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[풍력발전의 기술 및 동향 ③] 풍력발전설비의 기술동향
2013년 11월 5일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 11월호 - 전체 보기 )

[풍력발전의 기술 및 동향 ③]
풍력발전설비의 기술동향


지구온난화 및 화석연료의 고갈화 문제로 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지가 전 세계적으로 확산되고 있다. 동일본 대지진 이후 일본에서는 에너지 정책의 전환기를 직면하고 있어 향후 신재생 에너지 부문에 있어서의 역할은 날로 커지고 있다. 한편, 이러한 자연 에너지를 이용하는 발전은 자연조건에 의해 발전 전력이 크게 변동되기 때문에 도입 확대 방안을 모색하기 위해서는 무엇보다도 변동을 최소화하여 안정화시키는 작업이 중요하다. 본고에서는 풍력발전설비의 기술동향과 풍력발전의 도입 확대를 위한 출력변동완화기술에 대해 소개한다.
 
번역·정리 김대근 기자

풍차용 발전기의 종류
풍력발전시스템의 전기적 방식 | 풍차용 발전기를 전기적 특징으로 분류한 것을 <그림 1>에 나타내었다. <그림 1>의 ①과 ②는 농형 유도발전기를 사용한 것으로 특히 ①은 계통에 직접 연계가 가능하며 간소한 구성으로 되어 있지만, 주파수에 의해 결정되는 동기 속도로 회전해야하기 때문에 풍속의 변동이 그대로 출력변동이 된다. 그리하여 1000㎾ 이하의 중소형 풍력발전기로 사용되어 오다가 최근에는 2000~3000㎾급의 풍력발전기가 주류를 이루고 있어 가변속 운전이 가능한 ④의 권선형 유도발전기와 ⑥과 ⑦의 동기발전기가 사용되고 있다.

권선형 유도발전기를 사용한 풍력발전기 | 권선형 유도발전기와 전력변환기를 조합한 타입의 회로구성을 <그림 2>에 나타냈다. 권선형 유도발전기의 회전자(2차 권선측)와 전력변환기를 슬립링Slip ring으로 접속하고 여자전류를 제어함으로써 회전수를 제어하는 타입의 종류이다.
 
동기발전기를 사용한 풍력발전기 | 동기발전기를 사용한 타입의 풍력발전기의 회로구성을 <그림 3>에 나타냈다. 발전기를 다극기로 하여 기어리스화하고, 동기발전기와 풀 컨버터에 의해 계통연계함으로써 가변속도의 범위를 크게 한 타입의 종류이다. 또한 이 타입의 발전기는 풀 컨버터 타입이기 때문에 무효전력을 공급하는 등 각종 제어기능의 고성능화를 도모했다. <그림 4>에 독일의 ENERCON사 E82/2000㎾ 풍력발전기의 기기 구성을, 그리고 <그림 5>에 야마가타현 아쿠미군 유자조(山形縣飽海郡遊佐町)에 설치한 사례를 나타냈다. 이 발전기에 영구자석을 이용하여 여자장치를 없앤 타입의 2000㎾ 풍력발전기도 일본 국내 제조업체인 일본제강소에서 제조하고 있다.
축전지를 이용한 풍력발전의 변동완화기술
축전지 병설형 풍력발전의 필요성 | 풍력발전의 출력은 풍속의 3승에 비례하기 때문에 커다란 출력변동이 발생한다. 이 출력변동은 화력·수력발전소에서의 출력 조정으로 균형을 맞추고 있지만, 도입량이 확대되면 조정력이 부족해져 계통주파수 등의 전력품질에 문제가 발생하게 된다. 이 때문에 2004년부터 자원에너지청 종합자원에너지조사회 신에너지부회에서 풍력발전계통연계대책이 검토되어, 2005년에 풍력발전계통연계대책소위원회 중간보고서에서는 축전지의 도입이 계통주파수 변동 대책에 유효하다는 것으로 나타났다. 또한, 2006년에는 도호쿠전력(東겗電力) 주식회사에서 축전지의 병설을 조건으로 한 풍력발전모집이 이루어졌다.

