IEEE 2800-2022 강의 4부 — 6장 유효전력-주파수 응답: 1차 주파수 응답의 드룹 공식과 고속 주파수 응답의 1초 요건

2026-09-10

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 4부이다.

발전기가 사라진 자리에 남는 주파수 문제

계통 주파수는 발전과 수요의 순간 균형이 결정한다. 큰 발전기가 갑자기 탈락하면 부족분만큼 주파수가 떨어지고, 동기발전기들은 회전자에 저장된 운동 에너지를 내놓으며(관성 응답) 조속기가 출력을 올려(1차 주파수 응답) 하락을 멈춘다. 인버터에는 회전자가 없다. 그래서 IBR이 동기발전기를 대체하면 주파수 하락을 멈추는 힘 자체를 사람이 제어로 설계해 넣어야 한다. IEEE 2800-2022 6장은 그 설계 요건이다. 6.1은 조속기 역할을 하는 1차 주파수 응답(PFR), 6.2는 관성 응답의 빈자리를 메우는 고속 주파수 응답(FFR)을 다룬다.

이 글의 논지는 다음과 같다. 6장은 주파수 응답을 '능력'으로 요구하고 그 이용은 부하균형 주체와 TS 운영자의 결정에 맡기는 구조이며, PFR은 드룹 공식 하나로, FFR은 1초라는 응답 속도로 정의된다. 그 공식과 속도의 파라미터가 곧 6장의 내용이다.

PFR 능력 — 드룹 하나로 정의되는 응답

PFR 능력의 기본 RPA는 POM이다. 플랜트의 PFR 기능과 전체 응답 능력은 RPA에서 Figure 9와 표 6의 성능을 만족해야 하고, 연속 운전 영역뿐 아니라 7.2와 7.3의 필수 운전 영역에서도 PFR을 제공할 능력이 있어야 한다 6.1.1. 저주파 외란에는 유효전력 증가로, 고주파 외란에는 감소로 응답하는 능력을 모두 갖춰야 하며, 그 이용은 IBR 소유자와 TS 운영자가 합의한다 6.1.1.

제어기는 고정 드룹 특성 kOF와 kUF를 가져야 하고, 저주파와 고주파에 서로 다른 드룹을 설정할 수 있어야 한다. 드룹 파라미터는 최소한 표 7의 범위에서 조정 가능해야 한다. 드룹은 ICR과 0 출력의 차이를 기준으로 하므로 기울기가 항상 일정하다 6.1.1. 이 마지막 문장이 중요하다. 드룹의 기울기를 ICR 기준으로 고정했기 때문에, 출력이 절반인 플랜트도 같은 주파수 편차에 같은 MW로 응답한다.

저주파 응답은 가용 유효전력으로 제한되고, 가용 유효전력은 ICR 또는 일시적으로 ISR로 제한된다. 고주파 응답은 최소 유효전력 능력(pmin)으로 제한되며, 저장장치 플랜트의 pmin은 음수(충전)일 수 있다 6.1.1. NOTE 2는 주파수 범위에 따라 여러 드룹 특성을 둘 수 있다고 덧붙인다.

표 6의 공식

표 6은 응답의 정의 자체다. 저주파에서 유효전력 p는 다음 두 값 가운데 작은 쪽이다. 가용 유효전력 pavl, 그리고 외란 전 출력 ppre에 (fnom − f − dbUF)/(fnom × kUF)를 더한 값이다(괄호 안이 음수이면 0으로 둔다). 고주파에서는 pmin과, ppre에 (fnom − f + dbOF)/(fnom × kOF)를 더한 값(양수이면 0으로 둔다) 가운데 큰 쪽이다 6.1.1. 여기서 ppre는 주파수가 데드밴드를 벗어난 시점의 출력으로 정의되고, dbUF·dbOF는 한쪽 방향의 비스텝(non-step) 데드밴드, kUF·kOF는 출력 1 p.u. 변화에 대응하는 주파수의 p.u. 변화다. 각주 67은 저장장치 플랜트에서 p가 음수일 수 있고 다른 제어 수단으로 이 요구를 만족해도 된다고 적는다.

표 1. 표 6에 실린 계산 예를 정리한 것. 저주파 예에서는 드룹이 요구하는 52.13 MW를 가용 전력 51 MW가 막는다.

'비스텝 데드밴드'라는 표현은 데드밴드 경계에서 출력이 갑자기 뛰지 않는다는 뜻이다. 공식에서 데드밴드 값을 주파수 편차에서 빼 주므로, 편차가 데드밴드를 막 넘은 순간의 응답은 0에서 연속적으로 시작한다.

