모리노 마사오(Morino Masao) 시미즈건설㈜ 기술연구소 지구환경기술센터 스마트빌 프로젝트 담당

일본 시미즈건설 기술연구소는 실증 연구를 통해 태양광발전 설비를 큰 비율로 도입한 마이크로 그리드가 전력 계통과 연계되었을 때, 그리고 계통으로부터 독립해 자립 운전할 때의 전력 공급 안정성 등을 분석해보기로 했다. 이 실증 연구를 태양광발전과 같은 자연 변동 전원을 주체로 한 안정적인 마이크로 그리드 구축에 이바지하는 것을 목적으로 실시되었다.

이번 연구개발은 시미즈건설이 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)로부터 ‘태양광발전 시스템 등 고도화 계통연계 안정화기술 국제공동실증 개발사업 마이크로 그리드 고도화 계통연계 안정화 시스템 실증연구(태양전지＋보상장치：중국 절강성)’의 위탁을 받아 실시한 것이다.

실증 연구의 사업 개요

이번 실증 연구에서는 다음의 연구개발 항목에 대해서 실시했다.

마이크로 그리드의 안정화에 관련된 실증 연구

마이크로 그리드와 전력 계통과의 연계 운전 및 계통으로부터 독립한 자립 운전에 있어서, 마이크로 그리드의 태양광발전 도입 비율이 커지면 태양광발전의 급격한 출력 변동에 의해 전압이나 주파수 변화의 영향이 커지는 것이 염려된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 마이크로 그리드의 연계 운전시에는 계통과의 연계점에 있어서의 전력 조류를 일정하게 하는 제어 기술을 개발하고 또, 자립 운전에서는 마이크로 그리드 내의 전압과 주파수를 유지해 장기간 안정적으로 전력 공급을 가능하게 하는 제어 기술의 개발을 실시했다.

자연 변동 전원을 활용하는 전력공급시스템 실증 연구

태양광발전을 가능한 한 활용하면서 순간 전압저하, 고조파 및 플리커 등에 의한 파형 일그러짐 등의 보정을 위한 기술적 과제에 대해서 마이크로 그리드 내의 일부 실부하를 대상으로 연계 및 자립시의 보상 효과를 검증하는 실증연구를 실시했다.

연계 및 자립 운전의 시뮬레이션 해석

각 분산형 전원과 부하 모델로 구성된 마이크로 그리드의 시뮬레이션 모델을 구축해 설계 단계에 있어서의 수급제어 시스템 각 전원의 협조 제어를 검토하고, 마이크로 그리드 운전이 계통의 전력 품질에 미치는 영향을 평가했다. 또 연계 및 자립 운전의 실증실험 결과나 전력 품질에 관한 실증 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 반복적으로 비교 검토해 실현성을 높이고 정확하게 반영할 수  있는 시뮬레이션 모델을 구축했다.

스케줄

이번 실증 연구는 2007년 7월 31일부터 2009년 12월 31일까지 실시했다. 연구 과정의 스케줄 개요를 그림 1에 나타낸다.

2007년도는 실증 실험의 실시 방법을 검토하는 시기로, 실험 사이트에 전력 부하와 전력 품질 조사를 실시했다. 이후 이 결과를 바탕으로 마이크로 그리드 구성 기기의 사양을 검토했다.

2007년도 후반부터 2008년 5월까지는 시스템 구성 기기의 설계·제작·공장 시험 등을 일본과 상하이에서 실시하고 동시에 실험 사이트에서 전력 간선 공사와 기초공사 등의 인프라 정비 공사를 실시했다.

2008년 5월부터는 통관 수속과 실험 사이트로의 기기 수송을 시작해 8월부터 현지에서 기기 설치와 마이크로 그리드 전체 시스템의 시운전 조정을 실시했으며, 10월말에는 실증 실험 시스템의 구축을 완료했다. 이후 2009년 12월까지 1년 2개월에 걸쳐 실증 실험을 실시했다.

실시 체제

실증 연구의 실시 체제를 그림 2에 나타낸다. 일본의 NEDO와 중국 국가 발전 개혁 위원회는 국제공동실증 개발사업의 실시에 관해서 기본 협정을 체결했다. 중국의 경우 절강성 발전 개혁 위원회가 실험 사이트로서 항주전자 과기대학을 선정한 결과 절강대학이 협력하게 되었다. 일본은 시미즈건설이 NEDO로부터 위탁을 받고, 실시 항목의 일부를 츄고쿠전력과 메이덴샤에 재위탁해 실시했다. 실증 연구 실시에 있어서 시미즈건설과 항주전자 과기대학은 기본 협정에 근거해 실시 계약을 체결했다.

