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 6부이다.
5부의 7.2는 표 넷과 곡선, 전류 주입 규칙까지 열 쪽에 걸쳐 있었다. 7.3은 세 쪽이다. 분량 차이는 문제의 성격 차이다. 전압 외란은 고장점 근처의 국지 현상이고 인버터마다 보는 값이 다르며 주입할 전류의 방향과 크기가 쟁점이 된다. 주파수 외란은 동기 계통 전체가 같은 값을 보는 광역 현상이고, IBR이 할 일은 떨어지지 않고 6장의 응답을 제공하는 것으로 정리된다. 그래서 7.3의 요구는 한 장의 그림(Figure 12)과 한 개의 표(표 15), 그리고 ROCOF와 위상각이라는 두 개의 추가 조건으로 끝난다.
이 글의 논지는 다음과 같다. 7.3은 '어느 주파수를 얼마나 견디는가'보다 '견디는 동안 무엇을 하는가'에 무게를 둔 조항이며, 동기 유지·전류 교환 지속·주파수 응답 제공이라는 세 의무가 그 내용이다. 여기에 5장·6장·7장이 공통으로 요구하는 감쇠비 0.3의 계산법(부속서 L)과, 7.2.2.4의 예외를 낳은 VSC-HVDC의 물리적 제약(부속서 M)을 함께 다룬다.
주파수 외란 라이드스루의 기본 RPA는 POM이다. 주파수는 4.4에 따라 기본파 성분에 대해 적절한 필터링을 거쳐 정확히 계산되어야 하며, 제어나 보호 기능은 그 값으로 실행한다 7.3.2.1. 이 조항의 성능 요구는 전압이 7.2.2의 연속 운전 영역이나 필수 운전 영역 안에 있을 때 적용되고, 7.3.2.3.2와 7.3.2.3.4의 PFR 성능 요구는 예외다 7.3.2.1. 각주 111은 이 조건의 뜻을 설명한다. 고장 중에는 주파수를 계산하지도 트립 판정에 쓰지도 말아야 하며, 다른 설비의 저주파 계전기처럼 전압 강하 중에는 주파수 트립을 비활성화하는 것이 통상적 관행이다. 각주 112는 전압 외란 중 주파수 변동이 생길 수 있고 그 반대도 그렇다고 덧붙인다.
플랜트는 이 조항의 능력을 제공하도록 설계되어야 하고, 라이드스루 영역 안의 주파수 외란이 원인이 된 유닛 자체 보호 트립은 표준 불이행이다. 예외는 7.2와 같다. 플랜트 내부, 타이라인, 유일한 연결 경로인 TS 구간의 고장을 제거하기 위한 트립은 제외된다 7.3.2.1. 최소 능력은 Figure 12의 연속 운전 영역과 필수 운전 영역 이상이어야 하고, TS 소유자는 더 넓은 능력을 요구할 수 있다.
| 주파수 | 공칭 대비 | 60 Hz 계통 | 50 Hz 계통 | 최소 시간(설계 기준) | 운전 |
|---|---|---|---|---|---|
| f1 | +3 % | 61.8 Hz | 51.5 Hz | 299.0 s (t1) | 필수 운전 |
| f2 | +2 % | 61.2 Hz | 51.0 Hz | 무한 | 연속 운전 |
| f3 | −2 % | 58.8 Hz | 49.0 Hz | 무한 | 연속 운전 |
| f4 | −5 % | 57.0 Hz | 47.5 Hz | 299.0 s (t1) | 필수 운전 |
표 1. 주파수 라이드스루 능력(IEEE 2800 표 15). 표준은 백분율만 주고 Hz 값은 계산해 적었다.
−5 %와 +3 %의 비대칭은 발전 탈락(저주파)이 부하 탈락(고주파)보다 흔하고 심하다는 계통 운영의 경험을 반영한다. 299초라는 값은 10분 창 안에서 5분 남짓을 견디라는 뜻이며, 북미 NERC PRC-024의 발전기 주파수 보호 설정 곡선과 맞춘 값이다.
