관성제어 기술로 재생에너지의 수용성을 높인다

2017년 정부는 에너지 전환시대에 부응하는 재생에너지 3020 정책을 발표하였다. 이미 10여년 전부터 에너지 전환시대를 오랫동안 준비해 왔던 유럽에 비해 다소 늦은 감이 있지만, 이제라도 에너지 안보와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 재생에너지 확대정책은 매우 바람직하다. 제8차전력수급기본계획에 따르면 2030년의 재생발전원의 설비용량이 58.5GW에 이르고, 이는 최대 수요의 목표치(100.5GW)의 약 60%에 해당된다. 재생발전원의 수용률이 높은 전력망에서는 큰 외란 발생시에 주파수의 하락폭이 커지므로 안정적인 전력망 운영이 어렵게 된다. 만약 이에 대한 적절한 대책을 마련하지 않는다면 재생발전원의 출력을 강제로 제한할 수밖에 없게 되어, 3020 정책의 목표 달성이 어려울 것은 확실하다. 재생발전원의 수용률이 높을 때 외란 발생시에 주파수 하락폭이 심한 이유는 재생발전원이 최대출력추종(Maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행하여 출력을 증가시키지 않기 때문이다. 만약 외란이 발생시에 재생발전원이 수 십초 동안만 출력을 증가시킬 수 있다면, 최저 주파수의 하락을 저지할 수 있어 전력망 안정도를 향상시킬 수 있다.

풍력발전기는 회전체에 저장되어 있는 에너지를 이용하여 안정도 향상 가능

외란 발생시에 재생발전원의 출력을 증가시키는 주파수 안정화 기술로는, 재생발전원이 평상시에 예비력을 보유하고 있다가 외란 발생 후에 출력을 증가시켜 주파수 하락을 저지하는 기술과, 예비력을 보유하지 않고 재생발전원의 회전체에 저장되어 있는 운동에너지를 방출하여 주파수 하락을 저지하는 관성제어 기술(풍력발전기에만 해당) 등이 있다. 전자의 경우의 성능이 후자보다 우수하지만 평소에 예비력을 보유하기 위해서는 출력가능한 값보다 줄여서 출력하기 때문에 에너지 생산량의 감소가 불가피하므로 경제적인 손실이 상당하다. 하지만, 후자의 경우에는 예비력이 없이 풍력발전기의 회전체에 저장되어 있는 운동에너지를 수 십초동안만 방출하여 주파수 하락을 막으므로 에너지 생산량의 손실이 미미하다.

풍력발전기의 관성제어 기술의 특징과 우수성

외란 발생시에 풍력발전기가 운동에너지를 일시적으로 방출하여 전력망의 안정도/신뢰도에 기여할 수 있는 관성제어 기술의 원리는 화력발전기(동기발전기)의 주파수 제어 원리와는 전혀 다르다. 첫째, 화력발전기는 미리 보유하고 있는 예비력을 이용하여 출력을 증가시키는 반면에, 풍력발전기는 회전체에 저장되어 있는 운동에너지를 이용하여 출력을 증가시킨다. 둘째, 화력발전기의 회전자 속도 범위는 60Hz 근방이나, 풍력발전기는 MPPT 운전을 위하여 회전자 속도가 42Hz에서 75Hz에 이르기 때문에, 방출가능에너지는 매우 크다. 참고문헌 [1]에 따르면 2MW DFIG(이중여자형 유도발전기)의 관성정수(H)는 약 5.6초인데, 100MW 화력발전기의 H(약 5초)와 유사하다. 회전자 속도의 운전범위를 고려하여 방출가능에너지를 계산해 보면 최대 12MJ가 되고, 이는 2MW DFIG에 최대 3.34KWh의 에너지저장장치(ESS)가 부착되어 있음을 의미하는데, 방출가능에너지는 풍력발전기의 용량에 비례하고, 풍속에 따라 다른 값을 갖는다. 셋째, 화력발전기는 조속기를 이용하여 출력을 증가시키는 반면에 풍력발전기는 컨버터를 이용하여 출력을 증가시키므로, 풍력발전기의 제어속도가 화력발전기에 비해 매우 빠르다.