목표

시미즈건설 기술연구소에서 실시한 실증 연구는 태양광발전의 출력 변동이 클 때 전력의 안정적인 공급 기술을 개발하기 위해서 태양광발전의 도입 비율을 주요 전원 용량의 50%로 했다는 것이 큰 특징이다. 특히 자립 운전의 경우는 태양광발전의 정격 발전 용량을 회전계 발전기인 디젤 발전기와 같은 용량으로 한 엄격한 조건에서 기술개발을 실시했다. 실증 연구의 시작 시점에 있어서 NEDO에 의해 설정된 자립 운전시의 전력 품질의 개발목표를 표 1에 나타낸다.

시스템의 구성

이번 실증 연구의 실증실험 시스템으로 항주전자 과기대학에서 구축한 마이크로 그리드의 구성을 그림 3에 나타낸다. 마이크로 그리드는 실습 설비인 NC 선반이나 공업용 PC 등의 중요 부하(부하 A)와 교실의 조명, 공조, 엘리베이터 등의 일반 부하(부하 B)를 대상으로 최대 부하 240kW 정도의 전력을 공급하는 시스템으로 설계했다.

이번 실증 연구에서 실험 시스템의 주요 전원 구성은 태양광발전 120kW, 디젤 발전기 120kW로 했다. 부하의 변동과 태양광발전의 급격한 출력 변동을 흡수하고 일정한 전력 품질을 확보하기 위한 축전 설비로는 1초 이하의 가파른 전력 변동에 대응하는 전기 이중층 커패시터와 비교적 빠른 변동에 대응하는 2차 전지를 채용했다.

마이크로 그리드의 운전 방법으로는 계통과의 연계 운전, 그리고 계통으로부터 독립한 자립 운전을 실시했다. 그림 3에 나타낸 연계점(가상(주))의 차단기를 개방함으로써, 자립 운전 범위가 형성된다. 연계 운전에서는 태양광발전을 최대한으로 이용하면서 태양광발전의 출력 변동을 디젤 발전기, 2차 전지와 전기 이중층 커패시터로 흡수해 전력 계통으로부터 공급되는 전력을 일정 혹은 제로로 유지하는 운전(연계점 조류 일정 운전)을 실행했다.

한편 자립 운전에서는 태양광발전을 최대한 이용하면서, 태양광발전의 출력 변동과 소요 전력과의 차이를 디젤 발전기로 보충했다. 더욱이 2차 전지와 전기 이중층 커패시터로 소정의 전력 품질을 유지하도록 운전을 실시했다. 이러한 운전은 마이크로 그리드의 운전을 통괄하는 수급제어시스템에 의한 감시·제어와 각 분산형 전원의 로컬 제어에 의해서 실행됐다.

이번 실증 실험 시스템에서는 앞에서 기술한 기기 외에 태양광발전이 대량 도입되었을 경우의 계통 및 자립 범위내의 전력 품질에 주는 영향을 조사했다. 이를 위해 전력품질 보상장치와 순저 보상장치를 준비하고 전력 품질에 관해서 적극적인 실험을 실시하기 위해 외란 발생 장치를 설치했다.

실증 실험 시스템의 구축

실증 실험 시스템은 그림 4에 나타나 있는 항주전자 과기대학의 건물군 가운데, 제6교학 건물과 제8교학 건물의 2개의 교내 건물을 대상으로 구축했다. 실증 실험 시스템의 주요 전원이 되는 태양전지 패널 120kW는 제6교학 건물 3동의 옥상에 설치했다. 태양전지 패널의 설치도를 그림 5에, 그 설치 상황을 사진 1에 나타낸다.

디젤 발전기, 2차 전지, 전기 이중층 커패시터, 전력 품질 보상 장치 등의 기기는 제8교학 건물 1층에 위치한 발전기실, 전지실, 배전반실 등에 설치했다. 또 수급 제어 시스템은 제8교학 건물 4층 제어실에 설치했다. 이러한 기기의 설치 상황을 사진 2에 나타낸다.

계통과의 연계점은 제6교학 건물 지하 1층의 제4변전소의 수전반 1면을 바꿔 설치했다. 제4변전소와 제8교학 건물의 발전기실이나 제어실과의 사이에는 전력 공급과 통신용으로 지하 매설로 전력 간선과 광케이블을 부설했다.

평가

이번 실증 연구의 성과와 관련해 이번 기사에서는 연계 및 자립 운전시의 실증 실험의 결과와 태양광발전 설비의 운전 실적에 대해 소개했다. 이번 연구는 태양광발전의 출력 변동이 큰 경우에도 안정된 전력 공급을 가능하게 하는 제어 기술의 검증을 목적으로 실시했다. 이 밖에 전력 품질에 관한 실증실험과 시뮬레이션 해석 등을 실시했지만, 이러한 성과에 대해서는 최근 공개된 NEDO의 성과 보고서를 참조하길 바란다.

