태양광 발전 설비(분산 전원)의 FRT(고장시 운전 지속)

오늘은 태양광 발전설비, 인버터 기반 분산형 전원의 FRT(Fault Ride Through) - 고장시 운전 지속에 대해 포스팅 하려고 한다. 태양광 발전설비가 접속된 계통에서 고장이 발생했을 때, 전압이나 주파수에 대해 유연하기 대처하기 위한 기술임을 알린다.

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FRT, 고장시 운전지속이란?

FRT는 Fault Ride Through의 약어로, 고장시에도 운전을 지속하는 행위를 말한다.

이는 주로, 인버터 기반 분산형 전원(Distributed Generation)이 수행할 수 있으며, 국내에서는 주로 태양광 발전 설비가 해당되는 기능이다.

 

태양광 발전설비와 같은 분산형 전원이 계통에 연계 되었을 때, 계통의 전압과 주파수의 상태나 변화에 따라 어떻게, 언제까지, 협조 운전할지 혹은 운전을 멈추어 탈락시킬 지 대한 기준을 규정한 것이다.

 

 

여기서, 스마트인버터의 기능과 유사하게 접근할 수 있지만, FRT는 계통에 고장이 발생한 상황에서 어떻게 협조할지에 대해서 초점을 맞춘다.

 

스마트인버터 기능에 대한 기본적인 이론과 기능들은 전 글에 포스팅 해두었으니 참고하면, 이 글을 이해하는 데에 도움이 될 것이라 말씀드린다.

 

2023.03.28 - [이력/분산전원 연계 및 운용] - 태양광 발전 제한, 출력 제한, 출력제어의 해법. 스마트인버터 기능

태양광 발전 제한, 출력 제한, 출력제어의 해법. 스마트인버터 기능

 

 

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조금 더 자세히 설명하여보면, 계통의 전압과 주파수가 이상적이지 않은 상황, 즉, 전압과 주파수의 정상 유지 범위가 있는데, 이를 이탈하는 상황이 발생할 수 있다.

이 때, 계통(선로)에 연계된 분산전원(태양광 발전설비)을 즉각 차단(탈락)하는게 아니라, 연계 유지 시간(고장 지속 시간)을 두고, 해당 시간 내 전압/주파수가 일정 범위내로 복구하도록 보조하는 기능을 말하는 것이다.

 

이 때, 전압/주파수가 일정 범위(정상 범위) 내로 복구되었다면, 분산전원을 탈락시키지 않은 상황을 유지 할 수 있는 것이지.

 

FRT는 두 가지로 나뉘는 것을 알아야 한다. 전압의 FRT와 주파수의 FRT이다.

이를 각각 하기와 같이 표현한다

• VRT(Voltage Ride Through)
  - HVRT(Hight Voltage Ride Through)
  - LVRT(Low Voltage Ride Through)
• FRT(Frequency Ride Through)
  - HFRT(High Frequency Ride Through)
  - LFRT(Low Frequency Ride Through)

 

전압에 대한 FRT를, 과전압 FRT와 저전압 FRT로 구분하며,
주파수에대한 FRT를, 과주파수 FRT와 저주파수 FRT로 구분하는 것이다.

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분산전원(인버터기반, 태양광 발전설비 등)이 전압과 주파수에 대해서 보상할 수 있는 것은, 상기 첨부한 링크에서도 확인할 수 있지만, 하기 다른 포스팅에서도 자세히 확인할 수 있으니 참고자료가 되었으면 좋겠다. 태양광 발전 출력으로 인해 공통 접속점 지점이 과전압이 되는 것, 이의 유사 / 반대 원리를 이용하는 것이다.

유효전력 - 주파수의 관계에서도 마찬가지이다.

 

2023.03.13 - [이력/분산전원 연계 및 운용] - 태양광 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승, 역조류), 발전제한 상황(Cultailment)

태양광 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승, 역조류), 발전제한 상황(Cultailment)

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FRT 기준 (규정) 해석 방법

자, FRT가 무엇인지를 설명하였지. 이제 글로벌 국가들의 FRT 규정을 보면서 어떻게 해석해야 하는지 설명하려고 한다.

먼저, 하기 그림은 계통 관련 전공책에서 가져온 그림의 일부이다. (석사과정 때 세미나로 썼던.. 지금은 각국 규정이 달라져 있을 것이니까 참고바란다.)

x축은 고장 지속 시간(Fault Duration[s])이며, y축은 전압레벨(100%가 정격전압)임을 먼저 확인하자.

다음으로, 굵은 실선으로 위에 HVRT의 직선(계단, China)이 보인다.

또한,  0점 부근에서 시작하는 굵은 실선( 0.15, 20에서 올라오는 계단과, 0.6부근에서 대각선으로 올라가는) 선을 확인하자.

Voltage Ride Through 규정

 

 

이 두 개로 설명하려고 한다.

