스마트 그리드의 최신 기술과 새로운 전망

에너지 절약과 스마트 그리드 기술

쿠와야마 닌페이(Kuwayama Ninpei) 후지전기(주) 사회시스템사업본부 에너지유통사업부

수요자에게 신재생에너지와 전기자동차가 보급되어 전력 그리드에 연계되면, 전력의 흐름은 쌍방향이 된다. 전력 그리드 자체에 전력의 최적 수급제어를 하는 기능을 가지게 한 것이 스마트 그리드이다.

또한, 스마트 그리드에서는 신재생에너지를 대량으로 도입할 수 있고 지역의 에너지 자급 비율을 대폭적으로 높일 수 있게 된다. 그렇기 때문에 지진 재해 등의 광역 재해 시에 에너지 인프라가 손상을 입을 위험이 분산되어 지역의 중요 거점 등으로의 에너지 공급을 신속하게 복구할 수 있다는 장점도 생각할 수 있다.

일본에서는 이미 1980년대부터 국가와 전기 사업자의 주도 하에 전력 그리드의 고도화를 위한 각종 대처가 진행되어 왔다1). 게다가 최근의 세계적인 동향에 대응해 해외로의 에너지 인프라 수출을 타깃2)으로 한 스마트 그리드 국내 실증 사업이나 신흥국에서의 도시 인프라 구축 사업 조사 등, 각종 국가 프로젝트가 추진되고 있다.

현재 후지전기는 지금까지 축적한 전력 그리드 고도화 기술과 수요자의 에너지 절약과 교통, 물 환경 등의 사회 시스템 기술을 융합시켜 스마트 그리드에 관련한 국가의 실증 프로젝트와 해외 조사 사업에 참가해 기술 개발과 상품 라인업 확충을 진행하고 있다.

스마트 커뮤니티 실증

차세대 에너지·사회 시스템 실증 사업에의 참가

후지전기는 2010년도부터 키타큐슈시의 ‘지역 절전소를 핵심으로 한 지역에너지 매니지먼트 시스템의 개발’에 참가해 키타큐슈시 히가시다 지구를 대상으로 한 저탄소를 지향하는 마을 만들기를 진행하고 있다.

본 실증 사업은 지역에너지 매니지먼트 기술로 다음과 같은 내용의 개발, 평가를 계획하고 있다.

① 신재생에너지의 발전 예측과 수요 예측에 의거하는 최적 수급 계획

② 공장 근접 지역으로서 공장 리소스(수소와 폐열)의 이용 확대

③ 커뮤니티 설치형 축전지의 활용에 의한 전력 안정화

④ 수요자별 에너지 가시화와 가변적 가격 책정(Dynamic Pricing)

실증은 그림 1에 나타난 것처럼 대상 지역의 에너지 공급자, 수요자를 통신 네트워크로 연결해 지역에너지 매니지먼트 시스템(CEMS)이 전력, 열, 수소의 계량, 운용 계획, 수급 밸런스 제어, 전력 그리드 품질 제어를 한다. 이 실증 사업의 성과는 앞으로 해외로 전개하는 환경 조화형 스마트 시티의 모델케이스가 될 것으로 기대되고 있다.

낙도 마이크로 그리드 시스템의 구축

당사에서는 2009년부터 낙도에서의 마이크로 그리드 실증 시스템 구축에 참가하고 있다. 낙도의 독립 계통은 내연력 발전기에 의한 전력 공급이 일반적이며 발전 비용이 비싸고 CO2 배출 계수가 크다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 신재생에너지를 낙도에 대량 도입하는 것이 환경 부하의 저감과 경제성의 양면을 해결하는 것이라고 생각하고 있다.

그러나 신재생에너지의 대량 도입은 전력 계통의 전력 품질이나 공급 신뢰도의 저하를 초래해 도입에는 이들을 해결하기 위한 대책이 필수적이다. 낙도에서의 신재생에너지 도입 시의 과제를 표 1에 나타낸다3).

마이크로 그리드 시스템의 도입은 낙도에 신재생에너지를 대량 도입한 경우에 우려되는 각종 과제에 대해 유효한 해결 방법이라 할 수 있다. 그림 2에 낙도 마이크로 그리드 시스템의 기본 구성을 나타낸다.

