한국, 과전압 급증으로 드러난 태양광 전력망 대비의 허점

2025년 전압 한계 초과 전력시설 78곳

태양광 발전 확대에 따라 전력망 안정에도 기여하는 기존 발전기의 가동이 줄어드는 가운데, 한국에서는 2025년 주요 송전·변전 시설 78곳에서 과전압이 발생했다. 2021년 4곳에서 크게 늘어난 수치다. 이 같은 증가는 전력 당국에 기존 발전기의 전압 제어 기능을 대체하고, 태양광 설비를 개선하며, 현재 전력시장에서 보상받지 못하는 기능에 비용을 지급해야 하는 부담을 안기고 있다.

이종배 의원실이 한국전력거래소에서 제출받은 자료에 따르면 345킬로볼트 계통에서 영향을 받은 시설은 매년 늘었다. 2021년 4곳, 2022년 22곳, 2023년 52곳, 2024년 61곳, 2025년 78곳이다. 4년간 이어진 5개 연도 집계에서 최근 수치는 첫해의 19.5배에 달한다.

보다 상세한 운영 수치에서도 전압 문제가 반복되고 장시간 지속된 사실이 드러난다. 한편 설비 조달에는 최대 3년이 걸릴 수 있으며, 전력 당국은 설치된 재생에너지 설비 가운데 전압을 능동적으로 지원하거나 계통 교란 중에도 연결을 유지할 수 있는 설비가 얼마나 되는지 완전히 파악하지 못하고 있다.

한국은 이미 기술적 해결책을 추진하고 있다. 제주에서는 한국전력공사(한전)가 ABB와 함께 전압과 주파수를 모두 지원하는 회전기를 개발하고 있으며, 2026년 말 가동을 시작할 예정이다. 인버터 개선 사업은 2029년까지, 회전형 계통 지원 설비 사업은 2034년까지 이어진다.

당면 과제는 건설·개선 일정을 지금 변하고 있는 운영 여건에 맞추는 것이다. 한국전력거래소 자료에 따르면 2026년 3월 29일 정오 태양광 발전량은 약 25.2기가와트로 전체 발전량의 44.5%를 차지했고, 석탄 발전량은 약 6.1기가와트였다. 당시 태양광 발전량은 석탄의 4배를 넘었다.

태양광 확대가 전압 관리에 미치는 영향

전압은 전력망을 통해 전기를 이동시키는 전기적 압력이다. 설비가 제대로 작동하려면 전압이 제어 범위 안에 있어야 한다. 주파수는 교류의 리듬을 나타낸다. 둘 다 지속적인 관리가 필요하지만, 이를 제어하는 데 필요한 설비와 조치는 서로 다르다.

석탄과 액화천연가스 발전소는 계통의 전기 주파수에 맞춰 회전하는 동기발전기를 사용한다. 전기를 생산하는 동시에 무효전력을 공급하거나 흡수할 수 있는데, 무효전력은 전압 제어를 돕는 전기적 교환이다.

무효전력은 유효전력이 계통을 통해 흐르는 데 필요한 전기적 조건을 뒷받침한다. 특정 지역에서 무효전력이 너무 많거나 적으면 전압이 목표 범위를 벗어날 수 있다. 전력 수요가 낮은 시간대에는 송전선이 전압 상승에 영향을 줄 수 있어 무효전력을 흡수하는 설비가 필요하다.

태양광 발전은 계통 운영의 균형을 바꾼다. 햇빛으로 공급되는 전력이 늘어나면 전체 공급량을 소비량에 맞추기 위해 기존 발전소의 출력이 줄거나 가동이 중단될 수 있다. 발전기 가동이 중단되면 해당 설비가 제공하던 전압 지원 기능도 일부 사라진다.

덕성여대 백철우 교수는 최근 과전압 증가의 상당 부분이 발전기 가동 중단 빈도 증가와 관련 있다고 본다. 송전 전압 상승은 이전에도 있었지만, 가동 중인 기존 발전기가 줄어들면서 제어가 더 어려워졌다는 설명이다.

태양광 패널에서 생산된 직류를 계통에 공급할 교류로 바꾸는 태양광 인버터도 적절한 기능과 운전 설정을 갖추면 전압을 지원할 수 있다. 따라서 한국의 과제는 전용 설비를 추가하는 동시에 이미 계통에 연결된 재생에너지 발전기를 더 효과적으로 활용하는 것이다.

반복된 발생 건수가 보여주는 시설 수 이상의 부담

78곳이라는 수치는 영향을 받은 시설 수를 나타낸다. 운영 기록은 장소별로 반복된 전압 발생 건수와 누적 시간을 집계해 계통이 받는 부담을 더 자세히 보여준다.