 

먼저, 위의 실선(China)는 HVRT의 중국 기준이다. HVRT를 넘으면, May be disconnected에 해당, HVRT를 넘지않으면 Normal Operation에 해당하여 운전을 지속한다.

세부적으로 말하자면,

1) 0.5초 미만의 그래프에서는, 120%가 넘는, 약 130%의 전압레벨이 Normal Operation에 해당한다.

2) 0.5초 이후의 그래프에서는 120%에 해당하는 값이 정해진다.

 

그럼 몇 초간 지속하며, 고장 상황이 몇초 이상 지속되면 연계를 끊어야 하는가?

1)의 상황으로 말하자면, 130%의 전압이 0.5초간 유지되었을 때는 Normal Operation에 해당하여, 운전을 지속한다.

이 때, 130%의 전압이 0.5초 이상 지속될 경우, 2)의 상황으로, HVRT 기준을 상회(벗어나기)하기 때문에 연계를 탈락시킨다.

그렇다면, 만약 130%를 초과하는 전압 상황이라면? 바로 연계를 끊는 것이다.

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아래의 실선으로 보자. 이는 LVRT의 기준이다. LVRT 기준을 상회하면 운전을 지속하고, 하회하면 운전을 멈추고 연계를 끊는 것이다.

정격전압의 0%의 상황에서는 0.15[s]만 운전을 지속하고, 그 이상의 고장상황이 지속된다면, 운전을 탈락시킨다
만약, 0%의 상황이 0.15[s]가 유지되고, 기타 협조나 요인에 따라 20%가 넘는 전압으로 회복되었다면 운전을 지속할 수 있는 것이다. 이 상태로, 20%가 넘는 전압으로 0.35[s]를 지속할 수 있고, 그 이후 대각선 기울기에 따라, 전압과 고장 지속 시간을 고려하여 운전을 지속할 지, 운전을 그만둘 지를 정하는 것이다.

 

이는 국가별로 VRT,FRT에 대한 규정이 다르니까 참고하도록 하자.

 

정리하자면,

HVRT와 LVRT 기준이 만드는 중간 영역은 운전을 지속하고, HVRT 기준을 넘는 부분에서는 탈락, LVRT 기준을 하회하는 부분에서는 탈락인 것을 기억하자.

 

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국내 적용 현황

 

상기 규정은 한국이 없는 다른 지역의 규정이다.

한국의 규정은 어떠한가?

이는 송배전설비 이용규정을 들여다보면 알 수 있다.

 

한전홈페이지의 송배전용 전기설비 이용규정 - 별표6. 신재생발전기 계통연계기준을 참고하면 될 것이다.

 

계통연계 유지에 대한 사항을 도식과 그래프로 나타내고 있다.

 

한전 규정에 따른 계통연계 유지의 정의는 '풍력, 태양광 및 연료전지 발전기는 계통 고장으로 인한 순시전압 강하시 전력계통의 안정적 복구를 위하여 고장 시와 고장 발생 후 아래의 기준 이상의 연계 운전을 유지할 수 있는 능력을 갖추어야함' 이다.

 

 

그래프를 보라, 위에 설명한 LVRT와 같다.

저전압 상황에 대해, 일정 시간동안 유지하고, 일정 시간내 회복 시 연계 운전을 유지하며, 일정 시간이 지나도 회복이 안된다면, 발전기(태양광, 풍력 등 전원)를 탈락시킨다.

 

한국전력공사의 계통연계유지 규정 그래프

 

다음으로, 무효전류 공급에 대한 도식도 있다. 이는 계통의 전압 지원을 위해 고장 발생 후 3 Cycle 이내에 공급할 수 있는 능력을 규정한다. 무효전류 공급이 저전압 상황에 대해서, 전압 보상에 유리한 것은 전 포스팅에서 설명했으니, 왜 무효전력을 공급해야하는지에 대해 의문을 가지게 되는 사람은, 상기 공유한 두개의 포스팅을 참고하라.

 

하기 도식에 대해 첨언하자면, 연계점 전압(공통 접속점 지점(PCC))이 90[%]가 되었을 때부터 무효전류를 공급하기 시작하여, 연계점 전압이 50[%]까지 떨어졌을 때 무효전류를 100[%]로 출력하는 것을 규정하고 있다.

한국전력공사의 분산전원 무효전류 공급 능력 규정

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주파수 FRT에 대해서는 다루지 않았지만, VRT에 대해 이해하였다면, 주파수 FRT를 이해하는 데에 걸림돌이 없을 것이라 본다.
고장시운전지속(FRT)는 배전계통에 분산전원 연계가 급증하는 미래에, 정말 유용한 기술이 될 것이므로, 알아두면 좋겠다가 아니라, 요즘은 알아두는 것이 필수인 기술이니 참고 바란다.