- 세계 최대 용량 저·고전압 보상기능 시험장치 및 계통연계 시험평가기술 확보

- 세계 최대 용량 신재생에너지 저·고전압 보상(LVRT·HVRT) 시험장치 개발

- 국내 최초 IEC-61400-21-1 기반 계통연계적합성 시험평가기술개발

- 전력품질 시험 분야 KS 인증 체계 완비를 통한 국산 풍력발전기 보급 가속화

□ 탄소중립 달성을 위한 전 세계적 풍력산업의 가파른 성장 속 국내 풍력산업의 성장을 위해서는 끊임없는 기술개발뿐 아니라, 풍력발전의 신뢰성을 담보할 수 있는 객관적인 평가인증체계가 필요하다. 이러한 가운데 국내 연구팀이 세계 최대 규모국내 최초 시험 장치와 평가기술을 개발해 풍력발전 보급에 탄력을 더할 것으로 기대한다.

* ‘대한민국 2050 탄소중립 달성을 위한 부문별 전략 및 정책개발 연구(’20)에 따라 2050년도 국내 총 전력량은 819 TWh로 예상하며 이 중 풍력발전은 240.9 TWh를 담당한다. 이는 총 전력량의 약 29%에 해당

- 819 TWh: ‘18년 기준 한국의 1인당 전력소비량(11,082 kWh, ’주요 세계 에너지 통계 2020‘)을 고려, 약 7,400만 명 이용.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 전력시스템연구팀 김병기 박사 연구팀은 세계 최대 용량의 풍력발전기를 평가할 수 있는 12MVA급 저전압*고전압* 보상기능 시험평가 장치를 개발하고, 국제 표준에 부합하는 IEC-61400-21-1** 기반 계통연계 시험평가 기술을 국내 최초로 개발했다.

* LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 보상 능력): 계통고장으로 인한 순간전압 강하 시 풍력발전기가 연계상태를 유지할 수 있는 성능

* HVRT(HIgh Voltage Ride Through, 고전압 보상 능력): 계통고장으로 인한 순간전압 상승 시 풍력발전기가 연계상태를 유지할 수 있는 성능

** IEC-61400-21-1: 풍력발전기의 전기적 특성을 측정 하고 평가하는 국제표준

□ 계통 전력선에 낙뢰, 외물 접촉 등 사고에 의해 전압이 순간적으로 낮아지거나(저전압) 높아지는(고전압) 상태가 발생하면, 전력계통에 연결된 풍력발전기는 가동이 중단되고 악화 시 전력수급 불균형으로 정전을 초래할 수 있다.* 따라서 풍력발전기는 순간전압 상승강하에 의한 계통 탈락을 방지하기 위해 이상 전압을 보상(극복)할 수 있는 저전압고전압 보상기능을 보유해야 한다.

* 재생에너지원이 저전압 상황을 견디지 못해 계통에 탈락되면, 계통 상태를 악화 시킬 수 있음 (2019 호주 남부 blackout 사고)

□ 이처럼 풍력발전기는 저전압고전압 보상기능을 반드시 검증해야 하나 국내에서는 저전압고전압 보상기능을 동시에 평가할 수 있는 현장평가용 시험장비의 보유와 시험평가를 수행할 수 있는 기관이 없었다. 또한 코로나로 인해 해외 기관을 통한 인증 및 시험활동이 원활하지 못해 국산 풍력발전기의 설비 보급 지연 및 경쟁력확보가 어려운 상황이다.

○ 풍력발전시스템의 신뢰성을 평가*받기 위해 연구원은 형식시험에 해당하는 평가를 국내에서 인증 받을 수 있는 체계를 마련했다. 풍력발전기의 출력 및 기계 하중시험을 국산화**한 바 있고, 이번 기술개발을 통해 전력품질 시험을 국산화했으며, 2022년도에는 소음시험분야로 확대함으로써 형식시험을 위한 모든 시험을 국산화할 예정이다.

