무효전력 보상기

왜 배우는가: 무효전력 보상기는 계통 전압을 허용 범위에 묶고 송전 용량과 안정도를 확보하는 핵심 설비다. 실무에서는 STATCOM, SVC, 동기조상기, 전력용콘덴서, 분로리액터가 모두 같은 목적으로 쓰이므로 각 장치의 원리와 응답 특성을 구분해야 한다. 기술사 시험에서는 비교 문항으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제125회 1교시 12번, 제120회 3교시 4번, 제104회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무효전력 보상기는 계통 전압을 제어하기 위해 무효전력을 공급하거나 흡수하는 설비이다.

• 무효전력 보상
• 전압 제어
• STATCOM
• SVC
• 동기조상기
• 전력용 콘덴서
• 분로 리액터

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 무효전력 보상기는 전압이 떨어지면 무효전력을 넣어 올리고, 전압이 오르면 무효전력을 빼서 내리는 장치다. 전력은 유효전력과 무효전력으로 나뉘는데, 무효전력은 부하를 돌리지 않으면서 전압 크기에 영향을 준다. 따라서 전압을 맞추려면 무효전력의 흐름을 조절해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 무효전력 보상기는 계통의 무효전력 조류를 가변적으로 공급 또는 흡수하여 모선 전압을 유지하거나 조정하는 설비를 말한다. 공급은 진상(용량성) 동작, 흡수는 지상(유도성) 동작이라고 부른다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다. STATCOM(정지형 무효전력 보상장치)은 인버터로 전압원을 만들어 계통과 무효전력을 교환하는 장치다. 출력 전압이 계통 전압보다 높으면 무효전력을 공급하고, 낮으면 흡수한다. SVC(정적 무효전력 보상장치)는 사이리스터로 리액터와 콘덴서를 스위칭해 무효전력을 조정한다. 동기조상기는 무부하로 운전하는 동기기로, 여자전류를 조정해 무효전력을 공급하거나 흡수하는 회전기다.

또 하나의 기본 원리는 두 전압의 차이다. 인버터 출력 전압을 V_i, 계통 전압을 V_s라 하면, 두 전압을 동위상으로 맞출 때 유효전력 교환 없이 무효전력만 교환된다. V_i > V_s이면 무효전력 공급, V_i < V_s이면 흡수, V_i = V_s이면 교환이 없다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통은 좁은 전압 범위에서 운용하도록 설계되어 있다. 전압이 범위를 벗어나면 설비 고장과 보호 계전기 오동작이 생길 수 있다. 무효전력은 발전기와 송전선에 열을 발생시키므로, 무효전력이 많이 흐르면 유효전력 송전 여력이 줄어든다. 또한 무효전력을 장거리로 보내면 선로 손실이 커진다.

초기에는 전력용 콘덴서와 분로 리액터가 주로 쓰였다. 콘덴서는 설치 비용이 낮지만, 무효전력 공급량이 전압의 제곱에 비례하므로 전압이 낮을 때 공급량이 줄어드는 단점이 있다. 이 때문에 전압이 가장 필요한 순간에 공급이 줄어드는 문제가 생긴다.

이 한계를 줄이기 위해 사이리스터를 이용한 SVC가 나왔다. 사이리스터는 기계식 차단기보다 빠르게 스위칭하므로 무효전력을 세밀하게 조정할 수 있다. 이후 전력전자 기술이 발전하면서 인버터 기반의 STATCOM이 등장했다. STATCOM은 전압이 낮아도 정격 전류를 유지할 수 있어 저전압 구간에서 SVC보다 우수한 무효전력 공급 능력을 보인다.

계통의 강도도 필요성과 관련된다. 무효전력 변화에 따른 전압 변화가 큰 모선을 약한 계통이라 하며, 이때 보상기의 역할이 커진다. 계통 강도는 단락비로 표현하며, 단락비가 높을수록 강한 계통이다. 약한 계통일수록 보상기가 없으면 전압 불안정이 생기기 쉽다.