[전력공학I] 신재생 전원의 이용률 변화가 대한민국 전력계통에 미치는 영향

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신재생 전원의 이용률 변화가 대한민국 전력계통에 미치는 영향 2022. 05. 27  (2016170929) 1. 전남지역에 연계된 풍력, 태양광의 이용률 전남지역에는 27개의 풍력 발전 설비(machines)와 45개의 태양광 발전 설비가 존 재한다. 전남지역의 72개의 풍력 · 태양광 발전 설비의 총 설비용량은 32453.64 MW (풍력 18411.05 MW, 태양광 14042.59 MW) 이며, 총 발전량은 5458.70 MW (풍력 3096.74 MW, 태양광 2361.97 MW)이다. 발전 설비의 이용률은 발전량을 설비용량으로 나눈 값으로, 전남지역에 연계된 풍 력 · 태양광 발전 설비의 이용률은 16.82%(풍력 · 태양광 각각 16.82%) 이다. 2. 전남지역에 연계된 풍력, 태양광의 이용률을 20%, 40%로 변경했을 때 조류계산의 수렴성 전남지역에 연계된 풍력 · 태양광 발전 설비의 총 설비용량이 32453.64 MW이기 때문에, 20%의 이용률을 위해서는 총 발전량이 6490.73 MW가 되어야 한다. 따라서, 기존 발전량보다 1032.03 MW (+18.91%) 만큼의 발전량 추가가 필요하다. 발전량을 증가시키는 경우 수급 균형을 위해 다른 발전 설비의 발전량을 감소시켜 야 한다. 그렇지 않은 경우에는 전력 수요보다 공급이 많아지기 때문에 발전 설비에 치명적인 안전상의 문제가 발생하거나 대규모 정전이 일어날 수 있다. 따라서 경남G, 경북G, 부산G 지역의 동기 발전량을 추가된 발전량만큼 감소시켰다. 전남지역에 연계된 풍력 · 태양광 발전 설비의 이용률을 20%로 조절하였을 때 아 래와 같이 조류 계산이 정상적으로 수렴됨을 확인하였다. 더불어, swing bus의 PG값 도 [PMIN, PMAX] 범위 내에 들어왔음을 확인하였다. 마찬가지로, 전남지역에 연계된 풍력 · 태양광 발전 설비의 이용률이 40%가 되도 록 하기 위해서는 해당 설비의 총 발전량이 12981.46 MW가 되어야 한다. 이는 기존 발전량보다 7522.75 MW (+137.8%) 만큼의 발전량 추가가 필요함을 의미한다. 발전량을 급격하게 조절하는 경우 조류 계산이 정상적으로 이루어지지 않을 가능성 이 존재한다. 이는 조류 계산이 비선형적인 계산이기 때문에 Gauss method 등의 반 복 · 근사법을 이용해 조류 계산이 이루어지기 때문이다. 따라서 이용률이 40%가 될 때까지 이용률을 4%p씩 증가시키면서 수렴성을 확인하였다. 아래 그림과 같이 조류 계산은 수렴하였지만(수학적인 해는 존재하였지만), swing bus의 유효전력 발전량(PG)이 최대 발전량(PMAX)를 넘어섰기 때문에 물리적으로 유효한 해라고 볼 수 없었다. 3. 전남지역에 연계된 풍력, 태양광의 이용률을 변경하기 전과, 20%, 40% 로 변경한 후, 모선의 전압 확인 Bus # Bus Name 전압 [pu] 기존 이용률 이용률 20% 이용률 40% 7200 신장수3 0.97490 0.97219 0.94418 6700 신계룡3 0.98022 0.97674 0.94566 6600 신옥천3 0.97488 0.97181 0.94356 주어진 세 개의 모선에 대해 이용률을 변화시키며 모선의 전압을 확인한 결과, 이 용률이 올라갈수록 모선의 전압이 낮아지는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 4. 전남지역에 연계된 풍력, 태양광의 이용률을 변경하기 전과, 20%, 40% 로 변경한 후, 선로의 과부하율 확인 From Bus To Bus 과부하율 [%] # Name # Name 기존 이용률 이용률 20% 이용률 40% 7570 매월 7580 화정 64 75 147 7370 엄다 7540 나주 39 52 133 주어진 두 개의 선로에 대해 이용률을 변화시키며 과부하율을 확인한 결과, 이용률 이 올라갈수록 선로의 과부하율이 높아지는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 특히 이 용률 40%를 적용했을 때, 두 선로에 과부하(전류가 최대 허용량보다 많이 흐름)가 발생하였음을 확인할 수 있다. 5. 신재생전원의 이용률이 전력계통에 미치는 영향, 계통 검토를 위해 적용 해야 하는 이용률 현재 전남지역에 연계된 풍력 · 태양광 발전 설비 72기(이하 신재생전원)의 이용률 은 각각 모두 16.82%이다. 뿐만 아니라 검토지역(study area)이 아닌 지역의 신재생 전원의 이용률은 일반적으로 낮게(16.82%) 설정하고 있다. 이는 신재생 발전이 도입 되기 전인 2010년대 대한민국의 발전 설비 평균 이용률인 67%에 비해 한참 뒤떨어 진 수치이다. 1 본 보고서에서는 신재생전원의 이용률을 높임으로써, 대한민국의 전력 계통에 미치 는 영향을 확인하고 분석한다. 