스마트그리드시스템에서 분산전원 연계시 문제점 해결방안 기술 보고서 스마트그리드시스템에서 분산전원 연계시 문제점 해결방안

목 차 서론 분산전원의 종류 및 특성 분산전원의 운영 결론

1. 서론 전력증가 : 0.3 ~ 0.4 %/년 중국의 급격한 경제 성장 원자력/신재생 발전 확대 CO2 -0.6% 감소

1. 서론 한국의 녹색에너지 계획 ◆ 정부의 녹색성장 → 녹색에너지 확대보급 정책 수립 : 2015년까지 4.3%, 2030년까지 11%, 총 111조 5000억원 투입계획 → 배전계통에서의 신재생에너지, 전기자동차 및 연계 운영시스템 부재 → 녹색 분산전원의 지속적인 확대와 이용률 향상을 위해 효율적인 배전계통 운영 기술 확보가 필수

2.1 풍력 발전 2.2 태양광 발전 2.3 연료전지 2.4 전기에너지 저장장치 2. 분산전원 시스템의 종류 및 특성 2.1 풍력 발전 2.2 태양광 발전 2.3 연료전지 2.4 전기에너지 저장장치

2.1 풍력발전 풍력 발전의 이점 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없다. 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. - 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용 할 수 있다. 3) 시설 도입과 이용에 지역주민과의 마찰이 비교적 적다. 4) 환경오염이나 기타 시설물에 대한 위험이 적어 관광자원화로 활용할 수 있다.

풍력 발전의 특징 2.1 풍력발전 ∙ 기술적 자원 산업 : 연구개발에 의해 개발 가능한 자원 산업 ∙ 친환경적 자원 산업 : 이산화탄소 발생이 없는 환경친화적 자원 산업 ∙ 지속개발 가능 자원 산업 : 고갈 없이 지속 재생가능한 자원 산업 ∙ 공공 미래자원 산업 : 초기투자 및 시장성등의 불확실 요인으로 정부 또는 공공기관 주도 공공 자원 산업

2.2 태양광 발전 태양광 발전의 이점 ◆ 연료가 필요 없어, 연료의 연소에 따른 환경 오염의 염려가 없다. ◆ 가동부분이 없기 때문에 소음의 발생이 없고 유지보수가 용이하다. ◆ 태양전지는 모듈(Module) 화가 가능하기 때문에 대량생산에 적합하다. ◆ 규모의 확장성(Flexibility)이 크다.

2.2 태양광 발전 태양광 발전의 특징 ◆ 태양광을 에너지원으로 이용하는 것이므로 자연 조건에 따른 출력변동이 발생하는 것 등의 제약이 있다. ◆ 태양광 발전은 반도체를 사용하여 태양의 빛 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전 방식이다. ◆ 타 에너지원에 비하여 단위면적당 에너지 밀도가 낮고(1[kw/m]정도) 계절·시간·지역별로 이용가능 에너지의 변화가 크기 때문에 기술개발이 필요하다. ◆ 발전 출력은 직류 출력이므로 직·교류 전력변환시스템을 사용하여 교류전력으로 변환한다.

수소, 천연가스, 알코올, 휘발유, 석탄 등 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변화 시키는 고효율의 무공해 발전장치 2.3 연료 전지 수소, 천연가스, 알코올, 휘발유, 석탄 등 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변화 시키는 고효율의 무공해 발전장치 대규모 발전소 건설 대안으로 차세대 분산형 에너지원 미래형 초저공해 자동차 기술의 핵심기술 주요 사용처 ∙ 가정용전원 및 온수공급 ∙ 빌딩 및 아파트 분산형 전원 및 온수 및 식수공급 ∙ 비상전원, 도서지역 전원공급, 무공해 자동차

