1. 서 론

기후변환에 대한 정부간 협의체 IPCC(International Panel on Climate Change)는 2021년에 발표한 “제6차 평가보고서” 에서는 산업화 이전 대비 1.5 상승시점을 2021~2040년으로 예측하며 국제사회에 보다 선제적 기후위기 대응을 요구했다^[1].

한국에서도 2050 탄소 중립을 선언하며 다양한 탄소중립 추진이 마련되고 있으며 대규모 재생에너지 발전설비와 더불어 다양한 형태의 응용방안 들이 계통에 접속되고 있다. 이에 한국가스공사에서는 전력, 수소, 열, 천연가스를 동시에 활용하는 방안으로써 복합에너지허브를 구축하고 실증하는 연구를 진행 중에 있다. 여기에는 지역에 전력을 공급하는 마이크로 그리드 형태 또한 구성하고 있으며, 추가적으로 터보팽창형 정압기(Turbo Expander Generator, TEG), 태양광과 Combined Heat & Power, 연료전지, ESS 등이 복합적으로 구성되는 형태이다. 여기에서 TEG는 고압의 천연가스가 터보 팽창기를 통해 저압으로 감압될 때 발생되는 회전에너지를 활용하여 전기에너지로 변화시키는 장치를 의미한다. 한국가스공사(KOGAS)는 천연가스를 기화하여 전국 주배관망에 천연가스를 공급할 때, 장거리 수송이 가능하도록 고압(65bar)으로 송출하고 전국 각 지점의 공급관리소에서 발전소나 도시가스사의 수요처로 보내질 때 정압기를 거쳐 감압하여(25bar 또는 8.5bar)송출한다. 기존 공급관리소에서는 천연가스 감압과정에서 발생되는 압력에너지를 활용하지 못하였으나, TEG는 활용되지 못했던 미활용 압력에너지를 활용하여 전기를 생산하는 발전시스템이다^[2]. TEG를 이용한 감압발전은 현재 정부로부터 신재생에너지원으로 인정받고 있지는 않지만, 온실가스를 특별히 더 배출하지 않고, 화석에너지를 소비하지 않는 자원이기 때문에 그 취지상 신재생에너지원으로 보아도 무방할 것이다. TEG는 태양광발전에 비해 에너지 밀도가 높기 때문에 좁은 공간에서도 큰 전력을 생산할 수 있고, 이와 같은 발전이 확대 적용되면 온실가스를 배출하지 않고 자원을 소비하지 않는 훌륭한 에너지원으로 자리 잡을 수 있을 것으로 예상 된다^[3-4].

본 논문에서는 TEG의 추가적인 활용방안으로써 가스압력만을 사용하여 발전할 수 있는 TEG의 특성을 활용하여, 국내 전력계통 전체가 정전되었을 경우 계통을 복구하는 과정에서 사용되는 자체기동발전기를 대체하는 방안에 대해 제시하고자 한다.

그림 1. 지역별 시송선 계통 구성도 및 계통도

Fig. 1. System composition of trial transmission line and system diagram by region

그림 1 은 국내 시 송전선로를 표현하였다. 육지계통의 6개 지역에 주, 예비 시송전 계통이 구성되어 총 11개의 복구계획이 존재하고 있다. 현재 복구계획의 대부분의 가압전원은 수력발전기를 주 발전원으로 하는 양수발전이며 이들이 우선기동 발전기에 전력을 공급하는 자체기동 발전기로서 사용되게 된다. 여기에서 문제가 발생하게 되는데, 이는 자체기동발전기가 양수발전소 이기에 대부분 도심과 멀리 이격 된 산지에 위치한다는 점이다. 이에 따라 자체기동발전기로부터 우선 기동발전기까지는 긴 송전선로를 이용하여 물리적으로 먼 거리를 가압해야하게 되며, 기동발전에 사용되는 매우 작은 전력크기로 인하여 결과적으로 송전단 전압보다 수전단 전압이 높아지는 페란티 현상을 유발하게 된다. 이러한 페란티 현상은 송전선로의 충전용량 때문에 발생하는 것으로써 수전단의 전압이 크게는 정상전압의 4배 이상으로 커지는 현상이 발생되기 때문에, 수전단에 위치한 우선 기동발전기에 과전압이 발생하여 차단기가 다시 동작할 가능성을 만들게 된다. 이는 결과적으로 정전 복구 시간을 지연시킬 확률을 높이며, 만약 양수발전소에 수위가 낮아지는 봄과 겨울에 대규모 정전이 발생하게 되면 양수발전소의 발전원인 수위가 낮아짐으로 이러한 기동실패에 따른 시 송전 선로 재 가압은 정전복구 시간을 더욱 증가시키게 되고 이는 정전 시간을 추가로 증가 시키게 되어 더욱 큰 2차 피해를 발생시킬 여지가 있다.

