자동발전제어(AGC)

왜 배우는가: 전력은 생산과 동시에 소비되어야 하므로 발전과 부하가 어긋나면 계통 주파수가 바뀐다. 자동발전제어(AGC)는 이 편차를 중앙에서 자동으로 바로잡는 핵심 제어이며, 계통 운영의 기본 기능이라 기술사 시험에서 정의, 제어 단계, 조속기와의 관계를 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제129회 4교시 1번, 제111회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자동발전제어(AGC)는 주파수 편차를 검출해 여러 발전기의 출력기준점을 중앙에서 자동 조정하는 2차 주파수 제어이다.

핵심 키워드

• 자동발전제어(AGC): 계통 주파수와 연계선 조류를 감시해 발전기 출력을 자동 조정하는 제어
• 1차 제어: 조속기가 속도조정률에 따라 출력을 바꾸는 제어
• 2차 제어: 중앙 EMS가 출력기준점을 조정해 편차를 없애는 제어
• 속도조정률(Droop): 주파수 변화 대비 발전기 출력 변화의 비율
• 지역제어오차(ACE): 연계선 조류 편차와 주파수 편차를 합친 제어 신호

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 AGC는 전력 수급이 어긋났을 때 그 차이를 중앙에서 발전기들에 나누어 맡기는 장치다. 계통 주파수가 높으면 발전이 부하보다 많다는 뜻이므로 출력을 줄이고, 낮으면 출력을 늘린다.

정식 정의는 다음과 같다. 자동발전제어는 EMS가 계통 주파수와 연계선 조류 편차를 감시하고, 이를 바탕으로 AGC 대상 발전기에 출력기준점 지령을 보내 발전과 부하의 균형을 유지하는 제어다.

1차 제어는 발전기 자체의 조속기가 속도조정률에 따라 출력을 바꾸는 동작이다. 사람의 개입 없이 즉시 응동하지만 주파수 편차를 남긴다. 2차 제어는 EMS에서 신호를 받아 기준점을 옮기는 동작이며, AGC가 여기에 속한다.

지역제어오차(ACE)는 AGC 판단의 기준이다. 식은 다음과 같다.

$ACE = \Delta P_{tie} + B \cdot \Delta f$

여기서 \Delta P_{tie}는 연계선 조류의 예정값 대비 편차(MW), B는 주파수 바이어스 상수(MW/Hz), \Delta f는 주파수 편차(Hz)다. ACE가 0에 가까워지도록 발전기 출력을 배분한다.

경제급전은 AGC가 출력을 나눌 때 연료비가 최소가 되도록 발전기를 배분하는 원칙이다. 조속기는 이 원칙을 고려하지 않으므로 AGC가 이를 맡는다.

3. 등장 배경과 필요성

조속기(1차 제어)만으로는 주파수를 정격값으로 되돌릴 수 없다. 발전기들이 속도조정률(드룹) 특성을 가지므로, 부하가 변하면 주파수에 편차가 남는다. 편차를 없애려면 중앙에서 출력기준점을 조정하는 적분 동작이 필요하다.

조속기 제어에는 세 가지 한계가 있다. 첫째, 드룹 특성 때문에 주파수를 60Hz로 회복시키지 못한다. 둘째, 발전기 간 연료비 차이를 반영하지 못해 경제적이지 않다. 셋째, 응동이 거칠어 미세한 주파수 조정에 적합하지 않다. 따라서 규정 주파수 유지를 위해 보충 제어로서 AGC가 필요하다.

계통 규모가 커도 개별 발전기 용량은 상대적으로 작다. 대용량 발전기가 탈락하면 나머지 발전기가 출력을 늘려 주파수 저하를 막아야 하는데, 한 대가 늘릴 수 있는 출력에는 한계가 있다. 이때 중앙 AGC가 여러 발전기에 나누어 출력을 배분하는 역할을 맡는다.

최근에는 태양광·풍력 같은 변동성 전원이 늘면서 AGC의 역할이 더 커졌다. 제어 가능한 발전기가 줄면 계통 운영의 제약이 커지므로, 원자력을 포함한 발전기가 AGC 기능을 갖추어야 한다는 논의가 이어지고 있다.

