배전선로 끝에 태양광이 많이 붙으면 낮에 전압이 올라간다. 전력이 부하 쪽으로만 흐르도록 설계된 선로에서 전력이 거꾸로 흐르기 때문이다. 2003년판은 DER가 Area EPS의 전압을 능동적으로 조정하지 못하게 했다. 인버터가 무효전력을 내면 사업자의 전압조정기, 콘덴서와 부딪힐 수 있다는 판단이었다. 2018년판 5절은 반대다. 모든 DER는 무효전력으로 전압을 조정할 능력을 갖춰야 하고, 카테고리 B는 유효전력을 줄여서라도 과전압을 막을 능력을 갖춰야 한다. 실제로 그 기능을 켤지는 사업자가 정한다.
3부의 요지는 이렇다. 5절은 DER에 최소 무효전력 능력(정격 피상전력의 44퍼센트 주입, 25 또는 44퍼센트 흡수)을 요구하고, 그 능력을 쓰는 방법을 상호 배타적인 4개의 무효전력 제어 모드와 별도의 전압-유효전력 모드로 정형화한 뒤, 각 모드의 기본 곡선과 조정 가능 범위를 표로 못 박아 어느 제조사의 장치든 같은 설정으로 같은 거동을 하게 만든다.
5절의 요구는 전압이 공칭의 0.88배에서 1.1배 사이인 연속 운전 영역에 적용된다. 이 영역 밖에서도 6.4의 지속운전 기능을 지원하기 위해 5절의 기능이 계속 작동하는 것은 허용되며, 이상 전압 중에는 DER의 한계 안에서 무효전력 범위를 제공해야 한다. 전압이 정상 범위로 돌아오면 DER는 이상 전 운전 모드로 복귀해야 한다. 사업자는 요구하는 성능 카테고리를 지정해야 하고, 그 배정 지침은 부록 B에 있다(1부).
표준은 DER가 원인이 되어 Area EPS의 1차 회로 전압이 어느 지점에서든 ANSI C84.1의 1차 서비스 전압 요건을 벗어나게 하거나, 어느 Local EPS의 서비스 전압을 ANSI C84.1 밖으로 밀어내면 안 된다고 못 박는다. 서비스 전압 제한은 사업자가 인정한 전용 변압기나 전용 피더로 공급받는 DER의 Local EPS에는 적용하지 않는다. ANSI C84.1은 미국의 전압 등급 표준으로, 정상 운전 범위 A(서비스 전압 기준 ±5퍼센트)와 드물게 허용되는 범위 B(약 +6/−8퍼센트)를 정한다. 한국의 전기사업법 시행규칙이 220 V에 ±13 V, 380 V에 ±38 V의 유지 범위를 두는 것과 같은 역할이다.
사업자와 DER 운영자가 합의하면 5절에 적힌 것 이외의 요구도 허용된다. 표준은 최소 능력과 기본 거동을 정할 뿐이며, 특정 피더의 사정에 맞춘 다른 제어를 막지 않는다.
| 기능 | 카테고리 A | 카테고리 B |
|---|---|---|
| 일정 역률 모드 | 의무 | A와 같이 의무 |
| 전압-무효전력(volt-var) 모드 | 의무 | A와 같이 의무 |
| 유효전력-무효전력(watt-var) 모드 | 요구 없음 | 의무 |
| 일정 무효전력 모드 | 의무 | A와 같이 의무 |
| 전압-유효전력(volt-watt) 모드 | 요구 없음 | 의무 |
표 1. 카테고리별 전압·무효/유효전력 제어 기능 요구(표 6).
