스마트 그리드는 기존의 중앙집중형 전원이 아닌 전력소비지근처에서 발전하는 분산형 전원을 토대로 한다. 태양광발전, 풍력발전 등 신재생에너지를 비롯해 열병합발전, 연료전지, 에너지 저장장치가 모두 여기에 속한다. 분산형 전원은 신규송 · 배전망건설에 대한 투자와 송 · 배전 손실을 줄이는 한편, 전력부하변동에 유연하게 대응하는 장점이 있다. 그러나 이는 아직 이론에 불과하다. 분산형 전원을 확대 보급해 현실에서 이러한 장점을 피부로 느끼려면 현 단계에서 분산형 전원이 안고 있는 문제점 해결이 먼저이기 때문이다. 분산형 전원을 기존 전력망에 계통 연계했을 때 예상되는 문제점 중 분산형 전원의 단독 운전에 대해 알아본다. 단독 운전 시 나타날 수 있는 위험은 무엇이고, 수동 방식과 능동 방식으로 나뉜 단독 운전 검출 장치의 과제는 무엇이며, 이를 해결하기 위한 방안 연구로무엇이있는지소개한다.
분산형 전원의 단독 운전 방지 필요성 지구 환경 문제가 대두하면서 대응책으로 태양광 발전과 풍력 발전 등 분산형 전원 도입을 추진 중이며, 앞으로 보급량이 더욱 늘 것으로 예상한다. 분산형 전원을 연계한 계통에서 전력 계통 사고 등으로 전력회사 변전소의 송출 차단기가 개방되면, 분리된 계통은 분산형 전원만으로 수용가에 전력을 공급하게 되는데, 이 상태를 단독 운전이라고 한다. 감전 사고 발생 | <그림 1>은 분산형 전원이 단독 운전했을 때 일어날 수 있는 감전 개요를 나타낸 것이다. 배전선에 사고가 발생하면, 통상 사고가 발생한 배전선의 변전소 측 전원이 차단된다. 이때 분산형 전원이 단독 운전으로 사고가 발생한 배전선에 전기를 공급하면 배전선에 접촉한 작업자나 일반사람이 감전 피해를 입을 수 있다. 사고점의 전력 기기 손상 | 감전 사고와 마찬가지로, 사고점에 있는 전력 기기에도 전력이 공급되기에 전력 기기가 손상될 우려가 있다.
변전소 재폐로 시 비동기 투입으로 말미암은 전력기기 손상 | 단독 운전을 계속하는 상태에서 계통의 재폐로를 실시할 경우, 단독 계통과 전원 측 계통이 비동기(전압, 주파수, 위상이 같지 않음) 상태에서 연계(투입)되므로 해당 계통에 과전류나 전압 변동이 일어나 단독 계통에 접속한 다른 수용가 기기에 손상을 줄 수 있다. 이처럼 보안이나 공급 신뢰도 측면에 문제가 있기에, 분산형 전원이 계통에서 분리됐다면 빠르게 단독 운전을 검출해 분산형 전원을 확실히 해렬해야 한다. 단독 운전이 됐을 때, 발전 출력과 부하의 평형 상태가 무너지면 전압이나 주파수에 변동이 나타나기에 전압 계전기나 주파수 계전기에서 검출할 수 있다. 그러나 발전 출력과 부하가 대체로 평형 상태를 이루고 있다면 전압이나 주파수 변동이 적어 계전기에서 검출하기 어렵다. 따라서 이런 경우에도 확실히 검출할 수 있는 단독 운전 검출 장치가 필요하다.
단독 운전 검출 장치에 대해 단독 운전 검출 장치의 설치 기준 | <표 1>은 일본의 <전기 설비 기술 기준 해석> 별표 '이상 발생 시 발전 설비 등을 해렬하기 위한 장치'와 '전력 품질확보에 연관 있는 계통 연계 기술 요건 가이드라인', '계통 연계 규정'을 발췌한 것이다. 저압, 고압, 특별 고압에 연계할 경우, 역변환 장치 유무와 역조류(분산형 전원에서 계통 측으로 전기의 흐름) 유무 조건에 따라 필요한 계전기를 규정한다.
