1. 주파수 변동과 입출력 평형
부하가 급격히 증가할 경우 계통 주파수와 발전기 출력은 다음과 같은 과정을 거침.
- 부하 증가 ($\Delta L$) 발생: 부하가 갑자기 증가하면 전력계통의 평형이 깨짐.
- 주파수 저하: 초기에는 회전체의 관성 에너지가 방출되면서 주파수가 급격히 떨어짐.
- GF(Governor Free) 작용: 조속기(Governor)가 반응하여 발전기 출력을 증가시킴 ($\Delta P_G$).
- GF 적용 시: 주파수 하락 폭이 작고 빠르게 안정됨.
- GF 미적용 시: 주파수가 계속 하락하여 계통 붕괴 위험이 있음.
- 발전기 출력 증가 : 발전기 출력 증가는 EMS의 LFC를 통해 이루어짐
2. 주파수 제어의 정적 특성
발전기 특성 곡선($G$)과 부하 특성 곡선($L$)의 교차점을 통해 동작 원리를 설명할 수 있음.
- 운전점 변화:
- 초기 평형 상태인 ①번 지점에서 부하 증가로 인해 곡선이 $L \rightarrow L’$로 이동함.
- 발전기 조속기 작동(Droop 특성)에 의해 새로운 평형점 ②번 지점으로 이동함. (조속기가 작동안한다면 a점으로 이동 함)
- 전력 수급 조정:
- 부하 증가량($\Delta L$)은 발전기 출력 증가분($\Delta P_G$)과 주파수 저하에 따른 부하 감소분($\Delta P_L$)의 합으로 충당됨.
- 2차 제어 (LFC):
- ②번 지점에서 다시 원래 주파수로 복구하기 위해 발전기 출력 특성을 $G \rightarrow G’$로 평행 이동시켜 ③번 지점에서 최종 평형을 이룸.
3. 속도 조정률 (Droop)의 역할
발전기 출력 변화율과 주파수 변화율의 관계를 나타내며, 각 발전기가 부하 분담을 결정하는 기준이 됨.
- 공식: $R = \frac{\Delta f / f_n}{\Delta P / P_n} \times 100 [\%]$
- 특징: 조정률이 작을수록 주파수 변화에 민감하게 반응하여 계통 안정화에 크게 기여함.
4. 제언
- 신뢰도 유지: 최근 신재생에너지 증가로 인한 저관성 계통에서는 GF의 역할이 더욱 중요해짐.
- 보완 대책: 속도 응답성이 빠른 ESS(에너지저장장치) 등을 활용하여 조속기의 응답 지연을 보완하는 하이브리드 주파수 제어 전략이 필요함.