정부 자문회의에서 공유된 계통 신뢰도 성능 보고서에 기재된 수치에 따르면 2025년 전압 운영 목표 위반 건수는 765킬로볼트 계통에서 582건, 345킬로볼트 계통에서 55,265건, 154킬로볼트 계통에서 4,943건이었다.

같은 자료는 345킬로볼트 계통의 과전압 총계로 55,526건을 제시하지만, 목표 위반 표에는 55,265건으로 기재돼 있다. 한전이 국회에 제출한 자료에서는 약 55,000건으로 집계했다. 따라서 정확한 합계에는 차이가 있지만, 모두 연간 발생 건수가 55,000건을 넘는 것으로 나타났다.

발생 건수는 2023년 18,753건, 2024년 36,717건, 2025년 55,526건으로 2년 만에 거의 3배로 늘었다. 1시간 이상 지속된 과전압의 누적 시간은 2024년 13,174시간에서 2025년 21,396시간으로 약 62% 증가했다. 이 시간은 여러 시설의 수치를 합산한 것이다. 366킬로볼트를 초과한 전압은 70시간을 기록했다.

수치에 적용된 전압 기준도 서로 다르다. 시설 집계는 345킬로볼트의 위아래 5%, 즉 약 327.75~362.25킬로볼트의 허용 범위를 기준으로 한다. 운영 보고서는 이보다 좁은 336~360킬로볼트의 목표 범위를 사용한다. 운영 목표는 전압이 넓은 허용 한계에 도달하기 전에 개입할 것을 요구한다.

목표 전압 위반 시간은 신가좌 변전소가 3,857시간으로 가장 길었고, 세종 3,032시간, 화성 2,676시간, 군산 2,420시간이 뒤를 이었다. 이들 지역은 주요 소비 지역을 포함해 여러 곳에서 전압 관리가 필요하다는 점을 보여준다.

한국 전력망 모델이 보여주는 지역별 부담

학술 논문 KPG 193 연구의 연구진은 태양광 설비가 집중되고 송전망이 상대적으로 취약한 한국 남서부에서 과전압 문제가 나타나고 있다고 밝혔다.

공개 자료를 토대로 구축한 이 합성 모델은 버스라고 부르는 전기 접속 지점 193곳, 발전기 123기, 송전선 407개로 구성된다. 태양광 설비 용량은 23.75기가와트로, 전체 발전 설비 용량 134.49기가와트의 약 18%다. 설비 용량은 잠재적 발전량을 뜻하는 반면, 3월 29일 수치는 특정 시점에 실제 생산된 전력량을 나타낸다.

여름철 최대 수요일인 2022년 7월 22일 오후 1시 상황을 적용한 시뮬레이션에서는 전력 수요의 약 40%가 수도권에 집중된 것으로 나타났다. 대형 석탄·원자력 발전소는 해안 지역에 밀집해 있고, 동부 발전소에서 수도권까지 200킬로미터 넘게 전력을 송전한다.

이에 따라 한국은 주요 수요처로 전력을 대규모 송전하는 문제와 발전 설비가 집중된 지역의 전압 상태를 모두 관리해야 한다. 남서부의 태양광 집중은 해안의 장거리 송전 경로와는 다른 운영 과제를 더한다.

연구진은 단순화된 시험 플랫폼으로 KPG 193을 구축했다. 분로 커패시터, 정지형 동기보상기, 전압 설정을 조절할 수 있는 변압기 등 실제 계통 설비는 포함하지 않았다. 상세한 계통 정보도 제한돼 있어 한전의 지역별 서비스 구역과 공개 지도 자료를 이용해 시설을 분류했다.

이 연구는 발전량, 수요, 지리적 여건이 서로 어떻게 작용하는지 시험할 방법을 제공한다. 또한 개별 지역에 설치된 전압 제어 설비까지 포함하는 상세한 시뮬레이션이 계획 수립에 필요한 이유를 보여준다.

재생에너지 접속 설비 대부분은 배전망에 연결

국회 점검 과정에서 공개된 한전 자료에 따르면 한국의 재생에너지 접속 용량 41.1기가와트 가운데 30.7기가와트가 배전망에 연결돼 약 75%를 차지한다. 접속 건수 기준으로는 99%가 가정과 사업장에 전력을 공급하는 이들 지역망을 이용한다.

한전은 배전망 인버터가 역률 1.0으로 고정 운전된다고 밝혔다. 쉽게 말해 이 설정은 전압 제어를 위한 무효전력 교환 없이 유효전력 공급에 초점을 맞춘다. 무효전력을 조절할 수 있는 인버터도 해당 기능을 수행하려면 적절한 설정과 운전 지침이 필요하다.

