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 7부이다.
전력품질은 전압 파형이 얼마나 깨끗한 정현파에 가까운가의 문제다. 급격한 전압 변동, 조명이 깜빡이는 플리커, 기본파 이외 주파수 성분인 고조파, 그리고 과전압이 그 지표다. 동기발전기는 회전 자계가 만드는 정현파를 내지만, 인버터는 반도체 스위칭으로 정현파를 합성하므로 스위칭 주파수와 그 배수의 고조파를 낸다. 그래서 IEEE 2800-2022 8장은 IBR 플랜트가 계통에 남기는 왜곡의 상한을 정한다. 이 글의 논지는 다음과 같다. 8장의 요구는 전류 한도로 쓰여 있지만 실제로 계통이 걱정하는 것은 전압 왜곡이며, 인버터의 고조파 전류는 계통 임피던스와의 상호작용으로 정해지기 때문에, 표준은 전류 한도를 정하되 전압 한도는 TS 소유자에게 넘기고 부속서 E에서 그 방법을 권고하는 절충을 택했다.
플랜트는 RPA에 허용할 수 없는 급속 전압 변동(RVC)이나 플리커를 만들어서는 안 되며, 이 조항의 기본 RPA는 POM이다 8.1.1. 8.1.2의 NOTE는 구름 그림자나 풍속 변화로 생기는 느린 전압 변동은 이 조항의 대상이 아니라고 밝힌다.
잦은 RVC는 RPA에서 공칭전압의 2.5 %를 넘어서는 안 되고, 판정 방법은 IEC 61000-4-30:2015/AMD1:2021 이후 판을 따른다. 예외는 TS 안의 다른 RVC 원인을 고려해 TS 소유자가 승인해야 한다. 이 한도는 변압기의 잦은 여자, 커패시터의 잦은 스위칭, 플랜트 오동작에 따른 급격한 출력 변화에 적용되고, 시운전·고장 복구·정비에 관련된 개폐, 계획되지 않은 트립, 변압기 여자 같은 드문 사건에는 적용되지 않는다 8.1.2.1.
드문 사건에 대해서는 Figure 13이 한도를 준다. RPA에서 측정한 최저 전압은 초기 전압의 0.88배 이상이어야 하고, 4사이클 뒤에는 0.9배 이상이어야 한다. 초기 RMS 전압 V0와 최종 RMS 전압 VF는 허용 공칭전압 범위 안에 있어야 하며, 사건 중 RPA 전압의 특성은 t0에서 t = 2 s까지 이어지는 선이 나타내는 p.u. 값 이상이어야 한다 8.1.2.2.
플랜트의 플리커 기여(방출값)는 RPA에서 표 16의 한도와 IEC TR 61000-3-7 9절의 절차로 정한 개별 방출 한도 가운데 큰 쪽을 넘어서는 안 된다. 예외는 TS 안의 다른 플리커 원인을 고려해 TS 소유자가 수락하면 허용될 수 있다 8.1.3. 각주 117의 예: IEC 절차로 정한 방출 한도가 0.25이면 표 16의 0.35를 지정해야 한다. 즉 표 16은 하한이다.
| 지표 | 한도 | 평가 시간 | 뜻 |
|---|---|---|---|
| EPst (단기 플리커 심각도 Pst의 방출 한도) | 0.35 | 600 s (달리 정하지 않으면) | 10분 동안의 전압 변동이 사람 눈에 주는 자극을 IEC 61000-4-15 플리커미터로 잰 값. 1.0이 절반의 사람이 불쾌를 느끼는 수준 |
| EPlt (장기 플리커 심각도 Plt의 방출 한도) | 0.25 | 2 h (달리 정하지 않으면) | 연속한 12개 Pst의 세제곱 평균의 세제곱근, Plt = ∛(Σ Pst³ / 12) |
표 1. 플리커 방출 한도(IEEE 2800 표 16). 1주일 측정 기간의 95 백분위 값이 한도를 넘지 않아야 한다(주석 a).
평가와 측정 방법은 IEEE 1453의 6.3과 IEC TR 61000-3-7의 6.3을 따르고, 유닛 이외의 설비(보충 IBR 장치)로 플리커를 완화할 수 있으며, 요구는 전압 레벨과 무관하게 RPA에서 만족해야 한다 8.1.3. 플리커는 조명이 있는 배전 수용가에서 체감되는 현상인데 송전 접속점에서 한도를 두는 이유는, 송전 전압의 변동이 변압기를 거쳐 그대로 배전으로 전달되기 때문이다.
