국한화(局限化) 계전기 

분산형 전원과 그것이 연계되어 있는 계통전압과의 사이에 있는 개폐기(배전용 변전소의 배전선의 인출구 차단기와 배전선의 구분 개폐기 등) 개방으로 인해 분산형 전원이 단독운전상태로 이행했을 때 그 개폐기의 위치를 개방점이라고 한다. 

개방점에 유효전력과 무효전력이 흐르고 있던 상태에서 단독운전으로 이행하면 발전설비출력과 계통부하와의 사이에서 유효전력과 무효전력이 불평형이 되고 주파수와 전압이 변화하여 주파수 상승·저하 계전기(OFR, UFR)와 과전압·부족전압 계전기(OVR, UVR)가 동작하여 분산형 전원이 분리된다. 

이러한 계전기는 국한화(局限化) 계전기라고 하며 태양광발전 시스템의 개방점 전력과 전기량 변화와의 관계는 <그림 1>과 같다. 

▲ 그림 1. 태양광발전 시스템의 개방점 전력과 전기량 변화의 관계

분산형 전원이 태양광발전처럼 인버터를 이용하고 있는 것과 동기(同期)발전기처럼 회전기계를 이용하고 있는 경우, 개방점 전력과 전기량 변화의 관계는 서로 다르다. 이러한 발전설비에 대해 개방점에 유효전력만이 흐르고 있는 경우와 무효전력만이 흐르고 있는 경우의 단독운전 시 전기량(전압, 주파수)의 변화는 <표 1>과 같다. 

▲ 표1. 분산형 전원 종류와 단독운전상태에서의 전기량 변화

개방점에 유효전력만이 흐르던 경우는 단독운전상태에서 발전설비와 계통부하와의 사이에서 유효전력의 불평형이 발생하고 인버터에서는 주로 전압이 변하고 동기발전기에서는 주로 주파수가 변한다. 

무효전력만이 흐르고 있던 경우에는 발전설비와 계통부하와의 사이에서 무효전력의 불평형이 생겨서 인버터에서는 주로 주파수가 변화하고 동기 발전기에서는 주로 전압이 변화한다. 

개방점 전력이 제로인 경우에는 주파수와 전압은 변하지 않으므로 국한화 계전기로는 단독운전을 검출할 수 없기 때문에 나중에 언급하겠지만 단독운전 검출 기능으로 검출된다. 

태양광발전 시스템 개방점에 유효전류만 유입된 경우의 전압 변화는 <그림 2>와 같다. 단독운전상태에서는 인버터가 출력하는 유효전력은 50kW이며 이에 대해 계통부하가 소비하는 유효전력은 60kW이기 때문에 불평형이 된다. 이 때문에 인버터는 전압이 저하되어 계통부하가 소비하는 유효전력을 50kW로 저하시키고 유효전력이 균형을 이루도로고 한다. 한편 주파수는 거의 변하지 않는다. 

▲ 그림 2. 태양광발전 시스템의 유효전력이 불평형 시의 전압 변화

태양광발전 시스템 개방점에 지상무효전류만이 유입된 경우의 주파수 변화는 <그림 3>과 같다.

▲ 그림 3. 태양광발전 시스템의 무효전력이 불평형일 때의 주파수 변화

단독운전상태에서는 인버터가 출력하는 무효전력은 역률 1로 운전을 위한 0kVar이며 이에 대해 계통부하가 소비하는 지상무효전력은 10kVar이기 때문에 불평형이 된다. 때문에 인버터는 주파수를 상승시켜 계통부하가 소비하는 지상무효전력을 저하시키고 무효전력이 균형을 이루도록 한다. 한편 전압은 거의 변하지 않는다. 

단독운전 검출기능 

(1) 수동적 방식

개방점 전력이 제로에 가까운 조건에서 단독운전상태가 되면 전압과 주파수 변화는 아주 적기 때문에 국한화 계전기로 이 상태를 검출할 수 없다. 때문에 주파수와 위상변화 등에 고감도로 응동하는 다음의 수동적 방식으로 단독운전을 검출해야 한다. 이 원리에 관해서는 제3편에서 설명한다. 