속도조정률 기력 5~6%가 대표적인 설정이며, 이 값이 발전기 간 부하 분담 비율을 결정한다.

4. 구성요소·원리·절차

AGC 는 발전기 조속기만으로 해결되지 않는 주파수 편차를 이차제어(Secondary Control)로 보충하는 장치다. 구성요소는 중앙의 EMS 안에 있는 AGC 연산부와 각 발전기의 조속기·출력기준점 설정부다.

원리는 다음과 같다. 발전기 출력과 부하가 어긋나면 회전 운동 에너지가 흡수되거나 방출되어 주파수가 변한다. 조속기는 속도 조정률(Droop)에 따라 출력을 나누어 편차를 줄이지만 편차를 완전히 없애지 못한다. AGC 는 주파수 편차와 연계선 전력 편차를 적분 제어해 잔류 편차를 0 으로 되돌린다. 면적 제어 오차는 ACE = ΔP_tie + B·Δf 로 쓴다(ΔP_tie: 연계선 전력 편차[MW], B: 주파수 바이어스[MW/0.1Hz], Δf: 주파수 편차[Hz]).

AGC 의 기본 절차는 다음과 같다.

• 계통 주파수와 연계선 조류를 측정한다.
• ACE 를 계산하고 불균형량을 구한다.
• 경제급전 원리로 참여 발전기에 불균형량을 배분한다. 이때 경제부하배분(Economic Load Dispatch) 조건인 등증분연료비가 기준이 된다.
• 배분된 출력 지령을 발전기 출력기준점에 보낸다.
• 발전기는 조속기를 통해 지령에 맞게 출력을 바꾸고, 결과를 다시 측정해 1단계로 돌아간다.

조속기 속도 조정률 δ 는 다음과 같이 정의한다.

$\delta = -\frac{\Delta f / f_n}{\Delta P / P_n} \times 100\%$

여기서 Δf 는 주파수 변화량[Hz], f_n 은 정격주파수[Hz], ΔP 는 출력 변화량[MW], P_n 은 발전기 정격출력[MW]이다. 이 식으로 병렬 발전기가 정격용량 비율로 부하를 나누는 이유가 설명된다.

5. 관련 법령·기준·표준

AGC 와 조속기 제어는 전력시장 운영규칙과 계통 운영 기준에 따른다. 발전기 조속기는 한국전력거래소 계통운영 기준의 주파수 유지 요건을 만족해야 하며, 세부 기준은 다음 표로 정리한다.

속도 조정률 값은 발전원마다 다르다. 국내 AGC 운영은 전력시장 운영규칙과 계통운영 기준에 따라 발전기 참여 조건을 정한다. 기준 명칭과 조항 번호는 지금 확인된 자료로는 특정하지 못하므로 쓰지 않는다.

원자력발전기는 조속기와 AGC 제어 기능이 확보되어야 기저발전 역할과 재생에너지 출력제어를 함께 맡을 수 있다. 이 내용은 운영상 쟁점이며 기준값으로 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

자동발전제어(AGC)는 제어 대상과 응답 속도에 따라 여러 제어 단계로 나뉜다. 조속기 자유운전, 1차 제어(Droop), 2차 제어(AGC)는 같은 주파수 편차를 다루지만 동작 주체와 시간 범위가 다르다. 아래 표는 이 세 단계를 비교한 것이다.

표에서 보듯 조속기 자유운전과 1차 제어는 같은 원리로 동작한다. 차이는 속도조정률 설정을 적용하는지 여부에 있다. 2차 제어만이 주파수 편차 제거와 기준출력 재배분을 담당한다.

발전기의 속도조정률(δ)은 발전원별로 다르게 설정된다. 수력과 내연발전기는 3.0~4.0%, 가스터빈은 4.0~5.0%, 기력발전기는 5.0~6.0%이다(전력시장에 신규 진입하는 발전기 기준, 원자재 수급불안 등으로 연료설계범위를 벗어난 연료를 쓰는 경우 예외 가능). 속도조정률이 작은 발전기일수록 부하분담이 커진다. 이 차이는 AGC 참여 발전기를 선정할 때 고려된다.