1. 개 요

태양광 발전 사업은 소규모 분석 자원으로서 배전망에 접속되는 방식이 일반적이나, 배전망 수용성 이슈로 대용량화하여 송전망에 접속하는 방식이 활발하게 개발되고 있다.

또한 태양광 발전소는 태양광 패널에서 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 인버터 기반의 발전원으로서 인버터의 전력망 접속 시 전압 및 주파수 안정화 이슈에 대응하기 위해 스마트 인버터, 그리드 포밍 등 다양한 계통 안정화 기능을 구비하는 방향으로 발전하고 있다.

한국동서발전은 2024년 국외 162MW급 육상 태양광과 국내 100MW급 수상 태양광 발전소를 준공하였으며, Grid Code 준수 및 전력계통 안정화에 기여하기 위해 기존과 다른 제어 방식을 적용하고 있다.

본고에서는 월간 자동제어계측 독자분들께 한국동서발전이 추진한 대용량 태양광 발전소의 설계 Concept과 전력계통 연계와 관련하여 적용된 발전소 통합 제어 및 인버터 기술을 소개하고자 한다.

2. 발전소 설계 Concept

발전소 용량 설계는 국외 태양광의 경우 태양광 패널의 효율 저하, 고장 및 주파수 제어 여력 확보를 고려하여 설비 용량을 발전 용량보다 크게 설계하고, 양면형 모듈을 적용하여 태양의 각도에 따른 발전량 감소를 최소화하였다. 국내는 유휴부지를 활용하여 수상 설비를 구축하고, 흔들림에 대한 안전 확보가 우선이므로 단면형 모듈을 적용하였다.

계통 접속은 국내외 모두 접속점(POC, Point Of Connection)을 기준으로 각각 132kV 및 154kV 송전망에 연결하였으며, 인버터에서 생산된 전력을 소내 변압기를 통해 배전망 전압으로 승압하고 주 변압기를 통해서 송전망에 접속하는 방식으로 구성하였다.

국내 태양광 사례에서 주 변압기를 2개로 설계한 이유는 태양광 사업을 공동 추진한 기관과 운영 주체를 구분할 수 있도록 하기 위함이다. 접속점까지의 연결은 국외의 경우 132kV 가공선로를 채택하였고, 국내의 경우 해당 지역 수용성을 고려하여 지중으로 전력 케이블을 포설하였다.

발전소 출력제어는 국외의 경우 전력계통 운영자(급전소)에서 송출된 발전소 출력 지령을 받아 출력을 조정하는 방식을, 국내 태양광 발전소는 최대출력점에서 운전하는 방식을 적용하였다. 향후 국내 태양광 또한 출력제어가 가능하도록 인버터 기능을 보강할 계획이다.
출력제어는 인버터에 출력을 조정하는 알고리즘이 적용되어야 가능하다. 기존에 적용된 태양광 발전소에 설치된 인버터는 입사된 태양에너지를 최대한 전기에너지로 변환하기 위해 최대출력점 추종제어(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 방식을 사용한다. MPPT 제어는 태양광 모듈 DC 측 전압을 변동시키면서 최대출력점을 찾는 방식으로서 대부분 태양광 인버터에 적용된 기본 알고리즘이다.

따라서, 인버터 MPPT와 별도로 개별 인버터가 타깃 출력을 추종할 수 있는 제어 기능을 포함하도록 하였다.

3. 전력계통 연계

앞서 소개한 발전소 설계 Concept에 따라 전력계통에 연계시키기 위해서는 인버터 통합 제어와 각 인버터의 Power Reserve 제어 기능이 필요하다. 여기에서는 두 가지 기능이 모두 적용된 국외 태양광 발전소를 기준으로 설명하고자 한다.

먼저, 인버터 통합 제어는 급전소(전력계통 운영자)에서 송출한 발전소 출력 설정값을 발전소 통합 제어기(Power Plant Controller, PPC)가 수신하여 다수의 인버터를 제어하는 방식으로 작동한다. 이때 각 인버터 설정값(MW)은 인버터 제어값(%)과 인버터의 각종 측정값(Feedback)을 실시간으로 확인하여 특정 인버터의 출력이 설정값을 추종하지 못할 경우 다른 인버터로 출력을 보정할 수 있도록 제어한다.

인버터 출력이 설정값을 추종하지 못하는 경우는 태양광 모듈, 스트링 접속 불량, 인버터 고장 및 구름이 지나가면서 일부 태양광 패널에 그늘이 발생하여 출력이 감소하는 현상 등 다양한 요인이 있다. 또 감시제어반(SCADA) 통신 두절, 전압/전류 계측기 신호선 단선, 계측기(변성기) 자체 고장 등으로 급전지시를 이행할 수 없는 경우를 대비하였고, 관련 현상을 감지하여 발전소 출력을 고정 또는 정지시키는 기능을 구비하였다.