분산형 가능, 토지 효율적 활용 및 송배전 투자 절감 2.3 연료 전지 DIESEL ELECTRIC GASOLINE STEAM AND GAS TURBINE SYSTEMS 60 40 20 1 100 10 1000 10,000 100,000 Efficiency Power output - Kilowatts Percent FUEL CELL SYSTEMS 구분 화력발전 연료전지 효과 발전효율 35 % 50 ∼ 60 % 에너지 절약, 온실가스 저감 연료 석유, 석탄 수소, 석유, 석탄, 천연가스, 바이오가스, 매립지 가스 등 에너지원 다변화 배출 질소화합물, 황화합물, 탄화수소, 소음 물, 무소음 무공해 (도심지 건설) 입지 310 평/MW 120 평/ MW 분산형 가능, 토지 효율적 활용 및 송배전 투자 절감 건설기간 6 년 3 년 경제적 건설

2.4 전기에너지 저장장치 에너지 저장 장치 비화학 에너지 화학 에너지 양수발전 NaS battery CAES Flywheels ELDC Flow battery Li-ion battery Lead-acid battery Ni-Cd battery Ni-MH battery

양수발전 2.4 전기에너지 저장장치 원리 특징 ▪ Off-peak load 시, 유 효전력으로 물을 높 은 곳에 저장 물을 이용하여 발전 특징 ▪ 가장 보편화되고 오래된 기술 ▪ 물의 양과 저수지의 높이 차이의 곱은 저장된 전기에너 지의 양에 비례함 ▪ Adjustable-speed design: generation mode/pump mode 모두 frequency regulation 가능 ▪ 전세계적으로 95 GW이상 설치(미국 거의 20 GW차지)

양수발전 2.4 전기에너지 저장장치 저장방식 장점 단점 물의 위치에너지로 전환하여 저장 ▪ 대용량 저장에 우수 ▪ 성숙된 기술로 안정성 높음 ▪ 70~80%의 효율 단점 ▪ 지리적 제약 ▪ 지질에 따른 설계의 어려움 ▪ 대규모로 초기투자 비용이 큼

Flywheel Energy Storage 2.4 전기에너지 저장장치 Flywheel Energy Storage 원리 ▪ 회전자(Wheel)의 운동 에너지로 전기를 저장했 다가 반대로 발전기를 돌려 전력을 생성 특징 ▪ Short input power sags 또는 outage 기간 동안 “ride-through” energy를 제공 ▪ Slow-speed (8,000 r/min까지) steel flywheels은 UPS 시장에서 배터리 대용으로 사용 ▪ High power level에서 더욱 긴 storage time을 위해서 flywheel design과 재질 혁신적인 변화가 요구됨

Flywheel Energy Storage 2.4 전기에너지 저장장치 Flywheel Energy Storage 저장방식 운동에너지로 전환하여 저장 장점 ▪ 90% 효율 달성 ▪ 이차전지보다 더 긴 사이클 수명 ▪ 낮은 고장율을 갖춘 설계 가능 ▪ 환경 친화적인 기술 ▪ 단위 용량당 저비용 단점 ▪ 높은 출력의 분야에만 한정된 활용분야 제약 ▪ 낮은 (부피/중량) 에너지 밀도 ▪ 단위 에너지당 고비용, 투자효율성 검증의 어려움 ▪ 플랫폼 기술 적용이 어려움 ▪ 대기 이후 작동 시 2%의 손실 발생

Sodium Sulfur (NaS) Batteries 2.4 전기에너지 저장장치 Sodium Sulfur (NaS) Batteries 원리 ▪ 나트륨 양이온이 전 해물을 통과하여 황 산용액으로 이동 ▪ 전자가 배터리 외 부 회로로 흘러감 특징 ▪ 양극의 황산용액과 음극의 나트륨용액으로 구성된 고온 배터리시스템 (약 300 °C 에서 동작) ▪ Beta alumina ceramic 전해물로 양극을 분리 (나트륨 양이온만 통과) ▪ 효율은 약 89%

