대용량 신재생에너지의 계통연계와 대용량 전기에너지 저장장치의 이용...

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대용량 신재생에너지의 계통연계와

대용량 전기에너지 저장장치의 이용

백서

IEC

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• 본 서는 IEC (International Electrotechnical Commission) 에서 발행한 White paper를 번역 발간한 것입니다.

• 본 한국어번역본의 저작권은 IEC 에 귀속됩니다. IEC 는 한국어 번역에 대한 오역, 오류 등 으로 인한 어떠

한 책임도 지지 않으며, 번역의 책임은 한국전력공사 전력연구원에 있습니다.

• 번역 및 내용에 대한 문의사항은 전력연구원 R&D사업팀 (042-865-5134) 에 연락 바랍니다.

일러두기

4 | IEC White Paper |

2016년 5월, 미국 Forbes紙 선정 “글로벌 2000” 에서 한전은 종합순위 97위, 전력 유틸리

티 분야 1위를 달성했습니다. 프랑스의 EDF, 독일의 E.ON 등 유럽의 메이저 전력회사가

독차지해 온 전력분야 최고 순위를 한전이 아시아권 전력회사로서 사상 처음으로 1위를 기

록한 것입니다. 이러한 성과는 한전이 글로벌 리딩(leading) 전력회사로 대외에서 당당히 인

정받은 것입니다.

한전이 대한민국 대표 에너지기업으로서 세계적인 위상을 인정받은 것은 매우 영광스러

운 사건이지만, 한편으로는 전력기술의 성장과 선진화, 지속가능한 신성장동력을 발굴해

야하는 한전인으로서 책임감 또한 막중함을 느꼈습니다. 본 IEC 백서의 국문본 번역작업

은 이러한 전력산업의 선도자라는 사명감으로 시작하였습니다. 세계적으로 저명한 학계

및 산업계의 석학과 경영진이 모여 전력산업의 미래기술 트렌드를 예견하고 급격히 변하

고 있는 시장의 니즈를 파악하고자 편찬한 IEC 백서를 국내 전력산업의 미래를 위해 보이

지 않는 곳에서 항상 불을 밝히고 계신 많은 전력인들과 공유하고자 합니다.

IEC(International Electrotechnical Commission, 국제 전기전자 표준위원회)는 전기 및 전자기술 분

야의 표준화에 관한 문제를 국제협력으로 해결방법을 찾고 그 결과를 국제적으로 공유하

고자 1906년에 발족한 비정부간 국제 표준화 기관입니다. 우리가 잘 알고 있는 IEC 표준

발행은 이 기관에서 담당하고 있습니다. IEC 백서(White Paper)는 IEC 산하 시장전략 위원

회(Market Strategy Board)가 주요 기술동향을 파악하고, 향후 예상되는 시장 활동 및 요구 기

술을 분석한 것으로 총 8개의 테마를 다루고 있습니다. 에너지 문제에 부합하기 위한 IEC

의 역할, 전기에너지 저장장치(EES), 신재생에너지의 계통 연계 및 대용량 전기에너지 저장

장치의 이용, 재해복구를 대비한 마이크로그리드, 지속가능한 스마트시티 구축을 위한 인

프라의 조화로운 구성, IoT용 무선센서 네트워크, 미래 공장, 전력계통의 전략적 자산관리

등이 그것입니다. IEC 백서 국문본은 우리 실정에 맞는 전력산업의 미래 상(像)을 구현하여

발간사

| 발간사 | 5

동시대 전력인들과 공감대를 형성하고 미래지향적인 연구개발 발굴에 활용 하고자 합니다.

머지않아 신재생발전원에서 생산된 전기를 주로 사용하고, IoT 기반의 무선센서 네트워

크에서 제공하는 실시간 전기요금에 따라 경제적인 발전원을 선택할 수 있고, 심야에 충

전된 전기자동차로 출퇴근하며, 태양광 등 신재생으로 발전한 전기를 전력회사에 자유롭

게 판매할 수 있을 것입니다. 전기사용 고객은 단순한 전기사용자에서 전기사용 및 발전설

비 운영자, 계통활용자로서 복잡하고 수준 높은 의사결정을 필요로 하는 프로슈머로 재탄

생 할 것이며, 이러한 기술과 서비스가 종합적으로 구현된 스마트 시티에서 살게 될 것입니

다. 이러한 미래의 청사진이 하나하나 구현될 수 있도록 우리는 지금부터 개별 요소기술 간

의 조화로운 균형과 융복합으로 시너지 효과를 꾀할 수 있는 파괴적이고 혁신적인 기술을

개발해야 합니다. 이를 위해 국내 전력산업은 정책 수립, 기초연구, 현안연구, 실증 및 사

업화에 이르는 단계의 유기적인 가치사슬(Value Chain)로 구축되어야 합니다. 국내적으로는

전력산업의 가치사슬의 유기적인 연계를 위해, 세계적으로는 글로벌 전력산업 가치사슬의

중심에서 대한민국 전력산업인이 주도적 역할을 담당하는데 보탬이 되기를 바라며 본 백

서 번역본을 배포합니다.

우선적으로 한국어 번역본 발간을 흔쾌히 승낙해 준 IEC 중앙사무국과 순조로운 진행에

도움을 주신 한국 표준협회에 감사드립니다. 또한 본 백서 번역에 동참해 준 전력연구원 각

분야 연구자들께도 감사드립니다.

2016년 7월

한국전력공사 전력연구원

원장 김동섭


본 백서는 IEC가 자체 표준 및 적합성 평가 서비스를 통해 전기기술 분야의 전 세계

적 문제 해결에 지속적으로 기여하는 것을 목표로 발간한 백서 시리즈 중 세 번째 간

행물에 해당한다. IEC의 전략적 미래 대응을 지원하기 위해 IEC 시장 분석과 이해를

담당하는 IEC 시장전략이사회(Market Strategy Board, MSB)가 편찬을 맡았다.

모든 주요 전력시장에서 신재생에너지의 비중은 늘어날 전망이다. 그 이유는 다른

곳에서 본격적으로 다루기 때문에 본 백서에서는 면밀히 다루지 않는다. 본 백서는

대용량 신재생에너지를 기존의 전력계통에 연계할 때 필연적으로 수반될 다양한 특

성과 어려움을 고려해 무엇이 필요한지를 분석한다. 2장은 이러한 특성과 난관을 살

펴보고, 신재생 및 전통적 전력생산자와 계통운영자가 겪게 될 어려움을 분석한다.

3장은 이러한 어려움에 대한 현재의 방법과 대응법을 보여준다. 이 방법과 대응법

은 광범위하며, 폭넓고 전문적으로 이용된다. 그럼에도 불구하고 신재생에너지 비중

이 15%, 25%, 일부 계통에서는 35%까지 늘어날 것이기 때문에 이러한 방법과 대응

법이 충분치 않다고 3장은 결론을 내린다.

4장은 본 백서의 2개 핵심 장 중 하나로, 대규모 신재생에너지 연계 성공에 없어서

는 안 될 모든 연구와 투자, 기타 도구를 다룬다. 채택되기 위해 신재생에너지 발전이

제공해야 하는 것부터, 계통 자체가 필요로 하는 모든 통제와 인프라, 그리고 이 모든

과정을 성공으로 이끌기 위해 전통적 발전시설 또한 중요하게 기여해야 한다는 인식

까지 두루 포함하고 있다.

백서의 두 번째 핵심 부분은 전기에너지저장장치(electrical energy storage, EES)를 다

룬 5장으로, 이 주제와 관련해 2011년 발간된 IEC 백서의 결과를 폭넓게 차용하고 있

다. 2장에서 다룬 여러 도전과 어려움, 그리고 4장에서 그린 미래를 위한 방안 모두 저

장장치 이용에 의존하거나 최소한 저장장치 덕분에 이득을 볼 수 있다. 따라서 5장은

저장장치의 이용 및 신재생에너지 연계의 유용성을 개괄하며, 저장장치를 다룬 백서

⋮요약⋮

| 02. 대용량 신재생에너지원의 계통연계 및 대용량 전기에너지저장장치의 이용 | 125

에 발맞춰 이 분야에서 상당한 개발이 필요하다는 결론을 도출하고 있다. 이후 6장은

다른 부분에서 다루어진 이슈 해결을 위해 표준이 이미 이룬, 그리고 향후 이룰 수 있

는 기여에 대해 간략히 조망한다.

7장은 간략한 결론으로 시작된다. 대규모 신재생에너지 연계에 무엇이 필요한지 전

기업계가 대체로 알고는 있으나, 많은 요소가 아직 갖추어지지 않았고 상당한 노력이

필요하다는 것을 요지로 삼고 있다. 이에 공공/민간부문 IEC 파트너 및 IEC 자체 기

관에 대한 권장사항을 제시한다. IEC MSB는 이러한 권장사항을 향후에 이행하는 것

이야말로 본 백서가 최고의 부가가치를 창출하게 되는 일이라고 생각한다.


본 백서는 중국 국가전력망공사(State Grid Corporation of China)와 미국 볼더에 소재

한 콜로라도주립대학의 RASEI(the Renewable and Sustainable Energy Institute) 및 미국

NREL 전문가 등 MSB 산하 프로젝트팀이 작성하였다.

⋮감사의 글⋮

약어 목록 130

1장 서론

2장 신재생에너지 발전: 현재, 미래, 그리고 계통연계 문제

2.1 신재생에너지 개발의 추진 동력 138

2.1.1 탈탄소화 139

2.1.2 에너지 안보 141

2.1.3 에너지 접근 확대 142

2.2 신재생에너지 발전 현황 및 향후 전망 145

2.2.1 풍력 146

2.2.2 태양에너지 151

2.3 신재생에너지 계통 연계와 관련한 도전과제 155

2.3.1 통제 불가능한 가변성 158

2.3.2 부분적 예측 불가능성 160

2.3.3 지역 의존성 162

3장 현재: 대용량 신재생에너지 연계 관련 최신 기술

3.1 총론 163

3.2 신재생에너지 발전 기술 163

3.2.1 풍력발전 163

3.2.2 태양광발전 171

3.2.3 집광형 태양열발전 174

⋮목차⋮

3.3 송전 기술 178

3.3.1 교류 송전 178

3.3.2 VSC-HVDC 송전 180

3.4 운영 기술 및 사례 182

3.4.1 출력 예측 182

3.4.2 운영 사례 187

4장 미래: 더 많은 대용량 신재생에너지 연계를 위한 기술적 솔루션

4.1 총론 194

4.2 계통친화적 신재생에너지 발전 195

4.2.1 계통친화적 신재생에너지 발전의 필요성 195

4.2.2 신재생에너지 발전기 및 발전소의 첨단 특성 196

4.2.3 신재생에너지 발전단지의 중앙집중식 통제 198

4.2.4 신재생에너지 발전 모델링 개선 200

4.3 재래식 발전의 유연성 개선 202

4.3.1 재래식 발전의 유연성 개선 필요성 202

4.3.2 발전 유연성 평가 202

4.3.3 적정 용량과 적정 유연성을 위한 발전 계획수립 205

4.4 송전 확대 208

4.4.1 송전 확대의 필요성 208

4.4.2 새로운 송전 기술의 적용 208

4.4.3 송전 계획수립의 발전 214

4.5 운영 개선 216

4.5.1 운영 개선 필요성 216

4.5.2 고정밀 신재생에너지 출력 예측 218

4.5.3 운영 도구와 사례의 개선 219

4.6 수요반응 224

4.6.1 신재생에너지 통합을 위한 수요반응 애플리케이션 224

4.6.2 수요반응 사례 및 동향 225

4.6.3 수요반응 증대 관련 지원 기술 229

4.7 요약 230

5장 신재생에너지 연계 지원을 위한 대용량 EES 적용

5.1 총론 232

5.2 유망한 대용량 EES 기술 233

5.3 신재생에너지 연계에서의 EES의 역할 235

5.3.1 EES의 계통 측면 역할 235

5.3.2 EES의 발전 측 역할 241

5.3.3 EES의 수요 측 역할 245

5.4 대용량 EES 애플리케이션의 기술적 필요성 246

5.5 요약 249

6장 대용량 신재생에너지 연계 관련 표준

6.1 총론 251

6.2 현재 상황 252

6.3 향후 필요성 255

7장 결론 및 권장 사항

7.1 결론 258

7.2 정책입안가 및 규제담당자에 대한 권장 259

7.3 전력회사, 업계, 연구계에 대한 권장 261

7.4 IEC 및 산하 위원회들에 대한 권장 262

참고문헌 263


기술 및 과학 용어

AC 교류 (Alternating current)

AGC 자동발전제어 (Automatic generation control)

AMI 첨단계량인프라 (Advanced metering infrastructure)

BMS 배터리관리시스템 (Battery management system)

CA 우발사고 분석 (Contingency analysis)

CAAGR 복합 연평균성장률 (Compound average annual growth rate)

CAES 압축공기 에너지저장장치 (Compressed air energy storage)

CECRE (스페인어)신재생에너지 중앙제어센터 (Renewable energy power control centre)

CSC-HVDC 전류형 컨버터 HVDC (Current source converter HVDC)

CSP 집광형 태양열발전 (Concentrated solar power)

CSR 제어가능 분로리액터 (Controllable shunt reactor)

DC 직류 (Direct current)

DFIG 이중여자 유도발전기 (Doubly fed induction generator)

DLC 이중층 커패시터 (Double layer capacitor)

DR 수요반응 (Demand response)

DSA 동적 보안 분석 (Dynamic security analysis)

EEE 전기에너지효율 (Electrical energy effi ciency)

EES 전기에너지저장장치 (Electrical energy storage)

ELCC 효과적 부하운반용량 (Effective load carrying capacity)

EMS 에너지관리시스템 (Energy management system)

EUE 공급지장에너지 (Expected unserved energy)

EV 전기자동차 (Electric vehicle)

EVPP 전기자동차 가상발전소 (Electric vehicle virtual power plant)

FACTS 가변송전시스템 (Flexible AC transmission system)

약어 목록


FES 플라이휠 에너지저장장치 (Flywheel energy storage)

FiT 발전차액지원제도 (Feed-in tariff)

GEMAS (스페인어) 최대 허용가능 풍력발전시스템 (Maximum admissible wind power

generation system)

GHG 온실가스 (Greenhouse gas)

HVAC 고압교류 (High voltage alternating current)

HVDC 고압직류 (High voltage direct current)

IGBT 절연게이트 바이폴라 트랜지스터 (Insulated gate bipolar transistor)

IRRE 예상부족램핑자원 (Insuffi cient ramping resource expectation)

LA 납산 (Lead acid)

LCC-HVDC 회선 정류형 컨버터 HVDC (Line commutated converter HVDC)

LFP 리튬인산철 (Lithium iron phosphate (LiFePO4))

LFR 선형 프레넬 반사판 (Linear Fresnel refl ector)

Li-ion 리튬이온 (Lithium ion)

LOLE 정전시간기대치 (Loss of load expectation)

LVRT 저전압순간보상 (Low voltage ride through)

MTDC 멀티터미널 DC (Multi-terminal DC)

NaS 소듐설퍼 (Sodium sulphur)

NGCC 천연가스 복합 사이클 (Natural gas combined cycle)

NWP 수치기상예보 (Numerical weather prediction)

PCS 전력변환시스템 (Power conversion system)

PHS 양수발전 (Pumped hydro storage)

PIRP 간헐적 참여자원 프로그램 (Participating intermittent resource program)

PV 태양광 (Photovoltaic)

RE 신재생에너지 (Renewable energy/ies)


RFB 레독스흐름전지 (Redox fl ow battery)

RMSE 평균 제곱근 오차 (Root mean square error)

SCADA 감시제어 데이터수집 (Supervisory control and data acquisition)

SCED 안전도제약 경제급전 (Security constrained economic dispatch)

SCGT 단순사이클 가스터빈 (Simple cycle gas turbine)

SCIG 농형유도발전기 (Squirrel cage induction generator)

SMES 초전도전력저장 (Superconducting magnetic energy storage)

SNG 합성천연가스 (Synthetic natural gas)

STATCOM 정지형 무효전력 보상장치 (Static synchronous compensator)

SVC 무효전력 보상장치 (Static var compensator)

TCSC 직렬 보상장치 (Thyristor controlled series compensator)

TSA 과도안정도평가 (Transient stability analysis)

UC 기동정지계획 (Unit commitment)

UHVAC 초고압교류 (Ultra-high voltage AC)

UHVDC 초고압직류 (Ultra-high voltage DC)

V2G 차량 대 전력망 (Vehicle-to-grid)

VPP 가상발전소 (Virtual power plant)

VRFB 바나듐레독스흐름전지 (Vanadium redox fl ow battery)

VSA 전압안정도평가 (Voltage stability analysis)

VSC-HVDC 전압형 컨버터 (Voltage source converter HVDC)

WPP 풍력발전소 (Wind power plant)

WRIG 권선형유도발전기 (Wound rotor induction generator)

WSAT 풍력안정성 평가도구 (Wind security assessment tool)

WT 풍력발전용 터빈 (Wind turbine)

WTG 풍력발전기 (Wind turbine generator)

조직, 기관, 회사

AESO Alberta Electric System Operator

AQSIQ Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine (of China)

BPA Bonneville Power Authority


BCTC British Columbia Transmission Corporation

CAB Conformity Assessment Board (of IEC)

CAISO California Independent System Operator

CanWEA Canadian Wind Energy Association

CEPRI China Electric Power Research Institute

CSPG China Southern Power Grid

EPE Energy Research Corporation (of Brazil)

EWEA European Wind Energy Association

FERC Federal Energy Regulatory Commission (of US)

GIVAR Grid Integration of Variable Renewables Project (of IEA)

IEA International Energy Agency

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IOU Investor-owned utility

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

ISO International Organization for Standardization

ISO Independent system operator

IVGTF Integration of Variable Generation Task Force (of NERC)

JWD Japan Wind Development Co.

MSB Market Strategy Board (of IEC)

NDRC National Development and Reform Commission (of China)

NEA National Energy Administration (of China)

NERC North American Electric Reliability Corporation

OECD Organisation for Economic Co-operation and Development

ONS The Operator of the National Electricity System (of Brazil)

NYISO New York Independent System Operator

PES Power & Energy Society (of IEEE)

PMA Power marketing administration

REE Red Eléctrica de España

RTO Regional transmission organization


SAC Standardization Administration of China

SGCC State Grid Corporation of China

SMB Standardization Management Board (of IEC)

TC Technical Committee (of IEC)

TEPCO Tokyo Electric Power Company

TSC TSO Security Cooperation

TSO Transmission system operator

UWIG Utility Wing Integration Group

WAPA Western Area Power Administration (of US)

WECC Western Electricity Coordinating Council


본 보고서는 기존 발전원, 고객 요구사항, 송전시스템 자체 등 제반 전력계통의 계획 및

운영과 신재생에너지 및 EES 자원의 개발·운영을 연계하는 어려운 과제를 다루고 있다.

신재생에너지 발전에는 수력발전, 풍력발전, 태양에너지 발전, 조력 및 파력발전, 지열발

전, 신재생 바이오매스 발전과 같은 기술이 포함된다. 이 보고서가 중점적으로 다루는 부

분은 풍력발전과 태양에너지 발전으로, 그 이유는 다음 두 가지이다. 첫째, 풍력발전과

태양에너지 발전은 에너지원이 자연 변동성의 영향을 받는 신재생에너지 발전 유형(바람,

태양, 파랑)에 속한다. 이 변동성은 더 큰 규모의 전력시스템과 연계하는데 분명한 어려움,

즉 급전불가능성(nondispatchability)을 야기한다. 둘째, 풍력발전과 태양에너지 발전은 대

용량으로 또한 광역적으로 이용하기에 비교적 성숙한 단계에 있어서, 전력계통에 큰 영

향을 미치며 향후 그 영향력은 더 커질 것으로 보인다.

신재생에너지의 연계는 다양한 시·공간적 규모에서의 여러 의사결정자들과 다각도에

서의 조율을 수반하는 다중접점(poly-nodal) 문제이다. 여기서 언급한 의사결정자들에

는 신재생에너지와 에너지저장 자원의 운영자, 계통 운영자, 에너지 시장 운영자, 그리

고 송전 계획 기구 등이 포함된다. 이처럼 계통 연계는 전력시스템의 어느 한 주체에 의

해 이루어지는 것이 아니라, 일부 고도로 조직화된 그리고 일부 개별적인 다양한 주체들

1장

서론


의 활동을 수반한다. 급증하는 스마트그리드의 개발 또한 추가적인 도구와 옵션, 주체들

을 아직 이 믹스에 더하고 있다. 이러한 수많은 주체들은 개별 발전기, 신재생에너지 클

러스터, 변전소 그리고 보다 광역의 전력시스템의 운영을 위해 다양한 기술표준, 시행규

칙, 절차 및 정책에 관여하고 있다.

IEC(International Electrotechnical Commission)의 MSB(Market Strategy Board)가 작성한

본 보고서는 MSB 백서 시리즈 중 세 번째이며, 이전 보고서에서 다룬 내용은 다음과

같다.

본 보고서의 주된 목적은 대용량 신재생에너지 자원의 계통연계와 이를 위한 대용량

전기에너지저장장치의 활용에 대한 최신동향과 향후 방향에 대해 포괄적이고 글로벌한

시각을 제공하는 것이다. 보고서는 전 세계 IEC의 파트너 및 자체 SMB(Standardization

Management Board)와 CAB(Conformity Assessment Board)를 대상으로 하며, 이들이 전

세계의 계통연계 노력 지원활동을 하고, 전력산업계 및 정책입안가에게 지침을 제공할

수 있을 것이다.

본 보고서는 (1) 서론, (2) 신재생에너지 발전: 현재, 미래, 그리고 계통연계 도전과제, (3)

현재: 대용량 신재생에너지 계통연계 관련 최신 기술, (4) 미래: 대용량 신재생에너지 연계

확대를 위한 기술 솔루션, (5) 신재생에너지 연계 지원을 위한 대용량 EES 활용, (6) 대용

량 신재생에너지 연계 관련 표준, (7) 결론 및 권장사항, 이렇게 7개 장으로 나뉜다. 1장과

2장은 보고서에 관한 배경 정보와 신재생에너지 발전 현황, 신재생에너지원의 계통 연계

1) 에너지 위기에 대한 대처(2010년 9월), 이하 “MSB EEE 보고서”로 칭함

2) 전기에너지저장(2011년 12월), 이하 “MSB EES 보고서”로 칭함


에 있어서 도전과제 등을 다룬다. 3장은 대용량 신재생에너지 계통연계 관련 현재의 주

요 사례 및 기술을 다룬다.

본 보고서의 핵심에 해당하는 4장은 신재생에너지 도입 증가에 따라 필요한 계통의 미

래 기술 및 실천 사항에 대해 살펴본다. 5장은 신재생에너지 계통연계를 지원하는 기술

인 에너지저장장치의 역할을 논하고, 이러한 지원 역할을 4장에서 파악한 전반적 필요성

과 결부시킨다. 6장에서는 이전 5개 장의 정보를 관련 IEC 표준 활동과 연관시킨 뒤 향후

의 표준 필요성을 파악한다. 7장은 전략적 개요와 더불어, 관련 정책입안가, 규제담당자,

전력회사, 산업계, 연구업계 및 IEC 자체 위원회들에 대한 권장사항을 제시한다.


｜ 2.1 신재생에너지 개발의 추진 동력 ｜

전 세계적으로 전력계통에서 신재생에너지의 비중이 점차 커지고 있으며, 이는 (1) 에

너지시스템의 탈탄소화(decarbonization), (2) 장기적 에너지 안보 (3) 개발도상국 내 신규

에너지 소비자에게 에너지 접근성 확대에 신재생에너지가 기여하기 때문이다. MSB EEE

보고서에서는 이에 대해 다음과 같이 기술하고 있다.

요약: 당면 과제는 에너지 가용성을 확보하고 환경을 보존하는 것이다. 핵심 요소는 다

음과 같다.

2장

신재생에너지 발전 : 현재, 미래, 그리고 계통연계 문제

1) 화석연료 사용으로 인한 기후 영향 안정화

2) 인구 증가에 따른 에너지 수요 충족

3) 전력을 이용하지 못 하는 16억 인구에게 전력 제공

4) 모든 국가에 안정적이고 확실한 에너지 접근 보장

5) 발전 지점에서 사용 지점까지 전력의 장거리 수송msb10


신재생에너지는 이 모든 요소와 관련 있으며, 미래의 환경적·경제적·사회적 도전과제

를 감당할 수 있도록 에너지 그리드(전력계통)을 탈바꿈시키는데 필수적이다. 전 세계적으

로 발전에서 신재생에너지가 차지하는 비중은 향후 20년에 걸쳐 그리고 그 이후로도 큰

폭으로 증가할 것이다. 사실, 이러한 상황은 이미 일어나고 있다. 국제적·국가적·국내적

차원의 정부 움직임을 통해 신재생에너지 개발 촉진을 위한 다양한 법과 정책이 마련되

었으며, 그 예는 다음과 같다.

이제 신재생에너지 개발을 지원하는 주요 공공 정책 동인들을 차례차례 살펴보기

로 한다.

2.1.1 탈탄소화

지구상 모든 이들에게 영향을 미칠 전 지구적 환경 현상인 기후변화 문제 해결의 필요

● 탄소세: 화석연료 사용으로 인한 환경 파괴 비용을 내부화하기 위해서 온실가스 배출에 부

과하는 과세

● 배출권 거래제: 온실가스 배출 주체에게 거래 가능 연간 배출 허용치를 제공하되, 매년 발급

하는 허용량을 줄이는 제도

● 신재생에너지 목표치: LSE(load-serving entity)가 신재생에너지원으로부터 에너지 일정

부분 만큼을 구매하도록 의무화

● 기준가격지원제도(feed-in tariffs, FiT): 신재생에너지 도매가격을 보장하고 공급 가능한

모든 전력을 LSE가 매입하도록 하는 제도

● 세금공제: 신재생에너지 발전 혹은 시설 관련 과세소득에 대한 공제

● 스마트그리드 개발: 신재생에너지 보급 확대가 가능하도록 전력계통의 아키텍처, 기능성,

규정을 첨단화

● 오래 유지되어 온 화석연료 보조금 폐지


성이 신재생에너지 개발의 가장 공적인 추진동력이다. 기후변화를 다루는 세계 최고 기

구인 IPCC(International Panel on Climate Change)는 제4차 평가보고서의 종합보고서에

서 “기후시스템의 온난화는 명백한 현상으로, 전 세계 대기 및 해수의 평균 온도 증가, 광

범위하게 녹고 있는 눈과 얼음, 세계 해수면의 평균 상승 등에서 명확히 관측되고 있다”

며, “지난 50년 동안 일어난 세계 온난화 현상의 대부분이 인간이 만든 온실가스(GHG) 증

가에 기인한 것임이 매우 유력하며, 각 대륙(남극 제외)으로 평균화한 경우에도 인간이 유

발한 온난화가 인식 가능한 수준”이라고 언급했다.

MSB EEE 보고서는 에너지 사용으로 인한 CO2 배출이 전체 온실가스 배출의 70%를

차지하며, 발전과 관련된 배출은 그 절반에 육박한다고 밝혔다 msb10. 그 결과, 각국 정부

는 전력 부문의 온실가스 배출을 억제하는 정책들을 입안했다. 신재생에너지에서 생산된

전력은 온실가스를 배출하지 않기 때문에, 전력계통에 신재생에너지 도입 확대는 전력시

스템의 탈탄소화, 즉 에너지 단위 생산량 당 온실가스 배출량 저감에 기여하게 된다. 에

너지시스템의 탈탄소화가 이루어지면 대기의 온실가스 농도 증가가 둔화되고, 이에 따라

기후체계의 복사 강화(radiative forcing)를 완화시킬 수 있다.

최근 몇 년 동안 기후변화 정책의 표면적 진전이 국제적으로 답보 상태인데, 일부 대규

모 배출 주체들이 배출 저감 약속을 확실하게 지키지 않았기 때문이다. 그럼에도 불구하

고, 많은 국가들은 전면적인 국제적 합의가 부재한 상황에서도 신재생에너지 개발을 촉

진하기 위한 점증적 형태의 정책을 마련하였다. 예를 들어, 미국에서는 30개 가까운 주가

연방 조치가 없는 가운데 자체 신재생에너지 목표치를 입안했고, 독일에서는 이미 오래

전부터 발전회사들이 고정 가격으로 신재생에너지를 매입하도록 의무화하는 기준가격

지원제도(FIT)를 적극 활용해 왔다. 또한 중국은 2020년 기준 풍력 150GW-180GW, 태양

광 발전 20GW라는 용량 목표치를 설정했다. 이런 목표와 정책들은 신재생에너지의 큰

성장으로 이어지고 전력계통 운영에 영향을 미치게 될 것이다.


2.1.2 에너지 안보

바람, 태양, 파도를 동력으로 하는 신재생에너지는 연료 비용이 들지 않는다. 이처럼 연

료 비용이 제로인 신재생에너지의 특성은 두 가지 이점으로 나타난다. 첫째, 신재생에너

지 발전은 가변비용이 운영 및 유지보수로 국한되며, 연료비를 포함하지 않기 때문에 시

간 경과에 따라 평균 에너지 비용이 줄어들게 된다. 둘째, 신재생에너지 자산은 역사적으

로 변동이 심하고 지정학적 파동에 쉽게 휩싸이는 화석연료 가격의 등락에서 자유롭다.

이와 대조적으로, 석탄·가스·석유 화력발전 비용은 해당 연료 비용이 올라가면 따라서

올라간다. 그림 2-1은 IEA(International Energy Agency)의 2035년까지 연료별 세계 발전

비중 전망1을 나타낸 것으로, 석탄·석유에 기반한 발전 비중이 정부의 지속적 신재생에

너지 촉진으로 풍력, 바이오매스, 기타 신재생에너지에 밀려나는 추세를 보여준다.

화석연료 공급량이 균등하게 분산되어 있지 않고 궁극적으로 고갈될 수 있기 때문에,

많은 국가들은 전력 생산에 있어서 화석연료 의존성을 점차 줄이는 것을 장기적 에너지

안보 과제로 삼고 있다. 화석연료에 비해 신재생에너지원은 전 세계적으로 보다 고르게

분산되어 있고 사용한다고 해서 줄어들지 않는다. 국가가 신재생에너지에 투자를 하게

되면 연료비가 제로인 발전 자원을 자국에 갖출 수 있는 것이다. 따라서 중국 등 방대한

화석연료 자원을 보유한 국가들도 풍력발전 목표치를 공격적으로 설정하고 있다. 또한

최근 미국에서 일고 있는 천연가스 생산 붐에도 불구하고, 주(州) 당국들은 신재생에너지

목표 폐지를 전혀 고려하고 있지 않다. 신재생에너지는 단기적인 에너지 안보 우려에 있

어서도 유용하다. 많은 전력회사들은 석유, 가스, 석탄 시장에서 벌어지는 화석연료 변동

성에 대비하기 위해 신재생에너지를 발전방식에 포함시키는 방향으로 다각화하고 있다.

1. 이러한 예측은 IEA의 세계에너지전망(World Energy Outlook)에 포함된 핵심 분석내용인 신규 정책 시나리오(New Policies

Scenario)를 출처로 한다. 신규 정책 시나리오는 세계 에너지원의 지속가능성 증대를 꾀하는 향후 정책 개발을 설명한다.


2.1.3 에너지 접근 확대

개발도상국의 에너지 수요는 빠르게 증가하고 있다(그림 2-2 참조). IEA 신규 정책 시

나리오는 비(非)OECD 국가의 전력 수요가 2035년까지 복합 연평균성장률(CAAGR)

3.5%를 보이며 증가할 것으로 전망한다. 비OECD 국가들의 전체 전력 수요는 2009년

8,000TWh에서 2035년에는 20,000TWh로 거의 3배 늘어날 전망이다(그림 2-3 참조). 아

시아의 전력 수요 증가세가 동 기간 CAAGR 기준 4.2%로 가장 빠르다. 앞에서 언급한 바

와 같이 전 세계적으로 더 청정하고 안정적인 에너지가 필요하며, 개발도상국의 수요 증

가로 더 많은 에너지가 요구되는 상황이다.

