신재생발전기 계통연계 특성

왜 배우는가: 신재생발전기는 출력 변동성이 커서 계통 안정도와 전력품질에 직접 영향을 준다. 이 때문에 계통연계기준이 발전기에 무효전력 공급, 고장 중 연계 유지 같은 성능을 요구하며, 발전기 특성과 계통연계 요건은 기술사 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제139회 2교시 4번, 제130회 4교시 4번, 제127회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

신재생발전기 계통연계 특성은 태양광·풍력 등 출력 변동이 큰 발전기가 송전계통에 접속할 때 갖춰야 하는 전압·주파수 유지, 고장 중 연계 유지, 유효·무효전력 제어 능력을 말한다.

신재생발전기 계통연계 특성은 접속점에서 연계 유지, 무효전력 공급, 유효·무효전력 제어 능력을 갖추도록 요구하는 성능이다.

핵심 키워드: 계통연계, 출력 변동성, 무효전력 공급능력, LVRT, FRT, 유효전력 제어, 무효전력 제어, 접속점

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 신재생발전기는 바람과 햇빛에 따라 출력이 오르내리는 전원이므로, 계통에 붙어 있을 때 계통을 흔들지 않고 계통이 흔들릴 때도 버틸 수 있어야 한다는 뜻이다.

정식 정의는 다음과 같다. 신재생발전기 계통연계 특성은 「신재생발전기 송전계통 연계기술기준」이 정하는 접속점 기준의 성능 요건으로, 연계 유지, 무효전력 공급, 유효전력 제어, 무효전력 제어를 포함한다. 여기서 접속점(Point of Connection)은 발전설비와 송전계통이 만나는 지점을 말한다.

계통연계 유지는 계통 전압이나 주파수가 변해도 정해진 범위에서는 발전기가 탈락하지 않고 운전을 이어 가는 것이다. 전압이 순간적으로 떨어지는 경우의 연계 유지를 저전압 연계 유지(LVRT, Low Voltage Ride Through)라 하고, 고장 전반을 포괄하는 말을 고장관통(FRT, Fault Ride Through)이라 한다.

무효전력 공급능력은 접속점 전압을 유지하기 위해 무효전력을 내보내거나 흡수할 수 있는 능력이다. 무효전력은 전압을 떠받치는 힘이므로, 전압 유지가 계통 안정의 핵심이 된다.

유효전력 제어능력은 계통운영자의 지령에 따라 출력을 늘리고 줄이는 능력이다. 무효전력 제어능력은 계통 요구에 맞춰 무효전력을 자동으로 조정하는 능력이다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 계통의 주된 전원은 동기발전기였다. 동기발전기는 관성이 커서 주파수 변화를 완만하게 하고, 여자 제어로 전압을 자연스럽게 지지한다. 신재생발전기는 인버터를 통해 계통에 접속하므로 관성이 작고 출력이 기상에 따라 급변한다.

이 특성은 두 가지 문제를 만든다. 첫째, 계통 고장으로 전압이 떨어질 때 발전기가 한꺼번에 탈락하면 발전 손실이 커져 전압과 주파수가 더 떨어진다. 둘째, 출력 변동이 누적되면 전압 변동과 주파수 편차가 커진다.

이에 따라 계통운영 측은 신재생 발전기가 고장 중에도 연계를 유지하고, 무효전력으로 전압을 돕고, 유효전력을 지령대로 조정하도록 요구하게 되었다. 이 요구를 정리한 것이 연계기술기준이다. 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준도 신재생 발전기의 출력 감시·예측·제어와 계통연계 기준 마련을 규정한다.

계통 전압 유지를 위한 무효전력 공급은 신재생 연계에서 가장 먼저 다뤄지는 요건이다.

4. 구성요소·원리·절차

신재생발전기의 계통연계는 발전기 본체, 전력변환장치, 집전설비, 변압기, 접속점, 보상설비로 구성된다. 풍력은 발전기와 인버터, 태양광은 모듈과 인버터가 발전 출력을 만들고 접속점(Point of Connection) 에서 송전계통과 만난다. 연계 성능은 발전기 단품이 아니라 접속점에서 평가한다.

