전력계통안정화장치(PSS)

왜 배우는가: 전력계통안정화장치(PSS)는 발전기 여자시스템에 보조신호를 더해 전력동요(저주파 진동)를 감쇠시키는 장치로, 실계통의 과도·소신호 안정도를 확보하는 핵심 수단이다. 발전기 안정도와 계통 해석 문항에서 반복해서 묻는 주제이므로 원리와 설치 목적을 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 10번, 제121회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

전력계통안정화장치(PSS)는 발전기 자동전압조정기(AVR)에 부가되어 여자시스템에 보조신호를 공급하고, 회전자 진동을 감쇠시켜 전력계통 안정도를 높이는 장치이다.

핵심 키워드

• 전력계통안정화장치(PSS): 발전기 여자제어에 부가되는 보조제어 장치
• 전력동요(Power Swing): 발전기 회전자가 일정 속도를 유지하지 못하고 진동하는 현상
• 댐핑(Damping): 진동 에너지를 줄여 진동을 빠르게 소멸시키는 작용
• 여자시스템(Excitation System): 계자 전류를 공급해 발전기 내부 전압을 조정하는 설비
• 자동전압조정기(AVR): 발전기 단자전압을 목표값으로 유지하는 제어기
• 계통 안정도(Power System Stability): 외란 후 동기 운전을 유지하는 계통의 능력
• 보조 입력신호: 회전자 속도, 전기출력, 단자주파수 등 PSS가 받는 신호
• 위상보상기(Phase Compensator): 전압 제어 루프의 위상 지연을 보상하는 전달함수 블록

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, PSS는 발전기가 흔들릴 때 여자 전압을 살짝 조절해 흔들림을 누르는 장치이다. 발전기가 계통에 연결되면 회전자 각도와 속도가 서로 주고받으며 진동한다. 이 진동을 억제하지 않으면 계통 전체가 흔들려 탈조(Pole Slip)로 이어질 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력계통안정화장치는 발전기 AVR 의 전압 기준 또는 여자 전압 입력에 보조 신호를 더해, 발전기 전기적 토크의 위상을 조정함으로써 회전자 진동의 감쇠비를 높이는 장치이다.

원리는 계자자속이 토크에 영향을 준다는 데서 출발한다. 따라서 여자를 제어하면 발전기 출력과 회전자 속도를 간접적으로 제어할 수 있다. 여기서 동기화 토크와 제동(댐핑) 토크가 중요하다. 동기화 토크는 각도 차에 비례해 발전기를 동기 상태로 붙잡아 두고, 댐핑 토크는 속도 변화에 비례해 진동을 소멸시킨다. 저주파 전력동요는 댐핑 토크가 부족할 때 나타나므로 PSS는 주로 댐핑 토크를 보강한다.

핵심 용어 두 가지를 구분한다. 전력동요는 계통 외란 후 발전기 간에 나타나는 진동 현상이고, 감쇠는 그 진동이 시간에 따라 줄어드는 성질이다. 감쇠가 음의 실수부를 갖는 고유값으로 표현되면 진동은 안정하게 소멸한다.

3. 등장 배경과 필요성

고속 응동형 AVR 과 대용량 원거리 송전이 보급되면서 발전기 진동 문제가 두드러졌다. 고이득 AVR 은 전압을 빨리 회복시키지만, 회전자 진동에 대한 댐핑을 오히려 줄이는 부작용이 있다. 그래서 AVR 에 추가 제어 루프를 붙여 댐핑을 보강할 필요가 생겼다.

계통이 장거리화되고 연계 계통이 확대되면서 지역 간 저주파 진동(Inter-area Oscillation)이 발생하기 쉬워졌다. 이런 진동은 발전기 한 대의 문제가 아니라 계통 구조의 문제이므로, 발전기마다 PSS 를 설치해 국부적으로 댐핑을 주는 방식이 실무에서 널리 쓰인다.

국내에서는 전력계통신뢰도 및 전기품질 유지기준에 따라 전력시장에 참여하는 설비용량 300MVA 이상의 동기발전기(복합화력발전기는 총 설비용량 500MVA 이상)는 계통안정화장치를 구비해야 한다. 발전사업자는 계통안정화장치의 운전특성을 유지하고 매 10년마다 점검해야 한다. 이 제도가 PSS 설치와 점검을 법적으로 뒷받침하는 근거다.

PSS 의 필요성은 다음과 같이 정리된다.