세계 에너지 수요가 증가함에 따라, 신재생에너지는 다른 자원의 증가와 더불어 전력

계통에 에너지 자산을 추가하는 여러 방편 중 하나가 되고 있다. IEA의 신규 정책 시나리

오는 전 세계 신재생에너지 사용량이 2009년 3,900TWh에서 2035년 11,100TWh로 거의

3배 늘어날 것이며, 신재생에너지의 증가는 2035년까지 전체 발전 증가분의 거의 절반

을 차지하게 될 것으로 예상한다. 실제로, 이 시나리오에 따르면 2035년까지 전 세계 발

⋮그림 2-1⋮ IEA 신규 정책 시나리오에 따른, 세계 연료별 발전 비중weo11

아시아 태평양

석탄 가스 석유 원자력 바이오매스 수력 풍력 기타 신신재생에너지

2009 20043 TWh

2020 27881 TWh

2035 36250 TWh

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Year


전의 1/3이 신재생에너지(수력전기 포함)로 이루어진다. 그림 2-4는 신재생에너지 증가 내

역을 기술별로 나누어 보여주고 있다. 풍력발전의 큰 증가가 눈에 띈다.

대부분의 발전이 신재생에너지원으로 이루어지기까지는 갈 길이 멀지만, 정부 정책과

전력회사의 계획, 세계 수요 증가가 일치된 방향을 보이면서 전 세계 전력계통에서 신재

⋮그림 2-2⋮ IEA 신규 정책 시나리오에 따른, 지역별 세계 1차 에너지 수요weo11

18000

16000

14000

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

기타 OECD 국가

유럽연합

미국

기타 비OECD 국가

중동

인도

중국

지역 간(벙커)

1990 2000 2010 2020 2030 2035

⋮그림 2-4⋮ IEA 신규 정책 시나리오에 따른, 2009년 대비 기술별 세계 신재생에너지 기반 발전 증가분weo11

8000

TWh

46%

7000 44%

6000 42%

5000 40%

4000 38%

3000 36%

2000 34%

1000 32%

0 30%

기타 신신재생에너지

태양광

바이오매스/폐기물

발전 증가분 전체에서 신재생에너지가 차지하는 비중(오른쪽 축)

수력

풍력

2015 2020 2025 2030 2035

Mtoe (million tonnes of Oil equivalent)


생에너지 도입이 크게 늘어날 가능성이 충분해 보인다. 발전 포트폴리오에서의 이러한

변화는 계통 운영에 근본적인 영향을 미치게 된다. 또한 이는 신재생에너지 자원 운용 자

체뿐 아니라 다른 자원 및 계통에 연동된 장비 운용에도 영향을 미친다.

신규 정책시나리오

현행 정책시나리오

450시나리오

1990 2009 20352009-2035**

20352009-2035**

20352009-2035**

OECD 6,593 9,193 12,005 1.0% 12,554 1.2% 11,343 0.8%

미주 3,255 4,477 5,940 1.1% 6,119 1.2% 5,612 0.9%

미국 2,713 3,725 4,787 1.0% 4,898 1.1% 4,505 0.7%

유럽 2,321 3,088 4,028 1.0% 4,244 1.2% 3,802 0.8%

아시아 오세아니아 1,017 1,628 2,037 0.9% 2,191 1.1% 1,930 0.7%

일본 759 950 1,158 0.8% 1,225 1.0% 1,075 0.5%

비OECD 3,492 8,024 19,717 3.5% 21,798 3.9% 16,978 2.9%

동유럽/유라시아 1,585 1,280 1,934 1.6% 2,238 2.2% 1,742 1.2%

러시아 909 791 1,198 1.6% 1,401 2.2% 1,057 1.1%

아시아 1,049 4,796 13,876 4.2% 15,334 4.6% 11,666 3.5%

중국 559 3,263 9,070 4.0% 10,201 4.5% 7,447 3.2%

인도 212 632 2,465 5.4% 2,590 5.6% 2,117 4.8%

중동 190 600 1,393 3.3% 1,525 3.7% 1,264 2.9%

아프리카 263 532 1,084 2.8% 1,152 3.0% 1,000 2.5%

라틴아메리카 404 816 1,430 2.2% 1,550 2.5% 1,306 1.8%

브라질 211 408 750 2.4% 792 2.6% 675 2.0%

세계 10,084 17,217 31,722 2.4% 34,352 2.7% 28,321 1.9%

유럽연합 2,227 2,793 3,530 0.9% 3,716 1.1% 3,351 0.7%

*전력수요는 총 발전량에서 전력생산 자체 소요분과 송•배전 손실분을 뺀 값으로 계산한다. **복합 연평균성장률

⋮그림 2-3⋮ IEA WEO 2011 시나리오에 따른, 지역별 전력 수요weo11


｜ 2.2 신재생에너지 발전 현황 및 향후 전망 ｜

신재생에너지는 2009년 세계 발전용량 중 3,902TWh, 즉 19.46%를 차지했다. 수력전

기가 신재생에너지 발전 중 83% 이상을 차지하여 가장 큰 기여를 했다. 바이오매스, 풍

력, 태양광은 합쳐서 세계 신재생에너지 발전의 15%, 세계 발전량의 2.9%를 차지하는 데

그쳤다 woe11. 신재생에너지 전체로 볼 때 세계 발전에서 차지하는 비중이 상당한 편이지

만, 풍력과 태양에너지와 같은 가변 에너지원에서 얻어지는 신재생에너지의 비중은 상대

적으로 여전히 제한적이다. 그 결과, 현재까지 대부분의 전력계통 운영자들은 비교적 적

은 양의 가변 발전을 연계해야 하는 입장이었다. 그러나 본 보고서에서 검토하게 되겠지

만, 이러한 상황은 2035년까지 크게 달라질 수 있다.

IEA는 신재생에너지(수력전기 포함)를 통한 전 세계 발전량이 2025년까지 8,108TWh로

늘어나, 2009년 대비 100% 넘게 증가할 것이라고 내다보았다. 2035년 무렵이면 이 수치

는 그림 2-5에 나타난 것처럼 11,100TWh로 늘어나게 된다. 이러한 추산은 IEA의 신규 정

책 시나리오에 기반을 둔 것으로, 이 시나리오는 비록 아직 공식 채택되거나 실행되지는

않았지만 최근 발표된 공약 및 계획을 고려한 것이다 weo11. 신규 정책 시나리오는 IEA의

세계 에너지 전망 2011의 핵심 시나리오로, 세계 CO2 가격을 톤당 30달러~40달러로 가

정한다.

그림 2-6은 지역/국가별 신재생에너지 발전 증가 예상치를 나타낸다 weo11. 두드러지는

점은 2009년에 비교적 비슷한 수치를 보인 미국, OECD 유럽국가, 라틴아메리카, 중국이

증가율에서 현격한 차이를 보이게 된다는 것이다. 중국의 증가는 OECD 유럽국가들을

큰 폭으로 앞지르고, OECD 유럽국가들은 미국과 라틴아메리카를 크게 앞지른다. 아프

리카와 중동은 신재생에너지 성장이 비교적 미미하다. 인도는 엄청난 성장률을 보이지만

2009년의 출발점이 다른 지역보다 낮은 상태여서 이웃한 중국과 비교해 절대적 증가 정

도가 낮다.


참고할 점은 현재의 신재생에너지를 나타내는 본 절의 차트들이 IEA가 현행 데이터를

보유한 가장 최신 연도인 2009년의 시장 상황을 반영하고 있다는 점이다. 그러나 신재생

에너지 용량은 그 이후 이미 상당히 확대되었고, 2010년에 일부 괄목할만한 발전이 이루

어진 바 있다. 이러한 발전상황에 대해서는 관련된 경우, 본문에서 다루기로 한다.

2.2.1 풍력

2009년, 전 세계적으로 풍력발전을 통해 설비용량 약 159GW에서 273TWh의 전기가

생산되었다. 그림 2-7과 2-8은 IEA의 2009년 풍력발전 추정치 및 지역별/국가별 용량

을 보여준다 weo11. 2010년에는 풍력발전과 관련해 큰 진전이 있었다. 2010년에 중국이

16GW 이상의 신규 풍력발전 용량을 증설하면서 총 용량 42GW를 갖추게 되었다. 이는

미국의 2010년 총 용량 40GW를 웃도는 수준이며, 이로써 중국은 풍력발전 용량에서

⋮그림 2-5 및 2-6⋮ 2035년까지의 전 세계 및 국가별/지역별 신재생에너지 발전량weo11

TW

hTW

h

국가/지역

12,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

0

3,000

2,000

1,000

0

1990

OECD

일본

러시아

중국

인도

중동

아프리카

라틴아메리카

브라질

미국

2,3173,902

5,3946,712

8,1089,540

11,100

2009 2015 2020 2025 2030 2035

1990

2009

2015

2020

2025

2030

2035


처음으로 세계 1위 국가가 되었다. 유럽은 2010년에 10GW에 가까운 풍력발전 용량을

증설해 총 86GW 용량을 갖추게 되었고, 이 중 절반 이상이 독일과 스페인에 소재하고

있다smp11.

IEA의 신규 정책 시나리오는 2020년까지 전 세계 연간 풍력발전량을 2009년보다

369% 증가한 1,282TWh로 예상한다 weo11. 그림 2-9에 나타난 것처럼, 2030년 무렵이면

이 수치는 10년 만에 2020년 예상치의 거의 2배에 달하는 2,182TWh에 이르게 된다 weo11

그림 2-10이 보여주듯, IEA는 용량 면에서 2009년 159GW였던 것이 2020년 582GW로,

2035년에는 1,102GW로 증가할 것이라고 추정한다 weo11.

이 기간에 풍력발전량의 증가는 그림 2-11에서 확인할 수 있듯이 압도적으로 중국,

OECD 유럽국가, 미국이 주도한다. 사실, 풍력발전량과 관련해 현재 이들 국가와 세계 여

타 국가 간에 차이가 극명하지만 그 차이는 향후 추정 증가치에 비하면 아무것도 아니

다. 향후 추정 증가치를 보면 선두 국가들은 수십 배 차이로 다른 국가들을 앞서게 된다.

OECD 유럽국가들과 중국이 2035년까지 정확히 이러한 증가세를 유지하면서 다소 미국

⋮그림 2-7 및 2-8⋮ 2009년 국가별/지역별 풍력발전량 및 용량weo11

160

TW

h

국가/지역

74

135

3 2 2 10 0

2718

140

120

100

80

60

20

40

0미국

OECD유럽

일본

러시아

중국

인도

중동

아프리카

라틴아메리카

브라질

80

GW

국가/지역

35

76

2 1 1 10 0

27

18

70

60

50

40

30

10

20

0미국

OECD유럽

일본

러시아

중국

인도

중동

아프리카

라틴아메리카

브라질


을 따돌리지만, 미국은 여전히 주요 풍력발전 국가이다. 또한 분명한 점은 신재생에너지

부문에서 라틴아메리카의 성장이 전반적으로 풍력의 큰 증가로 연결되지 않는다는 것이

다. 지역적으로 보면, OECD 유럽국가들이 풍력 부문에서 가장 두드러진 증가세를 보이

며 중국을 살짝 앞지른다. 유럽은 2009년에 76GW의 풍력발전으로 135TWh의 전기를 생

산했다 weo11.

독일, 스페인, 이탈리아, 프랑스가 지역 내 풍력 용량에 크게 기여하고 있다 gwe10. 유럽

의 경우, 과거 10년간 개발된 풍력단지 대부분이 육상에 자리 잡고 있으며 저용량 시설이

다. 바람이 거센 지역들이 속속들이 개발되면서, 유럽 풍력 개발업자들은 전력계통과 중

앙집중식으로 연계된 대용량 해상풍력단지로 관심을 돌리고 있다. 2020년까지 유럽의

풍력발전 용량은 209GW, 풍력발전량은 449TWh이 될 것이라고 IEA는 예상한다. 2030

년까지 용량은 289GW, 발전량은 675TWh에 이를 전망이다 weo11. 독일은 2020년 풍력

용량 목표를 45.75GW로 설정했고 ger10, 스페인은 38GW로 설정했다 esp10. 이러한 계획들

은 특히 다음 10년 동안 유럽의 지역 추정치에 크게 기여한다.

⋮그림 2-9 및 2-10⋮ 2035년까지의 세계 풍력발전량 및 용량 전망weo11

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

500

TW

h

4

273

1,724

2,182

2,703

835

1,282

0

1990

2009

2015

2020

2025

2030

2035

1,200

1,000

800

600

400

200

GW

h

159

397

921

1,102

582

752

0

2009

2015

2020

2025

2030

2035


지역이 아닌 개별 국가로 살펴보면, 중국이 풍력 개발 부문에서 세계 최고이다. 2009년

중국은 풍력 용량 26GW를 통해 27TWh의 전기를 생산해, 풍력 용량 면에서 세계 3위를

차지했다. 1년 후인 2010년, 중국은 42GW로 1위로 올라섰다 smp11. 중국은 2035년까지 풍

력발전량 및 풍력 용량에서 세계 최고 수준에 이를 전망이다.

IEA는 2020년에 중국이 풍력발전으로 388TWh의 전기를 생산할 것으로 예측한다. 중

국 NEA(National Energy Administration)는 같은 시기 풍력 용량의 목표를 IEA가 추산한 중국

의 풍력 설비용량 180GW와 일치하는 150~180GW로 잡고 있다. IEA는 2030년까지 중

국의 풍력용량이 유럽국가들을 종합한 추산치를 조금 밑도는 280GW에 도달할 것으로

내다본다 weo11.

2009년 미국은 풍력용량이 35GW였으며 74TWh의 전기를 생산했다 weo11. 미국의 풍력

용량 대부분은 텍사스주, 아이오와주, 캘리포니아주, 미시간주, 워싱턴주에 집중되어 있

으며 육상에 자리 잡고 있다 wpa12. 에너지 수요 감소, 경기 침체, 북미 천연가스 가격 급

락으로 인해 미국은 2010년에 유럽의 10GW, 중국의 16GW에 비해 겨우 5GW만 증설하

⋮그림 2-11⋮ 2035년까지의 지역별/국가별 풍력발전량weo11

TW

h

900800700600500400300200100

0 OECD

일본

러시아

중국

인도

중동

아프리카

라틴아메리카

브라질

미국

1990

2009

2015

2020

2025

2030

2035

국가/지역


는 등 유럽 및 중국과 어깨를 나란히 하지 못했다. 그래도 미국은 여전히 풍력 강국의 위

상을 유지해나갈 것으로 전망된다. IEA는 미국 풍력발전량이 2015년까지 2009년의 2배

가 넘는 165TWh로 증가할 것이라고 예상한다. 2030년까지 용량은 388TWh로 증가하여

151GW를 생산할 것으로 보인다 weo11.

일본은 2009년 풍력 용량 2GW를 통해 3TWh의 전기를 생산했다 weo11. IEA는 일본이

2020년까지 풍력용량이 7GW로 증가해 전기 18TWh를 생산하고, 2030년까지는 용량

이 15GW로 늘어나 41TWh의 전기를 생산할 것으로 추산한다 weo11. 이와 같은 수치는

중국, OECD 유럽국가, 미국 등 지리적으로 넓은 지역의 수치에 비해 작아 보이지만,

일본 전력계통에서의 풍력발전 및 용량 예상 증가율이 상당하다는 점은 주목할만하다.

IEA의 신규 정책 시나리오에 따르면 2009년부터 2030년 사이에 발전 예상 증가율이

650%에 달한다.

위 수치들은 육상과 해상 풍력을 구분하지 않는다. 그러나 제기된 계통연계 문제에 있

어서, 육상과 해상풍력 프로젝트 간에 차이가 존재할 수 있고, 무엇보다 해상 발전소를

위한 특수한 송전기술의 필요성 측면에서 그러하다. 따라서 현재 대부분 유럽에 위치하

며, 일부 프로젝트만 중국에서 이루어지고 있는 풍력 시장의 해상풍력 부문을 간략히 살

펴보기로 한다. 유럽의 해상 풍력 용량은 2011년 말 기준 4GW로, 당시 6GW가 추가 증

설 중이었고 17GW에 대해 유럽연합 회원국들의 동의가 이루어진 상태였다 ewe11. 이러한

프로젝트 대부분이 영국, 덴마크, 독일에서 이루어지며, 일부는 벨기에, 네덜란드, 스웨

덴에서 이루어진다. EWEA(European Wind Energy Association)는 2020년까지 유럽의 해

상 풍력 규모가 40GW에 이르고 148TWh의 전기를 생산하며, 2030년까지는 그 규모가

150GW로 증가하여 562TWh를 생산할 것으로 전망한다.

이러한 업계 추산을 어느 정도 가감해서 받아들이는 것이 마땅하지만, 이 수치들은

적어도 2020년까지 209GW와 2030년까지 298GW를 예상한 IEA의 OECD 유럽 풍력

(육상 및 해상) 전망과 상당히 부합한다. EWEA는 고압직류전송(high voltage direct current


transmission, HVDC)의 가용 여부가 유럽 해상 풍력 개발에 중요하다고 파악하고 있다.

2.2.2 태양 에너지

전력망 관련 태양에너지 기술은 태양광 발전(Photovoltaic, PV)과 집광형 태양열발전

(concentrated solar power, CSP), 이렇게 두 가지로 나뉜다. PV는 태양광을 실리콘과 같

은 반도체를 통해 전기로 변환시키는 등 직접적 방식으로 전기를 생산한다. CSP 기술

은 태양광을 액체에 반사 및 집광시키고 이것으로 물을 가열해 끓였을 때 발생하는 증

기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식을 말한다. 현재, CSP의 신재생에너지 생산 기

여도는 PV보다 낮다. 두 시장을 각각 살펴보기로 하고, 먼저 규모가 더 큰 PV 시장을

살펴보겠다.

2009년, 전 세계에서 PV는 용량 22GW를 통해 20TWh의 전기를 생산했다(그림 2-12 및

2-13 참조) weo11. OECD 유럽지역이 상대적으로 빈약한 태양 자원에도 불구하고 용량과 발

전량 모두 다른 지역을 앞섰는데, 이러한 극명한 차이는 많은 유럽국가들이 PV에 대해

매우 우호적인 정책 환경을 제공하기 때문이다.

현재로서는 PV 용량이 풍력 용량에 비해서 몇 배나 작지만, 향후 수십 년에 걸쳐 풍

력보다 더 빠른 속도로 증가할 것으로 예상된다. IEA는 2020년에 PV 용량과 발전량이

2009년보다 1000% 이상 증가해 각각 184GW, 230TWh에 이를 것으로 전망한다. 2030

년까지 이 수치는 2020년 추정치의 두 배가 넘는 551TWh와 385GW에 달할 것이다. 그

림 2-14와 2-15는 2035년까지 PV 발전에 대한 IEA의 전망을 보여준다 weo11.

OECD 유럽지역의 경우, 2009년에 PV 용량 17GW에서 14TWh의 전기를 생산했다

weo11. 우호적인 정부 정책과 가격 구조 덕분에 스페인, 이탈리아, 독일 등을 중심으로 높

은 도입률을 보인다. 독일 정부는 기준가격지원제도, 즉 전력회사가 PV 시스템 소유자에

게 일정 기간에 걸쳐 신재생가능 전력에 대해 정해진 가격을 지불하는 제도를 선택했다

obo12. 그 결과, 2011년 독일의 PV 전력 점유율은 3%였다 eck11. 독일은 2009년에 PV 용량


⋮그림 2-12 및 2-13⋮ 2009년 국가별/지역별 PV 발전량 및 용량weo11

1614121086420

TW

h

국가/지역

23

14

미국 OECD 유럽

일본

181614121086420

GW

국가/지역

23

17

미국 OECD 유럽

일본

⋮그림 2-14 및 2-15⋮ 전 세계 및 국가별/지역별 PV 발전weo11

국가/지역

TW

hTW

h

800

700

600

500

400

300

200

100

0

1990

020

126

230

369

551

741

2009 2015 2020 2025 2030 2035

OECD

일본

러시아

중국

인도

중동

아프리카

라틴아메리카

브라질

미국

1990

2009

2015

2020

2025

2030

2035

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0


9,785MW로 세계 선두를 달렸다. 스페인의 2009년 용량은 3,386MW로 이보다는 낮지만

다른 국가들에 비해 여전히 상당한 수준이었다 epa10. 이탈리아는 이후 PV 용량을 대폭 늘

려 2011년 12,750MW를 달성했고 이를 통해 10TWh의 전력을 생산했다 gse12.

IEA는 OECD 유럽의 경우 2020년까지 용량 84GW를 통해 발전량 90TWh를, 2030년

까지 용량 115GW를 통해 발전량 139TWh를 생산할 것으로 전망했다 weo11. 독일과 스페

인은 2020년까지 자체 PV 용량을 각각 52GW ger10, 8.4GW esp10로 추산하고 있다. 미국

에 비해 유럽의 PV 관련 발전 이용율(정해진 단위 전력 대비 생산된 에너지 비율)은 낮은 편이

다. 이는 자원의 질 차이에서 기인한 것으로, 미국이 유럽보다 훨씬 많은 태양광을 받기

때문이다. 그럼에도 불구하고 유럽의 정책 환경, 특히 독일과 스페인의 경우 미국보다 태

양에너지 발전에 상당히 우호적이며, 이는 추산 용량의 차이를 발생시킬 뿐 아니라 궁극

적으로 유럽의 추산 발전량도 더 높게 만든다.

미국의 태양광은 2009년에 2GW 용량에서 2TWh의 전력을 생산했다 weo11. IEA는 미국

의 태양광 발전이 2020년에 25GW에서 38TWh를, 2030년에는 50GW에서 81TWh을 생

산할 것으로 추정하고 있다 weo11. 참고로 미국의 2030년 태양광 용량은 같은 해 풍력 용

량 추산치의 약 1/3이다.

일본은 2009년에 PV 용량 3GW에서 3TWh의 전기를 생산했다 weo11. 2010년 무렵 일

본은 PV 용량을 3.6GW까지 끌어올렸다. 이러한 증가는 주거용 PV 시스템 시설에 대한

보조금 지급 프로그램, 그리고 소형 시스템에서 생산된 잉여 PV 전력을 전기소매가의 2

배 가격으로 매입하는 프로그램 덕분이다 yam11. IEA는 일본의 PV 발전량이 2020년까지

17GW에서 18TWh, 2030년까지는 28GW에서 32TWh에 이를 것으로 전망한다 weo11.

중국의 경우에는 2009년 PV에서 그리 많은 발전이 이루어지지 않았지만, 중국이 PV

기술분야에서 제조 강국으로 떠오르면서 상황이 급변하고 있다. IEA는 중국의 PV 발전

량을 2020년까지 20GW에서 29TWh, 2030년까지 58GW에서 89TWh로 내다본


다 weo11. 이럴 경우 2020년에는 중국이 PV에서 미국에 뒤지지만, 2030년이면 미국을 앞

지르게 된다 weo11.

중국의 NDRC(National Development and Reform Commission)는 2015년에 태양에너지 발

전 용량 10GW, 2020년까지 50GW 확보라는 목표를 세웠다 won11.

CSP 시장은 풍력이나 PV에 비해 훨씬 규모가 작으며, 발전량 변동성을 낮추어주는

열 측면으로 인해 전력계통 연계가 비교적 용이하다. 2009년에는 주로 미국에 소재한

세계 CSP 1GW 용량에서 1TWh의 전기가 생산되었고, 이후 스페인이 선두 자리로 올라

섰다 weo11.

CSP 발전 추산치는 PV에 비해 낮지만, 증가율 면에서는 그에 못지않다. IEA는 CSP 발

전량이 2020년에 14GW 용량에서 52TWh, 2030년에 45GW에서 167TWh에 이를 것으로

전망한다. 그림 2-16은 2035년까지 IEA의 세계 CSP 발전량 전망치를 보여준다 weo11.

2010년에는 CSP 용량에서 스페인이 632MW로 세계 최고였다. 스페인의 CSP 용량

은 스페인 정부의 칙령으로 태양열에 대한 인센티브가 주어지면서 2010년에 400MW

가 늘어났다. 2011년에는 거의 1GW의 추가 CSP 용량 증설 공사를 시작했다 rep11. IEA

는 2020년까지 OECD 유럽국가들의 CSP 발전이 4GW 용량 에서 14TWh일 것으로 전

⋮그림 2-16⋮ 2035년까지 세계 CSP 발전량weo11

400

300

200

100

TW

h

1 124

5292

307

0

1990 2009 2015 2020 2025 2030 2035

167


망한다. 2030년에는 10GW에서 36TWh로 늘어난다. 그러나 스페인 정부는 2020년까지

스페인 단독으로도 IEA의 유럽 전체에 대한 전망보다 많은 CSP 5GW를 증설해 발전량

15.35TWh를 달성할 것으로 추산하고 있다 esp10.

미국 CSP에 대한 IEA의 전망은 OECD 유럽국가들에 대한 전망과 매우 유사하여, 2020

년 기준으로 4GW에서 14TWh, 2030년에는 8GW에서 30TWh이다.

｜ 2.3 신재생에너지 계통연계와 관련한 도전과제 ｜

풍력 및 태양에너지 발전 모두 간헐성과 통제 불가능한 변동성 및 부분적 예측 불가능

성을 가지고 있고, 자원이 지역 의존적이다 per11. 아래에서 다루게 될 이러한 3가지 분명

한 특징은 풍력 및 태양에너지 발전 연계에서 각기 발전설비 소유자 및 계통 운영자에게

어려움을 안겨 준다.

⋮그림 2-17⋮ 2005년 4월, 29일 동안 캘리포니아주 테하차피 풍력발전소의 시간별 풍력 발전량haw06

700

600

500

400

300

200

100

0

-100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

-29일 차

일자별로 각기 다른 색으로 표시됨

시간

메가와트

-5일 차 -26일 차

평균

-9일 차


● 통제 불가능한 변동성: 풍력 및 태양에너지 발전 출력은 발전 운영자가 통제할 수

없는 방식으로 달라지는데, 그 이유는 풍속과 가용 일광량이 시시때때로 변할 수 있

어 매 순간 발전 출력에 영향을 미치기 때문이다. 이 같은 발전출력 변동은 계통상

에서 순간적으로 수요/공급 균형을 위한 추가 에너지뿐 아니라, 주파수 조정이나

전압 지원 같은 보조 서비스에 대한 필요성으로 이어진다. 그림 2-17은 시간별 풍

력발전 변동성의 예를 시각적으로 보여주고 있다.

● 부분적 예측 불가능성: 바람과 태양광의 가용성은 부분적으로 예측 불가능하다. 풍

력발전용 터빈은 바람이 불고 있을 때에만 발전이 가능하고, 태양 PV 시스템은 태

양광이 있어야만 작동한다. 그림 2-18은 여러 예측 시나리오를 고려한 상황에서도

실제 풍력이 예측과 얼마나 다를 수 있는지 보여준다. 예측 불가능성은 기상예보 및

발전예측 기술의 향상, 신재생에너지 발전량이 예측보다 적을 경우에 추가 전력을

공급하도록 준비된 예비력 유지, 신재생에너지 발전량이 예측보다 많은 경우에 잉

여 전력을 “흡수할” 급전 가능한 수요자원의 마련을 통해 관리할 수 있다.

● 지역 의존성: 최적의 풍력 및 태양 자원은 특정 지역에 속해 있고, 석탄이나 가스, 석

유, 우라늄 등과 달리 계통에 최적화된 발전 장소로 이송할 수 없다. 발전은 자원이

존재하는 곳에서 이루어질 수밖에 없고, 이러한 장소는 종종 전력이 사용되는 곳과

멀리 떨어져 있다. 풍력 및 태양 자원을 계통의 여타 부분과 연결하기 위해 새로운

송전용량이 요구되기도 한다. 해상풍력 자원의 경우, 송전 비용이 특히 중요하며 이

와 같은 송전선은 종종 육지 송전선에는 쓰이지 않는 특수 기술이 필요하다. 그림

2-19의 세계지도는 전 세계 평균 육지 풍속에 대한 최신 자료를 반영한 것이다.

인간이 바람과 태양광을 시·공간적 측면에서 통제할 수 없기 때문에, 풍력 및 태양에


⋮그림 2-18⋮ 미국 PJM 지역의 풍력예측을 위한 1일 사전 예측 시나리오 예시mei10

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

예측 시간[h]

시나리오 1 시나리오 2 시나리오 3 시나리오 4 시나리오 5

시나리오6 예상값 실제값

풍력

발전

량[M

W]

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

⋮그림 2-19⋮ 고도 80m 지점의 세계 평균 풍속tie12

80m 지점의 세계 평균 풍속


너지 발전 자원을 전력계통에 연계하기 위해서는 재래식 발전을 포함해 계통 여러 부분

에 영향을 미칠 수 있는 다른 통제 가능한 작업들을 관리할 필요가 있다. 이러한 작업과

활동은 몇 초에서 몇 년에 이르기까지 다양한 시간 단위로 이루어지며, 급증 가능한 발전

자원에 대한 새로운 급전 전략, 부하 관리, 주파수 및 전압 제어와 관련된 보조 서비스 제

공, 송전용량 증대, 전기에너지저장기술 활용, 기상 및 자원 예보와 계통 운영자 급전 계

획의 연동 등이 포함된다.

가변적인 신재생에너지 연계와 관련해 반드시 이해해야 하는 점은 이러한 변동성이 다

른 통제 가능한 발전기부터 송전용량, 부하에 이르기까지, 계통의 다른 부분에 더 큰 유

연성을 요구한다는 점이다. 가변적인 발전 운영을 논하는 것만으로는 전력계통 운영에

신재생에너지가 크게 파고드는 상황이 야기할 전체 여파를 설명하기에 부족하다. 따라서

본 보고서에는 발전소 운영자와 계통 운영자 모두의 관점에서 신재생에너지 연계를 살

펴봄으로써 관련된 모든 범위의 작업을 파악하고자 한다.

2.3.1 통제 불가능한 가변성

풍력 및 태양 자원에서 가변성이란 그 출력이 늘 일정하지 않다는 것을 의미한다. 이것

은 예측 불가능성과 구분되는 것으로, 예측 불가능성은 다음 장에서 다룬다. 운영자들이

풍력 및 태양에너지 발전소의 출력을 완벽히 예측할 수 있다 하더라도, 그 출력은 여전히

가변적이어서 계통 운영자에게 특정한 어려움을 일으킨다. 여기에서는 이를 소개하고자

한다 per11.

계통 운영자들은 몇 초, 몇 분 단위로 송전시스템의 주파수와 전압의 변동 상황을 관리

해야 하고, 만약 이를 내버려두면 계통 내 장비뿐 아니라 계통 자체까지 해를 입게 된다.

이를 위해 운영자들은 소비자에게 판매하기 위한 것이 아닌, 실 발전량과 예상 발전량의

균형을 맞추기 위해 발전기에 전력(유효전력 및 무효전력)을 투입하도록 명령할 수 있으며,

이는 계통의 주파수와 전압을 유지하는 데 필요한 조치이다. 이와 같은 보조 서비스는 여


러 다른 이름으로 불리며 각기 다른 설명이 뒤따른다. 간단한 이해를 돕기 위해 대표적인

서비스를 몇 가지 소개하면 다음과 같다.

또한, 계통 운영자들은 부하(계통의 소비 측면에서 발생하는 전력 수요)를 추종 관리해 발전

량이 항시 부하에 맞도록 해야 한다. 이러한 부하 추종 기능은 하루 중 아침이나 기온이

높은 오후 또는 저녁 시간 등 전력 수요가 크게 증가하는 시간대에 특히 중요하다. 부하

추종은 계통 운영자에 따라 여러 보조 서비스나 “패스트에너지 시장(fast energy market)”

을 통해 제공될 수 있다.