연계 운전의 연계점 조류 일정 제어의 검증

계통과의 연계 운전은 마이크로 그리드를 구성하는 전원으로, 태양광발전이 대량 도입되었을 경우에도 계통에 부담을 주지 않기 위해서 그림 3에 나타낸 연계점에서의 전력 변동을 일정하게 억제하는 운전(연계점 조류 일정 제어)의 실현을 목표로 하고 있다.

연계 운전시 마이크로 그리드의 제어 방법에 대해서는 디젤 발전기(DG)가 수급 제어 시스템으로부터의 부하 추종 제어 지령에 의해 수초에서 수십초까지도 걸리는 오더의 긴 주기의 전력 변동에 대응하고, 비교적 빠른 변동을 흡수하는 납축전지(BAT)와, 1초 이하의 가파른 전력 변동을 흡수하는 전기 이중층 커패시터(EDLC)가 각각 로컬 제어에 의해서 대응함으로써 연계점 조류를 일정하게 유지했다.

연계 운전에 있어서의 실증 실험 결과의 일례로서 2009년 8월 7일 연계 운전시의 태양전지 출력의 변동과 연계점 조류(GP)의 변동 상황을 그림 6에 나타낸다. 이 날의 기후는 맑다가 때때로 흐렸지만, 일사가 강해 태양전지의 발전 출력은 수십 회에 걸쳐서 설계 정격치인 120kW까지 달했다. 또 바람도 강해 구름의 흐름이 빨랐기 때문에 태양전지의 출력이 빈번히 변동하고, 그 변동폭이 80~100kW로 매우 큰 상황이었다. 연계점의 조류 일정 제어를 10시 10분에 개시해 12시 40분에 종료했지만, 이 사이의 연계점 조류(GP)의 변동은 그 전후와 비교해서 큰 폭으로 억제되고 있음을 알 수 있다.

그림 6에는 10시 20분부터 10시 50분까지 30분간의 운전 상황을 확대해 태양전지, GP의 변동을 나타낸다. 부하와 DG, BAT, EDLC의 각 분산형 전원의 변동 상황을 나타낸 결과를 그림 7에 나타낸다.

그림 7로부터 태양전지의 출력 증감에 대해서 대부분의 변동에 BAT가 충전/방전으로 대응하고 있으며, EDLC는 출력은 굉장히 작지만 BAT가 반응할 수 없는 순간의 변동에 대응하고 있다는 것을 알 수 있다. 한편 DG는 태양전지의 출력 변동에 대한 BAT의 빠른 응답을 보충하는 형태로, 몇 분 정도 걸쳐 출력을 변화시키고 있으며 이러한 운전 상황으로부터 DG, BAT, EDLC의 각 전원이 각각의 응답 분담 영역에서 협조해 출력을 제어하고 있다는 것이 확인되었다. 이 결과, GP는 목표치의 0kW 일정에 대해서 ±10kW 이내의 정확도로 제어되고 있으며 GP의 변동폭은 태양전지＋부하의 출력 변동폭에 대해서 10%정도 까지 억제되고 있다는 것을 알 수 있다.

이러한 연계 운전에 있어서의 일련의 실증 실험의 결과로부터 태양전지의 도입 비율이 전원 용량의 50%로 높은 마이크로 그리드에 있어서도 BAT의 변동 보상 범위를 충분히 마련함으로써 안정된 조류 일정 제어에 의한 연계 운전이 가능하다는 것을 실증했다.

자립 운전에 있어 전압과 주파수를 유지한 안정적인 전력 공급의 검증

마이크로 그리드의 자립 운전에서는 그림 3에 나타낸 연계점의 차단기를 개방함으로써 계통으로부터 분리한 자립 범위 내의 주파수를 50±0.3Hz 이내, 전압을 400V±10% 이내로 유지한 안정적인 운전을 실현하는 것을 목표로 하고 있다.

자립 운전시 마이크로 그리드의 제어는 모든 발전기의 협조적인 로컬 제어에 의해서 실시한다. 즉 DG가 기본 전원이 되어 자립 범위 내의 전력 수급을 균형 맞추는 역할을 담당하고, DG의 출력 변동의 급변을 방지하기 위해서 BAT와 EDLC가 가파른 전력 변동에 대응함으로써 자립 범위 내의 주파수와 전압을 안정적으로 유지하도록 기능한다.

자립 운전에 있어서의 실증 실험 결과의 일례로서 2009년 10월 22일의 운전 결과로부터 13시 30분부터 14시까지의 30분간의 운전 상황을 추출해 그 결과를 그림 8에 나타낸다. 이 날의 태양전지의 최대 출력은 90kW 미만 정도로 그 출력이 20~40kW 정도의 폭으로 빈번히 변동하고 있으며, 부하는 작은 변동을 반복하면서 40~80kW 미만의 범위에서 비교적 천천히 변동하고 있다.

