2.1 국가별 Grid Code

전 세계적으로 탄소중립을 위해 신재생에너지를 이용한 발전이 급격하게 증가하고 있다. 하지만 신재생발전의 경우 변동성 자원으로 출력이 일정하지 않은 문제점을 가지고 있으며 지속적으로 계통연계 용량이 증가할수록 계통에 악영향을 미칠 수 있다^(12-14). 신재생 발전이 활성화된 국외의 경우 국가별 Grid Code 제정을 통해 신재생에너지 발전 출력을 조정하는 기능을 명시하고 있다. 표 1은 국가별 Grid Code에서 출력조정 기능에 대한 명시 상태를 표기한 것이다. Grid Code의 요구사항은 출력제어 기능을 갖춘 스마트 인버터를 통해 대응이 가능하며, 국가별 기준치를 산정하여 운영되고 있다⁽⁷⁾. 국내도 이러한 상황에 맞춰 출력조정을 위한 다양한 연구를 진행 중이며 이에 따라 일부 연계기준이 개정되고 있다⁽³⁾.

2.2 과전압 발생 저감을 위한 스마트 인버터의 출력제어 방안

스마트 인버터는 연계점 전압의 크기에 따라 무효전력 출력과 유효전력 출력을 자동으로 제어할 수 있는 기능을 갖고 있다. 이 기능은 그림 1과 같이 VVC를 통한 무효전력 제어와 VWC를 통한 유효전력 제어 기능으로 구분된다^(5-6). 하지만 유효전력 출력제어는 발전사업자의 수익에 직접적인 영향을 주기 때문에 무효전력 출력제어가 우선적으로 동작되도록 설정되어 있다⁽¹⁶⁾.

식 (1)과 같이 무효전력 출력제어는 V2 이하의 저전압시 무효전력을 출력하여 전압을 상승시키고, V3 이상의 과전압시 무효전력을 흡수하여 전압을 감소시키는 기능이다⁽¹⁶⁾. 무효전력의 제어범위는 유효전력 출력을 감소키시지 않는 범위로 제한되며, 이를 통해 발전사업자의 수익을 보장하는 방안으로 사용된다. 유효전력 출력 제어는 식 (2)와 같이 무효전력 제어로도 과전압이 해소되지 않을 경우 동작하도록 설정되어 있다⁽¹⁵⁾. 과전압이 해소되지 않아 연계점 전압이 V5 이상으로 상승된 경우 유효전력 출력을 감소시키고 이를 통해 과전압을 해결한다^(5,6,16).

Fig. 1. Volt-Var (a) and Volt-Watt (b) control function of smart inverter with PCC Voltage

$V(t)$ : 계통 연계점 전압

$P(t)$ : 계통 연계점 전압에 따른 유효전력 출력 조정량

$Q(t)$ : 계통 연계점 전압에 따른 무효전력 출력 조정량

$V_{1},\: V_{2},\: V_{3},\: V_{4},\: V_{5},\: V_{6}$ : 출력조정을 위한 전압 설정치

2.3 배전선로의 열적용량 기준 변경 방안

배전계통에서 열적용량은 계측 및 제어설비 설치로 인한 경제성을 고려하여 정적용량을 기준으로 평가한다. 국내의 정적용량은 비상시 최대 운전용량과 상시 최대 운전용량으로 구분되며 이중 상시 최대 운전용량을 통해 수용률의 제약조건으로 사용하고 있다⁽³⁾,⁽¹¹⁾.

표 2는 국내 22.9[kV] 배전선로의 적정 운전용량을 나타낸 것이다⁽¹¹⁾. 비상시 최대 운전용량은 여름철 최악의 기상조건과 열화에 따른 용량 마진을 고려하여 14[MVA]로 산정되어 있다. 상시 최대 운전용량은 비상시 최대 운전용량에 계통 연계율을 고려하여 산정되었다. 상시 최대 운전용량에 적용되는 연계율은 타 선로의 일부용량을 부담할 수 있도록 선로의 용량을 평가하고 있고 수용률의 제약조건으로는 3분할 3연계를 적용한다. 따라서 타 선로의 1/3용량을 추가적으로 수용할 수 있는 용량인 10[MVA]로 산정되어 계통 제약조건으로 활용되고 있다. 최근에는 수용률 증대를 위해 분산전원 연계용량을 기존 10[MW]에서 12[MW]로 증가시키는 노력이 활발하게 진행 중이며 향후 14[MW]까지 연계용량을 증대시키는 것을 목표로 하고 있다⁽¹⁵⁾.

