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이 원고는 일본《電氣評걩》誌에서 번역 전재한 것입니다.
오키나와전력㈜ 다마키마사히로(玉城正裕)
㈜도시바 다카기키쿠오(高木喜久雄)
번역 · 정리 전화영 기자
저탄소 사회를 실현하는 수단 중 하나로 꼽히는 태양광발전 설비의 대량 도입이 기대를 모은다. 앞으로는 육지에서 멀리 떨어진 섬에서도 태양광발전을 비롯한 신재생에너지 도입이 진행될 것으로 보인다. 한편, 태양광발전 등 신재생에너지는 날씨에 좌우되는 불안정한 발전 출력을 해결할 수 있는 적절한 계통 안정화 대책이 필요하다.
본고는 이러한 과제 해결에 도움이 되고자 일본 경제산업성의 보조 사업으로 채택된 '이도굒島독립형 계통 신에너지 도입 실증 사업'중에서 최대 규모인 미야코지마[宮古島] 메가 솔라 실증 연구 설비 시스템 구축에 대해 소개한다.
미야코지마 개요
미야코지마는 오키나와 본도本島에서 남서쪽으로 약 300㎞ 떨어진 곳에 위치한다. 미야코지마 시市는 미야코지마를 포함한 6개의 섬으로 이루어지며, 인구는 약 5만 5천 명이다. 섬 외부로부터 전력공급이 없는 독립 계통이다. 미야코지마 시는 2008년 3월 '에코 아일랜드 미야코지마 선언'을 하고, 2009년 1월 일본 정부가 선정한 환경 모델도시가 됐다. 미야코지마 시에서 실증한 온난화 대책 실적은 지구 온난화 방지에 공헌하는 것을 목표로 한다.
미야코지마 메가 솔라 실증 연구 설비의 설치 위치
미야코지마 메가 솔라 실증 연구 설비의 설치 위치는 <그림 1>과 같다. 현재 미야코지마에는 ▲섬의 중앙 서부에 위치한 미야코발전소, 미야코제2발전소, 미야코가스터빈발전소 등 3개 발전소(76500㎾) ▲섬 북부의 가리마타[狩俣] 지구에 있는 미야코풍력 6호기와 가리마타풍력 1, 2호기(2400㎾) ▲섬 남동부의 후쿠자토[福里] · 보라[保良] 지구에 있는 사데후네풍력 1, 2호기(1800㎾) 등이 있으며, 이들 설비에서 생산한 전력을 섬 전역에 공급한다. 이번 실증 연구 설비로 신규 태양광발전 설비(4000㎾)와 축전지(4000㎾)를 사데후네풍력 1, 2호기에 인접한 장소에 설치한다.
  제어 시스템과 통신 시스템
제어 시스템과 통신 시스템의 기본 구성은 <그림 2>와 같다. 설치하는 제어 시스템은 중앙 제어 장치와 배전 계통 제어 장치, 수요가 제어 장치 등 3계층으로 구성된다. 미야코제2발전소의 중앙 제어실에 설치한 중앙 제어 장치는 제어계 전체의 중심역할을 수행한다. 수급 · 주파수 등의 제어 기능과 각종 예측 기능 등을 보유하며, 종합적으로 미야코지마의 전력 계통을 감시 · 제어하는 장치다.
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통신 시스템은 미야코제2발전소에 설치한 중앙제어 장치를 중심으로 각 화력발전소와, 북부의 마야코풍력 6호기 및 가리마타풍력 1, 2호기에서 남동부의 실증 실험 설비까지 약 30㎞를 있는 전용 광섬유 회선을 시설했다. 제어와 계측에 필요한 각 발전소의 전체 운전량 등의 정보를 상위 전송하거나, 제어 지령이나 운전 지령 등과 같은 정보를 각 발전소로 하위 전송한다.
실증 연구 설비(태양광발전 설비)
<그림 3>은 실증 연구 설비의 접속도를 나타낸 것이다. 실증 연구 설비는 미야코지마 22㎸ 계통에 접속하는 두 개의 시스템으로 구성된다.