이러한 기능은 새로운 것이 아니다. 계통 운영자들은 전력계통이 개발된 이후 줄곧 주

파수및 전압 조정과 예비력 유지, 부하 변화의 추종을 실시해왔다. 이것은 부하 자체가

가변적이기 때문이고, 심지어 통제 가능한 재래식 발전도 문제가 생겨 언제나 계획대로

작동하지 못하기 때문이다. 소비자들의 전력 수요는 예측 가능하지만 통제 불가능하며

● 주파수조정(frequency regulation): 몇 초, 몇 분 단위로 일어나며, 발전기에 자동발전제어

(automatic generation control, AGC) 신호를 보내는 방식으로 이루어진다.

● 순동예비력(spinning reserve): 보통 10분 이내에 전력을 제공할 수 있는 상태의 발전기로,

이러한 예비력은 시스템 상의 다른 발전기가 예상치 못하게 작동 중단되거나 가동을 멈춘

경우에 이용된다.

● 비순동예비력(non-spinning reserves): 이 발전기도 순동예비력과 같은 기능을 하지만, 반

응 시간이 좀 더 느리다.

● 전압지원(voltage support): 필요시 무효전력에 대한 전압을 높이기 위해 사용되는 발전기

를 뜻한다.

● 블랙스타트 용량(black-start capacity): 연속적 정전 발생 시 전력계통 재가동을 위해 준비

된 발전기를 말한다.


다소의 변동성을 보인다. 따라서 풍력 및 태양에너지 발전이 운영자들에게 겪어보지 못

한 전혀 새로운 문제를 제기하는 것은 아니다. 사실 도입률이 낮은 상황이기 때문에, 계

통연계에 따른 어려움은 주로 차동기공진, 고조파 등 터빈 자체가 야기할 수 있는 장비

및 현지 계통 특유의 문제인 경우가 많다. 이런 문제들은 3장에서 좀 더 자세히 다룰 것이

며, 그에 대한 솔루션은 계통 차원의 문제라기보다 장비에 따라 다른 경향이 있다.

그러나 풍력 및 태양에너지 발전이 더 많이 도입되면 계통 운영자들이 과거에 전통적

으로 관리해왔던 것보다 더 많은 변동성이 전력계통에 추가되므로, 전반적으로 보조 서

비스와 전력 균형에 대한 수요가 늘어난다.

이러한 어려움을 장비 수준에서 다루는 것은 더 힘들며 때로는 불가능하다. 따라서 종

종 계통 차원의 조치나 기술, 전략이 요구된다. 대규모 수요 변동이 풍력/태양 발전량에

영향을 미치는 기상조건과 맞물려 일어날 경우, 풍부한 양의 풍력 및 태양 자원 역시 부

하 추종 기능을 어렵게 할 수 있다. 외딴 지역에 소재하고 적은 양의 부하를 다루는 계통

운영자들은 큰 규모를 다루는 운영자들에 비해 보조 서비스 및 부하 추종 제공에 있어 유

연성이 떨어질 수 있다. 설상가상으로 신재생에너지 자원은 대개 이런 외딴 지역에 많이

존재한다. IEA 및 기타 기구는 신재생에너지원의 광역적 연계를 통해 전력 생산량 편차를

줄이고, 또한 이 문제에 대한 솔루션인 보조 서비스 판매와 관련된 시장 제약을 완화하기

위해 계통 운영자들의 협동을 권장하였다 iea09.

2.3.2 부분적 예측 불가능성

불확실성이라고도 불리는 부분적 예측 불가능성은 변동성과 구분된다. 풍력 및 태양

에너지 발전의 변동성은 변화무쌍한 바람과 태양을 에너지원으로 하기 때문에 상존하는

문제이며, 태양광 발전소 위로 구름이 지나가거나 바람이 약해지는 경우처럼 시시각각으

로 계통에 영향을 준다. 반면, 부분적 예측 불가능성은 바람과 태양이 지금부터 한 시간,

혹은 하루 뒤에 발전에 쓰일 수 있는지에 대한 대략의 가용 여부를 정확히 예측할 수 없


는 상황을 가리킨다. 이러한 시간/일 단위 불확실성이 중요한 이유는 계통 운영자들이 계

통상의 전력 대부분을 “단위기기 발전계획(유닛 커미트먼트, unit commitment)”를 통해 관리

하기 때문이다. 유닛 커미트먼트는 예상 부하를 충족시키기 위해 일반적으로 몇 시간에

서 하루 전에 발전 계획을 세우는 과정을 말한다. 실제 발전량이 예상치에 미치지 못하면

계통 운영자는 그 차이를 메워야 한다. 신재생에너지 발전으로 발전 예상치와 실제 제공

치 간 차이가 커지게 되면, 이 기능에 드는 비용이 증가하며 이는 결국 소비자 부담으로

돌아간다.

현재 유닛 커미트먼트는 대체로 결정론적이다. 즉, 발전기 가동 계획이 일단 잡히면 해

당 발전기 총 용량을 가용할 것으로 여겨진다. 이런 사례는 전통적인 석탄, 가스, 수력발

전 자원의 상대적 예측가능성과 통제가능성이 반영된 것이다. 운영자들은 예비력(즉, 전력

공급을 유보하고 비상상황 시 계통 균형에 투입되기 위해 준비 상태인 발전기)의 가용성을 보장함

으로써 잠재적인 송전선이나 발전기의 정전 사태에 대비한다.

그러나 유닛 커미트먼트 프로세스와 신뢰도 유지에 필요한 예비력 계산은 확률적(불확

실한) 발전의 경우 더 복잡해지며, 계획된 시간에 나온 출력은 다소의 불확실성을 내포한

다. 예측 기술은 날씨를 예측하고 그로 인해 여러 시간 단위별로 풍력 및 태양에너지 발

전 출력을 보다 정확히 예측하여 그 내용을 계통 운영자들에게 전달함으로써, 운영자들

이 자원에 대한 일정계획과 투입을 보다 효과적으로 할 수 있도록 한다. 풍력 및 태양에

너지 발전량을 제대로 예측하면 운영자들은 다른 발전기의 일정계획을 수정해 자신이

관리하는 계통 내 모든 자산을 보다 최적화된 방식으로 활용할 수 있게 된다. 예를 들어,

운영자는 송전선이나 발전기 정전에 대비하기 위해서만이 아니라, 풍력 및 태양에너지

발전출력의 예기치 못한 변동에 대응하기 위해서도 예비력을 유지해야 한다. 이 과정에

서 운영자를 지원하는 것이 첨단 유닛 커미트먼트 방법인데, 이 방법은 예측 기술로 예측

할 수 없는 복수의 잠재적이고 불확실한 결과에 대해 계통을 대비시키기 위한 것이다. 결

정론적 유닛 커미트먼트 프로세스와 달리, 첨단 유닛 커미트먼트 방법은 풍력/태양 발전


의 확률적 특성과 계통상의 상대적 집중도를 고려해 다른 자원의 일정계획을 제안한다.

궁극적으로, 첨단 유닛 커미트먼트의 목표는 비용 효과적인 방식으로 계통상에 충분한

유연성을 유지함으로써, 신재생에너지 자원의 연계로 계통이 부당한 신뢰도 위험에 노출

되는 일을 막고, 과도한 예비력 계획수립으로 불필요한 연료 사용과 오염을 방지하는 것

이다.

2.3.3 지역 의존성

일간 계통 관리와 동떨어져 있는 것이 바로 장기 계획의 수립이다. 구체적으로 신규 송

전선 위치설정 및 활용을 의미한다. 여기에서 신재생에너지 발전이 중요한 역할을 하며

새로운 어려움을 제기한다. 풍력과 태양 자원은 종종 부하 센터에서 멀리 떨어진 외딴곳

에 존재하기 때문에 신재생에너지를 시장으로 수송할 충분한 송전시설을 개발하는 것이

연계에 매우 중요한 문제이다.

송전 계획 프로세스는 매우 다양하며, 지역 정치에 영향을 받는 경향이 있다. 예를 들

어, 송전선을 통해 한 국가나 주에서 생산된 에너지가 다른 곳을 거쳐 또 다른 곳에서 소

비될 수 있다. 이렇게 지역 간에 발전 용량, 송전 지역, 부하 규모가 차이가 나면 신재생에

너지 송전 개발에 대해, 특히 비용 배분에 대해 공방이 생겨 문제가 복잡해질 수 있다.

신재생에너지 발전 자원까지 이르도록 건설된 신규 송전선은 주로 신재생에너지로 생

산된, 가변적이며 부분적으로 예측 불가능한 전기를 수송하게 되기 때문에, 사용될 송전

기술과 관련된 기술적 필요가 발생한다.

반면, 분산전원 자원은 미래형 계통에 대한 대안적 비전을 가능케 한다. 이런 계통 하에

서는 발전과 소비가 마이크로그리드 상에서 국부적으로 이루어져 송전 손실로 인한 비

용 및 송전선에 대한 높은 자본비용이 발생하지 않는다. 이런 도식 하에서는 장거리 송전

필요성이 크게 줄어든 독립적 마이크로그리드들의 집합체 개념으로 전력계통을 개념화

할 수 있다.


｜ 3.1 총론 ｜

전력계통 전체로 볼 때 신재생에너지원은 다른 일반 발전소와 다를 바 없이 발전을 하

지만, 발전, 송전, 운영 기술 측면에서 재래식 발전과 비교했을 때 매우 구분되는 특징을

가지고 있다. 이러한 뚜렷한 특징들, 그리고 전력계통 다른 부분과의 상호작용을 이해하

는 것은 대용량 신재생에너지 전력계통 연계(Integration of RE)의 기초가 된다.

이 장에서는 대용량 신재생에너지 연계와 관련된 최신 기술 및 사례들을 살펴봄으로써

이들과 전력계통과의 상호작용에 대한 이해를 돕고자 한다. 이 논의는 신재생에너지 발

전 기술 자체, 송전 기술, 운영 기술, 사례로 나누어 이루어진다.

｜ 3.2 신재생에너지 발전 기술 ｜

3.2.1 풍력발전

1) 풍력발전의 기초

3장

현재 : 대용량 신재생에너지연계 관련 최신 기술


⋮그림 3-1⋮ 날개가 3개인 표준형 수평축 풍력발전기(SGCC)

⋮그림 3-2⋮ 풍력발전기 구조도(HowStuffWorks)

풍력 원리 수평축 터빈

로터 날개

나셀(nacelle)

허브

타워

로터 허브 기어박스

브레이크 브레이크 발전기

저속샤프트

고속샤프트

변압기


풍력발전기(Wind turbine generator, WTG)는 바람에서 에너지를 얻어 공기역학로터를

통해 전기로 변환시키며, 송전시스템에 연결된다 iea11. 현재 주로 쓰이는 풍력발전기

는 3개의 날개를 가지고 있고, 이 날개는 타워에 맞바람 형식으로 달린 수평축에서 회전

한다(그림 3-1 및 3-2 참조). 날개가 2개인 풍력발전기(그림 3-3)와 수직축 풍력발전기(그림

3-4)도 있다.

일반적으로, 풍력발전기는 3m/s 정도의 풍속에서 발전을 시작해 10~13m/s 정도에서

최대 발전력을 얻을 수 있다. 풍력발전기의 발전량은 풍속의 3제곱만큼 늘어난다. 즉, 풍

속이 10% 증가하면 가용 에너지는 33% 늘어나고, 로터 회전면적(회전하는 날개가 움직이는

면적)과 정비례한다. 발전량은 로터실(nacelle)을 풍향 변화에 맞춰 수평 회전(yawning)시키

는 방식과, 풍속 변화에 맞춰 긴 축에 따라 날개를 회전시키는 방식(pitching)에 의해 통제

가능하다.

풍력발전기 용량은 거의 5년마다 두 배로 늘어났으나, 수송, 중량, 시설 제약으로 인해

육상에 적용된 경우에는 그 속도가 둔화될 것으로 보인다. 현재 일반적인 상용 풍력발전

기 용량은 1.5~3MW이며, 좀 더 큰 발전기는 5~6MW에 달하고 로터 지름은 최대 126 m

에 달한다 iea11.

⋮그림 3-3⋮ 날개가 2개인 풍력발전기(Ming Yang) ⋮그림 3-4⋮ 수직축 터빈(Xu Ji)


풍력발전기 한 대는 용량이 제한적이고 재래식 발전기보다 훨씬 적기 때문에, 보통 “풍

력발전단지(wind farm)” 라고 불리는 풍력발전소(wind power plant, WPP)는 일반적으로 송

전선로 등으로 연결한 여러 대의 풍력발전기들로 구성된다. 이 풍력발전기들의 전력을

모아 풍력발전단지 내의 변전소에서 승압 과정을 거치게 되고, 교류(AC)나 직류(DC) 선을

통해 계통으로 송전된다(그림 3-5). 현재 일부 풍력발전소는 용량이 재래식 발전기에 맞먹

는다.

2) 주요 풍력발전기 유형 및 특징

현재 운영 중인 풍력발전기는 주로 다음 4가지이다. 각 유형은 토폴로지 특성으로 인해

일부 독자적인 특징을 갖는다 ewe05, ner09, sge11.

⋮그림 3-5⋮ 풍력발전단지 구조도(SGCC)

전력계통

승압 변압기

고압 모선

저압 모선

가공 선로또는 케이블

풍력발전용터빈


● 유형 1 – 정속형 유도발전기(Fixed speed induction generaor) : 1980년대에 도입되

어 널리 사용된 유형 1 풍력발전기(그림 3-6)는 농형유도발전기(SCIG; Squirrel Cage

Induction Generator)를 기반으로 한다. 이 발전기는 회전 속도에서 매우 작은 차이를

보여(1~2%) 거의 “정속”에 해당하며, 발전량은 풍속에 따라 변화한다. 이 문제를 해

소하기 위해 유형 1 발전기의 이중 속도 버전(Double-speed version)이 개발되었다.

원래 이 유형은 수동형실속제어(passive stall) 외에는 제어 옵션이 거의 없다. 능동

형실속제어(Active stall) 설계가 유형 1 개량형 풍력발전기에 도입될 수 있으며, 이 경

우 제어시스템에 의해 실속 방향으로 날개 경사각을 조절할 수 있다. 유도발전기는

유효전력 발전 시 무효전력을 많이 소모하기 때문에 유형 1 풍력발전기는 일반적으

로 무효전력보상장치를 갖추고 있다.

⋮그림 3-6⋮ 정속형유도발전기의 토폴로지(SGCC)

기어박스

농형유도발전기 변압기

계통

무효전력보상장치

⋮그림 3-7⋮ 가변슬립유도발전기의 토폴로지(SGCC)

기어박스

권선형유도발전기

정류기 IRBT R 컨트롤

변압기

계통

무효전력보상장치


● 유형 2 – 가변슬립유도발전기(Variable-slip induction generator) : 1980년대와 90년

대에 도입된 유형 2 풍력발전기(그림 3-7)는 권선형유도발전기(WRIG; Wound Rotor

Induction Generator)를 갖추고 있다. 권선형유도발전기 로터 전류 크기를 제어하기 위

해 전력전자가 적용되어 풍속의 10% 증감을 허용함으로써, 전력품질을 개선시키고

터빈 부품들의 기계적 부하를 줄여준다. 유형 2 풍력발전기에는 능동형피치제어시

스템이 갖추어져 있다.

유형 1과 마찬가지로 유형 2 풍력발전기도 일반적으로 무효전력보상장치를 갖추고

있다.

● 유형 – 3 이중여자형유도발전기(DFIG): 현재 가장 인기 있는 풍력발전기인 유형 3 발

전기(그림 3-8)는 이전 풍력발전기 설계에 첨단 전력전자를 결합한 것이다. 이중여

자형유도발전기의 로터는 로터 전류 규모와 주파수 모두를 통제하는 BTB(back-to-

back) 절연게이트양극성트랜지스터 (IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor) 전력 변환

기를 통해 계통에 연결된다. 발전량의 약 40%까지 변환기를 거쳐 계통으로 전달

되고 나머지는 바로 전달된다. 이러한 설계는 약 40%의 속도 증감을 가능하게 해

풍력 에너지 포집을 극대화한다. 컨버터는 유효전력과 무효전력 제어를 분리시켜

추가적인 무효전력 보상 없이 유연한 전압 제어와 빠른 전압 복구 및 VRT(voltage

ride-through)를 가능케 한다. 피치 제어도 통합되어 있다.

● 유형 4 – 풀 파워 컨버터 풍력발전기(Full-power conversion WTG) : 유형 4 풍력발전

기(그림 3-9)에서 발전기의 고정자는 풀 파워 BTB IGBT 전력변환기를 통해 계통에

연결되는데, 이는 발전량 전체가 변환기를 거친다는 의미이다. 이 발전기는 권선형

로터가 있는 동기 발전기이거나 영구자석 발전기 혹은 SCIG일 수 있다.


기어박스는 고전적인(드라이브트레인) 저속 승압 방식(하프 다이렉트드라이브)이거나, 아

예 없을 수도 있다(다이렉트드라이브). 유형 4 풍력발전기는 유형 3과 비슷한 특징을 지니

는데, 계통에서 완전히 분리되어 있어 훨씬 넓은 폭의 속도 변화와 무효전력 및 전압제어

역량을 제공할 수 있다. 또한, 출력 전류를 0으로 조절함으로써 계통에 대한 단락전류 기

여를 제한할 수 있다.

3) 해상 풍력발전

해상은 일반적으로 육상에 비해 더 나은 풍력자원이 존재하기 때문에, 해상에 설치된

발전기는 전부하(full-load) 시간이 훨씬 길다. 해상 풍력발전단지 개발은 육상 단지가 겪

는 수송 및 토지 점유 같은 많은 제약들을 완화할 수 있다. 현재의 해상 풍력발전기는 본

⋮그림 3-8⋮ 이중여자형유도발전기의 토폴로지(SGCC)

기어박스

권선형유도발전기

BTB IGBT 전력변환기

변압기

계통

⋮그림 3-9⋮ 풀 파워 컨버터 풍력발전기의 토폴로지(SGCC)

기어박스

동기/유도발전기 BTB IGBT 전력변환기변압기

계통


질적으로 대형 육상발전기에 부식방지 같은 특징을 강화한 형태이다. 특정 해상 풍력산

업이 발전하여 특정 해상 공급체인이 형성 중이다 iea11. 많은 풍력발전기 제조사들이 현

재 해상 풍력시장을 위한 3MW 이상 용량의 대형 풍력발전기를 개발했고 일부는 시범 설

치되었다.

미래의 풍력발전기는 이보다 훨씬 커질 것이고 해상용으로 특별 맞춤화될 것이다. 해

상 풍력발전단지는 또한 육상 단지에 비해 규모도 클 것이다. 예를 들어, 북해와 동중국

해의 몇몇 예정된 프로젝트를 보면 용량이 1,000MW를 훌쩍 넘는다.

그러나 해상 풍력발전단지를 건설하는 것은 대형 터빈에 대한 지원구조, 까다로운 기

상 여건, 송전선 길이/비용 문제, 송전시스템 연장, 높은 풍속과 깊은 수심, 환경 이슈, 다

른 해양 이해관계자들에 대한 영향 등 여러 이슈로 인해 육상 단지에 비해 더 어렵고 비

용이 많이 든다iea11. 그럼에도 불구하고, 해상 풍력발전은 성장 중이며 향후에는 기술 발

전과 더불어 한층 더 빠르게 성장할 것이다.

⋮그림 3-10⋮ 상하이 둥하이대교 해상 풍력발전단지(SGCC)


3.2.2 태양광발전

1) 태양광발전의 기초

반도체 소자로 이루어진 태양광(PV) 전지는 태양에너지를 직접 직류전기로 변환한다.

태양광이 각각의 태양광전지에 닿으면 전지가 흡수한 에너지가 반도체 소자 원자에 있

는 전자로 전달된다. 이렇게 에너지를 띤 전자들은 회로 내 전류의 일부가 되어 전기를

생성한다.

태양광전지는 직병렬로 연결되어 태양광 모듈을 구성하며 용량은 보통 50~200W 정

도이다. 태양광 모듈은 일련의 다른 애플리케이션별 시스템 부품들(예: 인버터, 태양추적기,

배터리, 전지부품, 탑재시스템)과 함께 모듈식 성격이 강한 태양광발전시스템을 구성하며 용

량은 몇 와트부터 수십 와트이다 iea11. 대형 전력회사용 태양광발전시스템은 보통 태양광

발전소라고 불린다. 그림 3-11은 태양광발전소 구성도를 보여준다.

2) 태양광발전 기술 유형

현재의 태양광발전 기술은 소재와 설계에 따라 결정질 실리콘(Crystalline silicon), 박막

(Thin-film), 집광형(Concentratin) 태양광발전으로 분류할 수 있다(그림 3-12 및 3-13 참조).

결정질 실리콘 태양광발전은 현재 가장 잘 구축된 태양광기술로 에너지변환효율이 최고

20%에 달한다. 최근에는 비결정질 실리콘 반도체 소자도 활용할 수 있는 박막 태양광발

전이 주목받고 있다. 일반적으로 박막 태양광발전이 실리콘 태양광보다 효율이 낮지만

(약 11%), 비용이 덜 들고 제조 시 에너지집약도가 낮으며 좀 더 유연하고 다방면에 쓰임이

있는 애플리케이션이다. 집광형 태양광발전은 렌즈로 태양광을 모아 강화시킨 뒤 태양

광전지에 닿게 하는 방식으로 본격 시장 진출을 앞두고 있다. 집광형 태양광발전은 최대

40%의 효율을 거둘 수 있다. 유기(organic) 태양광전지 같은 다른 기술은 아직 연구 단계

이다 hts09, iea11.


⋮그림 3-11⋮ 태양광발전소 구조도

전력계통

승압 변압기

고압 모선

저압 모선

교류 교류 교류

직류 직류 직류

태양광 패널

케이블

인버터 인버터 인버터

⋮그림 3-12⋮ 박막 및 실리콘 태양광

(a) A-Si 박막 태양광 (b) 다결정 실리콘 태양광


3) 태양광발전의 특징

태양광시스템의 주요 요소 중 하나가 인버터이다. 태양광시스템에서 나오는 직류 산출

물은 인버터에 의해 교류로 바뀐다. 인버터가 태양광발전소의 계통운전 요건 충족 여부

에 영향을 미치기 때문에 계통연계형 태양광발전소의 경우, 인버터의 성능이 특히 중요

하다.

대부분의 인버터는 LVRT(low voltage ride through)와 유연한 유효/무효전력 제어 역량

을 가지고 있다. 그러나 이것은 회전기기가 아니기 때문에 태양광시스템은 전력계통에

관성(Inertia) 지원을 제공할 수 없다.

아래 설명할 CSP와 비교해 태양광발전(집광형 제외)은 직사광선을 이용할 수 있을 뿐 아

니라 태양광의 요소를 분산시켜 전기를 생산할 수 있는 장점이 있어 더 많은 지역에 효과

적으로 활용이 가능하다. 태양광이 바람보다 예측가능성이 높기 때문에 풍력발전에 비해

태양광발전이 계통 연계에 따른 어려움이 더 적다. 현재까지는 태양광발전이 상대적으로

비용이 많이 든다는 점이 대규모 활용의 주된 걸림돌이 되어왔다 iea11.

⋮그림 3-13⋮ 집광형 태양광(SGCC)


3.2.3 집광형 태양열발전

1) 집광형 태양열발전의 기초

태양열발전이라고도 하는 집광형 태양열발전(CSP)은 열에너지를 전기로 바꾸는 재래

식 화력발전과 매우 유사하지만, 열에너지 획득 방식에서 차이가 난다. CSP 발전소는 태

양추적시스템이 달린 다양한 거울 배열을 이용해 태양 직사광선을 반사시켜 집광해 리

시버 안에 있는 유체(공기, 물, 기름, 용융염 등)를 고온으로 가열함으로써 태양에너지를 열

에너지로 변환한다(그림 3-14).

이 열에너지는 증기터빈이나 가스터빈, 열 엔진으로 구동되는 발전기를 이용해 전기로

변환된다. 또한, 구름이 낀 시간대나 야간 운전을 위해 열에너지저장시스템을 갖춘 CSP

발전소도 있다. 일반적인 독립형 CSP 발전소는 그림 3-15 같은 배열을 갖는다. CSP 발

전소는 또한 일사량이 적은 시간 동안 열 산출량을 보완해 발전량 안정화와 급전가능성

⋮그림 3-14⋮ CSP의 열에너지 획득 원리dir05

반사체

태양 직사광선

리시버


을 높이도록 화석연료를 이용하는 하이브리드 시스템으로 설계할 수도 있다(그림 3-16).

또한, 에너지효율 개선을 위해 재래적 복합발전소와 연계도 가능하다.

⋮그림 3-16⋮ 하이브리드 CSP 발전소gre12

집열판

열전달유체(HTF)

증기

터빈/발전기

콘덴서

계통

저장탱크 태양증기발전기

HTF가열기

연료

연료

보일러

⋮그림 3-15⋮ 독립형 CSP 발전소gre12

집열판

열전달유체증기

터빈

콘덴서

발전기

계통저장탱크

태양증기발전기


태양에너지 수집 방식에 따라 현재의 CSP 기술은 구유형, LFR, 솔라타워, 접시형 시스

템 등 주요 4가지 유형으로 분류된다(그림 3-17) dlr05, hts09, iea11.

● 구유형(parabolic trough) 시스템은 긴 줄로 배열된 포물선 모양의 거울들을 이용해

작업유체가 담긴 선형 리시버 튜브로 태양광을 반사해 집광한다.

● LFR(linear Fresnel reflector) 시스템은 긴 줄로 배열된 평면형 혹은 살짝 굽은 곡면형

거울들을 이용해 거울 위쪽 공간에 있는, 아래를 향해 고정된 선형 리시버 튜브로

태양광을 집광한다.

● 솔라타워(solar tower) 시스템은 중앙 리시버 시스템이라고도 하며, 여러 개의 크고

평평한 거울들을 이용해 타워 꼭대기에 있는 리시버로 태양광을 집광한다.

⋮그림 3-17⋮ CSP 기술 유형dir05

(a) 구유형 시스템

(b) LFR

(c) 솔라타워

(d) 접시형


● 접시형(parabolic dish) 시스템은 접시/엔진 시스템이라고도 하며, 리시버와 엔진/발

전기[예: 스털링(Stirling)기기나 마이크로터빈]가 설치된 단일 접시의 구심점으로 태

양광을 집광한다.

구유형, LFR, 솔라타워 시스템의 용량은 수백 메가와트인 반면, 접시/엔진 시스템은 보

통 10 kW 범위여서 분산 발전에만 적합하다. 구유형 시스템의 발전효율은 10~15% 정도

로 확인되었으며, 중기에는 약 18% 정도로 전망된다.

3) CSP 발전의 특징

CSP는 유틸리티급 규모의 발전과 급전이 가능한 안정적인 신재생에너지 옵션이라는

점에서 유리하다. 본질적으로 열 형태로 에너지를 저장했다가 최대 몇 시간 후에도 전기

를 생산할 수 있고, 추가적인 열저장 시스템이나 하이브리드 시스템 설계를 통해 추가 지

원이 가능하기 때문에 CSP 발전소는 구름이 끼거나 해가 진 경우에도 지속적으로 안정

적인 전기를 생산할 수 있다. 따라서 풍력이나 태양광발전에 비해 CSP의 전력계통 연계

가 훨씬 더 수월하다.

CSP가 계통 연계에 수월하기는 하지만, 상대적인 기술적 미성숙과 고비용으로 인해

현재 대규모 활용에 제약을 받고 있다.

CSP의 한 가지 단점은 강한 직사일광을 필요로 한다는 점이다. 그 결과, 적정한 CSP

자원은 주로 비가 거의오지 않는 더운 지역이나 사막에 국한된다. 그와 동시에, 다른 열

발전소와 마찬가지로 CSP도 냉각과 응축에 물이 필요한데, 이는 건조한 지역에서 CSP

자원을 활용하는 데 엄청난 어려움으로 작용한다. 공기를 이용한 건식 냉각이 효과적인

대안이지만 비용이 더 높고 운영효율은 낮다.


｜ 3.3 송전 기술 ｜

대용량 신재생에너지 발전소는 대체로 부하와 멀리 떨어져 있어서, 장거리 송전이 필

요하다. 현재까지 대용량 신재생에너지 송전에 교류 송전을 이용했으며, 해상 풍력발전

연계의 경우 전압형 고전압직류(voltage source converter high voltage DC, VSC-HVDC) 송전

을 이용했다.

이 절에서는 이러한 예시를 제시할 것이다. 초고압 교류(ultra-high voltage AC, UHVAC)

와 전류형 컨버터(HV/UHVAD [current source converter(CSC) HV/UHVDC]가 대용량 신재생

에너지 송전에 이용될 예정이며, 이에 대해서는 4장에서 다룰 예정이다.

3.3.1 교류 송전

교류 송전은 성숙한 기술이다. 교류 송전선의 용량은 전압수준의 제곱에 비례하고 송

전선 임피던스에 반비례하며, 임피던스는 송전 거리가 길수록 늘어난다. 장거리 교류 송

전선의 용량을 크게 증가시키기 위한 자연스러운 방법은 전압수준을 늘리는 것이다. 표

3-1에 각기 다른 전압수준을 지닌 교류 송전선의 대략적 용량 및 거리가 제시되어 있다

sgc07. 중소규모인 신재생에너지 발전소의 경우, 보통 330kV 미만의 송전선이 사용된다.

대규모 장거리 신재생에너지 발전소에서는 보통 500kV가 넘는 송전선이 필요하다. 중국

과 미국의 신재생에너지 통합용 500kV 이상 교류 송전선의 예는 다음과 같다.

1) 미국

현재, 신재생에너지 송전을 위한 3개의 주요 500kV 송전 프로젝트가 남부 캘리포니아

에서 진행 중이거나 승인을 받았다 ete11. 이는 표 3-2에 요약되어 있다.


2) 중국

2010년 11월에 신장(Xinjiang) 전력계통과 북서부의 연계, 그리고 주취안(Jiuquan) 1단계

풍력발전기지 송전을 위해 2,398km의 이중회로 750kV 송전선이 가동에 들어갔다. 주취

안 1단계 풍력발전기지는 5,160MW의 시설용량을 갖추고 있다. 현지에서 소비되는 부분

은 적고, 대부분은 북서부 전력계통의 부하중심 지역으로 송전된다(그림 3-18).

두 번째 765kV급 송전선로가 현재 건설 중이다. 중국 북동부 지린 풍력발전단지를 위

한 500kV 송전선도 건설되었다.

전압수준(kV) 용량(MW) 거리(km)

110 10-50 50-150

220 100-500 100-300

330 200-800 200-600

500 1,000-1,500 150-850

765 2,000-2,500 500 이상

⋮표 3-1⋮ 전압수준별 교류 송전선의 일반적인 송전용량 및 거리

프로젝트프로젝트로 제공되는

신재생에너지 통합 용량(MW)

송전선 길이(km)

목적

SPL(Sunrise Power Link) 1,700 196

임페리얼 밸리와 샌디에고 간 계통연결 개선, 임페리얼 밸리 및

아리조나의 풍력태양열지열 전력을 샌디에고로 송전

TRTP(Tehachapi Renewable Transmission Project)

5,850 530테하차피 지역의

풍력태양열 전력 송전

CDV(Colorado River Devers Valley)

4,700 270캘리포니아와 아리조나 사이

블라이드 지역의 풍력태양열 전력 송전

⋮표 3-2⋮ 신재생에너지 송전을 위한 캘리포니아 내 3개의 교류 송전 프로젝트


3.3.2 VSC-HVDC 송전

IGBT 기반 VSC-HVDC는 전통적인 싸이리스터 기반의 전류형 HVDC (LCC-HVDC,

Line Commutated converter로 알려짐)와 다르다. VSC-HVDC는 펄스 폭 변조로 구동되

는 제어회로를 통해 자가정류(self-commutated)되는 반면, 전류형 HVDC는 선 정류(line-

commutated) 즉, 사이리스터가 교류 전압으로부터 역방향 바이어스될 때 꺼지기 때문에

다. wei11. CSC-HVDC와 비교해 VSC-HVDC는 다음과 같은 주요 장점이 있다 vsc10.

