1. 서 론

기후변화에 대응하기 위해서 현재 전력계통에는 다양한 신재생에너지 발전설비가 도입되고 있다. 신재생에너지 발전원으로는 태양광, 태양열, 연료전지, 조력, 바이오 등 다양한 형태가 있으나 현재 배전계통에 연계되고 있는 대부분의 분산전원은 태양광설비이다. 이에 따라 급속히 증가하고 있는 태양광 설비용량으로 인해 배전계통운영과 전력품질 유지에 많은 어려움이 발생하고 있다. 특히 태양광설비와 같은 분산전원이 과도하게 접속되어 운전될 경우, 배전선로의 전압이 상승하게 되어 일반 수용가에 공급되는 전기의 전압이 적정범위를 넘어버릴 가능성이 매우 높다. 따라서 현재 한전에서는 배전선로에 접속할 수 있는 분산전원 용량 한도를 설정하여 분산전원 연계에 따른 공급 전력 품질의 저하를 최소화하고 있다. 분산전원 접속규정에서 정하고 있는 배전선의 허용용량은 분산전원 보급확대에 따라 같이 증가하여 현재는 일반 배전선로를 기준으로 해당 배전선로의 최소부하 크기에 따라 12WM~14MW로 정해진다. 그러다 보니 분산전원의 대부분을 차지하는 태양광발전이 최대 출력을 내는 시간대에 배전계통 운영상황에 따라 과전압이 발생할 우려가 커지고 있다. 특히 배전계통은 보수 공사나 선로 고장으로 인한 선로간 절체작업을 수시로 시행하고 있다. 그 때마다 배전선로에 연계되는 분산형 전원의 용량과 분포가 변하게 되면 전압상승이 자주 발생하게 되고 이로 인해 각종 보호 기기의 오동작, 절연파괴와 같이 배전계통에 악영향이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 배전선에 접속되는 태양광설비가 배전계통의 운용상황에 협조하여 운전될 수 있어야 한다. 최근에는 태양광설비의 인버터 기능이 지속적으로 업그레이드되어 한전의 배전계통운영과 조화롭게 운전될 수 있을 것으로 기대되고 있으나, 협조 운전이 사실상 불가능한 초기 1세대의 인버터에 대해서는 별도의 대책이 필요하다고 현장에서는 판단하고 있다. 현재까지 배전계통에 접속되어 현장 적용중이거나 개발중인 태양광 설비의 인버터를 1세대에서 3세대로 분류해보면 다음 표 1과 같다.

일반 부하로 구성된 배전선로의 경우, 커패시터 또는 인덕터 부하를 투입하여 전압 전류의 위상을 변화시킴으로써 무효전력을 조절하거나 부하 제어를 통해 유효전력을 조절하여 전압을 조정할 수 있다. 분산전원이 연계된 배전선로에 있어서도 동일한 개념으로 전압 조정이 가능하다. 가령 계통에 접속되는 인버터 제어를 통해 전압 전류의 위상, 즉 무효전력을 조절할 수 있으면 배전선로의 운전상황에 맞게 전압을 조정할 수 있다. 그러나 이러한 기능을 갖춘 2세대 이상의 인버터와 달리 1세대 인버터는 상용운전시 기본적으로 최대출력점기준으로 운전하기 때문에 해당 운전점의 전압, 전류로 고정되어 있다. 따라서 1세대 인버터는 배전선로 운전상황에 맞는 전압 전류 위상제어가 불가능하기 때문에 무효전력 조절을 통한 전압 협조가 불가능하다. 그러다 보니 배전계통 부하상황에 따라 발전전력의 역조류가 발생하거나 배전선로의 전압도 상승하고 있어 배전계통 운영에 어려움을 주고 있다. 강원지역을 예로 들면, 변전소 평균 접속용량의 30%∼40%가 2017년 이전 태양광설비를 대규모로 보급할 때 설치한 1세대 인버터형식으로 파악되며, 이후에는 점차적으로 2세대와 3세대 인버터로 전환되고 있다. 이처럼 아직은 배전선로에서 큰 비중을 차지하고 있는 1세대 인버터가 배전계통의 운영상황에 따라 협조 운전할 수 있게 하여 분산전원에 의한 전기 공급의 품질 저하나 계통 운영상의 문제를 최소화하여야 할 것이다. 또한 2세대 이상의 지능형 인버터를 갖춘 발전사업자와의 형평성을 고려할 때도 중장기적으로 필요한 대책이라고 판단된다.

