중국남방전력망공사는 "탄소 정점 달성, 탄소 중립화" 목표 달성 및 신전력 시스템 구축을 위해 2030년까지 남부 지역에 신전력 시스템을 기본적으로 구축하고, 2060년까지 신전력 시스템을 전면 구축할 것을 명확히 제시했습니다. 이 과정에서 양수 발전 사업을 적극적으로 추진할 것입니다. "제14차, 제15차, 제16차 5개년 계획" 기간 동안 각각 600만 킬로와트, 1,500만 킬로와트, 1,500만 킬로와트의 설비 용량을 늘릴 계획입니다. 2035년까지 남부 지역의 양수 발전 용량을 약 4,400만 킬로와트까지 확대하여 전력 시스템 교란 방지, 부하 분산, 전력망 안정화를 위한 새로운 유형의 양수 발전 시스템을 구축할 것입니다.
출처: 위챗 공식 계정 “중국 에너지 미디어 지능형 제조”
저자: 펭위민, 중국남방전력망 피크저감 및 주파수변조발전유한공사 에너지저장연구소
새로운 전력 시스템의 주요 특징
새로운 전력 시스템은 청정 에너지를 중심으로 운영되며, 에너지 소비에서 신에너지가 차지하는 비중은 지속적으로 증가하여 신에너지, 수력, 원자력을 주요 발전 형태로 하는 에너지 이용 형태를 점차 형성할 것입니다. 화석 에너지 소비 비중은 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 점차 감소하고, 남은 화석 에너지 설비 용량은 새로운 전력 시스템의 백업 전력으로 사용될 것입니다. 새로운 전력 시스템에서 신에너지는 중앙 집중식 및 분산식으로 전력망에 연결됩니다. 중앙 집중식 접근 측면에서 남부 지역은 2025년까지 육상 풍력 발전 2,400만 킬로와트 이상, 해상 풍력 발전 2,000만 킬로와트 이상, 태양광 발전 5,600만 킬로와트 이상을 달성하기 위해 노력하고 있습니다. 분산형 접근 측면에서는 용량이 작고 전압 수준이 낮아 그리드에 접근하고 근처에서 소비할 수 있는 분산형 전원이 지역 상황에 따라 다양한 지역에 구축될 것입니다.
신에너지를 주체로 하는 신전력 시스템에서 신에너지 발전 설비의 실제 출력은 기상 환경의 영향을 크게 받으며, 기상 환경은 불규칙성, 변동성, 간헐성이라는 뚜렷한 특징을 보입니다. 전기 에너지 대체, 가정용 에너지 저장 설비, 스마트 홈의 광범위한 적용은 사용자 측 부하를 다각화하고 상호 작용적인 방향으로 발전시키고 있으며, 사용자 단말은 소비자이자 생산자인 새로운 모드로 진입하고 있습니다. 신에너지를 주체로 하는 신전력 시스템은 신에너지 비중이 높고 전력 전자 설비 비중이 높은 "더블 하이" 특성을 보입니다. 신에너지의 대규모 변동과 다양한 극한 상황에 대처하기 위해서는 신에너지의 설비 용량 및 출력 규모에 맞춰 양수 발전 설비 용량을 적절히 조절해야 합니다. 신에너지 출력이 비정상적으로 변할 경우, 양수 발전 설비는 계통의 신전력 시스템 상태를 최대한 유지해야 하며, 신전력 시스템이 기존 전력 시스템으로 전환되는 것을 방지해야 합니다. 따라서 양수발전소의 개발과 건설은 더욱 빠르고 대규모화될 것입니다.
펌프 저장의 급속·대규모화 개발에 따른 문제점과 대책
급속하고 대규모적인 개발 및 건설은 안전, 품질, 인력 부족 문제를 야기했습니다. 새로운 전력 시스템의 건설 수요를 충족하기 위해 매년 다수의 양수 발전소 건설이 승인되었습니다. 또한, 필요한 공사 기간도 8~10년에서 4~6년으로 크게 단축되었습니다. 하지만 이 프로젝트의 급속한 개발 및 건설은 필연적으로 안전, 품질, 인력 부족 문제를 야기할 것입니다.
