풍력발전기 형식

왜 배우는가: 풍력발전기 형식은 발전기 종류와 전력변환장치 구성에 따라 계통 연계 성능이 달라지므로 기술사 시험에서 용어 문제와 비교 문제로 반복해서 나온다. 기어형과 기어리스형의 장단점을 이해하면 계통 연계 요구와 기기 선택을 함께 설명할 수 있다.

출제 이력: 제111회 1교시 1번, 제95회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

풍력발전기 형식은 회전자와 발전기의 연결 방식, 발전기 종류, 전력변환장치 유무로 나눈 풍력발전 설비의 구조 유형이다.

핵심 키워드

• 기어형(Geared Type)
• 기어리스형(Gearless Type)
• 증속기(Gearbox)
• 유도발전기(Induction Generator)
• 동기발전기(Synchronous Generator)
• 전력변환장치(Power Converter)
• 가변속 운전

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풍력발전기는 바람으로 날개를 돌려 전기를 만든다. 날개는 분당 수십 회전 정도로 느리게 돌지만, 계통에 연결된 발전기는 계통 주파수에 맞는 빠른 회전을 요구한다. 두 회전 속도를 어떻게 맞추고 계통과 어떻게 이어 붙이는지가 형식을 가른다.

정식 정의로 풍력발전기 형식은 회전자, 증속장치, 발전기, 전력변환장치의 조합으로 정해진다. 동력전달 구조에 따라 기어형과 기어리스형으로 나뉘고, 발전기 종류와 속도 제어 방식까지 함께 보면 Type 1~4로 분류한다.

증속기는 회전자의 낮은 회전수를 발전기가 요구하는 높은 회전수로 올리는 장치다. 기어, 체인, 벨트, 마찰원판이 쓰이며 대형기는 헬리컬기어를 많이 쓴다. 기어형은 이 장치로 속도를 맞춘다.

유도발전기는 고정자와 회전자 사이의 전자기 유도로 발전한다. 구조가 단순해 Type 1과 Type 2에 쓰이나, 무효전력을 흡수하므로 보상설비가 필요하다.

동기발전기는 회전자 속도와 계통 주파수가 일치하는 발전기다. 영구자석을 쓰면 여자 장치가 없어 구조가 간단해지고, 기어리스형에 많이 쓴다.

전력변환장치는 발전기 출력을 직류로 바꾼 뒤 계통 주파수의 교류로 다시 만드는 장치다. 유효전력과 무효전력을 계통 요구에 맞게 제어하는 역할을 한다.

형식별 특징을 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 핵심은 Type 번호가 커질수록 속도 제어와 무효전력 제어 능력이 대체로 강해진다는 점이다. 전력변환장치 용량이 커질수록 제어 자유도는 높아지지만 설비비도 함께 오른다.

기어형의 발전기 속도는 극수에 따라 정해진다. 동기속도는 다음 식으로 구한다.

$n_s = \frac{120f}{P}$

여기서 n_s는 동기속도(rpm), f는 계통 주파수(Hz), P는 극수다. 계통 주파수 60Hz, 4극 발전기이면 동기속도는 1800rpm (60Hz, 4극)이다. 날개 회전수를 30rpm으로 보면 증속비는 1800/30 = 60이다. 증속비가 수십 배 수준이므로 상식 범위에 든다.

극수를 늘리면 발전기 속도를 낮출 수 있다. 그러나 토크가 커져 회전자 질량과 가격이 함께 커진다. 이 트레이드오프가 기어리스형에서 대형 다극 링발전기를 쓰는 이유이며, 기어형이 증속기를 택하는 이유이기도 하다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 풍력 설비는 2022년 말 누적 1,809MW, 발전량 약 3.35TWh로 전력 소비의 약 0.6% 수준이다. 1970년대 두 차례 석유파동 이후 화석연료 의존을 줄이려는 정책이 시작됐고, 재생에너지 보급 계획에 풍력이 포함됐다. 기후에너지환경부는 2026년 9월 2030년까지 재생에너지를 100GW 이상 보급하기 위한 전력망 혁신대책을 보고했다.

기존 전력시스템은 석탄이나 LNG 등 대규모 발전소를 중심으로 설계됐다. 재생에너지 수요가 높은 지역에서는 신규 사업이 전력망에 접속하지 못하는 문제가 늘고 있다. 송전망 건설에는 시간이 걸리므로 발전 설비 형식 자체가 계통 친화적으로 설계돼야 한다는 요구가 커졌다.

풍력은 바람의 변동에 따라 출력이 바뀌어 계통에 영향을 준다. 특히 대용량 발전단지가 계통에 연결되면 무효전력 문제가 생긴다. 전압이 높으면 무효전력 공급이 소비보다 커져 전력기기의 절연물이 열화하고 수명이 줄어든다. 변압기 자기회로가 포화하면 고조파가 늘어난다. 계통의 안정도와 송전용량도 떨어지고 송전선 손실이 커진다.

