이 글에서는 전력계통의 수급 조정·제어에 관한 기본적인 해설로서 거버너(Governor) 프리, 부하 주파수 제어(LFC), 경제 부하 배분 제어(EDC) 등에 대해 설명한다. 또한 재생가능 에너지(재에너지) 연계 확대 시의 수급 조정·제어 면의 영향과 대책, 광역적인 수급 조정·제어에 대해서도 간단히 소개한다.

 

주파수 변동의 발생 메커니즘 및 주파수 변동의 영향

 

1. 주파수 변동의 발생 메커니즘

전력계통에서는 부하(수요)와 발전(공급)의 균형이 깨지면 주파수가 변동하는데(예를 들어 부하보다 발전 쪽이 큰 경우에는 주파수가 상승한다), 이 원리에 대해 간단히 설명한다. 먼저 하나의 동기발전기를 생각한다(그림 1).

 

 

동기발전기에서는 증기터빈 등의 회전자를 회전시키려는 토크(Tm)와 전기적인 출력 토크(Te)가 균형을 이룬 상태에서 회전수(ω)가 일정하게 되고, 이것이 균형을 이루지 않은 상태에서는 동기발전기의 회전수가 상승 혹은 저하한다. 예를 들어 증기터빈 등의 토크 쪽이 크면, 그만큼이 동기발전기의 회전 에너지로서 축적되어 회전수가 상승한다. 이때, 동기발전기의 관성상수(M)가 클수록 회전수의 변화는 완만해진다. 전력계통에는 다수의 동기발전기가 있는데, 이들은 동기해 회전하고 있으며 주파수는 이들 동기발전기의 회전수에 대응하고 있다. 따라서 전력계통 전체로서 파악한 경우, 동기발전기와 마찬가지로 발전의 총량과 부하의 총량이 일치하면 주파수는 일정해지고 이 균형이 깨지면 주파수가 변동하게 된다.

 

이를 식으로 설명하면 이하와 같다. 동기발전기의 회전체 운동방정식은

 

 

이다. 여기서 단위법으로 표현한 경우, 회전수의 변화가 작고 ω는 대략 1pu로 간주하면 P＝ωT≃T(P는 파워)가 되기 때문에

 

 

이 된다. 이 각 동기발전기에 관한 운동방정식을 전력계통 내의 전체 발전기에 대해 합계하면 전력계통 전체로서는

 

 

이 된다. 여기서 간단화를 위해 전체 동기발전기의 회전수는 동일하고, 전력계통의 주파수 f와 같다고 하면

 

 

가 된다. 또한 송전 로스를 무시하면, 전체 동기발전기의 전기 출력 합계 ΣPei는 전력계통 전체의 부하 Pload에서 태양광발전 등의 인버터에 의해 전력계통에 연계되는 전원(동기발전기 이외의 전원)의 출력 총량 Pinv를 뺀 것이 되어

 

 

가 된다. 더구나 인버터 전원은 관성을 가지고 있지 않기 때문에 계통의 관성 ΣMi에는 기여하지 않는다.

 

이것을 블록선도로 표현하면 그림 2가 된다. 전력계통 내의 주파수는 동일하다고 간주하고 주파수 변동을 해석하는 경우에는 이와 같은 시뮬레이션 모델이 사용된다. 부하 변동이나 전원 탈락 등에 의해 발전과 부하의 불균형(수급 불균형)이 발생했을 때, 주파수 f의 변화에 대해 각 동기발전기의 기계 입력 Pmi, 전력계통의 부하 Pload, 인버터 전원의 출력 Pinv가 변화해 이들의 움직임이 주파수의 응동을 정하게 된다.

 

 

또한 참고로 주로 동기발전기 간의 동기 안정도 해석을 목적으로 한 전력계통의 동특성 모델(각 동기발전기의 회전수는 다른 것으로 모델화되어 있다)을 이용해 어떤 전원이 탈락했을 경우의 시뮬레이션을 실시한 결과를 그림 3에 나타냈다. 그림과 같이 실제로는 수급의 불균형이 발생한 직후에는 각 동기발전기의 회전수가 다르다. 그림 2의 모델에서는 그림 3의 점선과 같은 전력계통의 평균적인 주파수 변화를 시뮬레이션하게 된다.