1) 정격 MVA 용량 내에서 유·무효 전력을 독립적으로 신속히 통제할 수 있다. 그 결과

매우 적은 수준(심지어 제로 수준)으로 유효전력을 송전할 수 있어, 신재생에너지 발전

에서 자주 나타나는 진폭이 큰 발전량 변동에 적합하다. 반면에 CSC-HVDC는 최소

시동 전력의 제한을 받는다. VSC-HVDC 터미널은 지침에 따라, 혹은 연계된 교류

계통의 전압수준에 따라 정해진 양의 무효전력을 생산하거나 흡수할 수 있어 뛰어

난 전압 지원을 제공한다. 한편, CSC-HVDC 터미널은 작동 시에 언제나 무효전력

을 흡수해 다량의 무효전력보상이 필요하다.

⋮그림 3-18⋮ 중국 북서부 주취안 1단계 풍력발전기지 송전(SGCC)

주취안 풍력발전기지

신장 1,000km 이상

부하센터


2) VSC-HVDC는 CSC-HVDC에서 필요한 전압 극성의 변경 없이 전류 방향을 바꾸

는 것만으로 무효전력 방향을 신속히 바꿀 수 있다. 따라서 변환소 통제시스템의 토

폴로지와 전략을 다르게 할 필요가 없다.

3) CSC-HVDC와 달리 정류를 위해, 연결된 교류 계통의 지원이 필요하지 않으며,

따라서 약하거나 심지어 수동적인 교류 계통에도 연결될 수 있다. 반면에 CSC-

HVDC는 연결된 교류 계통이 충분히 강력해야한다.

이러한 이점으로 인해 VSC-HVDC가 신재생에너지 연계(특히 해상 풍력발전) 및 계통 연

계, 그리고 독립형 계통과 복잡한 대도시 지역에 대한 전력공급에 바람직하다. 신재생에

너지의 빠른 발전으로 최근 몇 년 동안 VSC-HVDC 프로젝트가 급격히 늘어났다. 신재

생에너지 연계와 관련해 실시된 VSC-HVDC 프로젝트의 일부가 표 3-3에 제시되어 있

다. 또한 2011년 10월 말 기준으로 전 세계에서 구현 중인 VSC-HVDC 송전 프로젝트는

12개였다. 2009년 이후로 진행 중인 전 세계 VSC-HVDC 프로젝트의 총 용량은10GW에

달했고, 이는 2009년 이전에 구축된 프로젝트보다 4배 높은 수준이다.

연도 프로젝트 국가 MW/kV/km 비고

1999 Gotland 스웨덴 50 / ±80 / 70 육상 풍력발전 연계(전압 지원)

2000 Tjæreborg 덴마크 7.2 / ±9 / 4.3육상 풍력발전 연계

(해상 풍력발전 통합을 위한 시험용)

2009 Nord E.ON 1 독일 400 / ±150 / 203 해상 풍력발전연계

2011 Shanghai Nanhui 중국 18 / ±30 / 10 해상 풍력발전연계

⋮표 3-3⋮ 신재생에너지 연계를 위해 추진된VSC-HVDC 프로젝트


｜ 3.4 운영 기술 및 사례 ｜

이 절은 풍력발전과 관련된 운영 기술과 사례를 중점적으로 다루는데, 그 이유는 풍력

발전이 현재 가장 널리 활용되는 대용량 신재생에너지 발전이어서 전력계통 운영에 상

당한 영향을 미치기 때문이다. 전 세계적으로 연구자들과 계통 운영자들이 이미 많은 업

적을 이루었다. 비슷한 기술과 사례를 태양광 및 태양열발전에도 이용할 수 있다. 대용량

신재생에너지 발전이 많이 포함된 전력계통 운영과 관련해, 신재생에너지 전력 예측은

계통 운영자들이 운영 계획 연구를 수행하고 신재생에너지 산출량 변동성 관리에 적정

자원이 쓰일 수 있도록 하는 데 절대적으로 중요하다.

3.4.1 출력 예측

1) 예측 방법

예측의 시간 단위에 따라 풍력발전 예측은 초단기 예측, 단기 예측, 중장기 예측으로 구

분할 수 있다. 현재 가장 널리 이용되는 것은 단기 예측으로, 시간 단위는 최대 48~72시

간이다. 그림 3-19는 단기 풍력발전 예측의 원칙을 보여준다. 단기 풍력발전 예측을 위한

현재 방법에는 일반적으로 물리적 방법, 통계적 방법, 두 방법을 혼합한 방법이 있다.

● 물리적 방법은 향후 특정 시점의 예상 풍속 및 풍향을 제공해주는 수치예보

(numerical weather prediction, NWP) 모델로 출발한다. 그 밖의 단계로는 NWP 모델 결

과를 풍력발전에 적용하는 단계, 현지 풍속을 전력으로 환산하는 단계, 예측을 지역

전체에 확대 적용하는 단계 등이 있다 ewe05.

● 통계적 방법은 우선 하나 이상의 학습 알고리즘을 통해 과거 NWP 데이터와 풍력발

전단지의 과거 전력량 데이터 간의 관계를 구축한 뒤, 이 관계를 통해 풍력발전 산


출량을 예측하는 것이다.

이 두 방법의 장단점이 표 3-4에 정리되어 있다.

표 3-5는 시중에 나와 있는 주요 단기 풍력 예측 프로그램의 일부를 보여준다. 현재의

프로그램들로 이미 값진 예측 결과를 획득할 수 있는 상태이지만, 추가 개선이 절실히 요

구된다 ewe05.

⋮그림 3-19⋮ 단기 풍력발전 예측 원칙(SGCC)

수치예보(NWP)

예측 프로그램

전력 생산량 예측

방법 장점 단점

물리적 방법

■ 풍력발전단지의 과거 발전량 데이터가 필

요하지 않음: 신규 풍력발전단지에 적합

■ 각각의 대기 프로세스에 대한 상세 분석을

기반으로 함: 예측 모델 최적화로 더 정확한

예보 가능

■ 부정확한 초기 정보로 시스템 오류에 매우

민감함

통계적 방법

■ 데이터 품질이 좋은 경우, 높은 정확도 가능

■ 훈련 세트에 인풋이 포함되어 있지 않더라

도 자체조절을 통해 적절한 아웃풋을 낼 수

있음

■ 높은 일관성을 지닌 과거 데이터가 상당히

많이 필요

■ 블랙박스와 같이 작동, 학습 및 의사결정

프로세스를 이해하고 모델을 최적화하기

어려움

⋮표 3-4⋮ 두 가지 예측 방법의 장단점


2) 예측 정확도

풍력발전 예측의 정확도는 여러 지수로 측정 가능하다. 풍력 시설용량에 대해 정규화

된 평균제곱근오차(root mean square error, RMSE)가 가장 흔히 사용된다. 어떤 예측 방법

프로그램 개발사 방법 국가 운영 개시

Prediktor RISO National Laboratory (DK) 물리적스페인, 덴마크, 아일랜드,

독일, 미국1994

WPPTIMM, Technical University of

Denmark통계적 덴마크(동/서) 1994

PrevientoUniversity of Oldenburg and Energy & Meteo System (DE)

물리적 독일 2002

AWPPSArmines/Ecole des Mines de

Paris (F)통계적,

Fuzzy-ANN아일랜드, 크레타(그리스),

마데이라(포르투갈)1998,2002

RAL RAL (UK) 통계적 아일랜드 --

SipreolicoUniversity of Carlos III, Madrid:

Red Eléctrica de Espaňa통계적 4GW, 스페인 2002

Local Pred-RegioPred

CENER (ES) 물리적 스페인 2001

Casandra Gamesa (ES) 물리적 스페인, 포르투갈, 미국 2003

GH Forecaster Garrad Hassan (UK) 물리적/통계적스페인, 아일랜드, 영국,

미국, 호주2004

eWind TrueWind (USA) 물리적/통계적스페인(Meteosim을 통해

대표됨), 미국1998

HIRPOMUniversity College Cork, Ireland: Danish Meteorological Institute

통계적 개발 중 --

AWPT ISET (DE) 통계적, ANN 15GW, 독일 2001

AleaWind Aleasoft (ES) 통계적 스페인 2004

Scirocco Aeolis (NL) 물리적 네덜란드, 스페인 2004

Meteologica MBB 물리적 스페인 2004

Meteotemp 특정 모델명 없음 물리적 스페인 2004

WPFS CEPRI 물리적/통계적 중국 2009

⋮표 3-5⋮ 단기 풍력발전 예측 프로그램 개요


이 사용되든 하나의 풍력발전단지에

대한 예측 오차(RMSE)는 36시간 동

안 설비용량의 10~20% 사이 이다.

공간적 집계가 변동성을 줄여주어

예측 오차를 크게 낮춘다. 그림 3-20

에서 보듯, 정확도는 예측 대상 지역

이 넓을수록 높아진다. 이것은 공간평

활 효과(spatial smoothing effects) 때문

이다.

그림 3-20의 세로축에 나타난 오차 감소는 지역 예측치의 RMSE와 단일 발전소 예측

치의 RMSE 간 비율이며, 독일 내 40개 풍력발전단지에서 측정된 발전량을 기반으로 한

것이다. 750km 지역에 대한 집계는 예측 오차를 약 50% 줄일 수 있다 eis11. 대규모 지역

의 풍력발전 집계에 적용되도록 예측을 확대한다면, RMSE는 10% 미만으로 줄어들 수

있다 ewe05.

⋮그림 3-21⋮ 현재 이후 시간의 함수인 풍력발전 대비 풍력 예측 오차 비율uei10

40

35

30

25

20

15

10

5

00 1 4 7 10 13 16 19 22 25

2005200620072008

28 31 34 37 40 43 46 49

평균

절대

오차

/평균

발전

(%)

시간

풍력 예측 진화 - 2005~2008 (자료 출처: RED ELECTRICA ESPANA)

⋮그림 3-20⋮ 집계된 풍력발전 생산량에 대한 풍력 예측

오차 감소hol09(energy & metro systems)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

00 500 1.000 1.500 2.000

오차

감소

지역 크기(km)


반면, 예측 오차는 그림 3-21에 나타난 것처럼 예측 시간 범위가 길어질수록 커지며,

이 그림은 몇 해에 걸친 예측 기술 발전도 보여주고 있다. 일반적으로 단일 발전단지 예

측과 관련해 1~2 시간 전의 오류는 약 5~7% 정도이며, 하루 전 예측의 경우는 20%까지

될 수 있다.

⋮그림 3-22⋮ 풍력을 고려한 중국의 시스템 운영

중장기 예측풍력 에너지

일정계획

WPP의 1일 전

일정계획

WPP의 실시간

제어

운영 계획, 유닛

커미트먼트

재래식 발전소의

1일 전 일정계획

재래식 발전소의

실시간 제어

1일 전 예측

당일 예측

풍력 예측 풍력/재래식 발전소 급전

전체 계통

전체 계통

전체 계통

및 WPP

및 WPP

⋮그림 3-23⋮ 지린의 “풍력 최적 급전 의사결정 지원 시스템”sgc11

AVC

WP 정보 입력

WP 관련 안전 분석WP 운영 데이터 분석

및 게시

D5000 급전 플랫폼

1일 전 & 실시간WP 계획

WP 예측 WPP 제어

AGC


3.4.2 운영 사례

신재생에너지 발전의 개발, 재래식 발전 형태, 전력계통 구조, 시장 및 제도적 환경의

차이로 인해 신재생에너지 연계와 관련된 운영 사례은 국가나 지역마다 크게 다르다. 아

래에 주요 국가들의 풍력발전 연계와 관련된 일부 운영 사례들을 소개하였다.

1) 중국

신재생에너지법 및 관련 규제에 따라, 보통의 전력계통 운영 상황에서는 풍력 및 기타

신재생에너지를 발전 일정과 급전에서 우선시한다. 이 요건을 만족시키기 위해 계통 운

영자들은 중장기 풍력발전 예측, 1일 전 및 당일 운영 계획 프로세스를 고려하고 재래식

발전소들의 유연성뿐 아니라, 최대 풍력을 수용하고 시스템 안전/신뢰도 유지를 위한 계

통 간 연결선(tie-line) 용량을 최대한 활용한다(그림 3-22) sgc11, wei11.

이 요건은 풍력발전소(WPP)들이 제어 및 감시 시스템을 갖추도록 하기 위해서도 강조

된다. 이 시스템들은 풍력발전소의 제어가능성을 높여주고 계통 운영자들에게 운영 정보

를 제공하는 역할을 한다. 현재까지, 모든 계통 연계형 풍력발전소들은 제어 및 감시 시

스템을 갖추고 있어 실시간으로 급전 센터와 교신할 수 있다.

중국 국가전망공사(SGCC) 내에 풍력 예측 시스템은 여러 지역 혹은 지방 급전센터에

갖추고 있으나, 풍력발전소 30개 정도만이 발전소 단위의 풍력 예측 시스템을 갖추고 있

어 더 엄격한 관리를 통한 개선이 필요한 상황이다. 풍력 예측 시스템이 요구하는 기상

정보를 제공하기 위해 CEPRI(China Electric Power Research Institute)에 SGCC NWP 센터

가 설립되었다. 여러 시간 단위의 풍력 예측에 기반을 두어, “풍력 최적 급전 의사결정 지

원 시스템”이 개발되어 지린성 전력계통의 급전센터에서 가동에 들어갔다(그림 3-23).


2) 덴마크

덴마크의 송전시스템운영자(TSO)인 Energinet.dk 는 2가지, 즉 외부와 내부 풍력 예

측 도구를 주로 사용한다. 외부 예측 도구는 5분마다 0~12시간 예보, 그리고 1시간마다

0~48시간 예보를 제공한다. 예측을 위한 입력 장치는 4가지 각기 다른 수치 예보를 포

함한다. 내부 예측 도구는 0~6시간 단기 예보와 12~36 시간의 1일 전 예보를 포함한다.

덴마크를 포함해 북유럽 전력계통 전체에 잘 작동하는 전력시장과 자동 급전 시스템

이 만들어져 있고, 이를 통해 노르웨이와 스웨덴의 수력이 덴마크 풍력의 균형유지에 종

종 이용되기도 한다. 그림 3-24는 전력 생산과 교환에 대한 모니터링 커브를 보여준다.

여기에서 A선이 모든 발전소의 5분 일정에 따른 전체 전력 생산이고, B선이 이웃 계통과

의 교환 계획이다[덴마크 서부(DK1)에서 스웨덴 SvK로, DK1에서 독일 Tennet로, DK1에서

덴마크 ENDK로, DK1에서 노르웨이 SN으로, 위에서 아래로]. 일반적으로, Nordic Power

System은 거래를 통해 균형을 유지할 수 있다. 풍력발전소에서 생산된 추가 전기는 저

가로 매입되어 나머지 계통에 더 높은 가격에 팔린다. 또한, 동절기에는 열병합 발전소와

전기보일러가 대규모 풍력으로 야기되는 변동의 균형을 맞추는 데 중요한 역할을 한다.

⋮그림 3-24⋮ 발전량 및 인근 계통과의 전력교환 모니터링sad11

4,500

4,000

3,500

3,000

2,500

2,000

MW

A

B

1,500

1,000

-1,000

-1,500

00

:00

01:0

0

02:

00

03:

00

04:

00

05:

00

06:

00

07:

00

08:

00

09:

00

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

00

:30

01:3

0

02:

30

03:

30

04:

30

05:

30

06:

30

07:

30

08:

30

09:

30

10:3

0

11:3

0

12:3

0

13:3

0

14:3

0

15:3

0

16:3

0

17:3

0

18:3

0

19:3

0

20:3

0

21:3

0

22:3

0

23:3

0

500

0

-500


3) 독일

독일의 4개 TSO(50Hertz, Tennet, Amprion, ENBW) 중 3곳이 풍력 예측 시스템을 구축했고

독일 풍력용량의 약 98%를 장악하고 있다. 예를 들어, Amprion사는 전방사무소를 개설해

예측시스템의 운영을 관리하고, 도구를 결합하여 예측 결과를 최적화하고 있다(그림 3-25).

Amprion은 풍력 예측 데이터(1일 전 및 초단기 데이터)를 다른 TSC(TSO Security

Cooperation) 회원사들과 공유한다.

2004년 9월에 독일의 “신재생에너지원법 (Renewable Energy Sources Act)” 개정안을 통

해 풍력발전 균형을 위한 새로운 메커니즘이 도입되었는데, 이 메커니즘은 각 시스템 운

영자들이 지역 계통 규모에 비례해 전국의 풍력 생산량 균형에 기여할 것을 요구한다.

이 메커니즘은 풍력 및 관련 변동량을 실시간으로 각 시스템 운영자에 배분한다. 이것

이 밸런스 서비스와 관련 비용 배분에서 보다 공평하다. 4개 운영사들은 각 시스템 운영

자가 책임져야 할 풍력 용량 결정을 위해 실시간 풍력 모니터링 시스템을 개발했다. 사

실, 풍력과 관련해 지역 계통들은 독일의 대규모 계통 하나로 통합되었다. 어떤 지역의

경우에는 풍력발전 생산량이 간혹 계통의 송전용량을 초과하게 될 것이고, 이 경우 계통

관리자들은 송전용량을 늘릴 법적 의무가 있다. 추가 용량 목표를 달성하기 전까지, 과도

기 동안에는 계통 관리자들이 풍력발전단지들에게 발전량을 줄이거나 풍력발전 터빈 일

부를 폐쇄하도록 요구할 수 있다.

4) 일본

일본의 전력계통은 서부 60Hz 네트워크와 동부 50Hz 네트워크, 이렇게 두 부분으로 구

성되며, 이 네트워크들은 주파수 변환소를 통해 연계되어 있다. 동부 네트워크는 홋카이

도 EP(Electric Power Company), 도호쿠 EP, TEPCO(Tokyo Electric Power Company), 이렇게

3개 전력회사로 이루어져 있다. 홋카이도 EP는 도호쿠 EP와 DC 해저 케이블로 연계되어

있고, 도호쿠 EP와 TEPCO는 500kV 이중회로 AC 송전선으로 연결되어 있다(그림 3-26).


풍력발전에 적합한 지역은 지리적 요인으로 인해 제한적이며, 안타깝게도 계통 용량이

비교적 작은 지역에 집중되어 있다. 풍력 자원 대부분이 규모가 작은 홋카이도 및 도호쿠

EP 지역에 위치해 있고, 이 지역의 최고 수요는 각각 5GW와 15GW 정도이다. 도쿄 지역

을 포함해 전기수요가 60GW인 TEPCO 지역은 풍력발전에 적합한 입지가 거의 없다. 계

통에 연계 가능한 신재생에너지 양이 신재생에너지가 위치한 곳의 네트워크 용량에 따

라 달라지기 때문에 이러한 상황은 풍력발전 연계에 어려움을 야기한다.

풍력 연계를 향상시키기 위한 한 가지 옵션은 풍력발전 산출량의 균형을 맞추기 위해

전력회사 간 연계선(inter-tie)를 효율적으로 이용하는 것이다. 2010년에 홋카이도와 도호

쿠 EP 지역 풍력 예측의 적시 공유와 홋카이도 EP에서 TEPCO로의 모든 연계선의 전력

흐름에 대한 면밀한 감시를 위해, 3개 전력회사들 간의 협력제도가 발족되었다. 연계선

에 추가적인 전력 흐름 여지가 있고 여타 계통 여건이 허락할 경우, 홋카이도와 도호쿠

EP 지역에서 생산된 풍력이 TEPCO로 송전될 수 있고, 화력발전소 생산량은 유입되는

풍력발전 흡수를 위해 그만큼 줄어든다. 이러한 협력제도는 전력회사들의 풍력 수용 능

력을 개선시키지만, 그런 능력은 연계선 용량에 의해 제약을 받는다. 연계선 용량이 불충

분하면, 풍력발전 초과분은 삭감되어야 한다.

⋮그림 3-25⋮ 풍력 예측을 위한 결합 도구 도해(Amprion Company)

풍력 예측 - 결합 도구

NWP1 NWP2 NWP3 NWPn

예보 가중치 및 결합

특정 기상상황에 대한 풍력 최적 예보

기상상황 분류


5) 스페인

스페인의 유일한 그리드 회사인 REE(Red Eléctrica de España)는 국가 신재생에너지 발

전의 일정계획 및 통제를 담당하는 세계 최초의 신재생에너지 전력통제센터(스페인어로

CECRE)를 설립했다.

생산량 통제

생산량 통제

교류 이용

훗카이도와 분토 간 직류 연계선

도호쿠와 TEPCO 간500kV 교류 연계선

훗카이도 EP와 도호쿠 EP에서 전력을 받기 위해

- 훗카이도 지역의 대응 역량 개선

- 도호쿠 지역의 여분 개선

직류 이용

풍력발전 단지

풍력발전 단지

풍력발전 단지

훗카이도 EP에서의 송전

도호쿠 EP에서의 송전

풍력발전 단지

풍력발전 단지

풍력발전 단지

풍력발전 단지

⋮그림 3-26⋮ 일본 동부의 3개 전력회사

⋮그림 3-27⋮ 풍력발전단지와 CECRE 간 연계(REE)

점대점(point to

point)ADSL

특별 채널

풍력발전단지

통제센터

HUB

VSAT 원격 통제

훗카이도

도호쿠

TEPCO


풍력발전단지들은 또한 실시간 통제센터를 설립해야 하며, 시설용량 10MW 이상 풍력

발전단지의 통제센터는 그림 3-27에 나타난 것처럼 CECRE에 직접 연결되어 있어야 한

다. 또한, 이 통제센터들은 항시 15분 이내에 CECRE가 발효한 설정값에 따라 풍력발전

생산량을 통제할 수 있어야 한다. 전력계통 안전상의 이유로 REE는 필요시 풍력발전 생

산량을 감축할 권리가 있다.

CECRE는 GEMAS(Maximum Admissible Wind Power Generation System)라는 평가 프로

그램을 이용해 70개의 변전소 버스에 대해 20분마다 3단계 영구 고장 시뮬레이션을 실

시한다. 한편으로, 이것은 전체 계통이 수용할 수 있고, 계통의 안정도를 유지할 수 있는

신재생에너지 최대값을 파악한다. 반면, 최적화 방법을 이용해 각 풍력발전단지의 최대

생산량을 계산할 수 있다. CECRE는 이렇게 계산하여 얻어지는 설정값을 모든 통제센터

로 보낸다. 그림 3-28은 일반적인 하루 동안의 계획 및 실제 풍력발전 생산량 커브를 보

여준다.

6) 미국

계통 구성, 규칙, 풍력발전 도입률이 각기 다르기 때문에 미국의 여러 지역별 계통은

매우 상이한 풍력 계획 및 급전, 운영 메커니즘을 발전시켜왔다. 예를 들어, 첨단 메커니

즘의 선봉인 CAISO(California Independent System Operator)는 공유된 예측 기술에 따라

개별 풍력시설들이 자체 일정계획을 세울 수 있도록 해주는 간헐적 참여자원 프로그램

(Participating Intermittent Resource Program, PIRP)을 개발했다. NYISO(New York Independent

System Operator)는 풍력발전단지들이 실시간 전기 시장에 참여하기 위해 기존 전력처럼

행동할 것을 요구한다. 즉, 특정 상황에서 풍력발전단지는 일정계획 지침에 명시된 값을

초과한 경우 발전량을 줄이거나 그렇지 않으면 벌금을 물어야 한다.

CAISO 이외의 미국 서부 지역은 WECC(Western Electricity Coordinating Council)이 정

한 신뢰도 표준을 따르는 곳으로, 더 큰 폭의 다양성이 존재한다. 조직적인 개방형 전기


시장이 없기 때문에 WECC는 주로 수직 통합된 투자자 소유 전력회사(investor-owned

utilities, IOU), 연방 소유 PMA(power marketing administrations), 그리고 현지 부하 제공을

위해 주로 도매가격으로 전력을 매입하는 시와 지방 전력회사들에 의해 관리된다. 각 전

력회사는 자체 전원구성에 따른 일정계획 및 급전 절차를 보유하고 있고, 전력회사 간 에

너지 거래는 어렵고 주로 장기 전력매입협약에 의해 이루어진다. 그럼에도 불구하고 많

은 전력회사들이 1일, 1시간, 실시간 일정계획 절차에 신재생에너지를 통합하고 있고, 이

는 Eastern Interconnect 및 CAISO의 개방시장과 흡사하다. WECC 내에서 규칙 변경

이 진행 중이며, 신재생에너지 전력 비중이 높은 전력회사들은 신재생에너지 통합 비용

감소를 위해 더욱 강력한 에너지 불균형 시장을 요구하고 있다. 미국 전력 시장에서 가장

체계적이지 못한 영역이지만 WECC는 신재생에너지 자원 집중도가 높고 미국 에너지부

의 지도를 받는 WAPA(Western Area Power Administration), BPA(Bonneville Power Authority)

등의 대형 연방 PMA들이 포진한 점 때문에 미국에서 절대적인 중요성을 갖는다.

⋮그림 3-28⋮ 계획 및 실제 일일 풍력발전량 커브

18:08 설정 포인트변경 23 → 11

18:17 새로운 설정포인트 11 → 8

19:07 종료

18:52 새로운 설정포인트 12 → 23

18:27 새로운 설정포인트 8 → 12


｜ 4.1 총론 ｜

앞서 살펴본 것처럼 더 많은 대용량 신재생에너지를 계통에 연계하는 일은 변동성과

불확실성을 야기한다. 동시에 부하 변동, 계통 고장, 재래식 발전소의 정전으로 발생하는

갑작스러운 문제상황도 지속될 것이다. 최근 몇 년 동안의 전 세계적 연구와 경험은 이러

한 복합적 난국 해소를 위해 새로운 기술적 솔루션이 필요하다는 것을 보여준다. 이런 솔

루션은 새로운 기술과 방법, 사례 등을 포함하며, 발전과 부하 간 균형을 유지하는 등 전

력계통의 유연성을 증대하고 효율을 개선하기 위해 적용된다. 이렇게 해야만 전력계통이

신뢰도를 얻게 되고 공급 안전성을 유지할 수 있다. 즉, 전력공급의 중단을 피할 수 있다.

이처럼 요구되는 전력계통 유연성은 발전 측면(신재생에너지와 재래식 발전)에서 달성할

수 있다. 이러한 유연성은 우선 계통친화적 신재생에너지 발전을 이용해 추구해야 한다.

즉, 신재생에너지 발전이 전력계통에 미치는 영향을 완화해 그 설계 및 통제기술을 개선

함으로써, 계통 신뢰도와 안정도에 기여하도록 해야 한다. 그러나 이 방법으로 거둘 수

있는 유연성은 그리 크지 않다. 재래식 발전을 통한 유연성이 현재로서는 전력계통 유연

성의 큰 부분을 차지하며, 이것을 일반적으로 “발전 유연성(generation flexibility)”이라고

4장

미래 : 더 많은 대용량 신재생에너지 연계를 위한 기술적 솔루션


부른다.

유연성은 또한 수요반응, 그리고 발전이나 부하의 역할이 가능한 에너지저장을 통해

부하 측면에서도 얻을 수 있다(그림 4-1). 새로운 유연성을 추가하는 것뿐 아니라, 균형 영

역에서의 운영개선을 통해 기존 유연성을 더 잘 활용할 수 있고, 송전확대의 도움으로 규

모가 작은 균형 영역 간의 협력 혹은 통합을 통해 지리적으로 더 넓은 영역에서 공유할

수도 있다.

대용량 신재생에너지 연계 지원을 위해 에너지저장을 활용하는 방안은 5장에서 별도

로 논의하며, 언급된 나머지 솔루션들은 이 장에서 다룬다.

｜ 4.2 계통친화적 신재생에너지 발전 ｜

4.2.1 계통친화적 신재생에너지 발전의 필요성

개발 초 신재생에너지 발전 기술은 신재생에너지 자원에서 최대의 전력을 끌어내는 데

중점을 두었다. 전력계통 신뢰도와 안정도에 기여하는 부분은 간과되었고 표준이나 인센

티브가 부재한 상황이다 보니 계통의 다른 부분과 조율을 이루는 방식으로 설계되지 않았

⋮그림 4-1⋮ 변동성 및 불확실성 vs 계통 유연성(SGCC)

신재생에너지 발전량 변동

계통 고장

재래식 발전량

부하 변동

변동성 및

불확실성계통 유연성

EES

수요반응

계통친화적

신재생에너지 발전

재래식 발전 유연성


다. 신재생에너지 도입 수준이 낮은 경우라면, 이런 방식을 유지 가능하고 전력계통 운영

자들이 수용할 수 있다. 그러나 신재생에너지 발전 도입률이 증가하고, 특히 신재생에너지

발전소 용량이 점점 더 커지고 있으므로 이는 계통 운영에 심각한 영향을 미칠 것이다.

예를 들어, 2011년에 중국에서는 FRT(fault ride-through) 역량 부족으로 여러 차례의 심

각한 풍력발전 터빈 이탈 사고가 발생했다(4.2.2 참조). 그중 2월 24일에 주취안 풍력발전

단지에서 일어난 사고에서는 계통(발전량 840.43MW) 으로부터 598개의 터빈이 분리되었

고 주파수가 크게 떨어졌다.

따라서 신재생에너지 발전의 계통 신뢰도/안정도 유지 역할을 늘리는 것이 중요하며,

이는 연계 표준에 의해 점차 필요성이 커질 수 있다. 신재생에너지 발전의 예측가능성,

통제가능성, 급전가능성을 높이기 위한, 즉 보다 계통 친화적으로 만들기 위한 기술이 개

발되었고 발전기, 발전소, 발전단지 차원에서 끊임없이 개선이 이루어지고 있다.

4.2.2 신재생에너지 발전기 및 발전소의 첨단 특성

전력전자 및 기계공학 기술의 개발과 적절한 통제 전략의 설계로 인해 풍력발전기는

기존의 화력 혹은 수력발전기에 준하는, 혹은 심지어 더 나은 성능을 갖게 되었다. 풍력

발전기의 일부 첨단 운영 역량과 ner09 및 bac11에서 가져온 달성 방법들이 약간 수정을

거쳐 아래 인용되어 있다. 이러한 역량 대부분은 태양광 발전기에서도 달성 가능한데, 이

발전기들이 특히 인버터 기반 풍력터빈발전기와 많은 기술적 특징을 공유하기 때문이다.

1) 전압/전력 통제 및 변동률

유형 3과 유형 4 풍력발전기에서 제공되는 내장 역량이나 SVC(static var compensator),

STATCOM(static synchronous compensator) 같은 전력전자 기반 송전 기술과 변전소 커

패시터 뱅크의 결합을 통해, 무효전력 지원과 역률 제어를 제공할 수 있다[모든 유형의

풍력발전기에 적용 가능한 4.4.2에서 다룰 FACTS(flexible AC transmission system) 장비].


2) FRT(fault ride-through)

이 역량은 전압/주파수가 특정한 낮은/높은 범위일 때, 그리고 전력계통의 고장 혹은

장애가 지속되는 동안 살아남기 위해 필요하다. 전압 라이드쓰루(ride-through)는 모든 현

대식 풍력발전기에서 가능하며, 주로 제어방법에 대한 수정을 통해 이루어진다. 일부의

경우, 송전시스템 상의 약한 단락회로 노드 지점에 구형인 유형 1 혹은 유형 2 풍력발전기

가 쓰인 경우, 추가 송전장비가 필요할 수 있다.

3) 유효전력 통제, 램핑, 삭감

이는 능동형 실속 통제나 피치 통제를 갖춘 풍력터빈발전기의 유닛 통제 메커니즘이나

신중한 유닛 티핑(tipping)을 통해 가능하다.

⋮그림 4-2⋮ “계통친화적” 풍력발전소의 일반적 구조(SGCC)

급전 센터

풍력발전단지 제어기

전력계통

고압 모선

저압 모선

명령, 데이터

측정

전력

승압 변압기

무효전력/전압 통제

통신모듈

유효전력/주파수 통제

FRT 통제

기타 통제

통신모듈

SCADA

무효전력보상


4) 1차 주파수 조정

1차 주파수 조정은 일정 형태의 피치 조정(즉, 능동형 실속 통제/피치 통제)을 갖춘 모든 유

닛에 의해 제공될 수 있다.