Sodium Sulfur (NaS) Batteries 2.4 전기에너지 저장장치 Sodium Sulfur (NaS) Batteries 저장방식 화학에너지로 전환하여 저장 장점 ▪ 디자인 유연성이 높음 ▪ 전해물 누수 현상이 없고, 유지관리 필요성 적음 ▪ 10년 이상의 수명이 기대 ▪ 낮은 방전율과 충/방전 동시 진행 단점 ▪ 낮은 출력밀도 ▪ 복잡한 전지 디자인 구조 ▪ 출력에 따른 전지 디자인 필요

Compressed air energy storage (CAES) 2.4 전기에너지 저장장치 Compressed air energy storage (CAES) 원리 ▪ off-peak 시, 공기를 압축하여 동굴 등의 공간에 저장 ▪ peak 시, 천연가스 등과 혼합하여 가스 터빈을 작동 특징 ▪ Peaking gas turbine power plant ▪ combined-cycle gas turbine: 40% 이하의 가스로 동일 한 전기적 출력 (single-cycle gas turbine: 60% 이하) ▪ 비상용 발전(매우 빠른 동작)에 사용 ▪ 지하저장소가 필요

Compressed air energy storage (CAES) 2.4 전기에너지 저장장치 Compressed air energy storage (CAES) 저장방식 열역학적으로 공기를 압축하여 저장 장점 ▪ 대용량 저장에 우수 ▪ 오랜 기간 저장 가능 ▪ 정지에서 가동까지 적은 시간 소요 ▪ 가스발전에 비해 약 66% 천연가스 절감 단점 ▪ 지리적 제약 ▪ 대규모로 초기 비용이 큼 ▪ 화석연료의 사용이 불가피 ▪ 현재 CAES 저장시설은 두 곳

3. 분산전원 운영 3.1 분산전원시스템의 계통 연계 시 문제점 전압제어에 있어서 문제점 - 연계되는 태양광 발전 등의 분산형 전원이 증가하면 기후조건에 따라 출력전력에 차이가 나기 때문에 시간변화에 따른 제어의 대응이 어렵다. - 분산형 전원의 발전량이 증가하면 하위 계에서 역 조류가 증가한다. - 역 조류가 적어지면 변압기의 다운 조류가 증가해 기준전압을 올리기 때문에 분산형 전원이 많이 연계하고 있는 배전선에서 적정전압을 유지할 수 없다. 고조파에 대한 문제점 - 인버터기기가 설치된 분산형 전원의 보급이 진행됨에 따라 직류를 교류로 변환할 때 고조파가 증가한다. - 분산형 전원은 기본파 전류만 공급원으로 하기 때문에 일반부하가 필요로 하는 고조파전류를 공급할 수 없고 고조파전류 모두를 변전소에서 공급해야만 한다는 문제가 있다. 전압 불평형에 대한 문제점 - 태양광 발전 등의 단상 분산전원이 각상에 불균일하게 연계되면 상간 전압의 불평형율이 증가할 가능성이 있다. - 결과적으로 수요가 기기에 악영향, 역상전류로 인한 동기기의 과열, 삼상전동기의 회전불량 등을 일으킬 염려가 있다.

3. 분산전원 운영 3.1 분산전원시스템의 계통 연계 시 문제점 4) 주파수 변동에 관한 문제점 - 태양광이나 풍력과 같이 부하변동에 관계없이 출력변동이 큰 분산형 전원이 증가하면 주파수 변동 폭이 커져서, 소정의 주파수를 유지하지 못할 가능성이 있다. - 주파수변동이 커지면 계통 측에서는 발전기의 안정운전이 계속되기 힘들고 고객 측에서는 전동기의 회전으로 인한 제품불량, OA기기, 정밀계측기 등의 정밀도저하를 일으킨다. 5) 계통의 단락전류에 관한 문제점 - ①의 차단기에는 상위계통으로부터의 단락전류에 분산형 전원의 단락전류가 가세하기 때문에 단락전류는 증가한다. ②의 차단기에는 분산형 전원이 없는 경우에는 단락전류는 흐르지 않지만 분산형 전원의 접속으로 단락전류가 흐르게 되고 단락고장으로 ①, ②의 차단기 양측을 개방한다는 불필요 동작이 가능하다.