표 2. PFR 파라미터(IEEE 2800 표 7). 각주 68: 드룹 5 %는 주파수 0.05 p.u. 변화가 출력 1 p.u. 변화를 낳는다는 뜻이다.

각주 69는 드룹 최솟값 2 %의 뜻을 설명한다. 이 값은 기계적으로 움직이는 부품이 있거나 연료전지처럼 에너지원의 동적 응답에 제약이 있는 플랜트에 해당한다. 배터리나 태양광처럼 변환에 기계 부품이 없는 플랜트는 더 급격한 출력 변화가 가능하므로 더 작은 드룹, 즉 더 크고 빠른 응답이 가능하며 그것이 6.2의 FFR이다. 다만 계통 안정도를 확인하고 불필요하게 큰 이득을 쓰지 말라고 덧붙인다.

PFR 성능 — 반응 0.5초, 상승 4초, 정정 10초

적용 주파수의 스텝 변화에 대한 플랜트의 전체 동적 응답은 표 8의 범위 안에 있어야 한다. TS 운영자가 파라미터를 지정하지 않으면 기본값을 쓰고, 지정하면 계통의 동적 진동 특성을 고려해 정한 그 값을 쓴다 6.1.2. 플랜트는 자신의 램프 능력보다 빠르게 출력을 바꿀 것을 요구받지 않지만, 최대 램프율은 기술적으로 가능한 한 빨라야 하고 IBR 소유자는 그 한계를 TS 운영자에게 알려야 한다 6.1.2. RPA에서 측정한 유효전력-주파수 제어기의 폐루프 응답은 표 8을 만족하거나 넘어야 하고, 정상상태 유효전력은 4.4의 허용 오차 안에 있어야 한다 6.1.2.

표 3. PFR 동적 성능 파라미터(IEEE 2800 표 8). 풍력은 회전체 때문에 반응·상승의 최솟값이 더 크다.

응답은 안정적이어야 하고 진동은 감쇠비 0.3 이상으로 감쇠되어야 한다. 안정성이 상승시간과 정정시간보다 우선하므로, 주어진 계통에서 안정 응답에 표 8 상한에 가까운 시간이 필요하다고 입증되면 그쪽이 선호된다 6.1.2. NOTE 1은 동적 특성이 개루프 기준으로 정의되었으며, 계통 관성이 플랜트 정격보다 몇 자릿수 크면 그것이 실효적이라고 설명한다. 각주 72는 섬 계통처럼 관성이 작은 곳에서는 응답이 계통 관성에 따라 달라진다고 덧붙인다. 플랜트는 1차 에너지원이 있는 한 PFR을 유지할 수 있어야 한다 6.1.2.

PFR의 이용 — 언제 응답해야 하고 언제 면제되는가

주파수가 표 7의 데드밴드 밖이지만 연속 운전 영역이나 필수 운전 영역 안에 있는 일시적 외란 동안, 플랜트는 표 6의 공식에 따라 외란 전 수준에서 출력을 조정해야 한다 6.1.3. 그러나 응답 의무에는 조건이 붙는다.

표 4. PFR 응답 의무의 조건(§6.1.3).

태양광이 낼 수 있는 만큼 다 내고 있을 때 저주파 응답을 요구하지 않는 것은 물리적으로 당연하다. 여유를 두고 운전하라는 요구가 있을 때만 그 여유를 유지할 능력이 필요하고, 그 요구 자체는 이용 요구이므로 표준 밖이다. 충전 가능한 하이브리드 저장장치는 TS 측이 동의하면 PFR 제공을 유효전력 0 이상으로 제한할 수 있는데, 각주 73은 그 이유가 일부 관할의 세액공제 조건(재생 자원에서만 충전) 때문이라고 밝힌다. 총 출력은 RPA에서 ICR을 넘어 ISR까지 일시적으로 초과할 수 있고, 각주 74는 PFR이 보통 1분 안에 2차 응답으로 대체되므로 ISR 유효 시간에 가깝게 지속되는 일은 드물다고 설명한다 6.1.3. PFR은 비례 응답이므로 주파수가 데드밴드 안으로 돌아오면 저절로 0이 되고 플랜트는 정상 운전으로 돌아간다. 저장장치는 PFR 중 방전에서 충전으로(또는 반대로) 넘어갈 때의 동적 성능이 표 8 요구를 막아서는 안 된다 6.1.3.