시스템은 기설의 내연력 발전 시스템과 신재생에너지 및 전력 저장장치로 이루어지며 각각의 발생 전력과 전력 품질 평가 항목(주파수·무효 전력 등)을 센서로 계측해 고속 전송로에서 마이크로 그리드 제어 장치로 송신해 전력 저장장치의 충·방전을 제어한다.

스마트 그리드의 최신 기술

차세대 배전 시스템

전력 그리드의 말단에 위치하는 배전 계통은 배전 자동화 시스템에서의 개폐기 제어에 의해 운용 합리화와 정전 시간의 단축이 도모되어 왔다.

배전 계통에의 신재생에너지를 주체로 한 분산 전원의 도입이 진행되면 배전 계통의 조류와 전압 프로필이 시시각각 변화하기 때문에 배전 전압 제어 기능을 가지는 차세대 배전 시스템(DMS : Distribution Management System)의 개발이 필요하게 된다.

분산 전원이 대량 도입된 배전 뱅크 전체의 전압을 적정 전압 범위 내에 넣기 위해 센서 개폐기의 계측 정보를 토대로 배전 계통상의 LRTLRT(Load Ratio control Transformer), SVR(Step Voltage Regulator)의 탭 값 및 SVC(Static Var Compensator)의 전압 지령치의 최적치를 산출해 실시간으로 집중 제어한다. 그림 3에 배전 전압 제어의 개요를 나타낸다.

태양광발전을 고려한 수요 예측 시스템

후지전기는 보유하고 있는 뉴럴 네트워크(Neural Network) 기술을 이용해 태양광발전량을 일사량 등의 기상 예보 정보를 회수함으로써 예측하고, 전력 그리드 전체의 수요 예측 고정밀도화를 실현하는 연구를 실시하고 있다. 그림 4에 태양광발전을 고려한 수요 예측 시스템의 개요를 나타낸다. 또한, 특정 지점에서의 태양광발전 예측은 기상청의 격자점 값(GPV : Grid Point Value) 예보에 의한 구름양의 수치 데이터에서 일사량을 구해 위도·경도 정보, 기상 예보를 가미한 다음 예측하는 것으로 하고 있다.

신재생에너지 발전용 전력 안정화 장치

발전에서의 파워 일렉트로닉스 기술의 이용예로 전력 안정화 장치를 소개한다.

신재생에너지에 의한 발전 설비가 전력 그리드에 대량 도입되면 발전의 불안정성 때문에 전력 그리드의 주파수 제어에 영향을 미친다. 발전의 불안정성을 전력 저장장치로 보완해 출력의 안정된 발전 장치로 제어함으로써 안정적인 전력을 공급할 수 있게 된다. 이 전력을 안정화시키는 장치 구성을 그림 5에 나타낸다4).

전력 안정화 장치는 신재생에너지의 출력 변동분을 보완하도록 축전지에서 충·방전을 해 전력 그리드와의 연계점에서의 합성된 출력을 평활화 하는 것이다.

평활화의 목적은 전력 그리드의 전압 안정화와 주파수의 안정화이다. 전압의 안정화를 위해서는 유효·무효 전력 제어를 한다. 주파수의 안정화를 위해서는 단시간 변동에 대한 거버너 프리 제어, 장시간 변동에 대한 부하 주파수 제어, 또한 장주기의 변동에 대한 경제 부하 배분 제어를 한다. 전지 용량은 설비비에 크게 영향을 미치기 때문에 가능한 한 용량을 작게 하는 것이 바람직하다.

후지전기에서는 요구되는 기능을 최소의 설비 용량으로 실현하는 충·방전 제어 방식을 개발하고 있다.

스마트 미터

현재 일본에서 각 가정 등에 설치되어 있는 전력량계는 목시로 검침을 하는 아날로그식이 대부분이다.

과거부터 일반 수요자를 포함한 민생 분야에서의 에너지 절약이 이루어지지 않아 에코 포인트의 도입 등의 대책이 취해져 왔다. 작금의 수요자의 전력화, 태양광발전이나 히트 펌프의 도입이 진행되고 저압 수요자에의 계절별 시간대별의 전기 요금의 도입이 거론되어 왔다.

이러한 동향을 배경으로 2007년 무렵부터 쌍방향 통신이 가능한 스마트 미터가 개발되었다. 그림 6에 스마트 미터링 시스템의 전체 구성 이미지를 나타낸다. 스마트 미터는 수요자와의 쌍방향 통신에 의한 에너지 매니지먼트를 실현하기 위해 다음 기능이 필요하다.