국내 전력시장운영규칙에 따르면 전력거래소 및 송배전사업자의 목표 출력(Set-point) 제어지시 이행을 위한 제어 기능 및 통신설비를 구비하도록 했다. 이때 목표출력은 발전기에 대한 출력 감소율(Ramp Down Rate, MW/min) 및 출력 상한으로 규정하고 있다. 향후 국내 태양광 발전소가 거래소 제어 지시 이행 및 계통연계 유지 조건을 충족할 수 있도록 국외 사례에서 겪은 시행착오를 토대로 인버터 제어 기술을 보강할 계획이다.

다음으로 인버터는 통합 제어기에서 수신한 타깃 출력을 추종하고, Power Reserve 제어를 통해 주파수 보상 여력을 갖는다.

그림 6의 태양광(PV) 인버터 회로 개념도의 DC/DC Converter 부분에서 DC 접압 크기를 조정하기 위해 스위칭 동작을 수행하는 전력전자 소자와 리액터를 조합하면 전류형, 커패시터를 사용하면 전압형으로 구분한다. 전류형은 리액터에 의해 과전류에 대한 내성이 우수하나, 빠른 응답이 가능한 전압형을 채택하여 Grid Code에서 요구하는 출력증감발률을 충족할 수 있다.

출력제어를 위해 고려해야 할 요소는 계통 고장 시 인버터가 정지되지 않고, 고장 제거 후 정상 출력으로 회복하는 Fault Ride Through(FRT) 조건을 동시에 충족해야 한다는 점이다.

FRT 상황에서 접속점 전압이 감소할 때 발생하는 과전류에 대하여 인버터 전력전자 소자를 보호해야 한다. 특히 전압형 인버터는 리액터에 의한 전류 제한이 곤란하므로 선행 전류 제한 알고리즘과 보호 기능을 구비해야 한다.

출력제어는 개별 인버터가 MPP(Maximum Power Point)가 아닌 PRP(Power Reserve Point)에서 운전하는 것이 핵심이다.
위 PV 인버터 제어 영역(그림 5 참조)에서  
① MPP(Maximum Power Point) : PV 측정 전압·전류로 출력을 계산하여 출력이 증가하다가 감소하는 지점을 찾아 최대 출력 감지
② L-PRP(Left Power Reserve Point) : MPP 이하에서 운전 중 주파수 변화에 Reserve 출력 공급, 전압 조정 범위를 늘려야 하므로 제어 불안정
③ R-PRP(Right Power Reserve Point) : 주파수 보상 알고리즘에 적용, FRT 모드에서 전류 제한기 필요

개별 인버터가 통합 제어기에서 수신된 타깃 출력을 R-PRP(Right Power Reserve Point) 영역에서 제어하고 있을 경우, 계통 주파수 변화에 대하여 출력 조정을 통한 보상이 가능하다. R-PRP부터 MPP까지 출력은 주파수 저하 시 출력을 증가시킬 수 있는 여력이므로 대용량 화력발전소의 Governor Free 운전 모드와 유사한 동작을 수행할 수 있다.

4. 착안 사항

국내 전력계통은 재생에너지 발전원의 간헐성, 출력제어의 한계, 인근 계통 고장 시 발전 정지 등 기술적 문제로 인하여 주파수 및 전압 불안정 위험이 높아지고 있다. 이런 위험에 대응하기 위해 전력시장운영규칙은 20MW 초과 풍력, 태양광 및 연료전지 발전기에 대한 기술 요건을 강화하고 있다.

한국동서발전이 추진 중인 국내외 대용량 태양광 발전소 사례를 통해, 즉 전력계통 기술 요건 충족을 위한 발전소 설계 개념 및 전력계통 연계 기술을 정리하면 다음과 같다.

가. 발전소 전력계통 접속점을 기준으로 급전소의 출력 지시에 따라 인버터 출력을 제어할 수 있는 통합 제어기 및 SCADA 구성
① 통합 제어기와 SCADA는 통신 및 변성기 문제를 고려하여 발전소 출력 유지 및 정지 기능 구비
② 통합 제어기는 인버터 측 설비 고장, 인버터 설치 영역 간 출력 불일치 등을 대비한 출력 보상 기능 필요

나. 개별 인버터 기술 조건
① DC/DC Converter에 커패시터가 적용된 전압형 인버터 및 FRT 상황에서 전류 제한 기능 사용
② Maximum Power Point(MPP) 및 Power Reserve Point(RPP) 모두 가능한 제어 알고리즘을 구현하여 통합 제어기의 타깃 출력 추종 및 주파수 보상 여력 확보

대용량 태양광 발전 사업과 관련된 사업 개발, 설계 및 운영 부서 담당자들의 시행착오를 줄이고, 기술 적용에 도움이 되기를 기대한다.

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