 

 

2. 주파수 변동의 영향

주파수의 변동은 공장 등에서 전동기의 회전 속도를 일정하지 않게 만들어 제품의 품질에 영향을 미치는 경우가 있다. 또한 주파수가 큰 폭으로 변동하면, 동기발전기나 터빈의 회전수 및 급수펌프 등과 같은 보조기의 전동기 회전수가 변화하게 되기 때문에 발전 플랜트를 안정적으로 운전하기 곤란해지는 경우가 있다. 예를 들어 60Hz 계통에서는 58.0～60.5Hz의 범위를 넘는 상태가 계속되면, 터빈 동익의 공진 문제가 생긴다. 이러한 문제에 의해 발전기가 탈락하면, 이에 의해 더욱 수급 불균형이 확대되어 최악의 경우에는 발전기가 연쇄적으로 탈락해 대정전이 발생할 우려도 있다.

 

이와 같이 주파수의 변동은 수요가 측 및 전력계통 측에 영향을 미치기 때문에 주파수를 적정한 범위로 유지할 필요가 있다. 상시 주파수는 대체로 표준 주파수에 대해 ±0.2～0.3Hz 이내로 조정되어 있다. 또한 전원 탈락 시 등의 긴급 시에 대해서도 예상되는 최대 사고에 대해서 발전기가 연쇄적으로 탈락해 대규모 정전이 생기지 않도록 수급 조정·제어가 이루어진다.

 

상시의 수급 조정·제어

 

상시에는 부하 변동의 변동 성분(그림 4)에 따라 이하와 같은 계층적인 제어·특성에 의해 주파수 조정이 이루어지고 있다.

 

 

1. 경제 부하 분배 제어(EDC)

지금까지의 일간 부하 변동 커브로부터 어느 정도 예측이 가능한 20분 정도 이상의 비교적 긴 주기의 큰 부하 변동(서스테인드(Sustained) 성분이라고 부른다)에 대해서는 각 발전기의 합계 출력이 부하의 예측값을 추종하도록 발전 비용에 관한 경제성을 고려해 각 발전기의 출력이 조정된다. 이 제어는 경제 부하 배분 제어(EDC: Economic load Dispatching Control)라고 불리며, 중앙급전지령소에서 각 발전기에 몇 분 주기로 지령값이 송신되는 형태로 실시된다.

 

EDC에서는 화력발전기의 연료비는 발전 출력의 함수로 표현되고 송전 손실, 각 발전기의 출력 상하한 제약, 출력 변화 속도 제약, 송전선 조류 제약 등을 고려해 총발전량을 부하의 예측값에 일치시킨다는 조건 하에서, 총연료비가 최소가 되도록 각 발전기의 출력 배분이 결정된다.

 

2. 부하 주파수 제어(LFC)

EDC에서는 대응이 어려운 주로 몇 분에서 20분 정도의 비교적 짧은 주기의 예측이 불가능한 부하 변동(프린지(Fringe) 성분이라고 부른다)에 대해서는 실제 주파수와 표준 주파수의 편차나 영역 간의 실제 연계선 조류와 연계선 조류 스케줄값의 편차로부터 해당 영역의 부하 총량과 발전 총량의 편차를 검출하고(이 편차는 AR이라고 부른다), 이 편차를 해소하도록 각 발전기의 출력이 조정된다. 이 제어는 부하 주파수 제어(LFC: Load Frequency Control)라고 불리며, EDC와 마찬가지로 중앙급전지령소에서 각 발전기에 수초 정도의 주기로 지령값이 송신되는 형태로 실시된다.

 

LFC의 제어 블록도의 개략을 그림 5에 나타냈다. AR을 로우패스 필터나 불감대에 통과시키고 비례 적분 연산한 값을 각 발전기에 지령값으로서 배분한다. 현재의 LFC에서는 주파수·연계선 조류를 신속하게 제어할 수 있도록 각 발전기의 지령값은 각 발전기의 변화 속도에 기초해 결정되는 경우가 많다. 또한 LFC는 기기적인 제약, 응답성 등의 면에서 일부 종별의 발전기에 의해 이루어지고, 각 발전기는 연료 종류 등에 따라 LFC에 의한 지령에 대해 출력을 변화할 수 있는 폭·속도에 제약이 있다(예를 들어 정격 출력의 5%, 변화 속도 3%/분 등). 계통 전체에 있어 LFC의 출력 변화 가능량은 부하 총량의 1～2% 정도를 기준으로 확보되는 경우가 많다.

