태양광 및 풍력 발전의 전력계통 영향과 시사점
2. 교류 전력계통의 운영 방식
가. 교류 발전기와 전력계통 운영 1) 교류 발전기의 특성
우라늄, 석탄, 천연가스 등의 연료를 연소하여 증기의 힘으로 회전체의 터빈을 돌려서 전기를 생산하는 대 형 발전기들은 관성(inertia)이 주어진다. 즉, 발전기는 회전체의 관성을 통하여 터빈의 회전속도를 나타내 는 주파수를 일정하게 유지하고, 전압도 일정시간 단위로 변화하게 된다. 따라서 주파수가 0으로 변화가 없는 전압은 직류를 생성하고, 일정 시간대에 변화를 나타나는 전압은 교류를 생성하게 된다. 우리나라는 미국과 같이 초당 60Hz의 주파수(3,600rpm)를 가지는 계통을 운영하고 있는 반면, 유럽은 50Hz의 주파 수로 계통을 운영하고 있다.
1) 국내에서 재생에너지로 인해 발생한 전력계통의 불안정 사례는 제4장 다. 국내전력계통 영향 사례에서 자세하게 다루기로 한다.
2) 2016년 9월 남호주의 정전사고는 풍력발전 설비의 비중이 높아진 가운데, 토네이도에 의한 송전선로 고장으로 저전압 상태가 지속되어 풍력발전기의 출력이 급감하였으나 대응부족으로 정전이 발생하였다. 2017년 2월의 정전사고는 변동성 재생에너지의 비중이 높은 상황에서 저녁시간대 폭염에 따른 전력수요 예측 오류와 발전량 급감에 빠르게 대응하지 못함으로써 발생하였다. 2019년 8월에 영국에서 발생한 대규모 정전사고는 낙뢰로 인한 송전선로 문제로 대형발전기가 고장나고 이어서 풍력단지의 탈락에 의한 주파수의 급격한 하락으로 발생하였다. 이처럼 변동성 재생에너지 증가에 따른 전력계통의 불안정과 대규모 정전의 발생 가능성이 높아지고 있다.
원자력 및 화석연료 발전기는 회전체의 관성을 통하여 교류전력을 생산하면서 60Hz를 기준으로 주파수 변동의 허용범위(±0.2Hz) 내에서 주파수와 전압을 유지하도록 설계되어 있다. [그림 1]과 같이 운전 중인 모든 발전기들은 초당 동일한 속도의 회전을 통하여 전력을 생산하고, 전력계통으로 공급하는 동기발전기 (synchronous generator)로서의 역할을 하고 있다.
자료: 옥기열, ‘국내 전력시장 개편방향’, 국회 정책좌담회 발표자료, 2020.7.29.
그림 1 교류 및 동기발전기
교 류 전 기
2-pole Rotor
Three Stator windings 120° apart
Excitation Voltage
A
B
C
Excitation Current
If Vf
+
-120° 120° 120°
+V
-V
Voltage
3-phase supply Srator Coil Outputs
A B C
개별 발전기는 시스템의 부하가 증가하거나 감소할 경우, 주파수의 변화가 발생하고 그 변화에 맞추어 자동 으로 주파수를 허용범위 내에서 유지할 수 있도록 작동한다. 시스템의 부하가 상승할 경우, 발전기는 공급 부족으로 인해 계통에 운동에너지를 공급함에 따라 터빈의 회전속도가 감소하면서 주파수가 하락하게 된 다. 이때 일시적으로 스팀의 양을 증가시켜 회전속도를 일정수준으로 높이게 되는데, 부하의 수준에 맞게 주파수를 조정하는 역할을 하는 것이 조속기(Governor)이며, 이를 주파수추종운전(GF: Governor Free) 이라고도 한다. 반대로 부하가 하락할 경우, 발전기는 계통의 운동에너지를 흡수함에 따라 터빈의 회전속 도가 증가하면서 주파수가 상승한다. 이에 대응하여 조속기는 스팀의 양을 감소시켜 회전속도를 일정수준 으로 낮추어 주파수를 조정하는 역할을 하게 된다.