DER는 유효전력 출력이 최소 정상 상태 유효전력 능력(Pmin) 또는 정격 유효전력(Prated)의 5퍼센트 가운데 큰 쪽 이상일 때 무효전력을 주입(과여자)하고 흡수(저여자)할 수 있어야 한다. 유효전력이 정격의 5퍼센트 초과 20퍼센트 미만이면, 표 7의 최소 무효전력 값에 '유효전력 출력 ÷ 정격의 20퍼센트'를 곱한 값까지 무효전력을 교환할 수 있어야 한다. 정격의 20퍼센트를 넘는 어떤 유효전력 출력도 5.3의 제어 기능이 그때그때 요구하는 만큼의 무효전력 주입·흡수를 표 7의 능력까지 제약해서는 안 된다. 피상전력 한계를 지키기 위해 유효전력을 줄이는 것은 허용된다. 각주 60은 이 거동을 '무효전력 우선' 모드라 부른다.
| 카테고리 | 주입 능력(정격 피상전력 대비) | 흡수 능력(정격 피상전력 대비) | 조건 |
|---|---|---|---|
| A | 44% | 25% | DER 정격 전압에서 |
| B | 44% | 44% | ANSI C84.1 범위 A 전체에서 |
표 2. 최소 무효전력 주입·흡수 능력(표 7).
44퍼센트라는 숫자는 역률 0.9에서 나온다. 피상전력 1.0 p.u.에서 유효전력 0.9 p.u.를 내면 무효전력은 √(1−0.81)≈0.436 p.u.다. 카테고리 B의 요구는 DER가 정격 피상전력 전체를 쓰면서 역률 0.9 진상·지상 범위를 감당하라는 뜻이다. 그런데 표준은 DER가 kVA 정격까지 유효전력을 낼 수 있되, 사업자가 정한 무효전력 제어 모드와 설정이 요구하는 대로 위 능력 범위 전체를 언제든 흡수·주입할 수 있어야 한다고 요구한다. 각주 61은 Prated가 Srated 이하일 수 있고, 요구된 무효전력을 내기 위해 유효전력을 줄여야 할 수 있다고 적는다. 태양광 인버터라면 정오에 무효전력을 44퍼센트 흡수하라는 명령이 오면 유효전력을 90퍼센트로 줄여야 한다는 뜻이다. 표 7의 조건 열도 그 자체가 요구다. A는 정격 전압에서만 이 능력을 요구하지만, B는 ANSI C84.1 범위 A 전체(약 0.95~1.05 p.u.)에서 요구한다. 전압이 낮을 때 무효전력을 주입하려면 인버터의 직류단 전압에 여유가 있어야 하므로 B가 설계에 더 큰 부담을 준다.
5.3.1은 DER에 무효전력 변화로 전압을 조정할 능력을 요구하되, DER가 실제로 전압 조정에 참여하려면 사업자의 승인이 필요하다고 정한다. 능력은 의무, 사용은 허가제다. 제어 기능은 5.2의 최소 능력 밖에서 운전할 의무를 만들지 않는다. 표 6에 따라 DER는 4개의 상호 배타적인 모드를 갖춰야 하고, 한 번에 하나씩 활성화할 수 있어야 한다. 설치된 DER의 기본 모드는 사업자가 달리 정하지 않는 한 역률 1.0의 일정 역률 모드다. 설정 변경과 모드 선택의 실행 책임은 DER 운영자에게 있으며 사업자가 정한 대로 사업자가 받아들일 수 있는 시간 안에 해야 한다. 상호 합의하면 아래 4개 이외의 모드도 허용된다. 비상용·대기용 DER는 일정 역률 모드만 요구된다.
DER는 일정한 역률로 운전한다. 목표 역률은 사업자가 정하고, 5.2의 무효전력 능력을 넘는 무효전력을 요구해서는 안 된다. 역률 설정은 사업자가 정한 대로 현장 또는 원격으로 조정할 수 있어야 한다. 일정 역률을 유지하기 위한 DER의 최대 응답시간은 10초 이하다. 각주 62는 RPA에서 사업자가 정한 역률 요건이 지켜지는 한 DER가 구내 부하의 무효전력을 보상하는 등 어떤 역률로도 운전할 수 있다고 덧붙인다.
