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태양광 발전이 대량 도입된 배전계통 전압 제어 과제와 대책

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배전계통에 태양광 발전 도입량이 증가한 경우, 역조류에 의해 배전선의 전압이 상승한다. 따라서 배전계통 설비 계획을 할 때는 기존의 수요 예상에 기초한 설비 계획에 더해, 전압 상승분을 고려할 필요가 있다.

 

이 글에서는 태양광 발전에 의한 전압 상승 메커니즘을 설명하고, 배전 설비 측과 태양광 발전 설치자 측의 대책을 다루어 본다. 일부 대책의 효과에 대해서는 계산기 시뮬레이션 예를 제시한다. 또한 최근 태양광 발전의 도입량이 급격하게 증가한 배전선에서 배전선 전압의 저하, 전압 불평형의 확대, 전압 플리커와 같이 지금까지 볼 수 없었던 현상이 관측되고 있다. 이 글에서는 이러한 현상에 대해서도 개략적으로 설명한다.

 

배전계통의 구성

 

1. 배전계통의 개요

전력계통은 전압 레벨로 송전계통과 배전계통으로 크게 나뉜다. 송전계통은 화력 발전이나 수력 발전 등 대형 설비에서 발전된 전력을 수요의 중심지에 설치된 변전소까지 보내는 설비로, 전압 레벨은 500kV나 275kV와 같은 고전압이다.

 

배전계통은 그림 1에 나타냈듯이 66kV로 수전하는 배전용 변전소에서 전압 레벨을 6.6kV로 강압해 고압배전선, 주상변압기를 통해 각 가정까지 전력을 보내는 설비이다. 송전계통은 발전 설비와 수요의 중심지를 연결하도록 선적으로 퍼져 있지만, 배전계통은 모든 가정에 전력을 전달하기 위해 면적으로 퍼져 있다.

 

 

따라서 배전계통을 구성하는 배전선의 총연장, 전주의 개수 등 설비 수가 방대하고, 지역마다 다른 토지의 이용 상황에 맞춰 부설되기 때문에 구성은 여러 가지이다.

 

2. 배전계통 설계를 위한 수요 예상

배전계통의 설계는 전선이나 주상변압기를 어디에 어떤 용량의 것을 배치할지 비용을 고려해 검토하는 것인데, 공급 지역의 전력 수요를 적절하게 예상할 필요가 있다. 예를 들면, 계약 암페어가 50A인 가정의 경우, 공급할 수 있는 전류의 최대값은 50A이지만 24시간 항상 50A의 전류를 사용하는 가정은 거의 존재하지 않는다.

 

또한 1대의 주상변압기에서 복수의 가정에 전력을 공급할 수 있지만, 주상변압기의 전류 최대값은 각 가정의 계약 암페어 합계값보다 작은 값이 되는 것이 대부분이다. 이것은 전력을 사용하는 방식은 각 가정마다 다르고, 각 가정이 동시에 최대의 전류를 사용하는 경우는 거의 없기 때문이다.

 

배전계통을 구성하는 고압배전선이나 주상변압기의 용량을 결정할 때는 각 가정의 계약 암페어 합계값으로부터 전력 수요의 최대값을 예상하고 있는데, 종래의 방법에서는 경험칙이나 통계적인 조사에 기초해 전력 수요의 최대값을 검토하는 예가 많다. 최근에는 스마트 미터가 각 가정에 설치되어 지역별 전력 수요를 정확하게 파악할 수 있게 되고 있다. 이러한 데이터를 활용해 배전계통의 설비 용량을 결정하는 것이 기대되고 있다.

 

3. 배전계통의 전압 제어

배전선이나 주상변압기에는 임피던스가 있기 때문에 전류가 흐르면 전압 강하가 발생한다. 태양광 발전과 같은 전원이 배전계통 내에 설치되어 있지 않으면 전류의 방향은 배전용 변전소에서 각 가정으로 향하는 일방향이기 때문에 기본적으로는 배전용 변전소에서 떨어질수록 전압은 저하된다.

 

저압 100V를 사용하는 가정의 경우, 전압은 전기사업법에 의해 101±6V를 넘지 않는 값으로 유지되는 것이 정해져 있으므로 전력 수요에 따라 변화하는 전압이 적정 범위를 벗어나지 않도록 제어할 필요가 있다. 배전선 길이가 긴 경우, 그림 1에 나타냈듯이 고압배전선의 중간 지점에 자동 전압조정기(SVR)라고 불리는 변압기를 설치해 변압비를 자동적으로 바꿈으로써 전압을 제어하는 경우가 있다. 또한 배전용 변전소의 변압기는 부하 시 탭 전환 변압기(LRT)라고 불리며, 동일한 기능이 갖추어져 있다. 주상변압기의 변압비도 바꿀 수 있지만, 설치 시에 조정할 수 있을 뿐이고 운전 중에 제어할 수는 없다.