본 연구에서는 현재 배전계통에 다수 접속되어 있는 태양광 설비의 1세대 인버터를 대상으로 배전계통의 전압상승을 방지할 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 1세대 인버터는 무효전력 제어를 통한 전압 협조가 불가능하기 때문에 태양광 발전설비를 통해 계통으로 유입되는 전류를 조절함으로써 계통상의 유효전력 공급을 제한하여 전압 상승을 억제하는 방법을 적용할 수 있다. 이를 위한 본 연구에서는 태양광설비에 연계장치를 설계, 접속하고 계통부하상황에 따라 점호각을 제어하여 태양광설비의 출력을 조절함으로써 배전선로의 전압을 조정할 수 있는 방법을 제안한다. 또한 실제 배전선로를 Powersim S/W로 모의하고 제안된 방법을 적용하여 본 연구의 타당성을 검증하고자 한다.

2. 배전계통 연계 태양광설비의 운전 현황

2.1 분산전원이 연계된 배전계통 모델

그림 1에 현재 분산전원이 연계된 배전계통의 다양한 선로 모델을 보였다.

회로적으로 배전용 변전소는 관성이 무한대, 임피던스는 O인 이상적인 모선으로 가정한다. 이를 기준으로 대부분 ACSR 160㎟의 배전선로는 부하 및 분산전원 용량을 합하여 총 14MW 한도내에서 연계를 허용하고 있다. 보통 배전선로의 기저부하를 2MW로 본다면, 이러한 접속기준 하에서 12MW 정도 분산전원에서 만들어진 전력이 선로로 실제 유입되고 있다고 볼 수 있다. 배전변전소(154㎸)의 주변압기 용량은 45/60㎿이며, 배전선로의 간선 규격은 ACSR160㎟으로 1개M.tr에 연계되는 분산형전원 용량은 50㎿로 규정하고 있다.

그림 1. 분산전원 연계 배전선로 모델

Fig. 1. Distribution line models interconnected with DG

배전선로에는 동상, 지상, 진상부하 모두가 접속될 수 있으나 보통은 동상 또는 지상부하가 대부분이기 때문에 일반적인 부하 선로 말단의 전압은 변전소 전원측 전압보다 낮아지는 것이 일반적이다. 그러나 분산전원이 연계되어 있을 경우에는 분산전원의 운전 상황에 따라 접속점 선로의 전압이 변전소 모선의 전압보다 높아지는 경우가 발생할 수 있다. 가령 분산전원이 진상으로 운전하고 있을 경우에는 접속점 부근의 전압이 변전소 모선 전압보다 높아지게 되지만, 동상이나 지상으로 운전할 경우에는 변전소 모선 전압보다 낮아질 가능성이 많다.

2.2 배전선 연계 태양광 발전설비의 운전 특성

계통에 연계되는 신재생 에너지원으로는 태양열, 태양광, 풍력, 소수력, 바이오, 지열 등 다양한 형태가 있을 수 있으나 실제로 배전선로에 접속되는 것은 대부분이 태양광 설비이다. 따라서 본 연구에서는 현재 배전선로에 접속된 태양광설비를 대상으로 배전계통의 전압 품질 문제를 다루었다.

태양광 설비의 전력 조정 시스템(PCS, Power Conditioning System)은 태양광 모듈의 비선형적인 출력 특성으로 인해 일사량 변화에 따라 변동하는 출력을 최적으로 활용할 수 있도록 최대전력점추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 것이 일반적이다. PCS는 태양전지의 전압-전류 특성 곡선 상에서 최대 전력을 추출할 수 있는 지점에서 동작하도록 DC/DC 컨버터를 이용해 태양광 모듈의 출력 전압을 조정하여 MPPT를 수행하며, 이후 인버터를 통해 전력 계통과 위상 및 주파수를 동기화한 교류(AC) 전력으로 변환하여 계통에 공급한다. 이를 통해 PCS는 태양광 발전 시스템의 전력 변환 효율을 극대화하고, 안정적인 전력 계통 연계를 가능하게 한다.