적용 주파수가 연속 운전 영역 안이면 플랜트는 ICR 안에서, 그리고 유닛·보충 장치·변압기의 볼트/헤르츠 능력 한계 안에서 TS와 유효·무효전력을 교환해야 하고, 해당하면 PFR과 FFR 제어 요구에 따라 운전해야 한다 7.3.2.2. 각주 113은 그 능력 한계를 정하는 표준으로 IEEE C50.12, C50.13, C57.12, IEC 60034-3을 든다.
저주파 필수 운전 영역(f3 미만, f4 이상)에서 f3 아래 누적 시간이 10분 창 안 299초 미만이고 V/Hz 능력 안이면, 플랜트는 라이드스루하고 다음 능력을 가져야 한다. TS와의 동기 유지, 6.1 또는 6.2의 요구 충족 또는 외란 전 유효전력 유지 또는 TS 소유자가 요구하는 유효전력 유지, 그리고 무효전력 출력 유지다 7.3.2.3.1. 성능으로는 동기를 유지하고, 전류 교환을 계속하며 보호 기능을 시작하지 않고(양의 감쇠 진동은 허용), 해당하면 6.1이나 6.2에 따라 유효전력을 조절해 저주파를 완화해야 한다 7.3.2.3.2. 각주 115는 주파수 응답 예비력의 사전 출력 제한이 계약 사항이며, 표준의 의도는 예비력이 있을 때 응답할 제어 능력을 갖추는 것뿐이라고 다시 밝힌다. 주파수가 f4 미만이면 유닛과 플랜트는 자체 보호를 하거나 라이드스루할 수 있다.
고주파 필수 운전 영역(f2 초과, f1 이하)의 요구는 대칭이다. f2 위 누적 299초 미만이면 동기 유지, 6.1의 요구 충족 또는 외란 전 출력 유지 또는 TS 소유자 요구 출력 유지, 무효전력 유지 능력이 필요하고 7.3.2.3.3, 성능으로 동기 유지, 전류 교환 지속과 보호 미작동, 6.1 또는 6.2에 따른 유효전력 조절이 요구된다 7.3.2.3.4. 고주파 능력 조항에 6.2가 빠진 것은 FFR이 기본적으로 저주파용이기 때문이다. f1 초과에서는 자체 보호가 허용된다.
| 의무 | 연속 운전 영역(f2~f3) | 필수 운전 영역(f1~f2, f3~f4) | 영역 밖(f1 초과, f4 미만) |
|---|---|---|---|
| 계통 연결 | 유지 | 유지, 보호 기능 시작 금지 | 자체 보호 가능 |
| 동기 | — | 유지 | — |
| 유효전력 | ICR 안에서 교환, PFR·FFR 운전 | PFR·FFR 응답 또는 외란 전 출력 유지 | — |
| 무효전력 | 교환(5장) | 출력 유지(V/Hz 안에서 조정 가능) | — |
| 전류 진동 | — | 양의 감쇠이면 허용 | — |
표 2. 주파수 영역별 의무(§7.3.2.2~7.3.2.3.4).
필수 운전 영역과 연속 운전 영역 안에서 플랜트는 주파수 변화율의 절대값이 5.0 Hz/s 이하인 주파수 편위에 대해 트립하지 않고 라이드스루해야 한다. ROCOF는 4.3에 따라 0.1초 이상의 평균화 창에서 구한 평균 변화율이며, TS 운영자와 IBR 운영자가 합의하면 더 높은 ROCOF에 대한 라이드스루를 요구할 수 있다 7.3.2.3.5.