 

 

태양광 발전에 의한 전압 변동

 

1. 배전선 전압이 변동하는 요인

그림 2는 배전선을 간략화한 모델도로, 배전용 변전소의 송출단 전압을 V1, 부하가 접속된 수요가단의 전압을 V2, 배전선의 전압 강하를 ∆V로 하고 있다. 각 전압의 관계는 키르히호프(Kirchhoff)의 전압칙에 의해 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

 

그림 2(a)에 나타냈듯이 배전선의 말단에 부하만 접속된 경우의 전압 강하 ∆V는 식(2)와 같이 근사할 수 있다는 것이 널리 알려져 있다.

 

 

여기서 R은 배전선 저항, L은 배전선 인덕턴스, ω는 계통 각주파수, P 및 Q는 각각 부하의 유효전력 및 무효전력이다. 종래의 배전계통에서는 V1과 V2의 위상차가 작기 때문에 이것을 이용한 근사식이다. 식(2)에 나타냈듯이 배전선의 전압 강하 ∆V는 선로 임피던스와 선로를 흐르는 전력에 의존하고 있으며, 부하의 유효전력 P가 시시각각 변화하면 ∆V도 변화한다. 송출단 전압 V1을 가능한 한 일정하게 제어한다고 해도 유효전력 P의 변화와 함께 말단 전압 V2는 변화한다.

 

한편, 그림 2(b)는 말단에 태양광 발전(PV)을 접속하고 있으며, 발전 전력은 PPV이다. 배전선을 흐르는 유효전력은 P-PPV가 되고, P<PPV일 때 유효전력은 배전용 변전소를 향해 역류한다. 전압강하 ∆V는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

 

발전 전력 PPV가 증가하면 전압 강하 ∆V가 작아지고, 부하의 유효전력 P를 웃돌면 무효전력 Q의 크기에 따라서는 말단 전압 V2 쪽이 커진다.

 

태양광 발전의 설치에 의해 전력이 배전선을 역방향으로 흐르는 상태가 존재하고, 이것을 역조류라고 부른다. 태양광 발전의 도입량이 증가할수록 역조류가 되는 빈도는 증가하고, 배전선 전압이 상승하기 쉬워지기 때문에 이것을 적정 범위로 유지하기 위해 배전계통을 적절히 설계하고 전압을 제어할 필요가 있다.

 

 

2. 태양광 발전의 도입량 증가에 의한 전압 상승을 억제하기 위한 설비 대책

그림 3은 태양광 발전의 도입이 진행되면 전압 제어에 필요한 설비가 어떻게 변화하는지를 나타내는 이미지도이다. 그림 3(a)는 태양광 발전이 도입되지 않은 경우이다.

 

종래에는 배전용 변전소가 공급하는 전력의 최대와 최소를 예상해 각 가정의 공급 전압이 적정 범위에 들어가도록 배전 설비를 설계했다. 또한 배전선의 전압을 자동으로 조정하기 위한 변압기(LRT나 SVR)를 제어하고 있었다.

 

그림 3(b)에서는 일부 수요가가 태양광 발전을 도입하고 있다. 태양광 발전의 발전 전력에 의해 수요가 측의 전압이 높아지기도 하며, LRT나 SVR의 제어 파라미터를 변경함으로써 전압을 적정 범위 내로 제어할 수 있는 경우가 있다. 또한 종래 배전선 말단 부근의 전류는 작고, 배전선 용량은 작은 경우가 많았다. 이러한 지역에 태양광 발전이 도입되면, 배전선 용량이 부족해 전선을 교체할 필요가 생기는 경우가 있다.

 

그림 3(c)는 태양광 발전의 도입량이 더욱 증가한 경우를 나타낸다. 도입량의 증가와 함께 역조류가 증가하고, 배전선의 전압이 상승한다. 종래부터 설치하고 있는 LRT나 SVR의 제어 파라미터 변경만으로는 전압을 적정 범위로 유지하기 어려워지는 경우가 예상된다. 이러한 경우, 무효전력 제어장치(SVC)를 도입하는 것으로 해결할 수 있는 경우가 있다. 배전선이나 주상변압기 등의 설계값은 태양광 발전이 대량으로 도입되기 전의 설계에 기초해 부설되고 있는 것이 대부분이다. 태양광 발전의 도입에 의해 전압 이탈이 발생하거나, 배전선의 전류 용량 일탈이 발생하거나 하는 경우에는 그때마다 순차적으로 설비를 개수함으로써 대응하는 경우가 많아 설비 투자비용의 증가가 문제가 된다.