3. 분산전원 운영 3.1 분산전원시스템의 계통 연계 시 문제점 6) 단독운전의 과제 - 고장이나 점검 때문에 변전소 출구의 차단기가 개방되어도 분산형 전원이 운전을 계속하여 배전선에 전압이 걸려있어 공중감전, 기기손상, 사고복구 작업자 감전 등이 발생할 수 있다. 7) 계통의 안정도에 관한 문제점 - 계통에서 3상 지락이 발생한 경우 사고 점을 제거하기까지의 기간, 전압이 저하된다. 이 전압저하를 분산형 전원의 계통연계보호기능이 검출하고 분산형 전원이 해열·정지하면 발전전력이 저하된다. 또한, 외견상 부하가 급증하게 되어 계통의 과도안정도에 영향을 미친다.

3. 분산전원 운영 3.2 분산전원시스템의 문제점 해결 대책 1) 전압 변동의 대책 - 발전설비로부터의 역조류에 의해 저압수용가의 전압이 적정치(220±13V, 380±38V)를 유지하지 못할 우려가 있을 때는 발전설비를 설치한 수용가가 자동적으로 전압을 조정하는 대책을 시행 - 전압유지가 곤란한 경우 배전선의 규격 상향 등의 선로보강을 시행 2) 고조파 해결 대책 - 기기에서 발생하는 고조파 전류를 저감시키는 방법 - 기기에서 발생한 고조파 전류를 수용가 구내의 설비로 분류시켜 외부로 유출하는 양을 저감시키는 방법 - 고조파 발생원 측에서의 가장 효과적인 방법은 펄스 수 증대법으로 고조파 장해의 주된 요인이 되는 5차, 7차 고조파를 중심으로 하여 기기에서 발생하는 고조파 전류를 대폭 저감한다 -콘덴서와 리액터를 조합하여 고조파 전류의 흡수 또는 다른 계통으로 고조파 전류를 분류시키는 수동필터와 전력용 반도체 소자를 이용 - 기기에서 유출하는 고조파 전류를 능률적으로 저감시키는 액티브 필터를 사용

3. 분산전원 운영 3.2 분산전원시스템의 문제점 해결 대책 3) 플리커 해결 방안 - %를 작게 하는 리액턴스 보상방식으로 전원의 리액턴스를 감소시킨다. 대용량 부하의 경우 전력회사의 전력계통을 대상으로 이 방법을 적용 - Q를 작게 하는 무효전력 보상방식으로, 부하변동에 따른 무효전력량을 감소시켜 무효전력이 발생하더라도 이것을 제거하여 전압변동을 저감 - 분산전원으로 인한 플리커를 줄이는 방법은 SVC(정지형 무효전력 보상장치)에 의한 무효전력의 보상, 사이리스터 등에 의한 슬로우 스타트의 채용, 계통 임피던스 저감 4) 단독운전 방지 대책 - 기본적인 단독운전 방지 → 저전압계전기 (UVR:27), 저주파계전기 (UFR:81U) → 과전압계전기 (OVR:59), 과주파수계전기 (OFR:810) - 단독운전 검출방식 → 수동적 방식 : 전압위상도약 검출방식, 3차 고조파 전압 왜형 급증 검출방식, 주파수 변화율 검출방식 → 능동적 방식 : 주파수 이동방식, 전력변동 방식, 부하변동 방식

스마트그리드의 대두, 그린에너지를 이용한 분산전원 시스템의 연구 및 보급이 활성화 4. 결론 전력소모 증가로 인한 화석연료의 고갈과 탄소배출에 의한 환경 문제 스마트그리드의 대두, 그린에너지를 이용한 분산전원 시스템의 연구 및 보급이 활성화 풍력발전 태양광 발전 연료전지 에너지 저장 장치 분산전원 시스템에서 발생되는 문제점과 그 해결방안에 대해 많은 연구와 대책이 마련되었지만, 아직까지는 해결해야 할 문제점들이 국내 뿐 아니라 해외에서도 꾸준한 경제적 지원 및 사회적 제도정비가 요구된다.