• AVR 고이득으로 생긴 댐핑 부족을 보강한다.
• 저주파 전력동요를 억제해 탈조를 막는다.
• 계통 외란 후 과도 안정도를 개선한다.
• 지역 간 진동 억제를 위한 광역 제어의 기반이 된다.

전력시장 참여 300MVA 이상 동기발전기(복합화력발전기는 총 설비용량 500MVA 이상)는 계통안정화장치를 구비해야 하며, 운전특성은 10년마다 점검한다.

4. 구성요소·원리·절차

PSS는 발전기 여자시스템(AVR) 에 부가되는 보조 제어기다. 발전기 회전자 속도(또는 출력·주파수) 편차를 입력으로 받아 전압 보조신호를 만들고, 이를 AVR 의 전압 기준에 더해 계자 전류를 조절한다. 계자자속을 바꿔 전기토크를 조정하므로 회전자 진동에 제동 토크(댐핑 토크) 를 준다.

구성요소

동작 원리

계자자속 \Phi_f 와 전기자 자속 \Phi_a 가 만드는 토크는 다음과 같다.

$T = k\,\Phi_f\,\Phi_a\,\sin\delta$

여기서 T 는 전기토크(N·m), k 는 기계 상수, \delta 는 내부 상차각(rad) 이다. 발전기 속도가 증가하면 PSS 는 여자를 줄여 감속 토크를 만들고, 속도가 감소하면 여자를 늘려 가속 토크를 만든다. 이 과정에서 회전자 진동 에너지가 흡수된다. 위상 보상이 없으면 AVR 의 지연 때문에 댐핑 토크가 음(-)이 되어 오히려 진동이 커질 수 있다. 따라서 PSS 는 위상 진상(phase lead) 보상 으로 댐핑 토크가 양(+)이 되도록 맞춘다.

PSS 는 여자 제어로 전기토크를 조절해 회전자 진동에 제동 토크를 부여하는 장치다

동작 절차

• 회전자 속도 또는 전기출력 편차를 검출한다.
• 워시아웃 필터로 정상상태 성분을 제거하고 과도 성분만 취한다.
• 위상 보상기로 진동 주파수에서 댐핑 위상을 확보한다.
• 이득과 제한기를 거쳐 보조신호 크기를 정한다.
• 보조신호를 AVR 전압 기준에 가산하여 계자 전류를 조정한다.
• 진동이 감쇠될 때까지 1~5 를 반복한다(실시간 연속 동작).

설계 요점

국부 모드와 지역간 모드의 댐핑을 함께 고려한다. 여자 이득을 과도하게 높이면 고주파 불안정이 생기므로 이득 여유를 확보해야 한다. 입력 신호로 속도 편차를 쓰면 위상 특성이 좋지만, 계통 전체 모드를 잡으려면 광역 신호(WAMS 의 PMU 측정) 를 추가하는 방식이 연구되고 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내에서 PSS 설치 의무는 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준(지식경제부 고시) 에 규정되어 있다. 해당 기준에 따르면 전력시장에 참여하는 설비용량 300MVA 이상의 동기발전기(복합화력발전기는 총 설비용량 500MVA 이상)는 계통안정화장치를 구비해야 하며, 발전사업자는 계통안정화장치의 운전특성을 유지하고 10년마다 점검해야 한다. 전력거래소의 계통검토 결과 점검이 필요하다고 판단되면 그 시점에도 점검해야 한다.

표의 설치 대상 기준은 기준서 원문의 문구를 그대로 따랐다. 설계 관행인 위상 보상·이득 설정은 기준 수치를 두지 않고 계통 해석 결과로 정한다. 국제적으로는 IEEE 표준의 PSS 모델(예: IEEE 421.5 계열)을 설계·모델링에 쓰며, 국내 기준은 설치 의무와 점검 주기를 정한다.

개정 연혁

전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준은 전력시장 제도 변화에 따라 개정되어 왔다. 현행 기준의 설치 대상과 점검 주기를 기준으로 한다.

6. 유형과 비교

전력계통안정화장치는 입력 신호와 보상 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 답안에서는 입력 신호 기준으로 속도 입력형 PSS, 주파수 입력형 PSS, 출력(전기출력) 입력형 PSS를 구분해 쓰고, 현재 국내외에서 널리 쓰는 형식을 함께 적는다. 입력 신호마다 감쇠 효과의 크기와 저주파 잡음 민감도가 다르므로 비교 항목을 분명히 한다.