DER는 전압의 함수로 무효전력 출력을 능동적으로 제어하되, 구간별 선형 특성을 따른다. 사업자가 달리 정하지 않으면 표 8의 기본값으로, 사업자가 정하면 조정 가능 범위 안의 값으로 특성을 구성한다. 특성은 현장 또는 원격으로 조정할 수 있어야 한다.
| 파라미터 | A 기본값 | B 기본값 | 조정 범위 최소 | 조정 범위 최대 |
|---|---|---|---|---|
| VRef | VN | VN | 0.95 VN | 1.05 VN |
| V2 | VN | VRef − 0.02 VN | A: VRef / B: VRef − 0.03 VN | VRef |
| Q2 | 0 | 0 | 정격 무효 능력의 100% 흡수 | 정격 무효 능력의 100% 주입 |
| V3 | VN | VRef + 0.02 VN | VRef | A: VRef / B: VRef + 0.03 VN |
| Q3 | 0 | 0 | 100% 흡수 | 100% 주입 |
| V1 | 0.9 VN | VRef − 0.08 VN | VRef − 0.18 VN | V2 − 0.02 VN |
| Q1 | 정격 피상전력의 25% 주입 | 44% 주입 | 0 | 100% 주입 |
| V4 | 1.1 VN | VRef + 0.08 VN | V3 + 0.02 VN | VRef + 0.18 VN |
| Q4 | 25% 흡수 | 44% 흡수 | 100% 흡수 | 0 |
| 개방 루프 응답시간 | 10 s | 5 s | 1 s | 90 s |
표 3. 전압-무효전력 설정(표 8). Q1은 낮은 전압에서 무효전력 능력이 줄어들 수 있고, Q4를 채우기 위해 유효전력을 줄여도 된다. V2·V3·V4의 일부 값은 잘못 고르면 계통 불안정을 일으킬 수 있다는 각주가 붙어 있다.
두 카테고리의 기본 곡선은 성격이 다르다. 카테고리 A는 0.9 p.u.에서 1.1 p.u.까지 0.2 p.u. 전압 변화에 걸쳐 무효전력이 +25퍼센트에서 −25퍼센트로 바뀌는 완만한 직선이다. 각주 64가 말하듯 이것은 '무효전력 드룹에 의한 전압조정'이라 불리는 방식이다. 카테고리 B는 기준 전압 ±0.02 p.u.의 불감대를 두고, 그 밖에서 0.06 p.u. 전압 변화에 ±44퍼센트를 낸다. 기울기가 A의 약 3배다. 응답시간 기본값도 A는 10초, B는 5초다. 기울기가 가파를수록 전압 조정 효과는 크지만, 여러 DER의 제어가 서로 얽혀 진동할 위험이 커진다. 표 8의 각주 c가 특정 값의 잘못된 선택이 불안정을 일으킬 수 있다고 경고하는 이유다.
5.3.3은 하나의 자율 기능을 더 요구한다. DER는 기준 전압 VRef를 저역 통과 필터를 거친 측정 전압으로 자율 조정할 수 있어야 하고, 그 시정수는 최소 300초에서 5,000초 범위에서 조정 가능해야 한다. VRef가 바뀌면 곡선 전체가 그에 맞춰 옮겨져야 한다. 이 자율 조정을 실제로 쓰려면 사업자 승인이 필요하며, 구현과 시정수는 사업자가 정한다. 이 기능은 피더의 장기 전압 수준이 아침과 저녁에 다를 때 DER가 그 수준을 기준으로 삼아 단기 편차에만 반응하게 한다. 시정수를 수 분 이상으로 잡는 것은 사업자의 전압조정기가 하는 느린 조정과 겹치지 않게 하기 위해서다.
DER는 유효전력 출력의 함수로 무효전력을 제어하되, 의도적 시간 지연 없이 목표 구간 선형 특성을 따라야 하고 응답시간은 어떤 경우에도 10초를 넘으면 안 된다. 특성은 표 9의 기본값으로 구성하고 사업자가 정하면 조정 범위 안에서 바꿀 수 있다. 곡선의 왼쪽 절반(유효전력 흡수 구간)과 그에 해당하는 표 9의 요구는 유효전력을 흡수할 수 있는 DER, 곧 저장장치에만 적용된다.