DG가 이러한 태양전지 출력과 부하 변동에 대응하기 위해, 연계 운전시와 비교해서 빈번히 출력을 변화시키고 있으며, DG가 응답할 수 없는 변동 영역에 있어서는 BAT가 충전/방전을 반복하고 있다는 것을 알 수 있다. EDLC의 출력은 비교적 작지만 BAT가 반응할 수 없는 순간의 변동에 대응하고 있다. 이러한 운전 상황으로부터 DG, BAT, EDLC의 각 전원에 대한 출력 응답의 분담이 적절히 설정되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 전력 품질에 대해서는 그림 8(a)로부터 자립 범위 내의 주파수가 평균적으로 50±0.3 Hz 이내로 유지되며, 전압도 400±5V 이내에 제어되고 있다는 것을 확인할 수 있어 당초의 개발 목표를 달성했다.

이와 같은 자립 운전에 있어서의 일련의 실증 실험 결과로부터, 태양전지의 도입 비율이 전원 용량의 50%로 높은 마이크로 그리드에 있어서도 태양전지의 출력을 최대한 유효하게 이용하면서 개발 목표의 전력 품질을 유지하는 운전이 가능하다는 것을 실증했다.

태양광발전 설비의 시스템 이용률

이번에 실시한 실증 실험에 사용된 태양광발전 설비의 시스템 이용률을 그림 9에 나타낸다. 시스템 이용률은 아래의 식으로 정의된다.

시스템 이용률=기간 발전량/정격 발전 능력/기간 시간(24 h/일×기간 일수)

일본에 있어서의 연간 시스템 이용률은 NEDO 자료에 의해 0.1~0.15정도이다.

이번 실증 실험에 있어서의 태양광발전 설비의 시스템 이용률은 역조류 방지에 따른 출력 제한을 받은 6월까지는 7~9% 미만으로 약간 낮은 수치였다. 그러나 제4변전소로부터 대학 구내 고압 계통에의 역조류가 허가된 7~10월에는 시스템 이용률이 11~15%가 되어, 일본에 있어서의 일반적인 수치와 동등한 정도로 태양광발전 설비는 정상적으로 기능하고 있다고 판단되었다. 또한 11월, 12월의 시스템 이용률이 낮은 것은 기후 조건이 나쁘고, 거의 발전할 수 없는 날이 많았기 때문이다.

이번 프로젝트의 성공적인 성과

일본 시미즈건설 기술연구소에서 실시한 이번 실증 연구는 2007년 7월말부터 2009년 12월말까지의 기간 동안 실시되었다. 2007년의 실증 연구 개시 당시에 중국에서는 태양광발전도 포함한 발전기의 계통연계가 인정되지 않았다. 때문에 본 실증 연구에서는 태양광발전의 연계 운전이 특례로서 허가되었지만 태양광발전 출력의 대학 구내에의 역조류는 제한되어 태양광발전을 최대한 이용할 수 없는 상황에서 시작했다.

그러나 2008년에는 중국에서도 재생 가능 에너지의 계통연계를 원칙적으로 인가하는 방침이 내세워지고, 또 2009년에는 태양광발전의 건설비와 발전량의 쌍방에 보조 제도가 마련되었다. 이로써 태양광발전 도입의 기운이 단번에 높아져, 최근부터는 본 실증 연구 사이트에 중국 정부, 대학, 기업 등의 견학자가 많이 찾아오게 되어 시대의 변화가 느껴졌다.

이번 프로젝트의 성과는 2009년 12월에 항주전자 과기대학에서 실시한 최종보고회에서, 또한 그 직후에 개최된 중국의 평가회에서도 높게 평가되었다. 이러한 성과가 일본의 자연 변동 전원을 대량 도입한 마이크로 그리드의 구축 기술에 반영됨과 동시에, 항주전자 과기대학에 실증 실험 설비로서 구축된 마이크로 그리드가 중국에 있어서의 신재생 에너지 보급의 선구자가 되는 역할을 완수할 것이라고 기대한다.

이번 사업의 실시는 중화인민공화국 발전개혁위원회, 절강성 발전개혁위원회, 절강성 전력공사 및 절강대학 등을 비롯한 관계 각 기관에 지원을 받았으며, 실증 실험 사이트가 된 항주전자 과기대학의 관계자에게는 큰 협력을 받았다. 더욱이 신재생 에너지·산업기술 종합 개발 기구에서는 다대한 지도·편달을 받았다. 이에 대해 감사의 말씀을 전한다.

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