신재생에너지와 전기에너지저장장치 융합 솔루션 실증 결과


이번 글에서는 2009년 12월부터 2013년 5월까지 수행했던 제주실증단지의 Smart Renewable 분야의 주관사로 1.5MW 풍력발전기의 출력을 전기에너지저장장치를 통해 안정적으로 제어했던 실증결과를 기술하고 이에 향후 필요한 부분에 대해 논의한다.

이희태 박사 / 포스코ICT 스마트그리드사업단 매니저



요약

에너지자원의 효율적 사용을 위한 스마트그리드 연구는 Lab scale을 거쳐 실증사업을 통해 검증 후 상용화 단계까지 점진적으로 진행되고 있다. 최근에는 신재생에너지원에서 발생할 수 있는 간헐적인 출력변동을 전기에너지저장장치를 통해 안정화하고 보급률을 높이는 모델이 자리 잡고 있으며, 이를 위해 많은 사업과 국내외 지원 환경이 조성되는 등 새로운 비즈니스의 기회로 부각되고 있다. 또한 후쿠시마 원자력발전 사고 이후 전력산업에서는 신재생에너지원과 연계한 기술과 다양한 솔루션들이 개발되어 글로벌 경쟁으로 나아가고 있다.
이번 글에서는 2009년 12월부터 2013년 5월까지 수행했던 제주실증단지의 Smart Renewable 분야의 주관사로 1.5MW 풍력발전기의 출력을 전기에너지저장장치를 통해 안정적으로 제어했던 실증결과를 기술하고 이에 향후 필요한 부분에 대해 논의하고자 한다.
그림 1은 전기에너지저장장치를 다양한 방법으로 충방전 제어하여 풍력발전기의 출력변동을 완화시켰던 사례들과 각각의 장점과 단점을 정리한 것이다.



풍력발전기의 불규칙적인 출력을 Smoothing Control을 실시한 결과 출력변동을 완화시키는 효과는 있으나 그 변동폭은 인위적으로 제한하기가 어려운 특징이 있는 반면, Firming Control의 경우 일정 시간 발전기의 합성출력을 일정하게 유지하여 보다 안정화시킬 수는 있었으나 전기에너지저장장치의 에너지 저장용량을 많이 요구하게 되는 특징이 있었다.
따라서 2가지 제어의 장점을 파악하여 풍력발전 출력의 변동폭을 독립적으로 제어하는 것이 향후 대규모 풍력 또는 태양광발전소와 같은 계통연계형 신재생에너지원의 출력안정화 제어에 큰 역할을 할 것으로 예상하였고, 이를 위해서 램프 레이트 컨트롤(Ramp rate Control)을 정의하고 트랙 레코드(Track Record) 확보에 주력하였다.
신재생에너지의 전력계통 연계 규정은 자연조건에 따라 영향을 받는 전압변동, 주파수 등 전력품질에 대한 기준을 정하는 것으로 출력변동, 연계용량 등에 영향이 달라지고 특히 대규모와 특정지역에 집중 시 계통에 영향을 줄 수 있다.
제주실증단지의 운영결과, 대표적으로 규정하고 있는 동기화, 전압, 고조파, 플리커의 규정 이외에 수 초당, 또는 수 분당 출력변동률을 규정하는 것도 계통의 품질, 안정성 및 전력공급의 신뢰성을 보장하는 하나의 방법이 될 것으로 판단하였다.
본 기고문에서는 제주실증단지의 Smart Renewable에서는 운영 측면에서 전기에너지저장장치의 운영결과를 토대로 기술적인 분석과 더불어 결과를 논의하고 향후 필요한 부분에 대해 기술한다.


국내외 환경변화

국내외적으로 많은 연구기관에서 풍력발전 또는 태양광 에너지에 대한 발전량을 예측하고 이를 활용하고자 많은 비용을 투자하고 있으며, 이러한 연구의 궁극적인 목표는 이러한 재생 가능한 발전 자원들의 비율을 높여 원자력과 같은 기저 발전의 역할을 보조 및 대체하여 공급 안정도와 에너지 자립도를 향상시키기 위함이다.
이러한 패러다임의 변화에 있어 선진국 중심으로 예측의 보정이나 신재생에너지원의 활성화를 위해 전기에너지저장장치를 이용하여 해답을 하고 있는 실정이다.

1. 국내 정책의 변화
신재생에너지원 중 특히 풍력에 관한 국내의 정책의 변화는 표 1에서 보는 바와 같다.



공통적인 특징은 전기에너지저장장치에 대한 법적 지위를 마련하고 운영에 관한 세부적인 내용을 명기하고 있다. 이러한 변화는 전기에너지저장장치에 대한 의무사항으로 전기서비스에 대한 부분뿐만 아니라 보다 안정적이고 더욱 많은 신재생에너지원의 계통연계를 위한 것으로 해석할 수 있다.

2. 신재생에너지원과 ESS 융합 시 기대가치
2005년 발행된 IEEE Power and Energy Magazine
의 내용에 따르면 풍력발전기의 계통연계에 대한 이슈가 명확하게 설명되어 있고, 10여 년이 지난 지금의 경우 우려하고 있는 부분에 대해 오히려 신재생에너지원의 효과를 극대화하기 위한 솔루션으로 전기에너지저장장치를 통해 가능할 것으로 생각된다.




