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전력시스템 운용 이란 무엇인가? <9>
공학박사 김영창 (전력경제신문 특별 연재 칼럼)
2019년 01월 06일 (일) 13:39:37 전력경제 epetimes@epetimes.com

NERC(북미신뢰도협의기관)은 시스템운용에 관한 각종 표준을 작성하고 문서화한다.
전력시스템운용기관은 NERC의 문서를 기준을 따르며 지역의 특성에 맞추어 신뢰도유지 기준을 작성한다.
EU 회원국의 송전망운용기관은 ENTSO-E의 표준을 따른다.

   
 

앞에서는 운용예비력의 필요성 및 분류에 대하여  설명하였으며 지금부터는 북미신뢰도협의기관(NERC) , 미국  텍사스 ERCOT  및 EU(유럽연합)의 운용예비력 분류에 대하여 살펴본다.

NERC의 예비력 분류
NERC가 운용예비력을 분류하는 기준의 특징은 실시간(on-line)과 비실시간(off-line)을 시간의 경과에 따라 명시하고 있다는 점이다. 전력시스템의 주파수를 유지하기 위하여  그림 19처럼 서로 다른 운용예비력이 사용된다. 이것은 전력시스템 운용자들이 예비력의 종류와 용어의 혼동을 불러일으킬 수 있는 요인이 될 수도 있다. NERC는 그림 19를 사용하여 운용예비력에  대해 설명한다.
 사고대비 예비력(contingency reserve)은 교란제어표준(DCS, disturbance control standard)과 기타 지역 별 신뢰도조정기관의 사고대비 요구수준을 충족시키기 위해 확보된 운용예비력을 말한다. 교란제어표준이란 전력시스템에 발전기 탈락 등과 같은 교란이 발생하였을 때 정상상태로 회복하기 위한 NERC의 표준적 조치를 의미한다. “Curtailable load“는 한 시간 이내에 차단할 수 있는 소비자부하를 의미한다. 주파수응동예비력(frequency-responsive reserve)은 36 mHz의 불감대(dead-band)를 지니며 6% 이하의 드룹(droop)을 제공할 수 있다는 것이 실증된 발전기 가운데 현재 운전 중인 발전기의 여유용량(headroom)을 말하며 그림 19의 (a), (b), (c)가 여기에 해당한다. 차단가능부하(interruptible load)는 10분 이내에 급전원의 운전원의 직접 지시로 차단될 수 있는 부하를 말한다. 비순동예비력(non-spinning reserve)은 10분 이내에 시스템에서 제거될 수 있는 차단가능부하 또는 수요변동에 에 대응해 제공될 수 있는 운용예비력으로서 그림 19의 (c)가 여기에 해당한다. 운용예비력(operating reserve)은 주파수조정, 수요예측 오차, 설비의 고장정지, 예방보수, 그리고 특정 지역의 시스템 운용특성에 대비해 요구되는 예비력을 말한다. 이것은 (a)+(b)+(c)+(d)+(e)에 해당한다. 계획예비력(planning reserve)은 발전기건설계획 수립에서 예측하는 연중 최대수요와 발전기용량의 합의 차이를 말한다. 

   
그림 19 미국 NERC의 예비력분류

예측운용예비력(projected operating reserve)은 그림 19의 (a)+(b)+(c)+(d)+(e)?모두를 말하며 문제가 되는 어떤 시점에 출력을 낼 수 있는 예비력을 의미한다. AGC조정 예비력(regulating reserve)은 자동출력제어(AGC)의 명령에 의하여 출력을 변경할 수 있는 순동예비력으로서 일상적으로 규정되는 최소량 이상으로 정상적인 주파수 조정을 위해 확보되어야 하는데 그림 19의 (a)가 이에 해당된다. 대체예비력(replacement reserve)은 그림 19의 (d)+(e) 부분이다. 사고대비 예비력에 대한 의무적인 회복기간은 교란이 회복된 이후 90분으로 정의하고 있다. 순동예비력(spinning reserve)은 운전 중인 발전기의 여유출력의 합에 해당하면서 10분 이내에 사용가능한 용량으로서 그림 19의 (b)가 여기에 해당한다. 보충적 운용예비력 서비스(supplemental reserve service)는  10분 이내의 짧은 시간에 예상치 못한 상황에 응동을 하기 위하여 사용되는 발전기로부터 추가적으로 제공되는 용량을 의미한다. 이것은 비순동예비력이라고도 말하며 그림 19의 (c)가 이것에 해당한다.

