전력시스템 운용 이란 무엇인가? ＜6＞

[秦始皇帝[申鉉澤]]

- 조속기의 작용은 주파수 회복에 부분적으로 도움을 줄 뿐이다.
- 추가적으로 EMS의 자동출력제어(AGC)가 도와주어야 한다.
- 규정주파수로 회복하기 위해서는 AGC가 각 발전기의 출력기준점을 변경시켜 주어야 한다.
- 순동예비력 가운데 약 10% 정도만이 조속기의 주파수회복에 응동한다.

김영창 교수

조속기의 소개
조속기는 발전기의 회전속도를 검출하고, 규정주파수로 회복하기 위해 터빈의 제어밸브를 조정하는 기능을 한다. 17세기 크리스챤 호이겐스가 조속기를 발명하였으며 1788년 제임스 왓트는 이것을 개량하여  증기기관에 사용하였다. 초기에 사용된 메커니즘은 회전속도를 감지하고 속도변동에 응하여 기계적 작용을 일으키기 위하여 회전구(flyball)를 사용하였으며 현대식 조속기는 회전속도를 감지하기 위하여 전자장치를 사용하기도 하고 필요한 만큼 제어밸브를 조정하기 위하여 전자식, 기계식 그리고 유압식을 조합한 장치를 사용한다. 조속기에는 등속조속기(isochronous governor)와 드룹조속기(droop governor)가 있다. 회전속도 검출 메커니즘의 출력을 직결막대를 통하여 단순하게 연결하면 조속기는 주파수를 규정치로 회복할 수 없다는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 전력시스템에 여러 개의 발전기가 운전하고 있는 경우에는 드룹조속기(droop governor)를 사용한다. 실제로 전력시스템에서 주파수를 유지하는 두 개의 기둥은 회전구의 작용과 출력기준점의 사용이다. 여기에서는 전력시스템 내에서 조속기의 출력기준점, 드룹곡선, 드룹조속기를 사용하는 이유, 주파수제어(일차제어) 그리고 AGC의 역할에 대하여 설명한다. 먼저 조속기 제어시스템에 대하여 알아보기로 한다.

기계식 원심구 조속기
그림 12와 같은 조속기는 속도변환기(speed governor)의 회전구를 이용하는 구조로 되어 있고 회전구는 터빈-발전기의 축의 회전에 의해 기계식 기어로 구동되거나 전기적으로 구동된다. 터빈의 회전속도가 변동하면 회전구가 벌어지거나 좁혀지며 연결막대(linkage arm) 1~4를 아래위로 움직이게 하고 이 작용이 파일롯트 밸브에 전달되며 이것의 위치가 바뀌면 고압오일이 저장탱크에서 나오든가 들어가도록 한다. 유압증폭기(hydraulic amplifier)는 여러 단계로 유압을 증폭하여 터빈 제어밸브를 움직일 수 있는 힘으로 변환시킨다. 왜냐 하면 제어밸브를 움직이는 데에는 대단히 큰 힘이 필요하기 때문이다. 출력기준점 지정장치(speed changer)는 서보모터(servomotor)에 의해 급전센터의 EMS의 AGC가 원격으로 보내는 출력기준점 조정신호에 따라서 조정되거나 현장에서 수동으로 조정될 수 있으며 터빈 제어밸브의 위치를 조속기의 출력기준점의 출력을 낼 수 있는 위치에 놓는 역할을 한다. 발전기에 따라 조속기의 출력기준점은 AGC에 의하여 4초마다 또는 5분마다 지정된다.