신재생에너지와 전기에너지저장장치 융합 실증

1. 실증의 개요 및 구성
2009년 12월부터 2013년 5월까지 수행했던 제주실증단지의 Smart Renewable 분야의 주관사로 1.5MW 풍력발전기의 출력을 전기에너지저장장치를 통해 안정적인 출력으로 제어하는 것을 목적으로 하였다.
포스코컨소시엄은 제주시 구좌읍 김녕리에 설치된 제주특별자치도 소유의 750kW 풍력발전기 2기를 선정하였고 해당하는 풍력발전기의 전경과 풍력안정화 실증을 위해 전기에너지저장장치가 설치된 모습은 사진과 같다.





22.9kV 배전계통에 연계된 풍력발전기와 리튬이온 기반의 전기에너지저장장치, 납축전지 기반의 전기에너지저장장치가 병렬로 연계되어 풍력발전기의 출력과 전기에너지저장장치의 충방전 전력의 합이 계통에 공급되는 구조로 하여 NOC(Network Operation Center)에서 충방전을 위한 EMS(Energy Management System)시스템을 구축하여 상위 TOC(Total Operation Center)와 정보교환을 하도록 되어 있다.
2. 신재생에너지원 출력제어 방법
풍력발전의 발전출력제어는 첫째, 간헐적 출력을 보상하기 위한 Power Smoothing 방법, 두 번째는 일정시간 구간에 대한 정출력을 목적으로 하는 Firming 방법, 마지막으로 분당 변동률의 억제를 목적으로 하는 Ramp rate제어를 실증하였고 각각에 대한 수학적 정의는 다음과 같다.



3. 실증의 결과 
3가지 방법에 의한 풍력발전기 출력제어의 결과와 더불어 운영실적은 아래의 결과와 같으며(그림 4 참조), 출력변동에 대해 저장장치의 충·방전을 통해 안정적인 전력공급을 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.



● Smoothing 제어 시
Smoothing 제어는 (4)의 결과와 같이 산포되어 있는 풍력발전의 출력분포를 응집시키는 효과가 있는 것으로 분석되었다. 이 의미는 간헐적으로 출력의 변동에 의해 발생되는 풍력발전의 출력을 억제하고 분산된 출력의 빈도를 응집시켜 출력의 변동을 억제하는 것으로 해석할 수 있다.
● Firming 제어 시
Firming제어의 목적은 일정시간 풍력발전의 출력을 정출력으로 제어하기 위한 것으로 향후 풍력 또는 태양광과 같은 신재생에너지원을 Dispatch 가능한 자원으로 활용할 수 있는 방법으로 고려하였고, 이러한 특징은 단시간 급격한 출력변동에 의한 계통 안정도 향상에도 장점이 있을 것으로 사료된다.
그림 5는 Firming 제어 시 실증한 결과의 한 예를 나타낸다.



Firming 제어는 (2)의 결과와 같이 산포되어 있는 풍력발전의 출력분포를 일정 출력에서 많은 분포가 형성되었고 이 의미는 간헐적으로 출력의 변동에 의해 발생되는 풍력발전의 출력을 용량원으로 활용할 수 있는 기능성이 있다는 것으로 해석할 수 있다.
● Ramp rate 제어 시
Ramp rate는 발전기 정격 대비 1분당 발전기출력의 변동을 의미하며 이러한 변동을 억제하는 제어의 목적은 단시간 출력변동에 의해 발생되는 영향을 최소하기 위함이다.
그림 6은 Ramp rate 제어에 대한 실증결과의 한 예이다.



풍력발전과 연계하여 충방전 제어를 통해 Ramp를 제어한 결과 Ramp 값은 평균 40kW/min였으며, 10kW/min~60kW/min 변동이 모집단의 50%에 해당되는 값으로 변동을 보였다.
하지만 풍력 자체적으로 운전할 경우 평균 75kW/min 변동으로, 11kW/min~106kW/min의 변동이 모집단의 50%에 해당되는 변동이었지만 최대 783kW/min의 변동으로 송배전 운전기준이 분당 변동률 10%를 벗어나서 운전되고 있는 것을 알 수 있다.


결언

국내 풍력, 태양광발전에 대한 계통 연계규정은 풍력발전 연계지점 중심인 point-to-point 규정에 초점이 맞춰져 있으나, 정부의 신재생에너지 보급 정책의 목표 달성 및 전기에너지저장장치의 계통연계 의무화 등 환경적 변화에 대응이 필요한 시점이다.
국책과제의 실증뿐 아니라 상용 사이트에 적용 예정이므로 전기에너지저장장치 연계 시 고려사항 및 관련된 규정이 필요할 것이다.
다양한 실증 시나리오에 의한 결과 Smoothing에 의한 제어는 모든 시간에 대해 동일한 변동폭을 갖지 못하는 단점이 있었지만 제어에 필요한 에너지는 비교적 적었다. 반면 Firming은 비교적 많은 에너지를 소모하면서도 단시간에 동일한 변동폭을 가질 수 있었고 풍력발전 출력에는 독립적으로 제어가 가능한 장점이 있었다.
따라서 두 가지 제어의 장점을 적절히 배합하여 모든 시간에 동일한 변동폭으로 출력이 제어되고, 비교적 적은 에너지로도 풍력발전의 출력과 독립적으로 제어할 수 있도록 분당 변동률로 제어하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
이에 대해서는 향후 풍력발전과 전기에너지저장장치의 연계 시 관심이 되는 연계지점에 대해서는 합성지점에 대한 관련된 규정이 필요하고 해당 지점에 대한 전력품질이 정의되어야 한다. 그리고 전력계통의 안정적인 운영을 위해서는 이러한 융합 솔루션에 대한 세부적인 운영규칙이 마련되어야 할 것이다.