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 3부이다.
송전계통의 전압은 무효전력의 수급으로 정해진다. 무효전력은 부하에 일을 하지 않지만 선로와 변압기의 리액턴스를 통과하려면 반드시 함께 흘러야 하는 성분이며, 어느 지점에서 무효전력이 모자라면 그 지점의 전압이 내려가고 남으면 올라간다. 동기발전기는 여자 제어로 무효전력을 조절해 전압을 유지해 왔다. 동기발전기가 IBR로 대체되면 그 역할도 IBR이 맡아야 한다. IEEE 2800-2022 5장은 그 역할을 두 부분으로 나눈다. 5.1은 얼마만큼의 무효전력을 낼 수 있어야 하는지(능력), 5.2는 그 능력을 어떤 방식으로 써서 전압을 제어해야 하는지(모드와 응답)를 정한다. 이 글의 논지는 다음과 같다. 5장의 요구값은 역률 0.95라는 오래된 관행에서 나왔지만, 그것을 유효전력 0에서도, 낮은 전압에서도, 그리고 정해진 속도로 제공하라는 조건이 붙는 순간 IBR 플랜트 설계의 실제 과제가 된다.
5장 전체는 제목대로 연속 운전 영역 안에서의 요구다. 전압이나 주파수가 7장의 라이드스루 영역으로 넘어가면 7장의 요구가 우선한다(4.7 d). 무효전력 능력의 기본 RPA는 POM이고, TS 소유자가 POI 같은 다른 위치를 지정할 수 있다 5.1.
플랜트는 유효전력을 TS로 내보낼 때 RPA에서 |Qmin| ≥ 0.3287 × ICR의 무효전력을 공급하고 흡수할 수 있어야 한다 5.1. 각주 59가 이 계수의 출처를 밝힌다. 유효전력 1.0 p.u.에서 역률 0.95일 때의 무효전력, 즉 1.0 × tan(acos 0.95) = 0.3287이다. 역률 0.95는 북미 연방에너지규제위원회(FERC)의 대형 발전기 접속 절차가 오랫동안 요구해 온 값이고, 표준은 그 관행을 ICR 기준의 고정 계수로 옮겼다.
유효전력을 흡수할 때(충전할 때)는 기준이 ICAR로 바뀐다. |Qmin| ≥ 0.3287 × ICAR이며, ICAR은 ICR보다 작을 수 있다 5.1. 유닛이나 보충 장치가 정지되어 Qmin이 일시적으로 줄면 4.1.3의 조율 요구가 적용된다 5.1.
최소 무효전력 능력은 플랜트의 모든 유효전력 출력 수준에서, 0을 포함해서, RPA에서 만족되어야 한다 5.1. 이 문장이 5장에서 가장 큰 설계 부담을 만든다. 태양광 플랜트가 밤에 유효전력을 내지 않을 때도 무효전력 0.3287 × ICR을 공급·흡수할 수 있어야 한다는 뜻이기 때문이다.
예외는 둘이다. 첫째, VSC-HVDC로 연결되지 않은 III형(이중여자) 풍력 발전기로 구성된 플랜트는 유효전력이 0.1 × ICR 미만일 때 기술 한계 때문에 점선까지 요구가 줄어든다 5.1 a). III형 풍력은 고정자가 계통에 직결되고 회전자 측 컨버터만 정격의 약 30 % 수준이어서, 저출력에서 무효전력 능력이 제한된다. 둘째, 교류로 연결된 해상 IBR 플랜트(부속서 B의 Figure B.2)는 전 범위 요구가 권고(should)로 낮춰지고 IBR 소유자와 TS 측이 예외를 합의할 수 있다. 다만 그 예외가 III형 풍력 플랜트에 요구되는 수준보다 적은 능력을 허용해서는 안 된다 5.1 b). 긴 해저 케이블의 충전 용량 때문에 무효전력 조건이 육상과 다르다는 점을 고려한 규정이다.