ERCOT의 운용예비력
그림 20은 텍사스 ERCOT의 운용예비력의 분류를 보여준다. 순동예비력(spinning reserve)은 전력시스템에 동기되어 있는 발전기의 여유용량(headroom)의 합을 의미한다. 조속기는 여유출력이 없는 발전기 즉 최대출력으로 운전하고 있는 발전기에 대해 출력을 높이라고 명령할 수 없다. 또한 AGC는 여유출력을 보유하지 않은 발전기의 출력기준점을 높일 수도 없다. ERCOT는 미국의 기타의 연계시스템과 달리 인접한 전력시스템과 직류연계선을 설치하여 운용하며 직류연계선의 여유용량이 순동예비력으로 사용될 수 있다. 만약 이 여유용량이 주파수 변동에 대응해 신속하게 사용될 수 있다면 이것을 순동예비력으로 사용할 수 있다.
 비순동예비력(non-spinning reserve)은 현재 동기되어 운전하고 있지는 않지만 지정된 시간 이내에 동기되어 사용될 수 있는 여유용량(MW) 또는 일정 시간 내에 차단할 수 있는 부하(interruptible load)를 의미한다. 비순동예비력의 예로서는 동기되어 있지 않고 대기 중인 가스터빈(연소 터빈)과 일정 시간 내에 차단할 수 있는 부하를 들 수 있다.
 ERCOT의 경우 응동예비력(responsive reserve)이라는 분야를 정의하고 있다. 이것은 주파수 변동에 따라 응동할 수 있는 전력시스템의 능력과 직결된다. 응동예비력은 주파수 편차가 발생했을 때 즉시 사용할 수 있는 MW 값을 포함한다. 응동예비력에는 순동예비력과 비순동예비력이 포함된다.  그림 20은 네 종류의 응동예비력을 열거한다. 이 가운데  3개는 순동예비력에 포함되고 1개는 비순동예비력에 포함된다. 응동순동예비력(responsive spinning reserve)은 동기되어 있지만 사용되고 있지 않은 발전기 출력의 한 부분으로서 조속기 제어에 따라 즉각 응동할 수 있는 것을 말한다. 예를 들면 발전기의 정격용량은 100만 kW인데 현재의 출력이 80만 kW이라고 한다면 20만 kW의 일부분이 조속기의 명령에 따라 출력을 변경할 수 있다.  조금 더 일반적인 순동예비력의 분류에서 보면 순동예비력은 조속기 제어에 반드시 응동해야 하는 것은 아니다. 응동예비력을 충분히 확보하여야 조속기가 유효한 제어를 할 수 있다.
 직류연계선조류는 일반적으로는 주파수의 변동에 따라 응동하지 않는다. 그러나 HVDC의 제어시스템은 발전기 조속기의 역할과 유사하게 직류연계선의 전력조류를 제어할 수 있다. 만약 주파수가 하락하면 발전출력이 부족한 제어지역(control area)에 신속하게 자동적으로 추가적으로 전력을 공급할 수 있도록 제어하는 작용을 할 수 있다. 그러므로 직류연계선으로부터 응동순동예비력의 일부를 사용할 수 있다. 직류연계선이 응동순동예비력의 역할을 하려면 주파수가 일정수준 이하로 하락하였을 때 직류연계선이 추가적인 응동예비력을 공급할 수 있어야 한다.
 일반적으로 차단가능부하를 활용하는 것은 소비자부하를 차단함으로써 순동예비력이 부족한 상황을 피하기 위한 목적이다. 예를 들어 총출력이 부족하게 되어 주파수가 하락하는 상황이 되면 시스템운용자는 수동으로 소비자부하를 차단해야 한다. 이것은 ‘몸통을 살리기 위해 팔을 절단하는 이론’과 기본적으로 동일하다. 부하차단을 실시하는 재래식 기법의 변형은 차단가능 응동예비력(interruptible responsive reserve)이다. 이것은 미리 설치된 자동 저주파수계전기가 소비자부하를 자동적으로 차단함으로 확보되는 운용예비력을 말한다. 만약 주파수가 차단을 시작하는 주파수 이하로 하락하면 20 Hz(1/3 초) 이내에 소비자부하가 차단된다. ERCOT의 경우, 차단을 시작하는 주파수는 59.7Hz이다. 일단 소비자부하가 차단되면 이 부하는 급전소의 허가가 없으면 다시 연결될 수 없다. 차단된 부하를 다시 연결하려면 추가적인 발전출력을 확보해야 한다.