하나는, 태양광발전 설비 3000㎾와 병설倂設 NAS 전지 4000㎾로 이루어진 대량의 태양광발전이 미치는 영향을 실험하는 시스템이다. NAS 전지 1000㎾는 22㎸ 계통과 6.6㎸ 계통의 접속 변환이 가능한 회로로 되어 있다.
다른 하나는, 주택지 등 수요가를 상정해 일반 가정을 모의 실험한 태양광발전 설비 25채(1채당 4㎾)와 학교 등을 모의 실험한 태양광발전 설비(150㎾)로 이루어진 수요가 구역(Block) 4개를 구비한 모의 배전 계통 시스템이다. <표 1>은 수요가 구역의 태양광발전 설비 구성을 나타낸 것이다.
6.6㎸ 계통에 접속한 4개 구역 간에는 모의 선로장치가 있으며, 각각 0에서 20㎞까지 선로 긍장亘長을 모의 실험하도록 되어 있다. 또한 선로 중간 지점에 SVR(Step Voltage Regulator)을 선로 말단에 SVC(Static Var Compensator)를 설치했다.
일반 가정용에 1채당 8㎾h의 리튬 이온 전지를 25대 설치하고 4개의 수요가 구역 중 어느 구역으로든지 접속 변환이 가능하다.
모의 배전 계통의 모의 부하 장치는 수요가 각각의 집에서 소비하는 전력을 진단해 부하 패턴을 모의 실험하는 장치다.
각 장치는 LAN 경유로 수요가 제어 장치에 접속해 제어하며, 각 장치의 발생 전력이나 소비 전력등과 같은 계측 정보는 1초마다 중앙 제어 장치에 기록된다.
태양광발전 패널 | 태양광 패널의 구성은 태양광발전 설비(3000㎾)를 다결정계 1종류로 하며, 수요가 측은 일반 주택에 보급하는 태양광발전 패널이 여러 종류인 것을 상정해 다결정 2종류(500㎾+250㎾), 박막계 1종류(250㎾)로 구성했다. <표 2>는 적용한 패널 양식을 비교한 것이다.
패널 설치 시 경사도는 패널 설치 공간 제한과 태풍으로부터 패널 보호 등을 고려해 5도로 하고, 패널 가대와 설치면의 조성 각도로 기울였다.
 태양광발전용 PCS | 태양광발전 설비(3000㎾)용 PCS에는 기본 기능인 최대 전력점 추종 제어MPPT(Maximum Power Point Tracking) 외에 발전 출력 억제 기능, 전압 저하 시 불필요한 해렬(운전 정지) 방지와 전력 복구 시 고속 재기동에 대응하는 FRT(Fault Ride Through) 기능 등이 있다.
태양광발전 설비(3000㎾)에 적용하는 PCS의 단체單體성능은 최고 변환 효율 97.5%다. 일반 가정용 태양광발전 설비(4㎾)용 PCS는 일반적인 MPPT제어에다가 발전 출력 제한 기능이 있다.
NAS 전지 시스템 | 축전지는 비교적 에너지 밀도가 높고 고속으로 대응 가능한 NAS 전지를 채용했다. NAS 전지는 50㎾ 모듈 10대를 직렬로 접속한 500㎾ 시스템을 기본 단위
로 한 총 8대로 4000㎾ 출력이 가능한 구성으로 되어 있다. 500㎾ 시스템당 용량은 전지의 출력단에서 3790㎾h다.
NAS 전지시스템에는 태양광발전의 출력 변동 억제와 주파수 변동 억제, 태양광발전스케줄운전(충 · 방전계획) 기능등이있다.
  리튬 이온 전지 시스템 | 향후 이동체나 정치형定置型 축전지로서 도입이 기대되는 리튬 이온 전지로 비교적 긴 수명을 가진 SCiB™을 설치했다. 축전지반의 내부 구성은 4.2Ah의 셀을 90직렬×9병렬로 8㎾h를 구성했다. 축전지 8㎾h에는 PCS(4㎾)를 접속했다(<그림 4> 참조).