* 풍력발전시스템 신뢰성을 평가는 제3자 기관으로부터 설계평가, 형식시험, 제조평가에 대해 평가를 받아야 하며 각 평가를 바탕으로 최종평가보고서 및 형식 인증서가 발급

** 연구원 배포 보도자료 ‘대형 풍력발전시스템 형식시험도 국산 기술로’(2020.11.02.) - [기사확인]

■ 이에 김병기 박사 연구팀은 참여기업인 ㈜플라스포와 협업을 통해 국내에서도 세계 최대 규모의 풍력발전기를 시험평가 할 수 있는 장비와 기술을 개발했다. 즉, 계통의 전압이 크게 변동 시 계통으로부터 대규모 풍력발전기의 탈락 현상을 방지하기 위해 풍력발전기 내 탑재된 저전압고전압 보상기능을 현장에서 평가할 수 있는 시험 장비와 기술을 개발했다.

□ 기존 국내 보유 시험장비는 저전압 보상기능 시험만 가능한 5MVA급 장비다. 이번에 연구팀이 개발한 장비는 저전압고전압 시험이 동시에 가능하며 용량도 세계 최대 용량인 12MVA로 확장해 향후 국내에 도입되는 모든 풍력발전기의 저전압고전압 보상기능 시험이 가능하다.

* 개발 전 세계 최고 용량은 독일선급(DNV GL)에서 보유하고 있는 10MVA 급

□ 또한, 시험장비는 단권변압기형태로 개발해 컨테이너 1대로 콤팩트하게 구성했으며, 반영구적으로 사용 가능해 기존 시험장비의 단점을 보완했다.

□ 이에 더해 연구원은 IEC-61400-21-1 기반 계통연계 적합성 시험평가에 관련한 시험장비 보유 및 시험평가 능력을 인정받아, 저전압고전압 보상기능시험을 포함하는 계통연계 적합성 시험을 위한 KOLAS 인정서를 획득했다.

■ 연구팀이 개발한 장비와 기술을 통해 올해부터는 풍력발전기의 계통연계 적합성 시험을 국내에서도 진행할 수 있는 체계를 구축했다. 이에 따라 국내 풍력발전기 회사들의 해외인증 및 형식시험 시 장기간 소요됐던 기간 단축과 풍력발전 기술 보호에 기여할 것으로 기대한다.

■ 한편, 연구원은 2월 8일(화) 전남 영광 백수읍 풍력실증사이트에서 한국에너지기술연구원 원장, 한국에너지기술평가원 원장, 산업통상자원부 재생에너지산업과 사무관, ㈜플라스포 대표, 대한전기협회 부회장, 국내 풍력발전기 제작사 및 관계자가 참석한 가운데 연구성과 발표회를 가졌다. 성과발표회는 국산풍력발전기 개발과 그에 발맞춘 시험 기술 개발을 체계화하는 신호탄으로써, 향후 풍력발전기 신뢰성 평가를 통한 풍력설비 보급 및 대단위 풍력단지를 조성하는 발판을 마련했다.

■ 성과발표회를 통해 김종남 원장은 “세계 최대 용량의 12MVA 저·고전압 시험장비와 계통연계적합성 시험평가 기술은 우리나라가 주도하는 탄소중립이 실현 될 수 있도록 향후 풍력발전의 대형화 및 신재생에너지 보급 확대에 기여할 것이다.”고 말했다.

□ 연구책임자인 김병기 박사는 “개발한 장비와 시험평가 기술로 대단위 풍력발전단지 건설에 필요한 대형 풍력발전기를 대상으로 시험을 진행할 예정이며, 22년도에 개발되는 8MW급과 개발예정인 10MW급 이상의 국산 풍력발전기 그리고 대규모 신재생에너지원에 대해서도 현장시험평가를 수행할 예정이다.”고 말했다.

□ 이번 연구는 2019년부터 3년간 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구원이 주관하고 ㈜플라스포, 한양대학교, 대한전기협회가 공동연구기관으로 참여했다.