IEEE Std 2800-2022 강의 연재. 표준 본문의 문장을 옮기지 않고 요구사항을 다시 서술하며, 각 요구사항 뒤의 §번호는 IEEE Std 2800-2022의 조항 번호다. 시리즈 목록은 Grid 코너에서 볼 수 있다. 이 글은 14부이다.
연재의 마지막 두 부속서는 짧지만 표준의 두 얼굴을 보여 준다. 부속서 J는 5부에서 본 역상 전류 위상각 요구가 왜 III형 풍력에서만 90~150도로 넓은지, 물리적으로 제어할 수 없는 것을 요구하지 않는다는 최소 요건의 원칙을 설명한다. 부속서 K는 4부에서 본 FFR1 외에 표준이 의무로 정하지 않은 세 가지 FFR 변형의 공식과 파라미터를 적어, 앞으로 요구가 될 수 있는 것의 틀을 미리 마련한다. 하나는 한계의 인정이고 하나는 확장의 예비다. 이 글의 논지는 다음과 같다. 표준이 요구를 정할 때는 설비가 할 수 있는 것과 계통이 필요로 하는 것 사이의 경계를 매번 물리적 근거로 정했으며, 부속서 J와 K는 그 경계의 양쪽 끝을 보여 준다. 글의 끝에서 열네 편 전체를 정리한다.
III형 풍력은 회전자 회로에 정격의 30~35 %인 백투백 변환기를 두고, 회전자측 변환기가 회전자 권선에 제어된 주파수의 전압·전류를 건다. 정상 운전에서 회전자 권선의 정상상태 전압은 고정자 전압 × 슬립 × 권수비로 근사된다. 슬립은 보통 공칭 주파수의 −0.3에서 +0.3 사이이므로 회전자 회로 전압은 ±0.3 p.u.에 불과하고, 이것이 회전자측 변환기의 설계 근거다 J.
III형 풍력은 기계 파라미터와 고장 전 운전점에 따라 불평형 고장 중 역상 전류를 자연스럽게 내지만, 역상 전류와 전압 사이의 각도는 정밀하게 제어되지 않을 수 있다. 불평형 고장에서는 고정자의 역상 전압 성분과 관련해 회전자 권선에 큰 전압이 유도된다. 역상 성분에 대한 슬립이 (2 − s)이기 때문이다. 이 과전압은 감쇠하지 않고 불평형이 제거될 때까지 남는다. 고장 위치에 따라 역상 전압이 훨씬 커져 회전자측 변환기의 전압 정격을 넘는 전압을 유도할 수 있고, 그러면 변환기의 과변조(부분적 제어 상실)나 정류가 일어난다. 부속서의 예로 선간 고장에서 고정자 단자 역상 전압이 40 %이고 슬립이 −0.3이면 회전자 권선의 역상 전압은 92 %다. 풍력에 가까운 고장이면 더 높고, 회전자에는 정상분 전압도 있어 총 전압은 훨씬 높다 J.
결론적으로 회전자측 변환기의 제어 가능성 문제 때문에 불평형 고장 중 역상 전압과 전류의 각도는 정밀 제어될 수 없다. 고장 시작 직후 20~30 ms의 과도 기간에는 각도가 150도에 이를 수 있고, 몇 사이클 뒤에도 역상 전류가 전압을 130~150도 앞설 수 있다. 표준 개발 시점에 이 큰 각도가 전통적 보호 방식의 신뢰도와 보안도에 미치는 영향은 알려지지 않았으며, 공학적 판단으로는 역상량에 의존하는 보호 기능이 부정적 영향을 받을 수 있다. 그래서 III형 풍력 플랜트 근처의 송전선에 보호를 적용하는 TS 보호 기술자에게 이 점을 고려할 것을 권한다 J. 8부에서 본 부속서 F.6이 IBR 인근 선로에서 방향·고장 유형 요소의 보강을 권한 이유 가운데 하나다.
