전압은 지역마다 다르지만 주파수는 계통 전체가 하나다. 발전이 부하보다 모자라면 계통의 모든 발전기가 함께 느려지고, 남으면 함께 빨라진다. 그래서 주파수 이상에 대한 DER의 응답은 배전사업자보다 송전계통 운영자의 관심사다. 1부의 Blue Cut 사고에서 태양광이 탈락한 원인 가운데 하나는 인버터가 고장 중의 찌그러진 파형에서 순간 주파수를 57 Hz 아래로 잘못 계산해 트립한 것이었다. 6.5절은 그런 오트립을 막는 지속운전 요구와, 반대로 주파수가 실제로 벗어났을 때 DER가 출력을 조절해 돕는 드룹 요구를 함께 담는다.
5부의 요지는 이렇다. 6.5절은 세 카테고리에 공통인 주파수 트립 표(표 18)와 지속운전 표(표 19)를 두고, 카테고리 차이를 저주파 시 유지해야 할 출력(표 20), 견뎌야 할 주파수 변화율(표 21), 저주파 드룹의 의무 여부(표 22), 드룹 응답시간의 범위(표 24)에서만 둔다. 2003년판에 없던 주파수 드룹이 모든 DER의 의무 능력이 된 것이 가장 큰 변화다.
계통 주파수가 표 18의 범위에 있고 어느 한 상의 기본파 전압이 공칭의 30퍼센트를 넘으면, DER는 정해진 클리어링 시간 안에 가압을 멈추고 트립해야 한다. 전압 조건이 붙는 이유는 전압이 거의 없는 상태에서는 주파수를 제대로 잴 수 없기 때문이다. 4.4의 주파수 정확도 요구에도 같은 30퍼센트 조건이 있다. 트립 설정은 지역 신뢰도 조정기관의 요구와 협조해 사업자가 정하고, 정하지 않으면 기본값이다. 과주파수 OF1·OF2와 부족주파수 UF1·UF2가 동시에 작동하며, 범위의 한계값·최소 요구 규칙은 4부의 전압 트립과 같다.
| 기능 | 기본 주파수(Hz) | 기본 시간(s) | 주파수 범위(Hz) | 시간 범위(s) |
|---|---|---|---|---|
| OF2 | 62.0 | 0.16 | 61.8~66.0 | 0.16~1,000 |
| OF1 | 61.2 | 300.0 | 61.0~66.0 | 180.0~1,000 |
| UF1 | 58.5 | 300.0 | 50.0~59.0 | 180.0~1,000 |
| UF2 | 56.5 | 0.16 | 50.0~57.0 | 0.16~1,000 |
표 1. 카테고리 I·II·III 공통 주파수 트립 설정(표 18). UF1의 300초는 지역의 저주파수 부하차단 프로그램과 예상 주파수 복구 시간에 맞춰 골라야 한다.
전압 트립과 견주면 시간이 길다. OF1과 UF1의 기본 300초와 하한 180초는, 주파수가 58.5 Hz나 61.2 Hz에 이르는 상황이라면 계통 전체의 수급 불균형이므로 DER가 5분은 버텨야 저주파수 부하차단과 발전기의 조속기 응답이 주파수를 되돌릴 시간을 벌 수 있다는 판단이다. 2003년판은 60.5 Hz 초과 또는 59.3 Hz 미만에서 0.16초 안에 트립하도록 했다. 2018년판은 그 문턱을 62.0 Hz와 56.5 Hz로 옮기고 그 사이에 5분짜리 단계를 넣었다.
6.5.2.1의 일반 요구는 전압과 같은 구조다. DER는 세 카테고리 가운데 하나를 만족해야 하고, 전압이 6.4.2의 지속운전 범위 밖이면 주파수 지속운전 요구는 적용되지 않는다. 자기 능력을 넘지 않는 설계, 자기 보호에 의한 트립의 위반 판정, 명판의 카테고리 표시도 같다. 예외 a)(순수출 10퍼센트 미만 구내의 의도적 단독운전)와 b)(0.1초 안의 90퍼센트 부하 차단)도 같으며, 각주 100은 유효전력을 수입·수출하며 변조 운전하는 저장장치는 변조 범위의 최대 양의 출력점만으로 예외를 판정한다고 덧붙인다.
| 주파수 범위(Hz) | 운전 모드 | 최소 시간(s) |
|---|---|---|
| f > 62.0 | 지속운전 요구 없음 | N/A |
| 61.2 < f ≤ 61.8 | 필수 운전 (고주파 드룹 의무) | 299 |
| 58.8 ≤ f ≤ 61.2 | 연속 운전 (V/f ≤ 1.1 조건) | 무한 |
| 57.0 ≤ f < 58.8 | 필수 운전 (저주파 드룹: I 선택, II·III 의무) | 299 |
| f < 57.0 | 지속운전 요구 없음 | N/A |
표 2. 카테고리 공통 주파수 지속운전 요구(표 19).
