분산전원 계통연계 문제

왜 배우는가: 분산전원 계통연계는 태양광·풍력 등 재생에너지 확대로 배전계통의 전력 흐름이 단방향에서 양방향으로 바뀌면서 생기는 문제를 다루는 주제다. 전압 상승, 역조류, 보호협조 오동작, 단독운전 같은 쟁점이 실무 설계와 계통 운영에 직접 영향을 주기 때문에 시험에서 반복해서 출제된다. 배전계통과 송전계통을 나눠 문제점과 대책을 묻는 형태가 자주 나오므로 개념 구분을 명확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제117회 1교시 10번, 제104회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

분산전원 계통연계는 태양광·풍력 등 분산형전원을 배전계통(또는 송전계통)에 접속하여 안전하고 품질 좋게 전력을 주고받도록 하는 기술과 기준의 총체이다.

핵심 키워드

• 분산형전원
• 계통연계
• 역조류
• 단독운전
• 전압 상승
• 보호협조
• 연계 기술기준

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전소가 수용가 가까이에 여러 개 흩어져 있고, 그 전기가 기존 전력망에 다시 들어오는 상황을 다루는 것이다. 기존 배전계통은 변전소에서 수용가로 전기가 한 방향으로 흐르도록 설계되었다. 분산형전원이 붙으면 남는 전기가 거꾸로 변전소 쪽으로 흐르는 역조류가 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 분산형전원(Distributed Generation)은 전력계통의 수용가 부근에 설치되어 중앙집중형 대형 발전소와 달리 소용량으로 분산 배치되는 발전설비를 말한다. 계통연계(Grid Integration)는 이러한 발전설비를 배전 또는 송전계통에 접속하여 전압·주파수·보호 측면에서 계통과 조화롭게 운전하도록 하는 것이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

역조류는 발전 전력이 수용가 소비를 넘어 계통 상위 방향으로 흐르는 현상이다. 기존 보호기기와 전압 관리 방식이 이를 전제로 하지 않기 때문에 문제가 된다.

단독운전(Islanding)은 계통이 고장이나 작업으로 분리되었는데 분산형전원이 일부 부하에만 전력을 계속 공급하는 상태를 말한다. 작업자 감전과 재폐로 시 비동기 투입 사고로 이어질 수 있다.

전압 상승은 역조류로 배전선로 말단의 전압이 기준보다 올라가는 현상이다. 분산형전원의 출력 변동에 따라 반복적으로 나타난다.

보호협조는 고장 시 가장 가까운 보호기기만 동작하도록 보호기기 간 동작 순서와 정정값을 맞추는 것이다. 분산형전원이 있으면 고장 전류의 방향과 크기가 달라져 협조가 깨진다.

3. 등장 배경과 필요성

재생에너지 보급 정책과 온실가스 감축 목표가 강화되면서 태양광과 풍력 설비가 배전 계통에 대량으로 접속되었다. 과거에는 발전설비가 대부분 송전계통에 연결되었으나, 지금은 소규모 설비가 저압과 고압 배전선로에 직접 붙는 경우가 많아졌다.

이 변화는 계통 운영자에게 새로운 과제를 준다. 배전선로는 원래 전압 조정 기능과 보호 기능을 단방향 전력 흐름에 맞춰 설계했기 때문에, 양방향 흐름에서는 전압 관리와 고장 검출 설계를 다시 해야 한다. 따라서 분산형전원 연계 기술기준과 연계 전 검토 절차가 필요해졌다.

또한 분산형전원은 출력이 일사량과 풍속에 따라 변하는 간헐성을 가진다. 이 때문에 계통의 주파수와 전압을 안정적으로 유지하려면 연계 설비의 보호 조건과 출력 제어 기준이 함께 정해져야 한다.

계통 연계 기준은 설비 사고 예방과 공공 안전을 목표로 한다. 연계 설비가 고장이나 단독운전 상태에서 신속히 분리되도록 규정하는 것이 핵심이다. 이를 통해 계통 운영의 신뢰도를 유지하고, 분산형전원이 늘어나도 기존 설비가 정상 동작하도록 보장하는 것이 필요성의 본질이다.