 

 

3. 거버너 프리 및 부하의 주파수 특성·계통의 관성

EDC 및 LFC로는 대응이 어려운 주로 몇 분 이하의 소폭의 단주기 부하 변동(사이클릭(Cyclic) 성분이라고 부른다)에 대해서는 발전기의 거버너 프리 및 부하의 주파수 특성·계통의 관성에 의해 조정·흡수된다.

 

발전기의 거버너 프리는 EDC 및 LFC와 같은 중앙 제어가 아니라 로컬 제어이며, 발전기 자체의 회전수 변화를 검출해 그에 따라 출력을 조정한다. 거버너란 회전기의 회전 속도를 일정하게 유지하기 위한 제어장치로, 증기터빈에서는 증기 가감 밸브, 수차에서는 가이드베인이라고 불리는 밸브의 개방도를 회전 속도가 상승하면 감소시키고 회전 속도가 저하하면 증가시킨다. 거버너 프리는 비례 제어이며, 거버너 프리만으로는 정상 편차가 남기 때문에 표준 주파수에 복귀시키는 역할은 LFC 등이 담당하게 된다.

 

거버너 프리에 관해서도 기기적인 제약 등으로부터 일부 거버너 프리 운전이 가능한 발전기에 의해 이루어진다. 거버너 프리 운전이란 상시의 회전 속도 변화에 대해 거버너의 동작에 의해 출력을 변화시키는 운전을 말한다(그림 6). 일반적으로 회전 속도 저하 시의 출력 증가 상한으로서 부하 제한(로드 리미터)이 설정되어, 회전 속도의 편차가 0일 때의 밸브 개방도로부터 부하 제한까지의 여유(거버너 프리 폭이라고 부른다)는 예를 들어 화력발전기에서는 정격 출력의 5～10% 정도인 경우가 많다. 또한 출력 일정 운전이 요구되는 플랜트(원자력 등)에서는 부하 제한에 의해 상시의 회전 속도 변화에 대해서는 출력이 변화하지 않도록 하는 부하 제한(로드 리미트) 운전이 이루어진다. 계통 전체에 있어 거버너 프리의 출력 변화 가능량은 부하 총량의 3% 정도 이상을 기준으로 확보되는 경우가 많다. 또한 수차·증기터빈이나 재열기 등을 통해서 출력이 변화하기 때문에 거버너 프리에 의한 출력 변화는 일반적으로 수 초에서 수십 초 정도의 1차 지연 시정수를 가진다.

 

 

부하의 주파수 특성(부하의 자기제어성이라고 부른다)이란 주로 유도전동기의 특성에서 유래하며, 주파수 변화에 대해 전력계통 전체에 있어 부하의 양이 변화하는 특성이다. 이것도 주파수의 변동이 억제되는 방향으로 작용하며, 예를 들어 주파수가 저하했을 경우는 부하도 저하하고 그 결과 주파수 저하가 억제된다. 부하의 주파수 특성은 종래부터 2%MW/%Hz(50Hz에서는 1%Hz는 0.5Hz이기 때문에 4%MW/Hz, 60Hz에서는 1%Hz는 0.6Hz이기 때문에 3.33%MW/Hz) 정도로 생각되어 왔지만, 최근의 수요측 기기의 인버터화 진행 등에 의해 값으로서는 감소하고 있을(부하의 자기제어성이 감소하고 있다) 가능성이 우려되고 있다.

 

최종적으로 발전의 총량과 부하(인버터 전원의 출력을 뺀 부하)의 총량이 일치하지 않는 상태(∆P＝ΣPmi－(Pload－Pinv)≠0인 상태)에서는 식(5)에 나타낸 바와 같이 df/dt가 0이 되지 않고 주파수 즉 동기발전기의 회전수가 상승 혹은 저하한다. 이와 같이 최종적인 편차 ∆P는 동기발전기의 회전에너지로서 축적 혹은 방출되는 형태로 흡수된다(계통의 관성에 의해 흡수된다고 생각할 수 있다).

