▲ 실증 중인 스마트 인버터 시스템

국내 연구진이 태양광, 풍력 등 재생에너지의 최대 문제를 해결하는 강화된 계통 연계 국제 규정을 만족시키는 스마트 인버터를 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에기연’) 에너지ICT융합연구단 백종복 박사 연구진이 재생에너지 분산전원을 대상으로 강화된 국제 규정인 IEEE1547-2018과 IEEE-1547.1-2020을 만족시키는 미래형 분산전원용 스마트 인버터 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구진이 개발한 기술은 전력계통의 불안정성을 해소하고 재생에너지 수용률을 향상시키도록 전력망과 협력하고 자율결정을 내려 출력제한 문제를 해결하는 패키지형 핵심기술이다.

재생에너지와 같은 분산전원 시스템은 전력변환장치인 인버터를 통해 전력 계통에 연결된다. 기후에 의존하는 재생에너지는 소비량에 비해 발전량이 클 경우 전압이나 주파수 변동 등의 전력 품질 문제로 계통 안정성에 영향을 미치고, 기존 인버터는 불시에 전압이 낮아지면 설비 보호를 위해 모든 설비를 계통에서 분리하는 수동 대응만이 가능했다.

하지만 스마트 인버터는 계통 연계 기능을 통해 분산전원의 간헐성과 변동성에 응하며 안정성과 복원성을 강화해 전력품질을 향상시킨다. 미국 등 해외에서는 안정성 증대를 위해 스마트 인버터의 계통지원 기능 보유 의무화를 추진, 전력시스템의 품질 보장을 위한 IEEE-1547과 같은 국제표준 개정으로 분산전원 계통 연계기준도 강화되고 있다.

연구진이 개발한 분산전원용 스마트 인버터 기술은 태양광, 에너지저장장치, 연료전지 등 다양한 분산전원이 IEEE 1547-2018의 계통연계 규정에서 요구하는 기능성과 상호운용성을 모두 만족시킨다.

이 기술은 전압-유효전력 제어기능(Volt-Watt), 전압-무효전력 제어기능(Volt-Var), 주파수-유효전력 제어기능(Frequency-Watt)으로 전력계통의 전압과 주파수를 유지해 안정적인 계통 공급을 지원한다. 라이드스루(Ride-through) 기능은 계통 이상 시, 계통과 분산전원의 연계유지 또는 분리하는 기능을 제공해 계통연계 규정을 만족시켰다. 또, 모든 제어 알고리즘을 모듈화해 계통 상황과 조건에 따라 다양한 알고리즘의 동시적용이 가능하다.

연구진은 IEEE 1547-2018 규정에서 요구하는 상호운용성을 위해 규정된 통신 프로토콜인 SunSpec Modbus를 탑재해 상위에서 원격으로 스마트 인버터의 다양한 알고리즘을 위한 매개변수를 설정 할 수 있도록 했다.

이외에도 변동성 재생에너지와 연계 시, 재생에너지 출력 평탄화(Smoothing)와 램프율(Ramp rata) 제어 기능은 재생에너지의 극심한 간헐성 및 출력 변동성 완화시킬 수 있어 문제가 되고 있는 재생에너지 출력제한과 접속 한계용량 문제에 대한 해결책이 될 수 있다. 무엇보다 국내에서도 보조서비스 시장이 열릴 경우 발전사업자들에게는 다기능 운전을 통해 추가적인 수익모델을 기대할 수도 있어 경제성이 더욱 향상될 것으로 예상된다.

더 나아가 연구진은 IEEE Std 1547.1-2020에서 규정하는 검증 절차에 따라 개발한 스마트 인버터를 검증하기 위한 평가 자동화 플랫폼을 개발했다. 이를 통해 스마트 인버터 기술이 탑재된 인버터를 시험하고 평가해 신뢰성을 확보했으며, 실제로 에너지연 대전 본원에 스마트 인버터 기술이 탑재된 300kWh/250kW급 실증설비를 구축해 실증 결과도 확보했다.

연구책임자인 백종복 박사는 “스마트 인버터 핵심기술은 강화된 계통연계 규정을 만족하고 상호 운용성을 지원하는 기술로 전력 계통 품질향상, 발전단가 저감, 재생에너지 수용률 향상, 계통사고 사전 대비가 가능하다”며, “기존 제품 대비 우수한 성능으로 시장경쟁을 주도할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

▲ 이번 연구를 통해 개발한 분산전원용 스마트 인버터 기술의 핵심 개념도