| 파라미터 | 기본값(A) | 기본값(B) | 조정 최소 | 조정 최대 |
|---|---|---|---|---|
| P3 | Prated | Prated | P2 + 0.1 Prated | Prated |
| P2 | 0.5 Prated | 0.5 Prated | 0.4 Prated | 0.8 Prated |
| P1 | 0.2 Prated와 Pmin 중 큰 값 | 같음 | Pmin | P2 − 0.1 Prated |
| P'1 | 0.2 P'rated와 P'min 중 작은 값 | 같음 | P'2 − 0.1 P'rated | P'min |
| P'2 | 0.5 P'rated | 0.5 P'rated | 0.8 P'rated | 0.4 P'rated |
| P'3 | P'rated | P'rated | P'rated | P'2 + 0.1 P'rated |
| Q3 | 정격 피상전력의 25% 흡수 | 44% 흡수 | 정격 무효 흡수 능력의 100% | 0 |
| Q2, Q1, Q'1, Q'2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Q'3 | 정격 피상전력의 44% 주입 | 44% 주입 | 0 | 정격 무효 주입 능력의 100% |
표 4. 유효전력-무효전력 설정(표 9). P'로 표시한 값은 DER가 흡수할 수 있는 유효전력으로 음수다. Pmin은 최소 유효전력 출력, P'min은 흡수할 수 있는 최소 크기의 유효전력이다.
watt-var는 전압을 재지 않고 자기 출력만 보고 반응한다. 태양광 출력이 클수록 선로 전압이 오른다는 전제에서, 출력이 절반을 넘으면 무효전력을 흡수해 전압 상승을 미리 눌러 두는 방식이다. 전압 측정과 그 응답에 따른 진동 문제를 피할 수 있는 대신, 전압 상승의 원인이 다른 곳에 있을 때는 효과가 없다. 카테고리 B에만 의무인 것은 이 모드가 보급률이 높은 피더의 보완 수단이라는 뜻이다.
DER는 일정한 무효전력을 유지한다. 목표 무효전력의 크기와 방향(주입·흡수)은 사업자가 정하고 5.2의 범위 안이어야 한다. 설정은 현장 또는 원격으로 조정할 수 있어야 하며, 최대 응답시간은 10초 이하다. 사업자가 특정 지점의 무효전력 공급원으로 DER를 급전하고 싶을 때 쓰는 모드다.
카테고리 B DER는 유효전력 변화로 전압을 조정하는 능력을 갖춰야 한다. 이 기능을 켜고 끄는 것은 사업자 재량이고 기본은 꺼짐이다(5.4.1). 켜져 있으면 DER는 전압의 함수로 최대 유효전력을 능동적으로 제한하되 구간별 선형 특성을 따른다(5.4.2). 표 10의 기본값으로 구성하고 사업자가 정하면 조정 범위 안에서 바꿀 수 있다. 켜져 있는 동안 volt-watt 모드는 5.3의 어느 무효전력 모드가 켜져 있든 함께 활성 상태를 유지해야 한다.
| 파라미터 | 기본값 | 조정 최소 | 조정 최대 |
|---|---|---|---|
| V1 | 1.06 VN | 1.05 VN | 1.09 VN |
| P1 | Prated | N/A | N/A |
| V2 | 1.1 VN | V1 + 0.01 VN | 1.10 VN |
| P2 (발전 전용 DER) | 0.2 Prated와 Pmin 중 작은 값 | Pmin | Prated |
| P'2 (발전·흡수 가능 DER) | 0 | −P'rated | 0 |
| 개방 루프 응답시간 | 10 s | 0.5 s | 60 s |
표 5. 전압-유효전력 설정(표 10). 저장장치는 가용 저장 용량이 허락하는 한 충전으로 이 곡선을 따라야 한다. 응답시간을 3초 미만으로 설정하려면 계통의 동적 진동 거동을 고려한 사업자 승인이 필요하다.