주파수는 계통 어디에서 측정해도 같은 값을 가진다. 그래서 유효전력 제어는 주파수 한 점만 보고 비교적 쉽게 할 수 있다. 반면 전압과 무효전력은 측정 위치마다 값이 달라 국지적이다. 조상설비도 여러 곳에 흩어져 있어 제어가 어렵다. 따라서 풍력발전기가 무효전력을 스스로 조정할 수 있는 형식이 계통 측면에서 요구된다. 가변속 방식인 Type 3과 Type 4가 이 조건을 충족하는 대표 형식이다.

계통 사고로 전압이 순간적으로 떨어졌을 때 발전기가 계통에서 떨어지지 않고 버티는 능력이 연계 요구 사항으로 강조된다. 이를 FRT(저전압 운전 능력)라고 한다. 발전기가 한꺼번에 이탈하면 계통 주파수와 전압이 더 크게 흔들리기 때문이다.

대용량 풍력발전단지는 연계 용량이 계통 용량에 비해 커서 연계 검토가 필수다. 발전소 계통연계는 발전설비용량, 거리, 설비여건, 주변환경을 종합 검토해 결정한다. 연계선로의 규모와 회선수, 연계전압은 발전소의 최대송전용량과 최종규모를 기준으로 정한다. 이 검토 결과가 형식 선택과 기기 사양에 영향을 준다.

최근에는 에너지저장장치(ESS)를 함께 설치해 출력 변동을 줄이고 계통 안정을 돕는 방식도 늘고 있다. 2026년 3차 ESS 중앙계약시장은 총 1,180MW 규모로 열린다. 풍력 형식을 고를 때도 ESS와 연계해 계통 기여도를 높일 수 있는지를 함께 검토하는 추세다.

4. 구성요소·원리·절차

풍력발전기는 로터(블레이드·허브), 동력전달장치(주축·증속기), 발전기, 전력변환장치, 제어장치, 타워·나셀로 구성된다. 형식을 가르는 핵심은 증속기(Gearbox)의 유무와 발전기의 종류다. 기어형은 로터 회전수를 발전기 회전수로 올리기 위해 증속기를 쓴다. 기어리스형은 로터와 발전기를 직접 연결한다.

기어형의 원리는 다음과 같다. 풍차 날개 회전수는 약 30rpm 수준으로 낮고 토크는 크다. 60Hz 계통의 동기속도(극수에 따라 1,200~3,600rpm)에 맞추려면 회전수를 수십 배로 올려야 한다. 발전기 극수를 늘려 회전수를 낮추면 회전자 질량이 토크에 비례하여 커지므로, 현실적으로 증속기로 회전수를 올린다.

기어리스형의 원리는 다음과 같다. 발전기 극수를 크게 늘려 로터 회전수에 맞춘다. 발전기 출력은 인버터로 계통 주파수와 전압에 맞춰 공급한다. 따라서 출력 제어와 역률 제어가 발전기 후단에서 이루어진다.

기어형 연계 절차는 다음과 같다.

• 로터가 바람을 받아 회전하고 피치 제어로 출력을 조절한다.
• 증속기가 로터 회전수를 발전기 회전수로 높인다.
• 발전기가 전력을 생성하고 소프트 스타터로 돌입전류를 억제하며 계통에 투입한다.
• 연계 변압기로 계통 전압에 승압하여 전력계통에 공급한다.

기어리스형 연계 절차는 다음과 같다.

• 로터가 발전기를 직접 구동한다.
• 발전기가 가변 주파수 전력을 생성한다.
• 전력변환장치(인버터)가 계통 주파수·전압에 맞춰 변환한다.
• 연계 변압기를 거쳐 전력계통에 공급한다.

기어형은 증속기로 회전수를 올리고, 기어리스형은 인버터로 계통 조건에 맞춘다 는 두 형식의 가장 중요한 차이다.

5. 관련 법령·기준·표준

풍력발전 연계는 「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」과 한국전력거래소·송전사업자의 연계 기준이 적용된다. 해상풍력은 「신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급 촉진법」에 따른 집적화단지 규정이 함께 적용된다. 이 기준은 발전소 연계선로의 규모·회선수·연계전압을 발전소 최대송전용량이나 최종규모로 검토하도록 정한다. 20MW 이상 풍력발전기의 기술 요건(계통 고장 시 계속 운전 능력, 무효전력 공급 능력 등)은 전력계통 연계 기술기준에 따른다.

계통 연계 기준의 핵심 값은 다음과 같다. 상세 조건은 해당 고시 원문을 따른다.