5) 관성 반응

관성 반응은 유형 1과 유형 2 유닛에 해당하며, 변환기를 통한 추가 통제로 유형 3과 유

형 4 유닛에 이와 유사한 관성 반응을 만들 수 있다.

6) 단락 전류 통제

모든 인버터 기반 변동형 발전기들은 고장 전류를 풀로드 전류의 150% 이하로 제한하

는 내장 역량을 가지고 있다.

계통 연계를 위해서는 신재생에너지를 발전소 단위로 보는 것이 중요하다. 신재생에

너지 발전소는 그저 신재생에너지 발전기들의 집합체가 아니며, 다른 많은 요소 및 시스

템들의 지원이 있어야 재래식 발전소처럼 기능할 수 있다. 첨단 발전기들을 이용할 경우,

이런 특징들은 발전소 차원에서도 달성 가능하다. 발전소 단위의 무효전력 보상, 정확한

신재생에너지 발전량 예측, 모니터링/통제/데이터 커뮤니케이션 시스템, 적절히 설계된

보호계전기 모두가 신재생에너지 발전소의 예측가능성과 통제가능성, 급전가능성을 개

선하는 데 도움이 된다. 그림 4-2는 “계통친화적” 풍력발전소의 일반적 구조의 한 예를

보여준다 sge11.

4.2.3 신재생에너지 발전단지의 중앙집중식 통제

최고의 신재생에너지 자원을 지닌 지역에는 많은 신재생에너지 발전소들이 가까이 모

여 신재생에너지 발전기지가 생겨나곤 한다. 한 예로, 그림 4-3은 중국 북서부 진추안 풍

력발전기지를 도식화해 보여주고 있다. 이곳은 7개 층으로 구성되어 있는데, 줄지은 풍력


터빈발전기들이 하나의 풍력발전소를 이루고, 많은 발전소들이 35kV 선을 통해 330kV

집전 서브스테이션으로 연결되며, 집전 서브스테이션들은 또 수십 킬로미터의 330kV 송

전선을 통해 최종적으로 750kV 통합 서브스테이션으로 연결된다. 다시 말해, 대용량 신

재생에너지 발전기지는 여러 개의 신재생에너지 발전단지들로 구성될 수 있다.

운영상의 문제를 방지하기 위해서는 단지에 속한 신재생에너지 발전소들의 통제가 조

율된 방식으로 이루어져야 한다. 무효전력 통제를 예로 들어보면pei12, 무효전력을 제공해

야 하고 계통전압을 통제해야 하는 여러 개의 풍력 발전소 경우, 인근 발전소의 전압 및

무효전력 통제장치들이 호환되지 않아 전력 통제가 부실하고 무효전력 흐름이 역효과를

내기 때문에 문제가 생긴다. 이웃 발전소들은 무효전력을 흡수하고 있는 와중에, 무효전

력 생산량이 최대치인 한 곳 이상의 발전소가 존재하는 경우가 많이 보고되었다.

이런 상황을 피하기 위한 매력적인 솔루션은 중앙집중식 단지 통제이다. 중앙집중식

단지 통제 시스템은 그림 4-4와 같이 다중 구조로 구성되어 신재생에너지 발전소 단지

의 유효전력 및 무효전력 통제를 조율하는 데 이용될 수 있는데, 이는 하천에 있는 다단

⋮그림 4-3⋮ 중국 간수성 진추안 풍력발전기지 도해(SGCC)

330kV서브스테이션

200MW

200MW

200MW

200MW

200MW

200MW 200MW

200MW

200MW

200MW200MW

200MW

200MW

200MW200MW

280 km

#10

#1

#2

#3#4

#5

#6

#7 #8#9

200MW

300MW

35kV 선

330kV 선

750V 선

풍력발전소

750kV안시

서브스테이션

750kV진추안

서브스테이션


계형 수력발전소들을 통제하는 방식과 같다. 대규모 풍력발전소단지 유효전력 지능형 통

제시스템(Large Wind Power Plants Cluster Active Power Intelligent Control System)이라고 하

는 중앙집중식 단지 통제 시스템이 개발되어 진추안 풍력발전기지에 배치되었다 sgc11.

4.2.4 신재생에너지 발전 모델링 개선

신재생에너지 발전기, 발전소, 단지의 정적, 동적 및 단락 성능과 전력계통에 미치는 이

들의 영향을 정확하게 나타내기 위해서는 각기 다른 신재생에너지 발전 유형의 적절한

모델이 필요하다.

현재까지, 대부분의 신재생에너지 발전 모델링을 향한 노력은 발전기 수준에서 이루

어졌다 aba11, bac11, mma11. 신재생에너지 발전기 제조사들이 발전기 설계 개선을 위한 모델

들을 오랫동안 개발해왔지만[전형적으로 사용자가 제작한 상업용 소프트웨어 플랫폼상

의 사유형(proprietary) 모델], 이제는 계획수립 연구를 위해 재래식 발전에 쓰이던 것과 유

사한 공유형 산업규격 모델이 필요하다는 인식이 생기고 있다. WECC, IEEE(Institute of

Electrical and Electronics Engineers), UWIG(the Utility Wing Integration Group), NERC(the

North American Electric Reliability Corporation) 산하 태스크포스 팀이나 워킹그룹이 산업

규격 모델을 향한 중요한 진전을 이루었으며, 풍력터빈발전기를 위한 기본형 동적모델들

이 개발 및 배포되었다. 이 모델들은 적절한 모델 파라미터를 선정함으로써 제조사에 관

계 없이 같은 유형의 풍력터빈 발전기를 대표할 수 있는 일반적인 모델 구조를 가지고 있

다. WECC와 IEC 그룹은 이 기본형 모델들을 다듬고 검증하는 일을 추진 중이며, 이를 위

해서는 전력 엔지니어링 업계와 풍력터빈 제조사들 간의 협업이 필요하다. 태양광 관련

기본형 모델 개발 노력도 시작되었지만, 신재생에너지 발전기 모델링과 관련해 아직도

상당한 연구가 이루어져야 한다. 예를 들어, 서로 다른 유형의 신재생에너지 발전기의 단

락 기여도를 파악하고, 4.2.2에서 설명한 것 같은 점점 첨단화되고 빠르게 발전 중인 신재

생에너지 발전의 통제 특성을 대변하기 위한 연구가 필요하다.


IEEE와 IEC 그룹은 통제 및 부속장비 등 전체 풍력발전소를 위한 기본형 동적 모델링

관련 노력을 확대하기 시작했다 mfc11. 대규모 풍력발전소 모델링은 이런 발전소들이 넓

은 영역에 분산된 수십 개, 심지어 수백 개의 발전기들로 구성되어 있을 수 있다는 점, 그

리고 단순성을 위해 전력계통 시뮬레이션에서 단일 유닛으로 간주되어야 한다는 점 때

문에 특히 어렵다. 개별 발전소 모델들을 종합하면서, 동시에 발전기들 간의 공간적·시

간적 상호작용을 고려할 수 있는 기법이 필요하다. 또한 모든 발전기를 연결해 단일 회로

대응물로 만드는 모든 케이블을 나타내고, 이 대응 모델 전체의 타당성을 검증하기 위한

기법도 필요하다. 이런 모델링 작업을 10GW 규모의 중국 풍력발전기지 같은 대규모 풍

력발전소 단지로 확장시키는 일은 훨씬 더 어려울 것이다.

⋮그림 4-4⋮ 신재생에너지 발전소 단지 통제시스템 구조(SGCC)

급전 센터

단지통제

스테이션 #1

단지통제

스테이션 #2

단지통제

서브스테이션 #1

발전소 운영스테이션 #1

발전소 운영스테이션 #N







단지통제

서브스테이션 #N

단지통제

서브스테이션 #1

단지통제

서브스테이션 #N


｜ 4.3 재래식 발전의 유연성 개선 ｜

4.3.1 재래식 발전의 유연성 개선 필요성

계통친화적 신재생에너지 발전뿐만이 아닌 수요반응 및 에너지저장을 통해서도 계통

유연성을 달성할 수 있다. 하지만 저비용을 확보하고 대규모 저장이 성숙 단계에 이르기

까지는 수십 년이 걸릴 수 있고(예외: 널리 사용되나 지형적 제약을 받는 양수발전 저장), 유연성

자원으로서의 수요반응은 아직 초기 단계이다.

따라서 재래식 발전소의 유연성(일반적으로 “발전 유연성”이라 함)이 전력계통 유연성의 큰

부분을 차지하며, “발전 유연성 증대의 필요성”은 간헐적 성격의 신재생에너지가 야기하

는 도전과제에서 매우 중요하다” eis11. 발전 유연성의 필요성은 기존의 전원구성이 다르

기 때문에 국가나 지역마다 달라진다.

일반적으로, 저수지가 있는 수력발전소가 가장 유연하며, 그다음이 가스연료 화력발전

소, 석탄연료 화력발전소, 원자력발전소 순으로 유연하다. 하지만 계획수립에 필요한 유

연성을 측정하기는 어렵다.

4.3.2 발전 유연성 평가

1) 재래식 발전소의 유연성

재래식 발전소가 가진 운영 유연성에 기여하는 관련 기술적 특성은 사이클링(cycling),

램핑(ramping), 부분 로딩(partial loading) 역량이다. 사이클링 역량은 빈번하고 빠르게 이루

어지는 가동 및 중단과 관련된 발전기 역량이다. 램핑 역량은 발전기의 생산량에 대한 상

향 혹은 하향 조절 속도이다. 부분 로딩 역량은 발전기가 안정적으로 운전 가능한 최소

출력 수준이자, 정격 용량보다 낮은 여러 출력 수준에서의 운전 효율을 말한다. 설계와

기술의 차이로 인해 발전소 유형별로 운영 유연성 수준이 다르며, 장비 상태와 내용연수,

운영 비용, 온실가스 배출에 각기 다른 영향을 미친다.


저수지가 있는 수력발전소는 운영에서 매우 유연하다. 수력발전소는 장비 상태나 내용

연수에 거의 영향을 주지 않고도 손쉽고 신속하게 가동 및 중단이 가능하다. 미가동 상태

에서 가동을 시작해 몇 분 안에 풀로딩 상태로 올라갈 수 있고, 1분도 안 되어 용량의 50%

를 변화시킬 수 있다. 매우 낮은 수준의 최소 출력이 가능한데, 이는 조정 범위가 용량의

거의 100%라는 의미이다. 그러나 수력발전소의 출력과 그에 따른 유연성 기여도는 계절

적 요인(가뭄 및 홍수 시즌), 홍수/가뭄 통제나 환경/네비게이션 고려사항 등 비전기 부문의

필요에 의해서도 영향을 받을 수 있다.

NGCC(natural gas combined cycle) 및 SCGT(simple cycle gas turbine) 발전소 등 가스연

료 화력발전소 또한 유연한 발전 자원이다. 운영 중인 SCGT의 현재 설계는 100~150MW

까지 올리는 것이 10분 안에 가능하고, NGCC 발전소는 60~80분 안에 가능하다. 간

헐적 신재생에너지 비중이 큰 계통 내 운전 역량을 강화한 새로운 NGCC 설계는 10분

에 150MW를 생산하고 30분 안에 전부하까지 도달 가능할 것으로 예상된다. NGCC와

SCGT 발전소의 램핑 속도는 일반적으로 분당 최대 8%이다. NGCC 발전소는 최소한의

열전비(heat rate) 페널티만으로 출력을 용량의 80%로 줄일 수 있지만, 저출력인 경우에

는 효율 손실이 늘어난다 eis11.

석탄연료 화력발전소는 제한적인 운영 유연성을 지닌다. 이 화력발전소는 가동이나 중

부하 수준(정격 용량의 %)표준 석탄 소비량(g/kWh)

1000MW 초초임계압 발전기 600MW 초초임계압 발전기

40% 306 311

50% 298 303

75% 287 290

100% 282 284

⋮표 4-1⋮ 여러 부하 수준에서의 일반 600MW/1000MW 발전기의 표준 석탄 소비량


단에 몇 시간이 걸릴 수 있기 때문에 잦은 사이클링에 적합하지 않다. 램핑 속도는 일반

적으로 분당 1~3%에 불과하며, 신규 대용량 발전기의 경우 분당 5%도 가능하다. 최소 산

출량은 일반적으로 용량의 70~80%이고, 신규 대용량 혹은 특수 설계된 피킹(peaking) 발전

기는 50% 혹은 그 아래로 내려갈 수 있으나, 더 낮은 출력은 발전 kWh당 연료 소비를 더 높

이게 된다. 그 예가 표 4-1에 제시되어 있다 npg10. 특정 석탄연료 발전소의 유연성은 크기, 연

식, 운영 압력, 연료 품질, 설치된 통제 시스템에 의해 영향을 받을 수 있다eis11.

원자력발전소도 운영 유연성이 제한적이며 경제적 이유로 인해 램핑에 이용되는 일이

적다. 비교적 새로 나온 원자로는 한 시간 안에 총 출력의 20%를 감소시킬 수 있으나, 전

부하까지 올리는 데 6~8시간이 필요하다.

원자력발전소 램핑 작업은 완전 자동화되지 않아 운영자 실수의 여지가 있다. 전체 부

하 대비 부분 부하로 가동되는 원자력발전소의 운영 비용이 크게 차이가 나지는 않지

만, 높은 자본비용을 회수하기 위해서는 높은 산출량 수준에서 기저부하발전소(base load

unit)로 가동될 필요가 있다eis1.

신재생에너지 발전이 전력계통에 더 많이 연계되면서 더 잦은 출력 조정을 위해 유연

한 수력발전소와 가스연료 화력발전소가 필요하다. 또한 전통적으로 기저부하발전소로

운영되는 석탄연료 및 원자력 발전소를 더 유연한 운영 패러다임으로 전환하는 일이 요

구된다. 유연한 운영이 재래식 발전소, 특히 화력발전소의 기술적, 경제적, 환경적 성능에

미치는 영향을 더 잘 이해하기 위한 많은 노력이 필요하며, 그래야만 장비 설계, 보강, 일

상적 운영 개선 및 필요한 재정적 인센티브 설계를 지원할 수 있다.

2) 발전 유연성 측정

발전 유연성 강화의 필요성에 대해서는 잘 인식하고 있다. 그러나 현재 유연성 및 관련

제공 비용을 측정하고, 필요한 유연성을 결정하며, 최소의 비용으로 필요한 유연성을 제


공하도록 발전 자원을 최적화할 메트릭스와 방법과 도구는 없는 상황이다. 이러한 방법

과 도구들이 있어야 대용량 신재생에너지 비중이 커진 전력계통의 계획과 운영을 지원

할 수 있다. 발전 용량의 적정성을 측정하는 것보다 발전 유연성을 측정하는 것이 훨씬

더 어렵다. 후자가 더 복잡하며 더 많은 데이터와 상세한 모델링을 필요로 한다 trp11. 신

재생에너지 도입 수준이 주어진 경우, 특정 전력계통의 유연성 정도를 정확히 수치화, 감

시, 평가하기 위한 더 철저한 방법과 도구 개발 노력을 강화하기 위해서는 계통 운영자들

과 연구자들 간의 협업이 필요하다 sad11.

연구자들은 전력계통 유연성 측정 필요성에 부응하기 시작했다. 현재의 주요한 유연

성 자원인 발전 유연성에 초점을 맞추고 있으나, 유연성을 위한 수요반응과 에너지저장

을 이용하는 노력도 이루어지고 있다. NERC 산하 IVGTF(Integration of Variable Generation

Task Force)가 2010년에 변동 발전(variable generation)과 관련한 유연성 요건/메트릭스에

관한 특별 보고서를 발간했고 ner10, 여기에서 유연성 측정을 위한 메트릭스와 접근방법

들을 다루었다. IEA GIVAR(Grid Integration of Variable Renewables) 프로젝트는 계통 유연성

평가를 위해 유연 자산에 대해 정량적 설명이 가능한 제한적 한계의 지원으로 준정량적

방법을 제안했고, 특별히 계통 유연성 정량화에 중점을 둔 후속 프로젝트를 준비하고

있다fat11. AESO(Alberta Electricity System Operator)는 계통 유연성을 측정하고 커진 변동성

및 불확실성에 대한 운영자 관리를 지원하기 위해 풍력발전 예측을 통합한 급전 의사결

정 지원 도구를 개발했다 pao11.

4.3.3 적정 용량과 적정 유연성을 위한 발전 계획수립

더 많은 대용량 신재생에너지의 연계로 변동성과 불확실성이 커진 전력계통의 경우,

발전 계획 프로세스에서 발전 용량의 적정성뿐 아니라 발전 유연성의 적정성까지 고려

하는 일이 점차 중요해지고 있다. 계통 변동성에 부응할 만큼 용량이 유연하지 않다면,

단순히 용량이 몇 메가와트라는 것 자체로는 계통 안전을 확보하지 못할 수 있다 aba11.


1) 적정 발전용량을 위한 계획수립

용량 계획과 관련해 신재생에너지 발전의 “용량값”(“용량 크레딧”이라고도 함)이 주된 이

슈로 인식되어 왔다. 발전자원의 용량값은 기존의 신뢰도를 유지하는 상태에서 자원을

추가해 얻어지는 추가 부하의 양으로 정의할 수 있다. 신재생에너지 발전의 용량값을 계

산하는 것은 내재적 변동성과 불확실성 때문에 재래식 발전의 경우보다 훨씬 어렵다.

IEEE PES(Power & Energy Society)와 NERC IVGTF 모두 이 연구를 위한 태스크포스를

발족했다.

풍력발전 용량값 계산에 대해 신뢰도 시뮬레이션에 기반한 엄격한 ELCC(effective

load-carrying capacity) 방법과 여러 근사치 방법들이 제안되었고, 태양열로도 확대가 진

행 중이다. 그러나 계산으로 다른 발전 유형을 대변하는 문제나 근사치 방법의 정확성,

ELCC 방법이 안정적 결과를 내기 위한 고품질 바람/태양/동기식 수요 데이터의 필요성

등 여전히 많은 문제들이 남아 있다 bac11, cvw11.

2) 계통 수준의 유연성을 고려한 발전 계획수립

유연성 요구사항을 고려하기 위해서는 새로운 패러다임의 발전 계획수립이 필요하다.

한 예는 trp11에 제안된 접근방식으로, 그림 4-5에 나타난 것처럼 계획수립 프로세스에

유연성 평가 단계를 추가한 것이다.

이 방식은 우선 LOLE(loss of load expectation), EUE(expected unserved energy) 같은 메트릭

⋮그림 4-5⋮ 유연성 평가를 포함한 발전 계획수립 프로세스trp11

포트폴리오 운영 신뢰도가 낮은 경우

용량 적정성 평가 계통 유연성 평가 생산비용 시뮬레이션 발전 포트폴리오


스를 이용해 초기 발전 포트폴리오 구성을 위한 비교적 간단한 전통적 용량의 적정성 계

산으로 시작하여, 보다 데이터 집약적인 계통 유연성 평가 및 생산 비용 시뮬레이션 단계

로 넘어간다. 이 두 단계 모두 계산이 많이 요구되는 유닛 커미트먼트와 경제적 급전 연

구를 수반한다. 이 3단계 접근방식은 계획수립 프로세스의 목표를 반영하도록, 즉 주어

진 연구 기간에 대해 안정적이고 작동가능하며, 비용이 최소화된 발전 포트폴리오를 도

출하도록 설계되었다. 만약 유연성이 과도하거나 미흡하면, 발전 포트폴리오나 유닛 커

미트먼트 모델을 수정할 수 있고 이 전체 프로세스가 반복됨으로써 비용 최소화 및 구체

적 유연성 표준 달성이라는 이중 목표에 부합하는 더 나은 발전 포트폴리오를 찾게 된다.

이번에도 계통 유연성 평가는 계획수립 상황에서 유연성을 측정할 메트릭스가 가용

한 상황에서만 가능하며, 현재는 가능하지 않은 상황이다. IEA가 개발한 IRRE(insufficient

ramping resource expectation)이라는 메트릭스가 좋은 출발점으로, 이것은 용량 적정성 계

산을 위한 LOLE 메트릭스의 기저 원칙과 유사한 원칙을 적용하고 있다.

3) 자원 위치 수준의 유연성을 고려한 발전 계획수립

계통 수준의 발전 계획수립에 유연성 고려를 포함하는 것 외에, 재래식 발전의 유연성

을 활용해 신재생에너지의 변동성과 불확실성을 보상할 수 있도록 자원 위치 수준에서

특별 설계를 이용할 수도 있다.

이러한 접근방식은 중국의 일부 풍력발전 단지를 위한 것으로, 소위 “풍력-화력 통합”

설계가 제안된 바 있다(그림 4-9 및 4-10): 석탄연료 화력발전소가 풍력발전기지 부근에 계

획되어 송전선을 공유하게 된다. 풍력발전 생산량 변동은 석탄연료 발전 생산량 조정을

통해 완화될 수 있고, 따라서 풍력전력만 송전할 때에 비해 송전선 활용이 개선되고 수용

측 평균 전기비용은 낮춰진다 sgc11.


｜ 4.4 송전 확대 ｜

4.4.1 송전 확대의 필요성

대용량 신재생에너지 발전을 수용하기 위해서는 다음과 같은 이유로 대규모 송전 계통

확대 및 강화가 필요하다.

smp11에 나타난 것처럼, 신재생에너지 연계와 관련해 송전은 기술 및 규제상 이유로

어느 곳에서나 이슈가 된다. 송전 문제를 해결하지 못하면 신재생에너지 목표 달성이 어

려워지며, 이 새로운 자원을 전력계통으로 안정적으로 연계하는 데 드는 비용이 높아질

것이다.

4.4.2 새로운 송전 기술의 적용

1) 고전압교류송전: UHVAC

1980년대와 1990년대에 러시아(구 소련)와 일본에 의해 정격 전압 1,150kV 혹은

1,000kV의 UHVAC 전송선이 구축 및 가동되었으나 실용적 이유로 500kV 전압으로 운영

되었다. 현재 중국이 1,000kV UHVAC 전송 관련 연구와 적용을 선도하고 있다. 이는 북부

1) 일반적으로 부하센터나 기존 계통에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 대용량 신재생에너지원에

서 생산된 전력을 송전하기 위해 계통 확대 및 지역 간 연결이 필요하다.

2) 계통 확대를 통해 신재생에너지 발전의 지리적 다양성을 꾀함으로써 집적된 변동성 및 불확

실성을 완화하고 신재생에너지 발전 예측 오차를 줄일 수 있다.

3) 계통 확대와 강화가 균형 영역 간 연계를 지원할 수 있고, 이를 통해 유연성 자산 공유를 위한

이들의 협력/협업을 원활히 할 수 있다.


및 서부 지역의 대규모 석탄, 수력, 풍력, 태양열 기지로부터, 전력수요가 크고 아직도 빠

르게 늘어나고 있는 중부 및 동부 지역까지의 대규모 장거리 송전 필요를 충족시켜줄 바

람직한 기술로 보인다. 최초의 진동난-난양-징먼 간 640km 단일회로 1,000kV UHVAC

테스트 및 시범 송전 프로젝트가 2009년에 가동되었고, 이어진 보강 작업이 2011년에

완료되어 현재 5,000MW의 전력을 안정적으로 전송할 수 있다. 중국 북부에 있는 서

부 내몽고 및 허베이 풍력발전기지에서의 대용량, 장거리 풍력 송전시설의 일부로 몇몇

UHVAC 프로젝트들이 계획되었다 sgc11. UHVAC는 또한 인도 등 비슷한 송전 어려움을 안

고 있는 다른 신흥 경제대국들의 관심을 끌고 있다 tea07.

단일회로 1,000kV AC선은 1,000~1,500km의 경제적 거리에 걸쳐 4,000~5,000MW

를 수송할 수 있다. 500kV AC 송전에 비해, 1,000kV AC 송전은 표 4-2 sin06, tgy06에 나타

난 것처럼, 송전용량 및 거리 개선, 전력 손실 감축, 토지 사용 감소, 비용 절감 등 많은 장

점이 있다. 신재생에너지 송전과 관련해, UHVAC는 지상 선을 사용하는 육상 신재생에너

지 발전소에서 송전하는 경우에 주로 적합하다.

2) 보다 유연한 교류 송전: FACTS

첨단 전력전자 기술과 혁신적 설계를 기반으로 한 FACTS 장비는 AC 송전의 용량, 안

정성, 유연성 개선에 적용되어 대용량 신재생에너지 송전 역량을 늘리는 역할을 할 수

있다. 예를 들어, 전기거리를 줄이고 감쇠(damping)를 늘리며 계통 진동을 완화하기 위해

TCSC(thyristor controlled series compensator)를 전송선에 설치할 수 있다. 생산량 변동 때문

항목 일반적 용량 경제적 거리 전력 손실 kW당 회랑 너비kW당 포괄적

건설 비용

1 000kV/500kV 4~5 1.5~2 1/4 1/3 <3/4

⋮표 4-2⋮ 1,000kV와 500kV AC 송전 간 비교: 이득 계수


에 신재생에너지 연계에서 흔히 발견되는 무효전력보상 및 전압 제어 문제를 해결하기

위해 변전소 버스에 SVC, STATCOM, CSR(controllable shunt reactors)를 분류 설치할 수 있

다. SVC나 STATCOM은 신재생에너지 발전소의 무효전력 및 전압 제어 관련 연계 요건을

충족하도록 신재생에너지 발전소 성능을 개선하면서, 신재생에너지 발전기 설계를 비교

적 단순하게 유지하기 위해서도 이용할 수 있다.

중국 북서부의 진추안 풍력발전기지 연계 연구 당시 풍력발전 생산량의 큰 변동으로

전체 계통망, 특히 송전회랑 노드에서 큰 전압 변동이 일어날 수 있음을 확인했다. 전압

안정화를 위해서는 여러 전압조정 장치들이 고도로 공조된 방식으로 빈번히 작동해야

한다. 하지만 이는 장비에 해로우며 구현도 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해서 둔황 변

전소의 750kV 버스에 750kV CSR이 설치되었고(그림 4-6), 2011년 말에 현장시험을 완료

하였다. CEPRI가 개발한 이 CSR은 용량이 300Mvar이고 통제 가능 등급이 100%, 75%,

50%, 25%로 4개이며, 조정 범위는 25~100%이다.

3) 고전압직류송전: UHVDC

CSC-HVDC는 재래식 HVDC 송전 기술로 비교적 성숙한 기술이며, 중간 투하지점 없

이 장거리 및 대용량 송전은 물론 비동기식 전력망 연계에 오랫동안 이용되어 왔다. 교류

송전에 비해 낮은 손실, 낮은 선 비용, 작은 회랑 폭, 신속한 전력통제 역량 등의 장점을

지닌다. 교류송전과 마찬가지로, 직류송전도 대용량 및 장거리 전력 수송을 위한 초고압

전압 방향으로 발전 중이다. 이번에도 중국이 UHVDC(ultra-high voltage DC) 송전을 선도

하고 있다. 샹지아바-상하이 간 1,907km 길이의 6,400MW ±800kV UHVDC 시범프로

젝트가 2010년 4월에 가동되었다. SGCC는 신장, 간수, 내몽고에서 중국 북동부-중부 부

하센터로의 ±800kV나 ±1,100kV 규모의 길이 1,600~2,700km의 송전선을 10개 이상

건설할 계획이다 sgc11. 그림 4-7이 이를 보여준다.


그러나 신재생에너지 송전에 CSC-HVDC나 UHVDC를 이용하는 데에는 아직 몇 가지

문제들이 있다 hsh12. 예를 들어, HVDC 선이 부하센터로 풍력전력만 수송하는 데 사용된

다면(그림 4-8), 4.3.3에서 언급된 낮은 이용률 문제뿐 아니라 HVDC 선의 최소 구동 전력

과 주파수 안정 및 전압 안정 문제에 대해 더 많은 연구가 필요하다.

“풍력-화력 통합(bundling)” 설계(그림 4-9)를 통해 흔히 나타나는 풍력 장애에 대항할

수 있지만, 풍속이 급격히 변하면 주파수 통제가 어렵다. 강한 전압 지원이 없다면 석탄

화력발전소와 풍력발전소 간 전기 거리에 따라 송전 측 정전이 전압 폭락 및 풍력발전기

분리를 부를 수 있다.

현지 교류계통의 전압 지원이 있을 경우(그림 4-10), 안정성 문제는 완화할 수 있지만 풍

력 변동이 현지 계통에 미치는 영향에 주의를 기울여야 한다.

⋮그림 4-6⋮ 중국 북서부 둔황 변전소의 750kV CSR(SGCC)

⋮그림 4-7⋮ 중국의 10GW급 풍력발전기지 일부에 대한 UHVDC 송전 계획(SGCC)

중국 북부 그리드중국 북서부 그리드

중국 동부 그리드중국 중부 그리드

멩동멩시신장

진추안

800 kV-DC1000 kV-DC1100 kV-DC


4) 보다 유연한 직류송전: VSC-HVDC에서 MTDC 및 DC 계통으로

3.3.2에서 설명한 재래식 CSC-HVDC에 비해 VSC-HVDC가 지닌 주된 장점들이 있기

때문에, 이는 신재생에너지 연계에 적용하기에 적합할 뿐 아니라 MTDC(multi-terminal DC)

구성을 하기에 좀 더 편리하다. 3개 이상의 변환기 스테이션들이 서로 DC선으로 연결되

⋮그림 4-8⋮ HVDC만을 이용한 풍력발전 송전 설계(SGCC)

⋮그림 4-9⋮ 송전을 이용한 “풍력-화력 통합” 설계(SGCC)

풍력발전기지 부하센터

HVDC

석탄연료발전기지

풍력발전기지

부하센터

HVDC

⋮그림 4-10⋮ HVDC 송전 및 현지 계통을 이용한 “풍력-화력 통합” 설계(SGCC)

석탄연료발전기지

풍력발전기지

부하센터

현지 계통

HVDC

AC

AC

AC

DC

DC

DC

DC

DC

DC

AC

AC

AC


고 각기 AC계통과 상호작용을 하며, 유연한 멀티 그리드 연계를 가능하게 하며 심지어

DC 그리드도 원활하게 해준다. 그러므로 자원 위치와 수용 측이 여럿인 경우, 향후 신재

생에너지 연계에 유용할 것이다.

그림 4-11은 비교적 장거리 해상 풍력발전 연계의 경우에 VSC-HVDC를 선호한다

는 것을 보여준다. 거리가 짧고 전력 규모가 비교적 작은 경우에는 HVAC(high voltage

alternating current) 기술로 충분하다.

거리와 전력이 커지면 HVAC 손실을 보상하고 안정성 지원을 제공하기 위해, HVAC를

FACTS로 보강해야 한다. 원거리 해상 풍력발전소를 계통에 연결시키기 위해서는 VSC-

HVDC 기술이 선호된다.

북해상의 다량의 해상 풍력발전을 활용하기 위해 멀티터미널 VSC-HVDC에 기반한

초국가 해상 계통이 제안되었다. 그림 4-12와 같이 운영 관련 질문들을 상세히 조사하

기 위한 시뮬레이션 벤치마크 테스트 시스템이 개발되었다. 연구결과에 따르면 원치 않

는 DC 루프 흐름을 방지하고 계통 내 최적의 느슨한 노드 위치(선택한 선정기준에 따라 다를

⋮그림 4-11⋮ 해상 풍력발전 연계를 위한 송전 기술ern11 ⋮그림 4-12⋮ 유럽 초국가 해상 그리드를 위한

벤치마크 테스트 시스템coc11

VSCHVDC

HVDC +FACTS

HVDC

600

MW

300

100

10 50 100 KM


수도 있음)를 찾아내기 위해, 통제 시스템에 대한 폭넓은 조율이 필수적이다 coc11. 멀티터

미널 VSC-HVDC는 또한 미국 동부, 서부, 텍사스 전력계통을 연계하고 프로젝트 부지

인근의 풍부한 신재생에너지 자원을 한껏 활용하기 위해 미국에서 제안된 Tres Amigas

Super Station 프로젝트 설계에도 도입되었다 ete11, tgs12. EU의 슈퍼 그리드(Super Grid) 계

획상 VSC-HVDC 기술 기반의 MTDC 및 DC 그리드 또한 중요한 역할을 할 것이다.