연속 운전 영역(6.5.2.2)은 58.8~61.2 Hz이며 전압/주파수 비가 1.1 이하라는 조건이 붙는다. 이 조건은 변압기 철심의 과여자를 막기 위한 것으로, 주파수가 낮을수록 같은 전압에서 자속이 커지므로 V/f가 한계다. 이 영역의 외란은 지속시간과 무관하게 트립을 일으키면 안 되고, DER는 이상 전 이상의 유효전력을 계속 교환할 수 있어야 한다.
저주파 지속운전 능력(6.5.2.3.1)은 주파수가 58.8 Hz 미만 57.0 Hz 이상이고 58.8 Hz 아래의 누적 시간이 임의의 10분 안에 299초 미만일 때 요구된다. DER는 동기를 유지하고, 표 20이 정한 값 아래로 유효전력을 줄이면 안 된다. 전압이 연속 운전 범위 안이면 부족주파수 때문에 가용 유효전력을 줄이는 것은 허용되지 않고, 전압이 연속 운전 아래이면 전압에 비례해 줄일 수 있다.
| 카테고리 | 저주파 지속운전 중 유지해야 할 유효전력 출력 |
|---|---|
| I | 정격 유효전력의 80% 또는 이상 전 출력 가운데 작은 쪽 |
| II, III | 이상 전 유효전력 출력 |
표 3. 저주파 지속운전 중 유효전력 출력 능력(표 20). 가용 유효전력의 제한을 받는다.
카테고리 I이 80퍼센트까지 줄이는 것을 허용하는 이유는 동기발전기의 원동기다. 가스엔진이나 터빈은 회전 속도가 떨어지면 출력이 자연히 줄고, 정격에서 20퍼센트의 감소는 그 물리적 한계를 반영한 값이다. 인버터는 주파수와 무관하게 출력을 유지할 수 있으므로 II·III에는 이상 전 출력을 그대로 요구한다.
저주파 지속운전 성능(6.5.2.3.2)은 필수 운전 영역에서 동기를 유지하고, 표 20의 제한 아래 이상 전 전류를 계속 교환하며, 가압 중지도 트립도 하지 않고, 카테고리에 따라 표 22대로 유효전력을 조절해 부족주파수를 완화해야 한다. 저장 능력을 갖추거나 주파수 응답 예비력을 위해 출력을 미리 줄여 두는 것(사전 출력제한)은 요구가 아니다. 각주 102가 밝히듯 표준의 취지는 예비력이 계약, 급전, 또는 다른 이유의 출력제한으로 존재할 때 그것을 쓸 제어 능력을 갖추라는 요구다. 고주파 지속운전(6.5.2.4)은 61.2 Hz 초과 61.8 Hz 이하에서 10분 안 누적 299초 미만일 때 동기를 유지하고, 전류 교환을 계속하며, 가압 중지·트립하지 않고, 유효전력을 조절해 과주파수를 완화해야 한다.
연속 운전 영역과 저주파·고주파 지속운전 영역 안에서, DER는 표 21의 값 이하의 주파수 변화율(ROCOF)을 갖는 주파수 편차에 트립하지 않고 견뎌야 한다. ROCOF는 4.3에 따라 0.1초 이상의 평균 창으로 잰다. 각주 103은 이 값이 상호 연계된 송전계통에서 생길 수 있는 외란을 견디기 위한 것이며, 계통이 여러 섬으로 분리된 상황에서는 훨씬 큰 변화율이 나올 수 있다고 적는다.
ROCOF 요구는 단독운전 검출과 부딪힌다. 2003년판 시절의 여러 인버터는 급격한 주파수 변화를 단독운전의 신호로 삼아 트립했다. 6.1이 단독운전 검출이 지속운전을 잘못 막아서는 안 된다고 한 것과 이 표가 짝을 이룬다. 카테고리 I의 0.5 Hz/s는 동기발전기의 조속기와 관성이 감당할 수 있는 수준이고, III의 3 Hz/s는 관성이 낮은 계통에서 대형 발전기 탈락 시 나타날 수 있는 값이다.