제조사들이 불평형 조건에서 회전자측 변환기의 제어 가능성을 개선하고 있지만, 역상 전압·전류 각도에 초점을 둔 최적화는 복잡한 제어 구조를 낳고 회전자 권선과 변환기에 추가 전압 여유가 필요해 비용이 는다. 최소 기술 요건을 정한다는 표준의 목적에 따라 정밀한 각도 제어는 요구하지 않는다. TS 보호 기술자는 90~150도 범위의 영향을 조사하고, 받아들일 수 없으면 더 정밀한 각도 제어를 지정하는 것을 고려해야 한다 J.
4부에서 본 6.2는 FFR1만 의무로 하고 다른 변형의 틀만 두었다. 부속서 K는 그 틀을 채운다. 부하균형 주체는 데드밴드, ROCOF, 응답 시간, FFR에 따른 유효전력 증감의 정정시간, 최대 유효전력 증가(ICR을 넘어 ISR까지 가능), 최대 유효 에너지, 증가 지속 시간, 초기 운전점과 가용 자원(풍속·여유·일사·충전상태)에 대한 의존성, 정상 발전으로 회복하는 허용 시간, FFR의 최소 발전 수준 같은 파라미터로 FFR을 지정하거나, 뒤에 적힌 구조화된 FFR 가운데 하나를 쓸 수 있다 K.1.
플랜트는 6.2.2의 어느 형태든, 또는 여러 형태를 동시에 활성화할 능력을 가질 수 있다. 여러 형태가 동시에 활성화되면 총 FFR은 각 형태의 합일 수 있고, 저주파에서 플랜트 총 유효전력은 p = min(pavl, ppre + pPFR + pFFR1 + pFFR2 + pFFR3 + pFFR4)이며 x > 4인 다른 형태를 더해 일반화할 수 있다. NOTE는 보통 한 종류를 제외한 나머지는 0(비활성)이지만 여러 종류를 섞어 활성화하는 것이 유익할 수 있다고 적는다. TS 운영자가 허용하고 정의하면 여기 없는 형태도 가능하다. FFR 응답 시간 능력(촉발 사건부터 FFR로 인한 유효전력 변화가 목표의 90 %에 이를 때까지)은 촉발 반응시간을 포함해 1초 이하로 조정할 수 있고, 오버슈트는 변화의 10 %를 넘지 않을 수 있으며 진동은 양의 감쇠를 가질 수 있다 K.2. 각주 201은 풍력의 관성 기반 응답 때문에 응답 시간에 한계가 있다고 다시 적는다.
| 변형 | 공식(저주파) | 파라미터 | 기본값 | 최솟값 | 최댓값 |
|---|---|---|---|---|---|
| FFR1 (6.2.2.1, 규범) | min(pavl, ppre + max(0, (fUF − f)/(fnom·k))) | fUF,FFR1 / kUF,FFR1 | fnom의 99.94 % / 1 % | fnom의 99.17 % / 1 % | fnom의 99.94 % / 5 % |
| FFR2 (K.2.2) — df/dt에 비례 | f > fUF이면 0, f ≤ fUF이면 −kUF,FFR2 × df/dt | fUF,FFR2 / kUF,FFR2 | fnom의 99.4 % / 0.5 p.u. per Hz/s | fnom의 99.17 % / 0 | 해당 없음 / 5 |
| FFR3 (K.2.3) — 주파수 촉발 고정 크기 | f > fUF이면 0, f ≤ fUF이면 pT3,UF | fUF,FFR3 / pT3,UF | fnom의 99.4 % / 0.1 p.u. | fnom의 99.17 % / 0 | 해당 없음 / 1 |
| FFR4 (K.2.4) — df/dt 촉발 고정 크기 | df/dt > dtrig이면 0, df/dt ≤ dtrig이면 pT4,UF | dtrigUF,FFR4 / pT4,UF | −0.5 Hz/s / 0.1 p.u. | −5.0 Hz/s / 0 | 0 / 1 |
표 1. 네 변형의 공식과 파라미터(표 9·10, K.1~K.6 재구성). 모든 p는 ICR 기준 p.u.이고, 표 K.4의 첫 파라미터는 표준 원문에 fUF,FFR2로 적혀 있으나 문맥상 FFR3의 촉발 주파수다.