유닛 수준의 요구도 있다. IBR 유닛은 1차 에너지원이 있을 때, 없을 때, 그리고 두 상태 사이를 전환할 때 모두 무효전력 지원 능력을 가져야 하고, 손실을 메우기 위한 유효전력 수입을 제외하면 유효전력을 내보내거나 들여오지 않으면서 서비스에 머물 수 있어야 한다 5.1. Figure 6의 NOTE 1은 1차 에너지원이 없을 때 무효전력을 교환하려면 손실 때문에 계통에서 유효전력을 소비해야 할 수 있다고 인정한다. III형 풍력은 선로측 컨버터 크기 때문에 에너지원이 없을 때 능력이 줄 수 있으며, 이 능력의 이용은 IBR 소유자와 TS 소유자의 상호 합의 사항이다. IBR 소유자와 TS 운영자가 0보다 큰 최소 유효전력 능력(Pmin) 아래에서 운전을 중지해도 된다고 합의했다면, 운전을 중지한 플랜트는 무효전력을 내지 않는다 5.1.
전압이 공칭에서 벗어나면 인버터의 무효전력 능력도 달라진다. 전압이 낮으면 같은 전류로 낼 수 있는 무효전력이 줄고, 전압이 높으면 인버터의 직류 전압 한계 때문에 공급 능력이 준다. 표준은 이를 Figure 8과 표 4로 정한다. 연속 운전과 최대 30분 운전을 위한 최소 능력은 표 4의 기본 전압 범위 안에서 만족해야 하고, III형 풍력 플랜트는 0.95 p.u. 아래에서 더 줄어들 수 있다 5.1.
| RPA의 계통 공칭전압 | V1 | V2 | V3 | V4 | V5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 200 kV 미만 | 0.90 | 0.99 | 1.03 | 1.05 | 1.10 |
| 200 kV 이상(500 kV·735 kV 제외) | 0.90 | 1.00 | 1.04 | 1.05 | 1.10 |
| 500 kV | 0.90 | 1.02 | 1.06 | 1.10 | 1.10 |
| 735 kV | 0.90 | 1.02 | 1.06 | 1.088 | 1.10 |
표 1. RPA 전압 범위 기본값(IEEE 2800 표 4). TS 운영자가 다른 값을 요구할 수 있다. 735 kV는 ANSI C84.1의 표준 공칭전압이 아니며 800 kV 정격 설비를 가정한 값이다(주석 b).
곡선을 읽는 요령은 이렇다. 전압이 0.95 아래로 내려가면 공급 요구가 V1(0.90)에서 0.70·Qmin까지 선형으로 줄어든다. 전압이 높은 쪽에서는 V3까지 전 범위 공급이 요구되다가 V4에서 0이 되는데, 고전압에서 무효전력을 더 공급하면 전압을 더 올리므로 요구하지 않는다. 반대로 흡수는 고전압에서 필요하므로 V2부터 V4까지 전 범위가 요구되고, V4를 넘어 V5까지는 30분 운전으로만 요구된다. 500 kV 계통은 V4가 1.10이어서 30분 영역이 없다. NOTE 3은 TS 소유자가 이 요구를 늘리거나 줄일 수 있다고 밝힌다.
플랜트는 TS 운영자가 준 전압 스케줄을 위의 무효전력 능력 안에서 유지할 수 있어야 한다. 계통에서 전력을 흡수할 수 있는 저장장치 플랜트는 방전 중, 충전 중, 그리고 방전과 충전 사이의 전환 중에도 이 능력을 가져야 한다. TS 운영자가 달리 지시하면 예외다 5.1. 무효전력·무효전류 제한기는 설비나 사람을 보호할 목적으로만 써야 한다 5.1. 제한기를 제어 편의로 쓰면 능력 요구를 우회하게 되므로 금지했다.
