2030년까지 재생 에너지의 발전량 비중을 20%까지 높이는 재생 에너지 3020 정책이 발표됐지만 현재 기술로는 달성할 수 없다. 또한, 국내·외로 신재생 에너지의 발전량 확대를 위한 프로젝트 및 에너지 정책들이 발표되고 있지만, 기존 전력기술로는 한계가 존재한다. 따라서 이를 해결하기 위해 새로운 친환경 미래 전력망의 제어 및 운영에 대한 원천기술 확보가 절실한 상황이다. 필자는 최근 연구를 통해 재생 에너지 기반 친환경 미래 전력망의 안정도 이론을 새롭게 확립하고, 시각 동기화 기반의 재생 에너지원 제어를 통한 전력운영 기술을 세계 최초로 개발해 검증했다.

연구는 크게 GPS 시각 동기화 기반의 다중 마이크로그리드* 연계기술과 운영기술로 나눌 수 있다. 먼저 연계기술은 동기위상측정장치(Phasor Measurement Unit, PMU)을 기반으로 한 마이크로그리드 간 전압, 위상, 주파수 동기화를 통해 다수의 재생에너지 발전원이 연계된 전력계통의 안정도 해석과 제어를 가능하게 했다. 운용기술로는 풍력 관성 제어 기반 마이크로그리드 최적 조류 운영, 분산전원/에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS) 운용 효율 최적화, 컨버터 위상제어 기반 연계선 (Tie-line) 전력거래 및 마이크로그리드 내 고립운전 시 에너지 관리시스템(Energy Management System, EMS) 운영을 가능하도록 했다.

위와 같은 원천기술 개발을 통해 친환경 재생에너지 발전원을 기반으로 하는 친환경 미래 전력망의 시스템 구축, 운영과 관련된 획기적인 패러다임을 제시했고 수학적 분석을 통한 안정성 검증, 알고리즘 개발 및 실시간 테스트 검증을 통해 결과의 신뢰성을 검증했다. 또한 기존 마이크로그리드 기술은 관성 확보를 위해 상위 전력계통과의 연계 또는 디젤 동기발전기 운영이 필수적인데 이는 환경 문제를 초래하고 막대한 운영비가 발생해 경제성이 떨어진다. 반면 이번 연구에서는 순수 재생에너지 전원 기반의 전력계통 운영에 필수적인 컨버터 제어에 GPS 시각 동기화 기술을 접목해, 친환경 미래 전력망의 안정적인 운영을 가능하게 했다.

연구 성과물로 산업체에 2개의 핵심 원천기술을 기술 이전하였으며, 국내 특허 등록 7건 및 미국 특허 등록 2건을 달성했다. 또한 SCI 국제논문 5편 출판 및 28편의 학회 논문을 발표하였고, 총 2건의 학술상 및 1건의 산업통상자원부 장관상을 받는 등 우수한 실적을 달성했다. 또한, 에너지 자립섬과 같은 친환경 마이크로그리드 내 분산전원 계통연계 국내 기준 수립에 관한 연구도 한국전력공사와 함께 진행하는 기회를 가질 수 있었다.

개발된 신기술을 통해 향후 친환경 미래 전력망의 분산전원 운영 및 비상시 전력계통 유지방안과 재생에너지 기반 에너지 자립섬과 같은 특수한 계통운영에도 해결책을 제시하고, 마이크로그리드 간 연계를 통한 안정성 확보와 군사용 독립 마이크로그리드의 유연한 운영에도 적용이 가능할 것으로 판단된다. 앞으로 하드웨어 개발 및 실증을 통해 연구개발의 완성도를 더욱 높일 수 있기를 기대하며, 이번 개발 기술을 통해 국내 3020 에너지 목표 달성에 조그마한 기여가 되기를 기대하는 바다.

*마이크로그리드: 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 일방향 시스템의 기존 전력시스템과 달리, 독립된 분산 전원을 중심으로 국소적인 전력 공급 및 저장 시스템을 갖춰 개인이 전력을 생산해 저장하거나 소비할 수 있는 형태.