8.2의 기본 RPA는 POM이다. 접속 전에 TS 소유자와 IBR 소유자는 나중 비교를 위해 RPA의 계통 전압 고조파 기준선 작성을 조율해야 한다. 측정 방법은 IEC 61000-4-7 Class I과 IEC 61000-4-30 Class A를, 고조파·간고조파 값의 통계 처리는 IEEE 519를 따른다. 고조파 측정과 한도 적합은 시운전 시점에 적용되고, 시운전 뒤의 적용 여부는 1.4의 일반 조건 아래 TS 소유자의 요구에 달려 있다 8.2. 8.2.1의 전류 한도는 접속 전 계통 전압 고조파가 IEEE 519 한도 아래일 때만 적용되며, IEEE 519의 전압 한도는 합의하지 않는 한 플랜트에 적용되지 않는다. TS 소유자는 기존 계통의 고조파 전압 왜곡을 이유로 접속을 거부해서는 안 된다는 권고가 붙는다 8.2.
| RPA 선간전압 | h < 11 | 11 ≤ h < 17 | 17 ≤ h ≤ 50 | TRD |
|---|---|---|---|---|
| 69 kV 이하 | 4.0 % | 2.0 % | 1.5 % | 5.0 % |
| 69.001~161 kV | 2.0 % | 1.0 % | 1.0 % | 2.50 % |
| 161 kV 초과 | 1.5 % | 1.0 % | 1.0 % | 2.0 % |
표 2. 최대 전류 왜곡, 정격 전류 Irated 대비(IEEE 2800 표 17). 각주 122는 장래 개정에서 단락비 같은 계통 특성으로도 차등화할 수 있다고 적는다.
2·4·6차 짝수 고조파는 표 17과 표 18(각각 1.0 %, 2.0 %, 3.0 %) 가운데 작은 값이 한도이며, 표 18의 값은 IEEE 1547-2018과 같다. 개별 고조파 h ± 5 Hz 안의 합산 고조파 전류는 표 17의 h 한도로, h + 5 Hz와 (h+1) − 5 Hz 사이의 합산 간고조파 전류는 h와 h+1 한도 가운데 작은 값으로 제한된다 8.2.1. 전류 한도는 절대값이며 계통 쪽 고조파원에 따른 전류와 플랜트가 만드는 전류를 모두 포함한다. 플랜트가 능동 필터로 쓰이거나 수동 필터가 있거나 RPA의 고조파 전압이 TS 소유자의 한도를 넘지 않는 경우에는 합의로 한도 초과가 허용된다 8.2.1.
한도가 적용되지 않는 경우와 완화되는 경우가 있다. 플랜트의 고조파 전류가 주간 95 백분위의 단시간 측정에서 RPA의 해당 차수 고조파 전압을 높이지 않으면 개별 고조파 전류 한도의 대상이 아니다 8.2.1. 각주 124·125는 분로 필터가 계통의 외부 왜곡을 플랜트로 끌어들여 전류는 늘리지만 POM의 전압 왜곡은 줄이는 경우, 그리고 플랜트가 제어된 고조파 전류를 주입해 계통 전압 왜곡을 완화하는 경우를 예로 든다. 전류 한도는 RPA의 기본파 역상 전압이 공칭의 2 % 미만일 때만 적용되고, 2 %를 넘으면 초과 1 %마다 한도가 100 %씩 비례해 늘어난다. 각주 126의 예: 161 kV 초과, h < 11의 한도 1.5 %는 불평형 3 %에서 1.5 × [1 + (3 − 2)] = 3 %가 된다 8.2.1. 역상 전압이 있으면 인버터가 그 보상에 전류를 쓰면서 저차 고조파가 늘기 때문이다. 합의하에 한도 집행은 전류 변환기와 계기의 달성 가능한 정확도를 고려해야 하고, 1주일 측정의 95 백분위 값으로 판정하며, 보충 IBR 장치로 완화할 수 있다.