2.2.1 1세대 PCS 출력제어 특성

서론에서 기술한 것과 같이 현재 상당수 비중을 차지하고 있는 태양광설비는 1세대 PCS 설비이다. 1세대 태양광 설비는 수익을 극대화 시킬 수 있도록 최대출력을 얻을 수 있는 최대전력점 추적을 운전의 기본으로 하고 있다. MPPT제어시, DC/DC 컨버터에서는 최대 전력이 발생할 수 있도록 전압을 상승시키면 전력은 일정하므로 전류는 작아지게 된다. 따라서 배전계통에서 보면 일차적으로 MPPT 제어에서 전류가 제한되는 것으로 볼 수 있다.

그림 2은 배전계통 말단에 태양광발전설비가 연계된 형태를 간략히 표현한 모델로서 한국전력계통과 태양광발전설비 각각의 책임한계점 영역을 명시하고 있다. 그림에서 A는 배전계통으로 유입되는 인버터 출력을 전류원으로 표시한 것이다. 1세대 인버터는 최대전력점을 추적하면서 출력을 내도록 되어 있기 때문에 계통운영측면에서 필요한 제어를 인버터 자체에서 할 수 있는 여지는 거의 없다. 그림 3은 태양광설비의 인버터 회로를 개념적으로 표현한 것이다. MPPT제어를 위한 부스트 컨버터와 DC-Link단의 전압과 인버터전류를 제어하기 위한 DC-AC인버터와 AC필터로 구성된다.

그림 2. 한전계통과 태양광발전설비의 접속

Fig. 2. KEPCO distribution system and PV system

그림 3. 태양광 인버터 회로도

Fig. 3. Solar inverter control circuit diagram

2.2.2 2세대 이후 PCS 출력제어 특성

2세대 인버터는 1세대 인버터와 마찬가지로 전류원으로 동작을 하지만, 계통의 상황에 따라 출력을 조절하는 보조능력(FRT, Freq/Watt, Volt/Var 기능 등)을 추가하여 계통 보조형 GFL(Grid-Following)인버터로 불리며, 종속 전류원으로 기능한다. 2세대 인버터의 계통 보조 기능은 1세대에서는 구현할수 없는 고장복구 기여, 주파수 회복, 전압회복의 일부기능을 수행하고 있다.

2.2.3 한전의 배전계통 연계 PCS 기능 요구조건 변천

배전계통에 접속된 분산전원용량이 점차 증가함에 따라 연계되는 인버터에 대해 한전에서 요구하는 기능 요건도 강화되었다.

• 2014년 이전 : MPPT 강조(과전압 문제 미고려)

• 2014년 이후 : 무효전력 제어기반 전압제어 기능 요구

• 2016년 : DER-AVM 무효전력 제어기반 전압관리 적용

• 2020년 : FRT 기능 요구

• 2021년 ~ 현재 : 계통지원기능 KS 표준화 추진 중

이처럼 연계된 용량이 커짐에 따라 유효전력에 의한 역조류 영향으로 기존 배전계통 운영조작만으로는 전압유지가 어려워졌고, 분산전원 자체의 무효전력 제어기반의 전압조정 협조를 요구하게 되었다. 또한 무효전력제어기반의 전압제어를 제공하지 못하는 1세대 분산전원 인버터에 대한 대책도 시급히 필요한 상황이기 때문에 본 논문에서는 별도로 무효전력제어 기반의 연계장치를 구현하여 적용하는 방법을 제시한다.

3. 제안된 연계장치를 이용한 배전선로 전압 조정 모델

본 연구에서 제안한 연계장치는 그림 3의 1세대 태양광 인버터의 계통측에 추가적으로 설치하여 사용된다. 그림 4에 이를 도식적으로 표현하였다. 또한 해당 계통연계장치의 제어원리를 설명하기 위해 회로도를 그림 5에 나타내었다. 회로도에서 태양광설비의 인버터는 전류원으로 표시하였다.

