전기전자/정보통신

후지전기기보_2022.8 특집을 발간하며 (p3)

전력 안정 공급과 에너지절약에 공헌하는 전원 시스템
전력의 안정 공급의 변천과 도전
규슈공업대학 미타니 야스노리(三谷 康範) 학장

발명왕 토마스 에디슨이 전력사업을 시작한 지 140년이 흘렀다. 그 동안 니콜라 테슬라(웨스팅하우스 일렉트릭 & 매뉴팩처링(당시의 사명))와의 직류/교류 논쟁을 거쳐, 장거리 수송을 위한 고전압으로의 변환 기술에서 교류가 승리하면서 현재의 대규모 교류 전력 수송망이 구축되었다. 

한편으로 파워 일렉트로닉스 기술의 진전으로 인해 직류를 포함해 다양한 주파수를 자유자재로 다룰 수 있게 되면서 교류 베이스의 전력 계통에 직류 기술이 침투하기 시작했다. 

특히, 태양광발전이나 풍력발전으로 대표되는 자연 에너지는 상용 주파수인 50Hz, 60Hz와는 원래 관계가 없는 발전 방식이다. 이 점에서도 직류 송전의 가치가 높아지고 있다고 말할 수 있다. 또한 자연 에너지의 전국 유통을 위한 연계 송전망의 강화에서도 직류 송전 연계가 기대되고 있다.

전력 수송망은 지금까지 연계 강화를 통해 거대화, 효율화, 고신뢰화를 도모해 왔다. 그 한편으로 사고의 파급으로 대규모 정전을 여러 차례 경험하였고, 그 때마다 전력의 안정 공급책이 강화되고 관련 기술이 고도화되기 시작했다. 

한편으로 지구환경 문제의 현재화에 따라 에너지절약화, 저환경부화화가 중요한 키워드가 되었고, 전력 계통 내에서의 자연 에너지 발전이나 파워 일렉트로닉스 기기의 증가에 따라 새로운 문제가 현재화되고 있다. 

예를 들면, 교류 계통으로 맑은 날 한낮의 태양광 발전량이 증가하면서 그 만큼 수급 밸런스를 갖고 주파수를 일정하게 유지하는 역할을 담당하고 있던 화력 전원의 비율이 줄었다. 

변동 전원의 증가와 수급 조정 전원의 감소라는 양면에서 수급 조정 능력이 급격하게 저하된다. 또한 동기기(同期機)가 본래 갖고 있는 자기 안정성 기능인 동기화력(同期化力)의 저하나 회전기기의 관성력 저하로 인해 소란이 발생했을 때 안정도가 확실히 약해지고 있다. 

이 문제가 까다로운 이유는 통상의 운용 상태에서는 안정도의 저하가 쉽게 보이지 않아, 더 큰 소란이 발생했을 때 생각지도 못한 큰 영향이 발생할 우려가 있기 때문이다. 

홋카이도에서 블랙아웃이 발생한 사건이 있었다. 동기화력이나 관성력의 저하도 앞으로 지나칠 수 없는 중요한 과제가 될 것이다. 또한 저녁 무렵의 태양광 발전이 급속하게 저하되면서 수급 조정을 위해 화력발전을 급격하게 가동해야만 하는, 이른바 덕 커브 문제는 자연 에너지의 증가가 단순한 환경 부하 저감으로는 이어지지 않는다는 것을 시사하고 있다.

이러한 전원이나 기기의 다양성에 따라 불확실성은 급속하게 증가하고 있다. 한편으로, 예를 들면 전력시스템 운용 상의 최대 약점이었던 전력 저장의 관점에서는 전기자동차의 보급으로 인해 계통에 접속되는 저장 요소가 증가하고 있다. 

단순한 효과로서는 Vehicle to Home에서 볼 수 있듯이 전력 공급망의 차단으로 전력 공급이 두절돼도 전기자동차에서 전력을 공급함으로써 전력을 계속 이용할 수 있고, 그 점에서 개개의 신뢰성은 높아진다. 그 외에도 충전 시각의 조정이나 방전도 아울러 생각할 수 있다면 수급 밸런스의 조정에서도 크게 기여할 것은 확실하다.

또한 파워 일렉트로닉스 기기의 증가는 동기화력, 관성력의 저하를 초래하지만 파워 일렉트로닉스 기기의 제어 유연성을 적극적으로 사용하면, 전력의 안정 공급을 지원하는 기기를 추가하는 것도 가능해진다. 이에 관해서는 Grid Forming Inverter라는 이름으로 다양한 연구가 이루어지고 있다.

그리고 파워 일렉트로닉스 기기는 주변 상황의 변화에 대응한 유연한 제어가 가능하기 때문에 손실을 낮추기 위한 운전 방식을 형성하는 것도 용이하다. IoT(사물인터넷) 기술과 조합한 적절한 정보 획득, 제어를 통한 각종 시스템의 에너지 절약화, 전력 공급의 안정성 및 신뢰성 향상에도 크게 기여하는 멀티 기능의 실현이 가능해지기 시작했다. 

파워 일렉트로닉스 기기에 의한 전력 제어 기술의 진전과 함께 5G처럼 동시 다접속 대용량의 고신뢰 통신기술, 고성능 정보처리와 정보 트레이스 기술을 저가에 이용할 수 있는 환경이 정비되면서 지금까지 비상식이었던 것이 상식으로 전환해 갈 것이다.

에디슨이 현대의 기술 환경을 손에 넣고 다양한 주장을 했다면 전력 계통의 양상은 크게 달랐을 것이라고 생각한다. 그리고 다른 분야의 사람과 사람, 기술과 기술의 새로운 만남을 통한 이노베이션 창출의 중요성을 다시금 생각한다.

 -- 끝 --