신재생에너지 분산 전원의 계통 연계 시 기술적 고려 사항과 구조적인 특징은 무엇인가?

미래에는 신재생 에너지 발전 기술과 실용화의 요구로 인해, 에너지 사용을 효율적으로 하기 위해 기존의 전력 회사 송배전 계통에 다수의 분산된 신재생 에너지 전원이 연계 운전될 전망이 있습니다. 이에 계통 연계 시 고려해야 할 기술적 사항 및 특징에 대해서 포스팅해 보려 합니다.

<목차> 1. 신재생에너지 분산 전원의 종류 및 연계계통의 형태 2. 신재생에너지 분산 전원의 계통 연계 시 기술적 고려 사항 3. 신재생에너지 분산 전원의 구조적인 특징  3.1 전기방식  3.2 역률  3.3 고조파 및 고주파

1. 신재생에너지 분산 전원의 종류 및 연계계통의 형태

현재 시점에서 실용화되고 있는 신재생 에너지 중에서 전력계통에 연계될 것으로 예상되는 전원의 종류는 다음과 같습니다.

• 풍력 발전
• 태양광 발전
• 소수력 발전
• 열병합 발전
• 연료전지 발전
• 부산물 이용 발전 ( 배기가스, 쓰레기 등)
• 전지전력저장 시스템

연계되는 형태를 분류하면, 다음과 같은 4종류가 있습니다:

• 상용계통의 전압에 의한 형태
• 특고압 배전계통 연계
• 고압 배전계통 연계
• 저압 배전계통 연계

또한 연계계통 구조의 형태로는 일반 부하가 있는 배전계통 연계와 단독 배전선로 연계가 있으며, 자체 부하가 있는 경우와 없는 경우 등 다양한 조건들이 고려됩니다.

더불어, 상시 전력 회사에서 전력을 공급하는지 여부에 따라, 역류 유무에 따른 연계 형태가 있습니다. 이러한 상황에서는, 연계 시스템의 안정성과 효율성을 높이기 위해, 전문적인 기술과 노하우가 필요합니다. 그리고 이를 위해서는 상황에 맞는 명확한 계획과 설계, 적절한 장비와 재료의 선택 등이 필요합니다.

2. 신재생에너지 분산 전원의 계통 연계 시 기술적 고려 사항

신재생에네지 전원의 계통 연계에 따른 기술적 고려사항으로는 크게 2가지가 있습니다.

 

① 공급신뢰도 및 안전 확보에 관한 사항

• 보호계전 방식 및 보호협조 확보
• 단락용량 증가에 대한 고려
• 단독 운전으로 인한 안전 문제
• 긴급 시 연락 및 복구 체제

위와 같은 사항들은 충분하지 않은 경우에는 전력 공급이 중단됨으로써 큰 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서, 이러한 사항들을 보완하기 위해 추가적으로 다음과 같은 사항들이 고려되어야 합니다.

• 백업 발전기를 구비하여 전력 공급이 중단될 경우에도 대처할 수 있는 체제 마련
• 격렬한 기상 조건에 대비하여 전선 및 타워 구조물의 내구성 확보

② 전력 품질 확보에 관한 사항

• 전압 변동에 의한 문제
• 역률 저하 문제
• 고조파 발생으로 인한 장해 문제

위와 같은 사항들은 전력 공급 시스템의 안정성에 매우 중요한 역할을 합니다. 따라서, 더 나은 전력 품질을 위해 추가적으로 다음과 같은 사항들이 고려되어야 합니다.

• 저조파 및 고조파 필터링 장치의 설치
• 전압 안정기의 사용
• 신재생 에너지 발전 시스템 도입

이러한 추가적인 기술적 고려사항들은 전력 공급 시스템의 안정성 및 효율성을 높일 수 있습니다.

3. 신재생에너지 분산 전원의 구조적인 특징

3.1 전기방식

신재생 에너지 전원과 전력계통의 전기 방식이 다르면 서로 불균형이 생길 수 있습니다. 따라서, 신재생 에너지 전원의 전기 방식은 연계하는 전력계통의 전기 방식과 동일하게 하는 것이 좋습니다. 만약 다른 경우에는 정합하는 변환 장치나 적절한 대책이 필요합니다.

하지만, 다음과 같은 경우에는 전력계통의 전기 방식과 다르게 사용해도 괜찮습니다.

① 고압 이상의 장소에서 저압의 단상 회로에 연결하는 경우, 자가용 발전 설비의 용량이 적어 불균형이 문제가 되지 않는 경우

② 단상 3선식의 전력계통에 단상 2 선식 신재생 에너지 전원을 연결하는 경우, 중성선에 대한 양측의 전압을 상시 감시하고 부하의 불균형에 의해 발생하는 과전압으로 인해 어느 쪽의 전압도 초과하는 경우에는 역변환 장치를 정지하는 조치를 취한 경우 (단상 3 선식의 전기 방식에서는 중성선 전류가 최대로 될 가능성이 있기 때문에 중성선에 과전류 차단기를 설치해야 할 수도 있습니다.)

