태양광·풍력 계통연계: 인버터엔 관성이 없다

신재생 비율을 끌며 주파수 읽기

곡선은 발전기 하나가 떨어져 나간 직후 계통 주파수가 시간에 따라 어떻게 변하는지 나타낸다. 아래 막대의 손잡이를 끌어 신재생 비율을 높이면 동기기가 줄어 계통 관성이 작아지고, 같은 크기의 사고인데도 주파수가 더 가파르게 떨어지며 최저점이 더 깊어져요. 최저점이 초록 점선, 곧 저주파수 부하차단 문턱인 59.43 Hz 아래로 내려가면 곡선이 빨갛게 바뀌고 부하차단이 발동한다. 이 그림에서는 신재생 비율이 약 46%를 넘을 때 그렇게 된다.

인버터가 사이에 들어선다

동기발전기는 계통에 직접 붙어 있어 회전자가 계통 주파수와 한 몸으로 돈다. 그러나 태양광은 직류를 내고, 풍력 발전기의 상당수는 바람에 따라 주파수가 바뀌는 교류를 내서 그대로는 60 Hz 계통에 이을 수 없어요. 그래서 인버터라는 전력전자 장치가 사이에 들어가 그 출력을 계통의 주파수 · 전압 · 위상에 맞춰 새로 만들어 밀어 넣는다. 인버터는 계통을 재면서 동기를 맞추는 똑똑한 장치이지만, 에너지원과 계통을 떼어 놓는 바로 그 성질 때문에 관성이 사라진다.

관성이 주파수를 떠받친다

계통 주파수는 발전과 부하의 균형을 가리키는 바늘이다. 발전이 갑자기 모자라면 주파수가 떨어지는데, 그 첫 하강 속도 RoCoF = ΔP/2H는 계통의 관성 상수 H에 반비례해요. 동기발전기의 무겁게 도는 회전자는 ½Jω²의 운동에너지를 품고 있다가 사고 순간 그 에너지를 저절로 내놓아, 주파수가 천천히 떨어지도록 받친다. 인버터는 에너지원(태양 · 바람 · 배터리)을 계통 주파수와 전자적으로 떼어 놓기 때문에, 따로 제어를 넣지 않는 한 이런 관성을 내놓지 않는다.

관성이 줄면 무엇이 문제인가

신재생 비율이 높아져 동기기를 밀어낼수록 계통 관성이 줄고, 같은 발전 탈락에도 주파수가 더 빠르게(RoCoF↑) 더 깊이(최저점↓) 떨어진다. 그림에서 비율을 0%에서 90%로 올리면 관성 상수 H가 5.6초에서 1.1초로 줄고, RoCoF는 0.32에서 1.64 Hz/s로 다섯 배쯤 커지며, 최저점은 59.53 Hz에서 59.13 Hz로 내려가요. 너무 깊이 떨어지면 저주파수 부하차단이 일부러 부하를 끊어 붕괴를 막아야 하고, 그것도 모자라면 광역 정전으로 번진다. 대책은 인버터에 합성 관성(가상 관성) 제어를 넣어 관성을 흉내 내게 하고, 배터리의 빠른 주파수 응답을 더하며, 동기 조상기를 계통에 두는 것이다. 신재생 전환의 핵심 공학 과제가 바로 이 관성 부족이다.

첫 화면으로 돌아가서

사고의 크기는 그대로였는데 신재생 비율을 올릴수록 주파수 곡선이 더 가파르게 떨어지고 최저점이 더 깊어졌으며, 절반 가까이에서는 곡선이 초록 점선 아래로 내려가 빨갛게 바뀌었어요. 달라진 것은 사고가 아니라 그 충격을 받쳐 줄 회전 관성의 양이었다. 인버터는 계통에 똑똑하게 동기를 맞추지만 동기기처럼 무거운 회전자를 갖지 않아 주파수를 받칠 관성을 내놓지 못한다. 신재생으로 넘어가는 일은 깨끗한 에너지를 얻는 대신 이 관성을 어떻게 되살릴지라는 숙제를 남기고, 그 숙제가 다음 유닛의 안정도 이야기로 이어진다.

관성과 주파수 이야기를 꺼냈으니, 마지막 유닛(PW-E2)에서 계통 안정도와 주파수를 한데 모은다. 수급 균형이 주파수를 정하고, 사고가 나면 관성이 먼저 하강을 늦춘 뒤 거버너가 하강을 멈추고 자동발전제어가 주파수를 60 Hz로 되돌려요. 이 그림에서 곡선이 60 Hz까지 돌아오지 않고 조금 아래에 머문 것도 거버너만 동작했기 때문이다. 또 D1에서 본 전력각 곡선 위에서 사고로 벌어진 위상각이 등면적 조건을 넘으면 발전기가 동기를 잃는 과도 안정도까지 다루며, 지금까지의 조각이 안정이라는 한 그림으로 맞춰진다.