분산형전원 연계 기술기준

왜 배우는가: 분산형전원이 배전계통에 늘면서 연계 조건을 어기면 사고 확대, 보호협조 오동작, 단독운전 등 문제가 생긴다. 기술사 시험에서는 연계 요건의 수치와 분리 조건을 묻는 문항이 반복되므로 기준의 구조를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 3번, 제128회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분산형전원 배전계통 연계 기술기준은 분산형전원을 배전계통에 안전하게 연결하기 위해 연계 조건과 보호·계통지원 요건을 정한 기준이다.

핵심 키워드: 분산형전원, 역조류, 단독운전(Islanding), 동기화, 비정상 전압·주파수, 분리시간, 순시전압변동율, 계통지원

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 발전기를 배전선에 붙일 때 지켜야 할 규칙이다. 발전기가 계통과 어긋난 상태로 붙거나, 계통이 정전됐는데 발전기만 부하에 전기를 계속 보내는 상황을 막는 것이 핵심이다.

정식 정의는 분산형전원을 배전계통에 연계할 때 필요한 연계점의 전압·주파수·위상 조건, 이상 상태에서의 분리 조건, 전압 변동 허용 한도, 계통을 지원하는 운전 요건을 규정한 기술 기준이다. 한국에서는 한국전력의 분산형전원 배전계통 연계 기술기준이 실무 기준으로 쓰인다.

동기화는 분산형전원의 전압 크기, 위상, 주파수를 계통과 맞춘 뒤 투입하는 것을 말한다. 맞지 않은 상태로 투입하면 큰 돌입 전류와 기계적 충격이 생긴다. 그래서 기준은 동기화 변수가 허용 범위에 들어온 뒤에만 연계를 허용하도록 정한다.

단독운전은 계통 고장이나 작업으로 주 간선 계통에서 분리된 뒤, 분산형전원이 일부 구간 부하에만 전력을 공급하는 상태다. 단독운전이 생기면 계통 전압과 주파수가 흔들리고, 작업자 감전 위험이 커진다. 그래서 기준은 단독운전을 빨리 검출해 분산형전원을 분리하도록 요구한다. 기준의 검출·분리 시간 상한은 0.5초 이내이며, 0.5초 이내의 순간이라도 계통 운용과 공공 안전에 나쁜 영향이 없도록 보호장치나 전송차단장치를 갖추도록 한다.

비정상 전압·주파수는 계통 전압이나 주파수가 정상 운전 범위를 벗어난 상태다. 기준은 이 상태가 얼마나 지속될 때 분산형전원을 분리할지, 또는 얼마 동안 계통에 남아 운전을 지속할지를 정한다. 분리와 지속은 같은 조건의 양면이므로 함께 익혀야 한다.

순시전압변동율은 부하나 발전기의 투입·차단 순간에 생기는 전압 변화의 비율이다. 분산형전원은 출력이 변동하므로 이 값이 커지면 같은 선로의 다른 수용가에 전압 플리커나 순간 전압 변화를 일으킨다.

계통지원은 분산형전원이 계통에 문제가 생겼을 때 일정 시간 연결을 유지하면서 전압과 주파수를 돕는 기능이다. 무조건 분리하는 것이 아니라, 비정상 상태의 크기와 지속 시간에 따라 계속 운전할지 분리할지를 가린다는 점이 기존 발전 설비의 개념과 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 배전계통은 배전용변전소에서 수용가 쪽으로 전력을 한 방향으로 보내는 구조다. 태양광, 풍력 같은 분산형전원이 연계되면 발전 전력이 계통 쪽으로 흘러드는 역조류가 생긴다. 역조류는 보호기기의 방향성과 전압 분포를 바꾼다.

기존 구간 개폐기는 주 전원 측 전력만 감지하도록 되어 있어, 분산형전원 쪽에서 들어오는 역조류를 보지 못한다. 이 경우 보호기기가 오동작할 수 있고, 계통이 정전된 상태에서 분산형전원이 단독운전하는 위험도 생긴다. 따라서 연계 기준이 필요하다.

동기화 측면에서도 기준이 필요하다. 분산형전원과 계통이 비동기 상태에서 투입되면 큰 순간 전류와 토크가 발생해 발전기와 계통 설비를 손상시킬 수 있다. 전압 위상을 정확히 추정하는 PLL(위상 고정 루프) 같은 동기화 기술은 계통 전압이 비정상일 때 추정 오차가 커질 수 있으므로, 기준은 동기화를 위한 변수의 허용 범위를 명확히 정한다.

전압 측면에서는 분산형전원이 전압을 올리거나 내릴 수 있다는 점이 양면적이다. 인버터의 무효전력 제어(volt-VAR 제어)를 쓰면 일일 전압 변동을 줄일 수 있다는 연구가 있다. 반면 배전선로에 전압 감시 장치가 부족하면 전압을 적절히 조정하기 어렵다. 그래서 기준은 분산형전원이 전압 변동을 키우지 않도록 순시전압변동율의 허용 한도를 둔다.