3.2 역률

연계점에서의 역률은 신재생 에너지 전원의 정상 운전 및 부하 상태에서 계통에서 측정한 역률을 말합니다.

따라서 다음 사항을 고려해야 합니다.

 

① 저압배전선 연계 시

• 역조류가 없을 경우

 신재생 에너지 전원 장치에서 전체 부하 중 무효전력 조정을 수행하는 것은 어렵기 때문에, 전원 장치의 운전 역률만 규정합니다.

• 자여식 역변환 장치로 연계 시: 역률 1로 운전
• 타여식 역변환 장치로 연계 시: 콘덴서를 설치하여 역률 1을 유지 발전장치 내의 모든 기기를 고려하여 총합 역률이 95% 이상 유지해야 합니다.

• 역조류가 있을 경우

역조류가 있는 경우, 수전점의 역률은 발전장치에서 전압을 조정하기 때문에 일정한 변동이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 변동 범위를 85% 이상으로 유지하면서 전압 상태에 의해 무효전력이 발생하지 않도록 조정합니다. 또한, 역조류가 있는 경우 전압 조정을 위해 역류 역률 범위를 크게 허용하는 것이 바람직합니다. 예를 들어, 80%까지 제어할 수 있습니다. 그러나, 소출력 역변환 장치와 수전점의 역률이 적절하다면, 발전장치 자체의 역률을 85% 이상(무효전력 제어를 하는 경우) 또는 95% 이상(무효전력 제어를 하지 않는 경우)으로 설정하여 시스템을 단순화하거나 비용을 절감할 수 있습니다.

 

② 고압 및 특고압 배전선을 연결할 때

• 역조류가 없으면 수전점의 역률은 표준적인 역률(예: 85% 이상)에 따라 설정합니다.
• 역조류가 있으면, 전압대책상 85% 이상에서 수전점의 역률을 설정하는 것이 어려울 수 있으므로, 전압변동 대책상 부득이한 경우에는 역조류의 역률을 80%까지 제어할 수 있도록 합니다.

③ 스폿 네트워크 배전선을 연결할 때

• 스폿 네트워크 배전선은 몇 군데 외에는 국내에서 널리 사용되지 않지만, 앞으로는 고신뢰성 배전계통으로 확대 사용될 것으로 예상됩니다.
• 선로 작업 등으로 1회선 정지 후 재송전했을 때, 발전기의 출력 상태에 따라 네트워크 계전기의 차전압 투입이 불가능한 경우가 있으므로, 이 경우에는 발전기의 출력과 역률을 제어하여 차전압 투입을 도울 수 있습니다.
• 그 외의 경우에 대해서는 고압배전선 연결에서 역조류가 없는 경우와 같은 규정을 따릅니다.

④ 유도발전기나 타여식 역변환 장치를 사용할 때

유도발전기를 전력계통에 연결하면, 동기발전기와 달리 역률 조정이 불가능하며, 유도성 무효전력을 소비하여 계통의 역률을 낮출 수 있습니다. 또한, 타여식의 역변환장치는 보통 역률 조정이 불가능합니다(자여식은 가능합니다). 따라서 역률 개선용 콘덴서를 설치하여 수전점에서의 역률을 85% 이상으로 유지하면서 진상 역률이 되지 않도록 하는 것이 필요합니다. 역률 개선용 콘덴서를 설치할 때 유도발전기의 자기 자화 현상(이상전압의 발생 등)이 발생할 가능성이 있으므로, 해당 신재생에너지 전원 설치 수용가에서는 연결용 차단기를 개방할 때 역률 개선용 콘덴서도 동시에 개방하는 등 적절한 제어방식을 사용해야 합니다.

3.3 고조파 및 고주파

① 고조파

고조파 발생원으로 역변환 장치를 사용할 때는, 전력의 질적 감소를 막고 다른 설비에 영향을 미치지 않도록 적정한 규제치를 설정해야 합니다. 일반적으로 고조파 함유율은 기본파의 정격 전류에 대한 외율로 규정하고 있습니다. 따라서, 고조파 함유율 기준, 측정 감시 장소, 측정 방법, 그리고 인정 기관 등을 명확히 정해야 합니다.

② 고주파

역변환 장치는 고주파 발생기이며, 전기 파장이 배전선으로 방출될 때 장해 현상이 생길 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 전기 설비 기술 기준에서는 가공 전선로 바로 아래 지점에서 장애물을 측정하는 시간을 두 번 이상 10분 이상 측정합니다. 측정치의 최댓값 평균치는 526.5 kHz부터 1,606.5 kHz까지의 주파수 대에서 36.5 dB입니다.

배전선 반송파에 대한 역변환 장치에서 발생하는 고주파 잡음에 대한 대책이 필요합니다. 이를 위해 분산 전원 측에서 적절한 대책을 취해야 합니다.