태양광발전의 출력특성을 고려한 제약조건을 적용하게 된다면 열적용량 초과문제를 해결할 수 있다. 기존의 제약은 부하관점에서의 제약조건이므로 단시간이 아닌 연속적으로 선로가 허용할 수 있는 용량으로 평가되었다. 태양광발전의 경우 낮 시간에 단기간 동안 최대출력을 내는 특징이 있기 때문에 이를 근거로 비상시 최대 운전용량으로 수용률 평가를 진행할 경우 분산전원의 수용률을 증대시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 ⁽¹⁵⁾에서 목표로 하는 14[MWp] 태양광발전을 배전계통에 연계하여 비상시 최대 운전용량을 적용한 수용률 평가를 진행하였다.

3.1 모의 계통

본 연구에서는 스마트인버터 적용을 통한 과전압 문제 해소 방안과, 비상시 최대 운전용량 적용을 통한 열적용량 해소 방안을 제시한다. 따라서 테스트 모델을 통해 태양광발전의 수용률을 증가시키고 적합성을 검증하였다. 그림 2는 적합성 검증을 위한 한전 KADTS (KEPCO Active Distribution Test System) 계통도를 나타낸다. 배전계통의 선로 부하는 3[MVA], 선로 길이 28[㎞], 선로 임피던스 0.182+j0.391[Ω/㎞]이며 1회선에 연계되는 태양광발전 용량과 스마트 인버터 적용 여부는 표 3과 같이 3가지 경우로 구분하였다⁽¹⁶⁾.

Fig. 2. Configuration of distribution system with PV

3.2 스마트 인버터 적용을 통한 과전압 저감

경부하와 특수일을 고려하기 위해 연간 부하 데이터 및 태양광발전 출력데이터를 활용하여 계통에서 발생하는 최대 전압을 분석하였다. 표 4는 스마트 인버터의 매개변수 설정치를 나타낸다. 각 설정치는 국내 연계규정 개정에 따른 연구에서 도출된 결과로서 스마트 인버터의 설정치로 활용하였다⁽¹⁷⁾.

그림 3은 ⁽¹⁸⁾에서 제공하는 기상데이터를 모의 계통의 태양광발전 출력에 적용할 경우 모의 계통의 1년간 최대전압을 나타낸다. Case 별 태양광 발전의 용량은 연계된 모든 태양광 발전의 합을 의미한다.

Fig. 3. Annual voltage profile applied to smart inverter

Case 1은 현재 연계기준으로 출력제어 기능이 없이도 연계할 수 있는 용량인 10[MWp]를 적용하였으며 출력제어 기능이 없어도 연간 최대전압은 1.04로 과전압이 발생하지 않았다. Case 2는 기준보다 4[MWp]를 추가 연계하였으며 출력제어기능이 없기 때문에 과전압이 발생하였다. 과전압은 8,760시간 중 475시간 동안 발생하였으며 주로 태양광발전 출력이 높은 봄철과 가을철에 집중적으로 나타났다. 또한 과전압 지속시간은 24시간 중 1-3시간으로 나타난다. 그러나 스마트인버터를 적용한 Case 3에서는 무효전력 출력제어를 통해 과전압 문제가 해소되는 것을 확인하였고, 최대 전압도 스마트 인버터 적용에 의해 1.06p.u에서 1.029p.u로 감소한 것을 확인하였다.

