FRT

왜 배우는가: 신재생발전기가 계통에 대량 연계되면서 계통 고장 시 발전기가 한꺼번에 탈락하는 연쇄 정지를 막는 것이 핵심 과제가 되었다. 그래서 고장 중에도 발전기를 연계 상태로 유지하는 FRT 요건이 연계기준의 중심에 놓이며, 발송배전 기술사 시험에서 반복 출제되는 주제다.

출제 이력: 제130회 4교시 6번, 제121회 1교시 6번, 제110회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: FRT(Fault Ride Through)는 계통 고장으로 전압이 순간 떨어져도 신재생발전기가 연계를 유지하고 필요한 무효전력을 공급하는 능력이다.

핵심 키워드

• FRT(Fault Ride Through)
• 저전압 관통(LVRT)
• 순시전압저하(Voltage Sag)
• 계통연계 유지
• 무효전력 공급
• 전압 회복
• 연쇄 탈락(Cascading Trip)

국내 기준 용어는 「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」 제55조에 따라 '순시전압저하 시 유지성능'이다. 이 고시는 신재생발전기가 인근 계통 고장 시 순시전압저하에도 연계운전을 유지할 수 있는 성능을 갖추도록 정한다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 FRT는 계통에 사고가 나서 전압이 잠깐 떨어질 때 발전기가 뒤로 빠지지 않고 버티는 능력이다. 발전기가 한꺼번에 떨어지면 남은 계통 전압이 더 낮아지고 사고가 번지므로, 이를 막기 위해 요구한다.

정식 정의는 다음과 같다. 저전압 관통은 고장 시 계통 전압이 일정 수준 이하로 떨어져도 발전기가 일정 시간 동안 계통에서 분리되지 않고 운전을 계속하는 성능이다. 이를 전압-시간 곡선으로 규정하는 것이 일반적이다. 곡선 아래쪽 영역 안에서는 연계를 유지하고, 그 밖으로 떨어지면 보호 동작을 허용한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 순시전압저하: 고장으로 짧은 시간 동안 전압이 정격보다 낮아지는 현상이다.
• 무효전력 지원: 전압 회복을 돕기 위해 발전기가 무효전력을 공급하는 기능이다.
• 전압 회복 시간: 고장 제거 후 전압이 정상 범위로 돌아오는 데 걸리는 시간이다.

FRT는 발전기 단독 성능이 아니라 계통 안정도의 일부다. 발전기가 버틸수록 계통 복구가 빨라지고 다른 발전기의 연쇄 탈락이 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 신재생발전기는 계통 고장 시 전압 저하를 감지하면 즉시 분리되도록 설계됐다. 이 방식은 발전기 보호에는 유리했지만, 보급 용량이 커지자 계통 측면의 문제를 낳았다. 대규모 풍력단지나 태양광이 동시에 탈락하면 발전량 손실이 한꺼번에 발생해 주파수와 전압이 함께 흔들린다.

송전 계통에서 발생한 고장이 배전 측 발전기 탈락으로 확대되는 경우가 문제로 지적됐다. 이 때문에 신재생발전기에도 기존 동기발전기 수준의 고장 대응 성능이 요구되기 시작했다. 최근에는 국내 연계기준이 계통 신뢰도 유지를 위한 필수 요건으로 FRT를 명시하고 있다.

FRT가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다. 첫째, 발전기 연쇄 탈락을 막아 계통 붕괴를 피한다. 둘째, 고장 후 전압 회복을 돕는다. 셋째, 신재生 비중이 높아져도 기존 계통과 같은 안정도를 유지한다.

4. 구성요소·원리·절차

FRT 기능은 계통연계 유지(Fault Ride Through) 를 실현하는 설비 구성과 동작 순서로 이루어진다. 발전기 본체와 전력변환 장치, 보호·제어 계통이 함께 작동한다.

원리는 다음과 같다. 계통 고장으로 전압이 떨어지면 발전기는 짧은 시간 동안 연계를 유지한다. 그 동안 무효전력 주입(Reactive Current Injection) 으로 계통 전압 회복을 돕는다. 전압이 회복되면 정상 운전으로 복귀한다.

고장 중 연계를 끊지 않고 무효전력을 공급하는 것이 FRT의 핵심이다.

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절차를 번호로 정리하면 다음과 같다.

• 계통 전압 저하를 검출한다.
• 전압-시간 곡선 안이면 연계를 유지하고, 밖이면 보호 동작으로 탈락한다.
• 연계 유지 중 무효전력을 주입해 전압 회복을 돕는다.
• 전압이 회복되면 출력을 정상 수준으로 되돌린다.

핵심 공식은 다음과 같다. 무효전력 주입량은 전압 강하량에 비례시키는 방식이 널리 쓰인다.

$\Delta I_q = K \cdot \Delta V \cdot I_n$

여기서 \Delta I_q는 주입 무효 전류(A), K는 계수, \Delta V는 전압 강하 비율(pu), I_n은 정격 전류(A)다. 계수 K는 계통 기준에 따라 정한다. 전압 강하가 깊을수록 주입량이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 FRT 요건은 「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」 신재생 발전설비 신뢰도 장에 있다. 신재생발전기는 인근계통 고장 시 순시전압 저하에도 연계운전을 유지할 성능을 갖춰야 한다. 전력거래소는 계통검토와 보호협조를 고려한 기준을 제시한다. 주파수 운전기준은 제28조를 적용한다.

기준 수치는 다음 표와 같다.

표 아래 해설: 주파수 기준과 무효전력 기준은 FRT 중 계통 안정에 직접 관여한다. 순시전압 저하 기준은 제55조 원문을 따른다.

개정 연혁은 확인된 범위에서 다음과 같이 정리한다. 신재생발전기 관련 장은 제8장 신재생 발전설비 신뢰도로 편성되어 있다. 전압 저하 허용 곡선의 구체 수치는 기준 고시 본문을 따른다.