건설 상황
건설 중인 메가 솔라 설치 부지의 외관은 <그림 5>(서쪽 : 모의 수요가용 PV 쪽)와 <그림 6>(동쪽 : 메가 솔라 쪽)과 같다. 태양광 패널은 부지 조성 시 깎아낸 류큐[琉球] 석탄암을 쌓아 올려 층계로 조성한 부지 면에 약 1㎞에 걸쳐 설치했으며, 오키나와의 독특한 경관과 조화를 이루도록 했다.
태양광 패널을 제외한 각 구성 기기는 염해를 고려해 가능한 건물 안에 설치했다(<그림 7> 참조).
한편, 부지의 남쪽 도로(<그림 5>의 오른쪽)는 일본 철인 3종 경기 미야코지마 대회 코스로, 인접한 사데후네풍력 1, 2호기와 함께 앞으로 미야코지마의 재생 가능한 에너지 도입 지점의 관광명소로서도 지역 공헌에 이바지할 것으로 기대한다.
실증 연구 내용
지금까지 서술한 설비를 이용해 오키나와전력에서는 다음과 같은 실증 연구를 계획 중이며, 간단히 소개한다.
출력 변동 억제 효과 검증 | 태양광발전과 축전지를 조합함으로써 태양광발전의 급격한 출력 변동을 매끄럽게 해 태양광발전 출력을 평활하게 하는 제어기능을 검증한다. 또한 출력 변동 억제 제어에 적합한 축전지 용량을 명확히 설정한다.
주파수 변동 억제 효과 검증 | 기존 전원의 주파수 제어에다 태양광과 축전지 조합으로 인한 주파수 조정 기능을 검증한다. 또한 주파수 변동 억제 제어에 적합한 축전지 용량을 명확히 설정한다.
태양광발전 설비의 스케줄 운전 검증 | 날씨나 기온 등 기상 정보를 이용해 예측한 일사량으로부터 태양광발전 전력을 계산하고, 발전 출력 곡선을 작성한다. 예측한 발전 출력과 축전지 잔존 전기량을 통해 발전 계획을 세우고, 그 계획을 바탕으로 한 출력 운전 실현을 목표로 한다.
모의 배전 선로에서 최적 제어 계층 검증 | 모의 배전 선로에 연계한 태양광발전 설비와 축전지의 제어계층을 검증한다.
모의 선로에 연계한 축전지와 태양광발전에 대해 ① 각 수요가 측의 제어 장치가 부하 변동을 자율 제어하는 경우(계층 1), ② 배전계 제어 장치에서 일부집합체마다 제어하는 경우(계층 2), ③ 배전 계통 제어 장치에서 일괄적으로 제어하는 경우(계층 3)로 분석해 제어 계층에 따른 영향을 검증한다.
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현재 실증 설비의 운용 개시를 위해 건설 공사가 진행 중이다. 이곳에서 계통 안정화 대책에 기여하는 실험을 하고 미래 차세대 송배전 네트워크 구축에 관한 주파수 조정 대책을 검증함으로써, 이산화탄소 삭감과 전원電源비용 저감에 최선을 다하고자 한다.
미야코지마 메가 솔라 실증 연구 설비 설치 공사 완료
 일본 경제산업성 자원에너지청의 '이도 독립형 계통 신에너지 도입 실증 사업'에서 오키나와전력㈜는 4개 이도(다라마지마[多良間島], 요나구니지마[与那囯鳥], 기타다이토지마[北大東島], 미야코지마)에 마이크로 그리드 시스템을 구축하는 사업을 추진 중이다. 지난해 8월 26일 다라마지마, 9월 8일 요나구니지마, 9월 29일 기타다이토지마에 이어 10월 15일 미야코지마에 메가솔라 실증 연구 설비 설치 공사를 완료했다. 2014년 3월까지 향후 3년간 태양광발전 설비 대량 도입 시 전력 계통에 미치는 영향을 파악하는 한편, 계통 안정화 대책에 관한 실증 시험을 실시
할 예정이다.
▣ 설치 공사 및 실증 시험 일정
· 2010년 1월 측량 · 토질 조사 완료
· 2010년 4월 토목 건축 공사 개시
· 2010년 10월 설치 공사 완료
· 2010년 10월 ~ 2013년 3월 실증 시험 실시
▣ 미야코지마 외 지역에서의 마이크로 그리드 도입 설비 개요
* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다. |
<Energy News>
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