 

긴급 시의 수급 조정·제어

 

대규모 전원 혹은 부하의 탈락, 영역 간의 연계선이 차단된 경우 등의 긴급 시에는 급격하고 큰 수급의 불균형이 생겨 주파수가 크게 변동하게 된다.

 

대규모 전원 탈락이 발생했을 경우의 주파수 변동 이미지(긴급 시의 각종 대책 동작에는 이르지 않은 경우의 예)를 그림 7에 나타냈다. 탈락 직후에는 발전이 부족하게 되기 때문에 주파수가 저하해 간다. 이 기울기(df/dt)는 전원의 탈락량과 계통의 관성에 의해 정해진다(탈락량이 클수록, 또한 계통의 관성이 작을수록 이 기울기는 커진다). 그 후 발전기의 거버너 프리에 의한 출력 증가나 부하의 주파수 특성에 의한 부하의 감소에 의해 주파수는 저하로부터 상승으로 바뀐다. 또한 그 후 LFC 혹은 수동 조정에 의해 발전 출력이 증가하고, 주파수는 표준 주파수로 회복해 간다.

 

 

수급 불균형이 매우 큰 경우에는 앞에서 말한 조정·특성만으로는 주파수 변동이 발전기의 안정 운전 가능한 범위를 초과하는 경우도 예상된다. 따라서 긴급 시에는 아래와 같은 대책이 이루어진다.

 

(1) 직류기기의 제어(주파수 변환소 또는 교직 변환소에서 주파수 변동에 따라 순간적으로 전력을 융통)

(2) 주파수 저하 시의 양수기 차단

(3) 주파수 릴레이 시스템에 의한 발전기 혹은 부하의 차단(대규모의 발전기의 탈락이나 연계선 차단 등을 검출해 큰 폭의 주파수 변동이 예측되는 경우에는 주파수 변동이 생기기 전에 발전기 혹은 부하를 차단한다)

(4) 주파수 상승 시의 화력기 런백(runback)(급속한 출력 저하)

(5) 주파수 저하 릴레이(UFR)에 의한 부하 차단(주파수가 어느 정도의 폭·시간 이상 저하했을 경우에는 자동적으로 부하를 차단한다)

 

재생가능 에너지 연계 확대에 의한 영향과 대책

 

상시의 수급 조정·제어에 관해 재생가능 에너지 연계 확대에 의한 영향으로서 잔여 수요(부하의 총량에서 재생가능 에너지 출력의 총량을 뺀 것)의 변화를 들 수 있다. 재생가능 에너지가 대량으로 도입되기 이전에는 일간 수요 곡선은 낮 동안에 피크가 되고 심야가 될수록 점점 감소해 가는 산과 같은 곡선이 되는 경우가 많았다. 그러나 태양광발전(PV)의 연계 확대에 의해 낮 동안에 PV의 발전량이 급증함으로써 잔여 수요는 감소하고, 재생가능 에너지의 발전량이 감소하는 일몰 후에 잔여 수요가 급증하는 경향이 강해지고 있다. 화력발전기 등의 조정 전원은 잔여 수요를 추종할 필요가 있어 출력 변화나 기동 정지 횟수가 증대하는 경향이 된다. 또한 화력발전기는 출력이 가능한 상하한 값이 정해져 있어 잔여 수요가 너무 낮아지면, 조정 전원의 출력을 내려도 공급이 수요를 웃돌아 잉여 전력이 발생해 버리기 때문에 재생가능 에너지의 출력을 제어하는 것이 필요한 경우가 있다(그림 8).

 

 

또한 PV나 풍력발전은 일사량이나 풍속·풍향에 따라 발전 출력이 변동하기 때문에 대량으로 도입된 경우에는 이들 출력 변동이 수요 변동에 중첩되어 잔여 수요의 단주기 변동이 커지는 것이 우려된다. 또한 재생가능 에너지의 비교적 느린 출력 변동에 관해서도 완전히 예측할 수는 없기 때문에 EDC의 제어 잔류(EDC로는 대응할 수 없는 변동)는 증대한다. 따라서 LFC나 거버너 프리에 요구되는 조정 폭․속도는 지금까지보다 증대할 가능성이 생각된다(그림 9).