위상각 급변도 다룬다. 플랜트는 서브사이클에서 1사이클 사이의 시간 안에 일어나는 적용 전압의 정상분 위상각 변화가 25 전기각도 이하이면 라이드스루해야 한다 7.3.2.4. 각주 116은 이런 급변이 보통 선로 개폐나 부하 차단에서 생기고 사건 전후의 조류에 따라 달라진다고 설명한다. 불평형 고장의 발생과 제거로 개별 상의 위상각이 바뀌어도, 정상분 각도 변화가 이 기준을 넘지 않으면 운전을 유지해야 한다. 외란 후 기간의 양의 감쇠 전류 진동은 허용되지만, 외란 후 기간의 전류 차단은 허용되지 않는다 7.3.2.4. 위상고정루프(PLL)가 갑작스러운 위상 변화를 고장으로 오인해 전류를 끊는 사고를 막기 위한 조항이다.
트립 뒤 서비스 복귀 기준은 4.10.2를 따른다 7.4. 2부에서 본 대로 전압·주파수가 표 3의 창 안에 있고 허가 서비스가 '사용'일 때만 진입할 수 있으며, TS 운영자가 지시하면 그 제한이 풀린다.
5.2.2의 전압 제어, 5.2.3·5.2.4의 역률·무효전력 제어, 6.1.2의 PFR, 6.2.2의 FFR은 모두 응답의 감쇠비가 0.3 이상이어야 한다고 요구하고, 각주에서 부속서 L을 가리킨다. 부속서 L은 감쇠비를 '외란 뒤 응답의 진동이 시간에 따라 얼마나 줄어드는지를 나타내는 무차원 값'으로 설명한다. 실제 감쇠를 임계 감쇠로 나눈 비율이며, 0이면 진동이 계속되고, 1 미만이면 진동하되 줄어들고, 1이면 오버슈트도 진동도 없고, 1을 넘으면 그보다 느리다 L. 이 개념은 이상적 2차 선형계에 적용되지만, 플랜트 전압 제어 같은 실제 폐루프 제어계에서도 한계에 걸리지 않는 1~5 %의 작은 기준값 스텝 시험을 하면 측정 응답에서 쉽게 계산할 수 있다.
부속서의 예는 POM 전압을 제어하는 플랜트 수준 폐루프에 1 % 기준값 스텝을 넣은 세 응답이다. 초기 이득의 응답은 임계 감쇠 이상이어서 ζ ≥ 1이고 기준을 만족한다. 2배 이득의 응답은 오버슈트로 계산한다. 최대값 1.022, 시작값 1.01, 최종값 1.02이면 오버슈트 O = (1.022 − 1.02)/(1.02 − 1.01) = 0.2이고, ζ = −ln O / √(π² + ln² O) = 0.46이다. 4배 이득의 응답은 진동하므로 대수 감쇠율로 계산한다. 첫 봉우리 Y0 = 1.0266 − 1.02 = 0.0066, 다음 봉우리 Y1 = 1.0223 − 1.02 = 0.0023이면 δ = ln(Y0/Y1) = 1.0542, ζ = 1/√(1 + (2π/δ)²) = 0.166이다. 이 값은 0.3 기준에 미달한다 L.
이 절차의 실무적 의미는, 감쇠비 요구가 시뮬레이션이나 시운전에서 스텝 시험 한 번으로 판정 가능한 정량 기준이라는 데 있다. 오버슈트가 있으면 첫 공식, 진동이 이어지면 두 번째 공식을 쓴다. 두 공식 모두 감쇠비 0.3에서 오버슈트 약 37 %, 봉우리 간 비율 약 7배에 해당한다.