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분산형 전원을 역조류 상태에서 계통에 연계할 경우, 저압에서는 단독 운전 검출 장치가 필요하며, 고압 · 특별 고압에서는 단독 운전 검출 장치를 설치하거나 전력회사의 전송을 차단해 단독 운전을 보호하도록 규정한다(특별 고압에 대해 적정한 전압 · 주파수를 유지할 수 있는 경우 단독 운전은 가능하며, 3만 5000V 이하는 고압 연계를 기준으로 삼을 수 있다). 전송 차단 장치란 변전소의 차단기 개방 정보를 토대로 분산형 전원을 해렬하는 장치를 말한다. 그러나 전송 차단 장치는 전용 통신선 시설에 상당한 비용이 들기에, 대부분 단독 운전 검출 장치를 이용한 방책을 택한다.
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단독 운전 검출 장치의 방식 | 단독 운전 검출 장치는 크게 두 가지 방식이 있다. 분산형 전원의 연계점에서 전압 파형 등의 계통 정보를 상시 감시하다가 급격한 변화를 보고 검출하는 '수동 방식'과 계통에 아주 작은 변동을 주는 신호(능동 신호)를 주입해 단독 운전 시 그 변동이 뚜렷이 드러나는 것을 보고 검출하는 '능동 방식'이다(<표 2> 참조). 각 방식 모두 득실이 있으며, 어느 방식을 사용할 것인지는 분산 전원 종별(동기기, 유도기, 인버터)과 계통 종별(저압, 고압, 특별 고압), 비용을 감안해 선정한다. 단독 운전 검출 장치의 과제 | '수동 방식'은 불감대 영역(검출이 전혀 안 되거나 검출 시간이 두드러지게 길어지는 영역)이 있으며, 발전 출력과 부하가 완전히 평형하면 단독 운전을 검출할 수 없는 문제가 있다. 속도가 빠른 반면, 단독 운전이 아님에도 계통 소란에 동작(불필요 동작)할 우려가 있다. '능동 방식'은 불감대 영역이 없다는 점에서 우수하나, 능동 신호를 계통에 주입하기에 대량 연계 시 계통에 영향을 미칠 수 있다. 동일 계통에 여러 대를 설치했을 때는 각각의 능동 신호의 상호 간섭으로 검출 감도가 떨어져 검출에 시간이 걸리기도 한다. 한편, 고저압 혼촉 사고 시 고속 동작이 필요하다는 과제도 있다. 이는 고압 배전선과 저압 배전선의 혼촉 사고 발생 시, 저압 측에 분산형 전원이 계속 접속된 채로 있으면 지락 전류가 접지 저항에 흘러 저압 회로의 대지 전위가 상승하고 저압 기기가 손상할 우려가 있으므로, 저압 측에 접속된 분산형 전원을 고속으로 정지 또는 해렬해야 하는 과제다(<전기 설비 기술 기준 해석>에서 저압 전로의 전위 상승이 300V 초과 600V 이하인 배전선은 1초 이내로 고압 배전선을 차단하도록 규정한다).
단독 운전 검출 장치의 최근 개발 동향 집중 연계용 주파수 피드백 방식 | 이 방식은 분산형 전원이 특정 지역에 다수 도입(이하, 집중 연계)된 상황에서 상호 간섭하지 않고 고속으로 검출하고자 개발했다. 검출 원리는, 단독 운전 상태를 잠정 판단하면 일정 외란 신호를 주입해 주파수를 변화시킨다. 계통주파수가 증가하면 진상進相전류를, 계통 주파수가 감소하면 지상遲相전류를 출력해 단독 운전 시 계통주파수가 정격 주파수에서 발산하는 쪽에 무효 전력을 제어한다(<그림 2> 참조). 주파수 변화를 고속으로 증폭시키기 위해 외란 신호를 주입하고 단독운전의 판정 한계 값(Threshold)을 계단 모양으로 해 4사이클 분의 주파수 데이터를 이용해 단독 운전을 판단한다. 각 사이클의 주파수가 단조 증가 혹은 단조 감소하는 한계 값을 모두 넘기는 것으로 단독 운전을 판정한다(<그림 3> 참조). 계통 소란이 발생했을 경우 단조 증가나 단조 감소의 한계 값 패턴에서 벗어나기에 불필요 동작을 방지하며, 아주 짧은 시간에 고속으로 검출할 수 있다. 분산형 전원이 여러 대 있어도 주파수에 비례한 외란 신호를 주입하기에 상호 간섭 걱정이 없다. 또한, 정상적으로 외란 신호를 주입하지 않기에 능동신호로 계통에 생기는 영향도 없다.
