[재생 가능 에너지 도입 확대와 스마트그리드] 재생 에너지가 전력 계통에 미치는 영향

게재월 | 2014 - 01 조회143488 추천0

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재생 에너지 중에서 태양광, 풍력 등은 기상 조건에 따라 발전 출력이 크게 달라지기 때문에 대규모로 도입할 경우 전력 계통에 미치는 영향을 무시할 수 없다. 가령 발전량이 송전선의 송전 용량을 초과해 생기는 신뢰도 문제도 있지만, 이 글에서는 태양광발전, 풍력발전(이하 자연 변동 전원)이 대량 도입될 경우의 전력 계통에 미치는 영향 중에서도 특히 수급 균형 면에서의 영향(주파수 변동)과 대응책에 대해 설명한다.


재생 에너지 중에서 태양광, 풍력 등은 기상 조건에 따라 발전 출력이 크게 달라지기 때문에 대규모로 도입할 경우 전력 계통에 미치는 영향을 무시할 수 없다.
가령 발전량이 송전선의 송전 용량을 초과해 생기는 신뢰도 문제도 있지만, 이 글에서는 태양광발전, 풍력발전(이하 자연 변동 전원)이 대량 도입될 경우의 전력 계통에 미치는 영향 중에서도 특히 수급 균형 면에서의 영향(주파수 변동)과 대응책에 대해 설명한다.
더불어 전력계통이용협의회(이하 ESCJ) 산하 풍력발전 연계 가능량 확인 워킹그룹(WG)에서 시도하고 있는 노력을 함께 소개한다.

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자연 변동 전원이 전력 계통에 미치는 영향


(1) 전력 계통의 특성과 운용
전기는 항상 소비(수요)에 맞춰 생산(발전)해야 하는데, 소비와 생산의 균형(수요와 공급 균형 : 수급 균형)이 무너지면 계통 전체의 주파수 변동이 발생한다.
전력 수요는 기상 조건이나 사회 활동에 의해 크게 변화할 뿐만 아니라 짧은 시간에도 시시각각 변화한다.
하루 동안의 큰 변화에 대해서는 발전기를 병렬 또는 해열(예를 들면 아침에는 병렬하고 야간에는 해열하는 등)해 조정하고, 단시간 변동에 대해서는 병렬하는 수력, 화력발전 등 조정용 전원의 출력을 조정함으로써 수급 균형을 유지, 주파수가 일정해지도록 제어하고 있다.
조정용 전원에 의한 출력 조정 범위는 전원에 따라 달라진다. 화력기의 경우, 최저 출력(일반적으로 정격의 30% 정도)에서 정격 출력까지의 출력 변화가 가능한데, 단시간의 출력 변동에 대해서는 분 단위 오더의 조정 폭이 문제가 된다.
일반적으로 화력기의 경우 1~5%
MW/분의 조정이 가능하기 때문에 화력기의 병렬 대수가 늘어나면 단시간의 조정력도 증가한다.
수력기의 경우, 화력기에 비해 변화 속도는 크게 수십%MW/분이지만, 양수기를 제외하면 용량이 작고 또 수요가 작은 단면에서는 출력 조정이 곤란한 자류식 수력기밖에 병렬이 안 되는 경우가 있어, 조정력으로는 기대할 수 없는 경우가 있다.


(2) 자연 변동 전원에 의한 영향
자연 변동 전원은 일사량이나 풍황에 따라 출력이 결정되기 때문에 안정적인 일정 출력을 기대할 수 없다.
또한 단시간에 예측 곤란한 출력 변동이 발생하기 때문에 위에 설명한 주파수 제어면에서의 문제와 함께 수급 균형상의 문제가 발생한다.
일사량이나 풍황의 변화로 인해 자연 변동 전원의 출력이 변동되기 때문에 전력 수요의 변동을 포함한 변동에 대해 조정용 전원을 이용한 주파수 조정이 필요하다.
주파수를 적정 수준으로 제어하기 위해서는 이 변동에 대해 충분한 조정용 전원을 확보하는 것이 필요하다.
단시간의 변동에 대응하기 위해서는 앞서 설명한 것처럼 발전기의 병렬 대수를 증가시켜야 하는데, 휴일 심야 등 수요가 작은 시간대에 조정용 발전기의 병렬 대수를 증가시키면 공급이 수요를 넘어설 가능성이 있다.
자연 변동 전원 중 태양광 전에 대해서는 수요가 비교적 큰 주간에 발전하게 되기 때문에, 현재까지 주파수 조정, 수급 균형 면에서 문제가 되지는 않았는데, 풍력발전은 심야대에도 발전하기 때문에, 일본 전국의 일반전기 사업자 10명 중 70%에 해당하는 영역에서 표 1과 같이 풍력발전의 연계 가능량이 설정됐다(그림 1 참조).


