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2017년 11월 24일 (금)
     
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공공하수처리시설 신재생에너지전원과 상용전력의 계통연계에 관한 고찰

한국환경공단 영남지역본부 김상민

 

1. 배 경


  최근 공공하수처리시설에서는 고유가 및 기후변화 등에 대응하기 위하여 태양광, 소수력, 연료전지 등의 신재생에너지 발전시설을 다각도로 도입하고 있으며 우리공단(이사장 박승환)에서도 환경기술개발 및 지원에 관한 법률 등의 환경 관련법에 의거하여 기술진단을 수행하면서 신재생에너지 발전시설에 대한 기술지원 방법을 다각적으로 검토하고 있다.
 신재생에너지 전원는 원자력, 대규모화력 발전 등과 달리 전력수요지 인근에 분산되어 설치되므로 다른 소규모 발전설비와 더불어 분산형전원이라 한다. 본 고에서는 신재생에너지전원(이하 분산형전원)과 상용전력의 계통연계에 관하여 기술적인 고찰을 해보았다.

 

2. 분산형전원 계통연계 시 고려사항


2.1 전압변동


 분산형전원이 공통접속점에 투입 시 투입지점 부근의 전압이 상승하여 전력품질의 저하가 발생 할 우려가 있다.
 대책으로는 자동전압 조정장치 설치, 배전선로 재설계 등이 있고 관리기준은 해당수용가의 전압과 해당발전설비로 인하여 기타수용가의 표본측정지점에서의 전압이 [표 1]의 표준전압에 대한 전압유지 범위를 벗어나지 않도록 한다.
【표1】표준전압의 전압유지 범위

표준전압(V)

전압유지범위(V)

특고압

13,200/22,900

12,000 - 13,800 / 20,800 - 23,800

저 압

220

207 - 233

380

342 - 418

 

2.2 보호협조


 분산형전원 또는 상용계통의 고장 발생 시 신속하게 고장구간을 제외시키고 사고의 파급을 방지하기 위하여 보호협조를 실시하여야 한다. 기존의 배전계통 Recloser는 순시동작이나 지연동작, 구분개폐기의 동작, Recloser 간의 협조 등이 그 배전선로의 부하의 특성과 선로의 조건에 맞게 설치되어 있다.   따라서 분산형전원의 계통연계로 인하여 기존 보호장치들 간의 보호협조를 수정하는 것은 배전선로의 부하 등에 영향을 미쳐 계통의 신뢰도나 전력품질을 떨어뜨릴 가능성이 있다.
 대책으로는 분산형전원의 고장으로 인한 영향이 연계 계통으로 파급되지 않도록 해당 계통과 신속히 분리하는 설비를 갖추어야 하고, 분산형전원 발․변전설비의 보호도면과 제어도면은 사전에 한전과 협의하여 보호협조체계를 구성한다.


2.3 단독운전


 어떤 원인으로 연계선로가 차단되거나 조작됨으로 인하여 분산형전원과 전력회사 전원계통과의 연계가 분리되는 경우에 분산형전원측이 일부 부하와 함께 단독계통을 이루어 운전되는 것을 단독운전이라 한다. 이때 상용계통 전력복귀 시 분산형전원과 위상차에 의한 단락, 탈조 및 운전원 안전 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
 대책으로는 단독운전방지를 위하여 상용계통과 병렬운전되고 있는 분산형전원은 공통접속점 상용계통측에서의 전압강하 또는 정전을 감지한 후 적정시간이내에 계통으로부터 분리하여야 하며, 분리는 분산형전원이 상용계통의 보호계전기의 최단재폐로시간보다 먼저 분리될 수 있을 만큼 충분히 신속하게 이루어져야 한다.
 단독운전방지를 위한 제안하는 저압 및 특고압연계시 설비대책을 요약하면 [표 2]와 같다.

【표2】단독운전 설비대책

저압 연계

특고압 연계

역조류 있는 경우

저전압/과전압, 주파수하락/상승 검출기능(역변환장치에 내장)

• 옥외개폐기 설치

• 저전압/과전압계전기 설치

• 주파수하락/상승계전기 설치

전송차단장치 또는 단독운전 검출 기능 설치

역조류 없는 경우

• 역전력 검출기능

• 주파수하락 검출기능

• 역전력 계전기 설치

• 주파수하락 계전기 설치


 

2.4 고조파


 분산형전원 중 특성상 직류 및 교류로 변환하는 설비의 경우 고조파를 발생할 우려가 있고 고조파가 계통전원에 유입될 경우 전력기기의 과열 및 제어기기 오동작 등 많은 문제를 발생시킬 수 있다.
 대책으로는 Filter 설치, PWM 방식의 채용 등이 있고 분산형전원에 의한 고조파영향을 제한하기 위해서는 연계계통으로 유출되는 고조파전류에 대한 제한치를 두어 관리한다.
 고조파 관리 시 전압왜형율은 전력회사에서 계통운용에 필요한 관리 목표치이며, 전류왜형율은 각 전기설비로부터 전력계통에 유출되는 고조파전류를 억제하기 위하여 관리하는 값이므로, 분산형전원으로부터 연계계통에 유출되는 고조파전류의 기준치로서 현재 국제적으로 통용되고 있는 IEEE P1547과 IEEE 519에서 규정한 고조파전류값을 적용하여 TDD(Total Demand Distortion)를 고조파지수로 활용한다.
 TDD는 다음과 같이 정의된다.
    


