스마트 인버터로 재생에너지 변동성 해결

에기硏, 계통연계 국제규정 만족시키는 패키지형 핵심기술 개발
재생에너지 계통 안정화 지원 및 계통과의 연결-차단 모두 가능

[이투뉴스] 청정에너지 전환으로 태양광, 풍력 등 재생에너지 성장이 가파르지만 이로인한 변동성까지 커지면서 전력계통에도 부담을 주고 있다. 이런 상황에서 우리 연구진이 스마트 인버터 시스템으로 들쑥날쑥한 재생에너지 불확실성을 해결하는 기술을 개발해 눈길을 끈다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지ICT융합연구단 백종복 박사팀은 분산전원을 대상으로 강화된 국제 규정(IEEE, 전기전자공학자협회)을 만족시키는 미래형 ‘스마트 인버터’를 개발했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 기술은 전력망과 동적으로 협력하는 것은 물론 자율적으로 결정을 내려 출력제한 문제를 해결할 수 있는 패키지형 통합기술이다.

재생에너지와 같은 분산전원시스템은 전력변환장치인 인버터를 통해 전력계통에 연결된다. 그러나 햇빛이나 바람에 의존할 수밖에 없는 특성상 날씨에 따라 전력생산량 차이가 커 전압이나 주파수 변동 등 전력품질에 많은 영향을 끼친다. 특히 기존 인버터는 불시에 전압이 낮아지면 설비 보호를 위해 모든 설비를 계통에서 분리하는 수동적인 대응만 가능했다.

특히 재생에너지 생산량이 소비량보다 많을 경우 전력계통에 부담이 더욱 커진다. 실제 재생에너지 발전비중이 높은 제주도에선 2020년부터 지난해까지 모두 225회에 걸쳐 출력제한이 이뤄졌다. 올해는 풍력뿐 아니라 태양광도 출력제한을 하는 상황에 이르러 상반기에만 60회의 출력제한 조치가 내려졌다.

하지만 스마트 인버터는 계통연계 기능을 통해 분산전원의 간헐성과 변동성에 응답하며 안정성과 복원성을 강화시켜 전력품질을 향상시킬 수 있다. 이러한 기능으로 미국 등 해외에서는 안정성 증대를 위해 스마트 인버터의 계통지원 기능 의무화를 추진하고 있다.

에기연 연구진이 개발한 분산전원용 스마트 인버터는 태양광, 에너지저장장치, 연료전지 등 다양한 분산전원이 계통과 연결될 때 IEEE가 요구하는 기능 및 상호운용성을 모두 만족시키는 기술이다. 더불어 전압-유효전력(Volt-Watt)을 비롯해 전압-무효전력(Volt-Var), 주파수-유효전력(Frequency-Watt) 제어기능으로 전력계통의 전압과 주파수를 유지해 안정적인 계통을 지원한다.

여기에 계통 이상이 발생하면 연계유지 또는 분리하는 기능(라이드스루)을 제공하며, 모든 제어 알고리즘을 모듈화해 계통 상황과 조건에 따라 다양한 알고리즘의 동시 적용도 가능하다. 또 규정된 통신 프로토콜을 탑재해 상위에서 원격으로 스마트 인버터의 다양한 알고리즘을 위한 매개변수를 설정할 수 있도록 했다.

이 외에도 변동성 재생에너지와 연계 시 재생에너지 출력 평탄화(Smoothing)와 램프율 제어 기능을 갖춰 재생에너지 출력제한과 접속 한계용량 문제에 대한 해결책이 될 것으로 기대하고 있다. 특히 국내서 보조서비스 시장이 열릴 경우 다기능 운전을 통해 발전사업자의 추가 수익모델을 기대할 수 있어 경제성이 더욱 향상될 것으로 예상된다.

더 나아가 연구진은 IEEE에서 규정하는 검증 절차에 따라 개발한 스마트 인버터에 대한 평가 자동화 플랫폼도 개발했다. 이를 통해 개발 기술이 탑재된 인버터를 시험하고 평가해 신뢰성을 확보했으며, 실제로 대전 본원에 시간당 300kW 및 250kW급 스마트 인버터 설비를 구축해 실증 결과도 확보했다.

백종복 에기연 박사는 “스마트 인버터는 강화된 계통연계 규정을 만족하고 상호 운용성을 지원해 전력계통 품질향상과 발전단가 저감, 재생에너지 수용률 향상, 계통사고 대비가 가능하다”며 “기존 제품 대비 우수한 성능으로 시장경쟁을 주도할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 기술은 에너지기술연구원 기본사업 및 산업통상자원부 ESS 기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 한편 연구진은 연구성과를 활용해 재생에너지 발전사업자, 수요관리 사업자, 전력변환장치 개발사 등을 대상으로 시장과 수요처 확보전략을 수립하는 한편 전문기업과 연계해 해외 진출까지 계획하고 있다.