축전지 병설형 풍력발전시스템의 기술 요건 | 축전지 병설형 풍력발전의 기술 요건에는 2006년 도호쿠전력(東겗電力) 주식회사가 공표한 주파수변동대책에 관한 기술 요건이 있다. 이 기술 요건에는 <그림 6>에 나타난‘출력일정제어형’과 <그림 7>에 나타난‘출력변동완화제어형’의 2종류가 있다.‘ 일정출력형’은 발전계획에 근거한 출력과 풍력발전(1분 평균치)의 편차를 2% 이내로 한 것이다. 이 일정출력형 발전소는 아오모리현 롯카쇼무라에 건설되어 발전소 출력 40㎿(현재 51㎿), 풍력발전기 1.5㎿×34기 합계 51㎿, NAS전지 2㎿×17기합계34㎿로구성되어있으며,‘ 후타마타(二又) 풍력개발㈜’이 사업을 운영하고 있다. 다음으로‘출력변동완화제어형’은 임의의 시각에서 20분간 주파수 변동 대책 후 풍력발전설비합성출력(1분간 평균치)의‘최대치-최소치’를 풍력발전설비정격출력의 10% 이하로 해야 한다.(<그림 7> 참조) ㈜히타치 엔지니어링에서는 이 출력변동완화제어형 풍력발전시스템을 개발하여 아오모리현 고쇼가와라(五所川原)시에 건설했기에 이하 소개하기로 한다. 출력변동완화형 풍력발전시스템에 대해 풍력발전소의 출력변동 | 풍력발전소 출력변동의 실측 자료를 <그림 8>에 나타냈다. 이 풍력발전소는 20㎿ 규모의 윈드팜이지만 이 그림에서 나타난 것처럼 출력은 수 시간 내에 0에서 정격출력까지 변화한다. 이 변동을 기술 요건에서 정한‘20분간의 변동률’로 나타내면, 오른쪽 축과 같이 최대 80% 정도 변동하는 것을 알 수 있다. 이 변동을 축전지로 완화하는 경우에는 허용변동률이 10%이기 때문에 그 차분差分의 70%의 축전지 시스템이 필요하게 된다. 출력변동완화제어의 개요 | 출력변동완화제어의 개요를 <그림 9>에 나타내었다. 이것은 풍력발전출력에서 합성출력 목표치를 산출해 이 목표치가 되도록 축전지 시스템의 충방전제어를 통한 변동완화를 행하는 것이다. <표 1>에 변동완화제어방법의 비교 내용을 나타냈다. <표 1>의 왼쪽 그림에 나타난 것처럼 축전지의 충방전만으로 종합출력 목표치가 되도록 제어하는 경우에는 차분을 보상하기 위해 앞서 언급한 대로 대용량의 축전지 시스템이 필요하게 된다. 이번에 개발한 제어방식은 <표 1>의 오른쪽 그림과 같이 풍력발전의 출력제어기능을 사용하여 상승측의 출력변동을 축전지 시스템의 충전 가능한 변동량으로 억제한 것이다. 또한 상승측의 출력변화를 지연시켜 하강측의 변화폭을 절감시키는 효과도 있기 때문에 변동완화효과가 향상된다. 축전지의 용량은 이 제어방식에 의해 절감되며, 충방전량의 절감을 통해 축전지의 수명이 연장된다.

 


시우라 풍력발전소의 개요와 시스템 구성 | 일본 국내 최초의‘출력변동완화제어형’시우라 풍력발전소는 아오모리현 고쇼가와라시에 위치하고 있으며, 정격출력 15440㎾의 윈드팜으로서 풍력발전기 8기와 축전지 설비로 구성되어 있다.(<그림 10> <그림 12> 참조) 각 설비사양을 다음 <표 2>에 나타냈다. 축전지에는 1500Ah/셀의 납축전지가 3456개(<그림 11> 참조) 사용되고 있다. 이 납 축전지는 4500사이클(방전심도 70%) 또는 17년간의 기대수명을 보유하고 있으며, 충방전 빈도를 낮출 수 있는 제어시스템과 조합하여 사업기간인 17년간을 교환하지 않고 사용할 수 있다. 운전개시 후 약 1.5년이 경과했지만 충방전 전류량은 허용치의 70%가 되었고, 17년간 사용할 수 있다는 전망이 나왔다. 변동완화 실측 자료를 <그림 13>에 나타냈다. 본 자료는 급격하게 풍속이 상승했을 시의 상황을 나타내고 있다. 추정풍차출력(출력제어를 하지 않은 경우)은 풍속으로부터 역산하여 풍력발전기 자체에서 출력상승을 억제하지 않은 경우의 변동을 추정한 것이다. 이 그림에서와 같이 풍력발전기 자체에서 출력상승을 억제하지 않은 경우의 출력변동은 70%에까지 달하고 있으며, 이 변동을 풍력발전기 자체에서 20%까지 낮추고 축전지 시스템에서 충전하면 출력변동률이 10%로 완화될 수 있음을 알 수 있다. 만일 풍력발전기 자체에서 출력상승을 억제하지 않고 축전지 시스템만으로 완화를 시행한다면 무려 3배의 축전지를 설치해야한다. 이로 인해 풍력발전소의 건설비용은 2배가 되고 발전소의 건설은 어려워지게 된다.

