주파수 추종운전

왜 배우는가: 주파수 추종운전(Governor Free)은 발전기와 부하의 주파수 특성으로 계통 주파수가 어떻게 움직이는지 설명하는 기본 원리다. 발전기 탈락이나 부하 급변 때 1차예비력이 어떻게 동작하는지 이해해야 운영예비력과 주파수 유지기준을 설명할 수 있다. 전력계통 해석과 주파수 제어 문항에서 반복해서 나오는 개념이다.

출제 이력: 제122회 3교시 2번, 제108회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

주파수 추종운전은 발전기 조속기가 계통 주파수 변동에 따라 출력을 자동으로 증감시켜 수급 불균형을 1차로 억제하는 운전 방식이다.

• 핵심 키워드: 주파수 추종운전(Governor Free, GF), 조속기, 속도조정률(Droop), 1차예비력, 주파수 특성정수, 발전기 주파수 특성, 부하 주파수 특성, 자동발전제어(AGC)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 계통 주파수가 떨어지면 발전기가 스스로 연료·증기 밸브를 열어 출력을 늘리는 운전이다. 발전기가 중앙의 지시를 기다리지 않고 조속기의 속도조정률(Droop) 에 따라 응답하므로 "추종"이라는 이름이 붙었다.

정식으로는 조속기가 설정된 속도조정률에 따라 주파수 편차에 비례하여 발전기 출력기준을 바꾸는 운전 상태를 말한다. 운전 방식은 다음 두 가지 핵심 용어로 구분한다.

• 주파수 추종운전(GF): 조속기가 주파수 편차에 따라 자동으로 출력을 조정하는 운전이다. 계통 주파수를 1차로 안정화한다.
• 자동발전제어(AGC): 중앙급전소가 출력기준점을 변경하여 편차를 제거하는 운전이다. 주파수 추종운전 뒤에 작동하는 2차 제어다.

속도조정률 \delta는 주파수 변화율과 출력 변화율의 관계를 나타낸다. 정격 주파수 f_0(60Hz), 정격출력 P_r일 때 다음과 같이 쓴다.

$\delta = -\frac{\Delta f / f_0}{\Delta P / P_r} \times 100\%$

여기서 \Delta f는 주파수 변화량(Hz), \Delta P는 출력 변화량(MW), P_r은 정격출력(MW)이다. 주파수가 떨어지면 출력이 늘어나므로 부호는 음(-)이다. 속도조정률이 작을수록 같은 주파수 편차에 대해 출력 변화가 커진다.

계통 전체의 주파수 특성은 발전기 쪽과 부하 쪽의 합으로 본다. 발전기의 주파수 특성정수를 K_G, 부하의 주파수 특성정수를 K_L이라 하면 계통 주파수 특성정수는 K = K_G + K_L이다. 여기서 K_G는 발전기가 주파수 1Hz 변화당 출력을 바꾸는 크기(MW/Hz)이고, K_L은 부하가 주파수 1Hz 변화당 소비전력을 바꾸는 크기(MW/Hz)다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 수급 균형이 어긋나면 주파수가 변한다. 발전 전력과 부하 전력이 같아야 계통 주파수가 정격값을 유지하기 때문이다. 발전기나 송전선이 갑자기 탈락하면 불균형이 순간적으로 생기고, 이를 바로잡을 제어가 필요하다.

발전기 한 대의 용량은 계통 전체 용량에 비해 매우 작다. 따라서 한 대가 이탈해도 중앙 지시가 도착하기 전에 여러 발전기가 함께 출력을 분담해야 한다. 조속기가 자동으로 응동하는 주파수 추종운전은 이 역할을 맡는다. 응답이 빠르고 중앙 통신에 의존하지 않기 때문이다.

조속기 제어만으로는 주파수를 정격값으로 되돌리지 못한다. 속도조정률 특성 때문에 주파수에 편차가 남기 때문이다. 그래서 주파수 추종운전은 1차 제어로, AGC는 편차를 없애는 2차 제어로 역할을 나눈다. 우리나라 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준은 이 1차 응동을 1차예비력으로 규정해 운영예비력의 한 종류로 관리한다.

계통 주파수 유지기준도 주파수 추종운전의 필요성을 보여 준다. 평상 시 계통주파수는 (60 ± 0.2)Hz 범위 이내로 유지해야 하며, 최대 용량 발전기 1기 고장 시 최저 59.7Hz 이상을 유지하고 1분 이내에 59.8Hz로 회복해야 한다 — 전력거래소 고시 제4조.