더불어, 분석한 결과를 바탕으로 적용 가능한 적절한 이용률을 제시한다. [ 모선의 전압을 고려한 이용률 밴드 ] 신재생전원의 이용률을 높이기 전, 조류 계산을 통해 345kV 계통의 7200번(신장수 3), 6700번(신계롱3), 6600번(신옥천3) bus의 전압은 각각 0.97490pu, 0.98022pu, 0.97488pu임을 확인하였다. 산업통상자원부 고시 제 2022-79호 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준(이하 신뢰도고시) 5조 1항에 따라 345kV 계통의 전압은 오차범위 5% 이내인 328V ~ 362kV를 유지하여야 한다. 다시 말해 0.95pu ~ 1.05pu 사이의 전압을 유지해야 하는데, 세 bus의 전압은 모두 해당 범위 내에 있음을 확인할 수 있 었다. 신재생전원의 이용률을 20%로 높인 뒤, 조류 계산을 통해 세 bus의 전압을 확인하 였다. 이 때, 수급 균형을 맞추기 위해 증가한 신재생전원의 발전량만큼 경남, 경북, 부산 지역의 동기 발전량을 조절하였다. 각각의 bus에는 0.97219pu, 0.97674pu, 0.97181pu의 전압이 인가되었다. 이 역시 신뢰도고시 5조 1항의 기준을 만족한다. 마찬가지로, 신재생전원의 이용률을 40%로 높인 뒤, 조류 계산을 통해 세 bus의 전압을 확인하였다. 각각의 bus에는 0.94418pu, 0.94566pu, 0.94356pu의 전압이 인가 되었고, 이는 신뢰도고시 5조 1항의 전압 밴드(0.95pu ~ 1.05pu)를 벗어남을 확인할 수 있었다. 같은 방법으로 신뢰도고시 5조 1항을 만족하는 신재생전원의 최대 이용률을 찾기 위해 이용률을 4%p씩 증가시키며 조류계산을 통해 각 bus의 전압을 확인하였다. 이용률 신장수3 #7200 신계롱3 #6700 신옥천3 #6600 수렴여부 20% 0.97219 0.97674 0.97488 수렴 24% 0.96799 0.97161 0.96714 수렴 28% 0.96318 0.96604 0.96196 수렴 32% 0.95755 0.95947 0.95586 수렴 PG가 범위 벗어남 1 전력거래소 전력통계정보시스템 2001년~2010년 설비이용률 36% 0.95098 0.95237 0.94929 수렴 PG가 범위 벗어남 40% 0.94418 0.94566 0.94356 수렴 PG가 범위 벗어남 이용률이 36%를 넘어서면 신뢰도고시 5조 1항의 전압 유지 범위를 벗어남을 확인 할 수 있었다. 또, 이용률이 32%일 때도 swing bus의 유효전력 발전량이 최대 발전 량을 넘어서기 때문에 유효한 값으로 볼 수 없었다. 따라서 swing bus와 세 모선의 전압만을 고려하였을 때 설정할 수 있는 신재생전원 이용률의 최댓값은 28%보다 크 고 32%보다 작음을 확인하였다. [ 선로의 과부하율을 고려한 이용률 밴드 ] 신재생전원의 이용률을 높이기 전, 조류 계산을 통해 7570번(매월) bus에서 7580번 (화정) bus로 가는 선로와, 7370(엄다) bus에서 7540번(나주) bus로 가는 선로의 과부 하율(current loading)이 각각 64%, 39%임을 확인하였다. 또한, 신재생전원의 이용률 을 20% 높였을 때 두 선로의 과부하율은 75%, 52%, 그리고 40%로 높였을 때 두 선 로의 과부하율은 147%, 133%로 계산되었다. 한국전력 전기공급약관 14조 4항에 따르면, 한 개의 선로구간의 전력 공급은 선로 구간 송전용량의 75% 이내로 하도록 규정되어 있다. 더 자세한 지침을 확인하기 위 해 한국전력 광주전남본부 ㅇㅇㅇ 담당자를 통해 일반적인 경우(여름철과 같이 과부 하가 자주 일어나는 경우가 아니며, 선로가 두 회선으로 이루어진 경우)에는 한 회선 고장을 대비해서 각 회선의 과부하율은 75%를 넘지 않도록 설정하고 있음을 확인하 였다. (고장 발생시 잔여 회선을 100% 이내 운용) 따라서 신재생전원의 이용률을 20%로 높였을 때의 7570-7580(매월-화정) 선로의 과부하율이 한국전력의 과부하율 기준에 부합하기 때문에, 선로의 과부하율 만을 고 려하였을 때 신재생전원의 이용률은 20%로 설정하는 것이 타당하다. 올해 하반기 중, 전력거래소 측에서 선로 과부하율에 대한 구체적인 지침을 공표 예정이라고 한다. 선로 과부하율 지침이 공표되면 과부하율 기준이 변경될 수 있기 때문에, 해당 기준에 맞추어 본 조사를 다시 수행할 필요가 있다. [ 결론 ] 모선의 전압만을 고려하였을 때는 신재생전원의 이용률을 28% ~ 32% 사이로 조절 하는 것이 타당해 보인다. 그러나 선로의 과부하율을 고려하였을 때 이용률을 20% 이상으로 높이는 경우 선로의 과부하율이 높아져 고장에 대비할 수 없음을 확인할 수 있다. 따라서 신재생전원의 이용률은 20%로 설정하는 것이 타당하며, 신재생 전원의 이용률을 더 높이기 위해서는 선로의 기술적 보완이 선행되어야 한다. 더불어, 선로의 지속적인 개선을 통해 궁극적으로 신재생전원의 이용률을 증가시킬 수 있는 환경을 마련해야 한다.