5부에서 본 7.2.2.4는 VSC-HVDC로 연결된 격리 IBR의 연속 전압 편차 라이드스루가 직류 초퍼의 에너지 흡수 능력에 제한될 수 있다고 인정하고 부속서 M을 가리킨다. 부속서 M은 그 이유를 설명한다. VSC-HVDC는 교류 연결이 손실이나 무효전력 보상 때문에 비경제적이거나 기술적으로 어려운 원거리 풍력(해상풍력)을 잇는 데 쓰인다. 여러 격리 풍력 플랜트가 교류 케이블과 변압기로 해상 AC-DC 변환소에 모이고, HVDC 선로가 육상 DC-AC 변환소로 이어지며, 육상 변환소에는 직류 초퍼가 있고 그 교류 측이 7.2.2.4의 기본 RPA(POM)다 M.
해상 변환소는 해상 교류망의 전압과 주파수를 제어하고 풍력이 만든 에너지를 HVDC로 보낸다. 해상 변환소와 터빈 사이에는 보통 직접 통신이 없다. HVDC는 두 교류망을 격리하므로 육상 고장은 해상 교류망의 전압·주파수에 영향을 주지 않는다. 육상 고장 중에는 POM 전압에 따라 육상 변환소의 유효전력 주입이 줄거나 끊기고, 무효전류 우선 모드 요구 때문에 POM에서 먼 고장에서도 유효전력이 크게 줄거나 끊긴다. 해상에서는 계속 발전하므로 직류 전압이 오르고 직류 설비가 손상될 수 있다 M.
대안은 둘이다. 하나는 터빈 출력을 줄여 직류로 들어오는 에너지를 줄이는 것인데, 통신이 없으면 불가능하고 있어도 지연 때문에 제때 줄이지 못할 수 있다. 다른 하나는 육상 변환소의 직류 초퍼로 잉여 에너지를 흡수하는 방법이다. 초퍼의 흡수 능력은 열 설계로 제한되고, 한 번 동작하면 다시 동작하기 전에 식어야 한다. 통상 ICR을 2초 흡수하도록 설계되며, 그래서 7.2.2.4의 연속 편차 요구를 만족하지 못할 수 있다. IV형 풍력 터빈에도 중전압 직류 초퍼가 있지만 HVDC용 고전압 초퍼는 흡수 능력에 따라 비용과 크기가 커진다. 유럽의 접속 규정(ECC)과 독일 VDE-AR-N 4131은 초퍼의 열 설계를 고려한 연속 편차 라이드스루의 제한을 허용한다 M. 해상 교류망의 전압·주파수를 바꿔 터빈 출력을 줄이는 방법과 터빈까지의 통신은 개발 중이지만 표준 작성 시점에 성숙하지 않았으므로, 표준은 초퍼의 열 설계와 흡수 능력에 근거한 예외를 허용한다.
7.3이 정하는 주파수 범위는 단순하다. ±2 %는 무한히, +3 %와 −5 %는 10분 창에서 299초를 견딘다. 표준의 무게는 그 범위 안에서 요구되는 행동에 있다. 동기를 유지하고, 전류 교환을 계속하며 보호 기능을 시작하지 않고, 6장의 PFR·FFR로 주파수를 완화하며, V/Hz 한계 안에서 무효전력을 유지한다. 여기에 두 조건이 더해진다. 0.1초 평균 ROCOF 5 Hz/s 이하와 1사이클 안 25도 이하의 위상각 급변에서는 트립이 금지되고, 위상각 급변 뒤에는 전류 차단도 금지된다. 각주 111이 밝힌 원칙, 즉 고장 중에는 주파수를 재지 않는다는 원칙이 7.2와 7.3을 잇는다.
감쇠비 0.3은 5장·6장·7장의 응답 요구에 공통으로 붙는 기준인데, 부속서 L 덕분에 그것이 스텝 시험 한 번으로 판정되는 숫자가 된다. 부속서 M은 반대 방향의 사례다. 표준이 요구를 완화한 자리에는 직류 초퍼의 열 한계라는 물리적 이유가 있고, 그 완화는 통신과 제어가 성숙하면 좁혀질 자리로 남아 있다. 7부에서는 8장, 전력품질 요구와 부속서 E의 고조파 권고를 다룬다.