따라서 본 논문에서는 전 계통 정전시 복구계획에 의거하여 경인남부㈜의 시송전 선로를 복합에너지 허브에 접속된 TEG와 연계하여 TEG를 자체기동발전기로 대체하고 이를 통하여 전력계통을 복구하는 것에 대한 해석을 수행하였다. TEG와 우선기동 발전기를 연결하고, 여기에서 필요로 하는 무효전력량을 계산하여 TEG가 자체기동 발전기로써 동작하는데 문제가 없는 지를 확인하였다. 또한 도심지에 위치하는 TEG의 특성을 이용하여 페란티 효과가 기존보다 작게 나타나는 것을 확인하고, 필요한 무효전력이 부족한 경우 캐패시터와 같은 조상설비를 이용하여 무효전력 공급을 지속시키는 방안에 대해서도 수행하였다.

2. TEG의 자체기동발전기 대체

계통에 정전이 발생하면 황색차단기를 제외한 나머지 차단기는 전부 개방되며 전력계통 복구절차가 수행된다. 복구 절차는 각 지역별로 주, 예비 시 송전 선로가 존재하며 경인북부, 경인남부, 영동지역, 중부지역, 영남지역, 호남지역, 제주지역 등으로 구분되어 각 시송전 계통이 구성되어 있다. 여기에서는 복합에너지 허브가 위치하는 경인 남부지역의 시송전선로를 이용하여 계통을 복구하는 절차에 대해 검토해 보도록 한다.

2.1 자체기동발전기 대체에 따른 모선 전압 검토

그림 2는 경인남부㈜ 시 송전 선로를 축약한 계통도이다. 총 12개의 모선으로 구성되어 있으며 시 송전선로를 제외한 해당 지역의 모든 부하와 발전기는 개방되어 있다. 시 송전선로의 구성은 발전기(우선기동발전기, 자체기동발전기), 변압기, 리액터 및 선로 충전용량(캐패시터 표기) 등이 포함되어 있다.

그림 2. 경인남부 시송전 계통도

Fig. 2. Southern-Gyeongin trial transmission system diagram

복합에너지 허브는 위 그림에서 8번 모선인 화성 345kV 모선에 연결될 예정이며, 계통과 복합에너지 허브가 연계되면 그림 3과 같은 방식으로 시송전선로를 단축시킬 수 있게 된다. 따라서 선로의 충전용량이 감소하게 되어 과전압 현상을 해결하는데 도움이 되는 것을 확인 하였다.

그림 3. TEG를 이용한 경인남부 시송전 계통도

Fig. 3. Southern-Gyeongin trial transmission system diagram with TEG

이와 같이 시송전 계통을 수정하여 나타나는 각 모선전압을 확인하면 다음 표와 같다.

표 1 연도 별 모선분리 방안수(R) 및 선로분리 방안 수(S)에 대한 최종 결과

Table 1 Result of the final # of R and S

Bus #	Bus Name	Bus Voltage (p.u)
		Initial	with TEG
1	Cheongpyeong 1P	1.0000	-
3	DongSeoul 1	1.0368	-
8	Hwaseong 3	1.0416	1.0225
11	Pyeongtaek CC	1.0889	1.0732
12	Pyeongtaek GT1	1.0313	1.0164

2.2 유도 발전기의 단독 운전 방안

그림 4는 기존의 유도 발전기가 계통과 연계 운전할 때의 전력 흐름을 화살표로 표현한 그림이다. 기호의 첨자 IG는 유도발전기, grid는 전력계통을 의미하며, 계통으로부터 공급받는 유효전력을 Pgrid, 무효전력을 Qrid, 부하의 소비전력을 PL 및 QL로 나타내었다.