기저부하를 담당하는 원자력 발전은 이러한 기능이 있지만, 24시간 지속적으로 발전하도록 설계되어 있어 서 기능이 작동하지 않도록 한다. 특히, 원자력 발전은 출력조정에 대한 안전성 검증의 논란이 있는 가운 데, 기본적으로는 기저부하용으로 상시 운전하도록 하고 있다. 석탄발전은 기저부하를 담당하고 있지만 이 기능이 작용하여 주파수 조정에 활용되고 있다. 첨두부하를 담당하고 있는 천연가스 발전의 경우는 부하 추종 운전을 하는 발전기의 특성상 비교적 빠른 시간에 주파수 추종 운전을 통해서 특정 수준의 주파수 를 회복하는데 기여하고 있다.
결국 전력수요와 공급의 불균형이 발생할 경우, 전력수요의 증감에 따라 발전기의 전력생산 및 공급 대응 력이 얼마나 갖춰지느냐에 따라서 전력계통의 안정적 운영에 영향을 미치고 있다. 기존 원자력 및 화력 발 전기의 비중이 높은 전력계통은 대부분 동기발전기들로 구성되어 관성이 크게 작용하기 때문에 전력수급 불균형으로 인한 주파수 및 전압의 변화가 나타나더라도 특정 주파수와 전압의 범위 내로 복원할 수 있다.
태양광 및 풍력 발전의 전력계통 영향과 시사점 동향과 분석 ①
이런 측면에서 교류 전력계통은 초단위에서 전력수급의 불균형이 발생하지만 특별한 사고가 발생하지 않 는 한 정상적인 상태에서 계통의 안정적 운영이 가능하다.
2) 정상적 상태의 계통운영 방식
전력계통의 운영은 실시간으로 변화하는 전력수요의 변동성에 대해 어떻게 전력공급량을 충족시킬 것인 가에 초점이 맞춰져 있다. 전력수급 균형을 유지하는 과정에서 주파수와 전압이 일정범위 내에서 움직이 도록 공급능력을 확보하여 수급불균형에 빠르게 대응하는 것이 안정적인 전력계통 운영의 관건일 것이다.
[그림 2]는 하루 중 전력계통의 부하패턴을 나타내고 있으며, 정상적인 상태에서 수급균형을 위한 시간별 대응수단들을 보여주고 있다. 우선 전력계통의 사전계획(Forward Scheduling)은 하루의 일반적 부하패 턴을 충족시키기 위한 여러 계획들과 발전기의 기동정지계획(Unit Commitment)을 포함하고 있다. 부 하추종(Load Following)은 일반적으로 추세적 부하패턴을 따라 경제급전에 의해서 전력을 공급하는 것 을 의미하는데, 빠른 기동시간의 연소터빈과 수력발전 설비의 기동과 정지가 관련되어 있다. 주파수 조정 (Regulation)은 부하나 발전에서 초단위 또는 분단위의 임의적인 변동에 대한 균형유지를 의미하고, 중앙 제어센터에서 발전설비 또는 반응적 수요에 제어신호를 보내 설정값으로 빠르게 조정하도록 하고 있다.3) 정상적인 계통운영 상태에서는 실시간으로 변화하는 시스템의 전력수요와 공급력이 일치할 때 주파수는 60Hz를 유지하게 된다. 이 때, 전력수급 균형과 주파수 유지를 위한 예비력 확보가 안정적 전력계통 운영 에서 중요한 요소로 작용하고 있다.
자료: Ela, Erik et al., Operating Reserves and Variable Generation, NREL, August 2011, p. 4.
그림 2 전력계통 운영 시간대별 대응 방법
System Load(MW)
Time(hour of day)
0 4 8 12 16 20 24
3) Ela, Erik et al., Operating Reserves and Variable Generation, NREL, August 2011, p. 4.
1 92 183 274 365 456 547 638 729 820 911 1,002 3,095 1,093 1,184 1,275 1,366 1,457 1,548 1,639 1,730 1,821 1,912 2,003 2,094 2,185 2,276 2,367 2,458 2,549 2,640 2,731 2,822 2,913 3,004 3,095 3,86 3,277 3,368 3,459 3,550 3,641 3,732 3,823 3,91 4,005 4,096 4,187 주파수(Hz)
시간(초)
60.15
60.10
60.05
60.00
59.95
59.90
59.85
그림 3 정상적인 상태의 계통주파수
자료: 김영창·유재국, 블랙아웃과 전력시스템 운용, 2015.8.25., p. 354.