계통 사고 측면에서도 필요성이 크다. 고압 계통의 고장 때 분산형전원이 순간적으로 분리되면 발전량이 한꺼번에 빠져 사고가 확대될 수 있다. 그래서 짧은 시간의 전압 저하에는 연결을 유지하는 능력이 요구되고, 이것이 계통지원 요건으로 정리된다.

따라서 연계 기준은 보호 측면의 분리 요건과 계통 지원 측면의 지속 요건을 함께 규정해야 한다. 이 두 요건이 같은 전압·주파수 조건을 기준으로 나뉘어 있다는 점을 답안에서 강조한다.

4. 구성요소·원리·절차

분산형전원을 배전계통에 연계할 때는 연계 설비, 보호 설비, 계통 지원 기능이 함께 동작해야 한다. 연계 기술기준은 이 세 요소가 어떤 조건에서 어떤 시간 안에 움직여야 하는지를 정한다. 답안에서는 구성요소를 먼저 열거하고, 그 다음 이상 상황에서의 동작 절차를 순서대로 쓴다.

원리는 다음과 같다. 계통 사고나 작업으로 주 간선과 분산형전원이 분리되면, 발전 설비가 일부 부하에만 전력을 공급하는 단독운전이 생길 수 있다. 단독운전 중에는 유효·무효전력이 평형을 이루면 전압과 주파수 변화가 작아서 전압·주파수 보호 릴레이가 이를 감지하지 못한다. 따라서 기술기준은 전압·주파수 이상 감지와 함께 전송차단장치 같은 별도 수단을 요구한다.

분산형전원 연계 보호의 절차는 다음과 같다.

• 계통 전압과 주파수를 상시 감시하고 기준 범위를 벗어나는지 판정한다.
• 이상 전압 또는 이상 주파수가 검출되면 이상의 크기와 지속시간을 기준 곡선과 비교한다.
• 기준 시간 안에 분산형전원을 계통에서 분리한다.
• 분리 후에도 계통 복귀 조건(전압·주파수·위상 정정 범위)을 만족할 때만 재투입한다.
• 재투입 시에는 동기화 조건을 확인한 뒤 연계한다.

계통 지원 기능은 비정상 상태가 짧게 지속될 때 분산형전원이 계통을 돕도록 설계하는 것이다. 전압 변동이나 주파수 변동이 일정 시간 동안 허용 범위에 있으면 분산형전원은 분리되지 않고 운전을 계속한다. 이 구간의 기준은 상한과 하한의 시간 곡선으로 주어진다.

동기화의 대표 조건은 다음과 같다. 전압 크기 차이, 주파수 차이, 위상각 차이가 허용 범위 안에 있어야 투입할 수 있다. 위상 차가 큰 상태에서 투입하면 과도 돌입전류와 기계적 충격이 생긴다.

$f_{\text{차}}=\lvert f_{\text{계통}}-f_{\text{DG}}\rvert$

f_{\text{차}}는 계통과 분산형전원의 주파수 차(Hz), f_{\text{계통}}은 계통 주파수(Hz), f_{\text{DG}}는 분산형전원 출력 주파수(Hz)이다. 투입 전 이 값이 허용 범위 안에 있어야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 분산형전원 배전계통 연계 기준은 한국전력공사의 「분산형전원을 배전계통에 연계시키기 위한 기술기준」이다. 이 기준은 단독운전 방지, 비정상 전압·주파수에 대한 분리시간, 순시전압변동율, 계통 지원 운전 지속시간을 규정한다. 국제적으로는 IEEE 1547이 같은 목적의 기준으로 널리 인용된다. 두 기준은 분리 시간을 이상 크기와 지속 시간의 함수로 정한다는 점에서 구조가 같다.

분리 기준의 핵심 수치는 다음과 같다.

단독운전에 대한 분리 기준은 0.5초 이내 검출과 분리다. 0.5초 이내의 짧은 순간이라도 계통 정상 운용, 설비 운전, 공공 안전에 나쁜 영향을 주지 않도록 보호장치나 전송차단장치를 두어야 한다. 전압과 주파수의 세부 시간 곡선은 기준의 표에서 확인하는 값이며, 답안에는 구간 구조와 최대 분리 시간을 중심으로 쓴다.

개정 연혁으로는 분산형전원 연계 기준이 계통 지원 기능을 포함하도록 확장된 점을 들 수 있다. 이전에는 이상 상황에서 분리만 규정했으나, 현행 기준은 일정 구간에서 운전을 지속하는 계통 지원 요구를 함께 규정한다.