FRT(사고시 운전 계속) 요건(계통연계규정 JEAC 9701-2012) 

태양광발전설비 등이 미래에 대량으로 연계될 것으로 예상된다. 이러한 상황에서 계통사고로 광범위한 순시전압저하와 대규모계통전원 탈락 또는 계통분리로 인한 주파수변동으로 분산형 전원의 일제분리 및 출력저하가 계속 발생하면 계통전압·주파수 유지에 커다란 영향을 끼칠 우려가 있다. 이 때문에 「계통연계규정 JEAC 9701-2012」에서 순시전압저하와 주파수변동에 대해 사고시 운전 계속(FRT : Fault Ride Through) 요건이 새로이 규정됐다.

(1) 단상(單相) 인버터

2017년 4월 이후에 저압과 고압배전선에 연계되는 태양광발전용 단상 인버터에 적용될 FRT 요건은 <그림 1>과 같다. 전압저하 내량(耐量)에 관해서는 전압저하기간은 1초 이하이며 잔류전압이 20% 이상에서는 운전을 계속하고, 전압복귀 후 0.1초 이내로 순시전압저하 전 출력의 80% 이상, 잔류전압 20% 미만에서는 운전 계속 또는 게이트 블록하여 전압북귀 후 1.0초 이내로 순시전압저하 전 출력의 80% 이상이 되는 출력복귀특성이 규정됐다. 2017년 3월 말까지 연계되는 것에 대해서는 이보다 요건이 느슨해졌다.

▲ 그림 1. 단상 태양광발전설비의 FRT 요건(2017년 4월 이후에 연계하는 것)

㈜2018년 4월 이후에 연계되는 축전지설비, 연료전지설비에 대해서도 동일한 요건이 적용

주파수변동내량에 관해서는 시스템 상승의 상한치는 정격주파수의 101.6%로 상승기간은 0.06초 이하이다. 램프 상승·하강은 변화율 ±2Hz/s로 상한치는 정격주파수의 103%, 하한치는 95%이며, 이 상·하한치를 OFR·UFR의 정정치(整定値)로 한다. 이러한 주파수변동 내에서는 운전을 계속해야 한다.

고압측이 Y결선, 저압측이 △결선이며 각(角) 변위가 330°(저압측 전압위상은 고압측 전압위상에 대해 30° 진상)의 주상변압기에서, 고압측에서 잔전압 20%(사고시의 전압이 정격전압의 20%)의 3상 단락사고가 발생한 경우의 고압측과 저압측의 전압 벡터도는 <그림 2>와 같다. 고압측과 저압측의 사고시의 전압은 정격치(定格値)의 20%가 되지만 위상변화는 없다. 고압측에서 잔류 전압 20%의 b-c상 단락사고가 발생한 경우의 전압 벡터도는 <그림 3>과 같다.

▲ 그림 2. 고압측 잔류전압 20%의 3상 단락사고시의 전압 벡터도 (출처 : 계통연계규정 JEAC 9701-2012)

▲ 그림 3. 고압측 잔류전압 20%의 b-c상 단락사고시의 전압 벡터도 (출처 : 계통연계규정 JEA 9701-2012)

저압측의 a-b상, b-c상 선간전압은 52%이며, 위상변화는 각각 41° 지상, 41° 진상이 된다. c-a상 선간전압은 크기, 위상 모두 변하지 않는다. 주상(전주)변압기 결선이 V-V결선 등의 경우에는 불균형사고에 대한 저압측의 전압 벡터도는 이것과는 다르다는 점에 주의하기 바란다.

제2편에서 언급한 제어회로가 있는 단상 인버터가 주상변압기의 저압측의 a-b상에 연계되어 있는 조건에서 고압측의 잔류전압 0%의 3상 단락사고와 잔류전압 20%의 2상 단락사고가 발생한 경우의 FRT 성능의 시뮬레이션 조건과 결과는 <표1>, <그림 4>, <그림 5>와 같다.

▲ 표1. 단상 인버터의 FRT 성능 시뮬레이션 조건과 결과

▲ 그림 4. 단상 인버터의 FRT 성능 시뮬레이션 결과(고압측 잔류전압 0%의 3상 단락사고)

▲ 그림 5. 단상 인버터의 FRT 성능 시뮬레이션 결과 고압측 잔류전압 20%의 b-c상 단락사고

<그림 4>처럼 3상 단락사고시의 인버터 전압·출력 전력은 제로가 된다. 그러나 인버터 전류는 사고전후로 불변이다. 전압복귀 직후의 인버터 출력전력이 사고 직전의 80% 출력으로 회복되는 출력복귀특성은 20ms이며 FRT 요건의 1초 이내를 충족시키고 있다.

<그림 5>에 고압측에서 잔류전압 20%의 b-c상 단락사고가 발생한 경우의 FRT 성능의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

사고시의 인버터 전압·출력전력은 약 50%가 되며 전압위상은 변한다. 그러나 인버터 전류는 사고전후로 불변이다. 전압복귀 직후의 인버터 출력전력이 사고 직전의 80% 출력으로 회복되는 출력복귀특성은 4ms이며 FRT 요건의 0.1초 이내를 충족시키고 있다.

(2) 3상 인버터

2017년 4월 이후에 저압과 고압 배전선에 연계되는 태양광발전용 3상 인버터에 대해 규정된 FRT 요건의 전압저하내령에 관해 <그림6>의 단상 인버터와 다른 점은 전압저하기간뿐이며 이것이 0.3초 이내가 되고, 주파수변동내량은 동일하다. 2019년 10월 이후에 연계되는 축전지와 연료전지에 대해서도 동일한 요건이 적용된다.

▲ 그림 6. 3상 인버터의 FRT 선은 시뮬레이션 결과(고압측 잔류전압 0%의 3상 단락사고)

앞서 언급한 3상 인버터의 제어회로가 있는 인버터가 구내변압기(Y-△결선)의 저압측에 연계된 조건에서, 고압측에 잔류전압 0%의 3상 단락사고와 잔류전압 20%의 2상 단락사고가 발생한 경우의 FRT 성능 시뮬레이션 조건과 결과는 <표 2>, <그림 6>, <그림 7>과 같다.

▲ 표 2. 시뮬레이션 조건과 결과

▲ 그림 7. 3상 인버터의 FRT 성능 시뮬레이션 결과(고압측 잔류전압 20%의 b-c상 단락사고)

<그림 6>처럼 3상 단락사고시의 인버터 전압과 출력전력은 제로가 되지만 인버터 전류는 불변이고, 출력복귀특성은 10ms이며 FRT 요건의 1초 이내를 충족시키고 있다.

<그림 7>처럼 2상 단락사고시의 인버터 출력전력은 약 50%로 저하되고, 기본주파수의 배(倍)가 되는 진동성분이 나타난다. a-b상, b-c상 선간전압은 약 50%로 저하되고 위상도 변한다. c-a상 선간전압의 크기·위상은 변하지 않으며, 인버터 전류도 불변이다. 출력복귀특성은 10ms이며 FRT 요건의 0.1초를 충족시키고 있다. 

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