예비력은 공급예비력과 운영예비력으로 구분되는데4), 실제 전력수급 균형과 주파수 유지를 위한 대응차 원 측면에서 보면, 운영예비력과의 관련성이 더 크다고 할 수 있다. 운영예비력은 부하의 변화에 대해 공급 력의 대응역량을 강화하거나 부하예측 오차의 영향을 완화하는데 필요하다. 현재 운전 중인 발전기뿐만 아니라 대체자원의 응동 시간과 응동 지속시간에 따라 세분화될 수 있지만 여기서는 평상시 계통의 부하 와 공급력의 균형유지를 위한 예비력 차원에서 다루기로 한다.
우선, 주파수의 조정과 관련된 예비력은 두 가지 측면에서 주파수제어가 가능하다. 앞서 언급한 개별 발전 기의 조속기에 의한 주파수추종과 중앙제어시스템에서 계통상황을 고려하면서 제어신호를 통하여 발전기 출력을 제어하는 자동발전제어(AGC: Automatic Generation Control)이다.
전력계통의 정상운영 상태에서 계통의 부하 및 공급력의 변화에 따른 불균형을 즉각적으로 해소하기 위 한 운전방식은 GF와 AGC 예비력 모두 관련된다. [그림 3]에서처럼 정상적 운전 상태에 있는 동안 시스템 부하와 공급력의 미세한 차이를 조정하여 수급균형을 유지하도록 작동한다. 우선 GF는 발전기자체 내 조 속기의 작동으로 주파수변동에 대응하는5) 한편, AGC는 계통의 관리시스템(EMS)에서 주파수를 측정하 여 60Hz를 유지하도록 제어기에 의한 출력 보상량을 각 발전기의 출력증감발률에 따라서 발전량을 배분 하도록 되어 있다.6) 주파수조정 예비력 외에 정상적 상태에서 또 다른 예비력에는 부하추종 예비력이 포함 될 수 있다. 부하추종 예비력은 이전 계획과 업데이트된 계획사이의 예측오차에 대한 불확실성을 수정하여
4) 공급예비력은 전력수요를 초과하여 확보하는 공급능력을 의미하고, 운영예비력은 평상시 안정적 주파수 유지를 위한 주파수제어예비력과 고장발생시 주파수 회복을 위한 1차 예비력, 2차 예비력, 제3차 예비력을 의미한다.(전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준, 제1장 총칙, 제2조(용어의 정의))
5) 우리나라의 평상시 주파수 유지범위는 60±0.2Hz이지만 미세한 주파수 변동은 개별 발전기의 지속적 출력변동으로 에너지 손실을 유발시키는 현실성을 고려하 여 설정된 주파수 불감대(dead band)인 60±0.036Hz를 벗어나는 경우 개별 발전기의 조속기가 작동하도록 되어 있다. 그런데, 미국의 경우 계통의 규모가 크기 때문에 평상시 주파수조정에서는 개별 발전기의 조속기가 작동하지 않고 사고발생시 대응하는 것으로 되어 있다.
6) 조성민 외, ‘주파수추종 운전 적용을 위한 BESS의 운용 방법 및 효과’, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64. No. 1, 2015, p. 16.