연속 운전 영역 안의 최소 무효전력 능력과 제어는 표 5의 시간 응답을 만족하는 동적인 것이어야 한다 5.1. 정상상태에서 출발한 플랜트의 시간 응답에는 유닛 전압을 능력 요구 범위 안에 두는 데 필요한 변압기 탭 변경까지 포함된다 5.1. 각주 60은 재래식 부하시 탭절환기(OLTC)가 동적 응답 요구를 만족할 만큼 빠르지 않을 수 있으므로, 특수한 탭절환 설비를 쓰지 않는 한 고정 탭으로 전체 무효전력 범위를 만족해야 할 수 있다고 경고한다. 각주 61은 응답시간 측정 전에 OLTC와 무효전력 뱅크가 최적 위치에 정착해도 된다고 설명한다.
동적 보상으로 인정되는 것은 IBR 유닛, SVC, STATCOM 같은 전력전자 설비와 동기기, III형 풍력 발전기 같은 회전기다. 동기기는 여자가 자동 제어되어 동적 응답을 포함한 플랜트의 무효전력 성능 요구를 맞출 때만 동적으로 본다 5.1. 사이리스터 스위칭 커패시터 같은 전자식 스위칭 장치는 가변 무효전력원과 협조되어 플랜트의 순 무효전력 출력이 연속적으로 변할 수 있으면 동적으로 볼 수 있고 최소 능력의 일부를 충당할 수 있다 5.1. 기계식 분로 커패시터와 리액터는 동적이 아니다. 다만 유닛과 RPA 사이의 무효전력 손실을 보상하는 데 쓸 수 있으며, 그 경우 플랜트가 최소 동적 능력을 유지하도록 자동 제어되어야 하고, 스위칭이 동적 설비와 협조되어 순 출력에 큰 불연속이나 스텝이 생기지 않아야 한다 5.1.
이 분류의 실무적 결론은 명확하다. 집전계통이 길어 손실이 큰 플랜트는 커패시터 뱅크로 손실을 메우되, 계통이 요구하는 0.3287 × ICR은 인버터나 STATCOM이 스스로 낼 수 있어야 한다.
플랜트는 RPA 전압이 연속 운전 영역 안에 있을 때마다 무효전력 출력 변화로 전압을 조정할 능력을 제공해야 한다. 이 제어 기능이 5.1의 최소 능력 밖에서 운전할 의무를 만들지는 않는다 5.2.1. 플랜트는 전압 제어, 역률 제어, 무효전력 설정값 제어의 세 모드를 상호 배타적으로 제공하고 한 번에 하나씩 활성화할 수 있어야 한다. TS 운영자가 달리 지정하지 않으면 RPA 전압 제어 모드가 기본값이다 5.2.1. 설정 변경과 모드 선택은 IBR 운영자가 TS 운영자의 지정에 따라 수용 가능한 시간 안에 구현할 책임이 있고, 상호 합의하면 다른 모드와 구현도 허용된다 5.2.1.
전압 제어 모드에서 플랜트는 폐루프 자동 전압 제어로 RPA의 정상상태 전압을 드룹 함수로 조정된 기준값에 맞추되, 설정값의 1 % 안에 들어야 한다. 무효전력 능력을 넘어야 하는 경우는 예외다. 설정값은 TS 운영자가 지정한다 5.2.2. 제어계는 안정적이고 협조된 응답을 위해 무효전력 드룹 능력을 가져야 하고, 드룹 설정은 TS 운영자와 IBR 운영자가 조정한다. 설정 가능 범위는 ICR 기준 무효전력 1.0 p.u.당 전압 변화 0~0.3 p.u.다 5.2.2.
동적 성능은 표 5로 정해진다. 연속 운전 영역 안에서 RPA 전압의 스텝 변화에 대한 무효전력 응답이 대상이며, 요구는 TS 운영자가 지정한 POM의 계통 등가 임피던스 범위에서만 적용된다 5.2.2. 각주 62는 제어 구조에 따라 전압 기준값 스텝에 대한 응답과 계통 변화에 따른 RPA 전압 변화에 대한 응답이 다를 수 있다고 적고, 각주 63은 근처에 비슷하거나 더 큰 용량의 동적 설비가 있으면 응답 평가에서 고려한다고 적는다.