현재까지, VSC-HVDC는 CSC-HVDC만큼 높은 전압이나 용량에 이르지 못했고,

VSC-HVDC 터미널은 전력손실도 크다. 전압 ±150kV 미만, 용량 200MW 미만의 VSC-

HVDC 송전은 비교적 성숙한 단계이다. 전압 350kV, 용량 400MW의 VSC-HVDC 송전

프로젝트들이 가동에 들어갔으나, 최근의 ±800kV, 6,400MW CSC-HVDC 프로젝트들

에 비하면 여전히 훨씬 작은 규모이다. 현재, VSC-HVDC 변환기 스테이션의 전력손실

은 일반적으로 1~6%로 CSC-HVDC 변환기 스테이션의 0.5~1%보다 훨씬 높다. VSC-

HVDC 시설들 대부분이 케이블을 송전 매체로 이용하고 있으나, 나미비아의 카프리비

링크에서는 ABB가 가공 선로를 이용한 350kV VSC-HVDC를 가동하였다. VSC 기반

HVDC 시스템의 전력수송 역량에 대한 제약 중 하나는 DC 전력케이블의 역량에서 기인

한다. VSC-HVDC 연결에는 통행권 문제 해소를 위해 주로 DC 전력케이블을 사용하며,

해상 VSC-HVDC 연결에는 DC 전력케이블이 유일한 대안이기도 하다. 그러나 VSC-

HVDC 가공 선로의 경우, VSC 기술이 발달함에 따라 전력 수준이 늘어날 수 있다. 마지

막으로, 대부분의 VSC-HVDC 프로젝트가 운영된 지 몇 년 밖에 지나지 않았기 때문에

VSC-HVDC의 전반적인 장기적 안전 및 신뢰도 또한 여느 신기술과 마찬가지로 시간을

두고 입증해야 하는 상황이다.

4.4.3 송전 계획수립의 발전

1) 현재의 송전 계획수립 사례

현재까지, 송전 계획은 주로 전문가의 판단, 그리고 전력망 및 구성요소에 대한 수학모


델(mathematical models)을 이용한 결정론적 시뮬레이션(deterministic simulations)에 기반

해 이루어져 왔다. 연구 대상 연도의 부하 예측과 발전 포트폴리오에 관한 한 가지 시나

리오의 경우, 전형적인 보통의 상황 및 비상상황 하에서는 계획 담당자가 송전 대안을 먼

저 제안하고, 전력흐름, 안정성, 단락 연구 등 폭넓은 시뮬레이션들을 실시하여 결정론적

계획수립 기준의 충족 가능 여부를 검증한다. 만약 충족하지 못하면, 대안들을 수정한 후

시뮬레이션을 재가동한다. 기술적으로 실행 가능한 대안들에 대해서는 경제적 비교를 통

해 최고의 대안을 찾을 수도 있다. 어떤 경우에는 불확실성 파악을 위해, 소위 “민감도 분

석” 혹은 “시나리오 방법”으로 여러 개의 부하 예측 및 발전 포트폴리오 시나리오를 고려

할 수 있다.

2) 확률적 송전 계획수립을 향하여

연구계와 산업계에서는 결정론적 계획수립 방법들이 정전과 계통 파라미터의 확률적

성격을 반영하지 못할 수 있고 널리 사용되는 N-1 안전 기준이 별도의 리스크 분석을 요

하는 실제 “최악의 상황”을 파악하는 데 불충분할 수 있다는 것을 깨달은 이후, 확률적 송

⋮그림 4-13⋮ 확률적 송전 계획수립의 개념 플로우차트pts11

초기 7가지 대안

5가지 대안

3가지 대안

최고의 대안

확률적 경제 분석 확률적 신뢰도 평가

환경적·사회적·정치적

평가

N-1 원칙 등 결정론적

기술 분석


전 계획의 필요성을 인정해왔다. 전력시장 구조조정에 따른 발전과 송전 계획의 분리로

인해 결정론적 송전 계획이 다소 무의미해졌기 때문에, 대용량 신재생에너지 통합으로

불확실성이 증가하자 확률적 송전 계획수립이 더 절실히 요구되고 있다 bac11, mit11, pts11.

확률적 계획수립은 전통적인 결정론적 송전 계획수립을 대체하기보다는 확률적 계획

기준과 평가를 계획 프로세스에 추가하는 방식으로 이를 보완하게 된다. 그림 4-13의 개

념 플로우차트가 이를 보여주고 있다.

지난 수십 년에 걸쳐 확률적 송전 계획수립을 위한 기준, 도구, 기법들이 개발되었다.

그러나 업계의 인정을 받기 위해서는 그 완전성과 적용가능성에 대한 핵심적 분석이 필

요할 것이다. 추가적 확률적 계획수립 기법에 대한 더 많은 연구가 요구된다. 신재생에너

지 발전에 관한 고품질·고해상도의 데이터세트 또한 필요하나, 현재로서는 매우 제한적

이며 구하기 어려운 실정이다 ner09.

｜ 4.5 운영 개선 ｜

4.5.1 운영 개선 필요성

계획 프로세스에 의해 송전 가용성과 더불어 자원 용량과 유연성이 정해지고 나면 모

든 시스템 역량을 활용해 대용량 신재생에너지 발전 연계에 따른 변동성과 불확실성에

대처하는 것은 운영이 책임져야 할 부분이다. 계획수립과 구분되는 폭넓은 개념으로서의

운영 프로세스는 일정 관리, 급전, 통제 프로세스로 더 나눌 수 있다(그림 4-14).

현대 전력계통 운영은 물리적 계층의 감시제어 데이터수집(supervisory control and data

acquisition, SCADA) 시스템과 애플리케이션 계층의 에너지관리시스템(energy management

system, EMS)의 지원을 받는다. SCADA 시스템은 전력계통 내 대부분의 분산된 요소들을


커버하고, 센서들이 그 운영 여건을 감시해 통신채널을 통해 운영 센터로 내용을 보고한

다. 운영 센터에 있는 EMS는 SCADA 시스템이 수집한 정보를 활용해 상황을 분석, 전력

계통상의 문제들을 포착하고, 안전상/경제상 급전 및 통제 결정을 내리고, SCADA 시스

템을 통해 관련 시스템 요소들을 통제하기 위해 실시간 명령을 전송한다. 현대 전력계통

은 운영을 위해 전산화된 통신 및 통제에 크게 의존하기 때문에 가상물리시스템(cyber-

physical system)으로 진화했다.

역대로 전력계통에 존재해온 변동성과 불확실성을 성공적으로 해결하기 위해 다양한

운영 도구(EMS 애플리케이션)가 개발되고 활용되어 왔다. 대용량 신재생에너지 발전 연계

로 변동성과 불확실성이 크게 늘어나기 때문에, 일부 운영 사례와 주요 운영 도구에 대해

개선이 이루어져야 한다. 대부분의 이러한 개선에 있어 정확도가 개선된 신재생에너지

전력 예측의 개발과 연계가 매우 중요하다. 대용량 신재생에너지 발전의 연계는 또한 사

이버보안에 대해 더 많은 도전과제를 제기할 수도 있다.

⋮그림 4-14⋮ 전형적인 전력계통 계획수립 및 운영 프로세스(SGCC)

계획수립

일정 관리

급전

통제

•무엇을: 발전 및 송전 계획수립

•누가: 계통 계획자

•시간/기간: 향후 몇 년

•무엇을: 유닛 커미트먼트, 유지보수 일정 관리 등

•누가: 운영 계획자

•시간/기간: 몇 시간~며칠, 계절 단위, 연 단위

•무엇을: 경제적 급전, 비상상황 분석 등

•누가: 계통 운영자

•시간/기간: 몇 분~몇 시간

•무엇을: 자동 주파수/전압 통제, 계전 보호, 전력평균분배 등

•누가: 자동 장비 및 통제 시스템

•시간/기간: 몇 초~몇 분운

영

미래

실시

간


4.5.2 고정밀 신재생에너지 출력 예측

3.4.1에서 설명한 것처럼, 지난 20년간 많은 풍력 예측 방법과 프로그램이 개발되었고,

예측 정확도는 특히 단기 예측에 있어서 크게 향상되었다. 그러나 예측 정확도는 특히 1

일 및 장기 예측에 있어서 부하수요 예측에 비해 여전히 낮다. 뿐만 아니라, 중요한 기상

이벤트를 예측하고 예측 결과와 더불어 확률적 정보를 제공해야 할 필요성을 잘 해소하

지 못하는 실정이다. 아래에 예측 정확도 개선을 위한 몇 가지 방향과 운영에 대해 예측

이 어떤 가치를 갖는지 제시되어 있다 atp11, ner09, pei12, sad11.

1) 모델 및 데이터 개선

대기관측 및 수치예보 모델의 개선은 신재생에너지 전력 예측 정확도 개선에 매우 중

요하다. 이 경우 유망한 방법은 국가적, 국제적 차원의 관련 부문들 간에 경계층 기상예

보 개선을 위해 협력하는 것이다. 신재생에너지 발전소에서 과거 및 실시간 고품질 기상/

전기 데이터를 얻고 처리하는 것 또한 매우 중요하며, 이 목적을 위해서는 4차원 데이터

동화(data assimilation) 기술이 중요한 역할을 할 수 있다.

2) 중앙집중식 예측 및 앙상블 예측

계통 수준에서의 중앙집중식 예측은 3.4.1에서 언급한 공간 스무딩 효과(spatial

smoothing effect) 덕에 발전소 수준의 예측에 비해 예측 정확도를 개선시킬 수 있다. 또한

하나의 중앙집중식 예측 시스템이 여러 상업적 예측업체들로부터 인풋 데이터를 받아

이를 결합해 단일한 앙상블 예보를 구성하는 것이 오차 축소에 유리하다.

3) 발전소 수준의 고해상도 예측 및 노드 투입(nodal injection) 예측

중앙집중식 예측이 계통 수준의 예측에 있어서는 최고의 접근법이지만, 각기 다른 신

재생에너지 발전소에서 이루어지는 별도의 고해상도 예측도 신재생에너지 발전 급전에


매우 중요하며, 송전 혼잡 관리를 위해 전력계통 각 배송 노드에 투입할 전력을 결정하는

데에도 매우 중요하다.

4) 부하 증감발 이벤트 예측 및 상황 인식

부하 증감발 이벤트(ramp event), 즉 기상악화로 신재생에너지 발전량에 갑작스럽게 큰

변동이 생긴 상황에 대한 예측이 계통 운영자들에게 상황 인식을 제공하고 의사결정을

지원하는 데 매우 중요하다. 그러나 부하 증감발 이벤트의 정의, 그리고 그에 대한 예측

방법에 대한 더 많은 연구가 이루어져야 부하 증감발 이벤트 예측이 예측 산출물에 통합

될 수 있다.

5) 인간의 예측

수년 간의 경험을 통해 계통 운영자들이 인간으로서 훌륭한 예측을 하게 될 수 있다. 이

들은 종종 첨단 예측 도구를 뛰어넘는다. 어떻게 하면 인간의 예측을 컴퓨터의 예측과 최

적으로 결합할지에 대해 더 많은 연구가 필요하다.

6) 확률적 예측

예상 신재생에너지 발전량이나 부하 증감발 이벤트에 대해 값과 더불어 확률을 제공함

으로써 확률적 예측이 계통 운영에 매우 큰 가치를 갖게 될 수 있다.

4.5.3 운영 도구와 사례의 개선

전력계통 운영은 대용량 신재생에너지 연계의 가장 두드러지고 직접적인 영향이 미치

는 분야이다. 운영 도구와 사례 개선의 많은 측면이 문서에서 논의되었다 coc11, ner09, opp11,

sad11, sin12. 아래에는 EMS 애플리케이션과 관련된 주요 개선 몇 가지가 간략히 제시되어

있다. 이 발전상황의 기저 원칙은 잠재적 이벤트와 그 영향을 평가함으로써 운영자의 상


황 인식을 개선하고, 운영자들에게 가능한 완화 방안에 대해 지침을 제공하는 것이다.

1) 유닛 커미트먼트

상세한 유닛 커미트먼트(UC) 연구는 어떤 유형의 재래식 발전 유닛 얼마만큼이 원하는

발전 용량 확보를 위해 어떤 시점에 가용한 상태여야 하는지, 그리고 계통 변동성 및 불

확실성 해소를 위해 충분한 유연성이 얼마만큼인지를 결정하기 위해 보통 하루 전에 실

시된다. 신재생에너지 발전이 늘어났기 때문에, 신재생에너지 발전 예측이 고려되지 않

을 경우 UC가 효과적이지 않을 것이며, 그것이 4~6시간마다 혹은 좀 더 자주, 혹은 새로

운 신재생에너지 발전 예측이 나올 때마다 번갈아 하는 방식으로 빈번하게 이루어져야

한다는 인식이 자리잡고 있다.

2) 비상상황 분석

비상상황 분석(contingency analysis, CA)은 보통 서로 다른 계통 요소들의 정전같이 특

정 운영 여건 하에서 잠재적으로 일어날 수 있는 비상상황의 영향을 평가한다. 신재생에

너지 발전이 늘어나고 있으므로 신재생에너지 및 신재생에너지 발전소 정전으로 인한

극단적 램프 이벤트가 포함되도록 비상상황 목록을 증강해야 한다. 잠재적 비상상황을

결정하기 위해서는 신재생에너지 전력 예측에서 나오는 정보가 필요하다.

3) 온라인 동적 안전 분석

온라인 동적 안전 분석(online dynamic security analysis, DSA)은 운영자들이 올바른 의

사결정을 할 수 있도록 여러 전력계통 통제센터에서 실시되어 왔다. 이 분석은 준 실시간

네트워크 토폴로지 및 송전선 온도제한, 계통 전압/과도/ 주파수 안정도 등 운영 여건에

기반해 계통 보안과 안정성 한계를 평가한다. 온라인 DSA는 신재생에너지 전력 예측과

모델링을 통합함 으로써 신재생에너지 발전 증가에서 기인하는 운영적 리스크와 도전과


제에 대처하도록 조정될 수 있다. 이러한 도구의 예로, EirGrid의 통제센터 에 구현된 바

람 안정성 평가도구 (wind security assessment tool, WSAT)(그림 4-15)는 보통의 운영 여건과

신뢰할만한 고장 하에서 전압안정도 해석(VSA)및 과도안정도해석 (TSA)을 기반으로 순간

안전 풍량을 평가하는 데 이용된다.

4) 안전도 제약 경제 급전

안전도 제약 경제 급전(security constrained economic dispatch, SCED)은 발전 및 송전 시

설에 대한 신뢰도 요건 및 운영 제한에 의거해 최저 비용으로 전기를 생산하기 위해 어떻

게 발전기들을 디스패치할 것인지를 결정한다. 이것은 현재 전력계통 발전의 두 가지 중

요한 방향인 신재생에너지 발전의 도입 증가와 수요 반응 및 스마트그리드 애플리케이

션 개발을 수용 하도록 진화하고 있다(4.6 참조). 4.3에서 설명한 대로 높은 수준의 대용량

⋮그림 4-15⋮ 풍력 보안 평가 도구(WSAT)의 구조sin12

결과 조회

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보안 위반

세부사항기타 정보

온라인

VSAT

온라인

TSAT

연구

WSAT

입력 데이터

바람 예측

실시간 시스템

스냅샷

실시간

비상상황

WSAT 관리자

파이

톤 인

터페

이스

보안 평가


신재생에너지 발전을 연계하기 위해서는 재래식 발전의 유연성이 더 커져야 하며, 화력

발전소의 램핑 및 사이클링 요구 증가는 이러한 발전소의 운영비용을 크게 증가시킬 것

이다. 경제급전 프로세스 개선을 고려 하기 전에 이러한 비용을 더 잘 파악해야 한다.

5) 자동 발전 제어

자동 발전 제어(AGC)는 선별된 발전 유닛의 전력 출력을 조절하고 전력계통 간 혹은 통

제 지역 간 연결선을 통해 전력을 교환함으로써 실시간 발전/부하 균형 및 주파수 안정을

보장하도록 설계된 중앙집중식 시스템이다. 기존 AGC 알고리즘은 신재생에너지 전력

예측에 기반해 신재생에너지 발전의 변동성과 불확실성을 해소하는 방향으로 수정될 필

요가 있다. 또한 재래식 발전 유닛의 출력뿐 아니라 신재생 에너지 발전소의 출력을 첨단

통제 역량 및 모니터링, 통제, 그리고 4.2에서 다룬 신재생 에너지 발전소 관련 데이터 통

신 시스템에 기반해 조정해야 할 필요성이 더 커지고 있다.

6) 추측 통계학(추계학)적 운영 및 리스크 기반 의사결정

많은 연구자들은 신재생에너지 전력 예측 관련 불확실성을 포함, 늘어난 불확실성을

해소하기 위해서는 미래의 EMS 애플리케이션이 추계적 모델링 기법을 더 많이 활용해

야 한다고 생각 한다. 예를 들어, 현재 나와 있는 더 뛰어난 계산 능력을 활용함으로써 추

계적 UC, 추계적 SCED, 추계적 최적전력흐름이 실현가능해지도록 해야 한다. 현재의 결

정론적 및 이진법적 의사결정 프로세스 개선을 위해 리스크 기반 의사결정 기법도 필요

하며, 이를 위해서는 관련 운영 리스크 및 극단적 램프 이벤트 같은 비상상황 심각도 정

량화 방법에 대한 연구가 매우 중요하다.

7) 일반적 안전 및 방어

DSA와 SCED(위 내용 참조)에서의 “안전(security)”은 주로 전력계통 안전의 물리적 측면,


혹은 공급의 안전을 가리킨다. 가상물리시스템인 전력계통은 또한 전력계통에 쓰이는 통

신시스템 신뢰도뿐 아니라, 전력계통 모니터링 및 통제 관련 핵심 정보, 고객 기밀정보

등 가상 안전과 관련한 도전과제도 안고 있다 top12. 사이버 안전상의 장애, 특히 통제 시스

템에 대한 악의적 사이버 공격에 의한 장애는 전력계통 요소들에 해를 입히고 물리적 전

력계통의 공급 안전을 위험에 빠뜨릴 수 있다. 대용량 신재생에너지 발전소들이 보통 외

딴 곳에 위치해 있고 다수의 광역 분산된 소용량 발전 유닛들로 구성되어 있기 때문에 이

들의 통제 시스템의 사이버 안전은 더 많은 주의를 요하게 될 것이다. IEC 기술위원회(TC)

57이 개발하고 SCADA나 EMS 같은 전력 장비에 널리 이용되는 전력계통 데이터 통신

표준 프로토콜 등 일부 기관들에 의해 통제시스템 안전을 위한 상당한 노력이 이루어졌

지만, 사이버 취약성이 여전히 두드러진 문제이며 스마트그리드 개발로 인해 한층 더 복

잡해지고 있다 iig12, sic12. 뿐만 아니라, 전력계통, 기상시스템, 통신네트워크, 수자원, 상거

래 등의 소위 “핵심 인프라”가 더 긴밀히 통합되어 감에 따라 한 부문의 보안 프로토콜이

연계된 부문에서의 보안 프로토콜 및 국가·지역의 보안 필요라는 더 폭넓은 맥락에서 고

려되는 것이 점차 중요해진다. 이 이슈는 사이버 보안 정책의 수직적(예: 계통운영에서 시작

해 개별 풍력터빈 통제에 이르기까지), 수평적(예: 전력계통에서부터 응급서비스 및 무선통신까지) 조

화를 수반한다. 신재생에너지 연계의 관점에서 이것은 기상예측시스템과 전력계통 운영,

구체적으로 급전 간의 통합된 보안 정책이 필요하다는 것을 시사한다. 예를 들어, 신재생

에너지 집중도가 높은 고도로 안전한 전력계통 시스템이 국가 기상예측서비스를 겨냥해

예측에 장애를 일으키거나 허위 예측 데이터를 제공하는 등의 공격에도 매우 취약할 수

있는 것이다. 이런 데이터에 의존하는 계통 운영자는 단순한 예측 변동의 수준이 아닌 심

각한 곤경에 처하게 될 수 있다.


｜ 4.6 수요반응 ｜

4.6.1 신재생에너지 연계를 위한 수요반응 애플리케이션

수요반응(demand response, DR)은 전통적 수요측면 관리 혹은 부하 관리 사례를 개

발·확장한 것으로 스마트그리드의 핵심 애플리케이션으로 인식되고 있다. 현재 DR 연

구와 적용에서 미국이 확실한 선두이고, 유럽과 중국 등이 뒤를 잇고 있다 jef11. 미국

FERC(Federal Energy Regulatory Commission)가 정의하는 DR은 “전력가격 변동으로 인해,

혹은 도매시장 가격이 높거나 계통 신뢰도가 위험수준일 때 전기사용 절감 유도를 위한

인센티브 지급으로 인해 수요 측 자원의 전기사용이 일반적 수요패턴에서 변화하는 것”

이다 adr11. 이 정의가 미국의 현재 DR 사례를 잘 다루고 있지만, 신재생에너지 연계 지원

을 위한 역량 등 진화하는 DR 역량을 반영하지는 못할 수 있다.

신재생에너지 도입이 늘어남에 따라 신재생에너지 발전의 변동성 및 불확실성을 보상

할 추가적인 전력계통 유연성 공급원으로서의 DR의 가치는 늘어날 것이다. 예를 들어,

REE(스페인)는 2007년에 차단가능 서비스, 전기차 연계, 스마트미터링, 시간대 과금 같은

수요관리 메커니즘 촉진을 위해 수요 측 관리 부서를 창설했다. 이러한 메커니즘들이 함

께 사용하면 더 많은 신재생에너지를 연계할 수 있도록 계통의 역량을 강화할 것으로 보

인다 coc11. DR은 부하이동(load shifting)과 밸런싱(balancing)이라는 두 가지 주된 방식으로

신재생에너지 연계에 도움을 줄 수 있다.

1) 부하이동

DR은 잉여 신재생에너지 발전량 흡수를 위해 오프피크(off-peak) 기간에 부하 일부

를 이동시키는 데 활용될 수 있다. 특히 역 피크 특성, 즉 오프피크 기간에 전력을 더 생산

하고 피크 수요 기간에 덜 생산하는 특성을 보이는 풍력발전의 경우에 그렇다. 재래식 발

전소는 오프피크 기간에 종종 최소 출력으로 이미 낮춰진 상태이며, 수요 부족은 풍력 축


소를 불가피하게 만들어, 풍력발전소 용량 활용 효율을 낮추고 배출량 저감을 위한 화석

연료 발전 대체를 가로막는다. 오프피크 기간으로의 부하 이동은 또한 고객들의 에너지

효율과 비용이익을 늘린다. 예를 들어, 덴마크는 풍력 과잉 발전 시간 동안 고객들의 전

기사용을 장려하기 위해 제로/마이너스 구간 전기요금제를 실행했고, 풍력과 관련된 새

로운 오프피크 부하 공급원 확보를 위해 교통, 난방, 전력부문 간의 연계 확대를 계획했

다 coc11.

2) 수요 측 밸런싱 서비스

속성(fast-acting) DR은 발전과 부하의 실시간 균형 유지를 지원하기 위해 활용될 수 있

다. 매우 신속한 대응을 위해 부하를 통합, 이전시킬 수 있고 따라서 신재생에너지 발전

의 빠른 증량을 따라갈 수 있어 재래식 발전의 증량 역량 필요성이 줄어든다 ded10. 일부

계통운영자들은 신재생에너지 발전의 감량(down-ramp)에 대처하기 위해 이미 DR을 이

용하고 있으며, 재래식 발전과 잠재적으로 동일한 유연성을 보이고 있다. 그러나 부하 유

형별로 대응 역량이 다르고 대응 비용도 다르며, 이 분야에서 DR의 진정한 합계치와 역

량을 파악하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다 ner09.

4.6.2 수요반응 사례 및 동향

DR 사례는 전기 시장, 기술 발전, DR 활용 목표의 차이로 인한 국가 간 차이뿐 아니라,

특정 국가 내에서도 차이가 난다. 미국의 대표적 DR 프로그램들은 대체로 급전가능 프로

그램 (dispatchable programme)과 반응형 프로그램 (reactive programme), 이렇게 두 범주로

분류될 수 있다 mit11.

a) 급전가능 프로그램은 부하관리 혹은 통제 프로그램이라고도 하며, 계통운영자나 제

3자 집계자에 의한 직접 부하반응 통제를 가능하게 한다. 참여에 대한 보상으로 고


객들에게 인센티브가 제공되기도 한다.

b) 반응형 프로그램은 전달받은 다양한 신호에 대한 고객들의 자발적 반응에 의존한

다. 현재 이용되는 가장 일반적인 신호는 가격이지만, 미래에는 환경적 신호나 인근

지역 비교 (neighborhood-comparative) 데이터 같은 다른 유형의 정보가 유용할 수도

있다. 반응형 프로그램은 독립 계통운영자(ISO) 및 지역송전조직(RTO)들이 시행하는

도매프로그램과 고객들에게 특정 시변(time-varying) 요금구조에 의해 신중히 결정

된 소매가격을 제시하는 소매프로그램으로 더 나뉜다.

급전가능, 도매 및 소매 반응형 프로그램 범주는 그림 4-16에서 보듯 여러 프로그램들

로 구성되어 있다. 최근 조사에 따르면 adr11, 이들은 각각 국가의 잠재적 피크 부하 감소

(DR 프로그램에 등록된 총 부하)의 약 62%, 27%, 8%를 기여하였다.

비록 급전가능 프로그램이 여전히 등록된 부하 중 많은 비중을 차지하지만, 고객과 전

⋮그림 4-16⋮ 미국의 DR 프로그램 유형(SGCC)

부하통제 프로그램

(62%)

도매 프로그램(27%)

소매 프로그램(8%)

수요반응

(반응형 프로그램)

(급전가능 프로그램)

비상지급프로그램(25%)

차단가능요금프로그램(20%)

직접부하통제프로그램(17%)

용량시장프로그램

에너지가격프로그램

보조서비스프로그램

최대피크 요금프로그램

피크시간대 리베이트프로그램

실시간 요금프로그램

사용시간대 요금 프로그램


력회사 간 양방향 정보흐름을 가능케 하는 스마트미터의 등장으로 반응형 프로그램의

성장이 가능해졌고 가정용/상업용 고객들의 참여가 늘어났다.

미국의 사례들을 통해 그림 4-17과 같이 DR 발전 동향을 파악할 수 있다. DR을 활용하

는 목적은 단순히 계통 신뢰도를 개선하는 것 이상이며 계통 효율, 더 나아가 계통 유연

성을 증대하는 방향으로 확대된다. DR이 쓰이는 빈도는 비상 시에서 일상으로, 그리고

실시간으로 잦아지고 있다. DR에 참여하는 주체는 규모가 큰 산업용 및 상업용 고객들에

서 규모가 작은 상업용, 가정용 고객들로 확대되어 왔으며, 더 많은 집계자(aggregator)들

이 전력회사나 계통 운영자와 개별 소비자들 간의 중개자 역할을 하고 있다. 마지막으로,

DR은 한 방향에서 양방향으로 확대되고 있다. 즉, 부하를 줄이기만 하는 하향식에서 필

요에 따라 부하를 늘리기도, 줄이기도 하는 상향, 하향식 모두로 확대되었다.

1) 계통 신뢰도 향상을 위한 DR

가장 먼저, 그리고 가장 흔히 실행되는 DR은 그 초점이 계통 신뢰도에 있다. 대개 대규

⋮그림 4-17⋮ DR 개발 동향 (“대체”가 아닌 “확장”)(SGCC)

목표

소환 빈도

참여주제

방향

계통 신뢰도 계통 효율 계통 유연성

비상 시 사용 일별 사용 실시간 사용

대형 고객 소형 고객(집계자 개입)

하향식 하향식 혹은 상향식

수요반응


모 산업시설 고객이 피크수요나 기타 계통 비상상황 시 계통 신뢰도를 위해 부하를 줄이

기로 합의하고 그에 대한 인센티브를 지급받는다. 이러한 DR 프로그램은 비상 시를 위한

것이기 때문에 그리 자주 이용되지 않는다.

2) 계통 효율성 향상을 위한 DR

보다 최근 들어서는 DR의 초점이 점점 계통 효율성 향상에 모아지고 있다. 많은 DR 프

로그램들이 비 위기성 피크부하 저감(peak shaving)에 집중하기 시작했는데, 이것은 전력

계통의 발전, 송전, 배전 용량이 예상 피크수요에 맞도록 설정되어 있기 때문에, 장기적

전력계통 용량 이용 효율 향상을 위해 부하커브를 완만하게 만드는 것을 의미한다.

3) 계통 유연성 향상을 위한 DR

새롭게 떠오르는 이 DR 용도는 4.6.1에서 언급한 것처럼 신재생에너지 연계를 지원하

는 데 매우 중요하다.

이 목적을 위해서는 자동화된 속성(fast-acting) 급전가능 프로그램이 더 효과적이고, 대

응형 프로그램, 특히 가격을 통한 소매 프로그램은 덜 효과적일 수 있다. 일부 지역의 경

우에는 DR이 밸런싱 서비스 제공에 참여할 수 있도록 시장 규칙 및 신뢰도 기준 변경도

필요하다 mit11. DR의 이와 같은 적용은 ded10에서 수요급전(demand dispatch) 형태로 그

려지고 있으며, 현재 재래식 발전소에서 제공되는 보조 서비스 중 많은 부분을 수행하게

될 것으로 예상된다. 수요급전에 적합한 잠재적 부하는 전기온수기, 공조시스템, 전기차

등 원격 조정 시 고객이 대체로 인식하지 못하는 부하이다.


4.6.3 수요반응 증대 관련 지원 기술

DR 프로그램의 성공은 대체로 효과적인 상업 협약(요금구조 및 가격설정 제도)과 정확한

비용효과 분석에 달려있다. 하지만 DR이 기능하기 위해서는, 혹은 더 잘 기능하기 위해

서는 몇몇 새로운 기술들이 필수적이다.

1) 원격검침인프라 기술

“스마트검침(smart metering)”이라고 흔히 알려진 원격검침인프라(advanced metering

infrastructure, AMI) 기술은 고객과 전력회사 간 양방향 통신을 통해 고객들에게 계통상황

을 세세하게 전달하고 고객 반응에 대한 상세한 측정내역을 전달받을 수 있게 해준다. 이

것은 특히 미래의 소규모 고객들에게서 더 많은 DR을 이끌어내기 위한 기술적 기반이다.

AMI는 고객들이 가격, 환경영향, 기타 측면에 대해 전력회사로부터 정보신호를 받고, 전

력회사들은 특정 시간대의 고객 전력 사용량을 알려주는 시간대 데이터를 받을 수 있도

록 해준다.

2) “검침기 이면(behind-the-meter)”의 기술

AMI와 HAN(home area network)은 또한 제어형 가전, 전력사용 모니터링/분석, 요금반

응식 온도조절장치 등 건물이나 가계 전력 관리를 위한 다수의 소비자 측 기술을 이용할

수 있게 해준다. 이러한 기술로 인해 규모가 작은 상업 및 가정용 고객들이 가격이나 다

른 공급 측 신호에 더 능동적으로 반응할 수 있게 된다. 그러나 현재로서는 비교적 성숙

도가 낮고 비용이 많이 든다mit11.

3) 전기차

플러그인(plug-in) 전기차가 여러 유용한 역할과 관련해 부각되고 있다. 전기차는 배기

가스가 적을 뿐 아니라, 계통이나 가정으로 전력을 급전하는 저장시설 역할을 할 수 있는


잠재력도 가지고 있다. 전기차는 초과 풍력에너지를 흡수하는 급전가능한 야간 부하가

될 수 있고, 신재생에너지 연계를 위한 밸런싱 에너지 및 보조 서비스를 제공할 수 있다.

