분산형전원 전원품질 분리시간

왜 배우는가: 분산형전원이 배전계통에 연계되면 계통 사고나 작업 시 단독운전과 전압·주파수 변동이 생기고, 이때 분산형전원을 얼마나 빨리 분리하고 얼마 동안 운전을 지속할지가 계통과 공공 안전을 좌우한다. 신재생에너지 확대로 이 기준은 실무 설계와 시험에서 계속 쓰이며, 기술사 시험에서도 분리시간과 운전지속시간을 수치와 함께 묻는 문항으로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제134회 1교시 5번, 제125회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분산형전원 전원품질 분리시간은 계통의 전압 또는 주파수가 정해진 범위를 벗어났을 때 분산형전원을 계통에서 분리하기까지 허용되는 시간이며, 분리 후 또는 이상 중 운전을 지속할 수 있는 시간(운전지속시간)과 함께 규정된다.

비정상 전압·주파수 시 분산형전원을 정해진 시간 안에 계통에서 분리하고, 허용 범위 안에서는 운전을 지속한다는 기준이다.

키워드: 분산형전원, 분리시간, 운전지속시간, 비정상 전압, 비정상 주파수, 단독운전, 배전계통 연계 기술기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 계통에 사고가 나서 전압이나 주파수가 흔들리면 분산형전원이 그 상태를 얼마나 참고 버텨도 되는지, 언제 계통에서 떨어져야 하는지를 정한 것이다. 계통을 보호하고 작업자와 주변 설비를 지키기 위한 기준이다.

정식 정의는 다음과 같다. 분산형전원 전원품질 분리시간은 배전계통에 연계된 분산형전원이 계통 전압 또는 주파수 이상을 감지한 뒤 연계를 끊을 때까지의 허용 시간을 말한다. 운전지속시간은 이상 상태가 발생하여도 분산형전원이 계통에 연계된 채 운전을 유지해야 하는 시간의 기준이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 분산형전원: 배전계통에 연계되어 전기를 생산하는 발전설비로 태양광, 풍력, 연료전지, 소형 열병합 등이 포함된다.
• 분리시간: 이상을 감지한 시점부터 분산형전원이 계통에서 분리될 때까지의 시간이다.
• 운전지속시간: 이상 전압 또는 주파수 상태에서도 분산형전원이 계통에 연계된 채 운전을 계속해야 하는 최소 시간이다.
• 단독운전(Islanding): 계통 사고로 분산형전원이 주 계통에서 떨어지고 일부 구간 부하에만 전력을 공급하는 상태다.
• 비정상 전압: 계통 전압이 정상 운전 범위를 벗어난 상태다.
• 비정상 주파수: 계통 주파수가 정상 범위를 벗어난 상태다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 배전계통은 배전용변전소에서 수용가로 전력을 단방향으로 공급하는 구조였다. 태양광과 풍력 같은 분산형전원이 연계되면서 역조류가 생기고, 전력이 양방향으로 흐르게 되었다. 이 변화로 보호협조기기가 오동작하거나 분산형전원의 단독운전이 발생할 가능성이 커졌다.

단독운전은 계통 사고나 작업으로 분산형전원이 주 간선계통에서 분리되었는데 일부 구간 부하에 계속 전력을 공급하는 상태다. 이때 전압과 주파수가 변하므로 분산형전원이 이를 빨리 검출해 분리해야 한다. 한전의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준은 단독운전 상태를 가능한 빨리 검출하여 최대 0.5초 이내에 분리하도록 규정한다. 0.5초 이내의 순간이라도 계통의 정상 운용, 설비 운전, 공공 인축 안전에 나쁜 영향을 미치지 않도록 보호장치나 전송차단장치를 갖추어야 한다.

또한 부하전류의 증가 또는 감소에 따라 계통 전압이 변동할 때 분리시간을 별도로 규정한다. 이 분리시간의 기준이 비정상 전압에 대한 분산형전원 분리시간이다. 주파수 이상에 대해서도 같은 방식으로 분리시간과 운전지속시간을 정한다.

이 기준이 필요한 이유는 세 가지다. 첫째, 계통 복구 과정에서 분산형전원이 계속 연계되어 있으면 재폐로 시 비동기 투입이 일어날 수 있다. 둘째, 전압과 주파수 이상 상태에서 분산형전원이 무분별하게 탈락하면 계통 안정성이 더 나빠진다. 셋째, 분산형전원이 충분히 버텨야 할 시간과 떨어져야 할 시간을 나누어 정해야 계통 보호와 발전 이용률을 함께 확보할 수 있다.

이 부분의 내용은 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준의 주파수 범위(제4조, 평상시 (60 ± 0.2)Hz)와 함께 이해해야 한다. 분산형전원의 분리시간은 계통 전체 주파수 유지 기준과 연결되어 판단된다.

4. 구성요소·원리·절차

분산형전원은 배전계통에 연결된 발전설비다. 계통 사고나 작업으로 주 전원이 끊기면 분산형전원이 일부 구간 부하에만 전력을 공급하는 단독운전(Islanding) 상태가 생길 수 있다. 이때 전압과 주파수가 정상 범위를 벗어나므로, 분산형전원을 계통에서 분리하는 보호 설계가 필요하다.

단독운전 방지 구성은 크게 감지 요소, 판단 요소, 차단 요소로 나뉜다. 감지 요소는 전압·주파수를 측정하고, 판단 요소는 설정 범위와 분리시간을 비교하며, 차단 요소는 연계 차단기 또는 전송차단장치를 동작시킨다.

구성요소 설명: 전압·주파수 감시는 정상 범위를 벗어난 값을 찾는다. 보호계전기는 설정 범위를 벗어난 시간이 분리시간을 넘으면 동작시킨다. 차단기는 실제로 계통을 분리한다.

분산형전원 보호의 원리는 부하와 발전량이 균형을 이룰 때 전압·주파수 변화가 작아져 전압·주파수 릴레이로는 단독운전을 놓칠 수 있다는 데 있다. 따라서 전압·주파수 변화를 감지하는 수동적 방식만으로는 부족하고, 능동적 검출이나 전송차단 방식을 함께 쓴다.

비정상 전압과 주파수에 대한 분산형전원의 동작 절차는 다음과 같다.

• 계통 전압 또는 주파수를 상시 감시한다.
• 설정된 정상 범위를 벗어나는지 판정한다.
• 범위를 벗어난 상태가 허용 운전지속시간보다 길게 지속되는지 확인한다.
• 허용시간을 넘으면 연계 차단기를 열어 분산형전원을 분리한다.
• 전압·주파수가 정상 범위로 돌아오면 재연계 조건을 확인한 뒤 운전을 재개한다.

단독운전 검출은 가능한 빨리 이루어져야 하며, 분리는 최대 0.5초 이내로 규정된다. 이 시간 안에 분리하지 못하면 계통 정상 운용과 공공 인축 안전에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 따라서 보호장치 또는 전송차단장치를 반드시 갖춘다.

제어 방식은 전압·주파수 감시, 임피던스 변화 검출, 주입 신호 방식 등으로 나뉜다. 답안에서는 감시형과 능동형을 구분해 쓰면 충분하다.

5. 관련 법령·기준·표준

분산형전원의 비정상 전압·주파수 대응은 「전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준」과 한국전력공사의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준이 기준이 된다. 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준은 계통 주파수와 전압 유지범위를 정하고, 연계 기술기준은 분산형전원의 분리시간과 운전지속시간을 정한다.

전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준의 주요 수치는 다음과 같다.

분산형전원 연계 기술기준의 단독운전 관련 규정은 다음과 같다.