   
그림 20 미국 ERCOT의 운용예비력 분류

응동예비력의 마지막 분류는 수력응동예비력(hydro responsive reserve)이다. 수력발전기는 동기조상기(synchronous condenser)로서 사용될 수 있다. ‘컨덴서 모드’로 작용할 때 수력발전기는 사실상 동기모터로 운전되고 있는 것이다. 만약 이 발전기가 미리 지정한 기준을 만족할 수 있다면 ‘컨덴서 모드’로 운전될 때에는 응동예비력으로 사용될 수 있다. 어떤 종류의 수력발전기에 특별한 장치를 설치하면 주파수 편차에 따라 10초 이내에 ‘컨덴서 모드’에서 ‘발전 모드’로 전환될 수 있다. 만약 이 발전기가 신속히 모드를 전환할 수 있다면 주파수하락을 저지하는 용도로서 유효하게 사용될 수 있다. 미국의 경우, 수명이 다한 발전소를 폐지하여도 발전기는 동기조상기로서 다시 사용한다. 동기조상기는 무효전력보상장치로서 무효전력을 흡수하거나 무효전력을 발생하여 양방향으로 연속적으로 전압을 조정하는 능력이 뛰어나기 때문이다.
 전력시스템은 충분한 양의 AGC조정 예비력(regulating reserve)을 확보해야 한다. AGC조정 예비력은 순동예비력의 부분집합(subset)이며 AGC의 명령을 따른다. AGC조정 예비력이 충분히 확보되지 않으면 정상상태에서 부하변동을 추종할 수 없다.
 응동순동예비력이 확보되고 차단가능 에너지의 구매(interruptible energy purchase)가 가능해진 이후의 예비력을 즉응예비력(ready reserve)이라고 한다.

유럽 ENTSO-E(The European Network of Transmission System Operators for Electricity)의 운용예비력
 ENTSO-E는 2009년 7월부터 완전하게 기능을 하고 있으며 유럽 내의 42개의 송전망운용기관(TSO)에 대하여 안전도(security), 적정성(adequacy), 전력시장운영, 그리고 지속가능성 등에 대하여 조정역할을 한다. 이것은 그림 21에 나타나 있다. ENTSO-E의 목적은 송전망운용자를 위하여 기술관련 정책문제에 초점을 맞추는 일이다. 그러므로 유럽의 송전망운용기관에 대하여 운용예비력의 사용을 안내하는 여러 가지의 신뢰도 표준은 ENTSO 내에서 유지된다. 여기에서는 이 기관의 전신이며 유럽 대륙의 연계전력시스템을 의미하는 UCTE를 위해 제정한 정책을 중심으로 운용예비력을 간략하게 소개한다.

   
그림 21 유럽 ENTSO_E와 미국 NERC의 운용예비력 분류의 차이

ENTSO의 사고대비 예비력은 3 개의 운용예비력에 분포되어 있는 것으로 가정한다. 일차예비력은 빠르게 작동하여야 하며 2차예비력은 이보다 느리게 작동하며 3차 예비력은 2차보다 느리게 작동한다. 느리게 작동하는 예비력은 빠르게 작동하는 예비력이 소진되면 작동하는 보충적 성격이라고 보면 된다. 각국의 송전망운용기관(TSO)은 자기 지역 내의 전력시스템운용을 담당하며 일차제어와 2차제어를 하면서 동시에 연계선조류제어오차(ACE)를 0으로 하기 위하여 발전기출력을 조정하여야 한다.

 

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