3) IEA 웹사이트(http://www.iea.org/aboutus/faqs/renewableenergy/) 검색일 2014. 11.
12 .일
아래의 그림 [ 2-1 에서 그림 ] [ 2-3 까지는 각각 하절기에 국내 강진] , 영흥 및 순천에 설치된 1MW급 태양광 발전설비에 대하여 일 동안 1 측정된 출력특성을 나타낸다 아래 그림에서 알 수 있듯이 태양광발전. 설비의 출력특성곡선은 대체적으로 전력계통 전체 일부하곡선과 거의 일치됨을 알 수 있으나 구름 등의 날씨변화에 따라 일시적으로 일사, 량이 변화하는 경우는 순천의 사례와 같이 변동이 심하게 된다 이와 . 같은 변동은 계통전체의 주파수 조정에 미치는 영향이 크므로 변동적 재생에너지의 비중이 높아지면 계통안정성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
그림 강진 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-1] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
그림 영흥 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-2] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
그림 순천 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-3] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
아래 그림 [ 2-4 와 그림 ] [ 2-5 는 제주도에 설치된 ] 3MW급 영구자석 형(PMSG) 풍력발전기에 대하여 2012년 월에 분 간격으로 측정된 3 1 풍속변화와 그 출력특성을 각각 나타낸다. [그림 2-4 에서 보듯이 풍] 속의 변동 청색선 이 높게 나타나는 것을 볼 수 있으며 이에 따라서 ( ) , [그림 2-5 와 같이 풍력발전기의 출력 변화 적색선 또한 높게 나타나] ( ) 는 것을 볼 수 있다.
그림 분 간격으로 측정된 풍속변화 제주도 년 월
[ 2-4] 1 ( , 2012 3 )
자료: Nguyen, et al(2013)
그림 풍력발전기의 출력 제주도 년 월
[ 2-5] 3MW PMSG ( , 2012 3 )
자료: Nguyen, et al(2013)
풍력 발전의 보급이 확대되어 전체 전원에서 풍력이 차지하는 비중 이 높아지게 되면 이러한 풍속 변화에 따른 출력변화가 계통안정화에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
나 태양광 풍력 발전의 기술적 특성. ･
태양광과 풍력 발전은 각 단위가 모듈화(modularity)되어 있어 발전 용량 규모의 측면에서는 와트(W)급의 소규모 발전시스템에서 수백 메 가와트(MW)급의 대규모 발전시스템까지 다양한 설비용량을 구성할 수 있다 따라서 전력 수요지 인근에 설치가 용이한 분산전원의 역할. 을 담당할 수 있다.
태양광과 풍력 발전의 기술적 특성으로는 전통적 발전원과는 다르 게 주로 직류(direct currency)의 전기를 생산하며 또한 비 동기적 -으로 작동된다 다음 절에서는 이러한 특성-으로 인 (non-synchronous) .
해 태양광과 풍력 발전이 기존의 전력 시스템에 미치는 영향을 알아 본다.
태양광 풍력 발전이 전력시스템에 미치는 영향 2. ･
간헐적 및 비 동기적인 특성들로 인해 태양광 풍력 발전원이 전력 -계통망에 연계될 때 전체 전력시스템에 미치는 영향은 다음과 같다.
첫째 신재생에너지 발전원의 변동성에 의해 전체 전력시스템에 미, 치는 영향으로 균형 효과(balancing effect)4)가 있다 이는 기상 및 기. 후의 변화로 인해 태양광과 풍력 발전의 출력이 변동함에 따라 전력
4) IEA(2014a, 34 )쪽
수요와 공급의 균형을 유지하기 위해 다른 발전원의 출력 또한 변동 하게 되는 것을 의미한다. [그림 2-6 은 독일의 풍력 발전량 변화에 ] 따르는 나머지 전통적 발전원의 발전량 변동을 나타낸다 아래 그림에. 서 각각의 선은 풍력을 제외한 모든 전통적 발전원이 담당하는 부하
를 의미하는 순부하 곡선이다 풍력의 비중이
(load) (net load) . 0%,
및 일 때 해당 순부하가 주어져 있다 순부하가
2.5%, 5%, 10% 20% .
