STATCOM

왜 배우는가: STATCOM은 태양광·풍력 같은 출력 변동 전원이 늘면서 연계점 전압 안정화 수단으로 실무에서 자주 검토된다. 시험에서도 FACTS 기기의 대표 항목으로 정의, 동작원리, SVC와의 비교가 반복해 출제된다.

출제 이력: 제139회 3교시 4번, 제134회 1교시 5번, 제126회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

STATCOM은 자기소호형 전압형 변환기를 계통에 병렬 접속하여 무효전류를 연속적으로 주입·흡수함으로써 계통 전압을 제어하는 정지형 무효전력 보상장치이다.

• 전압형 변환기(VSC)
• 무효전력 보상
• 병렬 접속(Shunt Connection)
• FACTS(Flexible AC Transmission System)
• PWM 제어
• 직류 커패시터
• 전압 안정도

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 STATCOM은 계통에 전압을 높이거나 낮추는 힘을 전자회로로 빠르게 가하는 장치다. 회전기인 동기조상기가 하던 일을 반도체 소자로 대신한다는 뜻에서 이름에 '동기(Synchronous)'가 들어간다.

정식으로는 Static Synchronous Compensator의 약어이며, 계통과 병렬로 연결되어 무효전력(Reactive Power)을 공급하거나 흡수하는 션트형(Shunt) 보상장치다. 전압원 변환기(VSC, Voltage Source Converter)가 핵심이며, 직류측에는 직류 커패시터를 두어 직류전압을 일정하게 유지한다.

STATCOM은 FACTS 계열 기기 중 하나다. FACTS는 교류 송전계통의 전압, 임피던스, 위상각을 빠르고 정밀하게 제어하는 전력전자 기기의 총칭이다. 같은 계열에 직렬형 TCSC, 병렬형 SVC 등이 있으며, STATCOM은 그중 전압형 변환기를 쓰는 병렬형 기기로 분류된다.

핵심 용어인 무효전력은 전압과 전류의 위상차에서 생기는 전력으로 실제 일을 하지 않지만 전압을 유지하는 데 필요하다. 무효전력이 부족하면 전압이 떨어지고, 과잉이면 전압이 올라간다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 원래 동기발전기가 대부분의 무효전력과 전압 유지를 담당해 왔다. 그러나 태양광·풍력 발전은 인버터로 계통에 연계되고 출력이 기상에 따라 급변한다. 이 과정에서 연계점의 전압 변동, 플리커, 전압 불안정 문제가 생긴다.

기존 수동형 설비인 전력용 콘덴서와 분로리액터는 개폐에 시간이 걸리고 출력이 계단형이다. 이 때문에 빠른 전압 변동에 대응하기 어렵다. 이러한 한계를 보완하려고 전력전자 기술을 이용한 정지형 보상장치가 개발되었다.

1990년대 이후 자기소호형 반도체(GTO, IGBT 등)의 성능이 높아지면서 전압형 변환기 방식의 STATCOM이 실용화되었다. 최근에는 재생에너지 연계 확대와 함께 계통 안정화 설비로 적용이 늘고 있다. 제주·동해안처럼 발전 집중 지역에서 송전 안정도를 확보하는 수단으로도 검토되고 있다.

계통 전압 변동을 수 ms 단위로 보상 능력이 요구되는 점이 등장의 핵심 배경이다.

STATCOM의 필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 재생에너지 출력 변동에 따른 전압 안정화다. 둘째, 고장 후 전압 회복을 지원하는 과도 안정도 향상이다. 셋째, 플리커와 전력품질 개선이다.

4. 구성요소·원리·절차

STATCOM은 계통 모선에 병렬로 접속되는 전압형 변환기(VSC)와 직류 커패시터, 연계리액터(또는 연계변압기), 제어기로 구성된다. 핵심은 변환기 출력전압과 계통전압의 크기 차로 무효전류의 방향과 크기를 정하는 것이다.

표의 구성요소는 모두 STATCOM의 기본 부품이다. 연계리액터는 변환기 출력과 계통 사이의 전압차를 전류로 바꾸는 매개 역할을 하므로 용량 산정의 기준이 된다.