프로젝트의 급속한 개발 및 시공으로 인해 발생하는 일련의 문제를 해결하기 위해, 건설 및 프로젝트 관리 부서는 우선 양수발전소 토목공학의 기계화 및 지능화에 대한 기술 연구 및 실무를 수행해야 합니다. TBM(Tunnel Boring Machine) 기술은 대량의 지하 굴착을 위해 도입되었으며, 양수발전소의 특성과 접목된 TBM 장비를 개발하고 시공 기술 방안을 수립했습니다. 토목 공사 중 굴착, 선적, 지지, 역아치 등 다양한 작업 시나리오를 고려하여 기계화 및 지능화 시공 전 과정에 대한 지원 적용 방안을 개발했으며, 단일 공정 장비의 지능화 운영, 전 공정 시공 시스템 자동화, 장비 시공 정보의 디지털화, 원격 제어 기계 장비의 무인 시공, 시공 품질에 대한 지능적 지각 분석 등의 주제에 대한 연구를 수행했습니다. 이를 통해 다양한 기계화 및 지능화 시공 장비 및 시스템을 개발했습니다.
기계전기공학의 기계화 및 지능화 측면에서는 작업자 감소, 작업 효율성 향상, 작업 위험 감소 등의 측면에서 기계화 및 지능화의 적용 수요와 가능성을 분석하고, 기계전기 설비 설치의 다양한 작업 시나리오에 맞춰 다양한 기계전기공학 기계화 및 지능화 건설 장비와 시스템을 개발할 수 있습니다.
또한 3D 엔지니어링 설계 및 시뮬레이션 기술을 활용하여 일부 시설 및 장비를 사전에 사전 제작 및 시뮬레이션할 수도 있습니다. 이를 통해 일부 작업을 사전에 완료하고 현장 시공 기간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 사전에 기능적 인수 및 품질 관리를 진행하여 품질 및 안전 관리 수준을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
발전소의 대규모 운영은 안정적인 운영, 지능화 및 집중화된 수요라는 문제를 야기합니다. 양수 발전소의 대규모 운영은 높은 운영 및 유지보수 비용, 인력 부족 등의 문제를 야기합니다. 운영 및 유지보수 비용 절감의 핵심은 양수 발전소의 운영 신뢰성을 향상시키는 것입니다. 인력 부족 문제를 해결하려면 발전소의 지능화 및 집중화된 운영 관리가 필수적입니다.
장비 유형 선정 및 설계 측면에서 장치의 운영 신뢰성을 향상시키려면 기술자는 양수발전소 설계 및 운영에 대한 실무 경험을 심층적으로 정리하고, 양수발전소 관련 장비 하위 시스템에 대한 최적화 설계, 유형 선정 및 표준화 연구를 수행하며, 장비 시운전, 고장 처리 및 유지보수 경험에 따라 반복적으로 업데이트해야 합니다. 장비 제조 측면에서 기존 양수발전소는 여전히 일부 핵심 장비 제조 기술을 해외 제조업체에 의존하고 있습니다. 이러한 "초크" 장비에 대한 국산화 연구를 수행하고, 다년간의 운영 및 유지보수 경험과 전략을 여기에 통합하여 핵심 장비의 제품 품질과 운영 신뢰성을 효과적으로 향상시켜야 합니다. 설비 운영 모니터링 측면에서 기술자는 설비 상태 관찰 및 측정 가능성의 관점에서 설비 상태 모니터링 요소 구성 표준을 체계적으로 수립하고, 본질적 안전 요구 사항에 따라 설비 제어 전략, 상태 모니터링 전략 및 건전성 평가 방법에 대한 심층 연구를 수행하고, 설비 상태 모니터링을 위한 지능형 분석 및 조기 경보 플랫폼을 구축하여 설비에 숨겨진 위험을 사전에 발견하고 시기적절하게 조기 경보를 실시해야 합니다.