시간에 따라 변동하는 것을 볼 수 있으며 특히 풍력의 비중이 높아, , 질수록 순부하 램프(Lamp)의 폭과 등락의 빈도수 즉 변동성이 커지, 는 것을 볼 수 있다 즉 전체 발전설비용량에서 풍력의 비중이 높아. , 짐에 따라 전통적 발전원 출력의 변동성이 높아지는 경향을 볼 수 있다.
그림 변동적 재생에너지 비중 변화에 따른 균형효과의 변화 [ 2-6]
자료: IEA(2014a, 34 )쪽
주 부하 및 풍력 발전 데이터는 : 2010년 11월 10일부터 16일까지 독일의 자료다. 독일의 실제 연간 풍력발전 비중은 7.3%이며 설명을 목적으로 해당 기간의 풍, 력발전은 scaled 되었으며 이 때문에 균형효과가 다소 과다하게 추정되었을 가, 능이 있음.
둘째 신재생에너지 발전원의 변동성에 의해 야기되는 또 다른 영향,
80% (mid-merit) (peak load)
어난다는 점이다 대규모의 변동적 재생에너지가 짧은 시간에 계통에 .
국가 간 전력계통망이 연계되어있는 유럽과 같은 지역에서는 전통적 발전원이 제공하는 관성이 매우 크고 조속기에 의한 주파수제어 영향 에 의해 한 국가의 변동적 재생에너지 비중이 높아도 그 영향이 크게 나타나지 않는다 하지만 전력계통망이 고립되어 있는 우리나라와 같. 은 국가들의 경우는 변동적 재생에너지의 보급이 확대되더라도 별도 의 조치가 없다면 일정 수준의 전통적 발전원이 여전히 필요함을 알 수 있다.
그림 부하지속곡선과 이용효율 효과 [ 2-7]
자료: IEA(2014a, 36 )쪽
표주: CF는 이용률(capacity factor)을 나타낸다.
셋째 변동적 재생에너지의 비중이 확대되면 비 동기적으로 작동하, -는 특성에 의해 전력시스템 전체의 시스템 관성(system inertia)을 낮 추어 전력시스템의 안정성을 저하시킬 가능성이 있다 시스템 관성이. 란 전력시스템이 주파수 변동에 저항하는 능력을 나타낸다 물리적으. 로는 전력시스템에 연결된 모든 동기 발전기와 모터의 양(mass)으로 정의할 수 있다 하나의 발전기가 갑자기 탈락되었을 때와 같은 피해 . 상황 시 시스템 관성이 높은 경우에는 주파수가 서서히 떨어지게 되
고 반대로 시스템 관성이 낮을 경우에는 주파수가 빨리 떨어지게 된, 다(ORNL, 2003, 6 ). 쪽 시스템 관성이 주파수 조정의 수단으로 활용되 지는 않지만 피해 상황 시 주파수가 범위 밖으로 떨어지는 시간에 영, 향을 주기 때문에 관성이 높은 시스템이 관성이 낮은 시스템보다 안 정성이 높다고 할 수 있다.
예를 들어 그림 [ 2-8 에서 보듯이 시스템 관성은 대용량의 발전설] , 비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때 초기 수 초 이내 에 주파수( ) 의 급격한 하락에 저항하여 그 속도와 정도를 낮추는 부수적인 기능 을 통해 종속고장(cascaded outage)이나 계통붕괴(system collapse)를 방지 또는 지연시키는 역할을 한다.
그림 발전원의 탈락 이후 우발예비력의 재조정 과정 [ 2-8]
자료: ORNL(2003, 4 )쪽
표주 대용량의 발전설비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때의 주파수 하락에 : 대응하여 주파수 회복을 위한 발전시스템 각 분야의 역할을 나타내며 시스템 , 관성은 초기에 주파수의 급격한 하락에 저항하여 그 속도와 정도를 낮추는 효과가 있음.