원리는 다음과 같다. 연계리액터 양단 전압차 \Delta V = V_i - V_s가 리액턴스 X를 흐르는 전류를 만들고, 그 전류는 거의 순수 무효전류다.

$Q = V_s \cdot I_q = \frac{V_s (V_i - V_s)}{X}$

여기서 Q는 계통에 공급되는 무효전력(var), V_s는 계통 모선전압(V), V_i는 변환기 출력전압(V), X는 연계 리액턴스(Ω), I_q는 무효전류(A)다. 식에서 V_i > V_s이면 Q가 양(+)이 되어 용량성 무효전력을 공급하고, V_i < V_s이면 음(-)이 되어 유도성 무효전력을 흡수한다. V_i = V_s이면 교환이 없다.

변환기 전압을 계통전압보다 높이면 무효전력 공급, 낮추면 흡수

절차는 다음 순서로 진행된다.

• 계통전압 V_s를 PCC에서 검출하고 기준전압과 비교한다.
• 전압 편차로 무효전류 지령 I_q^*를 PI(또는 PID) 제어기로 생성한다.
• 지령 전류를 얻도록 변환기 출력전압 V_i의 크기와 위상을 PWM으로 조정한다.
• 직류 커패시터 전압을 일정하게 유지하며 유효전력은 손실 보상에 필요한 만큼만 교환한다.
• 계통전압이 바뀌면 1~4를 반복하여 연속 제어한다.

도식은 제어 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

STATCOM은 전력시설 자체를 규정하는 단일 법령 조항보다, 계통 연계 기준과 전압 관리 기준에서 운전 요건이 정해진다. 국내에서는 「전기사업법」과 전력계통 운영 규정, 발전사업자 연계 기준 등이 적용된다. 전력품질과 전압 허용범위는 KEC(한국전기설비규정)와 전력거래소 계통운영 기준을 따른다. 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

국제적으로는 FACTS 장치 성능 시험과 분산전원 연계를 다루는 표준이 있다. 개별 기준의 세부 수치는 설계사와 계통운영자가 협의하여 정한다.

기준 수치 표는 다음과 같다.

표의 드룹 값은 제어 방식의 예이며, 실제 설정은 계통 조건에 맞춰 정한다. 응답 시간과 저전압 한계는 장치 설계에 따라 달라진다.

개정 연혁으로는 신재생에너지 확대에 따라 분산전원 연계 기준과 계통운영 기준이 강화되는 추세다. 구체적 조문 개정 내용은 여기서 단정하지 않는다.

6. 유형과 비교

STATCOM은 무효전력을 만드는 방식에 따라 전압형 변환기 기반 장치와 리액터·콘덴서 기반 장치로 나뉜다. 동기조상기, SVC, STATCOM을 같은 기준으로 비교하면 응답 속도와 저전압 성능의 차이가 분명해진다.

위 표에서 STATCOM의 핵심 차이는 무효전력이 전압 제곱이 아니라 전압에 선형으로 변한다는 점이다. 따라서 저전압 사고 시에도 정격 전류 수준의 무효전류를 공급할 수 있다.

이 표는 FACTS 장치가 연결 방식과 제어 대상에 따라 역할이 갈린다는 점을 보여준다. STATCOM은 병렬형이므로 모선 전압 제어에 적합하다.

가. 유효전력 저장장치 결합형

직류 측에 배터리나 초전도 자기 에너지 저장장치를 붙이면 유효전력도 교환할 수 있다. 이 형식을 에너지 저장형 STATCOM이라 부르며, 주파수 조정과 피크 관리에 활용된다. 기본형 STATCOM은 직류 커패시터만 가지므로 유효전력 교환이 손실 보상 수준에 그친다.

7. 장단점·한계와 개선 방향

STATCOM의 장점은 응답이 빠르고, 연속적·양방향 제어가 가능하며, 설치 면적이 작다는 것이다. 특히 저전압 구간에서도 정격 전류를 유지하는 특성은 SVC와의 결정적 차이다. 또한 LC 공진 가능성이 없어 콘덴서 뱅크를 쓰는 장치보다 계통 공진 위험이 낮다.