위상각 점프(6.5.2.6)는 고장 발생이나 제거, 큰 부하의 투입 순간에 전압 파형의 위상이 갑자기 앞뒤로 이동하는 현상이다. 다상 DER는 적용 전압의 정상분 위상각이 1주기 이내의 시간에 20도 이하로 변할 때 지속운전해야 하고, 정상분 조건을 만족하는 한 개별 상의 60도 미만 변화에도 운전을 유지해야 한다. 단상 DER는 60도 이하의 변화에 운전을 유지해야 한다. 응답으로 양의 감쇠를 갖는 유효·무효 전류 진동이나 최대 0.5초의 순간 정지는 허용된다.
이 조항은 Blue Cut 사고의 직접적인 교훈이다. 위상각 점프 순간에 순시 주파수를 계산하면 수 Hz의 가짜 편차가 나온다. 0.1초 이상의 평균 창으로 ROCOF를 재게 한 4.3의 규정과 위상각 점프 지속운전 요구는 같은 문제를 두 방향에서 막는다.
드룹은 주파수 편차에 비례해 유효전력을 바꾸는 제어다. 대형 동기발전기의 조속기가 100년 넘게 해 온 일이며, 2018년판은 이 능력을 DER에도 요구한다. 카테고리에 따라 DER는 저주파·고주파 지속운전 중 드룹을 갖춘 필수 운전 능력을 가져야 한다(6.5.2.7.1).
| 카테고리 | 저주파 시 드룹(출력 증가) | 고주파 시 드룹(출력 감소) |
|---|---|---|
| I | 선택(may) | 의무(shall) |
| II | 의무(shall) | 의무(shall) |
| III | 의무(shall) | 의무(shall) |
표 4. 주파수 드룹 운전 요구(표 22). 고주파 시 출력을 줄이는 것은 모든 DER의 의무다.
고주파 드룹이 모든 카테고리에 의무인 이유는 출력을 줄이는 데 예비력이 필요 없기 때문이다. 태양광 인버터도 출력을 깎는 것은 언제나 할 수 있다. 저주파 드룹은 출력을 늘려야 하므로 예비력이 있어야 효과가 있고, 카테고리 I에서는 선택으로 남겼다.
운전 규칙(6.5.2.7.2)은 이렇다. 계통 주파수가 표 24의 조정 가능 불감대 dbOF, dbUF 밖이면서 표 18의 트립 설정 안일 때, DER는 표 23의 공식에 따라 이상 전 수준에서 유효전력을 조정해야 한다. 출력은 공식의 값에 주파수 변화율에 대한 관성 응답이 있다면 그것을 더한 값이며, 주파수가 불감대 안으로 돌아올 때까지 유지한다. 응답은 4.7의 우선순위를 따른다. 저주파 응답은 가용 유효전력과 이상 전 급전 수준의 제약을 받는다.
| 상황 | 출력 p (p.u. of 정격 유효전력) |
|---|---|
| 저주파 (f < 60 − dbUF) | p = min{{ ppre + [(60 − dbUF) − f] / (60 · kUF), pavl }} |
| 고주파 (f > 60 + dbOF) | p = max{{ ppre − [f − (60 + dbOF)] / (60 · kOF), pmin }} |
표 5. 주파수 드룹 공식(표 23). ppre는 주파수가 불감대를 벗어난 시점의 출력, pavl은 가용 유효전력, pmin은 원동기 제약에 따른 최소 출력, k는 1 p.u. 출력 변화에 해당하는 p.u. 주파수 변화(드룹, 무차원)다. 저장장치는 저주파에 방전, 고주파에 충전하는 방향으로 음의 출력을 포함한다.
| 파라미터 | 기본값(I·II·III 공통) | 범위 I | 범위 II | 범위 III |
|---|---|---|---|---|
| dbOF, dbUF (Hz) | 0.036 | 0.017~1.0 | 0.017~1.0 | 0.017~1.0 |
| kOF, kUF | 0.05 | 0.03~0.05 | 0.03~0.05 | 0.02~0.05 |
| Tresponse 소신호 (s) | 5 | 1~10 | 1~10 | 0.2~10 |
표 6. 주파수 드룹 파라미터(표 24). 불감대는 양쪽 값 모두 최소 요구여서 더 넓게 설정할 수 있고 0.017 Hz 미만도 허용된다. 드룹 k는 하한이 한계값, 상한이 최소 요구다. 응답시간은 상한이 한계값, 하한이 최소 요구다. 기본값 외 설정은 계통의 동적 진동을 고려해 신뢰도 조정기관이 승인해야 한다.
k = 0.05는 '5퍼센트 드룹'이다. 60 Hz의 5퍼센트인 3 Hz의 편차에 정격 출력 1 p.u.의 변화가 대응한다. 주파수가 60.5 Hz로 오르면 불감대 0.036 Hz를 뺀 0.464 Hz를 3 Hz로 나눈 약 0.155 p.u.만큼 출력을 줄인다. 이 값은 북미의 대형 발전기 조속기 관행과 같으며, 드룹 범위의 하한(I·II 0.03, III 0.02)이 한계값인 것은 드룹이 너무 가파르면 여러 DER의 응답이 겹쳐 진동할 수 있기 때문이다. 불감대 기본값 0.036 Hz는 북미 신뢰도 기준의 대형 발전기 불감대와 같은 값이다.