그림 12  조속기의 구조

등속(수평선)조속기 제어
주파수변동에 대한 조속기응동의 형태는 그림 13과 같이 오른쪽으로 기울어지는 하나의 곡선으로 나타낼 수 있다. 모든 조속기 제어시스템은 이러한 곡선을 갖고 있으며 이것을 조속기 특성곡선 또는 ‘드룹(droop) 특성곡선’이라고 한다. 미국의 과학자 윌리엄 깁슨은 1872 제임스 왓트의 회전구 조속기를 이론적으로 분석한 후 드룹조속기를 만들었다. 등속조속기의 드룹 특성곡선은 그림 13과 같이 출력에 따라서 오른 쪽으로 하강하는 것이 아니고 수평인 것을 말한다. 만약 주파수가 변동하면 등속조속기는 주파수가 60 Hz으로 회복할 때까지 발전기출력을 조정하려고 할 것이며 가능한 모든 방법을 사용해 주파수를 60 Hz로 유지하려고 한다. 이론적으로 주파수의 변동에 따라 발전기는 0 MW에서 최대출력까지 출력을 변동시킬 수 있다. 만약 주파수가 60 Hz 아래로 떨어지면 이 발전기는 주파수를 60 Hz로 회복하기 위해 발전기 출력을 증가하는 방향으로 제어할 것이다. 만약 주파수가 60Hz 이상으로 올라가면 발전기는 출력을 낮추는 방향으로 제어할 것이다. 발전기 하나가 어떤 섬 또는 고립된 지역의 소비자 부하를 담당하여 전력을 공급하는 단독 시스템(islanded power system)의 경우, 등속조속기 모드를 채택한다. 또한 전력시스템이 붕괴되어 다시 복구해야 할 경우에 등속조속기 제어모드를 사용할 수 있다.

그림 13 조속기의 드룹(droop)곡선

드룹의 필요성
시스템운용에서 등속조속기를 사용하는 것은 실용적이 아니며 일반적으로 복수의 발전기가 존재하는 전력시스템에서 등속조속기 모드는 사용되지 않는다. 이를 사용하는 전력시스템은 불안정해지기 쉬운데 부하가 급변하면 속도진동(speed oscillation) 상태로 되기 때문이다. 주파수를 60 Hz로 유지하기 위해 연속적으로 모든 발전기가  출력을 제어하려고 각자 움직이는 것이 원인이다. 만약 드룹특성이 조속기에 포함될 경우, 주파수변동이 생기면 자기의 조속기의 출력기준점을 중심으로 정격용량에 비례해 출력을 조정하여 주파수변동에 응동할 것이다. 부하변동에 따른 주파수변동이나 발전기 출력상실에 따른 주파수변동을 회복하기 위한 역할을 모든 발전기가 분담하도록 하는 것이다. 예를 들어 그림 13에서 실선의 드룹곡선처럼 출력기준점을 최대출력의 62.5% 출력으로 지정하여 놓았을 경우 주파수가 ‘점 a’의 높이로 변동하면 조속기는 제어밸브를 50% 출력의 방향으로 출력을 조정하고 ‘점 b’로 주파수가 이동하면 70% 출력의 방향으로 제어밸브를 조정한다. 이것은 드룹조속기의 특성으로서 조속기는 60 Hz에서 출력기준점의 값을 중심으로 주파수변동에 응동하여 드룹곡선을 따라서 출력을 조정하는 것이다. 예를 들어서 출력기준점을 90% 출력으로 이동하면 점선과 같이 실선의 드룹곡선을 수평으로 이동한 곡선과 같으며 이 경우에는 90%의 출력을 중심으로 하여 주파수의 변동에 응동한다. 이와 같은 응동작용은 원심력에 의한 회전구의 작용으로 연결막대가 제어밸브를 조정하여 발생하는 것이다. 따라서 1,000MW 발전기는 100MW 발전기보다 10배 더 많이 응동할 것이며 드룹곡선이 다른 발전기에 비해 좀 더 수평이면 출력조정의 폭이  더 크게 된다. 즉 주파수변동이 발생하면 발전기 정격출력 및 드룹곡선의 기울기에 따라 각 발전기가 출력조정을 분담하여 주파수를 회복하려고 응동하는 것이다.

