분산전원 전압변동

왜 배우는가: 분산전원이 배전선로에 연계되면 조류 방향이 바뀌어 기존 전압 조정 방식이 맞지 않게 된다. 전압변동은 연계 위치·용량·역률에 따라 달라지므로 계통 연계 검토의 핵심 항목이며, 4교시 문제에서 반복해 출제되었다.

출제 이력: 제135회 4교시 6번, 제131회 1교시 10번, 제127회 2교시 4번, 제116회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분산전원 전압변동은 분산전원의 연계 위치·용량·역률에 따라 배전선로의 부하 조류와 전압 분포가 변하는 현상이다.

• 분산전원
• 전압변동
• 조류 방향
• 역조류
• 연계점(PCC)
• 역률
• 전압 조정기
• 전압강하 계산

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 분산전원은 수용가 가까이에서 전기를 만들어 배전선로에 넣는 발전설비다. 전력이 배전선로에 들어오면 선로의 전류 방향과 크기가 바뀌고, 그 결과 선로 각 지점의 전압도 바뀐다. 이 변화가 전압변동이다.

정식으로는 분산전원이 배전계통에 연계되었을 때 연계점과 그 하류의 모선 전압이 분산전원의 출력(유효전력 P)과 무효전력(Q), 즉 역률에 따라 변하는 현상을 말한다. 기존 배전선로는 변전소에서 수용가 방향으로 전력이 한 방향으로 흐른다고 가정하고 설계되었다. 분산전원이 들어오면 이 가정이 깨진다.

조류 방향은 전력이 흐르는 방향이다. 분산전원의 출력이 부하보다 크면 전력이 배전선로를 거슬러 변전소 쪽으로 흐르는데, 이를 역조류라고 한다. 역조류가 생기면 그 구간의 전압은 연계점에서 상승한다.

연계점은 분산전원이 배전선로와 만나는 지점이다. 연계점의 위치에 따라 하류 부하의 전압이 올라갈지 내려갈지가 정해진다. 연계점을 기준으로 변전소 쪽과 말단 쪽의 전압 반응이 서로 반대로 나타난다.

역률은 유효전력과 피상전력의 비다. 분산전원이 무효전력을 공급하면 선로 전류가 줄어 전압강하가 감소하고, 무효전력을 흡수하면 전압강하가 커진다.

이 세 요소가 함께 작용하므로 전압변동을 한 가지 원인으로 설명하면 답안이 얕아진다. 연계 위치, 용량, 역률을 나눠서 각각의 영향을 보이고, 그 다음에 조합의 결과를 설명하는 순서가 정확하다.

3. 등장 배경과 필요성

배전계통은 오랫동안 변전소의 변압기 탭과 선로 중간의 전압 조정기, 콘덴서 같은 장치로 전압을 유지해 왔다. 이 장치들은 전압이 선로를 따라 거리에 비례해 단조롭게 떨어진다는 가정에 맞춰 설계되었다.

태양광, 풍력 같은 분산전원이 배전선로에 늘어나면서 이 가정이 깨졌다. 분산전원이 선로 말단에 많이 연결되어 있으면 부하가 가벼운 시간대에 전류가 변전소 방향으로 흐른다. 이때 전압 분포는 거리에 따라 올라가는 형태가 된다. 기존 전압 제어기는 이 상황을 잘못 판단해 오히려 선로 끝의 전압을 한계 밖으로 올릴 수 있다.

또한 분산전원의 출력은 일사량이나 풍속에 따라 급변한다. 출력이 빠르게 변하면 전압도 빠르게 변하고, 이는 공급 전압 품질을 떨어뜨린다. 따라서 연계 위치와 용量, 역률을 미리 검토해 전압변동을 한계 안에 두는 것이 연계 허용 여부를 정하는 핵심 근거가 된다.

배전선로 전압 허용 범위는 공급 전압 기준에 따른다. 연계 검토에서는 이 범위를 넘는지를 계산으로 확인한다.

4. 구성요소·원리·절차

분산전원 연계 배전계통의 전압변동은 조류 방향과 연계 위치에 따라 달라진다. 전압변동을 해석하려면 먼저 계통의 구성요소를 나누어 보는 것이 출발점이다.