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[랩큐멘터리]기후변화 시대 믿고 맡길 차세대 전력시스템을 설계한다

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[랩큐멘터리]기후변화 시대 믿고 맡길 차세대 전력시스템을 설계한다

2021.09.15 14:30
 

지구 온난화로 인한 기후변화로 전 세계적으로 탄소중립 실현을 위한 움직임이 거세다. 지구 온난화 주범으로 꼽히는 화석 연료 사용을 줄이는 일이 가장 먼저 선행되고 있다. 화석 연료는 주로 전기를 생산하는 데 이용된다. 이에 따라 화석 연료를 대체해 전기 생산을 하는 풍력과 태양광 발전 등 신재생 발전원의 보급이 늘고 있다. 전북 새만금에 설치된 풍력발전기들이 그 예시다.

 

정부는 여기에 더해  전북 새만금에 2.4GW(기가와트) 규모의 풍력발전단지 개발을 짓는 방안을 추진하고 있다. 서울의 전체 가구수에 절반에 이르는 약 224만 가구에 동시에 전력을 공급할 수 있는 막대한 양이다. 이런 대규모 풍력발전단지는 안정적으로 연계하는 기술이 핵심이다. 풍력 발전량은 출력 변동이 크고 불확실성이 크다 보니 적절한 제어 기술이 없을 경우 전력 품질이 떨어지거나 대규모 정전 사태로 이어진다.

 

김영진 포스텍 전자전기공학과 교수가 이끄는 에너지시스템연구실은 대규모 풍력발전단지의 안정적 연계의 기반이 되는 제어 기술을 개발하고 있다. 전력시스템의 물리적 특성과 데이터 분석을 바탕으로 최적의 운영과 제어 알고리즘을 찾아내는 것이다.

 

포스텍 에너지시스템연구실을 이끄는 김영진 전기전자공학과 교수
포스텍 에너지시스템연구실을 이끄는 김영진 전기전자공학과 교수

연구팀은 대규모 풍력발전단지의 안정적 연계를 위해 분산형 제어기술을 개발했다. 실증 인프라를 통한 검증이 어려운 전력 시스템의 특성을 고려해 연구실에 하드웨어 연계 실시간 시뮬레이션(PHILS)을 구축했다. 그리고 통신 시간 지연에 따라 야기될 수 있는 전력 시스템의 불안전성과 불확실성을 제어하는 방법을 찾았다. 그 결과 800MW(메가와트) 규모의 풍력발전단지 연계에 따른 전력망 주파수 변동량을 기존보다 60% 이상 감소시키는 데 성공했다. 풍력발전기 사이 안정적 연계의 기반을 만든 것이다.

 

연구팀은 전력시스템을 효율적이고 안정적으로 운영하는 기술을 구현하는 것 외에도 전력 데이터를 수집하고 이를 활용해 발전 설비를 디지털 트윈 모델로 만드는 연구도 진행하고 있다. 연구팀은 김 교수가 포스텍에 부임한 2016년 9월부터 현재까지 약 30편의 논문을 발표하는 성과를 냈다. 국내 특허 15건과 해외 특허 5건을 출원∙등록했고, 2019년과 2020년을 합쳐 전력시스템 분야 최대 학회인 대한전기학회에서 총 6편의 논문에 대한 우수논문상을 받았다.

 

김 교수는 “전력시스템에서 일어난 단 한 번의 고장은 사회 전반에 걸쳐 막대한 피해를 야기할 수 있으며 관련 연구는 실제 운영 중인 사회 인프라를 대상으로 하므로 큰 책임감이 요구된다“며 “하지만 효율성과 신뢰성 향상이라는 성과를 냈을 때 매우 보람이 크며 기존의 수학 모델링 기법 뿐 아니라 빅데이터와 인공지능(AI) 등 첨단 기술을 실제 시스템에 적용해볼 수 있어 매력적”이라고 강조했다.

 

 

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다. 동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 수요일 소개합니다.

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