드룹 특성을 갖는 조속기
 조속기의 드룹은 발전기의 출력이 무부하에서 정격출력으로 또는 정격출력에서 무부하로 바뀔 때의 주파수 변동을 %로 나타낸 것이다. 5%의 드룹값을 지정할 경우, 주파수가 61.5Hz에서 58.5Hz로 바뀐다면(3 Hz 또는 60 Hz의 5%의 변동) 조속기는 발전기의 출력을 0에서 100%로 바꾸려고 한다는 것이다. 5% 드룹을 채택했다고 해서 발전기를 58.5Hz에서 61.5Hz 사이에서 운전하도록 한다는 것을 의미하지는 않는다. 조속기의 드룹특성이라는 것은 주파수가 60 Hz에서 벗어났을 때 발전기가 어떻게 동작할 것인가를 나타낼 뿐이다. 실제의 시스템운용에서 발전기가 59.5Hz와 60.5Hz의 주파수 범위를 벗어나는 경우는 거의 없다. 일반적으로 시스템 운용자들은 3~7% 사이의 드룹 값을 제시한다.
 드룹값의 설정으로 인해 조속기는 주파수를 60 Hz로 회복하지 않는다. 이것은 조속기 제어시스템에 의도적으로 도입된 것이다. 만약 드룹값을 설정하지 않으면 조속기의 제어를 받고 병렬운전하고 있는 발전기는 출력을 조정하기 위해 다른 발전기와 경합할 것이다. 그러면 각각의 발전기가 독립적으로 출력을 바꾸므로 주파수를 회복하기 어렵게 된다. 실제로 드룹조속기가 주파수 변동에 따라 응동하는 출력의 범위는 좁다. 왜냐 하면 발전기는 에너지변환과정의 특성으로 인해 출력기준점을 중심으로 큰 폭으로 출력을 변경하지 못하기 때문이다. 실제로 순동예비력 가운데 약 10% 정도만이 빠르게 응동할 수 있다. 그러므로 그림 14와 같이 ‘점 B’에 이를 때까지 조속기가 초기의 주파수회복을 담당한다. ‘점 B’에 이르면 주파수조정이 더 이상 진행하지 않으므로 나머지 부분에 대하여 AGC가 주파수편차를 계산하여 주파수응동의 수치를 이용하여 조정하여야 할 출력을 계산한다. 그리고 AGC는 응동이 빠른 발전기에 할당할 출력을 계산한 후 각 발전기의 출력기준점 지정장치에 신호를 보내서 출력기준점을 변경하라고 명령을 한다. 조속기는 주파수가 급변할 경우 주파수 하락을 먼저 정지시키는 것이 주 역할이다. 물론 조속기에는 불감대(dead band)라는 것이 있어서 발전기 탈락 직후 즉 주파수가 하락하기 시작한 직후부터 조속기가 동작하지는 못하고 가장 먼저 관성응동 및 부하응동이 일어나 일단 주파수 하강을 저지하며 ‘점 B’에 도달할 때까지 조속기가 역할을 하는 것이다. 따라서 하락한 주파수를 회복하기 위해서는 순동예비력을 적정규모 이상으로 확보하여도 해결책이 되지 못하고 EMS의 AGC가 조속기의 출력기준점을 바꾸어 주어야 하는 것이다.
 이것은 발전기 탈락과 같은 총출력의 큰 변동으로 인하여 주파수가 급강하하는 것에 대한 설명이지만 사고가 발생하지 않은 정상상태에서도 조속기는 주파수 편차에 따라 연속적으로 주파수응동 기능을 하며 AGC는 4~5초마다 주파수편차를 검출하여 주파수조정 역할을 한다. 