FFR2는 주파수의 시간 미분에 비례하는 응답이다. 에너지 제한이 없는 곳에 구현된 FFR2는 기계적 관성과 같다. 그러나 출력 제한을 미리 두지 않은 풍력처럼 에너지원이 제한되면, 전력이 주파수 미분에 비례해 계속 흐르지 않는 구현이 되어 관성의 불완전한 모사다 K.2.2. FFR3는 주파수가 문턱을 넘으면 촉발되는 고정 크기 응답이고, FFR4는 주파수 변화율이 문턱을 넘으면 촉발되는 고정 크기 응답이다. 둘 다 한 번 촉발되면 정상 운전 복귀 조건이 충족될 때까지 가용 유효전력 안에서 일정 출력을 유지한다 K.2.3, K.2.4.
FFR1과 FFR2는 비례 응답이므로 주파수가 촉발 주파수 안으로 돌아오면 저절로 0이 되어 복귀 요건이 따로 없다. FFR3와 FFR4를 수행하는 플랜트는 저주파에서 주파수가 공칭 위로 돌아오거나 FFR 유지 시간 Thold,FFR이 지나면 정상 운전 복귀를 시작할 수 있다. 유지 시간은 5~300초에서 조정 가능하고 기본값은 10초다. 각주 202는 풍력의 관성 기반 응답 때문에 유지 시간이 보통 5~10초로 제한된다고 적는다 K.3. 복귀 조건이 충족되면 FFR3·FFR4 응답은 Tramp,FFR 동안 0으로 램프할 수 있고, 램프 시간은 10~1800초에서 조정 가능하며 기본값은 300초다. 풍력 플랜트는 FFR에서 회복할 때 회전자 속도를 정상으로 되돌리는 데 필요하면 사건 전 출력 아래로 줄이는 것이 허용될 수 있다. FFR2와 FFR4는 주파수 변화율에 응답하므로 사용 전에 주파수 제어와 안정도에 미치는 영향을 신중히 평가해야 한다 K.4.
변화율 기반 변형에 경고가 붙는 이유는 6부에서 본 ROCOF의 측정 문제와 같다. 변화율은 개폐와 고장의 잡음에 민감하고, 잡음에 반응하는 FFR은 오히려 진동을 일으킬 수 있다. 그래서 표준은 주파수 편차에 비례하는 FFR1만 의무로 두고, 관성을 가장 닮은 FFR2는 부속서에 남겼다.
표준 전체를 한 문장으로 요약하면 1부에서 적은 그대로다. IEEE 2800-2022는 정해진 지점(RPA, 기본값은 POM)에서 IBR 플랜트가 무엇을 할 수 있어야 하고 어떻게 동작해야 하는지를 정한 성능 표준이며, 설비를 어떻게 만들라는 설계 표준이 아니다. 열네 편에서 본 요구를 그 관점에서 다시 묶으면 네 갈래다.
표준이 비워 둔 자리도 분명하다. 적용 전압과 규모, 접속 검토의 범위, 기능 설정의 지정, 증분 무효전류의 크기(K-factor), 고조파 전압 한도, 약계통에서의 응답 시간, 그리드포밍의 성능, 검증의 절차와 합격 기준은 모두 AGIR와 TS 소유자·운영자, 그리고 후속 문서(P2800.1·P2800.2)의 몫이다. 부속서 C·E·F·J·M이 그 빈자리마다 물리적 이유를 적어 두었다. 한국에서 이 표준을 송전 접속 기준의 참고로 삼는다면, 요구값을 옮겨 적는 일보다 이 빈자리를 누가 어떤 자료로 채울지를 정하는 일이 먼저다. 그것이 이 연재가 열네 편에 걸쳐 되풀이한 하나의 결론이다.