재생에너지 설비 설치 기준은 2020년부터 전압 제어 기능을 요구해 왔다. 그러나 당국은 설치된 설비 30기가와트 이상에서 해당 기능이 실제로 적용되고 운전되는 현황을 파악하지 못하고 있다. 이런 현황 자료의 부재는 설비 개선, 비용, 운영 지침에 관한 결정에도 영향을 미친다.

광운대 전기공학과 송승호 교수는 재생에너지 발전기도 전력 시스템 구성원으로서 무효전력 제어에 참여해야 한다고 주장한다. 그는 계통 여건에 맞는 설비를 선정할 수 있도록 시뮬레이션과 인력을 확충해야 한다고도 강조했다.

홍익대 전영환 교수는 기존 인버터를 당장 개선하기 어려운 곳에서는 계통을 강화할 동기조상기와 전압 관리를 위한 정지형 동기보상기(STATCOM)를 활용하는 방안을 제시했다. 두 방식 모두 기존 발전기가 전력을 생산하면서 제공하던 지원 기능을 대신하는 것을 목표로 한다.

계통 교란 중에도 연결 유지

인버터 개선은 전압이나 주파수가 잠시 정상 범위를 벗어날 때의 대응도 다뤄야 한다. 설비 보호 장치는 손상을 막기 위해 설비를 계통에서 분리할 수 있다. 다수 발전기가 동시에 분리되면 갑작스러운 공급 감소가 계통 교란을 악화시킬 수 있다.

한전의 계획에는 LVRT, LFRT, HVRT로 알려진 기능이 포함돼 있다. 이 기능은 일정 시간 동안 저전압, 비정상 주파수, 고전압이 발생해도 설비가 계속 운전하도록 한다. 적절한 고전압 설정을 적용하면 인버터가 계통에 연결된 상태로 무효전력을 흡수할 수도 있다.

김동철 한전 사장은 국회 점검 과정에서 현재 적용 범위와 확대 계획을 다음과 같이 밝혔다.

90킬로와트(kW) 이상 설비에는 연속운전 성능을 확보했고, 20kW 이상 설비까지 적용 범위를 확대할 계획입니다.

한전은 이 기능들을 개선하는 사업을 2029년까지 추진하고, 관성을 확보하기 위해 2034년까지 동기조상기를 설치할 계획이라고 밝혔다. 관성은 회전 기계에 저장된 에너지로, 계통 주파수가 갑자기 변하는 속도를 늦춰 다른 제어 장치가 대응할 시간을 벌어준다.

김주영 의원은 비상 차단 체계 점검도 요청했다. 저주파수 부하 차단은 전력 공급이 부족해 주파수가 위험한 수준으로 떨어질 때 일부 고객 회로를 분리하는 방식이다. 태양광 발전기가 연결된 회로를 차단하면 전력 사용자뿐 아니라 지역 발전량도 함께 사라지므로, 예상보다 순수요 감소 폭이 작을 수 있다.

김 의원은 14개 요인이 얽힌 연쇄 과정에서 과전압을 직접 원인으로 지목한 2025년 4월 스페인·포르투갈 정전 관련 ENTSO-E 전문가 패널의 평가를 인용했다. 고정 역률 운전과 태양광 발전의 연쇄적인 계통 분리는 전압 상승을 악화시킨 요인으로 제시됐다.

AI 데이터센터가 수요의 급격한 변화를 더해

AI 데이터센터도 또 다른 운영 과제를 낳는다. 대규모 그래픽처리장치가 연산과 데이터 교환 사이를 오가면서 전력 소비가 빠르게 바뀔 수 있기 때문이다.

백 교수는 대형 AI 학습센터의 전력 수요가 짧은 시간에 30~40% 변할 수 있다고 추산한다. 1기가와트를 소비하는 센터라면 300~400메가와트의 변화에 해당한다.

2024년 7월 버지니아에서 발생한 사건은 수요가 갑자기 사라질 때의 영향을 보여준다. 북미전력신뢰도공사(NERC)의 설명에 따르면 송전 고장으로 잠시 전압이 떨어지자 데이터센터 보호 시스템이 작동했다. 약 1,500메가와트의 수요가 계통에서 분리된 뒤 전압은 정상의 107%까지 올랐다. 광범위한 정전으로 이어지지는 않았다.

기후에너지환경부는 2026년 8월 AI 데이터센터의 계통 연계·운영 요건을 마련하기 위한 연구반을 출범시켰다. 급격한 수요 변화와 보호 차단을 다루는 세부 요건은 여전히 마련 중이었다.

따라서 발전과 소비 양쪽의 보호 설정을 조율해야 한다. 대규모 태양광 발전의 계통 분리는 공급을 갑자기 줄이고, 대형 데이터센터의 분리는 수요를 갑자기 줄인다. 어느 쪽이든 계통이 빠르게 대응해야 한다.