그림 14 주파수하락과 회복

순동예비력
만약 조속기가 주파수변동에 따라 드룹 특성곡선을 출력을 조정하려고 한다면 이를 위해 발전기가 여유출력(headroom)을 갖고 있어야 한다. 여유출력이란 것은 운전 중인 개별 발전기의 정격출력과 현재 운전출력의 차이를 말한다. 각각의 여유출력을 합산한 것을 현재의 순동예비력이라고 말한다. 어떤 발전기가 불시에 고장정지를 일으켜 탈락하더라도 시스템주파수가 빠르게 규정치에 복귀하도록 하기 위하여 순동예비력은 확보되어야 한다. 발전기가 탈락으로 상실된 출력을 보충하기 위하여 지정된 시간 이내에 사용될 수 있는 순동예비력이 충분히 확보되어 있어야 한다. 실시간 시스템운용에서 순동예비력은 수시로 변동하므로 EMS는 5분마다 안전도제약 최적조류계산을 실행할 때 순동예비력의 변동을 감시하여 규정한 값보다 낮아지면 급전원에게 알려서 발전기를 기동하여 순동예비력을 보충하라고 경보를 보낸다. 
 일반적으로 전력시스템 신뢰도협의기관 또는 규제위원회는 운전 중인 발전기 가운데 가장 출력이 큰 발전기가 탈락할 경우 등에 대비하여 순동예비력이 지정된 시간 이내에 확보되어 탈락된 발전기의 출력만큼을 회복하고 한 시간 동안의 시스템부하의 변동에 대응하여 추가적 용량을 확보하여야 한다는 등의 규칙을 제정한다. 발전기의 불시고장정지에 대비하여 순동예비력이 충분히 확보되어야 할 뿐만 아니라 가장 응동이 빠른 발전기와 응동이 느린 발전기에 대하여도 출력이 서로 다르게 할당되어야 한다. 이렇게 할당함으로써 발전기가 탈락하였을 때 조속기가 주파수하락을 먼저 방지하고 AGC가 추가적으로 회복작용을 할 수 있다. 이에 해당하는 발전기는 시스템에 병입(synchronize)한 후 출력을 증가하여 최대출력에 도달하는 시간이 대단히 짧은 급속기동 디젤발전기, 가스터빈 발전기, 대부분의 수력발전기, 그리고 양수발전기 등이다. 이러한 발전기들은 최대출력에 도달하는 기간을 고려하여 전체적인 순동예비력 확보량을 계산할 경우에 고려된다. 순동예비력은 송전망의 각 송전선의 전력흐름의 한계를 고려하여 송전망 전체에 골고루 분포하여 출력을 조정할 수 있도록 배치되어야 한다. 이것을 ‘예비력 채워넣기(bottling)’이라고 말한다.
 하나의 발전기는 여유출력을 많이 갖고 운전하지만 조속기의 명령에 적절하게 반응할 수 없는 경우도 있다. 그러므로 순동예비력이라고 해서 모두 조속기의 명령에 재빠르게 응동할 수 있는 것은 아니다. 순동예비력 가운데 조속기의 명령에 빠르게 응동하는 부분을 발전기의 응동순동예비력이라고 말한다. 일반적으로 하나의 발전기가 갖고 있는 순동예비력은 조속기의 명령에 따라 빠르게 응동해야 하며 약 10초 이내에 충분히 사용할 수 있는 것이라야 한다.
 수력발전기가 보유하고 있는 순동예비력의 대부분은 응동순동예비력이다. 일반적으로 수력발전기의 에너지 변환과정의 성격으로 보아 조속기의 명령에 따라 출력변동을 더 많이 그리고 더 빨리 할 수 있다. 에너지 변환과정의 특성으로 인해 증기터빈-발전기의 경우 순동예비력 가운데 일부분만이 응동순동예비력으로 작용한다. 증기터빈발전기의 경우에는 보일러의 온도와 압력이 일정한 범위 내에 있어야 한다. 이 제약조건이 증기터빈발전기의 출력증가율(ramp rate)을 제한한다.