태양광 및 풍력 발전의 전력계통 영향과 시사점 동향과 분석 ①
실시간의 경제급전으로 부하를 충족시키는 역할을 하고 있다. 하루의 전력수요는 유사한 경로를 따라 움직 이고 있기 때문에 수요예측 에서 큰 변동성은 없지만 태양광 발전이 관련되어 있으면 불확실성과 변동성이 커지게 되므로 더 높은 출력증감발률을 가지거나 유연성을 가진 설비를 필요로 하게 된다.7)
나. 비정상적 상태의 전력계통 대응 1) 비정상적 상태의 전력계통8)
전력계통에서 갑작스러운 대형발전기의 고장 및 탈락 또는 송배전선로의 이상, 변압기의 고장 등으로 인한 사고가 발생할 경우 전력수급 불균형에 따른 계통의 대응방식은 달라진다. 사고로 인한 수급불균형의 차 이와 주파수의 하락폭이 정상적인 상황보다 더 큰 차이가 나므로 사고대응 차원에서 빠르게 주파수를 정 상적인 범위 내로 회복해야 하는 상황에 직면하기 때문이다. 발전기의 고장정지는 공급력 부족에 따른 주 파수 강하를 유발하는데, 기준치 이하로 주파수가 급격하게 낮아지면 기기의 손상을 유발할 수 있으므로 강제로 부하를 차단할 수 있다. 또한 송전선 탈락은 다른 정상적인 송전선에 과부하를 발생시키거나 정격 전압에서 벗어나게 하는 전력조류의 변화를 가져 온다.9) 따라서 전력당국은 사고의 상황에 맞게 주파수 유 지범위를 정하여 계통을 안정적으로 유지할 수 있도록 하고 있다.
우리나라 전력계통 신뢰도 기준 관련 고시에 따르면, 상정고장10) 시 계통 주파수의 유지 기준을 정하여 발 전기 1기 고장과 발전기 2기 고장, 비상상황11)의 경우에 적용하고 있는데, 주파수의 유지범위가 정상적 상 태보다 더 크다. 발전기 1기 고장은 최저 계통주파수를 59.7Hz 이상으로 유지하고 1분 이내 59.8Hz로 회복 하도록 하고, 발전기 2기 고장 또는 발전기 탈락 시 계통주파수를 최저 59.2Hz이상으로 유지하고, 1분 이 내 59.5Hz, 10분 이내 59.8Hz로 회복시킬 것을 명시하고 있다. 비상상황의 경우, 계통주파수를 62~57.5Hz 범위 내에서 유지할 수 있도록 되어 있다. 설비의 고장이나 사고 시 주파수의 유지범위는 계통 전체 주파 수의 유지, 전기기기 및 산업체의 생산 활동 영향과 함께 발전기의 보호 차원에서 적절한 수준을 유지해야 한다. 발전기 고장 또는 비상상황으로 인해 주파수가 하락된 경우 운영 중인 발전기의 보호차원에서 주파 수계전기에 의해 전력생산이 차단되면 계통주파수의 추가적 하락 등 더 심각한 문제가 발생할 수 있다.12) 발전기가 어느 정도의 주파수 범위 내에서는 계속 운전될 수 있도록 설계될 필요가 있지만 비용 상승의 문 제가 있다. 따라서 비정상 상황 하에서 계통주파수의 유지범위는 이러한 관계들을 종합적으로 고려하여 적절한 수준으로 규정되고 있다.
7) Ela, Erik et al., Operating Reserves and Variable Generation, National Renewable Energy Laboratory (NREL), August 2011, p. 18.
8) 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준에서는 “신뢰도”를 정상상태 또는 상정고장발생시 소비자의 필요 전력수요를 공급해 줄 수 있는 “적정성”과 예기치 못한 비정상 고장 시 계통이 붕괴되지 않고 견디어 낼 수 있는 “안전성”으로 정의하고 있지만 여기서는 주파수 및 전압 유지를 위한 대응수단을 고려하여 상정고장과 비정상 고장을 동시에 비정상적 상황으로 간주하여 설명하기로 한다.
9) Ela, Erik et al., Operating Reserves and Variable Generation, NREL, August 2011, p. 5.
10) 상정고장(contingency)이란 전력계통에서 발생할 수 있는 가상의 단일, 이중 또는 다중의 전력설비 고장을 말한다.(전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 (2019.11.1.) 제1장 총칙 제2조(용어의 정의) 14. ‘상정고장’)
11) 비상상황이란 전력계통의 다중고장, 예비력 부족 등과 같은 내부 원인이나 폭풍 및 그 밖의 자연현상, 사회혼란, 태업 등과 같은 외부 원인에 의하여 전력계통 에 광역정전이 야기될 수 있는 상태 또는 전력수급의 균형유지가 어렵거나 어려움이 예상되는 상태로 규정하고 있다.(전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 (2019.11.1.) 제1장 총칙 제2조(용어의 정의) 21. ‘비상상황’)
12) 배주천, 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 해설, 전기저널 2003. 8,, p. 5.