이 표준은 고조파 전압 왜곡 한도값을 정하지 않는다 8.2.2. 각주 127은 표준 개발 시점에 업계가 합의한 고조파 전압 한도가 없었고 장래 개정에서 정할 것을 권고한다고 밝힌다. 대신 TS 소유자가 1.4의 조건 아래 RPA의 전압 고조파 한도를 지정할 것을 권고한다. TS 소유자가 한도를 지정하면 플랜트는 합의로 8.2.1의 개별 전류 한도에서 벗어날 수 있고, IBR 소유자는 전압 한도를 맞추기 위한 구제 조치를 TS 소유자와 조율할 것을 권고받는다 8.2.2. 방법은 부속서 E에 있다.
부속서 E는 왜 전압 한도를 일률로 정하기 어려운지 설명한다. 전압원 변환기(VSC)의 스위칭은 넓은 대역의 고조파를 내고, 크기는 사이리스터 기반 선로 전류형 변환기(LCC)보다 작지만 스펙트럼은 더 높은 주파수까지 뻗는다. 모듈러 다단 변환기(MMC) 같은 새 토폴로지는 방출이 작아 필터가 필요 없을 수 있고, 그 경우 기존 고조파의 증폭이 지배적이 된다 E.1. RPA의 고조파 전압은 유닛뿐 아니라 플랜트 나머지 설비의 임피던스, POI에서 본 계통의 고조파 구동점 임피던스, 계통의 배경 왜곡의 함수다. 그래서 평가에는 계통 임피던스 ZNet, 배경 고조파 VNet, 플랜트 임피던스 ZPlant, 변환기 고조파 VConv의 네 정보가 필요하다.
부속서는 실무 지침을 덧붙인다. VSC는 약 8차까지의 저차 고조파를 보상할 수 있다. 계통 고조파 임피던스는 계절·부하·발전 시나리오를 덮는 포락선으로 주는 것이 좋고, 50차 위는 구하기 어려워 50차 값을 그대로 쓰는 경우가 많다. 배경 고조파는 장기 측정이나 계획 수준으로 정하되 TS 소유자가 정하며, 불확실성 때문에 여유를 두는 것이 좋지만 최악 임피던스와 최악 배경 왜곡을 조합하면 비현실적으로 엄격해져 불필요한 필터를 낳을 수 있다. 변환기 임피던스와 고조파는 제조사가 제공하거나 플랜트 단위로 합산해야 하며, 제조사가 경쟁사에 값을 주지 않으려 하면 제3자가 합산해야 할 수 있다 E.1.
가장 중요한 지적은 IEEE 519의 전제를 다룬다. IEEE 519는 왜곡원을 이상적 전류원으로 보는 구조이며, 그 표준이 만들어질 때의 지배적 고조파원이던 선로 전류형 변환기는 실제로 그렇게 행동한다. 그러나 VSC는 복소 임피던스 뒤의 전압원이어서, 강한 전원에 대해 시험한 인버터가 실제 계통에서 직렬·병렬 공진을 만나면 고조파 전류가 훨씬 커진다. 고조파 전류의 해로운 영향(과열)은 RPA의 전류량보다 전압 왜곡 수준이 더 잘 나타내며, 계통 안의 공진은 RPA 전류보다 훨씬 큰 전류를 먼 변압기에 흘릴 수 있다 E.1. 이것이 8.2.1의 전류 한도가 전압 왜곡을 높이지 않는 경우 면제되는 이유이고, 표준이 전압 한도를 더 본질적인 지표로 보는 이유다.
E.2는 TS 소유자가 두 종류의 한도를 두라고 권고한다. 첫째, 플랜트와 계통의 상호작용에 따른 증폭계수(AF) 한도다. AFLim(f) ≥ |ZPlant(f) / (ZPlant(f) + ZNet(f))|이며, NOTE는 저차 고조파가 이미 높은 계통이 많으므로 1~1.5 사이의 한도를 고려할 수 있고 차수에 따라 완화할 수 있다고 적는다. 둘째, 배경 고조파 없이 계산한 플랜트의 RPA 고조파 방출 수준의 한도다. 두 한도의 차수별 값은 TS 소유자가 자기 계통의 특성과 배경 고조파 수준에 근거해 공평하게 정한다 E.2.