 

 

또한 재생가능 에너지의 도입에 의해 화력발전기가 정지하는 것도 생각할 수 있기 때문에 EDC나 LFC, 거버너 프리 등의 수급 조정․제어의 기능을 가지는 설비(조정력)의 확보가 곤란하게 될 우려도 있다.

 

긴급 시의 수급 조정·제어에 관해서는 계통의 관성 감소나 조정력의 확보 곤란화의 영향이 우려된다. 재생가능 에너지의 연계 증대에 따라 전력계통에 연계되는 화력발전기가 감소해 계통의 관성이 감소하면, 전원 탈락 등이 발생한 직후의 주파수 변화 속도가 증대하게 된다(그림 10). 주파수의 변화 속도가 증대하면, 전원 탈락 시의 주파수 변동의 최하점이나 주파수 저하 릴레이(UFR)의 동작 주파수 등에 이르기까지의 시간이 짧아진다. 이것에 의해 해당 시점에서 발동할 수 있는 조정력이 감소해 주파수 변동이나 UFR의 동작 빈도·동작량이 증대할 우려가 있다. 또한 전력계통에 연계되는 화력발전기가 감소해 조정력이 감소하면, 당연히 주파수 변동의 최하점, 안정처는 악화된다.

 

 

이러한 과제에 대한 EDC, LFC, 거버너 프리의 대책으로는

 

(1) 수요 예측, 재생가능 에너지 출력 예측의 정도 향상

(2) 축전지·축에너지 설비의 활용

(3) 재생가능 에너지 출력의 제어·조정력으로서의 활용

(4) 수요의 능동화(디맨드 리스폰스)

(5) Virtual Power Plant(VPP)의 활용

 

등에 의한 조정력의 확보 및 추종성이나 응답성의 향상·고속화 등을 들 수 있다. 풍력발전·PV에 관해서는 주파수 상승 시에 출력을 감소시키는 제어를 하는 것은 가능하며(주파수 저하 시에 출력을 증가시키는 경우에는 출력을 줄인 운전을 해 둘 필요가 있다), 주파수의 안정화에 일정 정도는 기여할 것으로 생각된다. 축전지의 경우에는 주파수 상승·저하 측의 쌍방에 기여할 수 있다고 생각된다. 단, 거버너 프리 및 LFC에서는 주파수 편차를 검출해 피드백 제어를 하기 때문에 주파수 검출이나 통신 지연 등의 낭비 시간이 큰 경우에는 제어의 안정성에 영향을 줄 우려가 있는 점에는 주의가 필요하다고 생각된다. 또한 계통 관성의 감소에 관한 대책으로는 인버터에 의해 동기기의 관성을 모의하는 제어(그리드 포밍 제어나 가상 동기기 제어 등으로 부른다)의 개발이 기대되고 있다.

 

광역적인 수급 조정·제어

 

기존의 EDC 및 LFC는 기본적으로 각 영역 단위로 실시되어 왔다. 그러나 경제성의 추구나 참가 사업자의 확대 등을 도모하기 위해 영역을 초월한 광역적인 수급 조정·제어의 도입, 조정력의 조달을 하기 위한 시장(수급 조정 시장)의 도입 등이 추진되고 있다.

 

EDC나 LFC를 광역적으로 하는 경우, 각 지역의 발전과 부하의 미스매치 합계(전력계통 전체의 수급 불균형)에 대해 제어를 함으로써 필요한 발전 출력의 조정을 줄일 수 있다. 예를 들어 영역마다 조정을 할 때, 어떤 영역에서는 발전 출력을 300MW 증가시킬 필요가 있고, 다른 영역에서는 발전 출력을 100MW 감소시킬 필요가 있는 경우에는 전력계통 전체로서는 200MW만 증가시키면 된다.

 

또한 이 200MW의 발전 출력의 증가에 대해서도 전력계통 전체에서 조정 코스트가 가장 저렴한 전원 혹은 응답성이 좋은 전원을 이용함으로써 조정 코스트의 저감이나 주파수 품질의 향상을 기대할 수 있다. 단 영역마다 EDC나 LFC를 하는 경우와 달리, 영역 간의 연계선 조류가 변화하게 되기 때문에 연계선의 운용 용량을 초과하지 않는 범위에서 실시할 필요가 있다.