3.3 열적용량 기준 변경에 따른 수용성 증대

비상시 최대 운전용량 적용의 적합성 검증을 위해 실제 태양광발전 출력 데이터를 분석하였다. 태양광발전의 출력데이터는 ⁽¹⁸⁾에서 제공되는 한국서부발전의 태양광발전 데이터로써 태양광 출력이 높은 전남지역 3곳에서 취득하였다. 취득한 데이터를 통해 태양광발전의 계절별 출력을 그림 4에 나타내었다. 태양광발전은 높은 온도와 낮은 온도에서 출력이 감소하는 온도 특성과 일사량에 따른 출력증가 특성을 갖는다. 그로인해 여름철과 겨울철에 태양광발전의 출력이 감소하며 봄철과 가을철에 높은 출력이 나타난다. 태양광발전의 최대 출력량은 여름철 0.85[p.u], 봄철 1.01[p.u]로 나타났기 때문에 수용성 증대로 인한 열적용량 초과문제는 대부분 봄철에 발생하는 것으로 분석되었다.

Fig. 4. Seasonal profiles of PV output

따라서 봄과 가을철의 실제 운전용량은 상시 최대 운전용량보다 높다는 점을 고려하면 수용률을 증대시킬 수 있으며 여름철 기상조건으로 평가된 상시 최대 운전용량을 고려하더라도 여름철의 태양광발전의 출력이 낮기 때문에 수용률을 증가시킬 수 있는 것으로 분석되었다.

태양광발전 출력은 봄철과 가을철에 가장 높기 때문에 태양광발전에 의한 열적용량 초과문제도 봄철과 가을철에 발생한다. 그림 5는 Case별 선로의 열적용량을 분석한 그래프이다. 10[MWp] 태양광발전이 연계된 Case 1을 제외하고, 14[MWp] 태양광발전이 연계된 Case 2와 Case 3에서 선로 열적용량을 초과한 경우가 발생했다. Case 1의 선로 최대 열적용량은 7.93 [MVA]로서 열적용량 제한을 넘지 않았고, Case 2와 Case 3에서는 태양광발전에 따른 최대 열적용량이 각각 11.54[MVA]와 11.88[MVA]로서 일부 구간에서 상시 최대 운전용량을 초과하였으나, 비상시 최대 운전용량은 초과하지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 5. Evaluation of thermal rating by cases

태양광발전 출력에 의한 열적용량 기준을 비상시 최대 운전용량으로 변경하더라도 배전선로 운영에 이상이 없다면 분산전원 수용성을 확대할 수 있다는 장점을 얻는다. 그림 6을 통해 태양광발전 출력과 비상시 최대 운전용량의 관계와 열적용량 기준 변경이 배전계통에 미치는 영향을 분석하였다.

선로의 열적용량 제한 기준을 비상시 최대 운전용량으로 변경했을 때 태양광발전이 선로 용량에 미치는 영향을 분석하였다. 그림 6은 내림차순 정리를 통한 태양광발전 출력의 패턴을 나타낸다. 출력패턴모델을 통해 태양광발전의 연간 최대 출력 시간을 분석하였다. 태양광발전이 최대 출력을 내는 시간은 연간 8.5시간으로 매우 짧으며, 하루 중 최대 출력 발생하는 시간이 1시간 미만이기 때문에 단시간 동안만 지속한다는 것을 알 수 있다. 따라서 태양광발전의 단시간적 출력 특성을 고려하면 열적용량 제한 기준을 비상시 최대 운전용량으로 적용하여도 문제가 없음을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Patterns of annual PV output

3.4 분산전원 수용성 증대 방안 제안

본 연구에서는 출력 변동성이 높은 태양광발전이 연계된 모의 계통을 통한 사례 연구를 통해 분산전원 수용성 증대 방안을 분석하였다. 이러한 분석을 기반으로 표 5와 같이 분산전원 수용성 증대를 위한 방안을 제시하였다. 유/무효전력 제어가 가능한 스마트 인버터를 설치하고, 열적용량 기준을 비상시 최대 운전용량으로 변경한다면 배전계통의 분산전원 연계용량을 10[MVA]에서 14[MVA]로 증대할 수 있다.