(전기학회-본지 공동기획_전기기술 미래를 보다)(4)친환경 에너지 수용능력 향상을 위한 태양광 발전원 운영 및 보호·제어 기술
국내 상황 부합 원천기술 개발
분산형 전원 기술 선도국 돼야
작성 : 2018년 05월 10일(목) 13:43
게시 : 2018년 05월 11일(금) 10:16
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김철환 성균관대 교수

기존 에너지 자원의 고갈 및 환경문제로 인하여 재생에너지는 전력계통 내 필수적인 존재가 되었으며 전 세계적으로 재생에너지의 도입이 증가하는 추세이다. 재생에너지는 전력계통 내에 분산형 전원의 형태로 연계되며 재생에너지의 간헐적 출력을 안정화하는 목적으로 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 및 다양한 구성요소들이 포함된다. 또한 재생에너지에 관한 다양한 연구가 해외에서 진행되고 있으며 국내에서도 이러한 추세에 따라 재생에너지 분야에 대한 산업육성 전략을 시행하고 있다. 정부의 탈탄소화 정책으로 인하여 전 국민적으로도 더욱더 관심을 받고 있으며 규제개선, 재생에너지의 수용률 향상, 공공기관의 협조를 통하여 2030년까지 전력생산비율의 20%를 재생에너지로 달성하는 재생에너지 3020 이행계획이 예정되어 있다[1]. 이행계획의 목표를 달성하기 위해서는 향후 37GW의 재생에너지를 추가로 설치해야 하며 이로 인해 다양한 문제점이 예상됨에 따라 재생에너지와 관련된 최신 기술들에 대하여 기술하고자 한다.

1. 재생에너지의 단독운전 검출 알고리즘 개발
재생에너지의 단독운전이란 재생에너지가 주전원과의 연계 없이 단독으로 계통에 전력을 공급하는 상황을 의미한다. 차단기 오동작 및 자연재해 등으로 인하여 발생하는 재생에너지의 단독운전 상황은 공사 중인 인부 및 전력계통에 악영향을 줄 수 있으며, 따라서 신속하게 단독운전을 검출하고 이에 대처하여 단독운전 상황이 발생한 재생에너지를 차단하는 것이 중요하다.
단독운전 검출 알고리즘은 크게 수동적 방법, 능동적 방법 및 통신을 이용한 방법 등으로 구분할 수 있다. 수동적 방법은 단독운전이 발생한 직후, 주파수 및 전압변동을 통하여 단독운전을 판단하는 방법이며 능동적 방법은 재생에너지 자체에서 임의의 외란을 계통에 투입하여 계통과 연계가 차단된 단독운전 상태에서 계통 내 존재하는 외란을 검출하여 단독운전을 판단하는 방법이다. 기존의 수동적 방법은 단독운전이 발생하더라도 재생에너지의 침투율이 증가한 상황에서는 부하량과 발전량의 큰 불균형이 존재하지 않는 상황이 발생하여 주파수 및 전압의 변동이 불감지구역(None Detection Zone, NDZ)에 포함된다. 따라서 해외에서는 계통에 외란을 투입하는 능동적 방법보다는 기존의 수동적 방법의 문제점을 해결하기 위하여 불감지구역을 최소화하는 수동적 방법의 개선[2] 또는 통신망을 사용한 단독운전 검출기법에 대한 연구가 진행되고 있지만 국내에서는 아직 연구가 미미하다.

2. 계통 내 분산형 전원의 최대 수용능력 산정 알고리즘 개발
현재 사용되고 있는 화력에너지의 문제점 및 환경문제로 인하여 분산형 전원의 점유율은 계속 증가할 것으로 예상된다. 해외에서는 최대 수용능력 산정 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나 아직 국내에서는 연구가 미미하다. 실제적인 부하 데이터와 일사량 및 풍속 데이터 등을 통하여 실제적인 시뮬레이션 위주로 진행 중이며 계통 내 분산형 전원의 최대 수용능력을 산정하기 위해서 최적화 기법이 주로 사용된다[3-4]. 대표적으로 유전알고리즘을 사용한 최적화 기법이 존재하며 유전알고리즘은 최적화 과정에서 국부적인 문제를 야기할 수 있으므로 이를 개선한 다양한 알고리즘에 대한 연구도 진행 중에 있다. 분산형 전원의 수용능력을 향상시키기 위하여 분산형 전원의 용량 및 다양한 변수가 입력 데이터로 사용되며 일반적인 변수 및 제약조건은 <표 1과> 같다.

표 . 최적화 과정 내 입력변수 및 제약조건

상기에 언급된 방식을 이용하여 해외에서는 비용, 손실 등 다중 목적함수를 통한 다양한 방향에서 분산형 전원의 최대 수용능력 산정 관련 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 재생 3020 이행계획의 달성을 위하여 연구가 필요한 상황이다.