시간 성능은 두 갈래다. 소신호 성능은 정격 유효전력의 5퍼센트 미만의 출력 변화를 일으키는 주파수 편차에 대한 것으로, 개방 루프 응답시간이 표 24의 범위에서 조정 가능해야 하고 기본값은 5초다. 대신호 성능은 5퍼센트 이상의 변화에 대한 것으로, 1차 에너지원이 물리적으로 더 빠른 응답을 낼 수 없다면 DER는 최소 응답 요구를 맞추기 위해 분당 정격의 20퍼센트보다 빠르게 출력을 바꿀 필요가 없다. 각주 105는 이 완화가 DER의 출력 변화 능력을 넘어서는 크기와 속도의 주파수 변화에만 적용되고, 가용 변화율은 기술적으로 가능한 한 빠르되 분당 20퍼센트 이상이어야 한다고 못 박는다. 카테고리 III의 응답시간 하한 0.2초는 인버터가 수백 밀리초 안에 응답할 수 있음을 반영하되, 그렇게 설정하려면 승인이 필요하다.
관성 응답(6.5.2.8)은 주파수 변화율에 비례해 유효전력을 바꾸는 것으로, 요구되지 않지만 허용된다. 각주 106은 사업자와 DER 운영자가 관성 응답을 쓰기로 합의하면 신뢰도 조정기관과 협조해 성능을 정하라고 한다. 동기발전기가 물리적으로 제공하는 관성을 인버터가 제어로 흉내 내는 '합성 관성'의 자리를 표준이 열어 두었다.
6.6절은 한 문장이다. 카테고리 I·II·III의 재투입 조건은 4.10에 규정한 진입 조건과 같다. 2부에서 본 대로 전압 0.917~1.05 p.u.와 주파수 59.5~60.1 Hz가 기본이고, 300초의 의도적 지연 뒤 300초에 걸쳐 출력을 올린다. 주파수 트립의 상한 61.0 Hz와 재투입 주파수 상한 60.1 Hz 사이의 간격은, 계통 주파수가 아직 높은 동안 DER가 돌아와 주파수를 더 올리는 것을 막는다.
6.5절의 요구를 한 문장으로 줄이면 '57.0~61.8 Hz 사이에서는 5분 가까이 붙어 있고, 초당 0.5~3 Hz의 변화율과 20도의 위상각 점프에 흔들리지 않으며, 60 Hz에서 0.036 Hz 이상 벗어나면 5퍼센트 드룹으로 출력을 조절한다'가 된다. 세 카테고리의 차이는 전압 쪽보다 작다. 트립 표와 지속운전 표가 공통이고, 차이는 저주파 시 유지 출력, ROCOF 한계, 저주파 드룹의 의무 여부, 응답시간 범위에만 있다. 주파수는 계통 전체의 문제이므로 배전사업자의 사정에 따라 달리 정할 여지가 적다는 뜻이다.
이 절은 배전 DER에 송전계통의 의무를 지운 것이기도 하다. 5분 지속운전과 드룹은 지금까지 대형 발전기의 몫이었다. 그 의무가 옥상 태양광에까지 내려온 것은 배전 DER의 총량이 송전계통의 안정도를 좌우할 만큼 커졌다는 판단에서다. 남는 물음은 저주파 드룹이 실제로 얼마나 효과를 낼 것인가다. 표준은 예비력을 요구하지 않으므로, 출력제한 없이 최대 출력으로 운전하는 태양광은 저주파 시 늘릴 출력이 없다. 드룹 능력이 의무가 되었어도 그 능력을 쓰려면 계약과 급전 제도가 따라와야 한다는 점을 각주 102가 인정하고 있다.
6부는 6절을 떠나 7~9절로 간다. 직류 주입, 급속 전압 변동, 플리커, 고조파의 전력품질 한계(7절), 비의도적·의도적 단독운전(8절), 배전 2차 네트워크의 특수 요구(9절), 그리고 부록 C와 G의 배경 설명을 다룬다.