- 스마트 인버터로 들쑥날쑥 재생에너지 불안정성, 출력제한 해결해

- 재생에너지 활성화의 핵심, 스마트 인버터 기술 개발 돼

- 강화된 계통 연계 국제 규정을 만족시키는 스마트 인버터 개발

- 재생에너지 계통 안정화 지원 및 계통사고 대비 가능

- 스마트 인버터 평가 자동화 플랫폼 개발

[연구진이 실증 중인 스마트 인버터 시스템 앞에서 단체사진을 찍고 있다]

□ 청정에너지로의 전환과 에너지 산업 신성장 동력 확보를 위해 태양광, 풍력 분야의 성장이 가파르다. 이러한 빠른 증가세로 전력 구성에서 태양광, 풍력과 같은 변동성 재생에너지비중이 커지며 전력계통에 높은 변동성과 불확실성이라는 성장통도 수반되고 있어, 재생에너지의 성장과 함께 전력 공급의 안정성을 높이는 기술개발 역시 매우 중요한 상황이다.

○ 2020년 기준 제주도의 재생에너지 발전비중은 16.2%이며, 출력제한이 77회 시행됐고, 지난해까지 총 225회의 출력제한이 이뤄졌다. 올해는 풍력뿐만 아니라 태양광도 출력제한을하는 상황에 이르러 상반기에만 60회의 출력제한이 진행됐으며, 이러한 수급 불균형으로 인한 전력망 부담은 제주도만이 아닌 우리나라 전체의 문제이다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 에너지ICT융합연구단 백종복 박사 연구진이 재생에너지 분산전원을 대상으로 강화된 국제 규정인 IEEE1547-2018*과 IEEE-1547.1-2020*을 만족시키는 미래형 분산전원용 스마트 인버터** 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 기술은 전력계통의 불안정성을 해소하고 재생에너지 수용률을 향상시킬 수 있도록 전력망과 동적으로 협력하고 자율적인 결정을 내려 출력 제한 문제를 해결할 수 있는 패키지형 핵심기술이다.

* IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 전기전자공학자협회): 전기전자공학 전문가들의 국제조직. 전력시스템과 분산자원의 상호 접속을 위한 요구조건으로 IEEE-1547 표준을 제작하고 지속적으로 업데이트하고 있음, 2018에서는 전력시스템과 분산에너지 간의 상호연결과 상호 운용성에 대한 기술사양 및 테스트에 대한 표준을, 2020에서는 해당 표준을 구체적으로 실험하고 검증할 수 있도록 규정화

** 스마트 인버터: 계통의 전압 및 주파수 변동과 같은 위기상황 발생 시 정해진 기능에 따라 능동적으로 대응할 수 있는 전력변환설비

□ 재생에너지와 같은 분산전원 시스템은 전력변환장치인 인버터를 통해 전력 계통에 연결된다. 기후에 의존하는 재생에너지는 소비량에 비해 발전량이 클 경우 전압이나 주파수 변동 등의 전력 품질 문제로 계통 안정성에 영향을 미치고, 여기에서 기존의 인버터는 불시에전압이 낮아지면 설비 보호를 위해 모든 설비를 계통에서 분리하는 수동적인 대응만이 가능했다.

□ 하지만 스마트 인버터는 계통 연계 기능을 통해 분산전원의 간헐성과 변동성에 응답하며안정성과 복원성을 강화시켜 전력 품질을 향상시킬 수 있다. 이러한 기능으로 미국 등 해외에서는 안정성 증대를 위해 스마트 인버터의 계통 지원 기능 보유 의무화를 추진하고 있으며, 전력 시스템의 품질 보장을 위한 IEEE-1547과 같은 국제표준 개정으로 분산전원 계통 연계기준 또한 강화되고 있다.

■연구진이 개발한 분산전원용 스마트 인버터 기술은 태양광, 에너지저장장치, 연료전지 등다양한 분산전원이 IEEE 1547-2018의 계통연계 규정에서 요구하는 기능성(Functionality)과상호운용성(Interoparability)을 모두 만족시키는 기술이다.

□ 이 기술은 전압-유효전력 제어기능(Volt-Watt), 전압-무효전력 제어기능(Volt-Var), 주파수-유효전력 제어기능(Frequency-Watt)으로 전력계통의 전압과 주파수를 유지해 안정적인 계통공급을 지원한다. 라이드스루(Ride-through) 기능은 계통 이상 시, 계통과 분산전원의 연계유지 또는 분리하는 기능을 제공해 계통연계 규정을 만족시켰다. 이와 함께, 모든 제어 알고리즘을 모듈화해 계통 상황과 조건에 따라 다양한 알고리즘의 동시적용이 가능하다.

□ 또한 연구진은 IEEE 1547-2018 규정에서 요구하는 상호운용성을 위해 규정된 통신 프로토콜*인 SunSpec Modbus를 탑재해 상위에서 원격으로 스마트 인버터의 다양한 알고리즘을위한 매개변수를 설정 할 수 있도록 했다.

□ 이 외에도 변동성 재생에너지와 연계 시, 재생에너지 출력 평탄화(Smoothing)와 램프율(Ramp rata) 제어 기능은 재생에너지의 극심한 간헐성 및 출력 변동성 완화시킬 수 있어 문제가 되고 있는 재생에너지 출력제한과 접속 한계용량 문제에 대한 해결책이 될 수 있다.무엇보다 국내에서도 보조서비스 시장이 열릴 경우 발전사업자들에게는 다기능 운전을 통해추가적인 수익모델을 기대할 수도 있어 경제성이 더욱 향상될 것으로 예상된다.

■ 더 나아가 연구진은 IEEE Std 1547.1-2020에서 규정하는 검증 절차에 따라 개발한 스마트 인버터를 검증하기 위한 평가 자동화 플랫폼을 개발했다. 이를 통해 스마트 인버터 기술이 탑재된 인버터를 시험하고 평가해 신뢰성을 확보했으며, 실제로 에너지연 대전 본원에스마트 인버터 기술이 탑재된 300kWh/250kW급 실증설비를 구축해 실증 결과도 확보했다.

■ 연구책임자인 백종복 박사는 “스마트 인버터 핵심기술은 강화된 계통연계 규정을 만족하고 상호 운용성을 지원하는 기술로 전력 계통 품질향상, 발전단가 저감, 재생에너지 수용률향상, 계통사고 사전 대비가 가능하다”며, “기존 제품 대비 우수한 성능으로 시장경쟁을 주도할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

□ 이번 연구는 에너지연 기본사업과 산업통상자원부 ESS기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 한편 연구진은 연구성과를 활용해 재생에너지 발전사업자, 수요관리 사업자, 전력변환장치 개발사 등을 대상으로 시장과 수요처 확보전략을 수립하고 전문기업과 연계해 해외 진출을 계획하고 있다.