FFR — 관성 응답의 빈자리

FFR 능력의 기본 RPA는 POM이고, 유닛이 직접 제어로 FFR을 작동시키면 POC가 RPA일 수 있다. 플랜트는 저주파 조건에 대한 FFR 능력을 가져야 하며, TS 운영자가 부하균형 주체와 조율해 정한 예외가 있을 수 있다. FFR 능력은 부하균형 주체나 전력시장의 보조서비스 계약에 쓰일 수 있다 6.2.1. 각주 75는 기계적·화학적 제약을 고려해 다른 FFR 능력을 지정할 수 있다고, 각주 76은 고주파 FFR도 합의로 요구할 수 있다고 적는다.

NOTE 2는 배터리가 데드밴드를 넘는 주파수 편차에 1초 안에 지속적이고 완전한 응답을 낼 수 있다면 그것이 FFR이며, 드룹을 1 %(주파수 1 % 변화에 출력 100 % 변화)로 조정할 수 있다고 예시한다. NOTE 3은 풍력이 회전축의 운동 에너지를 일시적으로 꺼내 저주파 사건에만 FFR을 제공할 수 있다고 적고 6.2.3으로 넘긴다.

FFR 성능은 6.2.2가 정한다. FFR 능력의 이용은 기본적으로 활성화되어 있지 않아야 한다 6.2.2. FFR 스텝 응답 시간은 촉발 사건부터 FFR로 인한 유효전력 변화가 목표의 90 %에 도달할 때까지로 정의되고, 촉발 반응시간을 포함해 1초 이하로 조정 가능해야 한다. 응답은 감쇠비 0.3 이상이어야 하며, 안정성이 속도보다 우선한다. 주어진 계통에서 안정 응답에 1초보다 긴 시간이 필요하고 IBR 소유자와 TS 운영자가 합의하면 그것도 FFR로 인정된다 6.2.2. 그 밖의 요구는 다음과 같다.

• FFR은 플랜트가 스스로 자동 작동시키는 자율 기능이어야 하고, 주파수 편차에 대한 빠르고 단기적인 일시 유효전력 응답을 제공해야 한다.
• 촉발 조건은 주파수 편차로 정할 수 있다.
• 플랜트는 에너지 자원이 있는 한, 또는 1차·2차·3차 응답으로 대체될 때까지 가운데 짧은 쪽 동안 FFR을 유지할 수 있어야 한다.
• FFR 작동 중 유효전력은 ICR을 일시적으로 넘을 수 있지만 ISR을 넘어서는 안 된다.
• FFR과 PFR은 서로 독립적으로 작동하고 출력에서 서로를 보완한다. 총 출력 p = min(pavl, ppre + pPFR + pFFR1 + pFFR2 + pFFR3 + pFFR4)이다 6.2.2.

NOTE는 FFR이 아직 발전 중인 기능이므로 이 조항은 FFR1만 의무로 하고, TS 운영자가 다른 변형을 요구할 때 출발점이 될 틀만 제공한다고 밝힌다. FFR2~FFR4의 공식은 부속서 K에 있다.

FFR1 — 주파수 편차에 비례하는 고속 응답

FFR1은 수학적으로 PFR과 같은 비례 응답이며 차이는 더 빠른 응답 시간과 파라미터다(NOTE 4). 풍력에는 적용되지 않는다(NOTE 5). 플랜트는 전압과 주파수가 7.2와 7.3의 범위 안인 정상 운전 영역에서 FFR을 제공할 능력이 있어야 하고, PFR과 같이 Pavl로 운전 중이면 저주파 응답이 요구되지 않으며 출력 제한 운전 중이면 요구된다 6.2.2.1.

표 9의 공식은 pFFR1 = min(pavl, ppre + max(0, (fUF,FFR1 − f)/(fnom × kUF,FFR1)))이다. fUF,FFR1은 FFR1의 저주파 촉발 주파수다. 표 9의 예는 ICR 100 MW, 드룹 1 %(0.006 Hz/MW), 촉발 59.6 Hz, ppre 0.50 p.u., pavl 1.0 p.u.에서 f = 59.5 Hz일 때 0.50 + (59.6 − 59.5)/60/0.01 = 0.667 p.u., 즉 66.7 MW를 준다. 0.1 Hz의 편차에 16.7 MW가 응답하는 셈이며, 같은 편차에 PFR 5 % 드룹은 약 2 MW를 준다.

표 5. FFR1 파라미터(IEEE 2800 표 10). 각주 82는 계통 안정도 확인과 과도한 이득 회피를 다시 요구한다.