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집중 연계에 대응한 차수 간 고조파 주입형 단독 운전 검출 방식 | 이 방식은 분산형 전원이 집중 연계된 상황에서 상호 간섭하지 않고 전기 보안상 요구하는 고속 검출을 달성하기 위해 연구 중이다. ● 차수 간 고조파 주입 방식의 검출 원리 - '차수간 고조파 주입 방식'이란 상용 주파수보다 높고, 배전 계통에 거의 존재하지 않는 차수 간 고조파 전류(이하, 차수 간 전류)를 배전선 피더에 아주 조금 주입해 단독 운전 시 변화하는 계통 임피던스를 감시하는 방식이다. 이 주입 전류에 의한 차수 간 고조파 성분의 계통 전압 왜형은 0.1% 정도다. <그림 4>는 검출 원리 · 방법을 나타낸 것이다. 계통 연계하는 분산형 전원에서 본 계통 임피던스는 계통 건전 시 배전용 변전소의 뱅크 누설 임피던스가 지배적이어서 주입 전류는 상위 계통으로 유입한다. 한편, 계통 인출구 차단기가 개방돼 계통이 단독 운전 상태가 되면 주입 전류는 계통 부하에 유입하기에 분산형 전원에서 본 계통 임피던스는 j500%로 증가한다. 이 계통 임피던스의 변화, 즉 주입 차수 간 고조파 전류에 기인하는 전압 왜형률의 변화를 감시해 단독 운전을 검출 판정한다. ● 시스템 구성과 동기 주입 원리 - 집중 연계에서 문제가 되는 것은 PV와 같은 분산형 전원이 계통으로 주입하는 신호로 말미암은 상호 간섭이며, 이 현안을 피해 고속 차단을 확실히 하려면 각 분산형 전원의 주입 신호를 동기시켜야 한다. 그러나 이 시스템은 저압 변압기에 발생하는 전압 왜형 VL의 영향을 피해 고압 배전선에 발생하는 차수 간 고조파 전압 왜형 VH를 검출하기 위해 집중 연계된 분산형 전원을 두 개의 그룹(A그룹과 B그룹)으로 나누고 거기다 각 그룹이 주입하는 신호를 다른 것으로 했다. 통상적인 방법으로 위상을 모두 동기시킬 수 없기에 각 분산형 전원의 신호 A, B그룹 모두 주파수성분이 다른 고조파 두 종류를 합성해 형태가 같은 파波를 만든다. 이러한 방법으로 일제히 검출 · 차단할 수 있다. 고조파 변화 검출 방식 | 이 방식은 기존 수동 방식에서 발전기 출력과 부하가 평형일 때 검출이 어려웠던 과제를 해결하기 위한 것으로 고압, 특별 고압을 대상으로 연구 중이다. 검출 원리는 <그림 5>와 같다. 검출점(분산형 전원의 수전점)에서 본 어드미턴스는 연계할 때보다 단독일 때 크게 변한다. 이것은 분산형 전원이 계통에서 분리됨으로써 계통 회로 정수, 고조파의 분포 상태, 고조파가 흐르는 방법이 바뀌기 때문이다. 이 방식은 이러한 변화에 착안해 단독 운전을 검출한다.
검출 알고리즘은 <그림 6>과 같다. 검출점에서 전압, 전류를 측정하고 고조파 해석을 실시해 제5차와 제7차 고조파 성분을 산출한다. 이어 각 차수의 고조파 성분의 전압 값과 전류 값에서 각 차수에 대한 어드미턴스 값을 산출한다. 평균화된 어드미턴스 값을 일정 시간 전의 어드미턴스 값과 비교해 어드미턴스 변화율 ΔYn을 산출한다. 검출점에서 본 제5차와 제7차 고조파 어드미턴스 변화율ΔYn을 상시 감시해, 어떤 것이 단독운전의 검출 지표인 한계 값을 만족하고 일정 시간 계속됐을 때 단독 운전으로 이행한 것으로 판정한다. 각 고조파에 대한 어드미턴스 변화율이 모두 정해진 한계 값을 넘지 않든지, 또는 정해진 한계 값을 넘기는 상태가 일정 시간 계속되지 않은 경우는 단독 운전 상태로 판정하지 않는다. 장점은, 수동 방식의 단점인 발전 출력과 부하가 완전히 평형인 경우라도 단독 운전 이행 시 고조파는 변하기에 검출이 가능하다는 것이다. 이 때문에 수동 방식의 단점을 보완하는 능동 방식을 설치할 필요가 없다. 또한, 계통에 신호를 주입하지 않기에 전력 계통에 미치는 영향이 없어 전력 품질을 유지할 수 있다. 신호 주입기능(장치)이 필요 없어 낮은 비용으로 소형 장치를 만들 수 있는 것도 장점이다.
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