표 1. 각 전력회사의 연계 가능량 추이와 기존 연계량(각사 홈페이지를 토대로 작성)


▲그림 1. 풍력 연계량의 추이(ESCJ 조사)


비고란에 기재한 해열 프레임, 실증 프레임은 운용상의 대책을 통해 가능량을 확대하기 위한 노력으로 그 내용에 대해서는 다음에 소개한다. 


(3) 운용면에서의 대책
‘해열 프레임’이란, 휴일 심야 등 수급상의 문제가 발생할 것으로 예상될 경우에 미리 해열하는 것을 조건으로 연계 가능하도록 하는 것이다.
‘실증 프레임’, 지역간 연계선을 활용한 풍력발전 도입 확대’에 대해서는 종래 각 일반 전기 사업자 영역에서는 영역별로 수급 균형을 유지한다는 개념을 바탕으로 연계 가능량이 설정됐지만, 연계 가능량을 더욱 확대하기 위해 영역들을 연결하는 지역간 연계선을 활용한다는 것이다.
예를 들어 도호쿠전력 영역의 경우, 연계선을 통해 인접한 도쿄전력 영역에 일정량의 송전을 해야 할 경우(예를 들어 휴일 심야 등)에 실시한다.
이에 따라 도호쿠전력 영역에서는 외관상 수요가 증가함으로써 풍력발전의 연계량이 증가해도 수급 균형 유지가 가능하다. 이러한 시도로 40만kW의 연계 가능량 확대가 가능해졌다.
또 지역간 연계선을 활용해도 조정력이 부족할 경우에는 도호쿠전력의 중앙 급전 지령소에서 원격 지령에 의해 윈드 팜의 출력을 억제하는 시험도 이루어지고 있다.
도호쿠전력에서는 실적 데이터의 축적에 따른 평가를 계속하면서 동시에 실증시험을 통해 연계선 활용이나 출력 제어의 효과 등에 대해 평가, 검토해 2020년경에는 연계 가능량을 200만kW로 늘린다는 방침이다(그림 2 참조).


그림 2. 도호쿠전력의 연계선 활용 방책


이러한 노력은 홋카이도전력, 호쿠리쿠전력, 시코쿠전력 등 각 영역에서도 실시되고 있는데, 각각 20만kW의 연계 가능량 확대가 전망되고 있다.

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풍력발전 연계 가능량 확인 워킹그룹(WG)의 노력

 

(1) 검토 배경   
풍력발전의 출력 변동은 전력 계통 전체의 수급 균형과 주파수 조정에 영향을 미치기 때문에 2005년 ‘종합자원에너지조사위 신에너지부회 풍력발전계통연계대책위원회’에서 연계 가능량 산정 방법이 제시된 이래, 이 방법에 따라 연계 가능량이 산정되고 있다.
그 후, ‘전기사업자에 의한 재생 에너지 전기 조달에 관한 특별 조치법’ 시행을 앞두고, 풍력발전의 대량 도입이 예상되는 가운데, 그 산정 결과에 대해 설명은 들었지만 너무 복잡하다는 의견이 있어, 송전선에 관한 중립 기관인 ESCJ에서 연계 가능량의 제약 요인이나 설정 근거에 대해 합리성을 확인하고 투명성을 높이기 위해 ‘풍력발전 연계 가능량 확인 워킹그룹(WG)'(이하 WG)을 설치, 2011년 11월부터 2012년 9월까지 검토한 끝에 그 해 10월 ESCJ 홈페이지에 최종 보고서를 공개했다.
WG에서는 일반 전기사업자가 설정한 풍력발전의 연계 가능량 개념이나 설정 근거에 대해 풍력발전 사업자를 포함한 전력 계통 이용자의 이해를 높이는 동시에 연계 가능량을 확인하고, 습득한 지식을 널리 사회에 알림으로써 공평성, 투명성을 한층 더 확보하는 것을 목적으로 하고 있으며, 풍력발전에 관한 전문 지식인들이나 풍력발전 사업자들도 참여하여, 최종 보고서뿐만 아니라 WG를 개최할 때마다 자료와 의사 요지를 ESCJ 홈페이지에 공개하고 있다.

