분산전원 연계 분리·재병입 조건

왜 배우는가: 분산형 전원은 배전계통의 고장이나 정전 때 계통과 분리되지 않으면 단독운전으로 인명·설비 사고를 일으킬 수 있고, 복전 시 비동기 투입으로 설비가 손상될 수 있다. 그래서 분리·재병입 조건은 연계 기술기준의 핵심이며, 시험에서 고장·재폐로 협조·전압·주파수·재병입을 묶어 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 2교시 6번, 제131회 4교시 2번, 제126회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분산형 전원 분리·재병입 조건은 배전계통 이상 시 분산형 전원을 계통에서 분리하고, 계통 정상 복귀 후 동기 조건을 확인하여 다시 연계하는 기준이다.

• 단독운전(Islanding)
• 분리시간(Separation time)
• 재병입(Reconnection)
• 계통연계유지(Fault Ride-Through, FRT)
• 재폐로 협조
• 동기화 조건
• 전압·주파수 보호 릴레이

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 계통이 끊기거나 고장 나면 태양광 같은 분산형 전원은 빨리 손을 떼고, 계통이 정상으로 돌아오면 그때 다시 붙는다는 뜻이다. 손을 떼는 것을 분리, 다시 붙이는 것을 재병입이라 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 분리는 계통의 전압·주파수가 허용 범위를 벗어나거나 고장이 발생했을 때 분산형 전원을 배전계통에서 차단하는 것이다. 재병입은 계통 전압·주파수가 정상 범위에 일정 시간 머문 뒤, 분산형 전원과 계통의 전압 크기·위상·주파수가 맞을 때 연계하는 것이다.

단독운전은 계통이 끊긴 뒤에도 분산형 전원이 주변 부하에 계속 전력을 공급하는 상태다. 전압과 주파수 릴레이로 감지하지 못하는 경우가 있다. 유효전력과 무효전력이 모두 평형이면 전압과 주파수 변화가 작아 OVR, UVR, OFR, UFR로 감지되지 않는다는 점이 핵심이다.

계통연계유지(Fault Ride-Through)는 계통 전압이 짧은 시간 떨어져도 발전원이 연계를 유지하는 능력이다. 분리 조건과 반대 방향의 요구이므로 함께 이해해야 한다.

원리는 단순하다. 분산형 전원이 계통 고장을 견디지 못하고 떨어지면 계통 복구를 방해하고, 반대로 계통과 어긋난 상태로 붙으면 큰 전류와 토크 충격이 생긴다. 그래서 떨어질 때는 빠르게, 붙을 때는 맞춰서 해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 배전계통은 변전소에서 수용가로 한 방향으로 전력을 공급했다. 분산형 전원이 늘면서 역조류가 생겼고, 기존 구간 개폐기와 보호기기는 주 전원 측 전력만 감지해 오동작할 가능성이 커졌다. 역조류 상황에서는 분산형 전원의 단독운전과 비동기 투입이 계통 보호에 직접 위협이 된다.

단독운전 위험은 실제 설비에서도 확인된다. 건물 일체형 태양광과 ESS가 계통에 함께 연계된 경우에도 계통 정전 후 발전이 계속되면 인명 안전과 복전 시 설비 손상 문제가 생긴다. 이 때문에 한전 기술기준은 단독운전 검출과 분리 시간을 명확히 규정한다.

기술기준 측면에서 분리 시간은 단독운전이 불가피하게 생긴 경우 가능한 빨리 검출해 분리하는 것을 원칙으로 한다. 순간이라도 계통 운용, 설비 운전, 공공 인축 안전에 나쁜 영향이 없도록 보호장치나 전송차단장치를 갖추도록 요구한다. 순간 단독운전이 생기더라도 관련 기준이 정한 시간 이내 분리가 기본 기준이다.

재병입 기준이 필요한 이유도 같다. 계통 복구 직후 전압과 위상이 맞지 않은 상태로 붙으면 비동기 투입이 되어 발전기와 계통 모두에 손상을 준다. 따라서 재병입은 계통 안정 확인과 동기 조건 확인을 거친 뒤에만 허용한다.

이 배경은 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 모두 반복 출제되는 이유다. 분리 조건, 재병입 조건, 재폐로 협조를 하나의 흐름으로 설명할 수 있어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

분산형 전원의 분리와 재병입은 연계차단기, 보호계전기, 단독운전 검출장치, 전송차단장치가 함께 작동하여 이뤄진다. 각 구성요소의 역할은 다음 표와 같다.

원리는 계통 이상을 빠르게 감지해 분산형 전원을 계통에서 떼어 내고, 계통이 정상 상태로 복귀했을 때만 다시 붙이는 것이다. 계통 고장이 발생하면 전압이나 주파수가 변하고, 보호계전기가 이를 감지하여 연계차단기를 연다. 그러나 발전량과 부하가 유효전력과 무효전력 모두에서 평형을 이루면 전압과 주파수 변화가 작다. 이 경우 과전압·저전압·과주파수·저주파수 릴레이로는 단독운전을 잡지 못한다. 따라서 주파수 이동이나 무효전력 변동을 일부러 주어 상태 변화를 키우는 능동 검출 방식을 함께 쓴다. 단독운전은 수동 릴레이만으로 검출할 수 없으므로 능동 검출 방식을 병용한다.

분리 후 재병입 절차는 다음과 같다.

• 계통 고장이나 작업으로 전압·주파수 이상이 발생하면 보호계전기가 이를 감지한다.
• 단독운전 여부를 검출하고, 관련 기준이 정한 시간 이내에 분리 신호를 낸다.
• 연계차단기를 개방하고 분산형 전원의 출력을 정지한다.
• 계통 전압과 주파수가 정상 범위로 돌아왔는지 확인하고, 정해진 대기 시간을 채운다.
• 동기검정 조건을 만족하면 연계차단기를 투입하여 재병입한다.

재병입 때는 계통과 분산형 전원의 전압 크기, 위상각, 주파수 차이가 허용 범위 안에 있어야 한다. 비동기 투입은 발전기와 인버터에 과전류와 기계적 충격을 주므로 설비 손상을 막기 위해 반드시 동기 조건을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

분산형 전원의 분리와 재병입 요건은 한국전력공사의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준에서 규정한다. 이 기준은 단독운전 검출과 분리, 비정상 전압·주파수에서의 분리, 재병입, 계통 고장 시 연계 유지 요건을 담는다. 주요 기준 값은 다음 표와 같다.

단독운전 분리 시간은 순간이라도 계통 운용과 설비 운전, 공공 인축 안전에 나쁜 영향을 주지 않도록 정한 시간이다. 이 값을 맞추기 위해 보호장치나 전송차단장치를 반드시 갖춘다. 부하전류 증감으로 계통 전압이 변하는 경우에는 전압 크기에 따라 분리 시간을 달리 정한 표를 적용한다.

계통연계 유지 요건은 계통 고장으로 연계점 전압이 순간 떨어져도 분산형 전원이 연계를 유지하는 능력이다. 전압이 회복될 때까지 연계를 지속하고, 필요하면 무효전력을 공급하여 계통 복구를 돕는다. 이 능력이 있어야 고장 한 번에 많은 분산형 전원이 한꺼번에 떨어지는 사고를 막을 수 있다.

재병입은 계통 전압과 주파수가 정상 범위에 일정 시간 유지된 뒤에 허용된다. 재병입 조건은 앞의 동기검정 조건과 함께 적용하며, 두 조건을 모두 만족해야 연계차단기를 투입한다.