| 파라미터 | 목표 | 주석 요지 |
|---|---|---|
| 반응시간 | 200 ms 미만 | — |
| 최대 스텝 응답 시간 | TS 운영자가 요구하는 값 | 예상 계통 강도 범위, 인근 전압 제어 설비, 오버슈트 요구를 고려해 가장 느린 응답을 조정한다. 보통 1~30 s. Figure 8의 동적 능력을 회복하는 데 필요한 분로 스위칭이나 탭 변경은 60 s 안에 응답해야 한다 |
| 감쇠 | 감쇠비 0.3 이상 | 감쇠비는 제어 안정도의 지표이며 계통 강도에 좌우된다 |
표 2. 전압 제어 성능 목표(IEEE 2800 표 5). 반응시간과 감쇠비는 고정값, 스텝 응답 시간은 계통 조건에 따라 TS 운영자가 정한다.
응답은 안정적이어야 하고 진동이 있으면 감쇠비 0.3 이상으로 양의 감쇠를 가져야 한다. 안정적이고 감쇠된 응답이 응답 속도보다 우선한다. 주어진 계통에서 안정적인 응답을 위해 표 5 상한에 가까운 응답시간이 필요하다는 것이 입증되면 그쪽이 선호된다 5.2.2. 각주 64는 감쇠비 논의를 부속서 L로 넘긴다. 감쇠비 0.3은 진동이 한 주기마다 진폭의 약 86 %씩 줄어드는 수준이다.
역률 제어 모드에서는 무효전력이 유효전력에 선형 비례해야 하며, 실제 유효전력에 대해 역률 설정에 해당하는 무효전력 수준에서 플랜트 공칭 피상전력의 5 % 안에 있어야 한다. 목표 역률은 TS 운영자가 지정하고, 이 모드는 TS 운영자가 정한 최소 유효전력 수준까지 모든 출력에서 적절히 동작해야 한다. 유효전력 스텝 변화 등으로 역률이 바뀔 때의 동적 응답은 감쇠비 0.3 이상이어야 한다 5.2.3. 무효전력 제어 모드에서는 RPA에서 지정된 일정 무효전력을 공칭 피상전력의 5 % 허용 오차 안에서 유지해야 한다. 목표값과 방향(공급·흡수)은 TS 운영자가 지정하고, 동적 응답 요건은 같다 5.2.4. 세 모드 모두 설정을 TS 운영자가 지정한 대로 국소·원격으로 조정할 수 있어야 한다.
5장의 핵심 수치는 0.3287 × ICR 하나이고 그 출처는 역률 0.95다. 그러나 이 표준이 요구하는 것은 그 숫자를 언제, 어디서, 어떤 속도로 내느냐는 조건들이다. 유효전력이 0일 때도 내야 하고(밤의 태양광), 전압이 0.90 p.u.로 떨어져도 70 %는 내야 하며(약계통의 저전압), RPA에서 재야 하므로 집전계통 손실을 메운 뒤의 값이어야 하고, 반응시간 200 ms 미만에 감쇠비 0.3 이상인 동적 설비로 내야 한다. 커패시터 뱅크와 느린 탭절환기는 이 조건에서 손실 보상 이상의 역할을 할 수 없다. 이 조건들을 합치면 플랜트의 인버터 피상전력 정격, STATCOM의 유무, 변압기 탭 설계가 5장에서 결정된다.
제어 모드의 기본값이 전압 제어라는 점은 이 표준이 IBR을 전압 유지의 주체로 보고 있음을 뜻한다. 역률 제어나 설정값 제어는 TS 운영자가 지정할 때만 쓴다. 드룹 범위와 스텝 응답 시간을 계통 강도에 맞춰 TS 운영자와 조정하라는 요구는, 같은 플랜트라도 붙는 계통에 따라 다른 설정이 필요하다는 인식에서 나왔다. 표준이 스텝 응답 시간의 고정값을 주지 않은 이유다. 4부에서는 4.7의 우선순위에서 무효전력 제어보다 앞에 놓인 6장, 유효전력-주파수 응답을 다룬다.