신재생 확대 정책으로 원자력 및 석탄 화력 발전 비중은 감소하고 있는 반면, 태양광 및 풍력 발전 비중은 증가하는 경향을 보였다. 2022년까지 가동 중인 원자력 발전 17기를 폐쇄할 예정이며 석탄 화력 발전의 경우에도 연방 정부 위원회에서 2030년까지 25.6GW의 석탄 화력 폐로를 권고 등을 함에 따라 기존 동기기 전원의 폐지는 불가피해 보인다.

독일의 계통 연계 현황을 보면 인접 9개국과 AC 선로 33개, DC 선로 2개로 계통 연계를 하고 있어 인접국과 계통 연계가 많은 편이다. 따라서 인버터 기반 전원이 증가함에 따라 감소되는 계통 관성 확보를 위한 대책으로 동기조상기 설치만으로 충분하다고 판단해 기존 폐지된 발전원을 동기조상기로 용도 전환 및 동기조상기 신규 설치를 진행하고 있다. 동기조상기는 독일의 계통운영자(Transmission System Operator, TSO)인 Amrprion 및 Tennet 주관으로 설치하고 있었다. 용도 전환 사례로는 기존 폐지된 원자력 1기(Biblis Unit A, 1.2GW)를 동기조상기로 용도를 전환해 발전사업자인 RWE와 계통운영자인 Amprion이 쌍무계약 형식으로 소유 및 운영했고 현재는 다른 용도로 활용하 고 있다. 동기조상기 신규 설치 사례로는 Grafenheinfeld 원자력이 폐지(2015년)됨에 따라 계통 안정도 제고를 위해 계통운영자인 Tennet은 동기조상기 1기를 설치, 소유 및 운영하고있다.

나. 덴마크

덴마크의 2010년 대비 2019년 발전량 기준 전원 구성 현황을 살펴보면 석탄 화력 및 가스 발전 비중은 감소하고 있는 반면, 태양광 및 풍력 발전 비중은 증가하는 경향을 보였다. 2019년 기준 전체 발전량 대비 태양광 및 풍력 발전량 비중을 살펴보면 전체 발전량의 절반 이상을 태양광 및 풍력이 차지하는 것을 볼 수 있다. 이는 독일보다 태양광 및 풍력발전 보급이 더 많이 되었다는 것을 알 수 있었다.

덴마크 또한 노르웨이, 독일 등 AC선로 9개, DC 선로 7개로 인접국과 계통 연계가 활발한 편이어서 덴마크 정부는 동기조상기 설치만으로도 충분하다고 판단, 독일과 같은 기존 발전기를 동기조상기로 용도 전환하거나 동기조상기를 신규 설치하는 방안을 취하고 있었다.

덴마크 정부는 2011년부터 인버터 기반 발전원이 기존 동기기를 대체함에 따라 계통 관성 저하 문제를 인식하기 시작해 2011년부터 동기조상기를 설치했다. 동기조상기를 설치함에 따라 나타난 효과는 계통 관성 확보를 위해 운전했던 ‘Must-Run’ 회전체 기반 전원 관련 전력 구입비가 2011년~2012년 기준 537억 원이었으나 설치 이후에는 약 50% 수준으로 감소했다고 발표했다.

현재 동기조상기로 인해 발생하고 있는 이슈로는 2018년에 법을 개정하면서 송전사업자의 동기조상기 비용 회수 기간을 제한했다. 기존에는 Energinet(Transmission Owner & System Operator, TO&SO)이 송전망 요금을 통해 투자비용을 회수했으나 기간을 제한해 비용 회수에 차질이 생기게 된 것이다. 이에 대해 이해 관계자들은 주파수(계통 관성)등 관련 보조서비스 시장 개선을 건의한 상태다.

다. 영국

영국도 마찬가지로 정부의 탈석탄 정책과 강한 환경 규제에 따라 석탄 화력 및 가스 발전 비중을 줄이고 태양광 및 풍력발전 비중이 증가하고 있다.

영국의 경우에는 국내와 유사한 독립 계통 구조이나 인접국 간 계통 연계를 점차 확대할 전망이다. 현재 프랑스, 네덜란드, 아일랜드와 총 4GW 계통이 연계되어 있고, 벨기에 등과도 계통 연계를 확대해 나갈 예정이지만 앞서 언급된 국가보다 계통 연계율은 낮은 편이다.

인접국 간 계통 연계율이 낮고 인버터 기반 전원이 증가함에 따라 저하되는 계통 관성 문제에 대해 영국은 계통운영자인 NGESO 주관으로 Stability Pathfinder 프로젝트를 진행하고 있었다. 해당 프로젝트는 두 개의 단계로 나뉘어서 운영하고 있다. 1단계의 경우 경쟁입찰을 통해 SIR 위주의 안정도 제공 자원을 모집했다. 주로 회전체 기반 자원 위주로 모집했으며 총 5개의 발전회사가 선정돼 2020년 7월 15일 첫 서비스 개시를 필두로 현재까지 운영하고 있다. 현재 2단계를 진행하고 있는데 1단계는 SIR 자원 위주였다면 2단계에서는 FFR 위주의 신기술을 사용해 영국 전역의 계통 안정도 제고 목표로 진행하고 있다.

라. 아일랜드

아일랜드도 마찬가지로 석탄 화력 및 가스 발전 비중을 낮추고 태양광 및 풍력 발전 비중을 높이고 있다. 특히 신재생 보급 목표 달성을 위해 풍력 발전 보급을 추진 중이나 계통운영자인  Eirgrid는 시장의 비효율성 발생을 우려하고 있었다.

아일랜드 정부는 2020년까지 전력 수요의 40%를 신재생으로 공급하는 것으로 신재생 보급 목표를 발표했다. 아일랜드도 영국과 1GW 연계돼 있으며, 프랑스와 계통 연계를 추가로 추진하고 있는 만큼 인접국 간의 계통 연계 비율은 낮은 편이다. 계통운영자인 Eirgrid는 정부의 신재생 보급 목표를 달성할 경우, 2020년 기준 SNSP가 최대 75% 수준일 것으로 전망하고 관련 대책을 수립하고 있다. 계통 관성 확보를 위해 전통 전원의 제약발전, 풍력 발전 출력제한, 기타 보조 서비스 비용 증가 등으로 시스템 비용이 증가할 것으로 전망하고있다.

Eirgrid는 계통 관성 확보를 위해 DS3(Delivering a SecureSustainableElectricitySystem)프로그램을 진행하고있다. 성능(Performance), 정책(Policies), 도구(Tools) 총 3가지로 구분해 수행하고 있다. 계통접속 및 주파수 변화율 기준 수립뿐만 아니라 신규 보조 서비스 개설, 전원 구성 연구 개발 진행, 정책 개정, 신재생 관제(감시·제어·출력예측) 시스템 개선 등을 통해 계통관성 확보를 하는 중이다.

❹ 전망 또는 향후 계획

정부의 제5차 신재생에너지 기본계획에 따르면 2034년에는 재생E 수용단계별 도전과제 중 3단계(약19%)로 예상하고 있다. 인접국 간 계통 연계가 없는 국내의 경우 계통 관성 확보를 위해 계통관성 평가 기술개발, 계통관성 관련 보조 서비스 시장 개설 및 가상 관성 제어 알고리즘 개발 등 다양한 방안을 모색해 재생E 수용단계별 도전과제를 준비해 나갈 필요가 있다.

김종인 한국전력공사 경영연구원 선임연구원 keaj@kea.kr