그림 4. 계통연계장치의 설치 위치

Fig. 4. Installation of Interconnection Device

그림 5. 전류원 기반 계통연계장치의 회로

Fig. 5. Circuit Diagram of Interconnection Device

그림 5에서 전원용량 10㎿, 정격전압 22.9㎸일 때, 전류원으로서 분산전원이 공급하고 있는 전류의 실효값은 252A가 된다. Rinner1과 Rinner2는 연계장치의 내부저항으로 계통부하 Rgrid에 공급하는 전류의 크기를 제어하기 위한 내부 부하이다. 여기서 싸이리스터의 게이트 회로에 점호각을 제어하는 장치를 연결하여 점호각을 0° ∼ 180° 조절하면서 Rinner1, Rinner2, Rgrid에 흐르는 전류를 나타내면 그림 6-그림 8과 같다.

그림 6. 점호각 0° 경우의 전류

Fig. 6. Currents at 0° firing angle

그림 6은 점호각이 0o인 경우로, 전원전류의 (+) 반주기동안 Th1이 도통되어 Iinner1이 흐르게 되고, (-) 반주기동안 Th2가 도통되어 Iinner2가 흐르게 된다. 결국 각각의 반주기동안 내부저항부하 R2, R1으로 분기전류가 흐르게 되어 계통으로 유입되는 전류의 양은 줄어들게 된다. 이 경우, Igrid의 실효치는 186A가 되어 배전계통으로 흘러가는 전류가 66A만큼 감소함을 확인할 수 있으며, 감소된 전류에 의해 변전소와 배전선로 상의 전압상승을 저감시킬 수 있다.

그림 7. 점호각 60° 경우의 전류

Fig. 7. Currents at 60° firing angle

점호각을 60°일 경우, Igrid 전류의 실효치는 212A이 된다. 점호각이 0°에서 60°로 증가함에 따라 연계장치 내부저항으로 흐르는 전류가 줄어들고 그만큼 계통으로 흘러 들어가는 전류가 커지므로 말단의 전압상승은 더욱 커질 것이다.

그림 8. 점호각 180°(미제어) 경우 전류분포

Fig. 8. Currents at 180° firing angle

점호각 180° 즉, 제어를 하지 않을 경우는 연계장치를 설치하지 않은 것과 같기 때문에 Igrid 실효치는 252A이다. 발전전력을 모두 계통으로 전달하는 것으로 최대 전압상승을 일으키는 상태가 된다.

이상과 같이 회로해석을 통해서 내부저항(부하)과 계통저항(부하)의 크기와 싸이리스터의 점호각을 변화시킴에 따라 계통에 유입되는 전류의 크기를 조절할 수 있음을 보였다. 이를 바탕으로 실제 계통에 적용시, 배전선로의 전압을 허용전압범위로 유지할 수 있는 점호각을 도출하여 이를 연계장치에 적용하는 방법을 제시한다.

4. 실제 배전계통 운영 상황별 전압 조정 방법 예시

한전에서는 배전선로의 공사, 부하량 제어, 고장시 임시송전 등을 위하여 수시로 배전계통의 구성을 변경시키면서 운전을 하고 있다. 이에 따라 변동된 부하상황에 따라 분산전원이 능동적으로 대응하지 않을 경우, 배전선로의 전압분포가 정상적 범위를 넘어서는 경우가 다수 발생하고 있다. 따라서 본 절에서는 3장에서 제시한 연계장치 제어를 통해 태양광전원의 출력을 조정함으로써 배전선로 운영상황에 따라 전압을 적정범위로 유지할 수 있는 방안을 실계통을 대상으로 제시하고자 한다. 본 논문에서 예시로 사용한 모델 계통을 그림 9에 나타내었다. 본 계통 모델에서는 2개 배전선로 각각을 통해 분산전원이 연계되어 있으며 두 배전선로 사이에는 자동절체가 가능한 개폐기를 설치하였다. 예시에서 사용한 배전선로의 선로정수는 표 2과 같다.