설비 계획은 있지만 조달과 비용 보상은 더뎌

동기조상기와 STATCOM은 한국의 제11차 장기 송·변전설비계획에 포함돼 있지만, 아직 설치가 완료되지 않았다. 동기조상기는 판매용 전기를 생산하지 않으면서 계통을 지원하는 회전 기계다. STATCOM은 전력전자 장치로 무효전력을 빠르게 조절해 전압을 제어한다.

기존 설비에도 부담이 커지고 있다. 계통 신뢰도 보고서에 기재된 수치에 따르면 분로 리액터와 STATCOM을 포함한 전압 보상 용량의 고장 규모는 2025년 3,500메가볼트암페어 무효전력으로, 2024년의 약 3배였다. 분로 리액터는 특히 송전선 부하가 낮을 때 무효전력을 흡수해 전압 상승을 억제한다.

한전은 보상 설비 조달 기간이 약 1년에서 최대 3년으로 늘었으며, 국내 제조사들이 해외 주문도 공급하고 있다고 밝혔다. 이에 따라 수리와 설비 확장 일정에도 더 긴 대기 기간을 반영해야 한다.

전력시장에도 제약이 있다. 무효전력 제어 서비스는 별도 보상을 받지 않는다. 전압 조절을 주된 목적으로 건설한 기계는 일반적인 전력 판매 수입만으로 투자를 정당화하기 어렵다.

서울과학기술대 유승훈 교수는 STATCOM 같은 설비 투자를 재생에너지 비용을 평가할 때 포함해야 한다고 주장한다. 이종배 의원은 재생에너지 확대가 안정적인 전압·주파수·전력 품질과 함께 이뤄지도록 하는 규칙을 마련해야 한다고 촉구하고 있다.

실질적인 결정 과제는 비용 부담 주체, 개선이 필요한 기존 인버터, 신규 설비의 효과가 가장 큰 위치, 설비 조달 시점을 정하는 것이다. 설비가 연결되고 시험을 거쳐 실제 운전에 투입되기 전까지는 건설 목표만으로 운영 과제가 해결되지 않는다.

제주, 구체적인 사업과 일정 제시

한전과 ABB는 고관성을 위한 플라이휠을 결합한 한국 최초의 동기조상기 구축을 위한 양해각서를 체결했다. ABB의 제주 사업 발표에 따르면 설비는 해저 케이블로 제주와 본토를 연결하는 제주 북부 고압직류송전(HVDC) 변환소 인근에 설치된다.

이 설비의 전압 지원 용량은 50메가볼트암페어 무효전력이며, 회전 에너지 저장량은 약 500메가와트초다. 플라이휠은 회전체의 질량을 늘려 급격한 주파수 변화를 늦추는 데 쓸 수 있는 에너지를 높인다. ABB가 스웨덴에서 설계를 맡아 제조하며, 2026년 말까지 가동을 시작할 예정이다.

약 67만 명이 거주하는 제주도는 재생에너지와 청정수소를 활용해 2035년까지 넷제로를 달성한다는 목표를 세웠다. 이번 사업은 이러한 전환을 뒷받침할 구체적인 기반 시설과 가까운 시일 내의 가동 목표를 제시한다.

주요 일정은 계통 운영 부담과 대응 계획이 어떻게 맞물리는지 보여준다.

• 2021~2025년: 전압 한계를 초과한 시설이 4곳에서 78곳으로 증가했다.
• 2024년 7월: 버지니아 계통 교란으로 데이터센터 수요 약 1,500메가와트가 차단됐다.
• 2026년 3월 29일: 정오 기준 한국 발전량 중 태양광이 44.5%를 공급했다.
• 2026년 말: 제주 플라이휠 동기조상기가 가동을 시작할 예정이다.
• 2029년: 한전의 인버터 성능 개선 사업이 이 해까지 이어진다.
• 2034년: 한전은 관성 확보를 위한 동기조상기 설치를 계획하고 있다.

핵심 내용

• 한국에서 과전압이 발생한 주요 시설은 2021년 4곳에서 2025년 78곳으로 늘었다.
• 태양광 발전이 증가하면 전압 지원도 제공하는 기존 발전기의 가동이 줄어든다.
• 재생에너지 접속 용량의 약 75%가 배전망에 연결돼 있어 인버터 설정과 성능이 계통 안정성에 핵심적이다.
• 당국은 설치된 인버터 기능을 모두 파악해야 하며, 설비 조달에는 최대 3년이 걸릴 수 있다.
• 제주 신규 동기조상기는 2026년 말 가동 예정이며, 더 폭넓은 개선 사업은 2029년과 2034년까지 이어진다.