다른 변형의 FFR은 TS 운영자가 부하균형 주체와 조율해 지정할 수 있다. 촉발 조건을 ROCOF나 주파수 편차와 ROCOF의 조합으로 둘 수 있고, 동적 성능을 반응시간·응답시간으로 지정할 수 있으며, 파라미터 조정은 진동이나 불필요한 출력 제한을 낳지 않도록 사례별로 연구해야 한다. 특히 계통에 연결된 동기 터빈발전기의 비틀림 진동 모드와의 상호작용에 주의해야 한다. 저장 에너지를 쓰는 플랜트는 다음 FFR을 위해 계통에서 에너지를 되찾는 동작의 성능 기준도 정해야 한다 6.2.2.2. 여유 확보를 포함한 FFR의 이용과 서비스 제공 요건은 표준 밖이다.

풍력 발전기의 FFR — 운동 에너지를 꾸었다 갚기

풍력 기반 플랜트의 FFR은 대형 발전 탈락 뒤 주파수 하락을 제한하기 위한 일시적 출력 증가의 형태를 띤다. 터빈이 서비스에 남아 있는 상태에서 큰 주파수 편차를 다루는 데 쓰여야 한다 6.2.3. 저주파 외란에 대한 요구는 다음과 같다.

• 공칭 주파수(60 Hz 또는 50 Hz) 기준 −0.1 Hz에서 1.0 Hz까지 조정 가능한 주파수 임계 데드밴드를 제공해야 한다.
• 일시 증가량은 서비스 중이며 정격의 25 % 이상으로 운전 중인 터빈들의 정격 합계의 5 % 이상이어야 한다. 표준의 예: 4 MW 터빈 30기 가운데 25기가 1 MW 이상을 내고 있으면 0.05 × 4 × 25 = 5 MW 이상이다. 각주 84는 이 능력이 개별 터빈에 매여 있어 플랜트 전체 출력이 원하는 대로 나오지 않을 수 있다고 적는다.
• 임계값에서 작동하면 바람이 있는 한 RPA에서 고정된 최소량(약 5 %)만큼 출력을 일시 증가시켜야 한다.
• 증가는 증가 시작부터 감소 시작까지 5~10초 지속되어야 하고, 최대 증가에 도달하는 시간은 1.5초 이하여야 한다.
• 에너지 회복 중 출력 감소는 외란 전 출력의 20 % 이하여야 하고, 초기 감소를 줄이려면 회복 기간을 최대한 길게 잡을 것을 권고한다.
• 이전 회복 기간이 끝난 뒤 2분의 지연을 두고 FFR 모드로 반복 작동할 수 있어야 한다.
• 저주파 외란에서 FFR이 작동하면 FFR이 PFR보다 우선하고, PFR은 FFR 지원 뒤 회복 기간이 끝난 시점에 가용 전력이 있으면 작동한다 6.2.3.

풍력의 회복 기간 감소 한도가 중요한 이유는, 억제 구간에서 출력을 올린 대가로 회복 구간에서 출력이 크게 꺼지면 두 번째 주파수 하락을 유발하기 때문이다. 20 % 한도는 그 2차 하락을 막는 장치다. VSC-HVDC로 연결된 풍력 플랜트는 6.2.2.1과 6.2.3 가운데 어느 쪽으로 FFR 성능을 만족해도 된다 6.2.2.

결론 — 응답은 능력으로 요구되고 이용은 계약으로 정해진다

6장이 요구하는 능력은 두 겹이다. PFR은 ICR 기준의 고정 드룹(기본 5 %, 데드밴드 0.036 Hz)과 반응 0.5초·상승 4초·정정 10초의 동적 성능으로, FFR1은 같은 비례 공식에 드룹 1 %와 90 % 도달 1초라는 훨씬 급한 파라미터로 정의된다. 두 응답은 독립적으로 작동해 출력에서 합산된다. 그러나 응답의 의무는 조건부다. 낼 수 있는 만큼 다 내고 있는 플랜트에 저주파 응답을 요구하지 않고, 여유를 두고 운전하라는 요구는 표준 밖의 이용 요구이며, FFR의 이용은 기본적으로 꺼져 있다. 표준은 '할 수 있어야 한다'까지만 정하고 '하라'는 부하균형 주체와 TS 운영자, 그리고 시장에 맡긴다.

이 구조에서 한국의 적용을 생각하면 두 가지가 남는다. 첫째, 드룹과 데드밴드의 기본값은 60 Hz 북미 계통의 관행이므로 한국 계통의 주파수 유지 기준과 맞춰 AGIR가 다시 정해야 한다. 둘째, FFR을 요구하려면 여유 확보의 대가를 누가 치를지 정하는 시장 제도가 먼저 필요하다. 표준은 FFR이 아직 발전 중인 기능이라고 스스로 인정하고 FFR2~FFR4를 부속서 K로 넘겼는데, 그 부속서는 14부에서 다룬다. 5부에서는 4.7의 우선순위에서 6장보다 앞에 놓인 7.2, 전압 라이드스루를 다룬다.