4) 사이버 보안 솔루션

DR을 위해서는 많은 통신 메시지를 이용해 여러 건의 부하에 대한 반응이나 통제를 조

율해야 하기 때문에 사이버 보안 위험과 관련한 우려가 크다. 첫째, 생활 습관 같은 고객

개인정보가 보안에 취약해질 수 있고, 이러한 우려로 일부 지역에서는 대중들이 AMI와

DR에 반대를 하기도 했다. 둘째, 금전적 이득을 노린 사기행위의 일환으로 정보가 고의

적으로 변경 혹은 위조될 수 있다. 계통 운영 관점에서 훨씬 더 심각한 것은 전력계통 안

정과 공급 안전을 해치기 위해 많은 부하를 악의적으로 높이거나 낮추는 등 DR 조작 가

능성이 있다는 것이다. 따라서 DR의 성공은 기술, 기준, 정책, 법률의 개발을 통해 이러한

리스크를 관리하는 데 달려 있다. 사이버 보안 솔루션이 처음부터 DR 프로그램의 필수적

인 부분이 되어야 한다.

｜ 4.7 요약 ｜

1) 대용량 신재생에너지의 대규모 연계로 야기되는 변동성과 불확실성 증대를 해소하

기 위해서는 전력계통이 발전과 부하 간에 항시 균형을 유지하도록 더 유연해질 필

요가 있다.

2) 전력계통 유연성은 발전 측면(신재생에너지 발전과 재래식 발전 모두), 부하 측면, 그리고

발전 혹은 부하 역할을 하는 EES를 통해 달성 가능하다. 계통 운영 기술과 사례를 개

선하고, 송전 확대로 더 넓은 지역에 걸쳐 통제가 공유될 경우 더 잘 활용할 수 있다.

3) 신재생에너지 발전은 발전기, 발전소, 발전단지 수준의 설계, 운영, 모델링 기술 개


선을 통해 예측가능성, 통제가능성, 급전가능성이 증대되는 등 더 계통 친화적이 될

수 있다.

4) 재래식 발전의 유연성은 현재, 그리고 가까운 미래에 전력계통 유연성의 중요한 공

급원이 된다. 미래 발전 계획수립은 용량과 유연성을 모두 고려해야 한다. 여러 유

형의 발전소는 유연성이 각기 다르나, 발전소의 유연성 및 전체 계통의 유연성을 수

치화하기는 어렵다.

5) 고전압송전 및 전력전기 기반 FACTS와 DC 송전기술은 더 많은 대용량 신재생에너

지 발전 수용을 위해 곳곳에서 요구되는 송전 확대의 기반이 되고 있다. 확률적 송

전 계획수립 방법 개발도 더 불확실한 미래를 위해 바람직하다.

6) 계통체계 운영 각 단계, 즉 일정 관리, 급전, 통제 단계마다 운영 기술과 사례가 개선

되어야 한다. 이중에서도 더 정확한 신재생에너지 발전 예측과 이러한 예측의 일정

관리 및 급전 도구에 대한 통합이 가장 중요하다.

7) 새로운 스마트그리드, 스마트빌딩, 스마트홈 기술의 지원을 받는 수요반응은 미래

에 전력계통 유연성의 유망한 공급원이지만 아직은 초기단계이다. 수요반응의 성숙

및 폭넓은 적용 속도는 부하수요 기저에 깔린 고객 행동 이해와 제도적, 상업적 혁

신에 크게 달려있다.

8) 대용량 신재생에너지 연계와 수요반응 및 기타 스마트그리드 기술의 적용으로 사이

버 보안에 더 많은 어려움이 야기될 것이다. 사이버 보안 솔루션의 전력계통 내부에

서의 수직적 조화, 그리고 전력, 통신, 기상예보 시스템 등 부문 간 수평적 조화가 모

두 요구된다.


｜ 5.1 총론 ｜

본 장은 대용량 신재생에너지 연계 시 계통 요구를 충족하기 위한 대용량 에너지저장

의 여러 용도에 대해 살펴본다. 4장에서는 신재생에너지 도입 증가로 인한 전력계통 유

연성 증대 필요성을 확인하였고, 유연성 공급원을 계통 친화적 신재생에너지 발전, 발전

유연성, 수요반응, 계통 운영, 송전설비 확대로 분류하였다. 이 장에서는 계통에 발전유연

성을 증대시키는 방법으로서의 에너지저장, 신재생에너지 발전 유연성, 전기차 기반 수

요반응에 중점을 두어 앞서 짚어본 3개 개념을 다시한번 살펴본다.

에너지저장은 그 용도와 구성이 매우 다양하기 때문에 여러 다양한 방법으로 신재생

에너지 연계를 지원할 수 있다. 용도에는 부하이동(time shifting)을 통한 발전과 부하 매

칭, 보조서비스와 부하 추종 및 부하평준화(load-leveling)를 통한 계통 균형 유지, 예비력

을 통한 신재생에너지 발전의 불확실성 관리, 개별 신재생에너지 발전소의 출력 스무딩

(smoothing) 등이 있다. MSB EES 보고서 msb11에서 이미 다루었기 때문에 이 장에서는 에

너지저장 기술 자체를 자세히 다루지는않는다. 또한 신재생에너지 연계와 직접 관련되지

않은 용도에 대해서도 다루지 않는다. 모든 관련 에너지저장 기술 및 전체 용도에 대한

5장

신재생에너지 연계 지원을 위한대용량 EES 적용


상세한 본격 논의는 MSB EES 보고서를 참조하기 바란다.

｜ 5.2 유망한 대용량 EES 기술 ｜

에너지저장의 방대한 용도는 신재생에너지 계통 연계의 어려움과 밀접히 연관된 것들

이다. 신재생에너지 연계가 다양한 시간 단위에서 필요를 발생시키는 것과 동일하게, 여

러 유형의 에너지저장이 초 단위에서 계절 단위까지, 각기 다른 방전 시간 단위에 맞추어

져있다. 에너지저장의 방대한 용도는 그림 5-1에 나와 있다.

에너지저장 자원이 특정 방전 시간단위에 적합한지 여부는 자원의 출력밀도(power

density)와 에너지밀도(energy density)에 의해 결정된다. 출력밀도는 에너지저장 기술의 즉

각적인 전원출력 제공 능력을 가리킨다. 출력밀도가 높으면 필요시 해당 기술이 많은 양

의 전력량을 공급할 수 있다는 의미이다. 에너지밀도는 해당 기술의 일정 시간에 걸친 지

속적인 에너지 공급 능력을 의미한다. 에너지밀도가 높으면 오랜 시간 동안 에너지를 방

⋮그림 5-1⋮ 여러 EES 기술의 정격 전력, 에너지양, 방전시간 비교msb11

정격

전력

BEV 배터리전기차

CAES 압축공기 ES

DLC 이중층 커패시터

FES 플라이휠 에너지저장

H2 수소저장

LA 납축전지

Li-lon 리듐이온배터리

NaS 나트륨황배터리

PHS 양수발전저장

RFB 레독스흐름전지

SMES 초전도전력저장

SNG 합성천연가스

100 MW

10 MW

1 MW

100 kW

10 kW

1 kW

0.1 kWh 1 kWh 10 kWh 100 kWh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh

1month

DLC

SMES

FES

RFBBEV

LA

Li-lon

CAES

SNG

NaS&

(NaNiCl)

H2

1 sec 1 min 1 hour 1 day

PHS


전할 수 있다는 의미이다. 일반적으로, 출력밀도가 높은 에너지저장 기술은 에너지밀도

가 낮은 경향이 있어, 방대한 양의 전력을 방전할 수는 있지만 짧은 시간 동안만 가능하

다. 마찬가지로, 에너지밀도가 높은 기술은 출력밀도가 낮은 편이어서, 에너지를 장시간

동안 방전하되 즉각 다량의 전력을 공급하지는 못한다. 이러한 특징으로 인해 에너지저

장 기술은 방전시간에 기반해 여러 범주들로 나뉜다. 예외가 있을 수 있지만, 에너지저장

이 신재생에너지 연계와 관련해 할 수 있는 많은 역할들을 개념화하는 데 유용하다.

단기 방전 자원은 몇 초 혹은 몇 분 동안 방전하며, 에너지-출력 비율(kWh/kW)이 1 미만

이다. 예로는 이중층 커패시터(DLC), 초전도전력저장(SMES), 플라이휠 등이 있다. 이런 자

원은 계통에 즉각적인 주파수 조정 서비스를 제공해 신재생에너지의 불가항력적인 변동

성으로 인한 계통 영향을 완화할 수 있다.

중기 방전 자원은 몇 분 혹은 몇 시간 동안 방전하며, 에너지-출력 비율이 1~10이다.

이 범주는 납축전지(LA), 리튬이온(Li-ion)배터리, 나트륨황(NaS)배터리 등 배터리가 주를

이루나, 플라이휠도 이용될 수 있다. 중기 방전 자원은 전력품질 및 신뢰도, 전력밸런싱,

부하추적, 예비력, 소비 측 부하이동, 발전 측 출력 스무딩 등에 유용하다. 또한, 특정 배

터리는 출력밀도나 에너지밀도를 최적화하도록 설계된 경우도 있다. 이 경우 신재생에너

지 발전이 계통에 야기하는 불가항력적인 가변성 및 부분적 예측 불가능성 모두에 적합

하다.

중/장기 방전 자원은 몇 시간 혹은 며칠 동안 방전하며, 에너지-출력 비율이 5~30이

다. 여기에는 양수발전저장(PHS), 압축공기에너지 저장(CAES), 레독스흐름전지(RFB) 등이

포함된다. RFB는 설계자들이 셀 스택(cell stack) 크기나 전해질 부피를 각각 조정해 독자

적으로 배터리의 출력밀도와 에너지밀도를 늘릴 수 있어 특히 설계 측면에서 유연하다.

이 범주에 속한 기술들은 주로 부하추종과 부하이동에 유용하며, 기상 불확실성에 대비

하고 풍력발전과 피크부하 간의 일일 중 공급/수요 불일치를 해소함으로써 신재생에너


지 발전원에 대한 연계 지원이 가능하다.

장기 방전 자원은 며칠 혹은 몇 달 동안 방전할 수 있고, 에너지-출력 비율이 10을 넘는

다. 여기에는 수소와 합성천연가스(SNG)가 포함된다. 이 범주에 속한 기술들은 계절별 부

하이동에 유용하다고 여겨지며, 비용과 비효율성 때문에 신재생에너지 비중이 매우 큰

경우에만 활용될 것으로 보인다. 예를 들어, 계통상의 다량의 태양열 전력이 여름에는 많

은 양의 에너지를 생산하지만, 겨울에는 그 양이 현격히 적어진다. 여름에 잉여 발전량을

수소나 SNG로 저장해 이를 겨울에 다시 전기로 변환하게 되면 한 계절에서 다음 계절로

발전량의 부하이동이 가능해진다.

이와 같은 기술들은 신재생에너지 자원의 위치 특이성으로 인한 송전설비 확대 및 연

계 필요성을 유예함으로써 신재생에너지 연계보급에 장기적으로 도움이 될 수 있다.

｜ 5.3 신재생에너지 연계에서의 EES의 역할 ｜

5.3.1 EES의 계통 측면 역할

EES 용도 중 가장 범위가 넓은 부분이 계통 운영자에 대한 서비스 중 발전 유연성 제공

에 관한 것이다. 이 서비스들은 또한 – 계통 운영자 관점에서 – 특정 부하나 발전 자산보

다는, 전체 계통의 변동성 및 불확실성을 완화하는 도구로서 에너지 저장기술을 최적으

로 사용할 수 있다. 최적인 이유는 넓은 지리적 영역에 걸친 많은 양의 풍력/태양열 에너

지를 연계하면 단일 신재생에너지 발전소를 연계하는 경우보다 망 변동성 및 에너지/출

력 공급량에 대한 불확실성이 더 낮아져 부가적인 비용 발생이 작기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 이것이 미래 계통에 등장할 신재생에너지 연계와 관련한 에너지

저장의 유일한 용도라고 생각하는 것은 단순한 발상이다. 사실, 운영자의 관점만이 중요

하거나 적절한 것은 아니다. 특정 인센티브 정책의 적용을 받는 개별 신재생에너지 발전


역할 시간 단위 설명신재생에너지 연계에

미치는 효과EES 기술의 예

부하이동/

차익거래

(arbitrage)/

부하평준화

몇 시간~며칠EES로 오프피크 에너지

저장 후, 피크 수요시 방전

실시간 부하사이클과

일치하지 않는 일별

발전사이클에 대한 솔루션

NaS 배터리, CAES,

PHS, RFB

계절별 부하이동 몇 달

EES가 한 번에 수 개월 간

에너지 저장하고, 이것을

연중 신재생에너지 발전량이

낮아지는 시기에 방출

신재생발전 에너지 연중

사용으로, 태양광이 적거나

한 계절의 화력 발전

의존도를 낮춤

수소, SNG

부하추적/램핑 몇 분~몇 시간EES가 일일 시간대별

수요 변동 추적

부하가 높은 시점에

신재생에너지 발전량 부분적

예측불가능성 완화

배터리, 플라이휠,

PHS, CAES, RFB

전력품질 및

안정성<1초

전압 상승, 하강,

고조파처리를 위해 계통에

무효전력 제공

신재생에너지 발전의

통제불가능한 변동성으로

야기/악화된 전압불안정 및

고조파 완화

LA배터리(납축전지),

NaS배터리,

플라이휠, RFB

운영 예비력

주파수조정 몇 초~몇 분

주파수 안정을 위한

에너지공급량의 신속감응식

증가/감소

신재생에너지 발전

공급량의 통제불가능한

순간 변동성 완화

Li-ion배터리, NaS

배터리, 플라이휠,

PHS(첨단 가변속도제

어 장착)

순동예비력 -10분

비상상황(예: 발전기 탈락) 대

응을 위한

에너지공급량의

신속감응식 증가/감소

신재생에너지 자원 성능이 예

상과 다를 경우 에너지를 제공

(제거)하는 등 신재생에너지

발전 공급량의 부분적 예측불

가능성 완화

PHS, 플라이휠,

배터리

보조예비력 몇 분~몇 시간

순동예비력을 대체하기

위해 등장하는

저속감응식 자원

신재생에너지 공급량이

매우 심각하고 장기적으로 줄

어드는 경우에 안정적

전원 공급. 신재생에너지

연계를 위한 용도 관점에서는

적절하지 않음

PHS

송전망에

효과적 이용몇 분~몇 시간

EES는 망운영자가 송전시스

템을 키우는 것을

time-shifting 과 더 효과적인

운영저장을 통해 늦추는 것을

도울 수 있음

줄어든 송전 비용은

신재생에너지발전의

지역의존성 도전을

완화시킴

Li-ion

독립 계통 지원 몇 초~몇 시간

EES는 도서지역의 경우

등 소규모 전력계통에서의

신재생에너지 연계에

도움이 될 수 있음

신재생에너지 발전의

변동성/예측불가능성

완화를위한 부하이동 및

전력품질 애플리케이션

LA배터리

(납축전지)

비상 전력공급/

블랙스타트몇 분~몇 시간

EES가 재난형 정전 시

전력계통 재가동에

이용될 수도 있음

신재생에너지 연계에

구체적인 이익은 없으나

저장자원이 계통에

블랙스타트 역량을

제공할 수는 있음

LA배터리

(납축전지)

⋮표 5-1⋮ EES의 계통 측면의 역할 msb11, tre10


기나 발전소, 혹은 독립 계통에게 가장 이로울 만한 상황은 발전과 저장이 한 곳에서 이

루어져 계통 연계 전에 출력을 평준화하는 것이다. 수요 측면에서는, 전기차 사용이 확대

되면 계통 운영자가 볼 때 저장 자원 자체가 최적 수준 이하로 보이는 상황에서도 계통에

적지 않은 합산된 에너지저장 능력을 제공할 수 있다. 우리는 신재생에너지 저장 지원과

관련해 정확히 EES 용도가 어떻게 배분될 것이며 혹은 배분되어야 하는지 구체적인 판

단이나 예측은 하지 않는 대신, 단순히 다양한 관점에서 가능한 모든 용도를 제공하고자

한다. 미래에 여러 나라에서 EES가 실제 쓰이는 모습은 정부 정책, 전력회사 전략, 사회

적·문화적 요인, 계통 각각의 특수성 등에 따라 큰 차이가 날 것이다.

표 5-1은 현재 사용되고 있는 EES 기술의 몇 가지 예와 더불어 다양한 에너지저장기술

의 계통 측면에서의 역할, 그리고 그것이 대용량 신재생에너지 연계에 적절한지를 보여

준다. 이러한 예들은 일반적인 내용이며, 어느 EES 기술이 특정 용도에 적합한지는 맥락

에 크게 좌우되고 계통 운영자의 필요와 EES의 구체적 설계에 따라 달라질 것이다.

1) 계통 측 EES 사례연구: 중국 장베이의 풍력, 태양열, 에너지저장 및 송전 국가 시범

프로젝트

풍력, 태양열, 에너지저장 및 송전 국가 시범 프로젝트는 재정부, 과학기술부, 국가에너

지국, SGCC가 공동 후원하고 있다. 이 프로젝트 소재지는 장자커우 북부이다. 바람과 태

양 자원이 풍부하나, 현지 부하 규모는 작고 시설은 베이징-톈진-탕산 부하센터에서 멀

리 떨어져있다. 따라서 에너지가 고압/장거리 송전망을 통해 부하센터로 송전되어야 한

다. 이 프로젝트는 중국 내 신재생에너지 개발의 기본적 특징들을 잘 보여주는 예이며,

대규모 신재생에너지 전력 수용 문제 연구를 위한 전형적인 프로젝트이다.

프로젝트의 계획 용량은 풍력 500MW, 태양광 100MW, 에너지저장 110MW이다. 2011

년 완료된 프로젝트 1단계는 풍력 100MW, 태양광 40MW, 에너지저장 20MW이다. 여러

유형의 배터리저장 성능을 테스트 하기 위해 20MW 에너지저장 스테이션에서 배터리


저장 3개 유형, 즉, 14MW 리튬인산철(LiFePO4, LFP) 배터리, 4MW 나트륨황(NaS) 배터리,

2MW 바나듐레독스흐름 배터리(VRFB)가 이용된다.

1단계 프로젝트의 아키텍처가 그림 5-2에 제시되어 있다. 파노라마식 지능형 최적제어

시스템, 파노라마식 모니터링, 지능형 최적화, 포괄적 제어, 풍력/태양열/저장시스템 간

원활한 모드 전환을 통해 프로젝트는 출력 스무딩, 응동스케쥴 실현, 부하평준화, 주파수

조정 목표를 달성했다. 저장시스템은 풍력발전단지와 태양광 스테이션의 계통 부합성을

높이는 데 기여했다.

2) 계통 측 EES 사례연구: 중국 남부의 배터리 저장

센젠에 상업 및 연구용 목적으로 시범 리튬인산철 배터리저장스테이션이 설립되었

다. 이 저장스테이션은 계획 용량이 100MW/40MWh로, 동일한 두 단계로 나뉘었다. 1단

계 프로젝트에서 4MW/16MWh가 이미 운영에 들어갔고, 나머지 중 1MW/4MWh가 2012

년에 설치될 예정이다. CSPG(China Southern Power Grid)의 자회사인 Peak/Frequency

⋮그림 5-2⋮ 풍력, 태양열, 에너지저장 및 송전 국가 시범 프로젝트, 1단계 (SGCC)

범례:

AC 35kV

양방향변환

교류 220kV

교류 35kV

제어신호

ACDC

ACDC

100MW 풍력발전단지 20MW 저장

파노라마식 지능형 최적제어 시스템

400MW 태양광 스테이션

태양열

풍력-태양-저장의 7가지 결합 운영방식

풍력

파노라마식 지능형 최적제어 시스템은

급전스케줄, 풍력예측, 태양열예측에 따라

풍력발전단지, 태양광스테이션, 저장시스템의

파노라마식 모니터링 및 지능형 최적화를

실현할 수 있다. 또한 하나의 운영모드에서

다른 모드로 자동으로 구성하고 매끄럽게

전환할 수 있다.

저장

풍력+태양열

풍력+저장

태양열+저장

풍력+태양열+저장

220kV 스마트서브스테이션

강력 스마트그리드


Regulation and Generation Company가 운영을 맡고 있으며, 이 회사는 여러 개의 수

력발전소와 양수발전소 모두를 포함해, CSPG 내 피크/주파수 조정 발전소의 건설, 운영,

유지보수, 관리를 맡고 있다.

그림 5-3에서 보듯 배터리유닛들은 110kV Biling 변전소의 10kV 버스에 10/0.4kV 변압

기를 통해 연결되어 있다. 하나의 배터리 유닛은 배터리, 전력변환시스템(PCS), 배터리관

리시스템 (BMS)으로 구성된다. 저장 스테이션은 여러 모드에서 작동 가능하다. 이것은 급

전센터의 계획된 부하곡선 혹은 부하평준화를 위한 고정 부하곡선에 따라 자체 공급량

을 조절하거나, 고수준의(주파수 등) 조절기능 또는 백업서비스에 활용될 수 있다. 예를 들

어, 그림 5-4는 에너지 저장소에 의한 부하이동이 포함/미포함된 Biling 변전소의 일일

부하예측 커브를 보여준다.

⋮그림 5-3⋮ Biling 에너지저장스테이션의 아키텍처(BYD)

MV스위치 MV스위치 MV스위치

저장유닛(PCS 배터리

BMS)


BMS)


BMS)


BMS)


BMS)


BMS)

LV스위치 LV스위치 LV스위치

1,250 kVA

0.4 kV

10 kV

0.4 kV 0.4 kV

1,250 kVA 1,250 kVA

… … …


3) 계통 측 EES 사례연구: 대만 양수발전의 다목적 사용

그간 PHS는 부하이동과 연관되어 있었지만, 최근의 PHS설비들은 주파수조정, 순동예

비력 등 운영예비력을 위해 이용하는 등 그 용도가 다양하다. 예를 들어, Taiwan Power

System에는 10개의 PHS 유닛이 포함되어 있다. 그 중 250MW 4개 유닛은 밍후 수력발

전소에 있고 267MW 유닛 6개는 밍탄 수력발전소에 있다.

대만의 계통이 독립형이기 때문에 최대 발전유닛 정전 시 강제 부하차단 없이 계통 주

파수를 유지할 수 있도록 충분한 운영 예비력을 확보해야 한다. 대만의 경우, 이 최대 유

닛은 950MW으로, 대만의 34,630MW 용량 중 상당한 부분을 차지한다. 따라서 대만은

동시에 부하이동과 운영 예비력 기능 모두를 위해 일상 운영에 PHS 유닛을 사용한다. 피

크수요 기간 중에 PHS 유닛은 발전모드로 운영되어, 터빈속도 자동발전제어를 통한 주

파수 조정과 첨두부하 발전기 대체를 통한 계통운영비용 절감을 모두 제공한다. 오프피

크 기간 동안에는 PHS 유닛이 펌핑 모드로 작동하면서 잉여 에너지를 소비하고, 또한

PHS 전력평균분배를 통해 비상 예비력을 제공하기도 한다. 다시 말해, 만약 오프피크 기

⋮그림 5-4⋮ 저장이 포함/미포함된 Biling 변전소의 일일 부하예측 커브

50

45

40

35

30

25

20

0 : 0

0

2 : 0

0

4 : 0

0

5 : 0

0

8 : 0

0

10 : 00

12 : 00

14 : 00

15 : 00

18 : 00

20 : 00

22 : 00

전력(MW)

시간

일일 부하예측

부하시프팅 후의부하예측


간에 대형 발전기가 장애를 일으키면 펌핑을 통해 얻은 PHS의 부하는 계통 주파수 안정

화를 위해 즉각 분배될 수 있다 rvp08.

5.3.2 EES의 발전 측 역할

신재생에너지 발전소 운영자들은 에너지 저장 기술을 이용해 특정 발전소, 혹은 같은

변전소에 연결되어 있는 여러 발전소 연계를 지원할 수 있다. 4장의 용어를 이용하면, 이

런 방식으로 사용된 EES는 신재생에너지 발전 자체의 계통 친화도를 개선시키는 데 일

조한다. 에너지저장의 발전 측 용도가 단순히 저장 자원의 소유 변동이 아니라, EES의 계

통 측 용도로 구상했던 것과 전혀 다른 저장 역할이라는 점을 이해하는 것이 중요하다.

EES를 전체 전력계통의 균형을 맞추는 도구로 이용하는 대신, 신재생에너지 발전소는

EES를 발전소 혹은 변전소 수준에서 계통 연계 전에 연계 애플리케이션을 제공하는 데

이용할 수 있다. 발전 측 EES 애플리케이션의 기술적 요건이 계통 측 EES 요건과 비슷하

기는 하지만, 동일한 한 계통에 모여 있는 여러 신재생에너지 발전소들에 비해 단일 신재

생에너지 발전소의 경우 변동성과 불확실성이 더 크기 때문에, 발전 측 EES 시설에 대해

더 큰 유연성이 요구된다. 이것은 EES 시설을 특정 신재생에너지 발전 결과에만 국한시

⋮그림 5-5⋮ 대만의 PHS 발전소 tem12


키는 것이 EES를 계통상의 순 변동성과 불확실성 균형유지에 이용하는 것보다 비례적으

로 더 많은 비용이 든다는 의미이다. 그러나 독립적이며 지리적 제약을 받는 계통의 경우

에는 신재생에너지 발전과 EES를 동일 장소에 배치하는 것이 매력적인 대안이 될 수 있

다. 그 이유는 지역간 거래, 재래식 백업 용량 혹은 수요 측 관리를 통해 해당 계통의 균형

을 맞추는 일이 규모가 크고 더 잘 연계된 계통의 경우보다 더 어렵기 때문이다.

근본적으로, EES의 발전 측 용도는 통제불가능한 변동성과 부분적 예측불가능성을 지

닌 발전자원을 통제/예측가능한 자원으로 변화시키는 것을 목표로 한다. 이는 신재생에

너지 발전을 마치 기존의 원자력/화력 발전과 같은 것으로 바꿔놓는다. 이와 같은 신재생

에너지 자원을 급전가능하다(dispatchable)고 말한다.

이것은 또한 특히 신재생에너지 발전이 독립형 혹은 취약한 계통상에 위치한 경우, 제

한적인 송전 용량을 효과적으로 활용하게 하는 역할을 하기도 한다. EES의 발전 측 용도

는 다음과 같다.

● 부하이동: 전용 에너지저장시설이 발전기가 발전을 할 때마다 에너지를 저장하며,

필요 시 계통에 에너지를 급전할 준비를 갖추고 있다. 이것은 계통 운영자에게 신

재생에너지 공급량을 예측가능하게 해주며 동시에 수요와 시차가 발생하지 않도록

해줄 수 있다. 부하이동 기능을 위해서는 EES 시설들이 상당 기간, 즉 몇 시간에서

며칠까지 대량의 에너지를 저장해야 한다. NaS 배터리는 이러한 기능에 필요한 특

성이 무엇인지를 잘 보여준다. 한 번에 몇 시간 동안 비교적 많은 양의 에너지를 효

율적으로 저장할 수 있고 또 신속히 출력 감응할 수 있어야 하며, 이는 그림 5-6에

잘 나타나 있다. 저장효율은 부하이동의 경제적 운영을 위해 매우 중요한데, 비효율

적인 저장 시설의 경우 부하이동된 에너지 상당 부분이 손실되기 때문이다. 효율은

EES 기술에 따라, 그리고 운영상황에 따라 큰 차이가 나며 이 내용은 MSB EES 보


고서에 상세히 다루어져 있다.

● 출력 스무딩/평탄화(flattening):신재생에너지 발전이 필요할 때 에너지를 생산하더

라도 신재생에너지 발전이 지닌 고유한 변동성에 따른 주파수 및 전압 변동성을 완

화하는 데 EES 자원이 이용될 수 있다. 스무딩 기능은 램핑 역량, 즉 신재생 에너지

발전소 출력 조절을 위해 전력 출력이나 흡수량을 신속히 조절할 수 있는 역량을 필

요로 한다. 신재생에너지 출력이 증가하면 EES 기술은 잉여 에너지를 신속히 저장

할 수 있어야 한다. 반대로, 출력이 급감하면 저장 시스템이 추가 전력 공급을 위해

신속히 에너지를 방출해 발전소 출력을 안정적인 상태로 유지할 수 있어야 한다. 저

장시설이 갖춰야 하는 필요 기능은 요구 사항에 따라 다르다. 어떤 경우에는 출력

스무딩만으로도 충분하지만, 어떤 경우에는 출력을 고정 값으로 유지해야 한다.(평

탄화) 발전소 차원의 출력 스무딩은 계통의 전력품질 및 보조 서비스 필요성을 줄여

준다.

● 송전 이용 효율: 신재생에너지 발전이 신재생자원의 위치에 매우 의존적이기 때문

⋮그림 5-6⋮ 배터리 출력 및 방전시간 비교(NGK)

100,000

10,000

1,000

100

10

12 4 6 80

시간[시]

시스템 출력[kW] 대용량•장시간

커패시터 플라이휠

Li-ion 배터리(고정형)

납축전지

NAS 배터리

500kW~

10,000kW 이상(여러 시간)

전기차휴대용 PC Li-ion 배터리


에 에너지를 부하로 연결시키기 위한 충분한 송전이 이루어지지 않을 수 있다.

송전이 가능하지만 체증이 심한 경우도 종종 있다. 발전 측 EES 자원은 체증이 해소될

때가지 신재생에너지 발전 시설이 송전선 이용을 대기할 수 있게 해 주어 송전용량이 더

효율적으로 사용되도록 한다.

1) 일본의 신재생에너지발전 연계에 대한 EES 지원 사례연구

2008년 JWD(Japan Wind Development Co.)는 최초의 상용 “풍력 및 NAS 배터리 하이브

리드 시스템” 가동을 시작했다(그림 5-7 및 5-8). 이 발전소는 51MW(1,500kW x 34개 유닛)의

풍력발전용 터빈과 34MW(2,000kW x 17개 유닛)의 NAS 배터리로 구성되어 있다. NAS 배

터리 애플리케이션이 수요가 많은(가격이 높은) 기간 동안 더 많은 전기를 생산하고 수요

가 적은(가격이 낮은) 기간에는 전기 생산을 줄이도록 발전소 출력을 조절한다. 출력은 시

스템 상황 때문에 필요한 경우에도 줄일 수 있다. JWD는 3개년 계획에 따라 풍력 및 EES

기술을 결합해 운영해오고 있다.

⋮그림 5-7⋮ 일본 JWD의 풍력 및 NAS 배터리 하이브리드 시스템(NGK)


5.3.3 EES의 수요 측 역할

에너지저장은 에너지 소비자들에게 많은 쓰임이 있다; 피크 기간에 계통 전기 소비를

줄이기 위한 부하이동, 계통에 연결되어 있지 않고(off-grid) 신재생에너지 전력을 쓰는 가

정이나 핵심 산업 애플리케이션, 비상 전력제공 등이 몇 가지 예이다. 그러나 이러한 용

도는 대용량 신재생에너지 연계와 관련된 구체적인 어려움을 해소한다기보다는 소비자

의 필요와 더 관련이 있다. 대용량 신재생에너지 연계와 직접적으로 관련된 수요 측 EES

기술을 찾을 때 떠오르는 딱 한 가지 중요한 유형은 바로 전기차이다.