그림 9. 모델 계통

Fig. 9. model system

그림 9의 계통은 2개 배전선로 A D/L과 B D/L을 각각 개별운전 하는 상황으로 평상시 한전에서는 이와 같은 방식으로 선로운영을 한다. 그림에서 G/A는 원격제어가 가능한 자동개폐기를 나타낸다. 표 2와 같이 각 배전선로상 100개소에 총량 10MW가 분산전원이 분산 배치된 것으로 모의하였으나, 그림에서는 편의상 말단에 설치된 것으로 표시하였다. 한 개 D/L은 최대 10㎿의 전력을 담당하게 되며, 만일 14㎿이상의 발전량이나 부하량을 담당해야 할 경우는 비상시 운전으로 전환하게 된다. 예를 들어 선로 고장이나 공사로 인해 일부 구간을 사선으로 운전해야 할 경우, 사선 구간을 제외하고 계속적으로 전원이 공급되어야 하는 구간은 다른 배전선로로 절체를 하게 된다. 이 경우 사선구간 이외의 배전선로에 접속된 분산전원 발전전력은 전환된 배전선로로 전달됨에 따라 선로의 과전압 상태를 만들게 된다.

5. 결 론

본 연구에서는 분산전원 연계용량의 급격한 증가에 따라 배전계통 운영 현장에서 발생하고 있는 선로 과전압, 과전류현상을 해소하기 위한 대책으로서, 한전과 운영협조를 통해 출력제어가 불가능한 1세대 태양광설비에 별도의 연계장치를 설치하여 협조 제어를 실시하는 방안을 제시하였다.

실계통 선로정수와 선로운영방식을 적용하고 현재 접속되어 있는 태양광설비의 분포 및 형식 등을 고려하여 모의한 결과, 제안된 연계장치를 통해 배전선로에서 발생하였던 과전압 및 과전류 상태를 제거할 수 있음을 보였다.

한국전력에서는 봄, 가을 경부하시기에 태양광을 포함한 분산전원 출력에 대한 제어를 실시하고 있는데, 신재생에너지의 접속용량과 발전량이 지속적으로 늘어나고 있어서 대상 지역과 제어 용량이 크게 증가하고 있다. 현재는 제어 협조가 가능한 2세대 인버터를 대상으로 출력제어를 실시하고 있다. 그러다 보니 발전량 제어에 따른 수익 감소가 발생하는 2세대 인버터 설비 소유 발전사업자가 형평성의 문제를 제기하고 있고, 실제 제주와 전남지역 발전사업자들은 한전을 상태로 소송을 진행중이다. 따라서 발전사업자간의 공정성과 형평성 차원에서도 1세대 인버터형식을 갖고 있는 기존의 태양광설비에 대한 출력제어가 필요한 상황이다.

본 연구는 현재 신재생에너지원과 같은 분산전원의 증가로 인해 발생하고 있는 배전계통 운영상의 문제점 중의 하나인 과전압 문제를 해소하고자 비교적 간단한 구조의 연계장치를 1세대 인버터에 적용하는 대책을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 연계장치를 실제 배전계통 현장에 적용하기 위해서는 설치에 따른 비용 부담, 2세대 이상의 인버터 설비와의 출력 분담, 장치의 개발 및 보급 등 향후 해결되어야할 과제들이 다수 존재한다. 또한 연계장치를 통한 분산전원의 협조 제어가 효과적으로 이루어질 수 있도록 관련 제도 마련이 필요하고, 협조제어에 참여한 사업자에 대한 인센티브나 보상체계도 고민을 하여야 할 것이다. 특히 본 연구에서는 연계장치의 적용 가능성을 보이기 위해 회로적인 모델을 제안하면서 연계장치 내부의 부하를 저항 모델로 사용하였다. 만일 저항부하를 현장에서 사용할 경우는 태양광설비의 용량에 따라 부하용량을 정해야 할 것이다. 그러나 발전된 전력을 단순히 저항부하로 소비하는 것은 에너지 측면에서 비효율적일 수 있기 때문에 재판매가 가능하도록 2차전지나 그린수소 생산 및 저장장치과 같은 ESS를 활용하는 방안도 고려할 수 있을 것이다.

이처럼 향후 추진해야 할 과제가 남아 있으나, 현재 지속적으로 증가되고 있는 분산전원과 이에 따라 심각해지고 있는 배전계통 운전의 어려움을 해결하기 위해서는 반드시 추진하여야 할 대책이라고 판단된다.