 

3. 태양광 발전 시스템의 제어 고도화에 의한 전압 상승 억제

태양광 발전의 도입량이 증가하면, 전압을 적정 범위로 유지하기 위한 설비비용이 증가한다. 따라서 전압 상승의 원인이 되는 태양광 발전 시스템 자체를 제어함으로써 전압 상승을 억제하는 대응이 실시되고 있다. 일본에서는 역률 일정 제어의 적용이 널리 보급되어 있다. 태양광 발전 시스템이 무효전력을 출력함으로써 전압 상승을 억제하고 있다. 전압 강하를 나타내는 식(3)에서 PPV에 의한 전압 상승을 억제하도록 무효전력 Q의 항을 조정하는 것에 해당된다.

 

마찬가지로 무효전력을 제어하는 방법으로서 Volt-Var 제어라고 불리는 기능을 가지는 인버터가 연구․개발되어 있다. 여기서는 계산기 시뮬레이션으로 태양광 발전 시스템에 Volt-Var 제어를 적용해 태양광 발전의 도입 가능량을 확대할 수 있는 것을 나타낸다.

 

 

그림 4는 실재하는 배전선 구성을 참고로 작성된 CREST126 배전선 모델 중, 주택지에 전력을 공급하는 배전선 모델 F078의 고압배전선 배치를 나타낸다. 배전용 변전소에 접속되어 있는 배전선 간선의 길이는 1.676km이다. 그림 속의 ○ 표시에는 고압수요가나 주상변압기가 접속되어 있다. 주상변압기의 2차 측에는 저압배전선이 접속되어 있으며, 예로서 노드 95에 접속된 주상변압기와 저압배전선 구성을 그림 5에 나타냈다. 그림 5의 ○ 표시에는 저압수요가가 접속되어 있다.

 

 

그림 4의 배전선 모델에서 각 수요가가 소비하는 전력의 시간 변화를 24시간분 부여하고 조류 계산에 의해 각 노드의 전압을 계산했다. 그림 6(a)는 태양광 발전(PV)의 도입률이 0%인 경우에 대하여 그림 5에 나타낸 모든 저압수요가의 전압을 계산한 결과이다. 수요가의 소비전력 변화에 따라 전압은 변동하고 있지만, 적정 범위인 101±6V 범위 내에 들어가 있다.

 

 

그림 6(b)는 그림 4에 나타낸 배전선 모델에 포함되는 저압수요가의 17%에 5kW의 태양광 발전을 설치한 경우이다. 태양광 발전 시스템의 역률을 100%로 하고 있다. 일부 수요가의 전압이 낮에 상승해 적정 전압 상한값인 107V를 넘었다.

 

 

그림 7은 전압 상승 억제 대책으로서 모든 태양광 발전 시스템에 Volt-Var 제어를 적용한 경우이다. Volt-Var 제어는 전압에 따라 태양광 발전 시스템이 출력하는 무효전력을 조정한다. 전압이 적정 범위 내에 유지되고 있는 경우는 불감대에 의해 무효전력을 0으로 하고 있지만, 전압 상승에 따라 무효전력의 출력을 바꾸어 전압 상승을 억제한다. 태양광 발전의 도입량을 그림 6(b)와 동일하다고 한 경우의 전압 계산 결과를 그림 7(a)에 나타냈다. 낮 동안의 전압 상승이 억제되어 있으며, 전압을 적정 범위로 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.

 

그림 7(b)는 태양광 발전의 도입량을 80%까지 상승시킨 경우인데, Volt-Var 제어의 작용에 의해 전압이 적정 범위를 벗어나지 않고, 태양광 발전 도입량을 확대할 수 있는 것을 나타내고 있다. Volt-Var 제어를 적용한 태양광 발전 시스템의 무효전력 출력을 그림 8에 나타냈다. 태양광 발전의 도입률이 높을수록 전압 상승이 현저해지기 때문에 무효전력 출력도 증가하고 있다. 무효전력이 배전선을 흐름으로써 전압 상승을 억제하지만, 동시에 배전선의 손실도 약간 증가한다. 단, 태양광 발전의 도입량이 증가함으로써 배전선용 변전소가 상위의 발전소로부터 수전하는 전력은 대폭으로 감소하고 있다. 따라서 전력 네트워크 전체에서 생각하면 Volt-Var 제어에 의한 손실 증가는 문제가 되지 않을 가능성이 높다고 생각한다.