① 계량·계량치 표시

② 상위 시스템과의 통신에 의한 원격 검침

③ 전력 공급 정지·정지 해제

④ 전압·전류 계측

⑤ 수요 응답 실시를 위한 주택 내 표시기와의 통신

후지전기는 표 2에 나타내는 원격 검침용 각종 통신 기술을 보유하고 있지만, 스마트 미터의 통신 방식은 다음 이유에 의해 특정 소전력 무선이 유망하다고 생각하고 있다.

① 최근 개방된 주파수 대역 때문에 간섭이 적고 또한 투과성이 좋은 것.

② 앞으로 스마트 미터는 기설 치환 수요가 많기 때문에 유선보다 무선으로의 이용이 유효한 것.

무선인 경우 단말과 기지국의 1대 1 통신만으로는 통신이 확립되지 않는 경우가 종종 있다. 그렇기 때문에 후지전기에서는 멀티 호프 통신 방식을 개발해 왔다.

일반적으로 멀티 호프 통신 방식에는 스타형, 트리형, 메쉬형이 있다. 이 중에서 접속성을 최대한 고려해 메쉬형의 응용으로 다단 중계 방식의 채용을 검토하고 있다. 이 방식은 서로의 기기끼리가 루터 기능을 가지고 있으며 중계기마다 전송처 선택·통신 상태 변화에 강하고 서로 통신 시에 동기 유지가 필요하지 않다는 점에서 대기 시간 등이 없어진다는 특징이 있다.

미래 사회에서 파워 일렉트로닉스 적용 기술

그림 7에 나타내는 ‘후지 스마트 네트워크 시스템(FSNS : Fuji Smart Network System)’은 당사가 생각하는 스마트 그리드의 장래 구성을 이미지화한 것이다. 산업, 민생 분야에서는 수요자 마이크로 그리드가 구축되어 태양광발전, 축전지 혹은 연료전지 등을 조합시킨 하이브리드 전원 장치가 도입된다. 배전 계통에서는 종래의 LRT나 SVR에 전압 안정화를 위한 SVC, 조류 제어를 위한 LBC(Loop Balance Controller) 및 신재생에너지 변동분 흡수를 위한 전력 안정화 장치 등을 조합해 지역 마이크로 그리드가 구성된다. 송전 계통에서는 구역형 안정화 장치를 설치해 지역에서의 전력 공급의 안정화를 도모한다.

스마트 그리드에서는 EMS(Energy Management System)가 스마트 미터와 배전 계통에서의 정보를 수집해 계통 전체를 감시 제어한다.

EMS는 에너지의 효율화를 실현하기 위해 기기 제어를 한다. 파워 일렉트로닉스 기기는 고속, 고정밀도로 EMS로부터의 지령에 응답함으로써 고효율의 실현을 유지하고 있다.

또한, 2011년 3월에 발생한 지진 재해의 교훈으로 자립 가능한 수요자 마이크로 그리드의 요구도 높아지고 있으며, 여기에서도 축전지나 신재생에너지를 자유자재로 제어하는 파워 일렉트로닉스 기기가 중핵을 이룰 것이라 생각하고 있다. 앞으로는 초전도 기술을 응용한 저장장치(SMES : 초전도 플라이휠)와 배전용 초전도 한류기의 실용화, 혹은 배전 계통에의 직류 적용 등, 더 나아가 파워 일렉트로닉스 기기의 전력 그리드에의 적용이 진행될 것이라 생각한다.

당사에서는 보다 스마트한 전력 그리드(FSNS)의 실현을 위해 파워 일렉트로닉스 기기를 중심으로 한 차세대 그리드 구성기기의 신뢰성 및 안전성 확보와 경제성의 성립에 대처해 나갈 생각이다.

참고 자료

1) 전기 사업의 현상 2009, 전기 사업 연합회(2010.3)

2) 산업 구조 비전 2010, 경제 산업성(2010.6)

3) 이마요시 타다토시 외 : 소규모 낙도에의 신재생에너지 도입 시의 시스템 구성의 검토, 전기학회 전력·에너지 부문 대회 논문집, ROMBUNNO. 161(2009)

4) 니이 신스케·진쯔가와 토오루 : 자연 에너지의 발전 출력 안정화 기술, 후지 시보, 80(2)(2007)