단독운전 검출 시간은 연계 기준에서 다음과 같이 제한한다. 분산형전원은 단독운전을 가능한 빨리 검출하여 기준이 정한 시간 이내에 계통에서 분리해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

분산전원 계통연계는 발전설비, 연계 설비, 계통 측 보호설비가 하나의 체계로 동작해야 성립한다. 각 구성요소의 역할을 나눠 이해하면 연계 문제와 대책을 체계적으로 설명할 수 있다.

위 표의 구성은 분산형 전원 설비가 배전선로에 접속되는 기본 형태다. 계통 측 보호설비와 발전 측 보호설비가 서로 협조해야 연계 사고가 계통에 파급되지 않는다.

연계 원리는 발전 출력이 부하보다 크면 잉여 전력이 계통으로 역조류하고, 부족하면 계통에서 전력을 공급받는 것이다. 역조류가 생기면 기존의 단방향 보호 체계가 방향을 잃으므로 방향성 보호 요소가 필요하다. 여기서 역조류와 양방향 보호협조가 핵심 개념이다.

연계 절차는 다음과 같다.

• 연계 신청 및 계통 영향 검토: 연계 용량, 연계 위치, 역조류 및 전압 상승 여부를 검토한다.
• 연계 설비 설계: 연계변압기 결선, 보호계전 방식, 단독운전 검출 방식을 정한다.
• 시험 및 검증: 보호계전기 동작 시험과 동기 투입 시험을 수행한다.
• 계통 연계 및 운용: 운전 개시 후 전압·주파수·출력을 감시하고 출력제어를 적용한다.

계통연계 용량은 정격용량의 총합과 변압기 총용량 중 작은 값으로 정한다. 이 기준은 연계 가능 용량을 결정하는 핵심 원리다.

분산전원 연계에서 주요 공식은 다음과 같다.

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

여기서 \Delta V는 전압 변화량(V), R과 X는 선로의 저항과 리액턴스(Ω), P와 Q는 연계점의 유효전력과 무효전력(W, var), V는 계통 전압(V)이다. 역조류로 P가 음(-)이 되면 전압이 상승하므로, 전압 상승 억제가 연계 검토의 핵심이다.

위 흐름도는 검토와 시험에서 부적합이 나오면 설계로 되돌아가는 절차를 보인다. 답안에는 신청부터 운전까지 다섯 단계를 순서대로 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

분산전원 계통연계는 한국전력의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준을 기본으로 한다. 이 기준은 단독운전 방지와 비정상 전압 시 분리 조건을 규정한다. 단독운전이 생기면 분산형 전원 발전설비는 가능한 빨리 검출하여 계통에서 분리해야 하며, 분리 시간은 기준이 정한 한도 이내로 규정되어 있다.

단독운전 중 전압·주파수 변화는 과전압 계전기(OVR), 부족전압 계전기(UVR), 주파수 상승 계전기(OFR), 주파수 저하 계전기(UFR)로 감지한다. 다만 유효전력과 무효전력이 모두 평형을 이루면 전압·주파수 변화가 작아 이 계전기들로는 단독운전을 막지 못할 수 있다. 이 때문에 단독운전 검출 방식을 별도로 둔다.

전기설비 설계 측면에서는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정이 시행되어 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다.

위 표의 기준은 연계 설계와 검토의 출발점이다. 전압별 분리시간은 기술기준의 비정상 전압 표를 따르며, 답안에는 분리시간이 전압 이상의 크기와 지속 시간에 따라 달라진다는 원리를 쓴다.

국제적으로는 분산전원 연계 시 전력품질, 전압 안정도, 고조파, 신뢰도, 보호, 제어 문제가 함께 검토된다. 대규모 분산전원 보급은 주파수 제어와 예비력 배분 같은 계통 전역 기능에도 영향을 준다.