 

 

태양광 발전 도입량 확대에 의한 배전계통 전압 제어에 관한 과제

 

1. 전압 저하 현상

앞에서 설명한 바와 같이 태양광 발전의 도입량 확대와 함께 전압 상승이 문제가 된다는 것이 잘 알려져 있는데, 도입량의 극단적인 증가에 의해 큰 역조류가 발생한 경우나 장거리 배전선인 경우 등 조건에 따라서는 전압이 반대로 저하한다는 것이 최근 측정되고 있으며, 이론적으로도 원인이 해명되어 있다. 식(3)에서 PPV가 증가하고, ∆V가 마이너스가 되면 전압은 상승한다.

 

한편 역조류가 현저하게 증가하면 배전선의 무효전력 손실이 증대되어 식(3)에서 Q가 증가하고 ∆V가 플러스로 바뀌는, 즉 전압이 저하되는 경우가 있다. 전압이 상승하는지 저하하는지에 대해서는 PPV에 의한 전압 상승의 효과와 Q에 의한 전압 저하의 효과 중 어느 쪽이 상회하는지에 따라 결정되며, 태양광 발전의 출력과 역률, 배전선의 길이와 굵기에 의존한다. 결과적으로 배전선의 전압이 복잡하게 변화할 가능성이 높아진다. 배전계통의 전압을 안정적으로 제어하기 위해 고려해야 할 중요한 과제 중 하나이다.

 

2. 전압 불평형의 확대

태양광 발전의 도입량 확대에 따라 고압배전선의 전압 불평형이 확대되는 현상이 측정되고 있다. 고압배전선은 3개의 전선으로 3상 전력을 공급하고 있는데, 각 선 사이에서 전압의 불균일이 확대되는 현상이다. 이것에 의해 주상변압기가 접속되는 선 사이에 따라 저압 측 전압이 다르기 때문에 전압을 적정 범위로 제어하는 데 방해가 되거나, 3상 전력으로 동작하는 기기에 불량이 발생하거나 하는 경우가 있다. 배전선의 선로 임피던스가 불평형인 것도 영향을 미치는 현상이라고 생각되므로 높은 전력 품질을 유지하기 위해 고려해야 할 과제의 하나이다.

 

3. 전압 플리커 현상

태양광 발전 시스템을 저압배전선에 연계하기 위해 인버터를 이용하고 있는데, 단독 운전을 방지하기 위한 기능이 갖추어져 있다. 배전계통에서 낙뢰 등의 사고가 발생한 경우, 차단기가 동작하고 배전선은 정전 상태가 되지만 태양광 발전이 연계 상태를 유지하는 경우에 배전선은 충전 상태가 되어 전기 보안상의 문제로부터 이것을 방지할 필요가 있다.

 

신형 능동적 방식(스텝 주입 주파수 피드백 방식)이라고 불리는 단독 운전 검출 기능을 가지는 인버터가 배전계통에 대량으로 연계된 경우, 주입하는 무효전력을 원인으로 하는 전압 플리커가 발생하는 일이 있다. 전압 플리커의 주파수나 빈도는 태양광 발전의 도입량, 배전선 구성, 상위 계통과 배전계통의 접속 상태 등 여러 가지 요인에 의존한다고 생각된다.

 

맺음말

 

재생가능 에너지 전원의 대량 도입에 따라 배전계통의 전압 상승뿐만 아니라 전압 저하 현상이나 전압 불평형의 확대 등도 포함해 종래의 전력계통에서는 예상하지 못했던 현상도 발생하고 있다. 이러한 현상이 일어나지 않은 지역에서도 도입률 상승과 함께 발생할 가능성이 있다고 생각된다. 설비 측의 대책에만 의존할 것이 아니라, 각 태양광 발전 시스템의 제어로 해결해야 할 문제도 있다고 생각한다. 또한 수요가 부하의 제어도 이러한 문제를 해결하는 수단이 될 수 있다고 생각한다. 재생가능 에너지의 대량 도입과 전력 품질 유지를 양립시키기 위해 앞으로도 다양한 관점에서 연구를 해갈 것이다.









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