원리는 다음과 같다. 발전기 출력 P와 무효전력 Q는 접속점 전압 V에 영향을 준다. 전압이 낮으면 무효전력을 공급하고 높으면 흡수해 전압을 설정 범위에 둔다. 접속점 전압과 무효전력의 관계는 다음 식으로 근사한다.

$\Delta V \approx \frac{R P + X Q}{V}$

여기서 \Delta V는 전압 변동(kV), R·X는 접속점까지 선로의 저항과 리액턴스(Ω), P·Q는 유효·무효전력(MW, MVAr), V는 접속점 전압(kV)이다. 식에서 Q를 조정하면 \Delta V를 줄일 수 있으므로 무효전력 제어가 전압 유지의 핵심 수단이 된다.

고장 시 원리는 다음과 같다. 계통 고장으로 접속점 전압이 떨어지면 발전기는 탈락하지 않고 전압 회복을 돕는다. 이때 무효전류를 주입하여 전압 회복을 지원한다. 이 능력이 LVRT(Low Voltage Ride Through) 다.

연계 운전 절차는 다음과 같다.

• 계통연계 전 접속점 조건과 계통운영자 기준을 확인한다.
• 발전기의 유효·무효전력 범위를 등록하고 시험으로 검증한다.
• 정상 운전 중 출력 지령을 받아 유효전력을 조정하고 접속점 전압을 제어한다.
• 계통 고장 시 FRT 조건을 만족하는 동안 연계를 유지하고 무효전류를 주입한다.
• 고장 제거 후 유효·무효전력을 계통 지령에 맞춰 단계적으로 회복한다.

{"type":"block","title":"신재생발전기 계통연계 구성","nodes":[{"id":"g","label":"신재생발전기","sub":"모듈·터빈·인버터"},{"id":"t","label":"변압기·집전선로","sub":"무효전력 손실 반영"},{"id":"poc","label":"접속점(PoC)","sub":"성능 평가 기준점"},{"id":"grid","label":"송전계통","sub":"계통운영자 지령"},{"id":"c","label":"보상설비","sub":"콘덴서·STATCOM"},{"id":"ctl","label":"발전소 제어기","sub":"P·Q·전압·주파수"}],"edges":[{"from":"g","to":"t","label":"P, Q","arrow":true},{"from":"t","to":"poc","label":"전압","arrow":true},{"from":"poc","to":"grid","label":"연계","arrow":true},{"from":"c","to":"poc","label":"Q 보상","arrow":true},{"from":"ctl","to":"g","label":"지령","arrow":true},{"from":"grid","to":"ctl","label":"FRT 상태","arrow":false}]}

5. 관련 법령·기준·표준

송전계통 연계의 직접 기준은 「신재생발전기 송전계통 연계기술기준」이다. 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준은 신재생발전기의 계통운영과 출력 감시·제어를 규정한다. 제17조는 전력거래소와 송·배전사업자가 신재생발전기의 출력을 감시·예측·평가·제어하도록 하고, 발전사업자는 출력 제어 지시를 따르도록 정한다. 제52조는 신재생발전사업자가 계통연계 시 전력계통의 신뢰도와 전기품질 유지에 협조하도록 하고, 송·배전사업자가 적정 연계기준을 마련·운영하도록 정한다.

동일 고시의 무효전력 조항은 중앙급전발전기 기준이다. 전력시장 참여 발전기는 정격출력(MW) 기준 뒤진 위상 역률 0.9에서 앞선 위상 역률 0.95 범위에 해당하는 무효전력(MVAr)을 정격출력 범위 내에서 공급할 수 있어야 한다. 다만, 해당 성능을 유지하지 못할 경우 기후에너지환경부장관은 전기위원회 소속공무원의 현장확인을 통해 예외를 인정할 수 있다. 전압 조정 목표는 345kV 계통에서 (353 - 17)kV ~ (353 + 7)kV, 154kV 계통에서 (160 - 8)kV ~ (160 + 4)kV다.