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WG 보고서의 개요


(1) WG의 검토 개요
WG에서 확인할 사항에 대해서는 다음 사항을 중점에 두고, 일반 전기사업자가 설정하고 있는 풍력발전의 연계 가능량 개념이나 설정 근거에 대해 일반 전기사업자의 설명을 바탕으로 의론을 정리했다.
① 일반 전기사업자가 설정한 풍력발전의 연계 가능량의 제약이 되는 요인의 개념이나 근거
② 현재 공표된 풍력발전의 연계 가능량 공표 후의 상황 변화(설정 근거의 변화 등), 앞으로의 연계 가능량 전망 등
③ 기타(예 : 해외 상황, 풍력 사업자 등의 제안 등)
④ WG에서는 일반 전기사업자의 영역 전체를 대상으로 해 설정하고 있는 연계 가능량을 확인 대상으로 한다.


(2) 일반 전기사업자의 풍력발전 연계 가능량 산정 확인
WG에서는 일반 전기사업자가 설정한 풍력발전의 연계 가능량에 대해 산정 근거 및 현재의 설정값(표 2 참조)을 확인하는 동시에, 각 일반 전기사업자의 산출 방법 차이를 정리했다.


표 2. 확인 대상으로 한 연계 가능량  [단위 : 만kW]


이번에 WG에서 확인한 연계 가능량의 제약 사항 및 차이점은 다음과 같다.
① 연계 가능량의 제약 사항
□ 현시점의 풍력발전 연계 가능량은 오키나와전력을 제외하고 장주기 변동 제약이 지배적
□ 장주기 변동 제약 중에서도 비교적 수요 규모가 작은 사회(홋카이도, 호쿠리쿠, 시코쿠)는 조정용 전원의 운전 대수에 한계가 있기 때문에 대체로 조정력 면에서의 제약이 지배적
□ 한편 수요 규모가 중규모에 해당하는 사회(도호쿠, 추고쿠, 큐슈)는 공급 제어 면의 제약이 지배적
② 연계 가능량 산정 조건의 차이점 등
□ 수요 단면의 선정이나 평가 시간은 각자 모두 거의 동일
□ 수요 변동이나 풍력 변동 평가에서는 통계처리의 개념이 다르다


(3) 연계 가능량 산정에 관한 향후 검토 사항
연계 가능량 산정에 이용하는 데이터 평가·제약 사항에 대해서는, 다음과 같이 지속적으로 검토가 필요한 사항을 정리했다.
① 풍력발전의 변동 평가
□ 지금까지 축적된 데이터를 바탕으로 한 풍력발전의 변동 평가(이에 대해서는 WG에서의 논의를 바탕으로, 일반 전기사업자들이 향후 수정해 가기로 한다)
□ 풍력발전의 연계 확대로 인한 영역 전체의 풍력 출력의 평활화 효과 등을 적절히 고려
② 수요 변동 및 풍력 변동의 통계 처리
□ 통계 처리의 개념 통일
(단 전력 품질의 유지 및 전력의 안정 공급 등을 충분히 평가하면서 검토하는 것이 필요)
③ LFC 조정력
□ 수요 및 공급 제어 동향을 더욱 주시하여 LFC 용량을 적절히 고려
④ 장주기 조정력 및 공급 제어
□ 지역간 연계선의 활용, 풍차 제어 기능의 활용을 등도 고려한 전원 운용
또한 WG에서 연계 가능량 산정 시의 확률적 평가가 과제로 언급되면서 그 대책 중 하나로 시뮬레이션 방법에 대한 확률적 평가에 대해 제안했다(그림 3 참조).