시스템의 총 설비용량이 같다고 가정할 때 비 동기적 재생에너지의 ,
구성 의미 및 용량 산정 기준
발전예비력이 추가적으로 확보되어야 한다.
마지막은 정격전압에 대한 영향으로 배전계통에 연결되는 변동적 , 재생에너지가 증가하여 역조류(reverse power flow)가 발생하면 연계지 점의 전압이 높아져 기존의 전압제어방식으로는 적정전압조정능력을 상실할 가능성이 있다 현재 배전계통에서의 전압은 변전소에서 부하. 까지 전력조류가 단방향으로 흐른다는 전제조건 하에 관리가 되고 있다.
전압변동은 분산전원의 유효전력과 무효전력 출력량에 의하여 조정 될 수 있으며 특히 유효전력을 출력함으로써 일어난 전압상승분은 , 무효전력을 흡수함으로써 진상운전 상쇄될 수 있다 따라서 태양광발( ) . 전설비 및 풍력발전설비가 전력계통에 연결되어 운전하게 되면 전압 변동이 발생하게 되어 수용가의 전압을 법정유지범위인 220V±6%를 유지하기가 어렵게 된다.7)
그림 년 독일 변전소의 전력 흐름 추세 [ 2-9] 2009-13
자료: IEA(2014a, 42 )쪽
7) 태양광 또는 풍력 발전원의 배전계통 연계에 따른 전압 변동과 관련된 기술적 논의는 뒤의 부록 을 참조 바람1 .
계통안정성의 정의
정성은 시스템 요소들의 예정된 그리고 합리적으로 예측 가, 능한 예정되지 않은 정전(outage)을 고려하여 항시 전력 수요 자의 에너지 필요량과 종합적(aggregate) 전력을 공급할 수 있 는 전력시스템의 능력을 의미한다 운영 신뢰도는 전기의 단. 락(short circuits)이나 예측하지 못한 시스템 요소의 상실과 같은 갑작스런 장애(disturbances)에 저항하는 전력 시스템의 능력을 말한다(NERC, 2007).
위에서 언급한 전력계통의 신뢰도는 국가 전체 전력시스템을 대상 으로 하는 거시적 관점에서의 계통안정성이라 할 수 있다 반면 본 “ ” . 연구에서는 거시적 관점보다는 개별적인 태양광 또는 풍력 발전 시“ ” 스템이 계통안정성에 미치는 영향에 초점을 두고 있다 따라서 개별적. 인 태양광 또는 풍력 발전 시스템이 각각 계통안정성에 대한 영향을 최소화하는 방향으로 계통안정성을 고려한다는 의미이다 또는 마이. 크로그리드에 연계되거나 독립형 분산전원으로서의 태양광과 풍력 발 전 시스템으로서 품질이 높은 전력을 소비자에게 제공하는 적정성, “ ” 에 보다 가까운 의미라고 할 수 있다.
태양광이나 풍력 같은 분산형전원의 배전계통 연계와 관련하여 우 리나라에서 주로 고려하는 요소는 분산형전원의 변동성에 의한 출력 변화에 따른 주파수 및 전압에 대한 영향이다 한국전력공사. (2012)의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준 에서는 분산형전원의 계통 연 계 시 아래 표 < 2-3 과 같이 주파수 및 전압과 같은 모든 동기화 변>
8) NERC는 안전성(security)라는 용어를 사용해 왔으나, 2001년 9.11 사태 이후 안 전성의 의미가 조국의 안보 또는 중대한 기간시설의 보호 의 의미로 통용됨“ ” “ ” 에 따라 운영 신뢰도라는 용어로 대체하여 사용하고 있음(NERC, 2007).
수들이 제시된 범위에 있도록 규정하고 있다9).
신 재생에너지센터(2013)의 통계에 따르면, 2012년 우리나라의 신
그림 년 국가의 발전량 중 재생에너지 비중 [ 2-10] 2013 OECD
자료 쪽
: IEA(2014b, II.9 )
전체 신재생에너지 발전량 중 원별 비중을 보면 수력이 , 61.9%로
전체 신재생에너지 발전량 중 원별 비중을 보면 수력이 , 61.9%로