1. 발전기 속도와 주파수

[CitizenErased]

주파수는 교류 전기의 주기적인 변화 빈도를 나타내며, 1초 동안에 전압이 변하는 횟수를 의미한다. 단위는 Hz(헤르츠)이다. 예를 들어 60Hz는 발전기가 1초에 60번 회전한다는 뜻이다. 주파수는 발전기의 회전 속도로, 발전기 속도와 주파수는 일치한다. 주파수를 일정하게 유지한다는 것은 발전기 회전 속도를 일정하게 유지한다는 것이다. 따라서 주파수 제어는 발전기의 속도 제어로 이뤄진다.

전력시스템에는 다양한 발전기가 연계되어 있다. 특정 발전기의 속도가 상승하면 다른 발전기도 함께 상승하고, 속도가 줄어들면 다른 발전기도 같이 떨어진다. 전영환 홍익대학교 전자전기공학부 교수는 ‘에너지전환과 전력계통-원자력발전소를 중심으로’라는 주제로 열린 웨비나2)에서 주파수 제어 원리를 다양한 유형의 차량이 큰 바퀴를 끌고 올라가는 것에 비유했다.

전 교수는 “주파수가 상승하면 특정 발전기만 올라가는 것이 아니라 전체 발전기와 에너지를 공유한다”며 “모든 자동차가 동일 속도로 올라가야 60km/h 속도로 끌고 올라가는 것이 되는데 이 과정에서 자동차 한 대가 정지하면 속도가 떨어진다. 속도가 떨어지면 다른 자동차들이 정지한 자동차도 함께 끌고 가야 하는데 이 자동차도 동일한 속도를 유지한다는 의미”라고 설명했다.

이어 “특정 발전기가 고장나더라도 다른 발전기의 에너지 출력을 높이면 된다는 것”이라며 “가동을 멈춘 발전기가 많아질수록 다른 발전기의 부담은 커진다”고 덧붙였다. 아래 그림에서 60km/h는 60Hz, 바퀴를 끌고 올라가는 자동차들은 다양한 유형의 발전기를 뜻한다.

출처=‘에너지전환과 전력계통’ 웨비나 자료

전력수요가 늘어나면 발전기 속도와 주파수가 줄어든다. 반면, 전력수요가 감소하면 발전기 속도와 주파수는 올라간다. 1000MW(메가와트) 발전기 10대가 연계되어 있고, 발전기 1기당 900MW 출력을 낸다고 가정했을 때 총 전력 생산량은 9000MW이다.

전 교수는 “회전하는 발전기는 운동에너지라고 하는 에너지저장장치를 가지고 있는데 순간적으로 에너지가 필요하면 방출하고 필요 없으면 에너지를 흡수 및 저장하는 버퍼(Buffer) 역할을 한다”며 “에너지가 변동하면 저장하고 있는 운동에너지가 변동하고 이에 따라 속도가 변한다. 순간적으로 에너지 미스매치(mismatch)가 일어나면 속도 변화로 나타나기 때문에 속도를 제어함으로써 전체 에너지 수급을 맞추는 구조”라고 설명했다.

그는 “수요가 갑자기 100MW 늘어나면 총수요는 9100MW가 되는데 모자라는 100MW가 어디서 공급되느냐는 것”이라며 “100MW는 발전기가 저장하고 있는 운동에너지에서 빠져나간다. 발전기 자체가 에너지를 저장하고 있어 들어오는 양보다 방출되는 양이 많게 되면, 발전기 저장분에서 에너지가 빠져나가는 것”이라고 전했다. 발전기가 저장하고 있는 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하고, 에너지가 방출되면 속도는 줄어든다.

자료=‘에너지전환과 전력계통’ 웨비나 자료

<각주>

2) https://kpostnuclear.org/2021/06/20/%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%EC%A0%84%ED%99%98%EA%B3%BC-%EC%A0%84%EB%A0%A5%EA%B3%84%ED%86%B5-%EC%9B%90%EC%9E%90%EB%A0%A5-%EB%B0%9C%EC%A0%84%EC%86%8C%EB%A5%BC-%EC%A4%91%EC%8B%AC%EC%9C%BC%EB%A1%9C/