그림 3. 연계 가능량 산정에서의 시뮬레이션에 의한 확률적 평가


(4) ‌향후 풍력발전 연계 가능량 확대를 위한 검토 과제
풍력발전의 연계 시에는 전체의 수급 조정 중에서 풍력을 포함한 공급력과 수요 균형을 확보할 필요가 있다.
앞으로 풍력발전의 연계를 확대하기 위해서는 풍력의 출력 변동을 작게 하고, 운용면을 포함해 변동을 흡수하는 조정력을 어떻게 확보할지가 과제이다. WG에서 정리된 과제는 다음과 같다.
① 풍력발전 측의 과제
<풍력발전의 출력 억제 기술>
□ 풍력발전의 출력 예측 기술과의 조합에 의한 효율적 출력 억제
<축전지를 병설해 출력 제어>
□ 축전지 비용을 줄이기 위해 효율적인 제어 방법을 개발하거나 설치할 축전지의 적정한 용량을 산정할 수 있는 방법을 확립
② 전력 계통 측의 과제
<풍력발전 출력 예측 기술의 활용>
□ 기술개발과 예측에 대한 현장에서의 지식 축적
<양수발전의 탄력적 활용>
□ 양수발전의 저수지 용량과 운전 예비력 등의 긴급시 대응으로서의 운용 제약
<지역간 연계선의 활용>
□ 풍력발전의 지역간 연계선 이용 시의 비정형 통고 운용
□ 일반 전기사업가자 표명하고 있는 지역간 연계선의 활용에 대한 당 협의회 룰과의 정합
<발전기 운용에 따른 조정력 확대책>
□ 발전기 운용에 따른 조정력 확대책 및 발전 비용에 대한 영향

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WG에서의 논의를 바탕으로 한 노력

 

앞에 설명한 것처럼 WG에서 지금까지 축적된 데이터를 바탕으로 한 풍력발전의 변동 평가를 재검토하기로 일반 전기사업자들은 밝혔다.
구체적인 노력으로는 2012년 11월 9일 도호쿠전력에서는, 재생 에너지의 고정가격 매입제도 실시 등을 바탕으로, 연계선을 활용한 실증시험분(40만kW)을 포함해 200만kW 정도까지 풍력발전 연계 접수가 가능할 전망이라고 발표했다.
이 회사에서는 과거 10년간 축적된 풍력발전의 출력 축적 데이터 분석 결과를 바탕으로, 향후 풍력발전의 연계량 증가에 따라 기대되는 단주기 변동의 평활화 효과에 대한 진전을 반영하고 있다(그림 4 참조).


그림 4.‌ 도호쿠전력의 풍력발전 실적 변동률과 평활화 효과를 고려한 변동률 추정


이번 글과 WG에서는 수급면에서의 풍력 연계 가능량에 대해 다루고 있는데, WG에서의 논의를 바탕으로 위에 설명한 도호쿠전력과 같이 연계량의 확대를 위한 노력이 시작됐다.
ESCJ에서도 풍력발전 연계 가능량 산정에 이용한 제원 확인 등 정기적인 팔로업을 통해 결과를 공표하기로 했다.
일반적으로 풍력발전의 적지는 수요 밀도가 낮은 지역인 경우가 많다. 이에 반해 지금까지의 전력 계통은 수요 밀도가 높은 지역 주변에 많은 송전선이 건설되어 있기 때문에 풍력발전을 계통에 연계할 때는 송전선의 용량 부족 등 계통 접근 면의 문제도 무시할 수 없다.
이러한 계통 접근에 대한 검토는 일반 전기사업자가 하고 있지만, 검토 결과나 검토 시의 대응에 의문점이 있을 경우나 당사자간 분쟁으로 발전될 경우에 대비해, ESCJ에서는 종래 설치된 계통 이용에 관한 상담 창구와 함께 2012년 4월에 계통 이용 상담실을 설치했으며 그 해 7월에는 법무성의 ‘재판 외 분쟁 해결 수속’(ADR:
Alternative Dispute Resolution)의 인증을 취득해 향후 발생할 우려가 있는 다양한 문제에 대한 대응을 강화하고 있다.


타지미 슈지(但見 収司)
전력계통이용협의회 사무국 기획부장

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