4. 구성요소·원리·절차

주파수 추종운전은 발전기 자신의 조속기가 계통 주파수 변화에 스스로 응동하여 출력을 바꾸는 운전 방식이다. 중앙에서 출력 기준점을 보내지 않아도 조속기 자유운전(Governor Free)이 성립하는 점이 핵심이다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 계통 부하가 증가하면 발전 출력과 부하의 균형이 깨지고 회전자 속도가 떨어져 주파수가 낮아진다. 조속기는 이 속도 저하를 감지하여 밸브를 열고 원동기 출력을 늘린다. 반대로 부하가 줄어 주파수가 오르면 밸브를 닫아 출력을 줄인다. 이 응동은 중앙 신호 없이 발전기 단위에서 자동으로 일어나므로 1차 제어(Primary Control)라고 한다.

발전기들이 같은 속도조정률 설정을 가지면 정격용량 비율로 부하를 분담한다. 속도조정률 δ는 주파수 변화율과 출력 변화율의 관계로 정의한다.

$\delta = -\frac{\Delta f / f_0}{\Delta P / P_r} \times 100[\%]$

여기서 Δf는 주파수 편차(Hz), f₀는 정격주파수(60Hz), ΔP는 출력 변화량(MW), P_r은 정격출력(MW)이다. 발전기 주파수 특성정수 K_G는 다음과 같이 정한다.

$K_G = \frac{\Delta P_G}{\Delta f}[\mathrm{MW/Hz}] = \frac{P_r}{\delta \cdot f_0}$

예제: 정격 800MW 발전기가 속도조정률 2.5%로 무부하 병렬운전하며, 부하가 1,500MW일 때 두 발전기 합산 특성정수가 K_G = 800/(0.025×60) + 1200/(0.03×60) = 533.3 + 666.7 = 1,200MW/Hz이다. 부하 증가 ΔP = 1,500MW이므로 주파수 감소 Δf = 1,500/1,200 = 1.25Hz이다. 각 발전기 분담은 G1 = 533.3×1.25 = 666.7MW, G2 = 666.7×1.25 = 833.3MW이며 합은 1,500MW로 부하와 일치한다. 결과 주파수 58.75Hz는 상식 범위(운영 범위 내 저하)이다.

주파수 추종운전 절차는 다음과 같다.

• 계통 부하 변동으로 발전기 회전속도가 변한다.
• 조속기가 속도 편차를 검출하고 속도조정률에 따라 출력 기준을 조정한다.
• 원동기 유입량(연료·증기)이 변하고 발전기 출력이 변한다.
• 출력 변화가 수급 불균형을 줄여 주파수 편차가 축소된다.
• 정상상태에서 잔류 편차가 남으면 AGC(2차 제어)가 출력 기준점을 조정하여 편차를 제거한다.

도식으로 정리하면 다음과 같다.

주파수 추종운전은 조속기의 불감대와 응답 속도에 따라 성능이 달라진다. 불감대가 작을수록 작은 주파수 변화에도 출력이 응동한다. 응답 시간은 1차예비력의 정의(10초 이내 동작)와 직접 연결된다.

5. 관련 법령·기준·표준

「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」이 주파수 추종운전의 기준을 정한다. 이 고시는 「전기사업법」에 근거하는 전력거래소 고시이다. 주파수 관련 기준값과 조문은 다음 표와 같다.

개정 연혁은 고시 원문의 머리말 시행일자 외에 근거가 없으므로 개정 내용을 단정하지 않는다. 조속기 속도조정률은 발전원별로 달리 정해지며, 신규 진입 발전기에 적용된다. 1차예비력의 정의는 제2조 제6호에 따라 발전기의 조속기 운전 및 전기저장장치의 주파수추종 운전을 통해 10초 이내 동작하고 5분 이상 출력을 유지하는 예비력이다. 외국 기준과의 비교는 근거가 없으므로 다루지 않는다. 드룹(Droop) 제어 개념 자체는 IEEE·IEC 등 국제 기준에서 공통으로 쓰인다.

외국의 Droop 제어는 국내 조속기 속도조정률과 같은 개념으로 쓰인다. 다만 국내 값은 고시 제32조가 정한 범위를 따른다.

6. 유형과 비교

주파수 추종운전은 발전기 조속기가 계통 주파수 변화에 자동으로 응동하는 방식이다. 같은 주파수 대응이라도 조속기 자유운전, 자동발전제어(AGC), 전기저장장치 주파수추종운전은 응답 시간과 유지 시간이 다르다. 운영예비력 종류도 이 차이로 나뉜다.