• 주파수 변화율 검출방식

• 전압위상도약 검출방식

• 3차 고조파전압 왜곡검출방식

(2) 능동적 방식

① 종래형 능동적 방식

개방점 전력이 완전히 제로인 조건에서 단독운전상태로 이행하면 주파수와 전압은 변하지 않기 때문에 능동적 방식으로 단독운전상태를 검출해야 한다. 이 방식은 역변환장치(인버터)의 제어회로 등에 대해 상시 전압과 주파수 변동(능동신호)을 제공하고 단독운전이행 후에 현저해지는 주파수 등의 변화로 단독운전상태를 검출하는 것이며, 다음의 종래형과 이것보다 고성능의 신형이 있다. 

• 주파수 시프트 방식

• 슬립 모드 주파수 시프트 방식

• 유효·무효 전력변동방식

• 차수간 고조파주입방식

• 부하변동방식 

이러한 원리에 관해서는 제3편에서 언급한다. 

② 시형 능동적 방식( 「계통연계규정 2020」의 추가규정)

주상변압기에서 고저압 혼촉사고 시 접지점의 전위가 600V를 초과하지 않도록 B종 접지공사가 행해지고 있는 경우는 1초 이내에 혼촉사고는 제거되어야 한다. <그림 4>처럼 고저압 혼촉사고가 발생한 후 배전용 변전소의 지락계전기가 동작하여 배전용 변전소의 인출구 차단기가 개방되기까지 0.5~0.9초의 시간이 걸린다. 

▲ 그림 4. 태양광발전 시스템 등 다수대 연계 시의 문제점

태양광발전 설비 등이 연계된 상태에서 이 차단기가 개방된 후에는 단독운전상태가 되고 여기에 흐르고 있는 전력이 제로에 가까운 조건에서는 수동적 방식과 능동적 방식으로 단독운전을 검출해야 한다. 혼촉사고를 1초 이내로 제거하기 위해서는 이러한 방식으로 인한 단독운전 검출시간과 분산형 전원 차단시간의 합계는 0.1~0.5초 이내여야 한다. 그러나 다수대(多數臺)의 태양광발전설비 등이 연계되어 있는 경우에는 종래형 능동적 방식으로는 능동신호의 상호간섭 등으로 인해 이 시간 내에 단독운전을 검출하는 것이 곤란하다는 점이 상정된다. 이 때문에 「계통연계규정 2020」에는 신형 능동적 방식이 규정됐다. 

신형 능동적 방식은 스텝 주입부 주파수 피드백 방식이라고 하며 인버터용으로 개발된 것으로 원리 흐름은 <그림 5>와 같다. 주파수 변동을 검출하면 그 변동을 조장하는 방향으로 급속히 무효전력을 주입하는 주파수 피드백부와 주파수 변동이 근소한 경우에는 고조파 전압과 기본파 전압 변화로 인해 용량성 무효전력을 주입하여 주파수가 저하하는 방향으로 변동을 일으켜 주파수 피드백부를 가능하게 하는 스텝 주입부로 구성된다. 

▲ 그림 5. 신형 능동적 방식(스텝 주입부(付) 주파수 피드백 방식)

이 방식은 고속으로 단독운전을 검출할 수 있어 동일 방식 간에 상호간섭이 없고 다수대 연계 시에 능동신호가 계통전압과 주파수에 영향을 주지 않는 특징이 있다. 현재는 단상용이 개발되어 사용되고 있다. 

신형 능동적 방식의 성능 시뮬레이션 조건과 결과는 <표 2>와 <그림 6>과 같다. 

▲ 표2. 신형 능동적 방식의 성능 시뮬레이션 조건

▲ 그림 6. 신형 능동적 방식의 성능 시뮬레이션 결과

개방점 전력이 거의 제로인 조건에서 3초에 개방되어 단독운전으로 이행하고 있다. 그후의 주파수는 저하되고 용량성 무효전력(계통 측에서 보아)이 급속히 주입되어 주파수 저하가 급격해지고 단독운전으로 이행 히 50ms 후의 주파수 변동이 1.2Hz에 이른다는 점에서 0.1초 이내로 단독운전을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 

시뮬레이션 조건으로는 태양광발전 시스템은 1대이지만 다수대에서도 동일한 검출시간을 얻을 수 있다.  

※본 기사는 「그림으로 해설한 분산전원(태양광, 풍력 발전 등)의 고·저압 배전선 계통연계」 에서 발췌한 내용입니다.