발전소의 지능화, 집약적 운영 관리를 실현하기 위해 기술자는 설비 자동 제어 또는 설비 제어 및 운영 측면에서 원키 운영 기술에 대한 연구를 수행하여 인력 개입 없이 장치의 완전 자동 시동 및 정지와 부하 조절을 실현하고 가능한 한 운영 순서 및 다차원 지능적 확인을 실현해야 합니다. 설비 검사 측면에서 기술자는 기계 시각 인식, 기계 청각 인식, 로봇 검사 및 기타 측면에 대한 기술 연구를 수행하고 검사 기계 교체에 대한 기술 실습을 수행할 수 있습니다. 발전소의 집약적 운영 측면에서 펌프 저장 발전소의 개발로 인해 발생하는 근무 인력 부족 문제를 효과적으로 해결하기 위해 1인 및 여러 발전소의 중앙 집중식 모니터링 기술에 대한 연구 및 실습을 수행해야 합니다.
다수의 분산형 신에너지원의 소비로 양수 발전의 소형화와 다에너지 보완의 통합 운영이 가능해졌습니다. 이 새로운 전력 시스템의 주목할 만한 특징은 저압 계통에서 운영되는 다수의 소규모 신에너지원이 계통의 다양한 지역에 분산되어 있다는 것입니다. 이러한 분산형 신에너지원을 최대한 흡수하고 활용하며 대규모 전력망의 전력 혼잡을 효과적으로 완화하기 위해서는 분산형 신에너지원 근처에 분산형 양수 발전 장치를 구축하여 저압 계통을 통해 신에너지의 국지적인 저장, 소비 및 활용을 실현해야 합니다. 따라서 양수 발전의 소형화와 다에너지 보완의 통합 운영이라는 과제를 해결해야 합니다.
엔지니어와 기술자는 소형 가역 펌프 저장 장치, 펌프와 터빈의 동축 독립 운전, 소수력 발전소와 펌프장의 공동 운전 등 다양한 유형의 분산형 펌프 저장 발전소에 대한 부지 선정, 설계 및 제조, 제어 전략 및 통합 응용에 대한 연구를 적극적으로 수행해야 합니다. 동시에 펌프 저장과 풍력, 광, 수력의 통합 운영 기술에 대한 연구 및 프로젝트 실증을 수행하여 새로운 전력 시스템에서 에너지 효율성과 경제적 상호 작용을 모색하기 위한 기술적 솔루션을 제안합니다.
고탄성 전력망에 적용된 가변속 양수 저장 유닛의 기술적 "초크" 문제. 가변속 양수 저장 유닛은 1차 주파수 조정에 대한 신속한 응답, 펌프 작동 조건에서 조정 가능한 입력력, 최적의 곡선에서 작동하는 유닛, 그리고 민감한 응답과 높은 관성 모멘트라는 특징을 가지고 있습니다. 전력망의 무작위성과 변동성을 효과적으로 억제하고, 발전 측과 사용자 측에서 신에너지로 생성된 초과 전력을 더욱 정확하게 조절 및 흡수하며, 고탄성 및 상호작용 전력망의 부하 균형을 더욱 효과적으로 제어하기 위해서는 전력망에서 가변속 유닛의 비중을 늘려야 합니다. 그러나 현재 가변속 양수 및 저장 유닛의 핵심 기술 대부분은 여전히 해외 제조업체의 손에 있으며, 기술적 "초크" 문제를 해결해야 합니다.
핵심기술의 자립제어를 실현하기 위해서는 국내의 과학기술력을 집중하여 가변속발전기용 전동기 및 펌프터빈의 설계 및 개발, 교류여자변환기의 제어전략 및 장치개발, 가변속유닛의 협조제어전략 및 장치개발, 가변속유닛의 조속기제어전략 연구, 가변속유닛의 운전조건변환공정 및 통합제어전략 연구를 심도 있게 추진하고, 대형 가변속유닛의 설계 및 제조, 엔지니어링 실증 적용의 전 국산화를 실현해야 한다.
게시 시간: 2022년 12월 9일