 

 【표3】전류(I)에 대한 백분율로 나타낸 최대 고조파전류 왜형

고조파 차수

h<11

11≤h<17

17≤h<23

23≤h<35

35≤h

TDD

비율

4.0

2.0

1.5

0.6

0.3

5.0

   ※ 짝수고조파는 위의 홀수고조파의 25% 이하로 한다.

2.5 역률

 공통접속점에서의 역률은 분산형전원의 정상적인 운전상태 및 부하상태 시 상용계통측에서 분산형전원 설치 수용가를 바라본 역률을 의미한다.    또한 공통접속점의 역률은 분산형전원 출력과 수용가 부하를 합한 종합역률을 의미하며 역률 저하 시 배전선 및 변압기 손실증가, 설비여유도 감소 등의 문제가 있다.
 대책으로는 적정한 전력용 콘덴서를 투입 또는 차단 할 수 있고, 분산형전원을 공통접속점에서의 전압조절을 위하여 공통접속점에서의 전체역률이 진상이 되지 않는 범위 내에서 진상운전도 가능하다.

2.6 상불평형
 분산형전원의 투입으로 상불평형이 발생하면 중성선에 불평형 전류가 흐르게 되어 중성점 전위상승으로 인한 전동기 또는 제어기기 오동작 등의 우려가 있다.
 대책으로는 전력선의 충분한 연가, Cross-Bonding 접지, 전력선 Shield의 편단 접지 등이 있다.


2.7 주파수
 계통에 연계되는 수용가의 분산형전원의 상시 주파수가 59.8Hz~60.2Hz 내의 적정범위를 유지하여야 한다. 특히 다수의 분산형전원이 동시에 출력이 Zero가 되는 경우 주파수저하가 발생할 우려가 있다.
 대책으로는 분산형전원 운전을 적절히 하여야하고 UFR 등을 설치하여 주파수허용치를 유지하지 못할 경우, 상용계통으로부터 분산형전원을 분리 한다.

2.8 단락전류
 계통에 단락사고 발생 시 연계되어 있는 분산형전원의 단락전류에 의하여 계통 단락용량이 상승 할 우려가 있다.
 대책으로는 분산형전원 발전설비의 설치 시 단락전류를 제한하는 장치(한류리액터 등)를 설치한다.

2.9 플리커
 계통에 연계되는 발전설비의 출력변동이 주원인으로서 조명등의 깜박임, 자동제어기기의 오동작 등이 발생할 우려가 있다.
 대책으로는 SVC 등 무효전력보상장치를 설치하고 관리기준인 플리커 가혹도 지수는 특고압 계통 연계지점에서 단시간(10분) Epsti는 0.35 이하로, 장시간(2시간) Eplti는 0.25 이하로 제한하여야 하며, 저압계통 연계는 이에 준한다.


             Epsti ≤ 0.35 (단시간 : 10분)
             Eplti ≤ 0.25 (장시간 : 2시간)


※ Epsti : Emission Perceptin Short Term Index(각수용가별 플리커 단기간 배출허용치, 10분)
    Eplti : Emission Perceptin Long Term Index (각수용가별 플리커 장기간 배출허용치, 2시간)

 

 

3. 결론


 자원이 부족한 우리나라에서 신재생에너지 발전기술의 향상은 너무나도 당연한 과제라 할 수 있을 것이다. 이에 공공하수처리시설에서의 신재생에너지발전설비 설치는 경제성을 추구하기에 앞서 시장의 활성화측면에서 정부가 정책적으로 접근할 필요가 있어 보인다.
 아직은 신재생에너지발전이 경제성을 따지기에는 다소 부족한 점이 있으나 향후 시장이 활성화되면 성능이 나아지고 효율이 개선된 제품들이 생산되면서 경제성 또한 점차 나아질 것이다.
 이미 진행되고 있는 기후변화와 멀지 않은 미래에 닥쳐올 자원의 고갈에 대응하기 위해서는 신재생에너지발전은 적극 추진하지 않으면 안 될 국가백년지 대계이므로 향후 보다 많은 예산과 인력 뒷받침 되어야 할 것으로 생각한다.

 

 

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기사입력 : 2011-12-27 16:21:32