1. 재생에너지 중심 전력망에서
관성 자원의 필요성
 
태양광과 풍력 발전 비중이 증가함에 따라 관성 부족(기존 전력계통에서 문제 되지 않음)으로 인한 전력계통 사고가 증가하고 있다. 대표적 사례가 2016년 발생한 남호주(South Australia) 정전 사고다.[1] 당시 폭풍우로 송전탑이 붕괴하고 송전선로 고장이 발생하면서, 관성 자원이 부족했던 해당 지역의 계통 주파수가 급격히 하락해 주 전체가 블랙아웃(Blackout)에 빠졌다.

IEA(국제에너지기구)에서는 재생에너지 비중이 일정 수준을 넘어설 경우, 표 1과 같이 전력계통에 관성 자원 확보를 권고한다.[2] 이에 따라 재생에너지 도입이 빨랐던 호주, 미국, 유럽은 2010년 중반부터 동기조상기를 적극적으로 계통에 도입하고 있다.
우리나라에서도 재생에너지 발전 비중이 지속적으로 확대 추세에 있으며, 올해 발표된 11차 전력수급기본계획에서 전력계통 관성 자원으로서 동기조상기의 필요성과 도입 계획을 명시하고 있다.[3]

본고에서는 재생에너지 중심 전력망에서 동기조상기의 역할과 관성 자원 공급 원리 그리고 국내외 기술 및 시장 동향을 소개하고자 한다.

2. 동기조상기

과거 재생에너지 비중이 작을 때는 관성 자원부족 문제가 주목받지 않았다. 이는 화력발전소의 터빈-발전기에서 전력계통에 필요한 회전 관성을 제공했기 때문이다. 그러나 이산화탄소 배출 규제로 인해 노후 석탄화력발전소가 폐지되면서, 기존 관성 자원이 점차 전력계통에서 감소한다.

동기조상기는 발전기와 동일한 구조를 가지며, 전력계통의 에너지로 운전하게 되는 기기이다. 발전기와 동기조상기 구동 원리는 그림 2와 같다.

발전기의 경우 보일러와 터빈에서 변환된 기계적 에너지가 발전기 내부의 자기장을 통해 전기에너지로 변환되며, 전력계통에 필요한 전력을 공급한다. 이때 발전기의 고정체는 전력계통과 연결되어 있으며, 발전기 회전체는 자기장을 통해 전력계통과 연결되어 전력계통 주파수와 같은 속도로 회전한다. 발전소의 대형 발전기를 동기 발전기라고도 불리는데, 발전기 회전속도가 전력계통 주파수와 동일하여 붙여진 이름이다.

동기조상기는 발전기와 동일한 내부 구조를 가지며, 전력계통의 전력을 공급받아 회전한다. 평상시 전력계통과 동일한 주파수로 운전되며, 회전자 권선(Field Winding)을 통해 자기장 세기를 조절하며 전력계통 전압을 제어하는 역할을 수행한다. 동기조상기의 회전체도 자기장이라는 매개체를 통해 전력계통과 연결한 상태로 운전된다.
  

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3. 동기조상기의 관성 공급 원리
 일상에서 관성을 쉽게 체감할 수 있는 쉬운 예로는 시속 60km/h로 이동 중인 버스가 급정거할 때 탑승객이 앞으로 쏠리는 현상이다. 이는 물체가 기존 운동 상태를 유지하려는 관성 때문이다.
전력계통에서도 동일한 원리가 적용된다. 정상 운전 상태에서 전력계통과 동기조상기 회전체는 모두 60Hz로 운전된다. 만약 계통 사고로 인해 전력계통 주파수가 58Hz로 급락하더라도, 동기조상기 회전체는 회전 관성으로 인해 기존 60Hz 속도를 유지하려고 한다. 회전체와 전력계통은 자기장으로 연결되어 있으므로, 동기조상기는 회전체의 관성 에너지를 전력계통에 공급해 전력계통 주파수 급락을 완화한다.

특히 60Hz, 2극 동기조상기는 한 바퀴(360°) 회전에 16.7ms의 시간이 소요된다. 계통 주파수가 급락하더라도 수 ms 이내에 관성 에너지를 전력계통에 공급할 수 있기 때문에, 동기조상기가 없는 계통보다 주파수 변화율(ROCOF: Rate of Change of Frequency)을 줄일 수 있다.

동기조상기를 통하여 관성을 공급할 때의 장점은 다음과 같다
1) 빠른 반응 속도  : 전력계통과 회전체가 동기 운전 중 계통 주파수가 떨어지면, 회전체는 자기장을 통해 즉시  계통 주파수를 보완한다. 이 과정은
수 ms 이내에 이루어져 계통 안정성 향상에 크게 기여한다.

2) 우수한 안정성  : 동기조상기는 계통 사고 감지·계산·제어 과정 없이 전력계통과 자기장 연결만으로 관성을 즉시 공급할 수 있다. 따라서 전력계통 사고 시에도 안정적으로 관성 자원을 제공할 수 있다.
   
4. 국내외 시장 동향
동기조상기는 1920년대부터 장거리 송전선 전압을 제어 목적으로 운영됐다.[4] 초기에는 자기장의 세기를 조절하여 무효전력을 조절하는 용도로 사용되었으나, 전력반도체 기술의 발달로 경쟁력을 잃으며 활용 빈도가 줄었다. 그러나 최근 재생에너지 증가로 관성 자원 확보의 필요성이 커지면서 다시 주목받고 있다.

유럽과 미국은 2010년대부터 관성 자원으로서 동기조상기를 전력계통에서 설치했고, 수요에 맞추어 대형 발전기 제작사들도 발전기 제작 기술을 바탕으로 동기조상기를 개발·제작했으며, 최근에는 관성 에너지를 증가시키기 위하여 플라이휠이 도입된 모델까지 공급하고 있다.[5]
국내에서는 한국전력이 제주도에 50MVar급 동기조상기 2호기를 운영 중이며, 제주 전력망의 관성 에너지를 확보하기 위한 플라이휠 동기조상기를 도입하는 프로젝트를 진행 중이다.[6] 그러나 전력계통에 적용할 50MVar급 이상의 대형 동기조상기를 자체 제작 및 공급할 수 있는 국내 제작사는 아직 없다.

11차 전력수급기본계획에 의하면 2038년까지 32GWs의 동기조상기를 우리나라 전력망에 확보해야 한다.[3] 이에 따라 국내 발전기 제작사에서도 동기조상기 설계·제작 기술을 확보해 계통 안정성에 기여하고, 세계시장에서 경쟁력을 갖추기를 기대한다.

<참고문헌>
[1] 남부 호주 대규모 정전 사태, ‘풍력발전소 4곳 법정으로…’, SBS Korean, 2019.7
[2] World Energy Outlook 2018, International Energy Agency, 2018
[3] 제11차 전력수급기본계획 공고, 산업통상자원부, 2025.3
[4] How a Steam-Era Machine Can Upgrade the 21st-Century Eletric Grid,Ge Vernova, 2025.5.20
[5] Synchronous condensers have critical, evolving role in maintaining grid stability, Renewables Now, 2025.7.25
[6] 제주 전력망 안정화를 위해 ABB 동기조상기 시스템 적용, 뉴스와이어, 2024.9.2

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