태양광·풍력 계통연계: 인버터엔 관성이 없다

신재생 비율을 끌어 주파수를 보라

곡선은 발전 탈락 사고 직후 계통 주파수의 변화다. 손잡이를 끌어 신재생 비율을 높여라. 동기기가 줄어 계통 관성이 작아지면, 같은 크기의 사고인데도 주파수가 더 가파르게 떨어지고 최저점이 더 깊어진다. 초록 선 아래로 내려가면 저주파수 부하차단이 발동한다.

인버터가 사이에 선다

동기발전기는 계통에 직접 연결되어 회전자가 계통 주파수와 한 몸으로 돈다. 그러나 태양광은 직류를 내고, 풍력은 바람 따라 주파수가 변하는 교류를 낸다. 그대로는 60 Hz 계통에 이을 수 없으니, 인버터라는 전력전자 장치가 사이에서 그 출력을 계통의 주파수·전압·위상에 정확히 맞춰 합성해 밀어 넣는다. 인버터는 계통을 측정해 능동적으로 동기를 맞추는 똑똑한 장치이지만, 바로 그 점이 관성의 부재로 이어진다.

관성이 주파수를 떠받친다

계통의 주파수는 발전과 부하의 균형을 비추는 바늘이다. 발전이 갑자기 부족해지면 주파수가 떨어지는데, 그 떨어지는 속도 RoCoF = ΔP/2H는 계통의 관성 H에 반비례한다. 동기발전기의 무겁게 도는 회전자는 ½Jω²의 운동에너지를 품어, 사고 순간 그 에너지를 자동으로 내놓아 주파수가 천천히 떨어지게 떠받친다. 인버터는 에너지원(태양·바람·배터리)을 계통 주파수에서 전자적으로 분리하므로, 별도 제어를 넣지 않는 한 이런 관성을 본래 내지 않는다.

관성이 줄면 무엇이 문제인가

신재생 비율이 높아져 동기기를 밀어낼수록 계통 관성이 줄고, 같은 발전 탈락에도 주파수가 더 빠르게(RoCoF↑) 더 깊게(최저점↓) 떨어진다. 너무 깊으면 저주파수 부하차단이 발동해 일부러 부하를 끊어 붕괴를 막아야 하고, 더 나아가면 광역 정전으로 이어진다. 대책은 인버터에 합성 관성(가상 관성) 제어를 넣어 관성을 흉내 내게 하고, 배터리의 빠른 주파수 응답을 더하며, 충분한 동기 조상기를 남겨 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 깊어졌다. 달라진 것은 사고가 아니라 그 충격을 받쳐 줄 회전 관성의 양이었다. 인버터는 계통에 똑똑하게 동기를 맞추지만, 동기기처럼 무거운 회전자를 갖지 않아 주파수를 떠받칠 관성을 내주지 못한다. 신재생으로의 전환은 청정한 에너지를 얻는 대신 이 관성을 어떻게 되살릴 것인가라는 숙제를 남기고, 그 숙제가 다음 유닛의 안정도 이야기로 이어진다.

관성과 주파수 이야기를 시작했으니, 마지막 유닛(PW-E2)에서 계통 안정도와 주파수를 한데 모은다. 수급 균형이 주파수를 정하고, 관성(1차)·거버너(2차)·자동발전제어(3차)가 차례로 주파수를 60 Hz로 되돌린다. 또 D1에서 본 전력각 곡선 위에서, 사고로 벌어진 위상각이 등면적 조건을 넘기면 발전기가 동기를 잃는 과도 안정도까지: 지금까지의 모든 조각이 안정이라는 한 그림으로 맞춰진다.