그림 4. 유도 발전기의 계통 연계 운전시 전력 흐름

Fig. 4. Power flow during grid-connected operation of an induction generator

계통과 연계운전을 하는 유도 발전기가 부하의 유효전력 일부를 부담하는 계통이 있다고 가정할 때, 부하 전력의 크기는 다음과 같이 표현이 가능하다.

(1)

$Load=P_{L}+j Q_{L}$

부하를 유도발전기와 계통이 함께 발전하여 부담하는 것을 아래의 수식과 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 선로의 임피던스와 기타 손실은 고려하지 않았다.

(2)

$Grid=P_{Grid}+j Q_{Grid}$

(3)

$IG=P_{IG}-j Q_{IG}$

기타 손실을 제외한 부하전력은 계통의 출력과 유도 발전기의 합으로 표현할 수 있고 계통과 연계운전 할 때의 부하전력을 정의하면 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

(4)

$Load=P_{IG}+P_{Grid}+j(Q_{Grid}-Q_{IG})$

유도발전기가 전동기로써 또는 발전기로서 운전하기 위해서는 요구되는 무효전력을 계통으로 공급받아야 하며, 무효전력을 소모하는 형태로 나타나기 때문에, 유도발전기의 무효전력 출력이 음수로 표현된다^[5].

그림 5. 유도 발전기의 단독 운전시 전력 흐름

Fig. 5. Power flow in island operation of an induction generator

그림 5는 유도 발전기가 시송전선로에서 분리되어 단독운전 될 경우 전력의 흐름을 화살표로 표기하였다. 새로운 기호 첨자 Ferr은 페란티 현상으로 인한 송전선의 충전전류를 의미한다. 그림 5와 다르게 계통에서의 전원(유효전력, 무효전력) 공급이 없으며 전부하의 유효전력을 유도 발전기로 부담이 가능한 경우 부하전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(5)

$Load=P_{IG}-j Q_{IG}$

여기에서 적절한 무효전력 보상설비가 구비되지 않으면 부하전력이 음수가 되어 유도발전기인 TEG가 자체기동 발전기를 온전히 대체할 수 없게 된다. 따라서 지속적인 무효전력을 공급하는 방안을 마련해 두어야 하며 이에 대한 가장 대표적인 설비는 전력용 캐패시터가 있다. 유도 전동기의 동작을 위해 설치해야 하는 캐패시턴스의 크기는 발전기 리액턴스크기와 같아야 한다^[6-8].

(6)

$\dfrac{1}{w C}=w L$

따라서 유도발전기 여자에 필요한 최소 캐패시터 용량(Creq)은 아래와 수식 (7)과 같이 계산할 수 있다. 경기남부 복구계획에 포함된 우선기동 발전기의 기동부하는 발전소 소내 부하를 포함한 총 0.6[MW], 0.208[Mvar] 수준이며 대체되는 TEG는 1.6[MW]급으로 기동전원으로써는 충분한 능력을 갖는다.

(7)

$C_{req}=\dfrac{1}{w^{2}L}$

유도 발전기의 용량에 해당하는 캐패시터를 계통에 투입하게 되면 유도발전기의 단독여자가 가능해지고 전 계통 정전 시 TEG로 우선 기동 발전기를 가압 할 수 있다.

만약, 이때 그림5에서와 같이 유도 발전기 여자에 필요한 캐패시턴스를 선로 충전용량으로 대신할 수 있다면 이때 필요한 무효전력량은 다음 수식으로 나타낼 수 있다^[9-10].

(8)

$Q_{C}=(Q_{L}+Q_{IG})-Q_{Ferr}$

위 수식 (8)에서 Qc는 최종적으로 투입할 캐패시터 용량이며, QL은 부하와 우선기동 발전기의 소내 부하, 기동부하 QIG는 TEG가 단독운전을 위해 사용되는 여자에 필요한 커패시터 용량, QFerr은 장거리 송전선로의 충전 전류에 의해 계산된 충전용량이다. 위와 같이 선로의 충전용량으로 인하여 요구되는 무효전력 량은 다소 줄어들게 되어 유도발전기를 이용하여도 자체기동 발전기 역할을 수행하는데 문제가 없게 되며, 우선기동 발전기를 작동시키기에 충분하게 된다.