2003년 2월에 계통 주파수 변화율을 이용한 관성제어기술(Control of doubly fed induction generator wind turbine)이 SCI 논문지에 처음으로 발표된 이후 현재까지 수많은 풍력발전기의 관성제어 논문이 SCI 논문지에 발표되었다[2, 3]. 아래그림에서 IEEE 14-bus 시스템에서 풍력발전기(100MW)의 수용률이 17%인 경우, 30초에 총부하의 15%를 공급하는 발전기가 탈락한 경우에 여러 주파수 제어 기술의 성능을 비교하였다. MPPT의 경우와 풍력발전기를 동기발전기로 대체한 경우에는 주파수 최저점이 저주파수부하차단 계전기의 동작점인 59.0Hz 근방까지 감소한 반면, 풍력발전기 관성제어 기술([2, 3])의 경우의 주파수 최저점은 현저하게 높아 주파수 안정도를 현저하게 개선할 수 있음을 알 수 있다.

재생에너지 수용성 향상을 위해서 우리나라도 풍력발전기의 관성제어 기술 개발을 서둘러야

지금까지 외란 발생시에 풍력발전기의 회전체를 ESS처럼 활용하여 출력을 증가시키는 관성제어 기술을 소개하였고, 이의 성능이 화력발전기보다 우수하여 수용률이 높은 전력망의 안정도/신뢰도를 제고할 수 있음을 살펴보았다. 소개한 관성제어 기술은 ESS를 이용하여도 구현할 수 있지만, MWh당 약 5억원의 고비용이 요구되는 ESS와는 달리 풍력발전기의 관성제어 기술은 제어로직을 약간만 수정하여 쉽게 구현가능하기 때문에 이에 따른 비용의 증가가 미미하다. 관성제어 기술의 관건은 재생에너지 수용률이 높은 전력망의 안정도/신뢰도를 유지하기 위하여 회전체에 저장되어 있는 에너지를 효과적으로 방출하느냐이다.

세계 4대 풍력발전기 제조업체 중 GE, Enercon, Senvion는 오래전부터 관성제어 기술을 보유하고 있었으며, Vestas도 2016년 3월 현재 관성제어 기술 개발을 계획하고 있지만, 국내에서는 이에 대한 관심이 매우 적다. 재생에너지 수용성 향상을 위해서는 해외와 같이 풍력발전기의 관성제어 기술을 활용하여 안정도/신뢰도를 유지하는 방안을 먼저 고려하고 난 이후에 ESS 활용을 차선책으로 고려하여야 한다. 하지만, 국내에서는 오로지 ESS를 이용하는 방법에만 주력하고 있는 현실을 볼 때, 재생에너지 수용성 향상을 위해 막대한 비용이 소요될 뿐만 아니라, 재생에너지 수용성 향상 기술이 해외에 비해 뒤처질 것이 분명하다. 수년 전부터 해외 선진국에서는 풍력발전기의 관성제어 기술을 전력망 연계기준에 포함시키는 것을 준비하고 있는 상황에서, 정부는 재생에너지의 수용성을 향상시키기 위하여 풍력발전기 관성제어 기술을 전력망 연계기준에 포함시켜야 하고, 이의 기술 개발에 적극적인 지원을 아끼지 않아야 한다.

참고문헌

[1] J. Morren, et al., "Inertial response of a variable speed wind turbines," Electric Power Systems Research, vol. 76, no. 11, pp. 980−987, Jul. 2006.

[2] G. Ramtharan, et al., "Frequency support from doubly fed induction generator wind turbines," IET, Renew. Power Gen., vol. 1, no. 1, pp. 3-9, Mar. 2007.

[3] M. Hwang, et al., "Dynamic droop-based inertial control of a doubly-fed induction generator," IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 7, no. 3, pp. 924−933, Jul. 2016.