전기차는 군집(aggregation) 특성 때문에 신재생에너지 연계에 중요하다. 전기차 한 대

는 비교적 적은 양의 에너지를 저장할 수 있지만, 계통에 동시적으로 모두 연결된 여러

대의 전기차는 언젠가는 하나의 대형 에너지저장장치, 즉 가상발전소(virtual power plant,

VPP)로 운영될 수 있다. 따라서 전기자동차 가상발전소(EVPP)는 수요가 적을 때 부하이동

및 신재생에너지 저장을 위한 다른 에너지 용도를 제공하게 되고 또 이를 방출해 피크 수

요를 충족시킬 수 있고 더불어 주파수 조정 등 운영 예비력을 제공하게 되며, 계통에 추

전력

태양열

전력

태양

광 산

출량

충전방전

NAS에 의한 스무딩 및 전력시프팅

전력

풍력

평탄 운영

에너지 시프트

이용이 많은 시간대로 충분한 용량을 이동시킴

⋮그림 5-8⋮ 간헐적 신재생에너지에 대한 보상(NGK)

간헐적 신재생에너지에 대한 보상


가되는 가변적 신재생에너지 발전이 늘어날 수 있다. 이에 대한 수요가 점차 늘어나고 있

는데 이러한 기능을 V2G(vehicle-to-grid) 시스템이라고 한다.

V2G 서비스를 제공하는 EVPP는 자동차 주인과 계통 운영자 모두의 요구를 충족시켜

야 한다. 개별 자동차들을 하나의 통제가능한 EES 자원으로 수집함으로써 EVPP는 잠재

적으로 이러한 밸런싱 활동을 수행할 수 있고, 충전 스테이션에 차량주가 대기하고 있을

필요 없이 보조 서비스를 언제든 제공할 수 있게 된다. 따라서 자동차 주인은 불편을 겪

지 않고 계통 운영자는 EVPP를 마치 기존의 보조 서비스 제공자처럼 다룰 수 있다 tec10.

전기차의 군집 특성은 또한 개별 전기자동차가 충족시키기에는 너무 높은 여러 보조 서

비스 시장의 용량 요구에 대해 이를 충족할 충분히 큰 가상 시설을 제공한다.

EVPP는 속성상 여전히 추상적이며, 본 보고서의 범위를 넘어서는 상당한 복잡함을 수반

한다. 현재 여러 모델링 작업들을 통해 EVPP의 실행가능성과 아키텍처를 검토하고 있다.

좀 더 확실하고 신재생에너지 연계에 부합하는 모델링이 덴마크 보른홀름 섬에서 이루

어지고 있다. 이 섬에는 30MW의 풍력발전원이 있는데 이는 섬 전체 부하의 22%를 차지

한다. 보른홀름 섬에서 이루어지는 EDISON 프로젝트는 전기차 충전 및 방전을 조율함으

로써 보른홀름 섬 계통의 풍력에너지 이용을 최적화하는 것을 목적으로 한다. 신재생에

너지의 계통 연계를 지원하도록 V2G 기능을 성공적으로 구현하려면 많은 새로운 기준과

계통 코드가 필요할 것이다 evf10, gcr09.

｜ 5.4 대용량 EES 애플리케이션의 기술적 필요성 ｜

EES 기술의 연계 및 시설관리 필요는 MSB EES 보고서에서 상세히 다루어져 있고, 이

러한 필요는 EES를 이용해 신재생에너지 통제를 지원해도 크게 달라지지 않는다. 따라


서 여기에서는 그 이슈를 다시 다루지 않는다. 대신, 이 장에서는 특정 전력계통상의 신

재생에너지 연계를 지원하기 위한 EES의 역할에 대한 좀 더 큰 규모의 조사에 중점을 둔

다. 다시 말해, EES 시설(계통 측, 발전 측 혹은 수요 측 VPP)의 향후 운영자가 시설 설계, 위치

선정, 이용 여부나 방법을 어떻게 정할 수 있겠는가? 어떤 유형의 저장장치를 설치하고

용량을 얼마로 할지는 해당 저장장치가 어떻게 이용될 것인지에 달려있다. 어떻게 이용

될지는 장치의 위치와 장치가 지원하는 전력계통의 세부 특성에 달려있다. 위치는 설치

되는 저장장치의 유형과 다른 미래형 발전의 입지에 달려있다.

EES 기술들은 유연적인 경향이 있다. EES 기술은 위에서 설명한 것처럼 여러 시간 단

위 안에 복수의 서비스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 가변속도 터빈이 있는 PHS 발전소

는 부하이동 기능과 주파수조정에 모두 참여할 수 있다. 그 설계사양은 부하이동에 해당

하는 운전 비중과 주파수 조정 등에 해당하는 운전 비중에 따라 달라질 것이다. 그리고

이 비중들은 전력계통의 발전 특성과 연계 상태에 따라 달라지며, 앞으로 수십 년에 걸쳐

또 크게 바뀔 것이다.

EES 기술이 다른 방법들에 의해서도 충족될 수 있는 여러 가치흐름(value stream)에 의

⋮그림 5-9⋮ 보른홀름 섬의 배전계통 및 발전소 위치evf10

Bomholm

Sweden

NexoeRoenne

Cable

132kV60kV


존할 수 있기 때문에 현재는 물론 미래까지도 전체 전력계통이라는 맥락에서 저장장치

배치 및 이용을 최적화할 필요성이 있다. 저장 최적화에 대한 연구가 이미 진행 중이지

만, 현재 다루어진 부분이나 결과가 비교적 제대로 수렴되거나 체계화되지 못했다. 2009

년에만 500편이 넘는 논문들이 모종의 방식으로 신재생에너지에 최적화 알고리즘을 적

용했지만, 논문들을 검토해보면 연구자들의 접근법이 경험적이고 매우 제각각임을 알 수

있다 oma11. 전 세계적으로, 또 상업적 규모로 쓰일 수 있도록 준비된 “최적의” 최적화 전

략은 저탄소 전력계통 계획과 관련해서는 아직 보고되지 못하고 있다.

이렇게 현재 수렴되지 못하고 있을 뿐 아니라, 몇몇 잘 알려진 저장 관련 최적화 연구를

전반적으로 검토해 보면 대체로 단순 계통이나 독립 계통 같이 잘 알려진 계통 구성에서

의 특정 유형의 저장 시설과 관련한 경제적 급전 결정을 최적화하는 데 중점을 두고 있다

ede10, mlt10, ops08, sco12, vce03. 이 연구들은 EES 시설 설치 문제를 연역적(a priori) 의사결정으

로 접근한다. 다시 말해, 저장 시설을 상정하고 나서 그 다음에 최적의 운영에 대한 결정

에 들어가는 것이다. 그렇다고 해서 그런 최적화 연구가 필요치 않다거나 유용하지 않다

는 것은 아니다. 오히려 필요하고 유용하며, 특히 기존에 있거나 예정된 EES 시설을 다루

는 계통 운영자들에게 그러하다.

그러나 좀 더 거시적인 개념의 상호심사를 거친 합의에 기반한 최적화 도구가 필요하

다. 이런 도구가 있다면 설치 전 단계에 좀 더 글로벌한 관점에서, 그리고 더 장기적 시간

단위에서 계통 내 저장시설 계획에 대한 상업적 수준의 의사결정을 지원할 수 있을 것이

다. 사실, 날로 늘어나는 변동적 신재생에너지를 수용할 글로벌 전력계통의 장기적 필요

성을 고려할 때, 우선 특정 유형의 에너지저장을 언제 어디에 배치할지를 결정하는 것이

매우 중요한 문제이다.

분산전원과 관련한 HOMER 최적화모델은 사용자가 다양한 원격, 독립, 분산 발전애플

리케이션을 위한 경제적·기술적 실행가능성을 평가할 수 있게 해주어 이러한 도구를 개

발하기 위한 잠재적 출발점이 된다 hey12.


본 보고서 전반에 걸쳐 논의된 주제들에 기반할 때, 전력회사/시설 개발자들을 위한

EES 계획수립 및 의사결정 도구는 현재와 미래 시나리오에서 다음 요소들을 고려할 수

있을 것이다:

이러한 분석은 특정 계통과 관련된 EES의 필요성에 대해 신재생에너지 연계 관련 다른

솔루션들과 비교해 더 명확한 그림을 제공해줄 뿐 아니라, 가능한 향후 용도에 대해 이해

하도록 해줄 것이다. 이런 지식을 통해 전력회사나 시설 소유자는 EES 입지, 양, 해당 기

술 사용 방법 등에 대해 정보에 기반한 의사결정을 내릴 수 있을 것이다.

｜ 5.5 요약 ｜

EES는 신재생에너지 발전의 계통 친화도 개선부터 발전 유연성 확대, 전기차의 수요반

응 제공까지, 매우 다양한 방식으로 신재생에너지 연계와 관련한 유연성 공급처가 될 수

있다. 이러한 방식들은 에너지저장의 여러 가지 계통 유연성 제공 방법 중 하나로서 단기

적인 목적에 해당한다. 중기적으로, 에너지저장은 밸런싱 및 부하이동 기능 모두를 통해

● 계통상의 신재생에너지 발전의 양과 순 가변성

● 다른 계통들과의 계통의 연계성 및 이들 간의 밸런싱 역량

● 기존 발전원에 대한 가용하며 유용한 백업 역량

● 수요 측 관리 애플리케이션 및 역량

● 운영 예비력, 전력 품질 서비스, 밸런싱 에너지에 대한 계통 비용 혹은 시장 가격

● 관련 에너지 시장에서의 부하이동/차익거래 가능성

● 다양한 EES 기술의 기술적 역량 및 유연성


송전선이 더 효과적이고 온전하게 활용될 수 있도록 하고, 이로써 신재생에너지 자원 지

역으로의 송전 확대 및 부지 선정 최적화에 도움이 된다. 장기적으로는, 에너지저장이 특

유의 근본적인 방식으로 에너지시스템 계획수립에 영향을 미칠 수 있다. 수소 및 합성천

연가스 같은 대규모 장기 에너지저장은 계절별로 생산된 신재생에너지를 여러 달 혹은

여러 해 동안 저장할 방법을 제공하고, 따라서 현재는 화석연료를 통해 해결되고 있는 급

전가능하고 통제가능한 발전 예비력을 전기저장기술이 대체할 수 있다. 이런 저장기술

에 대한 비용은 현재로서는 엄두를 낼 수 없을 만큼 비싸고 많은 계통 운영자들과 정부에

의한 기술 지원이 아직 기대에 못미치고 있다. 이와 같은 미래가 가능하려면 기술 발전과

에너지 정치의 변화가 필요할 것이다.


｜ 6.1 총론 ｜

4장과 5장에서 설명한 기술, 방법, 운영 사례의 개선 외에, 대용량 신재생에너지 발전

의 연계 확대와 더불어 전력계통 신뢰도와 안정성을 유지하기 위한 또 다른 중요한 측면

은 표준을 개선하는 것이다. IEC TC 88이 개발한 풍력발전터빈용 IEC 61400 시리즈, IEC

TC 82가 개발한 태양광 장비에 대한 IEC 60904 시리즈 등 장비 수준에서 여러 표준들이

이미 개발되었다. 이러한 표준들은 풍력 및 태양광 발전 기술 개발을 촉진하는 데 매우

중요하다. 태양열 발전소를 위한 새로운 TC인 IEC TC 116도 2011년에 수립되었다.

그러나 계통 연계에 있어 더 필요한 것은 신재생 발전소의 개별 성능과 계통에서의 신

재생 발전소의 상호작용을 규정짓는 계통 수준의 연계 표준(예를 들어, 신재생 전원의 상호

연결, 설계, 모델링, 시험, 모니터링, 제어 및 운영)이다.

태양열 발전소가 증기-터빈 동력의 동기식 발전소를 사용하고 있고 따라서 해당 표준

은 기존 화력발전소 표준을 개정해 손쉽게 얻을 수 있기 때문에, 이 장은 대용량 풍력 및

태양광 발전소와 관련한 연계 표준을 중점적으로 다룬다.

6장

대용량 신재생에너지 연계관련 표준


｜ 6.2 현재 상황 ｜

현재, 신재생에너지 연계 표준은 주로 국가나 계통 업체 수준에서 존재한다. 과거로부

터, 그리고 다른 나라로부터 얻은 경험과 교훈을 기반으로 pei12 많은 나라 혹은 계통 업체

들은 빠르게 성장하는 풍력 및 태양광 발전 수요를 충족시키기 위해 일반적인 계통 규정을

갱신하거나, 요건, 지침 같은 별도의 표준 문서들을 개발해왔다. 몇몇 주요 국가의 풍력발전

소 연계를 위한 일부 표준이 표 6-1에 정리되어 있다. 일부 계통 규정에도 태양광 발전 연계

관련 요건이 포함되어 있는데, 이는 부하는 물론 모든 유형의 발전(즉, 계통의 모든 소비자들)의

연계를 다루는 것을 목적으로 하기 때문이다. 국가, 업계 전반, 계통 업체 수준의 표준 등

중국의 풍력 및 태양광 발전을 위한 주요 연계 표준이 표 6-2에 나와 있다.

비슷한 문제를 해결하는 것이 의도이기 때문에, 국가나 계통 업체별 연계 표준의 내용

은 비슷한 경우가 많다. 예를 들어, 풍력발전소 연계 표준은 다음 측면에 대한 요건을 담

고 있다.

1) 연속 운전을 위한 전압 범위

2) 연속 운전을 위한 주파수 범위

3) 유효전력 세트포인트 및 램프 속도 통제

4) 무효전력(전력인자) 통제 및 전압 조정

5) LVRT

6) 플리커(flicker), 고조파, 전압변동 등 전력 품질


국가 발행처/발행연도 번호/버전 명칭

브라질ONS/2008 브라질 계통 규정((Procedimentos de Rede)

EPE/2009 브라질 풍력발전 확대 지침

캐나다

Manitoba Hydro/2009

버전 2 송전시스템 연계 요건

Hydro-Quebec/2009

Hydro-Québec 송전시스템으로의 발전소 연결을 위한 송전업체 요건

BCTC/2008 개정안 0 발전기 관련 60~500kV 연계 요건

CanWEA/2006 CanWEA base code

AESO Alberta/2004

개정안 0 풍력 시설 기술 요건

덴마크Elkraft System and

Eltra/2004규정 TF 3.2.5

100kV 이상의 계통 연결된 풍력터빈의 특성 관련 기술규정 및 규정

독일 E.ON Netz/2006 고압 및 초고압 계통 규정

아일랜드 EirGrid / 2009 버전 3.4 EirGrid 계통 규정

일본

Ministry of Economy, Trade

and Industry/2004전력품질 유지를 위한 계통 연계 관련 기술 요건 지침

Japan ElectricAssociation/2010

계통 연계 규정

Ministry of Economy, Trade

and Industry/2009풍력발전 시설에 관한 기술 표준을 정하는 장관 조례

Japan ElectricAssociation/2001

풍력터빈 발전기 규정

스페인 REE/2006 P. O. 12.3전력송전시스템과 발전 장비에 연결된 시설: 최소 설계

요건, 장비, 운영, 시운전, 안전

영국

National Grid Electricity

Transmission plc/2010

개정안 5, 4호 계통 규정

미국 FERC/2005RM05-4-001:

Order No. 661-A풍력 관련 연계

⋮표 6-1⋮ 몇몇 주요 국가의 풍력발전소 연계 표준 일부


그러나, 국가/계통 업체 간 차이와 계통 관리 방식의 차이 및 신재생에너지 발전의 상

이한 특징 및 개발 단계로 인해, 이러한 연계 표준은 내용의 많은 부분과 무엇보다 특정

요건의 구체적 값에 있어서 차이를 보일 수 있다. 예를 들어, 2011년 말에 발행되어 2012

년 6월 1일에 발효된 새로 갱신된 중국의 GB/T 19963-2011(GB/Z 19963-2005 대체)도 발전

소를 계통에 연결하는 회로 수, 발전 예보 및 보고서, 무효전력보상의 구성, 시뮬레이션

모델 및 파라미터 제공, 계통 운영자와의 통신, 현장테스트 보고서 제공 등에 관한 요건

을 규정한다.

발행처 번호 명칭 비고

AQSIQ GB/T 19963-2011전력계통에 대한 풍력발전 연결 관련

기술적 규칙

국가 표준,

GB/Z 19963-2005 대체

NEA NB/T 31003-2011 계통에 대한 대규모 풍력 연결을 위한 설계 규정 업계 표준

NDRC DL/T 5383-2007 풍력발전소 설계 관련 기술적 사양 업계 표준

SGCC Q/GDW 392-2009풍력발전단지를 전력계통에 연결하기 위한

기술적 규칙계통 업체 표준

SGCC Q/GDW 432-2010 풍력 급전 및 운영 관리 사양 계통 업체 표준

SGCC Q/GDW 588-2011 풍력발전 예측 관련 기능적 사양 계통 업체 표준

SGCC Q/GDW xxx-201x풍력발전단지 무효전력 구성 및 전압 통제 관련

기술적 규칙

계통 업체 표준,

승인 진행 중

SGCC Q/GDW xxx-201x 풍력발전단지 급전 및 운영정보 교환 관련 표준계통 업체 표준,

승인 진행 중

SGCC Q/GDW xxx-201x 풍력발전터빈 계통 호환성 테스트 절차계통 업체 표준,

승인 진행 중

AQSIQ,

SACGB/Z 19964-2005

전력계통에 대한 태양광발전소 연결 관련

기술적 규칙국가 표준, 개정 중

SGCC Q/GDW 480-2010전력계통에 연결된 태양광발전소 관련

기술적 규칙계통 업체 표준

SGCC Q/GDW 618-2011전력계통에 연결된 태양광발전소 관련

테스트 절차계통 업체 표준

SGCC Q/GDW xxx-201x 태양광발전소 전력 예측 관련 기술적 사양 계통 업체 표준, 승인 진행 중

⋮표 6-2⋮ 중국의 풍력 및 태양광 발전 관련 주요 연계 표준


LVRT 요건을 구체적인 예로 들면, 그림 6-1이 주요 국가나 계통 업체들 간의 차이를 보

여주고 있다. LVRT 요건 외에도 일부 국가나 계통 업체들(예: 독일의 E.ON Netz)은 또한 풍

력발전소들이 계통 전압 회복을 지원할 수 있도록 발전소 정지 기간 중에도 무효전력을

제공할 것을 의무화한다.

｜ 6.3 향후 필요성 ｜

더 많은 대용량 신재생에너지 발전 연계를 지원하기 위해서는 표준화를 위한 많은 노

력이 필요하다. 여기에서 세부적인 기술적 요건을 다루는 것은 의미가 없기 때문에 아래

에 중요한 일반적 고려사항 몇 가지를 제시한다.

1) 신재생에너지 발전 기술의 진보를 반영하고 신재생에너지의 계통 친화도를 높여 성

능이 기존 발전기에 맞먹거나 더 앞서도록 하기 위해 표준이 개발되어 지속적으로

⋮그림 6-1⋮ 주요 국가 혹은 계통 업체의 상이한 LVRT 요건 (SGCC)

-0.2-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Time (s)

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4

ELTRA & ELKRAFT E.ON Type 1 FERC REE China


업데이트되어야 한다. 예를 들어, 풍력발전소의 제로전압 라이드스루(ride-through)

제공 역량이 업계의 기준이 되어가고 있고, 고전압 라이드스루는 논의가 진행 중이

며, 관성 반응도 머지 않아 요구될 수 있다 pei12, sra12.

2) 연계 표준은 발전소 수준 혹은 연계 지점에 성능 요건을 부여해야 하며, 이런 요건

들이 신재생에너지 발전소 내에서 어떻게 충족되는지 개입해서는 안 된다. 형평성

과 단순성을 위해 신재생에너지 발전소는 기존 발전소와 동일한 방식으로 가급적

자세히 다루어져야 하나, 동시에 신재생에너지 발전이 갖는 고유의 특성들을 반영

해야 한다.

3) 연계 표준은 또한 현재 상황뿐 아니라 예상 상황, 종합적 영향 뿐만 아니라, 신재생

에너지 발전으로 기존발전이 밀려나는 것에 따른 효과도 고려해야 한다. 기존 시설

에 대한 요건을 사후적으로 수정하는 일은 어렵다 opp11 .

4) 신재생에너지 연계를 위한 전반적 계획수립, 설계, 시운전, 그리고 모델링/테스팅/

통신/모니터링/통제/발전 예측/일정 관리/급전 등의 운영 프로세스에는 연계 표

준 외에, 표준 혹은 모범사례 문서도 필요하다. 예를 들어, 2011년 8월에 SGCC가 발

생한 「풍력발전단지 전기시스템의 일반적 설계(Typical Design of Wind Farm Electrical

Systems)」 tpd11 는 연계 성능 요건을 효율적이고 비용 효과적으로 충족하기 위한 중

국 풍력발전소 관련 모듈형 설계 지침을 제공하고 있다. IEEE PES Wind and Solar

Plant Collector System Design 워킹그룹은 또한 풍력발전소 수집시스템설계에 관

한 표준 마련 활동을 개시할 예정이다 aba11 . 이 작업에서 풍력발전소의 수집시스템

은 비공식적으로 “풍력터빈발전기를 제외한 발전소의 모든 것”이라고 정의되며,

SGCC가 사용하는 “전기시스템” 개념과 비슷하다.


5) 분산형 신재생에너지 연계에서의 초기 경험이 대용량 신재생에너지 연계 표준 개발

에 유용할 수 있으나, 대용량 신재생에너지 연계는 분산형 신재생에너지 연계와 많

은 측면에서 달라 매우 다른 방식으로 다루어져야 한다. 한 예로, 비교적 소용량 태

양광 발전소에 대한 현행 표준은 대용량 사막 태양광 발전소에 적용될 수 없다. 또

다른 예는 FERC Order NO. 661-A의 LVRT 요건과 분산 자원 연계에 대한 IEEE 표

준 1547가 서로 충돌한다는 사실이다 bac11 .

6) 장비 수준의 표준 개발을 지속하는 것 외에, IEC는 계통 수준, 성능 중심의 신재생에

너지 연계 표준을 관련 국가, 지역 혹은 계통 업체 표준에 기반해 개발하려는 노력

을 해야 한다. 신재생에너지 연계와 관련된 어려움과 사례가 국가마다 크게 다르지

만, 공통된 이슈와 관심사도 많다. 이를 위해서는 전 세계적 연구, 논의, 경험 공유를

위한 플랫폼이 있어야 한다. 의사소통을 원활히 하기 위해 신재생에너지 연계와 관

련된 공통의 언어와 용어를 마련하는 것도 좋은 출발점이 될 수 있을 것이다.

7) 그 밖에 MTDC 및 DC 계통, 수요반응 등 관련 기술 내에 보조 표준 또한 필요하지만,

이것들은 간접적으로밖에 연관되어 있지 않다. 일부 경우 IEC 및 기타 표준 기구들

에는 이미 이를 다루는 그룹들이 존재한다.


｜ 7.1 결론 ｜

기후변화, 에너지 안보 및 그 외 다른 동기들에 의해 신재생에너지는 미래에 우리가 쓰

는 전기의 점점 더 많은 전력을 제공하게 될 것이다. 신재생에너지는 기회와 위기를 동시

에 제공한다. 기회는 본 보고서의 주제가 아니다. 다시 말해, 전력 구성에서 신재생에너

지의 비중이 크게 늘어날만한 마땅한 이유들이 있기에 그렇게 될 것이라는 전제는 이미

깔려 있다. 위기는 특정 신재생에너지가 가진 현재의 전력계통에 연계하기 어렵다는 측

면이다. 리스크를 야기하는 신재생에너지(및 해당 에너지의 대규모 사용)만 여기에서 다루었

는데, 그 이유는 다른 여러 에너지와 결부될 경우 세계 사회가 리스크에 대처하도록 도울

책임이 IEC에게 있기 때문이다. 문제의 신재생에너지는 바로 풍력과 태양에너지(태양광과

태양열)이고, 리스크는 이 에너지들이 대규모로 존재하면 그 변동성과 예측불가능성으로

인해 전체 전력 공급 계통이 올바로 기능하지 못하게 된다는 것이다.

우리는 더 많은 신재생에너지가 계통으로 투입될수록, 계통과 그 전기적 특성들을 통

제하고 효율적으로 운영하기가 더 어려워진다는 것을 경험했다. 리스크에는 큰 비효율성

과 낭비는 물론, 주파수와 전압 변동, 정전 등이 포함된다. 많은 것이 이미 알려져 있고 조

7장

결론 및 권장사항


치가 취해진 상태여서 관리가 되고 있으나, 이것만으로는 향후 수십 년에 걸쳐 일부 계통

에 포함될 15%, 25%, 또는 35% 규모의 신재생에너지원에 대해서 충분하지 않다. 4장은

“계통 친화적” 신재생에너지 발전과 “신재생에너지 친화적” 계통 모두가 필요하다는 것

을 보여주며, 이를 위한 몇 가지 방법들을 제시한다. 여기에는 가용 예상 에너지에 대한

예측 개선, 유연성, 공급 및 계통의 전기적 특성을 보장할 예비력, 지속적 통제를 위한 정

보와 신속한 대응, 에너지 낭비 없이 계통을 조절할 개선된 송전 역량 등이 포함된다. 여

러 방법들에 있어 변치 않는 것은 대규모 EES가 제공될 경우 이들의 적용이 더 수월해진

다는 것이며, 따라서 이 주제에 대한 IEC의 이전 백서가 이번 보고서에 매우 유용하였다.

두 가지 근본적인 결론을 도출할 수 있다. 첫째, 계통에서 대규모 신재생에너지에 대처

하기 위해 무엇이 필요할지 어느 정도 이해를 하게 되었다. 그러나 우리가 필요로 하는

것을 아직 갖추지는 못했다는 것이다. 그것이 지식이든, 실용적 경험이나 도구, 지침, 투

자이든 그것을 얻기 위해서는 상당한 노력이 필요할 것이다. 둘째, 이론적 지식이나 실용

적 경험을 알거나 혹은 경험한 사람만, 게다가 각자의 영역에서만 분리해 적용한다면 대

처는 불충분할 수 밖에 없다. 이것이 현재의 상황이며, 늘어나는 신재생 에너지를 대처하

지 못할 것이다. 대신 공동의 연구, 도구, 인프라에 기반해, 특히 공동의 규칙과 국제적 표

준에 기반해 국경과 책임소재를 넘어 다 함께 문제를 공략할 필요가 있다. 주어진 문제가

너무 복잡해 그 외의 방식으로는 성공을 거둘 수 없다.

｜ 7.2 정책입안가 및 규제담당자에 대한 권장 ｜

아래 제시한 권장사항 외에 앞서 두 건의 IEC 백서에 이미 제시된 권장사항들, 특히

MSBEES 보고서의 5.5.1, 5.5.4, 5.5.5, 5.6.2, 5.7.2와 MSB EEE 보고서의 8.2.1, 8.2.3,

8.2.9 권장사항들도 이번 사안에 여전히 유효하다.


권장 7.2.1 – 모든 주체들의 조율

대규모 신재생에너지 연계가 여러 조치, 즉 각기 다른 시간 단위와 통제 수준, 발전 라

이프사이클 상의 지점에서의 조치를 필요로 하고 다수의 공공 및 민간 주체들에 의해 도

구와 인프라가 제공되어야 하기 때문에, IEC는 정부와 정부간 기구들이 규칙을 수립하고,

표준을 마련하며, 필요한 결정을 하기 위한 단합된 노력에 모든 관련 이해당사자들을 통

합하는 책임을 질 것을 권장하고 있다.

권장 7.2.2 – 신재생에너지 연계 및 통제를 위한 단일 체계

신재생에너지원 자체, 다양한 수준의 통제센터, 중앙식/분산식 저장 등 신재생에너지

비중이 높은 계통이 갖는 각 부분들의 상호의존성 때문에 연계 규칙, 요금설정, 투자 인

센티브, 운영표준 등이 모두 조화를 이룰 단일한 체계가 필요하다. IEC는 기술적 성격과

동시에 정책 연관성을 띠며, 또 여러 경제권의 각기 다른 정책으로 인해 필요한 여지를

남겨두어야 하는 이러한 체계가 국제적 차원에서 정부 주도 하에 마련될 것을 권장한다.

권장 7.2.3 – 연계를 돕는 규제

IEC는 규제담당자들이 7.2.2 권장사항에 따른 체계와 부합하는 연계 규칙 및 인센티브

(요금책정 및 투자 관련)를 마련함으로써 신재생에너지 연계 문제의 모든 측면이 규제로 인

해 그 해결이 방해 받는 대신 장려되도록 할 것을 권장한다. 무엇보다, 규제담당자들은

현지 전력 품질을 소홀히 하지 않으면서 좀 더 넓은 범위의 밸런싱 지역(중앙 통제를 받는

완전 연결된 계통) 구현을 장려해, 합심한 운영자들이 발전의 평균 변동성을 낮출 수 있도

록 해야 한다. 규제담당자들은 또한 최고의 기술적, 공공 정책적 해결책이 동시에 재무

적으로도 가장 매력적인 해결책이 되도록 할 안정적이고 예측가능한 재무적 인센티브를

마련해야 한다.


｜ 7.3 전력회사, 업계, 연구계에 대한 권장 ｜

권장 7.3.1 – 신재생에너지의 선결조건인 송전 강화

IEC는 송전 인프라가 적절하고도 적시에, 전력회사와 신재생에너지 발전 개발자 간 협

력을 통해, 그리고 신재생에너지 비중이 급격히 증가하기 훨씬 전에 이루어져야 한다고 권

장한다. 대부분의 경우 신재생에너지 연계는 그에 부응하는 개선이 이루어지지 않고는 일

어날 수 없다. UHVAC와 (U)HVDC 기법은 실행 가능한 경우 점차 쓰임새가 커지고 있다.

권장 7.3.2 – 확률론적 예측

IEC는 결정론적 알고리즘뿐 아니라, 그간의 상황상 낯설지만 확률론적 예측 기법을 개

발하고 이를 운영하는 데 많은 노력을 기울이라고 권장한다. 예측 오류에 대한 신속 대응

능력과 결합되면 이 기법들은 전체 발전 자원의 더 나은 최적화를 보장한다.

권장 7.3.3 – 예측 및 복잡한 모델링 관련 연구

IEC는 알고리즘 통합을 위해 업계, 전력회사, 연구기관들이 이 보고서에서 그린 신재생

에너지 연계 시나리오, 특히 예측 및 계통 행동 모델링 관련 시나리오들을 개발하고, 경

험 축적 및 알고리즘 개선을 위해 빠르게 연구를 추진할 것을 권장한다.

권장 7.3.4 – 클러스터 연계 통제 관련 연구

IEC는 업계와 연구자들이 유효전력/주파수 통제, 무효전력/전압 통제, 대규모 신재생

에너지 발전 클러스터 전체에 대한 다단계 통제(발전기, 발전소, 변전소, 클러스터)와 관련한

전자공학과 기법을 개발할 것을 권장한다.


권장 7.3.5 – EES에 대한 연구

IEC는 대규모 신재생에너지 시스템의 전력계통 연계를 지원할 수 있도록 업계, 연구기

관, 전력회사들에 EES 개발에 많은 노력을 기울이도록 권장한다.

권장 7.3.6 – 수요 측에 대한 예측

IEC는 업계, 연구기관, 전력회사들이 보다 신뢰도 높은 급전 프로그램을 개발하기 위해

수요 측에 대한 모델 및 예측 기법들을 개발할 것을 권장한다.

｜ 7.4 IEC 및 산하 위원회들에 대한 권장 ｜

권장 7.4.1 – 신재생에너지 연계 체계에 대한 기술적 기여

MSB는 IEC에게 정부, 국제기구 등과 협력하고 기술적 부분의 책임을 지는 등 권장

7.2.2에서 요구한 체계 개발에 적극적으로 참여할 것을 권장한다.

권장 7.4.2 – 신재생에너지 연계 표준의 신속한 진행

MSB는 SMB가 본 보고서 6.3장에 제시된 미래 필요성 목록을 이행하되, 체계 하에서

기존의 국가/지역 표준의 조화에 특별히 관심을 기울일 것을 권장한다.

권장 7.4.3 –업계 단체들과의 신재생에너지 연계에 관한 시너지

MSB는 SMB가 TC에 전 세계 업계 차원의 발전상황을 따르도록 장려할 것을 권장한다.

여러 업계 단체들이 이 분야에 적극적이며 이 문제들에 대한 특정 견해를 담은 연구와 방

침문서들을 내놓고 있다. 표준화 노력은 이런 노력을 고려해야 한다.


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