Fault Ride Through 기능
유럽에서는 풍력발전의 계통연계량이 증가됨에 따라 Fault Ride Through의 기능 추가가 연계조건이 되고 있으며 일본에서도 소개가 되고 있다. 이것은 계통사고 시 전압강하에 의해 주변의 풍력발전소가 계통으로부터 해열解列돼 사고점 제거후 계통의 공급력 부족 발생으로 최악의 경우 대정전에 이르게 될 우려가 있기 때문이다. 유럽의 전력계통은 격자모양의 계통으로 강력한 계통이지만, 단락사고 시는 전압강하의 범위가 넓어지는특징이 있다. <그림 14>는 스페인의 계통으로 단락사고 발생 시의 전압 분포를 시뮬레이션을 통해 나타낸 예이다. 이 시뮬레이션의 결과, 점선으로 둘러싸인 구역이 80% 이하의 전압으로 되었다. 스페인의 연계 요건에서는 전압이 80%로 내려가면 풍력발전소를 해열시키도록 되어있기 때문에 이 지역에 설치되어 있는 풍력발전소는 순식간에 해열되고, 사고점 제거 후에도 풍력발전소의 재기동에 필요한 수 분간은 발전을 개시할 수 없다.(정격으로 해서 수 1000㎿) 이러한 경우 전력공급의 부족으로 이어지게 되고, 다른 발전설비나 프랑스로부터의 전력융통에 차질이 생기는 경우 대정전으로까지 이어질 수 있는 우려가 있다. 이러한 사태를 미연에 방지하기 위해 유럽 각국에서는 연계 요건(Grid Code)을 재검토하여 계통전압이 저하되어도 일정시간 해열하지 않고 풍력발전소를 계속 운전하도록 요구하고 있다. <그림 15>에 각국의 연계 요건에 대해 나타냈다. 각국에서의 계통사정이 다르기 때문에 각각 다른 요건들이 요구되고 있다. 이 요건들을 만족시키기 위해 Fault Ride Through라고 불리는 기능들이 필요하게 되었다. 이 기능을 갖춘 ENERCON 풍력발전시스템의 특징을 소개한다.

① 계통사고 시 최대 5초간은 계통에 연계한 상태로 운전을 계속할 수 있다.
② 그동안 발전기에서 발전된 전력은 인버터 내에 설치한 초퍼Chopper에서 소비한다.
③ 평형, 불평형의 사고 시에도 동일하게 기능한다.
④ 계통전압이 0V로 내려가도 동작한다.
⑤ 5초간의 운전모드는 5종류가 있으며, 계통의 특성에 맞춘 모드 선택이 가능하다.
 
<그림 16>은 2300㎾기에서의 실측 예를 나타낸 것이다. 이 예에서‘전압 저하 중’인 상태는 유효전력도 무효전력도 공급하지 않는 Zero Power Mode(ZPM)로 계측한 것이고, 사고 발생과 동시에 유효전력과 무효전력이 모두 0이 되며 사고 복구 후 신속하게 유효전력이 상승하고 있음을 알 수 있다.

*
이번에 소개한‘출력변동완화제어형 풍력발전시스템’은 풍력발전 자체에 출력상승을 억제하는 기능을 마련하여 발전소 출력의 소용량 축전지로 변동완화를 실현한 것이다. 향후 도입 확대에 대단히 유효한 시스템이며, Fault Ride Through의 기능 추가로 일본 국내에서도 풍력발전의 도입 촉진과 더불어 이 부분에 대해서는 앞으로 보다 구체적인 검토가 필요할 것으로 내다보고 있다. ㈜히타치 엔지니어링은 이 기술을 통해 신재생 에너지의 도입확대가 한층 진전될 것으로 기대하고 있다.

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태그 : [풍력발전의 기술 및 동향 ③] 풍력발전설비 기술동향
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