E.3은 검증을 다룬다. 현장 측정으로 검증하되 계통 구성과 배경 고조파가 바뀌므로 일정 기간 측정이 필요하고, 위반이 나면 배경 고조파와 계통 임피던스가 지정된 범위 안이었는지 확인해야 한다. 변환기 운전 중과 분리 직후를 비교하는 흔한 방법은 제한된 조합만 다룬다. 표준은 플랜트가 접속되어 있는 동안 계속 적용되지만, 먼 곳의 커패시터 뱅크나 발전소의 상태 변화만으로도 계통 고조파 임피던스가 크게 바뀌므로 플랜트 소유자가 수명 기간의 전압·전류 고조파를 단독으로 책임지는 것은 합리적이지 않다. 초기 평가는 다섯 단계의 연구로 한다. RPA에서 상당한 거리까지 계통을 모델링해 R-X 평면의 고조파 임피던스 범위를 정하고, 배경 전압 고조파를 정하며, 제조사가 차수별 테브난 모델(제어의 영향이 크고 운전점에 따라 변함)을 정하고, 케이블·필터 등 플랜트 나머지를 모델링하며, 운전 조건과 설비 상태의 범위에서 해석한다. 상업 운전 뒤 IBR 소유자의 책임은 플랜트의 고조파 특성을 초기 연구가 고려한 범위 안에 유지하는 것으로 한정되고, 그 밖의 변화는 계통 원인으로 본다. 계통 운영자는 연구의 가정을 확인하기 위한 현장 시험을 요구할 수 있다 E.3.
과전압 기여 요구의 기본 RPA는 POM이고, 8.3.1과 8.3.2의 곡선은 보호 동작이나 제어 동작을 뜻하지 않으며 설계로 확립되는 성능 기준이다 8.3. 각주 130과 133은 이 요구를 인버터 설계로 만족해야 하며 제어 동작으로 대신할 수 없다고 거듭 밝힌다. 7.2.3의 과도과전압 라이드스루가 계통이 만든 과전압을 견디라는 요구였다면, 8.3은 플랜트 자신이 과전압을 만들지 말라는 요구다.
플랜트는 RPA 적용 전압의 순시 크기가 표 14의 최대 크기와 누적 시간을 넘게 해서는 안 된다. 누적 시간은 1분 창에서 순시 전압이 각 문턱을 넘는 시간의 합이고 창이 지나면 초기화된다. IBR이 TS에서 분리된 상황에는 적용되지 않는다 8.3.1. 각주 132는 문턱 초과의 누적이 여러 기본파 사이클에 걸쳐 일어날 수 있다고 적는다.
순시 한도에 더해, 플랜트는 RPA 적용 전압의 RMS 크기가 Figure 14의 최대 크기와 1분 창 누적 시간을 넘게 해서는 안 된다. RMS는 기본파 한 주기 길이의 이동 창으로 계산한다 8.3.2. Figure 14의 NOTE는 70사이클 이상의 누적에서 1.1 p.u.를 넘지 않아야 한다고 명시한다. 이 요구가 겨냥하는 것은 부하 차단 뒤 인버터가 전압을 올리는 경우, 또는 고장 제거 직후 인버터 제어가 과도하게 무효전력을 주입하는 경우다.
8장의 요구를 지표별로 정리하면 이렇다. 잦은 RVC는 2.5 %, 드문 RVC는 0.88배와 4사이클 뒤 0.90배, 플리커는 Pst 0.35와 Plt 0.25의 주간 95 백분위, 고조파 전류는 접속 전압에 따라 개별 1.0~4.0 %와 TRD 2.0~5.0 %, 과전압 기여는 순시로 표 14, RMS로 Figure 14다. 그러나 고조파 전류 한도에는 조건이 셋 붙는다. 접속 전 계통 전압 고조파가 IEEE 519 아래일 때만 적용되고, 플랜트 전류가 RPA 전압 왜곡을 높이지 않으면 면제되며, 역상 전압 2 % 초과분만큼 비례해 완화된다. 세 조건 모두 같은 방향을 가리킨다. 계통이 지키려는 것은 전압 왜곡이고 전류 한도는 그 대리 지표다.
표준이 전압 한도의 값을 비워 두고 부속서 E로 방법만 준 것은, VSC가 전류원이 아니라 임피던스 뒤의 전압원이어서 고조파가 계통 임피던스와의 공진으로 정해진다는 물리적 사실 때문이다. 그 자리를 채우는 것은 TS 소유자의 계통 고조파 임피던스 자료와 배경 고조파 측정이다. 한국에서 이 조항을 쓰려면 송전계통의 차수별 고조파 임피던스 포락선을 먼저 마련해야 한다는 뜻이다. 8부에서는 9장 보호와 부속서 F를 다룬다.