발전 전용 DER에서 P2는 과전압 시 유효전력 발전의 최소 설정점이며 장비 능력의 제약을 받는다. P2가 DER의 연속 운전 영역 밖이면 P2 대신 DER의 최소 능력까지만 줄이거나 DER를 정지할 수 있다. 유효전력을 주입·흡수할 수 있는 DER의 P'2는 과전압 시 흡수의 최대 설정점이며 같은 방식으로 장비 능력의 제약을 받는다. 각주 65는 4.6.2와 같은 취지로, 구내 부하에 공급 중인 DER는 이 곡선을 최대 수출 제한으로 구현할 수 있고 구내 부하 이하로 줄일 필요는 없다고 밝힌다. 곡선은 현장 또는 원격으로 조정할 수 있어야 한다.
volt-watt는 발전 수익을 직접 깎는 기능이다. 그래서 표준은 이를 무효전력 제어보다 뒤에 두고, 기본을 꺼짐으로 하고, 카테고리 B에만 요구했다. 4.7의 우선순위에서 volt-watt가 무효전력 제어(5.3)보다 앞선다는 점은 기억해 둘 필요가 있다. 무효전력으로 전압을 잡지 못하는 상황이면 유효전력을 줄이는 쪽이 이긴다.
5절의 표에 나오는 응답시간은 3.1의 개방 루프 응답시간이다. 제어 입력이 계단 변화한 순간부터 출력이 최종 변화량의 90퍼센트에 이르기까지의 시간이며, 첫 번째 오버슈트 전에 잰다. 1차 지연계라면 시정수의 2.3배와 같다. '개방 루프'는 DER를 이상적인 전압원, 곧 무한히 강한 계통에 붙였을 때의 응답을 뜻한다. 실제 계통에서는 DER의 무효전력이 전압을 바꾸고 그 전압이 다시 DER에 들어오므로 폐루프가 되어 응답이 달라진다.
조정 범위의 최소·최대 열은 설정값이 움직일 수 있는 폭이지 장비가 그 극단에서 늘 운전해야 한다는 뜻은 아니다. 예를 들어 volt-var의 V1은 VRef − 0.18 VN까지 낮출 수 있으니 카테고리 B에서 0.82 p.u.까지 내려갈 수 있는데, 이는 연속 운전 영역 하한 0.88 p.u. 아래다. 5.1이 연속 운전 영역 밖에서 5절 기능의 계속 작동을 허용하는 것과 맞물리는 설계다. 응답시간 범위(1~90초)는 사업자가 피더의 다른 조정기와의 상호작용을 보고 정하도록 넓게 열려 있다.
5절을 하나의 문장으로 줄이면 '모든 DER는 정격 피상전력의 44퍼센트를 주입하고 25 또는 44퍼센트를 흡수할 무효전력 능력을 갖추되, 그 능력을 어느 모드로 쓸지는 사업자가 정하고, 어느 모드든 기본 곡선과 조정 범위가 같아야 한다'가 된다. 이 구조에서 세 가지가 따라 나온다. 첫째, 무효전력 능력은 유효전력보다 우선한다. 인버터는 요구된 무효전력을 내기 위해 유효전력을 줄여야 할 수 있고, 카테고리 B는 그 능력을 전압 0.95~1.05 p.u. 전체에서 보장해야 한다. 둘째, 기본 상태는 조용하다. 설치 직후의 DER는 역률 1.0으로 운전하고 volt-watt는 꺼져 있다. 전압 조정에 참여하는 것은 사업자의 승인과 설정이 있어야 시작된다. 셋째, 4개 모드의 파라미터를 표 8~10으로 못 박음으로써 10절의 통신 인터페이스가 읽고 쓸 정보 모델이 정해진다. 7부의 표 31~34는 이 표들을 그대로 가리킨다.
남는 물음은 어느 설정이 옳으냐다. 표준은 기본값과 범위만 준다. 카테고리 B의 가파른 volt-var 기울기와 5초 응답이 여러 DER가 있는 피더에서 안정한지, 자율 VRef 조정의 시정수를 얼마로 잡을지, volt-watt를 언제 켤지는 피더마다 다르며 사업자가 해석 연구로 정해야 한다. 표 8의 각주 c와 표 10의 각주 c가 '불안정'과 '동적 진동'을 경고하는 자리는 표준이 스스로 답하지 않는 자리다.
4부는 6절의 앞부분으로 넘어간다. 전압이 연속 운전 영역을 벗어났을 때 DER가 언제 트립해야 하고 언제 견뎌야 하는지, 카테고리 I·II·III의 트립 표와 지속운전 곡선, 연속 외란, 동적 전압 지원, 출력 복구를 다룬다.