3. 해석 결과

해석에는 그림 6과 같이 한전 실 계통에 자체기동발전기를 1.6[MW]의 출력을 갖는 TEG로 대체 설치하고 정적 안정도를 검토하여 TEG(유도전동기)가 자체 기동전원으로써 역할을 잘 수행하는지 검토하였다. 첫 번째 검토 사항은 Swing 발전기의 유효전력 출력(Pgen2) 값이다. Pgen2는 스윙발전기가 계통으로부터 내보내는 유효전력 값으로 이 값이 이론상 0[MW]에 수렴해야 한다. 만약 이 값이 자체기동발전기 기동 부하량과 비슷하다면 설치한 TEG가 유효한 출력을 발생시키지 못하는 것으로 볼 수 있고 시송전선로를 단독 가압하지 못하는 상황을 의미한다. 두 번째 검토사항은 Swing 발전기의 무효전력 출력(Qgen) 값이다. TEG가 계통의 무효전력을 흡수함으로써 유효전력을 출력하고 있기 때문에 이 값을 기반으로 부족한 캐패시터 량(TEG 단독운전에 필요한 여자전류량)을 산정할 수 있다.

그림 6. TEG 단독 운전을 통한 시송전 계통 가압 개념도

Fig. 6. Conceptual diagram of system commissioning through TEG independent operation

위와 같이 계통을 구성한 후 전력계통 해석 소프트웨어를 이용하여 정적 시뮬레이션을 수행하였다. 시송전선로에 자체기동발전기를 TEG로 대체하고 Swing 발전기의 출력을 확인하여 TEG의 정상 운전 여부를 확인하였다. 자체기동 발전기의 위치는 TEG가 설치되는 화성3(4400) 모선으로 변경하여 해석을 수행하였다.

위의 결과에서 알 수 있듯이 Swing 발전기의 출력을 확인한 결과 TEG로 자체기동발전기를 대체한 경우 유효전력 출력은 –1.02[MW]정도로 TEG 용량에서 우선기동 발전기 소내 부하량을 뺀 값으로 정상적으로 나타남을 확인 할 수 있었으며, 무효전력 출력은 기존 대비 약 1[Mvar] 상승하는 것을 확인할 수 있다. 무효전력 소비량이 증가한 이유는 유도 전동기 여자과정에서 추가적으로 소모된 무효전력값과 시송전선로가 짧아짐으로 인하여 줄어든 충전용량에서 기인한 것으로 판단된다. 이에 따라 기존의 자체기동 발전기 대비 약 1[Mvar]의 조상설비를 추가한다면 자체기동 발전기를 TEG로 온전히 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 TEG를 이용하여 자체기동 발전기를 대체하는 방안에 대하여 연구하였다. 일반적으로 자체기동 발전기는 양수발전기를 기반 하기 때문에 일반적으로 산지에 분포하고 있어, 전력계통에 전체적인 정전이 발생한 경우 물리적 송전거리 한계로 인한 과전압 위험에 상시 노출되어 있다. 시송전 선로를 이용한 계통 복구 시, 위와 같은 과전압이 발생되면 차단기 투입 실패로 인하여 계통이 복구되는 시점이 지연될 수 있으며, 양수발전기의 수량 소모 시 지역전원의 복구에 실패 할 수 있다. TEG는 가스압력만을 이용하여 발전기를 기동할 수 있기 때문에 기존의 자체기동 발전기를 대체하는데 유리하며, 특히 그 설치위치가 양수발전기 대비 도심지에 위치하기 때문에 시송전 선로를 짧게 할 수 있는 장점이 있다. 다만 TEG가 유도전동기로 이루어져 있기 때문에, 가압을 위한 무효전력이 충분하지 못하면 가동이 어려울 수 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 자체기동발전기를 TEG로 대체하였을 때 추가적으로 필요한 무효전력량을 도출하였고, 해석결과 1[Mvar]의 캐패시터를 추가할 경우 자체기동발전기를 온전히 대체할 수 있음을 확인하였다. 향후에는 TEG 발전기를 이용하여 다른 지역의 복구절차에 대해서도 자체기동발전기를 대체하는 것이 가능한지에 대한 연구를 추가 진행할 것이며, 도심지에 설치 될 수 있는 TEG를 이용하여 계통에 관성을 제공하는 방안에 대해서도 연구를 진행할 예정이다.