3. 재생에너지의 FRT를 고려한 계전기 정정 알고리즘 개발
일반적으로 계전기 정정법은 최적화 방법을 통해 계전기의 정정치(Time Dial Setting(TDS)와 Pickup Current Setting(PCS)을 계산하는 방법을 사용한다. 현재 계전기의 총 동작시간을 최소화시키면서 주보호와 후비보호계전기 간의 협조를 적절히 유지하도록 하는 정정치를 최적화 기법을 통하여 계산하는 다수의 연구가 진행되고 있으며 비교적 간단한 계산으로 인하여 관련된 연구가 많이 수행되고 있다.
또한 분산형 전원의 계통 내 침투율이 증가함에 따라 Fault Ride Through(FRT) 규정이 도입되고 있다. FRT는 외란 중 재생에너지의 분리를 방지하기 위한 규정이며 외란 중 재생에너지의 분리는 계통 전압안정도 및 재동기화 문제 등을 유발하기 때문에 도입되었다. 전압 강하 크기에 따른 연계 유지 시간을 정하여 해당 시간 동안 연계를 유지할 수 있는 기능을 재생에너지에 요구하였으며 해외에서는 고압 계통 및 중압 계통에서도 FRT 규정을 도입하였다. 하지만 FRT를 고려한 계전기 정정 알고리즘과 관련된 연구는 진행이 미미한 상황이며 또한 재생에너지원이 계통에 점차 대량으로 연계될 수 있으므로, FRT를 고려한 계전기 정정 알고리즘에 관한 연구가 필요할 것으로 보인다. 예를 들면, 최적화 기법을 사용할 경우, 목적함수에 FRT와 관련된 사항들을 고려함으로써 해결 할 수 있으며 또한 계통 내 고장전류 값에 영향을 미치는 다양한 원인을 함께 고려한다면 신뢰성 높은 계전기 정정 알고리즘을 개발할 수 있을 것이다.

4. 분산형 전원의 보호 및 제어 알고리즘 개발
일반적으로 분산형 전원이 연계된 경우, 계통 임피던스의 감소로 인하여 총 고장전류는 증가하나 분산형 전원에서 출력되는 고장전류로 인하여 주전원에서 출력되는 고장전류가 감소하게 된다. 이러한 결과는 기존 계전기의 오동작을 야기하며 계통에 손상을 끼치게 된다. 또한 기존의 방사형 계통에서의 순방향 조류만이 아닌 역방향의 조류가 계통 내에 흐르기 때문에 기존의 보호 체계들이 역조류를 고려하여 변경되어야 한다. 분산형 전원이 연계됨으로 발생하는 대표적인 보호 관련 문제점으로는 Blinding protection과 Sympathetic tripping이 존재한다. Blinding protection은 분산형 전원이 연계된 계통에서 고장이 발생하였을 때, 분산형 전원의 고장 전류 기여로 주전원에서 발생한 고장 전류가 감소하여 보호 계전기가 부동작 하는 현상을 의미하며 Sympathetic tripping은 분산형 전원이 연계된 계통에서 고장이 발생하였을 때, 분산형 전원에서 발생하는 고장전류로 인하여 건전선로의 보호 계전기가 오동작하는 현상을 의미한다. Blinding protection의 경우 분산형 전원의 위치 및 용량을 고려한 최적화를 진행하여 과전류 계전기의 설정치를 변화시킴으로써 부동작을 방지하며, Sympathetic tripping의 경우 방향성 과전류 계전기를 설치함으로써 해결할 수 있는 방안들이 제시되고 있다[5].
친환경 시대의 요구에 부응하여 급변하고 있는 전력계통의 안정적인 운영 및 정부의 재생에너지 3020 이행계획 목표 달성을 위해서는 본고에서 논의된 기술들의 개발이 필수적이며, 국내 상황에 부합하는 원천기술 개발을 통하여 분산형 전원과 관련된 원천기술을 선도하는 국가로 발전할 수 있을 것이다.

참고문헌
산업통상자원부, “재생에너지 3020 이행계획(안)”, Dec. 2017.
Raza Haider, Chul-Hwan Kim, Teymoor Ghanbary, Syed Bais Ali Bukhari, Muhammad Saeed uz Zaman, Shazia Baloch and Yun-Sik Oh, “Passive islanding detection scheme based on autocorrelation function of modal current envelope for photovoltaic units”, IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 12, No. 3, pp. 726-736, Feb. 2018.
Gyu-Jung Cho, Yun-Sik Oh, Mun-Sung Kim, Ji-Soo Kim, Chul-Hwan Kim, Barry Mather and Bri-Mathias Hodge, "Optimal capacitor bank capacity and placement in distribution systems with high distributed solar power penetration", IEEE PES General Meeting, July. 2017.
Gyu-Jung Cho, Chul-Hwan Kim, Yun-Sik Oh, Min-Sung Kim, Ji-Soo Kim, "Consideration and Challenges Related to Hosting Capacity: Optimization-Based Distribution Network Planning Strategies for Future Grids with High Penetrations of Distributed Energy Resources", IEEE Power and Energy Magazine, to be published.
Min-Sung Kim, Yun-Sik Oh, Gyu-Jung Cho, Ji-Soo Kim, Chul-Hwan Kim, Hun-Chul Seo and Sang-Bong Rhee, "Directional Overcurrent Relay Modeling of Distribution System connected with Distributed Energy Resources using EMTP", Summer conference of KIEE, July. 2016.

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